تقنية تصنيع رقائق ARM للهواتف الذكية
يعتمد تطور الهواتف الذكية الحديثة بشكل كبير على تطور المعالجات (أنظمة على رقاقة/SoCs)، التي تُعدّ بمثابة "عقل" الجهاز. تستخدم العديد من أنظمة SoCs الشائعة، مثل سنابدراغون، وديمينسيتي، وإكسينوس، وحتى أبل سيليكون، بنية ARM كأساس لتعليمات وحدة المعالجة المركزية وتصميمها. مع ذلك، لا يتحدد الأداء والكفاءة بالبنية فقط، بل أيضاً بتقنية التصنيع: وهي عملية تصنيع أشباه الموصلات التي تحوّل تصميمات الدوائر إلى رقائق فعلية على رقائق السيليكون. تتناول هذه المقالة تطور تقنية تصنيع الرقائق القائمة على بنية ARM للهواتف الذكية، وكيفية عمل هذه العملية، ولماذا أصبحت تقنيات التصنيع مثل 7 نانومتر، و5 نانومتر، و4 نانومتر، و3 نانومتر ذات أهمية بالغة.
1. ARM: الهندسة المعمارية مقابل "شريحة ARM"
أولًا، دعونا نوضح: شركة ARM ليست مُصنِّعة للرقائق. تُصمِّم ARM (Arm Ltd.) بشكل أساسي بنى مجموعات التعليمات (ISAs) ووحدات الملكية الفكرية (IP cores) مثل Cortex-A (وحدات المعالجة المركزية للتطبيقات)، وCortex-X (عالية الأداء)، وCortex-R (في الوقت الحقيقي)، ووحدات معالجة الرسومات Mali (في بعض أنظمة SoC). أما شركات مثل كوالكوم، وميديا تيك، وسامسونج، وآبل، فتقوم بما يلي:
– ترخيص بنية ARM،
– قم بدمجه مع مكونات أخرى (وحدة معالجة الرسومات، ووحدة معالجة الصور، ووحدة معالجة الشبكات العصبية، والمودم، وذاكرة التخزين المؤقت، والربط البيني).
– وإنتاجها من خلال مصانع مثل TSMC أو Samsung Foundry.
لذلك عندما يقول الناس "شريحة ARM"، فإنهم عادة ما يقصدون نظامًا متكاملًا على شريحة (SoC) للهواتف الذكية يستخدم مجموعة تعليمات ARM، بينما تتم عملية التصنيع بواسطة مصنع أشباه الموصلات.
2. لماذا تعتبر تكنولوجيا التصنيع مهمة؟
تؤثر تقنية التصنيع، والتي تسمى غالبًا عقدة المعالجة (مثل 7 نانومتر، 5 نانومتر، 3 نانومتر)، على ثلاثة أشياء رئيسية:
1. الأداء: بشكل عام، يمكن للترانزستورات الأصغر حجماً أن تعمل بشكل أسرع.
2. كفاءة الطاقة: يمكن تقليل التسرب ومتطلبات الجهد، وإن لم يكن ذلك دائمًا بشكل خطي.
3. الكثافة: المزيد من الترانزستورات لكل وحدة مساحة؛ مما يتيح ذاكرة تخزين مؤقت أكبر، ووحدات معالجة مركزية أكثر تعقيدًا، ووحدات معالجة رسومات أوسع، ومسرعات ذكاء اصطناعي أكثر قوة.
مع ذلك، لم يعد رقم "nm" يمثل حجمًا ماديًا واحدًا للترانزستور كما كان في السابق. بل أصبح أقرب إلى تسمية عقدة مرتبطة بمجموعة من تقنيات الطباعة الحجرية، وقواعد التصميم، وخصائص الكثافة/الكفاءة.
3. المراحل الرئيسية لتصنيع نظام على شريحة (SoC) للهواتف الذكية
بشكل عام، تمر رحلة تصميم الرقائق الإلكترونية إلى إنتاج الهواتف الذكية بعدة مراحل:
أ) التصميم والتحقق
يقوم مُصنّعو أنظمة SoC بتصميم وحدات الملكية الفكرية (وحدة المعالجة المركزية، وحدة معالجة الرسومات، وحدة المعالجة العصبية)، ثم يُجرون عمليات المحاكاة، والتحقق الوظيفي، والتحقق من التوقيت (STA)، والموافقة النهائية على التصميم (DRC/LVS). يجب أن يكون التصميم متوافقًا مع مجموعة أدوات تصميم العمليات (PDK) الخاصة بالعقدة المستهدفة.
ب) إخراج الشريط
مرحلة إخراج التصميم هي المرحلة التي يُرسل فيها التصميم النهائي إلى المسبك لتحويله إلى مجموعة أقنعة (قناع ضوئي). هذه مرحلة مكلفة ومحفوفة بالمخاطر، إذ أن تعديلات التصميم بعد إخراج التصميم قد تُؤدي إلى تكاليف باهظة وتأخيرات في الجدول الزمني.
ج) إنتاج الرقاقات: المرحلة الأمامية من خط الإنتاج (FEOL)
تُعرف عملية تصنيع الترانزستورات على الرقاقة بتقنية FEOL، وتشمل مراحل التطعيم، وتشكيل القناة، وتشكيل البوابة، والعزل، وما إلى ذلك. في العصر الحديث، تطورت هياكل الترانزستورات من الترانزستورات المستوية إلى ترانزستورات FinFET (ذات الزعانف) وتتجه نحو ترانزستورات GAAFET (ذات البوابة المحيطة).
د) الربط البيني: نهاية الخط (BEOL)
بعد تجميع الترانزستورات، تُضاف طبقات معدنية متراصة (نحاس/عازل منخفض الثابت العازل) لربط الترانزستورات في دائرة كهربائية. في أنظمة SoC الحديثة، قد يكون عدد الطبقات المعدنية كبيرًا جدًا لتلبية احتياجات توجيه البيانات الكثيفة.
هـ) التقطيع والتعبئة والتغليف والاختبار
تُقطع الرقاقات إلى قوالب ثم تُغلّف. بالنسبة للهواتف الذكية، يجب أن يدعم التغليف ما يلي:
– حجم صغير،
- تبديد الحرارة،
– سلامة إشارة عالية،
– استهلاك منخفض للطاقة.
تُستخدم تقنيات مثل تقنية التوصيل المقلوب، والتغليف على مستوى الرقاقة، وتكامل PoP (التغليف على التغليف) بشكل متكرر.
4. الطباعة الحجرية: مفتاح تصغير الترانزستورات
الطباعة الحجرية هي عملية "طباعة" أنماط الدوائر على رقاقة باستخدام الضوء ومادة مقاومة للضوء. وكلما صغرت العناصر المراد طباعتها، زادت صعوبة العملية.
مقارنة بين الأشعة فوق البنفسجية العميقة والأشعة فوق البنفسجية القصوى
– يستخدم الأشعة فوق البنفسجية العميقة (DUV) طول موجة يبلغ 193 نانومتر. بالنسبة للعقد الصغيرة، تتطلب الأشعة فوق البنفسجية العميقة تقنيات نقش متعددة معقدة ومكلفة (نقش مزدوج، ثلاثي، رباعي).
– تستخدم تقنية الأشعة فوق البنفسجية القصوى (EUV) طول موجة يبلغ 13,5 نانومتر. تعمل هذه التقنية على تبسيط طباعة العناصر الصغيرة جدًا، وتقليل عدد خطوات الطباعة المتعددة، وزيادة الدقة، وربما تحسين الإنتاجية – على الرغم من أن تكاليف المعدات مرتفعة للغاية.
اعتمدت العقد المبكرة بتقنية 7 نانومتر بشكل كبير على تقنية الطباعة متعددة الأنماط بالأشعة فوق البنفسجية العميقة، بينما تعتمد تقنيات 5 نانومتر و3 نانومتر بشكل متزايد على تقنية الأشعة فوق البنفسجية القصوى في الطبقات الأكثر أهمية.
5. تطور بنية الترانزستور: مستوي ← FinFET ← GAAFET
مستو
كانت الترانزستورات المستوية هي السائدة حتى حوالي 28 نانومتر - 20 نانومتر. ومع تصغير حجم الترانزستورات، ضعف التحكم في القناة بواسطة البوابة وزاد التسريب.
FinFET و
تُضيف تقنية FinFET زعانفًا تسمح للبوابة بالتحكم في القناة من جوانب متعددة، مما يُحسّن التحكم الكهروستاتيكي ويُقلل التسريب. ولا تزال العديد من أنظمة SoC الشائعة للهواتف الذكية، التي تتراوح تقنيات تصنيعها بين 16/14 نانومتر و4 نانومتر، تعتمد على تقنية FinFET.
GAAFET (بوابة شاملة)
تُغطي ترانزستورات GAAFET القناة بشكل كامل (مثل الصفائح النانوية)، مما يوفر تحكمًا أفضل عند الأحجام الصغيرة جدًا. ويُعدّ الانتقال إلى ترانزستورات GAAFET خطوة حاسمة لجيل جديد من العُقد، حيث تبدأ ترانزستورات FinFET بالوصول إلى حدودها القصوى في التصغير.
بالنسبة لرقائق ARM الخاصة بالهواتف الذكية، ستظهر فوائد GAAFET في كفاءة الطاقة - وهو أمر بالغ الأهمية لعمر البطارية - وفي استقرار الأداء تحت الأحمال الثقيلة (الألعاب، والذكاء الاصطناعي على الجهاز، وتسجيل الفيديو بدقة 4K/8K).
6. عقدة المعالجة على نظام الهاتف الذكي
على الرغم من اختلاف التفاصيل بين مصانع الصب، إلا أن الاتجاهات العامة هي كما يلي:
7 نانومتر ومشتقاته
تمثل هذه التقنية قفزة نوعية في الكثافة والكفاءة مقارنةً بتقنيتي 10 نانومتر و12 نانومتر. وتمهد العديد من أنظمة SoC بتقنية 7 نانومتر الطريق لتحسين أداء وحدة معالجة الرسومات (GPU) ودمج المودم بشكل أكثر تعقيدًا.
5 نانومتر / 4 نانومتر
بدأ استخدام تقنية الطباعة الحجرية فوق البنفسجية المتطرفة (EUV) على نطاق أوسع مع تقنية 5 نانومتر. ويشير مصطلح "4 نانومتر" غالبًا إلى التحسينات التي طرأت على تقنية 5 نانومتر، والتي تشمل تحسينات في الكثافة والأداء والكفاءة. وفي هذا العصر، تشهد معالجات NPU/AI نموًا سريعًا نظرًا للطلب المتزايد على معالجة الصور الحاسوبية والذكاء الاصطناعي التوليدي خفيف الوزن المدمج في الجهاز.
3 نانومتر
تُعدّ تقنية 3 نانومتر إنجازاً هاماً في كفاءة الطاقة وكثافة الترانزستورات. مع ذلك، تتزايد تكاليف التصنيع، ويزداد تعقيد التصميم، وتكتسب إدارة الحرارة أهمية متزايدة مع ازدياد كثافة الترانزستورات، ما يزيد من التحديات الحرارية.
7. الإنتاجية، والتصنيف، ولماذا توجد أنواع عديدة من رقائق البطاطس
في الإنتاج الضخم، لا تكون جميع الرقاقات على الرقاقة مثالية. نسبة الإنتاجية هي النسبة المئوية للرقاقات التي تستوفي المواصفات. تقوم مصانع الرقائق وموردي أنظمة الرقاقات المتكاملة (SoC) بما يلي:
– فرز الرقاقات واختبارها الوظيفي،
– تجميع الجودة (التصنيف) بناءً على قدرة التردد/الجهد،
- في بعض الأحيان يتم تعطيل بعض الوحدات (مثل مجموعات معينة من وحدات معالجة الرسومات) لبيع إصدارات مختلفة.
هذا هو السبب في وجود العديد من إصدارات SoCs في السوق والتي تتشابه ولكنها تختلف في الأداء، أو إصدارات "Plus/Pro" التي تأتي من صناديق ذات جودة أعلى.
8. تأثير التصنيع على تصميم بنية ARM في الهواتف الذكية
تؤثر تقنية التصنيع على كيفية تصميم الموردين لتكوينات أنوية ARM، مثل big.LITTLE أو DynamIQ: وهي مزيج من أنوية عالية الأداء وأنوية منخفضة الطاقة. مع تقنيات تصنيع أكثر تطوراً:
– يمكن للمعالجات عالية الأداء أن تعمل بشكل أسرع بنفس استهلاك الطاقة،
– يمكن أن تكون النوى الفعالة أكثر اقتصادية للمهام الخفيفة،
– يمكن توسيع المخزن المؤقت دون تكبير النرد بشكل مفرط،
– يمكن إضافة مسرعات الذكاء الاصطناعي لمعالجة الكاميرا والصوت والميزات التوليدية.
لكن العقد الأصغر حجماً تجلب معها تحديات أيضاً: التسرب في ظل ظروف معينة، واختلافات التصنيع، ومتطلبات تصميم توصيل الطاقة الأكثر صرامة.
9. التغليف والتكامل: ليس مجرد "نانومتر"
لا يعتمد تقدم الهواتف الذكية على الترانزستورات الصغيرة فحسب، بل يعتمد أيضاً على تكامل الأنظمة:
– PoP (Package-on-Package) لتكديس ذاكرة الوصول العشوائي الديناميكية (DRAM) فوق نظام SoC لتوفير المساحة.
– يساعد التغليف المتقدم على تحسين مسار الإشارة وعرض النطاق الترددي والكفاءة.
– يحدد تصميم الطاقة والحرارة (تصميم الطاقة/الحرارة) الأداء المستدام، وخاصة للألعاب وتسجيل الفيديو لفترات طويلة.
بينما تكتسب مفاهيم مثل الرقاقات الصغيرة شعبية متزايدة في عالم الحواسيب الشخصية والخوادم، فإن تطبيقها في الهواتف الذكية يمثل تحديًا أكبر نظرًا لمحدودية المساحة والتكلفة ومتطلبات الطاقة الصارمة. ومع ذلك، لا يزال القطاع منفتحًا على دمج التقنيات الذكية بشكل متزايد.
10. كيسيمبولان
تُعدّ تقنية التصنيع الأساس الذي يمكّن رقائق ARM في الهواتف الذكية من أن تصبح أسرع وأكثر كفاءة في استهلاك الطاقة وأكثر ثراءً بالميزات. فمن تقنية الطباعة الحجرية بالأشعة فوق البنفسجية العميقة (DUV) إلى تقنية الطباعة الحجرية بالأشعة فوق البنفسجية القصوى (EUV)، ومن الترانزستورات المستوية إلى تقنية FinFET إلى تقنية GAAFET، تُحدث كل قفزة نوعية في عمليات التصنيع تغييرات جوهرية في قدرات نظام على شريحة (SoC): أداء الألعاب، وجودة الكاميرا الحاسوبية، والذكاء الاصطناعي المدمج، وكفاءة البطارية. ولكن وراء رقم "نانومتر" تكمن حقيقة معقدة، تتمثل في ارتفاع تكاليف الأقنعة، وتحديات الإنتاج، والتصميم الحراري، وقيود فيزياء الترانزستور. وبالنظر إلى المستقبل، سيستمر الجمع بين العُقد الأكثر تطورًا، وتصاميم بنية ARM الأكثر كفاءة، وابتكارات التغليف في تشكيل الجيل القادم من الهواتف الذكية.
إذا رغبت، يمكنني إضافة قسم مخصص يقارن أدوار TSMC مقابل Samsung Foundry، أو إنشاء نسخة أكثر تقنية من المقالة (تناقش BEOL، و low-k، والتباين، وانخفاض الجهد IR، وبوابات الساعة/الطاقة) حسب الحاجة.
