لیتوگرافی چیپست ها چگونه کاهش می یابد؟

به گزارش وبلاگ تکنولوپ، در دنیای چیپست همیشه اعداد عظیمتر ترجیح داده می شوند و طراحان و مهندسان به دنبال هسته های بیشتر، گیگاهرتز بالاتر و فلاپس های عظیم هستند. در این میان تنها یک مقیاس است که همه در آن به دنبال اعداد کوچکتر هستند و آن چیزی جر لیتوگرافی نیست. سال های سال متخصصان شب و روز تلاش کرده اند تا این مقیاس را تنها چند نانومتر کوچکتر کنند.

لیتوگرافی چیپست ها چگونه کاهش می یابد؟

در صنعت چیپ سازی یکی از مهمترین معیارهای مربوط به نود پردازشی، سایز مشخصه یا feature size است که تا مدتی پیش تنها برای اشاره به فاصله بین دو بخش از ترانزیستور به کار می رفت اما این روزها شرکت ها از آن برای بیان جنبه های مختلف استفاده می کنند. با این وجود هنوز هم فاصله بین ترانزیستورها بالاترین اهمیت را دارد چرا که میلیاردها واحد از آنها تمام پردازش ها و محاسبات سنگین درون پردازنده را بر عهده دارند.

بنابراین برای یک شرکت خاص هر چه سایز مشخصه نود پردازشی کوچکتر باشد، کارایی پردازنده بالاتر می رود اما این کار به این راحتی هم صورت نمی گیرد. در تصویر زیر 3 نسل از پردازنده های اینتل را می بینیم که از چپ به ترتیب شامل سلرون 2006، پنتیوم M 2004 و یک پنتیوم کهنسال 1995 می گردد. نود پردازشی این مدل ها 65، 90 و 350 نانومتری است، به عبارت دیگر قطعات حیاتی در مدل 25 سال قبل از نسخه 14 سال پیش 5 برابر بزرگتر هستند. دیگر تفاوت اساسی این است که چیپ های جدیدتر 290 میلیون ترانزیستور دارند اما این میزان برای پنتیوم قدیمی از 3 میلیون واحد فراتر نمی رود.

نکته دیگر اینکه سلرون 30 وات حرارت تولید می کند که از حرارت تولیدی پینتوم 18 وات بیشتر است. هرچند اختلافی 18 واتی در اتلاف انرژی وجود دارد اما از قلم نیاندازید که سلرون 100 برابر مدل دیگر ترانزیستور در خود جای داده است.

همانطور که دیدید برخوردار بودن از نود پردازشی کوچکتر به تولید چیپ های کم حجم تر، صرفه جویی در مصرف انرژی، جای دادن ترانزیستورهای بیشتر و در نهایت دستیابی به سرعت بالاتر در اجرای محاسبات منجر می گردد. اما با وجود این مزایا چرا شرکت ها از کوچکترین لیتوگرافی ممکن استفاده نمی کنند؟ جواب این سوال در بخش بعد می بینیم.

امواج الکترومغناطیسی

اینجا باید نگاهی به مبحث فوتولیتوگرافی داشته باشیم. در این روش نور از میان چیزی به اسم فوتوماسک عبور داده می گردد که در برخی نواحی آنرا بلوکه کرده و در بخش های دیگر به آن اجازه عبور می دهد. نور حین عبور به صورتی سنگین روی نقطه ای کوچک متمرکز شده و سپس با لایه ای خاص و مورد استفاده در ساخت چیپ واکنش می دهد. این واکنش به مشخص نقاط قرار دریافت قطعات مختلف چیپست کمک می کند.

برای درک بهتر این فرایند را مثل عکسبرداری با اشعه ایکس در نظر بگیرید که در آن استخوان ها مثل فوتوماسک اشعه را بلوکه کرده گوشت به آن اجازه عبور می دهد. نتیجه نهایی هم مشخص جای اعضای مختلف دست است.

البته در این فرایند عملا از نور استفاده نمی گردد چون بیش از حد بزرگ است. در واقع نور مفهومی است که موج الکترومغناطیسی یا یک ترکیب چرخشی پیوسته از میدان های مغناطیسی و الکتریکی نامیده می گردد. این امواج دارای گستره بسیار بزرگی از طول موج هستند که از چند کیلومتر تا چند سانتی متر را شامل می گردد.

از کنار هم قراردادن این امواج طیف تشکیل می گردد. همانطور که در تصویر زیر می بینید تمام آن چیزی که نور می نامیم تنها بخش کوچکی از طیف است و در آن نام های آشنای دیگری مانند امواج رادیویی، امواج مایکرو، اشعه ایکس و غیره هم دیده می گردد. طول موج نور چیزی در حدود ده به توان منهای 7 است یا 0.000004 اینچ است.

دانشمندان و محققان برای توصیف طول ها به جای استفاده از این نمادهای علمی از نانومتر یا به شکل مختصر nm استفاده می کنند. در این تصویر مشخص است که نور محدوده ای بین 380 تا 750 نانومتر دارد.اگر به یاد داشته باشیم گفتیم که چیپ سلرون با نود پردازشی 65 نانومتری تولید شده اما چگونه می توان قطعاتی ساخت که از نور کوچکتر هستند؟ پاسخ ساده است؛ در فوتولیتوگرافی نه از نور بلکه از پرتوی فرابنفش یا UV استفاده می گردد.

در نمودار طیفی UV از حدود 380 نانومتر شروع می گردد (جایی که نور تمام شده) و تا 10 نانومتر هم پایین می آید. شرکت هایی مثل اینتل، TSMC و GlobalFoundries به نوعی از موج الکترومغناطیس به نام EUV یا فرابنفش قوی متکی هستند که حدود 190 نانومتری است. TSMC و یک شرکت چینی به نام UNISOC به لیتوگرافی 6 نانومتری هم دست پیدا کرده اند و دیگر بازیگران بزرگ هم در پی دستیابی به فناوری های 5، 3 و حتی 2 نانومتری هستند.

برای اینکه عظمت این دستاوردها و عدد 6 نانومتر را بهتر درک کنید باید بدانید اتم های سیلیکون تشکیل دهنده پردازنده حدود 0.5 نانومتر از هم فاصله داشته و قطر هریک از آنها نیز به 0.1 نانومتر می رسد. بنابراین متخصصان TSMC با بخش هایی از ترانزیستور سر و کار دارند که عرضشان از 10 اتم سیلیکون فراتر نمی رود.

چالش های تولید

جدای از سرو کله زدن با قطعاتی در حد چند اتم، لیتوگرافی EUV هم شامل مسائل مهندسی و تولید متعددی است که حتی شرکتی در قواره اینتل را هم درگیر کرده. چیپزیلا مدت هاست که نتوانسته سطح تولید محصولات 10 نانومتری را به 14 نانومتری برساند و همین عامل باعث شده مشتریان بزرگی مثل اپل یکی پس از دیگری از آنها روی بگردانند.

همین سال گذشته هم GlobalFoundries قید توسعه چیپ های 7 نانومتری و کوچکتر را زد. دلیل مسائل به این برمی گردد که هرچه طول موج یک موج الکترومغناطیسی کوچکتر باشد، حامل انرژی بیشتری است و در نتیجه پتانسیل آسیب به چیپ بیشتر می گردد. مسائل این شرکت به دشواری های فوتولیتوگرافی EUV محدود نشده و شامل محدودیتهای انکسار و نویز آماری نیز می گردد.

با این حال فعلا مسائل تولید تقریبا به شکل کامل به چالش های فوتولیتوگرافی EUV مربوط م گردد که احتمالا طی چند سال آینده مرتفع خواهند شد و آن زمان می توانیم درباره این بحث کنیم که آیا انویدیا رفتار کوانتومی را بهتر هندل می کند یا AMD و رقبای دیگر.

بزرگترین انگیزه شرکت ها هم برای غلبه بر این مسائل نه خدمت به علم که کسب درآمد بیشتر است اما در این راه با چالش های اقتصادی هم مواجهند. برای مثال سیستم 10 نانومتری اینتل به ازای هر بستر ویفر تقریبا دو برابر گرانتر از نود پردازشی 28 نانومتری پردازنده های Haswell از جمله Core i7-4790K تمام می گردد.

با این حال تعداد چیپ هایی که از هر ویفر می توان تولید کرد به اندازه چیپ بستگی دارد و کاهش مقیاس بدین معنی است که از هر ویفر چیپ های بیشتری تولید می گردد. در نتیجه بدین طریق می توان هزینه تولید را تا حدودی جبران کرد. البته در نهایت با افزایش قیمت محصولات جدید مخارج از جیب کاربران تامین می گردد. از آنجا که درباره میلیاردها دلار صحبت می کنیم، برخی شرکت ها نظیر GlobalFoundries ترجیح داده اند از خیر درآمد بیشتر گذشته و ریسک نکنند.

چشم انداز آینده

هرچند شرایط فعلی مبهم به نظر می رسد، نباید مثبت بودن چشم انداز آینده را فراموش کنیم. سامسونگ و TSMC نه تنها در حال تولید چیپ های 7 نانومتری با ظرفیت مناسب هستند، بلکه طراحان تراشه نیز در حال برنامه ریزی برای استفاده از چندین نود در محصولات خود هستند. یکی از قابل توجه ترین مثال ها، طراحی چیلت AMD در نسل سوم پردازنده های رایزن است.

این پردازنده پرقدرت دسکتاپ به دو تراشه ساخته شده با نود 7 نانومتری TSMC و یک چیپ 14 نانومتری تولید شده توسط GlobalFoundries مجهز خواهد شد. TSMC بخش های واقعی پردازنده را تولید می کند، در حالی که شرکت دوم وظیفه ساخت رم DDR4 و دستگاه های PCI Express متصل به CPU را برعهده دارد. در صورتی که این طراحی کارایی مناسبی داشته باشد، در آینده نزدیک شرکت های بیشتری به این سمت می فرایند.

نمودار بالا تغییر نود پردازنده های اینتل در 50 سال گذشته را نشان می دهد. محور عمودی ابعاد گره با ضریب 10 را نشان می دهد. بر اساس این نمودار، اینتل بطور متوسط هر 4.5 سال یکبار ابعاد نود پردازنده های خود را نصف کرده، بنابراین آیا در سال 2025 شاهد عرضه پردازنده های 5 نانومتری این شرکت خواهیم بود؟ پاسخ این سوال احتمالا مثبت است، چرا که شرکت های سامسونگ و TSMC نیز در این راه قدم برمی دارند.

این پردازنده ها کوچکتر و سریع تر خواهند بود، انرژی کمتری مصرف می کنند و همچنین عملکرد بالایی را در اختیار کاربران قرار می دهند. این چیپ ها می توا نند تولید ماشین های کاملا خودران، ساعت های هوشمند با قدرت و شارژدهی مشابه گوشی های کنونی و قدرت گرافیکی بسیار بالا در بازی ها مشابه فیلم های چندین میلیون دلاری را در پی داشته باشند. آینده به لطف ابعاد کوچک تراشه ها، روشن است.

منبع : دیجیاتو

منبع: آی تابناک

به "لیتوگرافی چیپست ها چگونه کاهش می یابد؟" امتیاز دهید

امتیاز دهید:

دیدگاه های مرتبط با "لیتوگرافی چیپست ها چگونه کاهش می یابد؟"

* نظرتان را در مورد این مقاله با ما درمیان بگذارید