Новости

Техпроцесс 1,6 нанометра: новый виток эволюции процессоров

Гонка за уменьшение техпроцесса продолжается, и лидеры полупроводниковой индустрии готовы предложить невероятные инновации. Если недавно казалось, что 5-нм и 3-нм процессоры — это вершина развития, то TSMC уже объявила о скором массовом выпуске чипов на техпроцессе 1,6 нанометра. Это колоссальный скачок вперед, который станет возможным благодаря новым архитектурным решениям и усовершенствованию транзисторов.

От 3000 нанометров до 1,6: история технологического прорыва

Для понимания масштаба прогресса стоит вспомнить, что первые чипы TSMC производились с технологическим процессом 3 микрометра (3000 нанометров). За несколько десятилетий индустрия преодолела границы возможного, уплотняя транзисторы и увеличивая их производительность.

Сегодня переход на 1,6-нм техпроцесс возможен благодаря революционным изменениям в структуре транзисторов и технологии подачи питания.

Подобные разработки ведутся и в Intel, где инженеры разрабатывают собственные технологии, стремясь вновь занять лидирующие позиции в производстве процессоров.

Роль транзисторов в эволюции процессоров

Все современные процессоры состоят из миллиардов транзисторов — крошечных переключателей, управляющих электрическим током. В течение десятилетий транзисторы уменьшались, но после 22-нм техпроцесса появились серьезные ограничения:

• Эффект туннелирования – электроны начинали самопроизвольно просачиваться сквозь затвор.
• Снижение управляемости – уменьшение площади затвора ухудшало контроль тока.

Для преодоления этих ограничений инженеры перешли от планарных транзисторов (PlanarFET) к технологии FinFET.

Появление FinFET: революция трехмерных транзисторов

Транзисторы FinFET заменили плоскую структуру транзисторов на трехмерные плавники, что позволило:

• Сократить утечки тока, поскольку затвор стал окружать канал с трех сторон.
• Повысить эффективность управления, что позволило сократить энергопотребление.
• Разместить транзисторы более плотно, увеличивая мощность процессоров.

Однако даже эта технология со временем достигла своего предела, ведь высота плавников и их плотность не могут расти бесконечно. Именно поэтому индустрия сейчас переходит на GAAFET – новый тип транзисторов с кольцевым затвором.

GAAFET: новая эпоха микроэлектроники

Технология Gate-All-Around Field-Effect Transistor (GAAFET) стала следующим логическим шагом после FinFET. Вместо вытянутых плавников инженеры создали нанолисты, полностью охватывающие канал со всех сторон.

Благодаря полноценному контролю тока через окружение затвора со всех сторон, GAAFET обеспечивают еще более низкие утечки и повышенную эффективность.

Эта технология позволяет преодолеть барьер 3 нанометров, и именно она станет основой будущих процессоров.

Кто уже разрабатывает GAAFET?

Ведущие производители полупроводниковых технологий активно инвестируют в GAAFET:

• TSMC объявила о массовом производстве GAAFET в рамках 1,6-нм техпроцесса.
• Samsung разрабатывает собственную версию Multi Bridge Channel FET (MBCFET), где используются нанолисты вместо нанотрубок.
• Intel представила свой вариант технологии под названием RibbonFET, сочетающий идеи FinFET и GAAFET.

Первые процессоры на базе GAAFET должны поступить в массовое производство уже в 2025 году, а в 2026 году ожидается выпуск коммерческих чипов на 1,6-нм техпроцессе.

Развитие микроэлектроники продолжается ускоренными темпами, и переход к 1,6-нм техпроцессу открывает новые горизонты для вычислительных мощностей. В ближайшие годы мы увидим массовое внедрение GAAFET, а за ним, возможно, и еще более передовые решения.

Технология GAAFET: новый стандарт микроэлектроники

С переходом на GAAFET (Gate-All-Around Field-Effect Transistor) индустрия полупроводников делает шаг в новую эпоху. В отличие от FinFET, где затвор обтекает канал с трех сторон, в GAAFET затвор окружает канал со всех четырех сторон. Это решает ключевые проблемы предыдущих поколений транзисторов:

• Минимизация утечек тока – улучшенный контроль проводимости уменьшает паразитные токи.
• Повышенная энергоэффективность – транзисторы потребляют меньше энергии при той же производительности.
• Упрощение масштабирования – возможность дальнейшего уменьшения размеров без потери характеристик.

Использование GAAFET позволяет добиться улучшенного баланса между мощностью, потреблением энергии и плотностью транзисторов, что критично для современных вычислительных систем.

GAAFET и BSPDN: двойная революция в процессорах

Однако новый 1,6-нм техпроцесс TSMC – это не просто переход на GAAFET. Еще одной ключевой инновацией стало внедрение технологии Backside Power Delivery Network (BSPDN), или обратной подачи питания. Это означает перенос всех линий питания на заднюю сторону кремниевой пластины.

Зачем переносить питание на заднюю сторону?

Традиционно все сигнальные и питающие линии размещались на одной стороне кремниевой пластины. Однако по мере роста плотности транзисторов такая схема стала создавать сложности:

• Сложные разводки мешали уменьшению размеров транзисторов.
• Рост энергопотребления приводил к увеличению тепловыделения.
• Сигналы теряли стабильность из-за высоких плотностей соединений.

Технология BSPDN позволяет освободить лицевую сторону кремниевой пластины от питающих линий, что упрощает конструкцию процессора и улучшает эффективность питания.

Как работает BSPDN?

В традиционных процессорах питание и сигнальные линии расположены в одном слое, что увеличивает сопротивление и снижает стабильность тока. BSPDN решает эту проблему:

• Линии питания переносятся на заднюю сторону пластины, что уменьшает сопротивление и потери энергии.
• Сигнальные пути остаются на фронтальной стороне, повышая скорость передачи данных.
• Уменьшается количество слоев проводников, упрощая производство и снижая затраты на литографию.

Этот подход дает процессорам на 1,6-нм техпроцессе значительные преимущества:

• Снижение энергопотребления на 15–20%.
• Повышение производительности на 8–10%.
• Лучшее управление питанием благодаря снижению сопротивления.

Кто разрабатывает технологию BSPDN?

В настоящее время TSMC является лидером в развитии технологии BSPDN, но другие компании также активно работают в этом направлении:

• Intel разработала собственную технологию обратной подачи питания PowerVia, которая будет использоваться в будущих чипах.
• Samsung также ведет исследования в этой области, адаптируя BSPDN для своих Multi Bridge Channel FET (MBCFET).

Перенос линий питания на заднюю сторону – это одно из самых революционных изменений в архитектуре процессоров за последние десятилетия.

Влияние 1,6-нм техпроцесса на индустрию

Внедрение 1,6-нм техпроцесса и технологий GAAFET + BSPDN окажет огромное влияние на различные отрасли:

✔ Искусственный интеллект

Современные ИИ-алгоритмы требуют огромных вычислительных мощностей. Новый техпроцесс позволит:

• Создавать более энергоэффективные ИИ-ускорители.
• Увеличить скорость обработки данных без роста энергопотребления.
• Оптимизировать взаимодействие между нейронными сетями и аппаратным обеспечением.

✔ Мобильные устройства

Благодаря улучшенной энергоэффективности и компактным транзисторам будущие смартфоны получат:

• Увеличенное время автономной работы.
• Более мощные чипсеты с меньшим нагревом.
• Поддержку новых технологий обработки изображений и AI-функций.

✔ Дата-центры и суперкомпьютеры

Высокая плотность транзисторов и снижение энергопотребления делают 1,6-нм процесс идеальным для дата-центров:

• Снижение затрат на охлаждение серверных процессоров.
• Увеличение вычислительной мощности на единицу площади.
• Экономия электроэнергии для крупных облачных провайдеров.

Когда появятся первые процессоры 1,6-нм?

Хотя TSMC уже анонсировала массовый выпуск 1,6-нм процессоров, фактический выход на рынок ожидается только к концу 2026 года. Причины такой задержки:

• Высокая сложность производства GAAFET и BSPDN.
• Необходимость адаптации производственных мощностей.
• Требования к сертификации новых полупроводниковых технологий.

Первыми, кто получит 1,6-нм процессоры, скорее всего, станут:

• Производители ИИ-ускорителей (NVIDIA, AMD, Google).
• Крупнейшие поставщики облачных решений (AWS, Microsoft Azure, Google Cloud).
• Производители мобильных чипов (Apple, Qualcomm, MediaTek).

Что дальше?

После 1,6-нм процессоров индустрия уже рассматривает переход на 1-нм и субнанометровые технологии. Однако дальнейшее уменьшение техпроцесса требует новых решений:

• Использование новых материалов, таких как графен и 2D-материалы.
• Развитие квантовых транзисторов для преодоления физических ограничений.
• Поиск альтернатив кремниевой электронике, таких как оптические процессоры.

Гонка за уменьшение техпроцесса продолжается, и 1,6-нм процесс – это только начало нового этапа развития вычислительных технологий.

Какие вызовы стоят перед 1,6-нм техпроцессом?

Несмотря на впечатляющие перспективы, внедрение 1,6-нм техпроцесса связано с рядом серьезных технических и экономических вызовов. Производство таких чипов требует передовых технологий, а затраты на разработку и адаптацию нового техпроцесса колоссальны.

✔ Сложность литографического процесса

Для создания чипов с 1,6-нм транзисторами необходимы передовые методы литографии. Сегодня используется экстремальная ультрафиолетовая (EUV) литография, однако с уменьшением размеров возникают следующие сложности:

• Требуется еще более высокая точность при нанесении полупроводниковых слоев.
• Нужны новые фоторезисты, способные работать с меньшими размерами транзисторов.
• Вырастает процент дефектов на пластинах, что снижает выход годных чипов.

✔ Увеличение затрат на производство

Каждое новое поколение техпроцесса требует значительных финансовых вложений:

• Разработка 1,6-нм технологий обходится в миллиарды долларов.
• Необходимо переоборудование фабрик и внедрение новых производственных линий.
• Стоимость готовых чипов значительно возрастает из-за сложности их изготовления.

Ожидается, что производство 1,6-нм чипов будет доступно только крупным корпорациям, работающим в сфере ИИ, серверных технологий и мобильных устройств премиум-класса.

✔ Тепловыделение и управление энергопотреблением

С уменьшением размеров транзисторов растет их плотность, что приводит к проблемам с охлаждением. Новые архитектуры, такие как BSPDN, помогают справляться с перегревом, но даже они не способны полностью устранить тепловые потери.

• Современные процессоры выделяют все больше тепла, требуя новых систем охлаждения.
• Высокая плотность транзисторов приводит к усложнению энергоменеджмента.
• Производители вынуждены разрабатывать новые материалы для теплопроводности.

Когда появятся первые массовые устройства с 1,6-нм техпроцессом?

Хотя TSMC и Intel активно работают над 1,6-нм технологиями, массовое производство начнется не раньше конца 2026 года. Ожидается, что первыми устройствами с новым техпроцессом станут:

• Процессоры для серверов – чипы для дата-центров, оптимизированные для облачных вычислений.
• ИИ-ускорители – специализированные чипы для машинного обучения и нейросетей.
• Флагманские смартфоны – мобильные процессоры с улучшенной энергоэффективностью.
• Игровые GPU – графические процессоры с высоким уровнем производительности.

Ожидается, что первыми компаниями, использующими 1,6-нм техпроцесс, станут Apple, NVIDIA, AMD, Qualcomm и другие лидеры IT-индустрии.

Как 1,6-нм процессоры повлияют на будущее технологий?

Переход к 1,6-нм транзисторам станет важным шагом в развитии вычислительных технологий. Новые процессоры откроют возможности для:

• Более мощных AI-алгоритмов, которые смогут работать в реальном времени.
• Компактных и энергоэффективных мобильных устройств с увеличенным временем автономной работы.
• Серверных решений, оптимизированных для больших нагрузок и анализа данных.
• Будущих 1-нм и субнанометровых технологий, которые придут на смену GAAFET.

Однако основной вопрос заключается в том, насколько быстро отрасль сможет адаптироваться к таким изменениям. Высокая стоимость разработки и производства может замедлить внедрение нового стандарта.

Заключение

Развитие процессоров не останавливается, и переход на 1,6-нм техпроцесс станет важной вехой в истории полупроводниковой индустрии. Новые технологии, такие как GAAFET и BSPDN, позволят добиться:

• Снижения энергопотребления и повышения производительности.
• Компактности чипов при увеличенной плотности транзисторов.
• Оптимизации вычислительных мощностей для ИИ и дата-центров.

Однако внедрение этих технологий связано с огромными техническими и экономическими вызовами, которые должны быть преодолены в ближайшие годы.

Гонка за уменьшение техпроцесса продолжается, и 1,6-нм процессоры – это только начало нового этапа в развитии микроэлектроники.

Будущее вычислений становится еще более захватывающим, и в ближайшие годы мы увидим, как эти технологии изменят рынок процессоров, мобильных устройств и серверных решений.

Следите за обновлениями в мире IT, чтобы не пропустить ключевые достижения полупроводниковой индустрии!