# Мысли Ч48

Валерий Алексеевич Быков

полупроводники

16+ Мысли ч48.

Нечитаемо вообще...


Некоторые мысли и примечания о полной фигне. Нечитаемо, никому не читать. Нелепая нереальная глупость про полупроводники.


Аннотация.

Выкладываю чисто для себя... Без критики. Можете не читать, а если прочитали, то слышать вашу критику не желаю, читайте для себя.


Нечитаемый текст.

Я просто как-то всё время думал, что кремний сегодня используется только в качестве подложки процессора, а сами полупроводники процессора уже давно не кремний. И вдруг выясняется, что именно кремний (и иногда германий) является основным и почти единственным полупроводником, используемым для производства микропроцессоров во всём мире.

Просто когда-то давно, история процессоров во всём мире началась именно с кремния, как самого простого и дешёвого доступного полупроводника. Что касается процессоров людей в период с 1940ого по 1998ой год, то там вообще замена кремнию просто не требовалась, потому что до скоростей 300МГц кремний работает на отлично. До скоростей 1 ГГц почти нормально, и только на скоростях свыше 1,5ГГц приходится увеличивать расход энергии, чтобы как-то ускорить процессоры быстрее и то его можно ускорить до 5ГГц и выше. И сегодня это ускорение достигло предела на отметке порядка 6ГГц, то есть это практически предельная для кремния скорость, на которой он работает при температуре около 90С и дальнейшее ускорение процессора почти невозможно и требует сильного роста энергопотребления и приводит к сильному нагреву и разрушению полупроводника. И только какие-то суперсистемы охлаждения позволяют чисто в лабораторных условиях разогнать кремниевый процессор до 8ГГц и это всё почти предел.

Меня умиляет другое, почему, достигнув предела скорости полупроводника в 2000ые годы, никто не отказался от использования кремния в пользу другого более эффективного полупроводника, тем более, более эффективные решения существуют, и хотя эти более эффективные решения немного дороже кремния, но зато они позволяют брать отметки скоростей 20ГГц, 50ГГц ну вы поняли. Просто существует огромное количество полупроводников, которые работают быстрее, чем кремний, (даже при комнатной температуре и обычном давлении) быстрее совершается переключение, и при этом тратится меньше энергии. То есть, отказавшись от кремния вполне можно сделать какой-нибудь более совершенный полупроводник, на котором 8 ядерный процессор имеет скорость 20ГГц на каждое ядро и при этом суммарное потребление энергии, например 45Вт, что немыслимо для грелок Интел работающих на частотах 6ГГц и выделяющих по 250Вт. Почему никто не отказался от кремния в пользу другого решения?

То есть да, я понимаю, что в этом случае придётся с нуля создавать новый техпроцесс производства, может быть, даже придётся разрабатывать новое устройство электронной литографии, на что, например, сам завод Интел не способен, и придётся отдельно проплачивать сотни миллионов долларов разработчику. То есть причины, почему кремний не заменяется другим более совершенным полупроводником в основном чисто традиционные, замена кремния на радикально другой полупроводник требует полной замены всей цепочки производства и создания с нуля нового оборудования, а это очень дорого.

Возможно, всё так и было, года до 2015ого, когда производитель решил, что более дешёвый путь улучшения процессоров, это увеличение количества ядер и уменьшение тех процесса. Но сейчас мы подходим к пределу физических возможностей кремния. Уже десять лет максимальная скорость процессоров фактически не меняется и танцует около 6 ГГц, при этом небольшие колебания скорости в плюс и минус достигаются в основном энергопотреблением и тепловыделением, а не принципиальным улучшением конструкции. Тоже самое можно сказать и про количество ядер, в том смысле, что 32 ядра по 4,5ГГц по-видимому предел для ПК, и процессоры с большим количеством ядер возможны только за счёт увеличения размера процессора и его энергопотребления. Соответственно это приводит и к росту цены, при этом предел печати 2 нм уже не позволяет уменьшать процессоры и дальше. То есть весь мир в принципе приплыл к потолку развития 64 разрядных кремниевых процессоров, который представляет из себя 32 ядра по 5 ГГц каждое, и да может быть когда-нибудь ценой нереальных усилий и вливания бешеных средств в улучшение тех процесса эти 32 ядра лет через 5 или позже превратятся в 64 ядра и 5,2ГГц вместо 5ГГц. То есть никакой закон Мура уже не соблюдается и дальнейшее улучшение процессоров на кремниевой основе уже невозможно даже при колоссальных затратах денег.

Я просто подвожу вопрос к тому, что, очевидно, сейчас становится разумным, поднять вопрос о полной смене всего цикла производства процессоров, и радикальной замене полупроводника кремния на другой новый более эффективный (возможно более дорогой полупроводник). То есть, окупят ли себя затраты на разработку принципиально нового процессора не на кремнии, пусть даже более дорогого, и пусть это даже обойдётся в 5 миллиардов долларов, при условии, что этот новый процессор будет работать в 10 раз быстрее чем существующие. То есть вопрос уже не стоит о том, будут ли это делать, вопрос стоит чисто "когда", это всё равно придётся делать кому-то, и тот, кто сделает это первым и лучше остальных, тот и обанкротит конкурентов продавая более быстрые и дешёвые процессоры с меньшим энергопотреблением. Поскольку такие более быстрые процессоры окупят себя даже в 2х ядерном варианте с печатью 65нм, который будет стоить дешевле 64х ядерных и работать быстрее с меньшим энергопотреблением. То есть компания производящая кремниевые процессоры в принципе никак не сможет конкурировать с принципиально новым типом процессоров. А полная перестройка всего производства требует много лет и огромных вложений.

Захватит ли рынок корпорация, которая первой наладит серийное производство процессоров, каждое ядро которых будет работать хотя бы на 20ГГц, и при этом 8 ядерный процессор будет потреблять всего 45Вт. То есть я думаю, что сейчас экономически обоснованно и рентабельно потратить 5 млрд долл на поиск и внедрение принципиально нового полупроводника, который работает с меньшими энергозатратами чем кремний, и у которого переключение происходит хотя бы в 5 раз быстрее. А такие полупроводники существуют, я не буду их называть, чтобы не спорить ни с кем, но их сотни. Их просто не используют, потому что это требует полной перестройки производства, на которую никто не готов решиться.

Да сейчас нет промышленности по массовой добыче переработке и производству идеальных монокристаллов из таких новых полупроводников, и это будет дорого. То есть, чтобы наладить массовое производство такого полупроводника придётся найти его источник, наладить добычу, наладить новый тех процесс изготовления монокристаллов и нарезания пластин. Это дорого, тем более что при массовом производстве новых процессоров нужно будет сделать это не один раз в лаборатории, а наладить новое серийное производство всей цепочки. (сейчас это огромные деньги и целая индустрия, согласен)

Да современное литографическое оборудование заточено под кремний и возможно внедрение принципиально нового полупроводника сделает невозможным печать микросхем на старом оборудовании даже после его полной перенастройки. То есть придётся потратить деньги на разработку нового оборудования, его создание и доведение до серийного производства. (именно поэтому никому и в голову не приходит слезать с кремния и перейти на новый более совершенный полупроводник)

А теперь самое главное, современное производство процессоров на кремнии достигло своего предела, дальнейшее уменьшение микрочипов невозможно, дальнейший рост скорости процессоров невозможен тоже. А значит невозможно создать более дешёвый процессор, обладающий большей скоростью, как это происходило все предыдущие годы. Когда каждые несколько лет выходил в серию новый процессор, который стоил столько же сколько более старые модели, но работал принципиально быстрее, и поэтому нам приходилось его покупать. Сегодня дальнейший прогресс процессоров, видеокарт, и даже SSD уже невозможен, потому что дальнейшее ускорение этих устройств требует более быстрых чипов с меньшим энергопотреблением на каждый выполненный герц. Сегодня уже можно заметить рост потребления энергии геймерских компьютеров до 850Вт или 1000Вт, в то время как раньше даже 450Вт уже считалось много. Потому что современные видеокарты и топовые процессоры увеличили свою мощность за счёт размера, числа ядер и роста энергопотребления, а не за счёт совершенствования конструкции, как это происходило все предыдущие годы. Топовые видеокарты и процессоры становятся мощнее за счёт того, что увеличивается количество ядер, размеры и энергопотребление. А раньше они становились мощнее за счёт роста скорости работы самих чипов, и уменьшения размеров чипов, без увеличения стоимости, размеров и энергопотребления.

Очевидно, что компания, которая первой наладит выпуск не кремниевых более совершенных процессоров, завоют рынок, и остальные кремниевые системы будут вне конкуренции. Поэтому любые вливания средств в производство процессоров и микрочипов нового типа окупят себя. Потому что новые чипы будут быстрее, и будут потреблять меньше энергии. Каждый герц выполненных ими операций будет дешевле, чем герц кремниевых процессоров, хотя при этом новый более быстрый процессор может быть и дороже.

То есть, заменив кремний другим более эффективным полупроводником (и возможно сделав это несколько раз), можно ещё несколько десятилетий увеличивать скорость работы компьютеров, не увеличивая их размеры и энергопотребление.

Изначально кремний был взят по причине своей распространённости в природе и дешевизне. Кроме того, года так до 2010ого острой необходимости в замене кремния другим полупроводником особо и не было, потому что можно было наращивать число ядер и просто уменьшать размер микрочипов. Сейчас мы не можем идти дешёвым и простым путём, потому что там мы дошли до конца. Единственный способ это отказ от кремния в пользу более эффективного полупроводника. Вопрос уже не стоит, будет ли это сделано, вопрос стоит чисто "когда и как", то есть отказ от кремния в пользу принципиально нового более дорого и совершенного полупроводника уже неизбежен. И да для его внедрения понадобится заново проработать всю цепочку производства, создать новое оборудование, что может быть очень дорого, но вполне по силам таким компаниям как Интел амд, или крупным проектам с гос. финансированием. Компания первая сделавшая это завоет рынок и станет монополистом, обанкротив конкурентов.

Существует несколько направлений развития полупроводников, которые я не хочу рассматривать, потому что не очень в них разбираюсь. Но я думаю, что специалисты скажут, что действительно есть полупроводники более совершенные, чем кремний.

Например, я читал, что полупроводники на основе сплава серы и свинца, потребляют меньше энергии и быстрее чем кремний раз в 5, что довольно много. В своё время ещё на заре компьютеров сплав серы и свинца рассматривали как основной полупроводник (вместо кремния) но в итоге от него отказались по экономическим причинам, а также из-за технологической сложности и ядовитости соединения. Возможно, специалисты, целенаправленно проработавшие тему, найдут ещё более совершенный полупроводник, чем сульфид свинца, полупроводник который будет работать быстрее и потреблять меньше энергии. Как я уже говорил, кремний был взят в работу не потому что он лучший, а потому что он самый простой дешёвый и его легче всего обрабатывать. Очевидно, сегодня создание процессора с ядром имеющим скорость 20ГГц стоит дополнительных затрат и оправдано. То есть более быстрый более дорогой процессор выгоднее кремниевого, поскольку последний подошёл к своему пределу скорости.

Также следует добавить, что очень многие вещества превращаются в полупроводники под сверхвысоким давлением, это может быть очень разное давление от 1МПа до 100ГПа. Учитывая маленькие размеры процессора, вполне реально обеспечить какую-то алмазную рубашку, внутри которой поддерживается такое давление. Возможно, такое решение будет очень дорогим, но зато процессор будет работать намного быстрее и потреблять меньше энергии, поскольку для более быстрой работы не будет требоваться разгон и критически высокие величины силы тока. (на кремниевые процессоры уже давно подают больше энергии чем нужно для стабильной работы, иначе бы скорость процессора составляла не более 1,5 ГГц, это вызывает перегрев и перерасход энергии) Известно доподлинно, что все процессы в веществе под большим давлением ускоряются, это касается и переключения полупроводника. Кроме того, многие вещества не являющиеся полупроводниками под большим давлением могут ими стать.

Очень большие перспективы имеют криогенные полупроводники, которые вывалились из-под взора современной науки, поскольку у учёных бытовало мнение, что кремний быстрее работает в нагретом состоянии. Я не спорю, что для кремния этот тезис верен, но если взять вещество, которое в принципе является полупроводником в диапазоне температур от 60 до 200 кельвин, то оно может работать и быстрее кремния, даже при температуре -200 градусов по Цельсио. Такую температуру можно достичь, разместив под процессором модуль пельте, который может охладить процессор до -200С, современные модули пельте не слишком дорогие, и способны на это.

(модуль пельте это специальный двойной полупроводник, при прохождении тока через который один полупроводник греется, а другой охлаждается, сейчас уже такие холодильники делают, они лучше тех, что используют газ или жидкость, они маленькие компактные и позволяют охлаждать что-либо до -200С, то есть до 75 кельвин)

Если процессор производит не слишком много энергии, порядка 25Вт и хорошо изолирован от окружающей среды изоляторами, то модуль пельте вполне может обеспечить температуру в процессоре порядка -200С. Кремневый полупроводник при такой температуре вообще работать не будет, многие другие традиционные полупроводники тоже. Зато существует группа элементов, обладающая полупроводниковыми свойствами только при криогенных температурах. Преимущество криогенных полупроводников очевидно, через них проще прокачивать электрический ток, обладающий большой силой тока, поскольку при низких температурах электрическое сопротивление уменьшается в несколько раз, а значит, вырабатывается меньше тепла, в том числе и самим полупроводником.


Так вот, из всех известных мне полупроводников, самый эффективный полупроводник, это идеальный монокристалл иттрия и индия (в пропорции 1 к 1), находящийся под высоким давлением от 100МПа до 50ГПа, какое кому больше нравится, и в температурном диапазоне от 50 кельвин до 210 кельвин.


(ВАЖНО: я не специалист по полупроводникам и не могу охватить всю тему, кроме того мало кто на планете проводил исследования в этой области, и уж точно никто не публиковал результаты, я сам брал данные из старых советских учебников, которые трудно назвать актуальными. Поэтому прежде чем вкладывать миллиарды долларов в разработку криогенного полупроводника, работающего под большим давлением, следует потратить 100 или 200 миллионов долларов на поиск оптимального решения и эксперименты, и только потом пытаться наладить производство революционных процессоров. Кроме того, я могу просто назвать полупроводник ошибочно.)


Идеальный монокристалл иттрия и индия является полупроводником при высоком давлении и сверхнизкой температуре. При обычных комнатных условиях этот материал полупроводником не является вообще.

Если создать процессор, работающий на иттрии и индии при температуре, например 100 кельвин и давлении 500МПа, то скорость работы такого процессора будет в среднем в тысячу раз больше, чем у современных процессоров на кремнии. То есть речь идёт о скоростях от 1тыс до 10тыс ГГц. При таких скоростях энергопотребление во много раз меньше энергопотребления кремниевых процессоров. (в том числе потому что переключение полупроводника осуществляется при маленьких энергиях и маленькой силе тока)

(возможно, кто-то предложит лучший вариант полупроводника работающего при низкой температуре и высоком давлении, но для меня очевидно, что самые быстрые полупроводники это те, которые работают не при комнатной температуре и давлении, а при низкой температуре и высоком давлении, это однозначно)


Я подвожу разговор к тому, что компания, которая первой освоит выпуск таких процессоров, станет вне конкуренции на мировом рынке. Даже одноядерный процессор со скоростью 1000ГГц однозначно завоюет рынок и вытеснит всех и любых конкурентов.

Разработка и исследования всей цепочки производства таких процессоров даже при хорошем финансировании и хороших специалистах это от 5 до 15 лет. Компания, которая наладит выпуск таких процессоров, станет мировым монополистом в области выпуска микрочипов, и никто никакими усилиями не сможет её подвинуть много лет. Тем более, что, проводя ключевые исследования, можно нахрен запатентовать всё что можно запатентовать, в итоге путь к этой технологии для конкурентов будет почти невозможен.

То есть, выпустив такой процессор можно принципиально усовершенствовать все существующие процессоры во много раз, занять весь рынок, и быть уверенным, что конкуренты ещё много лет не смогут сделать ничего подобного. В том числе потому что криогенный процессор под давлением, это тупо сложнее, чем обычный кремниевый.

Тем не менее, этот путь придётся кому-то пройти, потому что такие процессоры лучше современных. Они намного быстрее и потребляют меньше энергии. А значит тот, кто первым наладит их выпуск, станет монополистом производства всех микрочипов во всём мире на многие годы.