Размеры транзистора: «Какой минимальный размер у транзистора?» – Яндекс.Кью

Что такое 10 нм, 7 нм или 5 нм в смартфоне? Техпроцесс для «чайников»

Последнее обновление:12 месяцев назад

Оценка этой статьи по мнению читателей:

Появление этой статьи на Deep-Review было лишь вопросом времени. Многие читатели задавали одни и те же вопросы, суть которых сводилась к следующему: что реально отражает эта цифра (12, 10, 7 или 5 нм) в технических характеристиках смартфонов, где в процессоре те самые 5 нанометров? Что вообще такое техпроцесс и какой процессор лучше выбрать?

Даже в современных печатных книгах сплошь и рядом встречается распространенное заблуждение, будто эти цифры означают размеры транзисторов, из которых состоит процессор.

В общем, пришло время разобраться с этим вопросом!

Сразу предупреждаю, что статья рассчитана на самый широкий круг читателей, то есть, при желании все сказанное смогут понять даже дети.

Но прежде, чем говорить о нанометрах и техпроцессе, нужно разобраться с транзистором. Без понимания этого устройства весь наш дальнейший разговор будет лишен смысла.

Что такое транзистор в процессоре смартфона? Как он работает и зачем вообще нужен?

Транзистор — это основа любого процессора, памяти и других микросхем. Он представляет собой крошечное устройство, способное работать в двух режимах: усиления или переключения электрического сигнала. Нас интересует именно режим переключателя.

Основа любой вычислительной техники — это единички и нолики. Просмотр видео на смартфоне, прослушивание музыки, дополненная реальность и нейронные сети — все это работает на «единичках и ноликах»:

• Единица — есть ток
• Ноль — нет тока

Именно для получения единиц и нулей мы используем транзисторы. Когда из этого миниатюрного устройства выходит ток, мы говорим, что это единица, когда нет никакого электрического сигнала — получаем ноль.

Соответственно, один транзистор — это совершенно бесполезная ерунда, которая не сможет сделать ничего. Даже, чтобы посчитать 2+2 нам нужны десятки транзисторов.

Итак, для создания транзистора мы берем немножко песка (условно какую-то часть одной песчинки) и делаем из него микроскопическую основу:

Это будет наша кремниевая подложка (кремний получают именно из песка). Теперь нужно на эту основу нанести две области. Я думал, стоит ли погружаться в физику этого процесса и объяснять, как эти области делаются и что там происходит на уровне электронов, но решил не перегружать статью излишней информацией. Поэтому будем немножко абстрагироваться.

Итак, делаем две области: в одну ток подаем (вход в транзистор), а из другой — считываем (выход):

Мы сделали эти области внутри кремниевой подложки таким образом, чтобы ток не смог пройти от входа к выходу. Он будет останавливаться самим кремнием (показан зеленым цветом). Чтобы ток смог пройти от входа к выходу по поверхности кремниевой подложки, нужно сверху разместить проводящий материал (скажем, металл) и хорошенько его изолировать:

А теперь самое важное! Когда мы подадим напряжение на этот изолированный кусочек металла, размещенный над кремниевой подложкой, он создаст вокруг себя электрическое поле. Изоляция никак не будет влиять на действие этого электрического поля. И здесь происходит вся «магия»: слой кремния под действием этого электрического поля начинает проводить ток от входа к выходу! То есть, когда мы подаем напряжение, ток может легко протекать между двумя областями:

Вот и все! Осталось дело за малым — подключить «провода» (электроды) ко входу, выходу и кусочку изолированного металла, с помощью которого мы и будем включать/выключать транзистор. Назовем их так:

• Вход — Исток
• Выход — Сток
• Металл с изоляцией — Затвор

МОП-транзистор

Для закрепления материала немножко поиграемся с этим транзистором.

Итак, транзистор находится под напряжением, то есть, электричество подается на исток. Но на затворе тока нет, так как на наш транзистор не «пришла единица». Соответственно затвор «закрыл» транзистор и ток по нему пройти дальше не сможет, так что и на выходе из транзистора мы получаем ноль:

Теперь ситуация изменилась и на затворе транзистора появилось напряжение, которое создало электрическое поле, позволившее току пройти через транзистор от истока к стоку. Как результат — транзистор выдал единицу (есть электрический сигнал):

Вот так все просто! То есть, основное напряжение поступает на вход ко всем транзисторам, но будет ли каждый конкретный транзистор пропускать этот ток дальше — зависит от незначительного напряжения на затворе. Это напряжение может появляться, например, когда другой транзистор, подключенный к этому, отправил электрический импульс («единичку»).

Этого знания более, чем достаточно для того, чтобы ответить на все остальные вопросы, касательно нанометров и логики работы процессора.

О том, какие физические процессы стоят за таким нехитрым переключателем, то есть, что именно заставляет электроны проходить по кремнию, когда над ним появляется электрическое поле, я рассказывать не буду. Возможно, о легировании кремния фосфором и бором, p-n переходах и электрических полях мы поговорим как-нибудь в другой раз. А сейчас перейдем к основному вопросу.

Что такое техпроцесс или где же спрятаны эти «7 нанометров»?

Предположим, у нас есть современный смартфон, процессор которого выполнен по 7-нм техпроцессу. Что внутри такого процессора имеет размер 7 нанометров? Предлагаю вам выбрать правильный вариант ответа:

• Длина транзистора
• Ширина транзистора
• Расстояние между двумя транзисторами
• Длина затвора
• Ширина затвора
• Расстояние между затворами соседних транзисторов

Какой бы вариант вы ни выбрали, ваш ответ — неверный, так как ничего из перечисленного не имеет такого размера. Если бы этот же вопрос я задал лет 20 назад, правильным ответом была бы длина затвора (или длина канала, по которому протекает ток от стока к истоку):

Стоп! Длина канала, ширина, площадь — да какая разница, что в чем измеряется!? Зачем вообще придумали эти названия техпроцессов, для чего они нужны простым людям? Что вообще должен показывать техпроцесс обычному покупателю? Зачем ему знать ту же длину затвора транзистора?

Давным давно один человек по имени Гордон Мур (основатель корпорации Intel) задумался о том, как быстро развиваются технологии. Под словом «развитие» он подразумевал рост количества транзисторов, помещающихся на одной и той же площади. Дело в том, что этот показатель напрямую влияет на скорость вычислений. Процессор, вмещающий всего 1 млн транзисторов будет работать гораздо медленней, чем тот, внутри которого находятся 10 млн транзисторов.

Более того, уменьшая размер транзистора, автоматически снижается его энергопотребление (ток, проходящий через транзистор пропорционален отношению его ширины к длине). Также уменьшается размер затвора и его емкость, позволяя ему переключаться еще быстрее. В общем, одни плюсы!

Так вот, этот человек наблюдал за историей развития вычислительной техники и заметил, что количество транзисторов на кристалле удваивается примерно каждые 2 года. Соответственно, размеры транзисторов уменьшаются на корень из двух раз.

Другими словами, нужно умножать каждую сторону квадратного транзистора на 0.7, чтобы его площадь уменьшилась вдвое:

Это наблюдение получило название «закон Мура» и так родилась маркировка техпроцесса: каждые два года эту цифру умножали на 0. 7. Например, при переходе от 1000-нм техпроцесса к 700-нм, количество транзисторов на чипе возросло в 2 раза. Примерно то же можно сказать и обо всех современных процессорах: 14 нм -> 10 нм -> 7 нм -> 5 нм. Каждое последующее поколение просто умножаем на 0.7, предполагая, что количество транзисторов там увеличивалось вдвое.

Повторюсь, до определенного момента эта цифра означала длину канала (или длину затвора), так как эти элементы уменьшались пропорционально размеру транзистора.

Но затем удалось сокращать длину затвора быстрее, чем другие части транзистора. С тех пор связывать размер затвора с техпроцессом стало не совсем корректно, так как это уже не отражало реального увеличения плотности размещения транзисторов на кристалле.

Например, в 250-нм техпроцессе длина затвора составляла 190 нанометров, но транзисторы не были упакованы настолько плотно по сравнению с предыдущим техпроцессом, чтобы называть его 190-нанометровым (по размеру затвора). Это не отражало бы реальную плотность.

Затем длина канала и вовсе перестала уменьшаться каждые два года, так как появилась новая проблема. При дальнейшем уменьшении длины канала, электроны могли обходить узкий затвор, так как блокирующий эффект был недостаточно сильным. Более того, такие утечки возникали постоянно, вызывая повышенное энергопотребление и нагрев транзистора (и, как следствие, всего процессора).

В общем, техпроцесс отвязали от длины затвора и взяли просто группу из нескольких транзисторов (так называемую ячейку) и площадь этой ячейки использовали для названия техпроцесса.

К примеру, в 100-нм техпроцессе ячейка из 6 транзисторов занимала, скажем, 100 000 нанометров (это условная цифра из головы). Компания упорно работала над уменьшением размеров транзисторов или увеличением плотности их размещения и через пару лет добилась того, что в новом процессоре эта же ячейка занимает уже 50 000 нм.

Не важно, уменьшился ли размер транзисторов или просто удалось упаковать их более плотно (за счет сокращения слоя металла и других ухищрений), можно смело говорить, что количество транзисторов на кристалле выросло в два раза. А значит мы умножаем предыдущий техпроцесс (100 нм) на 0.7 и получаем новенький процессор, выполненный по 70-нм техпроцессу.

Однако, когда мы дошли до 22-нанометрового техпроцесса, уменьшать длину затвора уже было нереально, так как электроны проходили бы сквозь этот затвор и транзисторы постоянно бы пропускали ток.

Решение оказалось простым и гениальным — нужно взять канал, по которому проходит ток и поднять его вверх, над кремниевой основной, чтобы он полностью проходил через затвор:

Теперь всё пространство, по которому идет ток, управляется затвором, так как полностью им окружено. А раньше, как мы видим, этот затвор находился сверху над каналом и создавал сравнительно слабый блокирующий эффект.

С новой технологией, получившей название FinFET, можно было продолжать уменьшать длину затвора и размещать еще больше транзисторов, так как они стали более узкими (сравните на картинке ширину канала). Но говорить о размерах транзистора стало вообще бессмысленно. Не совсем понятно даже, как эти размеры теперь высчитывать, когда транзистор из плоского превратился в трехмерный.

Таким образом, техпроцесс полностью «оторвался» от каких-либо реальных величин и просто условно обозначает увеличение плотности транзисторов относительно предыдущего техпроцесса.

К примеру, длина канала в 14-нм процессоре от Intel составляет 24 нанометра, а у Samsung — 30 нанометров. Отличаются и другие метрики этих процессоров, сделанных, казалось бы, по одинаковому техпроцессу. Более того, длина затвора — не самая миниатюрная часть транзистора. В том же 14-нм процессоре ширина канала вообще состоит из нескольких атомов и составляет 8 нанометров! То есть, техпроцесс — это даже не описание самой маленькой части транзистора.

Другими словами, нанометровый техпроцесс не описывает размеры транзисторов. Сегодня это условная цифра, означающая плотность размещения транзисторов или увеличение количества транзисторов относительно предыдущего техпроцесса (что напрямую влияет на быстродействие процессора).

В любом случае, важно запомнить простое правило и пользоваться им при анализе характеристик смартфона:

Разница техпроцесса в 0. 7 раз означает двукратное увеличение количества транзисторов

Для примера можем посмотреть на последние чипы от Apple. В 10-нм процессоре Apple A11 Bionic содержится 4.3 млрд транзисторов, а в 7-нм Apple A13 Bionic — 8.5 млрд транзисторов. То есть, видим, что техпроцесс отличается в 0.7 раз, а количество транзисторов — в 2 раза. Соответственно, 7-нм процессор гораздо производительней 10-нанометрового.

Продолжая аналогию, в 5-нм процессоре должно вмещаться в 2 раза больше транзисторов, чем в 7-нанометровом! Если вас не очень удивляет этот факт, обязательно почитайте на досуге мою заметку об экспоненциальном развитии технологий.

Итак, когда вы будете смотреть на два смартфона с 14-нм и 10-нм процессорами, то знайте что в последнем гораздо больше транзисторов, соответственно, его вычислительная мощность заметно выше. Так и следует пользоваться «техпроцессом» при выборе смартфона.

А если вам интересно, как эти бездушные транзисторы умеют «думать», делать сложные вычисления, показывать фильмы или проигрывать музыку, тогда ответы на эти вопросы читайте в нашем новом материале!

Алексей, глав. редактор Deep-Review

 

P.S. Не забудьте подписаться в Telegram на первый научно-популярный сайт о мобильных технологиях — Deep-Review, чтобы не пропустить очень интересные материалы, которые мы сейчас готовим!

 

где на самом деле 7 нанометров в технологии 7 нм? / Хабр

Современные микроэлектронные технологии — как «Десять негритят». Стоимость разработки и оборудования так велика, что с каждым новым шагом вперёд кто-то отваливается. После новости об отказе GlobalFoundries от разработки 7 нм их осталось трое: TSMC, Intel и Samsung. А что такое, собственно “проектные нормы” и где там тот самый заветный размер 7 нм? И есть ли он там вообще?

Рисунок 1. Транзистор Fairchild FI-100, 1964 год.

Самые первые серийные МОП-транзисторы вышли на рынок в 1964 году и, как могут увидеть из рисунка искушенные читатели, они почти ничем не отличались от более-менее современных — кроме размера (посмотрите на проволоку для масштаба).

Зачем уменьшать размер транзисторов? Самый очевидный ответ на этот вопрос носит название закона Мура и гласит, что каждые два года количество транзисторов на кристалле должно увеличиваться вдвое, а значит линейные размеры транзисторов должны уменьшаться в корень из двух раз.

«Должно» — согласно наблюдениям Гордона Мура (и некоторых других инженеров) в семидесятых. Из закона Мура следует много других факторов, составляющих дорожную карту микроэлектроники ITRS. Наиболее простая и грубая формулировка методов реализации закона Мура (также известная как закон миниатюризации Деннарда) — рост числа транзисторов на чипе не должен приводить к росту плотности потребляемой мощности, то есть с уменьшением размеров транзисторов должны пропорционально уменьшаться напряжение питания и рабочий ток.
Ток через МОП-транзистор пропорционален отношению его ширины к длине, а значит мы можем сохранять один и тот же ток, пропорционально уменьшая оба этих параметра. Более того, уменьшая размеры транзистора, мы уменьшаем еще и емкость затвора (пропорциональную произведению длины и ширины канала), делая схему еще быстрее. В общем, в цифровой схеме нет практически никаких причин делать транзисторы больше, чем минимально допустимый размер. Дальше начинаются нюансы насчет того, что в логике p-канальные транзисторы обычно несколько шире n-канальных, чтобы скомпенсировать разницу в подвижности носителей заряда, а в памяти наоборот, n-канальные транзисторы шире, чтобы память нормально записывалась через некомплементарный ключ, но это действительно нюансы, а глобально — чем меньше размеры транзистора — тем лучше для цифровых схем.

Именно поэтому длина канала всегда была самым маленьким размером в топологии микросхемы, и самым логичным обозначением проектных норм.

Здесь надо заметить, что вышеописанные рассуждения про размер не справедливы для аналоговых схем. Например, прямо сейчас на втором мониторе моего компьютера — согласованная пара транзисторов по 150 нм технологии, по 32 куска размером 8/1 мкм каждый. Так делается для того, чтобы обеспечить идентичность этих двух транзисторов, несмотря на технологический разброс параметров. Площадь при этом имеет второстепенное значение.

У технологов и топологов существует так называемая лямбда-система типовых размеров топологии. Она очень удобна для изучения проектирования (и была придумана в университете Беркли, если я не ошибаюсь) и переноса дизайнов с фабрики на фабрику. Фактически, это обобщение типичных размеров и технологических ограничений, но немного загрубленное, чтобы на любой фабрике точно получилось. На ее примере удобно посмотреть на типовые размеры элементов в микросхеме. Принципы в основе лямбда-системы очень просты:

1. если сдвиг элементов на двух разных фотолитографических масках имеет катастрофические последствия (например, короткое замыкание), то запас размеров для предотвращения несостыковок должен быть не менее двух лямбд;
2. если сдвиг элементов имеет нежелательные, но не катастрофические последствия, запас размеров должен быть не менее одной лямбды;
3. минимально допустимый размер окон фотошаблона — две лямбды.

Из третьего пункта следует, в частности, то, что лямбда в старых технологиях — половина проектной нормы (точнее, что длина канала транзистора и проектные нормы — две лямбды).

Рисунок 2. Пример топологии, выполненной по лямбда-системе.

Лямбда-система отлично работала на старых проектных нормах, позволяя удобно переносить производство с фабрики на фабрику, организовывать вторых поставщиков микросхем и делать много еще чего полезного. Но с ростом конкуренции и количества транзисторов на чипе фабрики стали стремиться сделать топологию немного компактнее, поэтому сейчас правила проектирования, соответствующие «чистой» лямбда-системе, уже не встретить, разве что в ситуациях, когда разработчики самостоятельно их загрубляют, имея в виду вероятность производства чипа на разных фабриках.

Тем не менее, за долгие годы в отрасли сложилась прямая связь «проектные нормы = длина канала транзистора», которая успешно существовала до тех пор, пока размеры транзисторов не достигли десятков нанометров.

Рисунок 3. Схематичный разрез транзистора.

На этом рисунке приведен ОЧЕНЬ сильно упрощенный разрез обычного планарного (плоского) транзистора, демонстрирующий разницу между топологической длиной канала (Ldrawn) и эффективной длиной канала (Leff). Откуда берется разница?

Говоря о микроэлектронной технологии, почти всегда упоминают фотолитографию, но гораздо реже — другие, ничуть не менее важные технологические операции: травление, ионную имплантацию, диффузию и т.д. и т.п. Для нашего с вами разговора будет не лишним напоминание о том, как работают диффузия и ионная имплантация.

Рисунок 4. Сравнение диффузии и ионной имплантации.

С диффузией все просто. Вы берете кремниевую пластину, на которой заранее (с помощью фотолитографии) нанесен рисунок, закрывающий оксидом кремния те места, где примесь не нужна, и открывающий те, где она нужна.

Дальше нужно поместить газообразную примесь в одну камеру с кристаллом и нагреть до температуры, при которой примесь начнет проникать в кремний. Регулируя температуру и длительность процесса, можно добиться требуемого количества и глубины примеси.

Очевидный минус диффузии — то, что примесь проникает в кремний во всех направлениях одинаково, что вниз, что вбок, таким образом сокращая эффективную длину канала. И мы говорим сейчас о сотнях нанометров! Пока проектные нормы измерялись в десятках микрон, все было нормально, но разумеется, такое положение дел не могло продолжаться долго, и на смену диффузии пришла ионная имплантация.

При ионной имплантации пучок ионов примеси разгоняется и направляется на пластину кремния. При этом все ионы движутся в одном направлении, что практически исключает их расползание в стороны. В теории, конечно же. На практике ионы все-таки немного расползаются в стороны, хоть и на гораздо меньшие расстояния, чем при диффузии.

Тем не менее, если мы возвратимся к рисунку транзистора, то увидим, что разница между топологической и эффективной длиной канала начинается именно из-за этого небольшого расползания. Ей, в принципе, можно было бы пренебречь, но она — не единственная причина различия. Есть еще короткоканальные эффекты. Их пять, и они разными способами изменяют параметры транзистора в случае, если длина канала приближается к различным физическим ограничениям. Описывать все их я не буду, остановлюсь на самом релевантном для нас — DIBL (Drain-Induced Barrier Lowering, индуцированное стоком снижение потенциального барьера).

Для того, чтобы попасть в сток, электрон (или дырка) должен преодолеть потенциальный барьер стокового pn-перехода. Напряжение на затворе уменьшает этот барьер, таким образом управляя током через транзистор, и мы хотим, чтобы напряжение на затворе было единственным управляющим напряжением. К сожалению, если канал транзистора слишком короткий, на поведение транзистора начинает влиять стоковый pn-переход, который во-первых, снижает поровогое напряжение (см. рисунок ниже), а во-вторых, на ток через транзистор начинает влиять напряжение не только на затворе, но и на стоке, потому что толщина стокового pn-перехода увеличивается пропорционально напряжению на стоке и соответственно укорачивает канал.

Рисунок 5. Эффект Drain-Induced Barrier Lowering (DIBL).
Источник — википедия.

Кроме того, уменьшение длины канала приводит к тому, что носители заряда начинают свободно попадать из истока в сток, минуя канал и формируя ток утечки (bad current на рисунке ниже), он же статическое энергопотребление, отсутствие которого было одной из важных причин раннего успеха КМОП-технологии, довольно тормозной по сравнению с биполярными конкурентами того времени. Фактически, каждый транзистор в современной технологии имеет стоящий параллельно ему резистор, номинал которого тем меньше, чем меньше длина канала.

Рисунок 6. Рост статического потребления из-за утечек в технологиях с коротким каналом.
Источник — Synopsys.
Рисунок 7. Доля статического энергопотребления микропроцессоров на разных проектных нормах.

Источник — B. Dieny et. al., «Spin-Transfer Effect and its Use in Spintronic Components», International Journal of Nanotechnology, 2010

Сейчас же, как вы можете видеть на рисунке выше, статическое потребление существенно превышает динамическое и является важным препятстствием для создания малопотребляющих микросхем, например, для носимой электроники и интернета вещей.

Собственно, примерно в момент, когда это стало важной проблемой, и начался маркетинговый мухлеж с проектными нормами, потому что прогресс в литографии стал опережать прогресс в физике.

Для борьбы с нежелательными эффектами короткого канала на проектных нормах 800-32 нанометров было придумано очень много разных технологических решений, и я не буду описывать их все, иначе статья разрастется до совсем уж неприличных размеров, но с каждым новым шагом приходилось внедрять новые решения — дополнительные легирования областей, прилегающих к pn-переходам, легирования в глубине для предотвращения утечек, локальное превращение кремния в транзисторах в кремний-германий… Ни один шаг в уменьшении размеров транзисторов не дался просто так.

Рисунок 8. Эффективная длина канала в технологиях 90 нм и 32 нм. Транзисторы сняты в одном и том же масштабе. Полукруги на рисунках — это форма дополнительного слабого подлегирования стоков (LDD, lightly doped drain), делаемого для уменьшения ширины pn-переходов.

Источник — Synopsys.

Типичные размеры металлизации и расстояния между элементами при переходе от 90 нм до примерно 28 нм уменьшались пропорционально уменьшению цифры проектных норм, то есть типовой размер следующего поколения составлял 0.7 от предыдущего (чтобы, согласно закону Мура, получить двукратное уменьшение площади). Одновременно с этим длина канала уменьшалась в лучшем случае как 0.9 от предыдущего поколения, а эффективная длина канала практически не менялась вовсе. Из рисунка выше хорошо видно, что линейные размеры транзисторов при переходе от 90 нм к 32 нм изменились вообще не в три раза, и все игры технологов были вокруг уменьшения перекрытий затвора и легированных областей, а также вокруг контроля за статическими утечками, который не позволяли делать канал короче.

В итоге стали понятны две вещи:

1. спуститься ниже 25-20 нм без технологического прорыва не получится;
2. маркетологам стало все сложнее рисовать картину соответствия прогресса технологии закону Мура.

Закон Мура — это вообще противоречивая тема, потому что он является не законом природы, а эмпирическим наблюдением некоторых фактов из истории одной конкретной компании, экстраполированном на будущий прогресс всей отрасли. Собственно, популярность закона Мура неразрывно связана с маркетологами Intel, которые сделали его своим знаменем и, на самом деле, много лет толкали индустрию вперед, заставляя ее соответствовать закону Мура там, где, возможно, стоило бы немного подождать.

Какой выход нашли из ситуации маркетологи? Весьма изящный.

Длина канала транзистора — это хорошо, но как по ней оценить выигрыш площади, который дает переход на новые проектные нормы? Довольно давно в индустрии для этого использовалась площадь шеститранзисторной ячейки памяти — самого популярного строительного блока микропроцессоров. Именно из таких ячеек обычно состоит кэш-память и регистровый файл, которые могут занимать полкристалла, и именно поэтому схему и топологию шеститранзисторной ячейки всегда тщательно вылизывают до предела (часто — специальные люди, которые только этим и занимаются), так что это действительно хорошая мера плотности упаковки.

Рисунок 9. Схема шеститранзисторной ячейки статической памяти.
Рисунок 10. Разные варианты топологии шеститранзисторной ячейки статической памяти. Источник — G. Apostolidis et. al., «Design and Simulation of 6T SRAM Cell Architectures in 32nm Technology», Journal of Engineering Science and Technology Review, 2016

Так что довольно давно в описаниях технологий цифру проектных норм сопровождала вторая цифра — площадь ячейки памяти, которая, по идее, должна быть производной от длины канала. А дальше случилась интересная подмена понятий. В момент, когда прямое масштабирование перестало работать, и длина канала перестала уменьшаться каждые два года по закону Мура, маркетологи догадались, что можно не выводить площадь ячейки памяти из проектных норм, а выводить цифру проектных норм из площади ячейки памяти!

То есть натурально “раньше у нас была длина канала 65 нм и площадь ячейки памяти Х, а теперь длина канала 54 нм, но мы ужали металлизацию, и теперь площадь ячейки стала Х/5, что примерно соответствует переходу от 65 до 28 нм. Так давайте всем скажем, что у нас проектные нормы 28 нм, а про длину канала 54 нм никому говорить не будем?” Справедливости ради, “ужали металлизацию” — это тоже важное достижение, и какое-то время после начала проблем с миниатюризацией собственно транзисторов озвученным проектным нормам соответствовала минимальная ширина металлизации, размер контакта к транзистору или еще какая-нибудь цифра на топологии. Но дальше начались пляски с FinFET транзисторами, у которых ключевые размеры никак не связаны с разрешением литографии, скорости миниатюризации транзисторов и всего остального окончательно разошлись, и единственной нормальной цифрой осталась площадь ячейки памяти, на основе которой нам сейчас и сообщают про “10”, “7” и “5” нанометров.

Рисунок 11. Сравнение технологий 14 нм и 10 нм Intel.
Источник — Intel.

Вот отличный пример этого “нового скейлинга”. Нам показывают, как поменялись характерные размеры в ячейке памяти. Многие параметры, но о длине и ширине канала транзистора тут ни слова!

Как решали проблему невозможности уменьшения длины канала и контроля за утечками технологи?

Они нашли два пути. Первый — в лоб: если причина утечек — большая глубина имплантации, давайте ее уменьшим, желательно радикально. Технология «кремний на изоляторе» (КНИ) известна уже очень давно (и активно применялась все эти годы, например в 130-32 нм процессорах AMD, 90 нм процессоре приставки Sony Playstation 3, а также в радиочастотной, силовой или космической электронике), но с уменьшением проектных норм она получила второе дыхание.

Рисунок 12. Сравнение транзисторов, выполненных по обычной объемной и FDSOI (полностью обедненный КНИ) технологиях.
Источник — ST Microelectronics.

Как видите, идея более чем элегантная — под очень тонким активным слоем располагается оксид, убирающий вредный ток утечки на корню! Заодно, за счет уменьшения емкости pn-переходов (убрали четыре из пяти сторон куба стока) увеличивается быстродействие и еще уменьшается энергопотребление. Именно поэтому сейчас технологии FDSOI 28-22-20 нм активно рекламируются как платформы для микросхем интернета вещей — потребление действительно сокращается в разы, если не на порядок. И еще такой подход позволяет в перспективе поскейлить обычный плоский транзистор до уровня 14-16 нм, чего объемная технология уже не позволит.

Тем не менее, ниже 14 нм на FDSOI особенно не опуститься, да и другие проблемы у технологии тоже есть (например, страшная дороговизна подложек КНИ), в связи с чем индустрия пришла к другому решению — FinFET транзисторам. Идея FinFET транзистора тоже весьма элегантна. Мы хотим, чтобы бОльшая часть пространства между стоком и истоком управлялась затвором? Так давайте окружим это пространство затвором со всех сторон! Хорошо, не со всех, трех будет вполне достаточно.

Рисунок 13. Структура FinFET.
Источник — A. Tahrim et.al., «Design and Performance Analysis of 1-Bit FinFET Full Adder Cells for Subthreshold Region at 16 nm Process Technology», Journal of Nanomaterials, 2015
Рисунок 14. Сравнение энергопотребления разных вариантов сумматора, выполненных на планарных транзисторах и на FinFET.
Источник — A. Tahrim et.al., «Design and Performance Analysis of 1-Bit FinFET Full Adder Cells for Subthreshold Region at 16 nm Process Technology», Journal of Nanomaterials, 2015

В FinFET канал не плоский и находящийся прямо под поверхностью подложки, а образует вертикальный плавник (Fin — это и есть плавник), выступающий над поверхностью и с трех сторон окруженный затвором. Таким образом, все пространство между стоком и истоком контролируется затвором, и статические утечки очень сильно уменьшаются. Первыми FinFET серийно выпустили Intel на проектных нормах 22 нм, дальше подтянулись остальные топовые производители, включая такого апологета КНИ, как Global Foundries (бывшие AMD).

Вертикальность канала в FinFET, кроме всего прочего, позволяет экономить на площади ячейки, потому что FinFET c широким каналом довольно узкий в проекции, и это, в свою очередь, опять помогло маркетологам с их рассказами про площадь ячейки памяти и ее двухкратное уменьшение с каждым новым шагом «проектных норм», уже никак не привязанных к физическим размерам транзистора.

Рисунок 15. Топологии разных вариантов ячеек памяти (5T-9T) в технологии с FinFET. Источник — M. Ansari et. al., «A near-threshold 7T SRAM cell with high write and read margins and low write time for sub-20 nm FinFET technologies», the VLSI Journal on Integration, Volume 50, June 2015.

Вот примеры разных вариантов ячеек памяти в технологии с FinFET. Видите, как геометрическая ширина канала намного меньше длины? Также можно видеть, что, несмотря на все пертурбации, лямбда-система у топологов все еще в ходу для количественных оценок. А что с абсолютными цифрами?

Рисунок 16. Некоторые размеры транзисторов в 14-16 нм технологиях.
Источник — the ConFab 2016 conference proceedings.

Как видно из рисунка, топологическая длина канала в 16 нм FinFET технологиях все еще больше, чем 20-25 нм, о которых говорилось выше. И это логично, ведь физику не обманешь. Но из этого же рисунка можно сделать и другой, более интересный вывод: если присмотреться, то становится понятно, что минимальный имеющийся в транзисторах размер — это не длина канала, а ширина плавника. И тут нас ожидает забавное открытие: ширина плавника в техпроцессе Intel 14 nm составляет (барабанная дробь!) ВОСЕМЬ нанометров.

Рисунок 17. Размеры плавника в 14 нм техпроцессе Intel.
Источник — wikichip.org

Как видите, тут маркетологи, привязавшись к размерам ячейки памяти, обманули сами себя, и теперь вынуждены озвучивать цифру больше, чем могли бы. На самом деле, конечно, в условиях принципиального изменения структуры транзистора и ожидания пользователей услышать какую-то метрику, использование метрики, отражающей плотность упаковки, было, наверное, единственно верным решением, и маркетологи в конечном счете оказались правы, хоть это и приводит иногда к забавным ситуациям, когда одни и те же проектные нормы в разных компаниях называют по-разному. Например, читая новости о том, что TSMC уже запустила 7 нм, а Intel опять задерживает начало производства 10 нм, стоит помнить о том, что 7 нм TSMC и 10 нм Intel — это на самом деле одни и те же проектные нормы с точки зрения и плотности упаковки, и размеров отдельных транзисторов.

Что дальше? На самом деле, никто не знает. Закон Мура исчерпал себя уже довольно давно, и если десять лет назад ответ на вопрос «что дальше?» можно было найти в отчетах исследовательских центров, то сейчас все чаще слышно о том, что от перспективных разработок приходится отказываться, так как они оказываются чрезмерно сложными во внедрении. Так уже произошло с пластинами диаметром 450 миллиметров, так частично происходит с EUV-литографией (с которой ученые носились лет двадцать), так, видимо, произойдет с транзисторами на графене и углеродных нанотрубках. Еще один технологический прорыв нужен, но пути к нему, как это ни прискорбно, пока не видно. Дошло до того, что новый директор TSMC Марк Лиу назвал наиболее перспективным направлением развития микроэлектронной технологии не уменьшение размеров транзисторов, а 3D-интеграцию. «Настоящая» 3D-интеграция, а не объединение нескольких чипов в одном корпусе действительно будет огромной вехой в развитии микроэлектроники, но вот закон Мура как закон уменьшения размеров транзисторов, кажется, умер окончательно.

Intel решила догнать и перегнать конкурентов, отказавшись от слова нанометр

27 Июля 2021 15:1027 Июл 2021 15:10 | Поделиться Intel решила переименовать техпроцессы проивзодства чипов – старая схема, опирающаяся на физический размер транзистора, устарела и малоинформативна. Новая тоже не дает четкого представления об изделиях на ее основе, но демонстрирует, что технологическая отсталость чипмейкера от своих конкурентов не так уж велика – это важно в связи с грядущим выходом Intel на рынок контрактного производства. Intel не теряет надежд догнать и перегнать TSMC в течение четерых следующих лет. Для этого компания внедрит EUV, перейдет к полупроводниковым технологиям уровня ангстремов и начнет использовать инновационный GAA-транзистор, с разработкой которого ей, возможно, помогла IBM.

Intel расписала план развития технологий до 2025 года

Intel представила дорожную карту развития технологий производства микропроцессоров до 2025 г.

Согласно анонсированному плану, корпорация изменит подход к именованию собственных технологических процессов, чтобы привести их в соответствие с принятыми в отрасли, в частности, компаниями TSMC и Samsung. Теперь в названии техпроцесса не будут фигурировать какие-либо единицы измерения длины. Вместо этого Intel будет обозначать техпроцесс, опираясь на соотношение между производительностью и энергопотреблением чипов на его базе.

Intel также представила новую архитектуру транзисторов RibbonFET – впервые за последние 10 лет, а также рассказала о технологии PowerVia, которая предлагает новый подход к подаче питания на транзисторы очень малого размера.

История и будущее инноваций в техпроцессах Intel

Кроме того, компания заявила о планах по внедрению фотолитографии в глубоком ультрафиолете (EUV) нового поколения (High-NA EUV). Intel рассчитывает завершить этот процесс первой в отрасли при помощи оборудования нидерландской ASML.

Чипмейкер рассчитывает догнать лидера отрасли TSMC к 2024 г. по показателю совершенства внедренного техпроцесса, а в 2025 г. и вовсе вернуть себе пальму первенства. Однако стоит иметь в виду, что Intel под этим понимает отношение производительности выпускаемых процессоров к потребляемой мощности, а не, например, применение самых компактных транзисторов в мире.

Новые названия техпроцессов

Итак, Intel отказывается от номенклатуры техпроцессов, которая включает слово «нанометры». 10-нанометровый процесс Enhanced SuperFin теперь называется Intel 7. По данным корпорации, у Intel 7 показатель производительности на единицу потребляемой мощности на 10–15% выше в сравнении с предшественником – 10-нм SuperFin. Intel 7 применяется при производстве новых процессоров семейств Alder Lake и Sapphire Rapids, которые предназначены для потребительского и серверного сегментов соответственно. Поставки чипов Alder Lake должны стартовать в 2021 г., Sapphire Rapids – в I квартале 2022 г.

Новая система именования техпроцессов Intel

Intel 4 (ранее Intel 7 нм) компания рассчитывает освоить ко второй половине 2022 г. Intel обещает прирост производительности на ватт на уровне по сравнению с предыдущим поколением на уровне 20%. Переход на данный техпроцесс также ознаменует полную адаптацию Intel к применению технологии EUV. Именно отставание в ее освоении называют в качестве причин задержки компании с выпуском 10-нм чипов. Технология Intel 4 будет применяться в настольных и мобильных процессорах Meteor Lake, а также серверных процессорах Granite Rapids, которые, как ожидается, появятся на рынке в 2023 г.

Техпроцесс Intel 3 (ранее Intel 7+ нм) должен обеспечить увеличить производительность на ватт примерно на 18% относительно предшественника. Процессоры на базе Intel 3 будут готовы к массовому производству во второй половине 2023 г.

Исторически в названии производственного процесса полупроводников фигурировало число, которое соответствовало длине затвора транзистора. Однако в 1994 г. производители перестали следовать этому правилу. До 2009 г. длина затвора была меньше заявленного в названии значения, а затем «нанометры» взяли на вооружение маркетологи, из-за чего цифры в названии техпроцесса стали иметь мало общего с фактическими размерами транзисторов или плотностью их расположения в интегральной схеме. Например, актуальный 10-нм процесс Intel (FinFET) по размеру и плотности размещения транзисторов примерно соответствует 7-нм процессу TSMC.

Решение отказаться от традиционного числового определения производственных норм в нанометрах, по всей видимости, связано с недавним решением Intel выйти на рынок контрактного производства. Здесь американская корпорация будет напрямую конкурировать с гигантами вроде тайваньской TSMC и южнокорейской Samsung, поэтому пересмотр принципа именования производственных норм выглядит логичным – так заказчикам будет проще ориентироваться на рынке.

Ангстремная эра, транзисторы RibbonFET и технология PowerVia

Первая половина 2024 г., согласно планам Intel, ознаменуется наступлением эры ангстрема, в которой некоторые физические характеристики чипов можно будет выразить только в десятых долях нанометра – ангстремах (десятимиллиардных долях метра).

Первый техпроцесс Intel новой эры будет иметь обозначение 20A (A – angstrom, ангстрем), однако это не значит, что транзистор обязательно будет соответствующего размера. Тем не менее, технология производства Intel 20A предусматривает использование новых транзисторов под названием RibbonFET. Это первый транзистор Intel с кольцевым затвором (GAA, Gate-all-around) и первый транзистор новой архитектуры, выпущенный Intel с 2011 г.

RibbonFET отличается от используемых сейчас FinFET тем, что в первом каждый из четырех его каналов окружен затвором не с трех, а с четырех сторон. Такая конструкция, по оценке Intel, позволяет увеличить скорость переключения устройства при использовании такого же управляющего тока.

Схематичное изображение транзистора RibbonFET с кольцевым затвором

Кроме того, в техпроцессе Intel 20A чипмейкер планирует использовать технологию PowerVia – подачу питания с обратной стороны кристалла через межкремниевые соединения. Запуск Intel 20A ожидается в 2024 г. В частности, продукция Qualcomm будет выпускаться по техпроцессу Intel 20A, однако пока не известно, что это будут за чипы.

Private LTE: что важно знать о выделенных сетях

Беспроводная связь

На начало 2025 г. намечено освоение техпроцесса Intel 18A. Именно тогда Intel рассчитывает внедрить EUV-литографию с высокой числовой апертурой (High-NA EUV).

Проблемы Intel и пути их решения

Intel испытала серьезные проблемы с внедрением 10-нанометрового техпроцесса, неоднократно откладывая его.

Сперва корпорация обещала начать выпуск 10-нанометровых чипов в 2015 г., после чего последовало несколько сообщений о задержке. В результате официальная дата выхода нового поколения микросхем была перенесена на 2017 г., но затем вновь сдвинута на второе полугодие 2018 г. В конце апреля 2018 г. тогдашний глава компании Брайан Кржанич (Brian Krzanich), объявил о том, что Intel сможет запустить 10-нанометровые процессоры в массовое производство не ранее 2019 г.

В конце мая 2019 г. Intel официально представила свои первые массовые 10-нанометровые процессоры – чипы Ice Lake на базе новой архитектуры Sunny Cove, предназначенные для мобильных устройств.

Пока Intel «покоряла» 10 нанометров и осуществляла реорганизацию производственного подразделения, его главный конкурент – компания AMD – успешно освоила нормы техпроцесса 7 нм.

В марте 2021 г. Intel анонсировала новую стратегию своего развития на ближайшие годы, получившую название IDM 2.0. Для ее реализации Intel вернула в штат нескольких ценных экс-сотрудников.

В рамках реализации стратегии чипмейкер планировал построить два новых завода за три года и $20 млрд, перейти на 7 нм в 2023 г. и стать партнером многих крупных производителей чипов, которые помогут ему в выпуске собственных процессоров.

В частности, Intel упоминала о партнерстве с IBM, которая в начале мая 2021 г. представила первый GAA-транзистор размером 2 нм и тестовый чип на его основе. Tom’s Hardware предполагает, что IBM могла оказать Intel помощь в разработке фирменных транзисторов RibboFET.

В начале июля 2021 г. CNews писал о том, что, по некоторым данным, Intel выпустит свой первый 3-нанометровый процессор в начале 2023 г., причем сделает это в сотрудничестве с TSMC. Также в июле 2021 г. сообщалось о возможном приобретении Intel компании GlobalFoundries, входящую в тройку крупнейших мировых производителей полупроводников, за $30 млрд. Однако позже представители последней опровергли информацию о будущей сделке.

Дмитрий Степанов

8. Транзисторы – Условные графические обозначения на электрических схемах – Компоненты – Инструкции

Транзистор (от английских слов tran(sfer) — переносить и (re)sistor — сопротивление) — полупроводниковый прибор, предназначенный для усиления, генерирования и преобразования электрических колебаний. Наиболее распространены так называемые биполярные транзисторы. Электропроводность эмиттера и коллектора всегда одинаковая (р или n), базы — противоположная (n или р). Иными словами, биполярный транзистор содержит два р-n-перехода: один из них соединяет базу с эмиттером (эмиттерный переход), другой — с коллектором (коллекторный переход).

 

 Буквенный код транзисторов — латинские буквы VT. На схемах эти полупроводниковые приборы обозначают, как показано на рис. 8.1 [5]. Здесь короткая черточка с линией от середины символизирует базу, две наклонные линии, проведенные к ее краям под углом 60°, — эмиттер и коллектор. Об электропроводности базы судят по символу эмиттера: если его стрелка направлена к базе (см. рис. 8.1, VT1), то это означает, что эмиттер имеет электропроводность типа р, а база— типа n; если же стрелка направлена в противоположную сторону (VT2), электропроводность эмиттера и базы обратная.

 
 Знать электропроводность эмиттера базы и коллектора необходимо для того, чтобы правильно подключить транзистор к источнику питания. В справочниках эту информацию приводят в виде структурной формулы. Транзистор, база которого имеет электропроводимость типа n, обозначают формулой р-п-р, а транзистор с базой, имеющей электропроводность типа р, обозначают формулой n-р-n. В первом случае на базу и коллектор следует подавать отрицательное по отношению к эмиттеру напряжение, во втором — положительное.    

 
 Для наглядности условное графическое обозначение дискретного транзистора обычно помещают в кружок, символизирующий его корпус. Иногда металлический корпус соединяют с одним из выводов транзистора. На схемах это показывается точкой в месте пересечения соответствующего вывода с символом корпуса. Если же корпус снабжен отдельным выводом, линию-вывод допускается присоединять к кружку без точки (VT3 на рис. 8.1). В целях повышения информативности схем рядом с позиционным обозначением транзистора допускается указывать его тип.

 

 Линии электрической связи, идущие от эмиттера и коллектора проводят в одном из двух направлений: перпендикулярно или параллельно выводу базы (VT3—VT5). Излом вывода базы допускается лишь на некотором расстоянии от символа корпуса (VT4).

 
 Транзистор может иметь несколько эмиттерных областей (эмиттеров). В этом случае символы эмиттеров обычно изображают с одной стороны символа базы, а окружность обозначения корпуса заменяют овалом (рис. 8.1, VT6).

 
 Стандарт допускает изображать транзисторы и без символа корпуса, например, при изображении бескорпусных транзисторов или когда на схеме необходимо показать транзисторы, входящие в состав сборки транзисторов или интегральной схемы.

 

 Поскольку буквенный код VT предусмотрен для обозначения транзисторов, выполненных в виде самостоятельного прибора, транзисторы сборок обозначают одним из следующих способов: либо используют код VT и присваивают им порядковые номера наряду с другими транзисторами (В этом случае на поле схемы помещают такую, например, запись: VT1-VT4 К159НТ1), либо используют код аналоговых микросхем (DA) и указывают принадлежность транзисторов в сборке в позиционном обозначении (рис. 8.2, DA1.1, DA1.2). У выводов таких транзисторов, как правило, приводят условную нумерацию, присвоенную выводам корпуса, в котором выполнена матрица.

 
 Без символа корпуса изображают на схемах и транзисторы аналоговых и цифровых микросхем (для примера на рис. 8.2 показаны транзисторы структуры п-р-п с тремя и четырьмя эмиттерами).

 

 Условные графические обозначения некоторых разновидностей биполярных транзисторов получают введением в основной символ специальных знаков. Так, чтобы изобразить лавинный транзистор, между символами эмиттера и коллектора помещают знак эффекта лавинного пробоя (см. рис. 8.3, VT1, VT2). При повороте УГО положение этого знака должно оставаться неизменным.

 
 Иначе построено УГО однопереходного транзистора: у него один р-п-переход, но два вывода базы. Символ эмиттера в УГО этого транзистора проводят к середине символа базы (рис. 8.3, VT3, VT4). Об электропроводности последней судят по символу эмиттера (направлению стрелки).

 
 На символ однопереходного транзистора похоже УГО большой группы транзисторов с p-n-переходом, получивших название полевых. Основа такого транзистора — созданный в полупроводнике и снабженный двумя выводами (исток и сток) канал с электропроводностью п или р-типа. Сопротивлением канала управляет третий электрод — затвор. Канал изображают так же, как и базу биполярного транзистора, но помещает в середине кружка-корпуса (рис. 8.4, VT1), символы истока и стока присоединяют к нему с одной стороны, затвора — с другой стороны на продолжении линии истока. Электропроводность канала указывают стрелкой на символе затвора (на рис. 8.4 условное графическое обозначение VT1 символизирует транзистор с каналом п-типа, VT1 — с каналом p-типа).

 

 В условном графическом обозначении полевых транзисторов с изолированным затвором (его изображают черточкой, параллельной символу канала с выводом на продолжении линии истока) электропроводность канала показывают стрелкой, помещенной между символами истока и стока. Если стрелка направлена к каналу, то это значит, что изображен транзистор с каналом n-типа, а если в противоположную сторону (см. рис. 8.4, VT3) —  с каналом p-типа. Аналогично поступают при наличии вывода от подложки (VT4), а также при изображении полевого транзистора с так называемым индуцированным каналом, символ которого — три коротких штриха (см. рис. 8.4, VT5, VT6). Если подложка соединена с одним из электродов (обычно с истоком), это показывают внутри УГО без точки (VT1, VT8).

 
 В полевом транзисторе может быть несколько затворов. Изображают их более короткими черточками, причем линию-вывод первого затвора обязательно помещают на продолжении линии истока (VT9).

 
 Линии-выводы полевого транзистора допускается изг[цензура] лишь на некотором расстоянии от символа корпуса (см. рис. 8.4, VT2). В некоторых типах полевых транзисторов корпус может быть соединен с одним из электродов или иметь самостоятельный вывод (например, транзисторы типа КПЗ03).

 
 Из транзисторов, управляемых внешними факторами, широкое применение находят фототранзисторы. В качестве примера на рис. 8.5 показаны условные графические обозначения фототранзисторов с выводом базы (FT1, VT2) и без него (К73). Наряду с другими полупроводниковыми приборами, действие которых основано на фотоэлектрическом эффекте, фототранзисторы могут входить в состав оптронов. УГО фототранзистора в этом случае вместе с УГО излучателя (обычно светодиода) заключают в объединяющий их символ корпуса, а знак фотоэффекта — две наклонные стрелки заменяют стрелками, перпендикулярными символу базы.

 

 

 

 Для примера на рис. 8.5 изображена одна из оптопар сдвоенного оптрона (об этом говорит позиционное обозначение U1.1), Аналогично строится У ГО оптрона с составным транзистором (U2).

 

7 против 14 нм: сравнение размера транзисторов Intel и TSMC

Чуть больше двух лет назад Роман Хартунг с ником der8auer поместил Intel Core i7-8700K под растровый электронный микроскоп в Хайльброннской высшей школе. Теперь настала очередь AMD Ryzen 9 3950X и Intel Core i9-10900K, вернее, соответствующих кристаллов. Цель заключалась в том, чтобы сравнить 7- и 14-нм техпроцесс.

С помощью нагрева, шкурки и других материалов 10-ядерный кристалл Intel и кристаллы CCD и IOD процессора Ryzen 9 3950X были извлечены из корпусировки. Но перед тем, как поместить их под растровый электронный микроскоп, необходимы и другие шаги. Среди прочего, семпл нужно приклеить на пробу. Причем для работы микроскопа должен использоваться проводящий материал.

Сначала на семпл напыляется платина, затем с помощью ионного луча семпл вырезается из кристалла для дальнейшего изучения. Процесс напыления длится несколько часов, после чего к семплу крепится игла-держатель. Длина семпла составляет всего 100 мкм. С помощью платинового напыления игла скрепляется с семплом. В итоге слой семпла толщиной всего 200-300 нм можно изучать под электронным микроскопом.

На первых двух видеороликах показана подготовка семпла и работа растрового электронного микроскопа. Третий видеоролик, наконец, посвящен изучению транзисторов.

На видео показаны транзисторы процессора Ryzen, который изготавливается по 7-нм техпроцессу (TSMC, N7), и процессора Intel с 14-нм техпроцессом (14 nm+++). Хорошо видно, что ширина затвора процессоров Intel Core i9-10900K составляет 24 нм, а у 7-нм процессора Ryzen она ненамного меньше – 22 нм. Высота затвора тоже очень близка, но TSMC располагает транзисторы более плотно.

Вывод следующий: сравнение техпроцессов только на “числах” не так важно. Следует оценивать плотность упаковки транзисторов и 3D-структуру, которая именно трехмерная. А число техпроцесса – одномерная характеристика. Кроме того, существуют разные типы транзисторов, в зависимости от сферы использования: кэш или логика процессора, например. Intel и TSMC с техпроцессами 7 и 10 нм, соответственно, располагают на квадратном миллиметре порядка 90 млн. транзисторов. Для 5 нм (TSMC) и 7 нм (Intel) плотность транзисторов будет уже больше 150 MT/мм².

Но, опять же, данные значения нельзя напрямую сравнивать друг с другом, поскольку high-end процессор использует транзисторы разных типов. То же самое касается GPU. Недавно мы как раз рассматривали новый Ampere GPU от NVIDIA. GA102 GPU производится по 8-нм техпроцессу на заводах Samsung, плотность составляет 44,56 MT/мм², в случае же 7-нм GA100 на заводах TSMC плотность выше – 65,37 MT/мм².

Подписывайтесь на группы Hardwareluxx ВКонтакте и Facebook, а также на наш канал в Telegram (@hardwareluxxrussia).

Создан молекулярный транзистор, способный контролировать движение отдельных электронов

Источники:
http://www.gizmag.com/single-molecule-transistor/38476/
http://www.dailytechinfo.org/nanotech/7214-sozdan-molekulyarnyy-tranzist…

Группе исследователей из Германии, Японии и США удалось создать крошечный транзистор, собранный из единственной молекулы и десятка дополнительных атомов различных химических элементов. Чувствительность этого транзистора столь высока, что он может управлять потоком, состоящим из единичных электронов, и такая способность молекулярного транзистора открывает путь к разработке нового поколения различных наноматериалов и сверхминиатюризированной электроники.

Практически вся используемая людьми электроника состоит из крошечных “выключателей”, транзисторов, и для того, чтобы современные цифровые электронные устройства продолжали становиться все быстрее и экономичней, требуется уменьшение габаритных размеров транзисторов. Однако, размер кремниевых транзисторов невозможно сокращать до бесконечности. Диаметр одного атома кремния равен приблизительно половине нанометра, а в современных кремниевых транзисторах их электроды разделяет расстояние, равное диаметру 30 атомов. Но как только эти расстояния начнут исчисляться единицами атомов, транзисторы потеряют свою работоспособность поскольку электроны начнут самопроизвольно перемещаться между электродами за счет эффекта квантового туннелирования.

Крошечные молекулярные транзисторы, созданные учеными, имеют намного меньшие размеры, нежели размеры транзисторов в процессорах наших компьютеров. Однако, при создании первых образцов молекулярных транзисторов ученые столкнулись с весьма тяжелой задачей. Поскольку такие транзисторы имеют очень малые размеры их включенное или выключенное состояние определяется местоположением одного единственного электрона. И лишь недавно вышеупомянутой группе ученых удалось добиться реализации высокоточного управления состоянием молекулярного транзистора, который стал способен контролировать движение через него единственных электронов.

В отличие от кремниевых транзисторов, молекулярные транзисторы строятся постепенно, собирая атомы будущей молекулы один за другим при помощи химических методов. С первого взгляда такой процесс кажется невероятно сложным и трудоемким, однако все используемые технологии обеспечивают достаточно высокую точность сборки и повторяемость результатов. И на основе этих технологий достаточно несложно будет разработать полностью автоматизированный технологический процесс, при помощи которого можно будет производить крошечные молекулярные транзисторы в сколь угодно больших количествах.

Для создания молекулярного транзистора ученые использовали туннельный сканирующий микроскоп (scanning tunneling microscope, STM). Заготовкой для будущего транзистора стал крошечный кристалл арсенида индия, на который в соответствующих местах были помещены 12 атомов индия, образовавших шестиугольную структуру. А “ядром” транзистора стала молекула фталоцианина, помещенная в центр шестиугольной структуры из атомов индия.

Центральная молекула очень слабо связана с поверхностью кристалла арсенида индия. Когда ученые подвели наконечник микроскопа к молекуле на определенное расстояние и подали на него электрический потенциал, то отдельные электроны начали “туннелироваться” с наконечника через молекулу на поверхность кристалла. Положительно заряженные ионы, окружающие молекулу, действуют как управляющий электрод, затвор транзистора, регулируя поток электронов, перемещающихся с наконечника микроскопа на кристалл.

Контролируя работу молекулярного транзистора, ученые заметили весьма необычный эффект. Оказывается, что центральная молекула не находится в статичном состоянии, она ориентируется в различных направлениях в зависимости от ее электрического заряда и положение молекулы имеет сильное влияние на поток электронов, протекающий через структуру молекулярного транзистора.

В настоящее время ученые исследуют работу созданного ими транзистора с целью лучшего понимания всех явлений, происходящих в процессе его работы. Если ученым удастся точно определить и описать математически зависимости проводимости транзистора от ориентации молекулы, то люди получат достаточно надежный метод регулирования электрического тока с невероятной точностью, с точностью до отдельных электронов. И это будет использовано для создания новых типов высокоэффективных полупроводников и наноматериалов, при помощи которых будут реализовываться технологии следующих поколений.

Переход на 2 нм и тонкости техпроцесса — android.mobile-review.com

9 мая 2021

Владимир Нимин

Facebook

Twitter

Вконтакте

Иан Катрис с AnandTech написал интересную заметку о новом первом в мире 2 нм процессоре от IBM. Вещь интересная, так что считаю полезным поделиться. 

По материалам AnandTech

Каждое новое десятилетие проверяет на прочность пределы закона Мура, и это десятилетие ничем не отличается. Благодаря Extreme Ultra Violet (EUV) и другим технологическим улучшениям появилась возможность ещё больше уменьшить размер транзисторов.

Тут следует пояснить, что несмотря на то, что новость озаглавлена как «переход на технологический процесс производства 2 нм», это переход не в классическом понимании. Дело в том, что раньше уменьшение техпроцесса было эквивалентной метрикой для размера элемента на кристалле в 2D (в смысле, в двух измерениях, то есть на плоскости), например, так было с 90 нм, 65 нм и 40 нм. Однако с распространением технологии производства FinFETs и 3D-дизайна транзисторов произошло изменение, и теперь для простоты по-прежнему говорят «5-нанометровые транзисторы», но понимают как «пятинанометровые транзисторы в эквиваленте 2D-дизайна». По факту некоторые вспомогательные части транзисторов (например, ребра с изоляцией) могут быть «толще», чем 5 нм. Однако тут нанометровая метрика используется в контексте повышения плотности расположения транзисторов на плате.  То есть транзисторы могут быть толще, но на плоскости их разместили так, что это количество соответствует заявленному техпроцессу. 

В пресс-релизе говорится, что разработка IBM 2-нм техпроцессов улучшит производительность на 45% при той же мощности или приведет к 75% энергоэффективности при той же производительности по сравнению с современными 7-нм процессорами. IBM также подчеркивает, что компания была первой как при разработке 7 нм техпроцесса в 2015 году, так и 5 нм в 2017 году. При этом с 5 нм произошел переход с FinFET на технологии нанолистов, которые позволяют более точно настраивать характеристики напряжения отдельных транзисторов.

Таким образом, IBM заявляет, что, во-первых, она по-прежнему великая и инновационная компания, а, во-вторых, с помощью этой технологии можно разместить «50 миллиардов транзисторов на микросхеме размером с ноготь». Журналисты Anandtech первым делом обратились к IBM с просьбой разъяснить, что в компании понимают под размером ногтя, и получили ответ, что речь о площади 150 квадратных миллиметров. Таким образом, плотность транзисторов IBM составляет 333 миллиона транзисторов на квадратный миллиметр.

Пиковая плотность транзисторов в миллионах транзисторов на квадратный миллиметр
Размеры	IBM	TSMC	Intel	Samsung
22нм			16.5
16нм/14нм		28.88	44.67	33.32
10нм		52.51	100.76	51.82
7нм		91.2	237.18	95.08
5нм		171.3
3нм		292.21
2нм	333.33
Данные собраны из доступных открытых источников. У разных производителей понимание техпроцесса и плотности может отличаться.

Как видите, у разных производителей официальные названия техпроцессов обладают разной плотностью. Стоит отметить, что значения плотности часто указываются как пиковая плотность для компоновки транзисторов. Однако, например, самые быстрые части процессора могут обладать даже в 2 раза меньшей плотностью расположения транзисторов. Обычно это связано с вопросами температуры (то есть, по сути, им дают больше пространства, чтобы они в кучке не перегревались и не выходили из строя).

Судя по картинкам, IBM использует трехступенчатую технологию посадки транзисторов (Gate-All-Around — GAA). Samsung планирует использовать GAA при переходе на 3 нм, а TSMC хочет подождать до перехода на 2 нм. В свою очередь, Intel по ожиданиям аналитиков перейдет на GAA при производстве процессоров по техпроцессу 5 нм. 

GAA в разрезе. То есть башенки транзисторов всё выше, но в 2D это рост количества транзисторов на одной площади.

Трехступенчатая GAA башенка от IBM обладает высотой 75 нм и шириной 40 нм. Расстояние между блоками — 5 нм.

Если вас интересует, почему вообще IBM является первой компанией, разработавшей 2-нм техпроцесс, то ответ прост. Сегодня IBM обладает одним из ведущих мировых R&D (исследовательским центром) по полупроводниковым технологиям. Несмотря на отсутствие портфеля привычных коммерческих решений на продажу (как у Samsung или Qualcomm), IBM вместе с другими компаниями занята разработкой.  

Также тут можно отметить, что IBM продала свое производство GlobalFoundries (это американская компания, занимающаяся производством полупроводниковых интегральных схем) с 10-летним партнерским соглашением еще в 2014 году. Ещё IBM в настоящее время работает с Samsung и недавно объявила о партнерстве с Intel. Несомненно, Intel и Samsung будут сотрудничать с IBM, так как обе компании разрабатывают собственные коммерческие чипсеты. 

Кроме пресс-релиза, фотографию «вафли» (wafer – полупроводниковая пластина, на поверхности которой производится массив полупроводников и интегральных схем) и заявления, что продукт создали в исследовательской лаборатории в Олбани, пока что никакой подробной информации IBM не представила, так что можно предположить, что на текущий момент собрали лишь демо-образец с базовой логикой, демонстрирующий, что в целом всё работает. 

Заключение

2 нм чипсеты или процессоры – это вещь, безусловно, интересная. Например, учитывая, что и текущую мощность чипсетов в смартфонах некуда девать, возможно, будут представлены новые энергоэффективные решения, которые при сохранении текущих показателей производительности будут на 75% экономичнее. А вот процессорам в ноутбуках больше пригодится прирост производительности. 

Интересно, что получается, что IBM значительно обходит по времени остальных игроков рынка. Впрочем, TSMC говорит, что уже в следующем году перейдет на производство чипсетов и процессоров по технологии 4 нм и 3 нм. 

Так как IBM в основном разрабатывает решения для собственных нужд, непонятно, когда будут представлены конкретные продукты. Хотя, учитывая сотрудничество с Intel и Samsung, наработки IBM могут опосредованно попасть на рынок. Ну и для полноты картины стоит отметить, что в этом году IBM планирует представить свой собственный 7-нм процессор, который будет использоваться в Power Systems (Power Systems – это линейка серверов от IBM, работающая на архитектуре POWER (RISC)).

Очевидно, что порядок вещей релиз IBM не изменит и на рынок 2 нм чипсеты раньше времени не попадут. Однако хорошо знать, что технологии развиваются, а нам как пользователям электроники есть чему радоваться и удивляться.

ученых сделали транзисторы меньше, чем мы думали

Ученым из Национальной лаборатории Лоуренса Беркли, Стэнфордского университета и Техасского университета в Далласе удалось построить затвор транзистора, длина которого составляет всего 1 нанометр. Их новый транзисторный затвор предлагает значительное улучшение по сравнению с существующими моделями и может значительно повысить скорость работы компьютеров. Их результаты опубликованы в статье в журнале Science .

Транзисторы – это строительные блоки каждого компьютера.Ученые и инженеры продолжают находить способы сделать их меньше, чтобы можно было разместить больше на одном кристалле. Чем больше транзисторов можно разместить на микросхеме, тем быстрее может работать компьютер.

Есть только одна проблема: мы почти достигли предела возможностей малых транзисторов. В настоящее время размер транзисторов составляет около 10-20 нанометров, и ожидается, что в ближайшие несколько лет они сократятся до 5-7 нанометров, но, похоже, это далеко не все. В этот момент транзисторы настолько малы, что квантовые эффекты мешают им работать должным образом.

Чтобы обойти эту проблему, группа исследователей разработала новый тип транзистора, используя другие материалы: дисульфид молибдена и углеродные нанотрубки вместо кремния. Эти новые материалы не имеют такого же минимального размера 5 нанометров, как у традиционных кремниевых транзисторов.

Хотя эта новая технология все еще находится на начальной стадии, она может предоставить компаниям способ обойти застойку миниатюризации, которая, согласно прогнозам, произойдет в 2021 году. Тем временем исследователи планируют провести дополнительную работу, чтобы сделать новые транзисторы более совершенными. эффективный и простой в производстве.

Источник: IEEE Spectrum

Этот контент создается и поддерживается третьей стороной и импортируется на эту страницу, чтобы помочь пользователям указать свои адреса электронной почты. Вы можете найти больше информации об этом и подобном контенте на сайте piano.io.

Существует предел тому, насколько маленькими мы можем сделать транзисторы, но решение – фотонные чипы – Quartz

В течение последних четырех десятилетий электронная промышленность руководствовалась так называемым «законом Мура», который является не законом, а чем-то большим. аксиома или наблюдение.Фактически, это предполагает, что электронные устройства удваиваются по скорости и возможностям примерно каждые два года. И действительно, каждый год технологические компании создают новые, более быстрые, умные и лучшие устройства.

В частности, закон Мура, сформулированный соучредителем Intel Гордоном Муром, гласит, что «количество транзисторов, встроенных в микросхему, будет примерно удваиваться каждые 24 месяца». Транзисторы – крошечные электрические переключатели – являются основным элементом, который управляет всеми электронными устройствами, о которых мы можем думать.По мере того, как они становятся меньше, они также становятся быстрее и потребляют меньше электроэнергии для работы.

В мире технологий один из самых больших вопросов 21 века: насколько маленькими мы можем сделать транзисторы? Если есть предел тому, насколько крошечными они могут быть, мы можем достичь точки, когда больше не сможем производить меньшие, более мощные и более эффективные устройства. Только в США это отрасль с годовым доходом более 200 миллиардов долларов. Может он перестанет расти?

Приближаясь к пределу

В настоящее время такие компании, как Intel, массово производят транзисторы диаметром 14 нанометров – всего в 14 раз шире, чем молекулы ДНК.Они сделаны из кремния, второго по распространенности материала на нашей планете. Размер атома кремния составляет около 0,2 нанометра.

Сегодняшние транзисторы имеют ширину около 70 атомов кремния, поэтому возможность сделать их еще меньше сокращается. Мы приближаемся к пределу того, насколько маленьким можно сделать транзистор.

В настоящее время транзисторы используют электрические сигналы – электроны, перемещающиеся из одного места в другое – для связи. Но если бы мы могли использовать свет, состоящий из фотонов, вместо электричества, мы могли бы сделать транзисторы еще быстрее.Моя работа по поиску способов интеграции обработки света с существующими чипами является частью этих зарождающихся усилий.

Помещение света внутрь микросхемы

Транзистор состоит из трех частей; думайте о них как о частях цифрового фотоаппарата. Сначала информация поступает в линзу, аналогично транзисторному источнику. Затем он проходит по каналу от датчика изображения к проводам внутри камеры. И, наконец, информация хранится на карте памяти камеры, которая называется «стоком» транзистора – где информация в конечном итоге и попадает.

Прямо сейчас все это происходит за счет перемещения электронов. Чтобы заменить свет в качестве среды, нам на самом деле нужно вместо этого перемещать фотоны. Субатомные частицы, такие как электроны и фотоны, перемещаются в волновом движении, колеблясь вверх и вниз, даже когда они движутся в одном направлении. Длина каждой волны зависит от того, через что она проходит.

В кремнии наиболее эффективная длина волны фотонов составляет 1,3 микрометра. Это очень мало – человеческий волос составляет около 100 микрометров в поперечнике. Но электроны в кремнии еще меньше – с длинами волн от 50 до 1000 раз короче фотонов.

Это означает, что оборудование для обработки фотонов должно быть больше, чем устройства для обработки электронов, которые мы имеем сегодня. Может показаться, что это заставит нас строить транзисторы большего размера, а не меньшего размера.

Однако по двум причинам мы могли бы сохранить чипы того же размера и обеспечить большую вычислительную мощность, уменьшить чипы, обеспечивая при этом ту же мощность, или, возможно, и то, и другое. Во-первых, фотонному чипу требуется всего несколько источников света, генерирующих фотоны, которые затем можно направлять вокруг чипа с помощью очень маленьких линз и зеркал.

Во-вторых, свет намного быстрее электронов. В среднем фотоны могут перемещаться примерно в 20 раз быстрее, чем электроны в чипе. Это означает, что компьютеры будут в 20 раз быстрее, а при нынешних технологиях на это потребуется около 15 лет.

Ученые продемонстрировали прогресс в области фотонных чипов в последние годы. Ключевой задачей является обеспечение того, чтобы новые световые чипы могли работать со всеми существующими электронными чипами. Если мы сможем понять, как это сделать – или даже использовать световые транзисторы для улучшения электронных, – мы сможем увидеть значительное улучшение производительности.

Когда я смогу получить световой ноутбук или смартфон?

Нам еще предстоит пройти долгий путь, прежде чем первое потребительское устройство выйдет на рынок, и прогресс требует времени. Первый транзистор был изготовлен в 1907 году с использованием электронных ламп, которые обычно имели высоту от одного до шести дюймов (в среднем 100 мм). К 1947 году был изобретен современный тип транзистора – тот, который сейчас имеет диаметр всего 14 нанометров, и он имел длину 40 микрометров (примерно в 3000 раз длиннее нынешнего).А в 1971 году первый коммерческий микропроцессор (двигатель любого электронного устройства) был в 1000 раз больше, чем сегодня, когда он был выпущен.

Огромные исследовательские усилия и последующая эволюция, наблюдаемая в электронной промышленности, только начинаются в фотонной промышленности. В результате современная электроника может выполнять гораздо более сложные задачи, чем лучшие современные фотонные устройства. Но по мере продвижения исследований возможности света будут догонять и в конечном итоге превосходить скорости электроники.Как бы долго мы ни добирались до этого, будущее фотоники безоблачно.

Изначально этот пост был опубликован на сайте The Conversation.

Новые 2-нм чипы IBM имеют транзисторы меньше, чем нить ДНК.

Яркий пример неумолимого развития технологий – компания IBM представила новые полупроводниковые чипы с самыми маленькими транзисторами из когда-либо созданных. Новая 2-нанометровая (нм) технология позволяет компании втиснуть 50 миллиардов транзисторов в микросхему размером с ноготь.

Текущим отраслевым стандартом являются микросхемы с 7-нм транзисторами, и некоторые высокопроизводительные потребительские устройства, такие как процессоры Apple M1, начинают переходить на 5-нм. А экспериментальные чипы уменьшились до 2,5 нм.

Новые микросхемы IBM объединяют их все, а ширина транзисторов теперь составляет всего 2 нм – для справки, это уже, чем нить человеческой ДНК. Это, конечно, означает, что крошечные транзисторы можно втиснуть в микросхему гораздо плотнее, чем когда-либо прежде, увеличивая вычислительную мощность устройства и повышая энергоэффективность процесса.Компания утверждает, что по сравнению с текущими 7-нм чипами новые 2-нм чипы могут обеспечить на 45 процентов более высокую производительность или на 75 процентов более низкое энергопотребление.

На практике IBM заявляет, что эта технология может повысить производительность всего: от бытовой электроники до распознавания объектов ИИ и времени реакции автономных транспортных средств. Или его экономия энергии может уменьшить значительный углеродный след центров обработки данных или сделать батареи для смартфонов, которые работают четыре дня без подзарядки.

Крупный план 2-нм кремниевой пластины, содержащей сотни отдельных микросхем

IBM

Транзисторы часто используются для определения технического прогресса – закон Мура гласит, что количество транзисторов на кристалле будет удваиваться каждые два года или около того. Хотя это более или менее верно с тех пор, как оно было предложено в 1960-х годах, в последние годы эта скорость несколько замедлилась.

Прошло почти четыре года с тех пор, как IBM представила свои 5-нм микросхемы с 30 миллиардами транзисторов – если следовать закону Мура до Т, мы опоздаем на два года и 10 миллиардов транзисторов не хватит.Фактически, IBM только сейчас удваивает количество транзисторов в своих первых 7-нм чипах, представленных в 2015 году.

Изображение с помощью сканирующего электронного микроскопа отдельных транзисторов на новом чипе IBM, каждый из которых имеет ширину 2 нанометра – уже, чем нить человеческой ДНК

IBM

Тем не менее, мы не должны преуменьшать значение новой разработки – 2 нм – это настоящий инженерный подвиг. Еще в 2019 году инженеры выразили опасения, что технологии не позволят добиться значительного прогресса при размере меньше 3 нм.Исследования, проведенные многими компаниями за последние несколько лет, развеяли эти опасения.

Вполне вероятно, что мы не увидим эти 2-нм чипы в потребительской электронике не раньше 2023 года, так что пока пользуйтесь преимуществами все еще впечатляющих 5-нм чипов.

IBM обсуждает новый технологический прорыв в видео ниже.

IBM представляет первую в мире технологию чипов с 2 нанометрами

Источник: IBM

Самый маленький в мире транзистор имеет длину 1 нм, будь к черту физика

Размер транзистора – важная часть совершенствования компьютерных технологий.Чем меньше у вас транзисторы, тем больше вы можете уместить на микросхеме и тем быстрее и эффективнее может быть ваш процессор. Вот почему это такая большая новость, что команда из Национальной лаборатории Лоуренса Беркли успешно построила функциональный транзисторный затвор длиной 1 нанометр, который, по утверждению лаборатории, является самым маленьким работающим транзистором из когда-либо созданных.

---

В течение многих лет компьютерная индустрия регулируется законом Мура, который гласит, что количество транзисторов в полупроводниковой схеме удваивается каждые два года.В технологиях нынешнего поколения используется технология шкалы 14 нм, а выпуск полупроводников 10 нм ожидается в 2017 или 2018 годах с такими продуктами, как линейка Intel Cannonlake.

Заглядывая в будущее, закон Мура начинает вызывать проблемы

Но если смотреть в будущее, закон Мура начинает сталкиваться с проблемами. И под проблемой я имею в виду законы физики. Видите ли, хотя 7-нанометровый узел технически возможно изготавливать из кремния, после этого вы сталкиваетесь с проблемами, когда кремниевые транзисторы размером менее 7 нм становятся настолько физически близкими друг к другу, что электроны испытывают квантовое туннелирование.Таким образом, вместо того, чтобы оставаться в намеченном логическом элементе, электроны могут непрерывно перетекать от одного затвора к другому, что по существу делает невозможным для транзисторов состояние выключения.

Суджай Десаи / Калифорнийский университет в Беркли

И хотя такие компании, как Intel, первоначально заявили, что будут изучать другие материалы для производства 7-нм полупроводников и не только, исследовательская группа Berkeley Lab опередила их, используя углеродные нанотрубки и дисульфид молибдена (MoS ₂ ) для создания полупроводниковых материалов. суб-7нм транзистор.MoS ₂ функционирует как полупроводник, а полая углеродная нанотрубка действует как затвор для управления потоком электронов.

Исследования здесь все еще находятся на очень ранней стадии

Тем не менее, исследования здесь все еще находятся на очень ранней стадии. На 14-нм кристалле находится более миллиарда транзисторов, и команде Berkley Lab еще предстоит разработать жизнеспособный метод массового производства новых 1-нм транзисторов или даже разработать микросхему, использующую их. Но только как доказательство концепции, результаты здесь по-прежнему важны – новые материалы могут по-прежнему позволять использовать транзисторы меньшего размера, а вместе с тем увеличивать мощность и эффективность компьютеров будущего.

Достигнуто

размеров затвора в один нанометр для транзисторов

Этот танец называется динамическое масштабирование напряжения и частоты (DVFS) постоянно происходит в процессоре, называемом системой на кристалле (SoC), который управляет вашим телефоном и вашим ноутбуком, а также на серверах, которые их поддерживают. Все это делается для того, чтобы сбалансировать вычислительную производительность и энергопотребление, что особенно сложно для смартфонов. Цепи, которые управляют DVFS, стремятся обеспечить стабильные часы и стабильный уровень напряжения, несмотря на скачки тока, но они также являются одними из самых непростых в проектировании.

Это главным образом потому, что схемы генерации часов и регулирования напряжения являются аналоговыми, в отличие от почти всего остального на SoC вашего смартфона. Мы привыкли к почти ежегодному выпуску новых процессоров с существенно большей вычислительной мощностью благодаря достижениям в производстве полупроводников. «Перенос» цифровой конструкции из старого полупроводникового процесса в новый – это не пикник, это ничто по сравнению с попыткой перенести аналоговые схемы на новый процесс. Аналоговые компоненты, обеспечивающие DVFS, особенно схема, называемая стабилизатором напряжения с малым падением напряжения (LDO), не масштабируются, как цифровые схемы, и должны быть в основном перепроектированы с нуля с каждым новым поколением.

Если бы вместо этого мы могли строить LDO – и, возможно, другие аналоговые схемы – из цифровых компонентов, их было бы гораздо легче переносить, чем любую другую часть процессора, что значительно снизило бы затраты на конструкцию и освободило инженеров для решения других проблем, связанных с передовой конструкцией микросхем. есть в магазине. Более того, полученные цифровые LDO могут быть намного меньше своих аналоговых аналогов и работать лучше в некоторых отношениях. Исследовательские группы в промышленности и академических кругах протестировали по крайней мере дюжину проектов за последние несколько лет, и, несмотря на некоторые недостатки, коммерчески полезный цифровой LDO может скоро стать доступным.

Стабилизаторы напряжения с малым падением напряжения (LDO) позволяют нескольким ядрам процессора на одной шине входного напряжения (V _IN ) работать при разных напряжениях в соответствии с их рабочими нагрузками. В этом случае Core 1 предъявляет самые высокие требования к производительности. Его головной переключатель, на самом деле группа транзисторов, соединенных параллельно, замкнут, минуя LDO и напрямую подключающий Core 1 к V _IN , который получает питание от внешней ИС управления питанием. Однако ядра 2–4 имеют менее требовательные рабочие нагрузки.Их LDO используются для подачи на сердечники напряжения, позволяющего экономить электроэнергию.

Базовый аналоговый регулятор напряжения с малым падением напряжения [слева] управляет напряжением через контур обратной связи. Он пытается сделать выходное напряжение (V _DD ) равным опорному напряжению, контролируя ток через силовой PFET. В базовой цифровой схеме [справа] независимые часы запускают компаратор [треугольник], который сравнивает опорное напряжение с V _DD . Результат сообщает логике управления, сколько мощных полевых транзисторов нужно активировать.

ТИПИЧНАЯ СИСТЕМА НА ЧИПЕ для смартфона – чудо интеграции. На одной кремниевой пластинке он объединяет несколько ядер ЦП, блок обработки графики, процессор цифровых сигналов, блок нейронной обработки, процессор сигналов изображения, а также модем и другие специализированные блоки логики. Естественно, повышение тактовой частоты, которая управляет этими логическими блоками, увеличивает скорость, с которой они выполняют свою работу. Но для работы на более высокой частоте им также требуется более высокое напряжение.Без этого транзисторы не могут включаться или выключаться до следующего такта тактовой частоты процессора. Конечно, более высокая частота и напряжение происходит за счет энергопотребления. Таким образом, эти ядра и логические блоки динамически изменяют свою тактовую частоту и напряжение питания – часто в диапазоне от 0,95 до 0,45 В – в зависимости от баланса энергоэффективности и производительности, необходимого им для любой назначенной им рабочей нагрузки – съемки видео, воспроизведения музыки. файл, передача речи во время разговора и т. д.

Как правило, внешняя ИС управления питанием генерирует несколько значений входного напряжения (V _IN ) для SoC телефона. Эти напряжения передаются в области микросхемы SoC по широким межсоединениям, называемым рельсами. Но количество соединений между микросхемой управления питанием и SoC ограничено. Таким образом, несколько ядер на SoC должны использовать одну и ту же шину V _IN .

Но они не обязательно должны получать одинаковое напряжение благодаря стабилизаторам напряжения с малым падением напряжения.LDO вместе с выделенными тактовыми генераторами позволяют каждому ядру на общей шине работать с уникальным напряжением питания и тактовой частотой. Ядро, требующее наивысшего напряжения питания, определяет общее значение V _IN . Микросхема управления питанием устанавливает V _IN на это значение, и это ядро ​​полностью обходит LDO через транзисторы, называемые головными переключателями.

Чтобы снизить энергопотребление до минимума, другие ядра могут работать при более низком напряжении питания. Программное обеспечение определяет, каким должно быть это напряжение, и аналоговые LDO-стабилизаторы довольно хорошо справляются с его подачей.Они компактны, дешевы в сборке и относительно просты в интеграции в микросхему, поскольку не требуют больших катушек индуктивности или конденсаторов.

Но эти LDO могут работать только в определенном диапазоне напряжений. На верхнем конце целевое напряжение должно быть ниже, чем разница между V _IN и падением напряжения на самом LDO (одноименное «падение» напряжения). Например, если напряжение питания, которое было бы наиболее эффективным для ядра, составляет 0,85 В, но V _IN равно 0.95 В, а падение напряжения LDO составляет 0,15 В, это ядро ​​не может использовать LDO для достижения 0,85 В и должно вместо этого работать при 0,95 В, тратя немного энергии. Точно так же, если V _IN уже был установлен ниже определенного предела напряжения, аналоговые компоненты LDO не будут работать должным образом, и схема не может быть задействована для дальнейшего снижения напряжения питания ядра.

Основным препятствием, ограничивающим до сих пор использование цифровых LDO, является медленная переходная характеристика.

Однако, если желаемое напряжение попадает в окно LDO, программное обеспечение включает схему и активирует опорное напряжение, равное целевому напряжению питания.

КАК LDO подает нужное напряжение? В базовой конструкции аналогового LDO-стабилизатора используется операционный усилитель, обратная связь и специализированный силовой полевой транзистор (PFET) p -канальный. Последний представляет собой транзистор, который уменьшает свой ток с увеличением напряжения на затворе. Напряжение затвора этого силового полевого транзистора представляет собой аналоговый сигнал, поступающий от операционного усилителя, в диапазоне от 0 В до _IN . Операционный усилитель постоянно сравнивает выходное напряжение схемы – напряжение питания ядра или V _DD – с заданным опорным напряжением.Если выходное напряжение LDO падает ниже опорного напряжения – как это было бы, когда новая активная логика внезапно потребовала больше тока – операционный усилитель снижает напряжение затвора силового PFET, увеличивая ток и поднимая V _DD до значения опорного напряжения. И наоборот, если выходное напряжение поднимается выше опорного напряжения – как это было бы, когда логика ядра менее активна – тогда операционный усилитель увеличивает напряжение затвора транзистора, чтобы уменьшить ток и снизить V _DD .

Базовый С другой стороны, digital LDO состоит из компаратора напряжения, управляющей логики и ряда параллельных силовых полевых транзисторов.(LDO также имеет свою собственную схему синхронизации, отдельную от схем, используемых ядром процессора.) В цифровом LDO напряжения затвора для силовых PFET представляют собой двоичные значения, а не аналоговые, либо 0 В, либо V _IN .

С каждым тактом тактового генератора компаратор измеряет, находится ли выходное напряжение ниже или выше целевого напряжения, обеспечиваемого опорным источником. Выход компаратора направляет логику управления при определении того, сколько силовых полевых транзисторов нужно активировать. Если выходной сигнал LDO ниже целевого, логика управления активирует больше мощных полевых транзисторов.Их объединенный ток поддерживает напряжение питания ядра, и это значение возвращается на компаратор, чтобы поддерживать его на заданном уровне. Если он выходит за пределы допустимого диапазона, компаратор подает сигнал управляющей логике, чтобы выключить некоторые из PFET.

НИ АНАЛОГОВЫЙ , ни цифровой LDO, конечно, не идеальны. Ключевым преимуществом аналоговой конструкции является то, что она может быстро реагировать на переходные спады и выбросы напряжения питания, что особенно важно, когда эти события связаны с резкими изменениями.Эти переходные процессы возникают из-за того, что потребность ядра в токе может сильно увеличиваться или уменьшаться за считанные наносекунды. В дополнение к быстрому отклику аналоговые LDO очень хорошо подавляют вариации V _IN , которые могут исходить от других ядер на шинах. И, наконец, когда текущие требования не сильно меняются, он жестко регулирует выход, не превышая и не занижая цель, что вызывает колебания в V _DD .

Когда требования к току ядра внезапно меняются, это может привести к скачку или падению выходного напряжения LDO [вверху].Базовые конструкции цифровых LDO не справляются с этой задачей [внизу слева]. Однако схема, называемая адаптивной выборкой с пониженной динамической стабильностью [внизу справа], может уменьшить величину скачка напряжения. Это достигается за счет увеличения частоты дискретизации LDO, когда спад становится слишком большим, что позволяет схеме реагировать быстрее. Источник: S.B. Насир и др., Международная конференция по твердотельным схемам IEEE (ISSCC), февраль 2015 г., стр. 98–99.

Эти атрибуты сделали аналоговые LDO привлекательными не только для питания процессорных ядер, но и практически для любой схемы, требующей тихого, стабильного напряжения питания.Однако есть некоторые серьезные проблемы, которые ограничивают эффективность этих проектов. Первые аналоговые компоненты намного сложнее цифровой логики, что требует длительного времени на разработку для их реализации в узлах с передовыми технологиями. Во-вторых, они не работают должным образом при низком уровне V _IN , что ограничивает уровень V _DD , который они могут передать ядру. И, наконец, падение напряжения у аналоговых LDO не так мало, как хотелось бы разработчикам.

Взяв эти последние моменты вместе, аналоговые LDO предлагают ограниченный диапазон напряжений, при котором они могут работать.Это означает, что упущены возможности использовать LDO для энергосбережения – достаточно большие, чтобы заметно увеличить время автономной работы смартфона.

Цифровые LDO устраняют многие из этих недостатков: не имея сложных аналоговых компонентов, они позволяют дизайнерам использовать множество инструментов и других ресурсов для цифрового дизайна. Таким образом, уменьшение размера схемы для новой технологии процесса потребует гораздо меньше усилий. Цифровые LDO-стабилизаторы также будут работать в более широком диапазоне напряжений. На стороне низкого напряжения цифровые компоненты могут работать при значениях V _IN , которые недоступны для аналоговых компонентов.А в более высоком диапазоне падение напряжения цифрового LDO будет меньше, что приведет к значительной экономии энергии ядра.

Но ничего бесплатного, а у цифрового LDO есть серьезные недостатки. Большинство из них возникает из-за того, что схема измеряет и изменяет свой выходной сигнал только в дискретные моменты времени, а не постоянно. Это означает, что схема имеет сравнительно медленную реакцию на падения и выбросы напряжения питания. Он также более чувствителен к изменениям V _IN и имеет тенденцию создавать небольшие колебания выходного напряжения, которые могут ухудшить производительность ядра.

Из них основным препятствием, которое до сих пор ограничивало использование цифровых LDO, является их медленная переходная характеристика. Ядра испытывают провалы и выбросы, когда ток, который они потребляют, резко меняется в ответ на изменение их рабочей нагрузки. Время реакции LDO на события падения критически важно для ограничения того, насколько сильно падает напряжение и как долго это состояние длится. Обычные жилы добавляют запас прочности к напряжению питания, чтобы гарантировать правильную работу при падении напряжения. Большее ожидаемое падение означает, что маржа должна быть больше, что снижает преимущества энергоэффективности LDO.Таким образом, ускорение реакции цифрового LDO на провалы и выбросы является основным направлением передовых исследований в этой области.

НЕКОТОРЫЕ ПОСЛЕДНИЕ ДОСТИЖЕНИЯ помог ускорить реакцию схемы на провалы и выбросы. Один из подходов использует тактовую частоту цифрового LDO в качестве ручки управления, чтобы заменить стабильность и энергоэффективность на время отклика.

Более низкая частота улучшает стабильность LDO просто потому, что выходной сигнал будет меняться не так часто. Это также снижает энергопотребление LDO, поскольку транзисторы, составляющие LDO, переключаются реже.Но это происходит за счет более медленной реакции ядра процессора на переходные текущие требования. Вы можете понять, почему это происходит, если учесть, что большая часть переходного события может произойти в течение одного тактового цикла, если частота слишком низкая.

И наоборот, высокая тактовая частота LDO сокращает время отклика на переходный процесс, потому что компаратор производит выборку выходного сигнала достаточно часто, чтобы изменить выходной ток LDO на более раннем этапе переходного процесса. Однако эта постоянная выборка ухудшает стабильность выходного сигнала и потребляет больше энергии.

Суть этого подхода состоит в том, чтобы ввести тактовый генератор, частота которого адаптируется к ситуации, схема, называемая адаптивной частотой дискретизации с пониженной динамической стабильностью. Когда падение или выброс напряжения превышает определенный уровень, тактовая частота увеличивается для более быстрого уменьшения переходного эффекта. Затем он замедляется, чтобы потреблять меньше энергии и поддерживать стабильное выходное напряжение. Этот трюк достигается путем добавления пары дополнительных компараторов для определения условий перерегулирования и спада и запуска часов.При измерениях с тестовой микросхемы с использованием этого метода падение напряжения V _DD уменьшилось с 210 до 90 милливольт – на 57 процентов меньше, чем у стандартной цифровой конструкции LDO. А время, необходимое для стабилизации напряжения, сократилось с 5,8 мкс до 1,1 микросекунды, т.е. улучшение на 81 процент.

Альтернативный подход к уменьшению времени отклика на переходные процессы – сделать цифровой LDO немного аналоговым. Конструкция включает отдельный контур с аналоговым управлением, который мгновенно реагирует на переходные процессы тока нагрузки.Контур с аналоговой поддержкой соединяет выходное напряжение LDO с параллельными PFET LDO через конденсатор, создавая контур обратной связи, который включается только при резком изменении выходного напряжения. Таким образом, когда выходное напряжение падает, оно снижает напряжение на активированных затворах PFET и мгновенно увеличивает ток в сердечнике, чтобы уменьшить величину спада. Было показано, что такой контур с аналоговым управлением снижает спад с 300 до 106 мВ, улучшение на 65 процентов, и выброс с 80 до 70 мВ (13 процентов).

Альтернативный способ заставить цифровые LDO быстрее реагировать на падения напряжения – это добавить аналоговую петлю обратной связи к силовой части PFET схемы [вверху]. При падении или выбросе выходного напряжения аналоговый контур подключается, чтобы поддержать его [внизу], уменьшая величину отклонения. Источник: М. Хуанг и др., IEEE Journal of Solid-State Circuits, январь 2018 г., стр. 20–34.

Конечно, у обоих этих методов есть свои недостатки.Во-первых, ни один из них не может сравниться со временем отклика сегодняшних аналоговых LDO. Кроме того, для метода адаптивной частоты дискретизации требуются два дополнительных компаратора, а также генерация и калибровка опорных напряжений для спада и выброса, поэтому схема знает, когда задействовать более высокую частоту. Контур с аналоговым управлением включает в себя некоторые аналоговые компоненты, что сокращает время разработки полностью цифровой системы.

Развитие коммерческих процессоров SoC может помочь сделать цифровые LDO более успешными, даже если они не могут полностью соответствовать аналоговым характеристикам.Сегодня коммерческие процессоры SoC объединяют полностью цифровые адаптивные схемы, предназначенные для смягчения проблем с производительностью при возникновении провалов. Эти схемы, например, временно увеличивают период тактовой частоты ядра, чтобы предотвратить ошибки синхронизации. Такие методы смягчения могут ослабить временные ограничения переходных процессов, позволяя использовать цифровые LDO и повышая эффективность процессора. Если это произойдет, мы можем ожидать более эффективных смартфонов и других компьютеров, при этом значительно упростив процесс их разработки.

Transistor Wars – IEEE Spectrum

В мае Intel объявила о самом значительном изменении архитектуры транзистора с момента изобретения устройства. Отныне компания будет строить свои транзисторы в трех измерениях, и этот сдвиг, если все пойдет хорошо, должен добавить как минимум полдюжины лет к сроку действия закона Мура, двулетнего удвоения плотности транзисторов, которое десятилетиями движет индустрией микросхем.

Но громкое заявление Intel примечательно еще по одной причине: оно означало начало растущего раскола между производителями микросхем.Несмотря на все огромные преимущества трехмерного изображения, более простая альтернативная конструкция также приближается к производству. Хотя еще не ясно, какая архитектура устройства победит, несомненно, что дополнительный металлооксидный полупроводниковый (CMOS) полевой транзистор (FET) – центральный элемент компьютерных процессоров с 1980-х годов – получит совершенно новый вид. И изменение больше, чем косметическое; Эти разработки помогут открыть новый мир маломощной мобильной электроники с фантастическими возможностями.

Существует простая причина, по которой все думают о модернизации: чем меньше размер КМОП-транзистора, тем больше ток утечки при выключении. Эта утечка возникает из-за геометрии устройства. Стандартный транзистор CMOS состоит из четырех частей: истока, стока, канала, соединяющего эти две части, и верхнего затвора для управления каналом. Когда затвор включен, он создает проводящий путь, который позволяет электронам или дыркам перемещаться от истока к стоку. Когда ворота выключены, этот токопроводящий путь должен исчезнуть.Но поскольку инженеры сократили расстояние между истоком и стоком, контроль затвора над каналом транзистора стал слабее. Ток проходит через ту часть канала, которая наиболее удалена от затвора, а также через нижележащую кремниевую подложку. Единственный способ сократить утечки – это удалить весь лишний силикон.

За последние несколько десятилетий появилось два совершенно разных решения этой проблемы. Один из подходов состоит в том, чтобы сделать кремниевый канал традиционного планарного транзистора как можно более тонким, исключив кремниевую подложку и вместо этого построив канал поверх изоляционного материала.Другая схема состоит в том, чтобы повернуть этот канал на бок, вытолкнув его из плоскости транзистора, чтобы создать трехмерное устройство. Каждый подход имеет свой набор достоинств и производственных проблем, и производители микросхем сейчас разрабатывают лучший способ догнать Intel. В следующие несколько лет в и без того быстро развивающейся отрасли произойдут серьезные потрясения.

В изменениях нет ничего нового. для транзисторов CMOS, но темпы роста ускоряются. Когда в 1980-х годах в массовое производство поступили первые КМОП-устройства, путь к дальнейшей миниатюризации казался простым.Еще в 1974 году инженеры исследовательского центра IBM T. J. Watson Research Center в Йорктаун-Хайтс, штат Нью-Йорк, во главе с Робертом Деннардом, уже наметили идеальный вариант развития. Команда описала, как неуклонное уменьшение длины затвора, толщины изолятора затвора и других размеров элементов может одновременно улучшить скорость переключения, потребляемую мощность и плотность транзисторов.

Но этот набор правил, известный как закон масштабирования Деннарда, уже некоторое время не соблюдается. Во время бума персональных компьютеров в 1990-е годы спрос на более быстрые микропроцессоры уменьшал длину затвора транзистора быстрее, чем того требовал закон Деннарда.Уменьшение размеров транзисторов увеличивало скорость, но инженеры обнаружили, что при этом они не могли снизить напряжение на устройствах для улучшения энергопотребления. Когда транзистор был выключен, терялось так много тока, что требовалось сильное напряжение, прикладываемое к стоку для протягивания носителей заряда через канал, чтобы устройство переключалось как можно быстрее, чтобы избежать потери мощности в процессе переключения.

Иллюстрация: Эмили Купер

Устранение EXCESS: В ближайшие несколько лет традиционные планарные полевые КМОП-транзисторы [слева] будут заменены альтернативными архитектурами, которые улучшат управление каналом затвором.КНИ UTB [в центре] заменяет объемный кремниевый канал тонким слоем кремния, установленным на изоляторе. FinFET [справа] поворачивает канал транзистора на бок и охватывает затвор с трех сторон. Нажмите для увеличения.

К 2001 году мощность утечки быстро приближалась к величине мощности, необходимой для переключения транзистора из его «выключенного» состояния. Это был предупреждающий знак для индустрии. Тенденция обещала чипы, которые будут потреблять одинаковое количество энергии независимо от того, используются они или нет.Производителям микросхем нужно было найти новые способы увеличения плотности транзисторов. В 2003 году, когда длина транзисторных каналов упала до 45 нанометров, Intel представила микросхемы, несущие устройства, изготовленные с применением механической деформации. Эти транзисторы имели кремниевые каналы, которые были физически сжаты или вытянуты для увеличения скорости и уменьшения потерь мощности из-за сопротивления. К следующему «узлу» – отраслевому термину для обозначения вехи в плотности транзисторов – компании перестали уменьшать размеры транзисторов и вместо этого начали просто сжимать транзисторы ближе друг к другу.А в 2007 году Intel купила закон Мура еще на несколько лет, представив первую крупную замену материалов, заменив постоянно истончающийся изолятор из оксида кремния, который находится между затвором и каналом транзистора, оксидом гафния.

Этот лучше изолирующий материал помог остановить основной источник тока утечки – туннелирование электронов между затвором и каналом. Но утечка из источника в канализацию по-прежнему была огромной проблемой. Поскольку компании столкнулись с перспективой создания еще более плотных микросхем с характеристиками, приближающимися к 20 нм, становилось все более очевидным, что сжимать вместе традиционные планарные транзисторы или еще больше их сжимать с помощью существующей технологии невозможно.Замена изолятора на новый или добавление большего напряжения не повлияет на его работу. Снижение энергопотребления и сохранение закона Мура потребуют фундаментального изменения структуры транзистора – новой конструкции, которая могла бы максимизировать контроль затвора над каналом.

К счастью, в ходе более чем 20-летних исследований разработчики транзисторов нашли два очень эффективных способа повысить эффективность затвора транзистора. Поскольку сам гейт не может стать намного сильнее, эти схемы направлены на то, чтобы упростить управление каналом.Один из подходов заменяет объемный кремний обычного транзистора тонким слоем кремния, построенным на изолирующем слое, создавая устройство, которое часто называют сверхтонким кремнием на изоляторе или UTB SOI, также известным как полностью обедненный SOI.

Вторая стратегия поворачивает тонкий силиконовый канал на 90 градусов, создавая «плавник», выступающий из плоскости устройства. Затем затвор транзистора драпируется поверх канала, как перевернутая буква U, ограничивая его с трех сторон и предоставляя затвору почти полный контроль над каналом.В то время как обычные КМОП-устройства в основном плоские, за исключением тонкого изоляционного слоя и затвора, эти FinFET-транзисторы – или транзисторы Tri-Gate, как Intel назвала свои трехсторонние устройства – явно трехмерны. Все основные компоненты транзистора – исток, сток, канал и затвор – расположены поверх подложки устройства.

Обе схемы обладают одним и тем же основным преимуществом: за счет истончения канала они приближают затвор к стоку. Когда транзистор выключен, электрическое поле стока может идти по одному из двух путей внутри канала к пунктам назначения с нулевым напряжением.Он может распространяться по каналу до источника или заканчиваться на затворе транзистора. Если поле достигает источника, оно может снизить энергетический барьер, который удерживает носители заряда в источнике от проникновения в канал. Но если ворота расположены достаточно близко к водостоку, они могут действовать как громоотвод, отводя силовые линии от источника. Это сокращает утечку, а также означает, что силовые линии не проникают очень далеко в канал, рассеивая еще больше энергии, притягивая любые паразитные носители.

Первый трехмерный транзистор был набросан Дай Хисамото и другими сотрудниками Hitachi, которые представили дизайн устройства, получившего название Delta, на конференции в 1989 году. Корни UTB SOI уходят еще дальше; они являются естественным продолжением ранних исследований каналов SOI, которые начались в 1980-х годах, когда исследователи начали экспериментировать с транзисторами, построенными из нелегированных кремниевых каналов толщиной 200 нм на изоляционном материале.

Но перспективы обоих этих подходов с использованием тонких каналов не были полностью оценены до 1996 года, когда Ченмин Ху и его коллеги из Калифорнийского университета в Беркли начали амбициозное исследование, финансируемое U.Агентство перспективных исследовательских проектов S. Defense, чтобы увидеть, как далеко могут зайти эти разработки. В то время промышленность производила транзисторы с длиной волны 250 нм, и никто не знал, можно ли масштабировать устройства ниже 100 нм. Команда Ху показала, что две альтернативные архитектуры могут решить проблемы энергопотребления планарных КМОП-транзисторов и что они могут работать с длиной затвора 20 нм, а позже даже меньше.

И FinFET, и UTB SOI предлагают большой выигрыш в энергопотреблении. Конструкции логических микросхем обычно требуют, чтобы транзистор во включенном состоянии потреблял как минимум в 10 000 раз больше тока, чем утечка устройства в выключенном состоянии.Для 30-нм транзисторов – примерно такого размера, к которому в настоящее время стремятся большинство производителей микросхем, – эта спецификация означает, что устройства должны пропускать не более нескольких наноампер тока, когда они выключены. В то время как 30-нм планарные КМОП-устройства пропускают примерно в 50 раз больше, обе конструкции с тонкими каналами довольно легко достигают цели.

Но эти две архитектуры не совсем равны. Чтобы получить наилучшую производительность, канал SOI UTB должен быть не более четверти толщины гейта. Поскольку затвор FinFET ограничивает канал с трех сторон, трехмерные транзисторы могут достичь того же уровня управления, что и канал (или плавник), толщина которого составляет половину длины затвора транзистора.

Этот больший объем канала дает FinFET-транзисторам явное преимущество, когда дело доходит до допустимой нагрузки по току. Лучшие результаты исследований и разработок предполагают, что 25-нм FinFET может пропускать примерно на 25 процентов больше тока, чем UTB SOI. Это повышение тока не имеет большого значения, если у вас только один транзистор, но в ИС это означает, что вы можете заряжать конденсаторы на 25 процентов быстрее, что делает микросхемы намного быстрее. Очевидно, что более быстрые чипы очень много значат для производителя микропроцессоров, такого как Intel. Вопрос в том, сочтут ли другие производители микросхем более высокие скорости достаточно значимыми для перехода на FinFET – перспектива, которая требует больших предварительных инвестиций и совершенно нового набора производственных задач.

Самое большое препятствие при создании FinFET – это изготовление ребер таким образом, чтобы они были узкими и однородными. Для 20-нм транзистора – примерно того же размера, что и тот, который Intel выпускает в производство – ребро должно быть примерно 10 нм в ширину и 25 нм в высоту; он также должен отклоняться не более чем на полнанометра – всего на несколько атомных слоев – в любом заданном направлении. В процессе производства производители должны контролировать все источники отклонений, ограничивая их не более 1 нм на пластине шириной 300 мм.

Снижение отдачи: По мере того, как транзисторы становились меньше, их требования к мощности росли. К 2001 году мощность, которая просачивалась через транзистор, когда он был выключен, быстро приближалась к величине мощности, необходимой для включения транзистора [слева], что является предупреждающим знаком для индустрии микросхем. Как показывают эти данные Intel, проблема утечки в конечном итоге остановила масштабирование транзисторов [справа], прогрессию, названную законом Деннарда. Переход на альтернативную архитектуру позволит производителям микросхем снова уменьшить размер транзисторов, повысив их плотность и производительность. Нажмите для увеличения.

Такая точность нужна не только для изготовления плавника; его также необходимо поддерживать в течение остальной части производственного процесса, включая термическую обработку, легирование и несколько этапов осаждения и удаления пленки, необходимых для создания изолятора затвора и затвора транзистора. В качестве дополнительного осложнения оксид затвора и затвор должны быть нанесены так, чтобы они повторяли контуры ребра. Любой процесс, повреждающий плавник, может повлиять на работу устройства.Возникающие в результате различия в качестве устройств вынудили бы инженеров использовать схемы с большей мощностью, чем они были предназначены, что исключает любые выгоды в энергоэффективности.

Необычная геометрия FinFET также создает проблемы для легирования, которое не требуется, но может помочь снизить ток утечки. Каналы FinFET нуждаются в двух видах легирующих добавок: одна осаждается под затвором, а другая – в частях канала, которые проходят по обе стороны от затвора, помогая соединить канал с истоком и стоком.В настоящее время производители обрабатывают каналы, направляя ионы прямо в материал. Но такой подход не работает для FinFET. Устройства нуждаются в том, чтобы присадки распределялись равномерно через верх ребра и боковые стенки; любая неравномерность концентрации вызовет скопление зарядов, увеличивая сопротивление устройства и теряя мощность.

Допинг в будущем станет только сложнее. По мере того, как FinFET сжимается, они будут так сближаться, что будут отбрасывать «тени» друг на друга, не давая легирующим примесям проникать во все части каждого плавника.В Silicon Systems Group компании Applied Materials мы работаем над одним возможным решением: погружаем ребра в плазму, чтобы легирующие примеси могли мигрировать непосредственно в материал, независимо от его формы.

Поскольку устройства UTB SOI очень похожи на обычные планарные КМОП-транзисторы, их легче изготовить, чем FinFET. Большинство существующих конструкций и технологий производства будут работать с новыми тонкими кремниевыми транзисторами так же хорошо, как и с традиционными. И в некотором смысле КНИ UTB легче производить, чем современные транзисторы.Устройствам не требуются легированные каналы – упрощение, которое может сэкономить производителям планарных КМОП примерно 20–30 шагов из примерно 400 в процессе производства пластин.

Но UTB SOI имеет свои проблемы, в основном тонкий канал. Требование, чтобы каналы UTB SOI были вдвое меньше толщины сопоставимых ребер FinFET, делает любые изменения толщины еще более критичными для этих устройств. Фирма Soitec со штаб-квартирой в Бернине, Франция, которая лидирует в производстве ультратонких пластин кремния на изоляторе, в настоящее время демонстрирует кремниевые слои толщиной 10 нм, которые варьируются всего на 0.Толщиной 5 нм. Это впечатляющее достижение для пластин диаметром 300 мм, но его необходимо будет улучшить по мере сжатия транзисторов. И непонятно, насколько точна технология Soitec – которая включает в себя разделение пластины для создания ультратонкого слоя кремния – может быть в конечном итоге реализована.

Еще одним ключевым камнем преткновения для внедрения UTB SOI является цепочка поставок. На данный момент существует несколько потенциальных поставщиков ультратонких SOI-пластин, которые в конечном итоге могут поставить производителей UTB SOI-чипов в зависимость от нескольких источников.Марк Бор из Intel говорит, что труднодоступные пластины могут увеличить стоимость готовой пластины на 10 процентов по сравнению с 2–3 процентами для пластин с трехмерными транзисторами (оценка SOI Industry Consortium предполагает, что готовые пластины UTB SOI на самом деле будет дешевле).

В дальнейшем мы ожидаем, что производители чипов разделятся на два лагеря. Те, кто интересуется самыми быстрыми транзисторами, перейдут в сторону FinFET. Для тех, кто не хочет вкладывать столько средств в коммутатор, более привлекательными будут SOI UTB.

У транзисторов

SOI UTB есть дополнительная функция, которая делает их особенно привлекательными для приложений с низким энергопотреблением: небольшое напряжение можно легко приложить к самому низу микросхемы, заполненной устройствами UTB SOI. Это небольшое напряжение смещения изменяет свойства канала, уменьшая электрический барьер, который останавливает ток, протекающий от истока к стоку. В результате на затворы транзисторов необходимо подавать меньшее напряжение для включения устройств. Когда транзисторы не нужны, это напряжение смещения может быть снято, что восстанавливает электрический барьер, уменьшая количество тока, протекающего через устройство, когда оно выключено.Как давно утверждал Томас Скотницки из STMicroelectronics, такого рода динамическое переключение экономит электроэнергию, что делает устройства особенно привлекательными для использования в чипах в смартфонах и других мобильных гаджетах. Скотницки говорит, что компания рассчитывает выпустить свой первый чип UTB SOI, который будет использовать 28-нм транзисторы для питания мобильного мультимедийного процессора к концу 2012 года.

Тем не менее, немногие компании взяли на себя обязательства по использованию той или иной технологии. STMicroelectronics, а также такие фирмы, как GlobalFoundries и Samsung, являются частью Международного альянса по разработке полупроводников, который поддерживает и извлекает выгоду из исследований устройств в IBM и инвестирует как в FinFET, так и в SOI UTB.То, как именно разделится отрасль и какой дизайн станет доминирующим, будет зависеть от решений, принятых крупнейшими производителями, и от того, насколько быстро будут разработаны стандарты. Отчеты предполагают, что компания Taiwan Semiconductor Manufacturing Co., которая доминирует в индивидуальном производстве в индустрии микросхем, начнет производство 14-нм FinFET в 2015 году, но неясно, будет ли компания поддерживать производство UTB SOI. Переход на производство FinFET требует значительных инвестиций, и, в зависимости от того, как изменится TSMC, это окажет давление на других производителей, таких как GlobalFoundries, United Microelectronics Corp., и новички в литейном бизнесе, такие как Samsung, выбирают направление.

Также все еще неясно, насколько далеко может быть расширена каждая технология. Сейчас похоже, что как FinFET, так и UTB SOI должны быть в состоянии покрыть следующие три поколения транзисторов. Но транзисторы UTB SOI могут не развиваться намного ниже 7 нм, потому что в этот момент их оксид затвора потребует эффективной толщины 0,7 нм, что потребует значительных инноваций в материалах. У FinFET может быть аналогичный предел.В 2006 году команда из Корейского передового института науки и технологий использовала электронно-лучевую литографию для создания 3-нм FinFET-транзисторов. Но создание одного устройства – это не совсем то же самое, что собрать миллионы вместе для создания микропроцессора; когда транзисторы расположены так близко друг к другу, паразитные емкости и сопротивления будут отводить ток от каждого переключателя. Некоторые прогнозы предполагают, что при уменьшении масштаба FinFET до 7 нм или около того они будут работать не лучше, чем планарные устройства.

Тем временем исследователи уже пытаются выяснить, какие устройства могут прийти на смену FinFET и UTB SOI, чтобы продолжить масштабирование по закону Мура.Одна из возможностей – экстраполировать концепцию FinFET с помощью устройства на нанопроволоке, которое полностью окружено цилиндрическим затвором. Другая идея – использовать квантовое туннелирование для создания переключателей, которые не могут пропускать ток, когда они не включены. Мы не знаем, что будет дальше. Появление FinFET и UTB SOI ясно показывает, что времена простого масштабирования транзисторов давно остались позади. Но переход на эти новые конструкции также предлагает ясную демонстрацию того, как творческое мышление и высокая конкуренция могут помочь нам довести закон Мура до его предела – чем бы он ни был.

Об авторах

Халед Ахмед – старший член IEEE и технический стратег в группе Silicon Systems в Applied Materials, где Клаус Шуеграф является главным техническим директором. После многих лет работы над способами производства все меньших и меньших объемных кремниевых транзисторов, оба воодушевлены быстрой разработкой новых альтернатив с тонкими каналами. «С точки зрения физики устройства, тонкость определенно важна, – говорит Ахмед.

наименьший. Транзистор. Всегда.- Berkeley Lab

Более десяти лет инженеры смотрели на финишную черту в гонке по уменьшению размеров компонентов в интегральных схемах. Они знали, что законы физики установили порог в 5 нанометров для размера затвора транзистора среди обычных полупроводников, что составляет около четверти размера высококлассных транзисторов с затвором 20 нанометров, имеющихся сейчас на рынке.

Некоторые законы созданы для того, чтобы их нарушать или, по крайней мере, оспаривать.

Схема транзистора с каналом из дисульфида молибдена и затвором из углеродных нанотрубок размером 1 нм.(Источник: Суджай Десаи / Калифорнийский университет в Беркли)

Исследовательская группа во главе с преподавателем Али Джави из Национальной лаборатории Лоуренса Беркли Министерства энергетики (Лаборатория Беркли) сделала именно это, создав транзистор с рабочим затвором размером 1 нанометр. Для сравнения: прядь человеческого волоса имеет толщину около 50 000 нанометров.

«Мы сделали самый маленький транзистор, о котором сообщалось на сегодняшний день», – сказал Джейви, ведущий исследователь программы «Электронные материалы» в отделе материаловедения лаборатории Беркли.«Длина затвора считается определяющим размером транзистора. Мы продемонстрировали транзистор с затвором размером 1 нанометр, показав, что при правильном выборе материалов есть гораздо больше возможностей для уменьшения размеров нашей электроники ».

Ключевым моментом было использование углеродных нанотрубок и дисульфида молибдена (MoS ₂ ), моторного масла, обычно продаваемого в магазинах автозапчастей. MoS ₂ является частью семейства материалов с огромным потенциалом для применения в светодиодах, лазерах, наноразмерных транзисторах, солнечных элементах и ​​т. Д.

Научный сотрудник лаборатории Беркли, профессор Калифорнийского университета в Беркли Али Джэйви (слева) и аспирант Суджай Десаи создали самый маленький транзистор на сегодняшний день. Рядом с ними находится станция вакуумного пробника, используемая для измерения электрических характеристик транзисторов длиной 1 нанометр. (Источник: Мэрилин Чанг / Лаборатория Беркли)

Результаты были опубликованы сегодня в журнале Science . Среди других исследователей этой статьи – Джефф Бокор, старший научный сотрудник лаборатории Беркли и профессор Калифорнийского университета в Беркли; Ченмин Ху, профессор Калифорнийского университета в Беркли; Мун Ким, профессор Техасского университета в Далласе; и H.С. Филип Вонг, профессор Стэнфордского университета.

Эта разработка может стать ключом к поддержанию прогноза соучредителя Intel Гордона Мура о том, что плотность транзисторов в интегральных схемах будет удваиваться каждые два года, что позволит повысить производительность наших ноутбуков, мобильных телефонов, телевизоров и другой электроники.

«Полупроводниковая промышленность давно предполагала, что любые затворы ниже 5 нанометров не будут работать, поэтому все, что ниже, даже не рассматривалось», – сказал ведущий автор исследования Суджай Десаи, аспирант в лаборатории Джейви.«Это исследование показывает, что нельзя сбрасывать со счетов ворота размером менее 5 нанометров. Промышленность выжимает из кремния все до последней капли. Изменив материал с кремния на MoS ₂ , мы можем сделать транзистор с затвором длиной всего 1 нанометр и работать с ним как с переключателем ».

Когда «электроны вышли из-под контроля»

Транзисторы состоят из трех выводов: истока, стока и затвора. Ток течет от истока к стоку, и этот поток управляется затвором, который включается и выключается в ответ на приложенное напряжение.

Изображение поперечного сечения транзистора, полученное с помощью просвечивающего электронного микроскопа. На нем показаны затвор из углеродных нанотрубок размером 1 нм и полупроводник из дисульфида молибдена, разделенные диоксидом циркония, изолятором. (Кредит: Ван Цинсяо / UT Даллас)

И кремний, и MoS ₂ имеют структуру кристаллической решетки, но электроны, протекающие через кремний, имеют меньшую эффективную массу по сравнению с MoS ₂ . Это благо, когда размер ворот составляет 5 нанометров или больше.Но ниже этой длины срабатывает квантово-механическое явление, называемое туннелированием, и барьер затвора больше не может препятствовать проникновению электронов от истока к выводам стока.

«Это означает, что мы не можем выключить транзисторы», – сказал Десаи. «Электроны вышли из-под контроля».

Поскольку электроны, протекающие через MoS ₂ , имеют более высокую эффективную массу, их потоком можно управлять с помощью затвора меньшей длины. MoS ₂ также может быть уменьшен до атомарно тонких листов, около 0.Толщина 65 нанометров с более низкой диэлектрической проницаемостью, показатель, отражающий способность материала накапливать энергию в электрическом поле. Оба эти свойства, в дополнение к эффективной массе электрона, помогают улучшить контроль потока тока внутри транзистора, когда длина затвора уменьшается до 1 нанометра.

Как только они остановились на MoS ₂ в качестве полупроводникового материала, пришло время построить затвор. Оказывается, создание 1-нанометровой структуры – непростое дело.Обычные методы литографии не работают в таком масштабе, поэтому исследователи обратились к углеродным нанотрубкам, полым цилиндрическим трубкам диаметром всего 1 нанометр.

Затем они измерили электрические свойства устройств, чтобы показать, что транзистор MoS ₂ с затвором из углеродных нанотрубок эффективно контролирует поток электронов.

«Эта работа продемонстрировала самый короткий транзистор из когда-либо существовавших», – сказал Джейви, который также является профессором электротехники и компьютерных наук Калифорнийского университета в Беркли.«Тем не менее, это доказательство правильности концепции. Мы еще не упаковали эти транзисторы в микросхему, и мы не делали этого миллиарды раз. Мы также не разработали самовыравнивающиеся схемы изготовления для уменьшения паразитных сопротивлений в устройстве. Но эта работа важна, чтобы показать, что мы больше не ограничены 5-нанометровым затвором для наших транзисторов. Закон Мура может продолжаться еще некоторое время при правильной разработке полупроводникового материала и архитектуры устройства ».

Работа в Berkeley Lab в основном финансировалась программой Министерства энергетики США по фундаментальным энергетическим наукам.Некоторые из этих исследований проводились в Molecular Foundry, учреждении для пользователей Управления науки Министерства энергетики США.

###

Национальная лаборатория Лоуренса Беркли решает самые насущные научные проблемы мира, продвигая устойчивую энергетику, защищая здоровье человека, создавая новые материалы и раскрывая происхождение и судьбу Вселенной. Научный опыт Berkeley Lab был основан в 1931 году и отмечен 13 Нобелевскими премиями. Калифорнийский университет управляет лабораторией Беркли для университета США.S. Управление науки Министерства энергетики. Для получения дополнительной информации посетите www.lbl.gov.

Управление науки Министерства энергетики США является крупнейшим спонсором фундаментальных исследований в области физических наук в Соединенных Штатах и ​​работает над решением некоторых из наиболее актуальных проблем современности.