14 нанометра - иде ли краят на съвременните чипове?

Преди няколко дни бяхме седнали на по бира със стар мой приятел – дърт компютърджия като мен самия, и след обичайните „дребни приказки” разговорът както винаги се извъртя по посока на нещата, които се случват в хай-тек индустрията напоследък.

Лично аз (пък и той) следим развитието й някъде от края на 80-те и началото на 90-те години на миналия век. Първите персонални компютри, до които сме имали досег, са били прословутите български Правец (8М/8С, а по-късно и Правец 16, който си беше чиста проба кражба от Apple). Специално моят първи личен РС, купен с мои си средства, беше машина, базирана на процесор Intel 80386. По него време новината, че някой от големите производители на микрочипове – Intel, IBM или TMSC, е усвоил нов, по-съвършен процес за производството им, беше голямо събитие. През 1985 година например такава новина беше преходът към едномикронна технология – буквално смешните по днешните стандарти 1000 нанометра. Въпросният Intel 386 беше един от първите масови микропроцесори, изработен с помощта на 1000 nm литографски процес.

Да си „отгледаш” силиций

Днес (а и през последните 6 - 7 години) микронната технология отдавна е забравена, а основната мерна единица, използвана от микропроцесорните гиганти, е нанометърът. Скоро дори тя ще се окаже твърде голяма и това ще е времето, в което методиката и начинът, по който се създават силициеви чипове, ще достигне лимита на възможностите си. За някои това може да звучи като идея от бъдещето, но вярвате или не, този момент далеч не е толкова напред във времето. Когато той настъпи, това ще е повратна точка за цялата базирана на силиций индустрия. Миг, който ще промени драстично начина, по който възприемаме добрия стар РС чип.

За повечето нормални потребители (да се чете тези без инженерна диплома) повечето от термините, които използвах в предните 2 - 3 абзаца, сигурно звучат непознато и объркващо. Затова, преди да продължа с разсъжденията си относно бъдещето на процесорната технология, някои бързи пояснения по темата.

Първо, нека обясня как изобщо се създава една силициева микросхема (сърцето на всеки съвременен микропроцесор). Всичко започва с ултратънък (0.75 мм) диск от полиран монокристален силиций, „израснал” (по липса на по-добър термин) благодарение на специален процес, известен като „процес на Чохралски”.

Диаметърът на тази пластина (наричана най-често „подложка”) днес е около 300 мм (ограничение на технологията и специфичните физикохимични условия, при които се извършва процесът), но тенденцията е до 2015 той да нарасне до 450 мм. Това е важно по следната причина: от една монолитна подложка в рамките на процеса на производство се „нарязват” отделните микрочипове. Част от тях са годни за работа, други не толкова, трети направо се изхвърлят.

„Колкото повече – толкова повече” – Закон на Пух

С увеличаване размера на кристала намалява размера на отделните елементи, които могат да се получат от него. Колкото по-голяма е подложката – толкова повече на брой качествени процесори могат да се създадат от нея, а прекият резултат от това е така наречената икономия от мащаба, т.е. по-ниска крайна цена за бройка. Именно тук се крие основният мотив за стремежа към експоненциално намаляване размерите на чиповете с времето, изразен най-пълно и точно в прочутия Закон на Мур, който гласи: „Броят транзистори на всяка следваща генерация микропроцесори се удвоява на всеки 18 - 24 месеца.”

Целият процес на производство всъщност е далеч по сложен и включва поне 20 отделни стъпки, на които, разбира се, е излишно да се спираме по-подробно тук. Най-важното в цялата комплексна технология е така наречената ширина на линията – една от основните характеристики на специфичния производствен процес. Тя определя именно размерите на транзисторите (и другите елементи) върху една силициева подложка. Ширината на линията, разбира се, е свързана и с други параметри, ограничаващи непрестанния стремеж към миниатюризация: чистотата на получавания силиций, характеристиките на устройствата за ецване и нанасяне на слоеве и преди всичко възможностите на литографския метод.

За целите на този текст обаче е важно да се знае, че именно ширината на линията е показателят, изразен първо в микрони (2 - 8 микрона през 70-те години на XX век), а след това в нанометри (до 0.5 микрона през 80-те, до 0.18 нанометра днес).
Но докато в края на миналия век микропроцесорната технология се движеше напред с огромни стъпки, през последните няколко години темповете постепенно се забавят. Повечето масови микросхеми (памети, процесори, графични чипове) в момента са 45 или 60-нанометрови, тъй като много малко производители успяха да преминат към по-съвършен литографски процес. Причината? Вторият Закон на Мур, съгласно който разходите на фабриките за производство на чипове също нарастват експоненциално с усложняването на произвежданите интегрални схеми. На Intel примерно преходът към процесори Pentium, произвеждани по 0,6-микронна технология (5,5 милиона транзистора), им струваше цели $2 милиарда. Себестойността на Fab32 (завод за производство на процесори на базата на 45 нм технологичен процес) пък – още $3 млрд. 

Именно по тази причина днес все още рядко ще срещнете 32 и 22-нанометровите чипове на пазара, при все че процесът за производството им е напълно усвоен (поне на теория). Скоро обаче дори най-чудовищните инвестиции няма да помогнат на индустрията да продължи напред поради един факт – потенциала на литографската технология за създаване на микрочипове чисто и просто е изчерпан.

Дори преминаването към така наречените „многослойни” силициеви пластини, позволяващи създаването на 3D транзистори, само отложи неизбежното. Следвайки неумолимия (засега) Закон на Мур, през следващите няколко години процесорите ще станат първо 16, след това 14-нанометрови, след което пътят напред просто ще свърши.

Стена, отвъд която дебне мрак

Проблемът тук е следният: атомите, от които е изграден силициевият кристал, са малки. Много малки, но не и безкрайно малки. И докато водородният атом (най-просто устроеният химичен елемент) е с размер 0.1 нанометър, а този на цезия (един от най-тежките елементи с атомна маса 133) е с „големина” 0.3 нанометра, то силицият, използван в производството на масовите микрочипове, е едва около 0.2 nm.

Да, на теория можете да „сгъчкате” стотина такива атоми върху площ от 22 или 16 нанометра, но на практика, когато става дума за литографски процес на производство, под това разстояние (ширина на линията) не се разбира фактическият размер на транзисторите, а разстоянието между дискретните компоненти на чипа. В случая с 22-нанометровите процесори (технологията за производството на които за момента само Intel са усвоили) говорим за отстояние от едва 0.5 nm, т.е. с големина от два, максимум три атома!

Това е огромен проблем, тъй като никой производствен процес не е съвършен и когато само един-единствен атом, оказал се не на място, може да похаби всеки чип, става невъзможно създаването на микросхеми, които да са едновременно надеждни и ценово ефективни.

Всичко това е ясно, и то не от вчера, на големите умове в индустрията. Също така е ясно, че нещата просто не могат да спрат до 14-нанометровия предел. Как обаче да продължим напред? Засега единственият реалистичен отговор на този въпрос се крие в тоталната промяна в начина, по който се създават компютърните чипове. За съжаление това не може да се случи „за една нощ” – във все още актуалния литографски метод за производство са инвестирани толкова време и средства, че подобен завой просто няма как да се осъществи от днес за утре.

Междувременно, докато някой в бранша успее да излезе с достатъчно прогресивна алтернатива, периодът на преход ще се „запълни” от различни междинни методи за разработка. Методи като създаденото от IBM и 3М „силиконово лепило”, с чиято помощ ще могат да се създават масиви от стотици дискретни чипове, които общо ще са до 1000 пъти по-мощни от всичко налично в момента на пазара.

Аналогичен вариант е технологията, предложена от Invensas (поделение, занимаващо се с разработка на микроелектронни технологии на компанията Tessera), която предлага подобен метод за „слепване” на индивидуални микросхеми, но в областта на компютърните памети.

Тези два варианта на практика предлагат методика за създаване на силициеви чипове с подобрена производителност и намалена енергийна консумация, спасявайки за още поне десетилетие Закона на Мур от оборване. Вместо да се опитват да „натъпчат” повече транзистори върху една пластина, тези технологии ще се опитват да увеличават енергоефективността на процесорите посредством намаляване на загубите от утечки на електрически ток.

Мъглявото микропроцесорно бъдеще
В същото време да държим сметка и за факта, че в случая става дума за една висококонкурентна индустрия. Индустрия, в която или си на върха, или си...никъде. Някой да си спомня днес Cyrix? Твърде е възможно някой от големите играчи на пазара да крие някой и друг технологичен коз в ръкава си, който все още не е счел за нужно да демонстрира пред широката публика. Intel например са отбелязали преход към 11-нанометров производствен процес като част от бъдещите си планове – факт, който подсказва, че компанията все пак има някаква идея за преодоляване на 14-нанометровия лимит. Може би отговорът се крие в графена (материал, представляващ лист от свързани въглеродни атоми) или пък във фотонните/квантовите компютри?

Дали пък в момента, в който Законът на Мур спре да важи, ще влезе в сила законът на Куми (съгласно който обемът изчисления за един джаул изразходвана енергия се удвоява на всеки 1.57 години)? Само бъдещето ще покаже. Засега думите на Майк Мейбъри – директор на поделението на Intel, занимаващо се основно с разработки в областта на микропроцесорите, би трябвало да ви загатнат достатъчно за това, какво ни очаква. „Трябва да направим нещо различно”, казва той. „На всички вече е ясно, че просто не можем да си позволим да караме по този път, без да завъртим волана в една или друга посока.” Запитан за Закона на Мур пък, Мейбъри споделя: „Засега пътят напред е обвит в мъгла. По-близките неща са ясни и ние вече виждаме големите неща, които се задават, но все още не можем да видим детайлите. Така или иначе до хоризонта остават още поне 10 години.” Чухте човека! Да се запасим с търпение. Ще бъде интересно!