आज हम भविष्य के ट्रांजिस्टर के बारे में बात करेंगे और उनके निर्माण के सभी रहस्यों को उजागर करेंगे। आज यह पहले से ही स्पष्ट है कि हम चिप उत्पादन की संरचना और पद्धति में भारी बदलाव के दौर का सामना कर रहे हैं, जिसे बाजार ने लंबे समय से नहीं देखा है। दुनिया के महानतम दिमाग यह सोचते हुए रातों की नींद हराम कर देते हैं कि किस फार्मूले का उपयोग किया जाए ताकि व्यक्तिगत परमाणु ठीक उसी तरह से नृत्य कर सकें जिस तरह से उन्हें चाहिए और वे चीजें करें जो भौतिकी के नियमों का उल्लंघन करती प्रतीत होती हैं।
यह अमेरिका, कोरिया और ताइवान के सेमीकंडक्टर दिग्गजों के बीच बढ़ती प्रतिस्पर्धा का भी दौर होगा। वे तकनीकी नेताओं के रूप में अपनी स्थिति को बहाल करने, हासिल करने या मजबूत करने के लिए आगामी प्रतिमान बदलाव का लाभ उठाने की कोशिश कर रहे हैं। कौन से नवाचार और क्रांतियाँ हमारा इंतजार कर रही हैं? चलिए आज समझाने की कोशिश करते हैं.
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ट्रांजिस्टर की ज्यामिति बदलना
या यूँ कहें कि उनके लक्ष्य बदल जायेंगे। पहला नवाचार जो तीन बड़े सेमीकंडक्टर निर्माताओं (टीएसएमसी, इंटेल,) द्वारा प्रस्तुत किया जाएगा (या था!) Samsung), ये तथाकथित GAAFET ट्रांजिस्टर हैं। 2011 के बाद से ट्रांजिस्टर ज्यामिति में यह पहला बड़ा बदलाव है, जब दुनिया ने इंटेल के फिनफेट ट्रांजिस्टर को देखा। मैं GAAFETs के विषय पर अधिक चर्चा नहीं करना चाहता, क्योंकि इसके लिए एक अलग लेख की आवश्यकता है। यहां हम केवल इनके पीछे की अवधारणा पर चर्चा करेंगे।
ट्रांजिस्टर के लघुकरण के साथ, इंजीनियरों ने तथाकथित शॉर्ट-चैनल प्रभावों का अनुभव करना शुरू कर दिया। संक्षेप में, जैसे-जैसे नाली और ट्रांजिस्टर की नाली के बीच की दूरी कम होती गई, समस्या और बड़ी होती गई। यानी, शटर ने चैनल के माध्यम से बहने वाले करंट पर नियंत्रण खोना शुरू कर दिया। एक दर्जन वर्षों तक, इस समस्या का समाधान यह था कि चैनल को सिलिकॉन वेफर की सतह से एक फिन (इसलिए फिन, या फिन, फिनफेट में) के रूप में कैसे फैलाया जाए। यह गेट को तीन तरफ से चैनल से संपर्क करने की अनुमति देता है (या यदि किनारे में पच्चर के आकार का क्रॉस-सेक्शन है तो दो तरफ), जिससे वर्तमान प्रवाह पर अधिक नियंत्रण मिलता है और ट्रांजिस्टर के विद्युत मापदंडों को जरूरतों के अनुसार अनुकूलित करने में अधिक लचीलापन मिलता है। डिज़ाइन।
हालाँकि, ट्रांजिस्टर में लगातार कमी का मतलब था कि यह अब पर्याप्त नहीं था। यह आवश्यक था कि गेट ट्रांजिस्टर चैनल को घेरना शुरू कर दे, यानी इसने GAAFET ट्रांजिस्टर का निर्माण किया (GAA गेट-ऑल-अराउंड का संक्षिप्त नाम है)। सीधे शब्दों में कहें तो, आप उन्हें एक तरफ रखे गए फिनफेट ट्रांजिस्टर के रूप में सोच सकते हैं, क्योंकि फिनफेट ट्रांजिस्टर में अक्सर दो या तीन किनारे होते हैं। यह एक मल्टीलेयर सैंडविच की तरह है, जिसमें ट्यूब या शीट के रूप में चैनल, एक के ऊपर एक स्थित होते हैं, जो इन्सुलेटर और गेट की परतों से अलग होते हैं। हालाँकि यह अवधारणा कई वर्षों से ज्ञात है और मौजूदा उपकरणों और प्रक्रियाओं का उपयोग करती है, लेकिन इसका कार्यान्वयन मामूली नहीं है। समस्या यह है कि किसी स्तर पर चैनल की अगली परतें हवा में लटक जाती हैं, जो केवल एक अस्थायी "स्तंभ" द्वारा समर्थित होती हैं। उसी समय, उनके निचले हिस्से को समान रूप से एक परमाणु की मोटाई के साथ ढांकता हुआ की एक परत के साथ कवर किया जाना चाहिए, और फिर सावधानीपूर्वक सभी खाली स्थानों को सामग्री से भरना चाहिए।
यह तथ्य कि GAAFETs तुच्छ नहीं हैं, स्थिति से उजागर होता है Samsung. 2022 से, कोरियाई पोर्टफोलियो में MBCFET ट्रांजिस्टर (विपणन नाम) के साथ एक प्रक्रिया है Samsung GAAFET ट्रांजिस्टर लागू करने के लिए)। हालाँकि, व्यवहार में, यह दौड़ में एक विशिष्ट पायरथिक जीत है। तथ्य यह है कि इसके उपयोग से प्राप्त पूरी तरह कार्यात्मक चिप्स का प्रतिशत इतना कम है कि लगभग कोई भी इसे उत्पादन में उपयोग नहीं करना चाहता (यहाँ तक कि… Samsung आपके Exynos के लिए)। हम सभी जानते हैं कि इसका उपयोग क्रिप्टोकरेंसी खनिकों के लिए छोटे और अपेक्षाकृत सरल चिप्स का उत्पादन करने के लिए किया जाता है। इस प्रक्रिया की केवल दूसरी पीढ़ी, जो 2024 में उपलब्ध होगी, जिसे 3जीएपी कहा जाता है (हालांकि कुछ स्रोतों का कहना है कि इसका नाम बदलकर 2एनएम क्लास प्रक्रिया किया जा सकता है), के अधिक व्यापक रूप से उपयोग किए जाने की उम्मीद है।
GAAFET ट्रांजिस्टर (इंटेल इसके कार्यान्वयन को RibbonFET कहता है) को Intel की 20A और 18A प्रक्रियाओं के हिस्से के रूप में इस वर्ष Intel कारखानों में वितरित किया जाना चाहिए, जिसका उपयोग एरो लेक और लूनर लेक सिस्टम के लिए घटकों के निर्माण के लिए किया जाएगा। हालाँकि, विभिन्न उद्योग अफवाहों से पता चलता है कि प्रारंभिक उत्पादन का पैमाना सीमित हो सकता है।
टीएसएमसी के बारे में क्या? ताइवानी कंपनी अपनी N2 प्रक्रिया में GAAFET ट्रांजिस्टर का उपयोग करने की योजना बना रही है, जिसके 2025 तक पूरी तरह से तैयार होने की उम्मीद नहीं है। सैद्धांतिक रूप से बाद में Samsung और इंटेल, लेकिन जब टीएसएमसी एक निश्चित प्रक्रिया के बारे में बात करता है, तो इसका मतलब आमतौर पर कुछ उत्पादन करने के लिए तैयार होना होता है Apple і Nvidia, इसलिए व्यवहार में अंतर बहुत छोटा हो सकता है।
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ट्रांजिस्टर को संचालित करने का तरीका बदल रहा है
दूसरा नवाचार जो हमारा इंतजार कर रहा है वह इस बात से संबंधित है कि माइक्रो सर्किट में ट्रांजिस्टर को कैसे संचालित किया जाएगा। वर्तमान में, माइक्रोप्रोसेसर के निर्माण की प्रक्रिया नीचे से ऊपर की परतों में होती है। नीचे ट्रांजिस्टर बनाए जाते हैं, फिर उनके ऊपर कनेक्शन नेटवर्क बनाए जाते हैं, और फिर पावर केबल बनाए जाते हैं। आम तौर पर दस से बीस से अधिक परतें होती हैं, और परत जितनी ऊंची होगी, उसके तत्व उतने ही बड़े होंगे।
अगले कुछ वर्षों में, मानक यह होगा कि ट्रांजिस्टर के बीच जंक्शन बनाने के बाद, सिलिकॉन वेफर को फ़्लिप किया जाएगा, पतला किया जाएगा, और वेफ़र के दूसरे, पॉलिश किए गए पक्ष पर पावर पथ बनाए जाएंगे। इसका मतलब यह है कि ट्रांजिस्टर बर्गर में पैटी की तरह होंगे, केक के आधार की तरह नहीं।
यह अनुमान लगाना आसान है कि यह चिप निर्माण प्रक्रिया को कितना जटिल करेगा, लेकिन पहले प्रयोगों के अनुसार, बीएसपीडीएन (बैक साइड पावर डिलीवरी नेटवर्क) प्रक्रिया कई फायदे लाती है। सबसे पहले, इस दृष्टिकोण के लिए धन्यवाद, ट्रांजिस्टर को एक दूसरे के करीब रखा जा सकता है। दूसरे, परतों की कुल संख्या छोटी होगी। तीसरा, बिजली आपूर्ति के उच्चतम स्तर से ट्रांजिस्टर तक कनेक्शन छोटा होगा। और इसका मतलब है कम ऊर्जा हानि और आपूर्ति वोल्टेज को कम करने की संभावना। इस समाधान को लागू करने के सटीक तरीके जटिलता और संभावित लाभों में भिन्न हो सकते हैं, लेकिन बाजार के सभी प्रमुख खिलाड़ियों का कहना है कि खेल निश्चित रूप से मोमबत्ती के लायक है।
इस वर्ष के अंत में हम इंटेल प्रो में पहली बार बीएसपीडीएन को क्रियान्वित होते देखेंगेcesएस 20ए (इंटेल इसके कार्यान्वयन को पावरविया कहता है)। इंटेल के इस तीव्र विकास का श्रेय इस तथ्य को जाता है कि वह ट्रांजिस्टर की ज्यामिति को बदलने और नई मशीनों के उपयोग की परवाह किए बिना, कुछ समय से इस तकनीक पर काम कर रहा है। इसका मतलब यह है कि वह इसे भविष्य की लगभग किसी भी प्रक्रिया में एकीकृत करने में सक्षम होगी।
Samsung अभी तक इस बारे में कोई आधिकारिक जानकारी नहीं दी गई है कि वह बीएसपीडीएन फीडबैक प्रक्रिया के अपने संस्करण का उपयोग कब शुरू करेगा। ज़्यादा ख़बरें नहीं हैं, लेकिन हम जानते हैं कि इंटेल पहले से ही इस समाधान के साथ प्रयोग कर रहा है। और उद्योग की अफवाहें एसएफ2 प्रक्रिया में इसके कार्यान्वयन की संभावना के बारे में बात करती हैं, 2025 के लिए योजना बनाई गई है, या अगले में, जो 2027 के लिए योजना बनाई गई है।
टीएसएमसी भी इस क्षेत्र में अपना समय ले रही है, और रिपोर्ट करती है कि हालांकि पहले प्रयोग अच्छे परिणाम लाते हैं, यह बीएसपीडीएन को एन2पी प्रक्रिया में पेश करने का इरादा रखता है, जिसे केवल 2026 और 2027 के अंत में लागू करने की योजना है।
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प्लेट एक्सपोज़र मशीनों का परिवर्तन
माइक्रोप्रोसेसर निर्माण के बारे में कोई भी गंभीर बातचीत रेले मानदंड का उल्लेख किए बिना पूरी नहीं होती है। लिथोग्राफी के मामले में, यानी सिलिकॉन वेफर्स को उजागर करने की प्रक्रिया, यह निम्नलिखित सूत्र का रूप लेती है:
सीडी = के1 • λ / एनए।
सीधे शब्दों में कहें तो इसका मतलब है कि सिलिकॉन वेफर की सतह पर प्रकाश द्वारा बनाए जा सकने वाले सबसे छोटे तत्व का आकार तीन संख्याओं पर निर्भर करता है:
k1 व्यवहार में एक आयामहीन गुणांक है जो प्रक्रिया की दक्षता को इंगित करता है;
λ प्रकाश की तरंग दैर्ध्य है जो प्लेट को रोशन करती है;
NA ऑप्टिकल सिस्टम का संख्यात्मक एपर्चर है।
कई वर्षों से, ट्रांजिस्टर की पैकिंग घनत्व को बढ़ाने का मुख्य तरीका तेजी से कम तरंग दैर्ध्य वाले प्रकाश का उपयोग करना रहा है। हमने कुछ सौ नैनोमीटर के स्तर पर शुरुआत की और 193 एनएम तरंग दैर्ध्य पर प्रकाश का उपयोग करने के लिए अपेक्षाकृत तेज़ी से आगे बढ़ने में सक्षम हुए, जिस पर अर्धचालक दुनिया अपनी इच्छा से कहीं अधिक लंबे समय से अटकी हुई है। वर्षों के शोध, देरी और अरबों डॉलर खर्च करने के बाद, 2019 में एएसएमएल की यूवी लिथोग्राफी मशीनें आखिरकार बाजार में आ गईं। वे लगभग 13,5 एनएम की तरंग दैर्ध्य के साथ पराबैंगनी प्रकाश (ईयूवी) का उपयोग करते हैं और अब सभी उन्नत चिप विनिर्माण संयंत्रों में उपयोग किए जाते हैं। हालाँकि, यह संभवतः आखिरी बार है जब उपरोक्त सूत्र में λ को सफलतापूर्वक कम किया गया था।
इसलिए आपको एनए को बदलने के साथ खिलवाड़ करना होगा। आप NA को कैमरा लेंस के एपर्चर के रूप में सोच सकते हैं। यह आयामहीन संख्या निर्धारित करती है कि ऑप्टिकल सिस्टम कितना प्रकाश एकत्र करता है। लिथोग्राफिक मशीनों के मामले में, इसका मतलब है (उपरोक्त सूत्र के अनुसार) कि यदि हम छोटी और छोटी सुविधाएँ बनाना चाहते हैं, तो NA उतना ही अधिक होना चाहिए। वर्तमान में उपयोग में आने वाली ASML मशीनों का NA 0,33 है। अगला चरण ऑप्टिकल सिस्टम के उच्च संख्यात्मक एपर्चर वाली मशीनें हैं, जिनका NA 0,55 है।
यह सरल लगता है, लेकिन इस व्यवसाय में कुछ भी सरल नहीं है। यह इस तथ्य से सबसे अच्छी तरह से स्पष्ट होता है कि हाई-एनए मशीनें अपने पूर्ववर्तियों (लगभग $400 मिलियन बनाम लगभग $150 मिलियन) की तुलना में बहुत बड़ी और दोगुनी से अधिक महंगी हैं, जबकि इनका थ्रूपुट भी कम है। इसलिए, जबकि हर कोई जानता है कि यह सबसे उन्नत प्रोसेसर के निर्माण का भविष्य है, इसे अक्सर आवश्यक बुराई के रूप में माना जाता है।
इंटेल ईयूवी हाई-एनए मशीनों का उपयोग करने में सबसे तेज़ था। अमेरिकी कंपनी ने इस प्रकार की पहली उपलब्ध मशीन पहले ही खरीद ली है, जिसे वर्तमान में ओरेगन में कंपनी के एक संयंत्र में स्थापित किया जा रहा है। साथ ही, इंटेल की योजना इस वर्ष उत्पादित अधिकांश मशीनें खरीदने की है। यह ज्ञात है कि डेवलपर्स 14ए प्रक्रिया में बड़े पैमाने पर हाई-एनए लिथोग्राफी का उपयोग करने की योजना बना रहे हैं, जिसके 2026 या 2027 में सामने आने की उम्मीद है (यदि सब कुछ योजना के अनुसार हुआ)।
इसके साथ ही, Samsung और टीएसएमसी को कोई जल्दी नहीं है, वे 1-एनएम प्रक्रिया के कार्यान्वयन तक, यानी लगभग 2030 तक, इस उपकरण का उपयोग करने की आर्थिक समझ पर संदेह कर रहे हैं। इसके बजाय, वे विभिन्न तरकीबों और प्रक्रिया सुधारों के साथ उनके पास पहले से मौजूद ईयूवी मशीनों में से सर्वश्रेष्ठ को निचोड़ने का इरादा रखते हैं जो कि k1 कारक की छत्रछाया में आते हैं।
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3D पर स्विच करें
अब हम अनिश्चित भविष्य, शोध कार्यों और सामान्य धारणाओं के क्षेत्र में जाना शुरू कर रहे हैं, न कि ठोस योजनाओं के। हालाँकि, समुदाय इस बात पर एकमत है कि एक समय आएगा जब ट्रांजिस्टर को एक दूसरे के ऊपर रखना होगा क्योंकि एक्स और वाई स्केलिंग व्यावहारिक रूप से अपनी सीमा तक पहुंच जाएगी। वर्तमान में, पी-टाइप और एन-टाइप ट्रांजिस्टर एक दूसरे के बगल में रखे जाते हैं। लक्ष्य पी-प्रकार ट्रांजिस्टर के शीर्ष पर एन-प्रकार ट्रांजिस्टर को ढेर करना है, इस प्रकार सीएफईटी (पूरक एफईटी) नामक ट्रांजिस्टर के "सैंडविच" बनाना है। इस तरह के डिज़ाइन को प्राप्त करने के दो मुख्य तरीकों का अध्ययन किया जा रहा है: मोनोलिथिक, जिसमें पूरी संरचना एक प्लेट पर बनी होती है, और अनुक्रमिक, जिसमें एन- और पी-प्रकार ट्रांजिस्टर अलग-अलग प्लेटों पर निर्मित होते हैं जो एक साथ "चिपके" होते हैं।
विशेषज्ञों के अनुसार, माइक्रोप्रोसेसरों के उत्पादन का बाजार 2032-2034 के आसपास तीसरे आयाम में प्रवेश करेगा। वर्तमान में, यह ज्ञात है कि इंटेल और टीएसएमसी इस तकनीक के कार्यान्वयन पर गहनता से काम कर रहे हैं, लेकिन Samsung, शायद नींद भी नहीं आ रही है, क्योंकि इस समाधान के उपयोग के संभावित लाभ बहुत बड़े हैं।
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"दो आयामों" में संक्रमण
एक और समस्या जिससे माइक्रोसर्किट निर्माण की दुनिया के नेता निपटने की कोशिश कर रहे हैं, वह यह है कि सिलिकॉन की भारी कमी है। इस तत्व ने कई दशकों तक ईमानदारी से हमारी सेवा की है, लेकिन इसकी सीमित मात्रा के कारण आगे छोटे और तेज़ ट्रांजिस्टर का निर्माण असंभव होने लगा है। इसलिए, तथाकथित द्वि-आयामी सामग्रियों पर शोध जो ट्रांजिस्टर चैनल में सिलिकॉन की जगह ले सकता है, पूरी दुनिया में चल रहा है। ये ऐसी सामग्रियां हैं जिनकी मोटाई कई या केवल एक परमाणु हो सकती है, और विद्युत आवेश की गतिशीलता प्रदान करती है, जो इस मोटाई के सिलिकॉन अर्धचालकों के लिए उपलब्ध नहीं है।
सबसे प्रसिद्ध द्वि-आयामी सामग्री ग्राफीन है। हालाँकि चिप उत्पादन में इसके उपयोग की अभी भी खोज की जा रही है, लेकिन प्राकृतिक ऊर्जा अंतर की कमी के कारण, यह संदिग्ध है कि क्या इसका उपयोग कभी अर्धचालक उत्पादन के लिए औद्योगिक पैमाने पर किया जाएगा। हालाँकि, टीएमडी यौगिकों (ट्रांज़िशन मेटल डाइक्लोजेनाइड्स - आवर्त सारणी के डी ब्लॉक के संक्रमण धातुओं के यौगिक और आवर्त सारणी के 16 वें समूह के चाकोजेन्स) का उपयोग करके अनुसंधान, जैसे Intel और TSMC द्वारा संचालित MoS 2 और WSe 2, काफी आशाजनक दिखते हैं। इनके दुष्परिणाम हम अगले दशक में देख सकेंगे।
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दिलचस्प समय आने वाला है
संक्षेप में, मैं नोट करता हूं कि आने वाले वर्ष सेमीकंडक्टर उत्पादन के क्षेत्र में नवाचारों और क्रांतियों से भरे होंगे। ऊपर वर्णित नवाचार भी विषय को समाप्त नहीं करते हैं, क्योंकि हमने कंप्यूटर लिथोग्राफी के बारे में, न ही चिपलेट्स के विकास के बारे में, न ही ग्लास प्रोसेसर बेस में संभावित संक्रमण के बारे में कुछ भी उल्लेख नहीं किया है। हमने स्मृति के उत्पादन में प्रगति के बारे में भी बात नहीं की।
हर कोई जानता है कि ऐसे मोड़ तकनीकी अंतराल को पकड़ने के लिए आदर्श हैं, क्योंकि इस बात की बहुत अधिक संभावना है कि प्रतिस्पर्धी विफल हो जाएंगे। इंटेल ने प्रतिस्पर्धा की तुलना में अगले सेमीकंडक्टर इनोवेशन को तेजी से पेश करने में सक्षम होने के लिए कंपनी के पूरे भविष्य को भी दांव पर लगा दिया। अमेरिकी सरकार भी अत्याधुनिक चिप्स के उत्पादन को उत्तरी अमेरिका में वापस लाने में बहुत रुचि रखती है, यही कारण है कि वह इंटेल के विकास में अरबों डॉलर का निवेश कर रही है। हालाँकि, चिप सब्सिडी केवल अमेरिकियों के लिए रुचि का क्षेत्र नहीं है। कोरिया और ताइवान में सरकारें भी उदार प्राथमिकताएँ प्रदान करती हैं Samsung और टीएसएमसी, क्योंकि वे जानते हैं कि भविष्य का समय कितना महत्वपूर्ण है और इन देशों का भविष्य नई प्रौद्योगिकियों पर कितना निर्भर करता है। अन्य बातों के अलावा, क्योंकि उनके पीछे चीन है, जो अर्धचालक उत्पादन के अनुसंधान, विकास और विकास में भी भारी मात्रा में निवेश करता है, लेकिन यह पहले से ही एक अन्य लेख का विषय है।
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