Нанометры в процессорах: почему гонка за крошечными цифрами решает, каким будет ваш телефон

Уменьшить процессор на пару нанометров — это как уплотнить целый мегаполис так, чтобы дома стали ближе, дороги короче, а свет по проводам бегал быстрее.

Нанометры в названии техпроцесса — это про размер деталей внутри чипа. Чем они меньше, тем больше транзисторов влезает, тем быстрее и экономичнее работает процессор. По крайней мере, так было десятилетиями.

Процессор состоит из транзисторов — микроскопических переключателей, каждый из которых хранит ноль или единицу. В современном чипе их десятки миллиардов на площади с ноготь. Когда говорят «техпроцесс 5 нанометров», имеют в виду характерный размер деталей этих транзисторов. Нанометр — это миллиардная доля метра; на таком масштабе мы считаем уже отдельные слои атомов.

Почему меньше — почти всегда лучше

Уменьшение деталей даёт сразу несколько выгод, и в этом вся суть гонки.

• Больше транзисторов. Мельче детали — плотнее упаковка. На том же кусочке кремния умещается больше переключателей, а значит, чип становится мощнее или дешевле.
• Выше скорость. Сигналу нужно пробежать меньшее расстояние между близко стоящими транзисторами, поэтому переключения происходят быстрее.
• Меньше энергии. Крошечному транзистору нужно меньше заряда, чтобы переключиться. Меньше энергии — меньше тепла и дольше работа от батареи.

Именно поэтому каждый новый, более «тонкий» техпроцесс десятилетиями делал телефоны одновременно быстрее, холоднее и дольше живущими от заряда. Это и есть двигатель прогресса в электронике.

Закон Мура: обещание, которое держалось полвека

Ещё в 1965 году инженер Гордон Мур заметил закономерность: число транзисторов на чипе удваивается примерно каждые два года. Это наблюдение прозвали законом Мура, и удивительным образом индустрия держала этот темп десятилетиями. Каждые пару лет детали уменьшались, плотность удваивалась, мощность росла. Половина чудес современной техники — прямое следствие этой неустанной миниатюризации.

Где упирается прогресс

Бесконечно уменьшать нельзя — на пути встаёт сама физика. Когда детали приближаются к размеру нескольких атомов, начинаются проблемы. Изолирующие слои становятся настолько тонкими, что заряд начинает просачиваться сквозь них там, где не должен (квантовое туннелирование). Транзистор перестаёт быть надёжным переключателем и начинает «подтекать», грея чип и тратя энергию впустую. Делать детали ещё мельче становится всё дороже и сложнее.

Почему нанометры стали наполовину маркетингом

Вот неожиданный поворот: цифра «5 нм» или «3 нм» сегодня уже не означает, что какая-то деталь имеет именно такой размер. Когда-то так и было, но потом транзисторы стали трёхмерными и сложными, и прямого «размера» у них не осталось. Теперь название техпроцесса — это скорее маркетинговое имя поколения, чем точная мера. У разных производителей «7 нм» могут означать разную реальную плотность. Так что сравнивать чипы только по этой цифре — всё равно что сравнивать машины по громкости названия модели.

Что дальше, если атомы кончаются

Раз уменьшать в плоскости почти некуда, инженеры идут вверх и вширь. Транзисторы делают трёхмерными, складывают слои чипов друг на друга, как этажи небоскрёба, и собирают большой процессор из нескольких маленьких кусочков. Гонка за голыми нанометрами замедляется, но изобретательность находит новые ходы. А цифра в рекламе остаётся удобным ярлыком — просто помните, что за ней теперь стоит не линейка, а маркетинг.