O echipă de ingineri din China a elaborat o metodă de a produce semiconductori ultra performanţi fără utilajele sofisticate europene de la ASML

În ultimul an, concurenţa globală pentru a crea semiconductori şi cipuri tot mai performante e mai acerbă ca oricând. Companiile occidentale sunt motivate mai ales de necesităţile tot mai mari ale inteligenţei artificiale şi centrelor de date pentru acestea. Chinezii au aceeaşi motivaţie, dar în cazul lor e şi dorinţa primară de a nu rata acest progres tehnologic imens, or, chinezii nu au acces nici la cele mai avansate cipuri din lume, nici la cele mai avansate utilaje din lume pentru fabricarea acestora, produse de o singură companie din lume, ASML. Tot ceea ce produce şi livrează ASML e supus aprobărilor prealabile şi China nu a primit niciodată cele mai avansate utilaje de producţie a semiconductorilor, nici măcar în perioadele cel mai calde geopolitic. Tocmai de asta, China e într-o presiune enormă acum de a găsi căi ocolitoare, fie de a inventa propriile maşinării de tipul celor de la ASML, fie de a avea cipuri cu arhitecturi diferite, care să realizeze lucrurile similare. Ei bine, China munceşte în paralel la toate aceste căi posibile, acum câteva luni ieşind la iveală faptul că în China ar fi fost aduşi foşti angajaţi ASML şi piese vechi de la utilajele lor sofisticare, iar chinezii ar încerca să replice totul. Dar şeful ASML a exclus o asemenea posibilitate, declarând că toate componentele sunt strict monitorizate, chiar şi ceea ce se înlocuieşte la mentenanţă, iar angajaţii actuali şi foştii angajaţi sunt monitorizaţi de serviciile secrete olandeze, acolo unde-şi are sediul ASML, şi foarte puţini au avut vreodată acces la miezul tehnologic al utilajelor ASML cele mai avansate, cu litografiere EUV. Totuşi, noi scriam că în mod clar China îşi readuce acasă inginerii cei mai talentaţi, care au fost şcoliţi în occident şi au lucrat chiar la companii cheie producătoare de semiconductori, iar ceea ce face acum China e un program amplu naţional, în stilul „proiectului Manhattan”, în care multiple echipe muncesc de zor şi la utilajele sofisticate necesare, şi la arhitecturi ocolitoare. Ei bine, acum o echipă de ingineri din China, de la startup-ul Yuanjiwei, a elaborat o metodă de a produce semiconductori ultra performanţi fără utilajele sofisticate europene de la ASML.

Nu e prima arhitectură ocolitoare elaborată de China în ultimul an, şi tocmai frecvenţa lor tot mai mare, dar şi abordarea tot mai inovativă face ca acum China să-şi maturizeze tot mai multe soluţii alternative pe care le-ar avea. În luna noiembrie a anului trecut spre exemplu, scriam despre un nou cip analog, inginerii chinezi reuşind să ocolească şi să rezolve probleme vechi de 100 de ani care reţineau dezvoltarea cipurilor analogice, iar cipul rezultat consuma de 100 ori mai puţină energie decât unul digital comparabil. Da, cipul nu era deocamdată unul comparabil de puternic şi performant cu elaborările de top, dar în anumite aplicaţii acesta se poate dovedi extraordinar de util. Şi apoi, elaborarea mai poate progresa.

Probabil cea mai cunoscută elaborare recentă a chinezilor provine de la Huawei, care a venit cu o abordare genială în crea o arhitectură suprapusă a cipurilor, asemeni unui cip mai lung, dreptunghiular, care ar fi îndoit în două şi suprapus, iar cele două straturi de tranzistori din interiorul cipului, ar putea comunica direct între ele, scurtând căile de comunicare şi sporind astfel viteza de procesare, reducând totodată şi consumul datorită rezistenţei mai mici. E practic o formă de cip tridimensional, în două etaje, care rezolvă ingenios multe din limitările arhitecturilor bidimensionale şi câştigă performanţă nu prin a conglomera tranzistori tot mai mici şi mai mulţi la număr, ci prin a-i face să comunice mai direct.

Foto: He Tingbo, anunţând noua inovaţie a inginerilor Huawei

Pentru că asta era în esenţă calea de progres a cipurilor de până acum — tranzistori cât mai mici şi cât mai mulţi la număr, integraţi într-o suprafaţă limitată. Tranzistorii din cipurile cele mai performante au ajuns acum până la doar 2-5 nm mărime, iar arhitecturile de 1,5-2,0 nm sunt în pregătire cu noua generaţie de utilaje ASML.

Foto: Evoluţia dimensiunii tranzistorilor în cipuri în ultimii 10-15 ani

Ca să se graveze tranzistori atât de mici, însă, e nevoie de litografiere cu raze ultraviolete extreme, adică EUV, de care sunt capabile doar utilajele produse de compania olandeză ASML.

E la fel de adevărat că ceea ce a elaborat Huawei, a fost elaborat aproape în paralel şi de IBM, doar că la un nivel mult mai avansat şi cu adevărat tridimensional în arhitectură. Noul cip al IBM a fost dezvăluit de curând şi, întrucât compania are acces la utilaje ASML, ea a folosit toate avantajele tehnologice şi a reuşit să ajungă la dimensiunea tranzistorilor de doar 0,7 nm, intrând pentru prima dată în scara angstromilor, or, cifra de 0,7 nm e egală cu mărimea a doar 2-3 atomi. Şi pe lângă tranzistorii atât de mici, noul cip IBM are şi multiple straturi în arhitectura sa, cu căi de comunicare directă mult mai sofisticată, care îi dau un potenţial şi mai mare şi-l fac efectiv unul definitoriu în performanţele de top pentru următorii vreo 5-10 ani.

Foto: Noul cip creat de IBM

Aceşti tranzistori sunt atât de mici, însă, încât generează curenţi de scurgere ca efect advers. Tranzistorul e construcţia semiconductoare de bază, care are un canal prin care curentul poate trece sau nu, dar şi o poartă care primeşte curent şi dirijează dacă acel canal e deschis şi lasă curentul să treacă sau e închis şi nu-l lasă. Când poarta primeşte curent în portul ei, ea conectează canalul şi curentul trece prin el. Când nu primeşte, canalul e deconectat şi astfel circuitul se deconectează, iar curentul nu mai trece. Poarta are, deci, rolul de întrerupător al circuitului. Iar acest principiu de funcţionare reprezintă efectiv acea comunicare digitală de 1 şi 0, care determină bazele întregului domeniu electronic şi lumii computerelor.

Doar că, atunci când tranzistorii devin atât de mici, încât se compară cu atomii, aceştia încep a lăsa periodic curentul să treacă prin ei, ca în cazul poziţiei de conectat, sau 1, când, de fapt, semnalul primit la poartă îi dictează deconectarea poziţiei şi generarea unui semnal de 0. Aici intervin deja limitările fizice ale materialelor din care sunt construiţi semiconductori, cel mai populari fiind siliciul, or, marea majoritatea a plachetelor de semiconductori sunt realizate din siliciu, el având proprietăţile cele mai clare şi predictibile până acum.

Arhitecţii de cipuri au încercat să aplatizeze cât mai mult tranzistorii de siliciu, pentru a le micşora volumul pe unde pot circula electronii şi a-i controla mai bine, reducând astfel efectul curenţilor de scurgere. Există şi construcţii atipice, inclusiv ale unor cipuri deja înrădăcinate şi cunoscute în lume, care vin să rezolve acest efect prin poziţionarea spaţială diferită a porţii şi a canalului, dar siliciul are limite fizice până unde se poate face aplatizarea, întrucât dacă stratul de atomi de siliciu e prea subţire, apar sacadări de comunicare şi cipul îşi pierde drastic performanţa. Deci, mai puţin de 3-4 atomi în înălţime e improbabil şi imposibil fără efective adverse, tocmai de asta, când scriam despre cipul IBM spuneam că s-a ajuns efectiv aproape la limita limitelor fizice teoretice a ceea ce ar fi posibil.

Ei bine, echipa de ingineri chinezi despre care vorbi azi a mers pe o cale pe care au mai exploatat-o şi alţii, dar fără rezultatele atât de bune — înlocuirea siliciului cu alt material, pentru a produce un tranzistor, adică un semiconductor 2D. iar aici trebuie să intervenim cu o clarificare importantă, întrucât am vorbim mai sus de cipuri 2D şi 3D, unde 3D părea faza mai avansată decât 2D, iar acum menţionăm despre semiconductorii 2D ca un pas mai avansat.

Semiconductorii sunt tranzistorii, cei care pot conduce sau nu curentul prin ei, iar un cip e format din miliarde de tranzistori şi conectoarele între ele, care formează împreună arhitectura cipului. Păi iată, arhitectura de până acum era în mare parte 2D, adică bidimensională, cu tranzistorii poziţionaţi în cea mai mare parte într-un singur strat. Sub ei există substratul de bază a cipului, iar deasupra lor mai răsar conductorii între tranzistori. Ceea ce a făcut Huawei a fost să dubleze straturile de tranzistori şi să facă o comunicare directă între ele, iar IBM a mărit şi mai mult numărul straturilor şi conexiunilor între ele, astfel fiind formată arhitectură tridimensională, 3D, a cipului. În acelaşi timp, tranzistoarele propriu-zise, chiar dacă sunt amplasate în unul sau mai multe straturi, chiar dacă sunt foarte mici, au un anumit volum, de cel puţin câţiva atomi pe înălţime, ceea ce le face pe ele să fie oricum 3D. Deci, cipul poate fi 2D, dar tranzistorii, la scara lor foarte mică, sunt oricum 3D pentru că nu sunt plaţi până la nivelul unui singur atom, ci au măcar câţiva atomi înălţime. Ceea ce au făcut acum chinezii, însă, e trecerea tranzistorilor în regim 2D, cu material care le permită să asigure doar un singur atom în înălţime.

Asta le permite controlul mult mai bun al tranzistorului, şi evitarea curenţilor de scurgere, întrucât electronii au doar o suprafaţă plată prin care să circule şi un control strict. Echipa de ingineri chinezi, condusă de CEO-ul Bao Wenzhong, nu spun cu exactitate ce materiale folosesc, dar, aşa cum spuneam, au mai existat şi alte elaborări repetate cu semiconductoare 2D, în laboratoare, la scară mică, şi acele elaborări foloseau materiale precum molibdenul, wolframul, de obicei în combinaţie cu telurul sau sulful.

Foto: Echipa de ingineri chinezi care a elaborat noul cip

Marea întrebare acum e absolut logică şi inevitabilă — dacă au existat şi alte elaborări 2D, care au fost demonstrate în laborator, ce aduce nou echipa chinezească? Sunt două lucruri importante aduse de ei. În primul rând, aceştia au creat deja şi o linie de producţie pilot, pentru a scala producţia de serie, deci au trecut de etapa de la laborator la pregătirea şi calibrarea producţiei, ceea ce n-a făcut nicio altă echipă până acum, întrucât replicarea era considerată dificilă şi nepractică, din cauza faptului că performanţele obişnuite se puteau obţine cu cipuri mai avansate obişnuite, produse la scară mare. Dar, întrucât soluţiile obişnuite nu le sunt disponibile chinezilor, ei au mers pe perfecţionarea acestei soluţii până la calibrarea linie de producţie de serie.

Acum, ţinta e să se facă cipuri cu tranzistori mai mari, dar asta e doar o etapă intermediară, pentru a ajunge la echivalentul cipurilor de 5 nm, pe care chinezii nu-i pot produce acum din lipsă de litografiere EUV. Noua soluţie a echipei de ingineri le va permite să ajungă la această performanţă fără utilajele de litografiere EUV de la ASML, iar astfel chinezii vor ajunge la un nivel de 70-85% din performanţele cipurilor de top din lume fără a mai aştepta utilajele ASML. Iar acest fapt reprezintă cel mai mare impact posibil, pe care şi l-a dori China, şi tocmai de asta e atât de importantă elaborarea despre care vorbim azi.

Devine tot mai clar că e o doar o chestie de timp până când inginerii din China vor reuşi să spargă gheaţa cu una sau mai multe din aceste elaborări şi să ajungă la performanţe apropiate de cipurile occidentale pe căi alternative. Şi timpul de care vorbim nu e unul care se măsoare în decenii, aşa cum spunea şeful ASML, ci de maxim câţiva ani.