تقنية TSMC’s N2 – IEEE Spectrum
وصفت شركة TSMC الجيل القادم من تكنولوجيا الترانزستور هذا الأسبوع في اجتماع IEEE الدولي للأجهزة الإلكترونية (IEDM) في سان فرانسيسكو. تعد تقنية N2، أو 2 نانومتر، أول غزوة لعملاق مسبك أشباه الموصلات في بنية ترانزستور جديدة، تسمى ورقة النانو أو البوابة الشاملة.
لدى سامسونج عملية لتصنيع أجهزة مماثلة، وتتوقع كل من Intel وTSMC إنتاجها في عام 2025.
بالمقارنة مع عملية TSMC الأكثر تقدمًا اليوم، N3 (3 نانومتر)، توفر التقنية الجديدة سرعة تصل إلى 15 بالمائة أو كفاءة طاقة أفضل بنسبة 30 بالمائة، مع زيادة الكثافة بنسبة 15 بالمائة.
N2 هو “ثمرة أكثر من أربع سنوات من العمل”، كما قال جيفري يب، نائب رئيس TSMC للبحث والتطوير والتكنولوجيا المتقدمة للمهندسين في IEDM. يحتوي الترانزستور الحالي، FinFET، على زعنفة رأسية من السيليكون في قلبه. تحتوي الترانزستورات النانوية أو الترانزستورات الشاملة للبوابة على مجموعة من الأشرطة الضيقة من السيليكون بدلاً من ذلك.
لا يوفر الاختلاف تحكمًا أفضل في تدفق التيار عبر الجهاز فحسب، بل يسمح أيضًا للمهندسين بإنتاج مجموعة أكبر من الأجهزة، من خلال صنع أوراق نانوية أوسع أو أضيق. لا يمكن لـ FinFETs توفير هذا التنوع إلا عن طريق مضاعفة عدد الزعانف في الجهاز، مثل جهاز به زعنفة واحدة أو اثنتين أو ثلاث زعانف. لكن أوراق النانو تمنح المصممين خيار التدرجات بينها، مثل ما يعادل 1.5 زعنفة أو أي شيء قد يناسب دائرة منطقية معينة بشكل أفضل.
تتيح تقنية TSMC، التي يطلق عليها Nanoflex، خلايا منطقية مختلفة مبنية على صفائح نانوية مختلفةالعرض على نفس الشريحة. قد تشكل الخلايا المنطقية المصنوعة من أجهزة ضيقة منطقًا عامًا على الشريحة، في حين أن الخلايا التي تحتوي على صفائح نانوية أوسع، قادرة على قيادة تيار أكثر والتبديل بشكل أسرع، ستشكل نوى وحدة المعالجة المركزية.
مرونة الورقة النانوية لها تأثير كبير بشكل خاص على SRAM، وهي الذاكرة الرئيسية الموجودة على الرقاقة للمعالج. لعدة أجيال، هذه الدائرة الرئيسية، المكونة من 6 ترانزستورات، لم تتقلص بسرعة مثل المنطق الأخرى. لكن يبدو أن N2 قد كسر هذا الخط من الركود المتصاعد، مما أدى إلى ما وصفه Yeap بأنه خلية SRAM الأكثر كثافة حتى الآن: 38 ميجابت لكل ملليمتر مربع، أو زيادة بنسبة 11 بالمائة مقارنة بالتقنية السابقة، N3. تمكنت N3 من زيادة بنسبة 6 بالمائة فقط عن سابقتها. يقول ييب: “تحصد SRAM المكسب الجوهري المتمثل في الذهاب إلى البوابة الشاملة”.
بوابة المستقبل-الترانزستورات الشاملة
وبينما قدمت شركة TSMC تفاصيل الترانزستور في العام المقبل، نظرت شركة Intel في المدة التي قد تتمكن فيها الصناعة من تقليص حجمه. إجابة إنتل: أطول مما كان يعتقد في الأصل.
قال أشيش أغراوال، خبير تكنولوجيا السيليكون في مجموعة أبحاث المكونات في شركة إنتل، للمهندسين: “إن بنية صفائح النانو هي في الواقع الحدود النهائية لهندسة الترانزستور”. حتى أجهزة FET (CFET) التكميلية المستقبلية، والتي من المحتمل أن تصل في منتصف ثلاثينيات القرن الحالي، مصنوعة من صفائح نانوية. وقال أغراوال: “لذا من المهم أن يفهم الباحثون حدودهم”.
“لم نصطدم بالحائط. إنه أمر ممكن التنفيذ، وهذا هو الدليل… نحن نصنع ترانزستورًا جيدًا حقًا.» – سانجاي ناتاراجان، إنتل
أثبتت إنتل أن الترانزستور بطول بوابة 6 نانومتر يعمل بشكل جيد.إنتل
استكشفت إنتل عامل القياس الحاسم، وهو طول البوابة، وهو المسافة التي تغطيها البوابة بين مصدر الترانزستور والصرف. تتحكم البوابة في تدفق التيار عبر الجهاز. يعد تقليص طول البوابة أمرًا بالغ الأهمية لتقليل الحد الأدنى للمسافة من جهاز إلى جهاز داخل الدوائر المنطقية القياسية، والتي تسمى الملعب المتعدد المتصل، أو CPP، لأسباب تاريخية.
وقال أغراوال: “يتم قياس CPP بشكل أساسي حسب طول البوابة، ولكن من المتوقع أن يتوقف هذا عند طول البوابة البالغ 10 نانومتر”. وكان التفكير هو أن 10 نانومترات كانت بمثابة بوابة قصيرة للغاية، ومن بين مشكلات أخرى، أن الكثير من التيار قد يتسرب عبر الجهاز عندما كان من المفترض أن يكون مطفأ.
وقال أغراوال: “لذلك فكرنا في الدفع إلى أقل من 10 نانومتر”. قامت إنتل بتعديل البنية النموذجية الشاملة للبوابة بحيث يحتوي الجهاز على ورقة نانوية واحدة فقط يتدفق من خلالها التيار عندما يكون الجهاز قيد التشغيل.
ومن خلال تخفيف تلك الورقة النانوية وتعديل المواد المحيطة بها، تمكن الفريق من إنتاج جهاز ذو أداء مقبول بطول بوابة يبلغ 6 نانومتر فقط، وسمك ورقة نانوية يبلغ 3 نانومتر فقط.
في نهاية المطاف، يتوقع الباحثون أن تصل أجهزة بوابة السيليكون الشاملة إلى حد القياس، لذلك يعمل الباحثون في شركة إنتل وأماكن أخرى على استبدال السيليكون الموجود في ورقة النانو بأشباه الموصلات ثنائية الأبعاد مثل ثاني كبريتيد الموليبدينوم. لكن نتيجة 6 نانومتر تعني أن أشباه الموصلات ثنائية الأبعاد قد لا تكون هناك حاجة إليها لفترة من الوقت.
يقول سانجاي ناتاراجان، نائب الرئيس الأول والمدير العام لأبحاث التكنولوجيا في شركة Intel Foundry: “لم نصل إلى طريق مسدود”. “إنه أمر ممكن التنفيذ، وهذا هو الدليل… إننا نصنع ترانزستورًا جيدًا حقًا” بطول قناة يبلغ 6 نانومتر.
من مقالات موقعك
مقالات ذات صلة حول الويب
