تلفن هوشمند شما امروز بیش از یک میلیون برابر قدرت محاسباتی بیشتری نسبت به ناسا در هنگام فرستادن فضانوردان به ماه در سال 1969 دارد. این امکان وجود دارد زیرا قدرت محاسباتی در طول زمان به طور تصاعدی افزایش یافته است. اگر همین روند تصاعدی در صنعت خودرو اعمال می شد، یک سدان خانوادگی معمولی 20 سال پیش امروز همان قدرت یک جت مسافربری بزرگ را داشت.
این روند نمایی توسط دانشمندان و مهندسان تولید ترانزیستورهای کوچکتر، بلوک اصلی تراشه های کامپیوتری مدرن، آغاز شد. و فناوری نانو حدود 20 سال است که در خط مقدم این پیشرفت بوده است. نانوتکنولوژی، چه علمی است که همه چیز را ممکن می کند؟
فناوری ترانزیستور نیمه هادی
برخی فکر می‌کنند نانوتکنولوژی علمی تخیلی است، اما صنعت نیمه‌رسانا از سال 2003 محصولاتی را با استفاده از دستگاه‌هایی با طول ویژگی‌های کمتر از 100 نانومتر (nm) به فروش رسانده است. فرآیندهای تولیدی دارند که طول ویژگی ها را در محدوده نانومتری تک رقمی به دست می آورند.
فوتولیتوگرافی جزء کلیدی این کوچک سازی است. فوتولیتوگرافی شبیه به عکاسی فیلم است (برای کسانی که به اندازه کافی بزرگ هستند که به خاطر بسپارند).
در فتولیتوگرافی، یک لایه نازک نور مقاوم به ویفر سیلیکونی اعمال می شود.
سپس، الگویی از نور فرابنفش در معرض نور مقاوم قرار می‌گیرد و فتورزیست با مواد فتوشیمیایی توسعه می‌یابد.
مقاومت نوری ناخواسته شسته می شود و یک لایه مقاوم با الگوی مورد نظر روی سیلیکون باقی می ماند. این لایه الگو، سیلیکون را برای مراحل بعدی فرآیند آماده می کند و به مهندسان اجازه می دهد تا الگوهای پیچیده ای روی آن ایجاد کنند. بنابراین، فرآیند فوتولیتوگرافی مشخص می کند که ویژگی های یک قطعه الکترونیکی چقدر کارا خواهد بود.
بسیاری از تولیدکنندگان نیمه هادی حداقل طول ویژگی ترانزیستورهای خود را مشخص می کنند تا نشان دهند که CPU یا واحدهای پردازش مرکزی آنها چقدر پیشرفته هستند. CPUها "مغز" هر کامپیوتر مدرن هستند. جزء اصلی محاسبات در CPU ها ترانزیستورها هستند.
هر ترانزیستور یک سوئیچ است، بسیار شبیه به کلید چراغ روی دیوار شما. می تواند در حالت ON یا OFF باشد. تصویر نشان داده شده یک مقطع از طریق یک ترانزیستور مسطح است. این معماری غالب ترانزیستور برای مدتی بود.
هنگامی که یک ولتاژ به دروازه اعمال می شود که از یک ماده عایق ساخته شده است، جریان می تواند بین منبع و تخلیه جریان یابد. این ترانزیستور را در حالت روشن قرار می دهد.
هنگامی که هیچ ولتاژی به گیت اعمال نمی شود، هیچ جریانی بین منبع و تخلیه جریان ندارد و ترانزیستور در حالت OFF است.
و اگر ترانزیستورهای کافی با هم کار می کنند، CPU شما می تواند محاسبه کند. این روزها، دیدن CPUهایی با ترانزیستورهای چند ده میلیاردی غیرمعمول نیست. با کوچک کردن حداقل اندازه قطعات، سازندگان نیمه هادی می توانند چگالی ترانزیستور را در CPU های خود افزایش دهند، که به معنای قدرت محاسباتی بیشتر در فضای مشابه است.
هم اکنون پیشرفته ترین طراحی ترانزیستور اینتل در بازار، فناوری FinFET است که در سال 2012 به دنیا معرفی شد. این اولین بار در صنعت نیمه هادی بود که از طراحی ترانزیستور سه بعدی استفاده شد. کانال رسانا به شکل یک باله است که توسط مواد عایق پوشانده شده است.
اینتل قبلاً برنامه هایی را برای RibbonFET، طراحی نسل بعدی ترانزیستور خود اعلام کرده است. فناوری RibbonFET از مجموعه‌ای از نانوروبان‌ها تشکیل می‌شود که در مقایسه با ترانزیستورهای با باله‌های متعدد، جریان ON بالاتری را در ردپایی کوچکتر ایجاد می‌کنند. اینتل قصد دارد محصولاتی با فناوری RibbonFET را در اوایل سال 2024 وارد بازار کند.
این روند کوچک شدن ترانزیستورها برای چندین دهه ادامه داشته است و مبنایی برای افزایش تصاعدی قدرت محاسباتی است. این روند آنقدر مهم است که حتی یک نام برای آن وجود دارد: قانون مور. قانون مور بیان می کند که قدرت محاسباتی به دلیل کوچک شدن اندازه ترانزیستور تقریباً هر دو سال دو برابر می شود. برای روشن بودن، قانون مور یک قانون اقتصادی است، نه یک قانون فیزیکی طبیعت مانند قوانین ترمودینامیک. این نام از گوردون مور، یکی از بنیانگذاران اینتل گرفته شد، زیرا او اولین کسی بود که این روند را در سال 1965 مشاهده کرد.
قانون مور در دهه های پس از اولین مشاهدات خود، صنعت نیمه هادی ها را در برنامه ریزی بلندمدت و تعیین اهداف برای تحقیق و توسعه هدایت کرده است. قانون مور نیروی محرکه ای برای تغییرات تکنولوژیکی و اجتماعی، بهره وری و رشد اقتصادی بود که مشخصه اواخر قرن بیستم و اوایل قرن بیست و یکم بود.
بسیاری از کارشناسان صنعت نگران هستند که قانون مور به زودی به پایان برسد. حداقل طول ویژگی‌های دستگاه‌های امروزی به قدری کوچک است که ادامه انقباض به این معنی است که به زودی تنها چند اتم پهنا خواهند داشت. این موضوع چالش های بزرگی را برای مهندسان در صنعت نیمه هادی ها ایجاد می کند.
اولاً، از منظر فیزیک، الکترون‌ها می‌توانند به راحتی از میان موانع در طول ویژگی‌های کوچک عبور کنند. در ترانزیستورها، تونل زدن الکترون ها از طریق دروازه مشکل ساز بوده است. این جریان‌های نشتی یک ترانزیستور را با صرفه‌جویی در مصرف انرژی کمتر می‌کند و منجر به تخریب بیشتر ترانزیستور در طول زمان می‌شود. هنگامی که بیش از 10 میلیارد از این ترانزیستورها در دستگاه خود دارید (مانند بسیاری از CPU های مدرن)، این به یک مشکل بزرگ تبدیل می شود.
دوم، دلایل اقتصادی تحقیق و توسعه مورد نیاز برای ادامه قانون مور را پیچیده می کند. قانون کمتر شناخته شده ای در صنعت به نام قانون راک وجود دارد که به قانون دوم مور نیز معروف است، که بیان می کند هزینه یک کارخانه ساخت نیمه هادی هر چهار سال دو برابر می شود. این افزایش نمایی هزینه ها به دلیل پیچیدگی تولید بالاتر در مقیاس های طول کوچکتر ایجاد می شود. انجمن صنعت نیمه هادی، یک انجمن تجاری که صنعت نیمه هادی ایالات متحده را نمایندگی می کند، تخمین می زند که ساخت یک کارخانه پیشرفته در سال 2020 می تواند 20 میلیارد دلار هزینه داشته باشد. به این دلایل، این نگرانی وجود دارد که دوران افزایش نمایی افزایش قدرت محاسباتی ممکن است به زودی به پایان برسد.
خوشبختانه، دانشمندان و مهندسان در صنعت راه‌های هوشمندانه‌ای برای گسترش قانون مور دارند. فتولیتوگرافی با اشعه ماوراء بنفش شدید (EUV) یک فناوری است که اخیراً معرفی شده است که قول می دهد انقباض ترانزیستور را در دهه آینده ادامه دهد. در فوتولیتوگرافی، لایه مقاوم نوری در معرض نور UV قرار می گیرد تا الگوهای روی لایه چاپ شود. طول موج‌های کوتاه‌تر نور فرابنفش به این معنی است که می‌توان ویژگی‌های ظریف‌تری را نشان داد. در طول دهه ها، فناوری فوتولیتوگرافی از طول موج های 365 نانومتر به 248 نانومتر تا 193 نانومتر تکامل یافته است.
اولین فناوری EUV نشان دهنده جهشی از 193 نانومتر به 13.5 نانومتر بود. تحقیق و توسعه EUV در سال 1986 آغاز شد و پس از چندین دهه پیشرفت علمی و فنی، سازنده تجهیزات نیمه هادی هلندی ASML برای اولین بار این فناوری را معرفی کرد. سخت افزار مورد نیاز بسیار بزرگ، پیچیده و گران است. هزینه یک دستگاه به تنهایی حدود 150 میلیون دلار است. حمل و نقل یک دستگاه EUV از ASML نیازمند 40 کانتینر بار است که در 20 کامیون و 3 هواپیمای باری پخش شده اند.
کارشناسان صنعت بر این باورند که فناوری EUV قانون مور را تا حدود سال 2030 تداوم خواهد بخشید.
مراجع:
https://www.semiconductors.org/what-is-moores-law-and-why-is-it-so-great/
https://www.extremetech.com/computing/296154-how-are-process-nodes-defined
https://www.intel.com/content/www/us/en/silicon-innovations/moores-law-technology.html
