Как песчинка превращается в компьютерный чип

Представьте себе ювелирную мозаику, где каждый элемент размером с несколько атомов, а минимальная ошибка способна разрушить всю конструкцию. Именно так выглядят современные процессоры под микроскопом.

Путь к этому «технологическому зодчеству» начался сравнительно недавно. В 1947 году в Bell Labs был создан первый транзистор, но он был из германия. В начале 1950-х учёные, включая американского инженера Мориса Танненбаума, показали, что кремний намного устойчивее и лучше подходит для массового производства. Этот переход положил начало «кремниевой эре» и массовому использованию кремния в полупроводниках и микроэлектронике.

Факт: первые кремниевые транзисторы содержали всего несколько десятков элементов, современные процессоры Apple M3 или AMD 3-нм — десятки миллиардов транзисторов на одном кристалле.

Путь от песка к кристаллу

Чтобы превратить кварцевый песок в полупроводник, его очищают до почти абсолютной чистоты — примесей меньше одной части на миллиард. Расплавленный кремний выращивают в виде монокристалла — «слитка Чохральского», который нарезают на тонкие пластины-вафли. Именно на этих вафлях создаются микросхемы.

Факт: более 90% всех микросхем производятся на кремнии.

Лабиринт на атомном уровне

Процессор формируется с помощью фотолитографии: на пластину послойно наносятся элементы схем, словно строится город этаж за этажом. Металлические дорожки — это улицы, транзисторы — здания, диэлектрики — перегородки. В современных чипах таких «домиков» — десятки миллиардов.

Что такое техпроцесс?

С развитием полупроводниковой индустрии производители постепенно переходят на более тонкие технологические процессы. Такой шаг — не маркетинговый трюк, а реальная инженерная работа с масштабами всего нескольких десятков атомов.

Цифры вроде «5 нм» или «2 нм» — не буквальные размеры транзистора, а характеристика плотности размещения элементов и минимальных деталей схемы. Для масштаба: 5 нанометров — примерно в 20 раз меньше диаметра молекулы ДНК.

В 2021 году IBM представила первый в мире рабочий 2-нм чип с 50 миллиардами транзисторов на пластине размером с ноготь. Этот прототип показал возможности нового техпроцесса: повышение производительности до 45% и снижение энергопотребления на 75% по сравнению с 7-нм решениями.

По состоянию на 2025 год ведущие производители, включая TSMC, Intel и Samsung, внедрили или тестируют собственные 2-нм и 1,8-нм решения с нанолистовыми транзисторами и улучшенной плотностью упаковки. Эти процессы позволяют создавать чипы с ещё большей вычислительной мощностью и энергоэффективностью, что критично для смартфонов, дата-центров и ускорителей ИИ (Ускорители ИИ, это специализированные процессоры, созданные для выполнения задач машинного обучения и нейросетей. Такие чипы быстрее и эффективнее, чем обычные CPU и GPU. Примеры NVIDIA H100, Intel Gaudi, AMD MI300).

Факт: переход от 7 нм к 5 нм дал прирост производительности примерно на 20-30% при снижении энергопотребления на 15%, а современные 2-нм решения обещают ещё более заметное улучшение.

Практическое значение

Каждое новое поколение техпроцесса позволяет разместить больше транзисторов на том же объёме, повышая производительность и снижая энергопотребление. Смартфоны дольше держат заряд, ноутбуки меньше греются, дата-центры потребляют меньше электроэнергии — всё это заслуга точной архитектуры чипов.

Заключение

Всё начинается с кварцевого песка, который превращается в чистый кремний, затем в кристалл, а потом в сложнейший чип. Этот путь показывает, как инженерия на атомном уровне создаёт устройства, управляющие нашей повседневной техникой. История кремния — пример того, как маленькие технологические шаги создают огромную вычислительную мощь.

Изображение в превью:
Автор: ИИ Gemini
Источник: gemini.google.com