Inteligência artificial (IA) está transformando a forma como o mundo constrói e usa chips de computador. Desde data centers massivos até dispositivos na borda da rede, IA exige que os chips continuem a ficar mais rápidos, menores e mais eficientes em termos energéticos.
Durante décadas, a Lei de Moore, que previu com precisão que o número de transistores em um computador chip dobraria a cada dois anos, mantendo a indústria avançando.
Infelizmente, as abordagens convencionais de escalonamento por meio de dispositivos semicondutores de óxido metálico complementares planares (CMOS), ou FinFETs, que estenderam a Lei de Moore, atingiram seus limites. A indústria enfrenta agora um desafio crítico: tentar continuar a avançar na tecnologia de chips quando a velha regra prática já não se aplica.
A resposta da indústria é gate-all-around (GAA). Este projeto envolve o material da porta completamente em todos os lados, incluindo a parte de controle do chip, conhecida como porta, que transporta a corrente elétrica.
Isso dá aos engenheiros um controle mais preciso sobre como a eletricidade flui através do chip, permitindo que os dispositivos GAA tenham um melhor desempenho, mesmo enquanto a indústria avança para o próximo nó. Isso também permite mais potência sem ocupar mais área.
Os novos gargalos
Mas GAA não é perfeito. Embora resolva desafios através de um menor consumo de energia e de uma utilização mais eficiente do espaço, transfere o estrangulamento para outras áreas.
Especificamente, os chips mais antigos encontram resistência – qualquer coisa que reduza a velocidade da eletricidade – dentro do canal. A maior parte da resistência vem dos pontos de contato e áreas onde a corrente entra e sai.
Para corrigir isso, os engenheiros adicionaram materiais chamados dopantes para ajudar a eletricidade a fluir melhor. Mas durante esse processo de dopagem, os dopantes podem se espalhar inadvertidamente para locais próximos do chip que deveriam ser desdopados.
Quando isso acontece, pode não apenas afetar o desempenho, mas também criar problemas adicionais no chip, como aumento de vazamento, alteração da tensão limite ou introdução de variabilidade.
Outro desafio decorre do processo de fabricação, especificamente quando as camadas de silício-germânio (SiGe) são removidas para moldar partes do chip.
Isso pode deixar superfícies ásperas e interferir na fluidez do fluxo de eletricidade pelos dispositivos. Mais tarde, quando contatos metálicos são adicionados no topo, isso cria mais resistência no ponto onde o metal e o silício se encontram.
Em suma, o GAA pode abordar desafios eletrostáticos, mas também introduz novos desafios. É aqui que os materiais avançados entram em ação.
Materiais em escala atômica, grandes soluções
Para enfrentar esses novos desafios, os fabricantes de chips estão recorrendo a materiais avançados e trabalhando em nível atômico para ajudar a concretizar todo o potencial do GAA.
Veja como esses novos materiais ajudam:
- Bloqueando a difusão indesejada de dopantes: A inserção de uma barreira avançada entre áreas fortemente dopadas e não dopadas pode impedir que os dopantes se infiltrem em outras áreas do chip. Essa contenção é essencial para aumentar o desempenho.
- Alisamento de superfícies: Superfícies ásperas no nível atômico podem espalhar elétrons e retardá-los. A engenharia avançada de materiais pode suavizar superfícies que podem se tornar irregulares durante a remoção de camadas sacrificiais de SiGe, reduzindo essa dispersão. Isto pode aumentar a mobilidade da portadora em condições normais de operação, resultando em mais corrente, comutação mais rápida e melhor desempenho, tudo sem exigir mais energia.
- Aumentando a potência sem comprometer o tamanho: Materiais avançados permitem que os engenheiros coloquem estruturas de desempenho mais finas no mesmo espaço. Essa mudança pode aumentar a corrente por área ocupada em cerca de 10% sem aumentar o tamanho do chip.
- Reduzindo a resistência de contato: À medida que as dimensões do dispositivo diminuem, a resistência do contato elétrico no ponto onde o metal se conecta ao silício torna-se um importante fator limitante. Ao modificar os materiais nessas junções, os engenheiros podem reduzir significativamente a resistência e obter maior eficiência.
Olhando para frente
O crescimento explosivo da IA está a provocar uma mudança fundamental na forma como a indústria pensa sobre a eficiência da computação. Os engenheiros enfrentam agora um compromisso cada vez mais complexo entre potência, desempenho, área e custo (PPAC).
No passado, a indústria confiou em melhorias incrementais para se manter no caminho certo, mas com a escala e a intensidade da IA a levar as arquiteturas existentes aos seus limites, estes pequenos ganhos já não são suficientes.
Para desbloquear a próxima onda de progresso, a indústria precisa de uma mudança mais transformacional, que redefina os alicerces e permita melhorias adicionais para continuar a produzir impacto.
O próximo nó, também conhecido como era angstrom, acelerará as inovações em materiais avançados além do que é possível hoje para proporcionar avanços em toda a equação PPAC. GAA é apenas o começo.
Para continuar diminuindo e melhorando os chips para sistemas massivos de IA, os engenheiros estão explorando novas maneiras de oferecer mais com menos. Estas inovações em materiais avançados estão a capacitar a indústria para alcançar mais desempenho com menos espaço e energia, impulsionando uma computação mais inteligente e sustentável em todos os níveis.
Além do GAA, a indústria já está trabalhando em uma nova estrutura chamada CFET, ou FET complementar, o que pode levar mais algumas gerações antes de começarmos a olhar para 3D estruturas como CFETs empilhados para manter o progresso da Lei de Moore.
Uma coisa é certa é que novos materiais avançados serão necessários em cada etapa do caminho para liberar o desempenho que essas novas estruturas de transistor foram projetadas para permitir.
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