TSMC سال ۲۰۲۴ ترانزیستورهای 2 نانومتری MBCFET را به ‌تولید انبوه می‌رساند

شرکت صنایع نیمه‌هادی تایوان (TSMC) توانسته در حوزه‌ی تحقیق‌و‌توسعه به دستاوردی انقلابی برسد. درحالی‌که تراشه‌های رده‌بالای امروزی به‌طور عمده بر لیتوگرافی (نود پردازشی) هفت نانومتری متکی هستند، TSMC فرایند تحقیق‌و‌توسعه‌ی جدی برای لیتوگرافی دو نانومتری را آغاز کرده و به نتایج مثبت متعددی هم دست پیدا کرده است. گزارش‌های مربوط به دستاورد جدید TSMC نخستین بار در رسانه‌های تایوانی منتشر شدند و سپس شاهد پوشش آن‌ها توسط رسانه‌های معتر جهانی بودیم. 

TSMC امروزه به‌عنوان تأمین‌کننده‌ی تراشه برای بسیاری از شرکت‌های کوچک و بزرگ در سراسر دنیا شناخته می‌شود و مشتریان مهمی دارد. آن‌طور که گزارش‌های اخیر می‌گویند، TSMC قصد دارد در اواسط سال ۲۰۲۳، فرایند تولید آزمایشی لیتوگرافی دو نانومتری را کلید بزند؛ یک سال بعد (۲۰۲۴)، شاهد آغاز تولید انبوه این لیتوگرافی خواهیم بود. 

درحال‌حاضر جدیدترین لیتوگرافی TSMC، نسل اول لیتوگرافی پنج نانومتری است که قطعا در تراشه‌های متعددی از آن استفاده خواهد شد؛ A14 Bionic، نخستین تراشه‌ی پنج نانومتری دنیا که در آیپد ایر ۲۰۲۰ و گوشی‌های خانواده‌ی آیفون ۱۲ از آن استفاده می‌شود، برپایه‌ی لیتوگرافی پنج نانومتری TSMC ساخته شده. در اصطلاح عامیانه، کلمه‌ی نود در عبارت نود پردازشی، به ابعاد واحدهایی از ترانزیستور با نام فین (Fin) اشاره می‌کند. پردازنده‌ای مدرن شامل میلیاردها فین‌ است. این تعداد زیاد فین‌ها درکنار یکدیگر باعث شده‌اند امکان انجام پردازش‌های بسیار پیچیده فراهم شود. همچنین فین‌های یادشده قیمت تمام‌شده را کاهش می‌دهند و باعث بهبود قدرت پردازشی تراشه می‌شوند. 

برای اشاره به ترانزیستورهایی که در تراشه‌های ساخته‌شده توسط TSMC و بازوی تراشه‌ساز سامسونگ با نام Samsung Foundry مورداستفاده قرار می‌گیرند از عبارت فین‌فت (FinFET مخفف Fin Field Effect Transistor) استفاده می‌شود. بااین‌حال، لیتوگرافی دو نانومتری TSMC قرار است دارای طراحی متفاوتی برای ترانزیستور باشد و عبارت فین‌فت را کنار بگذارد. از طراحی جدید ترانزیستورهای موردبحث با عبارت MBCFET (مخفف Multi-Bridge Channel Field Effect) یاد می‌شود. MBCFET برپایه‌ی طراحی‌های پیشین فین‌فت ساخته شده و بهبودهایی محسوس به‌خود دیده است. 

طراحی فین‌فن متشکل‌از سه المان کلیدی است که شامل «منبع»،‌ «دروازه» و «ناودان» می‌شوند؛ الکترون‌ها از منبع به‌سمت ناودان به‌جریان درمی‌آیند و وظیفه‌ی دروازه، تنظیم کردن جریان برق است. در طراحی‌های قبل از فین‌فت، منبع و ناودان تنها در محور افقی تولید می‌شدند و به‌بیانی بهتر،‌ این دو المان هم‌راستا با تراشه قرار می‌گرفتند. TSMC در روش فین‌فت، استراتژی خود را تغییر داد. منبع و ناودان در فین‌فت به بعد سوم مجهز شدند و این یعنی به‌حالت عمودی هم درآمدند. نتیجه‌ی راهکار فین‌فت این بود که الکترون‌های بیشتری می‌توانستند از دروازه عبور کنند؛ به‌علاوه میزان نشست الکترون‌ها کاهش یافت و ولتاژی کاری هم کاهش پیدا کرد. 

این نخستین باری نیست که یک شرکت تراشه‌ساز سراغ استفاده از روش MBCFET برای تولید ترانزیستور تراشه‌ها می‌رود. در آوریل سال گذشته‌ی میلادی (فروردین و اردیبهشت ۱۳۹۸) بود که سامسونگ در بیانیه‌ای اعلام کرد قصد دارد برای تراشه‌های سه نانومتری از روش تولید MBCFET استفاده کند. راهکار MBCFET سامسونگ درواقع نسخه‌ی تکامل‌یافته‌ی راهکار GAAFET بود که این شرکت در سال ۲۰۱۷ در همکاری مشترک با IBM طراحی کرده بود.

راهکار MBCFET سامسونگ برخلاف GAAFET برای منبع و ناودان از نانوصفحه (NanoSheet) استفاده می‌کند، این درحالی است که GAAFET از نانوسیم (NanoWire) استفاده می‌کرد. استفاده از نانوصفحه باعث افزایش سطح رسانای ترانزیستور می‌شود و مهم‌تر از آن، تولیدکننده‌ی تراشه را قادر می‌سازد بدون افزایش سطح جانبی، از دروازه‌های بیشتری در ترانزیستور استفاده کند. 

اخبار جدیدی به‌تازگی در بین رسانه‌ها دست‌به‌دست می‌شوند که هنوز به‌تأیید رسمی TSMC نرسیده‌اند؛ این اخبار ادعا می‌کنند TSMC انتظار دارد نرخ بازده لیتوگرافی دو نانومتری‌اش به عدد سرسام‌آور ۹۰ درصد در سال ۲۰۲۳ برسد. اگر این اتفاق رنگ حقیقت به‌خود بگیرد و مشکل دیگری پیش نیاید، TSMC خواهد توانست مطابق برنامه‌های تعیین‌شده، در سال ۲۰۲۴ فرایند تولید انبوه را آغاز کند.

سامسونگ به‌هنگام معرفی ترانزیستورهای MBCFET اعلام کرد انتظار دارد لیتوگرافی سه نانومتری بتواند میزان مصرف انرژی تراشه را نسبت‌به تراشه‌های هفت نانومتری بین ۳۰ تا ۴۵ درصد کاهش دهد. سامسونگ همچنین از افزایش قدرت تراشه‌ی سه نانومتری به‌میزان ۳۰ درصد نسبت‌به تراشه‌ی هفت نانومتری خبر داد.