واحد خبر mobile.ir : گروهی از محققان وابسته به شرکت IBM در انستیتو پلی‌تکنیک SUNY واقع در مجتمع NanoTech شهر آلبانی نیویورک روز دوشنبه 5 ژوئن 2017 (15 خرداد 96) جزئیات طرح انقلابی این شرکت برای کوچک‌سازی هرچه بیشتر ترانسیستورها و دستیابی به معماری 5 نانومتری را در طی سال‌های آینده ارائه کردند. این فناوری جدید برخلاف راه‌حل‌های تئوری و امتحان‌نشده‌ای همچون نانوتیوب‌های کربنی، راه‌کار عملی و مشخصی را برای فائق آمدن بر محدودیت‌های کاهش سایز ترانسیستورها ارائه می‌کند که در دنیای واقعی نیز به خوبی قابل استفاده است. این فناوری با اینکه تا چند سال آینده ارائه نمی‌شود اما حضور آن در حالی که تکنولوژی‌های امروزی همچون FinFET در حال رسیدن به پایان راه خود هستند می‌تواند نجات‌بخش صنعت سیلیکون در دهه آینده باشد.

ترانسیستور و لزوم کاهش ابعاد

برای اینکه تصور بهتری از این فناوری و نقاط مثبت آن به دست بیاوریم نخست بهتر است در یک تعریف ساده و ابتدایی با ترانسیستورها آشنا شویم. چیپ‌ست‌های پردازشی در کامپیوترها و گوشی‌های موبایل دارای میلیاردها واحد پردازشی به نام ترانسیستور هستند که از کارهای ساده همچون جمع زدن دو عدد با یکدیگر تا کارهای پیچیده‌‌تری مثل تحلیل سیگنال وای‌فای وارده به دستگاه را انجام می‌دهند. هر چه تعداد این ترانسیستورها بیشتر باشد سرعت محاسبات و سرعت کلی دستگاه بیشتر خواهد بود اما چون در یک چیپ‌ست پردازشی با محدودیت جا روبرو هستیم بنابراین برای افزایش تعداد ترانسیستورها نمی‌توان روی افزایش سایز بستری که این سوئیچ‌های کوچک روی آن قرار گرفته‌اند حساب کرد و عملا چاره‌ای جز کوچک کردن خود ترانسیستورها وجود ندارد. با کوچک شدن ترانسیستورها می‌توان در یک فضای مشخص تعداد ترانسیستور بیشتری را جای داده و پرفورمنس مجموعه را بسیار بیشتر کرد یا یک اندازه مشخص از قدرت پردازشی را با مصرف انرژی کمتر ارائه داد.

قانون مور

گوردون مور (Gordon Moore) پایه‌گذار شرکت اینتل در سال 1965 قانونی را پایه‌گذاری کرد که در طی بیش از 5 دهه گذشته صنعت سیلیکون را تحت تأثیر خود قرار داده است؛ طبق این قانون که به نام ابداع‌کننده آن قانون مور نامیده می‌شود تعداد ترانسیستورهای روی یک چیپ هر سال دو برابر می‌شود مور البته 10 سال بعد در سال 1975 این قانون را تصحیح کرد و دو برابر شدن تعداد ترانسیستورهای روی یک چیپ را هر دو سال یک بار اعلام کرد. این قانون با اینکه در طی سال‌های اخیر چندین بار نقض شده اما صنعت ریزپردازنده‌ها همواره در حال یافتن راهی برای کوچک کردن ابعاد ترانسیستورها و جای دادن تعداد بیشتری از آنها در یک چیپ‌ست است.

مفهوم نانومتر

نانومتر یک واحد اندازه‌گیری طول به اندازه یک میلیونیوم میلی‌متر است به بیان دیگر یک میلیون نانومتر را می‌توان معادل یک میلیمتر در نظر گرفت. این واحد‌ اندازه‌گیری بسیار کوچک در طراحی و ساخت ترانسیستورهای امروزی به کار می‌رود و زمانی که صحبت از لیتوگرافی 22، 14 و یا 10 نانومتری می‌کنیم در حقیقت به ابعاد ترانسیستورهایی که در هریک از این معماری‌ها به کار گرفته شده اشاره داریم؛ در این مفهوم یک چیپ ساخته شده با لیتوگرافی 10 نانومتری دارای ترانسیستورهایی ست که ابعادشان 10 نانومتر یعنی یک صد هزارم میلی‌متر است.

FinFET از کجا آمد و تا کجا پیش می‌رود؟

ترانسیستورها را به سادگی همچون سوئیچ‌‌های بسیار کوچک و ناپیدایی در نظر بگیرید که جریان الکتریسیته را در طی یک ثانیه میلیون‌ها بار قطع و وصل می‌کنند و بدین‌ترتیب امکان انجام فعالیت‌های محاسباتی هوشمندانه را فراهم می‌آورند. یک بخش اصلی ترانسیستور، درگاه یا اصطلاحا gate آن است که متصل کردن ولتاژهای گوناگون به آن، ترانسیستور را به وضعیت روشن یا خاموش می‌برد تا مدت‌های مدید ترانسیستورهای مختلف به صورت تخت و اصطلاحا فلت ساخته شده و درگاه یا gate آنها روی ترانسیستور قرار می‌‌گرفت. در سال 2009 سازندگان چیپ‌ست برای هرچه کوچک‌تر کردن این قطعه به یک طراحی مشابه باله عمودی ماهی (fin) روی آوردند که کل مجموعه ترانسیستورها را به صورت عمودی روی هم قرار می‌داد؛ در این حالت gate نیز بر فراز این باله قرار می‌گرفت. این طرح جدید که FinFET نامیده می‌شود برای اولین بار در یک ساختار 22 نانومتری در سال 2012 ظاهر شد و پس از آن با تکیه بر ساختار سه‌بعدی این فناوری (در مقایسه با ساختار تخت و دو بعدی فناوری‌های پیشین) امکان حرکت رو به جلو و ساخت چیپ‌ست‌های با لیتوگرافی‌های بسیار کوچک‌تر فراهم شد. ساختار FinFET همچون یک چهارگوش است که سه وجه آن با gateها پوشیده شده که این موضوع میزان جریان ورودی به این مجموعه در حالت روشن بودن یا On ترانسیستور را به حداکثر میزان خود می‌رساند و میزان نشتی ترانسیستور در حالت خاموش یا Off را کاملا کاهش می‌دهد.

با اینکه FinFET در حال حاضر بنیان اصلی چیپ‌ست‌های 10 نانومتری فعلی را تشکیل می‌دهند و به احتمال فراوان مشکلی برای استفاده از آن در نسل بعدی پروسسورهای 7 نانومتری نیز وجود ندارد اما ماجرای این فناوری انقلابی ظاهرا به همین‌جا ختم می‌شود چرا که برای یک پله بالاتر رفتن و رسیدن به فناوری 5 نانومتری نیاز به تکنولوژی تازه‌ای وجود دارد.

ظهور Nanosheets

راه‌حل IBM در کنار شرکای آن یعنی شرکت‌های سامسونگ و GlobalFoundries استفاده از لایه‌های افقی سیلیکون با نام Nanosheets است که این بار الکترون‌ها در آن به جای عبور از سه گیت (در فناوری FinFET) از چهار گیت عبور کرده و در نتیجه عملکرد و سرعت بسیار در آن افزایش می‌یابد. در این فناوری جدید می‌توان تصور کرد که ترانسیستورهای دارای طراحی FinFET به صورت افقی خوابانده شده و سپس (در ساختاری به نام stacked silicon nanosheets) روی هم قرار گرفته‌اند.

در این فناوری، جریان الکتریکی از مسیر سوئیچی عبور می‌کند که عرض آن به اندازه دو یا سه رشته DNA است. IBM‌ تحقیق و توسعه فناوری نانوشیت را که در جدیدترین دوره سمپوزیوم مدارها و فناوری VLSI در کیوتوی ژاپن معرفی شد در نزدیک به یک دهه گذشته دنبال کرده و از لیتوگرافی خاصی به نام ماورابنفش بی‌نهایت (Extreme Ultraviolet) برای تصویر کردن ترانسیستورها در آن استفاده می‌کند.

سطح‌مقطع ترانسیستورهای 5 نانومتری جدید IBM با فناوری Nanosheets

IBM پیش از این نیز فناوری نانوشیت را برای یک چیپ آزمایشی 7 نانومتری به کار گرفته بود که در آن 20 میلیارد ترانسیستور حضور داشتند؛ در ساختار 5 نانومتری فعلی تعداد این ترانسیستورها در فضایی به اندازه یک پشت ناخن به 30 میلیارد عدد می‌رسد که نسبت به نسل قبلی تا 40 درصد کارائی بالاتر و 75 درصد مصرف انرژی کمتری دارد. IBM البته خود به صورت سخت‌افزاری چیپ‌ست‌های پردازشی را در مقیاس انبوه تولید نمی‌کند اما دو شریک اصلی آن در این امر، سامسونگ و GlobalFoundries آماده تولید در مقیاس جهانی هستند.

زمان عرضه به بازار

با اینکه تلاش‌های IBM و شرکای آن برای ساخت نسل جدید ریز پردازنده‌ها بسیار جالب‌توجه و کاملا عملی به نظر می‌رسد اما تا مقبولیت این فناوری و مورد استفاده قرار گرفتن آن توسط دیگر سازندگان راه نسبتا درازی در پیش است. به گفته IBM، فناوری جدید هزینه بیشتری نسبت راه‌حل‌های امروزی به سازندگان تحمیل نمی‌کند اما در عین حال پذیرفتن این روش ساخت نیز به معنای کنار گذاشتن شیوه‌های تولید پیشین و سرمایه‌گذاری گسترده روی این راه‌حل است از این رو پیش‌بینی می‌شود که پذیرفته شدن این راه‌حل جدید حداقل تا سال 2019 به وقوع نپیوندد اما همین فاصله زمانی دو ساله نیز تقریبا با زمان پیش‌بینی شده برای ظاهر شدن نخستین ماشین‌های تجاری خودران، ابزارهای ارتباطی مبتنی بر اینترنت 5G و سیطره گسترده هوش مصنوعی بر زندگی کاربران تطابق داشته و چیپ‌ست‌های 5 نانومتری در آن زمان می‌توانند نیازهای پردازشی متفاوت نسل آینده را به خوبی تأمین کنند.