Размер имеет значение: какие микросхемы появятся в смартфонах нового поколения

В начале мая компания IBM представила первый в мире чип, изготовленный по 2-нанометровому техпроцессу. Это громкое событие в ИТ-сообществе, вершина 60-летнего развития полупроводниковой промышленности. Впрочем, недосягаемой ее назвать нельзя. Конкуренты не дремлют: один процессор продают, второй разрабатывают, третий примечают, четвертый мерещится, пишет в журнале «Профиль» Иван Дмитриенко.

Судя по многочисленным анонсам, в ближайшие годы нас ожидает появление еще более удивительных, когда-то казавшихся невозможными микросхем. «Профиль» рассказывает о ключевых интригах на этом рынке.

Быстрее, меньше, точнее

Как производят и по каким параметрам сравнивают процессоры — вопрос, требующий изрядной технической подготовки. Для простоты понимания уже несколько десятилетий используется термин техпроцесс. Он описывает масштаб операций, выполняемых литографическими сканерами, с помощью которых транзисторы размещаются на кремниевом основании. Чем выше степень детализации оборудования, тем плотнее «рассадка» транзисторов и, как следствие, выше производительность чипа.

В 1980-х годах техпроцесс измерялся в микрометрах. Постепенно размеры транзисторов уменьшились до нанометров (их можно увидеть только в электронном микроскопе): в 1995 году покорилась планка 350 нм, в 2001-м — 130 нм, в 2006-м — 45 нм, в 2010-м — 28 нм, в 2015-м — 16 нм. Сегодня самые авангардные процессоры, доступные на рынке, изготавливаются по техпроцессу 5 нм: их выпустили Apple (A14), Qualcomm (Snapdragon 780G и 888), Samsung (Exynos 992), Huawei (Kirin 9000), скоро присоединится AMD (Zen 4).

Следующий виток не за горами. Тайваньская компания TSMC одновременно работает над несколькими технологиями. До конца 2021 года она планирует освоить техпроцесс 4 нм, во второй половине 2022-го начать массовый выпуск микросхем 3 нм, а в 2023—2024 годах поставить на рынок двухнанометровые чипы. Для наглядности: в техпроцессе 3 нм по сравнению с 5 нм плотность расположения транзисторов на 70% выше, что обеспечит прирост производительности на 15% либо снижение энергопотребления на 30%.

Корейский Samsung дышит в спину TSMC. По некоторым сведениям, он отстает в разработках на полгода, но намерен наверстать упущенное, пропустив техпроцесс 4 нм и сразу перейдя к 3 нм. Эти чипы появятся в продаже в 2022—2023 годах.

Тайваньская фирма MediaTek за счет новых процессоров рассчитывает оставить позади своего основного соперника Qualcomm (США). Несколько лет Qualcomm лидировал на рынке мобильных чипов, но недавно выяснилось, что MediaTek обошла его по объему продаж, а теперь хочет первой поставить изделия по техпроцессу 4 нм.

Особая ситуация сложилась с китайскими брендами. Huawei разрабатывает трехнанометровый процессор Kirin 9010, однако из-за санкций правительства США едва ли сможет закупить нужные комплектующие. Вероятно, Huawei придется сотрудничать с китайским производителем микросхем SMIC, который пока добрался лишь до 7−8 нанометров. Но и SMIC страдает из-за санкций, не получая с Запада передовое оборудование.

Мало что известно о громкой новинке, двухнанометровом процессоре IBM. Пока готов тестовый образец. Массовое производство в IBM планируют наладить к концу 2024 года. То есть позже TSMC.

А что же Intel, многолетний лидер микроэлектронной индустрии? «Застрял» на техпроцессах 10 и 14 нм. Прошлым летом компания призналась, что испытывает трудности с освоением 7 нм, и ее биржевые котировки тут же упали на 10% (минус $ 50 млрд капитализации). В результате в Intel сменилось руководство, и новый директор Пэт Гелсингер в марте представил амбициозную стратегию, посулив процессорам Intel «неоспоримое лидерство по быстродействию». К концу десятилетия ИТ-гигант планирует добраться до чипов 1,4 нм. Ближайшая цель, впрочем, скромнее: 7 нм в 2023 году.

Инновации от маркетологов

Какие технические сложности приходится преодолевать разработчикам чипов? По мере уменьшения транзистора возрастает вероятность эффекта квантового туннелирования: в «выключенном» состоянии он не должен пропускать ток, но некоторые электроны все же просачиваются. Результат — ошибки в вычислениях. На этапе перехода к техпроцессам 14−16 нм это потребовало изменения геометрии транзисторов: из плоских (PlanarFET) они стали трехмерными (FinFET) — добавился вертикальный барьер для электронов.

Уровень 5 нм считается нижней границей надежной работы FinFET, освоение 2−3 нм потребует еще более хитроумных технологий. Теоретически они готовы (GAAFET, MBCFET), но в январе отраслевой портал IT Home сообщил, что во время испытаний и у TSMC, и у Samsung возникли проблемы.

«Предел в уменьшении техпроцессов действительно есть — сделать полнанометра вряд ли получится, — говорит футуролог и венчурный инвестор Евгений Кузнецов. — Однако до этого пока есть время. На уровне 2−3 нм квантовые эффекты еще можно поставить под контроль. На исследовательском уровне задача уже решена, осталось довести решение до рынка».

Так или иначе, использование техпроцесса в качестве универсального мерила чипов требует оговорки. Первоначально значение техпроцесса действительно указывало на размер одного из элементов транзистора. Однако уже на этапе 32−45 нм эта зависимость стала далеко не очевидной. Производители начали явно лукавить, называя новым техпроцессом почти любое улучшение технологии «выпекания» микросхем.

Все дело в том, что по сложившейся в отрасли традиции (закон Мура) мощность процессора должна регулярно удваиваться. Однако в мельчайших техпроцессах наших дней такой темп выдерживать все труднее. На практике каждое следующее поколение чипов дает прирост производительности примерно на 20−30%.

Что же касается физических размеров транзисторов, то сегодня у большинства представленных на рынке чипов — что 7 нм, что 10 нм, что 14 нм — они почти идентичны. Особенно этой ситуацией недовольны в Intel: американская компания дважды улучшила техпроцесс 14 нм, но вместо 7 нм назвала его 14 нм++. И потому выглядит как бы аутсайдером.

Впрочем, по сравнению с пятинанометровыми процессорами TSMC интеловские 14 нм++ и вправду уступают.

Тонкости техпроцесса

Вышесказанное, впрочем, не означает, что смысл полупроводниковой индустрии сводится к внедрению новых техпроцессов. Скорее задача производителей в обратном: чтобы несметные суммы, вложенные на этапе исследований и запуска конвейера, окупались еще много лет. К примеру, самым ходовым техпроцессом на заводах TSMC сейчас является 7 нм, а к середине 2020-х его должен сменить 5 нм. А Intel все еще пожинает плоды 14 нм. Во многом поэтому американцы медлят с переходом на 10 нм и менее: зачем терпеть убытки, если зрелый техпроцесс обеспечивает прибыль здесь и сейчас?

Такими чипами по сей день оснащаются гаджеты из бюджетного сегмента. Ведь каждый «лишний» минус нанометр дает заметный прирост к стоимости устройства. Например, по оценке TelecomDaily, микросхема 5 нм стоит $ 30−35, а 4 нм обойдется уже в $ 80. Многие ли захотят переплачивать?

Также есть рынок специализированных чипов — транспортных, промышленных, военных. Они работают в условиях радиации, высокого напряжения или температуры. Здесь «мельчить» тем более не нужно. Так, в автомобилях применяются микросхемы с литографией 22 нм и более.

Эта ниша представлена компаниями UMC, SMIC и GlobalFoundries: последняя, например, официально отказалась от перехода на техпроцесс 7 нм (а недавно получила крупный заказ от Пентагона на чипы 45 нм). Да и у той же TSMC, судя по отчетности за первый квартал 2021 года, на долю чипов 28−250 нм пришлось 37% выручки.

Кстати, этими аргументами утешаются патриоты российской микроэлектроники: лучший отечественный процессор Baikal-M производится по техпроцессу 28 нм.

Еще один немаловажный тренд на рынке — перенос «тяжелых» вычислений в облака. Только за 2020 год мировой рынок облачных услуг вырос на треть (данные Canalys). Их применение снижает системные требования к гаджету. Как следствие, в последние годы получили распространение «облегченные» ПК (хромбуки, десктопы с мобильными ARM-процессорами).

И все же, по мнению Кузнецова, гонку нанометров это не остановит. «На заре компьютерной эры были огромные ЭВМ, к которым люди подключались через специальные терминалы, — вспоминает эксперт. — Облачные сервисы воспроизводят ту же терминальную модель на новом уровне. И все же самую яркую революцию за минувшие полвека произвел персональный компьютер. Это противоположный принцип: все вычисления — здесь и сейчас на вашем устройстве. При всем уважении к облакам он до сих пор выглядит привлекательнее, потому что все данные по Сети не передашь. Особенно это касается очков виртуальной реальности, которые хлынут на рынок в ближайшие годы».