دقة تصنيع النانومتر تطور مستمر لا حدود له - عرب هاردوير

nanometer-processor-technology-20

تعتبر دقة التصنيع أمر أساسي في تصنيع الرقاقات المختلفة من المعالجات المركزية إلى المعالجات الرسومية للبطاقات الرسومية إلى الهواتف الذكية، والأجهزة اللوحة، والذواكر وغيرها من المنتجات التي تعتمد على رقاقات يتم صناعتها بدقة تصنيع صغيرة. كانت البداية مع دقة التصنيع صعبة وليست بعملية سهلة وكثيرا ما واجهت الشركات المصنعة مشاكل جمة في الوصول إلى الدقة التالية وتقديمها خالية من الشوائب والمشاكل المصنعية، وبدرجة انتاج كمي تسمح بذلك من تقدميها للشركات المصنعة بشكل كافي. عملية التصنيع بأكملها، من البداية إلى وصولها إلى رقاقات مغلفة جاهزة للشحن، تتطلب ستة إلى ثمانية أسابيع ويتم تصنيعها في منشآت مخصصة على نحو عالي وذلك تحت مصانع خاصة تعرف بـ Fabs.

انتشرت صناعة أشباه موصلات للأجهزة من تكساس وكاليفورنيا في 1960 إلى جميع أنحاء العالم، وتضمنت أوروبا، الشرق الأوسط وآسيا. شركات تصنيع أشباه الموصلات الرائدة اليوم تمتلك بشكل نموذجي منشآت تصنيع في جميع أنحاء العالم. على سبيل المثال شركة Intel تمتلك المصنع الأكبر في العالم، وأيضا هي تمتلك منشآت في أوروبا وآسيا والولايات المتحدة أيضا. حاليا هناك عدد من شركات تصنيع أشباه الموصلات في العالم وأشهرها طبعا TSMC و Globalfoundries وايضا هناك شركات تملك مسابك للتصنيع مثل: United Microelectronics Corporation, STMicroelectronics , Analog Devices, Integrated Device Technology, Atmel , Freescale Semiconductor, Samsung , Texas Instruments, IBM, Toshiba, NEC Electronics, Infineon, Renesas, Fujitsu, NXP Semiconductors, Micron Technology, Hynix ,و SMIC.

النانو متر أو ما يعرف بـ nm هو اختصار لكلمة nano meter ومعناها بسيط وهو واحد على مليار من المتر. عند مشاهدة معالج مركزي واحد مثل معالج Pentium 4 478 الذي يحتوي على 55 مليون من الترانزيستور تحت دقة تصنيع 130nm، بينما معالج i7-5820K يأتي مع 2.6 مليار من الترانزيستور بدقة تصنيع 22nm, إذا فهذا يعني لنا أنه كلما كانت دقة التصنيع أصغر لكما كان عدد الترانزيستور أكبر وكانت الرقاقة تقدم أداء أكبر بكثير وبنفس درجة استهلاك الطاقة تقريبا والذي يعتمد أيضا على المعمارية المستخدمة.

nanometer-processor-technology-18

الفائدة من دقة التصنيع كما ذكرنا هو أنها كلما كانت بدقة أقل كلما كان ذلك يعني أن المساحة أصبحت متوفرة من أجل ضخ المزيد من الترانزيستور لزيادة الأداء وخفض استهلاك الطاقة وحرارتها. ويعود ذلك، لأنه كلما أصبح الترانزيستور أصغر ومكدس أكثر بداخل الرقاقة ذات دقة تصنيع أصغر، فإن ذلك لن يتطلب من الالكترونات أن تنتقل لمسافة أبعد أثناء الانتقال بين بعضها البعض, مما يوفر أداء أفضل وطاقة أقل. بمعنى آخر، هاتف مع معالج بدقة تصنيع 28nm ينبغي أن يكون متفوقا بشكل أساسي مع معالج بدقة تصنيع 45nm، وأيضا معالج مركزي الذي يعمل على سيليكون مصنوع بدقة تصنيع 22nm ينبغي أن يمتلك أداء أكثر مقابل الواط من منافسها بدقة تصنيع 32nm.

دقة التصنيع تعتمد على ما يعرف بقانون مور فقانون مور الأول يقول: “أن المساحة اللازمة لوضع الترانزيستور في شريحة يتضاءل بحوالي النصف كل 18 شهرا“. بينما قانون مور الثاني يقول: “أن كلفة بناء خطوط تصنيع الشرائح تتزايد بمقدار الضعف كل 36 شهرا“…وهو فعلا ما يحدث مؤخرا حيث أصبحت تكلفة الانتقال من دقة تصنيع إلى أخرى ترتفع بشكل كبير نظرا لحاجتهم الى تجديد كامل المعدات الخاصه بعملية التصنيع والتي تكلف الملايين من الدولارات وأيضا صعوبة الوصول الى دقة أصغر أصبح أمر أصعب نظرا لكثرة المشاكل والاخطاء التي تحدث في المسابك عند انتاجها للدقة الجديدة.

رغم أنني لاحظت وبكثرة أن بعض الشركات تمجد لدقة تصنيع معينة مثل دقة 40nm التي أطلقت للبطاقات الرسومية ووقتها تم جعل هذه الدقة وكأنها الحل النهائي لاستهلاك الطاقة وحرارتها، بينما في حالات أخرى تتجاهل الشركات الدقة الجديدة المستخدمة لأسباب مختلفة. حيث أن لاحظنا أن انفيديا لا تهتم كثيرا بدقة التصنيع إنما تهتم بالحديث عن عدد الترانزيستور ونفس الأمر بالنسبة لـ AMD حيث وبما أنها متأخر في دقة التصنيع مقابل مع تقدمه Intel فلذلك تجدها لا تتحدث عن دقة التصنيع، ولكنها بالمقابل نجدها تقلل من أهمية عدد الترانزيستور وذلك بقولها أن قوة المعالج ليس أمر مرتبط بعدد الترانزيستور. قد يختلف الكثيرين مع هذا الكلام ولكن هذا ليس موضوعنا.

nanometer-processor-technology-04

بما أن الأجهزة أصبحت أكثر اندماجا، فإن غرف التنظيف الخاصة بمرحلة انتاج الرقاقات أصبحت أكثر نظافة. حيث اليوم، المسابك مضغوطة بهواء مفلتر لإزالة حتى أصغر الجزيئات حجما، التي قد تأتي على الشرائح وتساهم في حدوث أعطال. ومن أجل ذلك يتطلب من العمال في منشأة تصنيع أشباه الموصلات أن يرتدوا بذلات نظيفة لحماية الأجهزة من التلوث البشري. كما أن تصنيع الشريحة النموذجية من سيليكون فائق النقاوة يتم تطويره في كتل اسطوانية كريستالية تصل إلى 300mm في الديامتر باستخدام عملية Czochralski. بعد ذلك يتم قصها إلى شرائح بسماكة 0.75mm ويتم صقلها لتحتوي على سطح مستوى ومتساوي….وأيضا لن أخوض في كل تلك التفاصيل التي تحتاج مني أن أغوص أنا أيضا في هذه الأمور الطويلة في صناعة دقة التصنيع، ولكن سوف نخوض معا في تاريخ تقديم دقة التصنيع، لنبدأ معا:

C

عام 1971

دقة تصنيع 10um

دقة تصنيع 10um هي دقة تصنيع عملية أشباه الموصلات التي تم الوصول إليها بين عام 1971-1972 من قبل الشركات الرائدة في تصنيع أشباه الموصلات مثل شركة Intel وذلك بتقديمها للمعالج المركزي 4004 والمعالج المركزي 8008.

عام 1977

دقة تصنيع 3um

بعد ذلك أتى تحديث مصغر وهي دقة تصنيع 3um التي طرحت في عام 1977 من قبل شركة Intel، وكانت هناك تشكيلة من المعالجات المركزية التي صنعت بتلك الدقة. هذه المعالجات هي: معالج Zilog Z80 الذي أطلق في عام 1975, ومعالج 8085 في عام 1977, و معالج 8086 في عام 1978, وأخيرا معالج 8088 في عام 1979.

عام 1982

دقة تصنيع 1.5um

في تلك الفترة كانت كلا من Intel و IBM قد طورت من قدرة دقة التصنيع لتجعلها بدقة 1.5um. وقد وصلت تلك الدقة إلى أولى المنتجات في عام 1982 وذلك مع معالج Intel وهو 80286 الذي صنع بهذه الدقة، طبعا كان هناك معالجات أخرى وصلت أيضا بتلك الدقة.

عام 1985

دقة تصنيع 1um

بعد ذلك تم التوجه الى ما هو أصغر من تلك الدقة بعد فقط 3 سنوات وهي دقة 1um التي تم الوصول إليها في عام 1985 من قبل الشركات الرائدة في تصنيع أشباه الموصلات من Intel و IBM وذلك مع المعالج المركزي 80386.

nanometer-processor-technology-12

عام 1989

دقة تصنيع 800nm

في عام 1989 و عام 1990 كان الأنتقال الى دقة تصنيع 800nm التي كانت قفزة كبيرة في عالم تصنيع الرقاقات، حيث استفادة Intel و IBM وباقي الشركات من هذه الدقة بتقديم عدد لا بأس به من المعالجات المركزية بهذه الدقة. مع تلك الدقة تم تقديم معالج 80486 في عام 1989، كما تم اطلاق ما يعرف بـ microSPARC I في عام 1992، وأيضا ولأول مرة  تم تقديم أول معالج مركزي P5 Pentium يعمل بتردد 60MHz في عام 1993.

عام 1994

دقة تصنيع 600nm

وفي عام 1994 تم تقليل دقة تصنيع من 800nm الى 600nm التي وصلت لها شركات تصنيع أشباه الموصلات من Intel و IBM في عام 1994. ما سمعته أن تلك الدقة ساعدت على تحسين القدرة على اضافة المزيد من القدرة مع تلك الرقاقات التي صنعت بدقة تصنيع 600nm. تم أطلاق عدد كبير من المنتجات التي صنعت مع هذه الدقة مثل معالج Intel 80486DX4 وايضا تم تقديم أول رقاقة IBM/Motorola PowerPC 601, بالأضافة الى تقديم عدة معالجات Pentium أفضلها يعمل تردد 100MHz.

عام 1995

دقة تصنيع 350nm

أما في عام 1995 تم الانتقال إلى دقة تصنيع 350nm, حيث في تلك الفترة كانت العديد من الشركات المصنه لأشباه الموصلات قد انتقلت لها، حيث يقال أنها كانت دقة جيدة جدا في تقديم رقاقات بقدرة أفضل. من تلك المعالجات المركزي التي أطلقت بتلك الدقة هي : معالج Intel Pentium Pro و معالج Pentium P54CS وايضا معالج Pentium II. وعلى الطرف الأخر تم تقديم معالج AMD K5 و AMD K6, بالإضافة إلى تقديم رقاقة NEC VR4300 التي تم أستخدامها مع جهاز الكونسول Nintendo 64.

عام 1997

دقة تصنيع 250nm

دقة تصنيع 250nm التي وصلت في عام 1997 ربما لم تقدم نقلة نوعية للشركات المصنعة لأشباه الموصلات، حيث قرأت في تقارير قديمة جدا، أنها لم تكن ذو كفاءة عالية مع الرقاقات التي أطلقت من العديد من الشركات. رغم أني لاحظت أن هناك عدد لا بأس به من المعالجات المركزية التي أطلقت والتي تستخدم تلك الدقة مثل معالج AMD K6-2 Chomper, AMD K6-III “Sharptooth,Pentium MMX Tillamook,Pentium II Deschutes,Pentium III Katmai.

nanometer-processor-technology-06

عام 1999

دقة تصنيع 180nm

 في عام 1999 وصلت دقة تصنيع 180nm من قبل مصنعي أشباه الموصلات مثل Intel, Texas Instruments, IBM, TSMC. قيل في تلك الفترة أن هذه الدقة كانت ممتازة في قدرتها على تقديم ما يطمح له مصنعي المعالجات المركزية. بعض من المعالجات المركزية الأولى تم تصنيعها مع هذه الدقة والتي تتضمن مجموعة معالجات Intel Coppermine Pentium III, وذلك لأنها كانت دقة التصنيع الأولى التي تستخدم gate length أقصر في تصنيع تلك الدق،, فبفضلها تم تقديم أكثر وحدات التحكم الدقيقة والمعالجات الدقيقة حداثة الى الأسواق بفضل هذه التقنية لأنها كانت أقل كلفة ولاتتطلب ترقية للمعدات الحالية في مصانع أشباه الموصلات. تشكيلة من المعالجات تم تقديمها بهذه الدقة مثل: Intel Coppermine E,AMD Athlon Thunderbird,Intel Celeron,Motorola PowerPC 7445.

عام 2000

دقة تصنيع 130nm

في عام 2000 قدمت شركات تصنيع أشباه الموصلات مثل Intel, Texas Instruments, IBM, TSMC دقة التصنيع الجديدة 130nm. والتي لم تأتي بتقنية جديدة أو شيء جوهري, سوى انها أتاحت مساحة أكبر داخل تصميم الرقاقات لضخ المزيد من الترانزيستور بداخلها. تم تقديم عدد من المنتجات المختلفة مع هذه الدقة مثل معالج Motorola PowerPC 7447,IBM PowerPC G5 970,Intel Pentium III Tualatin,Intel Pentium 4,Intel Xeon Prestonia,AMD Athlon MP,AMD K7 Sempron,AMD Athlon 64.

عام 2004

دقة تصنيع 90nm

عام 2004 كان الوقت الحقيقي بالنسبة لشركات أشباه الموصلات بالانتقال الى دقة تصنيع 90nm مثل: Intel, AMD, Infineon, Texas Instruments, IBM, TSMC. لكن ورغم الحماسة التي كانت تبديها الشركات المصنعة إلا أن أملها قد خاب بعد التكاليف الضخمة التي لحقت بالانتقال الى هذه الدقة مما رفع بشكل عام من أسعار الرقاقات. كما أنه ومع هذه الدقة أصبح ممكن تقديم شريحة بحجم 300mm, بينما مع الدقات السابقة كان فقط يمكن تقديم شريحة بحجم 200mm.

المنتجات التي أستخدمت هذه الدقة كانت مختلفة ومشكلة, مثل رقاقات ذواكر DDR2 SDRAM, بالأضافة الى معالجات IBM PowerPC G5 970FX,IBM PowerPC G5 970GX,Intel Pentium 4 Prescott,IBM “Waternoose” Xbox 360,AMD Athlon 64 Winchester…وغيرها من المعالجات.

عام 2006

دقة تصنيع 65nm

بحلول عام 2007، كانت شركات أشباه الموصلات Intel, AMD, IBM, UMC, Chartered, TSMC تنتج رقاقات بدقة تصنيع 65nm. في تلك الفترة كان هناك نقاش عميق بين الشركات المصنعة في ضرورة الانتقال إلى تقنية حديثة في تصنيع هذه الدقات نظرا لوصولهم إلى حاجز معيق عند الانتقال الى دقات أصغر, مما يؤثر على الرقاقات المصنعة بتلك الدقات, فدقة 65nm دقة جيدة جدا ولكن باستخدام تقنية تقنية تصنيع قديمة يلاحظ أنه لا يستفاد فعلا من تلك الدقة كما ينبغي. حيث بالنهاية خلصت الشركات الكبرى مثل Intel والباقي على أنه مع أستخدام  تقنية جديدة فإن ذلك يساعد في تقليل مساحة الرقاقة وتكلفتها، وأيضا بتقصير المسافة بين الترانزيستور، مما يؤدي إلى رقاقات ذات أداء أعلى.

طبعا هناك منتجات كثييرة أطلقت مع هذه الدقة مثل: Intel Pentium 4,Intel Celeron D,Intel Xeon ,AMD Turion 64 X2,IBM Cell PlayStation 3,Intel Core 2,Microsoft Xbox 360 “Opus”,Microsoft Xbox 360 “Jasper”,NVIDIA GeForce 8800GT…وغيرها.

عام 2007

دقة تصنيع 45nm

بدأت كلا من شركة ماتسوشيتا و Intel بتقديم هذه الدقة الجديدة وهي 45nm, وذلك بإطلاق رسمي لمرحلة الإنتاج الكمي لرقاقات بهذه الدقة في أواخر عام  2007، وبدأت AMD إنتاج رقاقات 45nm في أواخر 2008 مع باقي الشركات المصنعة. وفي نهاية 2008، كانت SMIC أول شركة مصنعة لأشباه الموصلات ومقرها الصين تنتقل إلى 45nm، والتي رخصت عملية دقة تصنيع 45nm من IBM.

طبعا كانت هذه الدقة مميزة لكثير من الشركات التي كانت تروج بشكل كبير لها على أنها دقة تصنيع مهمة في عالم المعالجات. تم تقديم عدد من المعالجات بهذه الدقة مثل: معالجات Core 2,Intel Core i7,Pentium Dual-Core,AMD Deneb (Phenom II),Samsung S5PC110…وغيرها.

nanometer-processor-technology-01

عام 2010

دقة تصنيع 32nm

أتت دقة تصنيع 32nm لكي تكون خلف لدقة تصنيع 45nm. وبدأت كلا من Intel و AMD بإنتاج رقاقات دقيقة باستخدام دقة تصنيع 32nm في أوائل عام 2010. وطورت بعد ذلك كلا من  IBM و Common Platform تقنية high-k metal gate لدقة تصنيع 32nm. وفي تلك الفترة بدأت Intel ببيع معالجاتها 32nm باستخدام معمارية Westmere في نفس العام.

بينما .في عام 2011 أكملت سامسونج تطوير مايزعم أنه كان طراز DDR4 DRAM الأول في مجال الصناعة باستخدام دقة تصنيع تقع بين 30nm و 39nm. وأيضا معالجات Intel Core i3 و i5 التي أطلقت في عام 2010 بدقة تصنيع 32nm. وأيضا معالجات الجيل القادم المسماة Sandy Bridge، التي استخدمت أيضا دقة تصنيع 32nm.

كما أطلقت AMD معالجات بدقة تصنيع 32nm SOI في أوائل 2010 أيضا. بينما معالجات AMD FX Series، المسماة Zambezi والمستند على معمارية AMD Bulldozer، تم إطلاقها في 2011.

عام 2012

دقة تصنيع 22nm

في عام 2012 تم التوجه الى الدقة الأصغر وهي 22nm باستخدام تقنية تسمى 3D Tri-Gate لكي تكون الخلف لدقة تصنيع 32nm وIntel ذكرت أنها دقة مهمة جدا في تصنيع معالجاتها المركزية. وكانت معالجات Intel Core i7 و Intel Core i5 هي المعالجات الأولى التي تم إنتاجها وتقدميها في الأسواق بتلك الدقة. وفي عام 2013، بدأت Intel بشحن معالجات Intel Core i7 و Intel Core i5 المستندة على المعمارية الدقيقة Haswell بأستخدام نفس الدقة.

عام 2014

دقة تصنيع 14nm

أتت دقة تصنيع 14nm كخلف لدقة تصنيع 22nm, ولقد تمكنت شركات تصنيع أشباه الموصلات من الوصول إلى هذه الدقة بكفاءة عالية رغم التكلفة الضخمة التي تحتاجها هذه الدقة الصغيرة. Intel كما جرت العادة كانت الأولى في تقديم أول منتج بهذه الدقة، حيث شملت خطوط منتجات Xeon, Core,و Atom. كما قدمت الأنظمة الأولى المستندة على معالج Core M والتي سيتم توفرها في الربع الرابع لعام 2014 وهي تأتي لنا بدقة تصنيع 14nm والتي تستخدم تقنية الجيل الثاني Tri-gate transistors لتقديم الأداء الأعلى، الطاقة، الكثافة والتكلفة المثالية لما يطمح له مصعني الرقاقات كافة. وأيضا كان هناك أول معالجات Broadwell بدقة تصنيع 14nm وهي Core M 5Y10, Core M 5Y10a و Core M 5Y70.

nanometer-processor-technology-07

عام 2016

دقة تصنيع 10nm

هي دقة لم تطلق بعد ولكن أعلن أن دقة 10nm سوف تكون الخلف القادم لدقة 14nm في عام 2016, ولكن للأسف ليس هناك الكثير من المعلومات عن هذه الدقة. لكن هناك معلومات أن سامسونج كشفت عن بطاقة الذاكرة (64GB embedded multimedia card (eMMC المستندة على دقة تصنيع 10nm. ومن ناحية أخرى أعلنت سامسونج أنها في مرحلة الإنتاج الكمي لذاكرة الأداء العالي 128gigabit 3bit Multi-level-cell NAND Flash بنفس دقة التصنيع هذه. لكن حتى نرى تلك الدقة تستخدم مع المعالجات المركزي أو البطاقات الرسومية فهي تحتاج إلى فترة زمنية.

عام 2018-2020

دقة تصنيع 7nm و 5nm

حتى الأن ليس هناك معلومات أن كانت الشركات المصنعة لأشباه الموصلات قد أعتمدت على تلك الدقات 7nm و 5nm القادمة بين عام 2018 و 2020، لكن على الأغلب سوف يكون هناك توجه إلى هكذا دقات لما سوف تحمله من قدرة هائلة وكبيرة في استيعاب أحجام الترانزيستور ضخمة جدا، لكن الأكيد أن تكلفة التصنيع لتلك الدقات لا تطاق وسوف تجعل ربما شركات معينة تغظ النظر عنها إلى حين انخفاض سعرها أو البحث عن حلول أخرى. أعتقد أن شركة Intel ستكون الشركة الأسرع في الوصول إلى هذه الدقة مع معالجاتها المركزية. بذلك تنتهي رحلتنا الطويلة في عام تصنيع النانومتر والتي كما تلاحظون أنها تتطور بشكل مستمر ويبدو أن هذا التطور لن يتوقف، لكن ما يتوقع هو أننا كلما تقدمنا في أستخدام دقة تصنيع أصغر سوف ترتفع التكلفة بشكل جنوني مما يعني أن بعض شركات تصنيع أشباه الموصلات سوف تتوقف في مرحلة ما وبعضها الأخر سوف يكمل حتما.