Šiandien kalbėsime apie ateities tranzistorius ir atskleisime visas jų kūrimo paslaptis. Jau šiandien aišku, kad mūsų laukia didžiulių drožlių gamybos struktūros ir būdo pokyčių laikotarpis, kurio rinka jau seniai nematė. Didžiausi pasaulio protai bemieges naktis praleidžia galvodami, kokią formulę naudoti, kad atskiri atomai šoktų tiksliai taip, kaip reikia, ir darytų dalykus, kurie, atrodo, prieštarauja fizikos dėsniams.
Tai taip pat bus sustiprėjusios konkurencijos tarp puslaidininkių gigantų iš JAV, Korėjos ir Taivano laikotarpis. Būtent jie bando pasinaudoti artėjančiu paradigmos pokyčiu, kad atkurtų, įgytų ar sustiprintų savo, kaip technologijų lyderių, pozicijas. Kokios naujovės ir revoliucijos mūsų laukia? Pabandykime paaiškinti šiandien.
Taip pat skaitykite: Kas yra AMD XDNA? Architektūra, kuri maitina AI „Ryzen“ procesoriuose
Tranzistorių geometrijos keitimas
O tiksliau, jų tikslai pasikeis. Pirmoji naujovė, kurią pristatys (arba buvo!) trys didieji puslaidininkių gamintojai (TSMC, Intel, Samsung), tai yra vadinamieji GAAFET tranzistoriai. Tai pirmas toks didelis tranzistorių geometrijos pokytis nuo 2011 m., kai pasaulį išvydo Intel FinFET tranzistoriai. Nenoriu per daug kalbėti apie GAAFET temą, nes tam reikia atskiro straipsnio. Čia aptarsime tik už jų esančią koncepciją.
Miniatiūrizavus tranzistorius, inžinieriai pradėjo patirti vadinamuosius trumpojo kanalo efektus. Trumpai tariant, mažėjant atstumui tarp kanalizacijos ir tranzistoriaus nutekėjimo, problema tapo vis didesnė. Tai yra, užraktas pradėjo nekontroliuoti kanalu tekančios srovės. Jau keliolika metų šios problemos sprendimas buvo tai, kaip padaryti, kad kanalas išsikištų iš silicio plokštelės paviršiaus kaip pelekas (taigi FinFET FinFET yra Finas arba pelekas). Tai leidžia vartams susiliesti su kanalu iš trijų pusių (arba dviejų, jei kraštas turi pleišto formos skerspjūvį), o tai suteikia daugiau galimybių valdyti srovės srautą ir lanksčiau pritaikant tranzistorių elektrinius parametrus pagal jų poreikius. dizainas.
Tačiau nuolatinis tranzistorių mažėjimas reiškė, kad to nebepakako. Reikėjo, kad vartai pradėtų apsupti tranzistoriaus kanalą, tai yra, sudarytų GAAFET tranzistorius (GAA yra Gate-All-Around santrumpa). Paprasčiau tariant, galite galvoti apie juos kaip apie FinFET tranzistorius, esančius vienoje pusėje, nes FinFET tranzistoriai dažnai turi du ar tris kraštus. Tai tarsi daugiasluoksnis sumuštinis, kuriame vienas virš kito esantys vamzdžių ar lakštų pavidalo kanalai yra atskirti izoliatoriaus ir vartų sluoksniais. Nors ši koncepcija žinoma jau daug metų ir joje naudojama esama įranga bei procesai, tačiau jos įgyvendinimas nėra trivialus. Problema ta, kad tam tikru etapu vėlesni kanalo sluoksniai pakimba ore, palaikomi tik laikinu „stulpu“. Tuo pačiu metu jų apatinė dalis turi būti tolygiai padengta vieno atomo storio dielektriko sluoksniu, o tada atsargiai užpildyti visas tuščias vietas medžiaga.
Tai, kad GAAFET nėra trivialūs, pabrėžia situacija su Samsung. Nuo 2022 m. Korėjos portfelyje taikomas procesas su MBCFET tranzistoriais (rinkodaros pavadinimas Samsung įdiegti GAAFET tranzistorius). Tačiau praktiškai tai yra tipiška piro pergalė lenktynėse. Faktas yra tas, kad naudojant jį gaunamų visiškai veikiančių lustų procentas yra toks mažas, kad beveik niekas nenori jo naudoti gamyboje (net... Samsung jūsų Exynos). Žinome tik tiek, kad jis naudojamas mažiems ir gana paprastiems lustams gaminti kriptovaliutų kasėjams. Tikimasi, kad tik antroji šio proceso karta, kuri bus prieinama 2024 m., pavadinta 3GAP (nors kai kurie šaltiniai teigia, kad jis gali būti pervadintas į 2 nm klasės procesą), bus plačiau naudojamas.
GAAFET tranzistoriai (Intel vadina savo įgyvendinimą RibbonFET) turėtų būti pristatyti į Intel gamyklas šiais metais kaip Intel 20A ir 18A procesų dalis, kurie bus naudojami Arrow Lake ir Lunar Lake sistemų komponentams gaminti. Tačiau įvairūs pramonės gandai rodo, kad pradinis gamybos mastas gali būti ribotas.
O kaip su TSMC? Taivano įmonė savo N2 procese planuoja naudoti GAAFET tranzistorius, kurie, kaip tikimasi, bus visiškai paruošti tik 2025 m. Teoriškai vėliau nei m Samsung ir „Intel“, bet kai TSMC kalba apie tam tikro proceso turėjimą, tai paprastai reiškia, kad reikia ką nors gaminti Apple і Nvidia, todėl praktiškai skirtumas gali būti daug mažesnis.
Taip pat skaitykite: Viskas apie Neuralink Telepathy lustą: kas tai yra ir kaip jis veikia
Tranzistorių maitinimo būdo keitimas
Antroji mūsų laukianti naujovė yra susijusi su tuo, kaip bus maitinami tranzistoriai mikroschemose. Šiuo metu mikroprocesoriaus gamybos procesas vyksta sluoksniais iš apačios į viršų. Apačioje statomi tranzistoriai, po to virš jų tiesiami jungčių tinklai, o vėliau – maitinimo kabeliai. Paprastai yra nuo dešimties iki daugiau nei dvidešimties sluoksnių, ir kuo aukštesnis sluoksnis, tuo didesni jo elementai.
Per ateinančius kelerius metus standartas bus toks, kad, padarius sandūras tarp tranzistorių, silicio plokštelė bus apversta, ploninama, o galios keliai sukurti kitoje, nupoliruotoje plokštelės pusėje. Tai reiškia, kad tranzistoriai bus kaip paplotėlis mėsainyje, o ne pyrago pagrindas.
Nesunku atspėti, kiek tai apsunkins lustų gamybos procesą, tačiau, remiantis pirmaisiais eksperimentais, BSPDN (Back Side Power Delivery Network) procesas atneša daug privalumų. Pirma, dėl šio požiūrio tranzistoriai gali būti dedami arčiau vienas kito. Antra, bendras sluoksnių skaičius bus mažesnis. Trečia, jungtys nuo aukščiausio maitinimo lygio iki tranzistoriaus bus trumpesnės. O tai reiškia mažesnius energijos nuostolius ir galimybę sumažinti maitinimo įtampą. Tikslūs šio sprendimo įgyvendinimo būdai gali skirtis pagal sudėtingumą ir galimą naudą, tačiau visi pagrindiniai rinkos dalyviai teigia, kad žaidimas tikrai vertas žvakės.
Vėliau šiais metais „Intel Pro“ pirmą kartą pamatysime BSPDNcess 20A („Intel“ savo įgyvendinimą vadina „PowerVia“). Šią sparčią „Intel“ plėtrą lėmė tai, kad ji jau kurį laiką dirbo su šia technologija, nepaisydama tranzistorių geometrijos keitimo ir naujesnių mašinų naudojimo. Tai reiškia, kad ji galės tai integruoti į beveik bet kokį būsimą procesą.
Samsung dar nepateikė jokios oficialios informacijos, kada ji pradės naudoti savo BSPDN grįžtamojo ryšio proceso versiją. Naujienų nėra daug, bet žinome, kad „Intel“ jau eksperimentuoja su šiuo sprendimu. O pramonės gandai kalba apie galimybę jį įgyvendinti SF2 procese, planuojamame 2025 m., arba kitame, kuris planuojamas 2027 m.
TSMC taip pat neskuba šioje srityje ir praneša, kad nors pirmieji eksperimentai duoda gerų rezultatų, ji ketina įtraukti BSPDN į N2P procesą, kurį planuojama įdiegti tik 2026 ir 2027 metų sandūroje.
Taip pat skaitykite: Teleportacija moksliniu požiūriu ir jos ateitis
Plokštelių ekspozicijos mašinų keitimas
Joks rimtas pokalbis apie mikroprocesorių gamybą neapsieina nepaminėjus Rayleigh kriterijaus. Litografijos, ty silicio plokštelių eksponavimo proceso, atveju tai yra tokia formulė:
CD = k1 • λ / NA.
Paprasčiau tariant, tai reiškia, kad mažiausio elemento, kurį silicio plokštelės paviršiuje gali sukurti šviesa, dydis priklauso nuo trijų skaičių:
k1 – praktiškai bematis koeficientas, rodantis proceso efektyvumą;
λ – plokštę apšviečiančios šviesos bangos ilgis;
NA yra optinės sistemos skaitmeninė diafragma.
Daugelį metų pagrindinis būdas padidinti tranzistorių pakavimo tankį buvo naudoti vis trumpesnio bangos ilgio šviesą. Pradėjome nuo kelių šimtų nanometrų lygio ir gana greitai galėjome pereiti prie 193 nm bangos ilgio šviesos, kuri puslaidininkių pasaulis įstrigo daug ilgiau, nei norėjo. Po ilgus metus trukusių tyrimų, vėlavimų ir išleistų milijardų dolerių, 2019 metais ASML UV litografijos aparatai pagaliau pasirodė rinkoje. Jie naudoja ultravioletinę šviesą (EUV), kurios bangos ilgis yra apie 13,5 nm, ir dabar yra naudojamos visose pažangiose lustų gamybos įmonėse. Tačiau tai tikriausiai paskutinis kartas, kai λ buvo sėkmingai sumažintas aukščiau pateiktoje formulėje.
Štai kodėl turėsite žaisti su NA keitimu. Galite galvoti apie NA kaip apie fotoaparato objektyvo diafragmą. Šis bematis skaičius nustato, kiek šviesos optinė sistema surenka. Litografinių mašinų atveju tai reiškia (pagal aukščiau pateiktą formulę), kad jei norime padaryti vis mažesnius bruožus, tuo NA turėtų būti didesnis. Šiuo metu naudojamų ASML mašinų NA yra 0,33. Kitas žingsnis – mašinos su didele optinės sistemos skaitmenine diafragma, kurių NA yra 0,55.
Skamba paprastai, bet šiame versle nieko nėra taip paprasta. Tai geriausiai iliustruoja faktas, kad High-NA mašinos yra daug didesnės ir daugiau nei dvigubai brangesnės nei jų pirmtakai (apie 400 mln. USD, palyginti su maždaug 150 mln. USD), be to, jų pralaidumas yra mažesnis. Todėl, nors visi žino, kad tai yra pažangiausių procesorių gamybos ateitis, tai dažnai suvokiama kaip būtino blogio forma.
„Intel“ greičiausiai naudojo EUV High-NA mašinas. Amerikiečių kompanija jau įsigijo pirmąją turimą tokio tipo mašiną, kuri šiuo metu montuojama vienoje iš bendrovės gamyklų Oregone. Be to, „Intel“ planuoja įsigyti daugumą šiais metais pagamintų mašinų. Yra žinoma, kad kūrėjai planuoja dideliu mastu naudoti High-NA litografiją 14A procese, kuris dienos šviesą turėtų išvysti 2026 arba 2027 metais (jei viskas vyks pagal planą).
Tuo pačiu metu, Samsung ir TSMC neskuba, abejodami ekonomišku šios įrangos naudojimo prasmingumu iki 1 nm proceso įgyvendinimo, tai yra iki maždaug 2030 m. Vietoj to, jie ketina išspausti tai, kas geriausia iš jau turimų EUV mašinų, naudodami įvairius triukus ir procesų patobulinimus, kurie patenka į k1 faktoriaus skėtį.
Taip pat įdomu: Kaip Taivanas, Kinija ir JAV kovoja dėl technologinio dominavimo: didysis lustų karas
Perjungti į 3D
Dabar pradedame pereiti į neaiškios ateities, tyrimų darbų ir bendrų prielaidų, o ne konkrečių planų zoną. Tačiau bendruomenė yra gana vieninga, kad ateis laikas, kai tranzistorius reikės sukrauti vienas ant kito, nes X ir Y mastelio keitimas praktiškai pasieks savo ribą. Šiuo metu P tipo ir N tipo tranzistoriai yra išdėstyti vienas šalia kito. Tikslas yra sukrauti N tipo tranzistorius ant P tipo tranzistorių, taip sukuriant tranzistorių „sumuštinius“, vadinamus CFET (papildomais FET). Tiriami du pagrindiniai tokio dizaino pasiekimo būdai: monolitinis, kai visa konstrukcija pastatyta ant vienos plokštės, ir nuoseklus, kai ant atskirų plokščių, kurios „suklijuojamos“, gaminami N ir P tipo tranzistoriai.
Ekspertų teigimu, mikroprocesorių gamybos rinka į trečią dimensiją įeis apie 2032–2034 metus. Šiuo metu žinoma, kad „Intel“ ir „TSMC“ intensyviai dirba prie šios technologijos diegimo, tačiau Samsung, tikriausiai taip pat nemiega, nes galima nauda naudojant šį sprendimą yra didžiulė.
Taip pat įdomu: Visata: patys neįprastiausi kosminiai objektai
Perėjimas prie „dviejų matmenų“
Kita problema, su kuria bando susidoroti mikroschemų gamybos pasaulio lyderiai – banaliai trūksta silicio. Šis elementas mums ištikimai tarnavo kelis dešimtmečius, tačiau dėl riboto kiekio pradeda nebeįmanoma gaminti mažesnių ir greitesnių tranzistorių. Todėl visame pasaulyje vyksta vadinamųjų dvimačių medžiagų, kurios galėtų pakeisti silicį tranzistoriaus kanale, tyrimai. Tai medžiagos, kurių storis gali būti keli arba tik vienas atomas, ir užtikrina elektros krūvio mobilumą, kurio tokio storio silicio puslaidininkiams nėra.
Garsiausia dvimatė medžiaga yra grafenas. Nors jo panaudojimas lustų gamyboje vis dar tiriamas, dėl natūralaus energijos tarpo nebuvimo abejotina, ar jis kada nors bus naudojamas pramoniniu mastu puslaidininkių gamybai. Tačiau tyrimai naudojant TMD junginius (Transition Metal Dichalcogenides – periodinės lentelės d bloko pereinamųjų metalų junginiai ir 16 periodinės lentelės grupės chalkogenai), pvz. „Intel“ ir TSMC vykdomi „MoS 2“ ir „WSe 2“ atrodo gana daug žadantys. Jų pasekmes pamatysime per ateinantį dešimtmetį.
Taip pat skaitykite:
- Grafeninės mikroschemos padarys telefonus greitesnius ir lengvesnius
- Apie kvantinius kompiuterius paprastais žodžiais
Laukia įdomūs laikai
Apibendrindamas pastebiu, kad ateinantys metai puslaidininkių gamybos srityje bus kupini naujovių ir revoliucijų. Aukščiau aprašytos naujovės net neišsemia temos, nes nieko nepaminėjome nei apie kompiuterinę litografiją, nei apie chipletų kūrimą, nei apie galimą perėjimą prie Glass procesoriaus bazės. Mes taip pat nekalbėjome apie atminties gamybos pažangą.
Visi žino, kad tokie lūžio taškai idealiai tinka pasivyti technologinį atsilikimą, nes didelė tikimybė, kad konkurentai žlugs. „Intel“ net visą bendrovės ateitį sumetė dėl galimybės pasiūlyti kitą puslaidininkių naujovę greičiau nei konkurentai. JAV vyriausybė taip pat labai suinteresuota sugrąžinti pažangiausių lustų gamybą į Šiaurės Ameriką, todėl į „Intel“ plėtrą investuoja milijardus dolerių. Tačiau lustų subsidijos yra ne tik amerikiečių interesų sritis. Korėjos ir Taivano vyriausybės taip pat teikia dosnias lengvatas Samsung ir TSMC, nes jie žino, koks svarbus ateities laikotarpis ir kiek šių šalių ateitis priklauso nuo naujų technologijų. Be kita ko, dėl to, kad už jų stovi Kinija, kuri taip pat investuoja milžiniškas sumas į puslaidininkių gamybos tyrimus, plėtrą ir plėtrą, tačiau tai jau kito straipsnio tema.
Taip pat skaitykite: