Нова дорожня карта imec індустрії чіпів
Перша у світі технологія 0,2 нм
Коли люди думають про передові чіпи, вони думають про TSMC, компанію, яка створює найсучасніші чіпи у великих масштабах. Але до TSMC у Бельгії існувала imec, дослідницький центр, де винаходять і тестують наступні два десятиліття масштабування пристроїв.
Нещодавно imec опублікувала нову дорожню карту, яка показує, як ми перейдемо від сьогоднішніх 2-нм вузлів до вражаючих 0,2 нм до 2037 року, і потенційно далі, до 2039 року. Йдеться не лише про скорочення функцій. Йдеться про переосмислення матеріалів, інструментів та інтеграції на кожному рівні стеку.
FinFET (Fin Field-Effect Transistor) — це тип непланарного тривимірного (3D) польового транзистора, який використовується в сучасних напівпровідникових мікросхемах замість традиційних плоских (планарних) транзисторів. Свою назву архітектура отримала через те, що кремнієвий канал між витоком і стоком виконаний у формі тонкого вертикального ребра («плавника»), який з трьох сторін огинається затвором.
Gate-All-Around (GAA) — це сучасна напівпровідникова архітектура транзисторів (GAAFET), у якій затвор (gate) повністю охоплює провідний канал з усіх чотирьох сторін. Вона прийшла на зміну технології FinFET, яка досягла своїх фізичних і масштабних меж на рівні 3 нанометрів.
1. Від FinFET до Gate-All-Around
Якщо подивитися на сучасні передові чіпи — будь то графічні процесори NVIDIA чи Apple Silicon — вони все ще побудовані з використанням технології FinFET.
Але FinFET наближається до своїх фізичних меж, тому галузь рухається до нових архітектур. І наступний великий стрибок відбувається з нанолистовими транзисторами.
Транзистори GAA усувають обмеження FinFET, повністю охоплюючи затвор каналу, а не лише з трьох боків. Така конструкція забезпечує чіткіший контроль над потоком струму, зменшує витік і дозволяє подальше масштабування до менших розмірів, що робить GAA природним наступним кроком у проектуванні транзисторів. TSMC планує впровадити цю технологію в чіпи AMD та Apple до кінця цього року.
2. Ще однією ключовою інновацією є Backside Power Delivery , яка переміщує підключення живлення та сигналізації на нижню частину чіпа. Звільняючи простір на верхньому шарі, цей підхід дозволяє ефективніше з'єднувати логічні схеми та підтримує дедалі складніші конструкції з високою щільністю.
3. CFET та вертикальне масштабування
Наступним важливим зрушенням у напівпровідниках будуть комплементарні польові транзистори (CFET). Навколо 1-нм вузла ми почнемо розміщувати транзистори вертикально, один над одним. Саме тоді масштабування дійсно рухається вгору, щоб зменшити займану площу.
Концепція інтуїтивно зрозуміла та обговорюється роками, але завдання полягає у вдосконаленні виробничого процесу. Йдеться вже не лише про подачу живлення, а й про маршрутизацію сигналу.
Об'єднання двох пристроїв означає, що нам потрібно отримати доступ до нижнього рівня, ефективно знижуючи як живлення, так і сигнали. Коли ми вирішимо це питання, CFET відкриють наступну еру масштабування, зменшуючи логіку до розмірів в один ангстрем.
4. Виробництво стає складнішим і дорожчим, ніж будь-коли.
Логіка масштабування стосується не лише транзисторів, а й проводів, що їх з'єднують. Завдяки вдосконаленій літографії, зокрема EUV, ці з'єднання можна стискати.
Платформи EUV ASML визначають дорожню карту масштабування, встановлюючи межі роздільної здатності кроку металу. Кожне покоління вищої числової апертури переміщує логіку до наступного вузла:
0,33 NA EUV → крок металу ~22 нм → забезпечує 2-нм вузол
0,33 NA EUV — це перше покоління сканерів екстремальної ультрафіолетової літографії (EUV), розроблених нідерландською компанією ASML. Показник 0,33 NA позначає числову апертуру (Numerical Aperture), яка визначає здатність оптичної системи збирати світло та фокусувати його на кремнієвій пластині.
Ці машини (лінійка ASML Twinscan NXE) використовують довжину хвилі світла 13,5 нм і є головною «робочою конячкою» сучасної напівпровідниковї індустрії для масового виробництва мікросхем за техпроцесами від 7-нм до 3-нм.
Ключові характеристики платформи 0,33 NA EUV:
Робочі вузли: Використовуються для комерційного випуску чипів для процесорів та пам'яті (DRAM) провідними фабриками (TSMC, Intel, Samsung, SK Hynix).
Потужність: Сучасні моделі на кшталт NXE:3800E забезпечують пропускну здатність понад 220 пластин на годину (wph).
Розмір поля експозиції: Стандартний розмір маски складає 26 × 33 мм (ізоморфне збільшення 4х).
Еволюція та порівняння з High-NA:
Зараз індустрія перебуває на етапі поступового переходу до наступного покоління систем — High-NA EUV (лінійка EXE), де апертуру підвищено до 0,55 NA
0,55 NA Висока NA EUV → крок металу ~18 нм → критично для 1 нм вузла
0,75 NA Hyper-NA EUV → крок металу менше 16 нм → основа для вузлів 0,3 нм і згодом 0,2 нм
Саме цей прогрес робить можливим подальше масштабування CMOS.
5. Матеріали поза кремнієм
Наразі двовимірні матеріали виглядають як найкращий варіант масштабування транзисторів. Наступний етап прогресу залежить від нових матеріалів для каналів, таких як дисульфід молібдену (MoS₂) та дисульфід вольфраму (WS₂). Ці атомарно тонкі сполуки забезпечують високу мобільність та продуктивність, працюючи при значно меншій потужності, ніж кремній.
Їхня висока рухливість електронів дозволяє сигналам швидше переміщатися через чіп, а їхня ефективність може зменшити споживання енергії, особливо в вимогливих додатках, таких як штучний інтелект та високопродуктивні обчислення.
6. Ще один перспективний шлях, який досліджують imec та TSMC, – це вуглецеві нанотрубки (CNT). Це, по суті, згорнуті листи графену.
Електричні властивості графену роблять
його сильним кандидатом на посткремнієвий
етап. Він пропонує вищі швидкості та
може знизити робочу напругу з ~0,7 В до
0,5 В, що значно скорочує енергоспоживання.
Великою проблемою є витік: вони добре
вмикаються, але важко повністю вимикаються.
7. Найбільш реалістичний шлях — це не заміна всіх пристроїв графеном або вуглецевими нанотрубками, а вибіркове їх використання в архітектурі CMOS 2.0 . Це багатошаровий «стек мікросхем», де кожен рівень використовує найкращий матеріал для своєї функції, будь то штучний інтелект, графіка чи логіка.
Перша у світі технологія 0,2 нм
Коментарі
Дописати коментар