Kecerdasan buatan (AI) mengubah cara dunia membangun dan menggunakan chip komputer. Dari pusat data berukuran besar hingga perangkat di tepi jaringan, AI membutuhkan chip yang terus menjadi lebih cepat, lebih kecil, dan lebih hemat energi.
Selama beberapa dekade, Hukum Moore, yang secara akurat memperkirakan bahwa jumlah transistor pada a komputer chip akan berlipat ganda setiap dua tahun, membuat industri terus maju.
Sayangnya, pendekatan penskalaan konvensional melalui perangkat semikonduktor oksida logam komplementer planar (CMOS), atau FinFET, yang memperluas Hukum Moore, telah mencapai batasnya. Industri ini kini menghadapi tantangan penting: mencoba untuk terus memajukan teknologi chip ketika aturan lama tidak lagi berlaku.
Jawaban industri ini adalah gate-all-around (GAA). Desain ini membungkus material gerbang secara menyeluruh di semua sisi, termasuk bagian kendali chip, yang dikenal sebagai gerbang, yang membawa arus listrik.
Hal ini memberikan para insinyur kontrol yang lebih tepat terhadap aliran listrik melalui chip, sehingga perangkat GAA dapat bekerja lebih baik bahkan saat industri melanjutkan ke node berikutnya. Hal ini juga memungkinkan lebih banyak daya tanpa memakan lebih banyak ruang.
Kemacetan baru
Tapi GAA tidak sempurna. Meskipun hal ini memecahkan tantangan melalui konsumsi daya yang lebih rendah dan penggunaan ruang yang lebih efisien, hal ini mengalihkan hambatan ke bidang lain.
Secara khusus, chip yang lebih tua menghadapi hambatan – segala sesuatu yang memperlambat listrik – dari dalam saluran. Sebagian besar hambatan berasal dari titik kontak dan area di mana arus masuk dan keluar.
Untuk mengatasinya, para insinyur telah menambahkan bahan yang disebut dopan untuk membantu aliran listrik lebih baik. Namun selama proses doping ini, dopan dapat secara tidak sengaja menyebar ke tempat terdekat pada chip yang seharusnya dibatalkan.
Jika hal ini terjadi, hal ini tidak hanya memengaruhi kinerja tetapi juga menimbulkan masalah tambahan pada chip seperti peningkatan kebocoran, perubahan tegangan ambang batas, atau menimbulkan variabilitas.
Tantangan lain datang dari proses manufaktur, khususnya ketika lapisan silikon-germanium (SiGe) dihilangkan untuk membentuk bagian-bagian chip.
Hal ini dapat meninggalkan permukaan yang kasar dan mengganggu kelancaran aliran listrik melalui perangkat. Kemudian, ketika kontak logam ditambahkan di atas, hal ini menciptakan resistensi lebih lanjut pada titik pertemuan logam dan silikon.
Singkatnya, GAA mungkin mengatasi tantangan elektrostatika, namun juga memperkenalkan tantangan baru. Di sinilah materi tingkat lanjut berperan.
Material skala atom, perbaikan besar
Untuk mengatasi tantangan baru ini, pembuat chip beralih ke material canggih dan bekerja pada tingkat atom untuk membantu mewujudkan potensi penuh GAA.
Inilah cara materi baru ini membantu:
- Memblokir difusi dopan yang tidak diinginkan: Memasukkan penghalang canggih antara area yang didoping berat dan tidak didoping dapat mencegah dopan merembes ke area lain dalam chip. Pengendalian ini penting untuk meningkatkan kinerja.
- Menghaluskan permukaan: Permukaan kasar pada tingkat atom dapat menghamburkan elektron dan memperlambatnya. Rekayasa material tingkat lanjut dapat menghaluskan permukaan yang mungkin menjadi tidak rata selama penghilangan lapisan SiGe yang dikorbankan, sehingga mengurangi hamburan ini. Hal ini dapat meningkatkan mobilitas operator dalam kondisi pengoperasian normal, menghasilkan arus yang lebih banyak, peralihan yang lebih cepat, dan kinerja yang lebih baik, semuanya tanpa memerlukan lebih banyak daya.
- Meningkatkan kekuatan tanpa mengurangi ukuran: Material canggih memungkinkan para insinyur untuk mengemas struktur kinerja yang lebih tipis ke dalam ruang yang sama. Perubahan ini dapat meningkatkan arus per tapak sekitar 10% tanpa meningkatkan ukuran chip.
- Mengurangi resistensi kontak: Ketika dimensi perangkat semakin kecil, hambatan kontak listrik pada titik di mana logam terhubung ke silikon menjadi faktor pembatas utama. Dengan memodifikasi material di persimpangan ini, para insinyur dapat menurunkan resistensi secara signifikan dan menghasilkan efisiensi yang lebih besar.
Melihat ke depan
Pertumbuhan pesat AI mendorong perubahan mendasar dalam cara berpikir industri mengenai efisiensi komputasi. Para insinyur kini menghadapi trade-off yang semakin kompleks antara daya, kinerja, area, dan biaya (PPAC).
Di masa lalu, industri ini mengandalkan perbaikan bertahap agar tetap berada pada jalurnya, namun dengan skala dan intensitas AI yang mendorong arsitektur yang ada hingga mencapai batas kemampuannya, kemajuan kecil ini tidak lagi cukup.
Untuk mencapai gelombang kemajuan berikutnya, industri ini memerlukan perubahan yang lebih transformasional, yang mengatur ulang landasan dan memungkinkan perbaikan lebih lanjut agar dapat terus memberikan dampak.
Node berikutnya, juga disebut sebagai era angstrom, akan mempercepat inovasi material canggih melampaui apa yang mungkin dilakukan saat ini untuk menghasilkan kemajuan di seluruh persamaan PPAC. GAA hanyalah permulaan.
Untuk terus memperkecil dan meningkatkan chip untuk sistem AI yang masif, para insinyur mencari cara baru untuk menghasilkan lebih banyak dengan lebih sedikit. Terobosan dalam material canggih ini memberdayakan industri untuk mencapai kinerja lebih baik dengan lebih sedikit ruang dan energi, mendorong komputasi yang lebih cerdas dan berkelanjutan secara menyeluruh.
Selain GAA, industri ini sudah melakukan pekerjaan pada struktur baru yang disebut CFET, atau FET pelengkap, yang mungkin memerlukan beberapa generasi lagi sebelum kita mulai mempertimbangkannya. 3D struktur seperti CFET bertumpuk untuk menjaga kemajuan Hukum Moore.
Satu hal yang pasti adalah bahwa material canggih baru akan diperlukan di setiap langkah untuk melepaskan kinerja yang dirancang untuk dimungkinkan oleh struktur transistor baru ini.
Kami telah menampilkan web hosting ramah lingkungan terbaik.
Artikel ini dibuat sebagai bagian dari saluran Expert Insights TechRadarPro tempat kami menampilkan para pemikir terbaik dan tercemerlang di industri teknologi saat ini. Pandangan yang diungkapkan di sini adalah milik penulis dan belum tentu milik TechRadarPro atau Future plc. Jika Anda tertarik untuk berkontribusi, cari tahu lebih lanjut di sini: https://www.techradar.com/news/submit-your-story-to-techradar-pro
