سنتحدث اليوم عن ترانزستورات المستقبل ونكشف كل أسرار إنشائها. ومن الواضح بالفعل اليوم أننا نواجه فترة من التغييرات الضخمة في هيكل وطريقة إنتاج الرقائق، والتي لم يشهدها السوق منذ فترة طويلة. تقضي أعظم العقول في العالم ليالٍ بلا نوم تتساءل عن الصيغة التي يجب استخدامها لجعل الذرات الفردية ترقص بالطريقة التي تحتاجها تمامًا وتفعل أشياء تبدو وكأنها تتحدى قوانين الفيزياء.
وستكون أيضًا فترة من المنافسة الشديدة بين عمالقة أشباه الموصلات من الولايات المتحدة وكوريا وتايوان. إنهم هم الذين يحاولون الاستفادة من التحول النموذجي القادم لاستعادة أو اكتساب أو تعزيز مواقعهم كقادة تكنولوجيين. ما هي الابتكارات والثورات التي تنتظرنا؟ دعونا نحاول شرح اليوم.
اقرأ أيضًا: ما هو AMD XDNA؟ البنية التي تدعم الذكاء الاصطناعي في معالجات Ryzen
تغيير هندسة الترانزستورات
أو بالأحرى ستتغير أهدافهم. الابتكار الأول الذي سيتم (أو كان!) تقدمه الشركات الثلاث الكبرى لأشباه الموصلات (TSMC، Intel، Samsung) ، هذه هي ما يسمى بترانزستورات GAAFET. وهذا هو أول تغيير كبير من نوعه في هندسة الترانزستور منذ عام 2011، عندما شهد العالم ترانزستورات FinFET من إنتل. لا أريد الخوض كثيرًا في موضوع GAAFETs، حيث يتطلب ذلك مقالًا منفصلاً. هنا سنناقش فقط المفهوم الكامن وراءهم.
ومع تصغير الترانزستورات، بدأ المهندسون في تجربة ما يسمى بتأثيرات القناة القصيرة. باختصار، مع قصر المسافة بين استنزاف الترانزستور واستنزافه، أصبحت المشكلة أكبر وأكبر. أي أن المصراع بدأ يفقد السيطرة على التيار المتدفق عبر القناة. لمدة اثنتي عشرة سنة، كان الحل لهذه المشكلة هو كيفية جعل القناة تبرز من سطح رقاقة السيليكون على شكل زعنفة (وبالتالي Fin، أو fin، في FinFET). يسمح ذلك للبوابة بالاتصال بالقناة من ثلاثة جوانب (أو جانبين إذا كانت الحافة تحتوي على مقطع عرضي على شكل إسفين)، مما يمنحها تحكمًا أكبر في تدفق التيار ومزيدًا من المرونة في تكييف المعلمات الكهربائية للترانزستورات مع احتياجات الشبكة. تصميم.
ومع ذلك، فإن الانخفاض المطرد في الترانزستورات يعني أن هذا لم يعد كافيا. كان من الضروري أن تبدأ البوابة في تطويق قناة الترانزستور، أي أنها شكلت ترانزستورات GAAFET (GAA هو اختصار لـ Gate-All-Around). ببساطة، يمكنك اعتبارها ترانزستورات FinFET موضوعة على جانب واحد، نظرًا لأن ترانزستورات FinFET غالبًا ما تحتوي على حافتين أو ثلاث حواف. إنه يشبه شطيرة متعددة الطبقات، حيث تكون القنوات على شكل أنابيب أو صفائح، تقع واحدة فوق الأخرى، مفصولة بطبقات من العازل والبوابة. على الرغم من أن هذا المفهوم معروف منذ سنوات عديدة ويستخدم المعدات والعمليات الحالية، إلا أن تنفيذه ليس بالأمر الهين. المشكلة هي أنه في مرحلة ما، فإن الطبقات اللاحقة من القناة معلقة في الهواء، مدعومة فقط بـ "عمود" مؤقت. وفي الوقت نفسه، يجب تغطية الجزء السفلي منها بشكل موحد بطبقة عازلة بسماكة ذرة واحدة، ثم ملء جميع المساحات الفارغة بالمواد بعناية.
يتم تسليط الضوء على حقيقة أن GAAFETs ليست تافهة من خلال الموقف Samsung. منذ عام 2022، لدى المحفظة الكورية عملية مع ترانزستورات MBCFET (الاسم التسويقي Samsung لتنفيذ ترانزستورات GAAFET). ولكن من الناحية العملية، يعد هذا انتصاراً نموذجياً باهظ الثمن في السباق. والحقيقة هي أن النسبة المئوية للرقائق التي تعمل بكامل طاقتها والتي يتم الحصول عليها باستخدامها منخفضة جدًا لدرجة أنه لا أحد تقريبًا يرغب في استخدامها في الإنتاج (حتى ... Samsung لجهاز Exynos الخاص بك). كل ما نعرفه هو أنه يتم استخدامه لإنتاج شرائح صغيرة وبسيطة نسبيًا للقائمين بتعدين العملات المشفرة. ومن المتوقع أن يتم استخدام الجيل الثاني فقط من هذه العملية، والذي سيكون متاحًا في عام 2024، والذي يسمى 3GAP (على الرغم من أن بعض المصادر تقول أنه يمكن إعادة تسميته إلى عملية فئة 2 نانومتر)، على نطاق أوسع.
يجب تسليم ترانزستورات GAAFET (تطلق إنتل على تطبيقها اسم RibbonFET) إلى مصانع إنتل هذا العام كجزء من عمليات إنتل 20A و18A، والتي سيتم استخدامها لتصنيع مكونات لنظامي Arrow Lake وLunar Lake. ومع ذلك، تشير شائعات الصناعة المختلفة إلى أن حجم الإنتاج الأولي قد يكون محدودًا.
ماذا عن TSMC؟ وتخطط الشركة التايوانية لاستخدام ترانزستورات GAAFET في عملية N2، والتي من غير المتوقع أن تكون جاهزة بالكامل حتى عام 2025. نظريا في وقت لاحق من Samsung و Intel، ولكن عندما تتحدث TSMC عن وجود عملية معينة، فهذا يعني عادةً الاستعداد لإنتاج شيء ما Apple і Nvidia، لذلك من الناحية العملية يمكن أن يكون الفرق أصغر بكثير.
اقرأ أيضا: كل شيء عن شريحة Neuralink Telepathy: ما هي وكيف تعمل
تغيير طريقة تشغيل الترانزستورات
الابتكار الثاني الذي ينتظرنا يتعلق بكيفية تشغيل الترانزستورات في الدوائر الدقيقة. حاليًا، تتم عملية تصنيع المعالج الدقيق في طبقات من الأسفل إلى الأعلى. يتم بناء الترانزستورات في الأسفل، ثم يتم بناء شبكات الاتصال فوقها، ومن ثم كابلات الطاقة. عادة ما تكون هناك عشر إلى أكثر من عشرين طبقة، وكلما ارتفعت الطبقة، زادت عناصرها.
على مدى السنوات القليلة المقبلة، سيكون المعيار هو أنه بعد إجراء الوصلات بين الترانزستورات، سيتم قلب رقاقة السيليكون، وتخفيفها، وسيتم إنشاء مسارات الطاقة على الجانب الآخر المصقول من الرقاقة. وهذا يعني أن الترانزستورات ستكون مثل قطعة البرجر، وليست قاعدة الكعكة.
من السهل تخمين مدى تعقيد عملية تصنيع الرقائق، ولكن وفقًا للتجارب الأولى، فإن عملية BSPDN (شبكة توصيل الطاقة الخلفية) تجلب العديد من المزايا. أولاً، بفضل هذا النهج، يمكن وضع الترانزستورات بالقرب من بعضها البعض. ثانيا، العدد الإجمالي للطبقات سيكون أقل. ثالثاً، ستكون الاتصالات من أعلى مستوى من مصدر الطاقة إلى الترانزستور أقصر. وهذا يعني فقدًا أقل للطاقة وإمكانية تقليل جهد الإمداد. قد تختلف الطرق الدقيقة لتنفيذ هذا الحل من حيث التعقيد والفوائد المحتملة، ولكن جميع اللاعبين الرئيسيين في السوق يقولون إن اللعبة تستحق كل هذا العناء بالتأكيد.
وفي وقت لاحق من هذا العام، سنرى BSPDN قيد التنفيذ لأول مرة في Intel Process 20A (تطلق Intel على تطبيقها اسم PowerVia). وتدين إنتل بهذا التطور السريع إلى أنها تعمل على هذه التقنية منذ فترة، بغض النظر عن العمل على تغيير هندسة الترانزستورات واستخدام الآلات الأحدث. وهذا يعني أنها ستكون قادرة على دمجها في أي عملية مستقبلية تقريبًا.
Samsung لم تقدم بعد أي معلومات رسمية بشأن متى ستبدأ في استخدام نسختها من عملية تعليقات BSPDN. ليس هناك الكثير من الأخبار، ولكننا نعلم أن شركة Intel تقوم بالفعل بتجربة هذا الحل. وتتحدث شائعات الصناعة عن إمكانية تنفيذها في عملية SF2 المخطط لها في عام 2025، أو في العملية التالية المخطط لها في عام 2027.
وتأخذ TSMC أيضًا وقتها في هذا المجال، وتشير إلى أنه على الرغم من أن التجارب الأولى تحقق نتائج جيدة، إلا أنها تعتزم إدخال BSPDN في عملية N2P، المخطط تنفيذها فقط في مطلع عام 2026 و2027.
اقرأ أيضا: النقل عن بعد من وجهة نظر علمية ومستقبلها
تغيير آلات التعريض للوحة
لا يكتمل أي حوار جدي حول تصنيع المعالجات الدقيقة دون ذكر معيار رايلي. وفي حالة الطباعة الحجرية، أي عملية تعريض رقائق السيليكون، فإن ذلك يأخذ شكل الصيغة التالية:
القرص المضغوط = k1 • α / NA.
ببساطة، هذا يعني أن حجم أصغر عنصر يمكن إنشاؤه بواسطة الضوء على سطح رقاقة السيليكون يعتمد على ثلاثة أرقام:
k1 هو معامل بلا أبعاد عمليًا يشير إلى كفاءة العملية؛
α هو الطول الموجي للضوء الذي ينير اللوحة؛
NA هي الفتحة العددية للنظام البصري.
لسنوات عديدة، كانت الطريقة الرئيسية لزيادة كثافة تعبئة الترانزستورات هي استخدام الضوء بأطوال موجية أقصر بشكل متزايد. لقد بدأنا بمستوى بضع مئات من النانومتر وتمكنا من التحرك بسرعة نسبية لاستخدام الضوء بطول موجة يبلغ 193 نانومتر، وهو ما ظل عالم أشباه الموصلات عالقًا فيه لفترة أطول بكثير مما أراد. بعد سنوات من البحث والتأخير وإنفاق مليارات الدولارات، وصلت آلات الطباعة الحجرية بالأشعة فوق البنفسجية من ASML إلى السوق أخيرًا في عام 2019. وهي تستخدم الضوء فوق البنفسجي (EUV) بطول موجي يبلغ حوالي 13,5 نانومتر، وتستخدم الآن في جميع مصانع تصنيع الرقائق المتقدمة. ومع ذلك، ربما تكون هذه هي المرة الأخيرة التي تم فيها تخفيض π بنجاح في الصيغة أعلاه.
ولهذا السبب سيتعين عليك تجربة تغيير زمالة المدمنين المجهولين (NA). يمكنك اعتبار NA بمثابة فتحة عدسة الكاميرا. يحدد هذا الرقم بدون أبعاد مقدار الضوء الذي يجمعه النظام البصري. في حالة آلات الطباعة الحجرية، هذا يعني (وفقًا للصيغة أعلاه) أنه إذا أردنا عمل ميزات أصغر وأصغر، فيجب أن يكون NA أعلى. أجهزة ASML المستخدمة حاليًا لها NA يبلغ 0,33. والخطوة التالية هي الآلات ذات الفتحة الرقمية العالية للنظام البصري، والتي يبلغ NA لها 0,55.
يبدو الأمر بسيطا، ولكن لا يوجد شيء بسيط في هذا العمل. ويتجلى ذلك بشكل أفضل في حقيقة أن أجهزة High-NA أكبر بكثير وأكثر تكلفة بأكثر من ضعف تكلفة أسلافها (حوالي 400 مليون دولار مقابل حوالي 150 مليون دولار)، في حين أن إنتاجيتها أقل أيضًا. لذلك، بينما يعلم الجميع أن هذا هو مستقبل تصنيع المعالجات الأكثر تقدمًا، غالبًا ما يُنظر إليه على أنه شكل من أشكال الشر الضروري.
كانت Intel هي الأسرع في استخدام أجهزة EUV High-NA. وسبق للشركة الأمريكية أن قامت بشراء أول ماكينة متوفرة من هذا النوع، والتي يتم تركيبها حاليا في أحد مصانع الشركة في ولاية أوريجون. كما تخطط إنتل لشراء معظم الأجهزة المنتجة هذا العام. ومن المعروف أن المطورين يخططون لاستخدام الطباعة الحجرية High-NA على نطاق واسع في عملية 14A، والتي من المتوقع أن ترى النور في عام 2026 أو 2027 (إذا سارت الأمور وفقًا للخطة).
معًا، Samsung و TSMC ليسا في عجلة من أمرهما، حيث يشككان في المعنى الاقتصادي لاستخدام هذه المعدات حتى تنفيذ عملية 1 نانومتر، أي حتى عام 2030 تقريبًا. وبدلاً من ذلك، فإنهم يعتزمون استخراج أفضل ما في آلات EUV المتوفرة لديهم بالفعل باستخدام العديد من الحيل وتحسينات العمليات التي تندرج تحت مظلة عامل k1.
مثير للاهتمام أيضًا: كيف تقاتل تايوان والصين والولايات المتحدة من أجل الهيمنة التكنولوجية: حرب الرقائق الكبرى
التبديل إلى 3D
الآن بدأنا بالانتقال إلى منطقة المستقبل الغامض، والعمل البحثي والافتراضات العامة، وليس الخطط الملموسة. ومع ذلك، فإن المجتمع متفق إلى حد كبير على أنه سيأتي وقت ستحتاج فيه الترانزستورات إلى التكديس فوق بعضها البعض عندما يصل مقياس X وY عمليًا إلى الحد الأقصى. حاليًا، يتم وضع الترانزستورات من النوع P والنوع N بجانب بعضها البعض. الهدف هو تكديس الترانزستورات من النوع N فوق الترانزستورات من النوع P، وبالتالي إنشاء "شطائر" من الترانزستورات تسمى CFETs (FETs التكميلية). تتم دراسة طريقتين رئيسيتين لتحقيق مثل هذا التصميم: متجانسة، حيث يتم بناء الهيكل بأكمله على لوحة واحدة، ومتسلسلة، حيث يتم تصنيع الترانزستورات من النوع N و P على لوحات منفصلة يتم "لصقها" معًا.
وبحسب الخبراء، فإن سوق إنتاج المعالجات الدقيقة سيدخل البعد الثالث حوالي عام 2032-2034. ومن المعروف حاليًا أن Intel وTSMC تعملان بشكل مكثف على تطبيقاتهما لهذه التقنية، ولكن Samsung، ربما لا ينام أيضًا، لأن الفوائد المحتملة لاستخدام هذا الحل هائلة.
مثير للاهتمام أيضًا: الكون: أكثر الأجسام الفضائية غرابة
الانتقال إلى "بعدين"
هناك مشكلة أخرى يحاول قادة عالم تصنيع الدوائر الدقيقة مواجهتها وهي أن هناك نقصًا عاديًا في السيليكون. لقد خدمنا هذا العنصر بأمانة لعدة عقود، لكن كميته المحدودة بدأت تجعل من المستحيل تصنيع ترانزستورات أصغر وأسرع. ولذلك، فإن الأبحاث حول ما يسمى بالمواد ثنائية الأبعاد التي يمكن أن تحل محل السيليكون في قناة الترانزستور مستمرة في جميع أنحاء العالم. هذه هي المواد التي يمكن أن يكون سمكها عدة ذرة أو ذرة واحدة فقط، وتوفر إمكانية تنقل الشحنة الكهربائية، وهو أمر غير متوفر لأشباه الموصلات السيليكونية بهذا السماكة.
أشهر مادة ثنائية الأبعاد هي الجرافين. على الرغم من أن استخدامه في إنتاج الرقائق لا يزال قيد الاستكشاف، بسبب عدم وجود فجوة طاقة طبيعية، فمن المشكوك فيه ما إذا كان سيتم استخدامه على نطاق صناعي لإنتاج أشباه الموصلات. ومع ذلك، فإن الأبحاث باستخدام مركبات TMD (ثنائي كالكوجينيدات الفلز الانتقالي – مركبات الفلزات الانتقالية من الكتلة d من الجدول الدوري ومركبات الكالكوجينات من المجموعة 16 من الجدول الدوري)، مثل تبدو MoS 2 وWSe 2، التي أجرتها Intel وTSMC، واعدة جدًا. وسنكون قادرين على رؤية عواقبها في العقد المقبل.
اقرأ أيضا:
أوقات مثيرة للاهتمام في المستقبل
وخلاصة القول، أشير إلى أن السنوات القادمة ستكون مليئة بالابتكارات والثورات في مجال إنتاج أشباه الموصلات. الابتكارات المذكورة أعلاه لا تستنفد الموضوع حتى، لأننا لم نذكر أي شيء عن الطباعة الحجرية للكمبيوتر، ولا عن تطوير الشرائح، ولا عن الانتقال المحتمل إلى قاعدة المعالجات الزجاجية. كما أننا لم نتحدث عن التقدم في إنتاج الذاكرة.
يعلم الجميع أن نقاط التحول هذه مثالية للحاق بالتأخر التكنولوجي، حيث أن احتمال فشل المنافسين كبير. حتى أن إنتل راهنت بمستقبل الشركة بأكمله على قدرتها على تقديم ابتكار أشباه الموصلات التالي بشكل أسرع من المنافسة. كما أن حكومة الولايات المتحدة مهتمة جدًا بإعادة إنتاج أحدث الرقائق إلى أمريكا الشمالية، ولهذا السبب تستثمر مليارات الدولارات في تطوير شركة إنتل. ومع ذلك، فإن دعم الرقائق ليس مجرد مجال اهتمام للأمريكيين. وفي كوريا وتايوان، تقدم الحكومتان أيضًا أفضليات سخية Samsung وTSMC، لأنهم يعرفون مدى أهمية الفترة المستقبلية ومدى اعتماد مستقبل هذه البلدان على التقنيات الجديدة. من بين أمور أخرى، لأن الصين تقف وراءهم، والتي تستثمر أيضًا مبالغ ضخمة في البحث والتطوير وتطوير إنتاج أشباه الموصلات، ولكن هذا بالفعل موضوع لمقال آخر.
اقرأ أيضا: