Zaloguj się
Wszystkie
15 marca 2024
907
Financial Times
Jeden z wiceprezesów w firmie Taiwan Semiconductor Manufacturing Company (TSMC), Min Cao nie zawsze planował wprowadzanie innowacji w układach scalonych. Cao marzył raczej o karierze fizyka, lecz po ukończeniu studiów na Uniwersytecie Stanforda - pod koniec zimnej wojny, dosyć duża liczba bezrobotnych fizyków sprawiła, że w inny sposób zaczął postrzegać swoją przyszłość. Pragnienie zrozumienia, jak działa otaczający nas świat zaprowadziło go do prędko rozwijającej się wówczas dziedziny układów scalonych. Obecnie wyłącznie 3 firmy w świecie - Intel, Samsung i TSMC, są w stanie masowo wytwarzać niewielkie układy scalone o sporych możliwościach, żeby w szczególności sprostać dzisiejszym technologiom mobilnym. W obecnych czasach inżynierowie firm półprzewodnikowych muszą wymyślać coraz bardziej innowacyjne konstrukcje tranzystorów, jak również myśleć w jaki sposób należy je połączyć z innymi, aby uzyskać układy scalone o określonych funkcjonalnościach. Wiele osób wierzy, że łączenie ze sobą elementów o różnych możliwościach sprzyja całkowicie rozwojowi nowych z założenia perspektyw w obszarze półprzewodników.
Skalowanie układów scalonych - w praktyce napędzane zapotrzebowaniem na znaczną moc obliczeniową, od dziesięcioleci przebiega zgodnie z prawem Moore’a tj. liczba tranzystorów w układach scalonych podwaja się co 2 lata. W ostatnim czasie postęp ten jednak wyhamował - obecnie do podwajania tej liczby dochodzi co 3 lata. Najnowszy proces technologiczny 3 nm charakteryzuje się stosunkowo niskimi wskaźnikami wydajności tj. liczbą wyprodukowanych układów scalonych, które można odsprzedać klientom. Wiceprezes ds. rozwoju technologii w firmie Intel, Ben Sell, uważa, że to nie oznacza końca podróży w stronę innowacji w dziedzinie półprzewodników. Wręcz przeciwnie - uważa, że to dopiero jej początek. Jego zdaniem istotne jest to, że przytoczone innowacje są coraz to bardziej widoczne w coraz to nowszych, a także wymyślnych rozwiązaniach elektronicznych, które obecne są na rynku. Według konsultantów McKinsey światowa sprzedaż układów scalonych przekroczyła - w 2023 roku, 500 miliardów dolarów, a półprzewodniki mogą stać się branżą wartą ok. bilion dolarów do końca tej dekady.
Przejdźmy teraz do tranzystorów, które tworzą współczesne układy scalone. Są one tak małe i niezauważalne, że aż tworzone "atom po atomie". Spójrzcie tylko na rysunek 1, który ukazuje tego rodzaju tranzystor. Jak to możliwe, że potrafi on w tej skali przełączać się miliardy razy w ciągu sekundy?
Trójwymiarowa konstrukcja stosowanych współcześnie tranzystorów - w przeciwieństwie do wcześniej spotykanej konstrukcji planarnej, pozwala na gęste ich upakowanie na wspólnej, a zarazem małej powierzchni.
Już na 1 mm² można rozmieścić aż 200 milionów tranzystorów, podczas gdy w standardowym układzie scalonym są ich dziesiątki, jeżeli nie setki miliardów. W najbliższej przyszłości wielu producentów układów scalonych planuje zmieścić niemal bilion tranzystorów na dosyć małej powierzchni - wręcz mikroskopijnej.
Rozmieszczone na dosyć małej powierzchni tranzystory należy ze sobą połączyć. W tym celu najlepiej zastosować cienkie, metalowe połączenia, które zaznaczono, na żółto, na poniższym rysunku. Robi się ciekawie prawda?
Teraz dołóżmy szeregi warstw metalowych połączeń, dzięki którym możliwa jest niezawodna, niczym niezakłócona komunikacją pomiędzy określonymi częściami układów scalonych (tzw. cziplety), jak również ich zasilanie. Dalibyście wiarę, że niektóre z układów scalonych mają do 500 km wspomnianych połączeń?
Z pewnością dzisiejszej układy scalone nie mogłyby zaistnieć, gdyby nie wafle krzemowe - w gruncie rzeczy podstawa, na której zasadza się wszystko, co "napędza" różne, elektroniczne i elektromechaniczne rozwiązania.
Biorąc pod uwagę, że typowy wafel krzemowy ma średnicę 30 cm, liczba znajdujących się na nich tranzystorów idzie w biliony...
... w obrębie tysięcy pojedynczych układów scalonych na jednym waflu krzemowym!
Reputacja technologiczna oraz sytuacja finansowa firm i rządów zależą od trafnych założeń. Firma TSMC, której kapitalizacja rynkowa wynosi przeszło 575 miliardów dolarów, wyraźnie dominuje w gospodarce Tajwanu i na światowym rynku nowoczesnych układów scalonych. Z kolei administracja amerykańskiego prezydenta Joe Bidena ma nadzieję to zmienić w drodze ustawy o układach scalonych, oferując zachęty o wartości prawie 52 miliardów dolarów, żeby zachęcić firmy do rozmieszczania zakładów produkcyjnych na terenach USA. Jednak multum ekspertów jest zdania, że postępująca - od dziesiątek lat, "erozja" w amerykańskiej produkcji układów scalonych utrudnia znacznie temu państwu odzyskanie globalnej konkurencyjności. Również Chiny nie patrzą biernie na półprzewodniki i aktywnie przyłączają się do wyścigu, a największy w tym kraju producent układów scalonych, czyli firma SMIC, ma wyprodukować z łatwością procesory do smartfonów nowej generacji jeszcze w 2024 roku - i to pomimo wielu wysiłków USA mających na celu ograniczenie rozwoju układów scalonych przez Chiny.
Bez cienia wątpliwości firmy NVIDIA i Advanced Micro Devices (AMD) walczą zaciekle między sobą o dominację technologiczną i udziały w rynku układów scalonych, które dedykowane są w szczególności sztucznej inteligencji (AI). Jeszcze w grudniu 2023 roku firma AMD ujawniła szereg innowacji, w tym rozmieszczenie 153 miliardów tranzystorów i 192 gigabajtów pamięci w swoim najnowszym układzie MI300. Z kolei w nieodległym czasie wartość rynkowa NVIDIA wzrosła do 2 bilionów dolarów, wyprzedzając tym sposobem 2 firmy: Amazon i Alphabet. Dla porównania firma AMD osiągnęła w 2023 roku przychody w wysokości 23 miliardów dolarów i spodziewa się sprzedać swoje najnowsze układy scalone o wartości: 3,5 miliarda dolarów w 2024 roku. Firma NVIDIA stała się obecnie drugą najcenniejszą firmą, która produkuje układy scalone w USA - wyprzedziła ona firmę Intel jeszcze w 2022 roku, która do dzisiaj ubiega się o miejsce w krajobrazie sztucznej inteligencji (AI), ogłaszając, że będzie wytwarzać wysokiej klasy układy scalone dla potrzeb firmy Microsoft.
W ostatnich latach coraz mniejsza staje się liczba firm, które są w stanie dotrzymywać kroku wyścigowi w tworzeniu dosyć zaawansowanych układów scalonych do smartfonów. Procesy projektowania oraz produkcji tych układów stają się nadzwyczaj: długie, złożone i kosztowne Wymagają zresztą coraz to bardziej specjalistycznego sprzętu i wiedzy. Jak wiadomo postęp wymaga lat eksperymentów i wysokich nakładów na badania i rozwój. Praca w tzw. nanoskali również jest pełna wyzwań. Precyzja, powtarzalność i czystość - z tym trzeba się zmierzyć na dobrą sprawę. Każda cząsteczka, nawet ta mniejsza niż bakteria, może "zabić" układ scalony, i to jeszcze przed opuszczeniem fabryki.
We wszystkich zakładach produkujących układy scalone ich produkcja odbywa się "warstwa po warstwie". Za każdym razem, gdy powstaje nowa generacja tych układów, wszystkie etapy produkcji wymagają przeglądu. Najnowsze generacje układów scalonych wymagają również zastosowania nowych narzędzi oraz procesów. Niektóre tranzystory w układach scalonych, w rzeczy samej, trzeba konstruować poziomo, a nie pionowo, co stwarza dodatkowe wyzwania. Zanim jednak rozpocznie się którykolwiek z tych złożonych etapów produkcji, podłoże układu scalonego stale powstaje z krzemu. Potrzeba maszyn, które mogą dokonywać procesu, który zwany jest fotolitografią. Warte miliardy dolarów dolarów maszyny fotolitograficzne, od firmy ASML, wykorzystują światło ultrafioletowe (UV) w celu tworzenia skomplikowanych układów. Maszyny te są wielkości autobusów, choć są na tyle precyzyjne, że mogłyby nakierować laser tak, aby pokierować piłeczkę golfową aż do Księżyca. Każdy etap tego procesu wymaga tego, aby mieć wiedzę na poziomie co najmniej doktora nauk technicznych. Wafel krzemowy pełen unikalnych układów scalonych może być wart tysiące dolarów, gdy opuści najlepszą fabrykę, która związana jest z półprzewodnikami.
Czołowi producenci układów scalonych mają nadzieję, że w ramach zbliżającego się wielkimi krokami procesu technologicznego 2 nm uda się rozwiązać wiele problemów, który odznacza się proces technologiczny 3 nm. Chodzi tutaj przede wszystkim o ograniczenia w skalowaniu, które sprawiają, że poszukuje się alternatywnych sposobów uzyskiwania większej mocy, jak i wydajności z tej samej powierzchni układu scalonego. Jednym z nich jest "gęste" nakładanie tranzystorów na siebie - zamiast zamieszczać je obok siebie. Co ciekawe, dąży się również do układania w stosy samych układów scalonych, by jeszcze lepiej wykorzystać przestrzeń, oraz do coraz szerszego stosowania przywołanych już wcześniej czipletów. Tak naprawdę wypada myśleć nie o produkowaniu układu scalonego na jednym kawałku krzemu, a o tzw. modułach wieloukładowych (MCM) - wiele kawałków krzemu z różnymi układami scalonymi łączy się w jedną, spójną całość.
Teraz spójrzmy na przykładowy procesor firmy Intel z rodziny Meteor Lake, który złożony jest z 4 czipletów powstałych na bazie krzemu. Jest to pierwszy, mobilny procesor tej firmy, który wykorzystuje architekturę czipletową, gdzie każdy cziplet spełnia osobną funkcję.
Na początek skupmy się na cziplecie graficznym, który obsługuje np.: gry, generowanie treści multimedialnych oraz strumieniowe przesyłanie niektórych multimediów.
Następnie przedstawmy cziplet systemowy, który zajmuje się obsługą pamięci, jak również, z łatwością, przetwarzaniem na potrzeby zadań AI, takich jak generacja muzyki bądź obrazu.
Czym w praktyce byłby procesor bez stabilnej komunikacji z otoczeniem? Odpowiedzialny za to zadanie cziplet I/O oferuje dogodną komunikację procesora, zarówno w obrębie czipletów, jak i na poziomie otoczenia.
Wreszcie przyszła pora na cziplet obliczeniowy - ważną, centralną jednostkę procesora, która warunkuje jego wydajność i efektywność. Po złożeniu w całość uzyskuje się dosyć małe, choć funkcjonalne rozwiązanie o wymiarach: 5×2,5 cm. Niewiele jak na możliwości procesora, czyż to nieprawda? Taki właśnie jest fascynujący świat współczesnych układów scalonych - małe i podręczne, a ile za to potrafią!
Wielu osób uważa, że produkcja czipletów to jedyny sposób na utrzymanie prawa Moore’a na dłuższą metę. Z kolei firmy inwestujące w moduły MCM twierdzą, że jedną z ich kluczowych zalet jest elastyczność - można je dostosować do potrzeb różnych klientów, ponieważ można wymieniać określone układy - w zależności od wymagań. Oferują też możliwość złączania ze sobą starszych oraz nowszych projektów - zamiast zmieniać w całości układ scalony. Tym oto sposobem można uzyskać znacząco większą wydajność w układach scalonych. Oprócz tego, jedną z rzeczy, która powstrzymuje od szerszego stosowania czipletów, jest poważny brak na gruncie standaryzowanych interfejsów, co oznacza tyle, że nie jest jeszcze możliwe łączenie i dopasowywanie produktów pochodzących od różnych producentów. Szczęśliwie jednak jest i będzie przez długi czas istotny cel wielu producentów układów scalonych, które w nadziei na to tworzą konsorcja. Sporo z nich ma nadzieję, że dzięki znaczącemu przemyśleniu sposobu, w który układy scalone "czerpią swoje moce", można uzyskać dalszy przyrost ich wydajności. Warto mieć na uwadze, że układy scalone, które zaistnieją w procesie technologicznym 2 nm z założenia będą musiały mieć w pełni oddzielone od siebie połączenia sygnałowe i zasilanie, a tego wcześniej zazwyczaj nie robiono (tylko czasami). W dodatku połączenia zasilania będą przesuwać się od "góry do dołu" układu scalonego, ażeby jak najlepiej wykorzystać dostępną przestrzeń w układzie scalonym.
W ciągu najbliższej dekady z pewnością mogą pojawić się także alternatywy dla krzemu, tzn. materiały o wysokiej mobilności lub materiały 2D, takie jak grafen, które zapewnią łatwiejsze przewodnictwo elektronów. Inną rozwijającą się już dziedziną jest fotonika, w której, zamiast elektronów. wykorzystuje się fotony m.in. do przenoszenia informacji z dużymi szybkościami. Wiele firm, w tym TSMC śmiałymi krokami wkroczyła w świat fotoniki. I chociaż w przypadku układów scalonych nigdy nic nie jest pewne, to jednak rosnące zapotrzebowanie na sztuczną inteligencję (AI) sprawi, że ich producentom przez długi czas jeszcze nie zabraknie zarobku. Jest to integralna część tego, co czynią w codziennym życiu i jakby nie patrzeć to "oczywista oczywistość".
Facebook
Twitter
Linkedin
Kup teraz
