Dnes budeme mluvit o tranzistorech budoucnosti a odhalíme všechna tajemství jejich tvorby. Již dnes je jasné, že nás čeká období obrovských změn ve struktuře a způsobu výroby čipů, jaké trh už dlouho nezažil. Největší mozky světa tráví bezesné noci přemýšlením, jaký vzorec použít k tomu, aby jednotlivé atomy tančily přesně tak, jak potřebují, a dělaly věci, které se zdají být v rozporu s fyzikálními zákony.
Bude to také období zvýšené konkurence mezi polovodičovými giganty z USA, Koreje a Tchaj-wanu. Jsou to oni, kdo se snaží využít nadcházející změny paradigmatu k obnovení, získání nebo posílení svých pozic technologických lídrů. Jaké inovace a revoluce nás čekají? Zkusme to dnes vysvětlit.
Přečtěte si také: Co je AMD XDNA? Architektura, která pohání AI na procesorech Ryzen
Změna geometrie tranzistorů
Nebo se spíše změní jejich cíle. První novinka, kterou představí (nebo byla!) velká trojka výrobců polovodičů (TSMC, Intel, Samsung), jedná se o tzv. GAAFET tranzistory. Jde o první takovou zásadní změnu v geometrii tranzistorů od roku 2011, kdy svět viděl tranzistory FinFET od Intelu. Nechci se příliš zdržovat tématem GAAFETů, protože to vyžaduje samostatný článek. Zde se budeme zabývat pouze konceptem, který za nimi stojí.
S miniaturizací tranzistorů se inženýři začali setkávat s takzvanými krátkými kanály. Stručně řečeno, jak se vzdálenost mezi kolektorem a kolektorem tranzistoru zkracovala, problém byl stále větší a větší. To znamená, že závěrka začala ztrácet kontrolu nad proudem procházejícím kanálem. Po tucet let bylo řešením tohoto problému, jak zajistit, aby kanálek vyčníval z povrchu křemíkového plátku jako ploutev (proto Fin, neboli ploutev, ve FinFET). To umožňuje bráně kontaktovat kanál na třech stranách (nebo dvou, pokud má okraj klínovitý průřez), což mu dává větší kontrolu nad tokem proudu a větší flexibilitu při přizpůsobování elektrických parametrů tranzistorů potřebám design.
Neustálý pokles tranzistorů však znamenal, že to již nestačilo. Bylo nutné, aby hradlo začalo obklopovat tranzistorový kanál, tedy tvořilo GAAFET tranzistory (GAA je zkratka pro Gate-All-Around). Jednoduše řečeno, můžete si je představit jako FinFET tranzistory umístěné na jedné straně, protože FinFET tranzistory mají často dvě nebo tři hrany. Je to jako vícevrstvý sendvič, ve kterém jsou kanály ve formě trubek nebo plechů umístěné nad sebou odděleny vrstvami izolátoru a brány. Přestože je tento koncept znám již řadu let a využívá stávající zařízení a procesy, jeho implementace není triviální. Problém je v tom, že v určité fázi následující vrstvy kanálu visí ve vzduchu, podepřeny pouze dočasným "sloupem". Zároveň by měla být jejich spodní část rovnoměrně pokryta vrstvou dielektrika o tloušťce jednoho atomu a poté pečlivě vyplnit všechna prázdná místa materiálem.
Skutečnost, že GAAFETy nejsou triviální, zdůrazňuje situace s Samsung. Od roku 2022 má korejské portfolio proces s tranzistory MBCFET (marketingový název Samsung implementovat GAAFET tranzistory). V praxi se však jedná o typické pyrhovo vítězství v závodě. Faktem je, že procento plně funkčních čipů získaných jeho použitím je tak nízké, že je téměř nikdo nechce použít ve výrobě (ani… Samsung pro váš Exynos). Víme jen, že se používá k výrobě malých a relativně jednoduchých čipů pro těžaře kryptoměn. Teprve druhá generace tohoto procesu, která bude dostupná v roce 2024, nazvaná 3GAP (ačkoli některé zdroje uvádějí, že by mohla být přejmenována na proces třídy 2nm), se očekává širší využití.
Tranzistory GAAFET (Intel svou implementaci nazývá RibbonFET) by měly být dodány do továren Intelu letos v rámci procesů Intel 20A a 18A, které budou použity k výrobě komponent pro systémy Arrow Lake a Lunar Lake. Různé průmyslové fámy však naznačují, že počáteční rozsah výroby může být omezený.
A co TSMC? Tchajwanská společnost plánuje používat tranzistory GAAFET ve svém procesu N2, který by měl být plně připraven až v roce 2025. Teoreticky později než v Samsung a Intel, ale když TSMC mluví o tom, že má určitý proces, obvykle to znamená být připraven něco produkovat Apple і Nvidia, takže v praxi může být rozdíl mnohem menší.
Přečtěte si také: Vše o čipu Neuralink Telepathy: co to je a jak funguje
Změna způsobu napájení tranzistorů
Druhá novinka, která nás čeká, souvisí s tím, jak budou napájeny tranzistory v mikroobvodech. V současné době probíhá proces výroby mikroprocesoru po vrstvách zdola nahoru. Dole jsou postaveny tranzistory, nad nimi pak propojovací sítě a pak napájecí kabely. Obvykle je zde deset až přes dvacet vrstev a čím vyšší vrstva, tím větší jsou její prvky.
Během dalších let bude standardem, že po provedení přechodů mezi tranzistory se křemíkový plátek překlopí, ztenčí a na druhé, vyleštěné straně plátku se vytvoří silové cesty. To znamená, že tranzistory budou jako placička v burgeru, ne základ dortu.
Je snadné odhadnout, jak moc to zkomplikuje proces výroby čipu, ale podle prvních experimentů přináší proces BSPDN (Back Side Power Delivery Network) mnoho výhod. Za prvé, díky tomuto přístupu lze tranzistory umístit blíže k sobě. Za druhé, celkový počet vrstev bude menší. Za třetí, spojení z nejvyšší úrovně napájení k tranzistoru budou kratší. A to znamená menší energetické ztráty a možnost snížení napájecího napětí. Přesné způsoby implementace tohoto řešení se mohou lišit co do složitosti a potenciálních výhod, ale všichni hlavní hráči na trhu tvrdí, že hra rozhodně stojí za svíčku.
Později v tomto roce uvidíme BSPDN v akci poprvé v Intel Process 20A (Intel nazývá svou implementaci PowerVia). Intel za tento rychlý vývoj vděčí tomu, že na této technologii již nějakou dobu pracuje bez ohledu na práci na změně geometrie tranzistorů a použití novějších strojů. To znamená, že jej bude moci integrovat do téměř jakéhokoli budoucího procesu.
Samsung dosud neposkytla žádné oficiální informace o tom, kdy začne používat svou verzi procesu zpětné vazby BSPDN. Novinek není mnoho, ale víme, že Intel už s tímto řešením experimentuje. A průmyslové fámy hovoří o možnosti jeho implementace v procesu SF2, plánovaném na rok 2025, nebo v dalším, který je plánován na rok 2027.
TSMC si v této oblasti také dává na čas a uvádí, že ačkoli první experimenty přinášejí dobré výsledky, hodlá zavést BSPDN do procesu N2P, jehož implementace je plánována až na přelomu let 2026 a 2027.
Přečtěte si také: Teleportace z vědeckého hlediska a její budoucnost
Výměna osvitových strojů
Žádná seriózní konverzace o výrobě mikroprocesorů není dokončena bez zmínky o Rayleighově kritériu. V případě litografie, to jest proces exponování křemíkových plátků, to má podobu následujícího vzorce:
CD = k1 • λ / NA.
Jednoduše řečeno to znamená, že velikost nejmenšího prvku, který může být vytvořen světlem na povrchu křemíkového plátku, závisí na třech číslech:
k1 je v praxi bezrozměrný koeficient, který udává účinnost procesu;
λ je vlnová délka světla, které osvětluje desku;
NA je numerická apertura optického systému.
Po mnoho let bylo hlavním způsobem, jak zvýšit hustotu uložení tranzistorů, použití světla se stále kratšími vlnovými délkami. Začali jsme na úrovni několika stovek nanometrů a byli jsme schopni poměrně rychle přejít k použití světla o vlnové délce 193 nm, na kterém je svět polovodičů přilepený mnohem déle, než by chtěl. Po letech výzkumu, zpoždění a utracených miliard dolarů se v roce 2019 UV litografické stroje ASML konečně dostaly na trh. Používají ultrafialové světlo (EUV) s vlnovou délkou asi 13,5 nm a nyní se používají ve všech pokročilých závodech na výrobu čipů. Toto je však pravděpodobně naposledy, kdy se podařilo snížit λ ve výše uvedeném vzorci.
Proto si budete muset pohrát se změnou NA. NA si můžete představit jako clonu objektivu fotoaparátu. Toto bezrozměrné číslo určuje, kolik světla optický systém shromáždí. V případě litografických strojů to znamená (podle vzorce výše), že pokud chceme dělat menší a menší prvky, tím vyšší by měla být NA. Aktuálně používané stroje ASML mají NA 0,33. Dalším krokem jsou stroje s vysokou numerickou aperturou optické soustavy, které mají NA 0,55.
Zní to jednoduše, ale v tomto oboru není nic jednoduchého. Nejlépe to ilustruje skutečnost, že stroje High-NA jsou mnohem větší a více než dvakrát dražší než jejich předchůdci (asi 400 milionů USD oproti přibližně 150 milionům USD), přičemž mají také menší propustnost. I když tedy každý ví, že jde o budoucnost výroby těch nejpokročilejších procesorů, je často vnímána jako forma nutného zla.
Nejrychleji použil Intel stroje EUV High-NA. Americká společnost již zakoupila první dostupný stroj tohoto typu, který se právě instaluje v jedné z továren společnosti v Oregonu. Intel také plánuje koupit většinu vyrobených strojů v tomto roce. Je známo, že vývojáři plánují použít High-NA litografii ve velkém v procesu 14A, který by měl spatřit světlo světa v roce 2026 nebo 2027 (pokud vše půjde podle plánu).
Zároveň, Samsung a TSMC nikam nespěchají a pochybují o ekonomickém smyslu použití tohoto zařízení až do implementace 1nm procesu, tedy zhruba do roku 2030. Místo toho hodlají vymáčknout to nejlepší z EUV strojů, které již mají, pomocí různých triků a vylepšení procesů, které spadají pod zastřešení faktoru k1.
Zajímavé také: Jak Tchaj-wan, Čína a USA bojují o technologickou dominanci: velká válka čipů
Přepnout na 3D
Nyní se začínáme přesouvat do zóny nejisté budoucnosti, výzkumných prací a obecných předpokladů, nikoli konkrétních plánů. Komunita je však vcelku jednomyslná, že přijde čas, kdy bude nutné tranzistory naskládat na sebe, protože škálování X a Y prakticky dosáhne svého limitu. V současné době jsou tranzistory typu P a N umístěny vedle sebe. Cílem je naskládat tranzistory typu N na tranzistory typu P, čímž se vytvoří „sendviče“ tranzistorů nazývané CFET (komplementární FET). Studují se dva hlavní způsoby, jak dosáhnout takového návrhu: monolitický, ve kterém je celá struktura postavena na jedné desce, a sekvenční, ve které jsou tranzistory typu N a P vyráběny na samostatných deskách, které jsou "slepeny" dohromady.
Do třetí dimenze podle odborníků vstoupí trh s výrobou mikroprocesorů kolem let 2032-2034. V současné době je známo, že Intel a TSMC intenzivně pracují na svých implementacích této technologie, ale Samsung, pravděpodobně také nespí, protože potenciální výhody použití tohoto řešení jsou obrovské.
Zajímavé také: Vesmír: Nejneobvyklejší vesmírné objekty
Přechod do "dvou dimenzí"
Dalším problémem, se kterým se vůdci světa výroby mikroobvodů snaží vyrovnat, je banální nedostatek křemíku. Tento prvek nám věrně slouží několik desetiletí, ale jeho omezené množství začíná znemožňovat další výrobu menších a rychlejších tranzistorů. Po celém světě proto probíhá výzkum takzvaných dvourozměrných materiálů, které by mohly nahradit křemík v tranzistorovém kanálu. Jedná se o materiály, jejichž tloušťka může být několik nebo pouze jeden atom a zajišťují pohyblivost elektrického náboje, která není pro křemíkové polovodiče této tloušťky dostupná.
Nejznámějším dvourozměrným materiálem je grafen. I když se jeho použití při výrobě čipů stále zkoumá, kvůli nedostatku přirozené energetické mezery je pochybné, zda bude někdy použit v průmyslovém měřítku pro výrobu polovodičů. Nicméně výzkum pomocí sloučenin TMD (Transition Metal Dichalcogenides - sloučeniny přechodných kovů d bloku periodické tabulky a chalkogenů 16. skupiny periodické tabulky), jako např. MoS 2 a WSe 2, vedené společnostmi Intel a TSMC, vypadají docela slibně. Jejich důsledky budeme moci vidět v příštím desetiletí.
Přečtěte si také:
- Díky grafenovým mikročipům budou telefony rychlejší a jednodušší
- O kvantových počítačích jednoduchými slovy
Čekají nás zajímavé časy
Suma sumárum podotýkám, že příští roky budou v oblasti výroby polovodičů plné inovací a revolucí. Výše popsané novinky téma ani nevyčerpávají, protože jsme nezmínili nic o počítačové litografii, ani o vývoji chipletů, ani o potenciálním přechodu na procesorovou základnu Glass. O pokroku ve výrobě pamětí jsme také nemluvili.
Každý ví, že takové zlomové body jsou ideální pro dohánění technologického zpoždění, protože je velká pravděpodobnost, že konkurenti neuspějí. Intel dokonce vsadil celou budoucnost společnosti na to, že bude schopen nabídnout další inovaci polovodičů rychleji než konkurence. Americká vláda má také velký zájem vrátit výrobu nejmodernějších čipů zpět do Severní Ameriky, a proto do vývoje Intelu investuje miliardy dolarů. Dotace na čipy však nejsou jen oblastí zájmu Američanů. V Koreji a na Tchaj-wanu také vlády poskytují velkorysé preference Samsung a TSMC, protože vědí, jak důležité je budoucí období a jak moc závisí budoucnost těchto zemí na nových technologiích. Mimo jiné proto, že mají za sebou Čínu, která také investuje obrovské částky do výzkumu, vývoje a vývoje výroby polovodičů, ale to už je téma na jiný článek.
Přečtěte si také: