Два производителя только что представили новый тип чипа с низким энергопотреблением, который может продлить срок службы батарей смартфонов на неделю. Для достижения этой цели они разработали новый процесс проектирования полупроводников на основе вертикальной архитектуры, которая позволяет снизить энергопотребление на 85% по сравнению с традиционной архитектурой, используемой сегодня.
По мере развития технологий спрос на повышение производительности и энергоэффективности электронных компонентов продолжает расти. В этом контексте несколько месяцев назад IBM представила новый производственный процесс для полупроводников с 2-нанометровыми листами, который теоретически может обеспечить более высокую производительность на 45% или более низкое энергопотребление на 75% по сравнению с наиболее продвинутыми 7-нанометровыми чипами — размеры 2 нм и 7 нм означают размеры нанесенного травления.
"Инновации IBM, отраженные в этом новом 2-нм чипе, имеют решающее значение для всей полупроводниковой и вычислительной промышленности", — сказал тогда Дарио Гил, старший вице-президент и директор IBM Research.
И не зря: новая технология позволяет разместить до 50 миллиардов транзисторов на чипе размером с ноготь, утверждает производитель. Эти 2-нм чипы потенциально могут увеличить срок службы батарей телефонов в четыре раза, увеличив интервал между каждой подзарядкой примерно на четыре дня, и значительно ускорить работу ноутбуков.
Но компания IBM в сотрудничестве с Samsung Electronics пошла еще дальше в инновациях: вместе они разработали новую архитектуру полевых транзисторов, получившую название Vertical Transport Field Effect Transistors (VTFET), которая может произвести настоящую революцию в вычислительной технике на долгие годы вперед.
Транзисторы — это полупроводниковые приборы, используемые в большинстве электронных схем; чем больше транзисторов на чипе, тем выше вычислительная производительность. Согласно закону Мура, количество транзисторов на микропроцессорном чипе удваивается примерно каждые два года. Это правда, что транзисторы становятся все меньше и меньше благодаря все более тонкому травлению, но травление не может быть ниже определенного порога. При травлении в 2 нм мы опасно приближаемся к максимальным пределам, налагаемым доступным пространством.
Именно здесь и проявляется новая технология, предложенная IBM и Samsung. В отличие от так называемых полевых транзисторов с ребрами (FinFET), которые являются текущим стандартом и лежат плоско на поверхности чипа, VTFET расположены вертикально, что позволяет разместить большее их количество на эквивалентной поверхности. В FinFET электрический поток проходит от одной стороны транзистора к другой, в то время как в VTFET он проходит снизу вверх.
Такой подход не только позволяет добавлять больше транзисторов, отодвигая предел, установленный законом Мура, но и увеличивает площадь контакта между каждым транзистором, улучшая прохождение тока и снижая потери энергии. По данным IBM, VTFET могут удвоить производительность имеющихся в настоящее время технологий или снизить их энергопотребление на 85%.
Потенциальные возможности применения многочисленны. Благодаря VTFET батареи смартфонов могут работать более недели без подзарядки. Аналогичным образом, энергоемкие процессы, в частности, майнинг криптовалюты и шифрование данных, могут требовать гораздо меньше энергии — хорошая новость, если учесть, что майнинг биткоина в Китае может потреблять почти 300 ТВт/ч энергии в год и генерировать более 130 миллионов метрических тонн CO2.
Сектор Интернета вещей (IoT) также может извлечь выгоду из этих исключительных характеристик: IBM упоминает океанические маяки, космические аппараты и автономные транспортные средства, что обязательно повысит их автономность и производительность.
"Сегодняшний анонс технологии — это вызов условностям и переосмысление того, как мы продолжаем развивать общество и внедрять новые инновации, которые улучшают жизнь, бизнес и уменьшают наше воздействие на окружающую среду", — сказал д-р Мукеш Кхаре, вице-президент IBM Research.
Это объявление сделано в то время, когда мир столкнулся с беспрецедентным дефицитом полупроводников. Полупроводники сегодня абсолютно везде: в смартфонах, компьютерах, игровых приставках, бытовой технике, автомобилях, солнечных батареях - словом, в большинстве устройств, которые зависят от электроники. Они изготавливаются из такого сырья, как кремний и германий, и их производство представляет собой длительный и сложный процесс, которому не хватает "гибкости" при изменении спроса.
Таким образом, внезапное увеличение спроса, напрямую связанное с кризисом здравоохранения, в сочетании с низким уровнем производства (из-за многочисленных закрытий и блокировок), вызвало дефицит, который, как ожидается, продлится несколько месяцев, даже до конца 2022 года, по мнению экспертов. В связи с этим Apple даже была вынуждена снизить производственные показатели для iPhone 13! Следует отметить, что около 75% мировых мощностей по производству полупроводников сосредоточено в Китае и Восточной Азии, а 100% мировых мощностей по производству самых современных полупроводников (10 нм) находятся на Тайване (92%) и в Южной Корее (8%).