بالنسبة لندوة الإستراتيجية الدولية SEMI لعام 2024، تحدىني أعضاء اللجنة المنظمة للنظر في أين سيكون المنطق خلال عشر سنوات من منظور التكنولوجيا والاقتصاد والاستدامة. فيما يلي مناقشة لعرضي التقديمي.

لفهم المنطق، أعتقد أنه من المفيد أن نفهم ما الذي يشكل الأجهزة المنطقية الرائدة. تنتج TechInsights تقارير تفصيلية لتحليل البصمة، وقد قمت بإعداد تقارير لعشرة أجهزة من فئة 7 نانومتر و5 نانومتر، بما في ذلك معالجات Intel وAMD الدقيقة ومعالجات سلسلة Apple A وM ووحدة معالجة الرسومات NVIDIA وأجهزة أخرى. يوضح الشكل 1 ما يشكل منطقة القالب.

من الشكل 1، يشكل المنطق أقل قليلاً من نصف مساحة القالب، والذاكرة أقل قليلاً من ثلث القالب والإدخال/الإخراج، والتناظرية، وغيرها من التوازن. أجد أنه من المثير للاهتمام أن مناطق ذاكرة SRAM التي تم قياسها فعليًا هي أصغر بكثير من النسبة التي أسمع عادةً الناس يتحدثون عنها بشأن منتجات System On a Chip (SOC). يوضح المخطط الموجود في أسفل اليمين أن هناك قيمة متطرفة واحدة ولكن بخلاف ذلك يتم تجميع القيم بإحكام.

يشكل المنطق الفردي ما يقرب من نصف مساحة القالب، فمن المنطقي أن نبدأ بالجزء المنطقي من التصميم. يتم إجراء التصميمات المنطقية باستخدام الخلايا القياسية، والشكل 2 عبارة عن عرض مخطط لخلية قياسية.

يتم تحديد ارتفاع الخلية القياسية عادةً على أنه Metal 2 Pitch (M2P) مضروبًا في عدد المسارات، ولكن بالنظر إلى الجانب الأيمن من الشكل، يوجد عرض مقطعي لبنية الجهاز الذي يجب أن يتطابق أيضًا مع ارتفاع الخلية وهو مقيد بفيزياء الجهاز. وينطبق الشيء نفسه على عرض الخلية الذي يعتمد على درجة الاتصال المتعددة (CPP) وبالنظر إلى الجزء السفلي من الشكل، يوجد عرض مقطعي لبنية الجهاز الذي تم تقييده مرة أخرى بواسطة الفيزياء.

يعرض الشكل 3 نتيجة التحليل لتحديد الحدود العملية لعرض الخلية وقياس ارتفاع الخلية. لدي عرض تقديمي يشرح بالتفصيل قيود القياس وفي هذا العرض هناك العشرات من الشرائح بين الشكل 2 والشكل 3، ولكن مع ضيق الوقت لم أتمكن إلا من إظهار الاستنتاج.

يعتمد مقياس عرض الخلية على CPP، ويوضح الجانب الأيسر من الشكل كيف يتكون CPP من طول البوابة (Lg) وعرض جهة الاتصال (Wc) واثنين من سماكات فاصل الاتصال بالبوابة (Tsp). Lg مقيد بالتسرب ويعتمد الحد الأدنى من Lg مع التسرب المقبول على نوع الجهاز. تقتصر الأجهزة المستوية ذات البوابة الواحدة التي تتحكم في سطح القناة بسمك غير مقيد على حوالي 30 نانومتر. تعمل FinFETs والصفائح النانوية الأفقية (HNS) على تقييد سمك القناة (~ 5 نانومتر) ولها 3 و 4 بوابات على التوالي. أخيرًا، تقدم المواد ثنائية الأبعاد سماكة قناة أقل من 2 نانومتر، ومواد غير سيليكونية ويمكن أن تنتج Lg حتى 1 نانومتر تقريبًا. يتمتع كل من Wc وTsp بقدرة محدودة على التوسع بسبب الطفيليات، وخلاصة القول هي أن الجهاز ثنائي الأبعاد من المحتمل أن ينتج ~ 5 نانومتر CPP مقابل CPPs اليوم التي تبلغ حوالي 2 نانومتر.

يتم توضيح مقياس ارتفاع الخلية على الجانب الأيمن من الشكل. تقدم HNS مجموعات صفائح نانوية واحدة بدلاً من الزعانف المتعددة. ثم يؤدي التطور إلى الأجهزة المكدسة باستخدام CFET إلى إزالة التباعد الأفقي np وتكديس nFet وpFET. يمكن تقليل ارتفاعات الخلايا التي تتراوح حاليًا من 150 نانومتر إلى 200 نانومتر إلى 50 نانومتر تقريبًا.

يمكن أن يؤدي الجمع بين CPP وقياس ارتفاع الخلية إلى إنتاج كثافات ترانزستور تصل إلى 1,500 مليون ترانزستور لكل مليمتر مربع (MTx/mm²) مقابل اليوم <300MTx/مم². تجدر الإشارة إلى أن المواد ثنائية الأبعاد من المحتمل أن تكون تقنية من منتصف إلى أواخر عام 2، لذا فإن 2030 طن متري/مم² خارج التوقيت الذي تمت مناقشته هنا.

يعرض الشكل 4 ملخصًا للعمليات المعلنة من Intel وSamsung وTSMC.

لكل شركة وسنة، يتم عرض نوع الجهاز، سواء تم استخدام الطاقة الخلفية أم لا، والكثافة، والطاقة، والأداء إذا كانت متوفرة. تعد القوة والأداء مقاييس نسبية والطاقة غير متوفرة لشركة Intel.

في الشكل 4، يتم تسليط الضوء على الابتكارات الرائدة في مجال الأداء والتكنولوجيا بالخط العريض. سامسونج هي أول من أدخل HNS في الإنتاج في عام 2023 حيث لن تقدم Intel HNS حتى عام 2024 وTSMC حتى عام 2025. إن Intel هي أول من أدخل الطاقة الخلفية في الإنتاج في عام 2024 ولن تقدمها Samsung وTSMC حتى عام 2026.

يخلص تحليلي إلى أن Intel هي الشركة الرائدة في الأداء مع معالج i3 وتحافظ على هذه الحالة للفترة الموضحة، وتتمتع TSMC بريادة الطاقة (بيانات Intel غير متوفرة) وريادة الكثافة.

يعرض الشكل 5 خرائط الطريق المنطقية الخاصة بنا ويتضمن أحجام خلايا SRAM المتوقعة (المزيد حول هذا لاحقًا).

من الشكل 5، نتوقع أن يتم تقديم CFETs في عام 2029 تقريبًا مما يوفر زيادة في الكثافة المنطقية وأيضًا خفض أحجام خلايا SRAM إلى النصف تقريبًا (توقف قياس حجم خلية SRAM فعليًا عند الحافة الأمامية). نتوقع أن تصل الكثافة المنطقية إلى 757MTx/mm تقريبًا² بواسطة 2034.

يتم توضيح كل من إسقاطات كثافة الترانزستور المنطقي وإسقاطات كثافة الترانزستور SRAM في الشكل 6.

يتباطأ قياس كثافة الترانزستور المنطقي وSRAM ولكن SRAM إلى حد أكبر والمنطق لديه الآن كثافة ترانزستور مماثلة لـ SRAM.

تلخص الشريحة 7 بيانات TSMC حول القياس التناظري مقارنةً بالمنطق وSRAM. يعتبر القياس التناظري وقياس الإدخال/الإخراج أبطأ من القياس المنطقي أيضًا.

أحد الحلول الممكنة لإبطاء SRAM وقياس الإدخال/الإخراج التناظري هو الشرائح الصغيرة. يمكن للشرائح الصغيرة أن تتيح استخدام عمليات أقل تكلفة وأكثر تحسينًا لإنشاء SRAM وI/O.

الشكل الموجود على الجانب الأيمن من الشكل 8 يأتي من بحث عام 2021 الذي شاركت في تأليفه مع سينوبسيس. كان استنتاجنا هو أن تفكيك شركة نفط الجنوب الكبيرة إلى شرائح صغيرة يمكن أن يخفض التكلفة إلى النصف حتى بعد حساب زيادة تكاليف التعبئة والتغليف/التجميع.

يعرض الشكل 9 تكاليف الرقاقة والترانزستور القياسية للمنطق وSRAM والإدخال/الإخراج (يرجى ملاحظة أن الشكل قد تم تحديثه من العرض الأصلي).

في الشكل الصحيح تظهر تكلفة الرقاقة الطبيعية. تكلفة الرقاقة المنطقية مخصصة لمكدس معدني كامل يتزايد في عدد طبقات المعادن. رقائق SRAM هي نفس العقد ولكنها تقتصر على 4 طبقات معدنية بسبب التصميم الأكثر انتظامًا لـ SRAM. تعتمد تكلفة رقاقة الإدخال/الإخراج على عملية معدنية مقاس 16 نانومتر – 11. لقد اخترت 16 نانومتر للحصول على الحد الأدنى من تكلفة عقدة FinFET لضمان أداء الإدخال/الإخراج المناسب.

الرقم الموجود على اليمين هو تكلفة الرقاقة المحولة إلى تكلفة الترانزستور. ومن المثير للاهتمام أن ترانزستور الإدخال/الإخراج كبير جدًا لدرجة أنه حتى على رقاقة 16 نانومتر منخفضة التكلفة، فإن لديه أعلى تكلفة (يعتمد حجم ترانزستور الإدخال/الإخراج على قياسات TechInsights لترانزستورات الإدخال/الإخراج الفعلية). ترتفع تكاليف الترانزستور المنطقي عند 2 نانومتر في أول عقدة ورقة TSMC HNS حيث يكون الانكماش متواضعًا. نتوقع أن يكون الانكماش عند 14A أكبر كعقدة HNS من الجيل الثاني (وهذا مشابه لما فعلته TSMC مع عقدة FinFET الأولى). مرة أخرى، تكلفة عقدة CFET الأولى تزيد أيضًا من تكلفة الترانزستور لعقدة واحدة. اتجاهات تكلفة ترانزستور SRAM تصاعدية بسبب الانكماش المحدود باستثناء انكماش CFET لمرة واحدة. خلاصة هذا التحليل هي أن تخفيض تكلفة الترانزستور سيكون متواضعًا على الرغم من أن Chiplets يمكن أن توفر فائدة لمرة واحدة.

وبالانتقال إلى الاستدامة، يوضح الشكل 10 "النطاقات" المختلفة التي تشكل البصمة الكربونية.

النطاق 1 هو الانبعاثات المباشرة في الموقع بسبب المواد الكيميائية المعالجة والاحتراق (يمكن أيضًا أن يكون الكهرباء هو النطاق 1 إذا تم توليده في الموقع)، والنطاق 2 يرجع إلى البصمة الكربونية للكهرباء المشتراة. لم يتم تضمين النطاق 3 في هذا التحليل ولكنه يرجع إلى البصمة الكربونية للمواد المشتراة، واستخدام المنتج المُصنّع وأشياء مثل المركبات التي يقودها موظفو الشركة.

تدعي الكثير من الشركات العاملة في صناعة أشباه الموصلات أنها لا تنتج أي انبعاثات كربونية بسبب الكهرباء لأن الكهرباء كلها متجددة. الشكل 11 يقارن بين الطاقة المتجددة والخالية من الكربون.

تكمن المشكلة الرئيسية في أن 84% من الطاقة المتجددة في صناعة أشباه الموصلات في عام 2021 وجدتها منظمة السلام الأخضر على أنها شهادات طاقة متجددة حيث تشتري إحدى الشركات حقوق المطالبة بتخفيضات قام بها شخص آخر بالفعل. وهذا لا يعني تركيب مصادر كهربائية منخفضة الكربون أو دفع أموال للآخرين لتوفير كهرباء منخفضة الكربون ولا يقلل في الواقع من البصمة الكربونية العالمية.

يوضح الشكل 12 كيفية حدوث الانبعاثات الكيميائية الناتجة عن العملية وكيفية وصفها.

تدخل المواد الكيميائية المعالجة إلى غرفة المعالجة حيث يتم استخدام نسبة من المواد الكيميائية في تفاعل الحفر أو الترسيب الذي يؤدي إلى تكسير المواد الكيميائية أو دمجها في فيلم مترسب. 1- الاستخدام هو كمية المادة الكيميائية التي تتسرب من عادم الأداة. بعد ذلك، يمكن أن يدخل عادم الأداة إلى غرفة التخفيض، مما يؤدي إلى تفكيك نسبة مئوية من المواد الكيميائية والانبعاثات إلى الغلاف الجوي من التخفيض هي 1-تخفيض. وأخيرا، يتم تطبيق احتمالية الاحتباس الحراري (GWP) لحساب معادل الكربون للانبعاثات. تأخذ القدرة على إحداث الاحترار العالمي في الاعتبار مدة بقاء المادة الكيميائية في الغلاف الجوي ومقدار الحرارة التي تعكسها المادة الكيميائية مقارنة بثاني أكسيد الكربون. يمتلك ثاني أكسيد الكربون قدرة على إحداث الاحترار العالمي قدرها 1، والمواد الكيميائية المستخدمة في عمليات أشباه الموصلات مثل SF₆ و NF₃ تبلغ قيم القدرة على إحداث الاحترار العالمي 24,300 و17,400 على التوالي (حسب تقرير IPCC AR6).

يعرض الشكل 13 بعض الخيارات لتقليل الانبعاثات.

 تنتج مصادر الكهرباء مثل الفحم 820 جرامًا من ثاني أكسيد الكربون₂ انبعاثات مكافئة لكل كيلوواط ساعة (gCO2e/KWh) في حين تنتج الطاقة الشمسية والطاقة الكهرومائية وطاقة الرياح والطاقة النووية 48 و24 و12 و12 gCO2e/KWh على التوالي.

يمكن لأنظمة التخفيض الأكثر كفاءة أن تتحلل غازات المعالجة بشكل أكثر فعالية. تتراوح كفاءة نظام التخفيض Fab من 0% لبعض المواقع الأمريكية المُبلغ عنها (بدون تخفيض) إلى 90% تقريبًا. نحن نقدر أن متوسط ​​المصانع المصنعة بقطر 300 مم على مستوى العالم هو 70% تقريبًا وأن معظم المصانع المصنعة بقطر 200 مم والأصغر حجمًا لا يوجد بها أي تخفيض. تتوفر أنظمة بكفاءة تصل إلى 99%.

ويمكن أيضًا استخدام كيمياء الانبعاثات المنخفضة. أعلنت شركة طوكيو إلكترون عن أداة حفر جديدة لـ 3D NAND تستخدم غازات ذات قدرة صفرية على إحداث الاحترار العالمي. الغازات مثل SF₆ و NF₃ تستخدم في المقام الأول لتوصيل الفلور (F) إلى الغرف للتنظيف، واستبدال F₂ (GWP 0) أو COF₂ (GWP 1) يمكنها بشكل أساسي القضاء على مصدر الانبعاثات هذا.

يوضح الشكل 14 توقعات البصمة الكربونية للمنطق.

في الشكل، الشريط الأول على اليسار عبارة عن عملية 3 نانومتر تم تشغيلها في تايوان في عام 2023 بافتراض البصمة الكربونية للكهرباء في تايوان وانخفاضها بنسبة 70%. أما المعيار الثاني فهو عملية 5A والانبعاثات التي قد تنتج إذا تم استخدام نفس كثافة الكربون في الكهرباء التايوانية لعام 2023 والتخفيف بنسبة 70%. ستؤدي الزيادة في تعقيد العملية إلى زيادة البصمة الإجمالية بمقدار 1.26 مرة. وبالتطلع إلى عام 2034، من المتوقع أن يتم إزالة الكربون من الكهرباء في تايوان بشكل كبير، كما يجب أن يكون التخفيض بنسبة 90٪ أمرًا شائعًا، ويوضح الشريط الثالث كيف ستبدو عملية 5A في ظل هذه الحالة. وفي حين أن هذا يمثل خفض الانبعاثات بأكثر من النصف، فإن النمو في عدد الرقائق التي تديرها الصناعة لعام 2034 من المرجح أن يطغى على هذا التحسن. الشريط الأخير على اليمين هو ما هو ممكن مع الاستثمار الكافي، وهو يعتمد على الكهرباء منخفضة الكربون، والتخفيف بنسبة 99٪، واستخدام F₂ لتنظيف الغرفة.

يعرض الشكل 15 استنتاجاتنا:

تم إنشاء تقديرات لكثافة الترانزستور والرقائق والقوالب باستخدام نموذج التكلفة والسعر الاستراتيجي لشركة TechInsights، وهي خريطة طريق صناعية تنتج تقديرات التكلفة والأسعار بالإضافة إلى المتطلبات التفصيلية للمعدات والمواد. تم إنتاج تقديرات انبعاثات الغازات الدفيئة باستخدام نموذج الكربون لتصنيع أشباه الموصلات من TechInsights. لمزيد من المعلومات، يرجى الاتصال sales@techinsights.com

أود أن أتوجه بالشكر لزملائي في وحدة أعمال الهندسة العكسية في TechInsights، حيث كانت تقارير مخططاتهم الرقمية والعمليات مفيدة جدًا في إنشاء هذا العرض التقديمي. وأيضًا Alexandra Noguera في TechInsights لاستخراج بيانات حجم ترانزستور الإدخال/الإخراج لهذا العمل.

اقرأ أيضا:

IEDM 2023 – إيمك CFET

IEDM 2023 - نمذجة انبعاثات الكربون الخاصة برقائق الويفر 300 مم

SMIC N+2 في هواوي ميت برو 60

تحديث ASML لـ SEMICON West 2023

شارك هذا المنشور عبر:

• محتوى مدعوم من تحسين محركات البحث وتوزيع العلاقات العامة. تضخيم اليوم.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. تمكين نفسك. الوصول هنا.
• أفلاطونايستريم. ذكاء Web3. تضخيم المعرفة. الوصول هنا.
• أفلاطون كربون، كلينتك ، الطاقة، بيئة، شمسي، إدارة المخلفات. الوصول هنا.
• أفلاطون هيلث. التكنولوجيا الحيوية وذكاء التجارب السريرية. الوصول هنا.
• المصدر https://semiwiki.com/semiconductor-manufacturers/342094-iss-2024-logic-2034-technology-economics-and-sustainability/