В ожидании революции
С продуктами фотоники, одного из самых сложных разделов физики, мы сталкиваемся едва ли не каждый день. Это и различные лазеры, и оптоволоконный интернет, и светодиоды в бытовой технике. На СВО, к примеру, достижения фотоники реализовались в управлении FPV-
дронами по оптоволоконному кабелю. Но сейчас речь не об этом, а о кремниевой фотонике, потенциально способной перевернуть микроэлектронную промышленность. Для начала небольшая предыстория.
Начать её стоит с американской компании NVIDIA, капитализация которой с февраля 2024 года превысила ВВП России и составила почти два триллиона долларов. МВФ утверждает, что рыночная стоимость конторы больше всех стран мира по отдельности, за исключением одиннадцати. Секрет успеха NVIDIA в выпускаемых графических процессорах, оказавшихся очень кстати для искусственного интеллекта. В начале 2024 года разработчики представили самый мощный чип в мире Blackwell B200, предназначенный как раз для ускорителей нейронных сетей. Вторым фактором разгона компании стало производство видеокарт, используемых для майнинга криптовалюты.
Blackwell B200
Сейчас самые продвинутые процессоры компании строятся на 4-нм техпроцессе, то есть размер каждого кремниевого транзистора не превышает четырех нанометров. На упоминаемом B200 таких транзисторов умещается 208 миллиардов. NVIDIA сама не выпускает такие чипы – в США для этого нет условий – этим занята тайваньская TSML. Раскручиваем клубок дальше и переносимся в Европу. Фотолитографы для производства столь претензионных процессоров производит единственная в мире компания – ASML из Нидерландов. Каждый такой фотолитограф тянет на несколько сотен миллионов долларов, но купить его может далеко не каждый.
Например, тайваньские производители микросхем имеют разрешение, а вот Китай — нет. Пекину дозволено самостоятельно выпускать чипы топологией не ниже 5 нм, что тоже неплохо, но уже относится к прошлому поколению. И Россия, разумеется, отстранена. К слову, задолго до начала СВО. Это стратегия сохранения мирового лидерства в критических технологиях, которую исповедует Америка уже не одно десятилетие. Полупроводники здесь поставлены во главу угла — страны, не допущенные до барского стола, технологически должны отставать на несколько шагов.
Кто-то скажет, что России такая миниатюризация чипов не нужна. Для высокоточного
оружия и прочего доморощенного хай-тека достаточно и 130-нм топологии, освоенной на зеленоградском «Микроне». Для оружия, может быть, и достаточно, а вот для суверенного искусственного интеллекта необходимо много чипов с меньшим энергопотреблением и с максимально возможной скоростью вычисления. В таком случае без процессоров с топологией всего в несколько нанометров (хотя бы 28-нм) не обойтись. Напомним, развитие ИИ в России признано стратегической задачей на годы вперед.
Фотолитограф ATSL
В связи с этим не очень хорошие
новости приходят из Тайваня, являющего частью полупроводникового триумвирата США-Тайвань-Нидерланды. К концу 2024 года местная компания TSML установит в своем научно-исследовательском центре в Синьчжу новую систему литографии в экстремальном ультрафиолетовом (EUV) диапазоне с высокой числовой апертурой (High-NA) от голландской ASML. Машина позволит печатать чипы по 1-нм техпроцессу, то есть на одном процессоре может уместиться более одного триллиона транзисторов. Пока это не серийный выпуск, но уже понятно, что только две компании в мире способны освоить такой уровень – упоминаемая TSML и Intel. Все остальные мимо. Если совсем упростить, то подобный «хард» сделает западный искусственный интеллект (прежде всего военный) быстрее и умнее остальных аналогов.
Но, как всегда, не обходится без нюансов.
Управление светом
Придумывать что-то новое придется в любом случае. В первую очередь из-за атомного предела. Размер атома кремния в 0,2-0,3 нанометра не позволяет создавать чипы меньшей топологии. Как мы уже знаем, 1-нм техпроцесс уже освоен. Пока в экспериментальных условиях, но освоен. Еще лет десять, и все подойдут к тупику. Если не придумают что-то новое. Например, освоят технологии кремниевой фотоники, на что сейчас вынужденно делает акцент Китай. Догнать мастеров из ASML, работающих над классическими фотолитографами, Пекин может, только запустив несколько десятков крылатых
ракет по сборочному предприятию в голландском Велдховене.
КНР на собственном оборудовании может «выпекать» 65-нм чипы – упоминаемые 5-нм микропроцессоры изготавливаются на импортной технике. Да, китайцы также умеют в параллельный импорт, но самые современные фотолитографы ему все-таки не продадут. Поэтому для Китая существуют только альтернативные пути с недоказанной эффективностью на выходе. Как, например, фотонные микропроцессоры.
Похоже, у Китая что-то начало получаться, иначе бы в Америке не встрепенулись. Причем ёкнуло и у республиканцев, и у демократов. В Соединенных Штатах, оказывается, есть Комитет Палаты представителей США по стратегическому соперничеству между Соединенными Штатами и Компартией Китая. Пара товарищей оттуда – Джон Муленаар и Раджа Кришнамурти – заявили:
«В сочетании с электроникой в полупроводниках кремниевая фотонная технология может «создать крупномасштабные вычислительные системы с более высокой пропускной способностью и улучшенной энергоэффективностью, которые выходят за рамки физических ограничений традиционных электронных чипов». Некоторые эксперты полагают, что фотонные чипы могут обеспечить 1000-кратное увеличение скорости вычислений по сравнению с существующими конструкциями электронных чипов. Кремниевая фотоника может перевернуть полупроводниковую промышленность и переопределить линии фронта в технологическом соперничестве США с КНР».
Сам Си Цзиньпин внес фотонику в качестве одного из приоритетов пятилетнего плана до 2025 года включительно. В своем заявлении он назвал кремниевую фотонику «высокотехнологичной отраслью, в которой у нашей страны есть условия для достижения прорывов раньше других». Миллиарды вкладываются в Нанкинский институт электронных приборов, в котором совместно с Huawei ведут исследования в области фотонных микросхем. Если совсем упростить, то принципиальных отличий фотоники от электроники не так много. Кремниевый фотонный чип использует в качестве передатчика информации не электронный заряд, а гораздо более шустрый фотон. На выходе кратный скачок быстродействия и значительное снижение энергопотребления. Еще и греется такой чип гораздо меньше традиционного.
Но для Китая важна еще и независимость от американского истеблишмента и голландских фотолитографов. Кажется, всё очень просто – бери и делай. Меняй электроны на фотоны. Но каждый, кто не прогуливал физику в школе, знает, что длина волны светового фотона примерно в 10000 раз меньше миллиметра, то есть составляет 0,1 микрона. У электронов длина волны кратно меньше и составляет несколько нанометров. Получается, что фотонные чипы окажутся в несколько раз больше традиционных? Для решения этого вопроса и присовокупили слово «кремниевая».
Ставка сделана на гибридные микрочипы, в которых передача информации осуществляется и электронами, и фотонами. Это теоретически позволяет выдержать миниатюрные массо-габаритные параметры. Над этой технологией работают не только в Китае, но и в Тайване, и в Соединенных Штатах. Утверждается, что при всех прочих равных «вычислительная мощность гибридных чипов превзойдет существующую в 30 раз, а потенциальный объем пропускаемых данных — в 8 раз, при этом энергопотребление снизится аж на 50%». Как только это удастся воплотить в реальном изделии, технологии на шаг приблизятся к форменной революции. Остается только пожелать, чтобы прорыв совершили кто угодно, но не технологический триумвират Соединенных Штатов, Нидерландов и Тайваня. Китай, твой ход?
