Как песчинка превращается в компьютерный чип

Пост опубликован в блогах iXBT.com, его автор не имеет отношения к редакции iXBT.com
| Мнение | Наука и космос

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.

Автор: ИИ Gemini Источник: gemini.google.com

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.

Схема метода Чохральского
Автор: Д. Ильин Источник: ru.wikipedia.org
Начальная стадия выращивания цилиндрической части монокристалла кремния
Автор: Qwazzy Источник: ru.wikipedia.org

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.

От кварцевого песка к выращиванию элементов на кремнии — литографии, вольная интерпретация
Автор: ИИ Gemini Источник: gemini.google.com

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

3 комментария

m
Очередной бред..
минимальная ошибка способна разрушить всю конструкцию
Минимальная — не способна. Если бы была спобсна, в реальном мире ничего бы не было...
на пластину послойно наносятся схемы
не схемы, а слои....
Такой шаг — не маркетинговый трюк
сейчас часто маркетинговый...
ускорителей ИИ
что это такое?
dimon-ru-80
Спасибо за ваш комментарий. Давайте по пунктам:
1. «Минимальная ошибка способна разрушить всю конструкцию» — думаете брак отсутствует при производстве? Есть такое понятие Yeld — выход годных чипов. На уже отработанных техпроцессах Yeld составляет более 90%. На новых тех процессах 2-3нм в 2025 году эта цифра около 60-80%.
2. Послойно наносятся слои? Все же наверное элементы схем. Послойно как бы говорит что слои наносятся, формируя схемы.
3. «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.
Добавлю информацию в статью.
Не буду с вами вступать в дальнейшую полемику, вы имеете право на своё мнение.
m
1. «Минимальная ошибка способна разрушить всю конструкцию» — думаете брак отсутствует при производстве? Есть такое понятие Yeld — выход годных чипов. На уже отработанных техпроцессах Yeld составляет более 90%. На новых тех процессах 2-3нм в 2025 году эта цифра около 60-80%.

Брак и ошибка это не одно и тоже.

Добавить комментарий

Сейчас на главной

Новости

Публикации

В центре Млечного Пути может не быть черной дыры: темная материя объясняет орбиты звезд точнее

В 2020 году Нобелевскую премию по физике вручили Райнхарду Генцелю и Андреа Гез за открытие сверхмассивного компактного объекта в центре нашей Галактики. Научное сообщество и общественность...

Как материя появляется из «ничего»? Эксперимент STAR заглянул внутрь процесса рождения частиц

В классическом понимании вакуум — это абсолютная пустота. На самом же деле, то что мы привыкли считать пустотой, с точки зрения Квантовой Хромодинамики (КХД) не является отсутствием...

Чернильница в виде копыта, перья и ручки: в Москве открылась выставка «Искусство письма»

Небольшую экспозицию принимает у себя Музей Времени и Часов, и на этот раз интересующимся красивым почерком нужно поторопиться: выставка продлится до 15 февраля. Выставка...

Брутальный планшет Oukitel RT10: обзор модели с защитой от падений, воды, грязи и специальной скобой-креплением

Первый раз вижу планшет со скобой-креплением для установки: в комплекте брутального планшета Oukitel RT10 предусмотрено сразу три способа для крепления и переноски: плечевой ремень, кистевой...

Как лишний градус тепла в океане превращает обычные штормы в разрушительные ураганы высших категорий

+1.2°C тепла в океане = +30 км/ч к скорости урагана. Это не прогноз, а итог разбора 38 реальных штормов (2019-2023). В статье — разбор физики процесса и методологии расчетов из отчета Gilford et al.

Почему в Африке готовят еду днём, в самую жару, а не вечером в прохладе

В сельских районах многих стран Африки часто готовят еду на открытом огне, для чего обустраивается специальное место. При этом приготовление чаще всего происходит в дневные часы, в самую жаркую...