«بلندمرتبه‌سازی» راهکار مقابله با محدودیت سیلیکونی

زندگی امروزمان مصداق کامل «تراشه‌محوری» است، در حقیقت همه‌چیز به «تراشه» ختم می‌شود. از کوچک‌ترین ابزار مصرف‌کننده انرژی گرفته تا تلفن‌های همراه و دستگاه‌های محاسباتی همگی تحت فرمان تراشه‌ها قرار دارند. تولید ترانزیستورهای سوئیچینگ بر بسترهای سیلیکونی در جایگاه بنیادین تجهیزات الکترونیکی قرارگرفته‌اند.

دو قابلیت کوچک‌تر شدن و کاهش مصرف انرژی، مؤلفه‌هایی هستند که سیلیکون را به بهترین بستر برای کشت و تکثیر ترانزیستورها تبدیل کرده است؛ اما در سال‌های اخیر، موضوع کوچک‌تر کردن ویفرهای سیلیکونی (Die) برای جای دادن تعداد بیشتری از ترانزیستورها، به چالشی جدی مبدل شده است؛ چراکه ظرفیت عمومی سیلیکون‌ها در حال اتمام است. سال‌های زیادی است که کارشناسان به دنبال یافتن راهی برای عبور از محدودیت سیلیکونی هستند و ایده‌های مختلفی نیز مطرح‌شده است. هرچند به دلیل فراهم نبودن زیرساخت‌های فنی، بیشتر ایده‌ها در حد تئوری متوقف‌شده و به چرخه اجرا راه نیافته‌اند؛ ولی همین چند طرح باقی‌مانده هم در میان‌مدت می‌تواند محدودیت‌های افزایش ترانزیستور و فرکانس کاری را مرتفع سازند. در نگاه کلی، پرداختن به چالش سیلیکونی و راهکارهای مبدل و جایگزین، از دو منظر قابل‌بررسی است.

نخست اینکه در ساختار تراشه‌ها، استفاده از سیلیکون به‌عنوان ماده پایه به پایان عمر خود نزدیک می‌شود و بی‌تردید تولیدکنندگان فناوری باید به دنبال جایگزین برای این ماده جادویی باشند.
گرافین بهترین ماده‌ای است که به‌عنوان جایگزینی برای سیلیکون مطرح‌شده است. گرافین ماده‌ای تک لایه است که اتم‌های کربن آن به شکل شبکه‌ای دوبعدی به یکدیگر متصل هستند. ضخامت گرافین به‌اندازه یک اتم است و به دلیل وجود خواص منحصربه‌فرد، از بیشترین میزان رسانای الکتریکی برخوردار بوده و با ساختاری مستحکم و خصوصیات مناسب فوتونیک؛ ازجمله عالی‌ترین مواد تثبیت‌شده برای جایگزینی با سیلیکون است. سرعت 100 برابری در انتقال الکترون‌ها، یکی از مزایای گرافین نسبت به سیلیکون است؛ اما عدم وجود باند گپ (Band Gap) باعث شده تا تولید ترانزیستورهای سوئیچینگ با ساختار گرافین، دشوار شود.

این در حالی است که در ساختار سیلیکون، کلید روشن یا خاموش کردن ترانزیستور بسیار دقیق عمل می‌کند و دلیل آن، رسانایی بالای حالت روشن ترانزیستور نسبت به حالت خاموش است. اگر قرار باشد تا ترانزیستوری با گرافین ساخته شود، نیاز است تا یک شکاف انرژی در محدوده انرژی الکترونی آن ایجاد شود. ایجاد فشارهای محلی در ورقه‌های گرافین راهکاری عملی است تا خاصیت هدایت‌پذیری این ماده تغییر کند و شکاف انتقال الکترون ایجاد شود. نگرش دوم مبتنی بر داشته‌های کنونی است. این درست است که در سیلیکون به‌کاررفته در حافظه‌های ذخیره‌ساز، کاهش سطح Die و مصرف انرژی با محدودیت اجرایی مواجه است؛ اما «بلندمرتبه‌سازی» یکی از راه‌هایی است که می‌توان به آن اعتماد کرد. در این روش سازنده تراشه‌های سیلیکونی کار را در دو مرحله پیگیری می‌کند؛ ابتدا ویفر سیلیکون را تا حد امکان کوچک کرده، تعداد ترانزیستورها را افزایش و با تعیین سطح لیتوگرافی، میزان مصرف انرژی را کاهش می‌دهد. این روش به تولید تراشه‌های کنترلی جریان برق فعلی چون کنترل‌گرها، آی‌سی‌ها و ماسفت‌های مورداستفاده در مدار رگلاتور ولتاژ مادربردها (VRM) ختم می‌شود؛ اما فناوری نوین تراشه‌سازی به سازندگان اجازه می‌دهد تا به‌جای تلاش برای کوچک‌تر کردن اندازه محیطی ویفر سیلیکونی، ارتفاع آن را افزایش دهند.

در این روش که به «پشته‌سازی» نیز معروف است، سازنده تا چهار ویفر سیلیکونی را با استفاده از رابط الکتریکی مسیریابی(Interposer)، بر روی یکدیگر قرار داده تا محصول جدید، از ظرفیت و پهنای باند ارتباطی بالاتری برخوردار باشد؛ هرچند هنوز هم حافظه‌های GDDR5 توانایی بالایی در ارائه سرعت، فرکانس و پهنای باند بیشتر دارند؛ ولی باید در نظر داشت که زنگ محدودیت سیلیکونی مدت‌ها است به صدا درآمده است. شرکت ای‌ام دی از نخستین طراحان فناوری جدید بلندمرتبه‌سازی حافظه‌ها است. این شرکت تحقیقات زیادی را بر روی حافظه‌های رابط در کارت‌های گرافیک انجام داد که خروجی آن به عرضه فناوری مدرن پشته‌سازی و تولید حافظه‌های HBM‌ انجامید. حافظه‌های HBM (سرنام High Bandwidth Memory) بهره‌وری را تا سه برابر افزایش داده و میزان انرژی مصرفی موردنیاز را نیز به 50 درصد کاهش‌داده است. از سوی دیگر، انتقال حافظه‌ها به ویفر سیلیکونی تراشه گرافیکی، زمان تأخیر دسترسی به داده‌ها را برای حافظه‌های گرافیکی، کاهش می‌دهد.

مجموع افزایش راندمان، ظرفیت، پهنای باند، کاهش مصرف انرژی و اندازه Die مجتمع، شاخص‌هایی هستند که حافظه‌های HBM‌ را برای ذخیره‌سازی موقت تصاویر پردازش‌شده پر وضوح نظیر فول‌اچ‌دی و 4K، به گزینه‌ای ایده‌آل تبدیل کرده است.

=================================

شاید به این مطالب هم علاقمند باشید: