فناوری‌های ساخت تراشه چگونه نام‌گذاری و تعریف می‌شود؟

جدیدترین اخبار و مقاله‌های دنیای پردازنده مملو از مفهومی به‌نام فناوری ساخت (Process Node) است که اهمیت زیادی هم در روندهای طراحی و توسعه دارد. در این‌ میان، پرداختن به مفهوم اصلی فناوری‌های ساخت تراشه و چگونگی تعریف و نام‌‌گذاری آن‌ها خالی از لطف نیست. به‌علاوه، بحث و گفت‌وگوهای متعددی هم در جریان هستند که برتر بودن یا نبودن سامسونگ و TSMC را در توسعه‌ی پردازنده‌ها در مقایسه با شرکت‌هایی همچون اینتل دچار شک و تردید می‌کند. درصورت برتری شرکت‌های مذکور نیز، درباره‌ی میزان برتری و مزیت‌های رقابتی آن‌ها پرسش‌هایی مطرح می‌شود.

فناوری‌های ساخت عموماً به‌صورت یک عدد با واحد نانومتر نشان داده می‌شود و گاه با حروفی که گام‌های فناوری را خاطرنشان می‌کند، همراه می‌شوند. به‌عنوان مثال، می‌توان فناوریهای ۱۰، ۱۴، ۲۲ و ۲۳ نانومتری را نام برد. گفتنی است ارتباط مشخصی بین مشخصه‌های سخت‌افزاری پردازنده و نام فناوری ساخت وجود ندارد؛ البته چنین رویکردی همیشه وجود نداشته است. بین دهه‌‌های ۱۹۶۰ تا ۱۹۹۰، فناوریهای بخصوص براساس طول گیت ترانزیستور نام‌گذاری می‌شدند. در نمودار زیر از IEEE، می‌توان این ارتباط در نام‌گذاری نمونه‌های قدیمی را مشاهده کرد.

طول گیت یا همان گیت ترانزیستور پردازنده و half-pitch یا نصف فاصله بین دو جزء اصلی در تراشه به‌عنوان مؤلفه‌های مهم در نام‌گذاری پردازنده استفاده می‌شدند. البته، چنین رویکردی آخرین‌بار در سال ۱۹۹۷ انجام شد. نصف فاصله برای نسل‌های متمادی بعدی هم استفاده شد؛ اما اکنون دیگر ارتباطی با نام‌گذاری فناوری ساخت پردازنده ندارد. درواقع از مدت‌ها پیش، مقیاس‌دهی هندسی فناوریهای پردازنده دیگر با منحنی کاهش ابعاد اجزای آن هماهنگی ندارد.

همان‌طورکه در تصویر بالا می‌بینیم، اگر قرار بود نام فناوریها و ابعاد اجزا باهم هماهنگ باشد، باید ۶ سال پیش به فناوری تولید زیر یک نانومتر می‌رسیدیم. درنهایت، امروزه نام‌هایی که برای هر فناوری استفاده می‌شوند، نام‌های انتخابی شرکت‌ها هستند. در سال ۲۰۱۰، استاندارد ITRS یا نقشه‌ی راه بین‌المللی فناوری نیمه‌هادی‌ها تعداد درخورتوجه فناوری موجود در فناوری‌های ساخت را قدمی به‌سوی مفهوم Equivalent Scaling برای آن‌ها دانست.

ساخت‌ و تولید نیمه‌هادی‌ها به سرمایه‌گذاری عظیمی نیاز دارد و بدون تحقیقات طولانی‌مدت نمی‌توان به دستاوردهای مناسبی رسید. فاصله‌ی میانگین از وقتی فناوری روی کاغذ معرفی می‌شود تا وقتی به‌صورت فناوری تجاری به بازار راه پیدا کند، بین ۱۰ تا ۱۵ سال خواهد بود. در دهه‌های گذشته، فعالان صنعت نیمه‌هادی نتیجه گرفتند برای توسعه‌ی بهتر مفاهیم و استانداردها باید نقشه‌ی راهی برای نام‌گذاری فناوری‌های ساخت و ابعاد مؤلفه‌های روی هر فناوری تدوین شود. استاندارد مدنظر آن‌ها برای تمامی قطعات پازل یک فناوری جدید در مسیر عرضه به بازار کاربرد داشت.

سازمان ITRS سال‌‌ها نقشه‌ی راه جامعی برای کل صنعت منتشر می‌کرد که تا ۱۵ سال بعد را پوشش می‌دادند. نقشه‌های مذکور اهداف عمومی را نیز برای بازار نیمه‌هادی مشخص می‌کردند. نقشه‌ی ITRS از سال ۱‍۹۹۸ تا ۲۰۱۵ منتشر شد و از سال ۲۰۱۳، استاندارد مذکور به شاخه‌ی جدیدی به‌نام ITRS 2.0 تقسیم شد؛ اما حوزه‌ی پوشش آن، یعنی «فراهم‌کردن مرجعی کامل برای تحقیقات آتی دانشگاهی و صنعتی به‌منظور توسعه‌ی نوآوری در حوزه‌های متنوع فناوری» این الزام را ایجاد می‌کرد که پوشش استاندارد افزایش پیدا کند. درنهایت، ITRS منسوخ و سازمان جدیدی به‌نام IRDS یا International Roadmap for Devices and Systems جای آن را گرفت که حوزه‌ی پوشش گسترده‌تری در دنیای فناوری داشت.

شرکت‌های فعال در صنعت پردازنده قابلیت‌ها و ظرفیت‌های متنوع را در دوره‌های گوناگون معرفی می‌کنند. به‌عنوان مثال، TSMC و AMD فناوری لیتوگرافی غوطه‌وری را در ابعاد ۴۰ و ۴۵ نانومتری معرفی کردند؛ اما اینتل برای استفاده از فناوری مذکور تا ابعاد ۳۲ نانومتری منتظر ماند. همین رویکرد برای فناوری‌ها و ابعاد دیگر هم دیده شد. شرکت GlobalFoundries و TSMC در ابعاد ۳۲ و ۲۸ نانومتری از الگودهی دوگانه استفاده کردند. TSMC فناوری Gate-Last را در ۲۸ نانومتر به‌کار گرفت؛‌ درحالی‌که سامسونگ و GF در آن ابعاد از Gate-First استفاده می‌کردند.

با کاهش سرعت پیشرفت صنعت، شرکت‌ها تمرکز بیشتری روی فرایند بازاریابی کردند. نام‌گذاری فناوری‌های ساخت دیگر کمتر به اعداد بسیار بزرگ و تبلیغاتی مبتنی بود و شرکت‌هایی همچون سامسونگ فناوریها را به‌‌صورت زیر معرفی کردند.

قطعا با نگاهی به استراتژی بالا به این نتیجه می‌رسیم که رویکرد شرکت‌ها در نام‌گذاری فناوری ساخت آن‌چنان روشن و صریح نیست. کاربران و کارشناسان با نگاه ساده به روش‌های نام‌گذاری نمی‌توانند روند توسعه‌ی فناوری‌های ساخت را تشخیص دهند و برای شناخت بهتر، شاید همیشه به نمودارهایی همچون تصویر بالا نیاز باشد.

برخی کاربران و کارشناسان اعتقاد دارند محصولاتی که اینتل با فناوری ۱۰ نانومتری معرفی می‌کند، با فناوری‌های ساخت ۷ نانومتری رقبای تایوانی و کره‌ای برابر هستند. دلیل اصلی در نزدیک‌بودن پارامترهای تولیدی پردازنده‌های ۱۰ نانومتری اینتل با محصولات ۷ نانومتری رقبا دیده می‌شود. نموداری که درادامه مشاده می‌کنید، ترکیبی از ابعاد مؤلفه‌ها در فناوریهای ۱۰ نانومتری اینتل را با ابعاد مشهور مؤلفه‌ها در فناوریهای ۷ نانومتری سامسونگ و TSMC نشان می‌دهد.

در تصویر بالا، ستون‌هایی با نماد دلتا برای فناوریهای ۱۰ و ۱۴ نانومتری وجود دارند که تغییر ابعاد مؤلفه‌ای مشخص را به‌دست تولیدکننده در مقایسه با نسل قبلی نشان می‌دهند. در فناوریهای اینتل و سامسونگ فاصله‌ی پایه‌های فلزی (Metal Pitch) از فناوریهای TSMC کمتر است. درمقابل، سلول‌های SRAM شرکت تایوانی که با چگالی درخورتوجه مؤلفه‌ها طراحی می‌شوند، کوچک‌تر از محصولات اینتل هستند که به‌احتمال زیاد برای تأمین نیاز مشتریان متنوع شرکت تعبیه شده‌اند. در این‌ میان، سلول‌های سامسونگ از رقیب تایوانی هم کوچک‌تر هستند. درنهایت، بسیاری از معیارهای اصلی فرایند تولید ۱۰ نانومتری اینتل با معیارهای فرایند ۷ نانومتری دو شرکت دیگر برابر می‌شود.

تراشه‌های تکی تولید شرکت‌ها مؤلفه‌هایی دارند که به‌‌دلیل اهداف طراحی خاص، از عوامل ابعادی بالا پیروی نمی‌کنند. اطلاعاتی که تولیدکنندگان درباره‌ی این اعداد ارائه می‌کنند، برای کاربردهای عادی در فناوریهای مشخص هستند. به‌ بیان دیگر، نمی‌توان آن‌ها را برای هر تراشه‌ی تولیدی به کار برد.

کارشناسان در بررسی فرایندهای ۱۰ نانومتری پلاس اینتل این سؤال را مطرح می‌کنند که آیا عوامل بالا در آن هم رعایت می‌شود؟ شایان ذکر است فرایند مذکور برای پردازنده‌های آیس لیک (Ace Lake) اینتل استفاده می‌شوند. بررسی‌های اولیه ادعا می‌کند فرایند جدید تغییراتی جزئی در مقایسه با فرایند ۱۰ نانومتری دارد. البته با توجه به تغییرات ۱۴ نانومتری پلاس در مقایسه با ۱۴ نانومتری چنین رویکردی دور از انتظار نیست. اینتل ادعا می‌کند برای فرایند ۱۰ نانومتری نرخ مقیاس‌‌دهی ۲.۷ برابر را در مقایسه با فرایند ۱۴ نانومتری در نظر دارد؛ اما به‌هرحال باید منتظر ارائه‌ی محصولات نهایی باشیم تا تغییرات فرایند پلاس بهتر مشخص شود.

برای درک بهتر مفهوم فناوری ساخت باید آن را به‌صورت مجموعه‌مفهومی در نظر بگیرید. وقتی شرکتی اخباری درباره‌ی عرضه‌ی فناوری ساخت جدیدی منتشر می‌کند، می‌توان آن را به‌صورت زیر تفسیر کرد:

ما فرایند ساخت‌ و تولید جدیدی با مؤلفه‌های کوچک‌تر و تلرانس‌های کمتر ساختیم. برای رسیدن به چنین هدفی، از فناوری‌های ساخت‌ و تولید جدید استفاده کرده‌ایم و برای نام‌گذاری این مجموعه‌ی جدید فناوری‌های تولیدی از عبارت فناوری ساخت استفاده می‌کنیم. درواقع، از عبارتی با مفهوم جامع استفاده می‌کنیم تا پیشرفت در تولید و افزایش ظرفیت را به‌صورت هم‌زمان نشان دهد.