Двойная мощность и новый ум. Каким будет последнее поколение смартфонов

В ближайшие пять лет мировой рынок смартфонов преобразится. Радикальные изменения затронут всю IT-сферу. Мощный толчок развитию отрасли обеспечат новые технологии, которые позволят сделать очередные шаги в миниатюризации чипов.

В мае американская компания IBM анонсировала разработку первого в мире чипа размером 2 нм (нанометра). Незадолго до этого южнокорейская Samsung и тайваньская TSMC объявили о планах уже в следующем году запустить производство чипов размером 3 нм. Можно не сомневаться, что в эту гонку включатся и другие компании.

Однако важно подчеркнуть, что речь идет не только о количественных изменениях типа уменьшения размера и снижения энергопотребления, хотя они очень впечатляют, но и о появлении качественно новых возможностей. Потребители получат не просто более мощные и экономичные, но и более умные смартфоны, ноутбуки и разные гаджеты.

Финишный рывок технологий

За последние 50 лет размеры полупроводниковых микросхем уменьшились в 2000 раз. В 1971 г. ведущие производители предлагали транзисторы размером 10 микрометров (мкм). 1 мкм — это тысячная доля миллиметра, а нанометр еще в тысячу раз меньше.

К 1984 г. было освоено производство транзисторов размером 1 мкм, то есть 1000 нм. В 1993-м — 350 нм, в 1999-м — 180 нм. Далее размеры чипов уменьшались вдвое примерно каждые четыре года: в 2003-м — 90 нм, в 2007-м — 45 нм, в 2012-м — 22 нм, в 2016-м — 10 нм, в 2020-м — 5 нм.

Этот ряд чисел выглядит скучным до зевоты, однако он замечателен тем, что совсем скоро должен оборваться. Безжалостная природа равнодушна к мольбам людей. И она установила жесткий предел нашим возможностям наращивать мощность смартфонов и вообще любой электроники на базе кремниевых полупроводников (при сохранении размера устройств). Диаметр атома кремния равен 0,22 нм. То есть уже сейчас толщина отдельных элементов чипа составляет буквально несколько атомов.

Фактически мы уже почти подошли к пределу. И сейчас становимся свидетелями того, как технологии совершают финишный рывок, устремившись к своим последним рекордам.

Можно считать консенсусной оценку участников рынка, что предел — это около 2 нм. Ожидается, что он будет достигнут ведущими производителями уже через пять лет.

Амбиции Samsung

В марте южнокорейская компания Samsung представила первый рабочий образец 3-нм процессора, изготовленного с помощью запатентованных транзисторов MBCFET. Мы не будем углубляться в особенности технологии, а сразу перейдем к достигнутым результатам. Система обошла 7-нм технологический процесс, широко используемый в современной электронике, по всем параметрам. По словам представителей компании, в сравнении с 7-нм техпроцессом новое решение гарантирует аналогичную производительность при экономии энергии до 50%, повысит производительность на 35% при сохранении энергопотребления и уменьшит площадь одного транзистора на 45%, благодаря чему плотность размещения транзисторов вырастет более чем на 80%. Последний фактор играет наиболее важную роль — Samsung сможет собрать, не увеличивая площадь кристалла, почти вдвое большее число логических компонентов.

Уже несколько лет Samsung регулярно делилась информацией о перспективах 3-нм техпроцесса. Представители компании говорили о масштабном строительстве производственных линий. При этом реальные показатели новой технологии оставались под вопросом — Samsung отказывалась демонстрировать свои прототипы. Но теперь все изменилось — работоспособность чипа, созданного по 3-нм техпроцессу на основе технологии MBCFET, подтверждена на практике и может быть реализована в потребительских устройствах.

Согласно информации Bloomberg Samsung уже утвердила старт производства 3-нм чипов. Ключевые клиенты компании получат первые партии микросхем до конца следующего года.

Амбиции TSMC

Тайваньская TSMC, крупнейший в мире производитель микросхем по контракту, была первой компанией, которая в середине 2020 г. начала крупносерийное производство чипов с использованием 5-нм техпроцесса. По сравнению с их 7-нм техпроцессом получено увеличение производительности на 15% (при той же мощности и сложности) или снижение энергопотребления на 30% (при той же производительности и сложности). При этом площадь одного транзистора уменьшена на те же 45%. То есть TSMC уже получила при переходе с 7 на 5 нм тот эффект, который Samsung планирует достичь в будущем при переходе с 7 на 3 нм.

По оценкам аналитиков China Renaissance, среди всех технологий, запущенных в производство, TSMC N5 имеет самую высокую плотность транзисторов — около 170 млн на квадратный миллиметр. Samsung Foundry 5LPE может похвастаться плотностью до 130 млн, а Intel 10 нм — около 100 млн транзисторов на 1 кв. мм.

Во второй половине 2022 г. TSMC развернет крупносерийное производство чипов с использованием 3-нм техпроцесса. По сравнению с их текущим процессом N5 TSMC N3 обещает повысить производительность еще на 10-15% или снизить энергопотребление на 25-30%. При этом площадь одного транзистора будет уменьшена еще на 42%. В результате плотность размещения транзисторов вырастет более чем на 70%, если сравнивать с 5-нм техпроцессом, а если сравнивать с 7-нм — более чем втрое.

После этого TSMC планирует освоить 2-нм техпроцесс на основе транзисторов GAAFET. В недавнем годовом отчете компании говорится, что работа над ними успешно продолжается.

Амбиции IBM

В мае американская компания IBM сообщила о создании первого опытного полупроводника по технологии 2 нм, уместив 50 млрд транзисторов на чипе размером с ноготь (точнее — 150 кв. мм). Это означает рекордную плотность транзисторов — 333 млн на 1 кв. мм. На втором месте среди всех представленных на данный момент перспективных чипов — вышеупомянутый TSMC N3 с плотностью 292 млн транзисторов на 1 кв. мм. Третье место у Intel 7 нм — 237 млн на 1 кв. мм.

Новая архитектура чипа IBM позволит увеличить производительность на 45% при тех же расходах энергии, что и нынешний 7-нм техпроцесс, или снизить энергозатраты на 75%, сохранив тот же уровень эффективности. Многие 2-нм процессоры, вероятно, будут обеспечивать что-то среднее, а именно баланс между повышением производительности и снижением энергопотребления.

Мобильные устройства на базе 2-нм техпроцесса смогут работать на том же аккумуляторе в четыре раза дольше, чем современные, изготовленные по технологии 7 нм. Следовательно, заряжать их придется примерно раз в четыре дня.

Также может быть получено значительное ускорение функций смартфона и ноутбука, от работы с различными приложениями до синхронного перевода прямо во время разговора с иноязычным собеседником, и более быстрый доступ в интернет.

Автономные транспортные средства смогут быстрее обнаруживать объекты и реагировать на них. То есть можно надеяться, что беспилотные такси станут надежнее и безопаснее.

Новая технология также поможет в несколько раз снизить расходы центров обработки данных на электроэнергию. Если учесть, что на дата-центры сейчас уже приходится 1% мирового потребления энергии, то перевод всех их серверов на 2-нм процессоры может дать не только весьма значительную экономию денег, но и значительный экологический эффект в виде сокращения углеродного следа.

Больше транзисторов в микросхеме также означает, что у разработчиков процессоров есть больше возможностей для внедрения инноваций на уровне ядра, чтобы улучшить возможности для передовых рабочих нагрузок, таких как искусственный интеллект и облачные вычисления, а также новые пути для аппаратной безопасности и шифрования, отмечает IBM.

Правда, анонс новой технологии и начало производства чипов в промышленных масштабах — задачи разные и одинаково сложные. Но важно отметить, что IBM, будучи крупнейшим мировым исследовательским центром по перспективным полупроводниковым технологиям, сотрудничает практически со всеми ведущими производителями чипов — Intel, AMD, Nvidia, TSMC, Samsung и пр. Это означает, что если разработка IBM действительно окажется успешной, то все производители, от Intel до TSMC, уже примерно через пять лет будут на 2-нм техпроцессе — или на своем собственном, или на том, который предложит IBM.

Европейские амбиции

Отметим, что в конкуренцию между американскими и азиатскими производителями намерены вклиниться европейцы. Серьезность этих планов засвидетельствовала декларация Европейской инициативы по процессорам и полупроводниковым технологиям, подписанная странами Евросоюза в декабре 2020 г.

В документе констатируется, что доля ЕС на мировом рынке полупроводников объемом 440 млрд евро составляет всего лишь около 10%. Евросоюз все больше зависит от микросхем, производимых в других регионах мира. Поэтому ставится задача "усилить способность Европы разрабатывать процессоры и полупроводники следующего поколения. Это включает в себя микросхемы и встроенные системы, которые обеспечивают наилучшую производительность для конкретных приложений в широком диапазоне секторов, а также передовое производство, постепенно переходящее к 2-нм узлам для процессорной технологии".

На эти цели страны ЕС обязались направить немалую сумму — 145 млрд евро — в течение следующих двух-трех лет. Благодаря этому, согласно декларации, должно быть достигнуто значительное увеличение производственных мощностей в ЕС по производству полупроводников и встроенных систем по всей цепочке создания стоимости, а также процессорных микросхем со значительным повышением энергоэффективности и скорости к 2025 г.

Конечно, не факт, что эти планы будут реализованы. Но в любом случае эта декларация отображает своеобразие нынешнего пятилетия. Сейчас у европейских компаний еще есть окно возможностей поучаствовать в переделе рынка. Через пять лет можно будет констатировать: кто не успел, тот опоздал.

Чего ждать дальше

Итак, уже через несколько лет весь мир начнет переходить на смартфоны и ноутбуки с 2-нм процессорами. Технологические поиски на этом, ясное дело, не остановятся. Уже много лет разрабатываются альтернативные технологии, которые могли бы прийти на замену традиционной электронике на базе кремниевых полупроводников.

Например, в отчете TSMC за 2020 г. подчеркивается поиск следующих поколений материалов и транзисторных структур, которые будут использоваться через много лет в будущем. "Усиленные исследовательские работы TSMC сосредоточены на узлах за пределами 2 нм в таких областях, как трехмерные транзисторы, новая память и межсоединения с низким сопротивлением, которые находятся на пути к созданию прочной основы для внедрения во многие технологические платформы", — говорится в отчете.

Отметим также, что еще полтора года назад аналогичные планы анонсировала компания Intel. С помощью новых материалов и новых конструкций транзисторов она намерена уже в 2029 г. получить чипы размером 1,4 нм.

Но тут есть одно "но": все эти новые технологии безумно дорогие. И даже если они дойдут до воплощения в производство, то прежде всего будут реализованы в космических аппаратах, ракетах, самолетах, вертолетах и т. д. Поначалу это смогут себе позволить только армии самых богатых стран мира.

А для массовых потребителей наступит новая реальность. Уже сейчас можно спокойно предсказать, какими будут смартфоны, планшеты, ноутбуки через 50 или 100 лет: практически такими же, какими они будут через пять лет, в 2026-м.

Конечно, останутся беспредельные возможности для развития программного обеспечения. То есть смартфоны больше не смогут наращивать плотность транзисторов, но по-прежнему смогут наращивать свои интеллектуальные возможности.

Кажется, кого-то это напоминает. Ах да, людей. Объем мозга человека достиг современных значений еще более сотни тысяч лет назад и далее не рос. Но это не помешало людям несколько поумнеть и даже изобрести смартфоны. Теперь и у смартфонов будет аналогичный перелом в эволюции.

Скорее всего, мы увидим, что смартфоны поумнели, уже через пять лет, когда на рынок выйдут устройства с 2-нм процессорами. Для производителей чипов переход на 2-нм техпроцесс будет очень дорогим: это реально очень сложная технология. Поэтому смартфоны нового поколения будут раза в два (в полтора — точно) дороже нынешних. И это будет фактически последнее поколение смартфонов по технологическим характеристикам. Значит, для производителей это будет словно последний бой за потребителей. И чтобы оправдать резкое повышение стоимости, производители должны будут предъявить какие-то новые возможности.

Наверное, мало кого соблазнит какая-то новая супер-пупер видеокамера. Наиболее перспективными будут два направления: поддержка сотовой связи пятого и шестого поколения и встроенные умные функции типа синхронного голосового переводчика, облачного персонального помощника и т. д. И очень быстро они станут атрибутом нашей жизни.