Samsung: 3nm čipy a pokročilé tranzistory GAA a MBC

Intel před řadou let přišel s revolucí v tvorbě tranzistorů, když představil typ, jemuž se později začalo říkat FinFET. Ten nahradil běžné rovinné tranzistory a vyrostl do výšky, aby tím mohl kompenzovat celkově menší tranzistory s ohledem na jejich půdorys. Právě na FinFET mají navázat tranzistory GAA (Gate All Around) se svým výmluvným označením, které znamená, že se využijí cylindrická hradla. Můžeme zde mluvit také o technologii Nanowire a vedle ní jsme už také slyšeli o Nanosheet. Právě ta má už odpovídat tranzistorům MBC (Multi-Bridge Channel), o nichž se dnes dozvíme více. 

 

 

 

V roce 2011 jsme psali, že Intel má připraveny "revoluční tranzistory", které nahradí dosavadní běžné rovinné. A revoluce to skutečně byla i v tom, že se i na veřejnosti začala více řešit architektura samotných tranzistorů, o nichž jsme do té doby uvažovali jen ve dvou rozměrech, čili čím menší na ploše čipu, tím lépe. 

 

 

Tranzistory Tri-Gate byly vůbec poprvé spojeny s 22nm procesem, čili s procesory Intel generace Ivy Bridge a jak ukazuje přiložený obrázek, jejich žebra nám narostla do výšky a v případě dané technologie byla ještě ztrojena, aby se maximalizovala styčná plocha kanálu s hradlem (gate). Intel tím docílil většího výkonu, čili rychlejšího přepínání tranzistorů a také mnohem menších ztrát energie, což se odrazí i ve výdeji odpadního tepla. 

 

Nové tranzistory pak Intel využil i ve své stále aktuální 14nm technologii, s jejíž pomocí dokázal utéct své konkurenci, která své obdobné tranzistory zvané obecně FinFET dokázala dostat na trh později poté, co se už vymanila ze spárů 28nm procesu. Jenomže, jak nyní moc dobře víme, nyní je to zase Intel, kdo tahá za kratší konec. Pokusil se dostat na trh velice ambiciózní 10nm proces, což se mu naopak nevyvedlo a my stále od roku 2014 čekáme na to, kdy bude 14nm proces Intelu konečně nahrazen. A to bude asi ještě klikatá cesta. 

 

 

 

Vraťme se ale k tomu, co si pro nás chystá Samsung a jistě nejen on, však jde o vývoj technologií, do nějž je zapletena i firma IBM. To podstatné shrnuje tento obrázek: 

 

 

V jeho levé polovině máme minulost a současnost, coby rovinné tranzistory a FinFET, a v pravé pak budoucnost v podobě GAAFET (Nanowire) a MBCFET (Nanosheet). Mluvit budeme prostě o GAA a MBC, přičemž už jen z uvedeného obrázku je jasné, o co ve zkratce jde.

 

Tranzistory GAA mají takovou konstrukci, že využívají tři rozkouskované kanály, které procházejí samostatně hradlem, od čehož tu tak máme označení Gate All Around, čili brána/hradlo "všude kolem". Tyto kanály mají malý průřez jako drátky a od toho zase vzniklo označení Nanowire. 

 

Tranzistory MBC jsou v podstatě to samé, jen mají mnohem širší kanály zvané v jejich označení (Multi-Bridge Channel) jako mosty. Případně také můžeme mluvit o nanoplátech dle termínu Nanosheet. Reálně mohou vypadat takto:

 

tranzistory Nanosheet vytvořené firmou IBM

 

Jak do toho zapadá Samsung? Ten plánuje, že společně se svou 3nm technologií využije, respektive už asi bude muset využít i nový typ tranzistorů, což budou nejdříve právě GAA. Firma přitom už ohlásila, že má pro své zákazníky připraven raný Product Design Kit verze 0.1 právě pro první verzi 3nm procesu, takže firmy už pomalu mohou začít pracovat na návrzích prvních produktů. 

 

Tranzistory FinFET tak jsou a zůstanou klíčovou částí polovodičových technologií tohoto desetiletí, ale pro 3nm a případně ještě pokročilejší procesy už přestanou stačit a bude nutné opět zvětšovat styčné místo kanálů a hradel a opět jde o škálování výkonu tranzistorů a zabránění ztrát. Problém je však zřejmý, konstrukce tranzistorů GAA a MBC je mnohem složitější i v porovnání s FinFET a v podstatě jde opět o aplikaci myšlenky vrstvení, která je dnes tak moc aktuální v případě moderních NAND Flash. Jde ale rovnou o vrstvení jednotlivých částí samotných základních kamenů počítačových čipů. 

 

návaznost jednotlivých procesů 

 

Zmínili jsme už také termín Product Design Kit (PDK), což je téma, které stojí za to si rozvést. Základní účel je zřejmý, jde o sadu nutnou k tomu, aby nějaká firma mohla navrhnout čip pro výrobu jistým procesem. Pokud někdo bude chtít si pomocí již mnohokrát vyzkoušeného procesu vytvořit čip založený třeba na architektuře ARM, pak může přímo firmu ARM požádat o designérskou sadu třeba pro Cortex-A76, která se hodí dejme tomu pro 16nm proces firmy TSMC, 12nm proces Global Foundries, atp. K dispozici mohou být i různé verze s ohledem na to, zda cílíme na dosažení vysokého taktu, nebo naopak spíše nízké spotřeby. 

 

Samotné firmy nabízející zakázkovou výrobu čipů ale dávají k dispozici své PDK, které postupně aktualizují s tím, jak se vyvíjí samotné procesy a jak přibývají zkušenosti s výrobou různých čipů. Právě z PDK se pak zákazník dozví, jak může své čipy optimalizovat i s ohledem na výkon a spotřebu. Je tak zřejmé, že Samsung nemůže pro 3nm proces nabídnout nic než ranou (alfa) verzi PDK, kterou pak bude i s přispěním zákazníků vylepšovat a těžit z toho budou nakonec všichni, přičemž to vše se odvíjí také od toho, jak vypadají hlavní vývojové větve výrobních procesů, které v případě Samsungu ukazuje obrázek nahoře. 

 

Při té příležitosti si také můžeme připomenout nedávnou zprávu o procesech firmy TSMC, která tvrdí, že většina zákazníků využívajících 7nm proces přejde na 6nm. Výkonný ředitel TSMC k tomu uvedl, že právě 6nm proces využívá stejné "designové principy" jako 7nm, ovšem pokud jde o 7nm+ s technologií Extrémní ultrafialové litografie (EUV), pro ten to neplatí. Mohlo by se zdát, že to je právě kvůli využití EUV, jenomže tu už bude 6nm proces využívat také, zatímco základní 7nm ještě ne.