Inteligencia artificial (IA) está transformando la forma en que el mundo construye y utiliza chips de computadora. Desde centros de datos masivos hasta dispositivos de borde de red, AI requiere que los chips sigan volviéndose más rápidos, más pequeños y más eficientes energéticamente.
Durante décadas, la Ley de Moore, que predijo con precisión que el número de transistores en un computadora El chip se duplicaría cada dos años, manteniendo la industria avanzando.
Desafortunadamente, los enfoques de escala convencionales a través de dispositivos semiconductores planos complementarios de óxido metálico (CMOS), o FinFET, que ampliaron la Ley de Moore, han llegado a sus límites. La industria ahora enfrenta un desafío crítico: tratar de continuar avanzando en la tecnología de chips cuando la antigua regla general ya no se aplica.
La respuesta de la industria es GAA (gate-all-around). Este diseño encierra completamente el material de la puerta por todos lados, incluida la parte de control del chip, conocida como puerta, que transporta la corriente eléctrica.
Esto brinda a los ingenieros un control más preciso sobre cómo fluye la electricidad a través del chip, lo que permite que los dispositivos GAA funcionen mejor incluso cuando la industria avanza al siguiente nodo. Esto también permite obtener más potencia sin ocupar más área.
Los nuevos cuellos de botella
Pero GAA no es perfecta. Aunque resuelve los desafíos mediante un menor consumo de energía y un uso más eficiente del espacio, transfiere el cuello de botella a otras áreas.
Específicamente, los chips más antiguos encuentran resistencia (cualquier cosa que ralentice la electricidad) dentro del canal. La mayor parte de la resistencia proviene de los puntos de contacto y áreas por donde entra y sale la corriente.
Para solucionar este problema, los ingenieros agregaron materiales llamados dopantes para ayudar a que la electricidad fluya mejor. Pero durante este proceso de dopaje, los dopantes pueden propagarse inadvertidamente a lugares cercanos al chip que deberían ser desdopados.
Cuando esto sucede, no sólo puede afectar el rendimiento, sino también crear problemas adicionales en el chip, como un aumento de fugas, cambios en el voltaje umbral o introducción de variabilidad.
Otro desafío surge del proceso de fabricación, específicamente cuando se eliminan las capas de silicio-germanio (SiGe) para dar forma a partes del chip.
Esto puede dejar superficies rugosas e interferir con el flujo fluido de electricidad a través de los dispositivos. Más tarde, cuando se añaden contactos metálicos encima, se crea más resistencia en el punto donde se unen el metal y el silicio.
En resumen, GAA puede abordar los desafíos electrostáticos, pero también introduce nuevos desafíos. Aquí es donde entran en juego los materiales avanzados.
Materiales a escala atómica, grandes soluciones
Para afrontar estos nuevos desafíos, los fabricantes de chips están recurriendo a materiales avanzados y trabajando a nivel atómico para ayudar a aprovechar todo el potencial de GAA.
Vea cómo ayudan estos nuevos materiales:
- Bloquear la difusión no deseada de dopantes: Insertar una barrera avanzada entre áreas fuertemente dopadas y no dopadas puede evitar que los dopantes penetren en otras áreas del chip. Esta contención es esencial para aumentar el rendimiento.
- Alisado de superficies: Las superficies rugosas a nivel atómico pueden dispersar electrones y ralentizarlos. La ingeniería de materiales avanzada puede alisar superficies que pueden volverse desiguales durante la eliminación de capas de sacrificio de SiGe, reduciendo esta dispersión. Esto puede aumentar la movilidad del operador en condiciones operativas normales, lo que resulta en más corriente, una conmutación más rápida y un mejor rendimiento, todo sin requerir más energía.
- Aumento de potencia sin comprometer el tamaño: Los materiales avanzados permiten a los ingenieros colocar estructuras de rendimiento más delgadas en el mismo espacio. Este cambio puede aumentar la corriente por huella en aproximadamente un 10% sin aumentar el tamaño del chip.
- Reducir la resistencia de contacto: A medida que las dimensiones del dispositivo disminuyen, la resistencia del contacto eléctrico en el punto donde el metal se conecta al silicio se convierte en un factor limitante importante. Al modificar los materiales en estas uniones, los ingenieros pueden reducir significativamente la resistencia y lograr una mayor eficiencia.
Mirando hacia adelante
El crecimiento explosivo de la IA está impulsando un cambio fundamental en la forma en que la industria piensa sobre la eficiencia informática. Los ingenieros ahora enfrentan un equilibrio cada vez más complejo entre potencia, rendimiento, área y costo (PPAC).
En el pasado, la industria dependía de mejoras incrementales para mantener el rumbo, pero con la escala y la intensidad de la IA llevando las arquitecturas existentes al límite, estas pequeñas ganancias ya no son suficientes.
Para desbloquear la próxima ola de progreso, la industria necesita más cambios transformadores que restablezcan las bases y permitan mejoras adicionales para seguir teniendo un impacto.
El próximo nodo, también conocido como la era Angstrom, acelerará las innovaciones en materiales avanzados más allá de lo que es posible hoy para lograr avances en toda la ecuación PPAC. GAA es sólo el comienzo.
Para seguir reduciendo y mejorando los chips para sistemas masivos de IA, los ingenieros están explorando nuevas formas de ofrecer más con menos. Estas innovaciones en materiales avanzados están permitiendo a la industria lograr un mayor rendimiento con menos espacio y energía, impulsando una informática más inteligente y sostenible en todos los niveles.
Además de GAA, la industria ya está trabajando en una nueva estructura llamada CFET, o FET complementario, que puede tardar algunas generaciones más antes de que comencemos a considerar 3D estructuras como CFET apiladas para mantener el progreso de la Ley de Moore.
Una cosa que es segura es que se necesitarán nuevos materiales avanzados en cada paso del camino para desbloquear el rendimiento para el cual se diseñaron estas nuevas estructuras de transistores.
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