Как атомарный масштаб и 3D-архитектура продлевают жизнь закону Мура

Классический закон Мура описывает удвоение числа полупроводниковых элементов на кристалле каждые два года, что на протяжении десятилетий гарантировало экспоненциальное масштабирование вычислительной мощности и плотности компоновки микросхем.

В технологическом сообществе регулярно звучат тезисы об исчерпании этого принципа (разбор 1, разбор 2 и разбор 3). Ключевым барьером выступает физический предел миниатюризации, за которым поведение кремниевых структур начинает определяться паразитными квантовыми эффектами.

Тем не менее индустрия находит альтернативные векторы развития: внедряются принципиально новые материалы, модернизируются топологии затворов и создаются специализированные гетерогенные процессоры, способные поддерживать непрерывный рост производительности.

Китайские FeFET-транзисторы с длиной затвора 1 нм

В феврале 2026 года научная группа Пекинского университета под руководством Цю Чэньгуана (Qiu Chenguang) и Пэн Ляньмао (Peng Lianmao) продемонстрировала прорывную модификацию сегнетоэлектрических полевых транзисторов (FeFET). Новые компоненты заявлены как наиболее компактные и энергоэффективные в индустрии благодаря двум ключевым аспектам:

1. Реализации нейроморфной архитектуры: вычисления и хранение информации объединены внутри одной ячейки по принципу биологических нейронов.

2. Экстремально низкому уровню рабочего напряжения.

Концепция объединения логических и запоминающих элементов развивается давно, а базовая технология FeFET была запатентована еще в 1955 году. В таких транзисторах модуль хранения данных функционально не отделен от вычислительного узла.

Сегнетоэлектрический полевой транзистор (FeFET) представляет собой полевой транзистор, в структуре которого между каналом и затвором расположен сегнетоэлектрик. Остаточная поляризация этого диэлектрического слоя позволяет сохранять состояние логического ключа (открыт/закрыт) даже при полном снятии управляющего потенциала.

Главным препятствием широкого внедрения FeFET оставалось высокое энергопотребление при циклах записи и стирания: традиционная кремниевая логика оперирует напряжениями ниже 0,7 В, тогда как сегнетоэлектрическим аналогам требовалось около 1,5 В. Китайским инженерам удалось обойти это ограничение, опустив рабочее напряжение до рекордных 0,6 В.

Полные результаты исследований Цю и Пэна изложены в серии открытых научных публикаций, включая фундаментальную статью «Ферроэлектрические транзисторы с нанозатворами и ультрамалым рабочим напряжением 0,6 В» в журнале Science Advances от 13 февраля 2026 года.

Ученые смогли уменьшить длину управляющего затвора до 1 нанометра — это вдвое тоньше спирали молекулы ДНК (2 нм). Топология создается с прецизионной атомарной точностью на базе двумерного дисульфида молибдена MoS₂, что подтверждается снимками растровой электронной микроскопии (РЭМ, фрагмент C):

Оптимизированная геометрия облегчает формирование напряженности поля в сегнетоэлектрике, позволяя переключать элемент при потенциале 0,6 В. В итоге энергопотребление нанотранзистора снизилось на порядок по сравнению со стандартными FeFET-структурами.

Вместе с феноменальной энергоэффективностью устройство демонстрирует сверхвысокое быстродействие: задержка переключения составляет всего 1,6 нс.

Пекинский университет запатентовал компоновку и методику производства данных микросхем. Авторы уверены, что открытие заложит основу для создания суперчипов нового поколения, оптимизированных дата-центров и перехода полупроводниковой отрасли к технологическим нормам суб-1-нм.

Примечательно, что в ноябре 2025 года смежная группа специалистов того же университета продемонстрировала аналоговый матричный процессор, превосходящий Nvidia H100 в 1000 раз при перемножении матриц 128×128. Решение на основе резистивной памяти (ReRAM) впервые обеспечило 24-битную точность в аналоговом тракте.

Исследование было опубликовано 13 октября 2025 года в престижном издании Nature Electronics.

Транзисторы IBM с затвором толщиной 15 атомов

На отраслевом симпозиуме VLSI 2026 корпорация IBM представила первый в мире технологический процесс для создания компонентов субнанометрового масштаба.

В основе разработки лежит трехмерная вертикальная архитектура Nanostack, созданная для продления действия закона Мура в обход традиционных физических ограничений. Прототип вмещает почти 100 млрд транзисторов, что вдвое превосходит плотность 2-нм чипа IBM, анонсированного в 2021 году.

Инженеры заявляют о приросте быстродействия до 50% и повышении энергетической эффективности на 70% относительно норм 2 нм.

Nanostack организует двухъярусную вертикальную компоновку элементов, позволяя кратно нарастить плотность интеграции на единицу площади.

Канал формируется из трех нанолистов толщиной всего в 15 атомов с зазором между ними в 9 нм. Важно учитывать, что коммерческое наименование «0,7 нм» является маркетинговым: реальное физическое расстояние между соседними транзисторами в индустрии уже длительное время держится на уровне порядка 40 нм.

Элементы верхнего уровня расположены со смещением относительно нижнего яруса, что оптимизирует разводку проводников. Кроме того, гетерогенный состав слоев позволяет настраивать производительность и энергопотребление независимо друг от друга.

В официальном пресс-релизе IBM подчеркивается экспериментальное подтверждение концепции: разработчики продемонстрировали КМОП-интеграцию с ультратонким диэлектрическим связыванием и полнофункциональный инвертор с расчетными характеристиками переключения. Физическая реализуемость архитектуры полностью доказана.

Техпроцесс также показал значительный прогресс в оптимизации встроенной памяти: площадь ячейки SRAM уменьшилась на 40%, открывая путь к созданию сверхплотных кэшей для вычислительных ядер.

Пилотное производство развернуто в научно-исследовательском центре в Олбани (Нью-Йорк), где внедряется литографический комплекс ASML нового поколения с высокой числовой апертурой (High NA EUV).

IBM прогнозирует выход технологии на коммерческий рынок в течение пяти лет. Впрочем, независимые аналитики предупреждают о неизбежно высоком уровне брака кремниевых пластин на старте освоения.

Аналогичные многоярусные CFET-структуры исследуют мировые гиганты: TSMC, Intel, Samsung и исследовательский центр IMEC. Метод Nanostack выгодно отличается от технологий раздельного монтажа слоев (таких как 3D V-Cache от AMD или LogicFolding от Huawei): IBM формирует верхний ярус непосредственно над базовым в рамках единого непрерывного технологического маршрута.

Главным вызовом здесь остается соблюдение строгого «термического бюджета»: процесс формирования верхнего слоя должен протекать при температуре строго ниже 400 °C, чтобы исключить деградацию нижних цепей. Похоже, IBM удалось решить эту задачу, хотя точные параметры ноу-хау пока не раскрываются.

Интеграция 2D-материалов в стандартный КМОП-процесс

Поиски альтернатив кремнию активизировались по всему миру. Несмотря на жесткие экспортные барьеры на поставку литографических сканеров ASML, китайские академические институты демонстрируют мощные фундаментальные результаты. В октябре 2025 года в Nature была опубликована работа ученых Шанхайского университета, посвященная интеграции моноатомных 2D-структур на основе все того же дисульфида молибдена MoS₂.

Авторы продемонстрировали функциональный кристалл энергонезависимой памяти 2D NOR Flash, в котором двумерный запоминающий массив сопряжен со стандартной кремниевой КМОП-схемой управления.

Слой MoS₂ толщиной около 10 атомов формируется в рамках протокола ATOM2CHIP с использованием атомарно-слоевого осаждения. Полученные микросхемы успешно выполняют 8-битные инструкции.

Полный цикл — от синтеза 2D-пленки и ее интеграции с КМОП до корпусирования — показал выход годных кристаллов на уровне 94,34%. Для массовой коммерциализации этого пока недостаточно, однако результат служит убедительным подтверждением жизнеспособности концепции.

Как отмечают эксперты, переход к 2D-материалам неизбежен: классический кремний при предельном истончении страдает от критических токов утечки, которые двумерные полупроводники способны эффективно нивелировать.

---

Подводя итог, можно констатировать, что закон Мура сохраняет свою силу благодаря смене технологических парадигм. Рост вычислительной плотности продолжается за счет инновационной компоновки, трехмерного стекирования и новых физических принципов. Специализированные кристаллы для машинного обучения и искусственного интеллекта уже сегодня демонстрируют многократный отрыв по эффективности от универсальных CPU и GPU, а в ближайшем будущем метрикой техпроцесса станут не абстрактные нанометры, а точное количество атомов в структуре затвора.

© 2026 ООО «МТ ФИНАНС»

 

Источник