Astăzi vom vorbi despre tranzistoarele viitorului și vom dezvălui toate secretele creării lor. Deja astăzi devine clar că ne confruntăm cu o perioadă de schimbări uriașe în structura și metoda de producție a cipurilor, pe care piața nu le-a văzut de foarte mult timp. Cele mai mari minți ale lumii petrec nopți nedormite întrebându-se ce formulă să folosească pentru a face atomii individuali să danseze exact așa cum au nevoie și să facă lucruri care par să sfideze legile fizicii.
Va fi, de asemenea, o perioadă de concurență intensă între giganții semiconductorilor din SUA, Coreea și Taiwan. Ei sunt cei care încearcă să profite de viitoarea schimbare de paradigmă pentru a-și restaura, câștiga sau întări pozițiile de lideri tehnologici. Ce inovații și revoluții ne așteaptă? Să încercăm să explicăm astăzi.
Citește și: Ce este AMD XDNA? Arhitectura care alimentează AI pe procesoarele Ryzen
Modificarea geometriei tranzistoarelor
Sau, mai degrabă, obiectivele lor se vor schimba. Prima inovație care va fi (sau a fost!) prezentată de cei trei mari producători de semiconductori (TSMC, Intel, Samsung), acestea sunt așa-numitele tranzistoare GAAFET. Aceasta este prima astfel de schimbare majoră în geometria tranzistorului din 2011, când lumea a văzut tranzistoarele Intel FinFET. Nu vreau să mă opresc prea mult pe subiectul GAAFET, deoarece asta necesită un articol separat. Aici vom discuta doar conceptul din spatele lor.
Odată cu miniaturizarea tranzistorilor, inginerii au început să experimenteze așa-numitele efecte pe canal scurt. Pe scurt, pe măsură ce distanța dintre dren și drenul tranzistorului s-a scurtat, problema a devenit din ce în ce mai mare. Adică, obturatorul a început să piardă controlul asupra curentului care curge prin canal. Timp de o duzină de ani, soluția la această problemă a fost modul de a face canalul să iasă din suprafața plachetei de siliciu ca o aripioară (de aici aripioare, sau aripioare, în FinFET). Acest lucru permite porții să contacteze canalul pe trei laturi (sau două dacă muchia are o secțiune transversală în formă de pană), oferindu-i un control mai mare asupra fluxului de curent și mai multă flexibilitate în adaptarea parametrilor electrici ai tranzistorilor la nevoile proiecta.
Cu toate acestea, scăderea constantă a tranzistorilor a însemnat că acest lucru nu mai era suficient. A fost necesar ca poarta să înceapă să înconjoare canalul tranzistorului, adică să formeze tranzistori GAAFET (GAA este o abreviere pentru Gate-All-Around). Pur și simplu, vă puteți gândi la ele ca fiind tranzistoare FinFET plasate pe o parte, deoarece tranzistoarele FinFET au adesea două sau trei margini. Este ca un sandviș multistrat, în care canalele sub formă de tuburi sau foi, situate unul deasupra celuilalt, sunt separate prin straturi de izolator și poartă. Deși acest concept este cunoscut de mulți ani și folosește echipamente și procese existente, implementarea lui nu este banală. Problema este că, la un moment dat, straturile ulterioare ale canalului atârnă în aer, susținute doar de un „stâlp” temporar. În același timp, partea inferioară a acestora trebuie acoperită uniform cu un strat de dielectric cu grosimea unui singur atom și apoi umpleți cu atenție toate spațiile goale cu material.
Faptul că GAAFET-urile nu sunt banale este evidențiat de situația cu Samsung. Din 2022, portofoliul coreean are un proces cu tranzistoare MBCFET (nume de marketing Samsung pentru implementarea tranzistoarelor GAAFET). În practică, însă, aceasta este o victorie tipică pirică în cursă. Faptul este că procentul de cipuri complet funcționale obținute folosindu-l este atât de scăzut încât aproape nimeni nu vrea să-l folosească în producție (chiar… Samsung pentru Exynos-ul tău). Tot ce știm este că este folosit pentru a produce cipuri mici și relativ simple pentru minerii de criptomonede. Doar a doua generație a acestui proces, care va fi disponibilă în 2024, numită 3GAP (deși unele surse spun că ar putea fi redenumită în procesul de clasă 2nm), este de așteptat să fie utilizată mai pe scară largă.
Tranzistoarele GAAFET (Intel numește implementarea sa RibbonFET) ar trebui livrate fabricilor Intel în acest an ca parte a proceselor Intel 20A și 18A, care vor fi utilizate pentru fabricarea componentelor pentru sistemele Arrow Lake și Lunar Lake. Cu toate acestea, diverse zvonuri din industrie sugerează că scara de producție inițială poate fi limitată.
Dar TSMC? Compania taiwaneză intenționează să folosească tranzistori GAAFET în procesul său N2, care nu este de așteptat să fie complet gata până în 2025. Teoretic mai târziu decât în Samsung și Intel, dar când TSMC vorbește despre un anumit proces, înseamnă de obicei să fii gata să produci ceva pentru Apple і Nvidia, deci în practică diferența poate fi mult mai mică.
Citeste si: Totul despre cipul Neuralink Telepathy: ce este și cum funcționează
Schimbarea modului în care tranzistoarele sunt alimentate
A doua inovație care ne așteaptă este legată de modul în care tranzistoarele din microcircuite vor fi alimentate. În prezent, procesul de fabricare a unui microprocesor are loc în straturi de jos în sus. Tranzistoarele sunt construite dedesubt, apoi rețelele de conectare sunt construite deasupra lor și apoi cablurile de alimentare. De obicei, există zece până la peste douăzeci de straturi și cu cât stratul este mai înalt, cu atât elementele sale sunt mai mari.
În următorii câțiva ani, standardul va fi ca, după realizarea joncțiunilor dintre tranzistoare, placa de siliciu să fie răsturnată, subțiată, iar căile de alimentare să fie create pe cealaltă parte, lustruită a plachetei. Aceasta înseamnă că tranzistoarele vor fi ca o chiflă într-un burger, nu baza unui tort.
Este ușor de ghicit cât de mult va complica procesul de fabricare a cipurilor, dar conform primelor experimente, procesul BSPDN (Back Side Power Delivery Network) aduce multe avantaje. În primul rând, datorită acestei abordări, tranzistorii pot fi plasați mai aproape unul de celălalt. În al doilea rând, numărul total de straturi va fi mai mic. În al treilea rând, conexiunile de la cel mai înalt nivel al sursei de alimentare la tranzistor vor fi mai scurte. Și asta înseamnă mai puține pierderi de energie și posibilitatea de a reduce tensiunea de alimentare. Modalitățile exacte de implementare a acestei soluții pot varia în complexitate și beneficii potențiale, dar toți jucătorii majori de pe piață spun că jocul merită cu siguranță lumânarea.
Mai târziu în acest an, vom vedea BSPDN în acțiune pentru prima dată în Intel Process 20A (Intel numește implementarea sa PowerVia). Intel datorează această dezvoltare rapidă faptului că lucrează la această tehnologie de ceva timp, indiferent de munca de modificare a geometriei tranzistoarelor și de utilizarea mașinilor mai noi. Aceasta înseamnă că ea o va putea integra în aproape orice proces viitor.
Samsung încă nu a furnizat nicio informație oficială cu privire la momentul în care va începe să utilizeze versiunea sa a procesului de feedback BSPDN. Nu prea sunt noutăți, dar știm că Intel experimentează deja această soluție. Și zvonurile din industrie vorbesc despre posibilitatea implementării sale în procesul SF2, planificat pentru 2025, sau în următorul, care este planificat pentru 2027.
De asemenea, TSMC își ia timp în acest domeniu și raportează că, deși primele experimente aduc rezultate bune, intenționează să introducă BSPDN în procesul N2P, planificat pentru implementare abia la începutul anilor 2026 și 2027.
Citeste si: Teleportarea din punct de vedere științific și viitorul ei
Schimbarea mașinilor de expunere a plăcilor
Nicio conversație serioasă despre fabricarea microprocesoarelor nu este completă fără a menționa criteriul Rayleigh. În cazul litografiei, adică a procesului de expunere a plachetelor de siliciu, aceasta ia forma următoarei formule:
CD = k1 • λ / NA.
Mai simplu spus, aceasta înseamnă că dimensiunea celui mai mic element care poate fi creat de lumină pe suprafața unei plachete de siliciu depinde de trei numere:
k1 este un coeficient adimensional în practică care indică eficiența procesului;
λ este lungimea de undă a luminii care luminează placa;
NA este deschiderea numerică a sistemului optic.
Timp de mulți ani, principala modalitate de a crește densitatea de împachetare a tranzistorilor a fost utilizarea luminii cu lungimi de undă din ce în ce mai scurte. Am început la nivel de câteva sute de nanometri și am reușit să trecem relativ repede la utilizarea luminii la o lungime de undă de 193 nm, pe care lumea semiconductoare a rămas blocată mult mai mult timp decât și-a dorit. După ani de cercetare, întârzieri și miliarde de dolari cheltuiți, în 2019 mașinile de litografie UV de la ASML au ajuns în sfârșit pe piață. Acestea folosesc lumină ultravioletă (EUV) cu o lungime de undă de aproximativ 13,5 nm și sunt acum utilizate în toate fabricile avansate de producție de cipuri. Cu toate acestea, aceasta este probabil ultima dată când λ a fost redus cu succes în formula de mai sus.
De aceea va trebui să vă jucați cu schimbarea NA. Vă puteți gândi la NA ca la deschiderea obiectivului unei camere. Acest număr adimensional determină câtă lumină colectează sistemul optic. În cazul mașinilor litografice, aceasta înseamnă (conform formulei de mai sus) că dacă dorim să facem caracteristici din ce în ce mai mici, cu atât NA ar trebui să fie mai mare. Mașinile ASML utilizate în prezent au un NA de 0,33. Următorul pas este mașinile cu o deschidere numerică mare a sistemului optic, care au un NA de 0,55.
Sună simplu, dar nimic nu este simplu în această afacere. Acest lucru este cel mai bine ilustrat de faptul că mașinile High-NA sunt mult mai mari și de peste două ori mai scumpe decât predecesorii lor (aproximativ 400 de milioane de dolari față de aproximativ 150 de milioane de dolari), având în același timp un randament mai mic. Prin urmare, deși toată lumea știe că acesta este viitorul fabricării celor mai avansate procesoare, acesta este adesea perceput ca o formă de rău necesar.
Intel a fost cel mai rapid care a folosit mașini EUV High-NA. Compania americană a achiziționat deja primul utilaj disponibil de acest tip, care este în prezent instalat la una dintre fabricile companiei din Oregon. De asemenea, Intel plănuiește să cumpere majoritatea mașinilor produse în acest an. Se știe că dezvoltatorii plănuiesc să folosească litografia High-NA la scară largă în procesul 14A, care se așteaptă să vadă lumina zilei în 2026 sau 2027 (dacă totul decurge conform planului).
Simultan, Samsung și TSMC nu se grăbesc, punând la îndoială sensul economic al utilizării acestui echipament până la implementarea procesului de 1 nm, adică până în aproximativ 2030. În schimb, intenționează să stoarcă tot ce este mai bun din mașinile EUV pe care le au deja cu diverse trucuri și îmbunătățiri de proces care se încadrează sub umbrela factorului k1.
Interesant de asemenea: Cum se luptă Taiwan, China și SUA pentru dominația tehnologică: marele război cu cipuri
Comutați la 3D
Acum începem să trecem în zona unui viitor incert, lucrări de cercetare și ipoteze generale, nu planuri concrete. Cu toate acestea, comunitatea este destul de unanimă că va veni un moment în care tranzistoarele vor trebui să fie stivuite una peste alta, deoarece scalarea X și Y își atinge practic limita. În prezent, tranzistoarele de tip P și de tip N sunt plasate unul lângă celălalt. Scopul este de a stivui tranzistoare de tip N peste tranzistoare de tip P, creând astfel „sandwich-uri” de tranzistoare numite CFET-uri (FET-uri complementare). Sunt studiate două metode principale de realizare a unui astfel de design: monolitică, în care întreaga structură este construită pe o singură placă, și secvenţială, în care tranzistoarele de tip N și P sunt fabricate pe plăci separate care sunt „lipite” între ele.
Potrivit experților, piața producției de microprocesoare va intra în a treia dimensiune în jurul anilor 2032-2034. În prezent, se știe că Intel și TSMC lucrează intens la implementările lor ale acestei tehnologii, dar Samsung, probabil că nici nu doarme, deoarece beneficiile potențiale ale utilizării acestei soluții sunt uriașe.
Interesant de asemenea: Univers: Cele mai neobișnuite obiecte spațiale
Trecerea la „două dimensiuni”
O altă problemă căreia liderii lumii producției de microcircuite încearcă să o facă față este că există o lipsă banală de siliciu. Acest element ne-a servit fidel de câteva decenii, dar cantitatea sa limitată începe să facă imposibilă fabricarea în continuare a tranzistoarelor mai mici și mai rapide. Prin urmare, cercetările asupra așa-numitelor materiale bidimensionale care ar putea înlocui siliciul în canalul tranzistorului sunt în desfășurare în întreaga lume. Acestea sunt materiale a căror grosime poate fi de mai mulți sau de un singur atom și asigură mobilitatea sarcinii electrice, care nu este disponibilă pentru semiconductori de siliciu de această grosime.
Cel mai faimos material bidimensional este grafenul. Deși utilizarea sa în producția de cipuri este încă explorată, din cauza lipsei unui decalaj natural de energie, este îndoielnic dacă va fi folosit vreodată la scară industrială pentru producția de semiconductori. Cu toate acestea, cercetarea folosind compuși TMD (Dichalcogenides de metal de tranziție - compuși ai metalelor de tranziție din blocul d din tabelul periodic și calcogenii din grupa a 16-a a tabelului periodic), cum ar fi MoS 2 și WSe 2, conduse de Intel și TSMC, arată destul de promițătoare. Vom putea vedea consecințele lor în următorul deceniu.
Citeste si:
- Microcipurile cu grafen vor face telefoanele mai rapide și mai ușoare
- Despre calculatoarele cuantice în cuvinte simple
Se apropie vremuri interesante
Rezumând, constat că anii următori vor fi plini de inovații și revoluții în domeniul producției de semiconductori. Inovațiile descrise mai sus nici nu epuizează subiectul, pentru că nu am menționat nimic despre litografia computerizată, nici despre dezvoltarea chipleturilor, nici despre potențiala trecere la baza procesorului Glass. Nu am vorbit nici despre progresul în producerea memoriei.
Toată lumea știe că astfel de puncte de cotitură sunt ideale pentru a ajunge din urmă cu decalajul tehnologic, deoarece există o mare probabilitate ca concurenții să eșueze. Intel a mizat chiar și întregul viitor al companiei pentru a putea oferi următoarea inovație în semiconductori mai rapid decât concurența. Guvernul SUA este, de asemenea, foarte interesat să readucă producția de cipuri de ultimă generație înapoi în America de Nord, motiv pentru care investește miliarde de dolari în dezvoltarea Intel. Cu toate acestea, subvențiile cu cip nu sunt doar o zonă de interes pentru americani. În Coreea și Taiwan, guvernele oferă și preferințe generoase Samsung și TSMC, pentru că știu cât de importantă este perioada viitoare și cât de mult depinde viitorul acestor țări de noile tehnologii. Printre altele, pentru că au în spate China, care investește și sume uriașe în cercetarea, dezvoltarea și dezvoltarea producției de semiconductori, dar acesta este deja un subiect pentru un alt articol.
Citeste si: