Սմարթֆոնների համար 3 նմ չիպերի արտադրության տեխնոլոգիա
Վերջին տասնամյակում սմարթֆոնների զարգացումը անբաժանելիորեն կապված է կիսահաղորդչային տեխնոլոգիաների առաջընթացի հետ: Ներկայումս ուշադրության կենտրոնում գտնվող ամենամեծ առաջընթացներից մեկը 3 նանոմետր (3 նմ) չիպերի արտադրությունն է: «3 նմ» տերմինը հաճախ հանդիպում է առաջատար հեռախոսների թողարկումներում՝ խոստանալով բարելավված կատարողականություն, էներգաարդյունավետություն և ավելի բարձր հաշվողական հնարավորություններ: Այնուամենայնիվ, այդ փոքր թվի հետևում թաքնված է բարդ արտադրական գործընթաց, որը ներառում է առաջադեմ նյութեր, ծայրահեղ ճշգրտության լիտոգրաֆիա և մարտահրավերային ծախս ու արտադրողականություն (արտադրության հաջողության մակարդակ):
Ի՞նչ է 3nm տեխնոլոգիան։
Պարզ ասած, 3 նմ արտադրության տեխնոլոգիան վերաբերում է չիպերի արտադրության գործընթացի «հանգույցին»։ Անցյալում նանոմետրային թիվը նկարագրում էր տրանզիստորի որոշակի ֆիզիկական չափս, ինչպիսին է դարպասի երկարությունը։ Ժամանակակից դարաշրջանում այս թիվն ավելի շատ տեխնոլոգիայի սերնդի անվանում է. որքան փոքր է թիվը, այնքան ավելի խիտ կարող են տրանզիստորները տեղավորվել մեկ չիպի տարածքում։ Ավելի բարձր տրանզիստորի խտությունը թույլ է տալիս ունենալ ավելի շատ պրոցեսորային միջուկներ, գրաֆիկական պրոցեսորներ և նեյրոնային մշակման միավորներ (NPU), ավելի մեծ քեշեր և լրացուցիչ գործառույթներ նույն չափի միկրոսխեմայի վրա, կամ ավելի փոքր միկրոսխեմայի չափս՝ համարժեք կատարողականությամբ։
Սմարթֆոնների համատեքստում 3 նմ հանգույցը սովորաբար օգտագործվում է System-on-Chip (SoC)-ի համար, որը հեռախոսի «ուղեղն» է, որը ինտեգրում է CPU-ն, GPU-ն, մոդեմը, ISP-ն (պատկերի ազդանշանի պրոցեսոր) և արհեստական բանականության արագացուցիչը: 3 նմ SoC-ները նախատեսված են ավելի արագ, մարտկոցի ավելի խնայող և ավելի զով փորձառություններ ապահովելու համար, երբ ծանրաբեռնվածություն է առաջանում խաղերի, բարձր թույլտվությամբ տեսանկարահանման և սարքի վրա արհեստական բանականության մշակման ժամանակ:
Ինչո՞ւ է 3 նմ-ը կարևոր սմարթֆոնների համար։
Սմարթֆոնները խիստ սահմանափակումներ ունեն էներգիայի սպառման և ջերմության ցրման հարցում: Ի տարբերություն սեղանադիր համակարգիչների, որոնք կարող են օգտագործել մեծ սառեցուցիչներ, հեռախոսները կախված են սահմանափակ տարածքից և բարակ կառուցվածքից: Աշխատանքային ծանրաբեռնվածության աճին զուգընթաց, SoC-ն պետք է մնա արդյունավետ՝ գերտաքացումից և մարտկոցի լիցքաթափումից խուսափելու համար:
3 նմ տեխնոլոգիան, ընդհանուր առմամբ, առաջարկում է երկու հիմնական առավելություն.
1. Ավելի լավ էներգաարդյունավետություն. Փոքր տրանզիստորները կարող են աշխատել ավելի ցածր լարումների և ավելի վերահսկվող արտահոսքի հոսանքների դեպքում (չնայած արտահոսքի խնդիրները նույնպես մեծանում են փոքր նանոմետրային մասշտաբով):
2. Ավելի բարձր արտադրողականություն. Ավելի մեծ տրանզիստորային խտությունը թույլ է տալիս մեծացնել հաճախականությունը, լրացուցիչ միջուկներ և ավելի մեծ քեշեր՝ առանց չիպի չափը մեծացնելու անհրաժեշտության։
Սմարթֆոնների վրա ազդեցությունը զգացվում է ավելի կայուն խաղային կադրերի հաճախականությամբ, լուսանկարների ավելի արագ հաշվողական մշակմամբ, ավելի քիչ գերտաքացմամբ տեսանկարահանմամբ և արհեստական բանականության այնպիսի գործառույթներով, ինչպիսիք են օբյեկտների ճանաչումը, անցանց թարգմանությունը կամ ձայնային մշակումը, որոնք ավելի արագ են աշխատում։
Արտադրության գործընթաց՝ թիթեղից մինչև չիպ
3 նմ չիպի արտադրությունը սկսվում է սիլիկոնային թիթեղից, որը մեծ տրամագծով շրջանաձև թերթ է, որը ծառայում է որպես «կտավ» տրանզիստորներ կառուցելու համար: Այս թիթեղի վրա կիսահաղորդչային գործարանը (fab) ձևավորում է տրանզիստորի կառուցվածքը՝ հարյուրավորից մինչև հազարավոր մշակման քայլերի միջոցով: Հիմնական քայլերն են՝
– Նստեցում. նյութի (օրինակ՝ օքսիդի, նիտրիդի կամ մետաղի) բարակ շերտի ավելացում վաֆլիի վրա։
– Լիտոգրաֆիա. Շղթայական սխեմաների տպագրություն թիթեղների վրա՝ օգտագործելով լույսի և լուսառեզիստի (լուսազգայուն նյութ) կիրառում։
– Փորագրություն. որոշակի մասերի քերծում` նուրբ կառուցվածք ստանալու համար:
– Իոնային իմպլանտացիա. իոնների ներարկում՝ որոշակի տարածքներում էլեկտրոնային հատկություններ ձևավորելու համար (դոպինգ):
– Չափագիտություն և ստուգում. հաստության և նախշի համապատասխանության չափում նանոմետրական ճշգրտությամբ։
– Պլանավորում (ՊՊ). Վաֆլիի մակերեսի հարթեցում այնպես, որ հաջորդ շերտը ճշգրիտ ձևավորվի։
Երբ տրանզիստորի և միջմիավորների սխեմաները պատրաստ են, թիթեղը կտրվում է դրոշմների, այնուհետև փաթեթավորվում է, նախքան SoC-ի վերածվելը, որը ամրացվում է սմարթֆոնի միկրոսխեմայի վրա։
EUV-ի դերը. 3nm-ի բանալին
3 նմ հանգույցի կիրառման հնարավորություն տվող ամենամեծ գործոններից մեկը EUV (Extreme Ultraviolet) լիտոգրաֆիայի օգտագործումն է: EUV-ն աշխատում է լույսի շատ կարճ ալիքի երկարություններով (մոտ 13,5 նմ), ինչը թույլ է տալիս տպել շատ ավելի նուրբ նախշեր, քան նախորդ սերնդի լիտոգրաֆիան (DUV):
Առանց EUV-ի, շատ փոքր տրանզիստորների նախշավորումը պահանջում է ավելի բարդ «բազմակի նախշավորման» տեխնիկա. մեկ նախշի շերտը պետք է բազմիցս տպվի, ինչը մեծացնում է արտադրության ժամանակը, թերությունների ռիսկը և ծախսերը: EUV-ն վերացնում է կրկնության այս անհրաժեշտությունը, չնայած EUV մեքենաներն իրենք թանկ են, բարդ և պահանջում են գերմաքուր միջավայրեր և բարձր վակուում, որպեսզի EUV լույսը օպտիմալ աշխատի:
Տրանզիստորի կառուցվածքը. FinFET և էվոլյուցիան դեպի GAAFET
Սերունդներ շարունակ արդյունաբերությունը հույսը դրել է FinFET տրանզիստորների վրա, որտեղ տրանզիստորային ալիքը ձևավորված է որպես ուղղահայաց «թևիկ»՝ էլեկտրական կառավարումը բարելավելու և արտահոսքը նվազեցնելու համար: Այնուամենայնիվ, շատ փոքր չափերի դեպքում FinFET-ները սկսում են մոտենալ իրենց մասշտաբայնության սահմաններին:
3 նմ հանգույցում որոշ արտադրողներ սկսում են կիրառել նոր տրանզիստորային ճարտարապետություններ, ինչպիսին է GAAFET-ը (Gate-All-Around FET): GAAFET-ում տրանզիստորային դարպասը շրջապատում է ալիքը բոլոր կողմերից՝ ապահովելով հոսանքի ավելի լավ կառավարում: Սա բարելավում է արդյունավետությունն ու կատարողականությունը, հատկապես, երբ խոսքը վերաբերում է աշխատանքային լարումներին և արտահոսքի նվազեցմանը: Կիրառումները կարող են լինել նանոթերթերի կամ նանոլորանների տեսքով՝ կախված արտադրական տեխնոլոգիայից:
Տրանզիստորային ճարտարապետության այս անցումը պատճառներից մեկն է, թե ինչու 3 նմ հանգույցը պարզապես «չափի կրճատում» չէ, այլ տրանզիստորների կառուցման եղանակի մեծ փոփոխություն։
Հիմնական մարտահրավերներ՝ արժեք, արտադրողականություն և ջերմություն
Թեև խոստումնալից է թվում, 3 նմ-ով արտադրությունը բախվում է լուրջ մարտահրավերների.
1. Արտադրական ծախսերի աճ
EUV լիտոգրաֆիկ մեքենաները, մասնագիտացված նյութերը և գործընթացի բարդությունը մեկ թիթեղի արժեքը և մշակման ծախսերը շատ բարձր են դարձնում։ Սա է բացատրում, թե ինչու 3 նմ չիպերը սովորաբար առաջինը հայտնվում են պրեմիում սարքերում։
2. Բերքատվության և արտադրության թերություններ
Որքան խիտ են տրանզիստորները, այնքան ավելի զգայուն է չիպը մանրադիտակային փոշու մասնիկների կամ գործընթացի տատանումների նկատմամբ: Ցածր արտադրողականությունը նշանակում է, որ մեկ թիթեղի վրա ավելի շատ չիպեր են ձախողվում, ինչը մեծացնում է որակը անցնող չիպի արժեքը:
3. Ջերմային կառավարում
Թեև ավելի արդյունավետ, ավելի հզոր չիպերը կարող են նաև զգալի ջերմություն առաջացնել բարձր բեռնվածության դեպքում: Սմարթֆոնները դեռևս պահանջում են լավ սառեցման դիզայն (գոլորշիների խցիկ, գրաֆիտային թերթիկ և ծրագրային ապահովման օպտիմալացում)՝ կայուն աշխատանքը պահպանելու համար:
4. Նախագծումը և ստուգումը դառնում են ավելի բարդ
Շատ փոքր հանգույցներում ֆիզիկական էֆեկտները, ինչպիսիք են գործընթացի տատանումները, միջմիացման դիմադրությունը և քվանտային երևույթները, ավելի ցայտուն են դառնում: Չիպերի նախագծողները պետք է օգտագործեն ավելի առաջադեմ EDA գործիքներ և կատարեն ավելի խորը սիմուլյացիաներ:
Ազդեցությունը սմարթֆոնի գործառույթների վրա
3 նմ չիպերը միայն չափանիշային գնահատականների համար չեն։ Արդյունավետության և տրանզիստորի խտության բարձրացումը ազդում է մի շարք ասպեկտների վրա՝
– Ավելի արագ հաշվողական լուսանկարչություն. Ավելի հզոր ինտերնետ մատակարարը կարող է համատեղել բազմաթիվ կադրեր, բարելավել HDR-ը, նվազեցնել աղմուկը և բարելավել մանրամասները։
– Սարքի վրա արհեստական բանականության բարելավումներ. ավելի հզոր NPU-ն թույլ է տալիս արհեստական բանականության գործառույթներին աշխատել տեղում՝ առանց տվյալներ ամպ ուղարկելու, բարելավելով գաղտնիությունը և նվազեցնելով լատենտությունը։
– Խաղեր և գրաֆիկա. GPU-ները կարող են բարձրացնել լուծաչափը, առաջարկել սահմանափակ ճառագայթային հետագծում (որոշակի հարթակներում) և ապահովել ավելի կայուն կադրերի հաճախականություն։
– Կապակցելիություն. Մոդեմի և RF բաղադրիչների ինտեգրումը կարող է ավելի արդյունավետ լինել, չնայած շատ մատակարարներ դեռևս առանձնացնում են մոդեմը դիզայնի ճկունության համար։
Ապագան 3 նմ-ից հետո
3 նմ հանգույցը վերջը չէ։ Արդյունաբերությունն արդեն խոսում է 2 նմ-ի և դրանից այն կողմի մասին՝ GAAFET-ների, նոր նյութերի և ավելի առաջադեմ փաթեթավորման տեխնիկաների, ինչպիսիք են չիպլետները կամ 3D stacking-ը, ավելի ու ավելի տարածված կիրառման հետ մեկտեղ։ Այնուամենայնիվ, սմարթֆոնների համար արժեքի, կատարողականության, արդյունավետության և ջերմության միջև հավասարակշռությունը միշտ կլինի հիմնական գործոն։ Հավանական է, որ արդյունքը կորոշի ոչ միայն հանգույցը, այլև CPU/GPU ճարտարապետությունը, արհեստական բանականության օպտիմալացումը, էներգիայի կառավարումը և ընդհանուր համակարգի ինտեգրումը։
Եզրակացություն
3 նմ չիպերի արտադրության տեխնոլոգիան կիսահաղորդչային աշխարհում կարևորագույն նվաճում է և հիմք է դնում առաջատար սմարթֆոնների հաջորդ սերնդի համար: Ավելի բարձր տրանզիստորային խտության, ճշգրիտ EUV լիտոգրաֆիայի և տրանզիստորային կառուցվածքների GAAFET-ի զարգացման շնորհիվ, 3 նմ չիպերը ապահովում են բարձրացված արտադրողականություն և բարելավված էներգաարդյունավետություն: Այնուամենայնիվ, մարտահրավերները նույնպես էական են. բարձր ծախսերը, արտադրության բարդությունը և արտադրողականության հետ կապված խնդիրները խոչընդոտում են այս տեխնոլոգիայի արագ լայն տարածմանը: Վերջիվերջո, սմարթֆոնների օգտատերերի համար 3 նմ-ի առավելությունները ամենաշատը զգացվում են մարտկոցի բարելավված աշխատանքի, կայուն արտադրողականության և ավելի ու ավելի բարդ արհեստական բանականության հնարավորությունների միջոցով՝ ձեռքի ափի մեջ:
