дополнительные
материалы

(02)

немножко повторим

Микрочипы — это краеугольный камень современной электроники. Без них человечество лишилось бы смартфонов, компьютеров, современных автомобилей и других привычных вещей. Поэтому ученые и инженеры постоянно совершенствуют их, а страны стараются наладить производство на своей территории, поскольку это даст им фору в освоении новых технологий.
Микрочипы проделали удивительно быстрый путь от громоздких вакуумных труб, которые использовались в первых вычислительных устройствах, до современных нанометровых интегральных схем. В середине XX века транзисторы заменили вакуумные лампы, сделав устройства более компактными, надёжными и энергоэффективными. Вскоре появились первые интегральные схемы, которые позволили объединять множество транзисторов на одном кристалле, что привело к революции в электронике. С тех пор микрочипы постоянно уменьшались в размерах и увеличивали свою вычислительную мощность. Производство микрочипов превратилось в одну из ведущих отраслей мировой экономики, обеспечивающую фундамент для инноваций и технологического прогресса во всех сферах жизни.

Микрочип — это сложная электронная схема, которая размещена на пластине из полупроводника и заключена в корпус.
За таким простым определением кроется сложнейшее устройство, которое используют во многих отраслях. Суть в том, что небольшой чип, например, помещающийся на фаланге указательного пальца, может вмещать в себя огромный объем информации, необходимой для работы устройства. И с каждым годом конструкция чипов усложняется.

При этом основные этапы производства микрочипов почти всегда одинаковые:
• Производство полупроводниковых пластин
В подавляющем большинстве случаев их делают из кремния, для производства которого нужен только песок, поэтому дефицита в этих составляющих нет. Чтобы получить монокристаллический кремний, песок смешивают с коксом (одна из производных каменного угля), нагревают в доменной печи до 1800 градусов по Цельсию, получая поликристаллическую субстанцию. После из этой массы выращивают монокристаллические слитки, которые являются одним из основных компонентов в производстве чипов. Их нарезают на чрезвычайно тонкие пластины, использующиеся в качестве основы.
Поскольку кремний является полупроводником, он может проводить электричество, а также выступать в качестве изолятора. Для повышения проводимости к кремнию добавляют атомы других элементов.
• Проектирование и изготовление
Производство микрочипа после создания кремниевых пластин — процесс сложный, поскольку на ограниченную поверхность нужно нанести огромное количество транзисторов, резисторов, конденсаторов и других элементов, толщина которых может составлять всего несколько нанометров. Поэтому прежде, чем начать, инженеры проектируют схему, по которой они будут расположены.
После этого с помощью контролируемых физических и химических процессов, таких как легирование, фотолитография, протравка и других, схемы отпечатываются на пластине.
Важно, что все это должно происходить в максимально стерильных условиях, поскольку части микрочипов столь малы, что даже небольшая пылинка может привести к поломке устройства.
• Инкапсуляция
На заключительном этапе хрупкое сложное устройство необходимо защитить от внешних воздействий, поэтому чип покрывают специальным материалом, который обеспечивает ему долговечность и надежность.
Разновидности чипов и их применение
Микрочипы находят применение в различных областях, но и сами они различаются по функционалу в зависимости от того, для чего их планируется использовать.
• Логистические микрочипы — это «мозги» устройств, которые занимаются обработкой поступающей информации. Иногда они выполняют специфические функции. Так, например, графические процессоры оптимизированы для виртуального изображения, а нейронные предназначены для глубокого машинного обучения.
• Чипы памяти предназначены для хранения информации. Они бывают двух типов: чипы «рабочей памяти» сохраняют данные только тогда, когда устройство включено, а чипы энергозависимой памяти — сохраняют информацию даже после его выключения.
• Микросхемы для конкретных приложений (ASIC) — простые одноцелевые чипы, которые используют для повторяющихся процедур обработки, например, сканирования штрих-кодов.
• Интеграторы (SoC) — чипы нового поколения, способные объединять в себе множество функций, например, графику, видео, WIFI и т.д.
Примером системы, в которой используются все четыре вида микрочипов — логистические, чипы памяти, ASIC и SoC — может быть современный смартфон.
Логистические микрочипы: В смартфоне они обеспечивают контроль и управление питанием, передачей данных между различными компонентами, такими как процессор, память и экран.
Чипы памяти: Смартфоны используют как оперативную память (RAM) для временного хранения данных при работе приложений, так и флеш-память для постоянного хранения данных, таких как операционная система, приложения и пользовательские файлы.
ASIC (Application-Specific Integrated Circuit): Это специализированные микрочипы, которые выполняют определенные задачи в смартфоне, например, обеспечивают работу модулей связи (например, 4G или 5G) или графических процессоров (GPU).
SoC (System on a Chip): Центральный микропроцессор современного смартфона, часто представляющий собой SoC, объединяет множество компонентов на одном чипе — процессор, графический ускоритель, контроллер памяти и другие, делая устройство более компактным и энергоэффективным.
Эти виды микрочипов работают вместе для обеспечения высокопроизводительной работы смартфона и его разнообразных функций, от вычислительных операций до связи с интернетом.
Почему микрочипы важны
Полупроводники являются ключевым элементом современных технологий. Без них не обходится практически ни одно электронное устройство на планете. Поэтому переоценить их важность просто невозможно, поскольку микрочипы оказывают прямое влияние на привычный образ жизни людей.

Важно то, что чипы постоянно совершенствуются. Так, буквально за несколько десятилетий кратное увеличение их мощности и функций памяти позволило технологиям продвинуться туда, где они находятся сегодня. Другими словами, от качества, количества и уровня полупроводников напрямую зависит технологический прогресс во всем мире.
Приведем пример. Компьютер, который управлял миссией «Аполлон» на Луну, имел 32,768 бит оперативной памяти и 589,824 бит постоянной памяти. Современный смартфон имеет примерно в 100 тыс. раз больше вычислительной мощности, приблизительно в 1 млн раз больше оперативной памяти и в 7 млн раз больше встроенной памяти.
От чипов напрямую зависит развитие искусственного интеллекта и технологий виртуальной реальности, они улучшают качество передачи данных, например, через сети 5G, а также лежат в основе алгоритмов, используемых в машинном обучении.

Чем более технически сложными становятся окружающие нас устройства, тем больше чипов нужно для их производства. Те же автомобили комплектуют все более развитыми системами помощи водителю и информационно-развлекательным оборудованием. Новые модели смартфонов и ноутбуков требуют более производительных процессоров. Миру нужны все более мощные датацентры для облачных сервисов. Переход на 5G требует модернизации сетей и внедрения оборудования нового поколения. А для обучения систем искусственного интеллекта используют сложные языковые модели и колоссальные вычислительные мощности.
А еще рост индустрии подпитывают политические разногласия и торговые ограничения. В попытке добиться технологической независимости и увеличить долю на мировом рынке крупнейшие экономики вкладываются в полупроводники и всячески стимулируют бизнес. Например, в ближайшие несколько лет Китай планирует потратить на инвестиции в микрочипы 142 млрд долларов, а США — 75 млрд. В сумме это больше, чем собираются вложить все остальные страны, вместе взятые.

Современная полупроводниковая индустрия — это затратное, трудоемкое и высокотехнологичное производство. Оборудование, работающее с материалами на атомном уровне, стоит десятки миллионов долларов. А строительство современных заводов требует многомиллиардных инвестиций. Очень немногие компании могут себе позволить подобные расходы и располагают необходимыми технологическими компетенциями.
Если очень упрощенно, технологический прогресс в полупроводниковой индустрии сводится к постоянному уменьшению размеров чипов и увеличению их производительности. Чем больше транзисторов удается разместить на единице площади чипа, тем выше его вычислительная мощность при сопоставимом энергопотреблении. Технологический процесс измеряют в нанометрах. По семинанометровому техпроцессу — на сегодняшний день одному из самых передовых — на чипе, равном по площади срезу человеческого волоса, можно разместить до 1,5 млн транзисторов.
Чем более продвинутыми становятся чипы, тем дороже обходится их производство. Это предопределило концентрацию рынка. Если еще в начале 2000-х самые передовые микросхемы выпускало два десятка компаний, то сегодня их только три: тайваньская TSMC, южнокорейский Samsung и американский Intel.
Существенно изменилась и география мировой индустрии. 30 лет назад главные полупроводниковые мощности были сконцентрированы в США, Европе и Японии. А по итогам 2022 года почти 60% производства чипов пришлось на Китай, Тайвань и Южную Корею. Доля США с 1990 года упала с 37 до 10%, а доля Европы — с 44 до 8%.
Бесспорный лидер в производстве самых современных чипов сейчас — Тайвань. На долю острова приходится 69% мирового производства чипов по техпроцессу менее 10 нм. При этом для большей части выпускаемой в мире техники такие чипы не нужны — на них приходится лишь 2% мировых продаж. Но есть системы, где они незаменимы, — например, в искусственном интеллекте, где требуются мощные процессоры.
В 2023 году 11% выручки TSMC пришлось на заказы от Nvidia — мирового лидера в производстве процессоров для ИИ. А крупнейшим заказчиком уже много лет остается Apple: на нее приходится четверть всех продаж тайваньского чипмейкера. Производитель Айфонов и Макбуков использует самые высокопроизводительные чипы во флагманских моделях своей потребительской электроники.
Американский профессор международной истории Крис Миллер в своей книге «Война чипов: борьба за самую важную технологию в мире» отмечает, что вместо глобализации производства чипов произошла его «тайванизация». TSMC за последнее десятилетие превратилась в незаменимого игрока на рынке полупроводников. Если компания остановит производство, мир лишится 40% производимых вычислительных мощностей, выпуск процессоров для персональных компьютеров упадет на 30%, а развертывание сетей 5G будет остановлено почти полностью.
Вывод следующий: необходимо строить заводы по производству чипов. Но и тут не все так просто: американский проект TSMC, предполагающий запуск в США трех фабрик, выпускающих чипы в 2 нм, например, стоит $65 млрд. Для сравнения: стоимость Международной космической станции (пока самого дорогого объекта, построенного человечеством) всего чуть более чем в два раза больше — $150 млрд. И $65 млрд — далеко не полная цена подобных проектов, это лишь затраты на строительство нескольких заводов без учета инвестиций в науку и подготовку кадров, которые будут обеспечивать работу и развитие таких предприятий.
Перспективы развития микрочипов
Перспективы развития микрочипов сосредоточены на нескольких ключевых направлениях, где ожидается значительный прогресс. Одними из самых перспективных технологий являются квантовые вычисления и встроенный искусственный интеллект (ИИ).
Квантовые вычисления обещают революцию в области обработки данных. В отличие от традиционных компьютеров, которые используют биты с двумя состояниями (0 и 1), квантовые компьютеры работают с кубитами, способными находиться в нескольких состояниях одновременно благодаря суперпозиции и запутанности. Это позволит квантовым чипам решать сложные задачи, недоступные для обычных компьютеров, такие как моделирование молекул для разработки новых лекарств, оптимизация логистических систем или проведение сложных криптографических операций. Преимущество квантовых вычислений заключается в их способности выполнять параллельные вычисления с огромной скоростью, что делает их незаменимыми для задач, связанных с большими объемами данных.
Встроенный ИИ — это еще одно направление, которое набирает популярность. Микрочипы с встроенными ИИ-алгоритмами могут обрабатывать и анализировать данные в реальном времени непосредственно на устройствах, что сокращает зависимость от облачных сервисов и улучшает безопасность данных. Эти чипы могут использоваться в автономных автомобилях, системах медицинской диагностики и «умных» устройствах, где требуется высокая скорость обработки и принятия решений. Преимущество встроенного ИИ заключается в его возможности мгновенно реагировать на окружающую среду, обеспечивая более высокую производительность и автономность устройств.

Несмотря на все возникающие проблемы, технология микрочипов уже фундаментально изменила мир и стала неотъемлемой его частью. Примеры этого повсюду: от смартфонов и компьютеров, которые стали основой нашей повседневной жизни, до медицинских устройств, таких как кардиостимуляторы и умные импланты, которые спасают жизни. Микрочипы также лежат в основе современных автомобилей с их системами автоматизированного вождения и систем промышленной автоматизации, повышающих производительность.
Наша задача теперь — не просто развивать эти технологии, но и сохранить контроль над ними. С ростом сложности микрочипов и систем, в которые они интегрируются, важно следить за тем, чтобы эти технологии продолжали служить интересам человечества, улучшая качество жизни и решая глобальные проблемы, а не создавая новые вызовы.

небольшой тест для самоконтроля

(04)

настала пора проверить