- تصور کنید چند سال پیش است...گوشی‌تان را در دست گرفته‌اید و پردازنده با تمام قدرت در حال پردازش با…

- تصور کنید چند سال پیش است...گوشی‌تان را در دست گرفته‌اید و پردازنده با تمام قدرت در حال پردازش بازی‌ها و برنامه‌های سنگین است، بدون اینکه گوشیتان ذوب بشه یا باتری در چند دقیقه خالی بشه.⁉️ سؤال اینجاست:💻 برای قوی‌تر کردن پردازنده‌ها و جا دادن میلیاردها ترانزیستور بیشتر، فقط کافی است ترانزیستورهای تخت قدیمی را کوچکتر کنیم؟- جواب: نه!در ابعاد چند نانومتری، مسئله فقط «کوچک کردن ابعاد» نیست.اگر ترانزیستورهای سنتی را بیش از حد کوچک کنیم، الکترون‌ها از کنترل خارج می‌شوند و جریان شدیداً نشت می‌کند.اینجاست که پای ترانزیستورهای سه‌بعدی یا FinFET به میان می‌آید.━━━━━━━━━━━━━━1) چرا ترانزیستورهای تخت کم آوردند؟قانون مور می‌گفت تعداد ترانزیستورها باید مدام زیاد و ابعادشان کوچک شود.در ترانزیستورهای تخت کلاسیک (Planar MOSFET)، جریان الکترون‌ها از یک کانال دو بعدی و زیر یک «گیت» (Gate) تخت عبور می‌کند.اما وقتی طول کانال (L) خیلی کوچک شد، پدیده‌ای به نام «اثرات کانال کوتاه» (Short-Channel Effects) رخ داد.در این حالت، گیت دیگر توانایی خاموش کردن کامل ترانزیستور را نداشت و الکترون‌ها حتی در حالت خاموش هم عبور می‌کردند.نتیجه چی بود؟تلفات شدید انرژی و داغ شدن بی‌حد پردازنده‌ها!━━━━━━━━━━━━━━2) ایده‌ی باله (Fin) چیست؟وقتی در دو بعد (2D) به بن‌بست رسیدیم، مهندسان به بعد سوم (3D) رفتند!به جای اینکه کانال ترانزیستور یک سطح صاف روی تراشه باشد، آن را به صورت یک «باله‌ی برجسته» (Fin) از جنس سیلیكون می‌سازند.حالا گیت دیگر فقط بالای کانال نیست، بلکه از ۳ طرف کانال را در بر می‌گیرد!اگر عرض مؤثر کانال را در این حالت محاسبه کنیم:W_eff = 2H_fin + W_finکه در آن H_fin ارتفاع باله و W_fin پهنای آن است.📱 این یعنی بدون اشغال فضای بیشتر روی سطح دو بعدی تراشه، سطح کنترل گیت روی کانال را به شدت افزایش داده‌ایم.━━━━━━━━━━━━━━3) کنترل الکترواستاتیک بهتر، یعنی چی؟در ترانزیستورهای آینده، گیت باید مثل یک شیر آب کاملاً دقیق عمل کند.یکی از پارامترهای کلیدی، شیب زیرآستانه (Subthreshold Swing یا SS) است که نشان می‌دهد ترانزیستور با چه سرعتی از حالت خاموش به روشن تغییر وضعیت می‌دهد:SS = dV_gs / d(log10 I_d)در حالت ایده‌آل در دمای اتاق، حد فیزیکی SS برابر 60mV/dec است.در ترانزیستورهای تخت قدیمی با کوچک شدن ابعاد، SS خیلی زیاد می‌شد و ترانزیستور بد خاموش می‌شد. اما FinFET به دلیل تسلط ۳ طرفه گیت، SS را به حد ایده‌آل نزدیک نگه می‌دارد.پس ترانزیستور دیگر یک کلید مکانیکی ساده نیست؛ یک شیر الکترواستاتیکی دقیق سه‌بعدی است.━━━━━━━━━━━━━━4) مزیت اصلی FinFET چیست؟با کنترل سه‌بعدی کانال، چند اتفاق فوق‌العاده رخ می‌دهد:- جریان خاموشی یا نشتی (I_OFF) به شدت کاهش پیدا می‌کند.- جریان حالت روشن (I_ON) افزایش می‌یابد که یعنی سرعت سوئیچینگ بالاتر.- می‌توان با ولتاژهای پایین‌تر (V_DD) کار کرد که مصرف انرژی را به شدت کم می‌کند.همین ساختار بود که به صنعت تراشه‌سازی اجازه داد از گره‌های ۲۲ نانومتر بگذرد و تا تراشه‌های ۳ و ۵ نانومتری امروزی پیش برود!━━━━━━━━━━━━━━5) اما FinFET هم به انتهای راه نزدیک می‌شود...اینجا جذاب‌ترین بخش تکامل ترانزیستورهاست.در ابعاد زیر ۳ نانومتر، حتی پوشش ۳ طرفه باله هم برای کنترل الکترون‌ها کافی نیست!چون باله‌ها آن‌قدر باریک می‌شوند که کانال دوباره دچار نشت جریان می‌شود.پس نسل بعدی معماران تراشه وارد کار می‌شوند:GAAFET (Gate-All-Around) / Nanosheetدر این معماری، کانال‌ها به شکل نانوسیم‌ها یا نانوورق‌های معلق در می‌آیند و گیت از هر ۴ طرف (۳۶۰ درجه) کانال را احاطه می‌کند.یعنی حرکت از «کنترل ۳ طرفه» به «کنترل مطلق ۴ طرفه».━━━━━━━━━━━━━━6) چالش‌های بزرگ FinFET و نسل‌های بعدی...ساخت ساختارهای سه‌بعدی در مقیاس چند نانومتر اصلاً ساده نیست.چالش‌های اصلی عبارتند از:- خازن‌های پارازیتی (Parasitic Capacitance) بین گیت و سورس/درین افزایش می‌یابند.- پدیده خودگرمایی (Self-Heating Effect) رخ می‌دهد؛ چون دفع گرمای ایجاد شده در یک باله باریک سه‌بعدی بسیار سخت‌تر است.- تلرانس ساخت باله‌ها بسیار حساس است و یک نانومتر خطا عملکرد چیپ را خراب می‌کند.پس سؤال اصلی فقط این نیست که:«چطور ترانزیستور را کوچک‌تر کنیم؟»بلکه سؤال مهم‌تر این است:«چطور ساختاری بسازیم که هم کنترل کاملی روی جریان داشته باشد، هم گرمای شدید محلی را دفع کند، هم کم‌مصرف باشد و هم تولید انبوه آن اقتصادی بماند؟»━━━━━━━━━━━━━━راه ارتباطی با انجمن ما:@EEIUST_Admin🆔 TelegramEESSA🆔 InstagramEESSA🆔 LinkedInEESSA