Физические пределы традиционной микроэлектроники

В.К. Петросян (Вадимир). Мировая пикоэлектроника. Прошлое, настоящее, будущее. Проектирование Метаразвития. Тома 1-6

Физические пределы традиционной микроэлектроники
1. Масштабирование транзисторов
2. Квантовые ограничения
3. Тепловыделение и энергопотребление
4. Межсоединения и задержки передачи сигналов
5. Экономические пределы миниатюризации

*********

© В.К.
Петросян (Вадимир) © Lag.ru [Large Apeironic Gateway, Большой Апейронический
Портал (Шлюз), Суперпортал в Бесконечность].

При копировании данного материала и размещении его на другом сайте, ссылки
на соответствующие локации порталов Lag.ru и Proza.ru обязательны

Работа написана на основе концепции и разработок В.К. Петросяна при полноценном соавторстве (активном творческом и техническом участии) ChatGPT (OpenAI), GPT-5.6 Sol

******

Физические пределы традиционной микроэлектроники
От непрерывной миниатюризации транзисторов — к исследованию физических, энергетических и экономических оснований будущей электронной цивилизации.

На протяжении большей части истории микроэлектроники её развитие основывалось на удивительно результативном технологическом принципе.

Уменьшение размеров электронных элементов позволяло размещать на одном полупроводниковом кристалле всё больше транзисторов, увеличивать быстродействие вычислительных систем и постепенно снижать стоимость выполнения вычислительных операций.

Этот процесс стал одним из фундаментальных механизмов научно-технического прогресса второй половины XX и начала XXI века.

Благодаря ему компьютеры, занимавшие целые помещения, постепенно уступили место настольным вычислительным системам, персональным устройствам, мобильным процессорам и специализированным ускорителям искусственного интеллекта.

Однако успешность исторической модели породила представление, которое сегодня требует принципиального пересмотра.

Возникло убеждение, что последующее развитие электроники может бесконечно продолжаться посредством простого уменьшения геометрических размеров транзисторов.

Но физическая реальность значительно сложнее.

По мере приближения электронных структур к атомным масштабам возрастает влияние квантовых эффектов.

Увеличивается сложность управления токами утечки.

Электрические контакты и проводники приобретают всё большее значение.

Повышение плотности размещения электронных элементов осложняет отвод тепла.

А создание каждого нового передового технологического поколения требует всё более сложного оборудования, материалов, измерений и производственных процессов.

Следовательно, дальнейшее развитие микроэлектроники перестаёт определяться исключительно размером транзистора.

Оно становится результатом совместного решения многочисленных физических, архитектурных и экономических задач.

При этом необходимо избежать противоположной ошибки.

Возникновение пределов традиционного масштабирования не означает завершения развития электронной техники.

Оно означает, что прежние способы повышения эффективности постепенно утрачивают свою универсальность.

Вместо одной доминирующей траектории возникает совокупность альтернативных направлений.

Совершенствуются трёхмерные транзисторные архитектуры.

Развиваются новые материалы и методы интеграции.

Изменяются способы передачи данных и организации памяти.

Увеличивается значение интеллектуальных методов проектирования.

Формируются новые классы электронных и вычислительных систем.

В подобной ситуации особенно важно разграничивать фундаментальные физические ограничения и ограничения существующих инженерных решений.

Фундаментальные ограничения вытекают из законов природы.

Инженерные ограничения характеризуют возможности доступных материалов, приборов и производственных процессов.

Экономические ограничения отражают стоимость достижения определённого результата.

Организационные ограничения связаны со скоростью исследований, проектирования и промышленного внедрения.

Эти категории взаимосвязаны, но не тождественны.

То, что сегодня оказывается слишком дорого, может стать экономически осуществимым благодаря новому технологическому процессу.

То, что невозможно для определённой архитектуры транзистора, может оказаться возможным при использовании другого физического принципа.

Однако технология не способна отменить фундаментальные законы квантовой механики и термодинамики.

Следовательно, проектирование будущей электроники требует точного понимания природы каждого ограничения.

Именно эта задача определяет содержание настоящей главы.

Особое значение она имеет для предлагаемой концепции пикоэлектроники.

В настоящей книге PICO рассматривается не как уже существующая промышленная технология изготовления транзисторов размером один пикометр, а как исследовательское направление поиска новых физических и инженерных принципов электронной техники.

При этом пикоэлектроника выступает одной из двух базовых субтехнологий генеральной технологии Метаразвития.

Вторая субтехнология — NOO — должна разрабатывать интеллектуально-креативные средства исследования и технологического проектирования.

Обе программы предполагается инициировать одновременно.

Но для определения их задач необходимо прежде всего установить, какие именно ограничения современной микроэлектроники требуют новых физических решений, а какие могут преодолеваться посредством изменения архитектуры, производства и организации исследований.

1.1. Масштабирование транзисторов
1.1.1. Транзистор как основа электронной цивилизации
Транзистор представляет собой один из важнейших электронных приборов современной цивилизации.

Его фундаментальное значение заключается в возможности управлять электрическим током посредством другого электрического сигнала.

Наиболее распространённой основой современных логических интегральных схем является полевой транзистор MOSFET.

В его конструкции выделяются исток, сток, управляющий затвор и полупроводниковый канал.

При изменении напряжения на затворе изменяется проводимость канала.

Это позволяет создавать электронные переключатели, составляющие основу цифровой логики.

Объединение большого количества транзисторов позволяет формировать логические элементы, память, процессорные ядра и сложные вычислительные системы.

Следовательно, развитие микроэлектроники исторически было тесно связано с уменьшением характерных размеров подобных приборов.

Однако транзистор не существует изолированно.

Для его функционирования необходимы электрические контакты, изоляция, проводники и система питания.

Поэтому уменьшение одного функционального элемента должно сопровождаться совершенствованием всей интегральной схемы.

1.1.2. Историческая логика миниатюризации
На ранних этапах развития микроэлектроники уменьшение размеров транзисторов обеспечивало сразу несколько преимуществ.

Сокращалась площадь, занимаемая одним электронным прибором.

Уменьшались электрические ёмкости.

Снижались расстояния между функциональными элементами.

Появлялась возможность размещать на кристалле большее количество логических устройств.

При определённых условиях одновременно увеличивалось быстродействие.

Таким образом, физическая миниатюризация обеспечивала рост функциональной сложности вычислительных систем.

Однако соответствующая закономерность не является абсолютной.

Она основывалась на определённых физических и технологических предпосылках.

По мере уменьшения размеров эти предпосылки начали нарушаться.

1.1.3. Теория масштабирования Деннарда
В 1974 году Роберт Деннард и его коллеги из IBM опубликовали фундаментальную работу о масштабировании MOS-транзисторов.

Её важнейшая идея заключалась в возможности согласованного уменьшения геометрических размеров и рабочих напряжений.

Если линейные размеры прибора и напряжения уменьшались в одинаковое число раз, электрические поля при идеализированном масштабировании могли сохранять приблизительно прежнюю величину.

Это позволяло получать преимущества по плотности интеграции и скорости переключения без пропорционального увеличения тепловой нагрузки на единицу площади.

Для упрощённого анализа обозначим коэффициент масштабирования через s, где 0 < s < 1.

В идеализированной модели постоянного электрического поля:

линейные размеры изменяются пропорционально s;
рабочие напряжения уменьшаются пропорционально s;
электрическая ёмкость отдельного прибора уменьшается приблизительно пропорционально s;
время переключения уменьшается приблизительно пропорционально s;
энергия переключения уменьшается приблизительно пропорционально s;;
плотность размещения приборов возрастает приблизительно как 1/s;.
В рамках этой модели уменьшение размеров создаёт исключительно благоприятную комбинацию результатов.

Однако данная схема представляет собой идеализированную физическую модель.

Она не является универсальным законом, действующим независимо от материалов, архитектур и размеров электронного прибора.

1.1.4. Почему масштабирование Деннарда перестало работать в прежнем виде
По мере уменьшения размеров транзисторов возникли ограничения, препятствующие дальнейшему пропорциональному снижению рабочих напряжений.

Особенно важным стало сохранение достаточного различия между включённым и выключенным состояниями электронного прибора.

Если напряжение питания уменьшать чрезмерно, становится сложнее обеспечивать высокую скорость переключения при допустимых токах утечки.

Кроме того, возрастает влияние электрических контактов, сопротивления межсоединений и технологической вариабельности.

В результате дальнейшее уменьшение транзисторов перестало автоматически сопровождаться аналогичным уменьшением энергии переключения и ростом рабочей частоты.

Именно это обстоятельство стало одним из главных факторов перехода от постоянного увеличения тактовой частоты к многоядерным вычислительным архитектурам.

Следовательно, прекращение прежнего режима масштабирования означало не завершение развития процессоров, а изменение экономико-физического механизма повышения их производительности.

1.1.5. Закон Мура и масштабирование Деннарда — не одно и то же
Для научной точности необходимо разграничивать две исторически взаимосвязанные закономерности.

Закон Мура описывает историческую тенденцию увеличения числа транзисторов в интегральных схемах.

Масштабирование Деннарда характеризует определённые физические соотношения изменения размеров, напряжений, токов и характеристик MOS-приборов.

Следовательно, увеличение количества транзисторов не гарантирует аналогичного роста производительности или энергетической эффективности.

Можно создать интегральную схему с большим количеством электронных элементов, но получить лишь ограниченное повышение скорости вычислений.

Кроме того, часть новых транзисторов может использоваться для увеличения объёма памяти, расширения специализированных функциональных блоков или повышения надёжности.

Поэтому физическая плотность интеграции и функциональная эффективность вычислительной системы должны исследоваться раздельно.

1.1.6. Переход от планарного транзистора к FinFET
Одним из важнейших результатов дальнейшего развития стало создание трёхмерной транзисторной архитектуры FinFET.

В отличие от традиционного планарного прибора, её полупроводниковый канал имеет пространственную форму выступающего ребра.

Управляющий затвор охватывает канал с нескольких сторон.

Это улучшает электростатический контроль.

Главное значение данной архитектуры заключается в возможности сохранять необходимые электрические характеристики при уменьшении геометрических размеров.

Однако FinFET не устраняет всех фундаментальных ограничений.

По мере дальнейшей миниатюризации уменьшается пространство для формирования контактов.

Возрастает технологическая сложность.

Изменяются требования к материалам и межсоединениям.

Следовательно, даже успешная архитектурная инновация лишь переносит границу практической осуществимости, но не отменяет её существование.

1.1.7. Gate-All-Around как следующий архитектурный переход
Следующим важнейшим направлением стало развитие транзисторов Gate-All-Around — GAA.

В подобных приборах затвор окружает полупроводниковый канал со всех сторон.

Особое значение имеют многослойные нанолистовые структуры.

Они позволяют формировать несколько проводящих каналов в одном приборе.

Благодаря этому можно улучшать электростатическое управление и изменять соотношение плотности интеграции, производительности и энергопотребления.

Именно такая архитектура используется в современных передовых логических процессах.

Она составляет технологическую основу программы Rapidus.

Однако создание GAA требует новых операций формирования материалов и чрезвычайно точного управления геометрией электронных структур.

Следовательно, физические преимущества сопровождаются усложнением производственной технологии.

1.1.8. Вертикальная интеграция транзисторов
По мере усложнения двумерного масштабирования возрастает значение вертикального размещения электронных приборов.

Одним из перспективных направлений является архитектура CFET — Complementary Field-Effect Transistor.

Её основная идея заключается в вертикальном расположении транзисторов различных типов проводимости.

Это может позволить уменьшать площадь логических ячеек.

В исследованиях imec рассматриваются различные варианты подобной интеграции.

Однако CFET создаёт новые проблемы.

Необходимо обеспечивать точное совмещение слоёв, электрические контакты, температурную совместимость технологических операций и надёжность нижних электронных структур.

Следовательно, увеличение плотности посредством вертикального размещения не устраняет физических ограничений.

Оно изменяет их характер.

1.1.9. Масштабирование структуры и масштабирование функций
В современной микроэлектронике всё более важно различать уменьшение отдельного транзистора и увеличение функциональной плотности вычислительной системы.

Например, можно повысить вычислительную эффективность посредством нового способа размещения памяти.

Можно использовать многокристальную интеграцию.

Можно объединить специализированные вычислительные блоки в одном корпусе.

Во всех этих случаях функциональные возможности возрастают не обязательно вследствие уменьшения каждого транзистора.

Следовательно, дальнейшее развитие электроники постепенно смещается от преимущественно геометрического масштабирования к более общей задаче архитектурной и технологической оптимизации.

1.1.10. Что означает технологическое обозначение «2 нм»
Особенно важно устранить распространённое физическое заблуждение.

Современные обозначения «3 нм», «2 нм» и последующих технологических поколений не являются прямым указанием размера всего транзистора.

Они представляют собой промышленные названия технологических платформ.

При этом фактические размеры различных функциональных элементов могут существенно отличаться от условного номера узла.

Например, длина физического канала, размеры контактов и шаг межсоединений характеризуются различными величинами.

Следовательно, нельзя утверждать, что 2-нм процесс содержит исключительно элементы размером два нанометра.

Тем более нельзя рассматривать условный «1-нм узел» как непосредственное доказательство создания электронных элементов физического размера один нанометр.

1.1.11. Современные эксперименты с атомарно-тонкими структурами
Особый научный интерес представляют исследования двумерных полупроводников.

В 2026 году в журнале Nature Communications была опубликована работа о транзисторных структурах на основе дисульфида молибдена MoS;.

Авторы продемонстрировали прибор с эффективной длиной затвора менее одного нанометра.

Однако физическая длина канала составляла около 10 нм.

Это различие принципиально важно.

Нанометрический или субнанометрический размер отдельного электрода не означает, что весь транзистор имеет такие же размеры.

Кроме того, экспериментальная работоспособность структуры не доказывает её коммерческую конкурентоспособность.

Для этого необходимо подтвердить воспроизводимость, надёжность, выход годных изделий и экономику производства.

Следовательно, подобные исследования свидетельствуют о расширении физических возможностей электронной техники, но не о завершённости соответствующей промышленной технологии.

1.1.12. Главный вывод о масштабировании
Развитие микроэлектроники постепенно переходит от простого уменьшения размеров к совершенствованию всей физической и архитектурной структуры вычислительных систем.

Однако каждое новое решение создаёт собственные ограничения.

Предел традиционного масштабирования заключается не в одном окончательном нанометровом значении, а в совокупности физических условий, при которых дальнейшее уменьшение размеров перестаёт обеспечивать прежнее сочетание функциональных и экономических преимуществ.

Именно поэтому дальнейшее развитие требует новых материалов, приборных архитектур и методов организации вычислений.

1.2. Квантовые ограничения
1.2.1. Почему квантовая механика становится определяющей
Электроны обладают квантовыми свойствами при любых размерах электронного устройства.

Следовательно, нельзя утверждать, что квантовая механика начинает действовать только после достижения определённой нанометровой границы.

Однако по мере уменьшения размеров приборов её эффекты всё сильнее проявляются в характеристиках отдельных электронных структур.

Особенно важны туннелирование, квантовое ограничение движения носителей заряда, изменение плотности электронных состояний и дискретность электрического заряда.

В больших приборах часть этих эффектов может эффективно описываться усреднёнными моделями.

В чрезвычайно малых структурах подобные приближения становятся недостаточными.

Следовательно, переход к атомарно-точной электронике требует существенно более подробного физического описания.

1.2.2. Квантовое туннелирование
Одним из важнейших ограничений является туннелирование.

В классической физике частица, энергия которой меньше высоты определённого потенциального барьера, не способна его преодолеть.

В квантовой механике существует ненулевая вероятность прохождения частицы через барьер.

При уменьшении его толщины эта вероятность может чрезвычайно быстро возрастать.

Для простой одномерной модели прямоугольного барьера при фиксированных высоте и энергии частицы вероятность прохождения приблизительно уменьшается экспоненциально с увеличением толщины барьера.

Это означает, что небольшое изменение толщины может существенно изменять ток утечки.

В микроэлектронике подобный эффект особенно важен для затворных диэлектриков и коротких транзисторных каналов.

1.2.3. Туннелирование через затворный диэлектрик
Для управления полупроводниковым каналом затвор должен быть отделён от него диэлектрическим материалом.

При уменьшении размеров транзисторов возникает необходимость обеспечивать высокую электрическую ёмкость соответствующей структуры.

Исторически это достигалось уменьшением толщины диэлектрика.

Однако чрезмерное уменьшение толщины приводит к усилению квантового туннелирования.

В результате возникают токи утечки через изоляционный слой.

Одним из важнейших инженерных решений стало использование диэлектриков с высокой относительной диэлектрической проницаемостью — high-k.

Они позволяют использовать физически более толстую изоляцию при сохранении необходимой электрической ёмкости.

Однако подобные материалы обладают собственными ограничениями.

Особое значение приобретают дефекты, ловушки заряда, состояние границ раздела и долговременная надёжность.

Следовательно, новые материалы позволяют отодвигать технологические ограничения, но не отменяют квантовую природу электронного переноса.

1.2.4. Туннелирование между истоком и стоком
Другой важнейший эффект возникает при уменьшении длины полупроводникового канала.

Даже если затвор должен удерживать транзистор в выключенном состоянии, между истоком и стоком может возникать квантовый перенос.

При достаточно малых расстояниях электрон способен туннелировать через потенциальный барьер.

Это затрудняет создание прибора, который одновременно обладает высокой скоростью переключения и чрезвычайно низким током утечки.

Следовательно, уменьшение канала не может продолжаться без изменения физических параметров и архитектуры устройства.

Для некоторых материалов и конструкций пределы могут различаться.

Поэтому нельзя установить универсальную минимальную длину транзистора, одинаковую для всех возможных физических принципов.

1.2.5. Электростатические эффекты короткого канала
Помимо собственно квантового туннелирования существуют эффекты, связанные с изменением электростатического управления.

В длинноканальном транзисторе затвор относительно эффективно контролирует потенциальный барьер канала.

При уменьшении его длины возрастает влияние электрических полей истока и стока.

Одним из известных проявлений является снижение барьера под воздействием напряжения стока — Drain-Induced Barrier Lowering, DIBL.

В результате ток через прибор становится более чувствительным к напряжению стока даже в выключенном состоянии.

Переход к FinFET и GAA был направлен, в частности, на улучшение соответствующего контроля.

Однако сложность электростатической задачи возрастает при дальнейшем масштабировании.

1.2.6. Тепловая граница подпорогового переключения
Особенно важным ограничением обычных MOSFET является крутизна подпороговой характеристики.

Она показывает, насколько необходимо изменить напряжение затвора, чтобы изменить ток стока в десять раз.

Для идеального транзистора, использующего обычную термическую инжекцию носителей, при комнатной температуре нижняя граница составляет приблизительно 60 милливольт на декаду изменения тока.

В упрощённой форме:

SS = ln(10) ; (kT/q) ; m,

где k — постоянная Больцмана, T — абсолютная температура, q — элементарный заряд, m — коэффициент электростатической связи, в идеальном случае равный единице.

При температуре около 300 К идеальная величина составляет приблизительно 59,5 мВ/декаду.

Это чрезвычайно важное физическое ограничение.

Оно показывает, что уменьшение напряжения питания обычного MOSFET сталкивается с требованиями сохранения достаточного различия между включённым и выключенным состояниями.

Однако следует строго подчеркнуть область применимости.

Граница около 60 мВ/декаду относится к идеализированному механизму термического подпорогового переключения обычного MOSFET. Она не является универсальным запретом на создание любых электронных приборов с более крутой характеристикой.

1.2.7. Альтернативные принципы переключения
Одним из перспективных направлений являются туннельные полевые транзисторы — TFET.

Они используют другой механизм переноса носителей заряда.

В результате при определённых условиях возможно получение подпороговой характеристики круче обычного теплового ограничения MOSFET.

Исследуются также приборы с отрицательной ёмкостью и другие альтернативные конструкции.

Однако отдельный экспериментальный результат не гарантирует практического преимущества.

Необходимо учитывать ток во включённом состоянии, скорость, надёжность, технологическую вариабельность и возможность создания комплементарной логики.

В частности, получение крутой характеристики в ограниченном диапазоне токов ещё не означает возможность создания высокопроизводительного массового процессора.

Следовательно, альтернативные приборы представляют перспективные научные направления, но требуют полного сравнения с существующей CMOS-технологией.

1.2.8. Квантовое ограничение движения носителей
При уменьшении толщины полупроводниковых структур изменяются допустимые электронные состояния.

Возникает квантовое ограничение движения носителей заряда.

В результате свойства электронного канала могут существенно отличаться от характеристик объёмного материала.

Например, изменяются электронная плотность состояний и условия переноса заряда.

Эти эффекты не всегда являются исключительно отрицательными.

При определённых конструкциях они могут использоваться для создания новых приборных функций.

Однако их применение требует чрезвычайно точного контроля материалов и границ раздела.

Следовательно, переход к атомарно-тонким структурам одновременно создаёт новые возможности и новые физические ограничения.

1.2.9. Дискретность атомной структуры
Классическая микроэлектроника во многих случаях использует усреднённое описание материалов.

Например, концентрация легирующей примеси рассматривается как непрерывная величина.

Однако в чрезвычайно малых объёмах количество атомов примеси становится ограниченным.

Изменение положения отдельного атома способно заметно повлиять на электрические характеристики.

Аналогично дефект границы раздела может существенно изменять работу прибора.

Следовательно, атомарная дискретность становится источником технологической вариабельности.

В подобных условиях особенно важны методы атомарно-точного формирования структур и контроль отдельных дефектов.

Однако создание такой технологии представляет исключительно сложную научно-инженерную задачу.

1.2.10. Флуктуации и надёжность
По мере уменьшения электронных структур возрастает относительное влияние случайных изменений.

Например, небольшое колебание геометрии канала может создавать заметное изменение его электрических характеристик.

Отдельные дефекты способны вызывать нестабильность токов.

Могут возникать случайные телеграфные шумы, связанные с захватом и освобождением носителей заряда.

Следовательно, уменьшение средних геометрических размеров не гарантирует соответствующего уменьшения разброса характеристик.

Для цифровой логики это особенно важно.

Необходимо сохранять достаточные запасы устойчивости логических уровней и допустимую вероятность ошибок.

Именно поэтому создание чрезвычайно малого работающего транзистора и создание надёжной большой интегральной схемы являются принципиально различными достижениями.

1.2.11. Контактные сопротивления и квантовый перенос
При уменьшении размеров электронных приборов возрастает значение контактов между полупроводником и металлическим проводником.

Даже при высокой проводимости самого канала значительное сопротивление контакта может ограничивать общий ток.

Особенно интересны исследования двумерных полупроводников.

В 2026 году в журнале Nature была опубликована работа, посвящённая экспериментальному измерению характерной длины передачи заряда в контактной области транзистора на основе MoS;.

Для исследованной структуры было получено значение приблизительно 2 нм.

Этот результат показывает, что дальнейшее уменьшение транзисторов зависит не только от длины канала.

Не менее важно масштабирование контактов.

Однако полученное значение характеризует конкретную систему материалов и конструкцию.

Его нельзя объявлять универсальным физическим пределом всех электронных контактов.

1.2.12. Квантовое сопротивление
В чрезвычайно малых проводящих структурах необходимо учитывать дискретность каналов электронного переноса.

Для идеального одномерного проводящего канала с учётом спинового вырождения возникает характерный масштаб сопротивления порядка:

R;Q; = h/(2e;) ; 12,9 кОм,

где h — постоянная Планка, e — элементарный заряд.

Однако это выражение нельзя интерпретировать как универсальное сопротивление любого нанотранзистора.

Реальная проводимость зависит от количества доступных каналов, коэффициентов прохождения электронов, контактов и физических условий.

Тем не менее оно показывает, что по мере перехода к атомарно-точным проводникам возникают ограничения, которые невозможно корректно описывать исключительно обычной макроскопической моделью сопротивления.

1.2.13. Почему охлаждение не устраняет всех ограничений
Снижение температуры уменьшает тепловые флуктуации.

В некоторых случаях это позволяет улучшать характеристики электронных приборов.

Однако охлаждение требует дополнительной инфраструктуры и энергетических затрат.

Кроме того, квантовое туннелирование не исчезает только вследствие уменьшения температуры.

Следовательно, охлаждение может быть полезным инженерным методом, но не является универсальным способом преодоления физических пределов микроэлектроники.

Особенно важно оценивать полные энергетические затраты вычислительной системы, включая холодильное оборудование.

1.2.14. Нанометровый и пикометровый масштабы
Для настоящей книги необходимо специально разграничить масштабы.

Один нанометр равен одной миллиардной метра.

Один пикометр равен одной триллионной метра.

Следовательно, один нанометр содержит тысячу пикометров.

Характерные размеры атомов находятся в области десятков и сотен пикометров.

Например, атомные диаметры многих элементов имеют порядок 0,1–0,3 нм, или 100–300 пм, в зависимости от используемого физического определения.

Таким образом, один пикометр существенно меньше характерного размера атома.

Поэтому создание физического транзистора с линейными размерами один пикометр нельзя рассматривать как обычное продолжение уменьшения кремниевых приборов.

Это потребовало бы совершенно иного физического содержания понятия электронного устройства.

1.2.15. Что может означать пикоэлектроника
В рамках настоящей книги предлагается исследовать пикоэлектронику как область перспективных электронных технологий, в которых определяющее значение приобретают атомарно-точные и субатомарные по масштабу параметры управления электронными состояниями.

Однако это определение является программным и требует дальнейшего научного уточнения.

Оно не означает, что все физические размеры предполагаемых устройств должны составлять пикометры.

В частности, пикометровые изменения положения атомов могут существенно влиять на свойства электронной структуры, размеры которой значительно больше одного пикометра.

Следовательно, предметом исследования может стать не только геометрическое уменьшение прибора, но и точное управление его электронными характеристиками посредством чрезвычайно малых структурных изменений.

Но возможность промышленного использования соответствующего принципа должна доказываться отдельно.

1.2.16. Главный вывод о квантовых ограничениях
Квантовые эффекты являются не только препятствием дальнейшей миниатюризации.

Они также представляют источник новых физических возможностей.

Однако их технологическое использование требует разработки принципиально новых материалов, устройств и методов экспериментального контроля.

Переход к перспективной пикоэлектронике должен строиться не на предположении о бесконечном уменьшении транзистора, а на исследовании новых физических способов управления электронными состояниями.

Именно это составляет одну из фундаментальных задач PICO.

1.3. Тепловыделение и энергопотребление
1.3.1. Энергия как ограничитель вычислительной мощности
Современная вычислительная техника развивается в условиях растущего спроса на производительность.

Особенно значительную роль играют высокопроизводительные серверные системы и ускорители искусственного интеллекта.

Однако увеличение числа вычислительных операций сопровождается потреблением энергии.

Часть этой энергии преобразуется в тепло.

Следовательно, вычислительная мощность не может неограниченно увеличиваться без учёта теплового режима.

Особенно важно, что проблема возникает на нескольких уровнях.

Отдельный транзистор обладает ограничениями энергопотребления и надёжности.

Интегральная схема ограничена плотностью тепловыделения.

Вычислительная система требует эффективного охлаждения.

Центр обработки данных сталкивается с ограничениями энергетической инфраструктуры.

Следовательно, энергетическая эффективность становится системной характеристикой всей электронной цивилизации.

1.3.2. Динамическая энергия переключения
В CMOS-логике значительная часть энергии расходуется при изменении электрического состояния схемы.

Для приближённой оценки динамической мощности используется выражение:

Pdyn ; ; ; C ; V; ; f,

где ; — коэффициент переключательной активности, C — эффективная переключаемая ёмкость, V — напряжение питания, f — частота.

Эта формула отражает несколько фундаментальных закономерностей.

Снижение напряжения способно существенно уменьшать динамическую мощность.

Уменьшение ёмкости также снижает энергетические затраты.

Однако повышение частоты увеличивает количество переключений за единицу времени.

Следовательно, рост быстродействия может сопровождаться ростом энергопотребления.

При этом формула является приближённой.

Реальное потребление определяется особенностями архитектуры, режимами работы и другими электрическими эффектами.

1.3.3. Почему уменьшение напряжения стало сложнее
На ранних этапах масштабирования снижение размеров транзисторов сопровождалось уменьшением напряжения питания.

Однако по мере приближения к физическим ограничениям возникли трудности сохранения необходимой скорости переключения и допустимого тока утечки.

Если напряжение становится слишком малым, уменьшается различие между электрическими состояниями.

Это осложняет обеспечение надёжной логической работы.

Следовательно, снижение напряжения ограничивается физическими характеристиками используемых приборов и требованиями к устойчивости схемы.

Именно поэтому уменьшение транзисторов перестало автоматически обеспечивать прежнее снижение энергии на вычислительную операцию.

1.3.4. Статическое энергопотребление
Помимо динамической мощности существует энергопотребление, связанное с токами утечки.

Даже выключенный транзистор может проводить небольшой ток.

При наличии миллиардов электронных элементов суммарные потери становятся существенными.

Поэтому необходимо учитывать как активные, так и неактивные состояния вычислительной системы.

Особенно важны режимы ожидания и частичного отключения функциональных блоков.

Современная электроника использует различные методы управления напряжением, частотой и энергоснабжением.

Однако эффективность соответствующих решений зависит от характера вычислительных задач.

Следовательно, архитектурное управление энергопотреблением приобретает всё более важное значение.

1.3.5. Плотность тепловыделения
Главная проблема современного процессора заключается не только в количестве потребляемой энергии.

Особенно важно, на какой площади она выделяется.

При увеличении числа транзисторов на единицу площади может возрастать плотность тепловыделения.

Даже если каждый отдельный прибор становится более энергоэффективным, совокупная нагрузка способна увеличиваться вследствие роста количества активных элементов.

Следовательно, возникает необходимость ограничивать одновременную активность вычислительных блоков.

В отдельных архитектурах это приводит к ситуации, когда физически доступные вычислительные ресурсы не могут постоянно работать на максимальной производительности из-за энергетических и тепловых ограничений.

Такое явление иногда описывается посредством понятия dark silicon.

Однако его конкретное проявление зависит от архитектуры, технологии и системы охлаждения.

1.3.6. Тепловое сопротивление
Для упрощённого анализа нагрева можно использовать выражение:

;T ; P ; Rth,

где ;T — повышение температуры, P — тепловая мощность, Rth — эффективное тепловое сопротивление.

В таком приближении при неизменном тепловом сопротивлении увеличение мощности приводит к росту температуры.

Однако реальные электронные системы обладают сложным трёхмерным распределением тепла.

Различные функциональные области могут нагреваться неодинаково.

Возникают локальные горячие точки.

Следовательно, средняя температура кристалла не всегда позволяет определить наиболее опасный тепловой режим.

Для обеспечения надёжности необходимы детальные тепловые модели и экспериментальные измерения.

1.3.7. Тепловыделение и надёжность
Повышенная температура способна ускорять деградацию электронных структур.

Особенно важны электромиграция, изменение свойств материалов и деградация диэлектриков.

Кроме того, температурные колебания создают механические напряжения вследствие различий коэффициентов теплового расширения материалов.

Это может влиять на надёжность контактов и межсоединений.

Следовательно, температурный режим представляет не только вопрос энергопотребления.

Он непосредственно влияет на срок службы вычислительной системы.

Поэтому повышение плотности интеграции должно сопровождаться совершенствованием методов управления теплом.

1.3.8. Трёхмерная интеграция и тепловые ограничения
Вертикальное размещение электронных устройств позволяет сокращать расстояния между функциональными блоками.

Это может уменьшать затраты энергии на передачу информации.

Однако увеличение числа активных слоёв осложняет отвод тепла.

Особенно сложной является ситуация, когда высокопроизводительные вычислительные блоки располагаются друг над другом.

Внутренние слои могут находиться на значительном тепловом сопротивлении от системы охлаждения.

Следовательно, трёхмерная интеграция создаёт компромисс между плотностью функционального размещения и тепловой устойчивостью.

Для дальнейшего развития необходимо совершенствовать материалы, тепловые интерфейсы и архитектурное распределение нагрузки.

1.3.9. Почему вычисления нельзя оценивать только энергией транзистора
В современных вычислительных системах значительная часть энергии расходуется не только при выполнении логических операций.

Существенные затраты связаны с передачей данных между процессором и памятью.

Возникают потери в межсоединениях.

Энергия расходуется на системы питания, интерфейсы и охлаждение.

Следовательно, уменьшение энергии переключения отдельного транзистора ещё не означает пропорционального уменьшения энергопотребления всего компьютера.

Это особенно важно для интеллектуальных вычислений.

Большие вычислительные задачи часто требуют интенсивного перемещения массивов данных.

Поэтому повышение энергетической эффективности всё сильнее зависит от архитектуры памяти и способов передачи информации.

1.3.10. Принцип Ландауэра
Особое место среди фундаментальных ограничений занимает принцип Ландауэра.

Он устанавливает связь между логической необратимостью и термодинамической стоимостью обработки информации.

В частности, стирание одного бита информации при температуре T в идеализированном предельном процессе связано с минимальным средним тепловыделением:

Emin = kT ; ln 2.

При температуре около 300 К соответствующее значение составляет приблизительно 2,9 ; 10;;; джоуля, или 2,9 зептоджоуля.

Однако принцип Ландауэра необходимо интерпретировать строго.

Он не утверждает, что каждое переключение реального транзистора обязательно выделяет именно такое количество энергии.

Он относится к термодинамической стоимости логически необратимых операций при определённых условиях.

Реальные вычислительные устройства обычно работают далеко от идеализированного предела.

Кроме того, в физике исследуются обратимые и частично обратимые способы вычислений.

Следовательно, принцип Ландауэра представляет фундаментальный ориентир, но не единственный энергетический предел любой вычислительной архитектуры.

1.3.11. Значение обратимых вычислений
В традиционной цифровой логике многие операции связаны с уничтожением части информации о предыдущем состоянии системы.

Однако существуют вычислительные модели, в которых логические преобразования выполняются обратимо.

Теоретически это позволяет по-иному организовывать энергетические процессы.

Но практическая реализация обратимых вычислений сталкивается с многочисленными трудностями.

Необходимы новые архитектуры, методы управления состояниями и способы подавления ошибок.

Кроме того, высокая энергетическая эффективность может требовать изменения скорости выполнения операций.

Поэтому нельзя заранее утверждать, что обратимые вычисления автоматически обеспечат сверхдешёвую вычислительную мощность.

Их преимущества должны оцениваться на уровне законченной системы.

1.3.12. Энергетическая эффективность как комплексный критерий
Для сравнения вычислительных устройств необходимо использовать не только потребляемую мощность.

Особое значение имеет энергия, необходимая для выполнения определённого объёма полезной работы.

Например, можно сравнивать количество джоулей на одну корректно выполненную вычислительную задачу.

Однако необходимо заранее определять функциональную нагрузку и критерии качества.

Сравнение универсального процессора с специализированным ускорителем может быть некорректным, если они выполняют разные виды работы.

Следовательно, энергетическая эффективность должна оцениваться применительно к конкретным задачам.

Это особенно важно для будущих ноокомпьютеров.

1.3.13. Главный вывод об энергетических ограничениях
Тепловыделение представляет одно из наиболее существенных препятствий дальнейшему росту вычислительной плотности.

Однако его нельзя преодолеть исключительно созданием более маленьких транзисторов.

Необходимо совершенствовать физику приборов, архитектуру памяти, межсоединения, корпусирование, питание и методы организации вычислений.

Будущее энергетической эффективности определяется не только энергией одного электронного переключения, но и полной стоимостью выполнения полезной вычислительной работы.

Именно этот принцип должен использоваться при исследовании перспективных вычислительных систем PICO и NOO.

1.4. Межсоединения и задержки передачи сигналов
1.4.1. Почему проводники становятся не менее важными, чем транзисторы
Исторически развитие микроэлектроники часто описывается через совершенствование транзисторов.

Однако современная интегральная схема представляет собой сложную сеть электронных приборов, соединённых металлическими проводниками.

Для выполнения вычислений необходимо передавать сигналы между логическими элементами, памятью и функциональными блоками.

По мере увеличения плотности интеграции сложность соответствующей сети возрастает.

При этом скорость передачи сигналов определяется не только характеристиками отдельных транзисторов.

Важную роль играют сопротивление, ёмкость и геометрия межсоединений.

Следовательно, дальнейшее развитие микроэлектроники сталкивается с самостоятельным ограничением — эффективностью передачи информации внутри вычислительной системы.

1.4.2. Электрическое сопротивление проводников
Для простого однородного металлического проводника используется соотношение:

R = ; ; L / A,

где R — электрическое сопротивление, ; — удельное сопротивление материала, L — длина, A — площадь поперечного сечения.

При уменьшении ширины и толщины проводника его сопротивление может возрастать.

Однако в нанометровом диапазоне проблема становится сложнее.

Удельное сопротивление перестаёт быть полностью независимым от геометрии.

Возрастает влияние рассеяния электронов на поверхностях и границах кристаллических зёрен.

Следовательно, уменьшение поперечного сечения может сопровождаться не только геометрическим ростом сопротивления, но и дополнительным ухудшением свойств проводящего материала.

1.4.3. Нанометровые медные проводники
Медь длительное время используется в качестве основного материала межсоединений.

Она обладает высокой электрической проводимостью.

Однако при уменьшении размеров проводников её эффективное удельное сопротивление может заметно возрастать.

Исследования NIST показали существенную роль поверхностного рассеяния электронов в медных проводниках шириной в несколько десятков нанометров.

Таким образом, электрические характеристики чрезвычайно тонкого проводника могут значительно отличаться от характеристик объёмной меди.

Это принципиально важный результат.

Он показывает, что простое уменьшение геометрии существующего материала не всегда сохраняет его прежние преимущества.

1.4.4. Диэлектрики и паразитная ёмкость
Проводники интегральной схемы взаимодействуют друг с другом посредством электрического поля.

Между соседними линиями возникает паразитная ёмкость.

Она влияет на скорость переключения и энергопотребление.

При уменьшении расстояний между проводниками электростатическое взаимодействие может усиливаться.

Для снижения паразитной ёмкости используются диэлектрики с низкой относительной проницаемостью — low-k.

Однако соответствующие материалы могут обладать механическими и технологическими ограничениями.

Особенно сложно обеспечивать их надёжность при формировании чрезвычайно узких межсоединений.

Следовательно, дальнейшее масштабирование требует одновременного совершенствования проводников и изоляционных материалов.

1.4.5. RC-задержка
Одним из простейших способов описания задержки электрического сигнала является произведение сопротивления и ёмкости.

В приближённой модели:

; ; R ; C.

Однако реальная сеть межсоединений обладает распределёнными параметрами.

Для однородной RC-линии характерное время распространения электрического изменения может возрастать приблизительно пропорционально квадрату длины линии, если погонные сопротивление и ёмкость сохраняются постоянными.

Следовательно, длинные проводники могут становиться существенным ограничителем быстродействия.

Особенно важно различать локальные и глобальные межсоединения.

Короткие соединения между близко расположенными логическими элементами обладают одними характеристиками.

Длинные линии передачи сигналов между функциональными блоками — другими.

Поэтому уменьшение отдельных транзисторов не обязательно приводит к аналогичному ускорению всей интегральной схемы.

1.4.6. Глобальные межсоединения
По мере увеличения функциональной сложности процессоров возрастает количество сигналов, передаваемых между различными блоками.

Особенно сложными становятся глобальные соединения, связывающие удалённые части кристалла.

Для обеспечения необходимой скорости используются специальные буферные элементы и многоуровневые металлические структуры.

Однако это требует дополнительной площади и энергии.

Следовательно, увеличение числа транзисторов способно сопровождаться ростом доли ресурсов, расходуемых на передачу информации.

Это одна из причин, по которым плотность интеграции не является универсальной мерой вычислительной эффективности.

1.4.7. Питание как самостоятельная сеть межсоединений
Электронные устройства требуют не только передачи информационных сигналов.

Необходимо также обеспечивать подачу электрической энергии.

По мере повышения плотности размещения транзисторов усложняется распределение питания.

Возрастают требования к сопротивлению проводников и допустимым падениям напряжения.

Одним из перспективных решений является размещение части системы электропитания с обратной стороны полупроводниковой пластины — Backside Power Delivery.

Это позволяет уменьшать конкуренцию между сигнальными и питающими проводниками за пространство в верхних металлических слоях.

Однако соответствующая технология требует новых процессов изготовления, соединения и измерения.

Следовательно, она представляет важное архитектурное решение, но не универсальное устранение физических ограничений.

1.4.8. Новые материалы межсоединений
Для преодоления ограничений традиционной меди исследуются различные металлические и альтернативные материалы.

Особое значение имеют рутений, молибден и другие проводящие структуры.

Изучаются также графен и некоторые двумерные материалы.

Однако при выборе материала необходимо учитывать не только его объёмную проводимость.

Важны свойства поверхности, контактные сопротивления, возможность формирования тонких линий, механическая устойчивость и технологическая совместимость.

Материал, обладающий перспективными фундаментальными характеристиками, может оказаться чрезвычайно сложным в промышленной интеграции.

Следовательно, выбор новых проводников представляет многокритериальную научно-инженерную задачу.

1.4.9. Архитектура памяти и перемещение данных
Одним из наиболее существенных ограничений современных вычислительных систем является необходимость постоянно передавать данные между процессором и памятью.

В ряде задач энергетическая стоимость подобного перемещения становится сравнимой или превышает стоимость непосредственно вычислительных операций.

Особенно значима эта проблема для больших интеллектуальных моделей.

Вычислительная система может иметь высокую арифметическую производительность.

Но её фактическая эффективность будет ограничиваться скоростью получения необходимых данных.

Следовательно, совершенствование архитектуры памяти представляет один из важнейших способов повышения вычислительной эффективности без обязательного уменьшения отдельных транзисторов.

1.4.10. Вычисления рядом с памятью
Одним из перспективных направлений является приближение вычислительных элементов к хранилищам данных.

Развиваются архитектуры Near-Memory Computing и Processing-in-Memory.

Их главная идея заключается в сокращении затрат на перемещение информации.

Однако подобные системы создают собственные ограничения.

Необходимо обеспечивать точность вычислений, согласование данных, программную совместимость и надёжность памяти.

Следовательно, изменение архитектуры не отменяет физических ограничений.

Оно позволяет перераспределять энергетические и временные затраты.

1.4.11. Чиплеты и корпусирование
Другим направлением является объединение нескольких кристаллов в одну вычислительную систему.

Чиплетная интеграция позволяет использовать различные технологические процессы для разных функциональных блоков.

Например, передовая логика может сочетаться с памятью и интерфейсами, изготовленными по другим технологиям.

Однако межкристальная передача данных обладает собственными ограничениями.

Необходимо учитывать энергопотребление, задержки и тепловой режим.

Следовательно, эффективность чиплетной архитектуры определяется качеством системы соединений.

Особенно важно развивать высокоплотные электрические контакты и методы трёхмерной интеграции.

1.4.12. Фотонные межсоединения
Перспективным направлением является использование оптических сигналов для передачи информации.

Фотонные технологии могут обеспечивать высокую пропускную способность на определённых расстояниях.

Особенно значительна их потенциальная роль в соединениях между вычислительными кристаллами и системами.

В 2025 году в Nature Photonics была опубликована работа о трёхмерной интеграции фотонных и электронных компонентов.

Авторы продемонстрировали высокоплотные каналы передачи данных между кристаллами.

Однако фотонная технология требует преобразования электрических сигналов в оптические и обратно.

Эти операции также потребляют энергию.

Кроме того, оптические соединения не обязательно превосходят электрические при очень коротких расстояниях и малых объёмах передачи.

Следовательно, фотоника должна оцениваться применительно к конкретным архитектурным задачам.

1.4.13. Предел скорости распространения сигналов
Передача информации связана с конечной скоростью распространения физических воздействий.

Однако для современных электронных систем важнейшим ограничением обычно становится не непосредственное достижение предельной скорости света.

Гораздо раньше проявляются сопротивление, ёмкость, паразитные связи, потери и особенности архитектуры.

Следовательно, использование фундаментального значения скорости света как единственного критерия развития межсоединений было бы методологически неправильно.

Необходимо учитывать реальные электромагнитные и технологические характеристики системы.

1.4.14. Межсоединения как возможный источник технологического скачка
Развитие микроэлектроники показывает, что значительные преимущества могут возникать не только вследствие изменения транзистора.

Новая архитектура межсоединений способна существенно повысить эффективность вычислительной системы.

Например, уменьшение расстояния между памятью и вычислительным блоком может снижать энергетические затраты.

Новая система питания способна улучшать электрическую устойчивость.

Передовое корпусирование может обеспечивать функциональную интеграцию различных технологий.

Следовательно, стратегический поиск должен учитывать всю систему передачи энергии и информации.

1.4.15. Главный вывод о межсоединениях
Будущее вычислительной мощности определяется не только способностью выполнять логические операции, но и способностью эффективно перемещать, хранить и использовать информацию.

Именно поэтому межсоединения, память и корпусирование становятся самостоятельными направлениями технологического развития.

Для Метаразвития это означает необходимость исследовать не отдельный электронный прибор, а всю архитектуру создания полезной вычислительной функции.

1.5. Экономические пределы миниатюризации
1.5.1. Почему физическая возможность не гарантирует экономическую целесообразность
Одним из наиболее значительных достижений микроэлектроники стало историческое снижение стоимости электронных вычислений.

Однако по мере усложнения технологических процессов стоимость создания новых фабрик и разработки микросхем существенно возрастала.

Поэтому физическая возможность уменьшить определённый элемент ещё не означает, что соответствующая технология будет экономически рациональной.

Особенно важно учитывать стоимость производства одного годного изделия.

Она зависит от оборудования, материалов, длительности технологического маршрута, производственной загрузки и выхода годных кристаллов.

Следовательно, экономическая эффективность определяется всей научно-производственной системой.

1.5.2. Капиталоёмкость передовых фабрик
Современная фабрика передовой логики требует значительных капиталовложений.

Особенно дорогостоящими являются литографические системы и оборудование прецизионной обработки материалов.

Необходимо создавать чистые помещения, энергетическую инфраструктуру, системы водоподготовки и контроля производственной среды.

Кроме того, разработка нового технологического процесса требует большого количества экспериментальных пластин и измерений.

Следовательно, стоимость производства включает не только непосредственно операционные расходы.

Важнейшее значение имеют амортизация оборудования и затраты на разработку технологии.

1.5.3. Оценки BCG
Boston Consulting Group исследовала экономику строительства передовых полупроводниковых фабрик.

В аналитической модели для условной американской фабрики поколения 2 нм и менее, с мощностью около 40 тысяч пластин в месяц, совокупная стоимость владения за десять лет оценивалась в диапазоне десятков миллиардов долларов.

Для будущей фабрики в анализе использовался ориентир порядка 35–43 млрд долларов.

Однако это не фактическая стоимость любой существующей фабрики.

Речь идёт о модельной оценке, зависящей от предполагаемой архитектуры производства, местоположения, стоимости оборудования, инфляции и других факторов.

Тем не менее исследование подтверждает принципиальный вывод.

Освоение передовой логики требует огромных ресурсов, которые необходимо окупать в условиях продолжающегося технологического изменения.

1.5.4. Почему передовая технология быстро устаревает экономически
Современная микроэлектроника развивается чрезвычайно быстро.

По мере появления новых производственных процессов часть продукции предыдущих поколений может постепенно снижаться в цене.

Однако фабрика должна продолжать окупать первоначальные инвестиции.

Поэтому задержка промышленного запуска способна существенно ухудшить финансовую модель.

Особенно значительна проблема новых производителей.

Они могут выходить на рынок тогда, когда действующие лидеры уже обладают более высокой загрузкой оборудования и значительным опытом оптимизации соответствующего процесса.

Следовательно, экономическая конкурентоспособность зависит не только от технологического уровня, но и от времени достижения промышленной зрелости.

Этот вывод особенно важен при оценке Rapidus.

1.5.5. Стоимость обработки полупроводниковой пластины
Одним из распространённых экономических показателей является стоимость обработки пластины.

Однако он не отражает непосредственно себестоимость готовой микросхемы.

На одной пластине могут размещаться различные количества кристаллов.

Кроме того, часть изделий оказывается дефектной.

Следовательно, необходимо учитывать количество годных функциональных устройств.

В упрощённой модели:

Стоимость одного годного кристалла ; полная стоимость обработки пластины / количество годных кристаллов.

Но данная модель не включает все затраты на проектирование, корпусирование и испытания.

Следовательно, для полного экономического анализа необходимо исследовать себестоимость законченного изделия.

1.5.6. Выход годных изделий
Выход годных кристаллов является одним из основных факторов экономической эффективности.

При увеличении сложности интегральной схемы возрастает значение технологических дефектов.

Для простой статистической иллюстрации можно использовать пуассоновскую модель:

Y ; exp(;D; ; A),

где Y — доля годных кристаллов, D; — эффективная плотность критических дефектов, A — площадь кристалла.

Однако реальное распределение дефектов может существенно отличаться от предположений простой модели.

Кроме того, дефекты способны иметь неодинаковое влияние на различные функциональные области.

Поэтому приведённое выражение является аналитическим приближением, а не универсальной производственной формулой.

Тем не менее оно показывает важную зависимость.

При прочих равных увеличение площади кристалла способно уменьшать вероятность получения полностью годного изделия.

Следовательно, экономическая эффективность интегральной схемы зависит от сочетания размеров, дефектности и архитектуры.

1.5.7. Чиплеты как экономический ответ
Одним из способов изменения экономики больших процессоров стала чиплетная архитектура.

Вместо изготовления одного чрезвычайно крупного кристалла возможно использовать несколько меньших.

При определённых условиях это повышает выход годных отдельных компонентов и позволяет использовать различные технологические поколения.

Однако появляются дополнительные затраты на корпусирование, испытания и межкристальные соединения.

Следовательно, чиплеты не гарантируют автоматического удешевления.

Их эффективность зависит от конкретной архитектуры и производственных условий.

1.5.8. Стоимость проектирования
По мере усложнения микросхем возрастают требования к архитектурному проектированию.

Необходимо создавать функциональные модели, проверять логическую корректность, разрабатывать физическое размещение элементов и учитывать ограничения производства.

Особое значение имеет стоимость фотошаблонов и подготовки технологического процесса.

Для небольших серий соответствующие затраты могут распределяться на сравнительно небольшое количество изделий.

Следовательно, переход к более передовому узлу не всегда экономически рационален.

Во многих случаях использование зрелого процесса позволяет существенно снизить совокупную стоимость разработки.

Поэтому выбор технологии должен определяться функциональными требованиями, а не исключительно стремлением использовать минимальное нанометровое обозначение.

1.5.9. Почему стоимость транзистора не всегда уменьшается
Историческая экономическая логика микроэлектроники основывалась на снижении стоимости одного транзистора.

Однако по мере роста сложности передовых процессов это преимущество становится всё менее универсальным.

Плотность интеграции может увеличиваться.

Но одновременно дорожают пластины, фотошаблоны, оборудование и разработка.

Следовательно, стоимость отдельного транзистора не обязательно продолжает снижаться с прежней скоростью.

Особенно важно учитывать, что современные транзисторы могут обладать различной функциональной ценностью.

Поэтому абсолютная стоимость одного прибора не является достаточным показателем.

Необходимо исследовать стоимость выполнения определённой полезной функции.

1.5.10. Стоимость вычислений и стоимость технологии
Для настоящей книги необходимо различать два экономических показателя.

Первый — стоимость эксплуатации уже существующего вычислительного устройства.

Второй — стоимость создания следующего технологического поколения.

Например, новая архитектура может существенно снижать энергопотребление при выполнении определённых вычислений.

Но разработка соответствующей системы может требовать чрезвычайно дорогих исследований.

Следовательно, необходимо оценивать как эксплуатационную экономику, так и экономику разработки.

Это особенно важно для Метаразвития.

Генеральная технология развития технологий должна характеризоваться не только качеством создаваемых устройств.

Необходимо измерять эффективность самого процесса их создания.

1.5.11. Стоимость эксперимента как стратегический показатель
В передовой микроэлектронике значительная часть расходов связана с проверкой новых технологических решений.

Необходимо изготавливать экспериментальные пластины, выполнять измерения и анализировать результаты.

Если гипотеза не подтверждается, требуются дополнительные циклы.

Следовательно, стоимость экспериментального поиска становится одним из основных факторов научно-технологической конкурентоспособности.

Именно здесь возникают перспективы интеллектуальной автоматизации.

Например, новые методы анализа данных могут помогать выбирать более информативные эксперименты.

Однако их результативность необходимо подтверждать сравнительными исследованиями.

Особенно важно учитывать, действительно ли сокращается полная стоимость получения проверенного результата.

1.5.12. Экономический предел как изменяющаяся граница
В отличие от фундаментальных физических ограничений, экономические пределы способны изменяться вследствие научно-технического прогресса.

Например, совершенствование оборудования может уменьшать стоимость определённой производственной операции.

Новая архитектура может снижать требования к количеству экспериментальных пластин.

Автоматизированная система способна сокращать расходы на проектирование.

Следовательно, экономическая граница технологии не является неизменной.

Однако изменение этой границы само требует ресурсов и научно-инженерных результатов.

Поэтому необходимо оценивать, насколько выгодно инвестировать в совершенствование существующего процесса по сравнению с развитием альтернативной технологии.

1.5.13. Экономический выбор между масштабированием и новой физикой
По мере усложнения традиционной микроэлектроники возрастает значение выбора дальнейшей технологической траектории.

Первый вариант заключается в совершенствовании существующих CMOS-процессов.

Второй — в развитии новых архитектур и материалов, совместимых с уже созданной производственной инфраструктурой.

Третий — в исследовании принципиально альтернативных физических способов вычислений.

Однако третий вариант обладает значительно большей неопределённостью.

Для него могут потребоваться новые средства производства, измерения и проектирования.

Следовательно, нельзя заранее утверждать, что новая физическая технология окажется дешевле традиционной микроэлектроники.

Её экономические преимущества должны доказываться независимо.

Именно поэтому программа PICO должна строиться как научно-исследовательская система с последовательной проверкой физической и промышленной осуществимости.

1.5.14. Почему пикоэлектроника не должна автоматически повторять экономику современной foundry-индустрии
Если попытаться создать перспективную пикоэлектронику исключительно посредством последовательного уменьшения традиционных транзисторов, может возникнуть необходимость воспроизводить всю чрезвычайно капиталоёмкую инфраструктуру передовых фабрик.

Однако подобная стратегия не гарантирует физического успеха.

Поэтому необходимо исследовать альтернативные подходы.

Возможно, перспективные электронные технологии будут основываться на новых материалах.

Возможно, возникнут способы использования атомарно-точных структур, существенно отличающиеся от традиционных CMOS-приборов.

Однако подобные возможности следует рассматривать как научные гипотезы.

Их осуществимость должна быть подтверждена экспериментально.

Следовательно, экономическая стратегия PICO должна формироваться на основании результатов физических исследований, а не заранее выбранной промышленной модели.

1.5.15. Главный вывод об экономических пределах
Экономический предел миниатюризации возникает тогда, когда дальнейшее уменьшение размеров перестаёт обеспечивать достаточное функциональное преимущество относительно роста полной стоимости технологии.

Однако такая граница зависит от конкретного изделия, производственного процесса и рыночных условий.

Главной экономической характеристикой будущей электроники должна стать не минимальная геометрия электронного прибора, а стоимость достижения заданного полезного технологического результата.

Для Метаразвития этот принцип необходимо дополнить ещё одним критерием — стоимостью создания последующих технологических поколений.

Системная картина физических пределов микроэлектроники
Рассмотренные ограничения тесно взаимосвязаны.

Уменьшение транзистора может усиливать туннелирование.

Попытка снизить рабочее напряжение сталкивается с ограничениями электрической устойчивости.

Рост плотности интеграции повышает требования к отводу тепла.

Уменьшение размеров проводников может увеличивать их сопротивление.

Развитие новых архитектур требует более сложного производства.

А усложнение производства повышает капитальные затраты и стоимость исследований.

Следовательно, невозможно оптимизировать только один параметр.

Необходимо исследовать всю физико-технологическую систему.

Группа ограничений Физическая или экономическая причина Основные современные направления решения
Масштабирование транзисторов Электростатические эффекты, вариабельность, сложность геометрии GAA, CFET, вертикальная интеграция, новые материалы
Квантовые ограничения Туннелирование, квантовое ограничение, атомная дискретность Новые приборные механизмы, атомарно-точная инженерия
Энергопотребление Динамические и статические потери, ограниченный теплоотвод Снижение энергозатрат, новые архитектуры, управление нагрузкой
Межсоединения Сопротивление, ёмкость, контактные ограничения Новые материалы, backside power, чиплеты, фотоника
Экономика производства Капиталоёмкость, выход годных, сложность проектирования DTCO, интеллектуальная автоматизация, специализация процессов
Таблица отражает основные исследовательские направления, а не гарантированные способы устранения соответствующих ограничений.

Особенно важно, что перечисленные направления обладают различной технологической зрелостью.

Некоторые уже используются в массовом производстве.

Другие находятся на стадии исследовательских демонстраций.

Третьи представляют долгосрочные научные гипотезы.

Поэтому необходимо строго разграничивать доказанные промышленные результаты и перспективные физические возможности.

Что физические пределы означают для PICO, NOO и META
Для настоящей книги анализ ограничений современной микроэлектроники имеет непосредственное стратегическое значение.

Прежде всего он показывает, что будущий технологический скачок не обязательно должен происходить посредством дальнейшего уменьшения обычного кремниевого транзистора.

Перспективы могут быть связаны с изменением физических механизмов, используемых материалов, архитектуры электронных приборов или способов организации вычислений.

Однако ни одна из подобных траекторий не должна считаться гарантированно успешной.

Именно поэтому необходимо развивать экспериментальную систему поиска новых решений.

PICO: исследование перспективной физической элементной базы
Основной задачей PICO должно стать исследование новых физических возможностей электроники.

Особое значение имеют атомарно-точные структуры, альтернативные материалы, квантовые механизмы управления зарядом и новые приборные архитектуры.

Но необходимо заранее установить критерии проверки.

Для каждого направления следует исследовать физическую работоспособность, воспроизводимость, надёжность и перспективы интеграции.

Особенно важно определить, обладает ли соответствующая технология преимуществами относительно существующих решений.

Например, новая электронная структура может иметь чрезвычайно малые геометрические размеры.

Но если её ток слишком мал, а технология изготовления чрезмерно сложна, практическая ценность может оказаться ограниченной.

Следовательно, критерии PICO должны быть функциональными, а не исключительно геометрическими.

NOO: интеллектуальное ускорение научного поиска
Вторая базовая субтехнология должна развивать интеллектуально-креативные исследовательские системы.

Особенно важно, что программа NOO может начинаться на существующей вычислительной инфраструктуре.

Для её первоначального развития не требуется предварительно создавать новую пикоэлектронную элементную базу.

Интеллектуальные системы могут использоваться для анализа научной литературы, моделирования материалов, планирования экспериментов и проверки инженерных ограничений.

Однако их результативность должна подтверждаться экспериментально.

Необходимо учитывать ошибки, стоимость вычислений и затраты на независимую проверку результатов.

Особенно важно исследовать способность NOO совершенствовать методы последующих исследований.

META: технология развития технологий
Генеральная программа Метаразвития должна обеспечивать совместное функционирование PICO и NOO.

При этом её задачей является не административное объединение двух научных направлений.

Необходимо создать проверяемый механизм их взаимного усиления.

Например, NOO может ускорять исследование физических гипотез PICO.

Результаты PICO могут создавать новые физические возможности для будущих интеллектуальных вычислений.

Однако подобная взаимосвязь не должна предполагаться автоматически эффективной.

Её необходимо проверять посредством сопоставимых научно-технологических циклов.

Особенно важно установить, совершенствуются ли сами методы исследования между последовательными поколениями.

Для этого предлагается использовать три уровня результативности.

Первый — качество созданной технологии.

Второй — эффективность процесса её разработки.

Третий — способность совершенствовать сам процесс разработки последующих технологий.

Именно третий уровень является определяющим для Метаразвития.

Следовательно, физические пределы традиционной микроэлектроники представляют не только технологическую проблему.

Они создают научные основания для исследования более общей задачи — разработки воспроизводимого механизма создания новых технологических возможностей.

Заключение к главе 1
Современная микроэлектроника приближается к комплексу физических, архитектурных и экономических ограничений, которые существенно изменяют характер её дальнейшего развития.

Однако эти ограничения нельзя сводить к одному минимальному размеру транзистора.

Их природа значительно сложнее.

По мере уменьшения электронных структур возрастает влияние квантовых эффектов.

Усложняется управление токами утечки.

Атомная дискретность и технологическая вариабельность всё сильнее влияют на характеристики приборов.

Ограничения рабочих напряжений препятствуют продолжению прежней модели масштабирования Деннарда.

Увеличение плотности интеграции повышает требования к отводу тепла.

Сопротивление и паразитная ёмкость межсоединений становятся существенными ограничителями быстродействия.

А создание новых передовых производственных процессов требует чрезвычайно сложного оборудования и значительных капитальных вложений.

Следовательно, традиционная модель непрерывного уменьшения транзисторов перестаёт быть универсальным механизмом повышения вычислительной эффективности.

Однако это не означает завершения научно-технического прогресса.

Напротив, современная электроника вступает в период глубокого изменения физических и архитектурных оснований.

Развиваются многослойные транзисторы, новые материалы, атомарно-тонкие полупроводниковые структуры и альтернативные механизмы переключения.

Совершенствуются межсоединения, технологии памяти и методы многокристальной интеграции.

Возрастает роль интеллектуального проектирования и автоматизированного научного поиска.

В результате возникает возможность перехода от преимущественно геометрического масштабирования к более широкому технологическому развитию.

Но этот переход не должен интерпретироваться как уже доказанная пикоэлектронная революция.

Пикоэлектроника остаётся перспективным исследовательским направлением.

Её физические основания, экспериментальная воспроизводимость и промышленная осуществимость должны стать предметом самостоятельной научной программы.

При этом необходимо строго различать условные названия технологических поколений и реальные физические размеры электронных структур.

Промышленное обозначение «2 нм» не означает существования транзистора, все элементы которого имеют такой размер.

Тем более переход к пикометровому диапазону не может рассматриваться как простое продолжение уменьшения обычных CMOS-транзисторов.

Для этого необходимы принципиально новые физические подходы.

Именно в таком контексте предлагается исследовать PICO как одну из базовых субтехнологий Метаразвития.

Вторая субтехнология — NOO — должна развивать интеллектуально-креативные исследовательские системы, способные содействовать созданию и экспериментальной проверке новых технологий.

Обе программы должны начинаться одновременно.

Однако их развитие должно осуществляться в рамках генеральной технологии META.

Главной стратегической целью International NooMachines является создание, освоение и непрерывное совершенствование технологии Метаразвития — технологии опережения опережения.

Но осуществимость данной цели должна подтверждаться экспериментально.

Необходимо доказать не просто способность создать отдельный перспективный электронный прибор или интеллектуальную машину.

Требуется установить, что новая система позволяет воспроизводимо создавать последующие поколения технологий быстрее и эффективнее существующих методов.

Особенно важно подтвердить совершенствование самой исследовательской методологии.

Таким образом, физические пределы традиционной микроэлектроники представляют собой исходную научную проблему будущего технологического развития.

Они показывают, почему простой перенос прежних методов на всё меньшие масштабы перестаёт быть достаточным.

Но одновременно они позволяют определить направления новых исследований.

Предел традиционной технологии не является пределом развития. Он является границей применимости определённой физической и инженерной модели.

За этой границей начинается необходимость поиска новых принципов.

И именно здесь возникает генеральная задача Метаразвития — не только создавать новые технологии, но и проектировать воспроизводимый механизм их последовательного возникновения и совершенствования.

От уменьшения транзистора — к исследованию новых физических принципов. От совершенствования отдельных приборов — к развитию целых вычислительных систем. От создания новых технологий — к технологии Метаразвития. От опережения — к опережению опережения.

Основные источники и литература к главе 1
Dennard R. H., Gaensslen F. H., Yu H.-N. et al. Design of Ion-Implanted MOSFET’s with Very Small Physical Dimensions. IEEE Journal of Solid-State Circuits. 1974. Vol. 9, № 5. P. 256–268. Фундаментальная теория масштабирования MOS-транзисторов.
https://doi.org/10.1109/JSSC.1974.1050511
IEEE. International Roadmap for Devices and Systems: 2024 Edition. Раздел More Moore. Прогнозы приборных архитектур, межсоединений и технологической интеграции.
https://roadmaps.ieee.org/roadmaps/
imec. CMOS Scaling. Переход от FinFET к GAA, CFET, двумерным материалам и новым устройствам.
imec. Advancing the CFET-based Device Roadmap: Novel Integration Modules and Standard Cell Configurations. Сентябрь 2026 года.
Nature Communications. Challenges and Prospects of 2D Electronics for Future Monolithic Complementary Field-Effect Transistors. 18 апреля 2026 года.
https://www.nature.com/articles/s41467-026-71986-9
Nature Communications. Wafer-scale 2D MoS; Transistors with Self-aligned Angstrom Gate Length and Nanometer Channel Length. 2026 год. Экспериментальные субнанометровые затворные структуры.
https://www.nature.com/articles/s41467-026-75409-7
Nature. Directly Probing the Carrier Transfer Length in 2D-material Transistors. 2026 год. Контактные ограничения атомарно-тонких полупроводников.
https://www.nature.com/articles/s41586-026-10707-0
NIST. Subthreshold Swing and Tunnel Transistors Based on Two-dimensional Semiconductors. Исследования механизмов подпорогового переключения и альтернативных электронных приборов.
IEEE. Steep Subthreshold Slope Transistors for Low-Power Electronics: Evolution, Challenges, and Perspectives. IEEE Electron Devices Magazine. 2025.
https://doi.org/10.1109/MED.2025.3599876
Landauer R. Irreversibility and Heat Generation in the Computing Process. IBM Journal of Research and Development. 1961. Vol. 5, № 3. P. 183–191.
https://doi.org/10.1147/rd.53.0183
Nature Reviews Physics. 60 Years of Landauer’s Principle. 2021.
https://www.nature.com/articles/s42254-021-00400-8
NIST. Resistivity Dominated by Surface Scattering in Sub-50 nm Cu Wires. 2010. Исследования сопротивления нанометровых медных проводников.
IBM Research. A Perspective on Interconnect Scaling Challenges in the NanoStack Transistor Era. ASMC 2025.

Nature Reviews Electrical Engineering. Future Interconnect Materials for Highly Integrated Semiconductor Devices. 2025.
https://www.nature.com/articles/s44287-025-00233-y
Nature Reviews Materials. Engineered Interfaces in Electronic Materials for Energy-efficient Computing. 2026.
https://www.nature.com/articles/s41578-026-00949-9
Nature Photonics. Three-dimensional Photonic Integration for Ultra-low-energy, High-bandwidth Interchip Data Links. 2025.
https://www.nature.com/articles/s41566-025-01633-0
Boston Consulting Group. Navigating the Costly Economics of Chip Making. 2023. Экономика передовых фабрик и влияние сложности технологий на капитальные затраты.
McKinsey Global Institute. Semiconductors: Etching the New Map of Strategic Supply. 30 июня 2026 года. Экономика международного производства и влияние времени строительства фабрик на конкурентоспособность.
McKinsey. Moore’s Law: Repeal or Renewal? Исследование физических и экономических ограничений последующих технологических поколений.
IEEE. The International Roadmap for Devices and Systems. Основная международная дорожная карта физических приборов и вычислительных систем.
https://irds.ieee.org/
*********