Künstliche Intelligenz (KI) verändert die Art und Weise, wie die Welt Computerchips baut und verwendet. Von riesigen Rechenzentren bis hin zu Geräten am Rande des Netzwerks, KI erfordert, dass Chips immer schneller, kleiner und energieeffizienter werden.
Seit Jahrzehnten gilt das Mooresche Gesetz, das genau vorhersagte, dass die Anzahl der Transistoren auf einem Computer Chip würde sich etwa alle zwei Jahre verdoppeln, was die Branche voranbrachte.
Leider sind herkömmliche Skalierungsansätze durch planare komplementäre Metalloxid-Halbleiterbauelemente (CMOS) oder FinFETs, die das Mooresche Gesetz erweiterten, an ihre Grenzen gestoßen. Die Branche steht nun vor einer entscheidenden Herausforderung: Sie muss versuchen, die Chiptechnologie weiter voranzutreiben, wenn die alte Faustregel nicht mehr gilt.
Die Antwort der Branche lautet Gate-All-Around (GAA). Dieses Design umhüllt das Gate-Material vollständig um alle Seiten, einschließlich des Steuerteils des Chips, das sogenannte Gate, das den elektrischen Strom leitet.
Dies gibt Ingenieuren eine präzisere Kontrolle darüber, wie Strom durch den Chip fließt, sodass GAA-Geräte eine bessere Leistung erbringen können, selbst wenn die Industrie zum nächsten Knoten übergeht. Dies ermöglicht auch mehr Leistung, ohne mehr Fläche einzunehmen.
Die neuen Engpässe
Aber GAA ist nicht perfekt. Während es Herausforderungen durch geringeren Stromverbrauch und effizientere Raumnutzung löst, verlagert es den Engpass in andere Bereiche.
Insbesondere ältere Chips stoßen im Kanal auf Widerstand – alles, was die Elektrizität verlangsamt. Der größte Teil des Widerstands kommt von den Kontaktpunkten und Bereichen, in denen der Strom ein- und austritt.
Um dieses Problem zu beheben, haben Ingenieure sogenannte Dotierstoffe hinzugefügt, um den Stromfluss zu verbessern. Bei diesem Dotierungsprozess können sich die Dotierstoffe jedoch unbeabsichtigt auf benachbarte Stellen auf dem Chip ausbreiten, die nicht dotiert werden sollten.
Wenn dies geschieht, kann es nicht nur die Leistung beeinträchtigen, sondern auch zusätzliche Probleme im Chip verursachen, wie z. B. einen erhöhten Leckstrom, eine Änderung der Schwellenspannung oder die Einführung von Schwankungen.
Eine weitere Herausforderung ergibt sich aus dem Herstellungsprozess, insbesondere wenn Silizium-Germanium-Schichten (SiGe) entfernt werden, um Teile des Chips zu formen.
Dies kann raue Oberflächen hinterlassen und den reibungslosen Stromfluss durch die Geräte beeinträchtigen. Wenn später oben Metallkontakte hinzugefügt werden, entsteht ein weiterer Widerstand an der Stelle, an der Metall und Silizium aufeinander treffen.
Kurz gesagt, GAA kann sich mit elektrostatischen Herausforderungen befassen, bringt aber auch neue mit sich. Hier kommen fortschrittliche Materialien ins Spiel.
Materialien im atomaren Maßstab, große Lösungen
Um diese neuen Herausforderungen zu bewältigen, greifen Chiphersteller auf fortschrittliche Materialien zurück und arbeiten auf atomarer Ebene, um das volle Potenzial von GAA auszuschöpfen.
So helfen diese neuen Materialien:
- Blockierung unerwünschter Dotierstoffdiffusion: Durch das Einfügen einer fortschrittlichen Barriere zwischen stark dotierten und undotierten Bereichen kann verhindert werden, dass Dotierstoffe in andere Bereiche des Chips eindringen. Diese Eindämmung ist für die Leistungssteigerung unerlässlich.
- Glätten von Oberflächen: Raue Oberflächen auf atomarer Ebene können Elektronen streuen und verlangsamen. Fortschrittliche Materialtechnik kann Oberflächen glätten, die beim Entfernen von SiGe-Opferschichten uneben werden könnten, und so diese Streuung reduzieren. Dies kann die Trägermobilität unter normalen Betriebsbedingungen erhöhen, was zu mehr Strom, schnellerem Schalten und besserer Leistung führt, ohne dass mehr Strom benötigt wird.
- Mehr Leistung ohne Kompromisse bei der Größe: Fortschrittliche Materialien ermöglichen es Ingenieuren, dünnere Hochleistungsstrukturen auf demselben Raum unterzubringen. Diese Änderung kann den Strom pro Footprint um etwa 10 % steigern, ohne die Chipgröße zu erhöhen.
- Übergangswiderstand reduzieren: Wenn die Geräteabmessungen kleiner werden, wird der elektrische Kontaktwiderstand an der Verbindungsstelle zwischen Metall und Silizium zu einem wichtigen begrenzenden Faktor. Durch die Modifizierung der Materialien an diesen Verbindungsstellen können Ingenieure den Widerstand deutlich verringern und eine höhere Effizienz erzielen.
Blick nach vorn
Das explosionsartige Wachstum der KI führt zu einem grundlegenden Wandel in der Art und Weise, wie die Branche über Recheneffizienz denkt. Ingenieure stehen heute vor einem immer komplexeren Kompromiss zwischen Leistung, Leistung, Fläche und Kosten (PPAC).
In der Vergangenheit hat sich die Branche auf inkrementelle Verbesserungen verlassen, um auf dem richtigen Weg zu bleiben. Da jedoch der Umfang und die Intensität der KI bestehende Architekturen an ihre Grenzen bringen, reichen diese kleinen Fortschritte nicht mehr aus.
Um die nächste Welle des Fortschritts freizusetzen, braucht die Branche einen stärker transformativen Wandel, der die Grundlagen neu gestaltet und weitere Verbesserungen ermöglicht, um weiterhin Wirkung zu erzielen.
Der nächste Knoten, auch als Angström-Ära bezeichnet, wird Innovationen bei fortschrittlichen Materialien über das heute Mögliche hinaus beschleunigen, um Fortschritte in der gesamten PPAC-Gleichung zu erzielen. GAA ist nur der Anfang.
Um die Chips für riesige KI-Systeme weiter zu verkleinern und zu verbessern, erforschen Ingenieure neue Wege, um mit weniger mehr zu erreichen. Diese Durchbrüche bei fortschrittlichen Materialien ermöglichen es der Branche, mehr Leistung bei weniger Platz und Energie zu erzielen und so insgesamt eine intelligentere und nachhaltigere Datenverarbeitung voranzutreiben.
Über GAA hinaus arbeitet die Branche bereits an einer neuen Struktur namens CFET oder Komplementär-FET, für die es möglicherweise noch einige Generationen dauern wird, bis wir uns damit befassen 3D Strukturen wie gestapelte CFETs, um das Mooresche Gesetz voranzutreiben.
Sicher ist, dass bei jedem Schritt des Weges neue fortschrittliche Materialien erforderlich sein werden, um die Leistung freizusetzen, die diese neuen Transistorstrukturen ermöglichen sollen.
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