SoC A17 Pro в Apple iPhone 15 содержит около 19 миллиардов транзисторов, которое удваивается примерно каждые 2,5 года. Размеры SoC на кристалле составляют всего 17,0 x 12,87 x 0,91 мм, что не так много места для 19 миллиардов транзисторов.
Его производит тайваньский производитель чипов TSMC с использованием 3 нм техпроцесса.
FinFET-транзисторы, которые осуществляют фактическое переключение в чипе, имеют каналы и затворы шириной около 6 нм. Для сравнения, атом водорода имеет диаметр около 1/10 нм, что позволяет втиснуть 60 атомов водорода в ширину затвора транзистора, если бы их не было так трудно контролировать.
FinFET (Fin Field-Effect Transistor) — это тип 3D полевого транзистора, широко используемый в современных SoCдля повышения производительности и энергоэффективности. В отличие от классических плоских (planar) MOSFET, FinFET имеет вертикальную структуру, что позволяет лучше контролировать утечки тока и уменьшать размеры элементов.Основные элементы FinFET:
1. Затвор– окружает вертикальный кремниевый "плавник" с 3-х сторон.
2. Плавник (Fin)– узкая вертикальная кремниевая область, формирующая канал между истоком и стоком.
- Исток и Сток – области с высокой концентрацией легирующих примесей по краям плавника.
- Изолятор– тонкий слой диэлектрика (например, HfO₂) между затвором и каналом для уменьшения токов утечки.
Принцип его работы.
- При подаче напряжения на Затвор, вокруг Плавника формируется Инверсионный канал, соединяющий Исток и Сток.
- Благодаря 3D управлению каналом, FinFET лучше подавляет эффект короткого канала, уменьшая утечки в выключенном состоянии.
- Чем выше Плавник, тем больше площадь канала и выше ток в открытом состоянии.
Преимущества FinFET в SoC.
1. Уменьшение размеров (масштабируемость до 5 нм и менее).
2. Снижение энергопотребления (меньше токов утечки).
3. Высокая скорость переключения (больший ток на единицу площади).
4. Лучший контроль над каналом по сравнению с planar MOSFET.
Эволюция от FinFET к GAA (Gate-All-Around).
В новых техпроцессах (3 нм и меньше) FinFET заменяют на нанолисты (Nanosheet FET) или GAA-FET, где затвор полностью окружает канал, что еще улучшает управление током.
FinFET — ключевая технология для современных SoC (Apple A-series, Qualcomm Snapdragon, Samsung Exynos, Mediatek), позволяющая сочетать высокую производительность с энергоэффективностью. С развитием GAAFET и CFET (Complementary FET) плотность транзисторов продолжает расти.
Для изготовления одного слоя микрочипа светочувствительный «Фоторезист» наносится поверх слоя изоляции из оксида кремния, а затем на него через трафарет направляется ультрафиолетовый свет с помощью экстремальной УФ-литографической машины стоимостью около $170 миллионов.
Части, на которые попадает свет, затем удаляются растворителем, чтобы создать маскирующий слой. Затем процесс травления уничтожает всю изоляцию, видимую через маску, вплоть до слоя под ней, а затем другой растворитель очищает слой маски, чтобы открыть крошечные канавки в оксиде кремния.
Канавки заполняются медью до тех пор, пока весь слой меди не покроет пластину, а затем верхняя часть меди сошлифовывается, обнажая новый слой медных нанопроводников, разделенных изоляцией из оксида кремния.
На чипе может быть 80 таких слоев, расположенных друг над другом, причем соединения могут проходить через чип как вертикально, так и горизонтально.
Весь цикл процесса занимает 3 месяца и любая ошибка, включая наличие частиц пыли, приведет к браку.
Ведутся разработки в следующем поколении чипов с кремнеевыми полупроводниками толщиной в 3 атома. Как там двигаются или толкаются электроны в столь малом пространства среди 3 атомов?
Современные полупроводниковые технологии уже приближаются к атомарным пределам и движение электронов в таких структурах кардинально меняется. Как ведут себя электроны в сверхтонких материалах (например, кремниевых монослоях толщиной в 3 атома), какие возникают проблемы и где физический предел миниатюризации.
В таких тонких структурах (монослое из 3 атомов) электроны сталкиваются с квантовыми эффектами, которые сильно отличаются от классической физики полупроводников:
А) Квантовое ограничение и баллистический транспорт.
- В обычном кремниевом транзисторе электроны движутся, сталкиваясь с атомами решётки (фононами) и примесями, что вызывает нагрев.
- В монослое толщиной в 3 атома (~0.7–1 нм) электроны не могут свободно двигаться в вертикальном направлении, их движение становится двумерным (как в графене).
- Если длина канала тоже очень мала (например, 5–10 нм), электроны могут проходить его без столкновений(баллистический транспорт), что снижает нагрев.
Б) Электроны "толкаются" — усиление рассеяния и нагрева. В узких структурах электроны сильнее взаимодействуют друг с другом (кулоновское отталкивание) и с границами материала.Это может приводить к:
- Увеличению сопротивления (из-за поверхностного рассеяния).
- Туннельным утечкам (электроны "просачиваются" через барьеры).
- Локализации электронов (они "застревают" в дефектах).
В) Нагрев и энергопотребление.
- Чем тоньше материал, тем хуже отвод тепла.
- В 3-атомных слоях рассеяние на фононах (тепловых колебаниях решётки) остаётся, но если транзистор работает в баллистическом режиме, нагрев может быть меньше.
- - - - - - -
Какой предел толщины техпроцесса?
Теоретически, предел — это 1 атомный слой (например, графен — 1 слой углерода). Но в кремнии сложнее:
А) Физический предел (~1 атом).
- 1 атом кремния — это ~0.3 нм. При такой толщине:
- Электроны будут сильно квантоваться (разрешены только определённые уровни энергии).
- Возможен туннельный эффект (электроны будут "протекать" даже в выключенном состоянии).
- Управлять током станет почти невозможно.
Б) Предел для логических транзисторов (~3–5 атомов).
- Современные технологии (например, нанолисты в процессорах Intel, TSMC) уже используют 5–7 атомных слоёв.
- Дальнейшее уменьшение приведёт к:
- Неконтролируемым утечкам.
- Невозможности чётко включать/выключать транзистор.
В) Одиночные электроны (одноэлектронные устройства).
- В одноэлектронных транзисторах ток переносится поштучно (1 электрон за раз).
- Такие устройства работают при сверхнизких температурах (иначе тепловые флуктуации мешают).
- Пока не годятся для массовых процессоров.
- - - - - - -
Что дальше? Альтернативы кремнию.
Поскольку кремний близок к пределу, исследуются другие материалы:
- Графен и 2D-материалы (MoS₂, hBN) — лучше управляемость, но сложная интеграция.
- Двумерные (2D) дихалькогениды переходных металлов, имеют толщину всего в несколько атомов. Чипы вмещают гораздо большую вычислительную мощь на меньшей площади поверхности.
- Углеродные нанотрубки — баллистический транспорт на длинах ~1 мкм.
- Спинтроника (передача информации спином электрона, а не зарядом).
- Фотонные и квантовые вычисления — вообще без электронов.
- - - - - - -
Вывод.
- 3 атома кремния — это почти предел для классических транзисторов из-за квантовых эффектов.
- Электроны в таких слоях ведут себя баллистически (меньше нагрев), но появляются утечки и управляемость становится сложной.
- Абсолютный предел — 1 атом, но практический барьер — 3–5 атомов (после этого нужны новые технологии).
- Будущее за 2D-материалами, спиновыми и квантовыми устройствами.
Если в будущем удастся создать чип с одноатомными проводниками, это будет уже не классическая электроника, а квантовая электроника или спинтроника.
