Сегодня расскажем о транзисторах будущего и раскроем все секреты их создания. Уже сегодня становится понятно, что впереди нас ждет период значительных изменений в структуре и способе производства чипов, которых рынок не видел очень давно. Величайшие умы мира проводят бессонные ночи, думая о том, какую формулу использовать, чтобы заставить отдельные атомы танцевать именно так, как им нужно, и делать вещи, которые, кажется, нарушают законы физики.
Это будет также период обострения конкуренции между полупроводниковыми гигантами из США, Кореи и Тайваня. Именно они пытаются воспользоваться будущей сменой парадигмы, чтобы восстановить, получить или укрепить свои позиции технологических лидеров. Какие именно инновации и революции нас ждут? Попробуем сегодня объяснить.
Читайте также: Что такое AMD XDNA? Архитектура, которая запускает ИИ на процессорах Ryzen
Изменение геометрии транзисторов
А точнее, изменятся их цели. Первое нововведение, которое будет (или было!) представлено большой тройкой производителей полупроводников (TSMC, Intel, Samsung), это, так называемые, транзисторы GAAFET. Это первое такое серьезное изменение в геометрии транзистора с 2011 года, когда мир увидел транзисторы FinFET от Intel. Я не хочу уделять много внимания теме транзисторов GAAFET, потому что для этого нужна отдельная статья. Здесь мы обсудим только концепцию, лежащую в их основе.
С миниатюризацией транзисторов инженеры начали сталкиваться с так называемыми эффектами короткого канала. Короче говоря, по мере того, как расстояние между истоком и стоком транзистора сокращалось, проблема становилась все большей и большей. То есть, затвор начал терять контроль над током, протекающим через канал. В течение дюжины лет решение этой проблемы заключалось в том, как сделать так, чтобы канал выступал из поверхности кремниевой пластины как ребро (отсюда Fin, или fin, в FinFET). Это позволяет затвору контактировать с каналом с трех сторон (или двух, если ребро имеет клиновидное поперечное сечение), что дает ему больший контроль над потоком тока и большую гибкость в адаптации электрических параметров транзисторов к потребностям дизайна.
Однако постоянное уменьшение транзисторов означало, что этого уже недостаточно. Необходимо было, чтобы затвор начал окружать транзисторный канал, то есть образовывать транзисторы GAAFET (GAA – аббревиатура от Gate-All-Around). Проще говоря, вы можете представить их как транзисторы FinFET, размещенные с одной стороны, поскольку транзисторы FinFET часто имеют два или три ребра. Это как многоуровневый сэндвич, в котором каналы в виде труб или листов, расположенных друг над другом, разделены слоями изолятора и затвора. Несмотря на то, что эта концепция известна в течение многих лет и использует существующее оборудование и процессы, ее реализация не является тривиальной. Проблема заключается в том, что на каком-то этапе последующие слои канала висят в воздухе, поддерживаемые только временным “столбом”. При этом их нижняя часть должна быть равномерно покрыта слоем диэлектрика толщиной с отдельный атом, а затем тщательно заполнять все пустые места с материалом.
Тот факт, что транзисторы GAAFET не являются тривиальным делом, подчеркивается ситуацией с Samsung. С 2022 года в портфолио корейцев есть процесс с транзисторами MBCFET (маркетинговое название Samsung для реализации транзисторов GAAFET). На практике, однако, это типичная пиррова победа в гонке. Дело в том, что процент полнофункциональных чипов, полученных с его использованием, настолько низок, что почти никто не хочет его использовать в производстве (даже… Samsung для своего Exynos). Все, что мы знаем, это то, что он применяется для производства небольших и относительно простых микросхем для майнеров криптовалют. Ожидается, что только второе поколение этого процесса, которое будет доступно в 2024 году, под названием 3GAP (хотя некоторые источники говорят, что его можно переименовать в процесс класса 2 нм), будет использоваться более широко.
В этом году транзисторы GAAFET (Intel называет свою реализацию RibbonFET) должны быть доставлены на заводы Intel в рамках процессов Intel 20A и 18A, которые будут использоваться для производства компонентов систем Arrow Lake и Lunar Lake. Однако различные отраслевые слухи свидетельствуют о том, что начальные масштабы производства могут быть ограниченными.
А как дела у TSMC? Тайваньская компания планирует использовать транзисторы GAAFET в своем процессе N2, который, как ожидается, будет полностью готов только в 2025 году. Теоретически позже, чем у Samsung и Intel, но когда TSMC говорит о наличии определенного процесса, обычно это означает готовность производить что-то для Apple и Nvidia, поэтому на практике разница может быть гораздо меньшей.
Читайте также: Что нового в Windows 11 Moment 5
Изменение способа питания транзисторов
Второе новшество, которое нас ждет, связано с тем, как будут питаться транзисторы в микросхемах. В настоящее время процесс производства микропроцессора происходит послойно снизу вверх. Транзисторы строятся внизу, затем над ними строятся соединительные сети, а затем уже кабели питания. Обычно существует от десятка до более двадцати слоев, и чем выше слой, тем больше его элементы.
В течение следующих нескольких лет стандартом станет то, что после создания соединений между транзисторами кремниевая пластина будет переворачиваться, утончаться, а каналы питания будут создаваться на другой, полированной стороне пластины. Это означает, что транзисторы будут как котлета в бургере, а не как основа торта.
Легко догадаться, насколько это усложнит процесс производства микросхем, но, согласно первым экспериментам, процесс обратного питания BSPDN (Back Side Power Delivery Network) приносит много преимуществ. Во-первых, благодаря такому подходу транзисторы можно разместить ближе друг к другу. Во-вторых, общее количество слоев будет меньше. В-третьих, соединения от самого высокого уровня источника питания до транзистора будут короче. А это означает меньшие потери энергии и возможность снижения напряжения питания. Точные способы реализации этого решения могут отличаться по сложности и потенциальным преимуществам, но все основные игроки на рынке говорят, что игра, безусловно, стоит свеч.
Позже в этом году мы впервые увидим работу BSPDN в Intel Process 20A (Intel называет его реализацию PowerVia). Таким стремительным развитием событий Intel обязана тому факту, что уже некоторое время работает над этой технологией, независимо от работы над изменением геометрии транзисторов и использованием более новых машин. Это означает, что она сможет интегрировать ее практически в любой будущий процесс.
Samsung пока не предоставила никакой официальной информации относительно того, когда она начнет использовать свою версию процесса обратного питания BSPDN. Новостей немного, но мы знаем, что компания Intel уже экспериментирует с этим решением. А отраслевые слухи говорят о возможности его внедрения в процесс SF2, запланированный на 2025 год, или в следующий, который запланирован на 2027 год.
TSMC тоже неспешна в этой сфере, и сообщает, что хотя первые эксперименты приносят хорошие результаты, она намерена ввести BSPDN в процесс N2P, запланированный для реализации только на рубеже 2026 и 2027 годов.
Читайте также: Что такое Frutiger Aero, и почему современные подростки ностальгируют по Windows Vista
Замена машин экспонирования пластин
Не может быть серьезного разговора о производстве микропроцессоров без упоминания о критерии Рэлея. В случае литографии, то есть процесса экспонирования кремниевых пластин, это приобретает вид следующей формулы:
CD = k1 • λ / NA.
Проще говоря, это означает, что размер наименьшего элемента, который можно создать светом на поверхности кремниевой пластины, зависит от трех чисел:
k1 – безразмерный коэффициент, указывающий на эффективность процесса;
λ – длина волны света, который освещает пластину;
NA – числовая апертура оптической системы.
В течение многих лет основным способом увеличения плотности упаковки транзисторов было использование света со все меньшей длиной волны. Мы начали с уровня нескольких сотен нанометров и относительно быстро смогли перейти к использованию света с длиной волны 193 нм, на котором мир полупроводников застрял гораздо дольше, чем хотел. После лет исследований, задержек и затраченных миллиардов долларов в 2019 году машины ультрафиолетовой литографии ASML, наконец, вышли на рынок. Они используют ультрафиолетовый свет (EUV) с длиной волны примерно 13,5 нм и сейчас применяются на всех передовых заводах по производству микросхем. Однако это, пожалуй, последний раз, когда в приведенной выше формуле удалось уменьшить λ.
Вот почему придется поиграть с изменением NA. Можно рассматривать NA как диафрагму объектива камеры. Это безразмерное число определяет, сколько света собирает оптическая система. В случае литографических машин это означает (согласно приведенной выше формуле), что если мы хотим создавать все меньшие и меньшие элементы, то выше должна быть NA. Машины ASML, которые сейчас используются, имеют NA 0,33. Следующий шаг – машины с высокой числовой апертурой оптической системы, которые имеют NA 0,55.
Звучит просто, но в этом бизнесе нет ничего простого. Об этом лучше всего свидетельствует тот факт, что машины High-NA гораздо больше, и более чем вдвое дороже своих предшественников (около $400 млн против примерно $150 млн), и в то же время имеют меньшую пропускную способность. Поэтому, хотя все знают, что это будущее производства самых совершенных процессоров, это часто воспринимается как форма необходимого зла.
Intel раньше всех приступила к использованию машин EUV High-NA. Американская компания уже приобрела первую доступную машину такого типа, которая сейчас устанавливается на одном из заводов компании в Орегоне. Также Intel планирует купить большинство машин, произведенных в этом году. Известно, что разработчики планируют использовать литографию High-NA в больших масштабах в процессе 14A, который, как ожидается, увидит свет в 2026 или 2027 году (если все пойдет по плану).
В то же время, Samsung и TSMC не спешат, сомневаясь в экономическом смысле использования этого оборудования до реализации 1-нм техпроцесса, то есть примерно до 2030 года. Вместо этого они намерены выжать все возможное из EUV-машин, которые они уже имеют, с помощью различных ухищрений и усовершенствований процесса, которые подпадают под эгиду коэффициента k1.
Также интересно: OpenAI Project Q*: что это такое и почему проект вызывает беспокойство
Переход на 3D
Сейчас мы начинаем переходить в зону неопределенного будущего, исследовательских работ и общих предположений, а не конкретных планов. Тем не менее, сообщество вполне единодушно в том, что наступит время, когда транзисторы нужно будет расположить друг над другом, поскольку масштабирование по осям Х и Y практически достигает предела. В настоящее время транзисторы типа P и типа N размещаются рядом друг с другом. Цель состоит в том, чтобы уложить транзисторы типа N на транзисторы типа P, и таким образом создать “сэндвичи” транзисторов, которые называются CFET (комплементарные FET). Исследуются два основных способа достижения такой конструкции: монолитный, при котором вся структура построена на одной пластине, и последовательный, при котором транзисторы N- и P-типа изготавливаются на отдельных пластинах, которые “склеиваются” вместе.
По оценкам экспертов, рынок производства микропроцессоров войдет в третье измерение примерно в 2032-2034 годах. На данный момент известно, что Intel и TSMC интенсивно работают над своими реализациями этой технологии, но Samsung, вероятно, тоже не дремлет, ведь потенциальные преимущества от использования этого решения гигантские.
Переход к “двум измерениям”
Еще одна проблема, с которой пытаются справиться лидеры мира производства микросхем, заключается в том, что банально не хватает кремния. Этот элемент служил нам верой и правдой несколько десятилетий, но его ограниченное количество начинает делать невозможным дальнейшее изготовление все меньших и более быстрых транзисторов. Поэтому во всем мире продолжаются исследования, так называемых, двумерных материалов, которые могли бы заменить кремний в канале транзистора. Это материалы, толщина которых может составлять несколько или только один атом, и обеспечивает подвижность электрического заряда, которая недоступна для кремниевых полупроводников такой толщины.
Самым известным двумерным материалом является графен. Хотя возможности его использования в производстве чипов все еще исследуются, из-за отсутствия естественного энергетического разрыва есть сомнения, будет ли он когда-нибудь использован в промышленных масштабах для производства полупроводников. Однако исследования по использованию соединений TMD (Transition Metal Dichalcogenides – соединения переходных металлов d блока периодической таблицы и халькогенов 16-й группы периодической таблицы), таких как MoS 2 и WSe 2, проводимые Intel и TSMC, выглядят довольно перспективными. Мы сможем увидеть их последствия в следующем десятилетии.
Читайте также: Все о Microsoft Copilot: будущее или ложный путь?
Впереди интересные времена
Подводя итог, отмечу, что последующие годы будут до отказа наполнены инновациями и революциями в сфере производства полупроводников. Вышеописанные новации даже не исчерпывают тему, ведь мы ничего не упоминали ни о компьютерной литографии, ни о разработке чиплетов, ни о потенциальном переходе на базу процессоров Glass. Мы также не говорили о прогрессе в производстве памяти.
Всем известно, что такие переломные моменты идеально подходят для наверстывания технологического отставания, поскольку велика вероятность провала у конкурентов. Intel даже поставила все будущее компании на то, что она сможет предложить следующие полупроводниковые инновации быстрее, чем конкуренты. Правительство США также очень заинтересовано в возвращении производства самых современных микросхем в Северную Америку, поэтому оно вкладывает миллиарды долларов в разработки компании Intel. Однако субсидии на чипы – это не только сфера интересов американцев. В Корее и на Тайване правительства также предоставляют щедрые преференции Samsung и TSMC, поскольку знают, насколько важен будущий период и насколько будущее этих стран зависит от новых технологий. Среди прочего, потому, что у них за плечами Китай, который тоже вкладывает огромные средства в исследования, разработку и развитие производства полупроводников, но это уже тема для другой статьи.
Читайте также: