Искусственный интеллект (ИИ) меняет способы создания и использования компьютерных чипов в мире. От огромных центров обработки данных до устройств на границе сети — ИИ требует, чтобы чипы становились все быстрее, меньше и энергоэффективнее.
На протяжении десятилетий закон Мура, который точно предсказывал, что количество транзисторов в компьютерном чипе будет удваиваться примерно каждые два года, поддерживал движение отрасли вперед.
К сожалению, традиционные подходы масштабирования были ограничены планарными комплементарными устройствами металл-оксид-полупроводник (КМОП) или FinFET, которые расширили закон Мура. Сейчас перед отраслью стоит серьезная задача: она должна попытаться и дальше развивать технологию производства микросхем, когда старое эмпирическое правило больше не применимо.
Ответ отрасли — Gate-All-Around (GAA). Эта конструкция полностью оборачивает материал затвора со всех сторон, включая управляющую часть чипа, называемую затвором, которая проводит электрический ток.
Это дает инженерам более точный контроль над тем, как ток протекает через чип, позволяя устройствам GAA работать лучше, даже когда отрасль переходит к следующему узлу. Это также позволяет увеличить мощность, не занимая больше места.
Новые узкие места
Но GAA не идеален. Хотя он решает проблемы за счет снижения энергопотребления и более эффективного использования пространства, он перемещает узкие места в другие области.
Старые чипы особенно сталкиваются с сопротивлением в канале – всем, что замедляет электричество. Большая часть сопротивления исходит от точек контакта и областей, где ток входит и выходит.
Чтобы решить эту проблему, инженеры добавили так называемые присадки для улучшения тока. Однако во время этого процесса легирования примеси могут непреднамеренно распространиться на соседние участки чипа, которые не следует легировать.
Когда это происходит, это может не только повлиять на производительность, но и вызвать дополнительные проблемы в чипе, такие как: B. Повышенный ток утечки, изменение порогового напряжения или появление колебаний.
Еще одна проблема связана с производственным процессом, особенно когда слои кремния-германия (SiGe) удаляются для формирования частей чипа.
Это может привести к образованию шероховатых поверхностей и повлиять на плавный поток электричества через устройства. Когда позже к верху добавляются металлические контакты, в месте встречи металла и кремния создается дополнительное сопротивление.
Короче говоря, GAA может решать электростатические проблемы, но также и создает новые. Здесь в игру вступают современные материалы.
Материалы атомного масштаба, масштабные решения
Чтобы решить эти новые проблемы, производители микросхем обращаются к передовым материалам и работают на атомном уровне, чтобы реализовать весь потенциал GAA.
Вот как помогают эти новые материалы:
- Блокирование нежелательной диффузии примесей: Вставив усовершенствованный барьер между сильно легированными и нелегированными областями, можно предотвратить проникновение легирующих примесей в другие области чипа. Такое сдерживание необходимо для улучшения производительности.
- Сглаживание поверхностей: Грубые поверхности на атомном уровне могут рассеивать и замедлять электроны. Передовые технологии материалов могут сгладить поверхности, которые могут стать неровными при удалении жертвенных слоев SiGe, тем самым уменьшая это рассеяние. Это может повысить мобильность несущей в нормальных условиях эксплуатации, что приведет к увеличению мощности, более быстрому переключению и повышению производительности без необходимости увеличения мощности.
- Больше производительности без ущерба для размера: Передовые материалы позволяют инженерам размещать более тонкие и высокопроизводительные конструкции в одном и том же пространстве. Это изменение может увеличить мощность на занимаемую площадь примерно на 10% без увеличения размера чипа.
- Уменьшите контактное сопротивление: Поскольку размеры устройства становятся меньше, электрическое контактное сопротивление на переходе металл-кремний становится важным ограничивающим фактором. Модифицируя материалы в этих соединениях, инженеры могут значительно снизить сопротивление и добиться большей эффективности.
Заглядывая в будущее
Взрывной рост ИИ приводит к фундаментальному изменению взглядов отрасли на эффективность вычислений. Сегодня инженеры сталкиваются со все более сложным компромиссом между мощностью, производительностью, площадью и стоимостью (PPAC).
Исторически сложилось так, что отрасль полагалась на постепенные улучшения, чтобы оставаться на правильном пути. Однако, поскольку масштабы и интенсивность ИИ доводят существующие архитектуры до предела, этих небольших достижений уже недостаточно.
Чтобы открыть следующую волну прогресса, отрасли необходимы более преобразующие изменения, которые изменят основы и позволят дальнейшим улучшениям продолжать оказывать влияние.
Следующий узел, также называемый эрой Ангстрема, ускорит инновации в области передовых материалов сверх того, что возможно сегодня, чтобы добиться прогресса во всем уравнении PPAC. ГАА – это только начало.
Чтобы еще больше уменьшить и улучшить чипы для гигантских систем искусственного интеллекта, инженеры изучают новые способы делать больше с меньшими затратами. Эти прорывы в области передовых материалов позволяют отрасли добиться большей производительности при меньших затратах пространства и энергии, обеспечивая в целом более интеллектуальные и устойчивые вычисления.
Помимо GAA, отрасль уже работает над новой структурой под названием CFET или Complementary FET, и, возможно, пройдет несколько поколений, прежде чем мы с ней справимся. 3D-структуры, такие как сложенные друг на друга CFET, для продвижения закона Мура.
Несомненно то, что новые передовые материалы потребуются на каждом этапе пути, чтобы раскрыть мощь, которую призваны обеспечить эти новые транзисторные структуры.
Мы представили лучший экологически чистый веб-хостинг.
Эта статья была создана в рамках канала Expert Insights от TechRadarPro, где мы рассказываем о лучших и ярких умах в области технологий сегодня. Мнения, выраженные здесь, принадлежат автору и не обязательно принадлежат TechRadarPro или Future plc. Если вы заинтересованы в участии, узнайте больше здесь:
