ნახევარგამტარების ინდუსტრიას დიდი გამოწვევები ელის ტრანზისტორების სიჭარბის საკითხში, რაც გავლენას ახდენს ჩიპების მუშაობასა და სიზუსტეზე. ეს ქეისი განიხილავს, როგორ ცდილობს ინდუსტრია გაუმკლავდეს ამ პრობლემას, რათა გაუმჯობესდეს ჩიპების წარმადობა და ეფექტიანობა. ამ პროცესის შედეგად, ტექნოლოგიური ინოვაციების და რევოლუციური გადაწყვეტილებების მოლოდინი იზრდება.
ნახევარგამტარების ინდუსტრიის წინაშე არსებული უდიდესი ტექნიკური გამოწვევა: ტრანზისტორების სიჭარბე ჩიპებზე
ნახევარგამტარების ინდუსტრიისათვის უდიდესი გამოწვევაა, როგორ მოვათავსოთ უფრო მეტი ტრანზისტორი ერთ ჩიპზე, როდესაც მურის კანონი თანდათან მცირდება. ბოლო ათწლეულებში ტრანზისტორების შემცირება და ტექნოლოგიური პროგრესი დიდად იყო დამოკიდებული მურის კანონის პრინციპებზე, რომელიც გულისხმობდა ტრანზისტორების რაოდენობის გაორმაგებას ყოველ 18-24 თვეში. თუმცა, როცა ტექნოლოგია ვითარდება, რთულდება ტრანზისტორების შემდგომი შემცირება, რაც დიდ გამოწვევებს ქმნის ინდუსტრიისათვის.
მურის კანონის ფარგლებში ტრანზისტორების შემცირება საშუალებას აძლევდა ტექნოლოგიებს, უფრო სწრაფი, ენერგოეფექტური და ძლიერი ყოფილიყო. დღესდღეობით ამ კანონის ძალის დაკარგვამ გამოიწვია ახალი ტექნიკური გზების ძიების აუცილებლობა, რომელიც შესაძლებელს გახდის მომავალი ნახევარგამტარების წარმოების პროგრესს.
ლითოგრაფიის როლი
ნახევარგამტარების წარმოებაში ერთ-ერთი ყველაზე მნიშვნელოვანი პროცესი ლითოგრაფიაა – ტექნოლოგია, რომელიც მიკროსქემებს ახვევს ჩიპებზე. კომპანია ASML-მა, რომელიც ამ პროცესში ერთ-ერთი წამყვანი მოთამაშეა, შექმნა უახლესი EUV (extreme ultraviolet) ლითოგრაფიის დანადგარი, რომელიც საშუალებას აძლევს მწარმოებლებს, ჩიპებზე უფრო მცირე ტრანზისტორები განალაგონ.
EUV ლითოგრაფიის აპარატი ასრულებს რთულ და მაღალტექნოლოგიურ პროცესებს, რომელთა მეშვეობითაც იქმნება მიკროსქემები სილიციუმის ფირფიტებზე. ამ პროცესში 50 000 თუთიის წვეთი გამოიყოფა ვაკუუმში, სადაც ლაზერი წვეთს ათბობს 220 000°C-მდე, რაც 40-ჯერ უფრო მაღალია, ვიდრე მზის ზედაპირის ტემპერატურა. ეს ქმნის პლაზმას, რომელიც გამოსცემს ზემოკლე ტალღის სინათლეს (EUV) და ეს სინათლე ასახავს სილიციუმის ფირფიტებზე მიკროსქემების ბლუპრინტს.
ასეთი ტექნოლოგიები, მიუხედავად მათი სირთულისა და სიდიდისა (ASML-ის უახლესი ლითოგრაფიის დანადგარი იწონის 150 ტონას და ღირს 350 მილიონ დოლარზე მეტი), ხელს უწყობს ნახევარგამტარების წარმოების პროგრესსა და ტრანზისტორების კიდევ უფრო შემცირებას.
მინისატურული ტრანზისტორები და მურის კანონის დასასრული
ტრანზისტორები ნახევარგამტარების უმთავრესი კომპონენტებია, რომლებიც ბინარული ლოგიკის საფუძველს (0 და 1) ქმნიან. თითოეული ტრანზისტორი შედგება სამი ძირითადი ნაწილისგან: წყარო, სადრენაჟე და კარი. მათი დაპროგრამება ელექტრული ძაბვით ხდება, რაც უზრუნველყოფს 0-სა და 1-ს შორის ცვლილებას, რაც ქმნის ლოგიკურ ცვლადებს, რომლებიც გამოიყენება თანამედროვე კომპიუტერულ პროგრამებში.
მურის კანონი გულისხმობდა, რომ ტრანზისტორების რაოდენობის ზრდა და მათი სიმცირე საშუალებას მისცემდა ტექნოლოგიებს, უფრო სწრაფი და ეფექტიანი ყოფილიყო. 1974 წელს IBM-ის ინჟინერმა რობერტ დენარდმა შენიშნა, რომ ტრანზისტორების შემცირება არა მხოლოდ ამცირებდა დანახარჯებს, არამედ ზრდიდა ჩიპების წარმადობას და ამცირებდა ენერგიის მოხმარებას.
თუმცა, როგორც ტრანზისტორები შემცირდა და გახდა ნანომეტრული ზომის (90nm და უფრო ნაკლები), ამოქმედდა კვანტური ეფექტები, რამაც გამოიწვია ელექტრული ნაკადების გაჟონვა ტრანზისტორებს შორის მაშინაც კი, როცა ისინი გამორთული იყო. ეს ფენომენი ცნობილია, როგორც „ლიკაჟი“, რაც ზრდიდა ენერგიის ხარჯვასა და ჩიპების გათბობას.
ტექნოლოგიური დაბრკოლებები და გამოსავალი
დენარდის სკალირების შეწყვეტის შემდეგ, როდესაც ტრანზისტორების სიმცირე ვეღარ უზრუნველყოფდა ენერგიის ხარჯის შემცირებას, ტექნოლოგიურმა დიზაინერებმა დაიწყეს მიკროსქემების მრავალპროცესორულ არქიტექტურაზე მუშაობა. ამ სტრატეგიით, ჩიპები იყოფა სხვადასხვა „ბირთვად“, რაც საშუალებას აძლევს მათ, ერთდროულად გაუმკლავდნენ რამდენიმე პროგრამას ან პროცესს.
ამის მიუხედავად, „ლიკაჟის“ პრობლემა ისევ აქტუალური იყო. მის გამოსასწორებლად Intel-მა 2011 წელს წარმოადგინა ახალი დიზაინი „FinFET“, რომელმაც შეცვალა ტრადიციული ტრანზისტორების სტრუქტურა და ამგვარად მიაღწია უკეთეს ენერგოეფექტურობასა და სიჩქარეს. FinFET-მა შესაძლებელი გახადა ტრანზისტორების ზომის კიდევ უფრო მეტად შემცირება, თუმცა, საბოლოოდ, იმავეს გაგრძელება რთული გახდა.
სამგანზომილებიანი ტრანზისტორები და მომავალი ტექნოლოგიები
ახლა, როდესაც ინდუსტრია ტრანზისტორების სიგრძის 10 ნანომეტრამდე შემცირებას გეგმავს, საჭიროა ახალი მიდგომები. ერთ-ერთი ასეთია სამგანზომილებიანი ტრანზისტორების (GAA – Gate All Around) შემუშავება, რომელიც საშუალებას აძლევს ჩიპებს, გააუმჯობესონ ენერგოეფექტურობა და უფრო მეტი ტრანზისტორი მოათავსონ ერთ ჩიპზე.
GAA ტრანზისტორები საშუალებას აძლევს ტრანზისტორის გარსს მოიცვას მთლიანი არხი, რაც კიდევ უფრო მეტად ამცირებს ელექტრულ გაჟონვას და ზრდის წარმადობას. Samsung-მა უკვე მოახერხა ასეთი ტრანზისტორების წარმოება და მას მოჰყვებიან ისეთი გიგანტები, როგორებიცაა Intel და TSMC.
თხელი მასალები და ნახშირბადის ნანოტუბები
თუმცა, როგორც GAA ტრანზისტორები მიაღწევს ფიზიკურ ლიმიტებს, ინდუსტრია ახალ მასალებზე გადავა. ერთი ასეთი არის ტრანზიციის მეტალების დიქალგენიდები (TMDs), რომლებმაც შეიძლება დაიცვან მხოლოდ სამი ატომის სისქეზე. ეს მასალები ხელს უწყობს ტრანზისტორების ზომის შემცირებას, თუმცა მათ აქვთ რამდენიმე ტექნიკური გამოწვევა, რომელთა გადაჭრა საჭიროა.
სხვა ალტერნატივაა ნახშირბადის ნანოტუბები (CNTs), რომლებიც ქმნიან სილიციუმის არხის ალტერნატივას. მათი ატომური სტრუქტურა ელექტრული ნაკადის უფრო სწრაფი და ეფექტიანი კონტროლის საშუალებას იძლევა, რაც ზრდის ტრანზისტორების წარმადობას. თუმცა, CNT-ების წარმოება მეტად რთული პროცესია, რაც ამჟამად ხელს უშლის მათ ფართოდ გამოყენებას.
დასკვნა
ნახევარგამტარების ინდუსტრია დგას უდიდესი ტექნიკური გამოწვევის წინაშე. მურის კანონის შემცირებამ შექმნა ახალი მოთხოვნები და ტექნიკური პრობლემები, რომლების გადაჭრაც საჭიროა მომავალი ტექნოლოგიური პროგრესისთვის. ახალი მასალების, დიზაინებისა და სამგანზომილებიანი ტრანზისტორების განვითარება ამ პრობლემების გადაჭრის გზაა. თუმცა, ინდუსტრია კვლავ ეძებს ინოვაციურ მიდგომებსა და ტექნოლოგიებს, რომლებიც უზრუნველყოფს მომავალში ნახევარგამტარების წარმოების ეფექტიანობას.
წყარო: The Economist
