حرکت به‌سمت اتم‌ها؛ رقابت تراشه‌سازان برای کاهش هرچه‌بیشتر ابعاد

در دنیای تراشه‌های کامپیوتری، اعداد بزرگ‌تر همیشه بهتر هستند. هسته‌های بیشتر، گیگاهرتز بیشتر، فلاپس‌های بزرگ‌تر و موارد این‌چنینی توجه و تمرکز مهندسان و کاربران را به‌خود جلب می‌کنند. البته، عاملی وجود دارد که هرچه کمتر باشد، به‌معنای برتربودن محصول تراشه‌ای خواهد بود. کدام عامل چنین وضعیتی دارد و چرا این‌قدر مهم است؟ چرا آن را با ابعاد نانومتر اندازه‌گیری می‌کنند و اعداد مشهور ۱۰ و ۷ و ۵ که اخیرا به دفعات برای توضیح آن استفاده می‌کنیم، چه معنایی دارند؟ در ابتدا باید بدانید عامل مذکور با نام فرایند ساخت (Process Node) شناخته می‌شود. این عامل در ارتباطی تنگاتنگ با مفهومی به‌نام «اندازه‌ی مشخصه» (Feature Size) در تراشه قرار دارد.

بنابر آنچه گفته شد، اندازه‌ی مشخصه امروز بیشتر کاربرد بازاریابی دارد و نمی‌توان برای مقایسه‌ی فرایندهای ساخت سازندگان مختلف از آن استفاده کرد. فراموش نکنید ترانزیستور قطعه‌ای حیاتی در هر پردازنده محسوب می‌شود و گروه‌هایی از این مؤلفه، تمامی فرایندهای پردازش و ذخیره‌سازی داده را در تراشه انجام می‌دهند. در این‌ میان، هرچه فرایند ساخت عدد کوچک‌تری داشته باشد، تولیدکننده از پیشرفت خود راضی‌تر خواهد بود. اکنون این سؤال ایجاد می‌شود که چرا کوچک‌ترشدن فرایند ساخت اهمیت دارد؟

هیچ رخدادی در دنیای پردازنده‌ها به‌صورت لحظه‌ای یا بدون مصرف انرژی برق اتفاق نمی‌افتد. در این میان، قطعات بزرگ‌تر به زمان بیشتری برای تغییر وضعیت نیاز دارند؛ درنتیجه، سیگنال در آن‌ها نیز به زمان بیشتری برای جابه‌جایی نیاز پیدا می‌کند و درنهایت، انرژی موردنیاز هم بیشتر است. بدیهی است ابعاد بزرگ‌تر در قطعات به‌معنای ابعاد بزرگ‌تر در کل تراشه و درنهایت، پردازنده خواهد بود.

در تصویر بالا، سه نمونه پردازنده‌ی قدیمی مشاهده می‌کنید: از سمت چپ به راست پردازنده‌ی ۲۰۰۶ سلرون و پردازنده‌ی ۲۰۰۴ پنتیوم ام و پردازنده‌ی ۱۹۹۵ پنتیوم. فرایند ساخت این تراشه‌ها به‌ترتیب ۶۵ و ۹۰ و ۳۵۰ نانومتری است. به‌بیان ساده، می‌توان نتیجه گرفت اجزای حساس تراشه در طراحی‌ای با عمر ۲۴ سال، حدودا پنج‌برابر بزرگ‌تر از همان اجزا در طراحی‌ای با عمر ۱۳ سال هستند. تفاوت بزرگ دیگر در تعداد ترانزیستورها دیده می‌شود. هرچه فرایند ساخت فشرده‌تر باشد، بر تعداد ترانزیستورهای درون تراشه افزوده می‌شود. نمونه‌ی جدید ۲۹۰ میلیون ترانزیستور را در خود جای می‌دهد و نمونه‌ی قدیمی‌تر تنها سه‌میلیون ترانزیستور. در اینجا شاهد تغییری نزدیک به ۱۰۰ برابر هستیم.

نکته‌ی مهم دیگر در روند تکامل این تراشه‌ها، در مسئله‌ی گرمازایی دیده می‌شود. پردازنده‌ی سلرون، تنها ۳۰ وات گرما تولید می‌کند و این عدد در پردازنده‌ی پنتیوم ۱۲ وات است. وقتی جریان برق از مدارهای موجود در تراشه عبور می‌کند، بخشی از انرژی خود را به‌‌دلیل فرایندهای متعدد از دست می‌دهد که حجم عمده‌ا‌ی از آن به‌صورت گرما درمی‌آید. این آمار نشان می‌دهد پردازنده‌ی سلرون گرمای بیشتری تولید می‌کند؛ اما فراموش نکنید نسخه‌ی جدیدتر، ۱۰۰ برابر ترانزیستور بیشتر دارد.

مطالب گفته‌شده نشان می‌دهد فرایند ساخت کوچک‌تر به‌معنای تولید تراشه‌های فشرده‌تر خواهد بود. به‌علاوه، ترانزیستورهای بیشتر با سرعت سوئیچ سریع‌تر هم خواهیم داشت. درنهایت، تعداد محاسبه‌ها در واحد ثانیه بیشتر می‌شوند و انرژی کمتری به‌صورت گرما تلف خواهد شد. اکنون این سؤال مطرح می‌شود که چرا همه‌ی تراشه‌های موجود در جهان با کوچک‌ترین فرایند ساخت تولید نمی‌شوند؟

مفاهیم  نوری

برای توضیح بهتر ساختار تراشه‌ها ابتدا باید با فرایندی به‌نام لیتوگرافی نوری (Photolithography) آشنا شوید. در این فرایند، نور تابیده‌شده از یک منبع از قطعه‌ای به‌نام «ماسک نوری» عبور می‌کند. قطعه‌ی مذکور نور را در برخی مناطق مسدود می‌کند و از برخی نقاط دیگر عبور می‌دهد. در بخش‌هایی که نور عبور می‌کند، پرتوهای نور در نقطه‌ی بسیار کوچکی متمرکز خواهد شد و سپس، با لایه‌ای مخصوص که در فرایندهای تولید تراشه به‌کار می‌رود، برهم‌کنش و مکان قرارگیری اجزای گوناگون داخلی تراشه را مشخص می‌کند.

برای درک بهتر فرایند مذکور می‌توان به تصویربرداری اشعه‌ی ایکس اشاره کرد. به‌عنوان مثال، در تصویربرداری از دست، استخوان‌ها نقش ماسک نوری را ایفا می‌کنند و گوشت اجازه‌ی عبور پرتو را می‌دهد و درنهایت، تصویری از ساختار داخلی استخوان دست ایجاد می‌شود.

آنچه گفته شد، تنها برای درک کلی ساختار تولید تراشه شرح داده شدند. درواقع، نور حتی برای تراشه‌های قدیمی همچون پنتیوم هم استفاده نمی‌شد؛ چون ابعاد بزرگی دارد. منظور از ابعاد در توضیح نور همان طول موج است. نور را می‌توان در دسته‌بندی امواج الکترومغناطیس قرار داد که ترکیبی از امواج الکتریکی و مغناطیسی دارد.

برای نشان‌دادن کلی امواج، عموما از دیاگرام‌های سینوسی استفاده می‌شود؛ درحالی‌که امواج به‌صورت کلی شکلی ندارند. درواقع، چنین اشکالی نشان‌دهنده‌ی الگوی تأثیری هستند که در برخورد امواج با جسمی دیگر ایجاد می‌شود. به‌هرحال، طول موج در چنین الگویی را می‌توان با اندازه‌ی فیزیکی بین دو نقطه‌ی قابل‌تمایز اندازه‌گیری کرد. به‌عنوان مثال، امواج دریا را در نظر بگیرید. در این امواج، طول موج به‌معنای فاصله‌ی دو نقطه‌ی اوج از یکدیگر خواهد بود. امواج الکترومغناطیس بازه‌ی گسترد‌ه‌ای از طول موج‌ها را شامل می‌شوند؛ درنتیجه، همه‌ی آن‌ها را در دسته‌ای به‌نام طیف قرار می‌دهیم.

کاهش ابعاد در قطعات

در تصویر پایین، بازه‌ی قرارگیری طول موج نور را مشاهده می‌کنیم. با توجه به آن، می‌توان ادعا کرد نور، تنها بخش کوچکی از طیف امواج الکترومغناطیس را اشغال می‌کند. در میان امواج زیر، نام‌های آشنای دیگری همچون امواج رادیویی، مایکروویو، اشعه‌ی ایکس و... قرار دارند. به‌علاوه، ابعاد مرتبط با طول موج هم دیده می‌شود. به‌عنوان مثال، نور طولی موجی برابر با ۷-۱۰  متر دارد. دانشمندان و مهندسان برای نشان‌دادن ابعادی این‌چنین کوچک از اصطلاحاتی همچون نانومتر استفاده می‌کنند. اگر به تصویر زیر دقت کنیم، می‌توان نور را در بازه‌ای بین ۳۸۰ تا ۷۵۰ نانومتر قرار داد. 

اگر نگاهی مجدد به سطرهای پیشین این مقاله بیندازیم، به‌یاد می‌آوریم پردازنده‌ی سلرون با فرایند ساخت ۶۵ نانومتر تولید می‌شود. اکنون این سؤال مطرح می‌شود که قطعات پردازنده چگونه ابعادی کمتر از نور دارند؟ درواقع، آن‌ها با امواج نوری ساخته نمی‌شوند و در تولید تراشه‌ها با چنین ابعادی، از امواج نور فرابنفش یا UV استفاده می‌شود.

با توجه به نمودار طیفی بالا، نور UV از طول موج ۳۸۰ نانومتر (محل پایان طیف نور مرئی) شروع می‌شود و تا ۱۰ نانومتر را پوشش می‌دهد. تولیدکننده‌هایی همچون اینتل و TSMC و GlobalFoundries از موج الکترومغناطیسی به‌نام EUV یا Extreme UV استفاده می‌کنند. امواج مذکور ابعادی تا ۱۹۰ نانومتر دارند. استفاده از امواج با طول موج کوتاه‌تر نه‌تنها موجب ساخت اجزایی کوچک‌تر می‌شود؛ بلکه کیفیت کلی آن‌ها نیز بهبود پیدا خواهد کرد. چنین رویکردی امکان جانمایی قطعات را در فواصلی کمتر ایجاد می‌کند و درنهایت، ابعاد کلی تراشه هم کوچک‌تر می‌شود.

برای درک بهتر ابعاد ۶ نانومتر باید بدانید فاصله‌ی اتم‌های سیلیکون از یکدیگر، حداکثر ۰.۵ نانومتر و قطر اتم‌ها نیز ۰.۱ نانومتر است؛ درنتیجه، کارخانه‌های TSMC ترانزیستورهایی تولید می‌کنند که پهنایی درحدود ۱۰ اتم سیلیکون دارند.

مشکلات تولید در ابعاد اتمی

در جمله‌ی آخر بالا، با حقیقتی شگفت‌انگیز روبه‌رو شدیم و درباره‌ی فرایند تولید در ابعاد اتمی خواندیم. البته، صرف‌نظر از فناوری‌های خیره‌کننده، تولید با استفاده از امواج EUV مشکلات مهندسی و تولیدی متعددی ایجاد می‌کند. اینتل سال گذشته در گسترش حجم تولید خط ۱۰ نانومتری خود و رساندن آن به حجم تولید ۱۴ نانومتری، مشکلات متعددی تجربه کرد. به‌علاوه، Global Foundries همه‌ی برنامه‌های توسعه‌ی خط‌تولید ۷ نانومتری و کوچک‌تر را متوقف کرده است. البته، شاید مشکلات شرکت‌های مذکور منحصرا به فرایندهای لیتوگرافی فرابنفش وابسته نباشند؛ اما به‌هرحال، نمی‌توان آن‌ها را کاملا بی‌ربط دانست.

هرچه طول موج امواج الکترومغناطیسی را کاهش دهیم، انرژی حمل‌شده‌ی آن‌ها افزایش می‌یابد؛ درنتیجه، احتمال آسیب‌رساندن به تراشه‌ نیز بیشتر می‌شود. به‌علاوه، تولید در ابعاد بسیار کوچک در مقایسه با آلودگی و عیوب موجود در مواد اولیه نیز حساسیت بیشتری دارد. از مشکلات دیگر می‌توان به محدودیت‌های پراکنش پرتو و نویز آماری اشاره کرد. در اینجا، نویز آماری تغییرات و ناپایداری‌های طبیعی است که در زمان جذب انرژی امواج EUV در لایه‌ی تراشه ایجاد می‌شود. مجموع همه‌ی مشکلات رسیدن به هدف اصلی، یعنی تولید تراشه‌های ۱۰۰ درصد عالی را دشوار می‌کند.

نمونه‌ای از مشکلات ایجادشده در جریان ساخت تراشه

مشکل مهم دیگر در طراحی و تولید با ابعاد اتمی در جریان الکتریسیته خلاصه می‌شود. در چنان ابعاد کوچکی، جریان الکتریسیته و جابه‌جایی انرژی از قوانین و سیستم‌های کلاسیک پیروی نمی‌کنند. حفظ‌کردن جریان برق در ابعاد کنونی آن‌چنان دشوار به‌نظر نمی‌رسد و تنها با عایق‌کردن اجزای تراشه می‌توان چنین رویکردی را انجام داد. درمقابل در ابعاد کوچک‌تر (حوزه‌ی فعالیت TSMC و اینتل)، نمی‌توان عایق مناسب و ضخیمی برای اجزا پیدا کرد.

با وجود مطالب گفته‌شده، مشکلات کنونی در تولید عموما اغلب به مشکلاتی نامربوط به فناوری EUV خلاصه می‌شوند. فرایندهای تولید تا چند سال آینده هنوز مشکلات بزرگی دارند؛ درنتیجه، هنوز باید زمان زیادی را منتظر باشیم تا با بلوغ تراشه‌ها، روزی درباره‌ی عملکرد تولیدکننده‌ها در رایانش کوانتومی یا مباحث مشابه بحث کنیم.

مشکل اصلی فرایند تولید تراشه‌های بسیار کوچک در ساختار تراشه‌سازان دیده می‌شود. اینتل و TSMC و تمامی شرکت‌های تولیدکننده طبیعت کسب‌وکاری دارند و تنها با هدف ایجاد درآمد در آینده به توسعه در ابعاد اتمی می‌اندیشند. بررسی زیر نشان می‌دهد تولید در ابعاد کوچک‌تر، چه مقدار هزینه‌ی تولید ویفرهای سیلیکون را برای شرکت سازنده افزایش می‌دهد.

به‌عنوان مثال، اگر نود پردازشی ۲۸ نانومتری را به‌عنوان فرایند تولید پردازنده‌های نسل Hawsell اینتل (مانند Core i7-4790K) در نظر بگیریم، نود پردازشی ۱۰ نانومتری هزینه‌ای تقریبا دوبرابری در تولید هر ویفر برای اینتل به‌همراه خواهد داشت. تعداد تراشه‌هایی که از هر ویفر استخراج می‌شود، وابستگی زیادی به ابعاد آن تراشه دارد؛ ازاین‌رو، کاهش ابعاد با وجود افزایش قیمت، احتمال تولید تراشه‌های بیشتر را افزایش می‌دهد. درنهایت، همین افزایش هزینه‌ها هم با افزایش قیمت کالای مصرف‌کننده جبران می‌شود؛ اما به‌هرحال باید تعادلی بین تولید و نیازهای صنعت وجود داشته باشد.

چشم‌انداز آینده

با وجود مشکلات کنونی در تولید با ابعاد اتمی، می‌توان آینده را امیدوارکننده دانست. اکنون سامسونگ و TSMC تولید ۷ نانومتری را با حاشیه‌ی سود و عملیات مناسبی انجام می‌دهند. به‌علاوه، طراحان تراشه نیز در حال بهینه‌سازی طراحی‌ها با استفاده از فرایندهای چندگانه در تولید آخرین تراشه‌های خود هستند. از جدیدترین نتایج بهینه‌سازی طراحی‌ها می‌توان به پردازنده‌ی AMD 3900X اشاره کرد. پردازنده‌ی حرفه‌ای دسکتاپ AMD از دو تراشه ۷ نانومتری ساخت TSMC و یک تراشه‌ی ۱۴ نانومتری GlobalFoundries بهره می‌برد. تراشه‌های ۷ نانومتری به‌عنوان قطعات پردازشی اصلی فعالیت می‌کنند و تراشه‌ی آخر حافظه‌ی DDR4 و دستگاه‌های PCI Express متصل به CPU را مدیریت می‌کند. با توجه به اینکه امید زیادی به موفقیت محصول جدید AMD می‌رود، به‌احتمال زیاد در آینده‌ی نزدیک، نمونه‌های مشابه بیشتری از شرکت‌های دیگر را شاهد خواهیم بود.

تصویر بالا تغییرات در فرایندهای ساخت اینتل را در ۵۰ سال گذشته نشان می‌دهد. بردار عمودی ابعاد فرایندی را با ضرایب ۱۰ نشان می‌دهد و از ۱۰ هزار نانومتر شروع می‌شود. با توجه به نمودار، متوجه می‌شویم غول پردازنده، روند نیم‌عمر فرایندی با دوره‌ی زمانی ۴.۵ سال را پشت‌سر گذاشته است. نیم‌عمر فرایند به زمانی گفته می‌شود که برای نصف‌کردن ابعاد فرایندی موردنیاز خواهد بود.

با توجه به نمودار بالا، می‌توان پیش‌بینی کرد اینتل تا سال ۲۰۲۵ موفق شود نود پردازشی ۵ نانومتری بسازد؟ با وجود مشکلات کنونی شرکت در تولید نود پردازشی ۱۰ نانومتری، رسیدن به آن دستاورد دور از انتظار نخواهد بود. همچنین، سامسونگ و TSMC پیشرفت‌های چشمگیری در تحقیق و توسعه‌ی تراشه‌ی ۵ نانومتری داشته‌اند و آینده‌ی آن‌ها روشن به‌نظر می‌رسد.

نودهای پردازشی کوچک‌تر سریع‌تر هم خواهند بود و با مصرف انرژی کمتر، کارایی بیشتری نشان می‌دهند. چنین محصولاتی مسیر خود را به‌سمت خودروهای خودران و گجت‌هایی همچون ساعت هوشمند هموار می‌کنند؛ درنتیجه، زمانی شاهد محصولاتی از این دسته با کیفیت و قدرتی نزدیک به گوشی‌های هوشمند و عمر باتری نزدیک به آن‌ها خواهیم بود. به‌علاوه، پردازنده‌های گرافیکی هم پیشرفت می‌کنند و گرافیکی با جزئیات بالا در بازی‌ها را شاهد خواهیم بود که در فیلم‌های چندمیلیون‌دلاری یک دهه پیش تاکنون هم شاهد آن‌ها نبودیم.