Что такое 10 нм, 7 нм или 5 нм в смартфоне? Техпроцесс для «чайников»

Появление этой статьи на Deep-Review было лишь вопросом времени. Многие читатели задавали одни и те же вопросы, суть которых сводилась к следующему: что реально отражает эта цифра (12, 10, 7 или 5 нм) в технических характеристиках смартфонов, где в процессоре те самые 5 нанометров? Что вообще такое техпроцесс и какой процессор лучше выбрать?

Даже в современных печатных книгах сплошь и рядом встречается распространенное заблуждение, будто эти цифры означают размеры транзисторов, из которых состоит процессор.

В общем, пришло время разобраться с этим вопросом!

Сразу предупреждаю, что статья рассчитана на самый широкий круг читателей, то есть, при желании все сказанное смогут понять даже дети.

Но прежде, чем говорить о нанометрах и техпроцессе, нужно разобраться с транзистором. Без понимания этого устройства весь наш дальнейший разговор будет лишен смысла.

Что такое транзистор в процессоре смартфона? Как он работает и зачем вообще нужен?

Транзистор — это основа любого процессора, памяти и других микросхем. Он представляет собой крошечное устройство, способное работать в двух режимах: усиления или переключения электрического сигнала. Нас интересует именно режим переключателя.

Основа любой вычислительной техники — это единички и нолики. Просмотр видео на смартфоне, прослушивание музыки, дополненная реальность и нейронные сети — все это работает на «единичках и ноликах»:

• Единица — есть ток
• Ноль — нет тока

Именно для получения единиц и нулей мы используем транзисторы. Когда из этого миниатюрного устройства выходит ток, мы говорим, что это единица, когда нет никакого электрического сигнала — получаем ноль.

Соответственно, один транзистор — это совершенно бесполезная ерунда, которая не сможет сделать ничего. Даже, чтобы посчитать 2+2 нам нужны десятки транзисторов.

Итак, для создания транзистора мы берем немножко песка (условно какую-то часть одной песчинки) и делаем из него микроскопическую основу:

Это будет наша кремниевая подложка (кремний получают именно из песка). Теперь нужно на эту основу нанести две области. Я думал, стоит ли погружаться в физику этого процесса и объяснять, как эти области делаются и что там происходит на уровне электронов, но решил не перегружать статью излишней информацией. Поэтому будем немножко абстрагироваться.

Итак, делаем две области: в одну ток подаем (вход в транзистор), а из другой — считываем (выход):

Мы сделали эти области внутри кремниевой подложки таким образом, чтобы ток не смог пройти от входа к выходу. Он будет останавливаться самим кремнием (показан зеленым цветом). Чтобы ток смог пройти от входа к выходу по поверхности кремниевой подложки, нужно сверху разместить проводящий материал (скажем, металл) и хорошенько его изолировать:

А теперь самое важное! Когда мы подадим напряжение на этот изолированный кусочек металла, размещенный над кремниевой подложкой, он создаст вокруг себя электрическое поле. Изоляция никак не будет влиять на действие этого электрического поля. И здесь происходит вся «магия»: слой кремния под действием этого электрического поля начинает проводить ток от входа к выходу! То есть, когда мы подаем напряжение, ток может легко протекать между двумя областями:

Вот и все! Осталось дело за малым — подключить «провода» (электроды) ко входу, выходу и кусочку изолированного металла, с помощью которого мы и будем включать/выключать транзистор. Назовем их так:

• Вход — Исток
• Выход — Сток
• Металл с изоляцией — Затвор

Для закрепления материала немножко поиграемся с этим транзистором.

Итак, транзистор находится под напряжением, то есть, электричество подается на исток. Но на затворе тока нет, так как на наш транзистор не «пришла единица». Соответственно затвор «закрыл» транзистор и ток по нему пройти дальше не сможет, так что и на выходе из транзистора мы получаем ноль:

Теперь ситуация изменилась и на затворе транзистора появилось напряжение, которое создало электрическое поле, позволившее току пройти через транзистор от истока к стоку. Как результат — транзистор выдал единицу (есть электрический сигнал):

Вот так все просто! То есть, основное напряжение поступает на вход ко всем транзисторам, но будет ли каждый конкретный транзистор пропускать этот ток дальше — зависит от незначительного напряжения на затворе. Это напряжение может появляться, например, когда другой транзистор, подключенный к этому, отправил электрический импульс («единичку»).

Этого знания более, чем достаточно для того, чтобы ответить на все остальные вопросы, касательно нанометров и логики работы процессора.

О том, какие физические процессы стоят за таким нехитрым переключателем, то есть, что именно заставляет электроны проходить по кремнию, когда над ним появляется электрическое поле, я рассказывать не буду. Возможно, о легировании кремния фосфором и бором, p-n переходах и электрических полях мы поговорим как-нибудь в другой раз. А сейчас перейдем к основному вопросу.

Что такое техпроцесс или где же спрятаны эти «7 нанометров»?

Предположим, у нас есть современный смартфон, процессор которого выполнен по 7-нм техпроцессу. Что внутри такого процессора имеет размер 7 нанометров? Предлагаю вам выбрать правильный вариант ответа:

• Длина транзистора
• Ширина транзистора
• Расстояние между двумя транзисторами
• Длина затвора
• Ширина затвора
• Расстояние между затворами соседних транзисторов

Какой бы вариант вы ни выбрали, ваш ответ — неверный, так как ничего из перечисленного не имеет такого размера. Если бы этот же вопрос я задал лет 20 назад, правильным ответом была бы длина затвора (или длина канала, по которому протекает ток от стока к истоку):

Стоп! Длина канала, ширина, площадь — да какая разница, что в чем измеряется!? Зачем вообще придумали эти названия техпроцессов, для чего они нужны простым людям? Что вообще должен показывать техпроцесс обычному покупателю? Зачем ему знать ту же длину затвора транзистора?

Давным давно один человек по имени Гордон Мур (основатель корпорации Intel) задумался о том, как быстро развиваются технологии. Под словом «развитие» он подразумевал рост количества транзисторов, помещающихся на одной и той же площади. Дело в том, что этот показатель напрямую влияет на скорость вычислений. Процессор, вмещающий всего 1 млн транзисторов будет работать гораздо медленней, чем тот, внутри которого находятся 10 млн транзисторов.

Более того, уменьшая размер транзистора, автоматически снижается его энергопотребление (ток, проходящий через транзистор пропорционален отношению его ширины к длине). Также уменьшается размер затвора и его емкость, позволяя ему переключаться еще быстрее. В общем, одни плюсы!

Так вот, этот человек наблюдал за историей развития вычислительной техники и заметил, что количество транзисторов на кристалле удваивается примерно каждые 2 года. Соответственно, размеры транзисторов уменьшаются на корень из двух раз.

Другими словами, нужно умножать каждую сторону квадратного транзистора на 0.7, чтобы его площадь уменьшилась вдвое:

Это наблюдение получило название «закон Мура» и так родилась маркировка техпроцесса: каждые два года эту цифру умножали на 0.7. Например, при переходе от 1000-нм техпроцесса к 700-нм, количество транзисторов на чипе возросло в 2 раза. Примерно то же можно сказать и обо всех современных процессорах: 14 нм -> 10 нм -> 7 нм -> 5 нм. Каждое последующее поколение просто умножаем на 0.7, предполагая, что количество транзисторов там увеличивалось вдвое.

Повторюсь, до определенного момента эта цифра означала длину канала (или длину затвора), так как эти элементы уменьшались пропорционально размеру транзистора.

Но затем удалось сокращать длину затвора быстрее, чем другие части транзистора. С тех пор связывать размер затвора с техпроцессом стало не совсем корректно, так как это уже не отражало реального увеличения плотности размещения транзисторов на кристалле.

Например, в 250-нм техпроцессе длина затвора составляла 190 нанометров, но транзисторы не были упакованы настолько плотно по сравнению с предыдущим техпроцессом, чтобы называть его 190-нанометровым (по размеру затвора). Это не отражало бы реальную плотность.

Затем длина канала и вовсе перестала уменьшаться каждые два года, так как появилась новая проблема. При дальнейшем уменьшении длины канала, электроны могли обходить узкий затвор, так как блокирующий эффект был недостаточно сильным. Более того, такие утечки возникали постоянно, вызывая повышенное энергопотребление и нагрев транзистора (и, как следствие, всего процессора).

В общем, техпроцесс отвязали от длины затвора и взяли просто группу из нескольких транзисторов (так называемую ячейку) и площадь этой ячейки использовали для названия техпроцесса.

К примеру, в 100-нм техпроцессе ячейка из 6 транзисторов занимала, скажем, 100 000 нанометров (это условная цифра из головы). Компания упорно работала над уменьшением размеров транзисторов или увеличением плотности их размещения и через пару лет добилась того, что в новом процессоре эта же ячейка занимает уже 50 000 нм.

Не важно, уменьшился ли размер транзисторов или просто удалось упаковать их более плотно (за счет сокращения слоя металла и других ухищрений), можно смело говорить, что количество транзисторов на кристалле выросло в два раза. А значит мы умножаем предыдущий техпроцесс (100 нм) на 0.7 и получаем новенький процессор, выполненный по 70-нм техпроцессу.

Однако, когда мы дошли до 22-нанометрового техпроцесса, уменьшать длину затвора уже было нереально, так как электроны проходили бы сквозь этот затвор и транзисторы постоянно бы пропускали ток.

Решение оказалось простым и гениальным — нужно взять канал, по которому проходит ток и поднять его вверх, над кремниевой основной, чтобы он полностью проходил через затвор:

Теперь всё пространство, по которому идет ток, управляется затвором, так как полностью им окружено. А раньше, как мы видим, этот затвор находился сверху над каналом и создавал сравнительно слабый блокирующий эффект.

С новой технологией, получившей название FinFET, можно было продолжать уменьшать длину затвора и размещать еще больше транзисторов, так как они стали более узкими (сравните на картинке ширину канала). Но говорить о размерах транзистора стало вообще бессмысленно. Не совсем понятно даже, как эти размеры теперь высчитывать, когда транзистор из плоского превратился в трехмерный.

Таким образом, техпроцесс полностью «оторвался» от каких-либо реальных величин и просто условно обозначает увеличение плотности транзисторов относительно предыдущего техпроцесса.

К примеру, длина канала в 14-нм процессоре от Intel составляет 24 нанометра, а у Samsung — 30 нанометров. Отличаются и другие метрики этих процессоров, сделанных, казалось бы, по одинаковому техпроцессу. Более того, длина затвора — не самая миниатюрная часть транзистора. В том же 14-нм процессоре ширина канала вообще состоит из нескольких атомов и составляет 8 нанометров! То есть, техпроцесс — это даже не описание самой маленькой части транзистора.

Другими словами, нанометровый техпроцесс не описывает размеры транзисторов. Сегодня это условная цифра, означающая плотность размещения транзисторов или увеличение количества транзисторов относительно предыдущего техпроцесса (что напрямую влияет на быстродействие процессора).

В любом случае, важно запомнить простое правило и пользоваться им при анализе характеристик смартфона:

Разница техпроцесса в 0.7 раз означает двукратное увеличение количества транзисторов

Для примера можем посмотреть на последние чипы от Apple. В 10-нм процессоре Apple A11 Bionic содержится 4.3 млрд транзисторов, а в 7-нм Apple A13 Bionic — 8.5 млрд транзисторов. То есть, видим, что техпроцесс отличается в 0.7 раз, а количество транзисторов — в 2 раза. Соответственно, 7-нм процессор гораздо производительней 10-нанометрового.

Продолжая аналогию, в 5-нм процессоре должно вмещаться в 2 раза больше транзисторов, чем в 7-нанометровом! Если вас не очень удивляет этот факт, обязательно почитайте на досуге мою заметку об экспоненциальном развитии технологий.

Итак, когда вы будете смотреть на два смартфона с 14-нм и 10-нм процессорами, то знайте что в последнем гораздо больше транзисторов, соответственно, его вычислительная мощность заметно выше. Так и следует пользоваться «техпроцессом» при выборе смартфона.

А если вам интересно, как эти бездушные транзисторы умеют «думать», делать сложные вычисления, показывать фильмы или проигрывать музыку, тогда ответы на эти вопросы читайте в нашем новом материале!

Алексей, глав. редактор Deep-Review