Apfelschorle. Мысли про Apple.

Легенда о нанометрах

nanometers

Когда Apple, Qualcomm или AMD говорят, что их новый процессор изготовлен по «3-нанометровому техпроцессу», это звучит так, будто инженеры умеют управлять материей на уровне нескольких атомов. Представить себе транзистор размером всего в три нанометра решительно невозможно. Но на самом деле цифра «3 нм» давно перестала быть прямым измерением. Это скорее маркетинговый ярлык, чем честная линейка. Давайте разберёмся.

Что означали «нанометры» раньше

Исторически термин «техпроцесс» действительно был привязан к физике. Когда-то «150 нм» или «130 нм» значили минимальную длину затвора транзистора. Это была конкретная метрика: чем меньше — тем быстрее и экономичнее получался чип.

Первым звоночком перемен стал в середине нулевых Pentium 4 от Intel. В его продвижении впервые использовалось условное значение техпроцесса. В модификации P4 на ядрах Prescott, компания заявляла, что процессор произведен по «90-нанометровому» техпроцессу, однако по сути речь шла уже не о печатном разрешении литографического оборудования (о процессе ультрафиолетовой литографии и создании можно посмотреть вот этот короткий и толковый ролик), а о том, что удалось значительно сократить площадь самих транзисторов. Насколько именно? В 1.4 раза. Подсчет для маркетологов оказался простым. Делим 130 нм (предыдущий техпроцесс) на 1.4 и получаем 90 нм, которыми и хвастаемся на выставках и в маркетинговых материалах.

С 2010х годов все запуталось еще больше. Начиная примерно с 22 нанометров транзисторы перестали уменьшаться строго линейно, а производители начали использовать разные технологические приемы: новые материалы, 3D-архитектуру (FinFET), хитрые схемы межсоединений1.

Что скрывается за «нанометром» сегодня

Возьмем к примеру современный «3-нанометровый» процесс от TSMC (именно его модификации использует Apple в своих чипах начиная с A17 Pro и M3) на самом деле имеет такие параметры2:

То есть никакого транзистора «в 3 нанометра шириной» в природе нет. Все реальные размеры на порядок больше. Сам атом кремния имеет диаметр около 0,2–0,3 нм. Если бы «3 нм» было буквальным, транзисторы состояли бы всего из 10–15 атомов — а это пока физически невозможно (хотя инженеры прогнозируют подобные решения уже не в супер далеком будущем).

Сегодня обозначение «5 нм», «3 нм», «2 нм» скорее напоминает модель автомобиля. Оно символизирует поколение технологии, а не точное измерение. Вот Intel называет свой процесс Intel 7, хотя по плотности он ближе к TSMC 10 нм. Samsung и TSMC под «3 нм» понимают разные наборы параметров и плотность печати. Да что далеко ходить — даже у самой TSMC техпроцесс «N3» (3 нм) делится на N3B, N3E и другие варианты, отличающиеся компромиссом между скоростью, энергопотреблением и плотностью, а так же количеством брака.

Реальные цифры про чипы Apple

Теперь к самому интересному: что реально известно про транзисторы в iPhone и Mac. Apple сама напрямую не раскрывает размеры индивидуальных компонентов своих чипов, но публикует число транзисторов:

TSMC заявляет, что переход с 5 нм (в процессорах поколения A16, M2) на 3 нм (A17, M3 и новее) увеличил плотность примерно на 60–70%. Это значит, что на одном квадратном миллиметре кремния теперь можно разместить до 250–300 миллионов транзисторов. Для сравнения: на 5-нм узле это было около 170 млн/мм².

То есть реальная суть маркетингового термина «3нм техпроцесс» просто в том, что новое литографическое оборудование позволяет инженерам Apple уместить больше логических элементов в том же объёме кремния, а не в том, что транзисторы стали «толщиной в три атома».

Подытожим-с

Сейчас на горизонте — «2 нм» от TSMC (ожидается в 2026 году, вероятно, для будущих чипов A20 и M6). Там тоже транзисторы будут физически крупнее красивых маркетинговых цифр. А главным новшеством станет переход на архитектуру Gate-All-Around (GAAFET или nanosheet), которая позволит ещё плотнее упаковывать элементы на листах кремния и лучше контролировать утечку токов.

То есть «2 нм» продолжит историю о том, что термин не столько про размеры, сколько про новую главу в инженерной эволюции.

P.S. Автозамена МакОС просто ненавидит слово «нанометр», ей куда ближе «манометр». Всю статью боролся с этой смешной заменой, но вроде под конец победил.

  1. Межсоединения — это тончайшие металлические дорожки и слои внутри микропроцессора, которые соединяют между собой транзисторы, формируя логические элементы и цепи. По сути, это «проводка» чипа, передающая сигналы и питание между компонентами.↩

  2. Данные взяты из открытых публикаций о 3-нанометровом процессе N3 от самой TSMC.↩

  3. Gate length (Lg) — расстояние между границами «затвора» транзистора (то есть участок, через который управляется ток внутри канала). Это один из ключевых параметров, определяющих скорость переключения и утечки тока. Этот показатель, фактически, самый близкий показатель к реальному физическому размеру транзисторов в современных процессорах. Соответственно, для N3 техпроцесса у TSMC можно сказать, что реальный размер транзисторов где-то между 15 и 20 нанометрами.↩

  4. Gate pitch / Contacted Gate Pitch (CPP) — расстояние между центрами двух соседних затворов с учётом контактов; включает не только Lg, но и пространства вокруг затвора, контактные выступы и промежутки.↩

  5. Metal pitch / interconnect pitch — минимальное расстояние/шаг между «проводами» (межсоединениями) в слоях металлов на чипе. Этот параметр важен, поскольку соединения между транзисторами тоже занимают место и задают ограничения на плотность схемы.↩