درون معجزه ساخت تراشه مدرن / یکی از بزرگ‌ترین شاهکار‌های علمی بشر

بعد- کوچک کردن تراشه کامپیوتر یکی از بزرگترین شاهکارهای علمی بشر است. با این کار، قدرت پردازش فعال شده است که تقریباً تمام جنبه های زندگی ما را دیجیتالی کرده است. برای اینکه بفهمیم آخرین تراشه‌ها چگونه کار می‌کنند و پیشرفت‌های فناوری مربوطه کجا اتفاق می‌افتد، باید فراتر از اشیایی که در مقیاس‌های آشنا اندازه‌گیری می‌شوند، سفر کنیم.

به گزارش خبرگرافی به نقل از فایننشال تایمز، دلیل این است که تراشه‌هایی که دستگاه‌های ما را تغذیه می‌کنند حاوی میلیاردها ترانزیستور یا کلیدهای کوچک هستند که دیدن آنها با چشم انسان غیرممکن است. هر ترانزیستور حدود 500000 بار کوچکتر از یک میلی متر است. برای درک بهتر باید گفت که از موی انسان نازکتر و از گلبول قرمز کوچکتر است.. همچنین کوچکتر از ویروس یا باکتری است. برخی از کوچکترین ترانزیستورها اکنون تنها 50 نانومتر اندازه دارند. با این حال، انباشتن تعداد بیشتری از این سوئیچ‌ها هزینه‌ها را افزایش می‌دهد و بازده محصول را کاهش می‌دهد و تولیدکنندگان را مجبور می‌کند تا درباره نحوه ساخت تراشه‌ها تجدید نظر کنند.

کار در نوآوری تراشه برنامه مین کائو، معاون شرکت تولید نیمه هادی تایوان (TSMC) نبود. کائو آرزوی شغلی در فیزیک را داشت، اما پس از فارغ التحصیلی از دانشگاه استنفورد، بسیاری از فیزیکدانان در پایان جنگ سرد بیکار شدند. اشتیاق کائو به درک چگونگی کارکرد جهان، او را به سمت زمینه به سرعت در حال توسعه ریزتراشه ها سوق داد.

کائو که کارش روی عملکرد تراشه همچنان محدودیت‌های فیزیک را فراتر می‌برد، می‌گوید: “هنوز رازهای زیادی وجود دارد. این روند در حال سخت‌تر شدن است، اما این بدان معنا نیست که ما متوقف می‌شویم.”. تنها سه شرکت در دنیا یعنی اینتل، سامسونگ و TSMC قادر به تولید انبوه تراشه های قدرتمند و کوچک برای فناوری های پیشرفته تلفن های هوشمند امروزی هستند.. از آنجایی که بخش‌هایی از ترانزیستورها به سطوح اتمی می‌رسند، مهندسان باید راه‌های نوآورانه‌ای مانند ساخت برج‌مانند عمودی و بازنگری در نحوه بسته‌بندی تراشه‌ها ارائه دهند. بسیاری بر این باورند که کنار هم قرار گرفتن تراشه ها با عملکردهای مختلف، خطوط نبرد نیمه هادی آینده را ترسیم خواهد کرد.

برخی از جدیدترین تراشه‌های گوشی‌های هوشمند، مانند تراشه‌های آیفون 15 پرو، با استفاده از فرآیندی به نام 3 نانومتر تولید می‌شوند، نامی که به نسلی از پردازنده‌ها با کوچک‌ترین ترانزیستورها داده شده است.. اگرچه این دیگر به ابعاد فیزیکی آنها اشاره نمی کند، اما به کوچک شدن اجزای آنها اشاره دارد. این سوئیچ‌های کوچک که جریان سیگنال‌های الکتریکی را در داخل هر دستگاه دیجیتالی کنترل می‌کنند، نیروگاه ریزپردازنده‌ها و بلوک‌های اساسی ساختمان الکترونیک مدرن هستند.

بسیاری از ترانزیستورهای پیشرفته اکنون اتم به اتم ساخته می شوند. برخی از کوچکترین آنها 50 نانومتر اندازه دارند و میلیاردها بار در ثانیه روشن و خاموش می شوند. طراحی و شکل سه بعدی آنها به آنها اجازه می دهد که بر خلاف مدل های قبلی “مسطح” به طور متراکم بسته بندی شوند. تنها یک میلی متر مربع می تواند خانه 200 میلیون ترانزیستور با ده ها میلیارد در یک تراشه باشد. سازندگان قصد دارند در آینده ای نه چندان دور این میزان را به یک تریلیون برسانند. سیم های فلزی بسیار ظریف و محکم این ترانزیستورها و همچنین سایر عناصر تشکیل دهنده مدار مجتمع تراشه را به هم متصل می کنند.

چندین لایه از این اتصالات به قسمت های مختلف تراشه اجازه می دهد تا با یکدیگر صحبت کرده و برق را تامین کنند. برخی از تراشه ها می توانند تقریباً 500 کیلومتر سیم کشی داشته باشند. تراشه‌های متعدد بر روی یک ویفر سیلیکونی ساخته شده‌اند، پایه‌ای که تمام مدارهای مجتمعی که دستگاه‌های ما را تغذیه می‌کنند، بر روی آن ساخته شده‌اند. یک ویفر معمولی 30 سانتی متری می تواند محل نگهداری ترانزیستورها باشد. نیروی محرکه مقیاس پذیری تراشه ها در طول زمان، قانون مور بوده است، بر اساس مشاهدات گوردون مور، بنیانگذار اینتل، مبنی بر اینکه تعداد ترانزیستورها در یک مدار مجتمع هر دو سال برای چندین دهه دو برابر می شود. وجود داشته است، اما پیشرفت کند شده است به طوری که اکنون هر سه سال دو برابر می شود.

فرآیند 3 نانومتری فعلی از راندمان ضعیفی رنج می‌برد. با این حال، “بن سل” معاون توسعه فناوری اینتل می گوید: «ما درست در میانه نوآوری ترانزیستور هستیم. او می‌گوید آنچه که به‌ویژه هیجان‌انگیز است، این واقعیت است که نوآوری‌های تراشه‌هایی که برای دهه‌ها مورد بحث قرار گرفته‌اند، اکنون در دستگاه‌های موجود در بازار دیده می‌شوند. با این حال، موفقیت تضمین نشده است و مخاطرات بالا است. به گفته شرکت مشاوره مک کینزی، فروش جهانی تراشه در سال گذشته به بیش از 500 میلیارد دلار رسید و نیمه هادی ها می توانند تا پایان دهه جاری به یک صنعت تریلیون دلاری تبدیل شوند. جف کخ، تحلیلگر یک شرکت تحقیقاتی مستقل متخصص در نیمه هادی ها و هوش مصنوعی، می گوید: «این مانند دستیابی به مقیاس های تولید ناخالص داخلی از چیزهایی است که شرکت ها در آن رقابت می کنند.

شهرت فناوری و وضعیت مالی شرکت ها و دولت ها به شرط بندی صحیح بستگی دارد. با ارزش بازار 575 میلیارد دلار، TSMC بر اقتصاد تایوان و بازار جهانی کوچکترین تراشه های پیشرفته جهان تسلط دارد. این چیزی است که دولت بایدن امیدوار است با قانون CHIP تغییر دهد، که متعهد شده است 52 میلیارد دلار مشوق برای تشویق شرکت‌ها به ایجاد کارخانه‌های تولید تراشه در ایالات متحده ارائه کند.

با این حال، بسیاری از کارشناسان بر این باورند که فرسایش تولید تراشه در ایالات متحده طی چند دهه، بازیابی رقابت جهانی را برای این کشور دشوار کرده است. چین نیز با وجود تلاش های ایالات متحده برای محدود کردن توسعه تراشه های پکن، در حال وارد شدن به این معضل است و انتظار می رود بزرگترین سازنده تراشه این کشور، Semiconductor Manufacturing International Corp. (SMIC) در اوایل امسال نسل بعدی پردازنده های گوشی های هوشمند را بسازد.

Nvidia و Advanced Micro Devices (AMD) نیز با توجه به تقاضای فزاینده برای پردازنده هایی که Chat GPT و برنامه های مشابه را تامین می کنند، برای برتری فنی و سهم بازار در زمینه تراشه های هوش مصنوعی رقابت می کنند. AMD از پیشرفت‌های فنی زیادی رونمایی کرده است، از جمله گنجاندن 153 میلیارد ترانزیستور و 192 گیگابایت حافظه در تراشه جدید MI300 خود، که تلاشی برای مقابله با Nvidia، با ارزش‌ترین سازنده تراشه‌های جهان است. ارزش بازار انویدیا در هفته گذشته به 2 تریلیون دلار افزایش یافت و با پشت سر گذاشتن آلفابت به سومین شرکت با ارزش در ایالات متحده پس از مایکروسافت و اپل تبدیل شد.

در همین حال، AMD در مسیر کسب درآمد 23 میلیارد دلاری سال 2023 قرار دارد و انتظار دارد تا 3.5 میلیارد دلار از آخرین تراشه های خود را در سال جاری بفروشد. این شرکت دومین شرکت با ارزش نیمه هادی در ایالات متحده است که در سال 2022 از اینتل پیشی گرفت. اینتل همچنین برای جایگاهی در چشم انداز هوش مصنوعی مناقصه دارد و اعلام کرده است که تراشه های پیشرفته ای را برای مایکروسافت خواهد ساخت.

تراشه سازی

کمتر شرکتی توانسته است در سال‌های اخیر در رقابت برای ساخت پیشرفته‌ترین تراشه‌های گوشی‌های هوشمند همگام شود. فرآیندهای طراحی و ساخت بسیار طولانی، پیچیده و پرهزینه شده اند و به تجهیزات و دانش تخصصی بیشتری نیاز دارند. پیشرفت ها مستلزم سال ها آزمایش و مستلزم هزینه های سرسام آور تحقیق و توسعه است. کار در مقیاس نانو نیز مملو از خطر است. دقت، تکرارپذیری و تمیزی برخی از بزرگ‌ترین چالش‌ها در این عرصه هستند و هر ذره‌ای، حتی کوچک‌تر از یک باکتری، می‌تواند یک تراشه را در هنگام تماس از بین ببرد..

تراشه ها در منطقه ای از یک کارخانه تولیدی یا “فاب” که به عنوان اتاق تمیز شناخته می شود، ساخته می شود، جایی که هوا هزاران بار تمیزتر از اتاق عمل بیمارستان است. در داخل کارخانه های تولید تراشه، بیش از هزار مرحله دقیق کنترل شده هر مدار مجتمع را لایه به لایه ایجاد می کند. کریس اوت، مدیر توسعه ترانزیستورهای پیشرفته در اینتل می گوید: «هر بار که نسل جدیدی از تراشه ها ساخته می شود، تمام این مراحل باید بررسی شوند. او می افزاید: «شما باید در مورد آزمایش چیزهای جدید و گفتن «هی، بیایید ببینیم چه می شود» کاملاً نترس باشید.

Kao از TSMC می گوید که نسل بعدی تراشه ها نیز به ابزارها و فرآیندهای جدیدی نیاز دارد. او خاطرنشان می کند که پیشرفت ترانزیستور در تراشه های 2 نانومتری بعدی به این معنی است که برخی از عناصر باید به جای عمودی، به صورت جانبی ساخته شوند، که چالش های بیشتری را ایجاد می کند. با این حال، قبل از شروع هر یک از این مراحل ساخت پیچیده، پایه تراشه هنوز با یک ماده ساده و معمولی به نام سیلیکون ساخته می شود که از ماسه یا کوارتز استخراج می شود.

فرآیند تولید تراشه

در مرحله اول سیلیکون از ماسه استخراج و خالص می شود. سپس آن را به یک قابلمه ذوب فلزی اضافه کرده و حرارت می دهیم تا ذوب شود. در مرحله دوم، دیگ ذوب با سرعت بالایی می چرخد ​​در حالی که یک قطعه جامد از مهره سیلیکونی توسط میله ای به سمت بالا کشیده می شود. در مرحله سوم، نتیجه یک شمش سیلیکونی است که بزرگترین آن دارای قطر 300 میلی متر است. در مرحله چهارم، شمش سیلیکون به صورت دیسک هایی به نام «ویفر» بریده می شود و تا سطح آینه صاف صیقل داده می شود. در مرحله پنجم، نور فرابنفش که از طریق شابلون پخش می شود، نقش های ریز را به ویفر منتقل می کند. در مرحله ششم، با استفاده از این الگوهای پیچیده به عنوان راهنما، لایه های نازک زیادی از مواد اضافه شده و اچ می شود. در مرحله هفتم، ویفر با یون‌ها یا اتم‌های باردار برخورد می‌کند تا نواحی رسانا یا عایق‌تر شوند. در مرحله هشتم صدها مرحله لایه بندی اجزای تراشه را تشکیل می دهند و سیم کشی فلزی مدار را کامل می کند.

تجهیزات تولید تراشه

ایجاد اجزای کوچک برای مدارهای تک تراشه به تجهیزات پیچیده ای نیاز دارد: ماشین هایی که می توانند الگوهای میکروسکوپی را با استفاده از فرآیندی به نام فوتولیتوگرافی به هر ویفر منتقل کنند.

برای کوچک‌ترین تراشه‌ها، ماشین‌های چند میلیون دلاری ساخته شده توسط یک شرکت هلندی به نام ASML از نور شدید فرابنفش برای ایجاد این شابلون‌های ظریف استفاده می‌کنند. این ماشین‌ها تقریباً به اندازه یک اتوبوس هستند، اما آنقدر دقیق هستند که می‌توانند لیزر را برای ضربه زدن به توپ گلف تا ماه هدایت کنند. کوچ می‌گوید، هر مرحله از این فرآیند مستلزم «سطح دکتری دانش» است. یک ویفر پر از چیپس می تواند هزاران پوند ارزش داشته باشد که یک کارخانه تولیدی برتر را ترک کند.

بازنگری در پیشرانه و بسته بندی

در حالی که سازندگان پیشرو امیدوارند که تراشه 2 نانومتری بسیاری از مشکلات نسل 3 نانومتری را حل کند، محدودیت‌های مقیاس‌بندی مهندسان را بر آن داشته تا راه‌های جایگزینی برای دریافت قدرت و کارایی بیشتر از همان فضا ایجاد کنند. مهندسان با تکیه بر طرح های سه بعدی فعلی، به جای چسباندن ترانزیستورها، قصد دارند ترانزیستورها را روی هم قرار دهند.

اوت اینتل می‌گوید: «وقتی آسمان‌خراش‌ها را می‌سازید، توانایی اندازه‌گیری جانبی چیزها را از دست می‌دهید، بنابراین شروع به ساختن می‌کنید، و این کاری است که ما انجام می‌دهیم».

نحوه بسته بندی تراشه ها نیز در حال گسترش است. زمینه رو به رشد “بسته بندی پیشرفته”، روشی که چیپ ها با هم ترکیب می شوند تا قابلیت را افزایش دهند و در عین حال هزینه را نیز کاهش دهند، به سمت انباشته شدن برای بهبود عملکرد و استفاده بهتر از فضای موجود حرکت می کند.

تحولات بسته بندی راه را برای تغییر دیگری در معماری نیمه هادی ها هموار کرده است: تراشه ها. مهندسان از ساخت یک ریزپردازنده کامل بر روی یک تکه سیلیکون یا سیستم یکپارچه روی یک تراشه دور شده و به سمت ماژول های چند تراشه ای (MCM) حرکت می کنند. این ماژول‌های چند تراشه‌ای، گروه‌هایی از تراشه‌ها را با عملکردهای مختلف می‌بینند که بر روی قطعات جداگانه‌ای از سیلیکون ساخته شده‌اند و سپس با هم ترکیب می‌شوند تا به عنوان یک مغز الکترونیکی واحد عمل کنند. به عنوان مثال، “دریاچه شهابی” انویدیا از چهار تراشه یا کاشی تشکیل شده است که روی یک برد مدار سیلیکونی قرار گرفته اند که آنها را به هم متصل می کند. تراشه بخشی از یک ماژول پردازشی است که یک مدار مجتمع بزرگتر مانند یک پردازنده کامپیوتری را می سازد.

این اولین پردازنده موبایل این شرکت است که از معماری چیپلت استفاده می کند و هر کاشی عملکرد جداگانه ای دارد. کاشی گرافیکی بازی، تولید محتوا و برخی از پخش رسانه ها را کنترل می کند. کاشی سیستم با کنترل و نمایش حافظه و همچنین پردازش عصبی برای کارهای هوش مصنوعی مانند موسیقی یا تولید تصویر سر و کار دارد. کاشی ورودی/خروجی در مورد اتصال است و اطمینان می دهد که اجزا به طور موثر با یکدیگر و دنیای خارج ارتباط برقرار می کنند. کاشی محاسباتی یا پردازنده مرکزی عملکرد و کارایی را نظارت می کند. در صورت مونتاژ، بسته بندی کامل 50 میلی متر در 25 میلی متر است. بسیاری بر این باورند که ساخت تراشه ها تنها راه برای زنده نگه داشتن قانون مور در طولانی مدت است.

شرکت‌هایی که روی ماژول‌های چند تراشه‌ای سرمایه‌گذاری می‌کنند، می‌گویند یکی از مزایای کلیدی آنها انعطاف‌پذیری است و می‌توان آن را برای مشتریان مختلف طراحی کرد، زیرا تولیدکنندگان می‌توانند چیپ‌ست‌ها را در صورت نیاز تعویض کنند. آنها همچنین به تولیدکنندگان اجازه می‌دهند که طرح‌های قدیمی‌تر و جدیدتر را با هم ترکیب کنند و به‌جای بازنگری کل سیستم روی تراشه به‌صورت هم‌زمان، اجزا را به‌صورت تدریجی ارتقا دهند.

جایگزین های سیلیکون نیز ممکن است در این دهه دیده شوند. مواد با تحرک بالا یا دو بعدی مانند گرافن که به الکترون‌ها اجازه می‌دهد به سرعت در اطراف حرکت کنند، می‌توانند راه را برای «سوئیچ‌های سریع‌تر» و جهش در عملکرد هموار کنند.

یکی دیگر از زمینه‌های نوظهور فوتونیک* است که در آن فوتون‌ها یا بلوک‌های سازنده نور به جای الکترون‌ها برای انتقال داده‌ها با سرعت‌های بالاتر استفاده می‌شوند. شرکت هایی از جمله TSMC در حال آزمایش آن هستند.

* فناوری فوتونیک علمی است که به تولید و استفاده از نور و کنترل انرژی تابشی در واحد کوانتومی فوتون ها می پردازد.