Старость — не радость (и для кремния тоже) / Offсянка

Рассылка Microsoft в конце марта 2025 г. пользователям «писем счастья» с предложением избавиться от их нынешних ПК под управлением «Десятки» (даром что та до сих пор, по оценке StatCounter, установлена на 58% персоналок в мире) и перейти, наконец, на новые, удовлетворяющие системным запросам Windows 11, не нашла, мягко говоря, понимания в широких массах — поскольку эти компьютеры по большей части исправно выполняют свои задачи, полностью устраивая своих владельцев. Да и продолжили бы их выполнять ещё много лет, если бы не волюнтаристское прекращение официальной поддержки этой «устаревшей» ОС её же собственным разработчиком. Так же было и со многими прежними сменами поколений ПК: системы с 32-разрядными центральными процессорами приходилось отправлять в утиль (в лучшем случае — превращать в какие-нибудь медиаплееры с установкой Linux) по причине того, что новые версии привычных операционных систем и приложений под них уже требовали исключительно 64-разрядного «железа». Практически никогда (за почти полвека развития сегмента персональных вычислительных систем) отказ от машин предыдущего поколения не происходил из-за его физической деградации: по большей части лишь вследствие морального устаревания. Увы, так будет продолжаться не всегда: чем миниатюрнее технологические процессы для изготовления микросхем со всё более плотным размещением транзисторов на них, тем острее становится проблема ветшания аппаратной основы цифровых вычислителей, — и разработчики чипов, которые будут выполняться по «2-нм» и ещё более мелкомасштабным производственным нормам, начинают задумываться об этом уже сейчас.

Предсерийный образец Motorola 68000, изготовленный в 1979 г.: фактический срок службы аналогичных процессоров — уже более 45 лет (источник: Wikimedia Commons)

⇡#Надёжность или масштаб

В начале 2024 г. корреспондент BBC с восторженным изумлением описал существующую до сих пор в США субкультуру пользователей легендарного The Macintosh, позже переименованного в Apple Macintosh 128K (финальная часть наименования указывает на объём оперативной памяти; в килобайтах, разумеется) — первого достигшего подлинного успеха на широком рынке персонального компьютера с графическим интерфейсом, что был представлен миру за четыре десятка лет до упомянутой публикации. Сами эти машины перестали выпускать уже в октябре 1985-го, официальная поддержка ПО для них была прекращена в 1998-м. И тем не менее в плане «железа» претензий к тем представителям этой славной серии, что до сих пор продолжают работать — позволяя, к примеру, играть в классический Lode Runner — у их ностальгирующих владельцев практически нет. Основой The Macintosh стал не самый свежий к тому времени CISC-процессор Motorola 68000 (он же Motorola 68k, он же m68k), выведенный на рынок в 1979-м и содержавший — сюрприз! — 68 тыс. транзисторов, изготовленных по производственной норме 3,5 мкм (без кавычек, поскольку это честные микрометры — указание на характерный размер минимального дискретного элемента получаемой микросхемы). Так что сорокалетней давности чип и сегодня продолжает уверенно функционировать во множестве реально эксплуатируемых систем — да, пусть не под самыми суровыми вычислительными нагрузками, но всё-таки далеко за пределами любого формально мыслимого срока гарантии. И кстати, с инженерной, а не с обывательской точки зрения это не так уж и поразительно: «у конструкции без подвижных частей меньше шансов сломаться» — почтенный, не раз доказывавший свою справедливость принцип.

Возьмём теперь для сравнения один из недавних шедевров микроэлектроники, серверный графический адаптер Nvidia H100, продукт технологического процесса TSMC 4N — не «четырёхнанометрового», а усовершенствованной версии 5N, т. е. формально относящегося к «5-нм» масштабному классу. Интуитивно ясно, что при сокращении размеров мельчайших полупроводниковых элементов примерно на три десятичных порядка, с 3,5 мкм до условных «5 нм», а заодно и с увеличением числа транзисторов на чипе — с 68 тыс. до 80 млрд., тут разница уже шесть порядков с гаком — надёжность должна довольно-таки ощутимо снизиться. И действительно: когда экстремистская Meta* в прошлом году тренировала свою передовую по тем временам генеративную модель LLama 3 на кластере, включавшем 16 384 ГП Nvidia H100, всего-то за 54 дня этот процесс прерывался внеплановыми остановками 419 раз. Немалая часть этих остановок была спровоцирована программными ошибками, перебоями в сети электропитания или иными не касающимися вычислительного «железа» причинами, однако 30,1% перерывов оказался вызван выходами из строя самих графических процессоров, а ещё 17,2% — работающих с теми в связке микросхем видеопамяти HBM3. Выходит, раз в час любой Nvidia H100 из состава этого кластера с вероятностью 0,02% имел шанс отказать именно по причине внутреннего сбоя микроэлектроники ГП либо ОЗУ на уровне базовых полупроводниковых компонентов.

Серверный ГП Nvidia H100 в составе модуля SXM5: фактическая продолжительность работы под крайне высокими нагрузками — навряд ли более пары-тройки лет (источник: Nvidia)

Отсюда по грубой прикидке выходит, что всего-то через два с половиной года после начала эксплуатации каждый серверный графический адаптер этого типа имеет шанс «перегореть» с формальной вероятностью под 100% — что, кстати, вполне соответствует общепринятым практикам корпоративных ЦОДов заменять высоконагруженное «железо» не реже чем раз в 3-5 лет, даже если никаких явных признаков деградации оно не демонстрирует (хотя в последнее время видна некоторая тенденция растягивать этот срок до 6, даже до 8 лет, — из соображений финансовой экономии, уже без особой оглядки на качество работы завершающего свой жизненный цикл «железа»). Косвенно подтверждает эту оценку заключение IDC о том, что производительность типичного сервера в среднем ЦОДе снижается на 14% после каждого полного года эксплуатации. Понятно, что тренировка ИИ — задача чрезвычайно ресурсоёмкая даже на фоне инференса той же самой генеративной модели. Но с учётом того, что одна-единственная Nvidia H100 обходится заказчикам в 25-40 тыс. долл. США, становится гораздо яснее, почему настолько дорога подписка на наиболее привлекательные и функциональные облачные ИИ. Провайдеры такого рода услуг вынуждены окупать инвестиции в «железо» как можно скорее — чтобы оно хотя бы несколько месяцев после этого нарабатывало для них чистую (за вычетом цены электроэнергии и прочих сопутствующих расходов) прибыль, пока не выйдет из строя или не снизит свою производительность до неприемлемой величины вследствие естественной деградации своих полупроводниковых компонентов.

Если бы дело ограничивалось одними вычислительными чипами, с ускоренным старением полупроводниковой микроэлектроники можно было бы как-то мириться: те же серверные микросхемы Nvidia заказчики расхватывают не глядя, как горячие пирожки; понимая, что даже при крайне высокой их оптовой цене и сравнительно малом времени наработки на отказ вернуть такие инвестиции с прибылью всё равно удастся — по крайней мере, пока глобальный ажиотаж вокруг ИИ не начал утихать. Но вот для задействованных вне ИТ-отрасли микросхем — контроллеров во всевозможных промышленных датчиках, умных авто, конвейерных роботах и т. п. — до сих пор характерны так называемые зрелые производственные нормы, «22 нм» и более. Такой подход и сэкономить позволяет (оборудование для выпуска такого рода чипов давно себя окупило, да к тому же в мире его значительно больше, чем станков High-NA EUV, а потому ещё и конкуренция себя проявляет — цены держатся на невысоком уровне), и заведомо приемлемую долговечность индустриальным контроллерам обеспечивает.

По горизонтальной оси отложен условный масштаб полупроводниковых производственных нод в сторону сокращения; по вертикали указаны характерные для соответствующих техпроцессов конструкции транзисторов, рабочие длины волн фотолитографов, диаметры пластин-заготовок и другие технологические особенности (применение многократного экспонирования, переход к компьютерному проектированию чипов, а также внедрение транзисторных затворов с подзатворным диэлектриком, выполненным из материала с большей статической диэлектрической проницаемостью, чем у диоксида кремния). Вертикальная же линия отмечает «22-нм» ноду, начиная с которой себестоимость изготовления одиночного чипа перестала снижаться — и даже принялась расти — по мере дальнейшей миниатюризации техпроцессов (источник: Semiconductor Engineering)

⇡#Слишком малó, чтобы не портиться

По свидетельству Кевина Лукаса (Kevin Lucas), старшего архитектора в Synopsys, известном американском производителе контрольно-измерительного оборудования для полупроводниковой отрасли, с давних времён и примерно до освоения техпроцесса «28 нм» себестоимость фотолитографирования единичной кремниевой пластины-заготовки с переходом на каждую новую ступень миниатюризации росла на 25-30%. Но при этом и число создаваемых на каждой пластине чипов увеличивалось примерно вдвое, так что итоговый выигрыш в себестоимости отдельной микросхемы (уже после разрезания и упаковки в корпус с контактами для дальнейшего монтажа) составлял 20-25%. Увы, примерно на рубеже «20 нм» — «22 нм» эта закономерность перестала действовать: с тех пор переключение на всё более мелкомасштабные производственные нормы лишь повышает себестоимость одиночного чипа (притом сам чип, разумеется, выходит производительнее и энергоэффективнее, так что для конечных его пользователей выигрыш всё равно очевиден, — но сейчас речь именно о производстве). Соответственно, сокращается и число клиентов — разработчиков чипов, которые могут позволить себе проектировать миниатюрные микросхемы, с расчётом заказать затем у специализирующихся на фотолитографировании партнёров, а после и продать на открытом рынке достаточное количество такого товара по немалой цене, чтобы окупить свои затраты.

«Если взять техпроцесс „3 нм“, то такие чипы нужны сегодня двум, может, трём заказчикам в мире, — откровенничал в середине 2024 г. Майкл Цыван (Michael Cy Wang), заместитель вице-президента UMC, тайваньского чипмейкера второго эшелона. — По нормам „7 нм“ спрос создают уже от 5 до 10 компаний. Но если речь заходит о „22“ или „28“ нм, то тут желающих — многие десятки». Так что крупномасштабные процессы вовсе не собираются уходить в историю: скажем, силовые микроконтроллеры (power management IC, PMIC) для электромобилей и сегодня производят по 130-нм, а то и по 180-нм технологии, а для различных полупроводниковых датчиков не редкость производственные нормы и 150, и те же 180 нм. Да, постепенное смещение интересов заказчиков таких чипов в сторону более современных нод — ну как современных; 90, 55, 40 нм; порой и до «22 нм», — чипмейкерами фиксируется, но на данный момент не слишком активное. Дорого это, да в подавляющем большинстве случаев и незачем — особенно с учётом внушительной продолжительности работы крупномасштабных микросхем без выгорания. В 2021 г., когда массовый переход на удалёнку спровоцировал резкий рост ИТ-расходов по всему миру, как раз выпущенных по зрелым техпроцессам чипов начало остро не хватать, да и сегодня потребность в них по-прежнему велика.

По какой же причине стареют — теряют со временем изначальные свойства; англоязычный термин «chip aging» — полупроводниковые микросхемы? На проблему старения чипов начали обращать внимание ещё в самом конце прошлого века. В те времена теоретикам и практикам чипмейкинга приходилось разбираться сразу с несколькими не встречавшимися ранее паразитными явлениями, что непосредственно сказывались на функционировании микронных транзисторов. По мере миниатюризации производственных нод ниже масштабного предела в 1 мкм начинали давать о себе знать рассеяние тепла в толще полупроводникового кристалла, миграция электронов между отдельными участками литографированных на кремнии схем, пагубное взаимовлияние расположенных по соседству сигнальных шин (interconnect coupling) — и, конечно же, старение полупроводников. Где-то до технологического рубежа 180 нм старение на практике себя почти не проявляло, поскольку вследствие именно этого эффекта за время эксплуатации полупроводниковых приборов свойства их не успевали заметным образом измениться.

Ударная ионизация порождает в полупроводнике новые носители заряда (источник: Wikimedia Commons)

Но дальше в дело вступила физика элементарных частиц — точнее, эффекты на уровне отдельных атомов и электронов начали становиться слишком заметными, чтобы их игнорировать. В 1974 г. выдающийся сотрудник IBM Роберт Деннард (Robert H. Dennard), которому, кстати, принадлежит честь изобретения памяти DRAM — динамической, с произвольным доступом, на полупроводниковой основе, — с коллегами опубликовал фундаментальную работу о проектировании ионно-имплантированных МОП-транзисторов с очень малыми физическими размерами. В ней были сформулированы важнейшие принципы пропорционального масштабирования (вниз, разумеется, — от микрометров к нанометрам) полупроводниковых структур; т. е. с сохранением относительных размеров различных компонентов транзистора при сокращении их линейных протяжённостей — в допущении неизменности электрического поля, которое создаётся между истоком и стоком заряда и, собственно, производит работу по перемещению заряда через затвор при открытии последнего. Долгое время миниатюризация полупроводниковых техпроцессов велась по «закону Деннарда»: пропорциональное сокращение всех линейных размеров транзистора в k раз снижало и величины напряжений в его структуре (на затворе, на стоке и пороговое), и электрическую ёмкость затвора, и силу рабочего тока в те же k раз.

Однако после перехода в область характерных размеров менее 130 нм выяснилось, что уменьшать рабочее напряжение ниже примерно 1 В нельзя: иначе слишком малой оказывается разность потенциалов на затворе открытого и закрытого транзистора, т. е. не удаётся с высокой степенью достоверности (особенно необходимой при быстрых потоковых вычислениях) различать состояния «логический 0» и «логическая 1». Которые кодируются, напомним снова, в случае полупроводниковой электроники не какими-то дискретными состояниями неких структур, а просто различными значениями силы тока на данном участке электроцепи. Чрезмерно миниатюрная ширина транзисторного канала оказывается недостаточным препятствием для отдельных носителей заряда, способных проникать через это препятствие даже при закрытом затворе, формируя т. н. ток утечки. Как раз по этой причине рабочее напряжение (на стоке) включённого транзистора должно быть достаточно велико, чтобы уверенно отличать его состояния с закрытым и открытым затвором. И потому где-то с конца 1990-х — начала 2000-х прикладной «закон Деннарда» несколько скорректировали — так, что рабочий ток транзистора перестал снижаться при масштабировании, а стал определяться напряжением питания вне зависимости от геометрических размеров полупроводниковых элементов этого самого транзистора.

Временнáя шкала миниатюризации технологических норм на переднем крае микроэлектроники: видно, что интервалы между освоением техпроцессов 350 нм и 40 нм, с одной стороны, и 40 нм и «5 нм», с другой, вполне сопоставимы, — около 12 лет (источник: TSMC)

⇡#Ничего смешного

Одним из прямых следствий такой перемены в едва ли не основной догме микроэлектроники стало увеличение интенсивности электрического поля — под действием которого электрон носители заряда перемещаются между истоком и стоком — при сокращении ширины затвора. Соответственно, стоит этой ширине оказаться ниже некоторого предела, скорость проходящего через транзистор электрона выйдет настолько высокой, что в конце пути он не просто сядет на орбиту к одному из атомов кристаллической решётки, у которого соответствующая позиция свободна (заместив собой таким образом «дырку»), а получит существенно ненулевой шанс вышибить другой электрон уже с его орбитали, — ионизировав тем самым нейтральный атом. Результатом такой ударной ионизации (impact ionization) становится рождение новой пары «электрон — дырка». Если такое событие происходит в толще самого канала проводимости — ничего страшного; число носителей заряда временно вырастет, да и только. Другое дело — граница между поверхностью кремниевого кристалла и выполненным из оксида кремния затвором КМОП-транзистора. Накапливающиеся на этой границе паразитные заряды нарушают нормальный процесс прохождения электронов и дырок по каналу проводимости под затвором, причём на областях с n- и p-проводимостью такое нарушение электрического баланса сказывается по-разному, затрудняя его прямолинейную компенсацию на уровне всей микросхемы в целом (повышением её рабочего напряжения, например).

Поскольку ударная ионизация — процесс в значительно мере случайный (чрезмерно ускоренный электрон попадает в нейтральный до того атом кристаллической решётки лишь с некоторой вероятностью), описывается он накопительными, статистическими методами. Уже в 2000 году, когда наиболее передовым техпроцессом в мире считался 150-нм, практикующие микроэлектронщики оценивали среднюю продолжительность функционирования типового транзистора до ощутимой деградации (т. е. до состояния, когда величина пропускаемого им при открытом затворе тока снижается вследствие старения полупроводника до 10% от исходного значения) всего в пять месяцев, с горестью отмечая, что за полтора десятка лет до того сколько-нибудь заметное на практике старение полупроводниковых кристаллов начинало себя проявлять хорошо если через 10 лет после начала их эксплуатации.

Как нетрудно догадаться, пагубнее всего эффект NBTI сказывается на микросхемах памяти, особенно если тем приходится хранить некие значения долго — подвергая тем самым свои полупроводниковые элементы длительному воздействию статичного по сути напряжения (источник: Synopsys)

Описанная нами причина старения полупроводниковых устройств за счёт деградации их внутренней структуры под воздействием высокоэнергичных электронов — hot carrier injection (HCI) — увы, лишь одна из немалого числа возможных; просто исследователи обратили на неё внимание в числе первых. Ещё один неприятный эффект, вызывающий старение полупроводников, — температурная нестабильность с отрицательным сдвигом (negative bias temperature instability, NBTI); это, по сути, уменьшение порогового напряжения транзисторов, в особенности p-МОП, под воздействием продолжительное время прилагаемого к ним сравнительно сильного электрического поля. Времязависимый пробой диэлектрика (time-dependent dielectric breakdown, TDDB) — тоже не слишком приятная особенность полупроводников, в частности двуокиси кремния (SiO₂): здесь паразитное воздействие на структуру среды, по которой перемещаются носители заряда, оказывают уже слабые электрические поля длительного действия. Выходит, что ты с миниатюризированным до характерных в наши дни величин транзистором ни делай, воздействию каких полей, сильных или слабых, его ни подвергай, он упорно стремится деградировать — и чем интенсивнее вычисления, в которых ему приходится принимать участие, тем скорее он к этой сомнительной цели придёт.

Ситуацию усугубляет тот не слишком приятный для исследователей факт, что обнаруживать старение полупроводников своевременно, по факту для каждого отдельного чипа (а не прогнозировать срок его приемлемого функционирования на основе накопленной статистики) весьма сложно, поскольку на программном уровне огромное количество ошибок сглаживается алгоритмами коррекции. Вытащить микросхему из работающего сервера, чтобы просветить её рентгеном и выяснить, какая доля из десятков миллиардов составляющих её транзисторов безнадёжно деградировала, — задача откровенно нереалистичная. Алгоритмы же коррекции, работающие буквально на всех уровнях, начиная с внутреннего стека процессорных команд, позволяют с успехом купировать и ранние, и даже несколько более поздние проявления старения — пока число порождаемых деградирующей системой ошибок не окажется слишком велико.

Простая зависимость «чем полупроводник горячее, тем интенсивнее он стареет» позволяет дизайнерам чипов проектировать новые микросхемы так, чтобы на наиболее подверженных деградации со временем участках размещать побольше резервных контуров (источник: Ansys)

Статистический характер старения полупроводников даёт возможность бороться с ним прекрасно знакомым инженерам способом — наращиванием избыточности. Уже на этапе проектирования в системах автоматизации электронного дизайна (electronic design automation, EDA) закладывается определённый запас прочности, а именно — изначально избыточные транзисторы, которые пригодятся в своё время, в ходе активно идущего процесса деградации. Ситуация с модными сегодня многослойными микросхемами усложняется из-за дополнительных проблем с отводом тепла из срединных слоёв, но, очевидно, избыточность по дизайну и в этом случае станет приемлемым решением. Пусть и не особенно изящным с инженерной точки зрения, но вполне действенным.

В связи с проблемами старения — которые, напомним, начали проявлять себя по-настоящему обременительным для микроэлектронщиков образом лишь в пределах 100-нм производственных норм, — совершенно по-иному видится недавний бравурный пресс-релиз о создании первого российского фотолитографа, рассчитанного на изготовление микросхем по 350-нм технологии: у многих экспертов и энтузиастов ИТ-отрасли он вызвал снисходительную усмешку, — а зря. Дело не только в том, что машин подобного класса в стране не выпускали десятилетиями, — соответственно, потребовалось позаботиться о подготовке необходимых кадров, и о налаживании сложных промышленных коопераций, и о формировании рынка сбыта (потому что поставщиков 350-нм микросхем в мире, как мы уже поясняли, и без того предостаточно). Самое главное — с точки зрения прицела на более миниатюрные технологические нормы, — что откровенно зрелый по нынешним меркам техпроцесс позволит хорошенько отладить сам общий подход к полупроводниковой фотолитографии, не отвлекаясь на огромный ворох сопутствующих проблем, которые начинают выступать на передний план по мере сокращения производственных норм.

Иными словами, в долгосрочной перспективе гораздо разумнее не покупать/лицензировать готовую чужую, скажем, «20-нм» технологию, не имея, по сути, никакого опыта взаимодействия с ней, а почти с нуля, отталкиваясь ещё от советских наработок, освоить свою 350-нм, потом перейти к более мелкомасштабной, решая по пути вновь появляющиеся проблемы уже после того, как разобрались с прежними на предыдущем этапе, и так далее. Зеленоградский нанотехнологический центр (ЗНТЦ), разработавший 350-нм машину в сотрудничестве с белорусской компанией «Планар», намеревается, кстати, уже в 2026-м запустить в работу 130-нм фотолитограф, — мировые первопроходцы, напомним, тот же путь прошли за пять лет, с 1996-го по 2001-й. Правда, для достижения намеченной правительством РФ цели — освоить «28-нм» техпроцесс к 2027 году — придётся ускориться: та же TSMC 130-нм микросхемы начала выпускать в 2001-м, а до рубежа «28 нм» добралась лишь к 2011-му. И с тем, как противодействовать неизбежному старению полупроводников, российским микроэлектронщикам тоже придётся разбираться в ускоренном темпе, иначе выпускаемые на отечественных литографах чипы по фактическому сроку службы не смогут сравниться даже с 15-летней давности раритетами.