Что такое техпроцесс и нанометры: просто о сложном

Техпроцесс — один из самых недооценённых параметров CPU. Многие знают, что он как-то связан с нанометрами и особенностями производства чипов. Но что конкретно значат эти цифры, почему они так стремительно уменьшаются, и как от них зависит производительность твоего компьютера? Ответы на эти вопросы ищи в этой статье.

Нет времени на лонгриды? Листай карточки с интересными фактами про создание процессоров в нашем Telegram-канале. Но если хочешь разобраться во всех нюансах, лучше дочитай текст до конца.

Техпроцесс современного процессора AMD Ryzen 7 7800X3D равен 5 нанометрам. При этом у актуального пару десятилетий назад Pentium III он составлял целых 250 нм, то есть был в 50 раз больше. В то же время TSMC, крупнейшая в мире полупроводниковая компания (про её историю мы рассказывали недавно), уже анонсировала запуск массового производства чипов с техпроцессом 1,4 нм (А14). Что будет дальше — даже представить страшно. Куда уже меньше?

Что такое техпроцесс

Техпроцесс в создании процессоров — это «поколение технологии», набор заводских методов и правил, по которым из кремниевой пластины делают микросхему. Как именно наносить слои, как «рисовать» схемы литографией и другие важные нюансы производства. Обычно техпроцесс называют числом вроде 14 нм, 7 нм, 3 нм. Но сегодня это чаще всего лишь удобное имя поколения, а не реальный размер какой‑то одной детали внутри транзистора.

Техпроцесс говорит о плотности компоновки транзисторов на кристалле. Чем он меньше, тем больше транзисторов можно разместить на устройстве одного и того же размера. Изначально техпроцессом обозначали техническое разрешение литографического оборудования, а затем длину кремневого затвора транзистора. И об этом нужно поговорить чуть более подробно.

Рассмотрим устройство MOSFET-транзисторов, на которых основаны современные процессоры. MOSFET — это сокращение от двух английских словосочетаний: Metal-Oxide-Semiconductor (Металл–Оксид–Полупроводник) и Field-Effect-Transistors (Транзистор, управляемый электрическим полем). Принцип работы таких транзисторов заключается в возможности управления протекающим через них током с помощью электрического поля. 

Схематичная структура MOSFET-транзистора

MOSFET‑транзистор — своего рода «водопроводный кран» для тока. Между истоком и стоком электричество может течь или почти не течь в зависимости от напряжения на затворе. Внутри транзистора есть подложка, в которой сделаны области истока и стока, а затвор — это проводник, отделённый от подложки тонким слоем диэлектрика (обычно оксидом). Поэтому затвор управляет не током напрямую, а электрическим полем. 

Когда на затвор подают достаточное напряжение относительно истока, поле «перераспределяет» заряды у поверхности подложки, и под затвором образуется проводящий канал (инверсный слой), который соединяет исток и сток — транзистор открывается. Чем выше управляющее напряжение, тем лучше проводимость канала и тем меньше сопротивление между истоком и стоком. Если напряжение на затворе ниже порога, канала нет (или он очень слабый), поэтому путь между истоком и стоком «закрыт».

Транзисторы под электронным микроскопом

С устройством транзистора, пускай и очень грубо, но разобрались. Возвращаемся к техпроцессу. Как мы уже сказали выше, это не какая-то конкретная величина, а, скорее, формальная цифра, говорящая о поколении продукта. Она уже не привязана напрямую к затвору транзисторов в процессоре. Поэтому реальный размер структур техпроцесса 5 нм может превышать 20 нм.

Благодаря уменьшению техпроцесса производители могут постепенно увеличивать количество транзисторов в каждом новом поколении. У одного из первых в истории коммерческих процессоров Intel 4004 их было 2300. У его потомка из 2023 года Intel Core i9-14900K их более 13 миллиардов (кстати, об истории создания 4004 и всей компании Intel у нас есть отдельная статья). Известный эмпирический закон Мура о том, что вычислительные мощности компьютеров удваиваются каждые 2 года, изначально описывает как раз рост количества транзисторов.

Визуализация закона Мура на графике

На сегодняшний день Закон Мура из-за технических ограничений техпроцесса действовать перестал. Но на протяжении десятилетий работал как часы. А его автор, сооснователь Intel Гордон Мур, внёс свой весомый вклад в его реализацию.

Подытоживаем вышесказанное. Чем «новее» техпроцесс, тем более мелкие элементы схемы в среднем можно разместить на том же кусочке кремния. Так в теории можно получить больше транзисторов, ниже энергопотребление и/или выше производительность. Но итог зависит ещё и от конкретного дизайна чипа и качества производства. Проще всего представить так: техпроцесс — это как уровень точности и возможностей типографии, которая печатает не буквы, а микроскопические электрические дорожки и транзисторы.

Как работает литография

Литография (фотолитография) при производстве процессоров — это процесс переноса микроскопического рисунка будущих элементов схемы на поверхность кремниевой пластины. Для этого используют свет и светочувствительный слой (фоторезист). 

Литография изобретена не вчера и даже не в прошлом веке. Её создателем считают немецкого писателя и актёра Алоиса Сенефельдера, который впервые применил технологию в 1796 году. Он использовал каменную плиту из известняка в качестве многоразового оттиска. На её плоскую поверхность маслом, жиром или воском он наносил изображение. Затем обрабатывал поверхность кислотосодержащим составом, который частично «съедал» незащищённую часть плоскости, формируя выпуклый рисунок. Затем наносил на него чернила на водной основе, которые за счёт масляного слоя не впитывались в камень, и прижимал к чистому листу бумаги. Именно этот процесс заложил основу для появления фотолитографии.

В упрощённом виде фотолитография работает так:

• Кремниевую пластину полностью покрывают тонким слоем фоторезиста — полимера, который чувствителен к излучению с определённой длиной волны;
• Для нанесения рисунка на поверхность фоторезиста используют либо сфокусированный луч (безмасковая литогрфия), либо фотошаблон (маску);
• Участки фоторезиста, которые подверглись облучению, меняют степень растворимости в химическом растворителе. Соответственно, после обработки заготовки проявителем на их месте обнажается кремниевая пластина. А необлучённая её часть остаётся прикрытой защитной плёнкой из фоторезиста;
• Полученный рельеф подвергается травлению, вакуумному осаждению и другим операциям;
• Полный перечень манипуляций с пластиной может отличаться в зависимости от используемой технологии;
• После нанесения рисунка оставшийся фоторезист смывается другим растворителем.

Почему именно нанометры

Нанометр — очень маленькая величина. Увидеть что-то такого размера можно только в очень мощный микроскоп. Для сравнения, толщина ресницы человека в среднем составляет пять миллионов нанометров. Поэтому нет ничего удивительного в том, что когда-то техпроцесс измерялся в других единицах. У упомянутого ранее процессора Intel 4004 он был 10 микрометров (или 10 000 нм). Нанометровые величины у процессоров появились только в конце ХХ века. Например, у первых Intel P5 Pentium в 1993 году техпроцесс был 0,8 мкм, а у Intel Pentium Pro в 1995-м уже 350 нм. 

Процессор Intel 4004, 1971 год, техпроцесс 10 мкм, 2300 транзисторов

Нанометры в итоге стали единицей измерения лишь потому, что это буквально пик научных возможностей компаний-производителей чипов. И на попытках сделать техпроцесс ещё меньше построен технический прогресс в этой области. Началось всё с изобретения кремниевого транзистора в 50-х. Но, если скорость развития технологии не затормозится, от кремния в качестве материала скоро придётся отказаться. Но об этом поговорим чуть позже. 

Чип с миллионами транзисторов на нём

Как нанометры влияют на производительность 

Взаимосвязь простая. Чем меньше техпроцесс, тем больше на чипе транзисторов, а значит, и выше производительность. При этом соотношение не прямое. Из-за сложной формы транзисторов удвоение их количества означает уменьшение нанометров не вдвое, а примерно на 0,7. Отсюда и такие странные на первый взгляд величины в названиях техпроцесса разных поколений, как 7, 5, 3 и 1,4 нанометра. Сегодня, когда техпроцесс фактически отвязан от реальных физических размеров, показатель 0,7 стал условным коэффициентом, на который обычно уменьшают значение в каждом новом поколении. При этом у разных производителей цифры сходного техпроцесса могут отличаться. Например, 20 нм у TSMC это то же, что 22 нм у Intel.

Уменьшение количества нанометров также помогает повысить энергоэффективность и уменьшить нагрев чипа. Потому что за счёт уменьшения транзисторов ток по ним чисто физически проходит меньшее расстояние. И хотя это не настолько очевидное преимущество, как рост вычислительной мощности, оно не менее важно для производителей. Особенно когда речь идёт о мобильных устройствах, которым важно дольше работать на ограниченном заряде аккумулятора, и на которые невозможно установить сложные или мощные системы охлаждения.

Intel 486 под микроскопом

Подытоживаем. Чем плотнее транзисторы «упакованы», тем больше вычислительных блоков можно разместить на том же кристалле. Чаще всего это повышает производительность в реальных задачах. Кроме большего числа транзисторов новые узлы часто дают либо прирост быстродействия при том же энергопотреблении, либо заметное снижение потребления при той же скорости. Например, при переходе между двумя соседними поколениями техпроцесса производители заявляют прирост порядка 10–15% по скорости и/или снижение потребления на десятки процентов (в зависимости от режима).

При этом два процессора вполне могут показывать схожую скорость, даже если один сделан на меньшем техпроцессе. Всё потому, что результат упирается ещё и в архитектуру, частоты, лимиты мощности, кэш-память и другие немаловажные параметры. Уменьшение техпроцесса обычно означает, что у инженеров появляется «запас возможностей». Они могут сделать процессор быстрее, экономичнее или дешевле в производстве за счёт меньшей площади кристалла. Но что именно выберут — зависит от цели продукта.​

Как долго можно уменьшать техпроцесс

На самом деле уже сейчас наука подобралась очень близко к предполагаемому технологическому пределу техпроцесса. По крайней мере для кремния, ключевого материала, используемого для создания современных полупроводников. Размер его атома составляет 0,24 нанометра. А это всего в 6 раз меньше заявленных TSMC 1,4 нм, которых она планирует достичь к 2028 году. Преодолеть этот физический предел можно за счёт перехода на новые материалы. Например, графен, с диаметром атома 0,15 нм (или 150 пикометров, размера, к которому нам, возможно, скоро предстоит привыкать).

Кремниевая пластина с микропроцессорами под микроскопом

Ещё одна проблема в дальнейшем уменьшении техпроцесса — сложность производства. Работа с такими атомарными величинами требует невероятно точного оборудования и полностью контролируемой среды. Затраты на создание такого оборудования превысят коммерчески оправданные значения. По оценкам некоторых экспертов, уход в размеры меньше, чем 1,4 нанометра будет просто финансово нецелесообразным. Но и здесь обойти ограничение теоретически возможно за счёт изменения технологии.

Подобная ситуация уже была, когда техпроцесс достиг величины в 22 нм. При дальнейшем её уменьшении ток смог бы свободно преодолевать затвор, а транзистор просто не смог бы его остановить. И тогда инженеры компании Intel изменили форму затвора, сделав его П-образным. Технология получила название FinFET (Fin Field-Effect Transistor), и позволила уменьшить размеры транзисторов. Затем южнокорейские исследователи представили транзисторы GAAFET, а потом и Gate-All-Around (GAA) второго поколения, что позволило зайти ещё дальше. Так что и с предстоящими ограничениями разработчики обязательно справятся. Поэтому реальный предел уменьшения техпроцесса сегодня точно назвать нельзя.

Схематичная структура FinFET-транзистора

Эволюция техпроцесса

Эпоха микрометров

10 мкм. 1971 год. Микропроцессор Intel 4004, который содержал в себе 2300 транзисторов.

3 мкм. 1975–1979 гг. Техпроцесс в чипах Zilog (Z80) и Intel (Intel 8086). Соответствует линейному разрешению литографического оборудования. 

1,5 мкм. 1982 г. Техпроцесс, которого удалось достичь компании Intel для чипа Intel 80286.

0,8 мкм. Конец 80-х – начало 90-х. Техпроцесс компаний Intel и IBM для процессоров Intel 80486, MicroSPARC и первых Intel P5 Pentium на частотах 60 и 66 МГц.

0,6–0,5 мкм. 1994–1995 г. Техпроцесс, достигнутый компаниями Intel и IBM для процессоров IBM/Motorola PowerPC 601, Intel Pentium (75, 90 и 100 МГц) и МЦСТ-R100 (50 МГц).

Эпоха нанометров

350 нм. 1995—1997 г. Техпроцесс, которого достигли Intel, IBM и TSMC. Использовался в процессорах AMD Am5x86, AMD K5 и К6, Intel Pentium MMX, Intel Pentium Pro, Pentium II (Klamath) и МЦСТ-R150 (150 МГц).

250 нм. 1998 г. Техпроцесс, который использует до 6 слоёв металла, минимальное количество литографических масок — 22. Процессоры AMD K6, AMD K6-2, AMD K6-III, Pentium II (Deschutes), Pentium III (Katmai).

180 нм. 1999 г. Техпроцесс удвоил плотность размещения по отношению к предыдущему техпроцессу 0,25 мкм. Также впервые используются внутренние соединения на основе медных соединений. Процессоры AMD Athlon, AMD Athlon XP, Intel Pentium 4 Willamette.

130 нм. 2001 г. Процессоры Intel Celeron, Intel Xeon (Prestonia и Gallatin), AMD Duron (Applebred), AMD Athlon 64 (Clawhammer и Newcastle). В 2008 году на этом техпроцессе выпустили МЦСТ Эльбрус 2000.

90 нм. 2002–2003 гг. Процессоры Intel Pentium 4 (Prescott), AMD Turion 64 X2 (мобильный), а в 2010 году появился Эльбрус-S.

65 нм. 2004 г. Процессоры Intel Core, Intel Core 2, Cell для PlayStation 3 и Falcon/Opus/Jasper для Xbox 360. В 2014 году — Эльбрус-4С. 

45–40 нм. 2006–2007 гг. Техпроцесс стал революционным, так как произошёл переход от физически себя исчерпавших SiO2/poly-Si к технологии high-k/Metal gate (HKMG) или HfSiON/TaN в технологии компании Intel. Процессоры AMD Phenom II X2, X3, X4, X6, AMD Athlon II X2, X3, X4.

32–28 нм. 2009–2010 гг. Процессоры Intel Sandy Bridge и Saltwell, AMD Bulldozer, многоядерные процессоры Snapdragon фирмы Qualcomm, мобильные процессоры Apple A7. В 2015 появились процессоры Baikal-T1 и Эльбрус-8С.

22–20 нм. 2009–2012 гг. Процессоры Intel Ivy Bridge и Intel Haswell. 

16–14 нм. 2014–2015 гг. Процессоры Intel Coffee Lake, AMD Ryzen, Apple A10.

12–10 нм. 2015–2016 гг. Процессоры Apple A11 Bionic, Intel Cannon Lake и Ice Lake. Snapdragon 835 и 845.

7 нм. 2018 г. Процессоры Apple A12X и чипы AMD с микроархитектурой Zen 2.

6–5 нм. 2019 г. Техпроцесс TSMC N5 включает в себя 170 миллионов транзисторов на квадратный миллиметр. А техпроцесс Samsung 5LPE — 125—130 миллионов транзисторов. Процессоры Apple A14 и Apple M1.

4 нм. 2021 г. Процессор Apple A16 и чип для компании MediaTek. По техпроцессу 4 нм активно работают TSMC и Samsung. Корейцы освоили технологию в 2023 году.

3 нм. 2022 г. Первые чипы по техпроцессу 3 нм создали исследовательский центр ИМЕК (Бельгия) и компания Cadence Design Systems. TSMC освоила технологию в 2020 году. Но первой массовое производство наладила компания Samsung в 2022 году с использованием транзисторов нового поколения GAAFET (Gate-All-Around Field-Effect Transistor). Одним из первых процессоров стал Exynos W1000.

2 нм. 2024–2025 гг. Компания IBM первой заявила о создании 2-нм чипа в 2021 году. TSMC удалось успешно запустить тестовое производство 2-нм чипов летом 2024 года. Компания перейдёт к массовому выпуску 2-нм чипов ближе к концу 2025 года.

Будущие технологии

1,8 нм. 2025 г. В начале апреля 2025 года Intel объявила о важном этапе в разработке передового техпроцесса Intel 18A. Также компания представила технологию Foveros Direct 3D для трёхмерной упаковки кристаллов. Аналогичную методику TSMC уже применяет в чипах AMD с 3D V-Cache (про это у нас есть отдельная статья). Техпроцесс впервые планируют использовать в чипах семейства Panther Lake и Xeon 7 под кодовым названием Clearwater Forest.

Внутренняя структура процессора

1,6 нм. 2027 г. TSMC представила технологию A16 в апреле 2024 года. TSMC намерена начать тестовое производство 1,6-нанометровых процессоров во второй половине 2026 года, а массовое — в 2027 году. 

1,4 нм. TSMC анонсировала техпроцесс A14 на транзисторах Gate-All-Around (GAA) второго поколения в апреле 2025 года. Это техпроцесс, разработанный с нуля, так что для него не подойдут дизайны чипов, спроектированные для предыдущих техпроцессов. Intel также анонсировала свой техпроцесс 14A с использованием литографии в сверхжёстком ультрафиолете с высокой числовой апертурой. Массовое производство нацелено на 2027 год. Компания Samsung уже получила от ASML первый литографический сканер TwinScan EXE:5000 для производства чипов с нормами менее 2 нм.

1 нм. Samsung и ASML представят первые машины для литографии с высокой числовой апертурой не позднее 2027 года. TSMC уже приступила к планированию строительства завода, способного выпускать продукцию по нормам 1 нм. Компания уже инвестировала в эту технологию более 32 миллиардов долларов и опережает всех своих конкурентов. 

<1 нм. В 2021 году IBM и Samsung объявили о прорыве в проектировании полупроводников с использованием новой архитектуры вертикального транзистора (VTFET). Это позволит резко увеличить производительность и энергоэффективность процессоров, а также вывести их за пределы 1 нм. По сравнению с современными чипами FinFET потребление энергии чипами VTFET ниже на 85%, а производительность — выше вдвое.

Нужно ли учитывать техпроцесс при выборе процессора

Формально техпроцесс не является параметром, прямо говорящим о производительности процессора. В отличие, например, от количества ядер, многопоточности, тактовой частоты и объёма кэш-памяти. И всё же он может сказать о современности и актуальности устройства. А также об энергоэффективности. Поэтому игнорировать техпроцесс точно не стоит. 

50 лет эволюции процессоров Intel

Какой процессор выбрать? Недавно мы публиковали материал с подробным разбором процессоров, актуальных на конец 2025 года. Для наглядности перечислим показатели техпроцесса этих моделей, а ты уже сам делай выводы:

• AMD Ryzen 5 5600X — 7 нм;
• AMD Ryzen 5 9600X — 4 нм;
• AMD Ryzen 7 7800X3D — 5 нм;
• AMD Ryzen 7 9700X — 4 нм;
• AMD Ryzen 7 9800X3D — 4 нм;
• AMD Ryzen 9 9950X — 4 нм;
• Intel Core i5-12400F — 10 нм (Intel 7);
• Intel Core i5-13400F — 10 нм (Intel 7);
• Intel Core i5-14600K — 10 нм (Intel 7);
• Intel Core i7-14700K — 10 нм (Intel 7);
• Intel Core i9-14900K — 10 нм (Intel 7);
• Intel Core Ultra 9 285K — 3 нм.

Интересные факты напоследок

Несколько интересных фактов о создании процессоров, которые расширят твой кругозор:

• МОП-транзисторы (металл-окисел-полупроводник или MOSFET) представили общественности в 1960-м. Сначала технология не выглядела многообещающей. Транзисторы были медленнее, менее надёжными и более дорогими, чем биполярные. Но к 1964-му интегральные микросхемы на МОП-транзисторах уже могли похвастаться большей плотностью и меньшей стоимостью производства, чем биполярные;
• К концу 1960-х на одной МОП-микросхеме могло быть уже около 100 логических элементов, в каждом из которых было несколько транзисторов, и всё это выглядело многообещающе для создания компьютеров. Сложность интегральных микросхем росла согласно закону Мура: количество транзисторов на кристалле увеличивалось в два раза каждые два года;
• Термин «микропроцессор» придумали в 1968 году сотрудники американского стартапа Viatron Computer Systems. Так они называли свой 16-битный мини-компьютер System 21. Этот «микропроцессор» состоял из 18 самодельных МОП-чипов на трёх платах;

Первый «микропроцессор» в мире — мини-компьютер System 21 (1968)

• Большинство экспертов считают, что революция началась в 1971 году, с 4-битной микросхемы Intel 4004, за которой немедленно последовал 8-битный чип 8008. Но на самом деле первым микропроцессором был Texas Instruments TMX 1795, который также появился в 1971 году, на год опередил Intel 8008 и стал первым 8-битным чипом, но затем канул в небытие. Это стало известно из найденных архивных документов;
• В какой-то момент компьютерная индустрия упёрлась вовсе не в размер транзисторов, а в провода. IBM первой внедрила медные межсоединения в 1997 году. Потому что задержки в алюминиевых линиях стали серьёзным ограничением для дальнейшего развития технологий;
• Одна кремниевая пластина с современными чипами может «созревать» на фабрике неделями. Полный цикл изготовления передовых микросхем сегодня составляет от 11 до 13 недель. А иногда растягивается и до 15 недель;
• В EUV‑литографии свет с длиной волны около 13,5 нм получают, «взрывая» капли олова (размер капли около 30 микрон) лазером и создавая плазму, которая излучает нужный EUV‑свет с частотой порядка 50 000 раз в секунду. Температура плазмы достигает значений «в десятки раз горячее поверхности Солнца», и всё это происходит внутри промышленной машины для производства чипов;

Машина для EUV-литографии компании ASML

• До перехода на EUV-литографию индустрия долго выжимала максимум из света с длиной волны 193 нм. Это была ArF‑иммерсионная литография со слоем воды между линзой и пластиной. Это позволяло печатать элементы значительно меньше дифракционного предела в 193 нм. Но без оптимизации этот процесс мог добавлять пластине примерно 4–20% дополнительных дефектов по сравнению с сухой литографией;
• Стандартная современная кремниевая пластина (waffer) имеет диаметр 300 мм (12 дюймов). Её полезная площадь около 70 000 мм². Пластины делают из монокристаллов сверхчистого кремния, выращенных методом польского химика Чохральского. Поверхность шлифуют и полируют до зеркального состояния;
• Некоторые производители процессоров оставляют на кремнии различные послания и «пасхалки». Например, изображения мультяшных персонажей, портреты девушек и даже предупреждения для конкурентов, которые попытаются скопировать архитектуру процессора. Разглядеть эту «наскальную живопись» можно лишь с помощью мощного микроскопа;

«Эта птичка для тебя!», — скрытое послание на поверхности кремния

• В зависимости от степени чистоты кремния и количества дефектов стоимость одной кремниевой пластины-заготовки может варьироваться от 10 до 5000 долларов. Готовая же пластина с чипами может стоить от 18 до 45 тысяч долларов. Цена зависит от сложности техпроцесса;
• Высокотехнологичные процессоры сегодня стоят дороже слитка золота того же веса.

И всё же, техпроцесс, как и любой отдельно взятый параметр, не играет решающей роли во время сборки компьютера. При выборе любого элемента системы важен баланс его характеристик. То же касается и ПК в целом. Даже самый мощный и совершенный процессор с техпроцессом 5 нм не поможет, если видеокарта и оперативная память будут откровенно устаревшими, а накопитель недостаточно шустрым. 

Поэтому важен общий баланс системы. Если ты хочешь быстро и без лишних затрат получить сбалансированный и мощный ПК — выбери что-нибудь из нашего ассортимента или просто напиши в DigitalRazor. Спроектируем оптимальное решение под любые твои задачи и бюджет. С помощью конфигуратора вместе выберем оптимальные комплектующие и проконсультируем по любым техническим вопросам. Это наша работа. И мы её очень любим.