От плоских к окружённым: как менялась архитектура транзисторов в процессорах

Транзистор — это микроскопический электронный переключатель, основа работы любого компьютерного чипа. Типичный транзистор состоит из трёх ключевых частей:

• Затвор (gate): выполняет роль «рубильника», управляя током с помощью напряжения.
• Канал (channel): путь, по которому течёт ток.
• Исток (source) и сток (drain): точки входа и выхода для тока соответственно.

Архитектура транзистора определяет, как эти компоненты расположены геометрически. Основной архитектурой в цифровых схемах сегодня является MOSFET (металл-оксид-полупроводниковый полевой транзистор). В нём затвор и канал разделены оксидным слоем, который предотвращает утечку тока и позволяет управлять потоком через электрическое поле.

Раньше для оксидного слоя использовался диоксид кремния. В 2007 году Intel первой применила в коммерческих 45-нм продуктах материал с высокой диэлектрической проницаемостью (high-K) — технологию HKMG (High-K Metal Gate). Это значительно улучшило управление током и снизило энергопотребление.

Традиционные MOSFET-транзисторы были плоскими (planar), где все компоненты располагались в одной плоскости, а затвор покрывал канал только сверху. По мере уменьшения размеров возникла проблема короткоканального эффекта (SCE), приводящая к утечкам и нестабильности.

В начале 2010-х на 22-нм процессе Intel первой коммерциализировала архитектуру FinFET (транзистор с вертикальным затвором). В ней канал расположен вертикально, а затвор окружает его с трёх сторон, напоминая плавник (fin). Это позволило эффективно контролировать канал и стало основой для процессов вплоть до 3 нм.

Сейчас, при переходе к 2-нм нормам, возможностей FinFET становится недостаточно. Индустрия переходит к архитектуре GAA (Gate-All-Around, транзистор с полностью окружающим затвором). Например, в процессе Intel 18A используется RibbonFET. В этой архитектуре каналы расположены горизонтально и сложены стопкой, а затвор окружает каждый из них со всех четырёх сторон. Это обеспечивает ещё более точный контроль над током.

Ключевое преимущество RibbonFET — возможность увеличивать ширину канала (и, следовательно, силу тока) без увеличения высоты транзистора. Это позволяет создавать более компактные и производительные чипы. Процесс Intel 18A также включает технологию питания с обратной стороны кристалла PowerVia и уже запущен в массовое производство. Первым продуктом на этой платформе станет Panther Lake.

ИИ: Эволюция от плоских транзисторов к GAA — наглядный пример того, как инженеры постоянно находят способы обойти физические ограничения. Переход к архитектуре RibbonFET в 2025 году выглядит логичным шагом для поддержания закона Мура, хотя сложность производства таких структур, безусловно, бьёт по карману.