Бүгін біз болашақ транзисторлар туралы сөйлесеміз және оларды жасаудың барлық құпияларын ашамыз. Қазірдің өзінде біз чиптерді өндіру құрылымы мен әдістемесінде нарық өте ұзақ уақыт көрмеген үлкен өзгерістер кезеңіне тап болғанымыз анық болды. Әлемнің ең ұлы ақыл-ойлары жеке атомдарды өздеріне керектідей билеп, физика заңдарына қайшы келетіндей әрекеттер жасау үшін қандай формуланы қолдану керектігін ойлап, ұйқысыз түндерді өткізеді.
Бұл сондай-ақ АҚШ, Корея және Тайвань жартылай өткізгіш алпауыттары арасындағы бәсекелестіктің күшею кезеңі болады. Олар технологиялық көшбасшылар ретінде өз ұстанымдарын қалпына келтіру, алу немесе нығайту үшін алдағы парадигманың ауысуын пайдалануға тырысатындар. Бізді қандай жаңалықтар мен революциялар күтіп тұр? Бүгін түсіндіруге тырысайық.
Сондай-ақ оқыңыз: AMD XDNA дегеніміз не? Ryzen процессорларында AI-ді қуаттандыратын архитектура
Транзисторлардың геометриясын өзгерту
Дәлірек айтқанда, олардың мақсаттары өзгереді. Жартылай өткізгіштердің үш үлкен өндірушілері (TSMC, Intel, Samsung), бұл GAAFET транзисторлары деп аталады. Бұл әлем Intel компаниясының FinFET транзисторларын көрген 2011 жылдан бері транзисторлар геометриясындағы осындай бірінші үлкен өзгеріс. Мен GAAFET тақырыбына көп тоқталғым келмейді, өйткені бұл үшін бөлек мақала қажет. Мұнда біз тек олардың астарында жатқан тұжырымдаманы талқылаймыз.
Транзисторларды миниатюризациялау арқылы инженерлер қысқа арна эффектілерін сезіне бастады. Қысқасы, транзистордың ағызу мен ағызу арасындағы қашықтық қысқарған сайын, мәселе үлкен және үлкен болды. Яғни, ысырма арна арқылы өтетін токты басқаруды жоғалта бастады. Оншақты жыл бойы бұл мәселенің шешімі арнаны кремний пластинкасының бетінен фин тәрізді етіп шығару болды (демек FinFET-те фин немесе фин). Бұл қақпаның арнамен үш жағынан (немесе жиегі сына тәрізді көлденең қимасы болса, екеуі) жанасуына мүмкіндік береді, бұл оған ток ағынын көбірек бақылауға және транзисторлардың электрлік параметрлерін транзисторлардың қажеттіліктеріне бейімдеуге көбірек икемділік береді. дизайн.
Дегенмен, транзисторлардың тұрақты төмендеуі бұл енді жеткіліксіз екенін білдірді. Қақпа транзисторлық арнаны қоршай бастауы керек болды, яғни ол GAAFET транзисторларын құрады (GAA - Gate-All-Around сөзінің аббревиатурасы). Қарапайым тілмен айтқанда, сіз оларды бір жағында орналасқан FinFET транзисторлары деп санауға болады, өйткені FinFET транзисторларының жиі екі немесе үш жиегі болады. Бұл көп қабатты сэндвичке ұқсайды, онда бірінің үстіне бірі орналасқан құбырлар немесе парақтар түріндегі арналар оқшаулағыш пен қақпа қабаттарымен бөлінген. Бұл тұжырымдама көп жылдар бойы белгілі болғанымен және қолданыстағы жабдықтар мен процестерді пайдаланғанымен, оны жүзеге асыру тривиальды емес. Мәселе мынада, белгілі бір кезеңде арнаның кейінгі қабаттары ауада ілулі тұрады, тек уақытша «бағанмен» тіреледі. Бұл ретте олардың төменгі бөлігі бір атомның қалыңдығы бар диэлектрик қабатымен біркелкі жабылуы керек, содан кейін барлық бос орындарды материалмен мұқият толтырыңыз.
GAAFET-тің тривиальды емес екендігі жағдаймен ерекшеленеді Samsung. 2022 жылдан бастап корей портфолиосында MBCFET транзисторлары бар процесс бар (маркетингтік атауы). Samsung GAAFET транзисторларын енгізу үшін). Бірақ іс жүзінде бұл жарыстағы әдеттегі пирикалық жеңіс. Оның көмегімен алынған толық функционалды микросхемалардың пайызы соншалықты төмен, оны ешкім дерлік өндірісте қолданғысы келмейді (тіпті ... Samsung Exynos үшін). Біз білетініміз - ол криптовалюталық кеншілерге арналған шағын және салыстырмалы түрде қарапайым чиптерді шығару үшін қолданылады. Бұл процестің 2024 жылы қол жетімді болатын 3GAP деп аталатын екінші ұрпағы ғана (кейбір дереккөздер оны 2 нм класты процесс деп өзгертуге болатынын айтады) кеңінен қолданылады деп күтілуде.
GAAFET транзисторлары (Intel оны іске асыру RibbonFET деп атайды) осы жылы Intel зауыттарына Arrow Lake және Lunar Lake жүйелеріне арналған компоненттерді өндіру үшін пайдаланылатын Intel 20A және 18A процестерінің бөлігі ретінде жеткізілуі керек. Дегенмен, әртүрлі салалық қауесеттер бастапқы өндіріс ауқымы шектеулі болуы мүмкін екенін көрсетеді.
TSMC туралы не деуге болады? Тайваньдық компания N2 процесінде GAAFET транзисторларын қолдануды жоспарлап отыр, ол 2025 жылға дейін толық дайын болады деп күтілмейді. Теориялық тұрғыдан қарағанда кейінірек Samsung және Intel, бірақ TSMC белгілі бір процеске ие болу туралы сөйлескенде, бұл әдетте бірдеңе шығаруға дайын болуды білдіреді Apple і Nvidia, сондықтан іс жүзінде айырмашылық әлдеқайда аз болуы мүмкін.
Сондай-ақ оқыңыз: Neuralink Telepathy чипі туралы барлығы: бұл не және ол қалай жұмыс істейді
Транзисторларды қуаттандыру тәсілін өзгерту
Бізді күтіп тұрған екінші жаңалық микросұлбалардағы транзисторлар қалай қуаттандырылатынына байланысты. Қазіргі уақытта микропроцессорды жасау процесі төменнен жоғарыға қарай қабаттарда жүреді. Төменде транзисторлар, содан кейін олардың үстіне қосылу желілері, содан кейін қуат кабельдері салынады. Әдетте оннан жиырмаға дейін қабаттар бар және қабат неғұрлым жоғары болса, оның элементтері соғұрлым үлкен болады.
Келесі бірнеше жыл ішінде стандарт транзисторлар арасындағы түйіспелерді жасағаннан кейін кремний пластинасы аударылып, жұқаланып, пластинаның екінші, жылтыратылған жағында қуат жолдары жасалады. Бұл транзисторлар торттың негізі емес, бургердегі пирожный сияқты болады дегенді білдіреді.
Бұл чипті өндіру процесін қаншалықты қиындататынын болжау оңай, бірақ алғашқы эксперименттерге сәйкес, BSPDN (артқы жағындағы қуат жеткізу желісі) процесі көптеген артықшылықтар әкеледі. Біріншіден, осы тәсілдің арқасында транзисторларды бір-біріне жақынырақ орналастыруға болады. Екіншіден, қабаттардың жалпы саны аз болады. Үшіншіден, қуат көзінің ең жоғары деңгейінен транзисторға қосылулар қысқа болады. Және бұл энергияның аз шығынын және қоректендіру кернеуін төмендету мүмкіндігін білдіреді. Бұл шешімді жүзеге асырудың нақты жолдары күрделілік пен әлеуетті артықшылықтарға байланысты әртүрлі болуы мүмкін, бірақ нарықтағы барлық негізгі ойыншылар ойынның шамға тұрарлық екенін айтады.
Осы жылдың соңында Intel Pro жүйесінде BSPDN алғаш рет жұмыс істеп тұрғанын көремізcess 20A (Intel оны іске асыруды PowerVia деп атайды). Intel компаниясы транзисторлардың геометриясын өзгерту және жаңа машиналарды пайдалану бойынша жұмыстарға қарамастан, осы технологиямен біраз уақыттан бері жұмыс істеп келе жатқандығына байланысты осындай қарқынды дамуға міндетті. Бұл оның оны кез келген болашақ процеске дерлік біріктіре алатынын білдіреді.
Samsung BSPDN кері байланыс процесінің өз нұсқасын қашан пайдалана бастайтыны туралы ресми ақпарат әзірге ұсынбады. Жаңалықтар көп емес, бірақ біз Intel бұл шешіммен тәжірибе жасап жатқанын білеміз. Ал салалық қауесет оны 2 жылға жоспарланған SF2025 процесінде немесе 2027 жылға жоспарланған келесіде жүзеге асыру мүмкіндігі туралы айтады.
TSMC де осы салаға уақыт бөлуде және алғашқы эксперименттер жақсы нәтижелер әкелсе де, ол BSPDN-ді тек 2 және 2026 жылдардың тоғысында жүзеге асыру жоспарланған N2027P процесіне енгізуге ниетті екенін хабарлайды.
Сондай-ақ оқыңыз: Ғылыми тұрғыдан телепортация және оның болашағы
Пластинаның экспозициялық машиналарын ауыстыру
Микропроцессорлар өндірісі туралы ешқандай маңызды әңгіме Рэйлей критерийін ескермей аяқталмайды. Литография жағдайында, яғни кремний пластинкаларын экспозициялау процесі келесі формуланы алады:
CD = k1 • λ / NA.
Қарапайым тілмен айтқанда, бұл кремний пластинкасының бетіндегі жарық арқылы жасалуы мүмкін ең кішкентай элементтің өлшемі үш санға байланысты екенін білдіреді:
k1 - процестің тиімділігін көрсететін тәжірибедегі өлшемсіз коэффициент;
λ - пластинаны жарықтандыратын жарықтың толқын ұзындығы;
NA – оптикалық жүйенің сандық апертурасы.
Көптеген жылдар бойы транзисторлардың орау тығыздығын арттырудың негізгі жолы толқын ұзындығы барған сайын қысқаратын жарықты пайдалану болды. Біз бірнеше жүз нанометр деңгейінен бастадық және жартылай өткізгіштер әлемі ол қалағаннан әлдеқайда ұзақ уақыт бойы тұрып қалған 193 нм толқын ұзындығындағы жарықты қолдануға салыстырмалы түрде жылдам көштік. Көптеген жылдар бойы жүргізілген зерттеулерден, кешіктірулерден және миллиардтаған долларлардан кейін 2019 жылы ASML УК-литографиялық машиналары нарыққа шықты. Олар толқын ұзындығы шамамен 13,5 нм болатын ультракүлгін сәулені (EUV) пайдаланады және қазір барлық озық чип шығаратын зауыттарда қолданылады. Дегенмен, бұл жоғарыда келтірілген формулада λ сәтті қысқартылған соңғы рет болуы мүмкін.
Сондықтан сіз NA-ны өзгертумен айналысуыңыз керек. NA-ны камера линзасының апертурасы ретінде қарастыруға болады. Бұл өлшемсіз сан оптикалық жүйенің қанша жарық жинайтынын анықтайды. Литографиялық машиналар жағдайында бұл (жоғарыдағы формулаға сәйкес) егер біз кішірек және кішірек белгілерді жасағымыз келсе, NA соғұрлым жоғары болуы керек дегенді білдіреді. Қазіргі уақытта қолданылатын ASML машиналарының NA мәні 0,33. Келесі қадам - NA 0,55 болатын оптикалық жүйенің жоғары сандық апертурасы бар машиналар.
Бұл қарапайым естіледі, бірақ бұл бизнесте қарапайым ештеңе жоқ. Бұл High-NA машиналарының алдыңғыларына қарағанда әлдеқайда үлкенірек және екі есе қымбат (шамамен 400 миллион долларға қарсы шамамен 150 миллион доллар), сонымен бірге өткізу қабілеті төмен екендігімен жақсы көрінеді. Сондықтан, бұл ең озық процессорларды шығарудың болашағы екенін бәрі біледі, бірақ ол жиі қажетті зұлымдықтың бір түрі ретінде қабылданады.
Intel EUV High-NA машиналарын ең жылдам пайдаланды. Американдық компания қазірдің өзінде компанияның Орегондағы зауыттарының бірінде орнатылып жатқан осы типтегі бірінші қолжетімді машинаны сатып алды. Сондай-ақ, Intel осы жылы шығарылған машиналардың көпшілігін сатып алуды жоспарлап отыр. Әзірлеушілер 14 немесе 2026 жылы жарық көреді деп күтілетін 2027A процесінде High-NA литографиясын кең ауқымда қолдануды жоспарлап отырғаны белгілі (егер бәрі жоспарға сәйкес болса).
Бір мезгілде, Samsung және TSMC 1 нм процесін жүзеге асырғанға дейін, яғни шамамен 2030 жылға дейін бұл жабдықты пайдаланудың экономикалық мағынасына күмәнданбайды. Оның орнына, олар K1 факторының қолшатырына жататын әртүрлі трюктар мен процестерді жақсарту арқылы өздерінде бар EUV машиналарының ең жақсысын сығуға ниетті.
Сондай-ақ қызықты: Тайвань, Қытай және АҚШ технологиялық үстемдік үшін қалай күресіп жатыр: ұлы чип соғысы
3D форматына ауысу
Енді біз нақты жоспарлар емес, белгісіз болашақ, зерттеу жұмыстары мен жалпы болжамдар аймағына көшуді бастадық. Дегенмен, қауымдастық бірауыздан транзисторларды бір-бірінің үстіне қою керек болатын уақыт келеді, өйткені X және Y масштабтауы іс жүзінде өзінің шегіне жетеді. Қазіргі уақытта P типті және N типті транзисторлар бір-біріне жақын орналасқан. Мақсаты N-типті транзисторларды P-типті транзисторлардың үстіне қою, осылайша CFET (қосымша FETs) деп аталатын транзисторлардың «сэндвичтерін» жасау. Мұндай дизайнға қол жеткізудің екі негізгі әдісі зерттелуде: монолитті, онда бүкіл құрылым бір пластинаға салынған және дәйекті, онда N және P типті транзисторлар бір-біріне «желімделген» бөлек пластиналарда шығарылады.
Сарапшылардың пікірінше, микропроцессорлық өндіріс нарығы 2032-2034 жылдар шамасында үшінші өлшемге енеді. Қазіргі уақытта Intel және TSMC осы технологияны енгізу бойынша қарқынды жұмыс істеп жатқаны белгілі, бірақ Samsung, ұйықтап жатқан жоқ шығар, себебі бұл шешімді пайдаланудың ықтимал пайдасы зор.
Сондай-ақ қызықты: Ғалам: Ең ерекше ғарыш объектілері
«Екі өлшемге» көшу
Микросұлбалар өндірісі әлемінің көшбасшылары шешуге тырысатын тағы бір мәселе - кремнийдің тапшылығы. Бұл элемент бізге бірнеше ондаған жылдар бойы адал қызмет етті, бірақ оның шектеулі саны одан әрі кішірек және жылдамырақ транзисторларды өндіруге мүмкіндік бермейді. Сондықтан транзисторлық арнадағы кремнийді алмастыра алатын екі өлшемді деп аталатын материалдарды зерттеу бүкіл әлемде жалғасуда. Бұл қалыңдығы бірнеше немесе тек бір атом болуы мүмкін және электр зарядының қозғалғыштығын қамтамасыз ететін материалдар, бұл қалыңдықтағы кремний жартылай өткізгіштері үшін қол жетімді емес.
Ең танымал екі өлшемді материал - графен. Оның чип өндірісінде қолданылуы әлі де зерттеліп жатқанымен, табиғи энергетикалық алшақтықтың болмауына байланысты оның жартылай өткізгіш өндірісі үшін өнеркәсіптік ауқымда пайдаланылуы күмәнді. Дегенмен, TMD қосылыстарын (Transition Metal Dichalcogenides – периодтық жүйенің d блогының өтпелі металдарының қосылыстары және периодтық жүйенің 16-тобындағы халькогендер) қолданатын зерттеулер, мысалы. Intel және TSMC жүргізген MoS 2 және WSe 2 өте перспективалы болып көрінеді. Олардың салдарын алдағы онжылдықта көре аламыз.
Сондай-ақ оқыңыз:
- Графен микрочиптері телефондарды жылдам әрі жеңілдетеді
- Кванттық компьютерлер туралы қарапайым сөздермен
Қызықты сәттер алда
Қорытындылай келе, алдағы жылдар жартылай өткізгіш өндірісі саласындағы жаңалықтар мен революцияларға толы болатынын атап өтемін. Жоғарыда сипатталған инновациялар тіпті тақырыпты тауыспайды, өйткені біз компьютерлік литография, чиплеттердің дамуы немесе Glass процессор базасына ықтимал көшу туралы ештеңе айтқан жоқпыз. Біз сондай-ақ жады өндірісіндегі прогресс туралы айтқан жоқпыз.
Мұндай бұрылыс нүктелері технологиялық артта қалуды қуып жету үшін өте қолайлы екенін бәрі біледі, өйткені бәсекелестердің сәтсіздікке ұшырау ықтималдығы жоғары. Intel тіпті жартылай өткізгіштердің келесі инновациясын бәсекелестерге қарағанда тезірек ұсына алу үшін компанияның бүкіл болашағына қауіп төндірді. АҚШ үкіметі де Солтүстік Америкаға соңғы үлгідегі чиптер өндірісін қайтаруға өте мүдделі, сондықтан Intel компаниясының дамуына миллиардтаған доллар инвестициялайды. Дегенмен, чипті субсидиялау американдықтар үшін қызығушылық аймағы ғана емес. Корея мен Тайваньда үкіметтер де жомарт артықшылықтар береді Samsung және TSMC, өйткені олар болашақ кезеңнің қаншалықты маңызды екенін және бұл елдердің болашағы жаңа технологияларға қаншалықты тәуелді екенін біледі. Басқа нәрселермен қатар, олардың артында Қытай бар, ол сонымен бірге жартылай өткізгіш өндірісін зерттеуге, әзірлеуге және дамытуға үлкен сомаларды инвестициялайды, бірақ бұл басқа мақаланың тақырыбы.
Сондай-ақ оқыңыз: