Atomska revolucija – Prvi pogled u najstroži čuvani tehnološki laboratorij na svijetu

Duboko u srcu belgijskog gradića Leuven nalazi se jedna od najstrože čuvanih tajni moderne tehnologije – istraživački laboratorij Imec. Malo tko zna za njegovo postojanje, no upravo ovdje nastaju tehnologije koje će pokretati vaše pametne telefone, računala i AI podatkovne centre za 10 do 20 godina. Kroz ovaj članak zakoračit ćemo u svijet gdje se stvara budućnost računalstva, gdje se rješavaju naizgled nerješivi problemi fizike i gdje se odvija revolucija o kojoj javnost rijetko čuje.

Čudesni put mikročipova kroz povijest

Posljednjih 50 godina svjedočili smo pravom tehnološkom čudu. Industrija mikročipova uspijevala je udvostručiti broj tranzistora na čipu otprilike svake dvije godine, što je omogućilo nevjerojatan rast performansi. Da bismo shvatili razmjere ovog napretka, dovoljno je usporediti prvi NVIDIA GPU, GeForce 256 iz 1999. godine, koji je proizveden korištenjem 220 nm tehnologije, s današnjim NVIDIA Rubin GPU-om koji koristi 3 nm tehnologiju. U samo 25 godina uspjeli smo smanjiti tranzistor više od 70 puta i pretvoriti grafičke kartice u motore koji pokreću čitavu AI revoluciju.

Desetljećima su inženjeri stvarali strojeve atomske veličine iz pijeska. To bi trebalo biti nemoguće. Ipak, iz godine u godinu, čipovi su postajali sve manji, brži i snažniji. Za sljedeću generaciju ulazimo u Ångström eru – brojke toliko sićušne da jedva djeluju stvarno.

No ovdje dolazimo do istine koju mnogi ne žele priznati – ova era se zapravo bliži kraju. Trenutno nailazimo na tvrde granice fizike. Tranzistori su sada doslovno široki svega nekoliko atoma. Postaju mehanički nestabilni. Toplina eksplodira. Alternativni materijali koji su trebali biti spas ne razvijaju se dovoljno brzo.

Kada velikani traže rješenja

U trenutku kada najveće svjetske tehnološke tvrtke poput Applea, Googlea, NVIDIA-e, AMD-a, pa čak i TSMC-a više nisu imale odgovora, okrenule su se jednom mjestu – malom laboratoriju u Belgiji za koji gotovo nitko nije čuo. Ipak, budućnost računalstva stvara se upravo ovdje.

Ako biste pratili razvoj bilo kojeg naprednog čipa, od AMD-a ili NVIDIA-e do Apple Silicona, put vas ne bi vodio u Silicijsku dolinu ili Tajvan, već u mali, tihi gradić u Belgiji po imenu Leuven, dom Imeca. Ovo nije tipični proizvođač čipova. To je istraživački centar koji razvija napredne tehnologije koje će proizvođači čipova poput TSMC-a, NVIDIA-e, Samsunga i Intela koristiti za 10 do 20 godina.

FinFET revolucija i njezin kraj

Bez obzira gdje gledate ovaj članak, na pametnom telefonu, računalu ili čak televizoru, svi moderni uređaji rade na FinFET tranzistorima. Tranzistor je sićušni elektronički prekidač koji kontrolira protok električne energije unutar sklopova. Možete ga zamisliti kao mikroskopski komadić silicija s tankim “perajem” koje strši.

Ovaj FinFET uređaj bio je heroj jer nas je nosio kroz cijelo desetljeće tehnološkog napretka. Od prvog Apple Silicona do GPU-ova koji pokreću najnaprednije podatkovne centre na Zemlji. Ali njegovo vrijeme je isteklo. Da bi tranzistori nastavili smanjivanje, ključna struktura unutar njih – peraja – morala su postajati sve tanja i tanja. Zamislite nešto širine od samo 6 nm i visine 60 nm. U jednom trenutku doslovno su se počeli savijati i pucati tijekom proizvodnje.

Kada se industrija udružuje

Kad izazov postane previše složen, preskup i previše rizičan za samostalno rješavanje, najveći svjetski igrači – Intel, Samsung, ASML, TSMC – svi udružuju snage s Imecom jer svi na kraju žele isto – mjesto za testiranje nemogućih ideja prije nego što potroše milijarde pokušavajući ih sami realizirati.

Imec je već istražio svaki put koji su mogli zamisliti, uključujući nove materijale, nove arhitekture i nove oblike. Problem je bio u tome što većina njih nije vodila nikamo. Ulozi nisu mogli biti veći jer pogrešna odluka ne bi samo usporila napredak, već bi čitavu poluvodičku mapu razvoja vratila desetljeće unatrag.

Revolucionarno rješenje – Gate-All-Around tranzistor

Nakon godina neuspjelih ideja i slijepih ulica, odgovor se pokazao vrlo jednostavnim. Počelo je s grubom skicom na ploči. Postavili su naizgled jednostavno pitanje – ako ova visoka struktura postaje nestabilna, što ako je jednostavno preokrenemo bočno?

Zamislite, ova jednostavna ideja postala je druga najveća prekretnica u povijesti mikročipova – izum Gate-All-Around tranzistora. Umjesto jednog visokog peraja, inženjeri su horizontalno naslagali tanke listove, podržane odozdo, čineći ih daleko stabilnijima za izgradnju. I ovaj trik je riješio mehaničke probleme koji su ubijali FinFET.

Trenutno ovi uređaji ulaze u vaše sljedeće GPU-ove i pametne telefone. Ova inovacija nam je definitivno kupila vrijeme i nosit će nas kroz još tri generacije čipova. Ali to nije bio konačni cilj jer čak i s ovom Gate-All-Around inovacijom još uvijek ponestaje prostora na čipu i Imec je morao ponovno krenuti od početka.

3D revolucija – CFET tehnologija

Kada gradovima ponestane prostora, ne prestaju graditi – grade nebodere. Imec je postavio hrabro pitanje – zašto ne učiniti isto s tranzistorima? Ako se više ne možemo smanjivati u 2D, postoji samo jedan put – prema gore. Složite jedan uređaj na vrh drugog vertikalno i odmah udvostručite gustoću tranzistora.

Prije nego što itko dotakne wafer, provode godine simulirajući ovaj uređaj, prilagođavajući geometriju, materijale, a zatim isprobavaju svaku varijaciju, eliminiraju slabe dok brojevi konačno ne pokažu da bi ovo moglo stvarno funkcionirati. Za CFET, Imec je istražio više načina slaganja tranzistora. Većina ih je propala, ali jedan je pokazao potencijal i to je postao put naprijed.

Unutar čistih soba – gdje se stvara budućnost

Čiste sobe moraju biti čistije od čistog. Unutra grade tehnologije toliko sićušne da jedna jedina vlas kose, jedna čestica prašine, i eksperiment od milijun dolara je izgubljen.

Moderni tranzistor je oko 100 puta manji od virusa. Ali postoji kvaka – trenutak kad ga pogledate, uništite ga. Ne možete zapravo vidjeti strukturu od 2 nm ili čak 10 nm jer naše oči jednostavno nisu građene za to. Naše oči funkcioniraju samo kad se svjetlost odbija od predmeta. Ali da bi se odbila od nečega tako malenog, svjetlost je jednostavno prevelika. Njezina valna duljina široka je stotine nanometara. To je poput divovskog vala koji pokušava pogoditi nešto manje od virusa.

Za gledanje tranzistora potreban je Skenirajući elektronski mikroskop (SEM). Unutra, tanki snop elektrona skenira površinu čipa. I to nam omogućuje da zumiramo stotine tisuća puta. U početku, ono što vidite izgleda kao jednostavne linije. Ali kako povećavamo uvećanje 20.000 puta, 50.000 puta, 150.000 puta, počinju se pojavljivati uzorci.

Na atomskoj razini – Transmisijski elektronski mikroskop

Transmisijski elektronski mikroskop (TEM) može postići uvećanja do 50 milijuna puta. Za razliku od prvog mikroskopa koji pokazuje samo površinu, ovaj nam omogućuje da vidimo kroz materijal. Gotovo poput rendgena na atomskoj razini. Ovaj može zumirati dovoljno daleko da vidi stvarne atome, i ništa drugo na Zemlji to ne može.

Upravo ovdje se vidi CFET tranzistor, gdje po prvi put u povijesti dva tranzistora stoje jedan na drugome, pakirajući više snage u manje prostora i otvarajući vrata novoj eri računalstva. Ovaj kanal je debeo oko 30 atoma. Kad se to vidi, može se doživjeti fizička granica stvarnosti.

Dugi put od ideje do vašeg telefona

Većina ljudi misli da se nova tehnologija čipova pojavljuje svakih nekoliko godina, kao da se netko probudi i kaže “ovo je sljedeći tranzistor”. Ali stvarnost je vrlo drugačija. Od trenutka kada se novi tranzistor zamisli do trenutka kada će završiti u vašem telefonu, govorimo o 18 do 20 godina.

Čak i kada osmislite savršen dizajn, ako ga alati fizički ne mogu izgraditi, ideja umire. Jer u ovoj industriji, novi uređaj nije samo izazov dizajna. To je izazov opreme.

Budućnost nakon CFET-a

CFET nam kupuje desetljeće. Ali nakon toga, po prvi put u povijesti čipova, ne postoji jasan put nakon CFET-a. Nitko, čak ni Imec, ne zna što dolazi sljedeće. Jedino što je sigurno, CFET ne može dovoljno smanjiti potrošnju energije ili toplinu za buduće AI zahtjeve.

Jedina mogućnost koju možemo zamisliti je da počnemo slagati još više slojeva. Razlog zbog kojeg slažemo je taj što više ne možemo skalirati X i Y. I ne mislim da postoji bilo kakva ideja koja može lako skalirati XY. To znači da moramo iskoristiti vertikalnu dimenziju, a CFET je samo prva generacija učenja kako to učiniti.

Novo definiranje Mooreovog zakona

Oko 2020. godine, fizika izrade sve manjih i manjih tranzistora počela se zaravnavati. Troškovi su eksplodirali, toplina je eksplodirala i fizika je prestala surađivati. CFET će produžiti ovu liniju malo dalje. Kupuje nam vrijeme. Mogao bi nas nositi prema 2030. godini, ali ne vraća eksponencijalni rast. Ta era je prošla.

Industrija je prisiljena promijeniti samu definiciju Mooreovog zakona jer ako ne možete učiniti tranzistore značajno boljima, morate učiniti cijeli sustav značajno boljim. U modernim čipovima performanse ne dolaze samo od manjih tranzistora. Dolaze iz toga koliko brzo mnogi chiplets međusobno komuniciraju.

Silicijska fotonika – komuniciranje svjetlom

Obećavajuće rješenje je dopustiti ovim chipletima da komuniciraju svjetlom umjesto električne energije, i to je silicijska fotonika. Danas se ova tehnologija koristi za povezivanje GPU stalaka diljem podatkovnih centara. Ali uskoro će se premjestiti unutar samog paketa čipa, omogućujući chipletima da komuniciraju svjetlom nevjerojatnom brzinom.

Trenutno silicijska fotonika još uvijek troši previše energije da bi se koristila svugdje. Laseri se zagrijavaju, troše energiju i cijeli sustav je izuzetno osjetljiv na temperaturu. Često su potrebni grijači samo da bi svjetlo ostalo stabilno, što donekle pobija svrhu štednje energije.

Imecova vizija ide mnogo dalje. Trenutno rade na slaganju čitavih wafera jedan na drugi. Zamislite da uzmete dva grada i savršeno složite jedan na vrh drugog, s poravnatom svakom ulicom. Ako to uspije, mogli bismo eliminirati većinu komunikacijskih žica između čipova.

Paralelne staze prema budućnosti

Imec ne ulaže samo u jednu budućnost. Trenutno imaju više timova koji paralelno istražuju, svaki istražuje potpuno različit put prema onome što bi moglo doći nakon silicija, i nitko ne zna koji će, ako ikoji, uspjeti.

Trenutno testiraju ternarnu logiku, reverzibilnu logiku, spintroniku, kriogeni CMOS, a na kraju nam možda treba potpuno novi uređaj koji slijedi drugačije zakone fizike, ne one kojima se silicij pokorava.

Trenutno eksperimentiraju s germanijem, grafenom, 2D kristalima poput dihalkogenida prijelaznih metala, pa čak i ugljičnim nanocijevima – materijalima debljine svega nekoliko atoma. Svi izgledaju nevjerojatno pod mikroskopom. Ali izazov je pretvoriti ih iz sitnih laboratorijskih uzoraka u stvarnu tehnologiju spremnu za masovnu proizvodnju.

Tajni sastojak uspjeha – neutralnost

Ono što čini ovaj jedinstveni Imecov model uspješnim nije samo inženjeri, alati i partneri, već neutralnost. Imec je neprofitna organizacija. Ne natječe se ni s kim. I njihova tajna prednost je da imaju cijelu tvornicu poluvodiča na licu mjesta, izgrađenu samo za istraživanje, i sada je proširuju na sve više i više zgrada za provođenje više eksperimenata.

Većina sveučilišta sanja o jednoj čistoj sobi. Imec ima cijelu proizvodnu liniju, a ta mješavina mozgova, strojeva i neutralnosti čini Imec nečim rijetkim – ne samo laboratorijem, već svjetskom točkom susreta za sljedeću generaciju čipova.

Umjesto belgijske čokolade ili vafla, Imec waferima je zapravo ovisna cijela tehnološka industrija. Upravo ovdje, u srcu Belgije, stvara se tehnološki svijet sutrašnjice.