Кремний правит IT-миром уже полвека, но сегодня даже самые продвинутые чипы всё чаще сталкиваются с пределами: тепловые ловушки, токи утечки и борьба за каждый дополнительный гигагерц превращается в разработку на грани фола на грани физики. Частотная гонка больше не спасает — теперь в фокусе многоядерные архитектуры, вертикальная упаковка и поиски замены кремнию.

Почему классические технологии больше не тянут, как новые подходы формируют будущее вычислений — и что это значит для разработчиков?

Как мы пришли к плато частот

Вы когда-нибудь задумывались, почему ваш смартфон мощнее компьютера 1998 года, но при этом не перегревается? 

В течение почти трёх десятилетий процессорная индустрия жила по двум фундаментальным правилам: закону Мура и масштабированию по Деннарду. Закон Мура (1965) предсказывал удвоение числа транзисторов на кристалле примерно каждые два года, что обеспечивало постоянный рост производительности и снижение стоимости вычислений. Масштабирование по Деннарду (1974) объясняло, как это срабатывает на практике: уменьшение геометрии транзисторов сопровождалось пропорциональным понижением напряжения питания, благодаря чему плотность рассеиваемой мощности оставалась стабильной и частоты росли без перегрева.

Итогом этого тандема в 1990-х — начале 2000-х стала знаменитая «тактовая гонка»: Intel и AMD соревновались, выпуская всё более высокочастотные процессоры — вплоть до 4 ГГц в эпоху Pentium 4 и Athlon XP. Однако к концу 2000-х годов физические законы взяли своё: токи утечки и квантовое туннелирование при масштабировании вступили в конфликт с требованием понижать напряжение, и дальше понижение уже не работало. Попытки разогнать ядро выше 4 ГГц встретили непреодолимый рост тепловыделения и энергопотребления; так возник «тепловой кризис» середины 2000-х, когда TDP массовых чипов достиг уровня, неподъёмного для стандартных систем охлаждения.

Переломный момент настал, когда стало ясно, что чистая скорость тактового цикла достигла своего потолка. Индустрия ответила сменой парадигмы: вместо наращивания частоты появились многоядерные архитектуры. Первые двухъядерные процессоры сменили 4 и 8-ядерные, а затем и десятки ядер в серверных решениях. Параллельно начали широко поддерживаться SIMD-инструкции (SSE, AVX) и графические процессоры как вычислительные ускорители для интенсивных задач.

В результате «тактовая гонка» подошла к логическому концу, и индустрия развернулась к новым путям роста: многопоточности и многоядерности, микроархитектурным оптимизациям и повышению энергоэффективности. Сегодня плато частот — это не признак застоя, а отражение пределов кремниевой физики и триумфа архитектурных инноваций над чистой дикой скоростью такта.

Физические лимиты такта

Рост тактовой частоты процессоров неизбежно наталкивается на фундаментальные законы физики. Энергопотребление цифровой логики приближенно описывается формулой

где P — потребляемая мощность, C — ёмкость вентилей, V — напряжение питания, а f — частота. Благодаря квадратичной зависимости от напряжения повышение V и f быстро превращается в тепловую проблему: современные чипы выделяют больше тепла, чем способны отвести традиционные системы охлаждения.

В реальном мире это означает отказ дата-центров от привычных кондиционеров. Например, в тёплых регионах Google перешла на жидкостное охлаждение своих стойких Xeon-серверов с частотой около 3,5 ГГц. Жидкость циркулирует прямо через медные каналы в процессоре, позволяя поддерживать PUE (Power Usage Effectiveness) на уровне 1,1 и сохранять производительность там, где воздушное охлаждение уже бессильно.

С уменьшением техпроцесса до 3 нм открывается ещё один рубеж — квантовые токи утечки. Толщина оксида затвора оказывается всего в 1–2 атома, и электроны начинают преодолевать это барьерное пространство туннельным эффектом, что не просто разогревает кристалл, но и приводит к постоянному сидячему потреблению энергии. В ответ производители мобильных SoC вводят «boost»-режимы: кратковременное повышение частоты до максимума (обычно не дольше 100 мс), после чего ядро переходит на более низкие частоты, чтобы не вывести себя из строя из-за перегрева.

Наконец, существует предел, заданный временными характеристиками самих транзисторов. Чтобы работать стабильно, каждое переключение должно завершаться внутри одного такта. Хотя граничная частота современных кремниевых вентилей теоретически может достигать сотен гигагерц, на практике архитектурные ограничения и паразитные индуктивности заставляют держать реальный ff на уровне в несколько гигагерц. Именно поэтому мы уже более десяти лет наблюдаем застой в диапазоне 3–5 ГГц: дальнейший рост требует не более агрессивного разгона, а совершенно новых архитектурных подходов — многоядерности, специализированных ускорителей и энергоэффективных структур.

Литография: дорого и сложно

Переход к узлам 5, 3 и теперь 2 нм в производстве чипов — это не просто снижение размеров, а настоящий вызов как с точки зрения технологий, так и инвестиций. Сегодня для печати самых тонких слоёв используют экстремальную ультрафиолетовую (EUV) литографию, и один лишь EUV-сканер обходится примерно в $200 млн. TSMC потратила $14 млрд в 2023 г. на запуск двух линий 3 нм производства — и это без учёта затрат на коммунальные системы, чистые комнаты и вспомогательное оборудование. Так что о тратах на техпроцесс в 2 нм мы можем только догадываться, вытирая пот со лба. В планах компания хочет запустить его во второй половине этого года.

Но даже при таких инвестициях проблем становится всё больше. На уровне 3 нм и тем более 2 нм любой крохотный дефект маски или погрешность процесса умножается на сотни бракованных кристаллов с одной пластины. А тончайший оксид затвора, насчитывающий всего пару атомных слоёв, становится «дырявым» из-за квантового туннелирования, что порождает новые утечки и точки нагрева, которые не устранить обычными методами контроля.

Чтобы справиться с этой лавиной брака, фабрики переходят на мультипаттерн-процессы, разделяя один слой на несколько этапов экспонирования, но это ещё сильнее удорожает каждую пластину и усложняет технологию. Параллельно ведутся исследования альтернативных методов: Directed Self-Assembly (DSA), экранированная литография электронным лучом для коррекции ошибок и, конечно, High-NA EUV со значительно более короткой рабочей длиной волны — но полноценное производство на этом оборудовании ожидается не ранее конца десятилетия.

В результате современная литография превратилась в узкое горлышко всей микроэлектронной отрасли. Рост себестоимости каждого следующего перехода растёт экспоненциально, а борьба с физикой и квантовыми эффектами требует синергии материаловедения, машинного зрения для inline-контроля и новых архитектур чипов, оптимизированных под неоднородные возможности производства. Без объединения масштабных вложений, научных открытий и кросс-дисциплинарных подходов продолжать «микроразмерную гонку» уже не получится. Как говорится, кофе покрепче, ночь покороче.

Где кризис GHz ощущается на практике

Уже давно все поняли, что невозможность бесконечно наращивать тактовые частоты и то, что это насущная проблема в самых разных областях вычислений. Рассмотрим, как именно «кризис GHz» отражается на практике и какие решения выработали разработчики систем.

Дата-центры и жидкостное охлаждение. Когда серверы AMD EPYC на 2,4–2,6 ГГц начинают регулярно терять производительность из-за нагрева, простого кондиционера уже не хватает. В регионах с жарким климатом компании вроде Meta* (Facebook) переходят на жидкостное охлаждение, прокачивая охлаждающую среду прямо через медные трубки в процессоре. Это позволяет поддерживать PUE на уровне 1.1 и оставаться уверенными в стабильности работы при высокой плотности рендер- и аналитических узлов.

Игровые приставки и ПК. PlayStation 5 и Xbox Series X работают на ~3,5 ГГц, и дальше наращивать такт просто некуда — вместо этого Sony и Microsoft добиваются роста FPS через оптимизацию шейдеров, использование SIMD-инструкций и эффективную многопоточность. Разработчики переориентировались с «разгона» на повышение IPC (instructions per cycle) и асинхронные вычисления, чтобы получить каждый лишний кадр.

Мобильные чипы. В смартфонах тепловые рамки ещё строже. Snapdragon 8 Gen 3 действительно может в мгновение выдать до 3,2 ГГц, но уже спустя сотни миллисекунд переходит в энергоэффективный big.LITTLE-режим. На практике это означает: максимум производительности для тяжёлых задач и плавный переход на «экономное» ядро, чтобы и батарея держала, и корпус не «закипал». Всё ради того, чтобы когда заходили в настройки, вас не расстраивал упавший % АКБ.

Edge-устройства и IoT. В «умных» холодильниках, датчиках и контроллерах акцент смещён в сторону минимального энергопотребления: традиционные Atom-ядра на ~1,8 ГГц всё чаще заменяются RISC-V-микроконтроллерами на 500–800 МГц. Здесь стабильный низкий такт ценится выше эпизодических пиков — хороший пример того, как индустрия реагирует на «GHz-плато» В одной из прошлых статей рассказал, как Edge Computing стал новой нормой для критичных IoT‑сценариев.

ASIC-ускорители для майнинга. В мире крипто-майнинга частота редко превышает 1 ГГц, но глубокая оптимизация логических ячеек и конвейеров позволяет этим чипам выдавать сотни терахэшей в секунду. Визуально «низкий» такт компенсируется архитектурой, спроектированной под единую задачу.

Автономные автомобили и встраиваемые системы. Платформа NVIDIA Drive и Tesla FSD-SoC работают на примерно 2,2 ГГц, но при этом в каждой системе десятки специализированных блоков (TPU-ускорители, видеоядра, нейронные энжин). Главный фокус — параллелизм и распределение нагрузки между разными процессорами, а не экстремальная частота одного ядра.

GPU и HPC. Современные графические процессоры NVIDIA и AMD балансируют между ~2 ГГц для основных ядер и специализированными RT-ядрами на чуть более низком такте. В суперкомпьютерах рост производительности сегодня достигается масштабированием кластеров и оптимизацией межсоединений (NVLink, Infinity Fabric), а не плавным увеличением GHz на одном кристалле.

Переход к новым парадигмам
Плато тактовых частот — это не тупик, а сигнал к переосмыслению. Сегодня прирост вычислительной мощности достигается не «разгоном герц», а:

• Многоядерностью и гетерогенностью, где разные типы ядер работают над узкоспециализированными задачами.

• Аппаратными ускорителями (нейросетные блоки, криптоускорители, FPGA), встроенными прямо в SoC.

• Улучшением IPC, оптимизацией конвейеров и кешей для извлечения большего числа инструкций за такт.

• Новой физикой: переход на 3D-упаковку кристаллов, использование альтернативных материалов (FinFET, GAAFET) и эксперименты с оптоэлектронными и нейроморфными схемами.

Именно сочетание параллелизма, энергоэффективных архитектур и специализированных блоков позволяет индустрии расти там, где чистые «гигагерцы» уже не помогают.

Будущее кремния: новые транзисторы и материалы

Классические FinFET-структуры, лежавшие в основе «закона Мура» с 2010-х, подошли к физическому пределу при рубеже 3 нм. Индустрия уже перешла к следующим вехам эволюции — новым архитектурам транзисторов, трёхмерной упаковке кристаллов и поиску альтернативных полупроводников. Эти направления не просто позволяют «дотянуть» ещё пару поколений чипов, но и закладывают основу для принципиально новых типов вычислений в ближайшие годы.

Gate-All-Around (GAA) и nanosheet-транзисторы

В GAA-транзисторах канал полностью окружён затвором, а не «растёт» из подложки, как в FinFET. Такая геометрия даёт более жёсткий контроль за потоком носителей заряда и заметно уменьшает токи утечки. К тому же инженеры могут гибко менять ширину nanosheet-каналов: широкие — для максимального тока и высокой производительности, узкие — для экономных «тяжеловесов» с минимальным энергопотреблением. TSMC, Samsung и Intel уже выводят на рынок свои первые 3- и 2-нм продукты на GAA, хотя вертикальная укладка nanosheet-слоёв усиливает тепловые эффекты и усложняет контроль качества.

3D-stacking (Foveros, CoWoS и подобные)

Если раньше всё размещалось «на плоскости» кристалла, то теперь отдельные чиплеты (вычислительные ядра, кеш, память) сворачивают друг над другом. Технологии Intel Foveros и TSMC CoWoS сокращают длину межсоединений, повышают пропускную способность и улучшают энергоэффективность за счёт близости элементов. Такой подход становится стандартом в серверных CPU, ускорителях и высокопроизводительных GPU, где плотность соединений критична.

Альтернативные полупроводники. Карбид кремния (SiC) и нитрид галлия (GaN) уже врываются в силовую электронику, предлагая меньшие потери и более высокие рабочие температуры. В вычислительной технике на горизонте замаячили двумерные материалы — графен и переходные металл-дихалькогениды. Их уникальные свойства обещают новые рубежи миниатюризации, однако массовый переход ждёт нас не раньше второй половины 2020-х.

Спиновые и квантовые элементы. Новые типы памяти, как MRAM, уже вошли в коммерческую стадию, обеспечивая энергонезависимость и высокую скорость работы. Параллельно появляются первые квантовые модули для узкоспециализированных расчётов. В перспективе спиновые транзисторы и нейроморфные архитектуры могут стать основой нового поколения вычислительных устройств.

Таким образом, будущее кремния сегодня рисуется на стыке трёх направлений: GAA-архитектуры, трёхмерной упаковки и внедрения новых материалов. Вместе они помогут преодолеть ограничения классических CMOS-технологий и дадут импульс развитию кардинально новых платформ и вычислительных возможностей.

Итоги и рекомендации

Сегодня гонка за тактовыми частотами утратила смысл: кремниевые транзисторы не позволяют поднимать GHz без жёстких тепловых и энергетических ограничений, а цена перехода на каждый последующий техпроцесс растёт миллиардами долларов. Вместо стремления к «чистому» разгону важнее эффективность работы с тем, что уже есть.

На что смотреть вместо GHz

— Операции на ватт (GOPS/Watt) и вычисления на киловатт-час показывают, сколько реальной работы выполняет система при ограниченном энергобюджете.

— Гетерогенные SoC, где CPU соседствует с GPU, NPU и DSP, позволяют распределять задачи по наиболее подходящим вычислителям и добиваться максимума производительности при минимуме энергозатрат.

Напоследок, советы разработчику

Не пытайтесь впихнуть всю логику в одно ядро. Разбейте тяжёлые задачи на небольшие фрагменты и запускайте их параллельно — многопоточность сегодня может дать гораздо больше, чем простое увеличение тактовой частоты.

Помните, что в вашем устройстве есть не только CPU. Отправьте математику графическому ядру, нейросетевые вычисления — тензорным блокам, а сигнальную обработку — DSP. Освойте хотя бы одну технологию ускорения (CUDA, OpenCL или TensorRT) и доверьте тяжёлую работу «специалистам».

Каждый лишний байт и лишний переход в память — это потеря энергии. Старайтесь упаковывать данные так, чтобы использовать векторные инструкции, минимизировать копирования и сводить к минимуму «холостые» циклы. Регулярно замеряйте не только время работы, но и потребление энергии, чтобы не гнать лошадей впустую.

А вы уже ощущаете пределы кремниевой эпохи? Делитесь мнением и опытом в комментариях, куда катится кремниевый мир.

* Компания Meta запрещена в России как экстремистская

© 2025 ООО «МТ ФИНАНС»