Денес ќе зборуваме за транзисторите на иднината и ќе ги откриеме сите тајни на нивното создавање. Веќе денес станува јасно дека се соочуваме со период на огромни промени во структурата и начинот на производство на чипови, какви што пазарот не ги видел многу долго време. Најголемите светски умови поминуваат непроспиени ноќи прашувајќи се која формула да ја користат за да ги натераат поединечните атоми да танцуваат токму онака како што им е потребно и да прават работи што се чини дека им пркосат на законите на физиката.
Тоа ќе биде и период на зголемена конкуренција меѓу полупроводничките гиганти од САД, Кореја и Тајван. Тие се оние кои се обидуваат да ја искористат предноста од претстојната промена на парадигмата за да ги обноват, стекнат или зајакнат своите позиции како технолошки лидери. Какви иновации и револуции не чекаат? Ајде да се обидеме да објасниме денес.
Прочитајте исто така: Што е AMD XDNA? Архитектура што ја напојува вештачката интелигенција на Ryzen процесорите
Промена на геометријата на транзисторите
Или подобро кажано, нивните цели ќе се променат. Првата иновација што ќе биде (или беше!) претставена од трите големи производители на полупроводници (TSMC, Intel, Samsung), тоа се таканаречените GAAFET транзистори. Ова е прва ваква голема промена во геометријата на транзисторите од 2011 година, кога светот ги виде FinFET транзисторите на Intel. Не сакам да се задржувам премногу на темата GAAFET, бидејќи тоа бара посебна статија. Овде ќе разговараме само за концептот зад нив.
Со минијатуризацијата на транзисторите, инженерите почнаа да ги доживуваат таканаречените ефекти на кратки канали. Накратко, како што растојанието помеѓу одводот и одводот на транзисторот се скратуваше, проблемот стануваше се поголем и поголем. Тоа е, блендата почна да ја губи контролата над струјата што тече низ каналот. Десетина години, решението за овој проблем беше како да се направи каналот да штрчи од површината на силиконската обланда како перка (оттука и Fin, или перка, во FinFET). Ова му овозможува на портата да контактира со каналот од три страни (или две ако работ има пресек во облик на клин), што и дава поголема контрола врз протокот на струја и поголема флексибилност во прилагодувањето на електричните параметри на транзисторите на потребите на дизајн.
Сепак, постојаното намалување на транзисторите значеше дека тоа веќе не е доволно. Беше неопходно портата да почне да го опкружува каналот на транзисторот, односно да формира GAAFET транзистори (GAA е кратенка за Gate-All-Around). Едноставно кажано, можете да ги замислите како FinFET транзистори поставени на едната страна, бидејќи FinFET транзисторите често имаат два или три рабови. Тоа е како повеќеслоен сендвич, во кој каналите во форма на цевки или листови, лоцирани еден над друг, се одделени со слоеви на изолатор и портата. Иако овој концепт е познат многу години и користи постоечка опрема и процеси, неговата имплементација не е тривијална. Проблемот е што во некоја фаза следните слоеви на каналот висат во воздухот, поддржани само од привремен „столб“. Во исто време, нивниот долен дел треба да биде рамномерно покриен со слој од диелектрик со дебелина од еден атом, а потоа внимателно да ги пополните сите празни места со материјал.
Фактот дека GAAFET не се тривијални е нагласен од ситуацијата со Samsung. Од 2022 година, корејското портфолио има процес со MBCFET транзистори (маркетиншко име Samsung да се имплементираат GAAFET транзистори). Во пракса, сепак, ова е типична пироска победа во трката. Факт е дека процентот на целосно функционални чипови добиени со негово користење е толку низок што речиси никој не сака да го користи во производството (дури и… Samsung за вашиот Exynos). Сè што знаеме е дека се користи за производство на мали и релативно едноставни чипови за рудари за криптовалути. Само втората генерација на овој процес, која ќе биде достапна во 2024 година, наречена 3GAP (иако некои извори велат дека може да се преименува во процес од класата 2 nm), се очекува да се користи пошироко.
Транзисторите GAAFET (Интел ја нарекува својата имплементација RibbonFET) треба да бидат испорачани во фабриките на Интел оваа година како дел од процесите на Интел 20А и 18А, кои ќе се користат за производство на компоненти за системите Arrow Lake и Lunar Lake. Сепак, различни индустриски гласини сугерираат дека почетната скала на производство може да биде ограничена.
Што е со TSMC? Тајванската компанија планира да користи GAAFET транзистори во својот процес N2, кој се очекува да биде целосно подготвен до 2025 година. Теоретски подоцна отколку во Samsung и Интел, но кога TSMC зборува за одреден процес, тоа обично значи дека е подготвен да произведе нешто за што Apple і Nvidia, така што во пракса разликата може да биде многу помала.
Прочитајте исто така: Сè за чипот Neuralink Telepathy: што е тоа и како функционира
Промена на начинот на напојување на транзисторите
Втората иновација што не очекува е поврзана со тоа како ќе се напојуваат транзисторите во микроциркулите. Во моментов, процесот на производство на микропроцесор се одвива во слоеви од дното нагоре. Подолу се градат транзистори, потоа над нив се градат мрежи за поврзување, а потоа кабли за напојување. Обично има десет до над дваесет слоеви, и колку е повисок слојот, толку се поголеми неговите елементи.
Во текот на следните неколку години, стандардот ќе биде дека по правењето на спојките помеѓу транзисторите, силиконската обланда ќе се превртува, разредува, а патеките за напојување ќе се создаваат на другата, полирана страна на обландата. Тоа значи дека транзисторите ќе бидат како пиво во плескавица, а не како основа на торта.
Лесно е да се погоди колку тоа ќе го комплицира процесот на производство на чипови, но според првите експерименти, процесот BSPDN (Back Side Power Delivery Network) носи многу предности. Прво, благодарение на овој пристап, транзисторите можат да се постават поблиску еден до друг. Второ, вкупниот број на слоеви ќе биде помал. Трето, врските од највисокото ниво на напојување до транзисторот ќе бидат пократки. А тоа значи помала загуба на енергија и можност за намалување на напонот на напојување. Точните начини за спроведување на ова решение може да се разликуваат по сложеност и потенцијални придобивки, но сите главни играчи на пазарот велат дека играта дефинитивно вреди за свеќата.
Подоцна оваа година ќе го видиме BSPDN во акција за прв пат во Intel Process 20A (Intel ја нарекува својата имплементација PowerVia). Интел го должи овој брз развој на фактот што веќе некое време работи на оваа технологија, без оглед на работата на промена на геометријата на транзисторите и употребата на понови машини. Тоа значи дека таа ќе може да го интегрира во речиси секој иден процес.
Samsung допрва треба да обезбеди никакви официјални информации за тоа кога ќе започне да ја користи својата верзија на процесот на повратни информации од BSPDN. Нема многу новости, но знаеме дека Intel веќе експериментира со ова решение. А индустриските гласини зборуваат за можноста за негова имплементација во процесот SF2, планиран за 2025 година или во следниот, кој е планиран за 2027 година.
TSMC исто така одвојува време во оваа област и известува дека иако првите експерименти носат добри резултати, има намера да го воведе BSPDN во процесот N2P, планиран за имплементација само на крајот од 2026 и 2027 година.
Прочитајте исто така: Телепортацијата од научна гледна точка и нејзината иднина
Промена на машини за изложување на плочи
Ниту еден сериозен разговор за производство на микропроцесори не е завршен без да се спомене критериумот Рејли. Во случај на литографија, односно процес на изложување на силиконски наполитанки, ова има форма на следнава формула:
CD = k1 • λ / NA.
Едноставно кажано, тоа значи дека големината на најмалиот елемент што може да се создаде со светлина на површината на силиконската обланда зависи од три броја:
k1 е бездимензионален коефициент во практиката што укажува на ефикасноста на процесот;
λ е брановата должина на светлината што ја осветлува плочата;
NA е нумеричка бленда на оптичкиот систем.
За многу години, главниот начин за зголемување на густината на пакувањето на транзисторите е користењето на светлината со сè пократки бранови должини. Почнавме на ниво од неколку стотини нанометри и можевме релативно брзо да се придвижиме кон користење на светлина со бранова должина од 193 nm, на која светот на полупроводниците е заглавен многу подолго отколку што сакаше. По долгогодишно истражување, одложувања и потрошени милијарди долари, во 2019 година, машините за УВ литографија на ASML конечно се појавија на пазарот. Тие користат ултравиолетова светлина (EUV) со бранова должина од околу 13,5 nm и сега се користат во сите напредни погони за производство на чипови. Сепак, ова е веројатно последен пат кога λ беше успешно намален во горната формула.
Затоа ќе треба да си поигрувате со менување на НА. Можете да замислите NA како отвор на леќата на камерата. Овој бездимензионален број одредува колку светлина собира оптичкиот систем. Во случај на литографски машини, тоа значи (според формулата погоре) дека ако сакаме да правиме се помали и помали карактеристики, толку NA треба да биде повисоко. ASML машините што се користат во моментов имаат NA од 0,33. Следниот чекор се машините со висока нумеричка бленда на оптичкиот систем, кои имаат NA од 0,55.
Звучи едноставно, но ништо не е едноставно во овој бизнис. Ова најдобро се илустрира со фактот дека машините High-NA се многу поголеми и повеќе од двојно поскапи од нивните претходници (околу 400 милиони долари наспроти околу 150 милиони долари), а исто така имаат помала пропусност. Затоа, иако сите знаат дека ова е иднината на производството на најнапредните процесори, тоа често се доживува како форма на неопходно зло.
Интел беше најбрз што користеше EUV High-NA машини. Американската компанија веќе ја купи првата достапна машина од овој тип, која моментално се инсталира во една од погоните на компанијата во Орегон. Исто така, Интел планира да купи поголем дел од машините произведени оваа година. Познато е дека програмерите планираат да користат High-NA литографија во голем обем во процесот 14А, кој се очекува да ја види светлината на денот во 2026 или 2027 година (ако се оди според планот).
Истовремено, Samsung и TSMC не брзаат, се сомневаат во економската смисла на користење на оваа опрема до спроведувањето на процесот 1-nm, односно до околу 2030 година. Наместо тоа, тие имаат намера да го истиснат најдоброто од EUV машините што веќе ги имаат со разни трикови и подобрувања на процесите што спаѓаат под капата на факторот k1.
Исто така интересно: Како Тајван, Кина и САД се борат за технолошка доминација: големата војна со чипови
Префрлете се на 3D
Сега почнуваме да се движиме во зоната на неизвесна иднина, истражувачки работи и општи претпоставки, а не конкретни планови. Сепак, заедницата е прилично едногласна дека ќе дојде време кога транзисторите ќе треба да се наредат еден врз друг бидејќи скалирањето X и Y практично ќе ја достигне својата граница. Во моментов, транзисторите од типот P и N се поставени еден до друг. Целта е да се постават транзистори од N-тип на врвот на транзисторите од P-тип, со што се создаваат „сендвичи“ од транзистори наречени CFET (комплементарни FET). Се изучуваат два главни методи за постигнување на таков дизајн: монолитен, во кој целата структура е изградена на една плоча и секвенцијален, во кој транзистори од типот N и P се произведуваат на посебни плочи кои се „залепени“ заедно.
Според експертите, пазарот за производство на микропроцесори ќе влезе во третата димензија околу 2032-2034 година. Во моментов, познато е дека Intel и TSMC интензивно работат на нивните имплементации на оваа технологија, но Samsung, веројатно и не спие, бидејќи потенцијалните придобивки од користењето на ова решение се огромни.
Исто така интересно: Универзум: Најнеобичните вселенски објекти
Транзиција кон „две димензии“
Друг проблем со кој се обидуваат да се справат лидерите на светот на производството на микроциркути е тоа што има банален недостиг на силициум. Овој елемент ни служи верно неколку децении, но неговата ограничена количина почнува да го оневозможува дополнителното производство на помали и побрзи транзистори. Затоа, истражувањето на таканаречените дводимензионални материјали кои би можеле да го заменат силиконот во транзисторскиот канал е во тек низ целиот свет. Станува збор за материјали чија дебелина може да биде неколку или само еден атом и обезбедуваат мобилност на електричен полнеж, што не е достапно за силиконски полупроводници со оваа дебелина.
Најпознатиот дводимензионален материјал е графенот. Иако неговата употреба во производството на чипови сè уште се истражува, поради недостаток на природен енергетски јаз, сомнително е дали некогаш ќе се користи на индустриско ниво за производство на полупроводници. Меѓутоа, истражувањата со употреба на соединенија на ТМД (Transition Metal Dichalcogenides - соединенија на преодни метали од d блокот на периодниот систем и халкогени од 16-та група од периодниот систем), како на пр. MoS 2 и WSe 2, спроведени од Intel и TSMC, изгледаат доста ветувачки. Нивните последици ќе можеме да ги видиме во следната деценија.
Прочитајте исто така:
- Графенските микрочипови ќе ги направат телефоните побрзи и полесни
- За квантните компјутери со едноставни зборови
Интересни времиња претстојат
Сумирајќи, забележувам дека следните години ќе бидат полни со иновации и револуции во областа на производството на полупроводници. Погоре опишаните иновации не ја ни исцрпуваат темата, бидејќи не спомнавме ништо за компјутерската литографија, ниту за развојот на чиплетите, ниту за потенцијалната транзиција кон базата на процесорот Glass. Исто така, не зборувавме за напредок во производството на меморија.
Секој знае дека таквите пресвртни точки се идеални за да се израмни технолошкото заостанување, бидејќи постои голема веројатност дека конкурентите ќе пропаднат. Интел дури ја заложи целата иднина на компанијата да може да ја понуди следната полупроводничка иновација побрзо од конкуренцијата. Владата на САД е исто така многу заинтересирана да го врати производството на најсовремени чипови во Северна Америка, поради што инвестира милијарди долари во развојот на Интел. Сепак, субвенциите за чипови не се само област на интерес за Американците. Во Кореја и Тајван, владите исто така даваат дарежливи преференции Samsung и TSMC, бидејќи знаат колку е важен идниот период и колку иднината на овие земји зависи од новите технологии. Меѓу другото, затоа што зад себе ја имаат Кина, која исто така инвестира огромни суми во истражување, развој и развој на производство на полупроводници, но ова е веќе тема за друга статија.
Прочитајте исто така: