Elektroda.pl
Elektroda.pl
X
Please add exception to AdBlock for elektroda.pl.
If you watch the ads, you support portal and users.

Wszystko, co musisz wiedzieć o procesie produkcji chipów z dookólną bramką (GAA)

ghost666 03 Jan 2023 09:59 837 0
Computer Controls
  • Proces produkcji półprzewodników z bramkami dookólnymi (pokroju gate-all-around (GAA)), znany również jako technologia tranzystorów polowych typu GAA-FET, pokonuje ograniczenia wydajności techniki FinFET, zmniejszając poziom napięcia zasilania i zwielokrotniając sprawność układu, dzięki wzmocnieniu w możliwościach prądowych sterowania. Krótko mówiąc, rozwiązanie GAA pozwala tranzystorom przenosić większy prąd przy zachowaniu stosunkowo małych rozmiarów.

    Przemysł półprzewodnikowy przeskoczył z tranzystorów planarnych na FinFET, gdy przeszedł z węzła procesowego 22 nm na 16 nm w celu zmniejszenia upływu, wzmocnienia prądów sterujących, poprawy skalowalności, skrócenia czasów przełączania i ogólnego ułatwienia wyboru jednostek dla logiki półprzewodnikowej. Technologia produkcji FinFET dobrze się skalowała, od chipów 22 nm aż do tych w 5 nm. Jednakże zgodnie z przewidywaniami, możliwość ta względem procesu FinFET zaczyna stawać się problemem w węzłach o mniejszym wymiarze charakterystycznym. Dlatego potrzebne będą nowe rozwiązania procesowe produkcji układów scalonych, aby pomóc w dalszym skalowaniu urządzeń półprzewodnikowych. Tutaj, na tym technologicznym skrzyżowaniu, GAA stała się najbardziej opłacalną opcją tranzystorową, która ma zastąpić FinFET-y. Zapewnia ona znaczące korzyści, jeśli chodzi o kontrolę sprawności tranzystorów.

    Wszystko, co musisz wiedzieć o procesie produkcji chipów z dookólną bramką (GAA)
    Rys.1. Przejście z tranzystorów planarnych na FinFET i GAA oznacza nieustanną technologiczną podróż w produkcji półprzewodników.


    Pierwsza technologia GAA została zademonstrowana już w 1986 roku. Jednakże budowanie tranzystorów GAA w laboratorium jest znacznie łatwiejsze niż produkcja chipów w dużej skali. Samsung, który latem 2022 roku wytworzył pierwszy układ scalony wykorzystujący GAA w węźle procesowym 3 nm, rozpoczął badania nad tranzystorami GAA na początku XXI wieku. Koreański producent chipów zaczął eksperymentować z projektami korzystającymi z GAA w 2017 roku, a następnie ogłosił przełom w technologii procesowej w 2019 roku.

    GAA: Krótkie wprowadzenie

    Bramka dookólna, technika przetwarzania półprzewodników nowej generacji, oferuje dwie wyjątkowe zalety w porównaniu z FinFET-ami. Po pierwsze, tranzystory GAA rozwiązują wiele problemów związanych z prądem upływu, ponieważ kanały w tych jednostkach są poziome. Technologia GAA polega na nakładaniu na siebie wielu nanocząstek lub nanodrutów i otaczaniu tych kanałów materiałami bramkowymi ze wszystkich stron. To z kolei zapewnia wyższą obciążalność prądową niż w przypadku FinFET-ów, które wymagają umieszczenia pionowych: „żeber” obok siebie w celu zwielokrotnienia maksymalnej ilości energii elektrycznej, jaka płynąć może przez tranzystor.

    Wszystko, co musisz wiedzieć o procesie produkcji chipów z dookólną bramką (GAA)
    Rys.2. W procesie GAA wiele nanoprzewodów lub nanocząstek jest sytuowanych poziomo jedna na drugiej, w przeciwieństwie do FinFET-ów, w tym ujęciu rozlokowuje się pionowe: „żebra” blisko siebie celem zwiększenia przepływu energii elektrycznej.


    Po drugie, tranzystory GAA są otoczone bramkami ze wszystkich czterech stron. Poprawia to ich strukturę, umożliwiając kontakt bramki ze wszystkimi czterema ich bokami w porównaniu z trzema w obecnym procesie FinFET. W rezultacie konstrukcja GAA może precyzyjniej kontrolować prąd niż tranzystor FinFET. Należy zauważyć, że architektura tranzystora GAA jest w 90% podobna do FinFET-a, a pozostałe 10% różnicy wynika z układania poziomych nanocząstek jedne na drugich. Skutkuje to większą kontrolą nad przepływem prądu, co prowadzi do zwielokrotnienia sprawności energetycznej. W efekcie urządzenia elektroniczne korzystające z chipów opartych na GAA działają szybciej i zużywają mniej energii niż te wyprodukowane za pomocą technologii procesowej FinFET.

    Samsung kontra TSMC

    Samsung, który latem 2022 roku zaprezentował pierwszy układ scalony bazujący na nowym podejściu, nazywa swoją implementację multi-bridge-channel FET (MBCFET). Używa nanocząsteczek z szerszymi kanałami, co według Samsunga zapewnia wyższą wydajność i większą niezawodność energetyczną w porównaniu z innymi technologiami GAA stosującymi nanodruty z węższymi. W tym ujęciu, opartym na nanoarkuszach, ich gabaryty są kluczową miarą przy określaniu charakterystyk mocy i sprawności tranzystora. Innymi słowy, im obszerniejszy nanoarkusz, tym wyższa operatywność przy większej mocy. W związku z tym projekty tranzystorów, które koncentrują się na niewielkiej, mogą wykorzystywać mniejsze nanocząsteczki, podczas gdy układy logiczne, które wymagają wyższej sprawności energetycznej, mogą spożytkowywać szersze arkusze.

    Samsung, który od kilku lat pracuje nad przejściem z FinFET, podobno osiąga słabe wyniki w projektowaniu z zastosowaniem procesu GAA w 3 nm. Jednak przy tak dużej zmianie technologicznej nie jest to zaskoczeniem. Samsung wysłał już do klientów swoją pierwszą partię chipów wykorzystujących technologię GAA, powędrowała ona do chińskiej firmy wydobywającej kryptowaluty.

    Wszystko, co musisz wiedzieć o procesie produkcji chipów z dookólną bramką (GAA)
    Rys.3. Chociaż Samsung wprowadził już pierwszą generację procesu GAA do produkcji, to twierdzi, że następna — MBCFET — jeszcze bardziej poprawi wskaźniki mocy, rozmiaru i szybkości.


    Samsung planuje przygotować drugą generację układów scalonych wytwarzanych w procesie 3 nm w 2023 roku i rozpocząć masową produkcję z wymiarem charakterystycznym równym 2 nm, bazując na GAA w 2025 roku. Zapewni to koreańskiej megafabryce miejsce na ustabilizowanie realizacji opartych na GAA i wyprzedzenie krzywej produkcji półprzewodników, starając się zmniejszyć dystans do TSMC. Wspomniana marka przewiduje wdrożenie GAA na swoich układach 2 nm i wypuszczenie pierwszych podbudowanych na danej technologii około 2026 roku. TSMC nadal ma zamiar wytwarzać swoje jednostki w procesie 3 nm, korzystając z lepiej znanej i przetestowanej architektury FinFET, co wiąże się z niższym ryzykiem wykonawczym. TSMC twierdzi, że przeprowadziło znaczącą modernizację techniki FinFET, aby umożliwić skalowanie sprawności i redukcję upływu w kolejnej iteracji węzłów technologii procesowych.

    TSMC planuje rozpocząć stosowanie tranzystorów GAA w początkowej generacji swojej techniki procesowej N2. Najwyraźniej tajwańska megafabryka przyjmuje bardziej ostrożne podejście, wolniej idąc w kierunku przyjęcia tranzystorów GAA. Taka strategia dobrze służyła w przeszłości firmie w dostarczaniu bardziej spójnych aktualizacji jej oferty produkcyjnej.

    Intel też tam jest

    Technika przetwarzania półprzewodników FinFET znajduje się obecnie na poziomie piątej generacji i jest standardem wytwórczym od kilku lat. Teraz gdy pojawiła się już pierwsza seria chipów GAA, megafabryki mogą walczyć o dominację w ów technologii w nadchodzących latach. W przypadku Intela, który aktualnie próbuje dogonić duopol TSMC i Samsunga, jest to bardzo ważne. Intel, sprzedający swoją technikę GAA pod nazwą RibbonFET, zamierza przejść do nowego procesu produkcji półprzewodników w węźle 2 nm, podobnie jak TSMC. Wraz z interkonektami PowerVia, marka ma w zamyśle wprowadzić na rynek tranzystory GAA RibbonFET w połowie 2024 roku, jednocześnie tworząc wewnętrzny pseudowęzeł dla nowej technologii procesowej, aby odróżnić go od dotychczasowo stosowanych rozwiązań.

    Technika procesu GAA, kamień milowy w litografii krzemowej, prawdopodobnie zyska na znaczeniu dzięki bezprecedensowej budowie fabryk w Stanach Zjednoczonych i innych częściach świata. Wszyscy trzej gracze w sektorze najnowocześniejszej produkcji urządzeń półprzewodnikowych — TSMC, Samsung i Intel — mają niezmienne założenia wdrożenia ujęcia GAA. Oznacza to, że pozycja GAA jako procesu w wytwarzaniu krzemu nowej generacji jest pewna i niepodważalna. Technologia procesowa FinFET dobrze służyła węzłom nanometrowym przez prawie dekadę. Najwyższy czas, aby to GAA przejęła pałeczkę i wzniosła przemysł półprzewodników na kolejny wyższy poziom skalowania krzemu. Problemem może być jedynie płynność tego przeskoku, jako że projekty korzystające z dookólnych bramek są znacznie bardziej złożone w budowie niż te wykorzystujące FinFET-y lub tranzystory planarne.

    Źródło: https://www.edn.com/all-you-need-to-know-about-gaa-chip-manufacturing-process/

    Cool? Ranking DIY
    About Author
    ghost666
    Translator, editor
    Offline 
    Fizyk z wykształcenia. Po zrobieniu doktoratu i dwóch latach pracy na uczelni, przeszedł do sektora prywatnego, gdzie zajmuje się projektowaniem urządzeń elektronicznych i programowaniem. Od 2003 roku na forum Elektroda.pl, od 2008 roku członek zespołu redakcyjnego.
    ghost666 wrote 11498 posts with rating 9731, helped 157 times. Live in city Warszawa. Been with us since 2003 year.
  • Computer Controls