Чипам готовят смену уклада
Очередной скачок в развитии полупроводниковой индустрии связывают с ростом конкуренции, новыми материалами и новой физикой
Геополитический хаос, напрямую затронувший рынок полупроводников, ускорил поиски путей повышения производительности процессоров. Эта отрасль вот уже более полувека развивается согласно так называемому закону Мура, гласящему, что количество транзисторов на единицу площади удваивается каждые два года. Если старые технологии не позволяют поддерживать такой темп развития, их меняют. Сейчас наступает время очередного перехода. Самая прогрессивная, освоенная только двумя компаниями — тайваньской TSMS и корейской Samsung, — литография экстремального ультрафиолета, с помощью которой улучшают кремниевые чипы, становится все сложнее и дороже. А возможности кремния для очередного скачка в развитии электроники и вовсе ограничены законами физики. Но если раньше у ученых был общий план действий в случае подобных «форс-мажоров», то теперь его нет. Есть несколько путей, и, вероятно, они будут реализованы в разных уголках мира независимо друг от друга.
Нанометровый забег
Формальная цель ученых остается прежней: поэтапное уменьшение размера транзистора — главной «рабочей лошадки» твердотельной электроники — и, следовательно, увеличение числа этих структур на интегральной схеме. Ставки в такой гонке высоки: миниатюрные устройства многократно превосходят своих менее технологичных предшественников по ключевым характеристикам. Дело в том, что более мелкие элементы выделяют меньше энергии и занимают меньше места, соответственно, их можно разместить на чипе в большем количестве. А большее количество транзисторов без перегрева означает большую мощность вычислительных систем. К примеру, смартфон Samsung с передовым техпроцессом 5 нм в 13,9 раза превосходит по производительности похожую модель предыдущего поколения с техпроцессом 14 нм.
Такой скачок в производительности удалось совершить совсем недавно, пять лет назад, благодаря большому событию в отрасли — переходу от литографии глубокого ультрафиолета (DUV) к литографии экстремального ультрафиолета (EUV). DUV начала буксовать еще на размере 65 нм, но с помощью всевозможных ухищрений ее адаптировали под создание более мелких транзисторов. Технология опирается на длину волны 193 нм — слишком большую для того, чтобы ее можно было сфокусировать в достаточно малую для создания рекордных чипов точку. Длина волны в экстремальном ультрафиолете — 13,5 нм, на нижней границе УФ-спектра, почти у края рентгеновского диапазона. Это позволяет ставить нанорекорды в электронике: с помощью EUV-установок уже созданы транзисторы размером 7 и 5 нм, анонсированы чипы с техпроцессами размером 3 и 2 нм. Впрочем, при уменьшении элементов на считаные нанометры с помощью литографии EUV (к примеру, 3 против 5) вау-эффектов уже не ожидается. По данным TSMS, производительность трехнанометровых микросхем вырастет всего на 10–15% при снижении энергопотребления на 20–30%.
Издержки процесса
Но почему так мало, где обещанный бурный рост — хотя бы на порядок? Оказывается, не все так просто и со стратегией уменьшения структур на чипе, и с литографией экстремального ультрафиолета. Главное ограничение — перегрев элементов. К сожалению, удвоение числа транзисторов не сопровождается эквивалентным увеличением эффективного теплоотведения от чипа. Это сказывается на производительности конечных устройств: при совершении любых манипуляций с битами компьютеру требуется энергия, чтобы отличить значения бита от теплового шума, и много мощности расходуется на попытки справиться с ненужной теплоотдачей. Безусловно, технологии позволяют совершенствовать и системы охлаждения в чипах, но это, не решая проблему полностью, увеличивает себестоимость интегральных схем.
Дополнительные сложности создают выходящие из-под контроля электроны при изготовлении микросхемы. «Длина волны, которую использует EUV, — 13,5 нанометра, что соответствует энергии фотона в 92 электронвольт. Такой фотон выбивает электроны из атомных оболочек. Вторичные электроны сами реагируют с резистом (диэлектрик, используемый в качестве защиты при изготовлении микросхем. — “Эксперт”), вызывая тот же эффект, что и фотоны, — поясняет член научного совета Российского квантового центра, профессор Университета Калгари Александр Львовский. — Прежде чем остановиться, электрон проходит расстояние в несколько нанометров, что, естественно, влияет на разрешение. Получается заколдованный круг: чем меньше длина волны, тем лучше дифракционный предел разрешения, но тем сильнее эффект от выбиваемых электронов».
Каскады вторичных электронов добавляют тепла и запускают целый ряд химических реакций, из-за чего нарушается четкость изображения схемы по краям, тени формируемых на поверхности чипа элементов получаются более размытыми, чем на шаблоне. Все это повышает вероятность возникновения дефектов на готовом изделии. Выявлять их на 300-миллиметровом диске, покрытом транзисторами с плотностью 130–230 млн штук на квадратный миллиметр, помогают специально разработанные для этих целей дефектоскопы, но это снова сказывается на стоимости чипа.