Днес ще говорим за транзисторите на бъдещето и ще разкрием всички тайни на тяхното създаване. Още днес е ясно, че сме изправени пред период на големи промени в структурата и метода на производство на чипове, каквито пазарът не е виждал отдавна. Най-големите умове в света прекарват безсънни нощи, чудейки се каква формула да използват, за да накарат отделните атоми да танцуват точно както трябва и да правят неща, които изглежда противоречат на законите на физиката.
Това също ще бъде период на засилена конкуренция между полупроводникови гиганти от САЩ, Корея и Тайван. Те са тези, които се опитват да се възползват от предстоящата промяна на парадигмата, за да възстановят, спечелят или укрепят позициите си на технологични лидери. Какви иновации и революции ни очакват? Нека се опитаме да обясним днес.
Прочетете също: Какво е AMD XDNA? Архитектурата, която захранва AI на процесорите Ryzen
Промяна на геометрията на транзисторите
Или по-скоро целите им ще се променят. Първата иновация, която ще бъде (или беше!) представена от трите големи производители на полупроводници (TSMC, Intel, Samsung), това са така наречените GAAFET транзистори. Това е първата такава голяма промяна в геометрията на транзистора от 2011 г., когато светът видя FinFET транзисторите на Intel. Не искам да се спирам твърде много на темата за GAAFET, тъй като това изисква отделна статия. Тук ще обсъдим само концепцията зад тях.
С миниатюризацията на транзисторите инженерите започнаха да изпитват така наречените ефекти на късия канал. Накратко, тъй като разстоянието между дрейна и дрейна на транзистора се скъсяваше, проблемът ставаше все по-голям и по-голям. Тоест, затворът започна да губи контрол над тока, протичащ през канала. В продължение на дузина години решението на този проблем беше как да накараме канала да стърчи от повърхността на силиконовата пластина като перка (оттук перка или перка във FinFET). Това позволява на гейта да контактува с канала от три страни (или две, ако ръбът има клиновидно напречно сечение), което му дава по-голям контрол върху текущия поток и повече гъвкавост при адаптиране на електрическите параметри на транзисторите към нуждите на дизайн.
Въпреки това постоянното намаляване на транзисторите означаваше, че това вече не е достатъчно. Беше необходимо портата да започне да обгражда транзисторния канал, тоест да формира GAAFET транзистори (GAA е съкращение от Gate-All-Around). Просто казано, можете да ги мислите като FinFET транзистори, поставени от едната страна, тъй като FinFET транзисторите често имат два или три ръба. Това е като многослоен сандвич, в който каналите под формата на тръби или листове, разположени един над друг, са разделени от слоеве изолатор и порта. Въпреки че тази концепция е известна от много години и използва съществуващо оборудване и процеси, нейното прилагане не е тривиално. Проблемът е, че на някакъв етап следващите слоеве на канала висят във въздуха, поддържани само от временен "стълб". В същото време долната им част трябва да бъде равномерно покрита със слой диелектрик с дебелина от един атом и след това внимателно да запълни всички празни пространства с материал.
Фактът, че GAAFET не са тривиални, се подчертава от ситуацията с Samsung. От 2022 г. корейското портфолио има процес с MBCFET транзистори (маркетингово име Samsung за прилагане на GAAFET транзистори). На практика обаче това е типична пирова победа в надпреварата. Факт е, че процентът на напълно функционални чипове, получени с него, е толкова нисък, че почти никой не иска да го използва в производството (дори... Samsung за вашия Exynos). Всичко, което знаем е, че се използва за производство на малки и относително прости чипове за копачи на криптовалута. Само второто поколение на този процес, което ще бъде налично през 2024 г., наречено 3GAP (въпреки че някои източници казват, че може да бъде преименувано на 2nm клас процес), се очаква да се използва по-широко.
Транзисторите GAAFET (Intel нарича изпълнението си RibbonFET) трябва да бъдат доставени на фабриките на Intel тази година като част от процесите 20A и 18A на Intel, които ще се използват за производство на компоненти за системите Arrow Lake и Lunar Lake. Въпреки това, различни слухове в индустрията предполагат, че първоначалният производствен мащаб може да бъде ограничен.
Какво ще кажете за TSMC? Тайванската компания планира да използва транзистори GAAFET в своя процес N2, който не се очаква да бъде напълно готов до 2025 г. Теоретично по-късно от в Samsung и Intel, но когато TSMC говори за наличието на определен процес, това обикновено означава да сте готови да произведете нещо за Apple і Nvidia, така че на практика разликата може да бъде много по-малка.
Прочетете също: Всичко за чипа Neuralink Telepathy: какво представлява и как работи
Промяна на начина на захранване на транзисторите
Второто нововъведение, което ни очаква, е свързано с това как ще се захранват транзисторите в микросхемите. В момента процесът на производство на микропроцесор се извършва на слоеве отдолу нагоре. Отдолу се изграждат транзистори, над тях се изграждат свързващи мрежи и след това захранващи кабели. Обикновено има десет до над двадесет слоя и колкото по-висок е слоят, толкова по-големи са неговите елементи.
През следващите няколко години стандартът ще бъде, че след като се направят връзките между транзисторите, силиконовата пластина ще бъде обърната, изтънена и захранващите пътища ще бъдат създадени от другата, полирана страна на пластината. Това означава, че транзисторите ще бъдат като баничка в бургер, а не основата на торта.
Лесно е да се познае колко ще усложни процеса на производство на чипове, но според първите експерименти процесът BSPDN (Back Side Power Delivery Network) носи много предимства. Първо, благодарение на този подход транзисторите могат да бъдат поставени по-близо един до друг. Второ, общият брой на слоевете ще бъде по-малък. Трето, връзките от най-високото ниво на захранването към транзистора ще бъдат по-къси. А това означава по-малко загуби на енергия и възможност за намаляване на захранващото напрежение. Точните начини за прилагане на това решение може да варират по сложност и потенциални ползи, но всички основни играчи на пазара казват, че играта определено си заслужава свещта.
По-късно тази година ще видим BSPDN в действие за първи път в Intel Process 20A (Intel нарича изпълнението си PowerVia). Intel дължи това бързо развитие на факта, че работи върху тази технология от известно време, независимо от работата по промяна на геометрията на транзисторите и използването на по-нови машини. Това означава, че тя ще може да го интегрира в почти всеки бъдещ процес.
Samsung все още не е предоставил официална информация кога ще започне да използва своята версия на процеса за обратна връзка BSPDN. Няма много новини, но знаем, че Intel вече експериментира с това решение. И слуховете в индустрията говорят за възможността за внедряването му в процеса SF2, планиран за 2025 г., или в следващия, който е планиран за 2027 г.
TSMC също отделя време в тази област и съобщава, че въпреки че първите експерименти носят добри резултати, възнамерява да въведе BSPDN в процеса на N2P, планиран за внедряване едва в края на 2026 и 2027 г.
Прочетете също: Телепортация от научна гледна точка и нейното бъдеще
Смяна на машини за експониране на плочи
Нито един сериозен разговор за производството на микропроцесори не е пълен, без да се спомене критерият на Rayleigh. В случай на литография, тоест процесът на експониране на силициеви пластини, това е под формата на следната формула:
CD = k1 • λ / NA.
Просто казано, това означава, че размерът на най-малкия елемент, който може да бъде създаден от светлина върху повърхността на силиконова пластина, зависи от три числа:
k1 е практически безразмерен коефициент, който показва ефективността на процеса;
λ е дължината на вълната на светлината, която осветява плочата;
NA е числовата апертура на оптичната система.
В продължение на много години основният начин за увеличаване на плътността на опаковката на транзисторите е използването на светлина с все по-къси дължини на вълните. Започнахме на ниво от няколкостотин нанометра и успяхме сравнително бързо да преминем към използване на светлина с дължина на вълната 193 nm, на която светът на полупроводниците се е задържал много по-дълго, отколкото искаше. След години на изследвания, забавяния и похарчени милиарди долари, през 2019 г. UV литографските машини на ASML най-накрая се появиха на пазара. Те използват ултравиолетова светлина (EUV) с дължина на вълната от около 13,5 nm и сега се използват във всички модерни заводи за производство на чипове. Това обаче вероятно е последният път, когато λ беше успешно намалено в горната формула.
Ето защо ще трябва да си поиграете със смяната на NA. Можете да мислите за NA като за бленда на обектив на камера. Това безразмерно число определя колко светлина събира оптичната система. В случай на литографски машини това означава (според формулата по-горе), че ако искаме да правим все по-малки елементи, толкова по-висока трябва да бъде NA. Използваните в момента ASML машини имат NA от 0,33. Следващата стъпка са машини с висока числова апертура на оптичната система, които имат NA 0,55.
Звучи просто, но нищо не е просто в този бизнес. Това е най-добре илюстрирано от факта, че машините с High-NA са много по-големи и повече от два пъти по-скъпи от своите предшественици (около 400 милиона долара срещу около 150 милиона долара), като същевременно имат по-малка производителност. Ето защо, докато всеки знае, че това е бъдещето на производството на най-модерните процесори, то често се възприема като форма на необходимото зло.
Intel беше най-бързият в използването на EUV High-NA машини. Американската компания вече е закупила първата налична машина от този тип, която в момента се монтира в един от заводите на компанията в Орегон. Освен това Intel планира да закупи повечето машини, произведени тази година. Известно е, че разработчиците планират да използват High-NA литография в голям мащаб в процеса 14A, който се очаква да види бял свят през 2026 или 2027 г. (ако всичко върви по план).
Едновременно, Samsung и TSMC не бързат, като се съмняват в икономическия смисъл от използването на това оборудване до внедряването на 1-nm процеса, тоест до около 2030 г. Вместо това те възнамеряват да изтръгнат най-доброто от EUV машините, които вече имат, с различни трикове и подобрения на процесите, които попадат под чадъра на фактора k1.
Също интересно: Как Тайван, Китай и САЩ се борят за технологично господство: голямата война за чипове
Преминете към 3D
Сега започваме да навлизаме в зоната на неясно бъдеще, изследователска работа и общи предположения, а не конкретни планове. Обществото обаче е доста единодушно, че ще дойде време, когато транзисторите ще трябва да бъдат подредени един върху друг, тъй като мащабирането на X и Y практически достига своя лимит. Понастоящем транзисторите тип P и тип N се поставят един до друг. Целта е да се наслагват N-тип транзистори върху P-тип транзистори, като по този начин се създават „сандвичи“ от транзистори, наречени CFET (допълнителни FET). Проучват се два основни метода за постигане на такъв дизайн: монолитен, при който цялата структура е изградена върху една плоча, и последователен, при който N- и P-тип транзисторите се произвеждат на отделни плочи, които са "залепени" заедно.
Според експерти пазарът за производство на микропроцесори ще навлезе в третото измерение около 2032-2034 г. В момента е известно, че Intel и TSMC работят интензивно върху внедряването на тази технология, но Samsung, вероятно също не спи, защото потенциалните ползи от използването на това решение са огромни.
Също интересно: Вселена: Най-необичайните космически обекти
Преход към "две измерения"
Друг проблем, с който лидерите в света на производството на микросхеми се опитват да се справят, е, че има банален недостиг на силиций. Този елемент ни служи вярно няколко десетилетия, но ограниченото му количество започва да прави невъзможно по-нататъшното производство на по-малки и по-бързи транзистори. Следователно по целия свят продължават изследванията на така наречените двумерни материали, които биха могли да заменят силиция в транзисторния канал. Това са материали, чиято дебелина може да бъде няколко или само един атом и осигуряват подвижност на електрическия заряд, което не е налично за силициевите полупроводници с такава дебелина.
Най-известният двуизмерен материал е графенът. Въпреки че използването му в производството на чипове все още се проучва, поради липсата на естествена енергийна празнина е съмнително дали някога ще бъде използвано в промишлен мащаб за производство на полупроводници. Въпреки това изследванията, използващи съединения на TMD (дихалкогениди на преходни метали - съединения на преходни метали от d блок на периодичната таблица и халкогени от 16-та група на периодичната таблица), като напр. MoS 2 и WSe 2, проведени от Intel и TSMC, изглеждат доста обещаващи. Последствията им ще можем да видим през следващото десетилетие.
Прочетете също:
- Графеновите микрочипове ще направят телефоните по-бързи и по-лесни
- За квантовите компютри с прости думи
Предстоят интересни времена
Обобщавайки, отбелязвам, че следващите години ще бъдат пълни с иновации и революции в областта на производството на полупроводници. Гореописаните иновации дори не изчерпват темата, тъй като не споменахме нищо нито за компютърната литография, нито за разработването на чиплети, нито за потенциалния преход към базата на процесора Glass. Не говорихме и за напредък в производството на памет.
Всеки знае, че такива повратни точки са идеални за наваксване на технологичното изоставане, тъй като има голяма вероятност конкурентите да се провалят. Intel дори заложи цялото бъдеще на компанията върху възможността да предложи следващата полупроводникова иновация по-бързо от конкуренцията. Правителството на САЩ също е много заинтересовано да върне производството на най-съвременни чипове в Северна Америка, поради което инвестира милиарди долари в разработката на Intel. Субсидиите за чипове обаче не са само сфера на интерес за американците. В Корея и Тайван правителствата също предоставят щедри преференции Samsung и TSMC, защото знаят колко важен е бъдещият период и колко много бъдещето на тези страни зависи от новите технологии. Освен всичко друго, защото имат зад гърба си Китай, който също инвестира огромни суми в изследвания, разработки и развитие на производството на полупроводници, но това вече е тема за друга статия.
Прочетете също: