04:12 val. Švariojoje zonoje „Fab-32“ gamybinėje salėje oro slėgis palaikomas 20 Pa virš atmosferos, tačiau tai tik paviršutiniška ramybė. Priešais mane stovi „Gate-All-Around“ (GAA) tranzistorių architektūros formavimo įrenginys, kurio „nanolapų“ (nanosheets) struktūros formavimas reikalauja selektyvaus etchaus proceso, kai vandenilio bromido (HBr) srautas bombarduoja silicio-germanio (SiGe) sluoksnius 1500 W radiofrekvencinio lauko aplinkoje. Kiekvienas šio lauko virpesys yra tarsi plaktuko smūgis į atomų jungtis, kurios privalo išlikti nepažeistos, kol gretimos medžiagos pašalinamos su 0,5 nanometro tikslumu.
GAA tranzistoriaus kanalo vidinė matrica, sudaryta iš vertikaliai išdėstytų silicio kanalų, patiria didžiulį terminį ciklą. Kai įrenginys pereina į aktyvią būseną, srovės tankis kanale pasiekia 10 MA/cm² ribą, generuodamas vietinę šilumą, kurią privalo išsklaidyti vos kelių atomų storio dielektrinis barjeras. Šis barjeras, pagamintas iš hafnio oksido (HfO2), turi atlaikyti 1,2 V įtampą, kuri tokioje mažoje erdvėje sukuria elektrinį lauką, stipresnį už bet kokią pramoninę izoliaciją, verčiantį atomų elektronų debesis deformuotis iki pat kvantinės nestabilumo ribos.
09:45 val. Stebiu „Back-side Power Delivery“ (BSPDN) testavimo rezultatus. Elektros srovės tiekimas per galinę plokštelės pusę yra inžinerinis sprendimas, skirtas išvengti signalo trukdžių viršutiniuose metalizacijos sluoksniuose, tačiau jis sukuria naują problemą: metalinių jungčių (vias) terminį plėtimąsi. Kai per 50 nanometrų skersmens varinius stulpelius praleidžiama 2 A srovė, medžiagos vidinė įtampa šokteli iki 400 MPa, sukeldama mikroskopinius įtrūkimus, kuriuos užfiksuoti pavyksta tik per rentgeno tomografiją, nes vizualiai procesas lieka visiškai inertiškas.
Metalinių jungčių „dejavimas“, kurį inžinieriai stebi per akustinius jutiklius, yra tiesioginis elektronų srauto sukeltas kristalinės struktūros atominis drebulys. Kai elektronai, judėdami 10⁶ m/s greičiu, atsitrenkia į vario jonus, jie sukelia fononų emisiją, kuri virsta 85 decibelų (nors ir ne girdimu, bet vibruojančiu) triukšmu pačioje silicio plokštelėje. Šis „metalo skausmas“ yra neišvengiamas šalutinis poveikis, kai bandome suvaldyti energiją erdvėje, kuri yra mažesnė už viruso apvalkalą.
14:20 val. Esu prie fotolitografijos kameros, kurioje naudojama 13,5 nm bangos ilgio šviesa. Šio spindulio energija yra tokia koncentruota, kad, sutikus dulkelę, įvyksta momentinė sublimacija, generuojanti 3000 K temperatūrą per nanosekundę. Tai nėra tiesioginis spinduliavimas, tai – plazmos formavimasis vakuumo kameroje, kurios viduje slėgis nukrenta iki 10⁻⁹ mbar. Veidrodžiai, dengti molibdeno ir silicio daugiasluoksnėmis dangomis, atspindi 70 % fotonų, tačiau likusi energija virsta šiluma, kurią privalu kompensuoti kriogeniniu aušinimu, palaikančiu 22 °C paviršiaus temperatūrą su 0,01 °C tikslumu.
Hafnio oksido sluoksnis, naudojamas kaip vartų izoliatorius, yra techninis paradoksas. Jo kristalinė struktūra privalo būti amorfine, kad būtų išvengta nuotėkio srovių, tačiau po daugybinių ciklų jis linksta kristalizuotis, sukeldamas „dielektrinį gedimą“. Kai įtampa pasiekia 1,5 V, atominis tinklas praranda gebėjimą sulaikyti elektronų tuneliavimą. Tai veda į katastrofišką grandinės trumpėjimą, kurio neįmanoma atitaisyti, nes medžiagos fazinis virsmas yra termodinamiškai negrįžtamas procesas.
19:10 val. Analizuojame litografijos „overlay“ paklaidas. Kai viena sluoksnio dalis turi būti suderinta su kita 1,5 nanometro tikslumu, bet kokia 0,001 laipsnio vibracija pagrindo plokštėje sukelia kaskadinį neatitikimą. Ši vibracija, atsirandanti dėl netoliese esančių gamyklos siurblių, yra slopinama aktyviais pjezoelektriniais aktuatoriais, kurie atlieka 5000 korekcijų per sekundę. Tai primena bandymą subalansuoti adatą ant adatos galiuko, esant nuolatiniam žemės drebėjimui.
Varinės jungtys, sujungiamos su silicio paviršiumi, patiria elektro-migracijos reiškinį. Kai srovės tankis viršija 1 MA/cm², metalo atomai pradeda fiziškai migruoti iš vienos vietos į kitą, palikdami tuštumas (voids) jungtyse. Šis atominis „bėgimas“ iš esmės reiškia, kad procesorius yra gyvas organizmas, kuris nuolat keičiasi ir degraduoja nuo pat pirmosios sekundės, kai į jį paleidžiama pirmoji įtampa. Mes nesukuriame statiško įrenginio; mes sukonstruojame sistemą, kuri pradeda mirti nuo pirmojo takto.
23:05 val. Paskutinis patikrinimas rodo, kad „back-side“ maitinimo linijos pasiekė 99,8 % vientisumą. Tačiau 0,2 % defektų, kurie atrodo kaip nereikšmingi, sukelia vietinį 150 °C karščio tašką, kuris veikia kaip „terminė bomba“ visai plokštelei. Ši šiluma sukelia plečiamąjį įtempį, kuris per kelias valandas suardo gretimus tranzistorius. Tai fizikinis atsparumo limitas – mes pasiekėme tašką, kuriame medžiagų stipris nebegali atlaikyti joms tenkančio energijos tankio.
Mes dirbame su medžiagomis, kurios, būdamos nanometrų skalėje, elgiasi ne pagal Niutono dėsnius, o pagal tikimybių teoriją. Kiekvienas tranzistorius yra tik spėjimas apie elektronų buvimo vietą. Kai šių spėjimų reikia atlikti trilijonus per sekundę, statistinė paklaida neišvengiamai tampa sistemos dalimi. Tai nėra klaida, tai – fundamentalus sistemos parametras, kurio neįmanoma pašalinti be visiškos architektūrinės transformacijos.
02:40 val. Vakuuminės kameros siurbliai dirba maksimaliu 4000 l/s pajėgumu. Visas procesas yra subalansuotas ant „kristalinės struktūros“ trapumo. Jei slėgis kameroje šokteli bent 10⁻⁷ mbar, deguonies molekulės sureaguoja su siliciu, sukurdamos silicio dioksido „šiukšles“, kurios sugadina visą nanolapų architektūrą. Ši jautrybė reiškia, kad gamyba vyksta ne švarioje patalpoje, o visiškai izoliuotoje, nuo realybės atskirtoje erdvėje, kurioje menkiausias aplinkos pokytis yra mirtinas.
Šiuolaikinis procesorius yra įtemptas iki fizinių ribų, kur atomų atstumas tarp metalo jungčių yra vos 10 nanometrų. Padidinus įtampą vos 5 %, elektrinis laukas peršoka izoliacinį barjerą ir sukelia „arkinį“ gedimą. Tai yra technologinė riba, kurioje energijos kiekis, reikalingas informacijai apdoroti, susiduria su medžiagos gebėjimu tą energiją išlaikyti. Mes esame uždaryti į paradoksą: kuo galingesnį įrenginį kuriame, tuo greičiau jis pasiekia savo entropinę pabaigą.
Baigiamasis inžinerinis faktas: puslaidininkių gamyboje „išeiga“ (yield) – sėkmingai veikiančių vienetų skaičius – yra tiesiogiai atvirkščiai proporcinga integracijos tankiui. Kai pasiekiame 3 nanometrų lygį, kiekvienas papildomas tranzistorius padidina tikimybę, kad bent vienas atomas vidinėje matricoje bus pasislinkęs iš savo vietos. Ši atominė dislokacija yra pagrindinis sistemos stabdys, kurio negali išspręsti nei dirbtinis intelektas, nei geresni algoritmai, nes tai yra fizinės realybės nustatyta riba, kurioje tikslumas tampa neįmanomas.