Что такое нанометр в физике

Нанометр

Наноме́тр (нм, nm) — единица измерения длины в метрической системе, равная одной миллиардной части метра (т. е. 10 −9 метра). Устаревшее название — миллимикрон (10 −3 микрона; обозначения: ммк, mμ)

Это одна из наиболее часто используемых единиц измерения малых длин, равная 10 ангстремам — общепризнанной единице измерения, не входящей в систему СИ. Она часто ассоциируется с областью нанотехнологий и с длиной волны видимого света.

Один нанометр приблизительно равен условной конструкции из десяти атомов водорода выстроенных в линию, если за диаметр атома водорода принять два боровских радиуса.

Для человека длина волны видимого света составляет 380—760 нм (соответственно изменение спектра от фиолетового до красного цвета).

Расстояние между атомами углерода в алмазе равно 0,154 нм.

Данные на компакт-дисках записываются в виде углублений (по-английски такое углубление называются pit), имеющих размеры: 100 нм глубины и 500 нм ширины.

См. также

Примечания

Полезное

Смотреть что такое «Нанометр» в других словарях:

нанометр — нанометр … Орфографический словарь-справочник

нанометр — • нанометр (нм) единица длины, равная 10–9 м, 10–3 мкм, или 10 ангстремам (А). (Источник: «Микробиология: словарь терминов», Фирсов Н.Н., М: Дрофа, 2006 г.) Нанометр (нм) ед. измерения длины, равная 10″9м. (Источник: «Словарь терминов… … Словарь микробиологии

НАНОМЕТР — (обозначение нм), единица длины, равная 10 9 м. Применяется для измерения межмолекулярных расстояний и длин волн. Заменил АНГСТРЕМ единицу, ранее употреблявшуюся для подобных измерений … Научно-технический энциклопедический словарь

нанометр — сущ., кол во синонимов: 2 • единица (830) • миллимикрон (2) Словарь синонимов ASIS. В.Н. Тришин. 2013 … Словарь синонимов

нанометр — а, м. nanomètre m. Одна миллиардная метра. В Гарвардском университете (США) созданы самые тонкие проволоки их диаметр менее десяти нанометров (тысячных долей микрона). Такая проволока состоит из всего 20 рядов атомов. НИЖ 1999 9 17. Километры,… … Исторический словарь галлицизмов русского языка

нанометр — миллимикрон (10 9 метра) [http://www.dunwoodypress.com/148/PDF/Biotech Eng Rus.pdf] Тематики биотехнологии Синонимы миллимикрон EN nanometer … Справочник технического переводчика

Нанометр нм — Нанометр, нм * нанаметр, нм * nanometer or nm единица длины, равная 10 Е, или 10 9 м … Генетика. Энциклопедический словарь

нанометр — nanometras statusas T sritis Standartizacija ir metrologija apibrėžtis Dalinis ilgio matavimo vienetas, 10⁹ karto mažesnis už metrą: 1 nm = 10⁻⁹ m. atitikmenys: angl. nanometer; nanometre vok. Nanometer, n rus. нанометр, m pranc. nanomètre, m … Penkiakalbis aiškinamasis metrologijos terminų žodynas

Источник

Просто о сложном: нанометр — это вообще сколько?

Теории и практики

Наука о мерах и весах, метрология — вчерашний день. Сегодня принято измерять то, что никто не видит, то есть объекты наноразмеров. Этим занимается нанометрология. Степан Лисовский, аспирант МФТИ, сотрудник кафедры нанометрологии и наноматериалов, рассказывает об основных принципах нанометрологии и функциях различных микроскопов и объясняет, почему размер частицы зависит от способа его измерения.

Эталонное мышление

Степан Лисовский

Для начала — о простой метрологии. Как дисциплина она могла бы возникнуть еще в древности, тогда о мере рассуждали многие — от Пифагора до Аристотеля, — но не возникла. Стать частью научной картины мира того времени метрологии не удалось из-за того же Аристотеля. Он на долгие века вперед утвердил приоритет качественного описания явлений над количественным. Все изменилось только во времена Ньютона. Смысл явлений «по Аристотелю» перестал удовлетворять ученых, и акцент сместился — с семантической части описания на синтаксическую. Проще говоря, решено было смотреть на меру и степень взаимодействий вещей, а не пытаться постигнуть саму их суть. И это оказалось куда плодотворнее. Тогда же и наступил звездный час метрологии.

Самая главная задача метрологии — обеспечить единство измерений. Основная цель — отвязать результат измерений от всех частностей: времени, места измерения, от того, кто измеряет и как он сегодня решит это сделать. В результате должно остаться только то, что всегда и везде, независимо ни от чего будет принадлежать вещи — ее объективная мера, принадлежащая ей в силу единой для всех реальности. Как подобраться к вещи? Через ее взаимодействие с измерительным прибором. Для этого должен быть унифицированный метод измерения, а также эталон, единый для всех.

Итак, мы научились измерять — осталось только, чтобы все остальные люди в мире измеряли так же, как мы. Для этого нужно, чтобы все они использовали тот же метод и пользовались такими же эталонами. Практическую пользу от введения единой для всех системы мер люди осознали быстро и согласились начать договариваться. Появилась метрическая система измерений, которая распространилась постепенно почти на весь мир. В России, кстати, заслуга введения метрологического обеспечения принадлежит Дмитрию Менделееву.

Результат измерения, помимо собственно значения величины, — это еще и подход, выраженный в единицах измерения. Так, измеренный метр никогда не станет ньютоном, а ом — тесла. То есть разные величины подразумевают разную природу измерения, но, разумеется, так происходит не всегда. Метр провода оказывается метром и с точки зрения его пространственных характеристик, и с точки зрения проводимости, и с точки зрения массы вещества в нем. Одна величина оказывается замешана в разных явлениях, и это существенно облегчает работу метролога. В известной мере эквивалентными оказались даже энергия и масса, поэтому массу сверхмассивных частиц измеряют в энергии, необходимой на ее создание.

Кроме значения величины и единицы ее измерения, есть еще несколько важных факторов, которые необходимо знать про каждое измерение. Все они содержатся в конкретной методике измерения, выбранной для нужного нам случая. В ней задается все: и стандартные образцы, и класс точности приборов, и даже квалификация исследователей. Умея все это обеспечить, на основе методики мы можем проводить корректные измерения. В конечном счете применение методики дает нам гарантированные размеры погрешности измерения, и весь результат измерения сводится к двум числам: величине и ее погрешности, с которыми обычно и работают ученые.

Измерить невидимое

Нанометрология работает почти по тем же законам. Но тут есть пара нюансов, которые нельзя не учитывать. Чтобы их понять, нужно разобраться в процессах наномира и понять, в чем, собственно, их особенность. Иначе говоря, что такого особенного в нанотехнологиях.

Начать, конечно, надо с размеров: один нанометр в метре — это примерно как один китаец в населении Китая. Такого масштаба размеры (меньше 100 нм) делают возможной целую серию новых эффектов. Здесь и эффекты квантовой физики, включая туннелирование, и взаимодействие с молекулярными системами, и биологическая активность и совместимость, и сверхразвитая поверхность, объем которой (точнее, приповерхностного слоя) сопоставим с суммарным объемом самого нанообъекта. Такие свойства — кладезь возможностей для нанотехнолога и в то же самое время — проклятие нанометролога. Почему?

Дело в том, что из-за наличия особых эффектов нанообъекты требуют к себе совершенно новых подходов. Их нельзя разглядеть оптически в классическом понимании из-за фундаментального ограничения на разрешение, которого можно добиться. Потому что оно строго привязано к длине волны видимого излучения (можно использовать интерференцию и прочее, но все это уже экзотика). Основных решений для этой проблемы придумано несколько.

Началось все с автоэлектронного проектора (1936 год), который позднее был модифицирован в автоионный (1951 год). Принцип его работы основан на прямолинейном движении электронов и ионов под действием электростатической силы, направленной от наноразмерного катода до уже нужных нам макроскопических размеров. Картина, которую мы наблюдаем на экране, образована на катоде или около него в силу тех или иных физико-химических процессов. Прежде всего это вытягивание автоэлектронов с атомарной структуры катода и поляризация атомов «изображающего» газа вблизи иглы катода. Образовавшись, картина в виде некоторого распределения ионов или электронов проецируется на экран, где проявляется силами флюоресценции. Таким элегантным способом можно посмотреть на наноструктуру острий, сделанных из некоторых металлов и полупроводников, но элегантность решения здесь завязана на слишком жестких ограничениях того, что мы можем посмотреть, поэтому такие проекторы не стали особо популярными.

Другим решением стало в буквальном смысле ощупывание поверхности, впервые реализованное в 1981 году в виде сканирующего зондового микроскопа, что в 1986 году было удостоено Нобелевской премии. Как можно догадаться по названию, исследуемая поверхность сканируется зондом, который представляет собой заостренную иглу.

Между иглой и структурой поверхности возникает взаимодействие, которое можно с высокой точностью определить хоть по силе, действующей на зонд, хоть по возникающему отклонению зонда, хоть по изменению частоты (фазы, амплитуды) колебаний зонда. Исходное взаимодействие, которое определяет возможность исследовать практически любой объект, то есть универсальность метода, основано на силе отталкивания, возникающей при контакте, и на дальнодействующих ван-дер-ваальсовых силах. Можно использовать и другие силы, и даже возникающий туннельный ток, картрируя поверхность не только с точки зрения пространственного расположения на поверхности нанообъектов, но и других их свойств. Важно, чтобы зонд сам был наноразмерным, иначе не зонд будет сканировать поверхность, а поверхность — зонд (в силу третьего закона Ньютона взаимодействие определяется обоими объектами и в некотором смысле симметрично). Но в целом этот метод оказался одновременно и универсальным, и обладающим широчайшим набором возможностей, так что стал одним из главных в изучении наноструктур. Его главный недостаток — он исключительно времязатратный, особенно в сравнении с электронными микроскопами.

Электронные микроскопы, кстати, также являются зондовыми, только зондом в них выступает сфокусированный пучок электронов. Использование системы линз делает его концептуально схожим с оптическим, хотя не без серьезных отличий. Первое и главное: электрон обладает меньшей длиной волны, нежели фотон, благодаря своей массивности. Разумеется, длины волн здесь не принадлежат собственно частицам электрону и фотону, а характеризуют поведение соответствующих им волн. Другое важное отличие: взаимодействие тел с фотонами и с электронами довольно сильно разнится, хотя и не лишено общих черт. В случаях информация, полученная от взаимодействия с электронами, даже содержательнее, нежели от взаимодействия со светом, — впрочем, нередка и обратная ситуация.

И последнее, на что следует обратить внимание, — это различие оптических систем: если для света линзами традиционно выступают вещественные тела, то для пучков электронов — это электромагнитные поля, что дает большую свободу манипулировать электронами. В этом и кроется «секрет» растровых электронных микроскопов, изображение на которых хоть и выглядит так, словно получено в обычный световой микроскоп, но сделано таким лишь для удобства оператора, а получается из компьютерного анализа характеристик взаимодействия электронного пучка с отдельным растром (пикселем) на образцах, которые последовательно сканируются. Взаимодействие электронов с телом позволяет картрировать поверхность с точки зрения рельефа, химического состава и даже люминесцентных свойств. Через тонкие образцы электронные пучки способны проходить насквозь, что позволяет видеть внутреннюю структуру таких объектов — вплоть до атомных слоев.

Но и это еще не все. Например, наночастице, движущейся в воздухе, можно передать заряд, после чего включить электростатическое поле и, смотря, как будет отклоняться частица, вычислить ее аэродинамический размер (от размера частицы зависит ее сила трения о воздух). Схожим, кстати, образом определяется размер наночастиц в уже упомянутом методе динамического светорассеяния, только анализируется скорость в броуновском движении, причем еще и косвенно, по флуктуациям рассеяния света. Получается гидродинамический диаметр частицы. И таких «ухищренных» методов не один.

У такого изобилия методов, измеряющих вроде бы одно и то же — размер, есть одна интересная деталь. Значение размера одного и того же нанообъекта часто различается, бывает даже, что в разы.

Какой размер правильный?

Здесь самое время вспомнить обыкновенную метрологию: результаты измерения, помимо собственно измеренной величины, задаются еще точностью измерений и методом, которым измерение проведено. Соответственно, различие в результатах может объясняться как разной точностью, так и разной природой измеряемых величин. Тезис о разной природе различающихся размеров одной и той же наночастицы может показаться диким, но так и есть. Размер наночастицы с точки зрения ее поведения в водной дисперсии не то же самое, что ее размер с точки зрения адсорбции газов на ее поверхности и не то же самое, что ее размер с точки зрения взаимодействия с электронным пучком в микроскопе. Не говоря уже о том, что для статистических методов и об определенном размере нельзя говорить, а можно лишь о величине, размер характеризующей. Но несмотря на это различия (или даже благодаря им) все эти результаты можно считать одинаково истинными, просто говорящими немножко о разном, смотрящими с разных сторон. Сравнивать же эти результаты можно лишь с точки зрения адекватности опоры на них в тех или иных ситуациях: для прогнозирования поведения наночастицы в жидкости адекватнее использовать значение гидродинамического диаметра и так далее.

Все сказанное верно и для обычной метрологии, и даже для любой фиксации фактов, но это часто упускается из виду. Можно сказать, что нет фактов более истинных и менее истинных, более соответствующих реальности и менее (исключая разве что подлог), а есть лишь факты более и факты менее адекватные для использования в той или иной ситуации, а также использующие в своей основе более и менее корректную для этого интерпретацию. Философы это со времен позитивизма хорошо усвоили: любой факт теоретически нагружен.

Источник

Нанометры в метр

1 нанометр = 0.000000001 метра

Нанометр (от лат. nanos — карлик и др.-греч. μέτρον —мера, измеритель; русское обозначение: нм; международное: nm) — дольная единица измерения длины в Международной системе единиц (СИ), равная одной миллиардной части метра (то есть 10 −9 метра). Устаревшее название — миллимикрон (10 −3 микрона; обозначения: ммк, mµ или (реже) µµ). Нанометр часто ассоциируется с областью нанотехнологий и с длиной волны видимого света. Это одна из наиболее часто используемых единиц измерения малых длин. Нанометр также наиболее часто используется в описании технологий полупроводникового производства.

Нанометр равен 10 ангстремам (ангстрем — устаревшая единица измерения, не входящая в систему СИ). Один нанометр приблизительно равен условной конструкции из десяти молекул водорода выстроенных в линию, если за молекулу водорода принять два боровских радиуса.

Длины волн видимого света, воспринимаемого человеком, лежат в диапазоне 380—760 нм (соответственно цвет такого излучения изменяется в диапазоне от фиолетового до красного).
Расстояние между атомами углерода в алмазе равно 0,154 нм.
Данные на компакт-дисках записываются в виде углублений (по-английски такое углубление называется pit), имеющих размеры: 100 нм глубины и 500 нм ширины.
Современные передовые технологии производства микросхем оперируют с элементами размером 14—22 нм, переходят на элементы 10 нм и планируют уменьшить их в будущем до 5 нм.

Источник

Нанометр: эквиваленты, использование и примеры, упражнения

Содержание:

В качестве примеров: молекула сахара имеет ширину 1 нм, а диаметр вируса SARS CoV 19 составляет 100-160 нм.

Слово нанометр происходит от комбинации двух греческих слов: «нанос», что означает карлик, и «метрон», или эталон. Префикс нано стал очень популярным в последнее время благодаря росту миниатюризации и технологий, связанных с чрезвычайно маленькими объектами, такими как электронные компоненты.

Эти очень маленькие технологии позволили за короткое время, среди прочего, создать электронные устройства с большими вычислительными возможностями в портативном размере. Кроме того, это снизило затраты, сделав их доступными для гораздо большего числа людей.

Медицинская наука также выиграла от этой миниатюризации. Вот почему было необходимо создать соответствующие единицы измерения для выражения очень малых размеров, в том числе нанометра.

Эквивалентности

Ниже приведены эквиваленты нанометра и других единиц измерения, часто используемых в науке и технике, и дают хорошее представление о том, насколько мала эта единица измерения:

Нанометр в метр

Точно так же 1 метр имеет 1 000 000 000 нм, то есть один миллиард нанометров.

Нанометр в см

В одном сантиметре не менее 10 миллионов нанометров.

Нанометр в миллиметр

В миллиметрах единица измерения, которая часто используется для обозначения таких мелких вещей, как калибр медных проводов, например, нанометр, это:

Нанометр в микрон

Чтобы получить представление об этих размерах: клетка крови имеет приблизительный диаметр 10 микрон, что в соответствии с данной эквивалентностью будет составлять 10 000 нм. А бактерия еще в 10 раз меньше, ее размер может составлять 1 микрон или 1000 нм.

Нанометр в пикометр

Пикометры подходят для измерения очень малых длин волн, таких как, например, рентгеновские лучи, порядка 5 мкм.

Применение нанометров

Нанометр является подходящей единицей измерения размеров в нанонауке: так называемая наноразмер или в наноскопическом масштабе, а также для длин волн области электромагнитного спектра, которая идет от ближнего инфракрасного через видимый спектр к гамма-лучам.

Наномасштаб

В нанонауке, которая заключается в изучении и разработке наноструктур, диапазоны составляют от 1 до 100 нанометров, поэтому нанометр является подходящей единицей для размеров, которые там обрабатываются.

В этом масштабе гравитация не является существенной силой, поскольку массы очень малы, но их место занимают другие взаимодействия, и необходимо начать учитывать квантовые эффекты.

Таким образом, свойства материалов на наноскопических уровнях заметно отличаются от свойств материалов на макроскопических уровнях.

Компьютерные чипы

Компьютерные микросхемы со временем уменьшаются в размерах. К концу 1980-х они могли быть около 2000 нанометров (0,0002 см). В 2009 году они были 22 нанометра, а сегодня их размер уменьшен до 10 нанометров. Ожидается, что они продолжат снижаться, по крайней мере, до половины последнего значения.

Длина волны видимого спектра

Электромагнитный спектр состоит из континуума длин волн и частот, в которых распространяются электромагнитные волны. Они варьируются от радиоволн, наименее энергичных, до рентгеновских и гамма-лучей, наивысших энергий.

Посередине находится диапазон видимого света: набор длин волн, к которым чувствителен человеческий глаз.

Поляризационные листы

Используемый материал состоит из длинных цепочек молекул углеводородов, покрытых йодом и расположенных в параллельные ряды, расстояние между которыми меньше длины волны фильтруемого света.

Следовательно, расстояние должно составлять около нескольких сотен нанометров.

Электроны проводимости в молекулах подвижны по всей цепочке, которая, таким образом, ведет себя как очень тонкая проводящая проволока.

Таким образом, когда неполяризованный свет падает на лист (который содержит как вертикально, так и горизонтально поляризованные компоненты), эти электроны начинают колебаться горизонтально вдоль цепочки.

В результате получается линейно поляризованная волна с разностью фаз 180º по отношению к горизонтальной составляющей неполяризованного света, которые нейтрализуют друг друга. Таким образом, поляризационный лист поглощает упомянутый горизонтальный компонент, пропуская только вертикальный компонент.

Дифракция света

Для возникновения дифракции света размер решеток должен быть порядка нанометров, поскольку дифракция возникает только в том случае, если размер препятствия меньше длины падающей волны.

Упражнения

Преобразуйте следующие измерения в нанометры:

Решение для

0,000056 см = 0,000056 см x 1 x 10 7 нм / см = 560 нм

Решение б

4 микрона = 4 микрона x 1000 нм / мкм = 4000 нм

Решение c

200 пм = 200 пм x 0,001 нм / пм = 0,2 нм

Решение d

40,3 мм = 40,3 мм x 1 x 10 6 нм / мм = 40,3 x 10 6 нм

Решение e

0,0027 дм = 0,0027 дм x 1 x 10 8 нм / дм = 270 000 нм

Источник

Как считают нанометры, как их на самом деле надо считать, и почему не все с этим согласны

Субъективное восприятие знания в голове можно разделить на несколько групп: мало что знаю и признаю́ это; что-то знаю и смогу объяснить простые вещи; много знаю и растолкую почти всё. Опасней всего оказаться во второй категории, когда кажется, что накопленной информации достаточно, чтобы комментировать новости и давать советы. Тема этой статьи — как раз из такого ряда знаний: вроде очевидно, а копнешь — всё сложно.

Есть в микроэлектронике такое понятие, как технорма (technology node; иногда пишут «critical dimension» — критический размер, но сейчас это разные понятия), ныне измеряемая теми самыми любимыми маркетологами нанометрами. Задача дать определение этому важнейшему термину не столь проста, как кажется. Когда-то под технормой понимался самый малый по длине или ширине элемент, формируемый данным технологическим процессом на фабрике (фабе, как говорят сами чиподелы). То есть для массового изготовления микросхем производственное и измерительное (метрологическое) оборудование настраивается на такой набор установок, который позволяет формировать на кристалле структуры с желаемыми параметрами и размерами — причем первое сильно зависит от второго.

Помимо технормы также важны: число слоев межсоединений (тонкие металлические и поликремниевые дорожки-проводки, соединяющие выводы транзисторов), диаметр кремниевой пластины (на ней формируется рисунок для сотен или тысяч будущих кристаллов, которые после ее распила вставят в отдельные корпуса), различные оптимизации под скорость и/или энергоэффективность и пр. С точки зрения верящего в прогресс оптимиста, главное во всем этом то, что на передовых фабах переход на новый техпроцесс происходит примерно каждые два года и является причиной выполнения «закона Мура» (хотя по факту это никакой не закон, а эмпирическая закономерность, самосбывающаяся лишь потому, что производители все еще готовы вкладывать в это деньги). Правда, рядом тут же появляется пессимист и язвительно замечает, что у слов «новый техпроцесс» может оказаться крайне неприятное для оптимиста толкование…

Самые главные (и дорогие) станки для производства микросхем — фотолитографы: именно они формируют рисунок из засветов на светочувствительном слое фоторезиста, который при травлении «чертит» очередной слой чипа. Когда технорма стала меньше длины волны света, используемого в их лазерах (а это произошло в конце 1990-х годов — вскоре после внедрения техпроцесса 250 нм), появилось два отдельных определения: для так называемых регулярных чипов (память, программируемые матрицы, фотодатчики — в том числе со встроенными логическими блоками) и для нерегулярных (сложная логика, часто содержащая кэши, буферы и все похожее на них). Тут речь идет о повторяющихся структурах на кристалле: например, ячеек любого вида памяти на современной большой микросхеме — миллиарды, но разных их видов — всего несколько. Так вот: для регулярных чипов того времени технорма — минимальный полушаг линейно-регулярной структуры (то есть одномерного ряда чего-то), а для нерегулярных — минимальная ширина дорожки нижнего уровня металла с контактами (что примерно вдвое длиннее затвора транзистора).

До субмикронных технорм (когда их и измеряли микронами, а не нанометрами) действовало простое лямбда-правило (этой греческой буквой обозначается длина волны света): если не считать разные оптические тонкости, влияющие на так называемую числовую апертуру, то при уменьшении длины волны вдвое можно формировать вдвое меньшего размера и сами структуры, главная из которых — длина затвора транзистора. Это дает вдвое бо́льшие достижимые частоты, вдвое меньшее напряжение питания и ввосьмеро (!) меньшее потребление на одно переключение транзистора между открытым и закрытым состояниями. Ясно, что такие идеалы вообще ни в какой микросхеме ни разу не соблюдались, но лучшие образцы вполне приближались к ним. (Тут автор позволит себе освободить читателя от созерцания лишних формул и таблиц.)

В 1990-е годы, после перехода на технормы менее микрона, стало применяться альфа-правило: теперь размеры отдельных элементов домножались на определенный коэффициент, который для очередного техпроцесса оказывался не обязательно линейно соответствующим разнице в технорме. Если точнее, каждый следующий шаг процесса выбирается примерно на 30% меньше предыдущего — вот откуда получается всем известный «нанометровый» ряд: 350, 250, 180, 130, 90, 65, 45, 32, 22… Можно наивно предположить, что основные параметры транзистора (частота, потребление и размеры) должны ровно так же уменьшаться на тот же коэффициент (в нужной степени). В реальности же длина затвора сначала падала быстрее уменьшения размера технормы, а затем медленнее. Прочие величины также уменьшаются слабее, а в 2010-х годах у отдельных фирм стали появляться чудеса и покруче, когда размеры отдельных частей вообще не меняются в новом процессе.

Момент демонстрации	Компания(-и)	Площадь, кв. мк
2004	TSMC	0,296
январь 2006	Intel	0,346
февраль 2006	Toshiba, Sony, NEC	0,248
апрель 2006	AMD	0,370
апрель 2006	STM, Freescle, NXP	0,250¹
июнь 2006	Texas Instruments	0,240²
ноябрь 2006	UMC	Краткий ответ: никак. К 45-нанометровому процессу Intel достигла длины затвора в 25 нм для традиционных планарных транзисторов (с плоским затвором), на чем и остановилась: дальнейшее уменьшение этого параметра уже ухудшило бы параметры транзистора. Поэтому начиная с техпроцесса 32 нм уменьшались остальные элементы, а вот длина затвора даже немного увеличилась — пока ее не стали считать иначе. После внедрения транзисторов с «плавниковым затвором» (FinFET) в 22-нанометровом процессе получилось так, что транзисторная плотность все еще могла увеличиваться, пока длина затвора (20–26 нм) и некоторые другие размеры оставались почти неизменными. Из-за свойств многозатворных транзисторов приходилось считать так называемую эффективную длину затвора-плавника: две высоты плюс одна ширина (то есть расстояние от истока до стока). Очевидно, что с такой существенно измененной геометрией бесполезно применять старую схему привязки технормы к «длине затвора». Дело дошло до того, что на очередном форуме IEDM (International Electron Devices Meeting — международная встреча инженеров электроники) технорму «45 нм» (и все последующие) постановили считать маркетинговым понятием — то есть не более чем цифрой для рекламы. Фактически, сегодня сравнивать техпроцессы по нанометрам стало не более разумно, чем 20 лет назад (после выхода Pentium 4) продолжать сравнивать производительность процессоров (пусть даже и одной программной архитектуры x86) по гигагерцам. Разница в техпроцессах при одинаковых технормах активно влияет и на цену чипов. Например, AMD использовала разработанный совместно с IBM 65-нанометровый процесс с SOI-пластинами (технология кремния-на-изоляторе нужна для уменьшения паразитных утечек тока, что снижает потребление энергии логики и памяти даже в простое), двойными подзатворными оксидами (во избежание туннелирования электронов из затвора в канал), имплантированным в кремний германием (улучшает подвижность электронов, расширяя межатомное расстояние в полупроводнике), двумя видами напряженных слоев (сжимающим и растягивающим — аналогичная оптимизация, имитирующая меньшую длину канала) и 10 слоями меди для межсоединений. А вот у Intel 65-нанометровый техпроцесс включал относительно дешевую пластину из цельного кремния (bulk silicon), диэлектрик одинарной толщины, имплантированный в кремний германий, один растягивающий слой и 8 слоев меди. По примерным подсчетам, Intel потребует для своего процесса 31 фотолитографическую маску (и соответствующее число производственных шагов на конвейере), а AMD — 42. В результате из-за значительной разницы в технологиях напряженного кремния и типа подложки (SOI-пластины стоили на тот момент примерно в 3,6 раза дороже простых) конечная цена 300-миллиметровой пластины для AMD была ≈$4300, что на 70% выше цены для Intel — ≈$2500. Кстати, процессоры Intel, как правило, оказываются еще и с меньшими площадями кристаллов, чем аналогичные по числу ядер и размеру кэшей процессоры AMD (по крайней мере, до первого внедрения архитектуры Zen). Теперь ясно, почему Intel стабильно показывала завидную прибыль, а AMD в начале 2010-х едва держалась на ногах, даже избавившись от своих фабрик и перейдя на бесфабричное производство (модель fabless). По докладам на IEDM можно составить сводную таблицу с параметрами техпроцессов ведущих компаний, актуальных на момент «перелома мышления» — около 2010 г. Из нее видно, что все техпроцессы с «мелкой» технормой (process node) перешли на двойное формирование (DP, double patterning — позволяет изготовить структуры вдвое меньше предельного размера за счет удвоенного числа экспозиций и масок для них) и иммерсионную литографию (использование оптически плотной жидкости вместо воздуха в рабочей зоне литографа), а напряжение питания (Vdd) давно остановилось на 1 вольте (потребление транзистором энергии и без этого продолжает падать, но не так быстро). Куда интересней сравнить длину затвора (LGate), шаг затвора с контактом (Contacted Gate Pitch) и площадь ячейки СОЗУ (SRAM Cell Size). Тут надо указать, что кэши изготовленных с той же технормой микросхем той же фирмы имеют в случае кэшей L2 и L3 площадь ячейки на 5%–15% больше указанной, а для L1 — на 50%–70% больше. Дело в том, что сообщаемые на IEDM цифры площади тоже являются несколько рекламными. Они верны лишь для одиночного массива ячеек и не учитывают усилители, коммутаторы битовых линий, буферы ввода-вывода, декодеры адреса и размены плотности на скорость (для L1). Для простоты возьмем только «скоростные» (High Performance) процессы Intel. Для 130 нм длина затвора составляла 46% технормы (при идеале 50%), а через несколько лет — 94%. Тем не менее, шаг затвора уменьшился в те же 4 раза, что и технорма. Однако если разделить площадь ячейки СОЗУ на квадрат технормы, то старым ячейкам нужно ≈120 таких квадратиков, а новым — уже ≈170. У AMD с ее SOI-пластинами — примерно так же. На техпроцессе 65 нм фактический минимальный размер затвора может быть снижен до 25 нм, но шаг между затворами может превышать 130 нм, а минимальный шаг металлической дорожки — 180 нм. Вот тут и видно, что начиная примерно с 2002 г. размеры транзисторов уменьшаются медленней технорм. Выражаясь простым языком, нанометры уже не те… Особенно интересно в этом плане рассмотреть хорошо уже исследованный техпроцесс Intel «22 нм», представленный в 2012 г. Вооружившись цифрами, можно проверить обещанное компанией. По предварительным цифрам выглядит неплохо: площадь ячейки — 0,092 квадратного микрона для «быстрой» и 0,108 мк² для энергоэффективной версии процесса (это данные 2009 г. для тестовой микросхемы СОЗУ на 22 нм). Для быстрой версии это эквивалентно 190 элементарным квадратам — еще чуть хуже, чем для прошлых технорм. Но Intel продолжает использовать 193-нанометровую иммерсионную литографию и для 14 нм — со все еще двойным формированием. А для 10 нм (которые Intel уже шесть лет пытается довести до ума) — экспозиций и масок уже от трех до пяти (не считая скругления вставок). При этом для процесса на 10 нм стоимость стадий литографии на единицу площади оказывается примерно в 6 раз больше, чем для 32 нм, а вот площадь меньше в 10 раз (то есть (32/10)² — как при идеальном уменьшении) не стала до сих пор; это, кстати, является причиной того, почему у Intel уже который год вместо обещанных честных 10 нм растет только число плюсов у обозначения технормы «14 нм», которая в очередной раз «улучшается». Тут уже даже неважно, почему Intel и ее коллеги из других компаний решили, что следующие два процесса будут иметь технормы 14 и 10 нм, а не 16 и 11, как можно было ожидать (если каждая следующая — в √2 раз меньше). Ведь цифры теперь мало что значат… Как сказал Паоло Гарджини (Paolo Gargini — ветеран Intel и пожизненный член IEEE): число нанометров промышленной технормы «к этому времени уже не имеет совершенно никакого значения, так как не обозначает размер чего-либо, что можно найти на кристалле и что относится к вашей работе». Скажем, в новейших техпроцессах «7 нм» Samsung и TSMC на кристалле нет ничего, что было бы настолько малым. Например, длина затворов там — 15 нм. Другая проблема, возникающая в этой связи — стоимость каждого транзистора. Все предыдущие 60 лет развития микроэлектроники основывались на уверенности в том, что даже несмотря на постоянное увеличение цены заводов и разработки техпроцессов и чипов цена самих чипов в пересчете на транзистор будет все время уменьшаться. Так и происходило — примерно до 32 нм, после которых наступил раскол: микросхемы памяти продолжили дешеветь на единицу объема (особенно это коснулось флэш-памяти, которая массово перешла на объемное хранение данных на десятках уровней — технология 3D-NAND), а вот логика сильно затормозилась. Да, последние версии техпроцессов 14 нм предлагают транзисторы все же чуть дешевле, чем у 22 нм — но именно что «чуть», и это после стольких лет возни. Да и производительность при том же потреблении энергии хоть и растет, но всё медленнее… Простейшим решением была бы перепривязка технормы к размеру не затвора, а чего-то другого, более представительного для современного транзистора. Одним числом тут не обойдешься, поэтому предложено использовать две меры длины: CPP, contacted (poly) gate pitch — шаг поликремниевого затвора с контактом (то есть между затворами соседних транзисторов); и MMP, metal-to-metal pitch — шаг первого уровня металлических дорожек, проходящих перпендикулярно поликремниевым линиям, нарезаемым на затворы. Причем теперь нет смысла делить оба шага на два, так как эта половина теперь менее важна. Эта пара значений на некоторое время стала «наименьшим общим знаменателем» в описании логического техпроцесса, а их произведение дает неплохую оценку возможной площади транзистора. Любой фактический транзистор на кристалле будет немного (или много) больше, но никак не меньше этого минимума, и к этому идеалу вполне можно приблизиться при тщательном проектировании и следовании правилам техпроцесса. Ситуация второй половины 2010-х годов получилась весьма похожей на то, что переживали в кризис производители продуктов питания: чтобы не увеличивать цены на привычные товары, их просто стали недоливать и недосыпать. Нет-нет, в каждом килобайте кэша все еще ровно 1024 байта, а не 970 (как написано число миллилитров на некоторых «литровых» бутылках молока). Но чиподелы просто окончательно отвязали свои рекламируемые нанометры от физических размеров чего-либо в изготавливаемых микросхемах. TSMC, например, выдала техпроцесс «16FF» с такими же шагами, как у предыдущего на 20 нм. А Intel пошла еще дальше и вспомнила принцип «не можешь отменить — возглавь»: в 2017 г. в ходе ежегодного мероприятия «Производственный день» (Manufacturing Day) старший заслуженный исследователь и директор по архитектурам техпроцессов и интеграции Intel Марк Бор (Mark Bohr) предложил коллегам по отрасли «внести ясность» в определение технологической нормы, изменив его так, чтобы растолковать потребителям, что именно в покупаемых ими микросхемах все-таки улучшается. Компания показала график, на котором видно, что переход на каждый следующий шаг приводил к удвоению степени интеграции (удельной плотности компоновки, измеряемой в МТр/мм² — миллионах транзисторов на квадратный миллиметр): на той же площади кристалла помещалось примерно вдвое больше элементов. Однако после техпроцесса 22 нм «другие компании» (по мнению Intel) отказались от этого, продолжив уменьшать число нанометров у технормы, но при минимальном, а то и совсем отсутствующем повышении плотности. По мнению Бора, это связано с ростом сложности дальнейшего уменьшения размеров. (От себя можно добавить: …и цены́ получаемых чипов — с учетом платежеспособности потребителей и получаемого срока окупаемости вложений в новый техпроцесс.) В результате декларируемые значения не дают представления о реальных возможностях техпроцесса и его положении на графике, который должен демонстрировать сохранение применимости закона Мура. Вместо этого Intel предложила определять возможности техпроцесса по новой формуле, в которую входят площади типовых блоков — простейшего вентиля 2-NAND (двухвходовый логический элемент «и-не») и более сложного синхронного триггера — и число транзисторов в них; их отношения умножены на «правильные» коэффициенты, отражающие относительную распространенность простых (0,6) и сложных (0,4) элементов. Сразу можно заподозрить, что все цифры подобраны для еще более наглядной демонстрации лидерства Intel в сравнении с «другими производителями». Но чуть позже всё стало выглядеть так, будто компания движется вспять, очередной оптимизацией техпроцесса добиваясь худшей плотности: исходный 14-нанометровый процесс (вышедший аж в 2014 г.) имел 44,67 МТр/мм², а дважды обновленный «14++ нм» (образца 2017 г.) — 37,22 МТр/мм². На самом деле это размен с потреблением энергии, которое в «двухплюсовой» версии процесса уполовинилось (опять же — со слов Intel). Тем не менее, общая идея этого перехода (перепривязка технормы от размера «чего-то там» на кристалле — к оценке среднеожидаемой плотности транзисторов для типичной схемы) имеет не только рекламный смысл, но и практический: если каждый чиподел будет публиковать значение, полученное по новой формуле, для каждого своего техпроцесса, то можно будет сравнивать разные техпроцессы и у одного производителя, и у разных. Причем независимые компании, занимающиеся обратной инженерией (Reverse engineering), типа Chipworks, смогут легко проверять заявленные значения. Внимательный читатель тут же заметит, что у микроэлектронной отрасли уже есть один интегральный показатель, позволяющий оценить эффективность техпроцесса по плотности транзисторов без привязки к величине нанометров: вышеупомянутая площадь шеститранзисторной ячейки СОЗУ, также являющейся распространенным строительным блоком для микросхем. Число ячеек заметно влияет на общую степень интеграции в виде среднего числа транзисторов на единицу площади кристалла. Тут Intel пошла на компромисс, предложив не отказаться от площади СОЗУ, а сообщать ее отдельно — учитывая, что в разных микросхемах соотношение сумм площадей ячеек памяти и логических блоков сильно отличается. Впрочем, даже с этим учетом на практике пиковая плотность невозможна и по другой причине: плотности тепловыделения. Чипы просто перегреют себя наиболее горячими местами, расположенными слишком близко друг к другу при высокоплотном дизайне. Поэтому их разряжают чем-то менее горячим (например, емкой памятью) и/или малоплотным (как контроллеры периферийных шин). И это еще без учета аналоговых элементов, которые в такие формулы не вписываются в принципе… Уменьшение транзисторов типа FinFET позволило весьма эффективно уменьшать управляющий ток (подаваемый на затвор для переключения) ростом высоты плавников и уменьшением их шага. С какого-то момента много затворов для высоких частот уже оказываются не столь нужны, и их число тоже можно уменьшить — вместе с числом подходящих к ним дорожек, причем без просадки скорости. В результате недавно введенная метрика «CPP × MMP» «развалилась», поскольку не учитывает меньшую высоту логических ячеек. Еще более скоротечной компромиссной полумерой было домножение ее на минимальное число дорожек металла для построения логического вентиля: «CPP × MMP × Tracks», сокращенно GMT. Однако не все дальнейшие оптимизации могут быть отображены даже в новой версии формулы. Например, расположение контакта непосредственно над затвором (а не сбоку от него) снижает высоту ячейки, а использование одного бокового ложного затвора вместо двух для смежных вентилей уменьшает ее ширину. Ни то, ни другое в формуле не учитывается, что и было формальной причиной для перехода на подсчет мегатранзисторов логики на квадратный миллиметр. Самая свежая из нынешних технологий литографии — ЭУФ (экстремальный ультрафиолет). Она использует длину волны 13,5 нм, ниже которой пока коммерчески пригодной дороги нет. А это значит, что размеры чего-либо на кристалле скоро совсем перестанут уменьшаться. Чиподелам, производящим логику (особенно процессоры и контроллеры), придется подсмотреть у своих «пекущих» память коллег технологии монолитной объемной компоновки, располагающие транзисторы (а не только связывающие их дорожки) слоями. В результате удельная плотность транзисторов на единицу площади будет расти уже с числом их слоев. Потому новой идеей было переопределение буквы T в формуле с «Tracks» на «Tiers», на которую надо не умножать, а делить. Кстати, предложил это тот же Паоло Гарджини, ныне ставший главой IRDS (IEEE International Roadmap for Devices and Systems) — организации «международного плана для приборов и систем» и преемницы почившей в бозе ITRS, собрания которой стали бессмысленными вследствие кризиса общего целеполагания мировой полупроводниковой отрасли и ввиду предсказания остановки уменьшения размеров транзисторов уже в 2028 г. С момента предложения формулы Бора прошло три года, и без труда можно заметить (на примере Intel и AMD — двух крупнейших производителей процессоров, сообщающих о своих новинках хоть сколько-нибудь подробно), что компании не перестали расхваливать свои чипы с упоминанием пресловутых нанометров. Зато Intel и AMD за это время поменялись местами: Intel, кажется, уже отчаялась доделать свой техпроцесс 10 нм и раздумывает над переходом сразу на что-то еще меньшее (неважно, с какой цифрой); зато AMD рекламирует свои новые процессоры архитектуры Zen2 как носящие 7-нанометровые транзисторы, подчеркивая преимущество над конкурентом. Впрочем, мелкими буквами указано, что речь идет только о кристаллах CCD (Core Complex Die), где размещены 8 x86-ядер и мегабайты кэша, а изготовлены они на фабе TSMC и имеют площадь всего 74 мм². А вот контроллеры памяти и периферии расположены на отдельном чипе — 12-нанометровом «client I/O Die» (cIOD) или 14-нанометровом «server I/O Die» (sIOD); оба вида делаются на заводе GlobalFoundries и имеют бо́льшую площадь из-за более грубого техпроцесса, однако по той же причине они и дешевле. Свежайший пример нелинейного улучшения плотности — параметры процессоров (точнее — SoC, однокристальных систем) для игровых приставок Microsoft серии XBox. Все эти чипы проектировались силами AMD, а производятся у TSMC, поэтому сравнивать их параметры весьма удобно. При почти неизменной площади 360–375 мм² переход от 28 нм к 16 увеличил плотность не втрое (как можно было ожидать при линейном уменьшении размеров транзисторов), а всего на треть (сравнивая XBox One и XBox One X). А следующий переход к 7 нм должен был дать аж 5-кратное уплотнение, но выдал только 2,3 раза. Цена процессора при этом не забывала расти. Год назад, видя такие дела, в университете Беркли (Калифорния, США) собрались видные теоретики микроэлектроники (в том числе все три изобретателя «финфетов»: Chenming Hu, Tsu-Jae King Liu и Jeffrey Bokor) и… Да-да, нетрудно догадаться: они предложили новую, очереднадцатую метрику. Назад к нанометрам возвращаться никто не призывает. Наоборот, профессоры и инженеры решили вместо одной цифры использовать три, к плотности транзисторов логики (DL) добавив плотность транзисторов памяти (DM — в битах/мм²; и это не старая-добрая СОЗУ, а еще более плотная динамическая память — ДОЗУ, или DRAM) и плотность связующих кристалл с подложкой шариковых выводов (DC — в тысячах на мм²). Последний параметр знаменует наибольшее отклонение от стандартных мерил техпроцессов, так как не имеет никакого отношения к транзисторам. Тем не менее, в последние годы стало ясно, что подвод питания и обеспечение всё большей пропускной способности и меньших задержек при доступе к памяти требуют от чиподелов показывать заметный прогресс и в этой величине. Как и версия Intel, новая метрика LMC (названая по индексам плотностей) использует интуитивное правило «больше — лучше» для всех трех своих цифр и не имеет верхних границ, обусловленных какими-то физическими пределами. Это дает определенную психологическую уверенность, что прогресс всё еще неостановим — что весьма важно в свете наблюдаемого в западных вузах падения популярности кафедр микроэлектроники, физики полупроводников, материаловедения и смежных прикладных наук. При этом числа остаются вполне уместными и отражающими возможности описываемых ими техпроцессов с точки зрения конечного пользователя: компьютеры продолжают улучшаться по основным параметрам логики, памяти и периферии — производительности, энергоэффективности и цене. Причем рост всех трех плотностей пока не прерывается и происходит одновременно, образуя важный баланс в развитии вычислительной техники — от смартфонов до суперкомпьютеров. Проще говоря, по этой метрике закон Мура все еще работает. Ложкой дегтя будет тот факт, что список производителей новейших «бочек меда» сократился до удивительного минимума. А именно: 180 нм умеют «печь» 29 фирм в мире, 130 нм — 26, 90 нм — 19, 65–40 нм — 14, 32–28 — 10… Дальше происходит как в известной песенке-считалке «Десять негритят»: Panasonic, STM, HLMC, UMC, IBM, SMIC, GF, Samsung, TSMC и Intel отправились печь чипы на 22–20 нм; первые трое обожглись, и их осталось семеро. На 16–14 нм сдалась IBM (продавшая свой самый крутой фаб коллегам из GlobalFoundries). А 10 и 7 нм и вовсе осилила лишь последняя тройка — пока не подтянется «Альянс общей платформы» (Common Platform Alliance: объединение GF, IBM, STM, UMC и Samsung — в котором владельцем обновленных фабов, видимо, останется только последняя); причем 7 нм у Intel появятся «в 2021 г.» (читай — в неопределенном будущем). То есть сложность и стоимость изготовления «тонких» техпроцессов и фабов для них оказывается столь запредельной, что это уже вопрос банального выживания на рынке. Куда уж тут до конкуренции и честности подачи нанометров… Источник ← Что такое нанометр в процессоре Что такое нанометры в процессоре и на что это влияет → Вам также понравится как сделать японский салат 07.09.202311.09.2023 admin 0 Swt что это за папка можно ли удалить 04.09.202304.09.2023 admin 0 список литературы практика юрист 20.09.202321.09.2023 admin 0 Добавить комментарий Отменить ответ Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены * Комментарий * Имя * Email *