Täna räägime tuleviku transistoridest ja paljastame kõik nende loomise saladused. Juba täna hakkab selgeks saama, et meid ootab ees tohutute muutuste periood kiibi tootmise struktuuris ja meetodis, mida turg pole väga pikka aega näinud. Maailma suurimad mõistused veedavad unetuid öid mõtiskledes, millist valemit kasutada, et panna üksikud aatomid tantsima täpselt nii, nagu neil vaja on, ja teha asju, mis näivad füüsikaseadusi trotsivat.
See on ka kõrgendatud konkurentsi periood USA, Korea ja Taiwani pooljuhtide hiiglaste vahel. Just nemad püüavad eelseisvat paradigmamuutust ära kasutada, et taastada, võita või tugevdada oma positsiooni tehnoloogilise liidrina. Millised uuendused ja revolutsioonid meid ees ootavad? Proovime täna selgitada.
Loe ka: Mis on AMD XDNA? Arhitektuur, mis toidab Ryzeni protsessoritel tehisintellekti
Transistoride geomeetria muutmine
Õigemini, nende eesmärgid muutuvad. Esimene uuendus, mida esitlevad (või esitasid!) kolm suurt pooljuhtide tootjat (TSMC, Intel, Samsung), need on niinimetatud GAAFET-transistorid. See on esimene nii suur muudatus transistoride geomeetrias pärast 2011. aastat, mil maailm nägi Inteli FinFET-transistore. Ma ei taha GAAFETide teemal liiga palju peatuda, kuna see nõuab eraldi artiklit. Siin käsitleme ainult nende taga olevat kontseptsiooni.
Transistoride miniaturiseerimisega hakkasid insenerid kogema nn lühikese kanaliga efekte. Ühesõnaga, kui äravoolu ja transistori äravoolu vaheline kaugus lühenes, läks probleem aina suuremaks ja suuremaks. See tähendab, et katik hakkas kaotama kontrolli kanalit läbiva voolu üle. Tosin aastat oli selle probleemi lahendus see, kuidas panna kanal ränivahvli pinnast uimena välja paistma (siit ka FinFETis Fin ehk fin). See võimaldab väraval kontakteeruda kanaliga kolmest küljest (või kahest küljest, kui serval on kiilukujuline ristlõige), andes sellele parema kontrolli voolu üle ja paindlikumalt kohandades transistoride elektrilisi parameetreid vastavalt kasutaja vajadustele. disain.
Transistoride pidev vähenemine tähendas aga, et sellest enam ei piisanud. Oli vaja, et värav hakkaks transistori kanalit ümbritsema, see tähendab, et see moodustas GAAFET-transistorid (GAA on Gate-All-Aroundi lühend). Lihtsamalt öeldes võib neid pidada ühele küljele paigutatud FinFET-transistoridena, kuna FinFET-transistoridel on sageli kaks või kolm serva. See on nagu mitmekihiline võileib, milles üksteise kohal paiknevad torude või lehtede kujul olevad kanalid on eraldatud isolaatori ja värava kihtidega. Kuigi see kontseptsioon on tuntud juba aastaid ja kasutab olemasolevaid seadmeid ja protsesse, ei ole selle rakendamine triviaalne. Probleem on selles, et mingil etapil ripuvad kanali järgnevad kihid õhus, mida toetab ainult ajutine "sammas". Samal ajal peaks nende alumine osa olema ühtlaselt kaetud ühe aatomi paksuse dielektrikukihiga ja seejärel täitma kõik tühjad kohad hoolikalt materjaliga.
Asjaolu, et GAAFET-id pole triviaalsed, toob esile olukord Samsung. Alates 2022. aastast on Korea portfellis protsess MBCFET-transistoridega (turundusnimi Samsung GAAFET-transistoride rakendamiseks). Praktikas on see aga tüüpiline pürrose võidusõit. Fakt on see, et selle abil saadavate täisfunktsionaalsete kiipide protsent on nii madal, et peaaegu keegi ei taha seda tootmises kasutada (isegi ... Samsung teie Exynose jaoks). Teame vaid seda, et seda kasutatakse krüptoraha kaevandajate jaoks väikeste ja suhteliselt lihtsate kiipide tootmiseks. Eeldatakse, et laialdasemalt hakatakse kasutama ainult selle protsessi teist põlvkonda, mis on saadaval 2024. aastal, nimega 3GAP (kuigi mõned allikad ütlevad, et selle võiks ümber nimetada 2nm klassi protsessiks).
GAAFET-transistorid (Intel nimetab selle teostust RibbonFET-iks) peaksid Inteli tehastesse tarnima sel aastal osana Inteli 20A ja 18A protsessidest, mida hakatakse kasutama Arrow Lake'i ja Lunar Lake'i süsteemide komponentide tootmiseks. Erinevad tööstuse kuulujutud viitavad aga sellele, et esialgne tootmismaht võib olla piiratud.
Aga TSMC? Taiwani ettevõte kavatseb oma N2 protsessis kasutada GAAFET-transistore, mis eeldatavasti saab täielikult valmis alles 2025. aastal. Teoreetiliselt hiljem kui aastal Samsung ja Intel, kuid kui TSMC räägib teatud protsessi olemasolust, tähendab see tavaliselt valmisolekut midagi toota Apple і Nvidia, nii et praktikas võib erinevus olla palju väiksem.
Loe ka: Kõik Neuralink Telepathy kiibi kohta: mis see on ja kuidas see töötab
Transistoride toiteviisi muutmine
Teine uuendus, mis meid ees ootab, on seotud sellega, kuidas mikroskeemides olevaid transistore toidetakse. Praegu toimub mikroprotsessori valmistamise protsess kihtidena alt üles. Alla ehitatakse transistorid, seejärel nende kohale ühendusvõrgud ja seejärel toitekaablid. Tavaliselt on seal kümme kuni üle kahekümne kihti ja mida kõrgem on kiht, seda suuremad on selle elemendid.
Järgmise paari aasta jooksul on standardiks see, et pärast transistoride vaheliste ristmike tegemist pööratakse räniplaat ümber, õheneb ja vooluteed luuakse vahvli teisele, poleeritud küljele. See tähendab, et transistorid on nagu burgeri kotlet, mitte tordipõhi.
Lihtne on arvata, kui palju see kiibi tootmisprotsessi keerulisemaks teeb, kuid esimeste katsete kohaselt toob BSPDN (Back Side Power Delivery Network) protsess palju eeliseid. Esiteks, tänu sellele lähenemisele saab transistore paigutada üksteisele lähemale. Teiseks on kihtide koguarv väiksem. Kolmandaks on toiteallika kõrgeima taseme ühendused transistoriga lühemad. Ja see tähendab väiksemat energiakadu ja toitepinge vähendamise võimalust. Selle lahenduse rakendamise täpsed viisid võivad keerukuse ja võimalike eeliste poolest erineda, kuid kõik suuremad turuosalised ütlevad, et mäng on kindlasti küünalt väärt.
Sel aastal näeme Intel Pro-s esimest korda BSPDN-i tööscess 20A (Intel nimetab selle rakendamist PowerViaks). Intel võlgneb selle kiire arengu asjaolule, et ta on selle tehnoloogia kallal juba mõnda aega töötanud, sõltumata transistoride geomeetria muutmise tööst ja uuemate masinate kasutamisest. See tähendab, et ta suudab selle integreerida peaaegu igasse tulevasse protsessi.
Samsung ei ole veel esitanud ametlikku teavet selle kohta, millal ta hakkab kasutama oma BSPDN-i tagasisideprotsessi versiooni. Uudiseid pole palju, kuid teame, et Intel juba katsetab selle lahendusega. Ja tööstuse kuulujutud räägivad selle rakendamise võimalusest SF2 protsessis, mis on kavandatud 2025. aastaks või järgmises, mis on kavandatud 2027. aastaks.
TSMC võtab ka selles vallas oma aja ja teatab, et kuigi esimesed katsed toovad häid tulemusi, kavatseb ta BSPDN-i juurutada N2P protsessi, mis plaanitakse kasutusele võtta alles 2026. ja 2027. aasta vahetusel.
Loe ka: Teleportatsioon teaduslikust vaatenurgast ja selle tulevik
Plaadi eksponeerimismasinate vahetus
Ükski tõsine vestlus mikroprotsessorite tootmisest ei ole täielik ilma Rayleighi kriteeriumi mainimata. Litograafia, st räniplaatide paljastamise protsessi puhul toimub see järgmise valemi kujul:
CD = k1 • λ / NA.
Lihtsamalt öeldes tähendab see, et väikseima elemendi suurus, mida räniplaadi pinnale saab valgusega luua, sõltub kolmest numbrist:
k1 on praktikas mõõtmeteta koefitsient, mis näitab protsessi efektiivsust;
λ on plaati valgustava valguse lainepikkus;
NA on optilise süsteemi numbriline ava.
Paljude aastate jooksul on transistoride pakkimistiheduse suurendamise peamine viis olnud üha lühema lainepikkusega valguse kasutamine. Alustasime paarisaja nanomeetri tasemelt ja saime suhteliselt kiiresti üle minna 193 nm lainepikkusel valguse kasutamisele, mille külge pooljuhtide maailm on jäänud palju kauemaks, kui oleks tahtnud. Pärast aastatepikkust uurimistööd, viivitusi ja miljardeid kulutatud dollareid jõudsid 2019. aastal lõpuks turule ASML-i UV-litograafiamasinad. Nad kasutavad ultraviolettvalgust (EUV) lainepikkusega umbes 13,5 nm ja nüüd kasutatakse neid kõigis arenenud kiipide tootmistehastes. See on aga ilmselt viimane kord, kui ülaltoodud valemis λ edukalt vähendati.
Sellepärast peate NA muutmisega mängima. NA-st võib mõelda kui kaamera objektiivi avast. See mõõtmeteta arv määrab, kui palju valgust optiline süsteem kogub. Litograafiamasinate puhul tähendab see (vastavalt ülaltoodud valemile), et kui tahame teha järjest väiksemaid tunnuseid, siis seda suurem peaks olema NA. Praegu kasutusel olevate ASML-masinate NA on 0,33. Järgmine samm on optilise süsteemi suure numbrilise avaga masinad, mille NA on 0,55.
See kõlab lihtsalt, kuid selles äris pole midagi lihtsat. Seda illustreerib kõige paremini tõsiasi, et High-NA masinad on palju suuremad ja rohkem kui kaks korda kallimad kui nende eelkäijad (umbes 400 miljonit dollarit versus umbes 150 miljonit dollarit), samas ka väiksema läbilaskevõimega. Seetõttu, kuigi kõik teavad, et see on kõige arenenumate protsessorite tootmise tulevik, peetakse seda sageli vajaliku kurjuse vormiks.
Intel kasutas kõige kiiremini EUV High-NA masinaid. Ameerika ettevõte on juba ostnud esimese saadaoleva seda tüüpi masina, mida praegu paigaldatakse ühte ettevõtte tehastest Oregonis. Samuti plaanib Intel osta enamiku sel aastal toodetud masinatest. Teadaolevalt plaanivad arendajad 14A protsessis suures mahus kasutada High-NA litograafiat, mis peaks ilmavalgust nägema 2026. või 2027. aastal (kui kõik läheb plaanipäraselt).
Samal ajal Samsung ja TSMC ei kiirusta, kahtledes selle seadme kasutamise majanduslikus mõttekuses kuni 1-nm protsessi rakendamiseni, see tähendab umbes 2030. aastani. Selle asemel kavatsevad nad juba olemasolevatest EUV masinatest parima välja pigistada erinevate nippide ja protsessitäiustustega, mis jäävad k1 faktori vihmavarju alla.
Huvitav ka: Kuidas Taiwan, Hiina ja USA võitlevad tehnoloogilise domineerimise pärast: suur kiibisõda
Lülitu 3D-le
Nüüd hakkame liikuma ebakindla tuleviku, uurimistöö ja üldiste eelduste, mitte konkreetsete plaanide tsooni. Kogukond on aga üsna üksmeelne, et tuleb aeg, mil transistorid tuleb üksteise peale laduda, kuna X ja Y skaleerimine saavutab praktiliselt oma piiri. Praegu on P-tüüpi ja N-tüüpi transistorid paigutatud kõrvuti. Eesmärk on virnastada N-tüüpi transistorid P-tüüpi transistoride peale, luues nii transistoridest "võileibu", mida nimetatakse CFET-deks (komplementaarsed FET-id). Sellise konstruktsiooni saavutamiseks uuritakse kahte peamist meetodit: monoliitset, mille puhul kogu konstruktsioon on ehitatud ühele plaadile, ja järjestikust, kus N- ja P-tüüpi transistorid valmistatakse eraldi plaatidel, mis on omavahel "liimitud".
Ekspertide hinnangul siseneb mikroprotsessorite tootmise turg kolmandasse dimensiooni aastatel 2032–2034. Praegu on teada, et Intel ja TSMC töötavad intensiivselt selle tehnoloogia juurutamise kallal, kuid Samsung, ilmselt ka ei maga, sest selle lahenduse kasutamise võimalikud eelised on tohutud.
Huvitav ka: Universum: kõige ebatavalisemad kosmoseobjektid
Üleminek "kahemõõtmelisele"
Teine probleem, millega mikroskeemide tootmise maailma juhid üritavad toime tulla, on räni banaalne puudus. See element on meid truult teeninud juba mitu aastakümmet, kuid selle piiratud kogus muudab väiksemate ja kiiremate transistoride edasise valmistamise võimatuks. Seetõttu uuritakse üle maailma nn kahemõõtmelisi materjale, mis võiksid asendada räni transistorikanalis. Need on materjalid, mille paksus võib olla mitu või ainult üks aatom ja mis tagavad elektrilaengu liikuvuse, mida sellise paksusega räni pooljuhtidel pole.
Kõige kuulsam kahemõõtmeline materjal on grafeen. Kuigi selle kasutamist kiibi tootmisel alles uuritakse, on loodusliku energialõhe puudumise tõttu kaheldav, kas seda kunagi tööstuslikus mastaabis pooljuhtide tootmiseks kasutatakse. TMD-ühendeid (Transition Metal Dichalcogenides – perioodilisustabeli d-ploki siirdemetallide ja perioodilisustabeli 16. rühma kalkogeenide ühendid) kasutavad aga uuringud, nt. Inteli ja TSMC läbiviidud MoS 2 ja WSe 2 näevad üsna paljulubavad. Nende tagajärgi näeme järgmisel kümnendil.
Loe ka:
Huvitavad ajad on ees
Kokkuvõtteks märgin, et järgmised aastad on pooljuhtide tootmise vallas täis uuendusi ja revolutsioone. Ülalkirjeldatud uuendused ei ammenda isegi teemat, sest me ei maininud midagi ei arvuti litograafiast, ei kiipide arengust ega ka võimalikust üleminekust Glassi protsessori baasile. Samuti ei rääkinud me edusammudest mälu tootmisel.
Kõik teavad, et sellised pöördepunktid sobivad ideaalselt tehnoloogilisele mahajäämusele järele jõudmiseks, kuna on suur tõenäosus, et konkurendid ebaõnnestuvad. Intel seadis ettevõtte kogu tuleviku panuse sellele, et ta suudab pakkuda järgmist pooljuhtide uuendust konkurentidest kiiremini. Ka USA valitsus on väga huvitatud tipptasemel kiipide tootmise Põhja-Ameerikasse tagasi toomisest, mistõttu investeerib ta Inteli arendusse miljardeid dollareid. Kiibitoetused pole aga ainult ameeriklaste huvivaldkond. Koreas ja Taiwanis pakuvad valitsused ka heldeid eelistusi Samsung ja TSMC, sest nad teavad, kui oluline on tulevane periood ja kui palju sõltub nende riikide tulevik uutest tehnoloogiatest. Muuhulgas seetõttu, et neil on seljataga Hiina, kes investeerib samuti tohutult pooljuhtide tootmise uurimisse, arendusse ja arendusse, aga see on juba teise artikli teema.
Loe ka: