Полупроводники — одна из самых недооцененных технологий. Объясняем, что это

Главной технологией 2021 года были далеко не метавселенные, блокчейн или танцующие (псевдо)роботы Илона Маска, недавно писал Wired. Ей оказалось то, что десятилетиями было скрыто от глаз, но продолжало двигать вперед целые индустрии — обычные кремниевые полупроводники. Те, что дали название Кремниевой долине, даже если сейчас она ассоциируется в основном с интернет-гигантами типа Amazon или Google, а не с производителями компьютеров вроде Intel.

Такой фокус на полупроводниках, которые существуют по меньшей мере полвека, связан с кризисом. Не успев оправиться после пандемии COVID-19 и карантинов, мир столкнулся с нехваткой этих полупроводников. Сыграли два фактора: во-первых, спрос на электронику при переходе на удаленку заметно вырос, во-вторых, на заводах по производству полупроводников работа временно останавливалась из-за аварий. Бум майнинга тоже размывал баланс спроса и предложения.

От кризиса пострадали буквально все отрасли. Хрестоматийный пример — автопром, ведь даже простые бензиновые машины содержат более 100 компонентов на основе этого материала, а продвинутые — свыше 1000.

Дефицит полупроводников, как ожидается, сохранится до 2023−2024 года. Их производство сейчас в основном сосредоточено в Азии, в «большой четверке» стран: Китае, Японии, Южной Корее и на Тайване. Однако заводы начинают строить по всему миру, потому что правительство осознало важность локализации технологии, которая раньше казалась сама собой разумеющейся.

При этом в бытовом плане понимание того, что такое полупроводники, для некоторых остается загадкой. В этой статье объясняем значение слова «полупроводник» и саму технологию.

Самый популярный пример такого материала — кремний, а также химические элементы германий, селен, теллур, мышьяк и другие. В определенных условиях они могут проводить больше электричества, чем изоляторы (например, стекло, резина), но меньше, чем чистые проводники (медь или алюминий). Свойства полупроводников, в том числе кремния, можно усилить путем легирования — добавления различных примесей в исходный материал.

Процесс их изготовления и подготовки для дальнейшей работы сложный, включает много этапов. Кристаллы сверхчистого монокристаллического кремния выращиваются по методу Чохральского из расплавленного поликристаллического кремния (который, в свою очередь, получают из мелкого белого песка или кварцевого песка, очищенного от 99,9% других элементов). Уже после этого кристалл режется на тонкие пластины.

Полупроводники обычно используются при создании электроники, если конкретнее — микросхем в ней. Поэтому иногда их называют просто чипами (хотя это обобщение и упрощение). Их основная задача, с учетом их свойств, — контролировать как, когда и куда будет двигаться поток электронов. Они могут усиливать сигнал, переключать его и преобразовывать.

Сначала вспомним определение электрического тока — это поток электронов, передающихся от одного атома вещества к другому. Структура, скажем, металлов такова, что в оболочках их атомов всегда есть пара свободных электронов, почти не связанных с ядром. Это значит, что они могут перемещаться внутри материала, делая его высоко проводимым для электричества. В изоляторах типа резины связь электронов с ядром атома очень прочная, поэтому ток они не проводят.

В полупроводниках свободных электронов тоже не очень много, но к ним можно «подсадить» с помощью легирования определенные атомы: трех- или пятивалентные.

Из полупроводников «собираются» такие простые электронные компоненты как диод и транзистор. В первом случае речь идет о соединении полупроводников n- и p-типа, во втором — о соединении трех полупроводников (n-p-n или p-n-p). Из транзистора, диода и других компонентов обычно состоят более сложные микросхемы, то есть чипы (теперь логика чип = полупроводник должна быть более понятной).

Видео хорошо демонстрирует, насколько сложными бывают чипы:

Их задача — хранить и передавать данные другим частям компьютера. Есть два основных вида: оперативная (ОЗУ, RAM) — для временного хранения — и постоянная память (ПЗУ, ROM). У обоих есть вариации. Так, среди ROM выделяют: однократно программируемую (PROM), перепрограммируемую с помощью спецустройств (EPROM), электрически перепрограммируемую (EEPROM, к ней относится флеш-память) и другие. При этом основной спрос связан с четырьмя позициями: DRAM, Flash ROM, SRAM и MRAM.

Скоро могут появиться новые прорывные чипы. В начале 2022 года ученые из Ланкастерского университета в своей статье объявили, что почти готовы к массовому производству разработанной ими же UltraRAM. Она, по словам исследователей, будет сочетать энергонезависимость флэш-памяти со скоростью, энергоэффективностью и долговечностью DRAM (динамической оперативной памяти).

Основными лидерами в производстве чипов памяти сейчас являются Toshiba, Samsung и NEC из Японии и Южной Кореи, пишет Investopedia. Если же говорить о самой популярной DRAM, здесь к монополисту Samsung (который держит 43% рынка) добавляются конкуренты в лице корейской SK hynix и американской Micron Technology. За счет относительно низкой маржинальности бизнеса и высоких затрат (например, на строительство заводов) оставаться в нем под силу только гигантским корпорациям.

Для иллюстрации чипов памяти и их важности в современной технике предлагаем посмотреть рекламный ролик Samsung про DDR5:

Центральный процессор (ЦПУ, CPU) — устройство, которое отвечает за выполнение операций, прописанных в машинном коде. Если проще — это то, что часто называют «сердцем» или «мозгом» компьютера, да и любой сложной техники. Может быть реализован в виде одной микросхемы или комплекта из нескольких микросхем.

Первые процессоры появились более 50 лет назад, в 1968—1971 гг. За это время было создано несколько архитектур — принципов организации компонентов в процессорах. Сейчас в компьютерах используются в основном 32-х и 64-х разрядные чипы от Intel, AMD и IBM на архитектурах x86−64 и POWER, в мобильных устройствах применяется ARM. А вот в автомобилях и не очень требовательных чипах могут применяться 8-ми, 16-ти и 24-х разрядные микропроцессоры.

Обычно среди микропроцессоров отдельно выделяют графические процессоры (GPU), которые, например, отвечают за отображение графики на компьютерах. Они гораздо моложе, их массовая история началась где-то в 1999 году и позволила кратно увеличить производительность устройств, а также сделала возможным решение уникальных задач вроде майнинга криптовалюты.

Основными производителями графических процессоров часто называют NVIDIA и AMD. В контексте передовых решений это действительно так, но в общем случае это скорее заблуждение — более 60% рынка GPU до сих пор принадлежит компании Intel с их дискретной графикой Intel HD Graphics.

Подробное видео о создании центрального процессора от Intel:

Обычно их используют для повторяющихся процедур в устройствах типа сканера штрих-кода или для автоматизации на производствах. Часто они заточены под одну конкретную задачу, в этом случае иногда говорят про ASIC — интегральные схемы специального назначения.

Например, есть ASIC для управления радиоканалом смартфона или чипы для майнинга биткоина — других функций у них, по сути, нет. К простым схемам также можно отнести программируемые вентильные матрицы (FPGA) — они настраиваются в соответствии со спецификациями производителя.

Отдельно можно выделить SoC — то есть «системы на кристалле». Все электронные компоненты SoC находятся на одном чипе и способны выполнять функции целого устройства (скажем, всего ПК), а в смартфонах — дополнительно содержать графический слой, камеру, слой обработки аудио- и видео и так далее. Хороший пример таких систем — серия Apple silicon, которая используется в технике Apple.

Спрос на потребительские товары с широким функционалом и низкой ценой растет. При этом рынок памяти и процессоров давно занят, на нем остались, можно сказать, монополисты. Поэтому сейчас сегмент «систем на кристалле» остался, возможно, единственным дружелюбным для новых компаний, считают некоторые эксперты.

Самые современные полупроводниковые компоненты выпускают три корпорации: TSMC на Тайване, Samsung в Южной Корее и Intel в США. Причем последние, судя по всему, отстают не только в плане объемов (доля США в мировом производстве микросхем упала с 37% в 1990-м до 12% в 2021 году, по данным SIA), но и в техническом плане.

При этом производство чипов имеет решающее значение не только в базовых отраслях, но и в направлениях, которые являются ключом к экономическому и стратегическому лидерству: искусственный интеллект, 5G, робототехника.

Поэтому в США ждет одобрения законопроект стоимостью $55 миллиардов для поддержки местной индустрии, а ЕС может выделить более €43 миллиардов, чтобы к 2030 году производить в Европе 20% всех микросхем в мире (сейчас показатель не больше 10%). Однако, по крайней мере в плане обещаний, лидирует Китай — они планируют потратить на развитие отрасли $150 миллиардов — и Южная Корея, которая готова инвестировать $451 миллиард за 10 лет.

О будущем России в этой сфере недавно писал Forbes. Такие отечественные полупроводники как «Байкал» и «Эльбрус» целиком зависели от компонентов тайваньской TSMC. Новых поставщиков пока не нашлось, а собственные технологии еще не готовы их заменить.

Многие компании (в основном IT-корпорации) пытаются создавать чипы самостоятельно, чтобы меньше зависеть от упомянутых выше монополистов. Большое внимание сейчас уделяется графическим процессорам, потому что они лучше подходят для задач искусственного интеллекта. Среди тех, кто ведет разработки — Apple, Amazon, Alphabet (Google), Microsoft и даже Tesla.

Однако все это может только снизить число инноваций, считает профессор Массачусетского технологического института Нил Томпсон, потому что делает технологию более разрозненной (знаменитый закон Мура об экспоненциальном росте мощности чипов каждые 24 месяца уже не работает). С другой стороны, не исключено, что ИИ, ради которых сейчас создают новые чипы, скоро будет проектировать их сам.