Σήμερα θα μιλήσουμε για τα τρανζίστορ του μέλλοντος και θα αποκαλύψουμε όλα τα μυστικά της δημιουργίας τους. Είναι ήδη σαφές σήμερα ότι βρισκόμαστε αντιμέτωποι με μια περίοδο τεράστιων αλλαγών στη δομή και τη μέθοδο παραγωγής τσιπ, που η αγορά δεν έχει δει εδώ και πολύ καιρό. Τα μεγαλύτερα μυαλά του κόσμου περνούν άγρυπνες νύχτες αναρωτιούνται ποια φόρμουλα να χρησιμοποιήσουν για να κάνουν τα μεμονωμένα άτομα να χορεύουν ακριβώς όπως χρειάζονται και να κάνουν πράγματα που φαίνεται να αψηφούν τους νόμους της φυσικής.
Θα είναι επίσης μια περίοδος αυξημένου ανταγωνισμού μεταξύ γιγάντων ημιαγωγών από τις ΗΠΑ, την Κορέα και την Ταϊβάν. Είναι αυτοί που προσπαθούν να επωφεληθούν από την επερχόμενη αλλαγή παραδείγματος για να αποκαταστήσουν, να κερδίσουν ή να ενισχύσουν τις θέσεις τους ως τεχνολογικοί ηγέτες. Ποιες καινοτομίες και επαναστάσεις μας περιμένουν; Ας προσπαθήσουμε να εξηγήσουμε σήμερα.
Διαβάστε επίσης: Τι είναι το AMD XDNA; Η αρχιτεκτονική που τροφοδοτεί την τεχνητή νοημοσύνη στους επεξεργαστές Ryzen
Αλλαγή της γεωμετρίας των τρανζίστορ
Ή μάλλον, οι στόχοι τους θα αλλάξουν. Η πρώτη καινοτομία που θα παρουσιαστεί (ή παρουσιάστηκε!) από τους τρεις μεγάλους κατασκευαστές ημιαγωγών (TSMC, Intel, Samsung), πρόκειται για τα λεγόμενα τρανζίστορ GAAFET. Αυτή είναι η πρώτη τέτοια σημαντική αλλαγή στη γεωμετρία των τρανζίστορ από το 2011, όταν ο κόσμος είδε τα τρανζίστορ FinFET της Intel. Δεν θέλω να σταθώ πολύ στο θέμα των GAAFET, καθώς αυτό απαιτεί ξεχωριστό άρθρο. Εδώ θα συζητήσουμε μόνο την έννοια πίσω από αυτά.
Με τη σμίκρυνση των τρανζίστορ, οι μηχανικοί άρχισαν να βιώνουν τα λεγόμενα εφέ μικρού καναλιού. Εν ολίγοις, καθώς η απόσταση μεταξύ της αποστράγγισης και της αποστράγγισης του τρανζίστορ μικραίνει, το πρόβλημα γινόταν όλο και μεγαλύτερο. Δηλαδή, το κλείστρο άρχισε να χάνει τον έλεγχο του ρεύματος που διαρρέει το κανάλι. Για μια ντουζίνα χρόνια, η λύση σε αυτό το πρόβλημα ήταν πώς να κάνει το κανάλι να προεξέχει από την επιφάνεια της γκοφρέτας πυριτίου ως πτερύγιο (εξ ου και το Fin, ή πτερύγιο, στο FinFET). Αυτό επιτρέπει στην πύλη να έρχεται σε επαφή με το κανάλι σε τρεις πλευρές (ή δύο εάν η άκρη έχει σφηνοειδή διατομή), δίνοντάς της περισσότερο έλεγχο στη ροή του ρεύματος και μεγαλύτερη ευελιξία στην προσαρμογή των ηλεκτρικών παραμέτρων των τρανζίστορ στις ανάγκες του σχέδιο.
Ωστόσο, η σταθερή μείωση των τρανζίστορ σήμαινε ότι αυτό δεν ήταν πλέον αρκετό. Ήταν απαραίτητο η πύλη να αρχίσει να περιβάλλει το κανάλι του τρανζίστορ, δηλαδή να σχηματίζει τρανζίστορ GAAFET (το GAA είναι συντομογραφία του Gate-All-Around). Με απλά λόγια, μπορείτε να τα σκεφτείτε ως τρανζίστορ FinFET τοποθετημένα στη μία πλευρά, καθώς τα τρανζίστορ FinFET έχουν συχνά δύο ή τρεις άκρες. Είναι σαν ένα πολυστρωματικό σάντουιτς, στο οποίο τα κανάλια με τη μορφή σωλήνων ή φύλλων, που βρίσκονται το ένα πάνω από το άλλο, χωρίζονται με στρώματα μονωτή και πύλης. Αν και αυτή η ιδέα είναι γνωστή εδώ και πολλά χρόνια και χρησιμοποιεί υπάρχοντα εξοπλισμό και διαδικασίες, η εφαρμογή της δεν είναι ασήμαντη. Το πρόβλημα είναι ότι σε κάποιο στάδιο τα επόμενα στρώματα του καναλιού κρέμονται στον αέρα, στηρίζονται μόνο από μια προσωρινή «κολόνα». Ταυτόχρονα, το κάτω μέρος τους θα πρέπει να καλύπτεται ομοιόμορφα με ένα στρώμα διηλεκτρικού πάχους ενός μόνο ατόμου και στη συνέχεια να γεμίζει προσεκτικά όλους τους κενούς χώρους με υλικό.
Το γεγονός ότι τα GAAFET δεν είναι ασήμαντα τονίζεται από την κατάσταση με Samsung. Από το 2022, το κορεατικό χαρτοφυλάκιο έχει μια διαδικασία με τρανζίστορ MBCFET (εμπορική ονομασία Samsung για την εφαρμογή τρανζίστορ GAAFET). Στην πράξη όμως αυτή είναι μια τυπική πυρρίχια νίκη στον αγώνα. Το γεγονός είναι ότι το ποσοστό των πλήρως λειτουργικών τσιπ που λαμβάνονται με τη χρήση του είναι τόσο χαμηλό που σχεδόν κανείς δεν θέλει να το χρησιμοποιήσει στην παραγωγή (ακόμα και… Samsung για το Exynos σας). Το μόνο που γνωρίζουμε είναι ότι χρησιμοποιείται για την παραγωγή μικρών και σχετικά απλών τσιπ για εξορύκτες κρυπτονομισμάτων. Μόνο η δεύτερη γενιά αυτής της διαδικασίας, η οποία θα είναι διαθέσιμη το 2024, που ονομάζεται 3GAP (αν και ορισμένες πηγές λένε ότι θα μπορούσε να μετονομαστεί σε διαδικασία κατηγορίας 2nm), αναμένεται να χρησιμοποιηθεί ευρύτερα.
Τα τρανζίστορ GAAFET (η Intel αποκαλεί την εφαρμογή της RibbonFET) θα πρέπει να παραδοθούν στα εργοστάσια της Intel φέτος ως μέρος των διαδικασιών 20A και 18A της Intel, οι οποίες θα χρησιμοποιηθούν για την κατασκευή εξαρτημάτων για τα συστήματα Arrow Lake και Lunar Lake. Ωστόσο, διάφορες φήμες του κλάδου υποδηλώνουν ότι η αρχική κλίμακα παραγωγής μπορεί να είναι περιορισμένη.
Τι γίνεται με το TSMC; Η ταϊβανέζικη εταιρεία σχεδιάζει να χρησιμοποιήσει τρανζίστορ GAAFET στη διαδικασία N2, η οποία δεν αναμένεται να είναι πλήρως έτοιμη μέχρι το 2025. Θεωρητικά αργότερα από το Samsung και η Intel, αλλά όταν η TSMC μιλάει για μια συγκεκριμένη διαδικασία, συνήθως σημαίνει ότι είναι έτοιμος να παράγει κάτι για το οποίο Apple і Nvidia, οπότε στην πράξη η διαφορά μπορεί να είναι πολύ μικρότερη.
Διαβάστε επίσης: Όλα για το τσιπ Neuralink Telepathy: τι είναι και πώς λειτουργεί
Αλλαγή του τρόπου τροφοδοσίας των τρανζίστορ
Η δεύτερη καινοτομία που μας περιμένει σχετίζεται με το πώς θα τροφοδοτούνται τα τρανζίστορ στα μικροκυκλώματα. Επί του παρόντος, η διαδικασία κατασκευής ενός μικροεπεξεργαστή λαμβάνει χώρα σε στρώματα από κάτω προς τα πάνω. Από κάτω κατασκευάζονται τρανζίστορ, πάνω από αυτά κατασκευάζονται δίκτυα σύνδεσης και μετά καλώδια τροφοδοσίας. Υπάρχουν συνήθως δέκα έως πάνω από είκοσι στρώματα, και όσο υψηλότερο είναι το στρώμα, τόσο μεγαλύτερα είναι τα στοιχεία του.
Τα επόμενα χρόνια, το πρότυπο θα είναι ότι μετά την πραγματοποίηση των συνδέσεων μεταξύ των τρανζίστορ, η γκοφρέτα πυριτίου θα αναποδογυριστεί, θα αραιωθεί και οι διαδρομές ισχύος θα δημιουργηθούν στην άλλη, γυαλισμένη πλευρά της γκοφρέτας. Αυτό σημαίνει ότι τα τρανζίστορ θα είναι σαν ένα μπιφτέκι σε ένα μπιφτέκι, όχι η βάση ενός κέικ.
Είναι εύκολο να μαντέψει κανείς πόσο θα περιπλέξει τη διαδικασία κατασκευής τσιπ, αλλά σύμφωνα με τα πρώτα πειράματα, η διαδικασία BSPDN (Back Side Power Delivery Network) φέρνει πολλά πλεονεκτήματα. Πρώτον, χάρη σε αυτή την προσέγγιση, τα τρανζίστορ μπορούν να τοποθετηθούν πιο κοντά το ένα στο άλλο. Δεύτερον, ο συνολικός αριθμός των στρώσεων θα είναι μικρότερος. Τρίτον, οι συνδέσεις από το υψηλότερο επίπεδο τροφοδοσίας στο τρανζίστορ θα είναι μικρότερες. Και αυτό σημαίνει μικρότερη απώλεια ενέργειας και δυνατότητα μείωσης της τάσης τροφοδοσίας. Οι ακριβείς τρόποι εφαρμογής αυτής της λύσης μπορεί να διαφέρουν ως προς την πολυπλοκότητα και τα πιθανά οφέλη, αλλά όλοι οι μεγάλοι παίκτες στην αγορά λένε ότι το παιχνίδι αξίζει σίγουρα το κερί.
Αργότερα φέτος θα δούμε το BSPDN σε δράση για πρώτη φορά στο Intel Process 20A (Η Intel ονομάζει την εφαρμογή της PowerVia). Η Intel οφείλει αυτήν την ταχεία ανάπτυξη στο γεγονός ότι εργάζεται σε αυτήν την τεχνολογία εδώ και αρκετό καιρό, ανεξάρτητα από την εργασία για την αλλαγή της γεωμετρίας των τρανζίστορ και τη χρήση νεότερων μηχανών. Αυτό σημαίνει ότι θα μπορεί να το ενσωματώσει σχεδόν σε οποιαδήποτε μελλοντική διαδικασία.
Samsung δεν έχει δώσει ακόμη καμία επίσημη πληροφορία σχετικά με το πότε θα αρχίσει να χρησιμοποιεί την έκδοση της διαδικασίας σχολίων BSPDN. Δεν υπάρχουν πολλά νέα, αλλά γνωρίζουμε ότι η Intel πειραματίζεται ήδη με αυτήν τη λύση. Και οι φήμες του κλάδου μιλούν για τη δυνατότητα εφαρμογής του στη διαδικασία SF2, που έχει προγραμματιστεί για το 2025, ή στην επόμενη, που έχει προγραμματιστεί για το 2027.
Η TSMC αφιερώνει επίσης χρόνο σε αυτόν τον τομέα και αναφέρει ότι παρόλο που τα πρώτα πειράματα φέρνουν καλά αποτελέσματα, σκοπεύει να εισαγάγει το BSPDN στη διαδικασία N2P, η οποία έχει προγραμματιστεί για εφαρμογή μόνο στις αρχές του 2026 και του 2027.
Διαβάστε επίσης: Η τηλεμεταφορά από επιστημονική άποψη και το μέλλον της
Αλλαγή μηχανημάτων έκθεσης πλακών
Καμία σοβαρή συζήτηση για την κατασκευή μικροεπεξεργαστή δεν είναι πλήρης χωρίς να αναφερθεί το κριτήριο Rayleigh. Στην περίπτωση της λιθογραφίας, δηλαδή της διαδικασίας έκθεσης πλακών πυριτίου, αυτό έχει τη μορφή του ακόλουθου τύπου:
CD = k1 • λ / ΝΑ.
Με απλά λόγια, αυτό σημαίνει ότι το μέγεθος του μικρότερου στοιχείου που μπορεί να δημιουργηθεί από το φως στην επιφάνεια μιας γκοφρέτας πυριτίου εξαρτάται από τρεις αριθμούς:
Το k1 είναι ένας αδιάστατος συντελεστής στην πράξη που δείχνει την αποτελεσματικότητα της διαδικασίας.
λ είναι το μήκος κύματος του φωτός που φωτίζει την πλάκα.
Το NA είναι το αριθμητικό άνοιγμα του οπτικού συστήματος.
Για πολλά χρόνια, ο κύριος τρόπος για να αυξηθεί η πυκνότητα συσκευασίας των τρανζίστορ ήταν η χρήση φωτός με όλο και μικρότερα μήκη κύματος. Ξεκινήσαμε από το επίπεδο των λίγων εκατοντάδων νανόμετρων και μπορέσαμε να προχωρήσουμε σχετικά γρήγορα στη χρήση φωτός σε μήκος κύματος 193 nm, στο οποίο ο κόσμος των ημιαγωγών έχει κολλήσει για πολύ περισσότερο από όσο ήθελε. Μετά από χρόνια έρευνας, καθυστερήσεις και δισεκατομμύρια δολάρια που δαπανήθηκαν, το 2019 οι μηχανές λιθογραφίας UV της ASML βγήκαν τελικά στην αγορά. Χρησιμοποιούν υπεριώδες φως (EUV) με μήκος κύματος περίπου 13,5 nm και χρησιμοποιούνται πλέον σε όλα τα προηγμένα εργοστάσια κατασκευής τσιπ. Ωστόσο, αυτή είναι ίσως η τελευταία φορά που το λ μειώθηκε με επιτυχία στον παραπάνω τύπο.
Γι' αυτό θα πρέπει να παίξετε με την αλλαγή του NA. Μπορείτε να σκεφτείτε το NA ως το διάφραγμα ενός φακού κάμερας. Αυτός ο αδιάστατος αριθμός καθορίζει πόσο φως συλλέγει το οπτικό σύστημα. Στην περίπτωση των λιθογραφικών μηχανών, αυτό σημαίνει (σύμφωνα με τον παραπάνω τύπο) ότι αν θέλουμε να κάνουμε όλο και μικρότερα χαρακτηριστικά, τόσο υψηλότερο θα πρέπει να είναι το NA. Οι μηχανές ASML που χρησιμοποιούνται αυτήν τη στιγμή έχουν NA 0,33. Το επόμενο βήμα είναι οι μηχανές με υψηλό αριθμητικό διάφραγμα του οπτικού συστήματος, οι οποίες έχουν ΝΑ 0,55.
Ακούγεται απλό, αλλά τίποτα δεν είναι απλό σε αυτήν την επιχείρηση. Αυτό φαίνεται καλύτερα από το γεγονός ότι οι μηχανές High-NA είναι πολύ μεγαλύτερες και υπερδιπλάσιες από τους προκατόχους τους (περίπου 400 εκατομμύρια δολάρια έναντι περίπου 150 εκατομμύρια δολάρια), ενώ έχουν επίσης μικρότερη απόδοση. Επομένως, ενώ όλοι γνωρίζουν ότι αυτό είναι το μέλλον της κατασκευής των πιο προηγμένων επεξεργαστών, συχνά γίνεται αντιληπτό ως μια μορφή αναγκαίου κακού.
Η Intel ήταν η πιο γρήγορη που χρησιμοποίησε μηχανές EUV High-NA. Η αμερικανική εταιρεία έχει ήδη αγοράσει το πρώτο διαθέσιμο μηχάνημα αυτού του τύπου, το οποίο αυτή τη στιγμή εγκαθίσταται σε ένα από τα εργοστάσια της εταιρείας στο Όρεγκον. Επίσης, η Intel σχεδιάζει να αγοράσει τα περισσότερα από τα μηχανήματα που παράγονται φέτος. Είναι γνωστό ότι οι προγραμματιστές σχεδιάζουν να χρησιμοποιήσουν τη λιθογραφία High-NA σε μεγάλη κλίμακα στη διαδικασία 14Α, η οποία αναμένεται να δει το φως της δημοσιότητας το 2026 ή το 2027 (αν όλα πάνε σύμφωνα με το σχέδιο).
ΤΑΥΤΟΧΡΟΝΑ, Samsung και η TSMC δεν βιάζονται, αμφιβάλλοντας για την οικονομική έννοια της χρήσης αυτού του εξοπλισμού μέχρι την εφαρμογή της διαδικασίας 1 nm, δηλαδή μέχρι το 2030 περίπου. Αντίθετα, σκοπεύουν να αποσπάσουν το καλύτερο από τα μηχανήματα EUV που έχουν ήδη με διάφορα κόλπα και βελτιώσεις διαδικασιών που εμπίπτουν στην ομπρέλα του παράγοντα k1.
Επίσης ενδιαφέρον: Πώς η Ταϊβάν, η Κίνα και οι ΗΠΑ αγωνίζονται για την τεχνολογική κυριαρχία: ο μεγάλος πόλεμος των τσιπ
Μετάβαση σε 3D
Τώρα αρχίζουμε να κινούμαστε στη ζώνη ενός αβέβαιου μέλλοντος, ερευνητικών εργασιών και γενικών υποθέσεων, όχι συγκεκριμένων σχεδίων. Ωστόσο, η κοινότητα είναι αρκετά ομόφωνη ότι θα έρθει μια στιγμή που τα τρανζίστορ θα πρέπει να στοιβάζονται το ένα πάνω στο άλλο καθώς η κλιμάκωση των X και Y αγγίζει ουσιαστικά το όριό της. Επί του παρόντος, τα τρανζίστορ τύπου P και τύπου N τοποθετούνται το ένα δίπλα στο άλλο. Ο στόχος είναι να στοιβάζονται τρανζίστορ τύπου Ν πάνω από τρανζίστορ τύπου Ρ, δημιουργώντας έτσι «σάντουιτς» τρανζίστορ που ονομάζονται CFET (συμπληρωματικά FET). Δύο βασικές μέθοδοι για την επίτευξη ενός τέτοιου σχεδίου μελετώνται: η μονολιθική, στην οποία ολόκληρη η δομή είναι χτισμένη σε μία πλάκα και η διαδοχική, στην οποία τα τρανζίστορ τύπου N και P κατασκευάζονται σε ξεχωριστές πλάκες που είναι «κολλημένες» μεταξύ τους.
Σύμφωνα με τους ειδικούς, η αγορά για την παραγωγή μικροεπεξεργαστών θα εισέλθει στην τρίτη διάσταση γύρω στο 2032-2034. Επί του παρόντος, είναι γνωστό ότι η Intel και η TSMC εργάζονται εντατικά για τις υλοποιήσεις αυτής της τεχνολογίας, αλλά Samsung, μάλλον δεν κοιμάται ούτε, γιατί τα πιθανά οφέλη από τη χρήση αυτής της λύσης είναι τεράστια.
Επίσης ενδιαφέρον: Σύμπαν: Τα πιο ασυνήθιστα διαστημικά αντικείμενα
Μετάβαση σε "δύο διαστάσεις"
Ένα άλλο πρόβλημα που προσπαθούν να αντιμετωπίσουν οι ηγέτες του κόσμου της κατασκευής μικροκυκλωμάτων είναι ότι υπάρχει μια συνηθισμένη έλλειψη πυριτίου. Αυτό το στοιχείο μας έχει εξυπηρετήσει πιστά για αρκετές δεκαετίες, αλλά η περιορισμένη ποσότητα του αρχίζει να καθιστά αδύνατη την περαιτέρω κατασκευή μικρότερων και ταχύτερων τρανζίστορ. Ως εκ τούτου, η έρευνα για τα λεγόμενα δισδιάστατα υλικά που θα μπορούσαν να αντικαταστήσουν το πυρίτιο στο κανάλι του τρανζίστορ βρίσκεται σε εξέλιξη σε όλο τον κόσμο. Πρόκειται για υλικά των οποίων το πάχος μπορεί να είναι πολλά ή μόνο ένα άτομο και παρέχουν κινητικότητα ηλεκτρικού φορτίου, το οποίο δεν είναι διαθέσιμο για ημιαγωγούς πυριτίου αυτού του πάχους.
Το πιο διάσημο δισδιάστατο υλικό είναι το γραφένιο. Αν και η χρήση του στην παραγωγή τσιπ εξακολουθεί να διερευνάται, λόγω της έλλειψης φυσικού ενεργειακού κενού, είναι αμφίβολο εάν θα χρησιμοποιηθεί ποτέ σε βιομηχανική κλίμακα για την παραγωγή ημιαγωγών. Ωστόσο, η έρευνα με χρήση ενώσεων TMD (Transition Metal Dichalcogenides - ενώσεις μετάλλων μετάπτωσης του μπλοκ d του περιοδικού πίνακα και χαλκογόνων της 16ης ομάδας του περιοδικού πίνακα), όπως π.χ. Τα MoS 2 και WSe 2, που πραγματοποιήθηκαν από την Intel και την TSMC, φαίνονται πολλά υποσχόμενα. Θα μπορέσουμε να δούμε τις συνέπειές τους την επόμενη δεκαετία.
Διαβάστε επίσης:
- Τα μικροτσίπ γραφενίου θα κάνουν τα τηλέφωνα πιο γρήγορα και πιο εύκολα
- Σχετικά με τους κβαντικούς υπολογιστές με απλά λόγια
Έρχονται ενδιαφέρουσες εποχές
Συνοψίζοντας, σημειώνω ότι τα επόμενα χρόνια θα είναι γεμάτα καινοτομίες και επαναστάσεις στον τομέα της παραγωγής ημιαγωγών. Οι προαναφερθείσες καινοτομίες δεν εξαντλούν καν το θέμα, γιατί δεν αναφέραμε τίποτα για τη λιθογραφία υπολογιστή, ούτε για την ανάπτυξη chiplets, ούτε για την πιθανή μετάβαση στη βάση του επεξεργαστή Glass. Επίσης δεν μιλήσαμε για πρόοδο στην παραγωγή μνήμης.
Όλοι γνωρίζουν ότι τέτοια σημεία καμπής είναι ιδανικά για την κάλυψη της τεχνολογικής υστέρησης, καθώς υπάρχει μεγάλη πιθανότητα να αποτύχουν οι ανταγωνιστές. Η Intel στοιχηματίζει ακόμη και ολόκληρο το μέλλον της εταιρείας στο να είναι σε θέση να προσφέρει την επόμενη καινοτομία ημιαγωγών γρηγορότερα από τον ανταγωνισμό. Η κυβέρνηση των ΗΠΑ ενδιαφέρεται επίσης πολύ να επαναφέρει την παραγωγή τσιπ τελευταίας τεχνολογίας στη Βόρεια Αμερική, γι' αυτό και επενδύει δισεκατομμύρια δολάρια στην ανάπτυξη της Intel. Ωστόσο, οι επιδοτήσεις τσιπ δεν είναι μόνο ένας τομέας ενδιαφέροντος για τους Αμερικανούς. Στην Κορέα και την Ταϊβάν, οι κυβερνήσεις παρέχουν επίσης γενναιόδωρες προτιμήσεις Samsung και TSMC, γιατί γνωρίζουν πόσο σημαντική είναι η μελλοντική περίοδος και πόσο το μέλλον αυτών των χωρών εξαρτάται από τις νέες τεχνολογίες. Μεταξύ άλλων, γιατί έχουν πίσω τους την Κίνα, η οποία επίσης επενδύει τεράστια ποσά στην έρευνα, ανάπτυξη και ανάπτυξη παραγωγής ημιαγωγών, αλλά αυτό είναι ήδη θέμα για άλλο άρθρο.
Διαβάστε επίσης: