© ROOT-NATION.com - Ezt a cikket az AI automatikusan lefordította. Az esetleges pontatlanságokért elnézést kérünk. Az eredeti cikk elolvasásához válassza a lehetőséget English a fenti nyelvváltóban.
Ma a jövő tranzisztorairól fogunk beszélni, és felfedjük létrehozásuk minden titkát. Már most nyilvánvaló, hogy a chipek szerkezetében és gyártási módszereiben óriási változások időszaka áll előttünk, amilyenre a piac már régen nem volt példa. A világ legragyogóbb elméi álmatlan éjszakákat töltenek azon töprengve, hogy melyik képlet segítségével tudják az egyes atomokat úgy táncolni, ahogyan nekik kell, és olyan feladatokat végezni, amelyek látszólag dacolnak a fizika törvényeivel.
Ez egyben az Egyesült Államok, Korea és Tajvan félvezető-óriásai közötti verseny kiélezett időszaka is lesz. Ők azok, akik megpróbálják kihasználni a jövőbeli paradigmaváltást, hogy visszaszerezzék, megszerezzék vagy megerősítsék technológiai vezető pozíciójukat. Pontosan milyen újítások, forradalmak várnak ránk? Ma próbáljuk meg elmagyarázni.
Olvassa el még: Mi az az AMD XDNA? Építészet, amely elindítja az AI-t Ryzen processzorok
A tranzisztor geometriájának megváltoztatása
Pontosabban a céljaik változnak. Az első újítás, amelyet a három nagy félvezetőgyártó (TSMC, Intel, Samsung) bevezet (vagy bevezetett!), az úgynevezett GAAFET tranzisztorok. Ez az első jelentős változás a tranzisztorok geometriájában 2011 óta, amikor a világ látta az Intel FinFET tranzisztorait. A GAAFET tranzisztorok témájában nem akarok túlságosan elmélyülni, mert ahhoz külön cikk kell. Itt csak a mögöttes koncepciót tárgyaljuk.
A tranzisztorok miniatürizálásával a mérnökök elkezdték tapasztalni az úgynevezett rövid csatornás effektusokat. Röviden, ahogy a tranzisztor forrása és lefolyása közötti távolság csökkent, a probléma hangsúlyosabbá vált. Vagyis a kapu kezdte elveszíteni az uralmát a csatornán átfolyó áram felett. Évtizedeken keresztül ennek a problémának a megoldása az volt, hogy a csatornát bordaként (ezért a FinFET-ben Fin) kiállják a szilícium lapka felületéből. Ez lehetővé teszi a kapu számára, hogy három oldalról érintkezzen a csatornával (vagy két oldalról, ha a borda ék alakú keresztmetszetű), így nagyobb szabályozást biztosít az áram áramlása felett, és nagyobb rugalmasságot biztosít a tranzisztorok elektromos paramétereinek a kialakításhoz való igazításában. követelményeknek.
A tranzisztor méretének folyamatos csökkentése azonban azt jelentette, hogy ez már nem volt elegendő. Szükséges volt, hogy a kapu elkezdje körülvenni a tranzisztor csatornát, és GAAFET tranzisztorokat képezzen (GAA a Gate-All-Around rövidítése). Leegyszerűsítve úgy képzelhetjük el őket, mint egymás mellett elhelyezett FinFET tranzisztorokat, mivel a FinFET tranzisztoroknak gyakran két vagy három bordája van. Olyan, mint egy többszintű szendvics, ahol a csövek vagy lapok formájában egymásra rakott csatornákat szigetelő- és kapuréteg választja el egymástól. Bár ez a koncepció már sok éve ismert, és a meglévő berendezéseket és folyamatokat használja, megvalósítása nem triviális. A probléma abban rejlik, hogy egy bizonyos szakaszban a csatorna következő rétegei a levegőben lógnak, és csak egy ideiglenes „pillér” támasztja alá. Ugyanakkor az alsó részüket egyenletesen le kell fedni egy vastagságú, egyes atomokból álló dielektromos réteggel, majd óvatosan meg kell tölteni anyaggal, hogy kitöltse az összes üreget.
A Samsung helyzete alátámasztja, hogy a GAAFET tranzisztorok nem jelentéktelenek. 2022 óta a Samsung portfóliójában az MBCFET tranzisztorokat (a Samsung marketingneve a GAAFET tranzisztorok megvalósítására) alkalmazza. A gyakorlatban azonban ez egy tipikus pirruszi győzelem a versenyen. A felhasznált teljesen működőképes chipek aránya olyan alacsony, hogy szinte senki sem akarja használni a gyártásban (még… a Samsung az Exynos-hoz sem). Csak annyit tudunk, hogy kicsi és viszonylag egyszerű mikrochipek előállítására használják kriptovaluta bányászok számára. Várhatóan csak ennek a folyamatnak a második generációját fogják szélesebb körben használni, amely 2024-ben lesz elérhető 3GAP néven (bár egyes források szerint átnevezhető 2nm-es osztályú eljárásra).
Idén várhatóan az Intel 20A és 18A folyamatainak részeként GAAFET tranzisztorokat (az Intel a megvalósítását RibbonFET-nek nevezi) szállítják az Intel gyáraiba, amelyeket az Arrow Lake és Lunar Lake rendszerek komponenseinek gyártására használnak majd. Különböző iparági pletykák azonban arra utalnak, hogy a kezdeti termelési méretek korlátozottak lehetnek.
Mit szólnál a TSMC-hez? A tajvani cég azt tervezi, hogy GAAFET tranzisztorokat használ az N2 folyamatában, ami várhatóan csak 2025-re lesz teljesen készen. Elméletileg később, mint a Samsung és az Intel, de amikor a TSMC egy bizonyos folyamat elérhetőségéről beszél, az általában azt jelenti, hogy készen áll a gyártás az Apple és az Intel számára. Nvidia, így a gyakorlatban a különbség sokkal kisebb lehet.
Olvassa el: A Windows 11 Moment 5 újdonságai
A tranzisztorok tápellátásának változása.
A második ránk váró újítás azzal kapcsolatos, hogy a tranzisztorokat miként táplálják majd mikrochipekben. Jelenleg a mikroprocesszor gyártási folyamata rétegről rétegre, alulról felfelé haladva történik. Alul tranzisztorokat építenek, majd föléjük összekötő hálózatokat, majd tápkábeleket adnak hozzá. Általában egy tucattól több mint húszig terjed a réteg, és minél magasabb a réteg, annál nagyobbak az elemei.
Az elkövetkező néhány évben az lesz a szabvány, hogy a tranzisztorok közötti kapcsolatok létrehozása után a szilícium ostyát átforgatják, vékonyítják, és az ostya másik, csiszolt oldalán alakítják ki a tápvezetékeket. Ez azt jelenti, hogy a tranzisztorok olyanok lesznek, mint egy pogácsa a hamburgerben, nem pedig egy torta alapja.
Könnyű elképzelni, hogy ez mennyire bonyolítja a mikrochipek gyártási folyamatát, de a kezdeti kísérletek szerint a Back Side Power Delivery Network (BSPDN) számos előnnyel jár. Először is, ezzel a megközelítéssel a tranzisztorok közelebb helyezhetők egymáshoz. Másodszor, a rétegek teljes száma csökken. Harmadszor, a legmagasabb szintű áramforrás és a tranzisztor közötti kapcsolatok rövidebbek lesznek. Ez kisebb energiaveszteséget és a tápfeszültség csökkentésének lehetőségét jelenti. Ennek a megoldásnak a megvalósításának pontos módjai eltérőek lehetnek a bonyolultságban és a lehetséges előnyökben, de a piac összes jelentős szereplője szerint érdemes dolgozni rajta.
Még ebben az évben láthatjuk először a BSPDN-t működés közben az Intel Process 20A-ban (az Intel a megvalósítását PowerVia-nak nevezi). Ez a gyors fejlődés annak köszönhető, hogy az Intel egy ideje dolgozik ezen a technológián, függetlenül a tranzisztorok geometriájának megváltoztatásáról és az újabb gépek használatáról. Ez azt jelenti, hogy gyakorlatilag bármilyen jövőbeli folyamatba be tudják majd építeni.
A Samsung még nem adott hivatalos tájékoztatást arról, hogy mikor kezdi el használni a BSPDN hátsó energiaellátó hálózati folyamatának verzióját. Nincs sok hír, de úgy tudjuk, hogy az Intel már kísérletezik ezzel a megoldással. Az iparági pletykák azt sugallják, hogy a 2-re tervezett SF2025-folyamatban, vagy a következő, 2027-re tervezett folyamatban kerülhet sor bevezetésre.
A TSMC ezen a területen is időt szakít, és arról számolt be, hogy bár a kezdeti kísérletek ígéretes eredményeket hoznak, a BSPDN-t be kívánja vezetni az N2P folyamatba, amelyet csak 2026 és 2027 metszéspontjára terveztek.
Olvassa el: Az #MWC2024: Vízió az elektronikai világ jövőjéről
Lemezexpozíciós gépek cseréje
Nincs komoly vita a mikroprocesszorgyártásról a Rayleigh-kritérium megemlítése nélkül. A litográfia esetében, amely a szilíciumlapkák feltárásának folyamatára vonatkozik, a következő képlet formájában jelenik meg:
CD = k1 • λ / NA
Egyszerűbben ez azt jelenti, hogy a szilícium ostya felületén a fény hatására létrejövő legkisebb elem mérete három tényezőtől függ:
k1 – a gyakorlatban dimenzió nélküli együttható, amely a folyamat hatékonyságát jelzi;
λ – az ostyát megvilágító fény hullámhossza;
NA – az optikai rendszer numerikus apertúrája.
Sok éven át a tranzisztorok tömítési sűrűségének növelésének elsődleges módszere az volt, hogy fokozatosan rövidebb hullámhosszú fényt alkalmaztak. Több száz nanométeres hullámhosszúságokkal kezdtük, és viszonylag gyorsan áttértünk a 193 nm-es hullámhosszúságú fény használatára, amelyen a félvezető litográfia a vártnál jóval tovább ragadt. Évekig tartó kutatás, késések és több milliárd dollárnyi elköltött dollár után 2019-ben végre piacra kerültek az ASML extrém ultraibolya litográfia (EUV) gépei. Körülbelül 13.5 nm hullámhosszú EUV fényt használnak, és ma már minden fejlett félvezető-gyártó üzemben alkalmazzák. Valószínűleg ez az utolsó alkalom, amikor λ-t csökkenteni lehetett a fent említett képletben.
Ezért kell játszanunk az NA megváltoztatásával. Az NA a fényképezőgép lencséjének rekesznyílásaként fogható fel. Ez a dimenzió nélküli szám határozza meg, hogy az optikai rendszer mennyi fényt gyűjt össze. A litográfiai gépek esetében ez azt jelenti (a fentebb említett képlet szerint), hogy ha egyre kisebb jellemzőket akarunk létrehozni, akkor az NA-nak magasabbnak kell lennie. A jelenleg használt ASML gépek NA értéke 0.33. A következő lépés a nagy numerikus apertúrájú optikai rendszerrel rendelkező gépek, amelyek NA 0.55.
Egyszerűen hangzik, de ebben a szakmában semmi sem egyszerű. Ezt legjobban az a tény bizonyítja, hogy a High-NA gépek jóval nagyobbak és több mint kétszer drágábbak, mint elődeik (körülbelül 400 millió dollár a hozzávetőlegesen 150 millió dollárral szemben), miközben kisebb a teljesítményük. Ezért, bár mindenki tudja, hogy ez a legfejlettebb processzorok gyártásának a jövője, ezt gyakran szükségszerű rossznak tekintik.
Az Intel a leggyorsabban alkalmazta a High-NA EUV gépek használatát. Az amerikai cég már beszerezte az első ilyen típusú gépet, amelyet jelenleg az egyik oregoni telephelyén telepítenek. Ezenkívül az Intel az idén gyártott gépek többségének megvásárlását tervezi. A fejlesztők köztudottan nagy léptékben kívánják használni a High-NA litográfiát a 14A folyamatban, amely várhatóan 2026-ban vagy 2027-ben debütál (ha minden a tervek szerint megy).
Mindeközben a Samsung és a TSMC nem kapkodnak, az 1 nm-es technológiai csomópont megvalósításáig, azaz nagyjából 2030-ig tétováznak a berendezés használatának gazdaságosságán. Ehelyett a már meglévő EUV-gépekből minden lehetséges előnyt ki akarnak kicsikarni különféle trükkökkel és a k1rea alá tartozó folyamatfejlesztésekkel.
Olvassa el: Hogyan harcol Tajvan, Kína és az USA a technológiai dominanciaért: a nagy chipháború
Áttérés 3D-re
Jelenleg a bizonytalan jövő, a kutatási munkák és az általános feltételezések, nem pedig a konkrét tervek birodalmába lépünk. A közösség azonban egységes abban a hitben, hogy eljön az idő, amikor a tranzisztorokat egymásra kell helyezni, mivel az X és Y tengelyek mentén történő skálázás a végéhez közeledik. Jelenleg P-típusú és N-típusú tranzisztorok kerülnek egymás mellé. A cél az, hogy N-típusú tranzisztorokat rakjanak a P-típusú tranzisztorok tetejére, így CFET-ként (Complementary FET) ismert tranzisztorokból „szendvicseket” hozva létre. Ennek a konstrukciónak a megvalósítására két fő módszert kutatnak: a monolit, ahol a teljes szerkezet egy lapkára épül, és a szekvenciális, ahol az N- és P-típusú tranzisztorokat külön lapkákra gyártják, amelyeket „összeragasztanak”.
Szakértők becslése szerint a mikroprocesszor-gyártás piaca 2032-2034 környékén lép be a harmadik dimenzióba. Jelenleg ismert, hogy az Intel és a TSMC aktívan dolgoznak a technológia megvalósításán, de valószínűleg a Samsung sem tétlenkedik, mivel a megoldás használatának előnyei óriásiak.
Olvassa el még: Neuralink Telepathy chip: mi ez és hogyan működik
Átmenet a "két dimenzióra"
Egy másik probléma, amellyel a chipgyártás világvezetői próbálnak foglalkozni, az az egyszerű tény, hogy hiány van a szilíciumból. Ez az elem évtizedek óta hűségesen szolgált bennünket, de korlátozott kínálata kezdi akadályozni a kisebb és gyorsabb tranzisztorok további gyártását. Ezért világszerte folyik az úgynevezett kétdimenziós anyagok kutatása, amelyek helyettesíthetik a szilíciumot a tranzisztorcsatornában. Ezeknek az anyagoknak a vastagsága mindössze néhány atom vagy akár csak egy atom, ami olyan elektromos töltési mobilitást biztosít, amely az ilyen vastagságú szilícium félvezetők számára elérhetetlen.
A grafénnek, mint kétdimenziós anyagnak számos lehetséges alkalmazása van, beleértve a félvezető alkatrészek gyártását is. A chipgyártásban való felhasználása azonban még további kutatást és fejlesztést igényel bizonyos technikai kihívások, nevezetesen a sávszélesség hiánya miatt. Ennek ellenére Átmenet Metal A dikalkogenidek (TMD-k), mint például a MoS2 és a WSe2, egyedi elektronikus tulajdonságaik miatt ígéretesebbek a félvezetőgyártásban. Az Intel és a TSMC ilyen irányú kutatása jelentős felfedezésekhez és új technológiák kifejlesztéséhez vezethet a következő évtizedben.
Olvassa el: Midjourney V6: minden a mesterséges intelligencia következő generációjáról
Érdekes idők várnak
Összefoglalva, a következő néhány év tele lesz innovációkkal és forradalmakkal a félvezetőiparban. A fent leírt újítások nem is merítik ki a témát, mert a számítógépes litográfiáról, chipfejlesztésről, a Glass processzorokra való esetleges átállásról nem ejtettünk szót. Nem beszéltünk a memóriagyártás előrehaladásáról sem.
Mindenki tudja, hogy az ilyen sarkalatos pillanatok ideálisak a technológiai felzárkózáshoz, mivel nagy a valószínűsége annak, hogy a versenytársak kudarcot vallanak. Az Intel még a vállalat jövőjét is kockára tette, hogy a következő félvezető-innovációkat gyorsabban tudja kínálni, mint versenytársai. Az Egyesült Államok kormánya is nagyon érdekelt abban, hogy a fejlett chipgyártást visszahozzák Észak-Amerikába, ezért dollármilliárdokat fektet be az Intel fejlesztéseibe. A chiptámogatások azonban nem csak az amerikaiak érdekei. Koreában és Tajvanon a kormányok bőkezű ösztönzőket is biztosítanak a Samsungnak és a TSMC-nek, tudva, hogy milyen döntő jelentőségű a jövő időszaka, és mennyire függ ezen országok jövője az új technológiáktól. Többek között azért, mert mögöttük Kína áll, amely szintén hatalmas összegeket fektet a félvezető kutatásba, fejlesztésbe és gyártásba, de ez egy másik cikk témája.
Olvassa el:
