A inteligência artificial (IA) está transformando a forma como o mundo constrói e usa chips de computador. Desde grandes data centers até dispositivos na borda da rede, a IA exige que os chips continuem a se tornar mais rápidos, menores e mais eficientes em termos energéticos.
Durante décadas, a Lei de Moore, que previu com precisão que o número de transistores num chip de computador duplicaria a cada dois anos, manteve a indústria em funcionamento.
Infelizmente, as abordagens de escalonamento que estenderam a lei de Moore através de semicondutores de óxido metálico planares complementares (CMOS) ou FinFETs atingiram seus limites. A indústria enfrenta agora um desafio crítico: continuar a avançar na tecnologia de chips quando a antiga regra prática já não se aplica.
A resposta da indústria é gate-all-around (GAA). Esse design envolve o material da porta por todos os lados, incluindo a parte de controle do chip que transporta corrente elétrica, conhecida como porta.
Isso dá aos engenheiros um controle mais preciso sobre como a eletricidade flui através do chip, fazendo com que os dispositivos GAA tenham um melhor desempenho à medida que a indústria avança para o próximo nó. Isso também fornece mais potência sem ocupar mais área.
Novos gargalos
Mas o GAA não é perfeito. Embora resolva os desafios através do menor consumo de energia e da utilização eficiente do espaço, transfere-o 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 resolver isso, os engenheiros adicionaram materiais chamados dopantes para ajudar a eletricidade a fluir melhor. Mas neste processo de dopagem, os dopantes podem espalhar-se involuntariamente para as áreas ao redor do chip a serem dopados.
Quando isso acontece, pode não apenas afetar o desempenho, mas também causar problemas adicionais no chip, como aumento de vazamento, alteração da tensão limite ou introdução de variabilidade.
Outro desafio vem do processo de fabricação, especificamente quando as camadas de silício-germânio (SiGe) são removidas para moldar as peças do chip.
Isso pode deixar superfícies ásperas e interferir no fluxo suave de eletricidade através dos dispositivos. Mais tarde, quando são adicionados contactos metálicos, cria-se mais resistência no ponto onde o metal e o silício se encontram.
Em suma, o GAA pode enfrentar os desafios da eletrostática, mas também introduz novos desafios. É aqui que entram os materiais avançados.
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 propagação de dopantes indesejados: A inserção de uma barreira avançada entre áreas dopadas e não dopadas pode impedir a entrada de dopantes em outras áreas do chip. Essa retenção é essencial para aumentar o desempenho.
- Alisando a superfície: Superfícies ásperas no nível atômico podem dispersar e desacelerar os elétrons. A engenharia avançada de materiais pode suavizar superfícies que podem ser irregulares ao remover 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 alteração pode aumentar a corrente por traço 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 alterar 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 TI. Os engenheiros hoje enfrentam 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 à medida que a escala e a intensidade da IA levam as arquiteturas existentes ao limite, estes pequenos ganhos já não são suficientes.
Para desbloquear a próxima onda de progresso, a indústria precisa de mudanças mais transformadoras que redefinam os fundamentos e permitam que novas melhorias continuem a causar impacto.
O próximo nó, também chamado de era Angstrom, acelerará as inovações em materiais avançados além do que é atualmente possível para proporcionar avanços na equação PPAC. GAA é apenas o começo.
À medida que os chips para sistemas massivos de IA continuam a diminuir e a melhorar, os engenheiros estão a explorar novas formas de oferecer mais com menos. Estes avanços em materiais avançados permitem que a indústria alcance um desempenho superior com menos espaço e energia, impulsionando uma computação mais inteligente e sustentável.
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 estruturas 3D como CFETs empilhados para seguir a Lei de Moore.
Uma coisa é certa: essas novas estruturas de transistores exigirão novos materiais avançados em cada etapa do processo para desbloquear o desempenho para o qual foram projetadas.
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