когда техпроцесс достигнет 1 нм что будет
Тайваньская TSMC заявляет о прорыве в области 1-нм чипов
Тайваньская TSMC, Национальный университет Тайваня (NTU) и Массачусетский технологический институт объявили о значительном прорыве в разработке 1-нанометровых чипов.
В последние десятилетия производители микросхем старались помещать как можно больше транзисторов на меньшие площади. Это явление, известное как закон Мура, гласит, что количество транзисторов на единицу площади удваивается примерно каждые два года. Однако сейчас производители микросхем приближаются к физическому пределу основного полупроводникового материала — кремния.
Научное сообщество активно экспериментирует с 2D-материалами, которые могут заменить кремний. Основной недостаток 2D-материалов заключается в том, что место контакта между полупроводником и металлом обладает высоким сопротивлением. Исследователи обнаружили, что использование полуметалла висмута в качестве контакта для двухмерных материалов (в экспериментах в качестве полупроводника послужил сульфид молибдена) позволяет значительно снизить сопротивление и увеличить ток. Это открытие было сделано командой Массачусетского технологического института, а затем доработано TSMC и NUT. Предполагается, что оно позволит повысить энергетическую эффективность и производительность будущих процессоров.
Эта новость последовала за объявлением IBM о выпуске 2-нм чипа, который, по данным IBM, будет иметь на 45% более высокую производительность и потреблять на 75% меньше энергии, чем современные 7-нм чипы.
Разработка 1-нм техпроцесса, вероятно, начнется в ближайшие несколько лет. Сегодня TSMC сосредоточена на 7 и 5-нм техпроцессе; конце 2022 года предприятие планирует перейти на 3-нм производство.
В производстве процессоров нанореволюция. TSMC вот-вот запустит 1-нанометровый техпроцесс
TSMC добилась невероятных успехов в усовершенствовании технологий производства чипов. Она сделала большой шаг на пути к 1 нанометру, тогда как многие ее конкуренты пока не перешли и на 7 нм. Но сейчас у компании запуск 2-нанометровой линии – он назначен на 2023 г.
1 нанометр все ближе
Компания TSMC совершила прорыв в создании 1-нанометровых микросхем, разработав технологию, упрощающую этот процесс. TSMC работала над этой технологией вместе со специалистами Национального университета Тайваня (НУТ, National Taiwan University) и Массачусетского технологического института (МТИ, Massachusetts Institute of Technology, США). Статью о новом достижении они опубликовали в британском научном журнале Nature.
Исследователи Массачусетского технологического института установили, что применение полуметаллического висмута в качестве контактного электрода двумерного материала дает возможность существенно снизить сопротивление и увеличить ток. TSMC подключилась только на следующем этапе, когда оригинальное открытие потребовало доработки.
Специалисты TSMC оптимизировали предложенный МТИ процесс осаждения. После этого в дело вступил Национальный институт Тайваня, ученые которого придумали способ сокращения компонентного канала посредством системы литографии пучка ионов гелия.
Технология почти готова
По заявлениям разработчиков, переход на 1-нанометровый техпроцесс в итоге позволит повысить производительность чипов, что приведет к росту быстродействия вычислительных систем в целом. Авторы утверждают также, что 1-нанометровые нормы обеспечивают энергоэффективность почти на грани физических пределов наноразмерных кремниевых полупроводников. С нынешними техпроцессами они эти показатели пока не сравнивают.
При всех преимуществах новой технологии она на момент публикации статьи о ней в Nature еще требовала доработки. Авторы не уточняют, как много времени потребуется прежде, чем в мире заработает первый в мире конвейер, выпускающий 1-нанометровые микросхемы.
В то же время, нет точных данных о том, когда именно TSMC начала работать над этой технологией. Для примера, к освоению 2 нм она приступила летом 2019 г., масштабных успехов в этом она добилась год спустя, а запустить производство по этим нормам компания собирается в 2023 г. Таким образом, 1-нанометровая топология тоже может увидеть свет в самом ближайшем будущем.
Актуальное положение дел
На 20 мая 2021 г. самым современным техпроцессом в мире был 5 нм. Процессоры с такими нормами TSMC научилась выпускать еще летом 2020 г. До такого же уровня выпуск микросхем на собственных фабриках развила и корейская Samsung. Другие производители отстают от них – к примеру, Intel застряла на 10 и 14 нанометрах.
5-нанометровые процессоры сейчас есть в арсенале лишь нескольких компаний. В их числе Apple со своим M1, Qualcomm с Snapdragon 888 и Samsung с Exynos 1080.
Планы на будущее
Сейчас TSMC ведет разработку 2-нанометрового техпроцесса. В этом направлении, как сообщал CNews, она работает с лета 2019 г., не забывая при этом про промежуточные 4 и 3 нанометра.
Сроки запуска 4-нанометрового производства компания не раскрывает. Выпуск микросхем по 3-нанометровым нормам предварительно запланирован на 2022 г.
И все же, основной упор TSMC делает именно на 2 нм. В июле 2020 г. она совершила прорыв в его создании и заявила, что за счет него можно ожидать появления первых соответствующих чипов не позднее 2024 г. Новой топологией открыто интересуется Apple – в марте 2021 г. она присоединилась к ее разработке, желая в дальнейшем стать основным заказчиком 2-нанометровой продукции TSMC. Благодаря помощи Apple TSMC сместила сроки запуска новой линии с 2024 г. на 2023 г.
За пару недель до заявления TSMC об открытии в создании 1-нанометровой микросхемы американская IBM заявила об изобретении первого в мире процессора с топологией 2 нм. Она смогла уместить 50 млрд транзисторов на кристалле размером с ноготь.
На тот момент у IBM было готово несколько тестовых образцов чипа. Она сравнила их с распространенными сейчас 7-нанометровыми процессорами и заверила, что ее новинка обладает на 75% более высокой производительностью при том же уровне потребления энергии. При этом если снизить производительность до уровня 7 нм, то потребление энергии упадет на 45%.
Что идёт после нанометра? О будущем техпроцесса
Техпроцесс в производстве микропроцессоров развивается настолько стремительно, что обывателю не совсем понятно, куда пойдут компании после достижения 1-нанометрового стандарта. Так что идет после нанометра и когда мы доберёмся до этих микроскопических значений? После нанометровых значений пойдёт пикометр. По прогнозам Intel, отметка будет достигнута в ближайшие 10-12 лет.
О планах было заявлено во время мероприятия International Electron Devices Meeting. На показанной публике дорожной карте расставлены отметки, показывающие направление в развитии собственного производства.
Необходимо отметить, что в мире есть лишь несколько корпораций, способных перегнать 10 нм рубеж. Это произошло в 2018-2019 гг.
Дойти до 7-5 нм бренд намерен к 2023-му, хотя та же Apple справится с задачей в сегменте мобильных микрочипов значительно быстрее. Достаточно сказать, что её A14 Bionic в iPhone 12 уже взял эту планку. В случае с Intel на достижение 3-нанометового показателя уйдут ещё 2 года, а до 1,4 нм производитель доберётся к 2029-му. Во многом схожие показатели наблюдаются и у AMD, которая даже способна обогнать гиганта.
Почему не всё так радужно и что идет после нанометра?
Переход на пикометр к текущему моменту является фантастикой. Та же Intel с большими костылями начала выпуск 10-нанометровых CPU, а поставки 14-нанометровых аналогов ведутся даже в 2020 году. При этом AMD со своими 7-нанометровыми Ryzen 9 чувствует себя значительно комфорнее, не говоря о серверных решениях.
Ещё одним потенциальным представителем компьютерного рынка могла бы стать Samsung, не концентрируйся она исключительно на мобильных девайсах. По слухам, разработки в сторону мощных десктопных CPU действительно ведутся.
TSMC разработала 1-нм техпроцесс, но это не точно
Исследователи из компании TSMC с коллегами из США и Национального университета Тайваня представили работу о транзисторах из так называемых 2D-материалов, которые могут прийти на смену кремниевой электронике. В совместном исследовании специалисты нашли такое сочетание материалов, которое делает возможным производство транзисторов из материалов толщиной в один или несколько атомов. Открытие вполне может лечь в основу 1-нм техпроцесса TSMC.
Источник изображения: MIT
Проблема с 2D-материалами в том, что место контакта между полупроводником и металлом обладает высоким сопротивлением и ухудшает токовые характеристики транзисторов. Исследователи из Массачусетского технологического института, Калифорнийского университета в Беркли, компании TSMC, Национального университета Тайваня и ряда других организаций смогли подобрать правильное сочетание материалов, которое обеспечило все нужные характеристики «двумерных» транзисторов.
Всё оказалось просто. Снижение сопротивления на границе перехода между двумерным полупроводником в лице сульфида молибдена (MoS2) и металлическим контактом для соединения с другими цепями электронной схемы произошло при контакте материала с полуметаллом висмутом (Bi). На границе раздела материалов, как сообщают учёные, отсутствовал энергетический барьер (барьер Шотки), который мог бы препятствовать свободному прохождению электронов — течению электрического тока.
Из данного исследования был сделан вывод, что электрический контакт между MoS2 и Bi — это вполне рабочее решение для создания транзистора n-типа. Решения для создания аналогичного транзистора p-типа у исследователей пока нет, так что полноценной электронной схемы из 2D-материалов пока не создать. Но на этом поиск перспективных сочетаний материалов не прекратится, так что всё ещё впереди.
Основной научный поиск был проведён учёными из США. Компания TSMC смогла создать образцы контактов на своём оборудовании методом осаждения из газовой фазы в вакуумной камере. Создать необходимую основу для травления на кристалле помогли учёные из Национального университета Тайваня, которые смогли сфокусировать ионный луч до нанометрового масштаба. Исследование финансируется Министерством обороны США. Материал под названием Ultralow contact resistance between semimetal and monolayer semiconductors был опубликован в издании Nature.
Почему с уменьшением техпроцесса современных процессоров сильно увеличивается скорость их деградации
Деградация – это естественный процесс разрушения внутренних элементов процессора в процессе его эксплуатации, который, возникает от воздействия, протекающего через его внутренние элементы электрического тока и воздействия на них высоких температур. Это приводит к постепенному ухудшению его технических характеристик (параметров), вплоть до его полного выхода из строя.
реклама
Признаком деградации процессора является невозможность, спустя некоторое время, работать на своих штатных (разогнанных – стабильных) параметрах (частоте, напряжении питания). Проявляется это в возникновении в определенный момент, и все более частом появлении с течением времени «синих экранов», внезапных выключений, перезагрузок компьютера, возникновении ошибок при прохождении различных тестов. Устраняется это увеличением напряжения питания процессора, или снижением тактовой частоты процессора. Но через некоторое время симптомы повторяются, и требуется дальнейшее повторение вышеуказанных манипуляций. Но наступает момент, когда уже нельзя больше поднимать напряжение питания, и остается лишь снижать тактовую частоту процессора, тем самым снижая его производительность.
Ну а теперь немного «физики» процессов, происходящих при деградации.
Процессор состоит из множества элементов: транзисторов, резисторов, конденсаторов, диэлектрических изолирующих слоев, металлических межсоединений, и другого.
реклама
реклама
Еще одно воздействие высокой температуры – это деградация МОП транзисторов, происходящая при повышенной температуре, выше 85 градусов и отрицательном напряжении на затворе транзистора. Это приводит сначала к образованию ловушек, а затем захвата ловушками дырок из канала в подзатворном окисле. Эта деградация происходит без протекания тока через канал транзистора.
А при воздействии тока, со временем можно наблюдать такой процесс, как электромиграция. Это физическое перемещение атомов металла под воздействием протекающего через металлические шины тока. Вследствие электромиграции возможно появление утолщений (скопление атомов металла) в одном месте, и образование пустот в другом месте. Металлическая разводка в кристалле процессора очень плотная. И соседние металлические шины расположены друг от друга, на минимально допустимом по технологии расстоянии. И утолщение одной из шин может привести к закорачиванию с соседней шиной.
Что может привести, как к повышению токов утечки, так и полному замыканию и отказу одного из участка схемы и как следствие неработоспособности всей схемы. Образование пустот в металлических шинах, напротив, может привести к обрыву шины, и не возможности передачи по ней сигналов, или же к значительному увеличению сопротивления в месте возникновения пустоты, и недопустимому затуханию (потери) сигнала на этом участке, что также приведет к неработоспособности всей схемы в целом.
реклама
На изображениях сделанных электронным микроскопом видно состояние металлической шины после длительного влияния вышеуказанных факторов. Тут видно и образование утолщений и образование разрывов вызванных протеканием тока.
А на этом снимке темная область – это пустота, образовавшаяся внутри металлической шины.
Деградация МОП транзисторов, при протекании через них тока происходит следующим образом: под воздействием протекающего электрического тока по цепи исток – канал – сток, из области истока происходит диффузия ионов металла в полупроводниковую область канала. Тем самым делая канал МОП транзистора проводником электрического тока. При малой концентрации ионов металла в канале МОП транзистора, происходит увеличение тока утечки, и как следствие увеличивается тепловыделение процессора, и его температура, процессор при этом начинает сбоить. В этом случае помогает увеличение запирающего напряжения на затворе транзистора, которого можно достичь поднятием общего напряжения питания процессора. Но при этом еще больше увеличится температура и токи, что еще больше ускорит деградацию и ухудшение всех параметров процессора. При дальнейшем увеличении концентрации ионов в канале МОП транзистора, сопротивление канала становится очень низким, через него начинает протекать ничем не регулируемый ток, и работоспособность всей схемы процессора нарушается.
Деградация параметров МОП транзисторов под воздействием горячих (высокоэнергетических) носителей заряда происходит по причине инжекции этих носителей заряда разогнавшихся в электрическом поле канала транзистора, и обладающих необходимой энергией для преодоления барьера Si-SiO2 (полупроводник – окисел) в подзатворный окисел, оседая, и накапливаясь там.
Теперь зная физические процессы, происходящие в кристалле процессора, разберемся, почему же все современные процессоры, производящиеся по техпроцессам с малыми значениями, подвержены деградации в разы быстрее, чем например их предшественники 7 – 15 летней давности. С уменьшением техпроцесса происходит уменьшение всех внутренних элементов процессоров, увеличивается плотность упаковки элементов. Например, уменьшение толщины диэлектрика, уже само по себе снижает его электрическую прочность (напряжение, при котором произойдет его пробой), так еще и увеличивается электрическое поле, воздействующее на диэлектрик между сблизившимися обкладками конденсатора или металлическими соединительными шинами. Как мы помним из курса школьной физики уменьшение толщины диэлектрика между обкладками конденсатора, и сближение обкладок друг с другом, приводит к увеличению электрического поля между ними. Что приведет к более быстрому разрушению диэлектрика в современных процессорах, нежели это происходило в старых процессорах, где толщина диэлектрика в разы больше. При уменьшении поперечного сечения металлических соединительных шин и размеров МОП транзисторов, происходит увеличение плотности тока протекающего через них, что приводит к ускоренному развитию пустот и расширений на металлических шинах и электромиграции ионов металла в каналы МОП транзисторов.
Процесс деградации будет сильно ускорен при неправильном разгоне процессора, при котором напряжение питания будет сильно завышено. И при неправильном температурном режиме процессора.
Таким образом, благодаря современным техпроцессам производства процессоров, теперь абсолютно любой пользователь станет свидетелем деградации своего процессора, после хотя бы пятилетнего периода его использования. Чего не могли предоставить пользователям старые процессоры с большими техпроцессами. Ну, например Pentium 4 (техпроцесс 90 нм.) или FX 8320 (техпроцесс 32 нм.), у которых деградация не сильно то и проявлялась, и через десятилетия их использования. А у современных процессоров, например у Intel Core i9-10900 техпроцесс 14 нм., у Ryzen 9 5950X техпроцесс 7 нм., ну не совсем и честных нужно сказать, хитрят, опять хитрят хитрецы, деградация даст о себе знать уже лет через 3 – 5. Пожалуй Ryzen 9 5950X будет лидером в гонке деградации.
Ну и эти свойства современных процессоров накладывают особенность при их покупке на вторичном рынке. Если б/у процессоры старых годов выпуска можно было покупать не опасаясь, что их параметры уже не те, так как нужно было очень сильно постараться, чтобы подвергнуть их сколь-нибудь заметной деградации. То современные б/у процессоры, можно с большой вероятностью приобрести уже «убитыми». Ибо их деградация успела посетить основательно. Нужно иметь это ввиду при покупке б/у современных процессоров.
Хотя может и правильно, что ресурс в современные процессоры закладывается на период времени их актуальности, на срок 3 – 5 лет. А не так как старые процессоры, которые работают уже по 20 лет без признаков деградации, но морально устарели уже как лет 15 тому назад.
Заметили ли вы деградацию своего процессора, или еще нет? Пишите в комментариях.