5 նմ չիպերի արտադրության տեխնոլոգիա սմարթֆոնների վրա

5 նմ չիպերի արտադրության տեխնոլոգիա սմարթֆոններում

Վերջին տասնամյակում սմարթֆոնների զարգացումը անբաժանելիորեն կապված է կիսահաղորդչային տեխնոլոգիաների առաջընթացի հետ: Նոր չիպսեթների թողարկման ժամանակ հաճախ հիշատակվող կարևորագույն իրադարձություններից մեկը «5 նմ արտադրությունն» է: Այս տերմինը վերաբերում է չիպերի արտադրության գործընթացին, որն օգտագործում է չափազանց խիտ լիտոգրաֆիկ տեխնոլոգիա, որը թույլ է տալիս ավելի շատ տրանզիստորներ ներկառուցել ավելի փոքր սիլիկոնային տարածքում: Սա անմիջական ազդեցություն է ունեցել հեռախոսի աշխատանքի, էներգաարդյունավետության, հաշվողական տեսախցիկի որակի և նույնիսկ սարքի վրա արհեստական ​​բանականության (AI) հնարավորությունների վրա: Բայց ի՞նչ է նշանակում «5 նմ»-ը, ինչպե՞ս են պատրաստվում 5 նմ չիպերը, և ինչո՞ւ է այս տեխնոլոգիան այդքան կարևոր սմարթֆոնների արդյունաբերության համար:

Ի՞նչ է 5 նմ արտադրությունը:

Ժամանակակից չիպերում «5 նմ»-ը (նանոմետր) արտադրական գործընթացի ստեղծման պիտակ է, այլ ոչ թե պարզապես մեկ բաղադրիչի ֆիզիկական չափում, ինչպիսին է տրանզիստորային դարպասի երկարությունը: Այսօրվա չիպերի դարաշրջանում նանոմետրային թիվն ավելի ճշգրիտ է ընկալվում որպես գործընթացային հանգույցի խտության և առաջընթացի նշիչ: Որքան փոքր է հանգույցը, այնքան մեծ է տրանզիստորների քանակը մեկ քառակուսի միլիմետրի վրա, այնքան ցածր է նույն արտադրողականության դեպքում էներգիայի սպառումը, և այնքան բարձր է նույն էներգիայի սպառման դեպքում արտադրողականությունը:

5 նմ սերնդում TSMC-ի և Samsung Foundry-ի նման ձուլարանները օպտիմալացրել են տրանզիստորների դիզայնը, դասավորությունը և լիտոգրաֆիայի տեխնիկան՝ կարևորագույն առանձնահատկությունները կրճատելու և փոխկապակցվածությունները կոմպակտացնելու համար: Արդյունքում, չիպերը կարող են ավելի բարդ դառնալ առանց մատրիցայի չափը մեծացնելու, կամ հակառակը, մատրիցայի չափը կարող է պահպանվել՝ միաժամանակ մեծացնելով մշակման հզորությունը:

Ինչո՞ւ է 5 նմ-ը կարևոր սմարթֆոնների համար։

Սմարթֆոնները սարքեր են՝ սահմանափակ տարածքով և ջերմային սահմանափակումներով։ Մարտկոցները սահմանափակ են, պասիվ սառեցումը՝ նվազագույն, և օգտատերերը պահանջում են բարձր արդյունավետություն խաղերի, բազմախնդրության, բարձր թույլտվությամբ տեսանկարահանման և իրական ժամանակում արհեստական ​​ինտելեկտի մշակման համար։ 5 նմ հանգույցն առաջարկում է երեք հիմնական առավելություն.

1. Ավելի լավ էներգաարդյունավետություն. Փոքր, օպտիմալացված տրանզիստորների միջոցով կարելի է նվազեցնել աշխատանքային լարումը, կառավարել արտահոսքի հոսանքը և կրճատել հրահանգների համար նախատեսված էներգիան: Սա օգնում է երկարացնել մարտկոցի կյանքը:
2. Արդյունավետության բարձրացում. Ավելի բարձր տրանզիստորային խտությունը թույլ է տալիս ունենալ ավելի շատ պրոցեսորի միջուկներ, GPU-ի արդիականացումներ, մեծացնել քեշը և ավելի հզոր արհեստական ​​բանականության արագացուցիչներ։
3. Ավելի շատ հնարավորություններ մեկ չիպում. տարբեր բլոկներ, ինչպիսիք են ISP-ն (պատկերի ազդանշանի պրոցեսոր), NPU-ն (նեյրոնային մշակման միավոր), մոդեմը, տեսակոդավորիչը/ապակոդավորիչը և անվտանգության համակարգը, կարող են ավելի արդյունավետորեն համակցվել:

Ահա թե ինչու 5 նմ չիպերը լայնորեն օգտագործվում են ֆլագմանային հեռախոսներում, հատկապես՝ առանց սարքի արագ տաքացման գագաթնակետային աշխատանք ապահովելու համար։

5 նմ չիպի արտադրության գործընթացի համառոտ ակնարկ

Չիպերի արտադրությունը երկարատև, բարդ գործընթաց է, որը պահանջում է միլիարդավոր դոլարների արժողությամբ գործարանային հզորություններ: Ընդհանուր առմամբ, 5 նմ չիպը ստեղծվում է հետևյալ քայլերով.

1. Շղթայի նախագծում և դասավորություն
Չիպերի նախագծմամբ զբաղվող ընկերությունները (օրինակ՝ Apple, Qualcomm, MediaTek կամ Samsung System LSI) նախագծում են պրոցեսորի, գրաֆիկական պրոցեսորի, միացյալ պրոցեսորի, մոդեմի և այլ բաղադրիչների ճարտարապետությունը։ Այս նախագծերը այնուհետև վերածվում են արտադրության համար պատրաստ ֆիզիկական դասավորության՝ ամբողջական միացման ուղիներով և մետաղական շերտերով։

2. Սիլիկոնային վաֆլիների արտադրություն
Վաֆլին մաքուր սիլիցիումից պատրաստված մեծ տրամագծով սկավառակ է (սովորաբար 300 մմ): Դրա մակերեսը հղկված է մինչև շատ հարթ մակերես, քանի որ ցանկացած անկատարություն կարող է ազդել վերջնական արտադրանքի վրա:

3. Նստեցում և ծածկույթ (բարակ թաղանթային նստեցում)
Տարբեր նյութեր (օքսիդներ, նիտրիդներ, մետաղներ) ավելացվում են շատ բարակ շերտերով: Յուրաքանչյուր շերտ ունի որոշակի գործառույթ, օրինակ՝ մեկուսիչ, հաղորդիչ կամ վահան:

4. Լուսավիտոգրաֆիա
Սա հիմնական քայլն է, որը հաճախ կապված է «նմ»-ի հետ: Սխեմաների պատկերները պրոյեկտվում են վաֆլիի վրա՝ օգտագործելով դիմակի միջով անցնող լույս: 5 նմ-ում արդյունաբերությունը որոշ կարևոր շերտերի համար ավելի ու ավելի է ապավինում EUV-ին (Extreme Ultraviolet Lithography), քանի որ EUV-ի չափազանց կարճ ալիքի երկարությունները թույլ են տալիս ավելի խիտ պատկերների տպագրություն, քան ավանդական DUV լիտոգրաֆիան:

5. Փորագրում և իոնային իմպլանտացիա
Երբ ֆոտոռեզիստի վրա նախշը ձևավորվում է, որոշակի հատվածներ փորագրվում են՝ կառուցվածքը ձևավորելու համար: Իոնային իմպլանտացիան օգտագործվում է սիլիցիումը «խառնելու» համար՝ տրանզիստորում ստեղծելով p- և n-փուլային շրջաններ՝ էլեկտրական հոսանքը կառավարելու համար:

6. Տրանզիստորների և միացումների ձևավորում
5 նմ հանգույցում տրանզիստորները, որպես կանոն, դեռևս օգտագործում են FinFET (fin դաշտային էֆեկտի տրանզիստոր) տեխնոլոգիան: «Fire» կառուցվածքը բարելավում է դարպասի կառավարումը ալիքի վրա՝ օգնելով նվազեցնել արտահոսքը և բարձրացնել արդյունավետությունը:

7. Չափագիտություն և ստուգում
Ամբողջ գործընթացի ընթացքում կատարվում են խիստ չափումներ և ստուգումներ՝ օգտագործելով բարձր ճշգրտության գործիքներ՝ ապահովելու համար, որ չափերը համապատասխանեն նպատակային չափանիշներին: Նանոմետրային մասշտաբով նույնիսկ փոքր շեղումները կարող են նվազեցնել արտադրողականությունը (հաջողակ չիպերի տոկոսը):

8. Կտրատում, փաթեթավորում և փորձարկում
Վաֆլին կտրվում է մատրիցների (առանձին չիպերի) և այնուհետև հավաքվում է փաթեթի մեջ: Սմարթֆոնների համար PoP-ի (Package-on-Package) կամ այլ ինտեգրացիոն համակարգերի նման առաջադեմ փաթեթավորումը օգնում է խնայել տարածք և բարելավել ազդանշանի արդյունավետությունը: Այնուհետև կատարվում է ֆունկցիոնալ և որակի ստուգում:

EUV-ի դերը 5nm հանգույցի վրա

EUV-ն հիմնական տեխնոլոգիաներից մեկն է, որը 5 նմ-ը դարձնում է ավելի գործնական զանգվածային արտադրության համար: Հին հանգույցների վրա DUV-ով շատ փոքր նախշերի տպագրությունը պահանջում էր բարդ բազմաձև նախշերի տպագրության տեխնիկա՝ նախշերի բազմակի տպագրություն մեկ շերտի համար: Սա մեծացրեց ծախսերը, ժամանակը և մեծացրեց թերությունների առաջացման ռիսկը:

EUV-ի միջոցով որոշ կարևոր շերտեր կարող են տպագրվել ավելի անմիջականորեն, ինչը նվազեցնում է գործընթացի բարդությունը: Այնուամենայնիվ, EUV-ն նաև շատ թանկ է և մարտահրավերներով լի. EUV լույսի աղբյուրները դժվար է կայունացնել, օպտիկան օգտագործում է հատուկ հայելիներ (քանի որ EUV-ն կլանվում է սովորական ապակու կողմից), և ամբողջ գործընթացը տեղի է ունենում վակուումում:

5 նմ-ի ազդեցությունը կատարողականի և օգտագործողի փորձի վրա

Սմարթֆոնների օգտատերերի համար 5 նմ-ը պարզապես մարքեթինգային թիվ չէ։ Դրա ազդեցությունը կարելի է զգալ մի քանի ձևերով.

– CPU-ի և GPU-ի կատարողականություն. Ծանր խաղերը կարող են աշխատել ավելի կայուն կադրերի հաճախականությամբ, իսկ արտադրողականության ծրագրերն ավելի արագ արձագանքող են։
– Հաշվողական լուսանկարչություն. Ավելի հզոր ISP-ն հնարավորություն է տալիս ավելի արագ HDR, ավելի լավ աղմուկի նվազեցում և ավելի արդյունավետ գիշերային մշակում:
– Սարքի վրա տեղադրված արհեստական ​​բանականություն. ավելի արագ NPU-ն ավելի հարթ է դարձնում խոսքի ճանաչումը, անցանց թարգմանությունը, լուսանկարչական օբյեկտների ընտրությունը և իրական ժամանակի տեսաէֆեկտները:
– Մարտկոցի արդյունավետություն. ցածր էներգիայի սպառման շնորհիվ սարքը կարող է ավելի երկար ծառայել, հատկապես հոսքային հեռարձակման, զննարկման կամ սպասման ռեժիմում աշխատելու համար։

Այնուամենայնիվ, կարևոր է հասկանալ, որ վերջնական արդյունավետությունը կախված չէ միայն հանգույցից: Ճարտարապետությունը (օրինակ՝ պրոցեսորի միջուկի դիզայնը), էներգիայի կառավարումը, ներկառուցված ծրագիրը և օպերացիոն համակարգի օպտիմալացումը նույնպես կարևոր են:

5 նմ չիպի մարտահրավերներ. ջերմություն, արժեք և արտադրողականություն

Որքան փոքր է հանգույցը, այնքան ավելի բարդ է գործընթացը: 5 նմ-ի վրա տարածված մարտահրավերներն են՝

1. Ջերմային կառավարում
Սահմանափակ տարածքներում բարձր արտադրողականությունը կարող է ավելի շատ ջերմություն առաջացնել։ Սմարթֆոնները հիմնված են պասիվ սառեցման վրա, ուստի չիպերի դիզայնը պետք է լինի բարձր արդյունավետություն ունեցող՝ արագ ճնշումը կանխելու համար։

2. Արտադրական ծախսերի աճ
EUV մեքենաները և առաջադեմ արտադրական գործընթացները չափազանց թանկ են։ Սա բարձրացնում է վաֆլիների արժեքը և մեկ չիպի արժեքը, ինչը հաճախ ազդում է ֆլագման սարքերի գնի վրա։

3. Բերքատվության և գործընթացի տատանումներ
Շատ փոքր մասշտաբների դեպքում արտադրական տատանումները գնալով դժվարանում են վերահսկել։ Արդյունավետությունը դառնում է հիմնական գործոն. որքան բարձր է արդյունավետությունը, այնքան ցածր է օգտագործելի չիպի արժեքը։

Ապագան 5 նմ-ից հետո

5 նմ-ից հետո սերունդները անցնում են 4 նմ, 3 նմ և ավելի բարձր տրանզիստորների՝ աճող տրանզիստորների խտությամբ և արդյունավետությամբ։ Արդյունաբերությունը նաև FinFET-ներից անցնում է հաջորդ սերնդի տրանզիստորների, ինչպիսիք են GAAFET-ները (Gate-All-Around FET-ները) որոշակի հանգույցներում, որոնք ապահովում են ավելի լավ ալիքային կառավարում։ Ավելին, կարևորություն են ձեռք բերում նաև «կծկումից այն կողմ» մոտեցումները, ինչպիսիք են չիպլետները, 3D կուտակումը և առաջադեմ փաթեթավորումը՝ հանգույցի կծկումից այն կողմ կատարողականությունը բարելավելու համար։

Եզրակացություն

Սմարթֆոններում օգտագործվող 5 նմ չիպերի արտադրության տեխնոլոգիան ներկայացնում է կիսահաղորդչային արդյունաբերության կարևորագույն նվաճում, որը համատեղում է առաջադեմ տրանզիստորային դիզայնը, ժամանակակից լիտոգրաֆիկ գործընթացները (ներառյալ EUV-ն) և բարձր ճշգրտությամբ արտադրական կառավարումը: Օգտատերերի համար 5 նմ-ն ապահովում է ավելի բարձր արտադրողականություն, բարելավված էներգաարդյունավետություն և նույնիսկ ավելի հզոր արհեստական ​​բանականություն և հաշվողական տեսախցիկի հնարավորություններ: Չնայած զգալի ծախսերին և մարտահրավերներին, 5 նմ հանգույցը կարևոր հիմք է, որը խթանում է նորարարությունը ֆլագման սմարթֆոններում՝ հարթելով ճանապարհը ավելի փոքր, ավելի արդյունավետ գործընթացների ապագա սերունդների համար:

Եթե ​​ցանկանում եք, կարող եմ այս հոդվածը հարմարեցնել լրագրողական գրելաոճին, գիտական ​​ոճին կամ ավելացնել հայտնի 5 նմ չիփսեթների օրինակներ՝ համառոտ համեմատության հետ միասին։