Sot do të flasim për transistorët e së ardhmes dhe do të zbulojmë të gjitha sekretet e krijimit të tyre. Është tashmë e qartë sot se po përballemi me një periudhë ndryshimesh të mëdha në strukturën dhe metodën e prodhimit të çipave, të cilat tregu nuk i ka parë për një kohë të gjatë. Mendjet më të mëdha të botës kalojnë netë pa gjumë duke pyetur veten se çfarë formule të përdorin për t'i bërë atomet individuale të kërcejnë pikërisht ashtu siç duhet dhe të bëjnë gjëra që duket se sfidojnë ligjet e fizikës.
Do të jetë gjithashtu një periudhë e konkurrencës së shtuar midis gjigantëve gjysmëpërçues nga SHBA, Koreja dhe Tajvani. Ata janë ata që përpiqen të përfitojnë nga ndryshimi i ardhshëm i paradigmës për të rivendosur, fituar ose forcuar pozicionet e tyre si liderë teknologjikë. Çfarë risi dhe revolucione na presin? Le të përpiqemi të shpjegojmë sot.
Lexoni gjithashtu: Çfarë është AMD XDNA? Arkitektura që fuqizon AI në procesorët Ryzen
Ndryshimi i gjeometrisë së transistorëve
Ose më mirë, qëllimet e tyre do të ndryshojnë. Risia e parë që do të prezantohet (ose u bë!) nga tre prodhuesit e mëdhenj të gjysmëpërçuesve (TSMC, Intel, Samsung), këta janë të ashtuquajturit transistorë GAAFET. Ky është ndryshimi i parë i tillë i madh në gjeometrinë e tranzistorit që nga viti 2011, kur bota pa transistorët FinFET të Intel. Nuk dua të ndalem shumë në temën e GAAFET-ve, pasi kjo kërkon një artikull të veçantë. Këtu do të diskutojmë vetëm konceptin pas tyre.
Me miniaturizimin e transistorëve, inxhinierët filluan të përjetojnë të ashtuquajturat efekte të kanaleve të shkurtra. Me pak fjalë, ndërsa distanca midis kullimit dhe kullimit të tranzistorit u shkurtua, problemi bëhej gjithnjë e më i madh. Kjo do të thotë, grila filloi të humbasë kontrollin mbi rrymën që rrjedh nëpër kanal. Për një duzinë vjet, zgjidhja e këtij problemi ishte se si ta bënim kanalin të dilte nga sipërfaqja e vaferës së silikonit si një fije (prandaj Fin, ose fin, në FinFET). Kjo i lejon portës të kontaktojë kanalin në tre anët (ose dy nëse skaji ka një seksion kryq në formë pyke), duke i dhënë asaj kontroll më të madh mbi rrjedhën e rrymës dhe më shumë fleksibilitet në përshtatjen e parametrave elektrikë të transistorëve me nevojat e dizajni.
Sidoqoftë, rënia e vazhdueshme e transistorëve do të thoshte se kjo nuk ishte më e mjaftueshme. Ishte e nevojshme që porta të fillonte të rrethonte kanalin e transistorit, domethënë të formonte transistorë GAAFET (GAA është një shkurtim për Gate-All-Around). E thënë thjesht, ju mund t'i mendoni ato si transistorë FinFET të vendosur në njërën anë, pasi transistorët FinFET shpesh kanë dy ose tre skaj. Është si një sanduiç shumështresor, në të cilin kanalet në formë tubash ose fletësh, të vendosura njëra mbi tjetrën, ndahen nga shtresa izoluesi dhe porta. Edhe pse ky koncept është i njohur për shumë vite dhe përdor pajisjet dhe proceset ekzistuese, zbatimi i tij nuk është i parëndësishëm. Problemi është se në një fazë shtresat pasuese të kanalit varen në ajër, të mbështetura vetëm nga një "shtyllë" e përkohshme. Në të njëjtën kohë, pjesa e poshtme e tyre duhet të mbulohet në mënyrë uniforme me një shtresë dielektrike me një trashësi prej një atomi të vetëm, dhe më pas të mbushni me kujdes të gjitha hapësirat boshe me material.
Fakti që GAAFET nuk janë të parëndësishme theksohet nga situata me Samsung. Që nga viti 2022, portofoli korean ka një proces me transistorë MBCFET (emri i marketingut Samsung për të zbatuar transistorët GAAFET). Megjithatë, në praktikë, kjo është një fitore tipike pirike në garë. Fakti është se përqindja e çipave plotësisht funksionalë të marrë duke përdorur atë është aq e ulët sa pothuajse askush nuk dëshiron ta përdorë atë në prodhim (madje… Samsung për Exynos-in tuaj). Gjithçka që dimë është se përdoret për të prodhuar çipa të vegjël dhe relativisht të thjeshtë për minatorët e kriptomonedhave. Vetëm gjenerata e dytë e këtij procesi, e cila do të jetë e disponueshme në vitin 2024, e quajtur 3GAP (edhe pse disa burime thonë se mund të riemërtohet në procesin e klasës 2nm), pritet të përdoret më gjerësisht.
Transistorët GAAFET (Intel e quan zbatimin e tij RibbonFET) duhet të dorëzohen në fabrikat e Intel këtë vit si pjesë e proceseve 20A dhe 18A të Intel, të cilat do të përdoren për të prodhuar komponentë për sistemet Arrow Lake dhe Lunar Lake. Megjithatë, thashethemet e ndryshme të industrisë sugjerojnë se shkalla fillestare e prodhimit mund të jetë e kufizuar.
Po në lidhje me TSMC? Kompania tajvaneze planifikon të përdorë transistorët GAAFET në procesin e saj N2, i cili nuk pritet të jetë plotësisht gati deri në vitin 2025. Teorikisht më vonë se në Samsung dhe Intel, por kur TSMC flet për një proces të caktuar, zakonisht do të thotë të jesh gati për të prodhuar diçka për të Apple і Nvidia, kështu që në praktikë ndryshimi mund të jetë shumë më i vogël.
Lexoni gjithashtu: Gjithçka rreth çipit Neuralink Telepathy: çfarë është dhe si funksionon
Ndryshimi i mënyrës së fuqizimit të transistorëve
Risia e dytë që na pret lidhet me mënyrën se si do të fuqizohen transistorët në mikroqarqe. Aktualisht, procesi i prodhimit të një mikroprocesori zhvillohet në shtresa nga poshtë lart. Më poshtë ndërtohen tranzistorët, pastaj sipër tyre ndërtohen rrjetet e lidhjes dhe më pas kabllot e energjisë. Zakonisht ka dhjetë deri në njëzet shtresa, dhe sa më e lartë të jetë shtresa, aq më të mëdha janë elementët e saj.
Gjatë viteve të ardhshme, standardi do të jetë që pas bërjes së kryqëzimeve midis transistorëve, vafera e silikonit do të rrokulliset, hollohet dhe shtigjet e energjisë do të krijohen në anën tjetër, të lëmuar të vaferës. Kjo do të thotë që transistorët do të jenë si një petë në një burger, jo baza e një torte.
Është e lehtë të merret me mend se sa do ta ndërlikojë procesin e prodhimit të çipit, por sipas eksperimenteve të para, procesi BSPDN (Back Side Power Delivery Network) sjell shumë përparësi. Së pari, falë kësaj qasjeje, transistorët mund të vendosen më afër njëri-tjetrit. Së dyti, numri i përgjithshëm i shtresave do të jetë më i vogël. Së treti, lidhjet nga niveli më i lartë i furnizimit me energji elektrike në transistor do të jenë më të shkurtra. Dhe kjo do të thotë më pak humbje energjie dhe mundësi për të ulur tensionin e furnizimit. Mënyrat e sakta për të zbatuar këtë zgjidhje mund të ndryshojnë në kompleksitet dhe përfitime të mundshme, por të gjithë lojtarët kryesorë në treg thonë se loja ia vlen padyshim qiri.
Më vonë këtë vit do të shohim BSPDN në veprim për herë të parë në Intel Process 20A (Intel e quan zbatimin e tij PowerVia). Intel ia detyron këtë zhvillim të shpejtë faktit që ka kohë që po punon në këtë teknologji, pavarësisht nga puna për ndryshimin e gjeometrisë së transistorëve dhe përdorimin e makinave më të reja. Kjo do të thotë se ajo do të jetë në gjendje ta integrojë atë në pothuajse çdo proces të ardhshëm.
Samsung nuk ka dhënë ende ndonjë informacion zyrtar se kur do të fillojë të përdorë versionin e tij të procesit të reagimit BSPDN. Nuk ka shumë lajme, por ne e dimë që Intel tashmë po eksperimenton me këtë zgjidhje. Dhe thashethemet e industrisë flasin për mundësinë e zbatimit të tij në procesin SF2, të planifikuar për vitin 2025, ose në atë të ardhshëm, i cili është planifikuar për vitin 2027.
TSMC po merr gjithashtu kohën e tij në këtë fushë dhe raporton se megjithëse eksperimentet e para sjellin rezultate të mira, ajo synon të prezantojë BSPDN në procesin N2P, i planifikuar për zbatim vetëm në fund të 2026 dhe 2027.
Lexoni gjithashtu: Teleportimi nga pikëpamja shkencore dhe e ardhmja e tij
Ndërrimi i makinerive të ekspozimit të pllakave
Asnjë bisedë serioze rreth prodhimit të mikroprocesorëve nuk është e plotë pa përmendur kriterin Rayleigh. Në rastin e litografisë, domethënë procesit të ekspozimit të vaferave të silikonit, kjo merr formën e formulës së mëposhtme:
CD = k1 • λ / NA.
E thënë thjesht, kjo do të thotë se madhësia e elementit më të vogël që mund të krijohet nga drita në sipërfaqen e një vafere silikoni varet nga tre numra:
k1 është një koeficient pa dimension në praktikë që tregon efikasitetin e procesit;
λ është gjatësia e valës së dritës që ndriçon pllakën;
NA është hapja numerike e sistemit optik.
Për shumë vite, mënyra kryesore për të rritur densitetin e paketimit të transistorëve ka qenë përdorimi i dritës me gjatësi vale gjithnjë e më të shkurtra. Ne filluam në nivelin disa qindra nanometër dhe ishim në gjendje të lëviznim relativisht shpejt në përdorimin e dritës në gjatësi vale 193 nm, në të cilën bota gjysmëpërçuese ka qenë e mbërthyer për shumë më gjatë sesa donte. Pas vitesh kërkimesh, vonesash dhe miliarda dollarësh të shpenzuar, në vitin 2019 makineritë e litografisë UV të ASML më në fund dolën në treg. Ata përdorin dritën ultravjollcë (EUV) me një gjatësi vale prej rreth 13,5 nm dhe tani përdoren në të gjitha fabrikat e avancuara të prodhimit të çipave. Megjithatë, kjo është ndoshta hera e fundit që λ u reduktua me sukses në formulën e mësipërme.
Kjo është arsyeja pse ju do të duhet të luani me ndryshimin e NA. Ju mund të mendoni për NA si hapjen e një lente kamerash. Ky numër pa dimension përcakton se sa dritë mbledh sistemi optik. Në rastin e makinave litografike, kjo do të thotë (sipas formulës së mësipërme) që nëse duam të bëjmë veçori gjithnjë e më të vogla, aq më i lartë duhet të jetë NA. Makinat ASML aktualisht në përdorim kanë një NA prej 0,33. Hapi tjetër janë makinat me një hapje të lartë numerike të sistemit optik, të cilat kanë një NA prej 0,55.
Duket e thjeshtë, por asgjë nuk është e thjeshtë në këtë biznes. Kjo ilustrohet më së miri nga fakti se makinat High-NA janë shumë më të mëdha dhe më shumë se dy herë më të shtrenjta se paraardhësit e tyre (rreth 400 milionë dollarë kundrejt rreth 150 milionë dollarëve), ndërkohë që kanë edhe më pak xhiro. Prandaj, ndërsa të gjithë e dinë se kjo është e ardhmja e prodhimit të procesorëve më të avancuar, ajo shpesh perceptohet si një formë e së keqes së nevojshme.
Intel ishte më i shpejti për të përdorur makinat EUV High-NA. Kompania amerikane ka blerë tashmë makinën e parë të disponueshme të këtij lloji, e cila aktualisht është duke u instaluar në një nga fabrikat e kompanisë në Oregon. Gjithashtu, Intel planifikon të blejë shumicën e makinerive të prodhuara këtë vit. Dihet se zhvilluesit planifikojnë të përdorin litografinë High-NA në një shkallë të gjerë në procesin 14A, i cili pritet të shohë dritën e ditës në 2026 ose 2027 (nëse gjithçka shkon sipas planit).
Njëkohësisht, Samsung dhe TSMC nuk po nguten, duke dyshuar në sensin ekonomik të përdorimit të kësaj pajisjeje deri në zbatimin e procesit 1-nm, pra deri në vitin 2030. Në vend të kësaj, ata synojnë të shtrydhin më të mirën nga makineritë EUV që tashmë i kanë me truke të ndryshme dhe përmirësime të procesit që bien nën ombrellën e faktorit k1.
Gjithashtu interesante: Si Tajvani, Kina dhe SHBA po luftojnë për dominimin teknologjik: lufta e madhe e çipave
Kalo në 3D
Tani kemi filluar të kalojmë në zonën e një të ardhmeje të pasigurt, punë kërkimore dhe supozime të përgjithshme, jo plane konkrete. Sidoqoftë, komuniteti është shumë unanim se do të vijë një kohë kur transistorët do të duhet të vendosen mbi njëri-tjetrin pasi shkallëzimi X dhe Y praktikisht arrin kufirin e tij. Aktualisht, transistorët e tipit P dhe të tipit N janë vendosur pranë njëri-tjetrit. Qëllimi është të grumbullohen transistorët e tipit N në krye të transistorëve të tipit P, duke krijuar kështu "sanduiçe" tranzistorë të quajtur CFET (FETs plotësuese). Dy metoda kryesore për të arritur një dizajn të tillë janë duke u studiuar: monolit, në të cilin e gjithë struktura është ndërtuar në një pllakë dhe sekuenciale, në të cilën transistorët e tipit N dhe P prodhohen në pllaka të veçanta që janë "ngjitur" së bashku.
Sipas ekspertëve, tregu i prodhimit të mikroprocesorëve do të hyjë në dimensionin e tretë rreth viteve 2032-2034. Aktualisht dihet se Intel dhe TSMC po punojnë intensivisht në implementimin e kësaj teknologjie nga ana e tyre, por Samsung, ndoshta nuk po fle as, sepse përfitimet e mundshme të përdorimit të kësaj zgjidhjeje janë të mëdha.
Gjithashtu interesante: Universi: Objektet hapësinore më të pazakonta
Kalimi në "dy dimensione"
Një problem tjetër që drejtuesit e botës së prodhimit të mikroqarqeve po përpiqen të përballojnë është se ka një mungesë banale të silikonit. Ky element na ka shërbyer me besnikëri për disa dekada, por sasia e kufizuar e tij ka filluar ta bëjë të pamundur prodhimin e mëtejshëm të tranzistorëve më të vegjël dhe më të shpejtë. Prandaj, kërkimet në të ashtuquajturat materiale dydimensionale që mund të zëvendësojnë silikonin në kanalin e tranzistorit janë duke vazhduar në të gjithë botën. Këto janë materiale, trashësia e të cilave mund të jetë disa ose vetëm një atom, dhe sigurojnë lëvizshmëri të ngarkesës elektrike, e cila nuk është e disponueshme për gjysmëpërçuesit e silikonit të kësaj trashësie.
Materiali më i famshëm dydimensional është grafeni. Megjithëse përdorimi i tij në prodhimin e çipave është ende duke u eksploruar, për shkak të mungesës së një boshllëku natyror të energjisë, është e dyshimtë nëse do të përdoret ndonjëherë në një shkallë industriale për prodhimin e gjysmëpërçuesve. Megjithatë, hulumtimi duke përdorur komponimet TMD (Transition Metal Dichalcogenides - përbërje të metaleve kalimtare të bllokut d të tabelës periodike dhe kalkogjeneve të grupit të 16-të të tabelës periodike), si p.sh. MoS 2 dhe WSe 2, të kryera nga Intel dhe TSMC, duken mjaft premtuese. Ne do të jemi në gjendje të shohim pasojat e tyre në dekadën e ardhshme.
Lexoni gjithashtu:
- Mikroçipet e grafenit do t'i bëjnë telefonat më të shpejtë dhe më të lehtë
- Rreth kompjuterëve kuantikë me fjalë të thjeshta
Kohë interesante janë përpara
Duke përmbledhur, vërej se vitet e ardhshme do të jenë plot risi dhe revolucione në fushën e prodhimit të gjysmëpërçuesve. Risitë e përshkruara më sipër as nuk e shterojnë temën, sepse nuk përmendëm asgjë për litografinë kompjuterike, as për zhvillimin e çipave, as për kalimin e mundshëm në bazën e procesorit Glass. Ne gjithashtu nuk folëm për përparim në prodhimin e kujtesës.
Të gjithë e dinë se pika të tilla kthese janë ideale për të kapur vonesën teknologjike, pasi ekziston një probabilitet i lartë që konkurrentët të dështojnë. Intel madje vendosi të gjithë të ardhmen e kompanisë për të qenë në gjendje të ofrojë inovacionin e ardhshëm gjysmëpërçues më shpejt se konkurrenca. Qeveria amerikane është gjithashtu shumë e interesuar për të rikthyer prodhimin e çipave më të avancuar në Amerikën e Veriut, prandaj po investon miliarda dollarë në zhvillimin e Intel. Sidoqoftë, subvencionet e çipave nuk janë vetëm një zonë me interes për amerikanët. Në Kore dhe Tajvan, qeveritë ofrojnë gjithashtu preferenca bujare Samsung dhe TSMC, sepse ata e dinë se sa e rëndësishme është periudha e ardhshme dhe sa varet e ardhmja e këtyre vendeve nga teknologjitë e reja. Ndër të tjera, sepse kanë pas vetes Kinën, e cila gjithashtu investon shuma të mëdha në kërkimin, zhvillimin dhe zhvillimin e prodhimit të gjysmëpërçuesve, por kjo tashmë është temë për një artikull tjetër.
Lexoni gjithashtu: