مسِ پوشیده از گرافن عملکرد پردازنده‌های آینده را بهبود می‌بخشد

مسِ پوشیده از گرافن عملکرد پردازنده‌های آینده را بهبود می‌بخشد

اگر به جای مس، از مس پوشیده شده با گرافن در ترانزیستورها استفاده کنیم، چه خواهد شد؟

وقتی داریم از تأثیر بالقوه‌ی تکنولوژی‌های نسل بعد بر کامپیوترهای آینده حرف می‌زنیم، از چه حرف می‌زنیم؟ اغلب اوقات، منظور ما عملکرد ترانزیستورها است.

ترانزیستورها آنچه را که قانون مور پوشش می‌دهد، با مقیاس‌بندی به نمایش می‌گذارند. بهبود چگالی و طراحی ترانزیستورها همان چیزی است که برای ۴۰ سال شعار «بهتر، سریع‌تر، ارزان‌تر» را به پیش می‌راند. اما ترانزیستورها تنها قسمت طراحی CPU نیستند که می‌توانند از پیشرفت فناوری‌های اساسی سود ببرند. تیمی از پژوهشگران دانشگاه استنفورد باور دارند که می‌توان یکی از مشکل‌های بحرانی در چیپ‌های مدرن را حل کرد: ساخت ساختارهای اتصالی از مس و گرافن (به جای استفاده از مس).

پردازنده‌های مدرن با استفاده از سیم‌های مسی یا «اتصالات» به هم وصل شده‌اند. این سیم‌های مسی باریک، دیتا را در سراسر پردازنده و SoC منتقل می‌کند. آی‌بی‌ام و موتورولا اتصالات مسی را در ۱۹۹۷ معرفی کردند، راهی که اینتل نیز در پیش گرفت. در سال ۲۰۰۰، پردازنده‌های اینتل نزدیک به یک کیلومتر اتصالات مسی در هر سانتی‌متر مکعب داشتند. اکنون، در سال ۲۰۱۷، چیپ‌های ۱۴ نانومتری نزدیک به ۱۰ کیلومتر از سیم‌های مسی را در همان فضا جا داده‌اند.

مشکل سیم‌های مسی این است که شما نمی‌توانید به همان طریقی که اندازه‌ی ترانزیستور را مقیاس‌بندی می‌کنید، سیم‌های اتصالات را نیز مقیاس‌بندی کنید. هرچقدر سیم کوچک‌تر می‌شود، میزان جریان در سطح سیم (چگالی جریان) نیز افزایش می‌یابد. افزایش چگالی جریان به معنای افزایش مقاومت و افزایش مقاومت به معنای افزایش دما است. تأثیرات دقیق این مورد با توجه به طراحی پردازنده، طرح و طول سیم متغیر است. اتصالات محلی چندان از این مورد آسیب نمی‌بینند؛ زیرا فاصله‌ی بین آن‌ها کوتاه است. اما اتصالات موسوم به جهانی (گلوبال) که مناطق مختلف چیپ را به یکدیگر متصل می‌کنند، می‌توانند به‌طور قابل ملاحظه‌ای تأثیرپذیرند.

کوچک کردن یک سیم به این معنا است که شما مقدار فلز در دسترس برای جریان یافتن الکترون‌ها را کاهش داده‌اید. دو لوله را با قطر یک فوت و ۱۰۰ فوت تصور کنید. هر نرخ جریانی که در نظر بگیرید (برحسب گالن بر دقیقه)، آب باید با سرعت بالاتری از لوله‌ی کوچک‌تر بگذرد. این امر باعث می‌شود که هم اصطکاک درون لوله و هم تلاطم آب جریان یافته داخل آن افزایش یابد. در سیم‌ها هم همین اتفاق می‌افتد. انتقال مقدار مشخصی جریان در سیم کوچک‌تر، مقاومت و در نتیجه دما را افزایش می‌دهد.

تأثیر تأخیر مقاومت خازن با استفاده از نودهای کوچک‌تر افزایش می‌یابد.

تأخیر مقاومت خازن افزایش‌یافته (تأخیر RC)، مشکلی رو به گسترش است. تأخیر مقاومت خازن میانگین از فناوری ۴۵ نانومتر تا ۲۲ نانومتر به میزان ۷.۶ درصد افزایش یافته است. از فناوری ۲۲ نانومتر تا ۱۱ نانومتر، ۲۱.۸ درصد افزایش مقاومت داشته‌ایم و در فناوری‌های ۱۱ نانومتر تا ۷ نانومتر، این افزایش ۴۸ درصد بوده است. نمودار بالا رشد تخمینی تأخیر مقاومت خازن را در هنگام به‌کارگیری نودهای نیمه‌رسانا نشان می‌دهد. در همین حین، سیم‌های مسی آن‌قدر باریک شده‌اند که مهاجرت الکترون‌ها، اتم‌های آن‌ها را کنار می‌زند و باعث شکستن سیم می‌شود:

cpu-geraphen

برای مقابله با این مشکل، پیش از این اضافه کردن کبالت به مس آزمایش شده بود و موفقیت‌آمیز بود. گرافن نیز می‌تواند روش موفقی باشد. تیمی پژوهشی در استنفورد به سرپرستی اچ. اس. فیلیپ وانگ نشان داده است که پوشش سیم‌های مس با گرافن می‌تواند عملکرد آن‌ها را به‌شدت بهبود بخشد. گرافن می‌تواند با لایه‌ی CoWP سه نانومتری (استاندارد صنعتی) تطبیق یابد و از مهاجرت‌های الکترونی مضر و صدمات مرتبط با آن جلوگیری کند.

مس پوشیده شده با گرافن می‌تواند از نفوذ مس به دی‌الکتریک (لایه‌ی عایق) و از کار افتادن آن جلوگیری کند. لینگ لی، نویسنده‌ی اول یکی از مقالات اخیر در این موضوع است. یکی از مهم‌ترین یافته‌های او این است که گرافن می‌تواند در دماهای زیر ۴۰۰ درجه‌ی سانتی‌گراد، به‌طور مستقیم بر لایه‌های مس الگودار، نشانده و یکپارچه شود. این یافته، قدمی مهم و روبه‌جلو است؛ زیرا روش‌های پیشین نشاندن گرافن روی سیم مسی با پروسه‌ی ریخته‌گری سنتی BEOL ناسازگار بودند. پیوند گرافن اضافه‌شده، از مهاجرت الکترون‌ها به‌وسیله‌ی ساخت یک سطح برخورد تازه بین مس و گرافن جلوگیری می‌کند و به جریان اجازه می‌دهد که علاوه بر سیم مسی، از گرافن نیز بگذرد.

ضخامت گرافن در هر لایه فقط ۰.۳ میلی‌متر است. سیم‌های گرافنی ساخته‌شده فقط نیمی از مقاومت سیم‌های بدون گرافن را نشان می‌دهند. این امر بدین معنا است که عملکرد آن‌ها به نحو قابل توجهی افزایش و مصرف برق آن‌ها کاهش می‌یابد.

البته گرافن نیز مشکلاتی دارد؛ هم تولید آن در حجم‌های زیاد و هم کار کردن با آن بسیار مشکل است. با کاهش اندازه‌ی نودها و مشکل‌سازتر شدن تأخیر مقاومت خازن، صنعت باید راه حل‌های خوبی آماده کند تا بتواند به فناوری ۵ نانومتر و کمتر دست یابد. فناوری‌هایی مانند این مورد می‌توانند راهی رو به‌ جلو باز کنند و به سبب کاهش مصرف برق و عملکرد بهبودیافته‌ی SoC پیشرفتی بزرگ برای سازندگان چیپ‌ها محسوب می‌شوند. گرچه از استفاده‌ی تجاری از این فناوری فاصله‌ی زیادی داریم، اما کشف‌هایی این‌چنینی ما را در مسیری صحیح قرار می‌دهند.