Ngayon ay pag-uusapan natin ang tungkol sa mga transistor ng hinaharap at ibunyag ang lahat ng mga lihim ng kanilang paglikha. Malinaw na ngayon na nahaharap tayo sa isang panahon ng malaking pagbabago sa istraktura at pamamaraan ng paggawa ng chip, na hindi nakikita ng merkado sa loob ng mahabang panahon. Ang pinakadakilang mga isip sa mundo ay gumugugol ng mga gabing walang tulog na nag-iisip kung anong formula ang gagamitin upang gawing eksaktong sumayaw ang mga indibidwal na atom sa paraang kailangan nila at gawin ang mga bagay na tila sumasalungat sa mga batas ng pisika.
Ito rin ay isang panahon ng mas mataas na kompetisyon sa pagitan ng mga higanteng semiconductor mula sa US, Korea at Taiwan. Sila ang nagsisikap na samantalahin ang paparating na paradigm shift upang maibalik, makuha o palakasin ang kanilang mga posisyon bilang mga pinuno ng teknolohiya. Anong mga pagbabago at rebolusyon ang naghihintay sa atin? Subukan nating ipaliwanag ngayon.
Basahin din: Ano ang AMD XDNA? Ang arkitektura na nagpapagana ng AI sa mga processor ng Ryzen
Pagbabago ng geometry ng mga transistor
O sa halip, magbabago ang kanilang mga layunin. Ang unang inobasyon na magiging (o ay!) ay ipinakita ng malaking tatlong tagagawa ng semiconductor (TSMC, Intel, Samsung), ito ang mga tinatawag na GAAFET transistors. Ito ang unang malaking pagbabago sa transistor geometry mula noong 2011, nang makita ng mundo ang mga FinFET transistor ng Intel. Hindi ko nais na pag-isipan nang labis sa paksa ng mga GAAFET, dahil nangangailangan iyon ng isang hiwalay na artikulo. Dito ay tatalakayin lamang natin ang konsepto sa likod ng mga ito.
Sa miniaturization ng mga transistor, nagsimulang maranasan ng mga inhinyero ang tinatawag na short-channel effects. Sa madaling sabi, habang ang distansya sa pagitan ng drain at drain ng transistor ay naging mas maikli, ang problema ay lumaki at lumaki. Iyon ay, nagsimulang mawalan ng kontrol ang shutter sa kasalukuyang dumadaloy sa channel. Sa loob ng isang dosenang taon, ang solusyon sa problemang ito ay kung paano gawin ang channel na nakausli mula sa ibabaw ng silicon wafer bilang isang palikpik (kaya ang Fin, o palikpik, sa FinFET). Pinapayagan nito ang gate na makipag-ugnay sa channel sa tatlong panig (o dalawa kung ang gilid ay may hugis-wedge na cross-section), na nagbibigay ito ng higit na kontrol sa kasalukuyang daloy at higit na kakayahang umangkop sa pag-angkop sa mga de-koryenteng parameter ng transistors sa mga pangangailangan ng disenyo.
Gayunpaman, ang tuluy-tuloy na pagbaba sa mga transistor ay nangangahulugan na ito ay hindi na sapat. Kinakailangan na ang gate ay nagsimulang palibutan ang transistor channel, iyon ay, nabuo ang GAAFET transistors (GAA ay isang pagdadaglat para sa Gate-All-Around). Sa madaling salita, maaari mong isipin ang mga ito bilang FinFET transistors na inilagay sa isang gilid, dahil ang FinFET transistors ay kadalasang may dalawa o tatlong gilid. Ito ay tulad ng isang multilayer sandwich, kung saan ang mga channel sa anyo ng mga tubo o mga sheet, na matatagpuan sa itaas ng isa, ay pinaghihiwalay ng mga layer ng insulator at gate. Kahit na ang konseptong ito ay kilala sa loob ng maraming taon at gumagamit ng mga umiiral na kagamitan at proseso, ang pagpapatupad nito ay hindi mahalaga. Ang problema ay na sa ilang yugto ang kasunod na mga layer ng channel ay nakabitin sa hangin, na sinusuportahan lamang ng isang pansamantalang "haligi". Kasabay nito, ang kanilang mas mababang bahagi ay dapat na pantay na sakop ng isang layer ng dielectric na may kapal ng isang solong atom, at pagkatapos ay maingat na punan ang lahat ng walang laman na mga puwang na may materyal.
Ang katotohanan na ang mga GAAFET ay hindi mahalaga ay binibigyang-diin ng sitwasyon sa Samsung. Mula noong 2022, ang Korean portfolio ay may proseso sa MBCFET transistors (marketing name Samsung upang ipatupad ang mga transistor ng GAAFET). Sa pagsasanay, gayunpaman, ito ay isang tipikal na pyrrhic na tagumpay sa karera. Ang katotohanan ay ang porsyento ng mga fully functional na chips na nakuha gamit ito ay napakababa na halos walang gustong gamitin ito sa produksyon (kahit... Samsung para sa iyong Exynos). Ang alam lang natin ay ginagamit ito para makagawa ng maliliit at medyo simpleng chips para sa mga minero ng cryptocurrency. Ang pangalawang henerasyon lang ng prosesong ito, na magiging available sa 2024, na tinatawag na 3GAP (bagama't sinasabi ng ilang source na maaari itong palitan ng pangalan sa 2nm class na proseso), ang inaasahang gagamitin nang mas malawak.
Ang mga transistor ng GAAFET (tinatawag ng Intel ang pagpapatupad nito na RibbonFET) ay dapat maihatid sa mga pabrika ng Intel ngayong taon bilang bahagi ng mga proseso ng 20A at 18A ng Intel, na gagamitin sa paggawa ng mga bahagi para sa mga sistema ng Arrow Lake at Lunar Lake. Gayunpaman, iminumungkahi ng iba't ibang mga alingawngaw sa industriya na ang paunang sukat ng produksyon ay maaaring limitado.
Paano ang TSMC? Plano ng kumpanyang Taiwanese na gamitin ang mga transistor ng GAAFET sa prosesong N2 nito, na hindi inaasahang magiging ganap na handa hanggang 2025. Theoretically mamaya kaysa sa Samsung at Intel, ngunit kapag pinag-uusapan ng TSMC ang pagkakaroon ng isang tiyak na proseso, kadalasan ay nangangahulugan ito ng pagiging handa na gumawa ng isang bagay para sa Apple і Nvidia, kaya sa pagsasagawa ang pagkakaiba ay maaaring mas maliit.
Basahin din: Lahat ng tungkol sa Neuralink Telepathy chip: ano ito at kung paano ito gumagana
Pagbabago sa paraan ng pagpapagana ng mga transistor
Ang pangalawang inobasyon na naghihintay sa amin ay nauugnay sa kung paano papaganahin ang mga transistor sa microcircuits. Sa kasalukuyan, ang proseso ng paggawa ng microprocessor ay nagaganap sa mga layer mula sa ibaba pataas. Ang mga transistor ay itinayo sa ibaba, pagkatapos ay ang mga network ng koneksyon ay binuo sa itaas ng mga ito, at pagkatapos ay ang mga kable ng kuryente. Karaniwang mayroong sampu hanggang mahigit dalawampung layer, at kapag mas mataas ang layer, mas malaki ang mga elemento nito.
Sa susunod na ilang taon, ang pamantayan ay na pagkatapos gawin ang mga junction sa pagitan ng mga transistor, ang silicon na wafer ay babaligtarin, magpapanipis, at ang mga power path ay malilikha sa kabilang, makintab na bahagi ng wafer. Nangangahulugan ito na ang mga transistor ay magiging tulad ng isang patty sa isang burger, hindi ang base ng isang cake.
Madaling hulaan kung gaano ito magpapalubha sa proseso ng paggawa ng chip, ngunit ayon sa mga unang eksperimento, ang proseso ng BSPDN (Back Side Power Delivery Network) ay nagdudulot ng maraming pakinabang. Una, salamat sa diskarteng ito, ang mga transistor ay maaaring mailagay nang mas malapit sa isa't isa. Pangalawa, ang kabuuang bilang ng mga layer ay magiging mas maliit. Pangatlo, ang mga koneksyon mula sa pinakamataas na antas ng suplay ng kuryente sa transistor ay magiging mas maikli. At nangangahulugan ito ng mas kaunting pagkawala ng enerhiya at ang posibilidad na mabawasan ang boltahe ng supply. Ang mga eksaktong paraan upang ipatupad ang solusyon na ito ay maaaring mag-iba sa pagiging kumplikado at mga potensyal na benepisyo, ngunit ang lahat ng mga pangunahing manlalaro sa merkado ay nagsasabi na ang laro ay talagang sulit ang kandila.
Sa huling bahagi ng taong ito ay makikita natin ang BSPDN na kumikilos sa unang pagkakataon sa Intel Process 20A (Tinawag ng Intel ang pagpapatupad nito na PowerVia). Ang Intel ay may utang sa mabilis na pag-unlad na ito sa katotohanan na ito ay nagtatrabaho sa teknolohiyang ito sa loob ng ilang panahon, anuman ang gawain sa pagbabago ng geometry ng mga transistor at ang paggamit ng mga mas bagong makina. Nangangahulugan ito na magagawa niyang isama ito sa halos anumang proseso sa hinaharap.
Samsung ay hindi pa nagbibigay ng anumang opisyal na impormasyon kung kailan ito magsisimulang gamitin ang bersyon nito ng proseso ng feedback ng BSPDN. Walang gaanong balita, ngunit alam namin na ang Intel ay nag-eeksperimento na sa solusyon na ito. At ang mga alingawngaw ng industriya ay nagsasalita tungkol sa posibilidad ng pagpapatupad nito sa proseso ng SF2, na binalak para sa 2025, o sa susunod na isa, na binalak para sa 2027.
Naglalaan din ang TSMC ng oras sa lugar na ito, at iniulat na bagama't ang mga unang eksperimento ay nagdudulot ng magagandang resulta, nilalayon nitong ipasok ang BSPDN sa proseso ng N2P, na binalak para sa pagpapatupad lamang sa pagpasok ng 2026 at 2027.
Basahin din: Teleportasyon mula sa siyentipikong pananaw at sa hinaharap nito
Pagbabago ng plate exposure machine
Walang seryosong pag-uusap tungkol sa pagmamanupaktura ng microprocessor na kumpleto nang hindi binabanggit ang pamantayan ng Rayleigh. Sa kaso ng lithography, iyon ay, ang proseso ng paglalantad ng mga wafer ng silikon, ito ay nasa anyo ng sumusunod na formula:
CD = k1 • λ / NA.
Sa madaling salita, nangangahulugan ito na ang laki ng pinakamaliit na elemento na maaaring malikha ng liwanag sa ibabaw ng isang silicon wafer ay nakasalalay sa tatlong numero:
Ang k1 ay isang walang sukat na koepisyent sa pagsasanay na nagpapahiwatig ng kahusayan ng proseso;
Ang λ ay ang wavelength ng liwanag na nagpapailaw sa plato;
Ang NA ay ang numerical aperture ng optical system.
Sa loob ng maraming taon, ang pangunahing paraan upang mapataas ang densidad ng pag-iimpake ng mga transistor ay ang paggamit ng liwanag na may mas maikling mga wavelength. Nagsimula kami sa ilang daang nanometer na antas at nakagalaw nang medyo mabilis sa paggamit ng liwanag sa 193 nm wavelength, kung saan ang mundo ng semiconductor ay natigil nang mas matagal kaysa sa gusto nito. Pagkatapos ng mga taon ng pagsasaliksik, pagkaantala, at bilyun-bilyong dolyar na ginastos, noong 2019, ang mga makina ng UV lithography ng ASML sa wakas ay napunta sa merkado. Gumagamit sila ng ultraviolet light (EUV) na may wavelength na humigit-kumulang 13,5 nm at ginagamit na ngayon sa lahat ng advanced na chip manufacturing plants. Gayunpaman, ito na marahil ang huling pagkakataon na matagumpay na nabawasan ang λ sa formula sa itaas.
Iyon ang dahilan kung bakit kailangan mong makipaglaro sa pagpapalit ng NA. Maaari mong isipin ang NA bilang siwang ng isang lens ng camera. Tinutukoy ng walang sukat na numerong ito kung gaano karaming liwanag ang kinokolekta ng optical system. Sa kaso ng mga lithographic machine, nangangahulugan ito (ayon sa formula sa itaas) na kung gusto nating gumawa ng mas maliit at mas maliit na mga tampok, mas mataas ang NA dapat. Ang mga makinang ASML na kasalukuyang ginagamit ay may NA na 0,33. Ang susunod na hakbang ay ang mga makina na may mataas na numerical aperture ng optical system, na mayroong NA na 0,55.
Mukhang simple, ngunit walang simple sa negosyong ito. Ito ay pinakamahusay na inilarawan sa pamamagitan ng katotohanan na ang mga makina ng High-NA ay mas malaki at higit sa dalawang beses na mas mahal kaysa sa kanilang mga nauna (mga $400 milyon kumpara sa humigit-kumulang $150 milyon), habang mayroon ding mas kaunting throughput. Samakatuwid, habang alam ng lahat na ito ang kinabukasan ng pagmamanupaktura ng pinaka-advanced na mga processor, ito ay madalas na itinuturing bilang isang uri ng kinakailangang kasamaan.
Ang Intel ang pinakamabilis na gumamit ng EUV High-NA machine. Nabili na ng kumpanyang Amerikano ang unang magagamit na makina ng ganitong uri, na kasalukuyang naka-install sa isa sa mga pabrika ng kumpanya sa Oregon. Gayundin, plano ng Intel na bilhin ang karamihan sa mga makina na ginawa ngayong taon. Nabatid na plano ng mga developer na gumamit ng High-NA lithography sa isang malaking sukat sa proseso ng 14A, na inaasahang makikita ang liwanag ng araw sa 2026 o 2027 (kung ang lahat ay naaayon sa plano).
Sabay-sabay, Samsung at TSMC ay hindi nagmamadali, nagdududa sa pang-ekonomiyang kahulugan ng paggamit ng kagamitang ito hanggang sa pagpapatupad ng proseso ng 1-nm, iyon ay, hanggang sa mga 2030. Sa halip, nilalayon nilang i-squeeze ang pinakamahusay sa mga makina ng EUV na mayroon na sila sa iba't ibang mga trick at pagpapabuti ng proseso na nasa ilalim ng payong ng k1 factor.
Kawili-wili din: Paano nakikipaglaban ang Taiwan, China at US para sa teknolohikal na pangingibabaw: ang dakilang chip war
Lumipat sa 3D
Ngayon ay nagsisimula na tayong lumipat sa sona ng hindi tiyak na hinaharap, mga gawaing pananaliksik at pangkalahatang pagpapalagay, hindi mga kongkretong plano. Gayunpaman, ang komunidad ay lubos na nagkakaisa na darating ang panahon na ang mga transistor ay kailangang isalansan sa ibabaw ng bawat isa habang ang X at Y scaling ay halos umabot sa limitasyon nito. Sa kasalukuyan, ang P-type at N-type transistors ay inilalagay sa tabi ng bawat isa. Ang layunin ay i-stack ang mga N-type na transistor sa ibabaw ng P-type na mga transistor, kaya lumilikha ng "sandwich" ng mga transistor na tinatawag na CFET (complementary FETs). Dalawang pangunahing pamamaraan ng pagkamit ng gayong disenyo ang pinag-aaralan: monolitik, kung saan ang buong istraktura ay itinayo sa isang plato, at sunud-sunod, kung saan ang mga transistor ng N- at P-type ay ginawa sa magkahiwalay na mga plato na "nakadikit" nang magkasama.
Ayon sa mga eksperto, ang merkado para sa produksyon ng mga microprocessors ay papasok sa ikatlong dimensyon sa paligid ng 2032-2034. Sa kasalukuyan, alam na ang Intel at TSMC ay masinsinang nagtatrabaho sa kanilang mga pagpapatupad ng teknolohiyang ito, ngunit Samsung, ay malamang na hindi rin natutulog, dahil ang mga potensyal na benepisyo ng paggamit ng solusyon na ito ay napakalaki.
Kawili-wili din: Universe: Ang pinaka-hindi pangkaraniwang mga bagay sa kalawakan
Paglipat sa "dalawang dimensyon"
Ang isa pang problema na sinusubukang harapin ng mga pinuno ng mundo ng pagmamanupaktura ng microcircuit ay mayroong isang banal na kakulangan ng silikon. Ang elementong ito ay tapat na nagsilbi sa amin sa loob ng ilang dekada, ngunit ang limitadong dami nito ay nagsisimulang gawing imposible ang higit pang paggawa ng mas maliit at mas mabilis na mga transistor. Samakatuwid, ang pananaliksik sa tinatawag na dalawang-dimensional na materyales na maaaring palitan ang silikon sa transistor channel ay nagpapatuloy sa buong mundo. Ang mga ito ay mga materyales na ang kapal ay maaaring marami o isang atom lamang, at nagbibigay ng kadaliang mapakilos ng electric charge, na hindi magagamit para sa silicon semiconductors na may ganitong kapal.
Ang pinakasikat na two-dimensional na materyal ay graphene. Kahit na ang paggamit nito sa paggawa ng chip ay patuloy pa ring ginagalugad, dahil sa kakulangan ng natural na puwang ng enerhiya, ito ay nagdududa kung ito ay gagamitin sa isang pang-industriya na sukat para sa produksyon ng semiconductor. Gayunpaman, ang pananaliksik gamit ang mga TMD compound (Transition Metal Dichalcogenides - mga compound ng transition metals ng d block ng periodic table at chalcogens ng ika-16 na grupo ng periodic table), tulad ng Ang MoS 2 at WSe 2, na isinagawa ng Intel at TSMC, ay mukhang may pag-asa. Makikita natin ang kanilang kahihinatnan sa susunod na dekada.
Basahin din:
- Gagawin ng mga graphene microchip ang mga telepono nang mas mabilis at mas madali
- Tungkol sa mga quantum computer sa simpleng salita
Nasa unahan ang mga kawili-wiling panahon
Summing up, tandaan ko na ang mga darating na taon ay puno ng mga inobasyon at rebolusyon sa larangan ng produksyon ng semiconductor. Ang mga inobasyon na inilarawan sa itaas ay hindi kahit na naubos ang paksa, dahil wala kaming binanggit tungkol sa computer lithography, o tungkol sa pagbuo ng mga chiplet, o tungkol sa potensyal na paglipat sa base ng processor ng Glass. Hindi rin namin pinag-uusapan ang pag-unlad sa paggawa ng memorya.
Alam ng lahat na ang ganitong mga punto ng pagbabago ay perpekto para sa paghabol sa teknolohikal na lag, dahil may mataas na posibilidad na mabibigo ang mga kakumpitensya. Itinaya pa ng Intel ang buong hinaharap ng kumpanya sa kakayahang mag-alok ng susunod na pagbabago sa semiconductor nang mas mabilis kaysa sa kumpetisyon. Interesado din ang gobyerno ng US na ibalik ang produksyon ng mga makabagong chips sa North America, kaya naman nag-iinvest ito ng bilyun-bilyong dolyar sa pagpapaunlad ng Intel. Gayunpaman, ang mga subsidyo ng chip ay hindi lamang isang lugar ng interes para sa mga Amerikano. Sa Korea at Taiwan, nagbibigay din ang mga pamahalaan ng mapagbigay na kagustuhan Samsung at TSMC, dahil alam nila kung gaano kahalaga ang hinaharap na panahon at kung gaano nakadepende ang kinabukasan ng mga bansang ito sa mga bagong teknolohiya. Sa iba pang mga bagay, dahil nasa likod nila ang China, na namumuhunan din ng malaking halaga sa pananaliksik, pagpapaunlad at pagpapaunlad ng produksyon ng semiconductor, ngunit ito ay isang paksa para sa isa pang artikulo.
Basahin din: