Данас ћемо причати о транзисторима будућности и открити све тајне њиховог стварања. Већ данас постаје јасно да се суочавамо са периодом огромних промена у структури и начину производње чипова, какве тржиште дуго није видело. Највећи светски умови проводе бесане ноћи питајући се коју формулу да користе да натерају појединачне атоме да плешу тачно онако како им је потребно и да раде ствари које изгледају као да пркосе законима физике.
То ће такође бити период појачане конкуренције између гиганата полупроводника из САД, Кореје и Тајвана. Они су ти који покушавају да искористе надолазећу промену парадигме како би обновили, стекли или ојачали своје позиције технолошких лидера. Какве нас иновације и револуције очекују? Хајде да покушамо да објаснимо данас.
Такође прочитајте: Шта је АМД КСДНА? Архитектура која покреће АИ на Ризен процесорима
Промена геометрије транзистора
Тачније, њихови циљеви ће се променити. Прва иновација коју ће (или је!) представити велика три произвођача полупроводника (ТСМЦ, Интел, Samsung), то су такозвани ГААФЕТ транзистори. Ово је прва таква велика промена у геометрији транзистора од 2011. године, када је свет видео Интелове ФинФЕТ транзисторе. Не желим превише да се задржавам на теми ГААФЕТ-а, јер то захтева посебан чланак. Овде ћемо разговарати само о концепту који стоји иза њих.
Са минијатуризацијом транзистора, инжењери су почели да доживљавају такозване ефекте кратког канала. Укратко, како је растојање између одвода и одвода транзистора постајало све мање, проблем је постајао све већи и већи. То јест, затварач је почео да губи контролу над струјом која тече кроз канал. Десетак година, решење за овај проблем било је како учинити да канал вири из површине силицијумске плочице као перо (отуда перо, или перо, у ФинФЕТ-у). Ово омогућава капији да контактира канал са три стране (или две ако ивица има попречни пресек у облику клина), дајући јој већу контролу над протоком струје и већу флексибилност у прилагођавању електричних параметара транзистора потребама дизајн.
Међутим, стално смањење транзистора значило је да то више није довољно. Било је неопходно да капија почне да окружује транзисторски канал, односно да формира ГААФЕТ транзисторе (ГАА је скраћеница за Гате-Алл-Ароунд). Једноставно речено, о њима можете размишљати као о ФинФЕТ транзисторима постављеним на једној страни, пошто ФинФЕТ транзистори често имају две или три ивице. То је као вишеслојни сендвич, у којем су канали у облику цеви или листова, који се налазе један изнад другог, одвојени слојевима изолатора и капије. Иако је овај концепт познат већ дуги низ година и користи постојећу опрему и процесе, његова имплементација није тривијална. Проблем је у томе што у некој фази наредни слојеви канала висе у ваздуху, подржани само привременим "стубом". Истовремено, њихов доњи део треба равномерно прекрити слојем диелектрика дебљине једног атома, а затим пажљиво попунити све празне просторе материјалом.
Чињеница да ГААФЕТ-ови нису тривијални је наглашена ситуацијом са Samsung. Од 2022. године, корејски портфолио има процес са МБЦФЕТ транзисторима (маркетиншки назив Samsung за имплементацију ГААФЕТ транзистора). У пракси, међутим, ово је типична пирова победа у трци. Чињеница је да је проценат потпуно функционалних чипова добијених помоћу њега толико низак да скоро нико не жели да га користи у производњи (чак и... Samsung за ваш Екинос). Све што знамо је да се користи за производњу малих и релативно једноставних чипова за рударе криптовалута. Очекује се да ће тек друга генерација овог процеса, која ће бити доступна 2024. године, названа 3ГАП (иако неки извори кажу да би се могао преименовати у процес класе 2нм), бити у широј употреби.
ГААФЕТ транзистори (Интел своју имплементацију назива РиббонФЕТ) требало би да буду испоручени Интеловим фабрикама ове године као део Интелових 20А и 18А процеса, који ће се користити за производњу компоненти за системе Арров Лаке и Лунар Лаке. Међутим, разне индустријске гласине сугеришу да би почетни обим производње могао бити ограничен.
Шта је са ТСМЦ-ом? Тајванска компанија планира да користи ГААФЕТ транзисторе у свом Н2 процесу, за који се не очекује да ће бити потпуно спреман до 2025. године. Теоретски касније него у Samsung и Интел, али када ТСМЦ говори о томе да има одређени процес, то обично значи да сте спремни да произведете нешто за шта Apple і Nvidia, па у пракси разлика може бити много мања.
Прочитајте такође: Све о Неуралинк Телепатхи чипу: шта је то и како функционише
Промена начина на који се транзистори напајају
Друга иновација која нас очекује везана је за то како ће се напајати транзистори у микроколима. Тренутно се процес производње микропроцесора одвија у слојевима одоздо према горе. Транзистори се граде испод, затим се изнад њих граде прикључне мреже, а затим каблови за напајање. Обично има десет до преко двадесет слојева, а што је слој виши, то су његови елементи већи.
Током наредних неколико година, стандард ће бити да ће након прављења спојева између транзистора, силицијумска плочица бити преокренута, истањена, а путеви напајања ће се створити на другој, углачаној страни плочице. То значи да ће транзистори бити као пљескавица у пљескавици, а не основа торте.
Лако је претпоставити колико ће ово закомпликовати процес производње чипова, али према првим експериментима, БСПДН (Бацк Сиде Повер Деливери Нетворк) процес доноси многе предности. Прво, захваљујући овом приступу, транзистори се могу поставити ближе један другом. Друго, укупан број слојева ће бити мањи. Треће, везе од највишег нивоа напајања до транзистора ће бити краће. А то значи мањи губитак енергије и могућност смањења напона напајања. Тачни начини имплементације овог решења могу се разликовати по сложености и потенцијалним предностима, али сви главни играчи на тржишту кажу да је игра дефинитивно вредна свеће.
Касније ове године видећемо БСПДН у акцији по први пут у Интел Про-уcesс 20А (Интел своју имплементацију назива ПоверВиа). Интел овај брзи развој дугује чињеници да већ неко време ради на овој технологији, без обзира на рад на промени геометрије транзистора и коришћењу новијих машина. То значи да ће моћи да га интегрише у скоро сваки будући процес.
Samsung тек треба да пружи никакве званичне информације о томе када ће почети да користи своју верзију БСПДН процеса повратних информација. Нема много новости, али знамо да Интел већ експериментише са овим решењем. А индустријске гласине говоре о могућности његове имплементације у процесу СФ2, планираном за 2025. годину, или у наредном, који је планиран за 2027. годину.
ТСМЦ такође одваја време у овој области и извештава да иако први експерименти доносе добре резултате, намерава да уведе БСПДН у Н2П процес, који је планиран за имплементацију тек на прелазу из 2026. у 2027. годину.
Прочитајте такође: Телепортација са научне тачке гледишта и њена будућност
Промена машина за излагање плоча
Ниједан озбиљан разговор о производњи микропроцесора није потпун без помињања Рејлијевог критеријума. У случају литографије, односно процеса излагања силицијумских плочица, ово има облик следеће формуле:
ЦД = к1 • λ / НА.
Једноставно речено, то значи да величина најмањег елемента који се може створити светлошћу на површини силицијумске плочице зависи од три броја:
к1 је бездимензионални коефицијент у пракси који указује на ефикасност процеса;
λ је таласна дужина светлости која осветљава плочу;
НА је нумерички отвор оптичког система.
Дуги низ година, главни начин повећања густине паковања транзистора био је коришћење светлости са све краћим таласним дужинама. Почели смо на нивоу од неколико стотина нанометара и могли смо релативно брзо да пређемо на коришћење светлости на таласној дужини од 193 нм, на којој је свет полупроводника остао заглављен много дуже него што је желео. Након година истраживања, кашњења и потрошених милијарди долара, АСМЛ-ове УВ литографске машине су 2019. коначно изашле на тржиште. Они користе ултраљубичасто светло (ЕУВ) са таласном дужином од око 13,5 нм и сада се користе у свим напредним постројењима за производњу чипова. Међутим, ово је вероватно последњи пут да је λ успешно смањен у горњој формули.
Зато ћете морати да се поиграте са променом НА. Можете замислити НА као отвор бленде сочива камере. Овај бездимензионални број одређује колико светлости сакупља оптички систем. У случају литографских машина, то значи (према горњој формули) да ако желимо да правимо све мање и мање карактеристике, НА треба да буде већи. АСМЛ машине које се тренутно користе имају НА од 0,33. Следећи корак су машине са високим нумеричким отвором оптичког система, које имају НА од 0,55.
Звучи једноставно, али ништа није једноставно у овом послу. Ово најбоље илуструје чињеница да су Хигх-НА машине много веће и више него двоструко скупље од својих претходника (око 400 милиона долара наспрам око 150 милиона долара), а истовремено имају и мањи проток. Стога, иако сви знају да је то будућност производње најнапреднијих процесора, то се често доживљава као облик нужног зла.
Интел је најбрже користио ЕУВ Хигх-НА машине. Америчка компанија је већ купила прву доступну машину овог типа, која се тренутно уграђује у једном од погона компаније у Орегону. Такође, Интел планира да купи већину машина произведених ове године. Познато је да програмери планирају да у великој мери користе Хигх-НА литографију у процесу 14А, за који се очекује да ће угледати светлост дана 2026. или 2027. године (ако све буде ишло по плану).
Истовремено, Samsung и ТСМЦ не журе, сумњајући у економски смисао коришћења ове опреме до имплементације 1-нм процеса, односно до отприлике 2030. године. Уместо тога, они намеравају да извуку најбоље из ЕУВ машина које већ имају разним триковима и побољшањима процеса који потпадају под окриље фактора к1.
Такође занимљиво: Како се Тајван, Кина и САД боре за технолошку доминацију: велики рат чипова
Пребаците се на 3Д
Сада крећемо у зону неизвесне будућности, истраживачког рада и општих претпоставки, а не конкретних планова. Међутим, заједница је прилично једногласна да ће доћи време када ће транзистори морати да буду наслагани један на други док Кс и И скалирање практично достиже своју границу. Тренутно су транзистори П-типа и Н-типа постављени један поред другог. Циљ је да се транзистори Н-типа слажу на транзисторе П-типа, чиме се стварају „сендвичи“ транзистора који се називају ЦФЕТ-ови (комплементарни ФЕТ-ови). Проучавају се две главне методе постизања таквог дизајна: монолитна, у којој је цела конструкција изграђена на једној плочи, и секвенцијална, у којој се транзистори Н- и П-типа производе на одвојеним плочама које су „залепљене” заједно.
Према мишљењу стручњака, тржиште производње микропроцесора ће ући у трећу димензију око 2032-2034. Тренутно је познато да Интел и ТСМЦ интензивно раде на имплементацији ове технологије, али Samsung, вероватно ни не спава, јер су потенцијалне користи од коришћења овог решења огромне.
Такође занимљиво: Универзум: Најнеобичнији свемирски објекти
Прелазак на "две димензије"
Још један проблем са којим лидери у производњи микрокола покушавају да се изборе је банална несташица силицијума. Овај елемент нам је верно служио неколико деценија, али његова ограничена количина почиње да онемогућава даљу производњу мањих и бржих транзистора. Због тога су широм света у току истраживања такозваних дводимензионалних материјала који би могли да замене силицијум у транзисторском каналу. То су материјали чија дебљина може бити неколико или само један атом, а обезбеђују покретљивост електричног набоја, што није доступно за силицијумске полупроводнике ове дебљине.
Најпознатији дводимензионални материјал је графен. Иако се његова употреба у производњи чипова још увек истражује, због недостатка природног енергетског јаза, сумњиво је да ли ће икада бити употребљен у индустријском обиму за производњу полупроводника. Међутим, истраживања коришћењем једињења ТМД (Транзициони метални дихалкогениди – једињења прелазних метала д блока периодног система и халкогена 16. групе периодног система), као нпр. МоС 2 и ВСе 2, које спроводе Интел и ТСМЦ, изгледају прилично обећавајуће. Њихове последице ћемо моћи да видимо у наредној деценији.
Прочитајте такође:
Предстоје занимљива времена
Сумирајући, напомињем да ће наредне године бити пуне иновација и револуција у области производње полупроводника. Горе описане иновације чак не исцрпљују тему, јер нисмо помињали ништа ни о компјутерској литографији, ни о развоју чиплета, ни о потенцијалном преласку на Гласс процесорску базу. Такође нисмо разговарали о напретку у производњи меморије.
Сви знају да су такве прекретнице идеалне за сустизање технолошког заостајања, јер постоји велика вероватноћа да ће конкуренти пропасти. Интел је чак ставио целу будућност компаније на то да буде у могућности да понуди следећу иновацију у области полупроводника брже од конкуренције. Влада САД је такође веома заинтересована да производњу најсавременијих чипова врати у Северну Америку, због чега улаже милијарде долара у Интелов развој. Међутим, субвенције за чип нису само област од интереса за Американце. У Кореји и Тајвану, владе такође дају великодушне повластице Samsung и ТСМЦ, јер знају колико је будући период важан и колико будућност ових земаља зависи од нових технологија. Између осталог и зато што иза себе имају Кину која такође улаже огромне количине у истраживање, развој и развој производње полупроводника, али то је већ тема за други чланак.
Прочитајте такође: