Что такое нанометры в технологии изготовления чипов, кратко и человеческим языком

Последнее время в своих статьях я часто упоминаю технологию изготовления процессоров, указывая её характеристику в нанометрах — 28 нм, 90 нм и т.д. Но поскольку мой канал читает большое количество простых людей, не разбирающихся в тонкостях изготовления микропроцессоров, в комментариях регулярно появляются вопросы, а что это вообще такое, и на что оно влияет. Сегодня я постараюсь максимально доступно но по-возможности компактно это объяснить.

Итак, чтобы изготовить микропроцессор, требуется огромное количество шагов на очень сложном и тонком оборудовании, но их суть сводится к банальной послойной фотопечати. То есть, кладём кремниевую пластину, наносим на неё светочувствительный слой (фоторезист) и получаем аналог фотобумаги при фотопечати. Теперь с фотошаблона, на котором изображён рисунок топологии микропроцессора (аналог фотоплёнки), через фотоуменьшитель проецируем его на этот слой.

Там, куда попал свет, фоторезист меняет свои свойства, и его смывают. Всё точно так же, как и при фотопечати или при травлении печатной платы. Далее кремниевая пластина проходит необходимую обработку для формирования первого слоя и очередную засветку новым фотошаблоном. Так послойно на пластине вырастают транзисторы, конденсаторы, резисторы, диэлектрические изолирующие слои, металлические межсоединения и другие элементы.

Как мы с вами понимаем, все эти элементы получаются настолько мелкими, что измеряются в нанометрах. Чем меньше транзистор, тем меньше ему требуется питания для работы, а стало быть, тем меньше он греется. Поэтому, уменьшая размер транзисторов, можно сделать процессор той же площади, но с большим их количеством, не опасаясь проблем с теплоотводом и, как следствие, перегрева.

Так случилось, что начиная с определённого момента, в каждом новом поколении процессоров производители вдвое увеличивали количество транзисторов в них при сохранении площади чипа, и впоследствии эта закономерность стала правилом. При удвоении плотности размер любого элемента чипа (например, длина затвора транзистора) уменьшается в 0,7 раз (математическая взаимозависимость площади и длины стороны).

Отсюда у нас появился и этот ряд величин нанометров в названии техпроцессов, каждый в 0,7 раз меньше предыдущего — 500, 350, 250, 180, 130, 90, 65, 45, 32, 22, 16, затем ряд не такой стройный: 14, 10, 7, (6), 5, (4), 3, 2, 1.4, ну и далее, очевидно, последует 1 и 0.7 (или 10А и 7А, если в ангстремах (Å).

Итак, сначала нанометры техпроцесса определяли очень наглядно и логично — это был размер самого малого по длине или ширине геометрического элемента, сформированного данным технологическим процессом. Обычно он равнялся линейному разрешению оборудования. И так было до техпроцесса 250 нм включительно: 3 мкм, 1,5 мкм, 800 нм, 500 нм, 350 нм и 250 нм.

Затем величина техпроцесса согласно плана ITRS (International Technology Roadmap for Semiconductors — международный технологический план для производителей полупроводников) начала определяться минимальной шириной дорожки нижнего уровня металла (полушаг дорожки, что примерно вдвое длиннее затвора транзистора. Напомню, что шаг дорожек — это дорожка плюс промежуток между дорожками). Это правило должно было соблюдаться для норм 180 нм, 130 нм, 90 нм и 65 нм. Но фактически, как выясняется, это не соблюдалось:

Фактически измеренные фирмой Chipworks (специализирующейся на «инженерной разборке» микросхем) параметры

Пока ещё соблюдалась только тенденция удвоения плотности, достигаемая за счёт изменения конструкции транзисторов и других мер.

В конце концов на форуме IEDM (International Electron Devices Meeting — международная встреча инженеров электроники) название техпроцесса «45 нм» и всех последующих постановили считать маркетинговым понятием. Intel предложила привязать переход на каждый следующий шаг к фактически происходящему удвоению степени интеграции (удельной плотности компоновки, измеряемой в МТр/мм² — миллионах транзисторов на квадратный миллиметр). То есть, фиксировалось правило, что в каждом новом поколении на той же площади кристалла должно помещаться примерно вдвое больше элементов, которое некоторое время соблюдалось.

Однако, начиная с техпроцесса 22 нм часть производителей перестало соблюдать это правило, а у оставшихся его соблюдение уже не давало возможности столь же эффективно снижать энергопотребление и тепловыделение. Именно поэтому процессоры от Intel, изготовленные по техпроцессу 22 нм, при разгоне сильно перегреваются.

С этого момента каждая новая цифра нанометров фактически обозначает только переход к некой новой совокупности технических решений, и ничего более.

Так что не пугайтесь приближению размера техпроцесса к размеру кристаллической решётки кремния (0,54307 нм) — это совсем разные нанометры ))) И судя по всему, суровый маркетинг продолжит уменьшать эту цифру ещё неопределённо длительное время )))

Более углублённо и развёрнуто по этой теме вы можете почитать тут( ссылка на IXBT ). 

Что это означает для России ?

То, что мы (внезапно) несильно то и отстаём в техпроцессах. Разница в производительности процессоров, сделанных по технологиям 130 нм и 90 нм существенно выше, чем между процессорами, сделанными по технологиям 16 нм и 7 нм, и ещё выше, чем между процессорами, которые будут сделаны по технологиям 2 нм и 1,4 нм. 

Рост частоты, в целом, закончился на техпроцессе 90 нм, а начиная с 22 нм перестали фактически уменьшаться и транзисторы. Точнее, по площади они уменьшились, но стали выше, получив высокий трёхмерный затвор. В результате электроны проходят через него путь практически той же длины, только по дуге, а это значит, что энергопотребление и тепловыделение такого транзистора сохраняются на относительно высоком уровне.

Зная это, становится понятно, почему Россия отказалась от прежних планов создать к 2030-му году технологию 7 нм, а сосредоточилась на технологии 28 нм. Ведь это последняя технология, после которой рост эффективности процессоров за счёт размера транзистора сильно тормозится, а увеличение производительности достигается другими средствами, доступными для реализации и на более толстых техпроцессах. Так что, как говорится, «а нафига козе баян».