28-нм техпроцесс

28-нм техпроцесс — это технологический этап производства полупроводниковых микросхем, при котором минимальные проектные нормы (размеры элементов транзисторов) составляют около 28 нанометров. Относится к классу субмикронных техпроцессов и является одним из последних этапов, где использовались планарные (плоские) транзисторы, перед переходом к трёхмерным структурам FinFET на более тонких нормах (22 нм, 14 нм и ниже). 28-нм техпроцесс стал массовым и долгоживущим благодаря хорошему балансу между производительностью, энергопотреблением и стоимостью, и до середины 2020-х годов оставался востребованным в производстве микроконтроллеров, FPGA, чипов для автомобильной электроники и сетевого оборудования.

История

Разработка 28-нм техпроцесса началась в конце 2000-х годов. Первой компанией, объявившей о готовности к массовому производству по этой технологии, стала тайваньская компания TSMC в 2011 году. Вскоре к ней присоединились другие ведущие фаундри-производители: GlobalFoundries (США), Samsung (Южная Корея) и UMC (Тайвань). В России работы по освоению 28-нм техпроцесса велись в рамках государственной программы развития микроэлектроники, но к середине 2020-х годов серийное производство на этой норме не было запущено.

Внедрение 28-нм технологии позволило значительно повысить плотность транзисторов по сравнению с предыдущим поколением (40–45 нм) — примерно в 2 раза. При этом удалось сохранить относительно низкие тепловыделения и приемлемую стоимость масок и оборудования. Это сделало 28 нм «золотым стандартом» для многих приложений, не требующих экстремальной производительности.

Технические особенности

Типы транзисторов

28-нм техпроцесс использует планарные полевые транзисторы (MOSFET) с затвором из поликремния или металла. В отличие от более тонких норм, здесь не применяются трёхмерные структуры FinFET, что упрощает производство и снижает себестоимость. Однако для снижения токов утечки и повышения быстродействия используются следующие технологические приёмы:

• High-k диэлектрик — замена традиционного диоксида кремния (SiO₂) на материал с высокой диэлектрической проницаемостью (например, гафний-силикат). Это позволяет уменьшить толщину подзатворного слоя без увеличения туннельных токов.
• Металлический затвор — замена поликремния на металл (например, титан, алюминий) для снижения сопротивления и улучшения управления каналом.
• Напряжённый кремний — создание механических напряжений в канале транзистора для повышения подвижности носителей заряда.

Варианты техпроцесса

В рамках 28-нм технологии существует несколько разновидностей, оптимизированных под разные задачи:

• 28LP (Low Power) — низкое энергопотребление, используется в мобильных устройствах, IoT-датчиках.
• 28HP (High Performance) — высокая производительность, применяется в процессорах, графических чипах, сетевых контроллерах.
• 28HPC (High Performance Compact) — компромиссный вариант с уменьшенной площадью кристалла.
• 28FD-SOI (Fully Depleted Silicon-On-Insulator) — технология на основе кремния на изоляторе, обеспечивающая ещё более низкие утечки и радиационную стойкость. Разработана STMicroelectronics и Samsung.

Параметры

• Минимальная длина канала — 28 нм (фактически размеры отдельных элементов могут быть меньше за счёт литографических приёмов).
• Плотность транзисторов — до 1,5–2 млн транзисторов на квадратный миллиметр (в зависимости от варианта).
• Рабочее напряжение — 0,9–1,2 В для логических ядер.
• Тактовая частота — до 2–3 ГГц для высокопроизводительных вариантов.

Применение

28-нм техпроцесс нашёл широкое применение в различных сегментах электроники:

• Микроконтроллеры и системы на кристалле (SoC) — например, чипы семейства STM32 от STMicroelectronics, а также процессоры для автомобильной электроники (ADAS, информационно-развлекательные системы).
• FPGA (программируемые логические интегральные схемы) — многие модели Xilinx (серия 7 и Zynq) и Altera (Cyclone V, Arria V) выпускались по 28-нм технологии.
• Сетевые контроллеры и коммутаторы — благодаря высокой производительности и низкому энергопотреблению.
• Мобильные устройства — начальные версии процессоров Snapdragon (S4, 400-й серии) и Apple A5/A6 использовали 28-нм техпроцесс.
• Промышленная и автомобильная электроника — из-за высокой надёжности и длительного срока службы.

Преимущества и недостатки

Преимущества

• Энергоэффективность — по сравнению с 40-нм техпроцессом, потребление энергии снижено на 30–50 %.
• Стоимость — маски и оборудование для 28-нм дешевле, чем для более тонких норм, а срок жизни технологии велик (более 10 лет).
• Зрелость — технология хорошо отработана, что обеспечивает высокий выход годных кристаллов (до 90 % и выше).
• Радиационная стойкость — вариант FD-SOI особенно устойчив к космическому излучению, что важно для спутников и военной техники.

Недостатки

• Ограниченная производительность — уступает более современным техпроцессам (7 нм, 5 нм) в плотности транзисторов и тактовых частотах.
• Физические ограничения — планарные транзисторы на 28 нм близки к пределу масштабирования, дальнейшее уменьшение норм требует перехода на FinFET.
• Конкуренция — с середины 2010-х годов многие производители перешли на 22–14 нм, что снизило актуальность 28 нм для высокопроизводительных применений.

Производство в России

В Российской Федерации разработка и освоение 28-нм техпроцесса велись в рамках государственной программы «Развитие электронной и радиоэлектронной промышленности». Основным исполнителем выступало АО «Микрон» (Зеленоград) — крупнейший российский производитель микроэлектроники. К 2024 году компания сообщала о завершении этапа опытно-конструкторских работ и создании опытного производства, однако серийный выпуск чипов по 28-нм технологии не был начат. Сдерживающими факторами стали отсутствие доступа к зарубежному литографическому оборудованию (из-за санкционных ограничений) и высокая стоимость создания собственной технологической линии.

Перспективы

Несмотря на появление более тонких техпроцессов (7 нм, 5 нм, 3 нм), 28-нм технология сохраняет актуальность в нишах, где не требуется максимальная производительность, но важны надёжность, энергоэффективность и низкая стоимость. Ожидается, что к 2030 году 28-нм техпроцесс останется одним из основных для автомобильной электроники, промышленных контроллеров и устройств Интернета вещей. Некоторые производители, например TSMC, продолжают модернизировать 28-нм линии, добавляя опции для работы с высокими напряжениями (до 5 В) и улучшенной радиационной стойкостью.

Источники

• TSMC Annual Report 2011–2023.
• International Technology Roadmap for Semiconductors (ITRS) 2010–2015.
• STMicroelectronics. FD-SOI Technology Overview.
• АО «Микрон». Годовые отчёты и пресс-релизы 2020–2024.
• Журнал «Электроника: Наука, Технология, Бизнес» (статьи о 28-нм техпроцессе).