Այսօր մենք կխոսենք ապագայի տրանզիստորների մասին և կբացահայտենք դրանց ստեղծման բոլոր գաղտնիքները։ Այսօր արդեն պարզ է, որ մեզ սպասվում է չիպերի արտադրության կառուցվածքի և եղանակի հսկայական փոփոխությունների շրջան, որը շուկան վաղուց չէր տեսել։ Աշխարհի մեծագույն ուղեղները անքուն գիշերներ են անցկացնում՝ մտածելով, թե ինչ բանաձևով ստիպեն առանձին ատոմներին պարել ճիշտ այնպես, ինչպես պետք է և անեն այնպիսի բաներ, որոնք, թվում է, հակասում են ֆիզիկայի օրենքներին:
Դա կլինի նաև ուժեղ մրցակցության շրջան ԱՄՆ-ի, Կորեայի և Թայվանի կիսահաղորդչային հսկաների միջև: Նրանք են, ովքեր փորձում են օգտվել գալիք պարադիգմային փոփոխությունից՝ վերականգնելու, ձեռք բերելու կամ ամրապնդելու իրենց դիրքերը որպես տեխնոլոգիական առաջատարներ: Ի՞նչ նորամուծություններ ու հեղափոխություններ են մեզ սպասում։ Փորձենք բացատրել այսօր.
Կարդացեք նաև. Ի՞նչ է AMD XDNA-ն: Ճարտարապետություն, որն ապահովում է AI-ն Ryzen պրոցեսորների վրա
Տրանզիստորների երկրաչափության փոփոխություն
Ավելի ճիշտ՝ կփոխվեն նրանց նպատակները։ Առաջին նորամուծությունը, որը կներկայացնեն (կամ եղել է) կիսահաղորդիչների երեք խոշոր արտադրողները (TSMC, Intel, Samsung), սրանք այսպես կոչված GAAFET տրանզիստորներն են։ Սա տրանզիստորների երկրաչափության առաջին նման լուրջ փոփոխությունն է 2011 թվականից ի վեր, երբ աշխարհը տեսավ Intel-ի FinFET տրանզիստորները: Ես չեմ ուզում շատ անդրադառնալ GAAFET-ների թեմային, քանի որ դա պահանջում է առանձին հոդված: Այստեղ մենք կքննարկենք միայն դրանց հիմքում ընկած հայեցակարգը:
Տրանզիստորների մանրացման արդյունքում ինժեներները սկսեցին զգալ այսպես կոչված կարճ ալիքի էֆեկտները: Մի խոսքով, քանի որ արտահոսքի և տրանզիստորի արտահոսքի միջև հեռավորությունը կրճատվում էր, խնդիրն ավելի ու ավելի մեծանում էր: Այսինքն, կափարիչը սկսեց կորցնել վերահսկողությունը ալիքով հոսող հոսանքի վրա: Տասնյակ տարի այս խնդրի լուծումն այն էր, թե ինչպես կարելի է ալիքը սիլիկոնային վաֆլի մակերևույթից դուրս պրծնել որպես լողակ (հետևաբար՝ Fin, կամ Fin, FinFET-ում): Սա թույլ է տալիս դարպասին կապվել ալիքի հետ երեք կողմերից (կամ երկու կողմից, եթե եզրն ունի սեպաձև խաչմերուկ), ինչը նրան տալիս է ավելի մեծ վերահսկողություն ընթացիկ հոսքի վրա և ավելի ճկունություն տրանզիստորների էլեկտրական պարամետրերը հարմարեցնելու համար: դիզայն.
Այնուամենայնիվ, տրանզիստորների կայուն նվազումը նշանակում էր, որ դա այլևս բավարար չէ: Անհրաժեշտ էր, որ դարպասը սկսեր շրջապատել տրանզիստորային ալիքը, այսինքն՝ ձևավորեր GAAFET տրանզիստորներ (GAA-ն Gate-All-Around-ի հապավումն է)։ Պարզ ասած, դուք կարող եք դրանք պատկերացնել որպես մի կողմում տեղադրված FinFET տրանզիստորներ, քանի որ FinFET տրանզիստորները հաճախ ունենում են երկու կամ երեք եզրեր: Այն նման է բազմաշերտ սենդվիչի, որի մեջ խողովակների կամ թիթեղների տեսքով ալիքները, որոնք գտնվում են մեկը մյուսից վեր, բաժանված են մեկուսիչի և դարպասի շերտերով: Չնայած այս հայեցակարգը հայտնի է երկար տարիներ և օգտագործում է առկա սարքավորումներն ու գործընթացները, դրա իրականացումը մանրուք չէ: Խնդիրն այն է, որ ինչ-որ փուլում ալիքի հաջորդ շերտերը կախված են օդում՝ հենված միայն ժամանակավոր «սյունով»։ Միևնույն ժամանակ, դրանց ստորին հատվածը պետք է միատեսակ ծածկված լինի մեկ ատոմի հաստությամբ դիէլեկտրիկի շերտով, այնուհետև զգուշորեն լցնել բոլոր դատարկ տարածքները նյութով:
Այն փաստը, որ GAAFET-ները չնչին չեն, ընդգծվում է իրավիճակով Samsung. 2022 թվականից կորեական պորտֆոլիոն ունի գործընթաց MBCFET տրանզիստորների հետ (մարկետինգային անվանումը Samsung GAAFET տրանզիստորների ներդրման համար): Գործնականում, սակայն, սա մրցավազքում տիպիկ պիրկային հաղթանակ է: Փաստն այն է, որ դրա օգտագործմամբ ստացված լիարժեք ֆունկցիոնալ չիպերի տոկոսն այնքան ցածր է, որ գրեթե ոչ ոք չի ցանկանում օգտագործել այն արտադրության մեջ (նույնիսկ… Samsung ձեր Exynos-ի համար): Մենք միայն գիտենք, որ այն օգտագործվում է կրիպտոարժույթի հանքագործների համար փոքր և համեմատաբար պարզ չիպեր արտադրելու համար: Ակնկալվում է, որ այս գործընթացի միայն երկրորդ սերունդը, որը հասանելի կլինի 2024 թվականին, որը կոչվում է 3GAP (չնայած որոշ աղբյուրներ ասում են, որ այն կարող է վերանվանվել 2 նմ դասի գործընթացի), ակնկալվում է, որ ավելի լայն կիրառություն կունենա:
GAAFET տրանզիստորները (Intel-ը դրա ներդրումն անվանում է RibbonFET) այս տարի պետք է մատակարարվեն Intel-ի գործարաններին՝ որպես Intel-ի 20A և 18A գործընթացների մաս, որոնք կօգտագործվեն Arrow Lake և Lunar Lake համակարգերի բաղադրիչների արտադրության համար: Այնուամենայնիվ, ոլորտի տարբեր խոսակցությունները հուշում են, որ արտադրության սկզբնական մասշտաբը կարող է սահմանափակ լինել:
Ինչ վերաբերում է TSMC-ին: Թայվանական ընկերությունը նախատեսում է օգտագործել GAAFET տրանզիստորները իր N2 գործընթացում, որը, ինչպես սպասվում է, լիովին պատրաստ կլինի մինչև 2025 թվականը: Տեսականորեն ավելի ուշ, քան նախորդ տարի Samsung և Intel, բայց երբ TSMC-ն խոսում է որոշակի գործընթաց ունենալու մասին, դա սովորաբար նշանակում է պատրաստ լինել ինչ-որ բան արտադրելու համար Apple і Nvidia, ուստի գործնականում տարբերությունը կարող է շատ ավելի փոքր լինել։
Կարդացեք նաև. Ամեն ինչ Neuralink Telepathy չիպի մասին. ինչ է այն և ինչպես է այն աշխատում
Տրանզիստորների սնուցման եղանակի փոփոխություն
Երկրորդ նորամուծությունը, որը սպասում է մեզ, կապված է այն բանի հետ, թե ինչպես են սնուցվելու միկրոսխեմաների տրանզիստորները: Ներկայումս միկրոպրոցեսորի արտադրության գործընթացը տեղի է ունենում շերտերով ներքևից վեր: Ներքևում կառուցվում են տրանզիստորներ, ապա դրանց վերևում կառուցվում են միացման ցանցեր, իսկ հետո էլեկտրական մալուխներ: Սովորաբար կան տասից քսանից ավելի շերտեր, և որքան բարձր է շերտը, այնքան մեծ է դրա տարրերը:
Առաջիկա մի քանի տարիների ընթացքում ստանդարտը կլինի այն, որ տրանզիստորների միջև միացումները կատարելուց հետո սիլիկոնային վաֆլը կշրջվի, նոսրացվի, և ուժային ուղիները կստեղծվեն վաֆլի մյուս, փայլեցված կողմում: Սա նշանակում է, որ տրանզիստորները նման կլինեն բուրգերի մեջ եփածի, ոչ թե տորթի հիմքի:
Հեշտ է կռահել, թե դա որքանով կբարդացնի չիպերի արտադրության գործընթացը, սակայն, ըստ առաջին փորձերի, BSPDN (Back Side Power Delivery Network) գործընթացը բազմաթիվ առավելություններ է բերում։ Նախ, այս մոտեցման շնորհիվ տրանզիստորները կարող են տեղադրվել միմյանց մոտ: Երկրորդ, շերտերի ընդհանուր թիվը կլինի ավելի փոքր: Երրորդ, սնուցման ամենաբարձր մակարդակից տրանզիստորին միացումներն ավելի կարճ կլինեն: Իսկ դա նշանակում է ավելի քիչ էներգիայի կորուստ և մատակարարման լարման նվազեցման հնարավորություն։ Այս լուծումն իրականացնելու ճշգրիտ եղանակները կարող են տարբեր լինել բարդությամբ և հնարավոր առավելություններով, սակայն շուկայի բոլոր հիմնական խաղացողներն ասում են, որ խաղը միանշանակ արժե մոմը:
Այս տարվա վերջին մենք առաջին անգամ կտեսնենք BSPDN-ն գործողության մեջ Intel Pro-ումcess 20A (Intel-ը դրա իրականացումն անվանում է PowerVia): Այս արագ զարգացումը Intel-ը պարտական է նրանով, որ որոշ ժամանակ աշխատել է այս տեխնոլոգիայի վրա՝ անկախ տրանզիստորների երկրաչափությունը փոխելու և ավելի նոր մեքենաների կիրառումից։ Սա նշանակում է, որ նա կկարողանա այն ինտեգրել գրեթե ցանկացած ապագա գործընթացի մեջ:
Samsung դեռևս որևէ պաշտոնական տեղեկատվություն չի տրամադրել, թե երբ կսկսի օգտագործել BSPDN հետադարձ կապի գործընթացի իր տարբերակը: Շատ նորություններ չկան, բայց մենք գիտենք, որ Intel-ն արդեն փորձարկում է այս լուծումը։ Իսկ ոլորտի խոսակցությունները խոսում են դրա իրականացման հնարավորության մասին 2 թվականին նախատեսված SF2025 գործընթացում կամ հաջորդում, որը նախատեսված է 2027 թվականին։
TSMC-ն նույնպես ժամանակ է հատկացնում այս ոլորտում և հայտնում է, որ թեև առաջին փորձերը լավ արդյունքներ են բերում, այն մտադիր է BSPDN-ը ներմուծել N2P գործընթացում, որը նախատեսվում է իրականացնել միայն 2026 և 2027 թվականների վերջում:
Կարդացեք նաև. Teleportation-ը գիտական տեսանկյունից և դրա ապագան
Թիթեղների ազդեցության մեքենաների փոփոխություն
Միկրոպրոցեսորների արտադրության մասին ոչ մի լուրջ խոսակցություն ամբողջական չէ առանց Ռեյլի չափանիշի հիշատակման: Լիտոգրաֆիայի դեպքում, այսինքն՝ սիլիցիումային վաֆլիների մերկացման գործընթացում, սա ստանում է հետևյալ բանաձևի ձևը.
CD = k1 • λ / NA.
Պարզ ասած, սա նշանակում է, որ ամենափոքր տարրի չափը, որը կարող է ստեղծվել լույսի միջոցով սիլիկոնային վաֆլի մակերեսի վրա, կախված է երեք թվերից.
k1-ը գործնականում առանց հարթության գործակից է, որը ցույց է տալիս գործընթացի արդյունավետությունը.
λ-ը լույսի ալիքի երկարությունն է, որը լուսավորում է թիթեղը.
NA-ն օպտիկական համակարգի թվային բացվածքն է։
Երկար տարիներ տրանզիստորների փաթեթավորման խտությունը մեծացնելու հիմնական միջոցը եղել է ավելի կարճ ալիքի երկարությամբ լույսի օգտագործումը: Մենք սկսեցինք մի քանի հարյուր նանոմետր մակարդակից և կարողացանք համեմատաբար արագ անցնել 193 նմ ալիքի երկարությամբ լույսի օգտագործմանը, որի վրա կիսահաղորդչային աշխարհը խրված է եղել շատ ավելի երկար, քան ցանկանում էր: Տարիներ շարունակ հետազոտություններից, ուշացումներից և միլիարդավոր դոլարների ծախսերից հետո 2019 թվականին ASML-ի ուլտրամանուշակագույն լիտոգրաֆիայի մեքենաները վերջապես հայտնվեցին շուկա: Նրանք օգտագործում են ուլտրամանուշակագույն լույսը (EUV) մոտ 13,5 նմ ալիքի երկարությամբ և այժմ օգտագործվում են չիպերի արտադրության բոլոր առաջադեմ ձեռնարկություններում: Այնուամենայնիվ, սա, հավանաբար, վերջին անգամն է, որ λ-ն հաջողությամբ կրճատվել է վերը նշված բանաձեւում:
Դրա համար դուք ստիպված կլինեք խաղալ ԱԺ փոխելու հետ: Դուք կարող եք պատկերացնել NA-ն որպես տեսախցիկի ոսպնյակի բացվածք: Այս անչափ թիվը որոշում է, թե որքան լույս է հավաքում օպտիկական համակարգը: Վիմագրական մեքենաների դեպքում դա նշանակում է (ըստ վերը նշված բանաձևի), որ եթե ուզում ենք ավելի ու ավելի փոքր հատկանիշներ անել, այնքան բարձր պետք է լինի ՆԱ-ն։ Ներկայումս օգտագործվող ASML մեքենաներն ունեն 0,33 NA: Հաջորդ քայլը օպտիկական համակարգի բարձր թվային բացվածքով մեքենաներն են, որոնք ունեն 0,55 NA:
Պարզ է թվում, բայց այս բիզնեսում ոչինչ պարզ չէ: Սա լավագույնս ցույց է տալիս այն փաստը, որ High-NA մեքենաները շատ ավելի մեծ են և ավելի քան երկու անգամ ավելի թանկ, քան իրենց նախորդները (մոտ 400 միլիոն դոլար՝ մոտ 150 միլիոն դոլարի դիմաց), մինչդեռ ունեն ավելի քիչ թողունակություն: Հետևաբար, թեև բոլորը գիտեն, որ սա ամենաառաջադեմ պրոցեսորների արտադրության ապագան է, այն հաճախ ընկալվում է որպես անհրաժեշտ չարիքի ձև:
Intel-ն ամենաարագն է օգտագործել EUV High-NA մեքենաները: Ամերիկյան ընկերությունն արդեն գնել է այս տեսակի առաջին հասանելի մեքենան, որն այժմ տեղադրվում է Օրեգոնում գտնվող ընկերության գործարաններից մեկում։ Բացի այդ, Intel-ը նախատեսում է գնել այս տարի արտադրված մեքենաների մեծ մասը: Հայտնի է, որ մշակողները նախատեսում են լայնածավալ High-NA լիտոգրաֆիա օգտագործել 14A գործընթացում, որը ակնկալվում է, որ օրվա լույսը կտեսնի 2026-ին կամ 2027-ին (եթե ամեն ինչ ընթանա ըստ պլանի):
Միաժամանակ, Samsung և TSMC-ն չեն շտապում, կասկածում են այս սարքավորումների օգտագործման տնտեսական իմաստին մինչև 1-նմ գործընթացի իրականացումը, այսինքն մինչև մոտ 2030 թվականը։ Փոխարենը, նրանք մտադիր են քամել լավագույնը EUV մեքենաներից, որոնք արդեն ունեն տարբեր հնարքներով և գործընթացների բարելավումներով, որոնք ընկնում են k1 գործոնի հովանու ներքո:
Հետաքրքիր է նաև. Ինչպես են Թայվանը, Չինաստանը և ԱՄՆ-ը պայքարում տեխնոլոգիական գերակայության համար. չիպերի մեծ պատերազմ
Անցեք 3D-ի
Հիմա մենք սկսում ենք անցնել անորոշ ապագայի, հետազոտական աշխատանքների և ընդհանուր ենթադրությունների, այլ ոչ թե կոնկրետ ծրագրերի գոտի։ Այնուամենայնիվ, համայնքը բավականին միաձայն է, որ կգա ժամանակ, երբ տրանզիստորները պետք է տեղադրվեն միմյանց վրա, քանի որ X և Y-ի մասշտաբները գործնականում հասնում են իրենց սահմանին: Ներկայումս միմյանց կողքին տեղադրված են P և N տիպի տրանզիստորներ։ Նպատակն է N տիպի տրանզիստորները դնել P տիպի տրանզիստորների վրա՝ այդպիսով ստեղծելով տրանզիստորների «սենդվիչներ», որոնք կոչվում են CFET (լրացուցիչ FET): Նման դիզայնի հասնելու երկու հիմնական մեթոդ է ուսումնասիրվում՝ մոնոլիտ, որտեղ ամբողջ կառուցվածքը կառուցված է մեկ թիթեղի վրա և հաջորդական, որտեղ N և P տիպի տրանզիստորներն արտադրվում են իրար «սոսնձված» առանձին թիթեղների վրա։
Փորձագետների կարծիքով, միկրոպրոցեսորների արտադրության շուկան երրորդ հարթություն կմտնի մոտ 2032-2034 թվականներին: Ներկայումս հայտնի է, որ Intel-ը և TSMC-ն ինտենսիվ աշխատում են այս տեխնոլոգիայի իրենց ներդրման վրա, սակայն Samsung, հավանաբար նույնպես չի քնում, քանի որ այս լուծումից օգտվելու հնարավոր օգուտները հսկայական են:
Հետաքրքիր է նաև. Տիեզերք. Ամենաարտասովոր տիեզերական օբյեկտները
Անցում «երկու հարթության»
Մեկ այլ խնդիր, որի հետ փորձում են հաղթահարել միկրոսխեմաների արտադրության աշխարհի ղեկավարները, սիլիցիումի սովորական պակասն է: Այս տարրը հավատարմորեն ծառայել է մեզ մի քանի տասնամյակ, բայց դրա սահմանափակ քանակությունը սկսում է անհնարին դարձնել ավելի փոքր և արագ տրանզիստորների հետագա արտադրությունը: Հետևաբար, այսպես կոչված երկչափ նյութերի հետազոտությունները, որոնք կարող են փոխարինել սիլիցիումին տրանզիստորային ալիքում, շարունակվում են ամբողջ աշխարհում: Սրանք նյութեր են, որոնց հաստությունը կարող է լինել մի քանի կամ միայն մեկ ատոմ, և ապահովում են էլեկտրական լիցքի շարժունակություն, որը հասանելի չէ այս հաստության սիլիցիումի կիսահաղորդիչների համար:
Ամենահայտնի երկչափ նյութը գրաֆենն է։ Թեև դրա օգտագործումը չիպերի արտադրության մեջ դեռ ուսումնասիրվում է, բնական էներգիայի բացակայության պատճառով, կասկածելի է, թե արդյոք այն երբևէ կօգտագործվի արդյունաբերական մասշտաբով կիսահաղորդիչների արտադրության համար: Այնուամենայնիվ, հետազոտությունները, օգտագործելով TMD միացություններ (Transition Metal Dichalcogenides - պարբերական համակարգի d բլոկի անցումային մետաղների միացություններ և պարբերական համակարգի 16-րդ խմբի քալկոգեններ), ինչպիսիք են. MoS 2-ը և WSe 2-ը, որոնք իրականացվել են Intel-ի և TSMC-ի կողմից, բավականին խոստումնալից տեսք ունեն: Դրանց հետեւանքները մենք կկարողանանք տեսնել հաջորդ տասնամյակում։
Կարդացեք նաև.
- Գրաֆենի միկրոչիպերը հեռախոսներն ավելի արագ և հեշտ կդարձնեն
- Քվանտային համակարգիչների մասին պարզ բառերով
Հետաքրքիր ժամանակներ են սպասվում
Ամփոփելով՝ նշում եմ, որ գալիք տարիները հագեցած են լինելու կիսահաղորդիչների արտադրության ոլորտում նորարարություններով ու հեղափոխություններով։ Վերը նկարագրված նորամուծությունները նույնիսկ չեն սպառում թեման, քանի որ մենք ոչինչ չենք նշել համակարգչային լիտոգրաֆիայի, ոչ չիպլետների մշակման, ոչ էլ Glass պրոցեսորային բազայի հնարավոր անցման մասին։ Չխոսեցինք նաև հիշողության արտադրության առաջընթացի մասին։
Բոլորը գիտեն, որ նման շրջադարձային կետերը իդեալական են տեխնոլոգիական հետաձգմանը հասնելու համար, քանի որ մրցակիցների ձախողման հավանականությունը մեծ է։ Intel-ը նույնիսկ խաղադրույք էր կատարում ընկերության ողջ ապագայի վրա, որպեսզի կարողանա առաջարկել հաջորդ կիսահաղորդչային նորարարությունն ավելի արագ, քան մրցակիցը: ԱՄՆ կառավարությունը նույնպես շատ շահագրգռված է նորագույն չիպերի արտադրությունը Հյուսիսային Ամերիկա վերադարձնելու հարցում, ինչի պատճառով էլ միլիարդավոր դոլարներ է ներդնում Intel-ի զարգացման համար։ Այնուամենայնիվ, չիպերի սուբսիդիաները ոչ միայն ամերիկացիների համար հետաքրքրություն են ներկայացնում: Կորեայում և Թայվանում կառավարությունները նույնպես առատաձեռն նախապատվություններ են տալիս Samsung և TSMC-ն, քանի որ գիտեն, թե որքան կարևոր է ապագա ժամանակաշրջանը և որքանով է այս երկրների ապագան կախված նոր տեխնոլոգիաներից։ Ի թիվս այլ բաների, քանի որ իրենց թիկունքում կանգնած է Չինաստանը, որը նույնպես հսկայական գումարներ է ներդնում կիսահաղորդիչների արտադրության հետազոտության, զարգացման և զարգացման մեջ, բայց սա արդեն մեկ այլ հոդվածի թեմա է։
Կարդացեք նաև.