האבולוציה של השבבים: כיצד ישתכלל הייצור כדי לענות על הביקוש המטורף?

הביקוש לשבבים מגיע לשיאים חדשים, ועוד ענקיות טכנולוגיה נכנסות לתחום הייצור והפיתוח. תהליכי הייצור מתקצרים והבקרה מתייעלת, אך לא בטוח שזה מספיק. אז מה השלב הבא?

כל מה שהופך את תעשיית השבבים לתחום מרתק (צילום: Dreamstime)

מאת עפר אדן, דירקטור בכיר לטכנולוגית בקרת תהליכי יצור שבבים באפלייד מטיריאלס ישראל

שוק השבבים רותח. הביקוש האדיר מייצר אתגרים אינסופיים עבור התעשייה, והתחרות העזה מובילה לכניסתן של עוד ענקיות לתחום ייצור השבבים: רק לאחרונה הודיעה אפל כי מחשביה יפעלו על שבבים שהיא מפתחת בעצמה, וגם גוגל הכריזה על כניסתה לתחום עם פתיחת מרכז פיתוח שבבים.

הביקוש הגואה לשבבים הוא כמובן לא חדש, ותחילתו בשנות ה-80 – עם הפיכתם של מחשבי ה-PC לפופולריים. אך המהפכות הטכנולוגיות שהתרחשו מאז – מהפכת האינטרנט, הטלפונים החכמים, הרשתות החברתיות, תחום ה-AI, ביג דאטה, IoT, רכבים אוטונומיים, AR ו-VR – כל אלו יצרו ומייצרים עוד ועוד דרישות מחשוב – וכתוצאה מכך עוד ועוד ביקוש לשבבים, שיפור ביצועים ואמינות.

לצד כל אלה, שינויים חברתיים-תרבותיים המתרחשים במקביל מגבירים גם הם את הביקוש: המעבר לאנרגיה ירוקה והגברת השימוש בפתרונות לייצור חשמל ממקורות אלטרנטיביים, לדוגמה, וגם השלכות הקורונה – המעבר לעבודה מהבית והתחזקות הלימוד מרחוק, השימוש הגובר בשיחות וידאו ואמצעי תקשורת מרחוק והעובדה שאנשים מצטיידים בעוד מוצרים שיהפכו את השהייה בבית לקלה יותר.

הביקוש כמובן צפוי להמשיך לגדול, והיצרניות המובילות בתחום מעריכות כי הגידול בביקוש לכלי רכב חשמליים, התרחבות תחום ה-AI והכניסה של רשתות 5G יתרמו למגמה.

חומרים חדשים ובקרה משוכללת

לאורך השנים הצליחה תעשיית השבבים לענות על העלייה בביקוש באמצעות הכפלת צפיפות הטרנזיסטורים במעגלים משולבים (חוק מור הקלאסי של מזעור טרנזיסטורים פלאנארים בשני מימדים). אבל כעת הביקוש האדיר לא מאפשר זאת יותר, והתעשייה הבינה כי עליה למצוא אלטרנטיבות:

1. ארכיטקטורות חדשות, מבנים חדשים: לפני כעשור פיתוחים שונים איפשרו להתחיל לייצר טרנזיסטורים תלת ממדיים. ייצור זה, שעם השנים הלך והשתכלל, הופך את השבבים ליעילים יותר ולחסכוניים יותר בחשמל על ידי הגדלת השטח שבו נעים המטענים החשמליים – זאת באמצעות הוספת שטח אפקטיבי לטרנזיסטור, תוך מזעורו על ידי בנייה לגובה ובתלת ממד (ראו בתמונה מבנה סנפירי – FinFETs, במקום פאה אחת בטרנזיסטור שטוח – Planar Transistor). בעתיד הקרוב זה יקרה גם באמצעות ריבוי נוסף של שטחי מגע (סנפיר רב שכבתי). במקביל נעשו גם שינויים בטכנולוגיית האריזה של השבבים השונים כדוגמת מערכות-על-שבב (SOC) של חיישן תמונה ומעבד לוגי של בינה מלאכותית.

2. חומרים חדשים: השינוי במבנה השבבים לא הספיק, והתעשייה חיפשה חומרים חדשים לעבוד איתם. וכך ייצור השבבים הפך לכזה המורכב מכמה סוגי מתכות, תוך אינטגרציה של חומרים – מה ששיפר מאוד את הביצועים של הטרנזיסטור.

3. בקרת ייצור חכמה יותר: לצד שיפורים אלה, נדרשה התעשייה לחשוב על דרכים לקצר את תהליך הייצור ולהבטיח כי השבבים יגיעו בזמן לשוק הצמא להם כל כך – אך מבלי להתפשר על האיכות. זאת בייחוד כיוון שטרנזיסטורים הם כמו חוליות בשרשרת – תפקוד הרכיב הסופי נקבע על פי החוליה החלשה ביותר.

בעבר, תהליך בקרת הייצור למסכות ליתוגרפיה שמאפשרת ייצור שבבים היה פשוט יחסית. מסכות ליתוגרפיות משמשות יצרני שבבים כגלופות להדפסת פרוסות הסיליקון בשכבות, כאשר מסכה אחת משמשת להדפסת מאות שבבים. כדי לבצע בקרת ייצור נבדקו בכל פרוסה כמה אזורים, אבל עם השתכללות תהליך הייצור, שיטה זו לא הספיקה יותר.

החשיבות הרבה של זיהוי מוקדם של פגמים ותיקונם, תוך שמירה על שונות מינימלית בין הטרנזיסטורים – בעיקר בענף בו הביקוש כה גבוה – הפכה קריטית. התהליכים המתקדמים השונים שהקטינו עוד ועוד את ממדי הטרנזיסטורים, הפכו את תהליכי בקרת הייצור הקיימים לפחות יעילים, והצריכו פיתוח תהליכים שמאפשרים הסתכלות לא רק מלמעלה – אלא דרך השכבות עצמן.

לכן, השלב הבא היה פיתוח טכנולוגיות המאפשרות סריקה אופטית מתקדמת, שהפכה את התהליך כולו למהיר הרבה יותר. כדי לאפשר ליצרניות השבבים להגיע לאחידות גבוהה בין השבבים, ולאיתור תקלות בזמן קצר תוך הבחנה בפרטים הקטנים ביותר, פותחו מערכות חדשניות מבוססות מיקרוסקופ אלקטרוני (SEM), המאפשרות קפיצת מדרגה בתחום בקרת התהליך לעומת המערכות האופטיות הוותיקות.

בעתיד: שיפור הוליסטי ולא רק מזעור הצ’יפים

עם השנים ראינו כיצד הטרנזיסטורים מתמזערים, הופכים לתלת-ממדיים ונפרסים לגובה, ואליהם הצטרפו גם זכרונות ההבזק הלא נדיפים (3D NAND Flash). בעתיד נראה גם את התקני הזיכרון הנדיף (DRAM) נפרסים לגובה (3D DRAM), ואליהם יצטרפו התקנים משולבים למשימות ספציפיות – לדוגמה GPU שמאפשר את הבינה המלאכותית, או התקנים נורומורפיים ואחרים.

כמעט שאין גבול ליכולת למזער, אבל חשוב לשמר את יכולות ה-Performance וה-Power, כלומר – הטכנולוגיות אמנם ממשיכות לרוץ במספרים של ננומטרים ואפילו אנגסטרומים, אבל משמעות המספרים אינה רק גדלים של טרנזיסטורים אלא גם שיפור ביצועים על ידי הארכיטקטורות והמבנים.

בנוסף, בעתיד נראה פחות שימוש בלעדי בליתוגרפיה ויותר תהליכים המתעצבים בעצמם (self aligned) ומניפולציות של חומרים חדשים המאפשרים ניצול אפיניות בין חומרים לגידול ואיכול סלקטיביים. המשמעות עבור תהליך בקרת האיכות תהיה דרישה לפריסה רחבה יותר ויכולת טובה יותר לראות דרך השכבות ולמדוד בשלושה ממדים. אם בעבר נעזרה התעשייה במטרות המתאימות למדידה באופטיקה של אור, המספקות מידע מדגמי ודי היה בהן לבקרה נאותה של התהליך, הרי שהמרחק בין מטרות המדמות מה קורה על הפרוסה לבין ההתקנים עצמם ימשיך ויגדל כך שנראה יותר ויותר טכנולוגיות בעלות רזולוציה כגון מיקרוסקופיה אלקטרונית, שיתנו תמונה מדויקת יותר על הנעשה בהתקן עצמו.

הפרדיגמה החדשה – PPACt – מסתכלת על שיפור הוליסטי בביצועים ולא רק על מזעור הצ’יפים העתידיים. השיפור ההוליסטי PPACt מקיף Performance ,Power ,Area Cost ולא פחות חשוב – time to market, שהרי הביקוש לשבבים רק גדל. כדי לראות ולמדוד את כל זה נזדקק למערכות סריקה ומדידה מהירות במיוחד, שיתנו למקבלי ההחלטות כלים בעלי עושר סטטיסטי מספק שיסייע להם לקחת החלטה.

ולשורה התחתונה – לאילו עוצמות מחשוב נגיע? בעזרת PPACt התעשייה תחזור למסלול שיפורי הביצועים הנדרש עם הביקוש הגובר לשבבים. נמשיך לראות התקנים חדשים, וכפי שלמדנו לרתום את ה-GPU מעבר למשימות אליהן נולד, כך אנחנו לומדים לרתום חומרים חדשים לזיכרונות מתקדמים וארכיטקטורות של פיזיקה חדשה של מחשוב קוונטי מוצאות דרכן לסיליקון.

השינויים הטכנולוגיים שצפויים להתרחש יתקיימו לצד הכרזות חדשות על פתיחת עוד ועוד מרכזי ייצור של ענקיות התעשייה, כמו גם הכרזות של מדינות על חשיבות התחום – לדוגמה, תוכנית האיחוד האירופי להחזרת ייצור השבבים ליבשת והצבת יעד של הכפלת יכולת הייצור הנוכחית עד 2030, וגם כוונת הממשל בארה”ב להגדיל את יכולת הייצור האמריקאית. כל אלה הופכים את תעשיית השבבים לתחום מרתק, הנמצא ממש בעין הסערה של הקידמה הטכנולוגית, ועוד צפוי להתפתח ולהשתכלל בדרכים יצירתיות ובטכנולוגיה הכי מתקדמת שיש.

הכתבה בחסות אפלייד מטיריאלס

אפלייד מטיריאלס ישראל מפתחת ומייצרת מערכות מתקדמות המאפשרות ללקוחות הגלובליים של החברה לייצר שבבים באופן חכם, מהיר ויעיל יותר וכך להבטיח המשך קידמה ופריצות דרך טכנולוגיות בכל תחום בחיינו ובעתיד.
רמת התחכום והאתגר הטכנולוגי גדלים ומתפתחים כל הזמן, בהתאם לתנופה קדימה של תעשיית השבבים שהיא בין התחרותיות והתובעניות ביותר בעולם. הפתרונות של אפלייד מחייבים שילוב התמחויות בתחומי חומרה ותוכנה מגוונים בהם בינה מלאכותית, ביג דאטה, למידת מכונה, אלגוריתמים, הנדסת מערכת, פיסיקה, מכניקה, אלקטרוניקה ועוד, ועובדיה מותחים את גבולות האפשר, מידי יום.
מהנדסים מכל התחומים, א.נשים שלא חוששים מאתגר טכנולוגי ומחפשים בית אמיתי שיש בו מבחר רחב של אפשרויות קריירה,– מוזמנים.ות לשלוח קורות חיים




כתב אורח

אנחנו מארחים מפעם לפעם כותבים טכנולוגים אורחים, המפרסמים כתבות בתחומי התמחות שלהם. במידה ואתם מעוניינים לפרסם פוסט בשמכם, פנו אלינו באמצעות טופס יצירת קשר באתר.

הגב

2 תגובות על "האבולוציה של השבבים: כיצד ישתכלל הייצור כדי לענות על הביקוש המטורף?"

avatar
Photo and Image Files
 
 
 
Audio and Video Files
 
 
 
Other File Types
 
 
 

* היי, אנחנו אוהבים תגובות!
תיקונים, תגובות קוטלות וכמובן תגובות מפרגנות - בכיף.
חופש הביטוי הוא ערך עליון, אבל לא נוכל להשלים עם תגובות שכוללות הסתה, הוצאת דיבה, תגובות שכוללות מידע המפר את תנאי השימוש של Geektime, תגובות שחורגות מהטעם הטוב ותגובות שהן בניגוד לדין. תגובות כאלו יימחקו מייד.

סידור לפי:   חדש | ישן | הכי מדורגים
יאיר
Guest

מרתק! לאן שולחים קורות חיים?

ע.א.
Guest
wpDiscuz

תגיות לכתבה: