معماری تراشه A16 تی‌اس‌ام‌سی با انتقال برق از پشت برای پردازنده‌های هوش مصنوعی نسل بعد رونمایی شد

تی‌اس‌ام‌سی با موفقیت فناوری فرآیند A16 خود را تأیید کرد و ورود قطعی خود را به «عصر آنگستروم» در تولید نیمه‌رساناها رقم زد. فرآیند A16 که تولید انبوه آن برای سه‌ماهه چهارم سال ۲۰۲۶ برنامه‌ریزی شده است، صرفاً کاهش سنتی در اندازه ترانزیستور نیست. در عوض، این فرآیند نشان‌دهنده بازطراحی اساسی نحوه دریافت برق توسط ریزتراشه است. تی‌اس‌ام‌سی با انتقال شبکه توزیع برق به پشت ویفر سیلیکونی، در حال حل یک ترافیک فیزیکی است که پیشرفت پردازنده‌های هوش مصنوعی نسل بعد را تهدید می‌کرد.[1][4]

برای درک این پیشرفت، باید به فضای میکروسکوپی یک ریزتراشه مدرن نگاه کرد. برای دهه‌ها، هم سیم‌هایی که برق (توان) را تأمین می‌کنند و هم سیم‌هایی که داده‌ها (سیگنال‌ها) را منتقل می‌کنند، روی ترانزیستورها در قسمت جلویی ویفر سیلیکونی لایه‌بندی شده‌اند. با کوچک شدن ترانزیستورها به مقیاس‌های اتمی، این بزرگراه‌های میکروسکوپی به طرز باورنکردنی شلوغ شده‌اند. خطوط برق و خطوط سیگنال مجبورند برای همان فضای بسیار کوچک با هم رقابت کنند.[2][5]

این تراکم یک مشکل جدی به نام «افت IR» ایجاد می‌کند. با نازک‌تر و فشرده‌تر شدن سیم‌های برق، مقاومت الکتریکی آن‌ها افزایش می‌یابد. تا زمانی که برق از پیچ و خم سیم‌کشی عبور کرده و به ترانزیستور برسد، مقدار قابل توجهی از ولتاژ به دلیل مقاومت از دست می‌رود. برای تراشه‌های با عملکرد بالا که به جریان‌های عظیم و آنی برق نیاز دارند، این افت ولتاژ ترانزیستورها را از انرژی محروم کرده، سرعت آن‌ها را محدود می‌کند و گرمای ناخواسته تولید می‌کند.[2][7]

راه‌حل تی‌اس‌ام‌سی فناوری‌ای به نام «ریل توان فوق‌العاده» (Super Power Rail یا SPR) است که پیاده‌سازی اختصاصی مفهومی به نام انتقال برق از پشت (backside power delivery) است. به جای اینکه برق و داده مجبور به اشتراک‌گذاری جلوی تراشه باشند، A16 کل شبکه توزیع برق را به پشت ویفر منتقل می‌کند. اتصالات میکروسکوپی ویژه‌ای که به عنوان تماس‌های پشتی شناخته می‌شوند، از طریق سیلیکون حفر می‌شوند تا برق را مستقیماً به پایه ترانزیستورها برسانند.[3][6]

این جداسازی معماری شبیه به انتقال لوله‌های تأسیساتی یک شهر به یک سیستم تونل زیرزمینی اختصاصی است، که خیابان‌های سطحی را کاملاً برای ترافیک آزاد می‌گذارد. با جابجایی شبکه برق حجیم، قسمت جلویی تراشه تقریباً به طور کامل برای مسیریابی سیگنال داده آزاد می‌شود. این امر به مهندسان اجازه می‌دهد تا مسیرهای کوتاه‌تر و مستقیم‌تری برای حرکت داده‌ها طراحی کنند، که به طور قابل توجهی تأخیر (latency) را کاهش داده و کارایی کلی مدارهای منطقی را بهبود می‌بخشد.[2][3]

مزیت فوری ریل توان فوق‌العاده، کاهش چشمگیر افت IR است. از آنجایی که خطوط برق پشتی مجبور به رقابت برای فضا نیستند، می‌توانند پهن‌تر و ضخیم‌تر ساخته شوند و مسیری با کمترین مقاومت برای برق فراهم کنند. این تضمین می‌کند که ترانزیستورها دقیقاً زمانی که به آن نیاز دارند، منبع تغذیه پایدار و فراوانی دریافت کنند، که برای حجم کاری سنگین مورد نیاز محاسبات مدرن حیاتی است.[2][8]

در کنار ریل توان فوق‌العاده، فرآیند A16 یک نوآوری بزرگ دیگر را معرفی می‌کند: ترانزیستور نانوشیت «گیت فراگیر» (Gate-All-Around یا GAAFET). در دهه گذشته، استاندارد صنعتی FinFET بوده است، طرحی که در آن کانال ترانزیستور مانند یک باله سه‌بعدی ایستاده و گیت جریان الکترون‌ها را از سه طرف کنترل می‌کند. با این حال، با کوچک شدن قطعات به زیر سه نانومتر، حتی FinFETها نیز برای جلوگیری از نشت الکترون‌ها در زمانی که قرار است ترانزیستور خاموش باشد، دچار مشکل می‌شوند.[2][6]

معماری GAAFET این مشکل را با شکل دادن کانال رسانا به نوارهای میکروسکوپی یا نانوشیت‌ها حل می‌کند. سپس مواد گیت به طور کامل دور هر چهار طرف کانال پیچیده می‌شود. اگر FinFET مانند گرفتن یک شلنگ آب با سه انگشت باشد، GAAFET مانند پیچیدن کل دست به دور آن است. این کنترل ۳۶۰ درجه‌ای به شدت نشت الکترون را کاهش می‌دهد و به ترانزیستور اجازه می‌دهد با دقت و بهره‌وری انرژی بسیار بیشتری روشن و خاموش شود.[2][4]

هنگامی که ریل توان فوق‌العاده و ترانزیستورهای GAAFET ترکیب می‌شوند، دستاوردهای عملکردی قابل توجهی حاصل می‌شود. طبق داده‌های تأیید تی‌اس‌ام‌سی، فرآیند A16 افزایش ۸ تا ۱۰ درصدی در سرعت محاسباتی را ارائه می‌دهد در حالی که همان مقدار برق نسل قبلی N2P را مصرف می‌کند. متناوباً، اگر یک طراح تراشه بخواهد عمر باتری یا مدیریت حرارتی را در اولویت قرار دهد، A16 می‌تواند مصرف برق را ۱۵ تا ۲۰ درصد کاهش دهد در حالی که همان سرعت عملیاتی را حفظ می‌کند.[4][8]

فراتر از سرعت و توان، بازسازی ساختاری همچنین منجر به بهبود قابل توجهی در تراکم فیزیکی می‌شود. از آنجایی که مسیریابی سیگنال جلویی دیگر توسط خطوط برق مسدود نمی‌شود، مهندسان می‌توانند ترانزیستورها را نزدیک‌تر به هم بسته‌بندی کنند. فرآیند A16 افزایش ۸ تا ۱۰ درصدی در تراکم تراشه را ارائه می‌دهد و به طراحان اجازه می‌دهد هسته‌های محاسباتی و حافظه‌های کش بیشتری را در همان فضای فیزیکی جای دهند.[3][4]

این بهبودهای خاص دقیقاً برای صنعت هوش مصنوعی طراحی شده‌اند. شتاب‌دهنده‌های هوش مصنوعی، مانند آن‌هایی که توسط انویدیا و گوگل طراحی شده‌اند، در حال حاضر پرمصرف‌ترین پردازنده‌های روی کره زمین هستند. آموزش مدل‌های زبان بزرگ به جریان‌های سوئیچینگ همزمان عظیم و شبکه‌های برق بسیار متراکم نیاز دارد. محدودیت‌های فیزیکی انتقال برق از جلو به یکی از گلوگاه‌های اصلی تبدیل شده است که عملکرد این غول‌های هوش مصنوعی را محدود می‌کند.[5][7]

A16 با حذف مجازی افت IR و آزاد کردن فضای مسیریابی، دقیقاً زیرساخت سخت‌افزاری مورد نیاز هوش مصنوعی نسل بعد را فراهم می‌کند. تأمین برق پایدار به بلوک‌های منطقی با استفاده بالا اجازه می‌دهد تا با حداکثر ظرفیت کار کنند بدون اینکه از نظر ولتاژ دچار کمبود شوند، در حالی که مسیریابی سیگنال متراکم‌تر امکان انتقال سریع‌تر داده‌ها بین هسته‌های پردازنده و بانک‌های حافظه آن را فراهم می‌کند.[3][5]

تی‌اس‌ام‌سی تنها شرکت ریخته‌گری نیست که برای پیاده‌سازی این فناوری در حال رقابت است. اینتل به شدت در حال توسعه سیستم انتقال برق از پشت خود به نام PowerVia بوده که اوایل سال جاری در آزمایش‌ها رونمایی شد. سامسونگ نیز در حال آماده‌سازی معماری مشابهی برای فرآیند آتی SF2Z خود است. انتقال به برق‌رسانی از پشت به طور جهانی به عنوان گام اجباری بعدی برای زنده نگه داشتن قانون مور در عصر آنگستروم شناخته می‌شود.[2][7]

با این حال، تی‌اس‌ام‌سی یک مزیت استراتژیک متمایز در نحوه پیاده‌سازی این فناوری مهندسی کرده است. از لحاظ تاریخی، اتخاذ یک معماری رادیکال جدید مانند انتقال برق از پشت، طراحان تراشه را ملزم می‌کرد که کتابخانه‌های سلولی استاندارد و روش‌های طراحی خود را به طور کامل بازنگری کنند. به عنوان مثال، PowerVia اینتل در طول مرحله آزمایش خود نیاز به اصلاحات قابل توجهی در معماری سلولی زیربنایی داشت.[2][4]

در مقابل، تی‌اس‌ام‌سی فرآیند A16 را طوری طراحی کرد که تراکم گیت و انعطاف‌پذیری طراحی فرآیند N2P قبلی خود را حفظ کند. تی‌اس‌ام‌سی با انجام حداقل تنظیمات در ساختار جلویی، تضمین می‌کند که A16 با طرح‌های تراشه موجود سازگاری بالایی داشته باشد. این استراتژی از میلیاردها دلاری که شرکت‌هایی مانند اپل، AMD و انویدیا قبلاً در اکوسیستم‌های طراحی خود سرمایه‌گذاری کرده‌اند، محافظت می‌کند و مانع ورود به فرآیند جدید را کاهش می‌دهد.[4][6]

با وجود تأیید موفقیت‌آمیز، تولید فیزیکی انتقال برق از پشت یک چالش مهندسی فوق‌العاده باقی می‌ماند. برای نمایان شدن پشت ترانزیستورها، ویفر سیلیکونی باید تا کسری از ضخامت اصلی خود – اغلب کمتر از ۳۰ میکرومتر – سابیده شود. این ویفر فوق‌العاده شکننده باید سپس با دقت میکروسکوپی کاملاً تراز شود تا اتصالات برق پشتی به ترانزیستورهای در مقیاس نانومتری در جلو متصل شوند.[2][3]

صنعت به دقت توانایی تی‌اس‌ام‌سی در مدیریت این پیچیدگی تولید در مقیاس را زیر نظر دارد. کنترل نازک‌سازی ویفر، دقت تراز پشتی و نرخ بازده کلی، قابلیت تجاری فرآیند A16 را تعیین خواهد کرد. در حالی که تی‌اس‌ام‌سی سابقه اثبات شده‌ای در تسلط بر افزایش تولید پیچیده دارد، عصر آنگستروم هیچ حاشیه خطایی باقی نمی‌گذارد.[1][5]

با شروع تولید آزمایشی و برنامه‌ریزی تولید انبوه برای اواخر سال ۲۰۲۶، انتظار می‌رود اولین دستگاه‌های مصرفی و سرورهای هوش مصنوعی سازمانی که از تراشه‌های A16 استفاده می‌کنند، در سال ۲۰۲۷ وارد بازار شوند. تی‌اس‌ام‌سی با جداسازی اساسی برق از داده، نه تنها ترانزیستور را کوچک کرده است؛ بلکه معماری فیزیکی محاسبات را بازآفرینی کرده و تضمین می‌کند که سخت‌افزار می‌تواند تقاضاهای سیری‌ناپذیر انقلاب هوش مصنوعی را برآورده کند.[1][7]