EN
Naisc Ghasta
Thosaigh leictreonachas nua-aimseartha go díreach nuair a chruthaigh na trí fhir ag Bell Labs—William Shockley, John Bardeen, agus Walter Brattain—an tionscal pointe i 1947. Roimhe sin, bhí gach rud ag brath ar na tuibhacha fholamh mór-mhéideacha a chuideodh leis an slánaíocht agus a bhí tendálta briseadh. Bhí na gléasraí leictre-seimicondactacha atá curtha amach acu níos lú, áitíonn siad níos lú de sholáthar leictreachais, agus ligfidís do ghléasanna méid a laghdú go mór. Cúpla bliain ina dhiaidh, i 1951, thug Shockley suas leis féin leagan ar an tionscal comhsheasmhach (junction transistor) a oibríodh níos fearr le himeacht ama agus a rinne déanta na gcuidiún seo praiticiúil do úsáid ar fud na tionscail. D'oscail sé seo bun go léir do gach cineál nuálaíochta leictreonach a úsáidimid go gnách inniu.
An chéad tránsistóirí bhí sí ag brath ar gheirméan toisc go raibh sé den chuid is fearr mar sholadán leictreach. Bhí fhadhb ann, áfach, nuair a bhí teochtaí os cionn thart ar 75 céim Celsius, rud a rinne iad neamhionann le chéile do chuid mhaith de na feidhmchláir industrialta. Athraigh na rudaí timpeall na meán-1960dí nuair a thosaigh sileacsan ag glacadh leis an mball is mó. Bhí cumas ag sileacsan teasa níos airde a sheachaint, bhí níos lú caillteanais reatha aige, agus d'oibrigh sé níos fearr leis na insiléirí ocsaíd a bhí ag teacht ina gcóras coitianta sa tionscal. Mar a fheabhsaíodh na modhanna maidir le críostaí a fhásadh agus impúrthachtaí a chur isteach trí phróisis doping, thosaigh monarlaí ag déanamh scigilíní sileacsan ar bhealach comhsheasmhach. D'fhág an forbairt seo tionchar mór ar dhéantús soladán leictreach níos lú agus níos cumasaí le himeacht ama.
Ar ais i 1958, d'fhorbair Jack Kilby ag Texas Instruments agus Robert Noyce ó Fairchild Semiconductor rud thar a bheith bunúsach: an chiorcadh comhtháite. Chuir an iontacht bheag seo gach ceann de na comhpháirteanna leictreonacha ar leathanaigh amháin silicin in ionad iad a bheith scaoilte ar bhord. Tar éis seo, sa dánaí cheathrú déag den fhichiú haois, thosaigh comhtháithne ar scál mór, ag cur tensa milliún tranzistéir bheaga ar gach chip. Bhí sé sin comhsheasmhach leis an méid a bhí Gordon Moore ag súil leis faoi sin maidir le cumhacht ríomhaireachta a dhéanamh neartach gach cúpla bliain. Le linn ama, rinne forbarthaí ar shroinsí cosúil le teicnící fhotolitigeagrafaíochta agus bealaí níos fearr chun chipanna cothrom a dhéanamh go cinnte ar ról an tsilicín mar rí an domhain dhigiteach. D'éiligh na forbairtí seo níos mó ná ár ríomhairc laethúla ach freisin rudaí cosúil le gluaisteáin-smaointe, freastalóirí a rith suímh gréasáin, agus fiú comhpháirteanna de láthairí sonraí nua-aimseartha a choinníonn an idirlíon ag rith.
De réir mar a léiríonn Dlítheor Moore go mbeidh uimhir na dtranzaisitore ar chipeán ag dul i ndiaidh a dhatháil faoi chaibidlán gach dhá bhliain, agus tá sé seo ag treorú forbartha ríomhaireachta ó tháinig Gordon Moore leis an réamhaisnéis cáiliúil sa bhliain 1965. Nuair a féachaimid ar na huimhreacha, feicimid go ndeachaigh tranzaisitore ó mhéid thart ar 10 micriméadar i rith na 70idí síos go níos lú ná 5 nanaméadar anois sa bhliain 2023, rud a mhéadaigh go mór an luas agus an éifeachtúlacht a oibríonn na chipanna seo. Bhí rud ar a dtugtaí Scálúchán Dennard ann a bhí ag coinneáil úsáide cumhachta tógtha nuair a bhí tranzaisitore ag laghdú i méid, ach thosaigh sé seo ag briseadh timpeall an 2004 mar gheall ar fadhbanna le reathaileacaidh agus leasaithe teasa. De réir Tuarascála Réamhscálaithe Searmhalach 2024, thug sé seo ar an eochair do thionscail imeacht chuig bheartúil múlthcore seachas core aonair a dhéanamh níos tapa, mar sin tá déantaí comhdhlúite ag tabhairt níos mó aghaidh ar phróiseáil chothrománach seachas iarracht a dhéanamh ar shliodáin cnasa a ardú.
Nuair a théann muid síos go dtí fórsaí fo-5nm, cuirtear i gciorras dúinn toisc le teascairtú cainníochta agus na cumhachtaí ionfhabhtaithe sin. Ní oibríonn na leictreoin mar a bhíonn súil leo a thuilleadh, bíonn tendalacht acu titim thar na bacáin geata trí éifeachtaí teascairtithe. Cruthaíonn sé seo gach cineál reoileadh reoileadh a d’fhéadfadh comhlán 30% den chumhacht iomlán a úsáid sa chíp de réir taighde Ponemon ón mbliana seo caite. Agus ní bheidh sé níos fearr nuair a bhreathnaímid ar éifeachtaí chaiblí gearra a mhilleann conas a chailltear staidhmhailt an fholtáis threshold. Léimfidh athraithe timpeall 15% agus na nódanna beaga seo mar a luaitear in staidéar IEEE i 2022. Cuireann na fadhbanna go léir seo le chéile agus déanann siad cumhacht an phoidin a bhainistiú thar a bheith dúshláin. Mar thoradh air sin, bhíodh ort do thhiomaí a infheistíocht mhór a dhéanamh i gcórais fuaraithe casta, rud a chuireann de ghnáth idir 20% agus 40% le costais mhonaratheoireachta iomlána do na chípeanna ardfheabhsaithe seo.
Tá uimhir na trasnaistéir ag dul suas i gcónaí, ach níl modhanna traidisiúnta scálála ag fuascadh go leor a thuairim ar dhaoine eolacha. De réir an t-achtais ó IEEE anuraidh, smaoiníonn thart ar dhá thrian ingineoirí leictreonach gur cuireadh bac ar Dhlí Mhóre cheana féin. Níl ach thart ar cheathrú bliainse ag súil go mbeidh chipanna silicium praiticiúla faoi 1nm sa todhchaí beag. Tá chuid baile comhlachtaí ag athshó ina dtarraingteacht ar stacáil chipanna 3T agus ar mheascán compainmneán éagsúla seachas iarracht gach rud a laghdú i bpíosa amháin. De réir na dtrendanna le déanaí, is cosúil go bhfuil lú interest ag an domhan teicneolaíochta sa mhéid seo bheag atá trasnaistéir ach níos mó interest sa rudaí a oibríonn córas iomlána le chéile. Cuireann sé seo béim ar athshó mór sa bheith ag smaoineamh ar cad atá mar fhorbairt fheidhmiúil i bhforbairt leictreonach.
Bhí sé ag bogadh ó thransaitheoirí phleanálaacha flat go struchtúir 3D FinFET álainne le linn athruithe cluichidh chun rialú níos fearr ar an leictreachas. Bhí an tric seo ag obair timpeall an geata ar an bhfinín beag silicin ina seasamh, a laghdú ar shileadh neamhthábhachtach agus a fhágáil go raibh sé féidir na rudaí a dhéanamh níos lú ná 22 nanóiméadar. Ansin tháinig transaitheoirí nanosheet a thug an coincheap seo níos faide i ngleic, a ligean do ingineoirí an leithead aonaidh ar na cealla conasctha de réir na bhfoltas atá ag teastáil uathu a láimhseáil. De réir mar a aimsíonn an tionscal é, leanann na dearbhacha trí-thaobacha seo ag feidhm nuair a théann muid síos go dtí méid níos lú ná 3nm, rud nach raibh indéanta leis na dearbhacha pleanálaacha sine nuair a shroicheamar thart ar 28nm toisc gur thit na fadhbanna le sileadh agus leictreachas caillte as smacht iomlán.
Tógann an dearbhú Trasna-an-Geata (GAA) teicneolaíocht FinFET go dtí an chéad chéim eile trí chuile theachtaire a bhfuilthigh le ábhar geata ó gach treo. Tabhairdean an clúdacht iomlán seo smacht mhór-mhaith ar airíonna leictreach agus laghdaíonn sé caillteanais neamhthéacsúla faoi thart ar 40 faoin gcéad. Chomh maith leis sin, oibríonn na gléasanna seo níos tapa agus oibríonn siad go maith nuair a scáláiltear i síos thar an marc 2nm. Faoi láthair, glacann struchtúir Trasna-FET (CFET) leis an gceist níos faide agus cuirtear trasnaíóirí cineál-n agus trasnaíóirí cíneál-p in aice ar a chéile go verticálta. Dúbálann an eagarlach cúramach seo an méid comhbhunúsach loighci atá in ann titim sa spás céanna gan níos mó fáis a bheith de dhíth ar dhromchla an chip. Dealann an dá chur chuige GAA agus CFET le roinnt fadhbanna mór a thagann chun cinn ag déantóirí nuair a iarraidh siad éifeachtaí eleactra-staidéir a bhainistiú agus dathacha a uasmhéadú agus na gnéithe meaisín is lú a dhéanamh suas go míleata.
Tá na fo-untaí is fearr le haghaidh semascóipthe ag gluaiseadh i dtreo próisis fabraíochta faoi 2nm, cé go bhféadfaimid feiceáil tranzistéirí geata-iomláin-timpeall (GAA) ag teacht chuig mhonarú ar fad-mhórthóir timpeall 2025 de réir na tuarascálacha reatha. Anois tá cláranna beartais an tionscail ag fócas a chur ar fheabhsú ar fheidhmíocht agus ar úsáid níos lú cumhachta seachas ach níos mó tranzistéirí a chur ar chip. Tosaigh roinnt ionad piléire le teicnící dhénithe comhcheangailte chun na struchtúir 3D uathleathana áille seo a chruthú, rud a thaispeánann go bhfuil na cuideachtaí ag smaoineamh ar an mbealach is fearr le haghaidh conas córais iomlána ag obair le chéile. Taispeánann an rólódáil mall ar na teicneolaíochtaí seo cén fáth a bhfuil chomh mór airgid ag teacht isteach i gceardlannanna lithagrafaíochta ar an mbéim is déanaí agus i gcórais tiubhrúchta ar leibhéal ard. Gan na nuashonruithe costasacha seo, d’fheastódh an tionscal ar fad go tapa.
Ligeann an t-intégráid mhonolaitheach 3T d'fhágálaimh cruthú a dhéanamh ar roinnt scamaill ghníomhacha ar bhunábhar amháin ag baint úsáide as teicnící fabraíochta seicheamhacha. Nuair a chuirtear seo le teicneolaíocht CMOS snaidhmhte, déanann an suíomh seo comhdhlúcháil chircuití lojic go díreach in aice le comhpháirteanna cuimhne a bheith féidir. Táimid ag feiceáil sruthanna cosúil le SRAM á cur go díreach faoi bhunscoirí ríomhaireachta anois. Fadhbanna teasa idir scamaill agus sainléiriú comharthaí ó shcampall go scampall fós ann. Ach léiríonn forbairtí le déanaí i modhanna fabraíochta ag ísliú teochta, lena n-áirítear tréidh siocair fearr (na naisc bheaga seo a leanas trí láiríní siocair) go mbeidh táirgí fíorcha ar an margadh timpeall 2026 do luathscóirithe AI agus gléasanna ríomhaireachta coisimhse? Síleann roinnt saoránach go mb’fhéidir go ndéanfadh cineál áirithe de scáláil spásach seo Dlí Moore beo go dtí thart ar deich mbliana eile sula bhféachaimid ar bhalla eile.
Ábhair ar a dtugtar dichalcogenides míolta trasdhealaithe, nó TMDs in ghort, cuimsíonn siad rudanna cosúil le molybdenum disulfide (MoS2) agus tungsten diselenide (WSe2). Is íseal iomlán at an leibhéal adamhach iad na hábhar seo agus ligfidh siad do leictreoin bogadh tríothu go tapa. Nuair a bhreathnaímid ar ghnéithe semascóipthe an-tanaí, is féidir leis na TMDs seo rátaí i gceart/ama os cionn 10 i gcumhacht 8 a bhaint amach nuair atá siad ag feidhm ag 0.7 volta amháin. Tá sé seo thart ar 74 faoin cheint níos fearr ná mar a dhéanann silicium de réir taighde leathanais ó IMEC sa bhliain 2023. Cabhraíonn an bealach a stacaítear na hábhar seo i layer leis na heifeachtaí canála gearra a rialú fiú nuair a théann gnéithe síos go dtí thart ar 5 nanaméadar. Mar thoradh ar an eipréis seo, creideann go leor taighdeoirí go mbeidh TMDs mar bhunphointeanna tábhachtacha le haghaidh chip ard-rangacha ar an gcéad chineál eile agus gléasanna lojic eile sa todhchaí.
Cuirtear bac ar úsáid fhairsing TMDs ar fad, cé go bhfuil a bharraíocht ann, de bharr díoghlaithe i réimse mhóir agus ábhar pláta. D'fhéadfadh eipitáis as réigiún roghnaithe lagú a dhéanamh ar staid trapaí faoi 63%, ach tá <3% díoghlaithe de dhíth fós chun déantús ar ard-voluma a chur chun cinn—críochmhínitheoir a bhfuil amháin os comhair sa chóras taighde go dtí seo (2024 Semiconductor Roadmap).
Is féidir le tranzistóirí a déanta de thuirte nanacarboin nádúrtha gearrthach a sheoladh i líne díreach gan scaipeadh nuair atá siad timpeall ar 15 nanaméadar ar fhad. Cuireann sé sin luas sleamhnaithe orthu atá beagnach trí huaire níos tapa ná teicneolaíocht shilicin traidisiúnta FinFET. Ach tá locht ann. Tá sé fós ag cur isteach ar thaighdeoirí an chiralacht a rialú (a chinneann na airíonna leictreacha) agus toradh comhsheolaithe cothrom a fháil, rud a dhéanann deacracht é glacadh le gléasraí oiriúnacha a tháirgeadh go minic. Tugann graifín cás suimiúil eile. Cén fáth go bhfuil conductacht iontach aige, níl brách nádúrtha aige rud a chríochnaíonn é do chiorcail dhigiteacha caighdeánacha. Tá obair mholfhógair ag tarlú áfár amháin le comhchosaintí scamaill graifín agus uillinn bhórnaimhidríde heicsaghonalacha. D’fhéadfadh go bhfaighfeadh na struchtúir hibride seo úsáid in aicearra i bhfeidhmchláir áirithe áit a d’fhéadfadh a gcarachtair uathúla a bheith in úsáid go héifeachtach.
Tá an iarracht chun ábhair 2D a thabhairt isteach i dtsaothráil rialta timpeall modhanna cuirimh ar scagaire atóimí a oibríonn go maith le di-leacachardáin ard-k cosúil le HZO. Taispeánann sonraí le déanaí ó ghrúpa tionsclaíochta sa bhliain 2024 go bhfuil formhór na gcroicí táirgeachta ag tástáil innealtóireachta do na hábhair seo cheana féin. Tá cineál amháin de chóras uirlisí ar thart ar 8 as gach 10 líne don phróiseáil ábhar 2D anois. Ach tá fadhb fós ann ag deireadh an tsaothair nuair a theastaíonn nascanna móréiteacha nua a dhéanamh. Is é an fhadhb ná hasra ar teocht, mar ní féidir le go leor próisis dul thar 400 céim Celsius gan comhdhéanaimh a chara. Forcann an srianchuingealú teochta seo ingineoirí réitigh cruthaitheacha a aimsiú chun na hathruithe seo a nascadh i mbeart cheart gan feidhmíocht a chailliúint.
Ba chóir go mbeadh timpeall 29 milliard de dhéischóras IoT ann faoi 2030, rud a chiallaíonn go gcaithfidh tranzistéirí níos lú ná 1 micre-amp i mód fanachta chun rudaí ag feidhmíochtú go héifeachtach. Taiscéalaíodh go d’fhéadfadh circuits foshreathacha lena ngabhaill tranzistéir éalaithe réimse teilge ina bhfuilimid ag cloisteáil faoi le déanaí lagú a dhéanamh ar réimsí éalaithe go dtí 60 faoin gcéad i gcomparáid le teicneolaíocht MOSFET chaighdeánach. Cad é a chiallaíonn sé seo i ndáiríre do chur chuige ar domhainn fíor? Uaireadóir, cuireann sé cead ar chórais fhianaise comhshaoil agus fiú roinnt ghléasanna leighis ionfhorsta a rith ar feadh blianta ar amharc amháin agus b’fhéidir go mbeadh go leor cumhachta próiseála acu chun a n-obair a dhéanamh go beacht. Tá an tionscal semascóipreachta ag brú go láidir ar na nuashonruithe seo chun siad a dhéanamh ar aghaidh toisc go bhfuil siad ar an eolas cé chomh thábhachtach atá bataraí leatana fada ag teacht ar fud réimsí éagsúla.
Tá na trasfheistithe is déanaí carbide silicin (SiC) agus nítríd gallaime (GaN) ag fáil thart ar 99.3% éifeachta nuair a úsáidtear iad i mboscaire solaire, rud a chuireann isteach ar thart ar 2.1 milliún tonn de chruatach CO2 sa bhliain ar fud an bhisigh. Léiríonn staidéar leathana ó thuairiscí um infrastruchtúr fuinnimh go ndúirt na comhpháirteanna scagtha ar leibhéal ard seo caillteanais cumhachta faoi 40% i réimsí grida smartóige ó thaofar sonraí 2020. Tá fabhróirí ag casadh anois freisin i dtreo teicnící pacálaíochta ar leibhéal wafair. Laghdaíonn an cur chuige seo caillteanais thar ré sisteachtaí ach oibríonn sé go maith freisin le heachmhéaraí 300mm reatha gan riachtanas le athruithe móra ar ionadáin mhonaraithe.
Baintear leasú 1,000— níos fearr as éifeachtúlacht fuinnimh in gach oibríocht sinéadach ag chip neamharfhoracha a úsáideann FeFETs (FeFETs) i gcomparáid le GPUanna—agus cuireann sé seo forbairt éifeachtach AI ar fáil ar imeall an líonra. Tá transistors orgánacha solúbtha tuartha-thana atá in ann bogadh suas le 20 cm²/V·s agus ábalta 500 uair a bheith curtha ar fáil faoi bhendáil, ag tacú le monatóirí sláinte indéanta agus níos fearr.
Cothromaíonn dearbhú transistior nua-aimseartha idir reatha ON (ION), luas aistrithe, costas, agus tréimhne bunaithe ar riachtanais an iarratais. Oibríonn transistors do chártaí oibre go hinmheánach ag 175°C, agus sásraíonn na leaganacha beachtaineolaíocha riachtanais an ráta teipthe 0.1% strengte i rith tréimhse 15 bliana. Déanann an cur chuige sonrach seo cinnte go dtéann dul chun cinn teicniúla i bhfad le héifeachtúlacht agus luach sa réaltaíocht.
Cad ba bhua is mó a rinne Bell Labs sa bhliain 1947?
I 1947, d'fhógair eolaithe ó Bell Labs an tranzistoir phointe-teagmhala. D'fhág sé seo go bhféadfadh gléasra leictreonacha a bheith níos lú agus níos éifeachtaí i gcomparáid leis na tuibh vacaidm a úsáideadh roimhe.
Cén fáth a fuair silicium an uileán os cionn ghearmáiniam sa tranzistoir?
Chuir silicium in ionad ghearmáiniam mar sholathraí leictreach is fearr sa dána bliain déag is 60 nóim, toisc go raibh sé in ann teochtaí níos airde a sheachaint, go raibh níos lú caillteanais aige, agus go raibh sé níos fearr le taiscneoirí ocsaíd.
Cad is léighe Mhóre ann agus cén fáth a bhfuil tábhacht leis?
Déanann Léighe Mhóre a thuar go mbeidh an méid tranzistoirí ar chipe beartlaí faoi dhó gach dhá bhliain, agus é ag tiomáint forbairtí sa chumhacht ríomhaireachta agus san éifeachtúlacht.
Cad iad teicneolaíochtaí FinFET agus GAA?
Is cartlainní tranzistoir casta iad FinFET agus Gate-All-Around (GAA) a thairgeann smacht leictreach fearr agus caillteanas laghdaithe, rud a fhágann go bhfuil siad oiriúnach do chipthe níos lú.
Cad iad na míreanna 2T agus a n-ait sa theicneolaíocht tranzistoir?
tá scamaill aigcineacha ann i malairtí 2D, cosúil le TMDs, a ligeann do ghníomhachtú níos fearr ar leictreon, ag tabhairt buntáistí éifeachtaíochta os cionn scamaill shilicium traidisiúnta do shemascóipthe in am atá le teacht.
Conas a bhfuil nuashonrú trasnfhoilire ag cur le héifeachtaíochta fuinnimh?
Laghdaíonn nuashonrú trasnfhoilire, lena n-áirítear dearbhaimh ultra-íseal cumhachta agus ábhar éifeachtach i dtéarmaí cumhachta, úsáid na cumhachta go mór san IoT, teicneolaíocht ghloine, agus líonraí cliste.