Ma a jövő tranzisztorairól fogunk beszélni, és felfedjük létrehozásuk minden titkát. Már ma is látható, hogy a chipgyártás szerkezetében és módszerében hatalmas változások időszaka előtt állunk, amilyenre régóta nem volt példa a piacon. A világ legnagyobb elméi álmatlan éjszakákat töltenek azon töprengve, milyen képletet alkalmazzanak annak érdekében, hogy az egyes atomok pontosan úgy táncoljanak, ahogyan kell, és olyan dolgokat tegyenek, amelyek látszólag szembemennek a fizika törvényeivel.
Ez egyben az amerikai, koreai és tajvani félvezető-óriások közötti fokozott verseny időszaka is lesz. Ők azok, akik megpróbálják kihasználni a közelgő paradigmaváltást, hogy helyreállítsák, megszerezzék vagy megerősítsék technológiai vezető pozíciójukat. Milyen újítások, forradalmak várnak ránk? Próbáljuk meg ma elmagyarázni.
Olvassa el még: Mi az az AMD XDNA? Az architektúra, amely a Ryzen processzorok mesterséges intelligenciáját működteti
A tranzisztorok geometriájának megváltoztatása
Vagy inkább változni fognak a céljaik. Az első újítás, amelyet a három nagy félvezetőgyártó (TSMC, Intel, Samsung), ezek az úgynevezett GAAFET tranzisztorok. Ez az első ilyen jelentős változás a tranzisztorok geometriájában 2011 óta, amikor a világ látta az Intel FinFET tranzisztorait. Nem akarok túl sokat foglalkozni a GAAFET-ek témájával, mert ahhoz külön cikkre van szükség. Itt csak a mögöttük rejlő koncepciót tárgyaljuk.
A tranzisztorok miniatürizálásával a mérnökök kezdték tapasztalni az úgynevezett rövid csatornás effektusokat. Röviden, ahogy a tranzisztor lefolyó és lefolyója közötti távolság egyre rövidebb lett, a probléma egyre nagyobb és nagyobb lett. Vagyis a redőny elkezdte elveszíteni az irányítást a csatornán átfolyó áram felett. Egy tucat éven keresztül az volt a megoldás erre a problémára, hogy hogyan lehet a csatornát bordaként kitüremkedni a szilícium lapka felületéből (innen a FinFET-ben a Fin, vagy borda). Ez lehetővé teszi, hogy a kapu három oldalról érintkezzen a csatornával (vagy két oldalról, ha az élnek ék alakú a keresztmetszete), így jobban szabályozza az áramot, és nagyobb rugalmasságot biztosít a tranzisztorok elektromos paramétereinek a csatorna igényeihez való igazításában. tervezés.
A tranzisztorok folyamatos csökkenése azonban azt jelentette, hogy ez már nem volt elég. Szükséges volt, hogy a kapu elkezdje körülvenni a tranzisztor csatornát, azaz GAAFET tranzisztorokat képezzen (GAA a Gate-All-Around rövidítése). Egyszerűen fogalmazva, az egyik oldalon elhelyezett FinFET tranzisztoroknak tekinthetjük őket, mivel a FinFET tranzisztoroknak gyakran két vagy három élük van. Olyan, mint egy többrétegű szendvics, amelyben az egymás felett elhelyezkedő csövek vagy lapok formájában lévő csatornákat szigetelő és kapu réteg választja el. Bár ez a koncepció már sok éve ismert, és a meglévő berendezéseket és folyamatokat használja, megvalósítása nem triviális. A probléma az, hogy egy bizonyos szakaszban a csatorna következő rétegei a levegőben lógnak, csak egy ideiglenes "oszlop" támasztja alá. Ugyanakkor az alsó részüket egyenletesen le kell fedni egy atom vastagságú dielektrikumréteggel, majd óvatosan töltsön ki minden üres helyet anyaggal.
Az a tény, hogy a GAAFET-ek nem triviálisak, rávilágít a helyzetre Samsung. 2022 óta a koreai portfólió MBCFET tranzisztorokkal működik (marketing név Samsung GAAFET tranzisztorok megvalósításához). A gyakorlatban azonban ez egy tipikus pirruszi győzelem a versenyen. A tény az, hogy a felhasználásával előállított teljesen működőképes chipek százalékos aránya olyan alacsony, hogy szinte senki sem akarja felhasználni a gyártásban (még… Samsung az Exynos számára). Csak annyit tudunk, hogy kicsi és viszonylag egyszerű chipek előállítására használják kriptovaluta bányászok számára. Ennek a folyamatnak csak a második generációja, amely 2024-ben lesz elérhető, 3GAP néven (bár egyes források szerint átnevezhető 2 nm-es osztályú eljárásra), várhatóan szélesebb körben használják majd.
A GAAFET tranzisztorokat (az Intel a megvalósítását RibbonFET-nek nevezi) az Intel 20A és 18A folyamatainak részeként még idén meg kell szállítani az Intel gyáraiba, amelyekből az Arrow Lake és Lunar Lake rendszerekhez készülnek majd alkatrészek. Különböző iparági pletykák azonban arra utalnak, hogy a kezdeti gyártási méret korlátozott lehet.
Mi a helyzet a TSMC-vel? A tajvani cég azt tervezi, hogy GAAFET tranzisztorokat használ az N2 folyamatában, amely várhatóan csak 2025-ig lesz teljesen készen. Elméletileg később, mint ben Samsung és az Intel, de ha a TSMC egy bizonyos folyamatról beszél, az általában azt jelenti, hogy készen állunk arra, hogy valamit gyártsunk Apple і Nvidia, így a gyakorlatban a különbség sokkal kisebb lehet.
Olvassa el még: Mindent a Neuralink Telepathy chipről: mi az és hogyan működik
A tranzisztorok tápellátásának megváltoztatása
A második újítás, amely ránk vár, a mikroáramkörök tranzisztorainak táplálásával kapcsolatos. Jelenleg a mikroprocesszor gyártási folyamata alulról felfelé rétegenként zajlik. Alul tranzisztorokat építenek, majd föléjük csatlakozó hálózatokat, majd tápkábeleket. Jellemzően tíz-húsz réteg van, és minél magasabb a réteg, annál nagyobbak az elemei.
Az elkövetkező néhány évben az lesz a szabvány, hogy a tranzisztorok közötti csomópontok elkészítése után a szilícium ostyát átforgatják, vékonyítják, és az ostya másik, csiszolt oldalán alakítják ki az áramutakat. Ez azt jelenti, hogy a tranzisztorok olyanok lesznek, mint egy pogácsa a hamburgerben, nem pedig egy torta alapja.
Könnyű kitalálni, hogy ez mennyire bonyolítja majd a chipgyártás folyamatát, de az első kísérletek szerint a BSPDN (Back Side Power Delivery Network) eljárás számos előnnyel jár. Először is, ennek a megközelítésnek köszönhetően a tranzisztorok közelebb helyezhetők egymáshoz. Másodszor, a rétegek teljes száma kisebb lesz. Harmadszor, a tápegység legmagasabb szintjétől a tranzisztorig tartó kapcsolatok rövidebbek lesznek. Ez pedig kisebb energiaveszteséget és a tápfeszültség csökkentésének lehetőségét jelenti. A megoldás megvalósításának pontos módjai eltérőek lehetnek a bonyolultságban és a lehetséges előnyökben, de a piac összes jelentős szereplője szerint a játék mindenképpen megéri a gyertyát.
Idén később láthatjuk először a BSPDN-t működés közben az Intel Pro-bancess 20A (az Intel a megvalósítását PowerVia-nak nevezi). Az Intel ezt a gyors fejlődést annak köszönheti, hogy a tranzisztorok geometriájának megváltoztatásán és az újabb gépek használatán kívül már egy ideje dolgozik ezen a technológián. Ez azt jelenti, hogy szinte bármilyen jövőbeli folyamatba képes lesz integrálni.
Samsung még nem adott hivatalos tájékoztatást arról, hogy mikor kezdi el használni a BSPDN visszajelzési folyamatának verzióját. Nincs sok hír, de úgy tudjuk, az Intel már kísérletezik ezzel a megoldással. Az iparági pletykák pedig arról beszélnek, hogy a 2-re tervezett SF2025 folyamatban, vagy a következő, 2027-re tervezett SFXNUMX-folyamatban valósítható meg.
A TSMC ezen a területen is húzza az idejét, és arról számol be, hogy bár az első kísérletek jó eredményeket hoznak, a BSPDN-t be kívánja vezetni az N2P folyamatba, amelynek bevezetését csak 2026 és 2027 fordulóján tervezik.
Olvassa el még: A teleportáció tudományos szempontból és jövője
Lemezexpozíciós gépek cseréje
A mikroprocesszorgyártásról egyetlen komoly beszélgetés sem teljes a Rayleigh-kritérium említése nélkül. A litográfia, vagyis a szilíciumlapkák feltárásának folyamata a következő képlet formájában történik:
CD = k1 • λ / NA.
Leegyszerűsítve ez azt jelenti, hogy a szilícium ostya felületén a fény által létrehozható legkisebb elem mérete három számtól függ:
k1 egy dimenzió nélküli együttható a gyakorlatban, amely a folyamat hatékonyságát jelzi;
λ a lemezt megvilágító fény hullámhossza;
Az NA az optikai rendszer numerikus apertúrája.
Sok éven át a tranzisztorok csomagolási sűrűségének növelésének fő módja az egyre rövidebb hullámhosszú fény használata volt. A néhány száz nanométeres szintről indultunk, és viszonylag gyorsan át tudtunk térni a 193 nm hullámhosszú fény használatára, amelyen a félvezetők világa sokkal tovább ragadt, mint szerette volna. Évekig tartó kutatás, késések és több milliárd dollár elköltött összeg után 2019-ben végre piacra kerültek az ASML UV-litográfiai gépei. Körülbelül 13,5 nm hullámhosszú ultraibolya fényt (EUV) használnak, és ma már minden fejlett chipgyártó üzemben használják. Azonban valószínűleg ez az utolsó alkalom, amikor λ-t sikeresen csökkentették a fenti képletben.
Ezért kell játszania az NA megváltoztatásával. Az NA-t úgy képzelheti el, mint a fényképezőgép lencséjének rekesznyílását. Ez a dimenzió nélküli szám határozza meg, hogy az optikai rendszer mennyi fényt gyűjt össze. A litográfiai gépeknél ez azt jelenti (a fenti képlet szerint), hogy ha egyre kisebb jellemzőket akarunk készíteni, akkor minél nagyobb legyen az NA. A jelenleg használt ASML-gépek NA-ja 0,33. A következő lépés az optikai rendszer nagy numerikus apertúrájával rendelkező gépek, amelyek NA 0,55.
Egyszerűen hangzik, de ebben a szakmában semmi sem egyszerű. Ezt jól szemlélteti az a tény, hogy a High-NA gépek jóval nagyobbak és több mint kétszer olyan drágábbak, mint elődeik (körülbelül 400 millió dollár a körülbelül 150 millió dollárral szemben), ugyanakkor kisebb az áteresztőképességük is. Ezért, bár mindenki tudja, hogy ez a legfejlettebb processzorok gyártásának a jövője, ezt gyakran a szükséges rossz egy formájaként érzékelik.
Az Intel használta a leggyorsabban az EUV High-NA gépeket. Az amerikai cég már megvásárolta az első ilyen típusú gépet, amelyet jelenleg a cég egyik oregoni üzemében telepítenek. Ezenkívül az Intel az idén legyártott gépek nagy részét meg kívánja vásárolni. Ismeretes, hogy a fejlesztők a High-NA litográfiát tervezik nagy léptékben alkalmazni a 14A folyamatban, ami várhatóan 2026-ban vagy 2027-ben lát napvilágot (ha minden a tervek szerint megy).
Egyidejűleg, Samsung és a TSMC nem siet, kétségbe vonják ennek a berendezésnek a gazdaságos használatát az 1 nm-es eljárás megvalósításáig, azaz körülbelül 2030-ig. Ehelyett különféle trükkökkel és folyamatfejlesztésekkel kívánják a lehető legjobbat kicsikarni a már meglévő EUV-gépeikből, amelyek a k1 faktor alá tartoznak.
Szintén érdekes: Hogyan harcol Tajvan, Kína és az USA a technológiai dominanciaért: a nagy chipháború
Váltson 3D-re
Most kezdünk elmozdulni a bizonytalan jövő zónájába, a kutatások és az általános feltételezések, nem pedig a konkrét tervek. A közösség azonban eléggé egyetért abban, hogy eljön az idő, amikor a tranzisztorokat egymásra kell rakni, mivel az X és Y skálázás gyakorlatilag eléri a határát. Jelenleg P-típusú és N-típusú tranzisztorok kerülnek egymás mellé. A cél az, hogy N-típusú tranzisztorokat rakjanak a P-típusú tranzisztorok tetejére, így CFET-eknek (komplementer FET-eknek) nevezett tranzisztorok „szendvicseit” hozzuk létre. Az ilyen kialakítás elérésének két fő módszerét tanulmányozzák: a monolit, amelyben a teljes szerkezet egy lemezre épül, és a szekvenciális, amelyben az N- és P-típusú tranzisztorokat külön lemezeken gyártják, amelyeket "összeragasztanak".
Szakértők szerint a mikroprocesszorok gyártásának piaca 2032-2034 környékén lép be a harmadik dimenzióba. Jelenleg ismeretes, hogy az Intel és a TSMC intenzíven dolgozik e technológia megvalósításán, de Samsung, valószínűleg nem is alszik, mert ennek a megoldásnak a lehetséges előnyei óriásiak.
Szintén érdekes: Univerzum: A legszokatlanabb űrobjektumok
Áttérés "két dimenzióra"
Egy másik probléma, amellyel a mikroáramkör-gyártás világának vezetői próbálnak megbirkózni, az, hogy banális szilíciumhiány van. Ez az elem több évtizede szolgált hűségesen bennünket, de korlátozott mennyisége kezdi lehetetlenné tenni a kisebb és gyorsabb tranzisztorok további gyártását. Ezért az úgynevezett kétdimenziós anyagok kutatása, amelyek helyettesíthetik a szilíciumot a tranzisztorcsatornában, világszerte folyamatban vannak. Ezek olyan anyagok, amelyek vastagsága több vagy csak egy atom is lehet, és elektromos töltés mobilitást biztosítanak, ami ilyen vastagságú szilícium félvezetőknél nem elérhető.
A leghíresebb kétdimenziós anyag a grafén. Bár a chipgyártásban való felhasználását még vizsgálják, a természetes energiarés hiánya miatt kétséges, hogy valaha is ipari méretekben használják-e félvezetőgyártásra. Azonban a TMD vegyületeket (Transition Metal Dichalcogenides - a periódusos rendszer d blokkjának átmenetifémeinek és a periódusos rendszer 16. csoportjának kalkogénjeinek vegyületei) alkalmazó kutatások, mint pl. Az Intel és a TSMC által lebonyolított MoS 2 és WSe 2 meglehetősen ígéretesnek tűnik. Ezek következményeit a következő évtizedben láthatjuk majd.
Olvassa el még:
- A grafén mikrochipek gyorsabbá és egyszerűbbé teszik a telefonokat
- A kvantumszámítógépekről egyszerű szavakkal
Érdekes idők következnek
Összegezve megjegyzem, hogy a következő évek tele lesznek újításokkal és forradalmakkal a félvezetőgyártás területén. A fent leírt újítások még csak nem is merítik ki a témát, mert a számítógépes litográfiáról, a chipletek fejlesztéséről, a Glass processzorbázisra való esetleges átállásról nem ejtettünk szót. Nem beszéltünk az emlékezet előállításának előrehaladásáról sem.
Mindenki tudja, hogy az ilyen fordulópontok ideálisak a technológiai lemaradás felzárkózásához, mivel nagy a valószínűsége annak, hogy a versenytársak kudarcot vallanak. Az Intel még a vállalat egész jövőjét is kockára tette, hogy a következő félvezető innovációt a versenytársaknál gyorsabban tudja kínálni. Az amerikai kormány is nagyon érdekelt abban, hogy a legmodernebb chipek gyártását visszahozza Észak-Amerikába, ezért is fektet több milliárd dollárt az Intel fejlesztésébe. A chip-támogatások azonban nem csak az amerikaiak érdeklődési területei. Koreában és Tajvanon a kormányok is nagyvonalú preferenciákat biztosítanak Samsung és a TSMC-t, mert tudják, milyen fontos a jövő időszaka, és mennyire függ ezen országok jövője az új technológiáktól. Többek között azért is, mert mögöttük Kína áll, amely szintén hatalmas összegeket fektet kutatásba, fejlesztésbe és a félvezetőgyártás fejlesztésébe, de ez már egy másik cikk témája.
Olvassa el még: