“A última fronteira da arquitetura de transistores”: TSMC e Intel falam sobre transistores nanosheet

Recentemente, na conferência IEDM 2024 em São Francisco, a TSMC falou oficialmente pela primeira vez sobre os benefícios de mudar para transistores de 2 nm com uma porta circular Gate-All-Around e canais de nanofolhas. A fabricante de chips taiwanesa começará a produzir chips usando a tecnologia N2 no próximo ano. Na verdade, as nanofolhas são a arquitetura final dos transistores no sentido usual e permanecerão relevantes por muito tempo.

Não vê os transistores de 2 nm na parte inferior? E eles existem! Fonte da imagem: TSMC

Em 2025, a Samsung e a Intel também começarão a produzir chips baseados na tecnologia de processo de 2 nm com canais nanopage e porta circular. A Samsung foi a primeira a produzir tais estruturas no processo de 3 nm em 2022. Para a TSMC, esta será a primeira experiência e fruto de “mais de quatro anos de trabalho”, como admitiu o responsável pelo departamento de desenvolvimento da empresa.

Os transistores FinFET modernos são um conjunto de canais de transistores localizados verticalmente – nervuras ou aletas. As características de tal transistor dependem do número de arestas que cada um possui – uma, duas ou três. Quanto mais canais, maior será a área ocupada pelo transistor. Isto é especialmente grave no caso de matrizes de memória SRAM. Cada célula dessa memória consiste em seis transistores e, portanto, é difícil de escalar. Enquanto isso, nem controladores simples, nem processadores e aceleradores poderosos podem funcionar sem SRAM.

A tradução dos canais do transistor em um plano horizontal na forma de nanopáginas finas melhora imediatamente a densidade, uma vez que os canais estão localizados uns sobre os outros, não importa quantos existam. Isso não aumenta o espaço ocupado pelo transistor. Em particular, a mudança da TSMC de transistores FinFET de 3 nm para transistores nanopage de 2 nm aumenta a densidade do transistor em 15%, independentemente de usar circuitos de alto desempenho ou de baixo consumo de energia. Haverá uma vitória em ambos os casos.

Você tem que escolher entre produtividade e eficiência energética. Se você confiar na velocidade da computação, o ganho com a mudança para transistores nanopage de 2 nm será de 15%, e se você escolher o baixo consumo, o ganho chegará a impressionantes 30%. Mas este não é todo o benefício dos canais nanopage. Para transistores FinFET, é impossível criar transistores com 1,5 arestas – é como um escavador e meio de um famoso conto de fadas. Mas no caso de canais nanopage, você pode alterar sua largura, sem mencionar seu número, e projetar circuitos com parâmetros variados e precisos.

A TSMC chamou a tecnologia para alterar a largura das nanopáginas de Nanoflex. Isso permitirá produzir lógica com nanopáginas estreitas no mesmo chip, o que limitará seu consumo, e um núcleo de computação com transistores com nanopáginas largas para passagem de altas correntes, o que garantirá desempenho de qualquer maneira.

Mas a SRAM se beneficiará especialmente com a transição para canais de transistores nanopage. Ao passar da tecnologia de processo de 4 nm para 3 nm, a densidade das células de memória SRAM aumentou apenas 6%. No caso da tecnologia Nanoflex, ao passar da tecnologia de processo de 3 nm para 2 nm, a densidade das células SRAM aumentará 11%. Isso proporcionará ganhos generalizados, afirma a TSMC.

Fonte da imagem: Intel

É interessante acrescentar que na mesma conferência houve um relatório da Intel, que delineou os limites do futuro para os transistores clássicos e, especificamente, no design de nanopages.

«A arquitetura Nanopage é realmente a última fronteira da arquitetura de transistores, disse Ashish Agrawal, cientista de silício do Grupo de Pesquisa de Componentes de Circuito da Intel. “Mesmo os futuros dispositivos FET complementares (CFET), que poderão surgir em meados da década de 2030, serão construídos a partir de nanofolhas. Portanto, é importante que os pesquisadores entendam suas limitações.”

Para explorar os limites do que é possível, a Intel criou uma estrutura experimental de transistor com canal de 6 nm. Quanto mais curto o canal, maior a probabilidade de vazamentos através dele e menos controlável o transistor se torna. O experimento mostrou que transistores com canais de 6 nm de comprimento e largura de nanopágina de 2 nm estão totalmente operacionais. Isso permitirá que a arquitetura de transistores nanopage exista por um longo tempo, empurrando a transição para materiais e transistores bidimensionais em uma arquitetura fundamentalmente diferente em um futuro distante.

Voltando à tecnologia de processo de 2 nm da TSMC (assim como da Samsung e Intel), lembremos que o número em seu nome não diz nada sobre as dimensões físicas dos transistores. Dentro da tecnologia de processo de 2 nm, os transistores e canais de transistores são medidos em dezenas de nanômetros. Portanto, serão necessários mais de cinco anos para que a indústria atinja os limites estabelecidos pela Intel no experimento.