Любой современный процессор содержит в корпусе огромное количество транзисторов, которые можно представить как обычные переключатели. Такой элемент может находиться в двух состояниях – 0 или 1. Если через транзистор протекает ток (он открыт), на выходе появляется 1, если ток отсутствует – 0. Именно поэтом низкоуровневые языки программирования работают напрямую с единицами и нулями.
На начальном этапе развития электроники роль такого переключателя играла вакуумная лампа. Именно поэтому первые вычислительные устройства имели такие значительные размеры. Ситуация начала меняться только в начале 60-х годов, когда начался переход на полевые транзисторы, что привело к резкому росту производительности.
В основе современного транзистора лежит кремний. В него на небольшом расстоянии интегрируются два слоя проводника – они выполняют роль входа и выхода. В таком виде проводники не проводят ток, поскольку между ними кремний. Далее на подложку добавляется еще один изолированный проводник, который принято называть затвором. Подача напряжения на данный контакт создается электрическое поле, позволяющее создать электрический контакт между входом и выходом.
Дальнейшее развитие шло в направлении уменьшения размера отдельного транзистора, также постепенно увеличивалась плотность размещения компонентов в микросхемах. Однако на этом пути возникло препятствие – при определенных размерах транзистора затвор не мог обеспечить полноценное управление состоянием. В этом момент полупроводники перешли на новый этап развития – вместо плоской структуры начали использовать трехмерную. Такой метод компоновки, получивший название FinFET, позволяет приподнять проводящий канал над кремниевой подложкой. Затвор оборачивает подложку с трех сторон, что обеспечивает лучшее управление. Это дало возможность продолжить уменьшение размеров транзисторов.
Еще в 1975 году Гордон Мур (основатель Intel) опубликовал известное и сегодня наблюдение. Вывод, получивший название закон Мура, гласил – количество транзисторов на кристалле удваивается каждые 24 месяца.
Увеличение количества транзисторов не только увеличивает производительность чипа, но и улучшает его энергоэффективность. Уменьшение размера затвора также уменьшает период, необходимый для переключения транзистора в другое состояние, что ускоряет его работу.
При появлении данного термина, под техпроцессом подразумевали размер затвора. То есть 32-нм техпроцесс означал, что длина затвора составляла 32 нанометра. Однако после преодоления данного показателя производители перестали соблюдать данное правило, а понятие техпроцесса все чаще использовалось как элемент маркетинга.
Встречается утверждение, что закон Мура не утратил актуальность, просто к нему теперь привязано именно понятие «Техпроцесс», а длина затвора – отдельный показатель. Поскольку количество транзисторов на одном кристалле каждые 24 месяца увеличивается вдвое, то, соответственно, размеры одного транзистора также уменьшаются вдвое. То есть уменьшение одной стороны – в 0,7 раз.
Это можно считать последней попыткой производителей хоть как то унифицировать понятие технического процесса. Сегодня каждая компания рассчитывает его значение по собственным критериям, не скрывая, что цифры используются только для маркетинга.
К примеру, чипы TSMS, выполненные по технологии 10-нм, имеют размеры транзисторов 66×42. При этом аналогичные процессоры Intel имеют транзисторы 54×44 нм.
При достижении определенного предела, принцип «меньше — лучше» может перестать работать. При повышении плотности размещения компонентов на кристалле увеличивается тепловыделение. Это приводит к появлению троттлинга со значительным снижением общей производительности.