Danas ćemo govoriti o tranzistorima budućnosti i otkriti sve tajne njihovog stvaranja. Već danas je jasno da je pred nama razdoblje velikih promjena u strukturi i načinu proizvodnje čipova, kakve tržište dugo nije vidjelo. Najveći svjetski umovi provode besane noći pitajući se koju formulu upotrijebiti da natjeraju pojedinačne atome da zaplešu točno onako kako trebaju i rade stvari koje naizgled prkose zakonima fizike.
Također će to biti razdoblje pojačane konkurencije između poluvodičkih divova iz SAD-a, Koreje i Tajvana. Oni su ti koji pokušavaju iskoristiti nadolazeću promjenu paradigme kako bi obnovili, stekli ili ojačali svoje pozicije tehnoloških lidera. Koje nas inovacije i revolucije očekuju? Pokušajmo danas objasniti.
Također pročitajte: Što je AMD XDNA? Arhitektura koja pokreće AI na Ryzen procesorima
Promjena geometrije tranzistora
Ili bolje rečeno, promijenit će im se ciljevi. Prva inovacija koju će (ili je!) predstaviti velika tri proizvođača poluvodiča (TSMC, Intel, Samsung), to su tzv. GAAFET tranzistori. Ovo je prva tako velika promjena u geometriji tranzistora od 2011. godine, kada su svijet ugledali Intelovi FinFET tranzistori. Ne želim se previše zadržavati na temi GAAFET-ova jer to zahtijeva poseban članak. Ovdje ćemo raspravljati samo o konceptu koji stoji iza njih.
S minijaturizacijom tranzistora, inženjeri su počeli iskusiti takozvane efekte kratkog kanala. Ukratko, kako se razmak između odvoda i odvoda tranzistora smanjivao, problem je postajao sve veći i veći. Odnosno, zatvarač je počeo gubiti kontrolu nad strujom koja teče kroz kanal. Desetak godina rješenje ovog problema bilo je kako postići da kanal strši iz površine silicijske pločice kao peraja (otud Fin, ili peraja, u FinFET-u). To omogućuje vratima da dodiruju kanal s tri strane (ili dvije ako rub ima klinasti presjek), što mu daje veću kontrolu nad protokom struje i veću fleksibilnost u prilagođavanju električnih parametara tranzistora potrebama oblikovati.
Međutim, stalno smanjenje tranzistora značilo je da to više nije dovoljno. Bilo je potrebno da gate počne okruživati kanal tranzistora, odnosno formirati GAAFET tranzistore (GAA je skraćenica za Gate-All-Around). Jednostavno rečeno, možete ih zamisliti kao FinFET tranzistore postavljene s jedne strane, jer FinFET tranzistori često imaju dva ili tri ruba. To je poput višeslojnog sendviča, u kojem su kanali u obliku cijevi ili ploča, smješteni jedan iznad drugog, odvojeni slojevima izolatora i vrata. Iako je ovaj koncept poznat već dugi niz godina i koristi postojeću opremu i procese, njegova implementacija nije trivijalna. Problem je u tome što u nekoj fazi sljedeći slojevi kanala vise u zraku, podržani samo privremenim "stupom". Pritom njihov donji dio treba ravnomjerno prekriti slojem dielektrika debljine jednog atoma, a zatim sve prazne prostore pažljivo ispuniti materijalom.
Činjenica da GAAFET-ovi nisu trivijalni istaknuta je situacijom s Samsung. Od 2022. korejski portfelj ima proces s MBCFET tranzistorima (tržišni naziv Samsung za implementaciju GAAFET tranzistora). U praksi je to, međutim, tipična pirova pobjeda u utrci. Činjenica je da je postotak potpuno funkcionalnih čipova dobivenih pomoću njega toliko nizak da ga gotovo nitko ne želi koristiti u proizvodnji (čak i… Samsung za vaš Exynos). Sve što znamo je da se koristi za proizvodnju malih i relativno jednostavnih čipova za rudare kriptovaluta. Očekuje se da će se šira upotreba tek druge generacije ovog procesa, koja će biti dostupna 2024., pod nazivom 3GAP (iako neki izvori kažu da bi se mogao preimenovati u proces klase 2nm).
GAAFET tranzistori (Intel svoju implementaciju naziva RibbonFET) trebali bi biti isporučeni Intelovim tvornicama ove godine kao dio Intelovih 20A i 18A procesa, koji će se koristiti za proizvodnju komponenti za sustave Arrow Lake i Lunar Lake. Međutim, razne industrijske glasine sugeriraju da bi početna proizvodnja mogla biti ograničena.
Što je s TSMC-om? Tajvanska tvrtka planira koristiti GAAFET tranzistore u svom N2 procesu, za koji se ne očekuje da će biti potpuno spreman do 2025. godine. Teoretski kasnije nego u Samsung i Intel, ali kada TSMC govori o postojanju određenog procesa, to obično znači biti spreman proizvesti nešto za što Apple і Nvidia, pa u praksi razlika može biti znatno manja.
Pročitajte također: Sve o Neuralink Telepathy čipu: što je to i kako radi
Promjena načina napajanja tranzistora
Druga novost koja nas očekuje vezana je uz način napajanja tranzistori u mikro krugovima. Trenutno se proces proizvodnje mikroprocesora odvija slojevito odozdo prema gore. Ispod su ugrađeni tranzistori, iznad njih spojne mreže, a potom i energetski kablovi. Obično postoji deset do više od dvadeset slojeva, a što je sloj viši, to su njegovi elementi veći.
Tijekom sljedećih nekoliko godina, standard će biti da će se nakon izrade spojeva između tranzistora silicijska pločica okrenuti, stanjiti, a strujni putovi će se stvoriti na drugoj, poliranoj strani pločice. To znači da će tranzistori biti poput pljeskavice u hamburgeru, a ne temelja kolača.
Lako je pretpostaviti koliko će to zakomplicirati proces proizvodnje čipa, ali prema prvim eksperimentima, BSPDN (Back Side Power Delivery Network) proces donosi mnoge prednosti. Prvo, zahvaljujući ovom pristupu, tranzistori se mogu postaviti bliže jedan drugome. Drugo, ukupni broj slojeva bit će manji. Treće, veze od najviše razine napajanja do tranzistora bit će kraće. A to znači manji gubitak energije i mogućnost smanjenja napona napajanja. Točni načini implementacije ovog rješenja mogu varirati u složenosti i potencijalnim prednostima, ali svi glavni igrači na tržištu kažu da je igra definitivno vrijedna svijeća.
Kasnije ove godine vidjet ćemo BSPDN u akciji po prvi put u Intel Process 20A (Intel svoju implementaciju naziva PowerVia). Intel ovaj brzi razvoj duguje činjenici da već neko vrijeme radi na ovoj tehnologiji, bez obzira na rad na promjeni geometrije tranzistora i korištenju novijih strojeva. To znači da će ga moći integrirati u gotovo svaki budući proces.
Samsung tek treba pružiti bilo kakve službene informacije o tome kada će početi koristiti svoju verziju BSPDN procesa povratnih informacija. Nema puno novosti, ali znamo da Intel već eksperimentira s ovim rješenjem. A industrijske glasine govore o mogućnosti njegove implementacije u procesu SF2, planiranom za 2025., ili u sljedećem, koji je planiran za 2027.
TSMC također ne žuri na ovom području, te navodi da, iako prvi eksperimenti donose dobre rezultate, namjerava uvesti BSPDN u N2P proces, planiran za implementaciju tek na prijelazu 2026. i 2027. godine.
Pročitajte također: Teleportacija sa znanstvenog gledišta i njena budućnost
Promjena strojeva za ekspoziciju ploča
Nijedan ozbiljan razgovor o proizvodnji mikroprocesora nije potpun bez spominjanja Rayleighovog kriterija. U slučaju litografije, odnosno procesa eksponiranja silicijskih pločica, to ima oblik sljedeće formule:
CD = k1 • λ / NA.
Jednostavno rečeno, to znači da veličina najmanjeg elementa koji se može stvoriti svjetlom na površini silicijske pločice ovisi o tri broja:
k1 bezdimenzionalni koeficijent u praksi koji pokazuje učinkovitost procesa;
λ je valna duljina svjetlosti koja obasjava ploču;
NA je numerička apertura optičkog sustava.
Dugi niz godina, glavni način povećanja gustoće pakiranja tranzistora je korištenje svjetla sa sve kraćim valnim duljinama. Počeli smo na razini od nekoliko stotina nanometara i bili smo u mogućnosti relativno brzo prijeći na korištenje svjetla na valnoj duljini od 193 nm, na kojoj je svijet poluvodiča zapeo mnogo dulje nego što je želio. Nakon godina istraživanja, odgoda i potrošenih milijardi dolara, 2019. ASML-ovi UV litografski strojevi napokon su izašli na tržište. Koriste ultraljubičasto svjetlo (EUV) valne duljine od oko 13,5 nm i sada se koriste u svim naprednim pogonima za proizvodnju čipova. Međutim, ovo je vjerojatno posljednji put da je λ uspješno smanjen u gornjoj formuli.
Zato ćete se morati poigrati s promjenom NA. NA možete zamisliti kao otvor blende objektiva fotoaparata. Ovaj bezdimenzionalni broj određuje koliko svjetlosti prikuplja optički sustav. U slučaju litografskih strojeva, to znači (prema gornjoj formuli) da ako želimo napraviti sve manje i manje elemente, NA treba biti veći. ASML strojevi koji se trenutno koriste imaju NA 0,33. Sljedeći korak su strojevi s visokom numeričkom aperturom optičkog sustava, koji imaju NA 0,55.
Zvuči jednostavno, ali u ovom poslu ništa nije jednostavno. To najbolje ilustrira činjenica da su High-NA strojevi puno veći i više nego dvostruko skuplji od svojih prethodnika (oko 400 milijuna dolara u odnosu na oko 150 milijuna dolara), a istovremeno imaju manju propusnost. Stoga, iako svi znaju da je to budućnost proizvodnje najnaprednijih procesora, često se to doživljava kao oblik nužnog zla.
Intel je najbrže koristio EUV High-NA strojeve. Američka tvrtka već je kupila prvi dostupni stroj ove vrste, koji se trenutno instalira u jednoj od tvrtkinih tvornica u Oregonu. Također, Intel planira kupiti većinu strojeva proizvedenih ove godine. Poznato je da programeri planiraju masovno koristiti High-NA litografiju u procesu 14A, za koji se očekuje da će svjetlo dana ugledati 2026. ili 2027. (ako sve bude išlo po planu).
Istovremeno, Samsung i TSMC ne žure, sumnjajući u ekonomski smisao korištenja ove opreme do implementacije 1-nm procesa, odnosno otprilike do 2030. godine. Umjesto toga, namjeravaju iscijediti najbolje iz EUV strojeva koje već imaju raznim trikovima i poboljšanjima procesa koji spadaju pod kišobran faktora k1.
Također zanimljivo: Kako se Tajvan, Kina i SAD bore za tehnološku dominaciju: veliki rat čipova
Prebacite se na 3D
Sada počinjemo prelaziti u zonu neizvjesne budućnosti, istraživanja i općih pretpostavki, a ne konkretnih planova. Međutim, zajednica je prilično jednoglasna da će doći vrijeme kada će se tranzistori morati naslagati jedan na drugi jer X i Y skaliranje praktički doseže svoju granicu. Trenutno se tranzistori P-tipa i N-tipa postavljaju jedan pored drugog. Cilj je složiti tranzistore tipa N na tranzistore tipa P, čime se stvaraju "sendviči" tranzistora koji se nazivaju CFET (komplementarni FET). Proučavaju se dvije glavne metode za postizanje takvog dizajna: monolitna, u kojoj je cijela struktura izgrađena na jednoj ploči, i sekvencijalna, u kojoj se N- i P-tip tranzistori proizvode na zasebnim pločama koje su "zalijepljene" zajedno.
Prema mišljenju stručnjaka, tržište za proizvodnju mikroprocesora će ući u treću dimenziju oko 2032-2034. Trenutno je poznato da Intel i TSMC intenzivno rade na svojim implementacijama ove tehnologije, ali Samsung, vjerojatno ni ne spava jer su potencijalne koristi od korištenja ovog rješenja ogromne.
Također zanimljivo: Svemir: Najneobičniji svemirski objekti
Prijelaz u "dvije dimenzije"
Još jedan problem s kojim se pokušavaju nositi čelnici svjetske proizvodnje mikro krugova je da postoji banalni nedostatak silicija. Ovaj element nas je vjerno služio nekoliko desetljeća, ali njegova ograničena količina počinje onemogućavati daljnju proizvodnju manjih i bržih tranzistora. Stoga su u cijelom svijetu u tijeku istraživanja tzv. dvodimenzionalnih materijala koji bi mogli zamijeniti silicij u kanalu tranzistora. To su materijali čija debljina može biti nekoliko ili samo jedan atom, a omogućuju pokretljivost električnog naboja, što nije dostupno silicijskim poluvodičima ove debljine.
Najpoznatiji dvodimenzionalni materijal je grafen. Iako se njegova upotreba u proizvodnji čipova još uvijek istražuje, zbog nedostatka prirodnog energetskog jaza, dvojbeno je hoće li se ikada koristiti u industrijskim razmjerima za proizvodnju poluvodiča. Međutim, istraživanja pomoću TMD spojeva (Transition Metal Dichalcogenides - spojevi prijelaznih metala d bloka periodnog sustava i halkogena 16. skupine periodnog sustava), kao npr. MoS 2 i WSe 2, koje provode Intel i TSMC, izgledaju dosta obećavajuće. Njihove posljedice moći ćemo vidjeti u sljedećem desetljeću.
Pročitajte također:
- Grafenski mikročipovi učinit će telefone bržima i lakšima
- O kvantnim računalima jednostavnim riječima
Pred nama su zanimljiva vremena
Ukratko, napominjem da će naredne godine biti pune inovacija i revolucija u području proizvodnje poluvodiča. Gore opisanim inovacijama niti se ne iscrpljuje tema, jer nismo spominjali računalnu litografiju, niti razvoj chipleta, niti potencijalni prelazak na Glass procesorsku bazu. Također nismo razgovarali o napretku u proizvodnji memorije.
Svima je poznato da su takve prekretnice idealne za sustizanje tehnološkog zaostatka jer postoji velika vjerojatnost da će konkurenti podbaciti. Intel je čak stavio na kocku cijelu budućnost tvrtke u mogućnosti ponuditi sljedeću inovaciju poluvodiča brže od konkurencije. Američka vlada također je vrlo zainteresirana za povratak proizvodnje najmodernijih čipova u Sjevernu Ameriku, zbog čega ulaže milijarde dolara u Intelov razvoj. Međutim, subvencije za čipove nisu samo područje interesa Amerikanaca. U Koreji i Tajvanu vlade također daju velikodušne povlastice Samsung i TSMC, jer znaju koliko je važno razdoblje budućnosti i koliko budućnost ovih zemalja ovisi o novim tehnologijama. Između ostalog i zato što iza sebe imaju Kinu koja također ulaže ogromne iznose u istraživanje, razvoj i razvoj proizvodnje poluvodiča, ali to je već tema za drugi članak.
Pročitajte također: