بازی با اتم‌ها؛ لیتوگرافی چیپست‌ها چگونه کاهش می‌یابد؟

در دنیای چیپست‌ همیشه اعداد بزرگتر ترجیح داده می‌شوند و طراحان و مهندسان به دنبال هسته‌های بیشتر، گیگاهرتز بالاتر و فلاپس‌های عظیم هستند. در این میان تنها یک مقیاس است که همه در آن به دنبال اعداد کوچکتر هستند و آن چیزی جر لیتوگرافی نیست. سال‌های سال متخصصان شب و روز تلاش کرده‌اند تا این مقیاس را تنها چند نانومتر کوچکتر کنند.

در صنعت چیپ سازی یکی از مهمترین معیارهای مربوط به نود پردازشی، «سایز مشخصه» یا feature size است که تا مدتی پیش تنها برای اشاره به فاصله بین دو بخش از ترانزیستور به کار می‌رفت اما این روزها شرکت‌ها از آن برای بیان جنبه‌های مختلف استفاده می‌کنند. با این وجود هنوز هم فاصله بین ترانزیستورها بالاترین اهمیت را دارد چرا که میلیاردها واحد از آنها تمام پردازش‌ها و محاسبات سنگین درون پردازنده را بر عهده دارند.‌

بنابراین برای یک شرکت خاص هر چه سایز مشخصه نود پردازشی کوچکتر باشد، کارایی پردازنده بالاتر می‌رود اما این کار به این راحتی هم صورت نمی گیرد. در تصویر زیر 3 نسل از پردازنده‌های اینتل را می‌بینیم که از چپ به ترتیب شامل سلرون 2006، پنتیوم M 2004 و یک پنتیوم کهنسال 1995 می‌شود. نود پردازشی این مدل‌ها 65، 90 و 350 نانومتری است، به عبارت دیگر قطعات حیاتی در مدل 25 سال قبل از نسخه 14 سال پیش 5 برابر بزرگتر هستند. دیگر تفاوت اساسی این است که چیپ‌های جدیدتر 290 میلیون ترانزیستور دارند اما این میزان برای پنتیوم قدیمی از 3 میلیون واحد فراتر نمی رود.

نکته دیگر اینکه سلرون 30 وات حرارت تولید می‌کند که از حرارت تولیدی پینتوم 18 وات بیشتر است. هرچند اختلافی 18 واتی در اتلاف انرژی وجود دارد اما فراموش نکنید که سلرون 100 برابر مدل دیگر ترانزیستور در خود جای داده است.

همانطور که دیدید برخوردار بودن از نود پردازشی کوچکتر به تولید چیپ‌های کم حجم تر، صرفه جویی در مصرف انرژی، جای دادن ترانزیستورهای بیشتر و در نهایت دستیابی به سرعت بالاتر در اجرای محاسبات منجر می‌ شود. اما با وجود این مزایا چرا شرکت‌ها از کوچکترین لیتوگرافی ممکن استفاده نمی کنند؟ جواب این سوال در بخش بعد می‌بینیم.

امواج الکترومغناطیسی

اینجا باید نگاهی به مبحث فوتولیتوگرافی داشته باشیم. در این روش نور از میان چیزی به اسم فوتوماسک عبور داده می‌شود که در برخی نواحی آنرا بلوکه کرده و در بخش‌های دیگر به آن اجازه عبور می‌دهد. نور حین عبور به صورتی سنگین روی نقطه ای کوچک متمرکز شده و سپس با لایه ای خاص و مورد استفاده در ساخت چیپ واکنش می‌دهد. این واکنش به تعیین نقاط قرار گرفتن قطعات مختلف چیپست کمک می‌کند.

برای درک بهتر این فرایند را مثل عکسبرداری با اشعه ایکس در نظر بگیرید که در آن استخوان‌ها مثل فوتوماسک اشعه را بلوکه کرده گوشت به ان اجازه عبور می‌دهد. نتیجه نهایی هم تعیین جای اعضای مختلف دست است.

البته در این فرایند عملا از نور استفاده نمی شود چون بیش از حد بزرگ است. در واقع نور مفهومی است که موج الکترومغناطیسی یا یک ترکیب چرخشی پیوسته از میدان‌های مغناطیسی و الکتریکی نامیده می‌شود. این امواج دارای گستره بسیار بزرگی از طول موج هستند که از چند کیلومتر تا چند سانتی متر را شامل می‌شود.

از کنار هم قراردادن این امواج کنار هم طیف تشکیل می‌شود. همانطور که در تصویر زیر می‌بینید تمام ان چیزی که نور می‌نامیم تنها بخش کوچکی از طیف است و در آن نام‌های آشنای دیگری مانند امواج رادیویی، امواج مایکرو، اشعه ایکس و غیره هم دیده می‌شود. همانطور که می‌بینید طول موج نور چیزی در حدود ده به توان منهای 7 است یا 0.000004 اینچ است.

دانشمندان و محققان برای توصیف طول‌ها به جای استفاده از این نمادهای علمی از نانومتر یا به شکل مختصر nm استفاده می‌کنند. در این تصویر مشخص است که نور محدوده ای بین 380 تا 750 نانومتر دارد.اگر به یاد داشته باشیم گفتیم که چیپ سلرون با نود پردازشی 65 نانومتری تولید شده اما چگونه می‌توان قطعاتی ساخت که از نور کوچکتر هستند؟ پاسخ ساده است؛ در فوتولیتوگرافی نه از نور بلکه از پرتوی فرابنفش یا UV استفاده می‌شود.

در نمودار طیفی UV از حدود 380 نانومتر شروع می‌شود (جایی که نور تمام شده) و تا 10 نانومتر هم پایین می‌آید. شرکت‌هایی مثل اینتل، TSMC و GlobalFoundries به نوعی از موج الکترومغناطیس به نام EUV یا فرابنفش قوی متکی هستند که حدود 190 نانومتری است. TSMC و یک شرکت چینی به نام UNISOC به لیتوگرافی 6 نانومتری هم دست پیدا کرده اند و دیگر بازیگران بزرگ هم در پی دستیابی به فناوری‌های 5، 3 و حتی 2 نانومتری هستند.

برای اینکه عظمت این دستاوردها و عدد 6 نانومتر را بهتر درک کنید باید بدانید اتم‌های سیلیکون تشکیل دهنده پردازنده حدود 0.5 نانومتر از هم فاصله داشته و قطر هریک از آنها نیز به 0.1 نانومتر می‌رسد. بنابراین متخصصان TSMC با بخش‌هایی از ترانزیستور سر و کار دارند که عرضشان از 10 اتم سیلیکون فراتر نمی‌رود.

چالش‌های تولید

جدای از سرو کله زدن با قطعاتی در حد چند اتم، لیتوگرافی EUV هم شامل مشکلات مهندسی و تولید متعددی است که حتی شرکتی در قواره اینتل را هم درگیر کرده. چیپزیلا مدت‌هاست که نتوانسته سطح تولید محصولات 10 نانومتری را به 14 نانومتری برساند و همین عامل باعث شده مشتریان بزرگی مثل اپل یکی پس از دیگری از آنها روی بگردانند.

همین سال گذشته هم GlobalFoundries قید توسعه چیپ‌های 7 نانومتری و کوچکتر را زد. دلیل مشکلات به این برمی گردد که هرچه طول موج یک موج الکترومغناطیسی کوچکتر باشد، حامل انرژی بیشتری است و در نتیجه پتانسیل آسیب به چیپ بیشتر می‌شود. مشکلات این شرکت به دشواری‌های فوتولیتوگرافی EUV محدود نشده و شامل محدودیتهای انکسار و نویز آماری نیز می‌شود.

با این حال فعلا مشکلات تولید تقریبا به شکل کامل به چالش‌های فوتولیتوگرافی EUV مربوط م‌ شود که احتمالا طی چند سال آینده مرتفع خواهند شد و آن زمان می‌توانیم درباره این بحث کنیم که آیا انویدیا رفتار کوانتومی را بهتر هندل می‌کند یا AMD و رقبای دیگر.

بزرگترین انگیزه شرکت‌ها هم برای غلبه بر این مشکلات نه خدمت به علم که کسب درآمد بیشتر است اما در این راه با چالش‌های اقتصادی هم مواجهند. برای مثال سیستم 10 نانومتری اینتل به ازای هر بستر ویفر تقریبا دو برابر گرانتر از نود پردازشی 28 نانومتری پردازنده‌های Haswell از جمله Core i7-4790K تمام می‌شود.

با این حال تعداد چیپ‌هایی که از هر ویفر می‌توان تولید کرد به اندازه چیپ بستگی دارد و کاهش مقیاس بدین معنی است که از هر ویفر چیپ‌های بیشتری تولید می‌شود. در نتیجه بدین طریق می‌توان هزینه تولید را تا حدودی جبران کرد. البته در نهایت با افزایش قیمت محصولات جدید مخارج از جیب کاربران تامین می‌شود. از آنجا که درباره میلیاردها دلار صحبت می‌کنیم، برخی شرکت‌ها نظیر GlobalFoundries ترجیح داده اند از خیر درآمد بیشتر گذشته و ریسک نکنند.

چشم‌انداز آینده

هرچند شرایط فعلی مبهم به نظر می‌رسد، نباید مثبت بودن چشم انداز آینده را فراموش کنیم. سامسونگ و TSMC نه تنها در حال تولید چیپ‌های 7 نانومتری با ظرفیت مناسب هستند، بلکه طراحان تراشه نیز در حال برنامه‌ریزی برای استفاده از چندین نود در محصولات خود هستند. یکی از قابل توجه‌ترین مثال‌ها، طراحی چیلت AMD در نسل سوم پردازنده‌های رایزن است.

این پردازنده پرقدرت دسکتاپ به دو تراشه ساخته شده با نود 7 نانومتری TSMC و یک چیپ 14 نانومتری تولید شده توسط «GlobalFoundries» مجهز خواهد شد. TSMC بخش‌های واقعی پردازنده را تولید می‌کند، در حالی که شرکت دوم وظیفه ساخت رم DDR4 و دستگاه‌های PCI Express متصل به CPU را برعهده دارد. در صورتی که این طراحی کارایی مناسبی داشته باشد، در آینده نزدیک شرکت‌های بیشتری به این سمت می‌روند.

نمودار بالا تغییر نود پردازنده‌های اینتل در 50 سال گذشته را نشان می‌دهد. محور عمودی ابعاد گره با ضریب 10 را نشان می‌دهد. بر اساس این نمودار، اینتل بطور متوسط هر 4.5 سال یکبار ابعاد نود پردازنده‌های خود را نصف کرده، بنابراین آیا در سال 2025 شاهد عرضه پردازنده‌های 5 نانومتری این شرکت خواهیم بود؟ پاسخ این سوال احتمالا مثبت است، چرا که شرکت‌های سامسونگ و TSMC نیز در این راه قدم برمی‌دارند.

این پردازنده‌ها کوچکتر و سریع‌تر خواهند بود، انرژی کمتری مصرف می‌کنند و همچنین عملکرد بالایی را در اختیار کاربران قرار می‌دهند. این چیپ‌ها می‌توا‌نند تولید ماشین‌های کاملا خودران، ساعت‌های هوشمند با قدرت و شارژدهی مشابه گوشی‌های کنونی و قدرت گرافیکی بسیار بالا در بازی‌ها مشابه فیلم‌های چندین میلیون دلاری را در پی داشته باشند. آینده به لطف ابعاد کوچک تراشه‌ها، روشن است.