Í dag munum við tala um smára framtíðarinnar og sýna öll leyndarmál sköpunar þeirra. Það er þegar ljóst í dag að við stöndum frammi fyrir miklum breytingum á uppbyggingu og aðferð við flísframleiðslu, sem markaðurinn hefur ekki séð í langan tíma. Mestu hugar heimsins eyða svefnlausum nætur í að velta fyrir sér hvaða formúlu eigi að nota til að láta einstök atóm dansa nákvæmlega eins og þau þurfa og gera hluti sem virðast stangast á við eðlisfræðilögmálin.
Þetta verður einnig tímabil aukinnar samkeppni milli hálfleiðararisa frá Bandaríkjunum, Kóreu og Taívan. Það eru þeir sem reyna að nýta komandi hugmyndabreytingu til að endurheimta, öðlast eða styrkja stöðu sína sem tæknileiðtogar. Hvaða nýjungar og byltingar bíða okkar? Við skulum reyna að útskýra í dag.
Lestu einnig: Hvað er AMD XDNA? Arkitektúrinn sem knýr gervigreind á Ryzen örgjörvum
Breyting á rúmfræði smára
Eða réttara sagt, markmið þeirra munu breytast. Fyrsta nýjungin sem verður (eða var!) kynnt af stóru þremur hálfleiðaraframleiðendum (TSMC, Intel, Samsung), þetta eru svokallaðir GAAFET smári. Þetta er fyrsta slíka stóra breytingin á rúmfræði smára síðan 2011, þegar heimurinn sá FinFET smára frá Intel. Ég vil ekki dvelja of mikið við efni GAAFETs, þar sem það þarf sérstaka grein. Hér verður aðeins fjallað um hugmyndina á bak við þau.
Með smækningu smára fóru verkfræðingar að upplifa svokölluð skammrásaráhrif. Í stuttu máli, eftir því sem fjarlægðin milli niðurfalls og fráfalls smára minnkaði, varð vandamálið stærra og stærra. Það er, lokarinn byrjaði að missa stjórn á straumnum sem flæðir í gegnum rásina. Í tugi ára var lausnin á þessu vandamáli hvernig á að láta rásina standa út úr yfirborði kísilskífunnar sem uggi (þar af leiðandi uggi, eða uggi, í FinFET). Þetta gerir hliðinu kleift að hafa samband við rásina á þremur hliðum (eða tveimur ef brúnin er með fleyglaga þversnið), sem gefur því meiri stjórn á straumflæði og meiri sveigjanleika við að laga rafmagnsbreytur smára að þörfum smára. hönnun.
Stöðug fækkun smára þýddi hins vegar að þetta var ekki lengur nóg. Það var nauðsynlegt að hliðið byrjaði að umlykja smárarásina, það er, það myndaði GAAFET smára (GAA er skammstöfun fyrir Gate-All-Around). Einfaldlega sagt, þú getur hugsað um þá sem FinFET smára sem eru settir á aðra hliðina, þar sem FinFET smári hafa oft tvær eða þrjár brúnir. Það er eins og marglaga samloka, þar sem rásirnar í formi röra eða blaða, staðsettar ofan á hvort öðru, eru aðskildar með lögum af einangrunarefni og hliði. Þrátt fyrir að þetta hugtak hafi verið þekkt í mörg ár og notar núverandi búnað og ferla er útfærsla þess ekki léttvæg. Vandamálið er að á einhverju stigi hanga síðari lög rásarinnar í loftinu, aðeins studd af tímabundinni "súlu". Á sama tíma ætti neðri hluti þeirra að vera jafnt þakinn lag af rafeindaefni með þykkt eins atóms og fylla síðan vandlega öll tóm rými með efni.
Sú staðreynd að GAAFET eru ekki léttvæg er undirstrikuð af ástandinu með Samsung. Síðan 2022 hefur kóreska eignasafnið ferli með MBCFET smára (markaðsheiti Samsung að innleiða GAAFET smára). Í reynd er þetta hins vegar dæmigerður pýrrasigur í keppninni. Staðreyndin er sú að hlutfall fullvirkra flísa sem fæst með því að nota það er svo lágt að næstum enginn vill nota það í framleiðslu (jafnvel... Samsung fyrir Exynos þína). Allt sem við vitum er að það er notað til að framleiða litla og tiltölulega einfalda flís fyrir námuverkamenn í dulritunargjaldmiðlum. Búist er við að aðeins önnur kynslóð þessa ferlis, sem verður fáanleg árið 2024, sem kallast 3GAP (þótt sumar heimildir segi að það gæti verið endurnefna í 2nm flokkaferli), verði notað víðar.
GAAFET smára (Intel kallar útfærslu þess RibbonFET) ætti að vera afhent Intel verksmiðjum á þessu ári sem hluti af 20A og 18A ferli Intel, sem verður notað til að framleiða íhluti fyrir Arrow Lake og Lunar Lake kerfin. Ýmsar sögusagnir í iðnaði benda hins vegar til þess að upphafsframleiðsla gæti verið takmörkuð.
Hvað með TSMC? Tævanska fyrirtækið ætlar að nota GAAFET smára í N2 ferli sínu, sem er ekki gert ráð fyrir að verði að fullu tilbúið fyrr en árið 2025. Fræðilega seinna en í Samsung og Intel, en þegar TSMC talar um að hafa ákveðið ferli þýðir það venjulega að vera tilbúinn til að framleiða eitthvað fyrir Apple і Nvidia, þannig að í reynd getur munurinn verið mun minni.
Lestu líka: Allt um Neuralink Telepathy flöguna: hvað það er og hvernig það virkar
Breyting á því hvernig transistorar eru knúnir
Önnur nýjungin sem bíður okkar tengist því hvernig smári í örrásum verður knúinn. Eins og er fer ferlið við að framleiða örgjörva fram í lögum frá botni og upp. Smári eru byggðir fyrir neðan, síðan eru tenginet byggð fyrir ofan þá og síðan rafmagnskaplar. Það eru venjulega tíu til yfir tuttugu lög, og því hærra sem lagið er, því stærri þættir þess.
Á næstu árum mun staðallinn vera sá að eftir að samskeytin milli smára hafa verið gerð verður kísilskífunni snúið við, þynnt og aflbrautirnar verða búnar til á hinni, fáguðu hliðinni á skífunni. Þetta þýðir að transistorarnir verða eins og patty í hamborgara, ekki botninn á köku.
Það er auðvelt að giska á hversu mikið það mun flækja flísaframleiðsluferlið, en samkvæmt fyrstu tilraunum hefur BSPDN (Back Side Power Delivery Network) ferlið marga kosti í för með sér. Í fyrsta lagi, þökk sé þessari nálgun, er hægt að setja smára nær hver öðrum. Í öðru lagi verður heildarfjöldi laga færri. Í þriðja lagi verða tengingar frá hæsta stigi aflgjafa til smára styttri. Og þetta þýðir minna orkutap og möguleika á að draga úr framboðsspennu. Nákvæmar leiðir til að innleiða þessa lausn geta verið mismunandi hvað varðar flókið og hugsanlegan ávinning, en allir helstu leikmenn á markaðnum segja að leikurinn sé sannarlega kertsins virði.
Síðar á þessu ári munum við sjá BSPDN í aðgerð í fyrsta skipti í Intel Process 20A (Intel kallar útfærslu þess PowerVia). Þessa hröðu þróun þakkar Intel því að það hefur unnið að þessari tækni í nokkurn tíma, óháð vinnu við að breyta rúmfræði smára og notkun nýrri véla. Þetta þýðir að hún mun geta fellt það inn í næstum hvaða framtíðarferli sem er.
Samsung hefur enn ekki gefið neinar opinberar upplýsingar um hvenær það mun byrja að nota sína útgáfu af BSPDN endurgjöfarferlinu. Það eru ekki miklar fréttir, en við vitum að Intel er nú þegar að gera tilraunir með þessa lausn. Og sögusagnir iðnaðarins tala um möguleikann á innleiðingu þess í SF2 ferlinu, fyrirhugað fyrir 2025, eða í því næsta, sem er fyrirhugað fyrir 2027.
TSMC tekur líka sinn tíma á þessu sviði og greinir frá því að þrátt fyrir að fyrstu tilraunirnar skili góðum árangri þá ætli það sér að innleiða BSPDN í N2P ferlinu, sem fyrirhugað er að innleiða aðeins um áramótin 2026 og 2027.
Lestu líka: Fjarflutningur frá vísindalegu sjónarhorni og framtíð þess
Skipt um plötuútsetningarvélar
Engu alvarlegu samtali um örgjörvaframleiðslu er lokið án þess að nefna Rayleigh viðmiðið. Þegar um er að ræða steinþrykk, það er ferlið við að afhjúpa sílikonplötur, er þetta í formi eftirfarandi formúlu:
CD = k1 • λ / NA.
Einfaldlega sagt þýðir þetta að stærð minnsta frumefnisins sem hægt er að búa til með ljósi á yfirborði sílikonskífunnar fer eftir þremur tölum:
k1 er víddarlaus stuðull í reynd sem gefur til kynna skilvirkni ferlisins;
λ er bylgjulengd ljóssins sem lýsir upp plötuna;
NA er tölulega ljósop ljóskerfisins.
Í mörg ár hefur aðalleiðin til að auka pökkunarþéttleika smára verið að nota ljós með sífellt styttri bylgjulengdum. Við byrjuðum á nokkur hundruð nanómetra stigi og gátum farið tiltölulega hratt yfir í að nota ljós á 193 nm bylgjulengd, sem hálfleiðaraheimurinn hefur verið fastur á miklu lengur en hann vildi. Eftir margra ára rannsóknir, tafir og milljarða dollara eytt, árið 2019 komu UV steinþrykkjavélar ASML loksins á markaðinn. Þeir nota útfjólublátt ljós (EUV) með bylgjulengd um 13,5 nm og eru nú notuð í öllum háþróuðum flísaframleiðslustöðvum. Hins vegar er þetta líklega í síðasta skiptið sem λ tókst að minnka í ofangreindri formúlu.
Þess vegna verður þú að leika þér að því að breyta NA. Þú getur hugsað um NA sem ljósop á myndavélarlinsu. Þessi víddarlausa tala ákvarðar hversu miklu ljósi sjónkerfið safnar. Þegar um er að ræða litógrafískar vélar þýðir þetta (samkvæmt formúlunni hér að ofan) að ef við viljum gera smærri og minni eiginleika, því hærra ætti NA að vera. ASML vélar sem eru í notkun hafa NA 0,33. Næsta skref eru vélar með hátt tölulegt ljósop ljóskerfisins sem hafa NA 0,55.
Það hljómar einfalt, en ekkert er einfalt í þessum bransa. Þetta sést best af þeirri staðreynd að High-NA vélarnar eru miklu stærri og meira en tvöfalt dýrari en forverar þeirra (um $400 milljónir á móti um $150 milljónum), en hafa jafnframt minna afköst. Þess vegna, þótt allir viti að þetta er framtíðin í framleiðslu á fullkomnustu örgjörvunum, er það oft litið á það sem form nauðsynlegs ills.
Intel var fljótast að nota EUV High-NA vélar. Bandaríska fyrirtækið hefur þegar fest kaup á fyrstu fáanlegu vélinni af þessari gerð sem nú er verið að setja upp í einni af verksmiðjum fyrirtækisins í Oregon. Einnig ætlar Intel að kaupa flestar þær vélar sem framleiddar eru á þessu ári. Vitað er að framkvæmdaraðilar hyggjast nota High-NA steinþrykk í stórum stíl í 14A ferlinu, sem væntanlega lítur dagsins ljós árið 2026 eða 2027 (ef allt gengur að óskum).
Samtímis, Samsung og TSMC eru ekkert að flýta sér, efast um hagkvæmni þess að nota þennan búnað þar til 1-nm ferlið er komið í framkvæmd, það er til um 2030. Þess í stað ætla þeir að kreista það besta út úr EUV-vélunum sem þeir hafa nú þegar með ýmsum brellum og ferlaumbótum sem falla undir regnhlífina k1 stuðulinn.
Einnig áhugavert: Hvernig Taívan, Kína og Bandaríkin berjast fyrir tæknilegum yfirburðum: flísastríðið mikla
Skiptu yfir í þrívídd
Nú er farið að færa okkur inn í óvissar framtíðar, rannsóknarvinnu og almennar forsendur, ekki áþreifanlegar áætlanir. Samt sem áður er samfélagið nokkuð einhuga um að það mun koma tími þar sem smára þarf að stafla hver ofan á annan þar sem X og Y mælikvarði nær nánast takmörkunum. Eins og er, P-gerð og N-gerð smári eru settir við hliðina á hvor öðrum. Markmiðið er að stafla N-gerð smára ofan á P-gerð smára og búa þannig til „samlokur“ af smára sem kallast CFET (viðbótar FET). Verið er að rannsaka tvær meginaðferðir til að ná slíkri hönnun: einlita, þar sem allt burðarvirkið er byggt á einni plötu, og röð, þar sem N- og P-gerð smári eru framleiddir á aðskildum plötum sem eru "límdar" saman.
Samkvæmt sérfræðingum mun örgjörvaframleiðslumarkaðurinn fara í þriðju víddina um 2032-2034. Nú er vitað að Intel og TSMC vinna hörðum höndum að útfærslum þeirra á þessari tækni, en Samsung, sefur líklega ekki heldur, vegna þess að hugsanlegur ávinningur af því að nota þessa lausn er gríðarlegur.
Einnig áhugavert: Alheimur: Óvenjulegustu geimhlutirnir
Umskipti í „tvívídd“
Annað vandamál sem leiðtogar heimsins í smárásaframleiðslu eru að reyna að takast á við er að það er banal skortur á sílikoni. Þessi þáttur hefur þjónað okkur dyggilega í nokkra áratugi, en takmarkað magn hans er farið að gera það ómögulegt að framleiða frekar smærri og hraðvirkari smára. Því standa yfir rannsóknir á svokölluðum tvívíðum efnum sem gætu komið í stað sílikons í smárarásinni um allan heim. Þetta eru efni sem þykkt getur verið nokkur eða aðeins eitt atóm, og veita hreyfanleika rafhleðslu, sem er ekki í boði fyrir kísil hálfleiðara af þessari þykkt.
Frægasta tvívíddarefnið er grafen. Þótt notkun þess í flísaframleiðslu sé enn í skoðun, vegna skorts á náttúrulegu orkubili, er vafasamt hvort það verði nokkurn tíma notað í iðnaðar mælikvarða til hálfleiðaraframleiðslu. Hins vegar eru rannsóknir sem nota TMD efnasambönd (Transition Metal Dichalcogenides - efnasambönd umbreytingarmálma í d blokk lotukerfisins og kalkefna úr 16. hópi lotukerfisins), s.s. MoS 2 og WSe 2, á vegum Intel og TSMC, líta nokkuð lofandi út. Við munum geta séð afleiðingar þeirra á næsta áratug.
Lestu líka:
Áhugaverðir tímar eru framundan
Í stuttu máli tek ég fram að næstu ár verða full af nýjungum og byltingum á sviði hálfleiðaraframleiðslu. Ofangreindar nýjungar tæma ekki einu sinni efnið, vegna þess að við minntumst ekki á neitt um tölvulitógrafíu, né um þróun kubba, né um hugsanlega umskipti yfir í Glass örgjörvagrunninn. Við töluðum heldur ekki um framfarir í framleiðslu minni.
Allir vita að slík tímamót eru tilvalin til að ná tæknilegri töf þar sem miklar líkur eru á því að keppendur mistakist. Intel lagði meira að segja alla framtíð fyrirtækisins að veði á því að geta boðið næstu nýsköpun í hálfleiðurum hraðar en samkeppnisaðilarnir. Bandarísk stjórnvöld hafa einnig mikinn áhuga á að koma framleiðslu á nýjustu flísum aftur til Norður-Ameríku og þess vegna er verið að fjárfesta milljarða dollara í þróun Intel. Hins vegar eru flögustyrkir ekki aðeins áhugasvið Bandaríkjamanna. Í Kóreu og Taívan veita stjórnvöld einnig rausnarlegar óskir Samsung og TSMC, vegna þess að þeir vita hversu mikilvægt framtíðartímabilið er og hversu mikið framtíð þessara landa er háð nýrri tækni. Meðal annars vegna þess að þeir hafa að baki sér Kína, sem fjárfestir líka gífurlega mikið í rannsóknir, þróun og þróun á hálfleiðaraframleiðslu, en þetta er þegar efni í aðra grein.
Lestu líka: