Трехмерные чипы
Трудно представить, как бы выглядела наша жизнь, если бы в середине 20 века не был изобретен транзистор. C тех пор, не без участия Intel, в полупроводниковой индустрии было совершено несколько прорывов. И вот самый свежий из них - создание трехмерного транзистора. Подробности о том, что это такое и зачем оно нужно
В современных высоких технологиях нет более значимого изобретения, чем транзистор, созданный 64 года назад. Практически все электронные устройства, существующие сегодня, оснащены транзисторами: мобильные телефоны, компьютеры, бытовая техника, автомобили, космические корабли и медицинские приборы. Полевой транзистор - самый маленький двухпозиционный переключатель в мире. С его помощью в компьютерах обрабатывается информация; именно он проложил дорогу цифровым технологиям. Первый транзистор (его размеры были достаточно велики), созданный в 1947 г. в лабораториях Bell, собирали вручную. Сегодня более 6 млн транзисторов Tri-Gate от Intel можно уместить в точке, напечатанной в конце этого предложения.
Улучшение свойств транзисторов потребовало новых инноваций. Одними из последних выдающихся решений стали структуры, созданные Intel на основе использования напряженного кремния (2003 г.) металлических затворов и подзавторного слоя на основе диоксида гафния (High-K, 2007 г.).
В мае 2011 г. Intel объявила об успехе в реализации транзисторов на основе трехмерной, а не плоскостной (планарной) организации.
Включить/выключить
Изобретение транзистора в 1947 г. стало одним из главных событий минувшего века. «Жучок», как любовно назвали его специалисты, вначале использовался лишь для усиления аудиосигналов. Поэтому в 50-е годы XX в. радиоприемники называли транзисторными, или «транзисторами». Но в самое широкое применение «жучки» получили именно в виде двоичных переключателей (триггеров) микросхем.
Сотни миллионов транзисторов используются в чипах, на основе которых работает бытовая электроника. Ни один чип не сможет функционировать без них, и ни один компьютер - без таких чипов. Транзистор - главное технологическое достижение последних 60 лет.
Транзисторы в процессорах управляют хранением и обработкой кодированных единиц и нулей. Это используется для обработки текстов, воспроизведения DVD и демонстрации изображений. Транзистор на базе 22-нм техпроцесса выполняет 100 млрд переключений в секунду. Чтобы столько раз включить и выключить свет (со скоростью самого умелого человека), потребуется 2000 лет.
Gate
Затвор
Gate oxide
Подзатворный диэлектрик
Source
Исток
Channel
Канал
Drain
Сток
Изобретение транзистора приписывается трем сотрудникам лаборатории Bell: Джону Бардину (John Bardeen), Вальтеру Браттайну (Walter Brattain) и Вильяму Шокли (William Shockley). В 1956 году они получили Нобелевскую премию за заслуги в области химии. Название транзистору придумал Джон Р. Пирс (John R. Pierce), научный сотрудник знаменитой Bell Telephone Laboratories. В мае 1948 г. компания остановилась не его варианте - это было самое удачное название для изобретения, которому в тот момент насчитывалось шесть-семь месяцев от роду. Название является комбинацией слов «transconductance» (крутизна характеристики) и «variable resistor» («varistor») (переменный резистор, варистор).
Рок-н-ролл
В 1947 г. Бардин и Браттайн создали первый точечно-контактный транзистор. Чтобы ускорить его эволюцию, лаборатория Bell ввела лицензию на использование этой технологии. 26 компаний, включая IBM и General Electric, приобрели ее по цене $25000. Первое транзисторное радио (на основе 4-х транзисторов) появилось в октябре 1954 г. и породило музыкальную революцию (рок-н-ролл).
Интегральная схема
К концу 50-х гг. транзистор нашел применение в радио, телефонах и компьютерах, правда, хоть он и был намного меньше электронной лампы, размеры не позволяли создать новое поколение электронных устройств. В 1958 г. Джек Килби (Jack Kilby, Texas Instruments) и Роберт Нойс (Robert Noyceб Fairchild Semiconductor) обнаружили, что много транзисторов можно вместить в одну интегральную схему, или чип. У чипов было два преимущества: низкая стоимость и более высокие рабочие характеристики. Гордон Мур (Gordon Moore), совместно с Нойсом в 1968 г. основавший Intel, сделал в 1965 г. прогноз, известный как «закон Мура». Согласно ему количество транзисторов в чипе будет удваиваться каждые два года, что приведет к повышению вычислительной мощности. Множество мелких компонентов, разместившиеся на небольшой площади, стали тем фактором, который предопределил победное шествие чипа.
Производители чипа обеспечивали его экспоненциальный рост в течение 40 лет. Первый чип Intel (4004) был изготовлен в 1971 г. и содержал 2300 транзисторов. К 2000 г. процессор Pentium обладал 42 млн. транзисторов. А семейство Intel Core 2011 г. насчитывает около миллиарда транзисторов на одном кристалле.
Заигрывая с атомами
Для обеспечения экспоненциального роста согласно закону Мура транзисторы должны уменьшаться в два раза каждые 24 месяца. Это привело к тому, что толщина одного из важнейших элементов транзистора - слоя изоляции из диоксида кремния (SiO2) между затвором и каналом, по которому проходит ток - была доведена до предела. С каждым новым поколением чипов этот слой истончался: в 65-нм узле его толщина составляла лишь 1,2 нм, или 5 атомов. Инженеры Intel при всем желании просто не могли убрать хотя бы еще один атом. Тем более что по мере истончения изоляционного слоя увеличивался риск возникновения утечки тока в транзистор - в результате чип начинает потреблять все больше энергии и перегревается.
Metal
Металл
Silicon
Кремний
Invented SiGe Strained Silicon
Изобретен напряженный кремний SiGe
2nd Gen. SiGe Strained Silicon
2-е поколение напряженного кремния SiGe
High-k Metal Gate
Металлический затвор High-k-Metal
2nd Gen. Gate-Last High-k Metal Gate
2-е поколение транзисторов с металлическим затвором High-k-Metal
First to Implement Tri-Gate
Представлен транзистор Tri-Gate
90 nm
90-нм (остальные цифры - аналогично)
Фундаментальное ограничение
«Подтекающий» транзистор представлял проблему для промышленности. Решение было найдено: утолщение изоляционного слоя путем добавления атомов других материалов. В январе 2007 г. Intel объявила, что впервые за 40 лет изоляционный слой будет изготавливаться не из диоксида кремния, а из диоксида гафния. Это уменьшает утечки тока на 10 %. Гордон Мур назвал это решение «самым значительным изменением а строении транзисторов с конца 60-х годов».
3D: заново изобретенный транзистор
В мае 2011 г. Intel объявляет о нововведении в производстве транзисторов - их релизации на основе трехмерной структуры. Впервые с момента появления кремниевых транзисторов Intel начнет в массовое производство транзисторов с трехмерной конструкцией (Tri-Gate) в 22-нм чипе с кодовым названием Ivy Bridge.
Транзистор Intel 3D Tri-Gate
3D Tri-Gate - это обновленная версия транзистора: на смену традиционному «плоскому» затвору с планарной структурой пришла невероятно тонкая трехмерная кремниевая пластина, устанавливаемая перпендикулярно кремниевому субстрату. Прохождение тока контролируют затворы, расположенные на гранях пластины: по два с каждой стороны и один сверху (в «плоских» транзисторах использовался только затвор сверху).
Drain
Сток
Gate
Затвор
Source
Исток
Oxide
Оксид
Silicon Substrate
Кремниевый субстрат
Дополнительный контроль обеспечивает максимальную величину потока тока во включенном состоянии и приближенную к нулю - в выключенном. В результате сокращается потребление энергии и ускоряется их переключение.