Представьте синюю светодиодную лампочку из строительного магазина за 100 ₽, и NVIDIA H100 за три миллиона. Внутри у обоих работает один и тот же физический принцип: PN-переход.

Меня это в свое время сильно удивило. Так вот эта статья примерно про то, как лампочка и видеокарта оказались родственниками.

Сразу оговорюсь: я не специалист по электронике, а мои знания физики твердого тела после университета остались где-то на среднем уровне. Скорее, я тот, кто разбирает свою перегоревшую лампочку и лезет читать Википедию. Так что, если где-то напутаю в тонкостях теории — смело дополняйте и поправляйте в комментариях. 

Та самая лампочка

Начнем с истоков, с горстки очищенного кремния. Это, на минуточку, тот самый песок из-под ваших ног, у которого отняли кислород. Сам по себе чистый кремний проводит ток плохо: носителей заряда в нем почти нет, проводить нечем.

Но если в одну половинку добавить чуть-чуть бора (буквально один атом на миллион), а в другую половинку — фосфора, то физика меняется. В половинке с фосфором появляются лишние электроны: у фосфора пять внешних электронов против четырех у кремния. Один электрон не пристраивается. 

В половинке с бором, наоборот, появляются дырки — места, где электрона не хватает. На границе между ними устанавливается невидимый заслон, через который заряды могут идти только в одну сторону.

Это и есть PN-переход. С 1947 года на нем держится вся твердотельная электроника.

Один и тот же PN-переход, просто по-разному собранный. Он работает как диод, как транзистор (тот самый, миллиарды которых сидят в процессоре) или как солнечная батарея. Да, фотовольтаика — это плоский PN-переход размером с крышу. Этот же принцип работает в фотодиоде в матрице вашего телефона и в лазере старого DVD-привода. 

Если приложить к переходу напряжение в нужную сторону, электроны и дырки начинают встречаться на границе. Электрон падает в дырку, и высвобождается энергия. И тут нам встречается развилка, на которой расходятся пути лампочки и процессора.

Облачная инфраструктура для ваших проектов

Виртуальные машины в Москве, Санкт-Петербурге и Новосибирске с оплатой по потреблению.

Подробнее →

Почему вы никогда не видели кремниевую LED

Энергия электрона в кристалле принимает только определенные значения. Возможны две зоны (мне в свое время было проще представлять их полками): валентная зона, где электрон сидит и держится за атом, и зона проводимости, где электрон свободен и может проводить ток.

Между этими зонами есть промежуток — запрещенная зона. У каждого материала своя ширина этой зоны, и именно она определяет очень многое.

Когда электрон рекомбинирует с дыркой, он отдает энергию ровно по ширине этой щели. 

Дальше возможны два варианта: 

• энергия уходит в фотон, и тогда у нас LED;

• энергия уходит в колебания решетки, и тогда кристалл просто греется.

Что именно произойдет, зависит от того, прямая у материала зона или непрямая. Дальше начинается квантовая механика. Принять ее законы на уровне привычной нам бытовой логики тяжело, но язык математики и графиков объясняет все понятнее. 

Объясню по-своему: у кремния минимум зоны проводимости и максимум валентной зоны находятся в разных точках k-пространства. 

Так физики называют «пространство импульсов», где вместо координат электрона оценивают его скорость и направление движения.

Чтобы электрон упал в дырку, ему нужно одновременно поменять и энергию, и импульс. А импульс просто так в фотон не уходит — фотон уносит его исчезающе мало. Поэтому в кремнии рекомбинация почти всегда идет через тепло.

А вот у арсенида галлия, нитрида галлия или нитрида индия-галлия (GaAs, GaN, InGaN) экстремумы зон в этом пространстве стоят строго друг над другом. Электрон может упасть в дырку без всяких ухищрений. И при этом испускает фотон. Из этих материалов получаются отличные светодиоды.

Вот почему кремниевых LED не бывает. Кремний пытаются обмануть уже лет 40: квантовые точки, наноструктурирование, легирование эрбием. В лабораториях кое-что получается, но справедливости ради: массово, дешево, и эффективно — нет. И, скорее всего, этого не будет еще очень долго.

Тогда зачем нам кремний

Если кремний так плох для светимости, почему из него делают почти всю остальную электронику? Логичный вопрос.

Дело в том, что больше нигде нет такого удачного набора компромиссов.

Кремний копеечный. Это второй по распространенности элемент в земной коре. Очищенный электронный кремний 9N-чистоты стоит порядка 50 долларов за килограмм. Аналогичная пластина GaN обойдется в десятки тысяч долларов. 

У кремния есть особенность, про которую никто не говорит за пределами инженерной тусовки. Если нагреть его в кислороде, на его поверхности вырастает диоксид кремния (SiO₂). По сути, это обычное стекло (расплавленный и остывший песок). Оно атомарно гладкое, с почти идеальной границей с кристаллом, прекрасный изолятор. 

Без этого современный MOSFET-транзистор (он же МОП-транзистор — металл-окисел-полупроводник) был бы невозможен. У других полупроводников такого нет. У германия, например, окисел растворяется в воде. В шестидесятых на эту тему была целая драма с конкуренцией кремния и германия, и победил кремний именно из-за окисла.

Размер пластин. Кремниевые слитки сегодня серийно выращивают диаметром 300 мм. Хотя я слышал, одно время индустрия хотела подобраться к 450 мм (но переход свернули и сегодня 300 мм — потолок, и, возможно, надолго). На GaN или GaAs пластины таких размеров в производстве не существуют, предел сейчас — 150 мм, да и то с трудом. А чем больше пластина (диаметр подложки), тем, естественно, ниже себестоимость каждого отдельного чипа, который с нее нарезают.

Удобная ширина зоны. 1,12 эВ — это золотая середина для электроники в комнатных условиях. Транзистор не течет сам по себе при нагреве и при этом открывается от низких напряжений.

Из кремния делают MOSFET-ы, миллиарды которых сидят на каждом современном чипе. На NVIDIA H100 их около 80 миллиардов. Восемьдесят миллиардов PN-переходов на одной пластине площадью 814 мм², где каждый переключается до двух миллиардов раз в секунду. 

Правда, в отличие от светодиода, здесь они работают на запирание тока и выполняют роль микроскопических изоляторов. Физическая основа у них одна, но если лампочку за 100 рублей можно вкрутить дома, то для работы с миллионами запертых переходов нужны совсем другие масштабы и бюджеты. В современной индустрии эту проблему решают облачные платформы: те же флагманские H100 и H200 сейчас можно арендовать в облаке Selectel, получая доступ к вычислениям без покупки дорогостоящего железа.

История GaN, или как один материал и светит, и переключает 100 ватт

Самый интересный полупроводниковый материал последних 30 лет, как мне кажется, это нитрид галлия.

В 1993 году Сюдзи Накамура (тогда инженер маленькой японской фирмы Nichia) сделал первый яркий синий светодиод на GaN. До этого синие LED как бы существовали, но были тусклые, работали от силы пару часов и годились разве что для лабораторных экспериментов. До Накамуры были работы Акасаки и Амано, которые десятилетиями учились выращивать качественные пленки GaN. В те годы это считалось почти невозможным.

В 2014 году все трое получили Нобелевскую премию по физике. Формулировка: «за изобретение эффективных синих светодиодов, которые сделали возможными яркие и энергоэффективные источники белого света».

Тут стоит остановиться. Почему именно синий был так важен?

Потому что синий чип плюс желтый люминофор в сумме дают белый свет. До 1996 года белых LED просто не было. Все белые лампочки в вашей квартире сейчас — это синий GaN-чип под слоем желтого порошка (обычно YAG:Ce). Глаз воспринимает суммарный спектр как белый.

Кстати, если вы когда-то морщились от «холодного» оттенка дешевых LED-ламп, то это потому что в их спектре провал в красно-зеленой области. У дорогих ламп люминофоров несколько, спектр выходит ровнее и ближе к естественному.

А теперь сюрприз. Тот же GaN оказался отличным материалом для силовой электроники. У него высокая подвижность электронов, высокое напряжение пробоя, маленькие потери на высоких частотах. С 2018 года GaN-транзисторы захватили рынок компактных зарядок. 

Знаете эти зарядки для ноутбука размером со спичечный коробок, выдающие 100 ватт? Это GaN. Тот же самый материал, та же кристаллическая структура, что в синем светодиоде в вашей лампе. Просто разводка металла на нем другая и работает он не на излучение света, а на коммутацию мощности.

То же самое сейчас разворачивается с карбидом кремния (SiC). Он захватывает рынок инверторов для электромобилей. Tesla Model 3 в 2018 году поехала с SiC-инвертором от STMicroelectronics и подняла системный КПД до 97%. Что для тяговой электроники очень много. Опять один и тот же фокус: у материала удачные электронные свойства, и его начали применять в совершенно разных сферах.

Одни и те же фабрики, разный масштаб

Когда говорят «фабрика микросхем», в голове рисуется чистая комната, люди в скафандрах, EUV-литограф за сотни миллионов долларов. И это правда для топовых процессоров. Но что неочевидно: установки тех же категорий используют для производства LED. Только помельче и попроще.

Базовый процесс одинаковый. Берут подложку: для кремниевых чипов — кремниевую, для синих LED — обычно сапфировую. На нее слой за слоем наносят разные материалы. Между слоями — литография: фоторезист, экспонирование через маску, проявка, травление. Потом металлические контакты. Пластину режут на кристаллы и упаковывают.

Разница тут только в требованиях:

Когда вы платите 100 рублей за LED-лампочку, кристалл внутри стоит 5–10 рублей. Остальное — это цена за драйвер, цоколь, корпус, колбу, маркетинг, логистику, а также маржа сети.

Когда вы платите (просто представим) три миллиона рублей за H100, кремниевый кристалл там стоит несколько сотен долларов. Остальное — это упаковка с интерпозером, HBM-память, тестирование, дефицит и маржа NVIDIA, конечно.

В обоих случаях кристалл занимает небольшую долю итоговой цены. Дорого стоят инструменты, которыми их расставляют.

Откуда разница в сотни тысяч 

LED-чип за 5 рублей, кристалл H100 за условные 50 000 рублей. Прикинем разницу по-фермиевски, в множителях.

Площадь кристалла дает множитель 800 (814 мм² против ~1 мм²). Сложность литографии примерно 60 (EUV-машина против контактного литографа отличаются по цене как раз настолько). Слои металлизации — 7. Брак — 2 (LED с дефектом — это потеря долей копейки, дефект на H100 — это тысячи долларов потерь). Объем выпуска и амортизация фабрики работают в обратную сторону, 0,3 (триллионы LED в год сильно удешевляют единицу).

Перемножаем: 800 × 60 × 7 × 2 × 0,3 ≈ 200 000.

Разница на лицо. И ничего волшебного в ней нет. Та же логика, что между кирпичом и многоэтажкой. Один материал, один физический принцип, но разный масштаб и разная сложность сборки.

Что я хотел этим сказать

Когда я теперь меняю перегоревшую лампочку, то я не отделяю «бытовую электронику» от «высоких технологий». Я вижу ровно тот же физический принцип, что и в чипе, на котором запускаются игры. PN-переход, запрещенная зона, электрон падает с одной «полки» на другую, высвобождается энергия, фотон или фонон. И все.

Технологии, которые казались чем-то «на переднем краю», оказываются вариациями одной и той же физики. Лампочка, чипсет, GaN-транзистор в зарядке, солнечная батарея на крыше, фотодиод в смартфоне, лазер в оптоволоконной связи, OLED-дисплей. Все они меняют состояние электронов в полупроводнике через PN-переход или его близкого родственника.

H100 в этом смысле просто очень плотно упакованная лампочка, которая вместо света делает арифметику. Огромная плотность, точность литографии до нанометров, миллиарды переходов вместо одного. А физика и ныне там.

Кстати, про перегоревшую лампочку

Когда я менял перегоревшую лампочку, она перегорела не из-за выработки ресурса светодиодов. Сами LED-чипы живут десятки тысяч часов, как и заявлено. У них дохнет драйвер. Дешевый импульсный преобразователь, обычно на BP9933C или похожем чипе, со вздувшимся электролитическим конденсатором. А сами светодиоды, скорее всего, еще работают. Их можно выпаять и использовать в чем-нибудь другом. Но это уже совсем другая статья.

Что будет следующим

Главный нерешенный вопрос полупроводниковой индустрии следующих 15 лет — что станет массовым после Si и GaN? На этом месте обычно перечисляют алмаз, β-Ga₂O₃, AlN, иногда нитридные гетероструктуры.

Я ставлю на β-Ga₂O₃. Щель 4,8 эВ, что больше чем у GaN и SiC, и обещает хорошие силовые транзисторы с высоким напряжением пробоя. Кристаллы уже умеют растить из расплава по методу EFG, а это, в отличие от алмаза, дает надежду на дешевые большие пластины в обозримом будущем.

Алмаз красив в теории: щель 5,47 эВ, рекордная теплопроводность. Но он остается непрямозонным, плохо легируется n-типом, и пластины пока очень маленькие. До массового рынка ему еще пара десятков лет.

Если вы не согласны, расскажите в комментариях, на что ставите вы и почему. Особенно интересно мнение людей, которые работают с этими материалами руками, пока я тут гадаю с дивана.