დღეს ჩვენ ვისაუბრებთ მომავლის ტრანზისტორებზე და გამოვავლენთ მათი შექმნის ყველა საიდუმლოებას. დღეს უკვე ნათელია, რომ ჩიპების წარმოების სტრუქტურასა და მეთოდში უზარმაზარი ცვლილებების პერიოდი გველის, რაც ბაზარს დიდი ხანია არ უნახავს. მსოფლიოს უდიდესი გონები უძილო ღამეებს ატარებენ და აინტერესებთ, რა ფორმულა გამოიყენონ, რათა ცალკეულმა ატომებმა ზუსტად ისე იცეკვონ, როგორც მათ სჭირდებათ და გააკეთონ ისეთი რამ, რაც თითქოს ფიზიკის კანონებს ეწინააღმდეგება.
ეს ასევე იქნება გაძლიერებული კონკურენციის პერიოდი აშშ-დან, კორეიდან და ტაივანიდან ნახევარგამტარ გიგანტებს შორის. ისინი ცდილობენ ისარგებლონ მომავალი პარადიგმის ცვლილებით, რათა აღადგინონ, მოიპოვონ ან გააძლიერონ თავიანთი პოზიციები, როგორც ტექნოლოგიური ლიდერები. რა სიახლეები და რევოლუციები გველოდება? შევეცადოთ დღეს ავხსნათ.
ასევე წაიკითხეთ: რა არის AMD XDNA? არქიტექტურა, რომელიც აძლიერებს AI-ს Ryzen პროცესორებზე
ტრანზისტორების გეომეტრიის შეცვლა
უფრო სწორად, მათი მიზნები შეიცვლება. პირველი ინოვაცია, რომელიც წარმოდგენილი იქნება (ან იყო!) ნახევარგამტარების სამი დიდი მწარმოებლის მიერ (TSMC, Intel, Samsung), ეს არის ეგრეთ წოდებული GAAFET ტრანზისტორები. ეს არის პირველი ასეთი მნიშვნელოვანი ცვლილება ტრანზისტორის გეომეტრიაში 2011 წლის შემდეგ, როდესაც მსოფლიომ იხილა Intel-ის FinFET ტრანზისტორები. არ მინდა ზედმეტად შევჩერდე GAAFET-ის თემაზე, რადგან ამას ცალკე სტატია სჭირდება. აქ განვიხილავთ მხოლოდ მათ უკან არსებულ კონცეფციას.
ტრანზისტორების მინიატურიზაციასთან ერთად, ინჟინერებმა დაიწყეს ეგრეთ წოდებული მოკლე არხის ეფექტების გამოცდილება. მოკლედ, როცა ტრანზისტორის დრენაჟსა და დრენაჟს შორის მანძილი მცირდებოდა, პრობლემა უფრო და უფრო დიდი ხდებოდა. ანუ, ჩამკეტმა დაიწყო კონტროლის დაკარგვა არხზე გამავალ დენზე. ათეული წლის განმავლობაში, ამ პრობლემის გადაწყვეტა იყო ის, თუ როგორ უნდა გამოეყვანა არხი სილიკონის ვაფლის ზედაპირიდან ფარფლის სახით (აქედან გამომდინარე, Fin, ან fin, FinFET-ში). ეს საშუალებას აძლევს კარიბჭეს დაუკავშირდეს არხს სამი მხრიდან (ან ორი, თუ კიდეს აქვს სოლი ფორმის კვეთა), რაც მას აძლევს უფრო დიდ კონტროლს დენის ნაკადზე და მეტ მოქნილობას ტრანზისტორების ელექტრული პარამეტრების ადაპტაციაში. დიზაინი.
თუმცა, ტრანზისტორების მუდმივი შემცირება ნიშნავს, რომ ეს საკმარისი აღარ იყო. საჭირო იყო, რომ კარიბჭე დაეწყო ტრანზისტორი არხის გარშემო, ანუ ჩამოყალიბდა GAAFET ტრანზისტორები (GAA არის Gate-All-Around-ის აბრევიატურა). მარტივად რომ ვთქვათ, თქვენ შეგიძლიათ წარმოიდგინოთ ისინი, როგორც FinFET ტრანზისტორები, რომლებიც მოთავსებულია ერთ მხარეს, რადგან FinFET ტრანზისტორებს ხშირად აქვთ ორი ან სამი კიდე. ის ჰგავს მრავალშრიან სენდვიჩს, რომელშიც არხები მილების ან ფურცლების სახით, რომლებიც მდებარეობს ერთმანეთის ზემოთ, გამოყოფილია იზოლატორისა და კარიბჭის ფენებით. მიუხედავად იმისა, რომ ეს კონცეფცია ცნობილია მრავალი წლის განმავლობაში და იყენებს არსებულ აღჭურვილობას და პროცესებს, მისი განხორციელება არ არის ტრივიალური. პრობლემა ის არის, რომ რაღაც ეტაპზე არხის შემდგომი ფენები კიდია ჰაერში, რომელსაც მხოლოდ დროებითი „სვეტი“ უჭერს მხარს. ამავდროულად, მათი ქვედა ნაწილი ერთნაირად უნდა იყოს დაფარული დიელექტრიკის ფენით ერთი ატომის სისქით, შემდეგ კი ფრთხილად შეავსოთ ყველა ცარიელი ადგილი მასალით.
ის ფაქტი, რომ GAAFET არ არის ტრივიალური, ხაზგასმულია სიტუაციით Samsung. 2022 წლიდან კორეის პორტფოლიოს აქვს პროცესი MBCFET ტრანზისტორებით (მარკეტინგის სახელი Samsung GAAFET ტრანზისტორების დანერგვა). თუმცა, პრაქტიკაში ეს არის ტიპიური პიროსული გამარჯვება რბოლაში. ფაქტია, რომ მისი გამოყენებით მიღებული სრულად ფუნქციონალური ჩიპების პროცენტი იმდენად დაბალია, რომ თითქმის არავის სურს მისი გამოყენება წარმოებაში (თუნდაც… Samsung თქვენი Exynos-ისთვის). მხოლოდ ის ვიცით, რომ ის გამოიყენება კრიპტოვალუტის მაინერებისთვის მცირე და შედარებით მარტივი ჩიპების დასამზადებლად. ამ პროცესის მხოლოდ მეორე თაობა, რომელიც ხელმისაწვდომი იქნება 2024 წელს, სახელწოდებით 3GAP (თუმცა ზოგიერთი წყარო ამბობს, რომ მას შეიძლება დაერქვას 2 ნმ კლასის პროცესი), უფრო ფართოდ იქნება გამოყენებული.
GAAFET ტრანზისტორები (ინტელი მის განხორციელებას RibbonFET-ს უწოდებს) წელს უნდა მიეწოდოს Intel-ის ქარხნებს, როგორც Intel-ის 20A და 18A პროცესების ნაწილი, რომლებიც გამოყენებული იქნება Arrow Lake და Lunar Lake სისტემების კომპონენტების დასამზადებლად. თუმცა, სხვადასხვა ინდუსტრიის ჭორები ვარაუდობენ, რომ საწყისი წარმოების მასშტაბი შეიძლება შეზღუდული იყოს.
რაც შეეხება TSMC-ს? ტაივანის კომპანია გეგმავს გამოიყენოს GAAFET ტრანზისტორები თავის N2 პროცესში, რომელიც, სავარაუდოდ, სრულად მზად არ იქნება 2025 წლამდე. თეორიულად გვიან, ვიდრე Samsung და Intel, მაგრამ როდესაც TSMC საუბრობს გარკვეული პროცესის არსებობაზე, ეს ჩვეულებრივ ნიშნავს მზადყოფნას რაიმეს წარმოებისთვის Apple і Nvidiaასე რომ, პრაქტიკაში განსხვავება შეიძლება ბევრად უფრო მცირე იყოს.
ასევე წაიკითხეთ: ყველაფერი Neuralink Telepathy ჩიპის შესახებ: რა არის და როგორ მუშაობს
ტრანზისტორების კვების წესის შეცვლა
მეორე ინოვაცია, რომელიც გველოდება, უკავშირდება იმას, თუ როგორ იკვებება მიკროსქემებში ტრანზისტორები. ამჟამად მიკროპროცესორის წარმოების პროცესი ქვემოდან ზემოდან ფენებად მიმდინარეობს. ქვემოთ შენდება ტრანზისტორები, შემდეგ მათ ზემოთ შენდება კავშირის ქსელები, შემდეგ კი დენის კაბელები. როგორც წესი, არსებობს ათიდან ოცზე მეტი ფენა და რაც უფრო მაღალია ფენა, მით უფრო დიდია მისი ელემენტები.
მომდევნო რამდენიმე წლის განმავლობაში, სტანდარტი იქნება, რომ ტრანზისტორებს შორის შეერთების გაკეთების შემდეგ, სილიკონის ვაფლი გადაბრუნდება, გათხელდება და დენის ბილიკები შეიქმნება ვაფლის მეორე, გაპრიალებულ მხარეს. ეს ნიშნავს, რომ ტრანზისტორები ბურგერში ღვეზელივით იქნება და არა ტორტის საფუძველი.
რამდენად გაართულებს ჩიპების წარმოების პროცესს, ადვილი მისახვედრია, მაგრამ პირველი ექსპერიმენტების მიხედვით, BSPDN (Back Side Power Delivery Network) პროცესს ბევრი უპირატესობა მოაქვს. პირველ რიგში, ამ მიდგომის წყალობით, ტრანზისტორები შეიძლება განთავსდეს ერთმანეთთან უფრო ახლოს. მეორეც, ფენების საერთო რაოდენობა უფრო მცირე იქნება. მესამე, ტრანზისტორის ელექტრომომარაგების უმაღლესი დონიდან კავშირები უფრო მოკლე იქნება. და ეს ნიშნავს ენერგიის ნაკლებ დანაკარგს და მიწოდების ძაბვის შემცირების შესაძლებლობას. ამ გადაწყვეტის განხორციელების ზუსტი გზები შეიძლება განსხვავდებოდეს სირთულითა და პოტენციური სარგებლით, მაგრამ ბაზრის ყველა ძირითადი მოთამაშე ამბობს, რომ თამაში ნამდვილად ღირს სანთლად.
ამ წლის ბოლოს ჩვენ ვიხილავთ BSPDN-ს მოქმედებაში პირველად Intel Pro-შიcess 20A (Intel მის განხორციელებას PowerVia-ს უწოდებს). Intel-ი ამ სწრაფ განვითარებას ევალება იმით, რომ იგი მუშაობდა ამ ტექნოლოგიაზე გარკვეული პერიოდის განმავლობაში, მიუხედავად ტრანზისტორების გეომეტრიის შეცვლაზე და უფრო ახალი მანქანების გამოყენებისა. ეს ნიშნავს, რომ მას შეეძლება მისი ინტეგრირება თითქმის ნებისმიერ მომავალ პროცესში.
Samsung ჯერ არ მიუწოდებია ოფიციალური ინფორმაცია იმის შესახებ, თუ როდის დაიწყებს BSPDN გამოხმაურების პროცესის თავისი ვერსიის გამოყენებას. ბევრი სიახლე არ არის, მაგრამ ვიცით, რომ Intel უკვე ატარებს ექსპერიმენტებს ამ გამოსავალზე. და ინდუსტრიის ჭორები საუბრობენ მისი განხორციელების შესაძლებლობაზე SF2 პროცესში, რომელიც დაგეგმილია 2025 წელს, ან შემდეგში, რომელიც დაგეგმილია 2027 წელს.
TSMC ასევე უთმობს დროს ამ სფეროში და იუწყება, რომ მიუხედავად იმისა, რომ პირველ ექსპერიმენტებს კარგი შედეგები მოაქვს, ის აპირებს BSPDN-ის დანერგვას N2P პროცესში, რომელიც დაგეგმილია მხოლოდ 2026 და 2027 წლის ბოლოს.
ასევე წაიკითხეთ: ტელეპორტაცია სამეცნიერო თვალსაზრისით და მისი მომავალი
ფირფიტების ექსპოზიციის მანქანების შეცვლა
მიკროპროცესორის წარმოების შესახებ სერიოზული საუბარი არ არის დასრულებული რეილის კრიტერიუმის ხსენების გარეშე. ლითოგრაფიის შემთხვევაში, ანუ სილიკონის ვაფლის გამოვლენის პროცესი, ეს ხდება შემდეგი ფორმულის სახით:
CD = k1 • λ / NA.
მარტივად რომ ვთქვათ, ეს ნიშნავს, რომ უმცირესი ელემენტის ზომა, რომელიც შეიძლება შეიქმნას სინათლის მიერ სილიკონის ვაფლის ზედაპირზე, დამოკიდებულია სამ რიცხვზე:
k1 არის პრაქტიკაში განზომილებიანი კოეფიციენტი, რომელიც მიუთითებს პროცესის ეფექტურობაზე;
λ არის სინათლის ტალღის სიგრძე, რომელიც ანათებს ფირფიტას;
NA არის ოპტიკური სისტემის რიცხვითი დიაფრაგმა.
მრავალი წლის განმავლობაში, ტრანზისტორების შეფუთვის სიმკვრივის გაზრდის მთავარი გზა იყო სინათლის გამოყენება უფრო მოკლე ტალღის სიგრძით. ჩვენ დავიწყეთ რამდენიმე ასეული ნანომეტრის დონიდან და შევძელით შედარებით სწრაფად გადაადგილება 193 ნმ ტალღის სიგრძის სინათლის გამოსაყენებლად, რომელზეც ნახევარგამტარული სამყარო გაცილებით დიდხანს იყო ჩარჩენილი, ვიდრე მას სურდა. წლების კვლევის, შეფერხებებისა და მილიარდობით დოლარის დახარჯვის შემდეგ, 2019 წელს ASML-ის UV ლითოგრაფიის აპარატები საბოლოოდ გამოვიდა ბაზარზე. ისინი იყენებენ ულტრაიისფერ შუქს (EUV), რომლის ტალღის სიგრძეა დაახლოებით 13,5 ნმ და ახლა გამოიყენება ყველა მოწინავე ჩიპების მწარმოებელ ქარხანაში. თუმცა, ეს არის ალბათ ბოლო შემთხვევა, როდესაც λ წარმატებით შემცირდა ზემოთ მოცემულ ფორმულაში.
ამიტომ მოგიწევთ NA-ს შეცვლაზე თამაში. თქვენ შეგიძლიათ წარმოიდგინოთ NA, როგორც კამერის ლინზის დიაფრაგმა. ეს განზომილებიანი რიცხვი განსაზღვრავს რამდენ სინათლეს აგროვებს ოპტიკური სისტემა. ლითოგრაფიული მანქანების შემთხვევაში ეს ნიშნავს (ზემოთ მოყვანილი ფორმულის მიხედვით), რომ თუ გვსურს უფრო და უფრო მცირე მახასიათებლების გაკეთება, მით უფრო მაღალი უნდა იყოს NA. ამჟამად გამოყენებული ASML აპარატებს აქვთ NA 0,33. შემდეგი ნაბიჯი არის მანქანები ოპტიკური სისტემის მაღალი ციფრული დიაფრაგმით, რომლებსაც აქვთ NA 0,55.
ეს მარტივად ჟღერს, მაგრამ არაფერია მარტივი ამ ბიზნესში. ეს საუკეთესოდ მეტყველებს იმით, რომ High-NA მანქანები ბევრად უფრო დიდი და ორჯერ ძვირია, ვიდრე მათი წინამორბედები (დაახლოებით $400 მილიონი $150 მილიონის წინააღმდეგ), ამასთან, აქვთ ნაკლები გამტარუნარიანობა. ამიტომ, მიუხედავად იმისა, რომ ყველამ იცის, რომ ეს არის ყველაზე მოწინავე პროცესორების წარმოების მომავალი, ის ხშირად აღიქმება როგორც აუცილებელი ბოროტების ფორმა.
Intel იყო ყველაზე სწრაფად გამოიყენა EUV High-NA მანქანები. ამერიკულმა კომპანიამ უკვე შეიძინა ამ ტიპის პირველი ხელმისაწვდომი მანქანა, რომელიც ამჟამად მონტაჟდება კომპანიის ერთ-ერთ ქარხანაში ორეგონში. ასევე, Intel გეგმავს შეიძინოს ამ წელს წარმოებული მანქანების უმეტესი ნაწილი. ცნობილია, რომ დეველოპერები გეგმავენ High-NA ლითოგრაფიის გამოყენებას ფართომასშტაბიანი 14A პროცესში, რომელიც, სავარაუდოდ, დღის სინათლეს 2026 ან 2027 წელს იხილავს (თუ ყველაფერი გეგმის მიხედვით წავა).
Ერთდროულად, Samsung და TSMC არ ჩქარობენ, ეჭვი ეპარებათ ამ აღჭურვილობის გამოყენების ეკონომიკურ აზრში 1-ნმ პროცესის განხორციელებამდე, ანუ დაახლოებით 2030 წლამდე. სამაგიეროდ, ისინი აპირებენ გამოიყენონ საუკეთესოები EUV მანქანებიდან, რომლებიც უკვე აქვთ, სხვადასხვა ხრიკებით და პროცესის გაუმჯობესებით, რომლებიც ექცევა k1 ფაქტორის ქოლგის ქვეშ.
ასევე საინტერესოა: როგორ იბრძვიან ტაივანი, ჩინეთი და აშშ ტექნოლოგიური დომინირებისთვის: დიდი ჩიპური ომი
გადაერთეთ 3D-ზე
ახლა ჩვენ ვიწყებთ გაურკვეველი მომავლის ზონაში გადასვლას, კვლევით სამუშაოებს და ზოგად ვარაუდებს და არა კონკრეტულ გეგმებს. თუმცა, საზოგადოება საკმაოდ ერთსულოვანია, რომ დადგება დრო, როდესაც ტრანზისტორები ერთმანეთზე დაგჭირდებათ, რადგან X და Y სკალირება პრაქტიკულად აღწევს თავის ზღვარს. ამჟამად ერთმანეთის გვერდით არის განთავსებული P და N ტიპის ტრანზისტორები. მიზანია N ტიპის ტრანზისტორების დაწყობა P ტიპის ტრანზისტორების თავზე, რითაც შეიქმნას ტრანზისტორების „სენდვიჩები“ სახელწოდებით CFET (დამატებითი FET). ასეთი დიზაინის მიღწევის ორი ძირითადი მეთოდია შესწავლილი: მონოლითური, რომელშიც მთლიანი სტრუქტურა ერთ ფირფიტაზეა აგებული და თანმიმდევრული, რომელშიც N- და P ტიპის ტრანზისტორები მზადდება ცალკეულ ფირფიტებზე, რომლებიც ერთმანეთს "წებება".
ექსპერტების აზრით, მიკროპროცესორების წარმოების ბაზარი მესამე განზომილებაში შევა დაახლოებით 2032-2034 წლებში. ამჟამად ცნობილია, რომ Intel და TSMC ინტენსიურად მუშაობენ ამ ტექნოლოგიის დანერგვაზე, მაგრამ Samsung, ალბათ არც სძინავს, რადგან ამ ხსნარის გამოყენების პოტენციური სარგებელი უზარმაზარია.
ასევე საინტერესოა: სამყარო: ყველაზე უჩვეულო კოსმოსური ობიექტები
გადასვლა "ორ განზომილებაში"
კიდევ ერთი პრობლემა, რომელსაც მიკროსქემების წარმოების სამყაროს ლიდერები ცდილობენ გაუმკლავდნენ, არის სილიკონის ბანალური დეფიციტი. ეს ელემენტი ერთგულად გვემსახურება რამდენიმე ათეული წლის განმავლობაში, მაგრამ მისი შეზღუდული რაოდენობა იწყებს შეუძლებელს ხდის უფრო მცირე და სწრაფი ტრანზისტორების წარმოებას. მაშასადამე, ეგრეთ წოდებული ორგანზომილებიანი მასალების კვლევა, რომელსაც შეუძლია შეცვალოს სილიკონი ტრანზისტორი არხში, მიმდინარეობს მთელ მსოფლიოში. ეს არის მასალები, რომელთა სისქე შეიძლება იყოს რამდენიმე ან მხოლოდ ერთი ატომი და უზრუნველყოფენ ელექტრული მუხტის მობილურობას, რაც მიუწვდომელია ამ სისქის სილიკონის ნახევარგამტარებისთვის.
ყველაზე ცნობილი ორგანზომილებიანი მასალაა გრაფენი. მიუხედავად იმისა, რომ მისი გამოყენება ჩიპების წარმოებაში ჯერ კიდევ შესწავლილია, ბუნებრივი ენერგეტიკული უფსკრულის არარსებობის გამო, საეჭვოა, ოდესმე გამოყენებული იქნას თუ არა ის სამრეწველო მასშტაბით ნახევარგამტარების წარმოებისთვის. თუმცა, კვლევა TMD ნაერთების გამოყენებით (Transition Metal Dichalcogenides - პერიოდული ცხრილის d ბლოკის გარდამავალი ლითონების ნაერთები და პერიოდული ცხრილის მე-16 ჯგუფის ქალკოგენები), მაგ. Intel-ისა და TSMC-ის მიერ ჩატარებული MoS 2 და WSe 2 საკმაოდ პერსპექტიულად გამოიყურება. ჩვენ შევძლებთ დავინახოთ მათი შედეგები მომდევნო ათწლეულში.
ასევე წაიკითხეთ:
- გრაფენის მიკროჩიპები ტელეფონებს უფრო სწრაფს და მარტივს გახდის
- კვანტური კომპიუტერების შესახებ მარტივი სიტყვებით
წინ საინტერესო დრო გველის
შეჯამებით, აღვნიშნავ, რომ მომავალი წლები სავსე იქნება ინოვაციებითა და რევოლუციებით ნახევარგამტარების წარმოების სფეროში. ზემოთ აღწერილი ინოვაციები არც კი ამოწურავს თემას, რადგან ჩვენ არაფერი გვიხსენებია კომპიუტერულ ლითოგრაფიაზე, არც ჩიპლეტების განვითარებაზე და არც Glass პროცესორის ბაზაზე პოტენციური გადასვლის შესახებ. ასევე არ გვისაუბრია მეხსიერების წარმოებაში პროგრესზე.
ყველამ იცის, რომ ასეთი შემობრუნების წერტილები იდეალურია ტექნოლოგიური ჩამორჩენის დასაჭერად, რადგან დიდია კონკურენტების დამარცხების ალბათობა. Intel-მა კომპანიის მთელი მომავალიც კი დადო, რომ შესთავაზოს შემდეგი ნახევარგამტარული ინოვაცია უფრო სწრაფად, ვიდრე კონკურენცია. აშშ-ის მთავრობა ასევე ძალიან დაინტერესებულია უახლესი ჩიპების წარმოების ჩრდილოეთ ამერიკაში დაბრუნებით, რის გამოც მილიარდობით დოლარის ინვესტიციას დებს Intel-ის განვითარებაში. თუმცა, ჩიპების სუბსიდიები არ არის მხოლოდ ამერიკელების ინტერესის სფერო. კორეასა და ტაივანში მთავრობები ასევე დიდ პრეფერენციებს ანიჭებენ Samsung და TSMC, რადგან მათ იციან, რამდენად მნიშვნელოვანია მომავალი პერიოდი და რამდენად არის დამოკიდებული ამ ქვეყნების მომავალი ახალ ტექნოლოგიებზე. სხვათა შორის, იმიტომ რომ მათ უკან ჩინეთი დგას, რომელიც ასევე უზარმაზარ ინვესტიციას დებს ნახევარგამტარული წარმოების კვლევაში, განვითარებასა და განვითარებაში, მაგრამ ეს უკვე სხვა სტატიის თემაა.
ასევე წაიკითხეთ: