Hari ini kita akan berbicara tentang transistor masa depan dan mengungkap semua rahasia penciptaannya. Saat ini sudah jelas bahwa kita sedang menghadapi periode perubahan besar dalam struktur dan metode produksi chip, yang sudah lama tidak terlihat di pasar. Para pemikir terhebat di dunia menghabiskan malam-malam tanpa tidur sambil memikirkan formula apa yang harus digunakan untuk membuat atom-atom menari persis seperti yang mereka perlukan dan melakukan hal-hal yang tampaknya melanggar hukum fisika.
Ini juga akan menjadi periode meningkatnya persaingan antara raksasa semikonduktor dari AS, Korea, dan Taiwan. Merekalah yang mencoba memanfaatkan perubahan paradigma yang akan datang untuk memulihkan, memperoleh, atau memperkuat posisi mereka sebagai pemimpin teknologi. Inovasi dan revolusi apa yang menanti kita? Mari kita coba jelaskan hari ini.
Baca juga: Apa itu AMD XDNA? Arsitektur yang mendukung AI pada prosesor Ryzen
Mengubah geometri transistor
Atau lebih tepatnya, tujuan mereka akan berubah. Inovasi pertama yang akan (atau pernah!) dihadirkan oleh tiga produsen semikonduktor besar (TSMC, Intel, Samsung), inilah yang disebut transistor GAAFET. Ini adalah perubahan besar pertama dalam geometri transistor sejak tahun 2011, ketika dunia melihat transistor FinFET Intel. Saya tidak ingin membahas terlalu jauh mengenai GAAFET, karena hal ini memerlukan artikel terpisah. Di sini kita hanya akan membahas konsep di baliknya.
Dengan miniaturisasi transistor, para insinyur mulai merasakan apa yang disebut efek saluran pendek. Singkatnya, ketika jarak antara saluran pembuangan dan saluran pembuangan transistor semakin pendek, masalahnya menjadi semakin besar. Artinya, rana mulai kehilangan kendali atas arus yang mengalir melalui saluran. Selama belasan tahun, solusi untuk masalah ini adalah bagaimana membuat saluran menonjol dari permukaan wafer silikon sebagai sirip (karenanya disebut Fin, atau sirip, dalam FinFET). Hal ini memungkinkan gerbang untuk menghubungi saluran pada tiga sisi (atau dua jika tepinya memiliki penampang berbentuk baji), sehingga memberikan kontrol yang lebih besar terhadap aliran arus dan lebih banyak fleksibilitas dalam menyesuaikan parameter listrik transistor dengan kebutuhan. desain.
Namun, penurunan jumlah transistor yang terus-menerus berarti hal ini tidak lagi cukup. Gerbang harus mulai mengelilingi saluran transistor, yaitu membentuk transistor GAAFET (GAA adalah singkatan dari Gate-All-Around). Sederhananya, Anda dapat menganggapnya sebagai transistor FinFET yang ditempatkan di satu sisi, karena transistor FinFET sering kali memiliki dua atau tiga sisi. Ibaratnya sandwich multilayer, dimana saluran-saluran berupa tabung atau lembaran, letaknya satu di atas yang lain, dipisahkan oleh lapisan isolator dan gerbang. Meski konsep ini sudah dikenal bertahun-tahun dan menggunakan peralatan serta proses yang ada, namun penerapannya bukanlah hal yang sepele. Masalahnya adalah pada tahap tertentu lapisan saluran berikutnya menggantung di udara, hanya ditopang oleh "pilar" sementara. Pada saat yang sama, bagian bawahnya harus ditutup secara merata dengan lapisan dielektrik setebal satu atom, dan kemudian dengan hati-hati mengisi semua ruang kosong dengan material.
Fakta bahwa GAAFET bukanlah hal yang sepele terlihat dari situasi dengan Samsung. Sejak tahun 2022, portofolio Korea memiliki proses dengan transistor MBCFET (nama pemasaran Samsung untuk mengimplementasikan transistor GAAFET). Namun dalam praktiknya, ini adalah kemenangan besar dalam perlombaan. Faktanya adalah persentase chip yang berfungsi penuh yang diperoleh dengan menggunakannya sangat rendah sehingga hampir tidak ada yang mau menggunakannya dalam produksi (bahkan… Samsung untuk Exynos Anda). Yang kami tahu hanyalah bahwa ini digunakan untuk memproduksi chip kecil dan relatif sederhana untuk penambang mata uang kripto. Hanya generasi kedua dari proses ini, yang akan tersedia pada tahun 2024, yang disebut 3GAP (walaupun beberapa sumber mengatakan proses tersebut dapat diubah namanya menjadi proses kelas 2nm), yang diharapkan dapat digunakan secara lebih luas.
Transistor GAAFET (Intel menyebut implementasinya RibbonFET) harus dikirim ke pabrik Intel tahun ini sebagai bagian dari proses 20A dan 18A Intel, yang akan digunakan untuk memproduksi komponen untuk sistem Arrow Lake dan Lunar Lake. Namun, berbagai rumor industri menunjukkan bahwa skala produksi awal mungkin terbatas.
Bagaimana dengan TSMC? Perusahaan Taiwan berencana untuk menggunakan transistor GAAFET dalam proses N2-nya, yang diperkirakan akan siap sepenuhnya pada tahun 2025. Secara teoritis lebih lambat dari pada Samsung dan Intel, tetapi ketika TSMC berbicara tentang adanya proses tertentu, biasanya itu berarti kesiapan untuk menghasilkan sesuatu Apple і Nvidia, jadi dalam praktiknya perbedaannya bisa jauh lebih kecil.
Baca juga: Segala sesuatu tentang chip Telepati Neuralink: apa itu dan bagaimana cara kerjanya
Mengubah cara transistor diberi daya
Inovasi kedua yang menanti kita terkait dengan bagaimana transistor di sirkuit mikro akan diberi daya. Saat ini, proses pembuatan mikroprosesor berlangsung berlapis-lapis dari bawah ke atas. Transistor dibangun di bawahnya, kemudian jaringan koneksi dibangun di atasnya, dan kemudian kabel daya. Biasanya terdapat sepuluh hingga lebih dari dua puluh lapisan, dan semakin tinggi lapisannya, semakin besar elemennya.
Selama beberapa tahun ke depan, standarnya adalah setelah membuat sambungan antar transistor, wafer silikon akan dibalik, ditipiskan, dan jalur daya akan dibuat di sisi lain wafer yang dipoles. Artinya transistor akan seperti patty pada burger, bukan dasar kue.
Mudah ditebak betapa rumitnya proses pembuatan chip, namun menurut percobaan pertama, proses BSPDN (Back Side Power Delivery Network) membawa banyak keuntungan. Pertama, berkat pendekatan ini, transistor dapat ditempatkan berdekatan satu sama lain. Kedua, jumlah lapisan akan lebih sedikit. Ketiga, koneksi dari catu daya tingkat tertinggi ke transistor akan lebih pendek. Ini berarti lebih sedikit kehilangan energi dan kemungkinan penurunan tegangan suplai. Cara yang tepat untuk mengimplementasikan solusi ini mungkin berbeda-beda dalam kompleksitas dan potensi manfaatnya, namun semua pemain utama di pasar mengatakan bahwa game ini layak untuk dicoba.
Akhir tahun ini kita akan melihat BSPDN beraksi untuk pertama kalinya di Intel Process 20A (Intel menyebut implementasinya PowerVia). Perkembangan pesat Intel disebabkan oleh fakta bahwa mereka telah mengerjakan teknologi ini selama beberapa waktu, terlepas dari upaya untuk mengubah geometri transistor dan penggunaan mesin yang lebih baru. Ini berarti dia akan mampu mengintegrasikannya ke dalam hampir semua proses di masa depan.
Samsung belum memberikan informasi resmi kapan BSPDN akan mulai menggunakan versi proses umpan baliknya. Tidak banyak berita, tapi kita tahu bahwa Intel sudah bereksperimen dengan solusi ini. Dan rumor industri berbicara tentang kemungkinan penerapannya dalam proses SF2, yang direncanakan pada tahun 2025, atau pada proses berikutnya, yang direncanakan pada tahun 2027.
TSMC juga meluangkan waktu dalam bidang ini, dan melaporkan bahwa meskipun percobaan pertama membuahkan hasil yang baik, TSMC bermaksud untuk memperkenalkan BSPDN ke dalam proses N2P, yang direncanakan untuk diterapkan hanya pada pergantian tahun 2026 dan 2027.
Baca juga: Teleportasi dari sudut pandang ilmiah dan masa depannya
Penggantian mesin pemaparan pelat
Percakapan serius tentang pembuatan mikroprosesor tidak akan lengkap tanpa menyebutkan kriteria Rayleigh. Dalam kasus litografi, yaitu proses pemaparan wafer silikon, bentuk rumusnya adalah sebagai berikut:
CD = k1 • λ / NA.
Sederhananya, ini berarti ukuran elemen terkecil yang dapat diciptakan oleh cahaya pada permukaan wafer silikon bergantung pada tiga angka:
k1 adalah koefisien tak berdimensi dalam praktiknya yang menunjukkan efisiensi proses;
λ adalah panjang gelombang cahaya yang menerangi pelat;
NA adalah bukaan numerik sistem optik.
Selama bertahun-tahun, cara utama untuk meningkatkan kepadatan pengepakan transistor adalah dengan menggunakan cahaya dengan panjang gelombang yang semakin pendek. Kami memulai pada tingkat beberapa ratus nanometer dan mampu beralih dengan relatif cepat ke penggunaan cahaya dengan panjang gelombang 193 nm, yang mana dunia semikonduktor telah bertahan lebih lama dari yang diharapkan. Setelah bertahun-tahun melakukan penelitian, penundaan, dan menghabiskan miliaran dolar, pada tahun 2019 mesin litografi UV ASML akhirnya memasuki pasar. Mereka menggunakan sinar ultraviolet (EUV) dengan panjang gelombang sekitar 13,5 nm dan sekarang digunakan di semua pabrik pembuatan chip canggih. Namun, ini mungkin terakhir kalinya λ berhasil direduksi pada rumus di atas.
Itu sebabnya Anda harus bermain-main dengan mengubah NA. Anda dapat menganggap NA sebagai bukaan lensa kamera. Angka tak berdimensi ini menentukan berapa banyak cahaya yang dikumpulkan sistem optik. Dalam kasus mesin litograf, ini berarti (menurut rumus di atas) bahwa jika kita ingin membuat fitur semakin kecil, NA harus semakin tinggi. Mesin ASML yang saat ini digunakan memiliki NA sebesar 0,33. Langkah selanjutnya adalah mesin dengan aperture numerik tinggi pada sistem optik, yang memiliki NA 0,55.
Kedengarannya sederhana, namun tidak ada yang sederhana dalam bisnis ini. Hal ini paling baik diilustrasikan oleh fakta bahwa mesin High-NA jauh lebih besar dan dua kali lebih mahal dibandingkan pendahulunya (sekitar $400 juta berbanding sekitar $150 juta), namun juga memiliki throughput yang lebih sedikit. Oleh karena itu, meskipun semua orang tahu bahwa ini adalah masa depan manufaktur prosesor paling canggih, hal ini sering kali dianggap sebagai bentuk kejahatan yang diperlukan.
Intel adalah yang tercepat dalam menggunakan mesin EUV High-NA. Perusahaan Amerika telah membeli mesin pertama jenis ini yang tersedia, yang saat ini sedang dipasang di salah satu pabrik perusahaan di Oregon. Selain itu, Intel berencana membeli sebagian besar mesin yang diproduksi tahun ini. Diketahui bahwa pengembang berencana untuk menggunakan litografi NA Tinggi dalam skala besar dalam proses 14A, yang diperkirakan akan terwujud pada tahun 2026 atau 2027 (jika semuanya berjalan sesuai rencana).
Serentak, Samsung dan TSMC tidak terburu-buru, meragukan keekonomian penggunaan peralatan ini hingga implementasi proses 1 nm, yaitu hingga sekitar tahun 2030. Sebaliknya, mereka bermaksud memaksimalkan mesin EUV yang sudah mereka miliki dengan berbagai trik dan peningkatan proses yang berada di bawah payung faktor k1.
Juga menarik: Bagaimana Taiwan, Cina, dan AS berjuang untuk dominasi teknologi: perang chip yang hebat
Beralih ke 3D
Sekarang kita mulai bergerak ke zona masa depan yang tidak pasti, penelitian dan asumsi umum, bukan rencana konkrit. Namun, komunitas cukup sepakat bahwa akan tiba saatnya transistor perlu ditumpuk satu sama lain karena penskalaan X dan Y hampir mencapai batasnya. Saat ini, transistor tipe P dan tipe N ditempatkan bersebelahan. Tujuannya adalah untuk menumpuk transistor tipe-N di atas transistor tipe-P, sehingga menciptakan “sandwich” transistor yang disebut CFET (FET komplementer). Dua metode utama untuk mencapai desain seperti itu sedang dipelajari: monolitik, di mana seluruh struktur dibangun di atas satu pelat, dan sekuensial, di mana transistor tipe N dan P dibuat pada pelat terpisah yang "direkatkan" menjadi satu.
Menurut para ahli, pasar produksi mikroprosesor akan memasuki dimensi ketiga sekitar tahun 2032-2034. Saat ini, Intel dan TSMC diketahui sedang bekerja intensif dalam implementasi teknologi tersebut, namun Samsung, mungkin juga tidak bisa tidur, karena potensi manfaat menggunakan solusi ini sangat besar.
Juga menarik: Alam Semesta: Objek luar angkasa yang paling tidak biasa
Transisi ke "dua dimensi"
Masalah lain yang coba diatasi oleh para pemimpin dunia manufaktur sirkuit mikro adalah kurangnya silikon. Elemen ini telah melayani kita dengan setia selama beberapa dekade, namun jumlahnya yang terbatas mulai membuat mustahil untuk memproduksi lebih lanjut transistor yang lebih kecil dan lebih cepat. Oleh karena itu, penelitian terhadap apa yang disebut bahan dua dimensi yang dapat menggantikan silikon dalam saluran transistor sedang berlangsung di seluruh dunia. Ini adalah bahan yang ketebalannya bisa beberapa atau hanya satu atom, dan memberikan mobilitas muatan listrik, yang tidak tersedia untuk semikonduktor silikon dengan ketebalan ini.
Bahan dua dimensi yang paling terkenal adalah graphene. Meskipun penggunaannya dalam produksi chip masih dieksplorasi, karena kurangnya kesenjangan energi alami, diragukan apakah akan digunakan pada skala industri untuk produksi semikonduktor. Namun penelitian menggunakan senyawa TMD (Transition Metal Dichalcogenides - senyawa logam transisi blok d tabel periodik dan kalkogen golongan 16 tabel periodik), seperti MoS 2 dan WSe 2 yang dilakukan oleh Intel dan TSMC terlihat cukup menjanjikan. Kita akan dapat melihat konsekuensinya dalam dekade mendatang.
Baca juga:
- Microchip graphene akan membuat ponsel lebih cepat dan mudah
- Tentang komputer kuantum dengan kata-kata sederhana
Saat-saat menarik akan segera tiba
Kesimpulannya, saya ingin mencatat bahwa tahun-tahun mendatang akan penuh dengan inovasi dan revolusi di bidang produksi semikonduktor. Inovasi yang dijelaskan di atas bahkan tidak membahas topik tersebut, karena kami tidak menyebutkan apa pun tentang litografi komputer, atau tentang pengembangan chiplet, atau tentang potensi transisi ke basis prosesor Glass. Kami juga tidak membicarakan kemajuan dalam produksi memori.
Semua orang tahu bahwa titik balik seperti itu ideal untuk mengejar ketertinggalan teknologi, karena besar kemungkinan pesaing akan gagal. Intel bahkan mempertaruhkan seluruh masa depan perusahaannya untuk mampu menawarkan inovasi semikonduktor berikutnya lebih cepat dibandingkan kompetitor. Pemerintah AS juga sangat tertarik untuk mengembalikan produksi chip canggih ke Amerika Utara, itulah sebabnya pemerintah AS menginvestasikan miliaran dolar dalam pengembangan Intel. Namun, subsidi chip tidak hanya menjadi perhatian orang Amerika. Di Korea dan Taiwan, pemerintah juga memberikan preferensi yang besar Samsung dan TSMC, karena mereka tahu betapa pentingnya masa depan dan seberapa besar masa depan negara-negara ini bergantung pada teknologi baru. Antara lain, karena mereka didukung oleh Tiongkok, yang juga berinvestasi dalam jumlah besar dalam penelitian, pengembangan, dan pengembangan produksi semikonduktor, tetapi ini sudah menjadi topik untuk artikel lain.
Baca juga: