درون معجزه ساخت تراشه مدرن / یکی از بزرگ‌ترین شاهکار‌های علمی بشر

فرارو- کوچک کردن تراشه رایانه یکی از بزرگ‌ترین شاهکار‌های علمی بشر است. با این کار قدرت پردازشی فعال شده که تقریبا تمام جنبه‌های زندگی ما را دیجیتالی کرده است. برای این که بفهمیم جدیدترین تراشه‌ها چگونه کار می‌کنند و پیشرفت‌های فناوری مرتبط با آن در کجا صورت می‌گیرد، باید فراتر از اشیایی که در مقیاس‌های آشنا اندازه گیری شده اند سفر کنیم.

به گزارش فرارو به نقل از فایننشال تایمز، دلیل آن این است که تراشه‌هایی که دستگاه‌های ما را تغذیه می‌کنند حاوی میلیارد‌ها ترانزیستور یا سوئیچ‌های کوچک هستند که دیدن آن‌ها به چشم انسان غیر ممکن است. هر ترانزیستور حدود ۵۰۰۰۰۰ بار کوچکتر از یک میلی متر است. برای درک بهتر باید گفت که از تار موی انسان نازک‌تر و از گلبول قرمز خون کوچک‌تر است. هم چنین، از ویروس یا باکتری کوچک‌تر است. برخی از کوچک‌ترین ترانزیستور‌ها اکنون تنها ۵۰ نانومتر اندازه دارند. با این وجود، انباشته شدن تعداد بیش تری از این سوئیچ‌ها منجر به افزایش هزینه‌ها و کاهش بازده محصول می‌شود و تولیدکنندگان را مجبور می‌سازد تا نحوه ساخت تراشه‌ها را دوباره بازبینی کنند.

کار در نوآوری تراشه، برنامه "مین کائو" معاون شرکت تولید نیمه هادی تایوان (TSMC)  نبود. کائو رویای شغلی در رشته فیزیک را در سر می‌پروراند، اما پس از فارغ التحصیلی از دانشگاه استنفورد در پایان جنگ سرد تعداد زیادی از فیزیکدانان بیکار بودند. اشتیاق کائو برای درک چگونگی کارکرد جهان او را به سمت عرصه به سرعت در حال توسعه ریزتراشه‌ها سوق داد.

کائو که کارش بر روی عملکرد تراشه هم چنان محدودیت‌های فیزیک را پیش می‌برد می‌گوید: "هنوز راز‌های زیادی وجود دارد. روند کار سخت‌تر می‌شود، اما این بدان معنا نیست که ما متوقف می‌شویم". تنها سه شرکت اینتل، سامسونگ و TSMC در جهان قادر به تولید انبوه تراشه‌های قدرتمند و کوچک برای فناوری‌های پیشرفته گوشی‌های تلفن همراه هوشمند امروزی هستند. با رسیدن قطعاتی از ترانزیستور‌ها به سطوح در مقیاس اتمی، مهندسان باید راه‌های نوآورانه‌ای ارائه دهند مانند ساخت و ساز عمودی برج مانند و بازنگری در نحوه بسته بندی تراشه ها. بسیاری بر این باورند که در کنار هم قرار دادن تراشه‌هایی با عملکرد‌های مختلف خطوط نبرد نیمه رسانای آینده را ترسیم خواهد کرد.

برخی از جدیدترین تراشه‌های گوشی‌های تلفن همراه هوشمند مانند تراشه‌های آیفون ۱۵ پرو با فرآیندی تولید می‌شوند که ۳ نانومتر نامیده می‌شود نامی که به نسلی از پردازنده‌ها با کوچک‌ترین ترانزیستور‌ها داده شده است. اگرچه این دیگر به ابعاد فیزیکی آن‌ها اشاره نمی‌کند، اما به کوچک شدن مقیاس اجزای آن‌ها اشاره دارد. این سوئیچ‌های کوچک که جریان سیگنال‌های الکتریکی را در داخل هر دستگاه دیجیتال کنترل می‌کنند نیروی کار ریزپردازنده‌ها و بلوک‌های اساسی ساختمان الکترونیک مدرن هستند.

بسیاری از ترانزیستور‌های پیشرفته اکنون اتم به اتم ساخته می‌شوند. برخی از کوچک‌ترین آن‌ها ۵۰ نانومتر اندازه دارند و میلیارد‌ها بار در ثانیه روشن و خاموش می‌شوند. طراحی و شکل سه بعدی آن‌ها بر خلاف مدل‌های قبلی "مسطح" به آن‌ها اجازه می‌دهد تا به طور متراکم بسته بندی شوند. فقط یک میلی متر مربع می‌تواند خانه ۲۰۰ میلیون ترانزیستور با ده‌ها میلیارد در سراسر یک تراشه باشد. تولید کنندگان قصد دارند در آینده‌ای نه چندان دور این میزان را به یک تریلیون برسانند. سیم‌های فلزی بسیار ریز و محکم این ترانزیستور‌ها و هم چنین سایر عناصری که مدار یکپارچه تراشه را تشکیل می‌دهند به یکدیگر متصل می‌کنند.

چندین لایه از این اتصالات به بخش‌های مختلف تراشه اجازه می‌دهند تا به اصطلاح با یکدیگر صحبت کنند و هم چنین نیروی محرکه را تامین کنند. برخی از تراشه‌ها می‌توانند تقریبا ۵۰۰ کیلومتر سیم کشی داشته باشند. تراشه‌های متعددی روی یک ویفر سیلیکونی ساخته می‌شوند پایه‌ای که تمام مدار‌های مجتمعی که دستگاه‌های ما را تغذیه می‌کنند بر روی آن ساخته شده اند. یک ویفر معمولی ۳۰ سانتی متری می‌تواند محل نگهداری ترانزیستور‌ها باشد. نیروی محرکه مقیاس پذیری تراشه‌ها در طول زمان، "قانون مور" بوده است که مبتنی بر مشاهده "گوردون مور" یکی از بنیانگذاران اینتل است مبنی بر آن که تعداد ترانزیستور‌ها در یک مدار مجتمع هر دو سال یک بار دو برابر می‌شود که برای چندین دهه وجود داشته است، اما پیشرفت کُند شده به طوری که اکنون هر سه سال یک بار دو برابر شده است.

فرآیند ۳ نانومتری فعلی از بازده ضعیف رنج می‌برد؛ با این وجود، "بن سل" معاون توسعه فناوری اینتل می‌گوید ما درست در میانه عرصه نوآوری ترانزیستور هستیم. او می‌گوید آن چه که به طور خاص هیجان انگیز است این واقعیت می‌باشد که نوآوری‌های تراشه‌ای که ده‌ها سال مورد بحث قرار گرفته اند اکنون در دستگاه‌های موجود در بازار دیده می‌شوند. با این وجود، موفقیت تضمین نشده است و مخاطرات بالا هستند. به گفته شرکت مشاوران مک کینزی فروش جهانی تراشه در سال گذشته به بیش از ۵۰۰ میلیارد دلار رسید و نیمه هادی‌ها می‌توانند تا پایان دهه فعلی به یک صنعت تریلیون دلاری تبدیل شوند. "جف کخ" تحلیلگر یک شرکت تحقیقاتی مستقل متخصص در نیمه هادی‌ها و هوش مصنوعی می‌گوید: "این مانند رسیدن به مقیاس‌های تولید ناخالص داخلی از چیز‌هایی است که شرکت‌ها بر سر آن با یکدیگر رقابت می‌کنند".

شهرت تکنولوژیکی و وضعیت مالی شرکت‌ها و دولت‌ها به شرط بندی درست بستگی دارد.  TSMC با ارزش بازار ۵۷۵ میلیارد دلاری بر اقتصاد تایوان و بازار جهانی کوچک‌ترین تراشه‌های پیشرفته جهان تسلط دارد. این چیزی است که دولت بایدن امیدوار است با قانون تراشه‌ها تغییر دهد و متعهد به ارائه مشوق‌های ۵۲ میلیارد دلاری برای تشویق شرکت‌ها به استقرار کارخانه‌های تولید تراشه در داخل خاک ایالات متحده امریکاست.

با این وجود، بسیاری از کارشناسان بر این باورند که فرسایش تولید تراشه در ایالات متحده طی چندین دهه بازیابی رقابت جهانی را برای این کشور دشوار کرده است. چین نیز در حال ورود به این رقابت است و انتظار می‌رود بزرگترین سازنده تراشه‌های آن کشور یعنی شرکت بین‌المللی ساخت نیمه رسانا (SMIC) در اوایل امسال علیرغم تلاش‌های ایالات متحده برای محدود کردن پیشرفت‌های تراشه پکن، نسل بعدی پردازنده‌های گوشی‌های تلفن همراه هوشمند را بسازد.

انویدیا و شرکت تولید دستگاه‌های میکروپیشرفته (AMD) نیز برای کسب برتری فنی و سهم بازار در زمینه ساخت تراشه‌های هوش مصنوعی با توجه به تقاضای فزاینده برای پردازنده‌هایی که Chat GPT  و برنامه‌های مشابه را تامین می‌کنند در حال تلاش هستند. AMD از پیشرفت‌های فنی زیادی رونمایی کرده از جمله گنجاندن ۱۵۳ میلیارد ترانزیستور و ۱۹۲ گیگابایت حافظه در تراشه جدید MI۳۰۰ خود که تلاشی برای مقابله با انویدیا ارزشمندترین شرکت تولید تراشه‌های جهان محسوب می‌شود. ارزش بازار انویدیا هفته گذشته به ۲ تریلیون دلار افزایش یافت و آلفابت را پشت سر گذاشت و پس از مایکروسافت و اپل سومین شرکت با ارزش بورس آمریکا شد.

در همین حال، AMD در سال ۲۰۲۳ درآمدی بالغ بر ۲۳ میلیارد دلار به دست آورد و انتظار دارد که ۳.۵ میلیارد دلار از آخرین تراشه‌های خود را در سال جاری بفروشد. این شرکت دومین شرکت نیمه هادی با ارزش در ایالات متحده است و در سال ۲۰۲۲ از اینتل پیشی گرفت. اینتل هم چنین در حال مناقصه برای کسب جایگاهی در چشم انداز هوش مصنوعی است و اعلام کرده که تراشه‌های پیشرفته مایکروسافت را می‌سازد.

ساخت تراشه

تعداد کمتری از شرکت‌ها در سالیان اخیر توانسته اند در رقابت برای ساخت پیشرفته‌ترین تراشه‌های گوشی‌های تلفن همراه هوشمند همگام شوند. فرآیند‌های طراحی و ساخت بسیار طولانی، پیچیده و پرهزینه شده اند و به تجهیزات و دانش تخصصی بیشتری نیاز دارند.  پیشرفت‌ها سال‌ها آزمایش را می‌طلبند و به هزینه‌های سرسام آور تحقیق و توسعه نیاز دارند. کار در مقیاس نانو نیز مملو از خطر است.  دقت، تکرارپذیری و تمیزی برخی از بزرگ‌ترین چالش‌های آن عرصه هستند و هر ذره‌ای حتی آن‌هایی که کوچک‌تر از یک باکتری هستند می‌توانند یک تراشه را هنگام تماس از بین ببرند.

تراشه‌ها در منطقه‌ای در یک کارخانه ساخت یا "فاب" ساخته می‌شوند که به عنوان اتاق تمیز شناخته می‌شود جایی که هوا هزاران بار تمیزتر از اتاق عمل بیمارستان است. در داخل کارخانه‌های ساخت تراشه بیش از هزار مرحله دقیق کنترل شده هر مدار مجتمع را لایه به لایه ایجاد می‌کند. "کریس اوت" مدیر توسعه ترانزیستور‌های پیشرفته در اینتل می‌گوید:"هر بار که نسل جدیدی از تراشه‌ها ساخته می‌شود همه این مراحل باید بررسی شوند". او می‌افزاید:"شما باید نسبت به آزمایش چیز‌های جدید و گفتن "هی، بیایید ببینیم چه اتفاقی می‌افتد" کاملا نترس باشید".

کائو از TSMC می‌گوید که نسل جدید تراشه به ابزار‌ها و فرآیند‌های جدید نیز نیاز دارد. او اشاره می‌کند که پیشرفت ترانزیستور در تراشه‌های ۲ نانومتری بعدی بدان معناست که برخی از عناصر باید به جای عمودی به صورت جانبی ساخته شوند و این موضوع چالش‌های بیش تری را به همراه دارد. با این وجود، پیش از آغاز هر یک از این مراحل پیچیده ساخت پایه تراشه هنوز با یک ماده ساده و معمولی به نام سیلیکون ساخته می‌شود که از ماسه یا کوارتز استخراج می‌شود.

فرآیند تولید تراشه

در مرحله نخست سیلیکون از ماسه استخراج و خالص می‌شود. سپس آن را به یک ظرف مخصوص ذوب فلز اضافه می‌کنند و حرارت می‌دهند تا مذاب شود. در مرحله دوم آن ظرف مخصوص ذوب با سرعت می‌چرخد در حالی که یک قطعه جامد از دانه سیلیکون با استفاده از یک میله به سمت بالا کشیده می‌شود. در مرحله سوم نتیجه کار یک شمش سیلیکونی است که بزرگترین آن‌ها دارای قطر ۳۰۰ میلی متر هستند. در مرحله چهارم شمش سیلیکونی به دیسک‌هایی که به "ویفر" معروف هستند بریده شده و تا سطح آینه‌ای صاف شده صیقل داده می‌شوند. در مرحله پنجم نور ماوراء بنفش که از طریق شابلون پخش می‌شود الگو‌های ریز را به ویفر منتقل می‌کند. در مرحله ششم بسیاری از لایه‌های نازک از مواد با استفاده از این الگو‌های پیچیده به عنوان راهنما اضافه شده و حکاکی می‌شوند. در مرحله هفتم ویفر با یون‌ها یا اتم‌های باردار برخورد می‌کند تا نواحی رسانا یا عایق‌تر شوند. در مرحله هشتم صد‌ها مرحله لایه بندی اجزای تراشه را تشکیل می‌دهند و سیم کشی فلزی مدار را کامل می‌کند.

تجهیزات ساخت تراشه‌ها

ایجاد اجزای کوچک برای مدار‌های یک تراشه به تجهیزات پیشرفته نیاز دارد: ماشین‌هایی که می‌توانند الگو‌های میکروسکوپی را با استفاده از فرآیندی به نام فوتولیتوگرافی به هر ویفر منتقل کنند.

برای کوچکترین تراشه‌ها ماشین‌های چند میلیون دلاری ساخته شده توسط یک شرکت هلندی به نام ASML از نور فرابنفش شدید برای ایجاد این شابلون‌های ظریف استفاده می‌کنند. این ماشین‌ها به اندازه یک اتوبوس هستند، اما به قدری دقیق می‌باشند که می‌توانند لیزر را برای ضربه زدن به توپ گلف در فاصله‌ای به اندازه ماه هدایت کنند. کخ می‌گوید هر مرحله از این فرآیند به "سطح دانشی در حد پایان نامه دکتری" نیاز دارد. یک ویفر مملو از تراشه زمانی که از یک کارخانه تولید برتر خارج شود می‌تواند هزاران پوند ارزش داشته باشد.

تجدید نظر در مورد نیروی محرکه و بسته بندی

در حالی که سازندگان پیشرو امیدوارند تراشه ۲ نانومتری بسیاری از مشکلات نسل ۳ نانومتری را حل کند محدودیت‌های مقیاس بندی مهندسان را بر آن داشته تا در حال توسعه‌ی راه‌های جایگزین برای به دست آوردن نیرو و کارایی بیش‌تر از همان فضا باشند. مهندسان با تکیه بر طرح‌های سه بعدی فعلی قصد دارند ترانزیستور‌ها را روی هم قرار دهند نه آن که آن‌ها را کنار یکدیگر بچسبانند.

اوت از اینتل می‌گوید:"وقتی آسمان خراش‌ها را می‌سازید توانایی کوچک کردن چیز‌ها به صورت جانبی از بین می‌رود بنابراین، شروع به ساختن می‌کنید و این همان کاری است که ما انجام می‌دهیم".

نحوه بسته بندی تراشه‌ها نیز رو به گسترش است. زمینه رو به رشد "بسته بندی پیشرفته" نحوه ترکیب تراشه‌ها با هم برای افزایش قابلیت و همچنین کاهش هزینه به سمت چیدمان روی هم برای بهبود عملکرد و استفاده بهتر از فضای موجود حرکت می‌کند.

تحولات بسته بندی راه را برای تغییر دیگری در معماری نیمه هادی‌ها هموار کرده اند: تراشه ها. مهندسان در حال دور شدن از ساخت یک ریز پردازنده کامل بر روی یک تکه سیلیکون یا سیستم یکپارچه بر روی یک تراشه و به سمت ماژول‌های چند تراشه‌ای (MCM)  هستند. این ماژول‌های چند تراشه‌ای گروه‌هایی از تراشه‌ها را با عملکرد‌های مختلف می‌بینند که بر روی تکه‌های جداگانه سیلیکون ساخته شده و سپس با یکدیگر ترکیب شده اند تا مانند یک مغز الکترونیکی واحد کار کنند. برای مثال، "دریاچه شهاب سنگ" (Meteor Lake) انویدیا از چهار چیپ لت یا کاشی تشکیل شده که بر روی پایه‌ای از مدار سیلیکونی قرار گرفته اند که آن‌ها را به هم متصل می‌کند. چیپ لت بخشی از یک ماژول پردازشی است که یک مدار مجتمع بزرگتر مانند یک پردازنده رایانه‌ای را می‌سازد.

این اولین پردازنده موبایل آن شرکت است که از معماری چیپ لت استفاده می‌کند و هر کاشی عملکرد جداگانه‌ای دارد. کاشی گرافیکی بازی، تولید محتوا و برخی از پخش رسانه‌ها را کنترل می‌کند. کاشی سیستم با کنترل و نمایش حافظه و هم چنین پردازش عصبی برای کار‌های هوش مصنوعی مانند تولید موسیقی یا تصویر سروکار دارد. کاشی ورودی -خروجی در مورد اتصال است و اطمینان حاصل می‌کند که اجزا به طور موثر با یکدیگر و دنیای خارج ارتباط برقرار می‌کنند. کاشی محاسباتی یا پردازنده مرکزی بر عملکرد و کارایی نظارت دارد. پس از جمع شدن بسته بندی کامل ۵۰ میلی متر در ۲۵ میلی متر است. بسیاری بر این باورند که تولید چیپ لت تنها راه برای زنده نگه داشتن قانون مور در طولانی مدت است.

شرکت‌های که روی ماژول‌های چند تراشه‌ای سرمایه گذاری می‌کنند می‌گویند یکی از مزیت‌های کلیدی آن‌ها انعطاف پذیری است و می‌توان آن‌ها را برای مشتریان مختلف تطبیق داد، زیرا سازندگان می‌توانند بسته به نیاز چیپ لت‌ها را تعویض کنند. آن‌ها همچنین به تولید کنندگان این امکان را می‌دهند که طرح‌های قدیمی‌تر و جدیدتر را با یکدیگر ترکیب کنند و عناصر را به جای این که کل سیستم یک تراشه را یک باره تعمیر کنند به صورت تدریجی ارتقا دهند.

جایگزین‌های سیلیکون نیز ممکن است در این دهه دیده شود. مواد با تحرک بالا یا دو بعدی مانند گرافن که به الکترون‌ها امکان حرکت سریع در اطراف را می‌دهد می‌توانند راه را برای "سوئیچ‌های سریع تر" و جهش در قابلیت‌ها هموار کنند.

یکی دیگر از زمینه‌های نوظهور فوتونیک* است جایی که فوتون‌ها یا بلوک‌های سازنده نور به جای الکترون‌ها برای انتقال داده‌ها با سرعت‌های بالاتر مورد استفاده قرار می‌گیرند. شرکت‌ها از جمله TSMC در حال حاضر در حال آزمایش آن هستند.

* فناوری فوتونیک علمی است که در آن به تولید و استفاده از نور و کنترل انرژی‌های تابشی در واحد کوانتومی یعنی فوتون‌ها می‌پردازد.