Электронные устройства стали настолько миниатюрными, что подчиняются уже не нашим привычным законам, а живут в мире квантовой механики. Так, Константин Катин, профессор НИЯУ МИФИ, работающий в составе многонациональной международной группы ученых, сообщил о новых исследованиях: прямо сейчас ведутся работы по изучению вольтамперных характеристик нанослоя из иона рутения (относится к платиновым металлам). Конечная цель — создание электронных компонентов, не превышающих по размерам одной молекулы. Звучит фантастически, но, как заявляет Константин, это перспектива ближайших 10-15 лет. Это даст огромный прирост в производительности компьютеров и сильно снизит их энергопотребление — последний шаг миниатюризиции электроники. 

В мире квантов действуют совершенно иные законы: здесь одна частица может одновременно и существовать, и не существовать, а также находиться в двух разных местах. Сумеет ли практическая физика обуздать квантовый хаос? Попробуем разобраться.

Как работает закон Мура

В 1965 году инженер и соучредитель Intel Гордон Мур выдвинул гипотезу, что количество транзисторов на интегральной микросхеме будет удваиваться каждый год. Это предсказание позже назвали «Законом Мура». Автор предположил, что электроника станет развиваться очень быстро, постепенно становясь мощнее, энергоэффективнее и дешевле. Собственно, в XXI веке так и произошло. Основой закона выступила «неизбежность технического прогресса».

Примечательно, что первые годы закон вообще не работал, и Муру пришлось внести коррективы в 1975-ом — теперь удвоение предсказывалось каждые 24 месяца. Этот прогноз стал куда ближе к реальности. 

Но почему такое внимание именно к транзисторам? Эти микроскопические компоненты электроники выступают в роли «переключателей», позволяющих обрабатывать данные в двоичной системе. Основой современных транзисторов являются полупроводники, которые в обычном состоянии не проводят электрический ток. Но всё переворачивается после внесения в их кристаллическую решетку примесей с атомами трехвалентного или пятивалентного химического элемента. Меняя напряженность электрического поля, мы можем управлять пропускной способностью транзистора. И чем их больше уместится на плате, тем массивнее объёмы обрабатываемых данных.

Сегодня Закон Мура часто критикуется, вызывает споры среди физиков и экспертов по электронике. Многие полагают, что он перестал работать из-за физических, финансовых и иных пределов. Например, можно отследить, как менялась стоимость кремниевых пластин TSMC в погоне за миниатюризацией: 7 нм — $10 тыс., 5 нм — $16 тыс., 3 нм — $20 тыс. Но пока это единственная схема, наглядно демонстрирующая уменьшение электронных компонентов с течением времени. 

Причём здесь нанометры

Если вы интересуетесь миром смартфонов и хотя бы изредка читаете обзоры на современную электронику, то сталкивались с понятием техпроцесса. Например, одна из ключевых «фишек» новых iPhone 15 Pro — 3-нм техпроцесс при изготовлении чипов. Здесь нам понадобится пара понятий из физики:

• Затвор транзистора — изолированный проводник, управляющий электрод, регулирующий поток носителей заряда в канале (от истока транзистора к стоку);

• Техпроцесс ранее — размер затвора транзистора (после преодоления 32 нм понятие теряет актуальность).

Когда-то техпроцесс был строго привязан к размеру затвора, но потом прогресс ушел далеко вперед, и занимаемое транзисторами место перестало определяться только шириной канала. Сейчас это больше маркетинговый ход, поскольку у каждой компании свое понятие «нанометров». Объясним это на примере. Какие размеры транзисторов у 10-нм чипов двух разных производителей:

• TSMC — 66 на 42 нм;

• Intel — 54 на 44 нм.

Получаются разные по габаритам транзисторы, но с одним техпроцессом в названии. Поэтому отследить прогресс можно только в рамках линейки от одного производителя: мы точно знаем, что у TSMC 7 нм производительнее 10 нм, но если начинать сравнивать с Intel, возникает путаница. Добавьте к этому технологии Samsung, японских, китайских инженеров, и получите неразбериху.

Вывод здесь простой: чем меньше нанометров в названии, тем мощнее ядро устройства, если сравнивать с предыдущим поколением. Но всегда ли «меньше — значит лучше»? Нет, не всегда. Так, инженеры Google уверяют, что «микрочипы становятся непредсказуемыми по мере уменьшения техпроцесса». Их коллеги из AMD подтверждают теорию: «Более тонкие техпроцессы усугубят ситуацию с перегревом». В конечном итоге придется пересмотреть подход к системе охлаждения. Всё-таки, физические законы пока никто не отменял.

Гонка размеров

Мировых лидеров по производству полупроводниковых компонентов не так много. Выделим последние достижения законодателей мод:

• TSMC. Тайваньский гигант, поставляющий на рынок около 50% всех чипов. По последним данным, TSMC активно работает над техпроцессом 2 нм — массовый выпуск продукции нового поколения запланирован на 2025 год.

• Intel. Американская корпорация, пытающаяся не отставать от TSMC. Так, их инженеры уже тестируют новый техпроцесс Intel 4. Здесь отчетливо проявляется путаница нанометров, которую запустили компании: в названии фигурирует цифра 4, в Intel техпроцесс называют 7-нм, а конкурирует он с 3-нм от TSMC.

• Samsung. Корейский поставщик вторым после TSMC заявил о запуске серийного производства 3-нм чипов. Освоить 2 нм они планируют также в 2025 году.  

• Китай. Отдельно затронем несколько китайских производств. Как сообщают СМИ, в Китае с высокой долей вероятности появилось собственное производство 5-нанометровых процессоров. А ведь год назад их пределом была топология 14 нм. По-настоящему впечатляющий прогресс, и эксперты ожидают новых успехов от КНР. Так, недавно ученые Пекинского университета сообщили о прорыве в области создания двумерного материала толщиной в один атом — это может послужить основой для будущей миниатюрной электроники. 

• Япония. Японские корпорации хотят перескочить несколько ступеней техпроцесса и сосредоточиться сразу на минимальных транзисторах. Например, компания Rapidus планирует освоить 1-нм техпроцесс с 2027 по 2030 гг, а Imec в 2030 году предполагает создание первого электронного компонента размером менее одного нанометра — 7 ангстремов (0,7 нм). 

В России нет производств, способных конкурировать с TSMC, Intel, Samsung по части нанометров. Так, пределом пока остается линия по выпуску 90-нм чипов — этот техпроцесс был освоен мировыми лидерами ещё в 2002 году. Правительство РФ подготовило предварительную концепцию нового нацпроекта в области электроники. Его реализация до 2030 года может стоить 3,19 трлн руб. Конечная цель — запуск производства 28-нм чипов. Такой техпроцесс применялся Apple при производстве процессора А7, который устанавливался в iPhone 5S — смартфоне 10-летней давности. Но сфера активно финансируется, и до 2027 года планируется создать в стране машиностроение для микроэлектроники, разработав оборудование для всех циклов производства полупроводников. Стоимость проекта — около 100 млрд рублей. 

Пределы уменьшения электроники

Существуют физические законы, которые ограничивают размеры транзисторов на фундаментальном уровне. Сведем три основных ограничения в таблицу:

Можно заметить, как близко инженеры IBM подошли к физическим пределам микроминиатюризации. Поэтому рассчитывать на дальнейшую работу Закона Мура не стоит. 

Помимо «природных» ограничителей есть ещё технологические. Они не такие строгие, но всё-таки требуют решения:

1. Теплоотвод. Чем производительнее электронный компонент, тем больше теплоизлучающих элементов он содержит — от этого никуда не уйти. Приходится увеличивать размеры системы охлаждения или придумывать принципиально новые способы теплоотвода. 

2. Межсоединения. Каждый отдельный микроскопический компонент соединен с соседними для передачи электрических импульсов. Даже в передовых интегральных схемах больше половины площади кристалла приходится на межсоединения, а это значительно усложняет производство. И повышает стоимость конечного продукта. 

3. Однородность полупроводника. С уменьшением размеров полупроводника возрастает влияние различных дефектов, получаемых при производстве. Даже несколько лишних молекул способны изменить характеристики транзистора до неузнаваемости. Достичь такой чистоты непросто. 

4. Конструкция. Специальный многослойный монтаж, опять же, усложняет производственный цикл с каждым новым техпроцессом. В конечном итоге процент брака может стать настолько высоким, что выпускать такие чипы будет нецелесообразно.

Обратимся к мнению ученого Константина Катина, с которого мы начали статью: «Через 10-15 лет большинство используемых электронных компонентов могут стать размером с молекулу. Это даст огромный прирост в производительности компьютеров и сильно снизит их энергопотребление. После этого миниатюризировать электронику уже не получится, так что придется искать принципиально новые пути для её развития». Получается, мы вплотную приблизились к границам, установленным самой физикой. 

Генеральный директор Intel Пэт Гелсингер считает так: «Intel может создать чип на 1 триллион транзисторов к 2030 году, тогда как сегодня самый большой чип в одном корпусе содержит около 100 миллиардов». Да, эффект Закона Мура замедлился, но прогрессировать пока есть куда. При этом Гелсингер не может игнорировать финансовую сторону вопроса: «Семь-восемь лет назад современная фабрика стоила около $10 млрд. Сейчас нужно потратить около $20 млрд, так что мы наблюдаем другой сдвиг в экономике».

Отметим, что разработку совершенно иных подходов к развитию электроники начали уже давно. Например, датские ученые предлагают использовать вместо электронов магнетизм для передачи информации.