Bu gün biz gələcəyin tranzistorları haqqında danışacağıq və onların yaradılmasının bütün sirlərini açacağıq. Artıq bu gün aydındır ki, biz çip istehsalının strukturunda və metodunda bazarın çoxdan görmədiyi böyük dəyişikliklər dövrü ilə üzləşirik. Dünyanın ən böyük ağılları ayrı-ayrı atomları tam olaraq lazım olduğu kimi rəqs etmək və fizika qanunlarına zidd görünən şeylər etmək üçün hansı düsturdan istifadə edəcəyini düşünərək yuxusuz gecələr keçirir.
Bu, həmçinin ABŞ, Koreya və Tayvanın yarımkeçirici nəhəngləri arasında artan rəqabət dövrü olacaq. Onlar texnoloji liderlər kimi mövqelərini bərpa etmək, qazanmaq və ya gücləndirmək üçün qarşıdan gələn paradiqma dəyişikliyindən istifadə etməyə çalışanlardır. Bizi hansı yeniliklər və inqilablar gözləyir? Bu gün izah etməyə çalışaq.
Həmçinin oxuyun: AMD XDNA nədir? Ryzen prosessorlarında AI-ni gücləndirən arxitektura
Transistorların həndəsəsinin dəyişdirilməsi
Daha doğrusu, onların məqsədləri dəyişəcək. İlk üç böyük yarımkeçirici istehsalçısı (TSMC, Intel, Samsung), bunlar sözdə GAAFET tranzistorlarıdır. Bu, 2011-ci ildən, dünyada Intel-in FinFET tranzistorlarını gördükdən sonra tranzistor həndəsəsindəki ilk belə böyük dəyişiklikdir. GAAFET mövzusu üzərində çox dayanmaq istəmirəm, çünki bu, ayrıca məqalə tələb edir. Burada yalnız onların arxasında duran konsepsiyanı müzakirə edəcəyik.
Tranzistorların miniatürləşdirilməsi ilə mühəndislər sözdə qısa kanal effektlərini yaşamağa başladılar. Bir sözlə, tranzistorun drenajı ilə drenajı arasındakı məsafə qısaldıqca problem daha da böyüyürdü. Yəni, kepenk kanaldan axan cərəyana nəzarəti itirməyə başladı. On iki il ərzində bu problemin həlli kanalın silisium plastinanın səthindən üzgəc kimi çıxması idi (deməli FinFET-də fin və ya fin). Bu, darvazanın kanalla üç tərəfdən (və ya kənarında paz şəkilli en kəsiyi varsa, iki) əlaqə saxlamağa imkan verir ki, bu da ona cərəyan axını üzərində daha çox nəzarət və tranzistorların elektrik parametrlərini tranzistorların ehtiyaclarına uyğunlaşdırmaqda daha çox çeviklik verir. dizayn.
Ancaq tranzistorların davamlı azalması bunun artıq kifayət etməməsi demək idi. Qapının tranzistor kanalını əhatə etməyə başlaması lazım idi, yəni GAAFET tranzistorlarını meydana gətirdi (GAA Gate-All-Around üçün qısaldılmışdır). Sadəcə olaraq, onları bir tərəfə yerləşdirilən FinFET tranzistorları kimi düşünə bilərsiniz, çünki FinFET tranzistorlarının çox vaxt iki və ya üç kənarı var. Bu, bir-birinin üstündə yerləşən borular və ya təbəqələr şəklində olan kanalların izolyator və qapı təbəqələri ilə ayrıldığı çox qatlı bir sendviçə bənzəyir. Bu konsepsiya uzun illərdir məlum olsa da və mövcud avadanlıq və proseslərdən istifadə etsə də, onun həyata keçirilməsi əhəmiyyətsiz deyil. Problem ondadır ki, bəzi mərhələdə kanalın sonrakı təbəqələri havada asılır, yalnız müvəqqəti "sütun" tərəfindən dəstəklənir. Eyni zamanda, onların aşağı hissəsi vahid bir atom qalınlığı olan bir dielektrik təbəqəsi ilə örtülməlidir və sonra diqqətlə bütün boş yerləri materialla doldurun.
GAAFET-lərin əhəmiyyətsiz olmadığı vəziyyətlə vurğulanır Samsung. 2022-ci ildən Koreya portfelində MBCFET tranzistorları (marketinq adı) ilə bir proses var. Samsung GAAFET tranzistorlarını həyata keçirmək üçün). Praktikada isə bu, yarışda tipik bir pirrik qələbədir. Fakt budur ki, ondan istifadə etməklə əldə edilən tam funksional çiplərin faizi o qədər aşağıdır ki, demək olar ki, heç kim ondan istehsalda istifadə etmək istəmir (hətta... Samsung Exynos üçün). Bildiyimiz odur ki, kriptovalyuta madencileri üçün kiçik və nisbətən sadə çiplər istehsal etmək üçün istifadə olunur. Bu prosesin yalnız 2024-cü ildə istifadəyə veriləcək 3GAP adlanan ikinci nəslinin (bəzi mənbələr onun adının 2nm sinif prosesinə dəyişdirilə biləcəyini söyləsə də) daha geniş şəkildə istifadə ediləcəyi gözlənilir.
GAAFET tranzistorları (Intel onun tətbiqini RibbonFET adlandırır) bu il Arrow Lake və Lunar Lake sistemləri üçün komponentlərin istehsalında istifadə olunacaq Intel-in 20A və 18A proseslərinin bir hissəsi kimi Intel zavodlarına çatdırılmalıdır. Bununla belə, müxtəlif sənaye şayiələri ilkin istehsal miqyasının məhdud ola biləcəyini göstərir.
Bəs TSMC? Tayvan şirkəti 2-ci ilə qədər tam hazır olması gözlənilməyən N2025 prosesində GAAFET tranzistorlarından istifadə etməyi planlaşdırır. Nəzəri olaraq ondan gec Samsung və Intel, lakin TSMC müəyyən bir prosesə sahib olmaqdan danışdıqda, bu, adətən bir şey istehsal etməyə hazır olmaq deməkdir Apple і Nvidia, buna görə də praktikada fərq daha kiçik ola bilər.
Həmçinin oxuyun: Neuralink Telepatiya çipi haqqında hər şey: bu nədir və necə işləyir
Tranzistorların enerji təchizatının dəyişdirilməsi
Bizi gözləyən ikinci yenilik isə mikrosxemlərdəki tranzistorların necə enerji alacağı ilə bağlıdır. Hazırda mikroprosessorun istehsal prosesi aşağıdan yuxarıya doğru laylar şəklində baş verir. Aşağıda tranzistorlar qurulur, sonra onların üstündə əlaqə şəbəkələri, sonra isə elektrik kabelləri qurulur. Adətən ondan iyirmidən çox təbəqə var və təbəqə nə qədər yüksək olsa, onun elementləri bir o qədər böyükdür.
Növbəti bir neçə il ərzində standart belə olacaq ki, tranzistorlar arasında qovşaqlar qurulduqdan sonra silikon vafli çevriləcək, nazikləşdiriləcək və vaflinin digər, cilalanmış tərəfində güc yolları yaradılacaq. Bu o deməkdir ki, tranzistorlar tortun əsası deyil, burgerdəki patti kimi olacaq.
Bunun çip istehsal prosesini nə qədər çətinləşdirəcəyini təxmin etmək asandır, lakin ilk təcrübələrə görə, BSPDN (Back Side Power Delivery Network) prosesi bir çox üstünlüklər gətirir. Birincisi, bu yanaşma sayəsində tranzistorlar bir-birinə daha yaxın yerləşdirilə bilər. İkincisi, təbəqələrin ümumi sayı daha az olacaq. Üçüncüsü, enerji təchizatının ən yüksək səviyyəsindən tranzistora olan əlaqələr daha qısa olacaq. Və bu, daha az enerji itkisi və təchizatı gərginliyini azaltmaq imkanı deməkdir. Bu həlli həyata keçirməyin dəqiq yolları mürəkkəbliyə və potensial faydalara görə fərqlənə bilər, lakin bazardakı bütün əsas oyunçular oyunun mütləq şama dəyər olduğunu söyləyirlər.
Bu ilin sonunda biz Intel Pro-da ilk dəfə BSPDN-nin fəaliyyətdə olduğunu görəcəyikcess 20A (Intel onun həyata keçirilməsini PowerVia adlandırır). Intel bu sürətli inkişafı ona borcludur ki, o, tranzistorların həndəsəsinin dəyişdirilməsi və daha yeni maşınların istifadəsindən asılı olmayaraq bir müddətdir bu texnologiya üzərində işləyir. Bu o deməkdir ki, o, onu demək olar ki, istənilən gələcək prosesə inteqrasiya edə biləcək.
Samsung BSPDN rəy prosesinin öz versiyasından nə vaxt istifadə etməyə başlayacağı ilə bağlı hələ heç bir rəsmi məlumat verməyib. Çox xəbər yoxdur, amma biz bilirik ki, Intel artıq bu həlli sınaqdan keçirir. Sənaye şayiələri onun 2-ci ilə planlaşdırılan SF2025 prosesində və ya 2027-ci ildə planlaşdırılan növbəti prosesdə həyata keçirilməsinin mümkünlüyündən danışır.
TSMC də bu sahədə vaxt ayırır və bildirir ki, ilk təcrübələr yaxşı nəticələr versə də, BSPDN-ni yalnız 2 və 2026-ci illərin sonunda həyata keçirilməsi planlaşdırılan N2027P prosesinə daxil etmək niyyətindədir.
Həmçinin oxuyun: Elmi baxımdan teleportasiya və onun gələcəyi
Plitə ekspozisiya maşınlarının dəyişdirilməsi
Mikroprosessor istehsalı ilə bağlı heç bir ciddi söhbət Rayleigh meyarını qeyd etmədən tamamlanmır. Litoqrafiya, yəni silikon vaflilərin ifşa edilməsi prosesində bu aşağıdakı formulun formasını alır:
CD = k1 • λ / NA.
Sadə dillə desək, bu o deməkdir ki, silikon vaflinin səthində işıqla yaradıla bilən ən kiçik elementin ölçüsü üç rəqəmdən asılıdır:
k1 praktikada prosesin səmərəliliyini göstərən ölçüsüz əmsaldır;
λ - lövhəni işıqlandıran işığın dalğa uzunluğu;
NA optik sistemin ədədi diyaframıdır.
Uzun illərdir ki, tranzistorların qablaşdırma sıxlığını artırmağın əsas yolu getdikcə daha qısa dalğa uzunluqları olan işıqdan istifadə etməkdir. Biz bir neçə yüz nanometr səviyyəsindən başladıq və 193 nm dalğa uzunluğundakı işıqdan istifadə etmək üçün nisbətən sürətlə hərəkət edə bildik, yarımkeçiricilər dünyası istədiyindən daha uzun müddət ərzində bu işıqda qalıb. İllərlə aparılan araşdırmalardan, gecikmələrdən və milyardlarla dollar xərcləndikdən sonra 2019-cu ildə ASML-nin UV litoqrafiya maşınları nəhayət bazara çıxdı. Onlar təxminən 13,5 nm dalğa uzunluğuna malik ultrabənövşəyi işıqdan (EUV) istifadə edirlər və indi bütün qabaqcıl çip istehsal edən zavodlarda istifadə olunur. Bununla belə, bu, yəqin ki, yuxarıdakı düsturda λ-nin müvəffəqiyyətlə azaldılması sonuncu dəfədir.
Buna görə NA-nın dəyişdirilməsi ilə oynamalı olacaqsınız. NA-nı kamera obyektivinin diyaframı kimi düşünə bilərsiniz. Bu ölçüsüz rəqəm optik sistemin nə qədər işıq topladığını müəyyən edir. Litoqrafik maşınlara gəldikdə, bu, (yuxarıdakı düstura görə) o deməkdir ki, daha kiçik və daha kiçik xüsusiyyətlər etmək istəyiriksə, NA bir o qədər yüksək olmalıdır. Hazırda istifadə olunan ASML maşınlarının NA-sı 0,33-ə bərabərdir. Növbəti addım optik sistemin yüksək ədədi diyaframı olan, NA 0,55 olan maşınlardır.
Bu sadə səslənir, lakin bu işdə heç bir şey sadə deyil. Bunu ən yaxşı şəkildə High-NA maşınlarının sələflərindən daha böyük və iki dəfədən çox baha olması (təxminən 400 milyon dollara qarşı təxminən 150 milyon dollar), eyni zamanda daha az ötürmə qabiliyyətinə malik olması ilə izah olunur. Buna görə də, hər kəs bunun ən qabaqcıl prosessorların istehsalının gələcəyi olduğunu bilsə də, çox vaxt bu, zəruri pisliyin bir forması kimi qəbul edilir.
Intel, EUV High-NA maşınlarından ən sürətli istifadə etdi. Amerika şirkəti artıq bu tipli ilk mövcud dəzgahı alıb ki, o, hazırda şirkətin Oreqondakı zavodlarından birində quraşdırılır. Həmçinin, Intel bu il istehsal edilən maşınların əksəriyyətini almağı planlaşdırır. Məlumdur ki, tərtibatçılar 14 və ya 2026-ci ildə (hər şey plana uyğun gedirsə) gün işığını görəcəyi gözlənilən 2027A prosesində High-NA litoqrafiyasından geniş miqyasda istifadə etməyi planlaşdırırlar.
Eyni zamanda, Samsung və TSMC, 1 nm prosesinin həyata keçirilməsinə qədər, yəni təxminən 2030-cu ilə qədər bu avadanlıqdan istifadənin iqtisadi mənasına şübhə edərək tələsmir. Bunun əvəzinə, onlar k1 amilinin çətiri altına düşən müxtəlif fəndlər və proses təkmilləşdirmələri ilə artıq sahib olduqları EUV maşınlarından ən yaxşısını sıxmaq niyyətindədirlər.
Həmçinin maraqlıdır: Tayvan, Çin və ABŞ texnoloji üstünlük üçün necə mübarizə aparır: böyük çip müharibəsi
3D-ə keçin
İndi biz konkret planlar deyil, qeyri-müəyyən gələcək, tədqiqat işləri və ümumi fərziyyələr zonasına keçməyə başlayırıq. Bununla belə, icma kifayət qədər yekdildir ki, X və Y miqyası praktiki olaraq öz həddinə çatdığından tranzistorların bir-birinin üstünə yığılması lazım gələcək zaman gələcək. Hazırda P tipli və N tipli tranzistorlar bir-birinin yanında yerləşdirilir. Məqsəd N tipli tranzistorları P tipli tranzistorların üzərinə yığmaq və beləliklə, CFET (tamamlayıcı FET) adlanan tranzistorlardan “sendviçlər” yaratmaqdır. Belə bir dizayna nail olmaq üçün iki əsas üsul öyrənilir: bütün strukturun bir lövhədə qurulduğu monolit və N və P tipli tranzistorların bir-birinə "yapışdırılmış" ayrı-ayrı plitələr üzərində istehsal edildiyi ardıcıl.
Mütəxəssislərin fikrincə, mikroprosessorların istehsalı bazarı 2032-2034-cü illərdə üçüncü ölçüyə daxil olacaq. Hal-hazırda, məlumdur ki, Intel və TSMC bu texnologiyanın tətbiqi üzərində intensiv işləyir, lakin Samsung, yəqin ki, yatmır, çünki bu həlldən istifadənin potensial faydaları böyükdür.
Həmçinin maraqlıdır: Kainat: Ən qeyri-adi kosmik obyektlər
"İki ölçüyə" keçid
Mikrosxem istehsalı dünyasının liderlərinin öhdəsindən gəlməyə çalışdıqları başqa bir problem, silikonun banal çatışmazlığıdır. Bu element bir neçə onilliklər ərzində bizə sədaqətlə xidmət edir, lakin onun məhdud miqdarı daha kiçik və daha sürətli tranzistorların istehsalını mümkünsüz etməyə başlayır. Buna görə də, bütün dünyada tranzistor kanalında silikonu əvəz edə biləcək sözdə iki ölçülü materiallar üzərində araşdırmalar davam edir. Bunlar qalınlığı bir neçə və ya yalnız bir atom ola bilən materiallardır və bu qalınlıqdakı silikon yarımkeçiricilər üçün mövcud olmayan elektrik yükünün hərəkətliliyini təmin edir.
Ən məşhur iki ölçülü material qrafendir. Çip istehsalında istifadəsi hələ də tədqiq edilsə də, təbii enerji boşluğunun olmaması səbəbindən yarımkeçirici istehsalı üçün nə vaxtsa sənaye miqyasında istifadə ediləcəyi şübhəlidir. Bununla belə, TMD birləşmələrindən (Transition Metal Dichalcogenides - dövri sistemin d blokunun keçid metallarının birləşmələri və dövri sistemin 16-cı qrupunun xalkogenləri) istifadə edilən tədqiqatlar, məsələn. Intel və TSMC tərəfindən həyata keçirilən MoS 2 və WSe 2 olduqca perspektivli görünür. Biz onların nəticələrini yaxın onillikdə görə biləcəyik.
Həmçinin oxuyun:
- Qrafen mikroçipləri telefonları daha sürətli və asan edəcək
- Sadə sözlərlə kvant kompüterləri haqqında
Maraqlı vaxtlar qabaqdadır
Yekun olaraq qeyd edirəm ki, qarşıdan gələn illər yarımkeçiricilər istehsalı sahəsində yeniliklər və inqilablarla dolu olacaq. Yuxarıda təsvir olunan yeniliklər mövzunu belə tükəndirmir, çünki biz nə kompüter litoqrafiyası, nə çipletlərin inkişafı, nə də Glass prosessor bazasına potensial keçid haqqında heç nə qeyd etmədik. Yaddaş istehsalında irəliləyişdən də danışmadıq.
Hər kəs bilir ki, bu cür dönüş nöqtələri texnoloji geriləmə ilə ayaqlaşmaq üçün idealdır, çünki rəqiblərin uğursuzluqla üzləşmə ehtimalı yüksəkdir. Intel hətta şirkətin bütün gələcəyini rəqabətdən daha sürətli növbəti yarımkeçirici innovasiyasını təklif edə bilmək üzərində qurdu. ABŞ hökuməti də ən müasir çiplərin istehsalını Şimali Amerikaya qaytarmaqda çox maraqlıdır və bu səbəbdən Intel-in inkişafına milyardlarla dollar sərmayə qoyur. Bununla belə, çip subsidiyaları təkcə amerikalılar üçün maraq dairəsi deyil. Koreya və Tayvanda hökumətlər də səxavətli üstünlüklər verirlər Samsung və TSMC, çünki onlar gələcək dövrün nə qədər vacib olduğunu və bu ölkələrin gələcəyinin yeni texnologiyalardan nə qədər asılı olduğunu bilirlər. Digər şeylər arasında, çünki onların arxasında Çin var, bu da yarımkeçirici istehsalının tədqiqatına, inkişafına və inkişafına böyük məbləğdə sərmayə qoyur, lakin bu, artıq başqa bir məqalə üçün mövzudur.
Həmçinin oxuyun: