היום נדבר על הטרנזיסטורים של העתיד ונגלה את כל סודות היצירה שלהם. כבר היום ברור שאנו עומדים בפני תקופה של שינויים עצומים במבנה ובשיטת ייצור השבבים, שהשוק לא ראה כבר הרבה זמן. המוחות הגדולים בעולם מבלים לילות ללא שינה ותוהים באיזו נוסחה להשתמש כדי לגרום לאטומים בודדים לרקוד בדיוק כמו שהם צריכים ולעשות דברים שנראים בניגוד לחוקי הפיזיקה.
זו תהיה גם תקופה של תחרות מוגברת בין ענקיות מוליכים למחצה מארה"ב, קוריאה וטייוואן. הם אלה שמנסים לנצל את שינוי הפרדיגמה המתקרב כדי לשחזר, להשיג או לחזק את עמדותיהם כמובילים טכנולוגיים. אילו חידושים ומהפכות מחכים לנו? בואו ננסה להסביר היום.
קרא גם: מה זה AMD XDNA? הארכיטקטורה שמניעה AI במעבדי Ryzen
שינוי הגיאומטריה של טרנזיסטורים
או ליתר דיוק, המטרות שלהם ישתנו. החידוש הראשון שיוצג (או הוצג!) על ידי שלושת יצרניות המוליכים למחצה הגדולות (TSMC, Intel, Samsung), אלו הם מה שנקרא טרנזיסטורי GAAFET. זהו השינוי הגדול הראשון בגיאומטריית הטרנזיסטור מאז 2011, כאשר העולם ראה את הטרנזיסטורים FinFET של אינטל. אני לא רוצה להתעכב יותר מדי על הנושא של GAAFETs, כי זה דורש מאמר נפרד. כאן נדון רק בקונספט העומד מאחוריהם.
עם מזעור הטרנזיסטורים, המהנדסים החלו לחוות את מה שנקרא אפקטים קצרי ערוצים. בקיצור, ככל שהמרחק בין הניקוז לניקוז של הטרנזיסטור הלך והתקצר, הבעיה הלכה וגברה. כלומר, התריס החל לאבד שליטה על הזרם הזורם בערוץ. במשך תריסר שנים, הפתרון לבעיה זו היה כיצד לגרום לתעלה לבלוט מפני השטח של רקיקת הסיליקון בתור סנפיר (ולכן הסנפיר, או סנפיר, ב-FinFET). זה מאפשר לשער ליצור קשר עם התעלה משלושה צדדים (או שניים אם לקצה יש חתך בצורת טריז), מה שמקנה לו שליטה רבה יותר על זרימת הזרם וגמישות רבה יותר בהתאמת הפרמטרים החשמליים של הטרנזיסטורים לצורכי הטרנזיסטורים. לְעַצֵב.
עם זאת, הירידה המתמדת בטרנזיסטורים גרמה לכך שזה כבר לא מספיק. היה צורך שהשער התחיל להקיף את ערוץ הטרנזיסטור, כלומר, הוא יצר טרנזיסטורי GAAFET (GAA הוא קיצור של Gate-All-Around). במילים פשוטות, אתה יכול לחשוב עליהם כעל טרנזיסטורי FinFET הממוקמים בצד אחד, מכיוון שלטרנזיסטורי FinFET יש לרוב שניים או שלושה קצוות. זה כמו סנדוויץ' רב שכבתי, שבו תעלות בצורת צינורות או יריעות, הממוקמות זו מעל זו, מופרדות על ידי שכבות של מבודד ושער. למרות שמושג זה ידוע כבר שנים רבות ועושה שימוש בציוד ותהליכים קיימים, יישומו אינו טריוויאלי. הבעיה היא שבשלב מסוים השכבות הבאות של התעלה תלויות באוויר, נתמכות רק ב"עמוד" זמני. במקביל, החלק התחתון שלהם צריך להיות מכוסה באופן אחיד בשכבת דיאלקטרי בעובי של אטום בודד, ולאחר מכן למלא בזהירות את כל החללים הריקים בחומר.
העובדה ש-GAAFETs אינם טריוויאליים מודגשת על ידי המצב עם Samsung. מאז 2022, לתיק הקוריאני יש תהליך עם טרנזיסטורי MBCFET (שם שיווקי Samsung ליישם טרנזיסטורי GAAFET). אולם בפועל מדובר בניצחון פירוס טיפוסי במירוץ. העובדה היא שאחוז השבבים הפונקציונליים במלואם המתקבלים באמצעותו הוא כל כך נמוך שכמעט אף אחד לא רוצה להשתמש בו בייצור (אפילו... Samsung עבור ה-Exynos שלך). כל מה שאנחנו יודעים זה שהוא משמש לייצור שבבים קטנים ופשוטים יחסית עבור כורי מטבעות קריפטוגרפיים. רק הדור השני של תהליך זה, שיהיה זמין ב-2024, הנקרא 3GAP (אם כי חלק מהמקורות טוענים שניתן לשנות את שמו לתהליך מחלקה 2nm), צפוי להיות בשימוש נרחב יותר.
טרנזיסטורי GAAFET (אינטל מכנה את היישום שלו RibbonFET) אמורים להימסר למפעלי אינטל השנה כחלק מתהליכי 20A ו-18A של אינטל, אשר ישמשו לייצור רכיבים למערכות Arrow Lake ו-Lunar Lake. עם זאת, שמועות שונות בתעשייה מצביעות על כך שהיקף הייצור הראשוני עשוי להיות מוגבל.
מה עם TSMC? החברה הטייוואנית מתכננת להשתמש בטרנזיסטורי GAAFET בתהליך ה-N2 שלה, אשר לא צפוי להיות מוכן לחלוטין עד 2025. תיאורטית מאוחר יותר מאשר ב Samsung ואינטל, אבל כש-TSMC מדברת על תהליך מסוים, זה בדרך כלל אומר להיות מוכנים לייצר עבורו משהו Apple і Nvidia, כך שבפועל ההבדל יכול להיות הרבה יותר קטן.
קרא גם: הכל על שבב Neuralink Telepathy: מה זה ואיך הוא עובד
שינוי אופן הפעלת הטרנזיסטורים
החידוש השני שמצפה לנו קשור לאופן הפעלת טרנזיסטורים במעגלים מיקרוניים. נכון להיום, תהליך ייצור המיקרו-מעבד מתרחש בשכבות מלמטה למעלה. טרנזיסטורים בנויים מתחת, ואז בנויים רשתות חיבור מעליהם, ולאחר מכן כבלי חשמל. בדרך כלל יש עשר עד למעלה מעשרים שכבות, וככל שהשכבה גבוהה יותר, האלמנטים שלה גדולים יותר.
במהלך השנים הקרובות, הסטנדרט יהיה שלאחר ביצוע הצמתים בין הטרנזיסטורים, פרוסת הסיליקון תתהפך, תדלדל, ויווצרו נתיבי הכוח בצד השני והמלוטש של הפרוסה. זה אומר שהטרנזיסטורים יהיו כמו קציצה בהמבורגר, לא בסיס של עוגה.
קל לנחש עד כמה זה יסבך את תהליך ייצור השבבים, אבל לפי הניסויים הראשונים, תהליך BSPDN (Back Side Power Delivery Network) מביא יתרונות רבים. ראשית, הודות לגישה זו, ניתן למקם טרנזיסטורים קרוב יותר זה לזה. שנית, המספר הכולל של השכבות יהיה קטן יותר. שלישית, החיבורים מהרמה הגבוהה ביותר של ספק הכוח לטרנזיסטור יהיו קצרים יותר. וזה אומר פחות אובדן אנרגיה ואפשרות להפחית את מתח האספקה. הדרכים המדויקות ליישם את הפתרון הזה עשויות להשתנות במורכבות וביתרונות הפוטנציאליים, אבל כל השחקנים הגדולים בשוק אומרים שהמשחק בהחלט שווה את הנר.
בהמשך השנה נראה את BSPDN בפעולה לראשונה ב-Intel Process 20A (אינטל מכנה את היישום שלו PowerVia). אינטל חייבת את ההתפתחות המהירה הזו לעובדה שהיא עובדת על הטכנולוגיה הזו כבר זמן מה, ללא קשר לעבודה על שינוי הגיאומטריה של הטרנזיסטורים והשימוש במכונות חדשות יותר. המשמעות היא שהיא תוכל לשלב אותו כמעט בכל תהליך עתידי.
Samsung עדיין לא סיפקה מידע רשמי לגבי מתי היא תתחיל להשתמש בגרסה שלה לתהליך המשוב של BSPDN. אין הרבה חדשות, אבל אנחנו יודעים שאינטל כבר עושה ניסויים עם הפתרון הזה. והשמועות בתעשייה מדברות על האפשרות ליישומו בתהליך SF2, שתוכנן ל-2025, או בתהליך הבא, שמתוכנן ל-2027.
גם TSMC לוקחת את הזמן בתחום זה ומדווחת כי למרות שהניסויים הראשונים מביאים תוצאות טובות, בכוונתה להכניס את BSPDN לתהליך ה-N2P, המתוכנן ליישום רק בתחילת 2026 ו-2027.
קרא גם: טלפורטציה מנקודת מבט מדעית ועתידו
החלפת מכונות חשיפה לצלחות
שום שיחה רצינית על ייצור מעבדים אינה שלמה מבלי להזכיר את קריטריון ריילי. במקרה של ליטוגרפיה, כלומר, תהליך חשיפת פרוסות סיליקון, זה לבוש בצורה של הנוסחה הבאה:
CD = k1 • λ / NA.
במילים פשוטות, זה אומר שגודל האלמנט הקטן ביותר שניתן ליצור על ידי אור על פני השטח של פרוסת סיליקון תלוי בשלושה מספרים:
k1 הוא מקדם חסר מימד בפועל המעיד על יעילות התהליך;
λ הוא אורך הגל של האור המאיר את הלוח;
NA הוא הצמצם המספרי של המערכת האופטית.
במשך שנים רבות, הדרך העיקרית להגביר את צפיפות האריזה של טרנזיסטורים הייתה שימוש באור עם אורכי גל קצרים יותר ויותר. התחלנו ברמת כמה מאות ננומטר והצלחנו לעבור במהירות יחסית לשימוש באור באורך גל של 193 ננומטר, שעולם המוליכים למחצה תקוע עליו הרבה יותר זמן ממה שרצה. לאחר שנים של מחקר, עיכובים והוצאת מיליארדי דולרים, בשנת 2019 מכונות הליטוגרפיה UV של ASML יצאו סוף סוף לשוק. הם משתמשים באור אולטרה סגול (EUV) עם אורך גל של כ-13,5 ננומטר וכיום משתמשים בהם בכל מפעלי ייצור השבבים המתקדמים. עם זאת, זו כנראה הפעם האחרונה ש- λ הצטמצם בהצלחה בנוסחה לעיל.
זו הסיבה שתצטרך לשחק עם שינוי ה-NA. אתה יכול לחשוב על NA כעל צמצם של עדשת מצלמה. המספר חסר הממדים הזה קובע כמה אור המערכת האופטית אוספת. במקרה של מכונות ליטוגרפיות, זה אומר (לפי הנוסחה לעיל) שאם אנחנו רוצים ליצור תכונות קטנות יותר ויותר, ה-NA צריך להיות גבוה יותר. למכונות ASML שנמצאות כיום בשימוש יש NA של 0,33. השלב הבא הוא מכונות עם צמצם מספרי גבוה של המערכת האופטית, בעלות NA של 0,55.
זה נשמע פשוט, אבל שום דבר לא פשוט בעסק הזה. הדבר מומחש בצורה הטובה ביותר על ידי העובדה שמכונות ה-High-NA הן הרבה יותר גדולות ויקרים יותר מפי שניים מקודמותיהן (כ-400 מיליון דולר לעומת כ-150 מיליון דולר), ובמקביל גם בעלות תפוקה נמוכה יותר. לכן, בעוד שכולם יודעים שזהו העתיד של ייצור המעבדים המתקדמים ביותר, הוא נתפס לרוב כצורה של רוע הכרחי.
אינטל הייתה המהירה ביותר להשתמש במכונות EUV High-NA. החברה האמריקאית כבר רכשה את המכונה הזמינה הראשונה מסוג זה, המותקנת בימים אלה באחד ממפעלי החברה באורגון. כמו כן, אינטל מתכננת לקנות את רוב המכונות שיוצרו השנה. ידוע שהיזמים מתכננים להשתמש בליטוגרפיה High-NA בקנה מידה גדול בתהליך 14A, שצפוי לראות אור ב-2026 או 2027 (אם הכל ילך לפי התוכנית).
בּוֹ זְמַנִית, Samsung ו-TSMC לא ממהרים, ומפקפקים במובן הכלכלי של השימוש בציוד זה עד ליישום תהליך ה-1 ננומטר, כלומר עד 2030 בערך. במקום זאת, הם מתכוונים לסחוט את המיטב ממכונות ה-EUV שכבר יש להם עם טריקים שונים ושיפורי תהליכים שנופלים תחת המטריה של גורם k1.
מעניין גם: כיצד טייוואן, סין וארה"ב נלחמות על דומיננטיות טכנולוגית: מלחמת השבבים הגדולה
עבור לתלת מימד
עכשיו אנחנו מתחילים לעבור לאזור של עתיד לא ברור, עבודות מחקר והנחות כלליות, לא תוכניות קונקרטיות. עם זאת, הקהילה די תמימי דעים שיבוא זמן שבו יהיה צורך לערום טרנזיסטורים זה על גבי זה כאשר קנה המידה של X ו-Y יגיע כמעט לגבול. נכון לעכשיו, טרנזיסטורים מסוג P ו-N ממוקמים זה ליד זה. המטרה היא לערום טרנזיסטורים מסוג N על גבי טרנזיסטורים מסוג P, וכך ליצור "סנדוויצ'ים" של טרנזיסטורים הנקראים CFETs (FET משלימים). נלמדות שתי שיטות עיקריות להשגת תכנון כזה: מונוליטית, שבה כל המבנה בנוי על צלחת אחת, ורצף, שבה טרנזיסטורים מסוג N ו-P מיוצרים על לוחות נפרדים ש"מודבקים" זה לזה.
לדברי מומחים, שוק ייצור המיקרו-מעבדים ייכנס למימד השלישי בסביבות 2032-2034. נכון לעכשיו, ידוע כי אינטל ו-TSMC עובדות באופן אינטנסיבי על ההטמעות שלהן של טכנולוגיה זו, אבל Samsung, כנראה גם לא ישן, כי היתרונות הפוטנציאליים של השימוש בפתרון זה הם עצומים.
מעניין גם: יקום: חפצי החלל יוצאי הדופן ביותר
מעבר ל"דו מימד"
בעיה נוספת שמנהיגי עולם ייצור המיקרו-מעגלים מנסים להתמודד איתה היא שקיים מחסור בנאלי בסיליקון. האלמנט הזה שירת אותנו נאמנה כבר כמה עשורים, אבל הכמות המוגבלת שלו מתחילה להפוך את זה לבלתי אפשרי לייצר טרנזיסטורים קטנים ומהירים יותר. לכן, מחקר על מה שנקרא חומרים דו-ממדיים שיכולים להחליף סיליקון בתעלת הטרנזיסטור נמשך בכל העולם. אלו חומרים שעובים יכול להיות כמה או רק אטום אחד, ומספקים ניידות של מטען חשמלי, שאינו זמין עבור מוליכים למחצה סיליקון בעובי זה.
החומר הדו-ממדי המפורסם ביותר הוא גרפן. למרות שהשימוש בו בייצור שבבים עדיין נחקר, בשל היעדר פער אנרגיה טבעי, ספק אם אי פעם ייעשה בו שימוש בקנה מידה תעשייתי לייצור מוליכים למחצה. עם זאת, מחקר באמצעות תרכובות TMD (Transition Metal Dichalcogenides - תרכובות של מתכות מעבר של בלוק d של הטבלה המחזורית וקלקוגנים מהקבוצה ה-16 של הטבלה המחזורית), כגון MoS 2 ו-WSe 2, שבוצעו על ידי אינטל ו-TSMC, נראים די מבטיחים. נוכל לראות את ההשלכות שלהם בעשור הקרוב.
קרא גם:
תקופות מעניינות בפתח
לסיכום, אני מציין שהשנים הקרובות יהיו מלאות בחידושים ומהפכות בתחום ייצור המוליכים למחצה. החידושים המתוארים לעיל אפילו לא ממצים את הנושא, כי לא הזכרנו שום דבר על ליטוגרפיה ממוחשבת, לא על פיתוח שבבים, וגם לא על המעבר הפוטנציאלי לבסיס מעבדי ה-Glass. גם לא דיברנו על התקדמות בייצור הזיכרון.
כולם יודעים שנקודות מפנה כאלה אידיאליות להדביק פיגור טכנולוגי, שכן יש סבירות גבוהה שהמתחרים ייכשלו. אינטל אפילו עמדה על כל עתידה של החברה ביכולת להציע את החידוש הבא של מוליכים למחצה מהר יותר מהמתחרים. גם ממשלת ארה"ב מעוניינת מאוד להחזיר את ייצור השבבים החדישים לצפון אמריקה, ולכן היא משקיעה מיליארדי דולרים בפיתוח של אינטל. עם זאת, סובסידיות שבבים הן לא רק תחום עניין לאמריקאים. בקוריאה ובטייוואן, הממשלות גם מספקות העדפות נדיבות Samsung ו-TSMC, כי הם יודעים כמה חשובה התקופה העתידית ועד כמה עתידן של מדינות אלו תלוי בטכנולוגיות חדשות. בין היתר כי יש מאחוריהם את סין, שגם משקיעה סכומי עתק במחקר, פיתוח ופיתוח של ייצור מוליכים למחצה, אבל זה כבר נושא למאמר אחר.
קרא גם: