Техпроцесс в микрочипах: в чем различия и чего ждать в будущем

Сейчас много говорят о техпроцессе. Даже простые покупатели, приобретая телефон, компьютер или видеокарту интересуются этим параметром и выбирают технику с его наименьшим значением. В новой статье от «ЗУМ-СМД» узнаем, почему техпроцесс постоянно уменьшается и какие преимущества от этого можно получить.

Ключевыми элементами интегральной схемы являются детали с одним, двумя и более p-n-переходами — диоды и транзисторы. Созданный на кристалле полупроводниковый элемент принято считать транзистором. Для построения каскада или логического элемента их требуются десятки, а для создания регистров может понадобиться несколько сотен полупроводниковых ячеек. Для того чтобы реализовать даже самый простой контроллер или процессор необходимо большое число каскадов и узлов, каждый из которых состоит из транзисторов.

Первый микропроцессор от Intel, выпущенный в 1971 году, содержал 2250 транзисторов. Но уже через 7 лет, в 1978 году компания презентует изделие, содержащее 29 000 полупроводниковых элементов. Передовой процессор того времени выполнял очень мало функций.

К концу 2000-го года Intel создала процессор для компьютера Pentium 4, который состоял уже из 42 миллионов транзисторов. Но это все еще одноядерный процессор, разрядностью 32 бит. Современные процессоры для компьютеров, ноутбуков, планшетов и смартфонов давно уже работают на 64-битных шинах и имеют десятки ядер.

Например, сегодня в телефонном чипе Apple A14 Bionic содержится уже 11,8 миллиардов полупроводниковых элементов, а в AMD Epyc Rome — 39,54 миллиардов. Площадь кристалла последнего из упомянутых процессоров составляет 717 мм². Напомним, что первый процессор Intel имел ее в размере 12 мм².

Некоторые полупроводниковые элементы могут быть габаритнее, имея большую мощность или большее количество p-n-переходов, другие наоборот — меньше. Но если производителям чипов удается упаковать большее число транзисторов в меньшие габариты кристалла, значит используется техпроцесс меньшего размера.

Уменьшая техпроцесс, производителю удается добиться таких преимуществ:

• проще выполняется принцип суперпозиции;
• снижается энергопотребление;
  
• уменьшается тепловыделение;
  
• понижается емкость p-n-переходов, за счет чего повышаются скоростные характеристики.

Также если учесть, что размеры кристалла тоже уменьшаются, то на одной заготовке можно выполнить большее число компонентов. В итоге снижаются затраты на сырье.

В настоящее время тайваньская компания TSMC выпускает чипы с техпроцессом 6 и 5 нм, которые используются в смартфонах. Продолжают пользоваться спросом процессоры 45 — 40 нм, а также 32 — 28 нм, анонсированные в производство в 2006 — 2010 годах. Наиболее востребованными сейчас считаются процессоры с техпроцессами:

• 22 — 20 нм;
• 16 — 14 нм;
• 10 нм;
• 7 нм.

Техпроцесс не стоит на месте. Выпущены образцы чипов с техпроцессом 3, 2 и даже 1,4 нм. Дальнейшее уменьшение упирается в дополнительные затраты и сложности, которые делают производство нерентабельным, а чипы недолговечными.