Dnes budeme hovoriť o tranzistoroch budúcnosti a odhalíme všetky tajomstvá ich tvorby. Už dnes je jasné, že nás čaká obdobie obrovských zmien v štruktúre a spôsobe výroby čipov, aké trh už dlho nezažil. Najväčšie mysle sveta trávia bezsenné noci premýšľaním, aký vzorec použiť na to, aby jednotlivé atómy tancovali presne tak, ako potrebujú, a robili veci, ktoré sa zdajú byť v rozpore s fyzikálnymi zákonmi.
Bude to tiež obdobie zvýšenej konkurencie medzi polovodičovými gigantmi z USA, Kórey a Taiwanu. Sú to tí, ktorí sa snažia využiť nastávajúcu zmenu paradigmy na obnovenie, získanie alebo posilnenie svojich pozícií technologických lídrov. Aké inovácie a revolúcie nás čakajú? Skúsme to dnes vysvetliť.
Prečítajte si tiež: Čo je AMD XDNA? Architektúra, ktorá poháňa AI na procesoroch Ryzen
Zmena geometrie tranzistorov
Alebo skôr, ich ciele sa zmenia. Prvá inovácia, ktorú predstaví (alebo bola!) veľká trojka výrobcov polovodičov (TSMC, Intel, Samsung), ide o takzvané GAAFET tranzistory. Ide o prvú takúto veľkú zmenu v geometrii tranzistorov od roku 2011, keď svet videl tranzistory FinFET od Intelu. Nechcem sa príliš venovať téme GAAFET, pretože si to vyžaduje samostatný článok. Tu budeme diskutovať iba o koncepte, ktorý za nimi stojí.
S miniaturizáciou tranzistorov začali inžinieri pociťovať takzvané krátke kanály. Stručne povedané, ako sa vzdialenosť medzi kolektorom a kolektorom tranzistora skracovala, problém bol väčší a väčší. To znamená, že uzávierka začala strácať kontrolu nad prúdom pretekajúcim kanálom. Po tucet rokov bolo riešením tohto problému, ako prinútiť kanál, aby vyčnieval z povrchu kremíkového plátku ako plutva (preto Fin alebo plutva vo FinFET). To umožňuje, aby sa brána dotýkala kanála na troch stranách (alebo dvoch, ak má okraj klinovitý prierez), čo mu dáva väčšiu kontrolu nad tokom prúdu a väčšiu flexibilitu pri prispôsobovaní elektrických parametrov tranzistorov potrebám tranzistorov. dizajn.
Neustály pokles tranzistorov však znamenal, že to už nestačilo. Bolo potrebné, aby brána začala obklopovať tranzistorový kanál, to znamená, že vytvorila GAAFET tranzistory (GAA je skratka pre Gate-All-Around). Jednoducho povedané, môžete si ich predstaviť ako FinFET tranzistory umiestnené na jednej strane, keďže FinFET tranzistory majú často dve alebo tri hrany. Je to ako viacvrstvový sendvič, v ktorom sú kanály vo forme rúrok alebo dosiek umiestnené nad sebou oddelené vrstvami izolátora a brány. Hoci je tento koncept známy už mnoho rokov a využíva existujúce zariadenia a procesy, jeho implementácia nie je triviálna. Problém je v tom, že v určitej fáze nasledujúce vrstvy kanála visia vo vzduchu, podopreté len dočasným „stĺpikom“. Zároveň by ich spodná časť mala byť rovnomerne pokrytá vrstvou dielektrika s hrúbkou jedného atómu a potom opatrne vyplniť všetky prázdne miesta materiálom.
Skutočnosť, že GAAFET nie sú triviálne, je zvýraznená situáciou s Samsung. Od roku 2022 má kórejské portfólio proces s tranzistormi MBCFET (marketingový názov Samsung implementovať GAAFET tranzistory). V praxi však ide o typické Pyrrhovo víťazstvo v pretekoch. Faktom je, že percento plne funkčných čipov získaných pomocou neho je také nízke, že ho takmer nikto nechce použiť vo výrobe (dokonca… Samsung pre váš Exynos). Vieme len to, že sa používa na výrobu malých a relatívne jednoduchých čipov pre ťažiarov kryptomien. Iba druhá generácia tohto procesu, ktorá bude dostupná v roku 2024, s názvom 3GAP (hoci niektoré zdroje hovoria, že by sa mohla premenovať na proces triedy 2nm), sa očakáva širšie využitie.
Tranzistory GAAFET (Intel ich implementáciu nazýva RibbonFET) by mali byť do tovární Intelu dodané tento rok v rámci procesov Intel 20A a 18A, ktoré budú použité na výrobu komponentov pre systémy Arrow Lake a Lunar Lake. Rôzne povesti z odvetvia však naznačujú, že počiatočný rozsah výroby môže byť obmedzený.
A čo TSMC? Taiwanská spoločnosť plánuje použiť tranzistory GAAFET vo svojom procese N2, ktorý by mal byť plne pripravený až v roku 2025. Teoreticky neskôr ako v r Samsung a Intel, ale keď TSMC hovorí o tom, že má určitý proces, zvyčajne to znamená byť pripravený niečo vyrobiť Apple і Nvidia, takže v praxi môže byť rozdiel oveľa menší.
Prečítajte si tiež: Všetko o čipe Neuralink Telepathy: čo to je a ako to funguje
Zmena spôsobu napájania tranzistorov
Druhá novinka, ktorá nás čaká, súvisí s tým, ako budú napájané tranzistory v mikroobvodoch. V súčasnosti proces výroby mikroprocesora prebieha vo vrstvách zdola nahor. Nižšie sú postavené tranzistory, nad nimi sú vybudované spojovacie siete a potom napájacie káble. Typicky existuje desať až viac ako dvadsať vrstiev a čím vyššia je vrstva, tým väčšie sú jej prvky.
V priebehu najbližších rokov bude štandardom, že po zhotovení spojov medzi tranzistormi sa kremíkový plátok prevráti, stenčí a na druhej, vyleštenej strane plátku sa vytvoria výkonové cesty. To znamená, že tranzistory budú ako placka v burgeri, nie základ torty.
Je ľahké odhadnúť, ako veľmi to skomplikuje proces výroby čipu, no podľa prvých experimentov prináša proces BSPDN (Back Side Power Delivery Network) mnohé výhody. Po prvé, vďaka tomuto prístupu môžu byť tranzistory umiestnené bližšie k sebe. Po druhé, celkový počet vrstiev bude menší. Po tretie, pripojenia z najvyššej úrovne napájacieho zdroja k tranzistoru budú kratšie. A to znamená menšie straty energie a možnosť zníženia napájacieho napätia. Presné spôsoby implementácie tohto riešenia sa môžu líšiť v zložitosti a potenciálnych výhodách, ale všetci hlavní hráči na trhu tvrdia, že hra rozhodne stojí za sviečku.
Neskôr v tomto roku uvidíme BSPDN po prvýkrát v akcii v Intel Process 20A (Intel nazýva svoju implementáciu PowerVia). Intel za tento rýchly vývoj vďačí tomu, že na tejto technológii už nejaký čas pracuje, bez ohľadu na prácu na zmene geometrie tranzistorov a použitie novších strojov. To znamená, že ho bude môcť integrovať do takmer každého budúceho procesu.
Samsung zatiaľ neposkytla žiadne oficiálne informácie o tom, kedy začne používať svoju verziu procesu spätnej väzby BSPDN. Noviniek nie je veľa, no vieme, že Intel už s týmto riešením experimentuje. A priemyselné fámy hovoria o možnosti jeho implementácie v procese SF2, plánovanom na rok 2025, alebo v ďalšom, ktorý je plánovaný na rok 2027.
TSMC si v tejto oblasti tiež dáva na čas a uvádza, že hoci prvé experimenty prinášajú dobré výsledky, má v úmysle zaviesť BSPDN do procesu N2P, ktorého implementácia je plánovaná až na prelome rokov 2026 a 2027.
Prečítajte si tiež: Teleportácia z vedeckého hľadiska a jej budúcnosť
Výmena osvitových strojov
Žiadna seriózna konverzácia o výrobe mikroprocesorov sa nezaobíde bez uvedenia Rayleighovho kritéria. V prípade litografie, teda procesu odkrytia kremíkových plátkov, to má formu nasledujúceho vzorca:
CD = k1 • λ / NA.
Zjednodušene to znamená, že veľkosť najmenšieho prvku, ktorý môže byť vytvorený svetlom na povrchu kremíkového plátku, závisí od troch čísel:
k1 je v praxi bezrozmerný koeficient, ktorý udáva účinnosť procesu;
λ je vlnová dĺžka svetla, ktoré osvetľuje platňu;
NA je numerická apertúra optického systému.
Po mnoho rokov bolo hlavným spôsobom zvýšenia hustoty tranzistorov používanie svetla s čoraz kratšími vlnovými dĺžkami. Začali sme na úrovni niekoľkých stoviek nanometrov a boli sme schopní pomerne rýchlo prejsť k využívaniu svetla s vlnovou dĺžkou 193 nm, na ktorom je svet polovodičov prilepený oveľa dlhšie, ako by chcel. Po rokoch výskumu, oneskorení a vynaložených miliardách dolárov sa v roku 2019 UV litografické stroje ASML konečne dostali na trh. Používajú ultrafialové svetlo (EUV) s vlnovou dĺžkou približne 13,5 nm a teraz sa používajú vo všetkých pokročilých závodoch na výrobu čipov. Toto je však pravdepodobne poslednýkrát, čo sa podarilo λ úspešne znížiť vo vyššie uvedenom vzorci.
Preto sa budete musieť pohrať so zmenou NA. Môžete si predstaviť NA ako clonu objektívu fotoaparátu. Toto bezrozmerné číslo určuje, koľko svetla optický systém zhromaždí. V prípade litografických strojov to znamená (podľa vyššie uvedeného vzorca), že ak chceme robiť stále menšie prvky, tým vyššia by mala byť NA. V súčasnosti používané stroje ASML majú NA 0,33. Ďalším krokom sú stroje s vysokou numerickou apertúrou optického systému, ktoré majú NA 0,55.
Znie to jednoducho, ale v tomto biznise nie je nič jednoduché. Najlepšie to ilustruje skutočnosť, že stroje High-NA sú oveľa väčšie a viac ako dvakrát drahšie ako ich predchodcovia (asi 400 miliónov USD oproti približne 150 miliónom USD), pričom majú tiež menšiu priepustnosť. Preto, hoci každý vie, že toto je budúcnosť výroby tých najpokročilejších procesorov, je často vnímaná ako forma nutného zla.
Intel najrýchlejšie využíval stroje EUV High-NA. Americká spoločnosť už zakúpila prvý dostupný stroj tohto typu, ktorý sa momentálne inštaluje v jednej z tovární v Oregone. Intel tiež plánuje tento rok kúpiť väčšinu vyrobených strojov. Je známe, že vývojári plánujú vo veľkom použiť High-NA litografiu v procese 14A, ktorý by mal uzrieť svetlo sveta v roku 2026 alebo 2027 (ak všetko pôjde podľa plánu).
súčasne Samsung a TSMC sa neponáhľajú a pochybujú o ekonomickom zmysle používania tohto zariadenia až do implementácie 1-nm procesu, teda približne do roku 2030. Namiesto toho majú v úmysle vyžmýkať to najlepšie z EUV strojov, ktoré už majú, pomocou rôznych trikov a vylepšení procesov, ktoré spadajú pod faktor k1.
Tiež zaujímavé: Ako Taiwan, Čína a USA bojujú o technologickú dominanciu: veľká vojna čipov
Prepnúť na 3D
Teraz sa začíname presúvať do zóny neistej budúcnosti, výskumných prác a všeobecných predpokladov, nie konkrétnych plánov. Komunita je však celkom jednotná v tom, že príde čas, keď bude potrebné tranzistory naskladať na seba, pretože škálovanie X a Y prakticky dosiahne svoj limit. V súčasnosti sú tranzistory typu P a N umiestnené vedľa seba. Cieľom je naskladať tranzistory typu N na tranzistory typu P, čím sa vytvoria „sendviče“ tranzistorov nazývané CFET (komplementárne FET). Študujú sa dva hlavné spôsoby dosiahnutia takéhoto dizajnu: monolitický, v ktorom je celá konštrukcia postavená na jednej doske, a sekvenčný, v ktorom sa tranzistory typu N a P vyrábajú na samostatných doskách, ktoré sú „zlepené“ dohromady.
Podľa odborníkov sa trh s výrobou mikroprocesorov dostane do tretej dimenzie okolo rokov 2032-2034. V súčasnosti je známe, že Intel a TSMC intenzívne pracujú na svojich implementáciách tejto technológie, ale Samsung, pravdepodobne tiež nespí, pretože potenciálne výhody použitia tohto riešenia sú obrovské.
Tiež zaujímavé: Vesmír: Najneobvyklejšie vesmírne objekty
Prechod do „dvoch dimenzií“
Ďalším problémom, s ktorým sa lídri vo svete výroby mikroobvodov snažia vyrovnať, je banálny nedostatok kremíka. Tento prvok nám verne slúži už niekoľko desaťročí, no jeho obmedzené množstvo začína znemožňovať ďalšiu výrobu menších a rýchlejších tranzistorov. Preto na celom svete prebieha výskum takzvaných dvojrozmerných materiálov, ktoré by mohli nahradiť kremík v tranzistorovom kanáli. Ide o materiály, ktorých hrúbka môže byť niekoľko alebo iba jeden atóm a poskytujú pohyblivosť elektrického náboja, ktorá nie je dostupná pre kremíkové polovodiče tejto hrúbky.
Najznámejším dvojrozmerným materiálom je grafén. Hoci sa jeho využitie pri výrobe čipov stále skúma, vzhľadom na nedostatok prirodzenej energetickej medzery je otázne, či sa niekedy v priemyselnom meradle využije na výrobu polovodičov. Avšak výskum s použitím zlúčenín TMD (Transition Metal Dichalcogenides - zlúčeniny prechodných kovov d bloku periodickej tabuľky a chalkogénov 16. skupiny periodickej tabuľky), ako napr. MoS 2 a WSe 2, ktoré vedú Intel a TSMC, vyzerajú celkom sľubne. Ich dôsledky budeme môcť vidieť v nasledujúcom desaťročí.
Prečítajte si tiež:
- Vďaka grafénovým mikročipom budú telefóny rýchlejšie a jednoduchšie
- O kvantových počítačoch jednoduchými slovami
Čakajú nás zaujímavé časy
Keď to zhrniem, podotýkam, že nasledujúce roky budú v oblasti výroby polovodičov plné inovácií a revolúcií. Vyššie popísané novinky ani nevyčerpávajú tému, pretože sme nespomenuli nič o počítačovej litografii, ani o vývoji chipletov, ani o potenciálnom prechode na procesorovú základňu Glass. Rovnako sme nehovorili o pokroku vo výrobe pamätí.
Každý vie, že takéto zlomové body sú ideálne na dobiehanie technologického oneskorenia, keďže je veľká pravdepodobnosť, že konkurenti neuspejú. Intel dokonca vsadil celú budúcnosť spoločnosti na to, aby dokázal ponúknuť ďalšiu inováciu polovodičov rýchlejšie ako konkurencia. Aj americká vláda má veľký záujem vrátiť výrobu špičkových čipov späť do Severnej Ameriky, a preto do vývoja Intelu investuje miliardy dolárov. Dotácie na čipy však nie sú len oblasťou záujmu Američanov. V Kórei a na Taiwane tiež vlády poskytujú veľkorysé preferencie Samsung a TSMC, pretože vedia, aké dôležité je budúce obdobie a nakoľko budúcnosť týchto krajín závisí od nových technológií. Okrem iného preto, že majú za sebou Čínu, ktorá tiež investuje obrovské sumy do výskumu, vývoja a vývoja výroby polovodičov, ale to je už téma na iný článok.
Prečítajte si tiež: