اینتل جزئیات تخصصی لیتوگرافی 7 نانومتری Intel 4 را اعلام کرد؛ از کاهش ابعاد ترانزیستور تا بهبود ۲۰ درصدی فرکانس

سمپوزیوم سالانه‌ی مؤسسه‌ی مهندسان برق و الکترونیک که با محوریت یکپارچه‌سازی در مقیاس کلان برگزار می‌شود، یکی از رویدادهای سالانه‌ی بزرگ در صنعت نیمه‌هادی است و شرکت‌های بزرگ معمولاً در این رویداد از جدیدترین تکنیک‌های تولید تراشه پرده‌برداری می‌کنند.

یکی از موردانتظارترین کنفرانس‌های مطبوعاتی سمپوزیوم یادشده مربوط به اینتل است. تیم آبی در این رویداد حضور پیدا کرده است تا مشخصه‌های فیزیکی ویفرهای نسل جدید و البته تغییراتی را اعلام کند که لیتوگرافی هفت‌نانومتری Intel 4 به‌همراه می‌آورد. اینتل از لیتوگرافی هفت‌نانومتری در محصولاتی استفاده خواهد کرد که سال جاری میلادی روانه‌ی بازار می‌شوند.

توسعه‌ی لیتوگرافی Intel 4 یکی از اتفاقات مهم تاریخ اینتل است. Intel 4 نخستین لیتوگرافی اینتل با بهره‌گیری از فناوری EUV محسوب می‌شود و اولین لیتوگرافی است که تیم آبی ازطریق آن تلاش می‌کند فاجعه‌ی لیتوگرافی ۱۰ نانومتری را به فراموشی بسپارد.

Intel 4 را می‌توانیم اولین قدم جدید و جدی اینتل برای بازیابی جایگاه ازدست‌رفته‌ی این شرکت در حوزه‌ی لیتوگرافی‌های مدرن به‌حساب بیاوریم. اینتل قصد دارد کنفرانس مطبوعاتی خود را فردا برگزار کند؛ اما ساعاتی پیش این شرکت رسماً جزئیات فنی لیتوگرافی جدید خود را اعلام کرد. در کنفرانس فردا، تیم آبی همین جزئیات را با رسانه‌ها و عموم مردم به‌اشتراک می‌گذارد. این نخستین‌باری است که اینتل جزئیات فنی لیتوگرافی Intel 4 را با آمار دقیق منتشر می‌کند.

لیتوگرافی Intel 4 که قبلاً در بیانیه‌های مطبوعاتی اینتل با عبارت «نود پردازشی هفت‌نانومتری» از آن یاد می‌شد، نخستین لیتوگرافی تیم آبی است که از EUV استفاده می‌کند. اینتل مدت‌ها است که وعده داده از این فناوری استفاده خواهد کرد. AnandTech می‌نویسد EUV به اینتل امکان می‌دهد به قابلیت‌های ویژه‌ای دسترسی داشته باشد که برای توسعه‌ی لیتوگرافی‌های پیشرفته‌تر به آن‌ها نیاز است و هم‌زمان به تیم آبی کمک می‌کند که تعداد مراحل تولید تراشه را کمتر کند.

درحال‌حاضر، اینتل تراشه‌هایش را با تکنیک DUV می‌سازد که نیازمند طی‌کردن مراحل بیشتری است. همان‌طورکه می‌شد انتظار داشت، اینتل آخرین شرکت از بین سه بازیگر بزرگ صنعت تراشه است که سراغ EUV می‌رود. تیم آبی در لیتوگرافی ۱۰ نانومتری تصمیم گرفت EUV را کنار بگذارد؛ چون لیتوگرافی یادشده آمادگی لازم برای بهره‌گیری از این فناوری را نداشت.

تاریخ عرضه‌ی تراشه‌های مبتنی‌بر لیتوگرافی ده‌نانومتری و هفت‌نانومتری با تأخیر طولانی مواجه شد تا اولین استفاده‌ی تیم آبی از EUV بسیار دیرتر از حد انتظار انجام شود. به‌همین‌دلیل، اینتل از همین ابتدای کار تلاش خود را به کار بسته تا پیشرفت‌های چشمگیری ازطریق EUV به‌همراه بیاورد. البته اینتل همچنان نیاز دارد تلاش‌هایش را بیشتر کند؛ زیرا رقبای بزرگی مثل TSMC اکنون درزمینه‌ی بهره‌گیری از EUV زبده شده‌اند.

توسعه‌ی Intel 4 از جنبه‌ی دیگری نیز برای اینتل مهم است. به‌لطف این لیتوگرافی، اینتل کم‌کم می‌تواند خاطره‌ی بد تراشه‌های ده‌نانومتری را به فراموشی بسپارد و خودش را برای دستیابی به موفقیت‌های بیشتر آماده کند. اینتل ویفرهای ده‌نانومتری را به‌طور مطلوب تولید کرد؛ به‌خصوص نسخه‌ی بهبودیافته‌ی این ویفرها برپایه‌ی لیتوگرافی ده‌نانومتری Enhanced SuperFin که بیشتر با نام Intel 7 شناخته می‌شود. ناگفته نماند اینتل برای رسیدن به همین دستاوردها نیز سال‌ها تلاش و هزینه کرد.

اینتل می‌گوید مهندسانش تلاش کردند قابلیت‌های بسیار زیادی به لیتوگرافی ده‌نانومتری اضافه کنند؛ به‌خصوص درزمینه‌ی مقیاس‌دهی و استفاده از تکنیک‌های کاملاً جدید. همین موضوع باعث شد اینتل سال‌ها زمان پای لیتوگرافی ده‌نانومتری صرف کند و درنهایت نتواند به موقع ازپس رفع مشکلات بربیاید.

به‌همین‌دلیل، تیم آبی تصمیم گرفته درباره‌ی نسل اول EUV کمی محافظه‌کارانه عمل کند. اینتل قصد دارد ازاین‌پس رویکرد بسیار ساختارپذیرتری برای توسعه‌ی فناوری‌هایش در پیش بگیرد. به‌بیان بهتر، اینتل می‌خواهد فناوری‌های جدید را به‌صورت مرحله‌ای در محصولاتش پیاده‌سازی کند تا در طول زمان فرایند بهبود و رفع مشکل به‌سادگی انجام‌پذیر باشد.

اینتل گفته است از لیتوگرافی Intel 4 در پردازنده‌های موردانتظار نسل‌چهاردهمی سری Meteor Lake استفاده می‌کند که تا سال ۲۰۲۳ از راه نمی‌رسند. اینتل می‌گوید نمونه‌ی پیش‌تولید پردازنده‌ی Meteor Lake را در آزمایشگاه‌هایش ساخته و راه‌اندازی کرده است.

Meteor Lake درکنار بهره‌گیری از فناوری‌های جدیدتر درمقایسه‌با نسل قبل، قرار است اولین CPU مصرفی اینتل برپایه‌ی طراحی چیپلت (متشکل‌از کاشی‌های پردازشی) باشد. این یعنی اینتل در پردازنده‌های نسل‌چهاردهمی واحدهای I/O و CPU و GPU را در قالب کاشی‌های مجزا روی زیرلایه‌ای واحد قرار می‌دهد و با فناوری‌هایی تخصصی بین آن‌ها ارتباط برقرار می‌کند تا این واحدها درکنارهم در نقش یک سیستم-روی-چیپ ظاهر شوند.

اینتل می‌گوید در لیتوگرافی Intel 4 تغییراتی ساختاری اعمال می‌کند تا دستیابی به اهدافی امکان‌پذیر شود که این شرکت درزمینه‌ی عملکرد و مصرف انرژی تعیین کرده است. اولین و مهم‌ترین تغییر، مربوط به تراکم ترانزیستورها است. اینتل در تلاش است قانون مور را زنده نگه دارد؛ بااین‌حال هم‌زمان پایبندی به مقیاس‌بندی دنارد به پایان راه می‌رسد. این یعنی قرار نیست در هر نسل جدید از پردازنده‌ها شاهد به‌کارگیری دو برابر ترانزیستور بیشتر باشیم.

البته نباید فراموش کنیم افزایش تراکم به تولید تراشه‌هایی کوچک‌تر بدون تغییر مشخصات یا تولید تراشه‌هایی هم‌اندازه‌ی نسل قبل، اما با تعداد هسته‌‌ی بیشتر (یا هر نوع قطعه‌ی دیگر) منتهی می‌شود.

از بین آماری که اینتل در اسلایدهای رسمی‌اش منتشر کرده، کاهش Fin Pitch (فاصله‌ی بین امیتر و کالکتور ترانزیستور) در نوع خود جالب توجه است. به‌گفته‌ی اینتل، Fin Pitch در لیتوگرافی Intel 4 برابربا ۳۰ نانومتر است؛ یعنی ۰٫۸۸ برابر لیتوگرافی Intel 7 که Fin Pitch آن ۳۴ نانومتر اعلام شده بود. به‌طورمشابه، فاصله‌ی بین گیت‌های تماسی از ۶۰ نانومتر در Intel 7 به ۵۰ نانومتر در Intel 4 کاهش پیدا کرده است.

نکته‌ی مهم‌تر این است که در نسل جدید لیتوگرافی‌ اینتل حداقل فاصله‌ی بین دو لایه‌ی فلزی برای پایین‌ترین لایه (یعنی M0) برابربا ۳۰ نانومتر است؛ یعنی ۰٫۷۵ برابر فاصله‌ی بین دو لایه‌ی فلزی در لیتوگرافی Intel ۷. به‌گفته‌ی اینتل، ارتفاع بسته‌ی حاوی ترانزیستورهای پرقدرت نیز کاهش پیدا کرده و از ۴۰۸ نانومتر به ۲۴۰ نانومتر رسیده است.

درنتیجه‌ی این تغییرات، تراکم ترانزیستورها در تراشه‌های مبتنی‌بر لیتوگرافی Intel 4 دو برابر بیشتر از لیتوگرافی Intel 7 خواهد بود. به‌عبارت‌دیگر، در نسل جدید لیتوگرافی اینتل ابعاد ترانزیستورها نصف می‌شود. این بهبود نسلی در لیتوگرافی‌های اینتل چیز اعجاب‌انگیزی نیست و اینتل سابقه‌ی انجام چنین کاری را دارد.

ازآن‌‌جا‌که تراشه‌ سازه‌ای دو بعدی است، اینتل ارتفاع سلول‌های پرقدرت را در CPP ضرب می‌کند که اساساً پهنای سلول‌ها محسوب می‌شود. نتیجه‌ی ضرب این دو عدد در لیتوگرافی Intel 7 برابربا ۲۴٬۴۰۸ نانومترمربع و برای Intel 4 برابربا ۱۲٬۰۰۰ نانومترمربع است. به‌بیان بهتر، ابعاد سلول‌های Intel 4 حدودا ۰٫۴۹ برابر ابعاد سلول‌های Intel 7 است.

اینتل می‌گوید ابعاد سلول‌های SRAM در لیتوگرافی Intel 4 حدود ۰٫۷۷ برابر ابعاد همین سلول‌ها در Intel 7 است. این یعنی با وجود افزایش دوبرابری تراکم سلول‌های منطقی استاندارد، تراکم SRAM تنها ۳۰ درصد بهبود پیدا کرده است. اینتل هنگام بحث درباره‌ی تراکم در لیتوگرافی Intel 4 توجه خاصی به سلول‌های استاندارد کرده؛ اما متأسفانه اعداد مربوط به تراکم ترانزیستورها را اعلام نکرده است.

تفسیر تخصصی آماری که اینتل ارائه داده می‌تواند به فهمیدن تراکم ترانزیستورها منتهی شود. اینتل پیش‌تر اعلام کرده ویفرهای مبتنی‌بر Intel 7 در هر میلی‌مترمربع از سطح خود ۸۰ میلیون ترانزیستور دارند.

بر همین اساس و با اتکا به آمار جدید اینتل احتمال می‌دهیم تراکم ترانزیستورهای لیتوگرافی Intel 4 معادل ۱۶۰ میلیون ترانزیستور در هر میلی‌مترمربع از سطح تراشه باشد. این موضوع را مدنظر قرار دهید که عدد یادشده مربوط به سلول‌های پرقدرت است و مجموعه‌های حاوی این سلول‌ها معمولاً تراکم پایینی دارند. به‌همین‌دلیل، سؤال مهمی ایجاد می‌شود: مجموعه‌های حاوی سلول‌های استاندارد چه تراکمی خواهند داشت؟ در این مجموعه‌ها معمولاً در ازای کاهش سرعت کلاک، تراکم حتی بیشتر هم می‌شود.

دقیقاً همین‌جا است که سیاست جدید اینتل وارد معادله می‌شود: از قرار معلوم تیم آبی قصد ندارد در لیتوگرافی Intel 4 مجموعه‌های پرتراکم از سلول‌ها را استفاده کند. به‌عبارت‌دیگر، Intel 4 قرار است به‌طورکامل بر سلول‌های پرقدرت متکی باشد. در نسل بعد از Intel 4 که تیم آبی آن را Intel 3 می‌نامد، شاهد بازگشت سلول‌های پرتراکم خواهیم بود.

این اقدام اینتل غیرمنتظره بود؛ اما همان‌طورکه پیش‌تر گفتیم، تیم آبی در تلاش است فناوری‌های جدید را به‌صورت مرحله‌ای پیاده‌سازی کند. اینتل اساساً برای نیم‌دهه‌ی پیش رو تصمیم گرفته است به‌منظور توسعه‌ی لیتوگرافی‌های جدیدتر سراغ استراتژی مشابه چرخه‌ی تیک‌تاک برود، با این توضیح که این شرکت در ابتدا نسخه‌ی اولیه‌ی لیتوگرافی را با فناوری‌های جدید مثل EUV یا ازطریق دستگاه‌های گران‌قیمت High-NA می‌سازد و سپس لیتوگرافی نسل بعد را بهینه‌تر می‌کند.

Intel 4 به‌دلیل بهره‌گیری از EUV لیتوگرافی مهمی محسوب می‌شود؛ اما اینتل برنامه‌هایش اصلی‌اش درقبال EUV را در لیتوگرافی Intel 3 اعمال خواهد کرد. نکاتی که به آن‌ها اشاره کردیم، نشان می‌دهند اینتل اساساً به استفاده از سلول‌های پرتراکم در Intel 4 نیازی ندارد؛ چون در عرض یک سال یا کمی بیشتر، این لیتوگرافی با Intel 3 جایگزین خواهد شد.

ازآن‌‌جا‌که طراحی Intel 3 با Intel 4 سازگاری دارد، متخصصان اینتل در هر زمان که بخواهند، می‌توانند روی لیتوگرافی جدیدتر تمرکز کنند. مشتریان واحد تجاری Intel Foundry Services نیز در موقعیت مشابهی قرار می‌گیرد. این شرکت‌ها «می‌توانند» از Intel 4 استفاده کنند؛ اما اتکا بر Intel 3 بسیار منطقی‌تر خواهد بود.

به جزئیات Intel 4 برمی‌گردیم. اینتل می‌گوید در نسل جدید لیتوگرافی درمقایسه‌با لیتوگرافی‌های ۱۰ نانومتری تغییری اساسی در لایه‌های فلزی اعمال کرده است. اینتل در لایه‌های پایینی تراشه‌های مبتنی‌بر لیتوگرافی ۱۰ نانومتری کبالت را جایگزین مس کرد و این اتفاق بسیار خبرساز شد.

در آن زمان، اینتل گفت جایگزینی مس با کبالت برای افزایش طول عمر ترانزیستورها ضروری است (به‌دلیل مقوله‌ای با عنوان مقاومت دربرابر کوچ الکتریکی). وقتی با درنظرگرفتن معیار عملکرد و به‌طور دقیق‌تر سرعت کلاک به ماجرا نگاه کنید، استفاده از کبالت منطقی به‌نظر نمی‌رسد. تحلیلگران می‌گویند جایگزینی مس با کبالت یکی از عوامل اصلی‌ به‌تأخیرافتادن تولید تراشه‌های ۱۰ نانومتری بوده است.

درباره‌ی Intel 4، به‌نظر می‌رسد که اینتل تصمیم گرفته باشد نیم‌قدم به عقب برود. تیم آبی همچنان از کبالت استفاده خواهد کرد؛ اما این بار به‌جای کبالت خالص شاهد استفاده از آن چیزی هستیم که اینتل «مسِ تقویت‌شده» (eCu) خطابش می‌کند. درواقع، اینتل در نسل جدید از مس با روکش کبالت استفاده می‌کند.

ایده‌ی استفاده از eCu این است که بتوان از مزایای کبالت و مس هم‌زمان استفاده کرد. اینتل امیدوار است eCu در عین ارائه‌ی عملکرد مس، به‌لطف روکش کبالتی دربرابر کوچ الکتریکی از خود مقاومت نشان دهد.

همان‌طورکه اشاره کردیم، اینتل تصمیم گرفته است از کبالت خالص استفاده نکند؛ اما بررسی‌ها نشان می‌دهد استفاده‌ی اینتل از کبالت در برخی زمینه‌ها افزایش پیدا کرده است. اینتل در لیتوگرافی ۱۰ نانومتری صرفاً برای گیت‌های تماسی و دو لایه‌ی اول از کبالت استفاده کرد؛ ولی استفاده‌ی Intel 4 از eCu شامل پنج لایه‌ی اول می‌شود.

این یعنی در نسل جدید پردازنده‌های اینتل سه لایه‌ی پایینی از مسِ پوشیده‌شده با کبالت ساخته می‌شود. البته اینتل می‌گوید در لیتوگرافی Intel 4 کبالت را از گیت‌های تماسی حذف کرده و این گیت‌ها را به‌طورکامل از تنگستن ساخته است. در نسل قبل ترکیبی از کبالت و تنگستن استفاده شده بود.

افزون‌براین، اینتل از افزایش تعداد لایه‌های فلزی Intel 4 درمقایسه‌با Intel 7 خبر می‌دهد. تیم آبی در لیتوگرافی ۱۰ نانومتری از ۱۵ لایه‌ی فلزی استفاده کرد؛ اما Intel 4 لایه‌ی شانزدهم را نیز وارد کار می‌کند. این لایه درکنار دو لایه‌ای قرار می‌گیرد که معمولاً برای مسیردهی انرژی استفاده می‌شوند. اینتل غالباً این دو لایه را لایه‌های غول‌پیکر خطاب می‌کند.

علاوه‌بر تغییرات گیت و لایه‌های فلزی، اینتل قصد دارد تغییراتی در سیستم‌های اینترکانکت نیز اعمال کند. اینتل در لیتوگرافی Intel 4 سراغ طراحی کاملاً جدیدی رفته است که آن را «طراحی شبکه‌ایِ اینترکانکت» خطاب می‌کند. به‌طورخلاصه، این سیستم جدید به اینتل امکان می‌دهد مسیر عبور از بین لایه‌های فلزی را در یک شبکه‌ی ازپیش‌طراحی‌شده جاسازی کند. تا قبل از لیتوگرافی Intel 4، اینتل می‌توانست مسیر عبور را در هر جایی قرار دهد که مزایایی داشت؛ اما معایبش بیشتر بود.

اینتل در سیستم جدیدش بازدهی و عملکرد را بهبود می‌دهد. این سیستم شبکه‌ای باعث می‌شود اینتل برای ساخت اینترکانکت‌ها به استفاده از EUV پیچیده و مبتنی‌بر چند الگو مجبور نباشد تا هزینه‌ها کاهش پیدا کند. درنهایت استفاده از EUV باعث می‌شود مراحل تولید تراشه‌های اینتل کاهش پیدا کند. اینتل فعلاً آمار دقیقی در این زمینه ارائه نداده است؛ ولی می‌گوید Intel 4 به‌طورنسبی به ۲۰ درصد ماسک کمتر از Intel 7 نیاز دارد.

استفاده از EUV تأثیر مثبتی روی بازدهی ویفرهای اینتل می‌گذارد و تیم آبی ترجیح داده است در این زمینه نیز آمار ارائه ندهد. به‌طورکلی، کاهش مراحل تولید باعث می‌شود احتمال بروز خطا در روند تولید کاهش یابد و درنهایت هرگونه خطا به معیوب‌شدن ویفر منتهی می‌شود.

جدا از بهبود در تراکم سلول‌ها، از عملکرد لیتوگرافی Intel 4 چه انتظاراتی می‌توانیم داشته باشیم؟ به‌طورکلی طبق ادعای اینتل، لیتوگرافی هفت‌نانومتری Intel 4 نه‌تنها درزمینه‌ی سرعت کلاک بلکه درزمینه‌ی مصرف انرژی فراتر از آنچه تصور می‌کردیم ظاهر می‌شود. اینتل می‌گوید ۲۱٫۵ درصد سرعت کلاک بیشتر درمقایسه‌با تراشه‌های ۱۰ نانومتری برای تراشه‌های مبتنی‌بر لیتوگرافی Intel 4 دردسترس است. توجه کنید که این سرعت کلاک بهبودیافته با فرض ثابت‌بودن مصرف انرژی مطرح شده است.

در نمودار اینتل، هرچه‌بیشتر به‌سمت راست حرکت کنید ولتاژ افزایش می‌یابد و در ولتاژ ۰٫۸۵ ولت و فراتر از آن، تفاوت سرعت کلاک حدود ۱۰ درصد خواهد بود. اینتل می‌گوید پردازنده‌هایش با اتکا بر سلول‌هایی ویژه، در این حالت می‌توانند تا ۵ درصد دیگر هم سریع‌تر ظاهر شوند. این سلول‌های ویژه درمقایسه‌با سلول‌های دیگر مصرف انرژی بیشتری دارند.

اینتل درزمینه‌ی مصرف انرژی لیتوگرافی Intel 4 نیز ادعاهای جالبی مطرح کرده است. در فرکانس ۲٫۱ گیگاهرتز، مصرف انرژی تراشه‌های مبتنی‌بر Intel 4 تقریباً ۴۰ درصد کمتر است. با افزایش فرکانس، اختلاف بین مصرف انرژی Intel 4 و Intel 7 کمتر می‌شود، تا جایی که Intel 7 به محدودیت‌های عملیاتی‌اش برسد. البته به‌طورکلی نمودار مصرف انرژی ثبات بیشتری دارد.

از اینتل همواره به‌دلیل پرمصرف‌بودن تراشه‌هایش انتقاد شده است و پیشرفت‌های Intel 4 در این زمینه بسیار امیدوارکننده به‌نظر می‌رسد؛ البته این دستاورد برای اینتل جدید نیست. حتی Intel 7 نیز در هنگام آغاز به‌ کار، به‌طورمشابه درزمینه‌ی کاهش مصرف انرژی بهتر از افزایش قدرت پردازشی ظاهر می‌شد.

پردازنده‌‌ای مرکزی که با بهره‌گیری از Intel 4 تولید شود، بسیار کم‌مصرف‌تر خواهد بود؛ البته به‌شرطی که به فرکانسی راضی باشید که در نسل قبل هم ارائه می‌شد. ادعاهای اینتل در اسلایدهای جدیدش منعکس‌کننده‌ی گفته‌هایی هستند که این شرکت قبلاً بیان کرده بود. برای نمونه اینتل تاکنون بارها تأکید کرده است که لیتوگرافی جدیدش ۲۰ درصد عملکرد به ازای وات بهتر دارد. به‌نظر می‌رسد اینتل توانسته باشد به وعده‌هایی پیشینش پایبند بماند. اینتل می‌گوید تولید تراشه‌های مبتنی‌بر Intel 4 برایش کم‌هزینه‌تر است؛ البته در این زمینه نیز جزئیات دقیقی اعلام نشده است. هزینه‌ی تولید یک لایه‌ی EUV بیشتر از یک لایه‌ی DUV است؛ اما ازآن‌‌جا‌که EUV مراحل تولید را کم می‌کند، هزینه‌های کلی را کاهش می‌دهد.

اینتل خود را کم‌کم آماده می‌کند تا در سال آینده‌ی میلادی پردازنده‌های خانواده‌ی Meteor Lake و سایر محصولات مبتنی‌بر لیتوگرافی هفت‌نانومتری را عرضه کند. حال این سؤال مطرح می‌شود که اینتل چقدر سریع می‌تواند تولید انبوه را آغاز کند؟ نمونه‌های پیش‌تولید Meteor Lake اکنون در آزمایشگاه‌های اینتل در حال گذراندن مراحل آزمایشی هستند و این یعنی اینتل درمقایسه‌با هر زمان دیگری به وارد‌شدن به حوزه‌ی EUV نزدیک شده است.