Что будет после 1 нм техпроцесса
Тайваньская TSMC заявляет о прорыве в области 1-нм чипов
Тайваньская TSMC, Национальный университет Тайваня (NTU) и Массачусетский технологический институт объявили о значительном прорыве в разработке 1-нанометровых чипов.
В последние десятилетия производители микросхем старались помещать как можно больше транзисторов на меньшие площади. Это явление, известное как закон Мура, гласит, что количество транзисторов на единицу площади удваивается примерно каждые два года. Однако сейчас производители микросхем приближаются к физическому пределу основного полупроводникового материала — кремния.
Научное сообщество активно экспериментирует с 2D-материалами, которые могут заменить кремний. Основной недостаток 2D-материалов заключается в том, что место контакта между полупроводником и металлом обладает высоким сопротивлением. Исследователи обнаружили, что использование полуметалла висмута в качестве контакта для двухмерных материалов (в экспериментах в качестве полупроводника послужил сульфид молибдена) позволяет значительно снизить сопротивление и увеличить ток. Это открытие было сделано командой Массачусетского технологического института, а затем доработано TSMC и NUT. Предполагается, что оно позволит повысить энергетическую эффективность и производительность будущих процессоров.
Эта новость последовала за объявлением IBM о выпуске 2-нм чипа, который, по данным IBM, будет иметь на 45% более высокую производительность и потреблять на 75% меньше энергии, чем современные 7-нм чипы.
Разработка 1-нм техпроцесса, вероятно, начнется в ближайшие несколько лет. Сегодня TSMC сосредоточена на 7 и 5-нм техпроцессе; конце 2022 года предприятие планирует перейти на 3-нм производство.
Что идёт после нанометра? О будущем техпроцесса
Техпроцесс в производстве микропроцессоров развивается настолько стремительно, что обывателю не совсем понятно, куда пойдут компании после достижения 1-нанометрового стандарта. Так что идет после нанометра и когда мы доберёмся до этих микроскопических значений? После нанометровых значений пойдёт пикометр. По прогнозам Intel, отметка будет достигнута в ближайшие 10-12 лет.
О планах было заявлено во время мероприятия International Electron Devices Meeting. На показанной публике дорожной карте расставлены отметки, показывающие направление в развитии собственного производства.
Необходимо отметить, что в мире есть лишь несколько корпораций, способных перегнать 10 нм рубеж. Это произошло в 2018-2019 гг.
Дойти до 7-5 нм бренд намерен к 2023-му, хотя та же Apple справится с задачей в сегменте мобильных микрочипов значительно быстрее. Достаточно сказать, что её A14 Bionic в iPhone 12 уже взял эту планку. В случае с Intel на достижение 3-нанометового показателя уйдут ещё 2 года, а до 1,4 нм производитель доберётся к 2029-му. Во многом схожие показатели наблюдаются и у AMD, которая даже способна обогнать гиганта.
Почему не всё так радужно и что идет после нанометра?
Переход на пикометр к текущему моменту является фантастикой. Та же Intel с большими костылями начала выпуск 10-нанометровых CPU, а поставки 14-нанометровых аналогов ведутся даже в 2020 году. При этом AMD со своими 7-нанометровыми Ryzen 9 чувствует себя значительно комфорнее, не говоря о серверных решениях.
Ещё одним потенциальным представителем компьютерного рынка могла бы стать Samsung, не концентрируйся она исключительно на мобильных девайсах. По слухам, разработки в сторону мощных десктопных CPU действительно ведутся.
TSMC разработала 1-нм техпроцесс, но это не точно
Исследователи из компании TSMC с коллегами из США и Национального университета Тайваня представили работу о транзисторах из так называемых 2D-материалов, которые могут прийти на смену кремниевой электронике. В совместном исследовании специалисты нашли такое сочетание материалов, которое делает возможным производство транзисторов из материалов толщиной в один или несколько атомов. Открытие вполне может лечь в основу 1-нм техпроцесса TSMC.
Источник изображения: MIT
Проблема с 2D-материалами в том, что место контакта между полупроводником и металлом обладает высоким сопротивлением и ухудшает токовые характеристики транзисторов. Исследователи из Массачусетского технологического института, Калифорнийского университета в Беркли, компании TSMC, Национального университета Тайваня и ряда других организаций смогли подобрать правильное сочетание материалов, которое обеспечило все нужные характеристики «двумерных» транзисторов.
Всё оказалось просто. Снижение сопротивления на границе перехода между двумерным полупроводником в лице сульфида молибдена (MoS2) и металлическим контактом для соединения с другими цепями электронной схемы произошло при контакте материала с полуметаллом висмутом (Bi). На границе раздела материалов, как сообщают учёные, отсутствовал энергетический барьер (барьер Шотки), который мог бы препятствовать свободному прохождению электронов — течению электрического тока.
Из данного исследования был сделан вывод, что электрический контакт между MoS2 и Bi — это вполне рабочее решение для создания транзистора n-типа. Решения для создания аналогичного транзистора p-типа у исследователей пока нет, так что полноценной электронной схемы из 2D-материалов пока не создать. Но на этом поиск перспективных сочетаний материалов не прекратится, так что всё ещё впереди.
Основной научный поиск был проведён учёными из США. Компания TSMC смогла создать образцы контактов на своём оборудовании методом осаждения из газовой фазы в вакуумной камере. Создать необходимую основу для травления на кристалле помогли учёные из Национального университета Тайваня, которые смогли сфокусировать ионный луч до нанометрового масштаба. Исследование финансируется Министерством обороны США. Материал под названием Ultralow contact resistance between semimetal and monolayer semiconductors был опубликован в издании Nature.
Intel заявила о конце «эпохи нанометров» и переименовала свои техпроцессы
В ходе конференции Intel Accelerated компания сделала сразу несколько заявлений. Помимо анонса чипов с кардинально новой маркировкой, вендор изменил привычные названия техпроцессов с «абстрактных нанометров» на более наглядную классификацию. Кроме того, уже к 2025 году Intel намерена стать лидером всей отрасли.
Вслед за актуальной технологией SuperFIN компания представит новые поколения процессоров под маркировкой Intel 7, Intel 4, Intel 3, и Intel 20A. В последнем случае размер транзисторов чипов на архитектуре RibbonFET будет указываться не в нанометрах, а в ангстремах. При их производстве будет использоваться технология Intel PowerVia с подачей питания на заднюю часть кремниевого кристалла для улучшения трассировки сигналов. Такие новинки вендор намерен выпустить уже в 2024 году, а через год должны появиться и первые представители ещё более «тонкой» серии Intel 18A.
В ближайшем же будущем компания намерена представить процессоры с маркировкой Intel 7 (переименованные SuperFIN с прибавкой производительности на ватт 10-15%), Intel 4 (7-нм с приростом +20%), а также Intel 3 (техпроцесс неизвестен). Таким образом компания предположительно намерена подчеркнуть, что количество нанометров в названии процессора не отображает его фактической производительности.
«Мы ускоряем нашу дорожную карту инноваций, чтобы гарантировать, что мы находимся на чётком пути к лидерству в производительности к 2025 году. Мы используем наш беспрецедентный поток инноваций, чтобы обеспечить технологический прогресс от транзисторов до системного уровня. Пока таблица Менделеева не будет исчерпана, мы будем неустанно следовать закону Мура и стремиться к инновациям с помощью магии кремния», — заявил генеральный директор Intel Пэт Гелсингер.
В ближайшее время компания выпустит семейство чипов Alder Lake, а производство серии Sapphire Rapids для центров обработки данных начнётся в первом квартале 2022 года.
Intel объявила новый план: переименовать техпроцессы и перегнать TSMC за четыре года
На прошедшем сегодня мероприятии Intel Accelerated компания Intel объявила о масштабном переименовании разрабатываемых техпроцессов, а также представила форсированный план по возвращению себе лидерства в сфере полупроводникового производства. Среди прочего в плане фигурируют производственные нормы с размерностью узлов, которые впервые в отрасли заданы в ангстремах, а не нанометрах.
Сделанный на мероприятии Intel Accelerated анонс включает в себя три составляющих. Во-первых, Intel заявила об отказе от традиционного числового определения производственных норм в нанометрах. Во-вторых, компания объявила о скором завершении нанометровой эры и наметила переход к полупроводниковым технологиям уровня ангстремов. В-третьих, Intel обозначила сроки, в которые она вернёт себе производственное лидерство — к 2025 году.
Наиболее значительный анонс касается перехода Intel на употребление новой номенклатуры собственных техпроцессов. Так, начиная с сегодняшнего дня, технология 10 нм Enhanced SuperFIN переименовывается в Intel 7, что фактически ставит третью итерацию 10-нм техпроцесса компании на одну ступень с 7-нм техпроцессом TSMC. Таким образом Intel хочет показать, что её 10-нм техпроцесс не уступает по параметрам той технологии, которая используется, например, для выпуска современных процессоров AMD Ryzen.
Переименование во многом сделано по маркетинговым причинам, но оно имеет под собой и технические основания. Традиционно то, что называется нормами техпроцесса, характеризовало длину затвора транзистора. Однако по мере усложнения полупроводниковых технологий, что зачастую было связано с изменением структуры самих транзисторов, производители стали оперировать понятием «эквивалентного разрешения затвора» — величиной, которая не имеет связи ни с какой измеримой характеристикой. Именно поэтому Intel переходит к новой терминологии и заменяет абстрактные нанометры новой базовой характеристикой, которая будет напрямую связана с соотношением производительности и энергопотребления.
Производственные технологии Intel теперь будут получать названия Intel 7, Intel 4, Intel 3, и затем — Intel 20A. Как было сказано на мероприятии, каждый шаг будет происходить при улучшении ключевого параметра — производительности на ватт. При этом каждый раз это всё равно будет сопряжено с геометрическим уменьшением норм, но компания перестанет указывать какое-либо количественное разрешение техпроцесса.
Технология Intel 10 нм SuperFIN, используемая в настоящее время для производства процессоров Tiger Lake, сохранит своё устоявшееся название. Но все последующие техпроцессы будут называться иначе:
Стоит отметить, что хотя в наименовании Intel 20A и Intel 18A сделана отсылка к ангстремам — десятым долям нанометров, в смысле размеров транзисторов это фактически не значит ничего конкретного. Важно другое: эти два техпроцесса будут значительно отличаться от предшествующих технологий тем, что в них начнут использоваться транзисторы RibbonFET с новой внутренней структурой — Gate All Around (GAA) — с каналами, полностью окружёнными затворами. Такие транзисторы обеспечивают более высокую скорость переключения при меньшей занимаемой площади благодаря структуре с несколькими наноканалами.
Помимо RibbonFET в техпроцессах Intel 20A и Intel 18A будет применена технология PowerVia — подведение питания с обратной стороны кремниевого кристалла, что должно упростить трассировку сигналов за счёт избавления от необходимости маршрутизации цепей питания на фронтальной стороне кремниевого кристалла.
Попутно Intel раскрыла планы в части совершенствования технологий многоуровневой компоновки микросхем. Представленная в 2017 году технология 2,5D-монтажа EMIB (Embedded Multi-die Interconnect Bridge), обеспечивающая соединение кристаллов в единое целое полупроводниковыми мостиками, найдёт новое применение в серверных процессорах Sapphire Rapids. Они будут собираться из нескольких кристаллов, но предложат уровень производительности, свойственный монолитным решениям. Технология же «многоэтажного» 3D-монтажа нескольких кристаллов Foveros станет ключевым элементом процессоров Meteor Lake.
После 2023 года обе компоновочные схемы будут совершенствоваться. В EMIB увеличится плотность контактов, что позволит реализовывать более сложные межчиповые соединения. Foveros же эволюционирует в Foveros Omni — технологию, которая позволит соединять кристаллы между собой сразу в нескольких слоях проводников. Параллельно обещана и другая технология, Foveros Direct, где межкристальные соединения будут осуществляться напрямую — на уровне «медь с медью», без промежуточных контактов с зазором не более 10 нм. Такая компоновка уменьшит сопротивления и увеличит производительность межчиповых соединений, а значит, фактически уничтожит грань между полупроводниковыми кристаллами в сплотке. Совместное применение Foveros Omni и Foveros Direct должно открыть путь к созданию практически монолитных кремниевых 3D-решений. Обе эти технологии должны стать доступны в 2023 году и смогут применяться с техпроцессом Intel 20A.
