امروز در مورد ترانزیستورهای آینده صحبت خواهیم کرد و تمام اسرار خلقت آنها را فاش خواهیم کرد. امروزه مشخص شده است که با دوره ای از تغییرات عظیم در ساختار و روش تولید تراشه روبرو هستیم که بازار مدت زیادی است که شاهد آن نبوده است. بزرگ‌ترین ذهن‌های جهان شب‌های بی‌خوابی را به این فکر می‌گذرانند که از چه فرمولی استفاده کنند تا اتم‌ها دقیقاً آنطور که نیاز دارند برقصند و کارهایی را انجام دهند که به نظر می‌رسد قوانین فیزیک را نقض می‌کنند.
همچنین این دوره رقابت شدید بین غول های نیمه هادی از ایالات متحده، کره و تایوان خواهد بود. آنها کسانی هستند که سعی می کنند از تغییر پارادایم آینده برای بازیابی، به دست آوردن یا تقویت موقعیت خود به عنوان رهبران فناوری استفاده کنند. چه نوآوری ها و انقلاب هایی در انتظار ماست؟ بیایید سعی کنیم امروز توضیح دهیم.
همچنین بخوانید: AMD XDNA چیست؟ معماری که هوش مصنوعی را در پردازنده های رایزن تقویت می کند
تغییر هندسه ترانزیستورها
یا بهتر است بگوییم اهداف آنها تغییر خواهد کرد. اولین نوآوری که توسط سه سازنده بزرگ نیمه هادی (TSMC، Intel، Samsungاینها به اصطلاح ترانزیستورهای GAAFET هستند. این اولین تغییر عمده در هندسه ترانزیستور از سال 2011 است، زمانی که جهان ترانزیستورهای FinFET اینتل را دید. من نمی خواهم زیاد روی موضوع GAAFET بپردازم، زیرا این نیاز به مقاله جداگانه ای دارد. در اینجا ما فقط مفهوم پشت آنها را مورد بحث قرار خواهیم داد.
با کوچک شدن ترانزیستورها، مهندسان شروع به تجربه اثرات به اصطلاح کانال کوتاه کردند. به طور خلاصه، با کوتاه شدن فاصله بین تخلیه و تخلیه ترانزیستور، مشکل بزرگتر و بزرگتر شد. یعنی شاتر شروع به از دست دادن کنترل بر جریان عبوری از کانال کرد. برای ده ها سال، راه حل این مشکل این بود که چگونه کانال را از سطح ویفر سیلیکونی به صورت باله بیرون بیاوریم (از این رو Fin یا باله در FinFET). این به گیت اجازه می‌دهد تا از سه طرف با کانال تماس پیدا کند (یا اگر لبه دارای سطح مقطع گوه‌ای باشد)، کنترل بیشتری بر جریان جریان و انعطاف‌پذیری بیشتری در تطبیق پارامترهای الکتریکی ترانزیستورها با نیازهای طرح.
با این حال، کاهش مداوم ترانزیستورها به این معنی بود که این دیگر کافی نیست. لازم بود که گیت شروع به احاطه کانال ترانزیستور کند، یعنی ترانزیستورهای GAAFET را تشکیل دهد (GAA مخفف Gate-All-Around است). به بیان ساده، می توانید آنها را به عنوان ترانزیستورهای FinFET در یک طرف در نظر بگیرید، زیرا ترانزیستورهای FinFET اغلب دو یا سه لبه دارند. این مانند یک ساندویچ چند لایه است که در آن کانال هایی به شکل لوله یا ورقه که یکی بالای دیگری قرار گرفته اند توسط لایه های عایق و دروازه از هم جدا می شوند. اگرچه این مفهوم سال هاست که شناخته شده است و از تجهیزات و فرآیندهای موجود استفاده می کند، اما اجرای آن بی اهمیت نیست. مشکل این است که در برخی از مراحل لایه های بعدی کانال در هوا آویزان می شوند و فقط توسط یک "ستون" موقت پشتیبانی می شوند. در عین حال، قسمت پایین آنها باید به طور یکنواخت با یک لایه دی الکتریک به ضخامت یک اتم پوشانده شود و سپس تمام فضاهای خالی را با دقت با مواد پر کنید.
این واقعیت که GAAFET ها پیش پا افتاده نیستند، توسط وضعیت با برجسته می شود Samsung. از سال 2022، نمونه کارها کره دارای فرآیندی با ترانزیستورهای MBCFET (نام بازاریابی Samsung برای پیاده سازی ترانزیستورهای GAAFET). اما در عمل، این یک پیروزی معمولی در مسابقه است. واقعیت این است که درصد تراشه های کاملاً کاربردی به دست آمده با استفاده از آن به قدری کم است که تقریباً هیچ کس تمایلی به استفاده از آن در تولید ندارد (حتی… Samsung برای اگزینوس شما). تنها چیزی که می دانیم این است که از آن برای تولید تراشه های کوچک و نسبتا ساده برای استخراج کنندگان ارزهای دیجیتال استفاده می شود. تنها نسل دوم این فرآیند که در سال 2024 در دسترس خواهد بود، با نام 3GAP (اگرچه برخی منابع می‌گویند می‌توان آن را به فرآیند کلاس 2 نانومتری تغییر نام داد)، انتظار می‌رود به طور گسترده‌تری مورد استفاده قرار گیرد.
ترانزیستورهای GAAFET (اینتل اجرای آن را RibbonFET می نامد) باید در سال جاری به عنوان بخشی از فرآیندهای 20A و 18A اینتل به کارخانه های اینتل تحویل داده شود که برای تولید قطعات برای سیستم های Arrow Lake و Lunar Lake استفاده می شود. با این حال، شایعات مختلف صنعت حاکی از آن است که مقیاس تولید اولیه ممکن است محدود باشد.
در مورد TSMC چطور؟ این شرکت تایوانی قصد دارد از ترانزیستورهای GAAFET در فرآیند N2 خود استفاده کند که انتظار نمی رود تا سال 2025 به طور کامل آماده شود. از نظر تئوری دیرتر از قبل Samsung و اینتل، اما وقتی TSMC در مورد داشتن یک فرآیند خاص صحبت می کند، معمولاً به معنای آماده بودن برای تولید چیزی است Apple і Nvidia، بنابراین در عمل تفاوت می تواند بسیار کوچکتر باشد.
همچنین بخوانید: همه چیز درباره تراشه Neuralink Telepathy: چیست و چگونه کار می کند
تغییر روش تغذیه ترانزیستورها
دومین نوآوری که در انتظار ما است به نحوه تغذیه ترانزیستورها در ریزمدارها مربوط می شود. در حال حاضر فرآیند ساخت ریزپردازنده به صورت لایه ای از پایین به بالا انجام می شود. ترانزیستورها در زیر ساخته می شوند، سپس شبکه های اتصال در بالای آنها ساخته می شوند و سپس کابل های برق. معمولاً 10 تا 20 لایه وجود دارد و هر چه لایه بالاتر باشد، عناصر آن بزرگتر است.
در طی چند سال آینده، استاندارد این خواهد بود که پس از ایجاد اتصالات بین ترانزیستورها، ویفر سیلیکونی برگردانده شده، نازک می شود و مسیرهای برق در سمت دیگر و صیقلی ویفر ایجاد می شود. این بدان معنی است که ترانزیستورها مانند یک پتی در همبرگر خواهند بود، نه پایه کیک.
به راحتی می توان حدس زد که این کار تا چه اندازه فرآیند تولید تراشه را پیچیده می کند، اما طبق آزمایشات اولیه، فرآیند BSPDN (شبکه تحویل برق در پشت) مزایای بسیاری را به همراه دارد. اول، به لطف این رویکرد، ترانزیستورها را می توان نزدیک به یکدیگر قرار داد. در مرحله دوم، تعداد کل لایه ها کمتر خواهد بود. سوم، اتصالات از بالاترین سطح منبع تغذیه به ترانزیستور کوتاه تر خواهد بود. و این یعنی اتلاف انرژی کمتر و امکان کاهش ولتاژ تغذیه. راه‌های دقیق اجرای این راه‌حل ممکن است از نظر پیچیدگی و مزایای بالقوه متفاوت باشد، اما همه بازیگران اصلی بازار می‌گویند که بازی قطعاً ارزش شمع را دارد.
اواخر امسال، برای اولین بار در اینتل پرو، BSPDN را در عمل خواهیم دیدcess 20A (اینتل اجرای آن را PowerVia می نامد). اینتل این توسعه سریع را مدیون این واقعیت است که بدون توجه به تغییر هندسه ترانزیستورها و استفاده از ماشین های جدیدتر، مدتی است که روی این فناوری کار می کند. این بدان معنی است که او می تواند آن را در تقریباً هر فرآیند آینده ادغام کند.
Samsung هنوز هیچ اطلاعات رسمی در مورد زمان شروع استفاده از نسخه خود از فرآیند بازخورد BSPDN ارائه نکرده است. اخبار زیادی وجود ندارد، اما می دانیم که اینتل در حال آزمایش این راه حل است. و شایعات صنعت در مورد امکان اجرای آن در فرآیند SF2 که برای سال 2025 برنامه ریزی شده است یا در مورد بعدی که برای سال 2027 برنامه ریزی شده است صحبت می کند.
TSMC نیز در این زمینه وقت خود را صرف می‌کند و گزارش می‌دهد که اگرچه اولین آزمایش‌ها نتایج خوبی به همراه دارد، اما قصد دارد BSPDN را در فرآیند N2P که برای پیاده‌سازی تنها در سال‌های 2026 و 2027 برنامه‌ریزی شده است، معرفی کند.
همچنین بخوانید: تله پورت از دیدگاه علمی و آینده آن
تعویض ماشین های نوردهی صفحه
هیچ گفتگوی جدی در مورد ساخت ریزپردازنده بدون ذکر معیار ریلی کامل نمی شود. در مورد لیتوگرافی، یعنی فرآیند افشای ویفرهای سیلیکونی، این به شکل فرمول زیر است:
CD = k1 • λ / NA.
به عبارت ساده، این بدان معنی است که اندازه کوچکترین عنصری که می تواند توسط نور روی سطح ویفر سیلیکونی ایجاد شود به سه عدد بستگی دارد:
k1 یک ضریب بدون بعد در عمل است که کارایی فرآیند را نشان می دهد.
λ طول موج نوری است که صفحه را روشن می کند.
NA دیافراگم عددی سیستم نوری است.
برای سال‌های متمادی، راه اصلی برای افزایش چگالی بسته‌بندی ترانزیستورها استفاده از نور با طول موج‌های کوتاه‌تر بوده است. ما از سطح چند صد نانومتری شروع کردیم و توانستیم نسبتاً سریع به سمت استفاده از نور با طول موج 193 نانومتر حرکت کنیم، که دنیای نیمه‌رسانا برای مدت طولانی‌تری از آنچه می‌خواست در آن گیر کرده بود. پس از سال ها تحقیق، تاخیر و میلیاردها دلار هزینه، سرانجام در سال 2019 دستگاه های لیتوگرافی UV ASML وارد بازار شدند. آنها از نور ماوراء بنفش (EUV) با طول موج حدود 13,5 نانومتر استفاده می کنند و اکنون در تمام کارخانه های پیشرفته تولید تراشه استفاده می شوند. با این حال، این احتمالا آخرین باری است که λ با موفقیت در فرمول بالا کاهش می یابد.
به همین دلیل است که باید با تغییر NA بازی کنید. شما می توانید NA را به عنوان دیافراگم لنز دوربین در نظر بگیرید. این عدد بدون بعد تعیین می کند که سیستم نوری چه مقدار نور را جمع آوری می کند. در مورد ماشین های لیتوگرافی این یعنی (طبق فرمول بالا) که اگر بخواهیم ویژگی های کوچکتر و کوچکتر بسازیم، NA باید بالاتر باشد. ماشین های ASML که در حال حاضر استفاده می شوند دارای NA 0,33 هستند. مرحله بعدی ماشین هایی با دیافراگم عددی بالای سیستم نوری است که دارای NA 0,55 هستند.
ساده به نظر می رسد، اما هیچ چیز در این تجارت ساده نیست. این به بهترین وجه با این واقعیت نشان می‌دهد که ماشین‌های High-NA بسیار بزرگتر و بیش از دو برابر گران‌تر از مدل‌های قبلی خود هستند (حدود 400 میلیون دلار در مقابل حدود 150 میلیون دلار)، در حالی که توان عملیاتی کمتری نیز دارند. بنابراین، در حالی که همه می دانند که این آینده تولید پیشرفته ترین پردازنده ها است، اغلب به عنوان نوعی شر ضروری تلقی می شود.
اینتل سریعترین دستگاهی بود که از دستگاههای EUV High-NA استفاده کرد. این شرکت آمریکایی قبلاً اولین دستگاه موجود از این نوع را خریداری کرده است که در حال حاضر در یکی از کارخانه های این شرکت در اورگان در حال نصب است. همچنین اینتل قصد دارد بیشتر ماشین های تولید شده در سال جاری را خریداری کند. مشخص است که توسعه دهندگان قصد دارند از لیتوگرافی High-NA در مقیاس بزرگ در فرآیند 14A استفاده کنند که انتظار می رود در سال 2026 یا 2027 (اگر همه چیز طبق برنامه پیش برود) روشنایی روز را ببیند.
همزمان، Samsung و TSMC هیچ عجله ای ندارند و در حس اقتصادی استفاده از این تجهیزات تا زمان اجرای فرآیند 1 نانومتری یعنی حدود سال 2030 تردید دارند. در عوض، آنها قصد دارند با ترفندهای مختلف و بهبودهای فرآیندی که در زیر چتر فاکتور k1 قرار می‌گیرند، بهترین ماشین‌های EUV را که در حال حاضر دارند، به کار گیرند.
همچنین جالب: نحوه مبارزه تایوان، چین و ایالات متحده برای تسلط فناوری: جنگ بزرگ تراشه
به حالت سه بعدی بروید
اکنون ما در حال حرکت به منطقه آینده نامشخص، کار تحقیقاتی و فرضیات کلی هستیم، نه برنامه های مشخص. با این حال، جامعه تقریباً متفق القول است که زمانی فرا خواهد رسید که ترانزیستورها باید روی هم چیده شوند، زیرا مقیاس X و Y عملاً به حد خود می رسد. در حال حاضر ترانزیستورهای نوع P و N در کنار یکدیگر قرار می گیرند. هدف این است که ترانزیستورهای نوع N را روی ترانزیستورهای نوع P قرار دهیم، بنابراین "ساندویچ‌هایی" از ترانزیستورها به نام CFET (FETهای مکمل) ایجاد می‌شود. دو روش اصلی برای دستیابی به چنین طراحی در حال مطالعه است: یکپارچه، که در آن کل ساختار بر روی یک صفحه ساخته شده است، و متوالی، که در آن ترانزیستورهای نوع N و P بر روی صفحات جداگانه ای که به هم "چسبانده شده اند" ساخته می شوند.
به گفته کارشناسان، بازار تولید ریزپردازنده ها در حدود سال های 2032-2034 وارد بعد سوم خواهد شد. در حال حاضر مشخص است که اینتل و TSMC به شدت بر روی پیاده سازی خود از این فناوری کار می کنند، اما Samsung، احتمالاً خواب هم نیست، زیرا مزایای بالقوه استفاده از این راه حل بسیار زیاد است.
همچنین جالب: کیهان: غیرمعمول ترین اجرام فضایی
انتقال به "دو بعد"
یکی دیگر از مشکلاتی که رهبران دنیای تولید ریزگردها سعی در مقابله با آن دارند این است که کمبود سیلیکون معمولی وجود دارد. این عنصر برای چندین دهه صادقانه به ما خدمت کرده است، اما مقدار محدود آن شروع به ساختن بیشتر ترانزیستورهای کوچکتر و سریعتر می کند. بنابراین، تحقیقات در مورد مواد به اصطلاح دو بعدی که می توانند جایگزین سیلیکون در کانال ترانزیستور شوند در سراسر جهان در حال انجام است. اینها موادی هستند که ضخامت آنها می تواند چند یا فقط یک اتم باشد و تحرک بار الکتریکی را فراهم می کنند که برای نیمه هادی های سیلیکونی با این ضخامت در دسترس نیست.
معروف ترین ماده دو بعدی گرافن است. اگرچه استفاده از آن در تولید تراشه هنوز در حال بررسی است، به دلیل فقدان شکاف انرژی طبیعی، این تردید وجود دارد که آیا هرگز در مقیاس صنعتی برای تولید نیمه هادی استفاده شود یا خیر. اما تحقیقات با استفاده از ترکیبات TMD (Transition Metal Dichalcogenides - ترکیبات فلزات واسطه بلوک d جدول تناوبی و کالکوژن های گروه شانزدهم جدول تناوبی) مانند MoS 2 و WSe 2 که توسط اینتل و TSMC انجام شده اند، کاملا امیدوارکننده به نظر می رسند. ما می‌توانیم عواقب آنها را در دهه آینده ببینیم.
همچنین بخوانید:
زمان های جالبی در پیش است
در جمع بندی، یادآوری می کنم که سال های آینده پر از نوآوری ها و انقلاب ها در زمینه تولید نیمه هادی خواهد بود. نوآوری های ذکر شده در بالا حتی موضوع را تمام نمی کند، زیرا ما چیزی در مورد لیتوگرافی کامپیوتری، توسعه چیپلت ها و همچنین در مورد انتقال بالقوه به پایه پردازنده Glass اشاره نکردیم. همچنین در مورد پیشرفت در تولید حافظه صحبت نکردیم.
همه می دانند که چنین نقاط عطفی برای جبران عقب ماندگی های تکنولوژیکی ایده آل هستند، زیرا احتمال شکست رقبا بسیار زیاد است. اینتل حتی تمام آینده این شرکت را در ارائه نوآوری های نیمه هادی بعدی سریعتر از رقبا به خطر انداخت. دولت آمریکا نیز علاقه زیادی به بازگرداندن تولید تراشه های پیشرفته به آمریکای شمالی دارد و به همین دلیل میلیاردها دلار در توسعه اینتل سرمایه گذاری می کند. با این حال، یارانه های تراشه تنها یک منطقه مورد علاقه برای آمریکایی ها نیست. در کره و تایوان، دولت ها نیز ترجیحات سخاوتمندانه ای را ارائه می دهند Samsung و TSMC، زیرا آنها می دانند که دوره آینده چقدر مهم است و چقدر آینده این کشورها به فناوری های جدید بستگی دارد. از جمله، زیرا آنها چین را پشت سر خود دارند، که همچنین مبالغ هنگفتی را در تحقیق، توسعه و توسعه تولید نیمه هادی سرمایه گذاری می کند، اما این موضوع قبلاً موضوع مقاله دیگری است.
همچنین بخوانید: