فناوريهاي ساخت تراشه چگونه نامگذاري و تعريف مي‌شود؟
جديدترين اخبار و مقاله‌هاي دنياي پردازنده مملو از مفهومي به‌نام فناوري ساخت (Process Node) است كه اهميت زيادي هم در روندهاي طراحي و توسعه دارد. در اين ميان، پرداختن به مفهوم اصلي فناوريهاي ساخت تراشه و چگونگي تعريف و نامگذاري آن‌ها خالي از لطف نيست. به‌علاوه، مباحثه و گفت‌وگوهاي متعددي هم در جريان هستند كه برتر بودن يا نبودن سامسونگ و TSMC را در توسعه‌ي پردازنده‌ها در مقايسه با شركت‌هايي همچون اينتل دچار شك و ترديد مي‌كند. درصورت برتري شركت‌هاي مذكور نيز، درباره‌ي ميزان برتري و مزيت‌هاي رقابتي آن‌ها پرسش‌هايي مطرح مي‌شود.
فناوريهاي ساخت عموماً بهصورت يك عدد با واحد نانومتر نشان داده مي‌شود و گاه با حروفي كه گام‌هاي فناوري را خاطرنشان مي‌كند، همراه مي‌شوند. به‌عنوان مثال، مي‌توان فناوريهاي ۱۰، ۱۴، ۲۲ و ۲۳ نانومتري را نام برد. گفتني است ارتباط مشخصي بين مشخصه‌هاي سخت‌افزاري پردازنده و نام فناوري ساخت وجود ندارد؛ البته چنين رويكردي هميشه وجود نداشته است. بين دهههاي ۱۹۶۰ تا ۱۹۹۰، فناوريهاي بخصوص براساس طول گيت ترانزيستور نامگذاري مي‌شدند. در نمودار زير از IEEE، مي‌توان اين ارتباط در نامگذاري نمونه‌هاي قديمي را مشاهده كرد.
طول گيت يا همان گيت ترانزيستور پردازنده و half-pitch يا نصف فاصله بين دو جزء اصلي در تراشه به‌عنوان مؤلفه‌هاي مهم در نامگذاري پردازنده استفاده مي‌شدند. البته، چنين رويكردي آخرين‌بار در سال ۱۹۹۷ انجام شد. نصف فاصله براي نسل‌هاي متمادي بعدي هم استفاده شد؛ اما اكنون ديگر ارتباطي با نامگذاري فناوري ساخت پردازنده ندارد. درواقع از مدت‌ها پيش، مقياسدهي هندسي فناوريهاي پردازنده ديگر با منحني كاهش ابعاد اجزاي آن هماهنگي ندارد.
همان‌طوركه در تصوير بالا مي‌بينيم، اگر قرار بود نام فناوريها و ابعاد اجزا باهم هماهنگ باشد، بايد ۶ سال پيش به فناوري توليد زير يك نانومتر مي‌رسيديم. درنهايت، امروزه نام‌هايي كه براي هر فناوري استفاده مي‌شوند، نام‌هاي انتخابي شركت‌ها هستند. در سال ۲۰۱۰، استاندارد ITRS يا نقشه‌ي راه بين‌المللي فناوري نيمه‌هادي‌ها تعداد درخورتوجه فناوري موجود در فناوريهاي ساخت را قدمي به‌سوي مفهوم Equivalent Scaling براي آن‌ها دانست.
با نزديك‌شدن هرچه‌بيشتر به پايان دوران ابعاد نانومتري، شركت‌ها احتمالا در نامگذاري از مفهوم انگستروم استفاده خواهند كرد يا شايد به استفاده از اعداد اعشاري روي بياورند. در سال‌هاي ابتدايي كه مفاهيم ابعادي بهصورت نانومتر به دنياي پردازنده آمدند، برخي از روزنامه‌نگاران حوزه‌ي فناوري ابعاد نانو را به‌كار نمي‌بردند و هنوز به مفهوم ميكرون پايبند بودند. به‌عنوان مثال، در آن زمان به‌جاي استفاده از نام‌گذاري‌هايي همچون ۱۳۰ يا ۱۸۰ نانومتري از عبارت‌هاي ۰.۱۳ يا ۰.۱۸ ميكروني استفاده مي‌شد؛ به همين دليل، احتمال اتخاذ چنين رويكردي در آينده نيز وجود دارد.
تقسيم‌بندي بازار
ساخت و توليد نيمه‌هادي‌ها به سرمايه‌گذاري عظيمي نياز دارد و بدون تحقيقات طولاني‌مدت نمي‌توان به دستاوردهاي مناسبي رسيد. فاصله‌ي ميانگين از وقتي فناوري روي كاغذ معرفي مي‌شود تا وقتي بهصورت فناوري تجاري به بازار راه پيدا كند، بين ۱۰ تا ۱۵ سال خواهد بود. در دهههاي گذشته، فعالان صنعت نيمه‌هادي نتيجه گرفتند براي توسعه‌ي بهتر مفاهيم و استانداردها بايد نقشه‌ي راهي براي نامگذاري فناوريهاي ساخت و ابعاد مؤلفه‌هاي روي هر فناوري تدوين شود. استاندارد مدانديشه متخصصين آن‌ها براي تمامي قطعات پازل يك فناوري جديد در مسير عرضه به بازار متخصصد داشت.
سازمان ITRS سال‌‌ها نقشه‌ي راه جامعي براي كل صنعت منتشر مي‌كرد كه تا ۱۵ سال بعد را پوشش مي‌دادند. نقشه‌هاي مذكور اهداف عمومي را نيز براي بازار نيمه‌هادي مشخص مي‌كردند. نقشه‌ي ITRS از سال ۱۹۹۸ تا ۲۰۱۵ منتشر شد و از سال ۲۰۱۳، استاندارد مذكور به شاخه‌ي جديدي به‌نام ITRS 2.0 تقسيم شد؛ اما حوزه‌ي پوشش آن، يعني «فراهم‌كردن مرجعي كامل براي تحقيقات آتي دانشگاهي و صنعتي به‌منظور توسعه‌ي نوآوري در حوزه‌هاي متنوع فناوري» اين الزام را ايجاد مي‌كرد كه پوشش استاندارد افزايش پيدا كند. درنهايت، ITRS منسوخ و سازمان جديدي به‌نام IRDS يا International Roadmap for Devices and Systems جاي آن را گرفت كه حوزه‌ي پوشش گسترده‌تري در دنياي فناوري داشت.
ابعاد گيت يا نصف فاصله در سال‌هاي اخير به‌كندي تغيير مي‌كند
تغيير در حوزه‌ي فعاليت و تمركز بر آن نشان‌دهنده‌ي اتفاقات صنعت توليد نيمه‌هادي‌ها بود. يكي از دلايل خارج‌شدن طول گيت يا نصف فاصله از فرايند نامگذاري فناوريها، تغييرنكردن آن‌ها يا تغييرات آهسته بود؛ به همين دليل، شركت‌ها از فناوريهاي جديد و روش‌هاي توليدي بهينه‌تر براي تغيير بيشتر ابعاد فناوري ساخت استفاده كردند. در مقياس‌هاي ۴۰ و ۴۵ نانومتري، شركت‌هايي همچون GF و TSMC روشي جديد به‌نام ليتوگرافي غوطه‌وري را معرفي كردند. در ابعاد ۳۲ نانومتري، مفهوم الگودهي دوگانه (Double Patterning) معرفي شد. ناگفته نماند روش توليد بهصورت Gate-last در ابعاد ۲۸ نانومتري و درنهايت، اينتل در ابعاد ۲۲ نانومتري و ديگر بازيگران صنعت در ابعاد ۱۴ و ۱۶ نانومتري، روش FinFET معرفي شد.
شركت‌هاي فعال در صنعت پردازنده قابليت‌ها و ظرفيت‌هاي متنوع را در دوره‌هاي گوناگون معرفي مي‌كنند. به‌عنوان مثال، TSMC و AMD فناوري ليتوگرافي غوطه‌وري را در ابعاد ۴۰ و ۴۵ نانومتري معرفي كردند؛ اما اينتل براي استفاده از فناوري مذكور تا ابعاد ۳۲ نانومتري منتظر ماند. همين رويكرد براي فناوريها و ابعاد ديگر هم ديده شد. شركت GlobalFoundries و TSMC در ابعاد ۳۲ و ۲۸ نانومتري از الگودهي دوگانه استفاده كردند. TSMC فناوري Gate-Last را در ۲۸ نانومتر به‌كار گرفت؛ درحالي‌كه سامسونگ و GF در آن ابعاد از Gate-First استفاده مي‌كردند.
با كاهش سرعت پيشرفت صنعت، شركت‌ها تمركز بيشتري روي فرايند بازاريابي كردند. نامگذاري فناوريهاي ساخت ديگر كمتر به اعداد بسيار بزرگ و تبليغاتي مبتني بود و شركت‌هايي همچون سامسونگ فناوريها را بهصورت زير معرفي كردند.
قطعا با نگاهي به استراتژي بالا به اين نتيجه مي‌رسيم كه رويكرد شركت‌ها در نامگذاري فناوري ساخت آن‌چنان روشن و صريح نيست. متخصصان و متخصص كارشناسان با نگاه ساده به روش‌هاي نامگذاري نمي‌توانند روند توسعه‌ي فناوريهاي ساخت را تشخيص دهند و براي شناخت بهتر، شايد هميشه به نمودارهايي همچون تصوير بالا نياز باشد.
نامگذاري فناوريهاي كنوني ارتباطي با مشخصات مؤلفه‌هاي پردازنده ندارد
اگرچه نام فناوريهاي ساخت هيچ ارتباطي با ابعاد المان‌هاي پردازنده ندارد و برخي مؤلفه‌ها نيز ديگر روند تغيير ابعاد را سپري نمي‌كنند، توليدكنندگان به‌دنبال راه‌هايي براي بهبود عوامل حياتي در محصولات بودند. چنين رويكردي را مي‌توان بهينه‌سازي هوشمندانه‌ي مهندسي ناميد. افزون‌براين، بهدليل اينكه هم‌اكنون افزايش مزاياي پردازنده‌ها آن‌چنان ممكن نيست و زمان زيادي براي توسعه نياز خواهد بود، شركت‌ها بيشتر روي نامگذاري فناوريهاي احتمالي آينده متمركز شده‌اند. به‌عنوان مثال، اكنون سامسونگ تمركز زيادي روي نامگذاري روش‌هاي توليدي و قابليت‌ها مي‌كند و به‌نوعي بازاريابي را در اولويت خود قرار داده است.
آيا پردازنده‌هاي ۱۰ نانومتري اينتل با پردازنده‌هاي ۷ نانومتري سامسونگ و TSMC برابر هستند؟
برخي متخصصان و متخصص كارشناسان اعتقاد دارند محصولاتي كه اينتل با فناوري ۱۰ نانومتري معرفي مي‌كند، با فناوريهاي ساخت ۷ نانومتري رقباي تايواني و كره‌اي برابر هستند. دليل اصلي در نزديك‌بودن پارامترهاي توليدي پردازنده‌هاي ۱۰ نانومتري اينتل با محصولات ۷ نانومتري رقبا ديده مي‌شود. نموداري كه درادامه مشاده مي‌كنيد، تركيبي از ابعاد مؤلفه‌ها در فناوريهاي ۱۰ نانومتري اينتل را با ابعاد مشهور مؤلفه‌ها در فناوريهاي ۷ نانومتري سامسونگ و TSMC نشان مي‌دهد.
در تصوير بالا، ستون‌هايي با نماد دلتا براي فناوريهاي ۱۰ و ۱۴ نانومتري وجود دارند كه تغيير ابعاد مؤلفه‌اي مشخص را به‌دست توليدكننده در مقايسه با نسل قبلي نشان مي‌دهند. در فناوريهاي اينتل و سامسونگ فاصله‌ي پايه‌هاي فلزي (Metal Pitch) از فناوريهاي TSMC كمتر است. درمقابل، سلول‌هاي SRAM شركت تايواني كه با چگالي درخورتوجه مؤلفه‌ها طراحي مي‌شوند، كوچك‌تر از محصولات اينتل هستند كه به‌احتمال زياد براي تأمين نياز مشتريان متنوع شركت تعبيه شده‌اند. در اين ميان، سلول‌هاي سامسونگ از رقيب تايواني هم كوچك‌تر هستند. درنهايت، بسياري از معيارهاي اصلي فرايند توليد ۱۰ نانومتري اينتل با معيارهاي فرايند ۷ نانومتري دو شركت ديگر برابر مي‌شود.
تراشه‌هاي تكي توليد شركت‌ها مؤلفه‌هايي دارند كه بهدليل اهداف طراحي خاص، از عوامل ابعادي بالا پيروي نمي‌كنند. اطلاعاتي كه توليدكنندگان درباره‌ي اين اعداد ارائه مي‌كنند، براي متخصصدهاي عادي در فناوريهاي مشخص هستند. به بيان ديگر، نمي‌توان آن‌ها را براي هر تراشه‌ي توليدي به كار برد.
متخصص كارشناسان در مطالعه فرايندهاي ۱۰ نانومتري پلاس اينتل اين سؤال را مطرح مي‌كنند كه آيا عوامل بالا در آن هم رعايت مي‌شود؟ شايان ذكر است فرايند مذكور براي پردازنده‌هاي آيس ليك (Ace Lake) اينتل استفاده مي‌شوند. مطالعه‌هاي اوليه ادعا مي‌كند فرايند جديد تغييراتي جزئي در مقايسه با فرايند ۱۰ نانومتري دارد. البته با توجه به تغييرات ۱۴ نانومتري پلاس در مقايسه با ۱۴ نانومتري چنين رويكردي دور از انتظار نيست. اينتل ادعا مي‌كند براي فرايند ۱۰ نانومتري نرخ مقياسدهي ۲.۷ برابر را در مقايسه با فرايند ۱۴ نانومتري در انديشه متخصصين دارد؛ اما به‌هرحال بايد منتظر ارائه‌ي محصولات نهايي باشيم تا تغييرات فرايند پلاس بهتر مشخص شود.
جمع‌بندي
براي درك بهتر مفهوم فناوري ساخت بايد آن را بهصورت مجموعه‌مفهومي در انديشه متخصصين بگيريد. وقتي شركتي اخباري درباره‌ي عرضه‌ي فناوري ساخت جديدي منتشر مي‌كند، مي‌توان آن را بهصورت زير تفسير كرد:
ما فرايند ساخت و توليد جديدي با مؤلفه‌هاي كوچك‌تر و تلرانس‌هاي كمتر ساختيم. براي رسيدن به چنين هدفي، از فناوريهاي ساخت و توليد جديد استفاده كرده‌ايم و براي نامگذاري اين مجموعه‌ي جديد فناوريهاي توليدي از عبارت فناوري ساخت استفاده مي‌كنيم. درواقع، از عبارتي با مفهوم جامع استفاده مي‌كنيم تا پيشرفت در توليد و افزايش ظرفيت را بهصورت هم‌زمان نشان دهد.
هم انديشي ها