Якими будуть смартфони в найближчі п'ять років

У найближчі пʼять років світовий ринок смартфонів перебудується. Радикальні зміни торкнуться всієї IT-сфери. Потужний поштовх розвитку галузі забезпечать нові технології, які дозволять зробити чергові кроки в мініатюризації чіпів.

У травні американська компанія IBM анонсувала розробку першого в світі чіпа розміром 2 нм (нанометра). Незадовго до цього південнокорейська Samsung і тайванська TSMC оголосили про плани вже наступного року запустити виробництво чіпів розміром 3 нм. Можна не сумніватися, що в цю гонку включаться і інші компанії.

Однак важливо підкреслити, що йдеться не тільки про кількісні зміни на кшталт зменшення розміру і зниження енергоспоживання, хоча вони дуже вражають, але й про появу якісно нових можливостей. Споживачі отримають не просто більш потужні і економічні, а й більш розумні смартфони, ноутбуки і різні гаджети.

Фінішний ривок технологій

За останні 50 років розміри напівпровідникових мікросхем зменшилися в 2000 разів. У 1971 р. провідні виробники пропонували транзистори розміром 10 мкм (мікрометрів). 1 мкм — це тисячна частка міліметра, а нанометр ще в тисячу разів менший.

До 1984 р. було освоєно виробництво транзисторів розміром 1 мкм, тобто 1000 нм. У 1993-му — 350 нм, в 1999-му — 180 нм. Далі розміри чіпів зменшувалися вдвічі приблизно кожні чотири роки: в 2003-му — 90 нм, в 2007-му — 45 нм, в 2012-му — 22 нм, в 2016-му — 10 нм, в 2020-му — 5 нм.

Цей ряд чисел виглядає нудним до позіхання, проте він чудовий тим, що зовсім скоро повинен обірватися. Безжальна природа байдужа до благань людей. І вона встановила жорстку межу нашим можливостям нарощувати потужність смартфонів і взагалі будь-якої електроніки на базі кремнієвих напівпровідників (при збереженні розміру пристроїв). Діаметр атома кремнію дорівнює 0,22 нм. Тобто вже зараз товщина окремих елементів чіпа становить буквально кілька атомів.

Фактично ми вже майже підійшли до межі. І зараз стаємо свідками того, як технології роблять фінішний ривок, пориваючись до своїх останніх рекордів.

Можна вважати консенсусною оцінку учасників ринку, що межа — це близько 2 нм. Очікується, що вона буде досягнута провідними виробниками вже через пʼять років.

Амбіції Samsung

У березні південнокорейська компанія Samsung представила перший робочий зразок 3-нм процесора, виготовленого за допомогою запатентованих транзисторів MBCFET. Ми не будемо заглиблюватися в особливості технології, а відразу перейдемо до досягнутих результатів. Система обійшла 7-нм технологічний процес, який широко використовується в сучасній електроніці, за всіма параметрами. За словами представників компанії, в порівнянні з 7-нм техпроцесом нове рішення гарантує аналогічну продуктивність при економії енергії до 50%, підвищить продуктивність на 35% при збереженні енергоспоживання і зменшить площу одного транзистора на 45%, завдяки чому щільність розміщення транзисторів зросте більш ніж на 80%. Останній фактор відіграє найважливішу роль — Samsung зможе зібрати, не збільшуючи площу кристала, майже вдвічі більшу кількість логічних компонентів.

Уже кілька років Samsung регулярно ділилася інформацією про перспективи 3-нм техпроцесу. Представники компанії говорили про масштабне будівництво виробничих ліній. При цьому реальні показники нової технології залишалися під питанням — Samsung відмовлялася демонструвати свої прототипи. Але тепер все змінилося — працездатність чіпа, створеного за 3-нм техпроцесом на основі технології MBCFET, підтверджена на практиці і може бути реалізована в споживчих пристроях.

Згідно з інформацією Bloomberg Samsung вже затвердила старт виробництва 3-нм чіпів. Ключові клієнти компанії отримають перші партії мікросхем до кінця наступного року.

Амбіції TSMC

Тайванська TSMC, найбільший у світі виробник мікросхем за контрактом, була першою компанією, яка в середині 2020 р. почала багатосерійне виробництво чіпів з використанням 5-нм техпроцесу. У порівнянні з їх 7-нм техпроцесом отримано збільшення продуктивності на 15% (при тій же потужності і складності) або зниження енергоспоживання на 30% (при тій же продуктивності і складності). При цьому площа одного транзистора зменшена на ті самі 45%. Тобто TSMC вже отримала при переході з 7 на 5 нм той ефект, якого Samsung планує досягти в майбутньому при переході з 7 на 3 нм.

За оцінками аналітиків China Renaissance, серед усіх технологій, запущених у виробництво, TSMC N5 має найвищу щільність транзисторів — близько 170 млн на квадратний міліметр. Samsung Foundry 5LPE може похвалитися щільністю до 130 млн, а Intel 10 нм — близько 100 млн транзисторів на 1 кв. мм.

У другій половині 2022 р. TSMC розгорне багатосерійне виробництво чіпів з використанням 3-нм техпроцесу. У порівнянні з їх поточним процесом N5 TSMC N3 обіцяє підвищити продуктивність ще на 10–15% або знизити енергоспоживання на 25–30%. При цьому площа одного транзистора буде зменшена ще на 42%. В результаті щільність розміщення транзисторів зросте більш ніж на 70%, якщо порівнювати з 5-нм техпроцесом, а якщо порівнювати з 7-нм — більш ніж утричі.

Після цього TSMC планує освоїти 2-нм техпроцес на основі транзисторів GAAFET. У недавньому річному звіті компанії говориться, що робота над ними успішно триває.

Амбіції IBM

У травні американська компанія IBM повідомила про створення першого дослідного напівпровідника за технологією 2 нм, вмістивши 50 млрд транзисторів на чіпі розміром з ніготь (точніше, 150 кв. мм). Це означає рекордну щільність транзисторів — 333 млн на 1 кв. мм. На другому місці серед усіх представлених на даний момент перспективних чіпів — вищезгаданий TSMC N3 з щільністю 292 млн транзисторів на 1 кв. мм. Третє місце у Intel 7 нм — 237 млн на 1 кв. мм.

Нова архітектура чіпа IBM дозволить збільшити продуктивність на 45% при тих самих витратах енергії, що і нинішній 7-нм техпроцес, або знизити енерговитрати на 75%, зберігши той самий рівень ефективності. Багато які 2-нм процесори, ймовірно, будуть забезпечувати щось середнє, а саме баланс між підвищенням продуктивності і зниженням енергоспоживання.

Мобільні пристрої на базі 2-нм техпроцесу зможуть працювати на тому ж акумуляторі в чотири рази довше, ніж сучасні, виготовлені за технологією 7 нм. Отже, заряджати їх доведеться приблизно раз на чотири дні.

Також може бути отримане значне прискорення функцій смартфона і ноутбука, від роботи з різними додатками до синхронного перекладу прямо під час розмови з іншомовним співрозмовником, і більш швидкий доступ до інтернету.

Автономні транспортні засоби зможуть швидше виявляти обʼєкти і реагувати на них. Тобто можна сподіватися, що безпілотні таксі стануть надійнішими і безпечнішими.

Нова технологія також допоможе в кілька разів знизити витрати центрів обробки даних на електроенергію. Якщо врахувати, що на дата-центри зараз вже припадає 1% світового споживання енергії, то переведення усіх їхніх серверів на 2-нм процесори може дати не тільки вельми значну економію грошей, а й значний екологічний ефект у вигляді скорочення вуглецевого сліду.

Більше транзисторів в мікросхемі також означає, що у розробників процесорів є більше можливостей для впровадження інновацій на рівні ядра, щоб поліпшити можливості для передових робочих навантажень, таких як штучний інтелект і хмарні обчислення, а також нові шляхи для апаратної безпеки і шифрування, зазначає IBM.

Правда, анонс нової технології і початок виробництва чіпів в промислових масштабах — завдання різні і однаково складні. Але важливо зазначити, що IBM як найбільший світовий дослідний центр з перспективних напівпровідникових технологій співпрацює практично з усіма провідними виробниками чіпів — Intel, AMD, Nvidia, TSMC, Samsung тощо. Це означає, що якщо розробка IBM дійсно виявиться успішною, то всі виробники, від Intel до TSMC, вже приблизно через пʼять років будуть на 2-нм техпроцесі — або на своєму власному, або на тому, що запропонує IBM.

Амбіції Європи

Зазначимо, що в конкуренцію між американськими і азіатськими виробниками мають намір вклинитися європейці. Серйозність цих планів засвідчила декларація Європейської ініціативи щодо процесорів і напівпровідникових технологій, підписана країнами Євросоюзу в грудні 2020 р.

У документі констатується, що частка ЄС на світовому ринку напівпровідників обсягом 440 млрд євро становить всього лише близько 10%. Євросоюз все більше залежить від мікросхем, вироблених в інших регіонах світу. Тому ставиться завдання "посилити здатність Європи розробляти процесори і напівпровідники наступного покоління. Це включає в себе мікросхеми і вбудовані системи, які забезпечують найкращу продуктивність для конкретних додатків у широкому діапазоні секторів, а також передове виробництво, яке поступово переходить до 2-нм вузлів для процесорної технології".

На ці цілі країни ЄС зобовʼязалися спрямувати чималу суму — 145 млрд євро — протягом наступних двох-трьох років. Завдяки цьому, згідно з декларацією, має бути досягнуте значне збільшення виробничих потужностей в ЄС з виробництва напівпровідників і вбудованих систем по всьому ланцюжку створення вартості, а також процесорних мікросхем зі значним підвищенням енергоефективності та швидкості до 2025 р.

Звичайно, не факт, що ці плани будуть реалізовані. Але в будь-якому разі ця декларація відображає своєрідність нинішнього пʼятиріччя. Зараз у європейських компаній ще є вікно можливостей взяти участь у переділі ринку. Через пʼять років можна буде констатувати: хто не встиг, той запізнився.

Чого чекати далі

Отже, вже через кілька років увесь світ почне переходити на смартфони та ноутбуки з 2-нм процесорами. Технологічні пошуки на цьому, зрозуміло, не зупиняться. Уже багато років розробляються альтернативні технології, які могли б прийти на заміну традиційній електроніці на базі кремнієвих напівпровідників.

Наприклад, у звіті TSMC за 2020 р. підкреслюється пошук наступних поколінь матеріалів і транзисторних структур, які будуть використовуватися через багато років у майбутньому. "Посилені дослідні роботи TSMC зосереджені на вузлах за межами 2 нм в таких сферах, як тривимірні транзистори, нова памʼять і міжзʼєднання з низьким опором, які знаходяться на шляху до створення міцної основи для впровадження в багато технологічних платформ", — йдеться у звіті.

Зазначимо також, що ще півтора року тому аналогічні плани анонсувала компанія Intel. За допомогою нових матеріалів і нових конструкцій транзисторів вона має намір вже в 2029 р. отримати чіпи розміром 1,4 нм.

Але тут є одне але: всі ці нові технології шалено дорогі. І навіть якщо вони дійдуть до втілення в виробництво, то насамперед будуть реалізовані в космічних апаратах, ракетах, літаках, вертольотах тощо. Спочатку це зможуть собі дозволити тільки армії найбагатших країн світу.

А для масових споживачів настане нова реальність. Вже зараз можна спокійно передбачити, якими будуть смартфони, планшети, ноутбуки через 50 або 100 років: практично такими ж, якими вони будуть через пʼять років, у 2026-му.

Звичайно, залишаться безмежні можливості для розвитку програмного забезпечення. Тобто смартфони більше не зможуть нарощувати щільність транзисторів, але, як і раніше, зможуть нарощувати свої інтелектуальні можливості.

Здається, когось це нагадує. Так, людей. Обсяг мозку людини досяг сучасних значень ще понад сотні тисяч років тому і далі не зростав. Але це не завадило людям дещо порозумнішати і навіть винайти смартфони. Тепер і у смартфонів буде аналогічний перелом в еволюції.

Найімовірніше, ми побачимо, що смартфони порозумнішали, вже через пʼять років, коли на ринок вийдуть пристрої з 2-нм процесорами. Для виробників чіпів перехід на 2-нм техпроцес буде дуже дорогим: це реально дуже складна технологія. Тому смартфони нового покоління будуть разів у два (в півтора — точно) дорожчими, ніж теперішні. І це буде фактично останнє покоління смартфонів за технологічними характеристиками. Значить, для виробників це буде немов останній бій за споживачів. І щоб виправдати різке підвищення вартості, виробники повинні будуть предʼявити якісь нові можливості.

Напевно, мало кого спокусить якась нова супер-пупер-відеокамера. Найбільш перспективними будуть два напрямки: підтримка стільникового звʼязку пʼятого і шостого покоління і вбудовані розумні функції на кшталт синхронного голосового перекладача, хмарного персонального помічника тощо. І дуже швидко вони стануть атрибутом нашого життя.