«Нанометровый» рубеж – не ранее 2034-го

Самые актуальные сегодня (с точки зрения миниатюрности) производственные процессы изготовления микросхем относятся к маркетинговым классам «3 нм» и «2 нм». Названия эти предельно условны и к физическим размерам базовых элементов полупроводниковых устройств на поверхности готового чипа имеют мало отношения. Так, для производственной нормы «2 нм» типичное расстояние между затворами соседних транзисторов составляет 45 нм, между соседними токоведущими дорожками – более 20 нм, а одиночный транзистор располагается в условном прямоугольнике размерами 45х70 – 50х80 нм (в зависимости от конкретной реализации технологии на фабриках TSMC или Samsung).

И все же в исторической перспективе такие «маркетинговые нанометры» помогают отслеживать прогресс полупроводниковых технологий – демонстрируя, в частности, каким немалым трудом дается разработчикам переход на следующий производственный уровень. Суть в том, что при двукратном сокращении маркетингового индекса (с «14 нм» до «7 нм» или с «4 нм» до «2 нм») примерно вдвое же увеличивается плотность транзисторов на выполняемой по более передовому техпроцессу микросхеме. И чем дальше, тем заметнее снижается темп таких сокращений.

По оценке IMEC, крупнейшего в мире независимого научно-исследовательского центра наноэлектроники, рубеж в условный «1 нм» серийное изготовление микросхем преодолеет никак не раньше 2034 г. К тому времени запланирован выход на маркетинговые «0,7 нм» или «7A» (где «А» – это ангстрем; 10 Å = 1 нм) с условно вдвое большей плотностью транзисторов, чем у техпроцесса «14A», активно развиваемого ныне Intel и планируемого к запуску в серийное производство не ранее 2028 г. Коммерческого же освоения еще более перспективной производственной нормы «2A» не следует ожидать ранее 2046-го.

Миниатюризация микроэлектронных производств в прикладном плане крайне привлекательна: чем выше плотность транзисторов на чипе, тем значительнее его вычислительная мощь при прежних габаритах и, что самое важное, при сравнимом тепловыделении. Что позволяет, приблизительно сохраняя прежние характеристики всей обвязки (размеры процессорных гнезд, монтажных плат, серверных корпусов, стандартных стоек и т. п.), заметно повышать производительность вычислительной системы.

На первых порах именно поступательная миниатюризация техпроцессов была двигателем ИТ-коммерции: с 1998 по 2010 г. плотность транзисторов на чипе каждый год вырастала на 50%, позволяя тем самым оперативно возвращать инвестиции в непрерывную модернизацию производств за счет взрывного расширения сбыта. Теперь же полупроводниковая индустрия переживает сложные времена: совершенствование фотолитографов и прочих машин для изготовления микросхем обходится все дороже, и хотя спрос по-прежнему высок (наблюдается даже дефицит – как логических чипов, так и в особенности хранилищ данных DRAM/NAND), циклы обновления оборудования для чипмейкерских фабрик слишком уж удлинились.

Исследователи из IMEC констатируют, что дальше будет только хуже: для уверенного перехода к «субнанометровым» техпроцессам потребуется кардинальная перестройка технологий, которые прежде развивались более или менее экстенсивно. В частности, вместо меди для токоведущих дорожек понадобится рутений, а затем и альтернативные материалы, такие как PtCoO₂ (оксид платины и кобальта) на сапфировой подложке, обеспечивающие исключительно низкое сопротивление. Это позволит сократить характерные расстояния между соседними межтранзисторными шинами от нынешних 24–26 нм до 20–22 нм и далее до 12–16 нм.

Аналитики возлагают большие надежды на то, что нынешний ажиотаж вокруг искусственного интеллекта не начнет ослабевать (не говоря уж о полном разочаровании рынка в ИИ) по меньшей мере еще полтора-два десятилетия. В противном случае пока не понятно, откуда брать средства на разработку и доведение до ума всех необходимых для преодоления «нанометрового» барьера технологических новшеств. ИИ необычайно требователен к количеству и производительности как логических микросхем, так и чипов памяти. Если по какой-то причине потребность во все более громоздких и прожорливых по части ресурсов моделях снизится, денежный поток, в котором купаются сегодня чипмейкеры, начнет иссякать – а альтернативный источник щедрого и бесперебойного финансирования найти будет невероятно сложно.