 |
САНТА-КЛАРА, шт. Калифорния, 26 ноября 2001 г. - Сегодня корпорация Intel сообщила о разработке транзисторов принципиально новой конструкции и создании новых материалов для их изготовления, результатом чего станет резкое наращивание быстродействия компьютерных микросхем, повышение эффективности энергопотребления, снижение тепловыделения. Это выдающееся достижение коллектива исследователей и проектировщиков корпорации Intel устраняет выявленные в последнее время препятствия технического характера, замедляющие темпы развития полупроводниковых технологий в соответствии с законом Мура.
Наряду с недавно представленными корпорацией Intel быстродействующими транзисторами особо малого размера, этот технологический прорыв открывает путь к разработке принципиально новых, мощных приложений по распознаванию речи и мимики лица пользователя в режиме реального времени, бесклавиатурных компьютеров, малоразмерных вычислительных устройств, отличающихся повышенной производительностью и продолжительностью срока службы батарейных источников питания.
"Наши исследования подтвердили отсутствие непреодолимых препятствий к дальнейшему уменьшению размеров и наращиванию быстродействия транзисторов, но при этом выявили целый ряд проблем фундаментального характера, связанных с энергопотреблением, тепловыделением и утечкой тока, - отмечает Джеральд Марчик (Gerald Marcyk), директор подразделения Intel Labs, ответственный за проведение исследовательских работ в области компьютерных компонентов. - Перед нами встала задача преодолеть такого рода препятствия к созданию микропроцессоров, которые бы насчитывали в 25 раз больше транзисторов, чем самые современные модели, в десять раз превышали быстродействие последних, но при этом потребляли бы такое же количество энергии".
Две важнейшие составляющие новой конструкции транзисторов станут темой обсуждения на Международной конференции по электронным устройствам (International Electron Device Meeting, сокращенно IEDM), открывающейся 3 декабря в Вашингтоне. В технической документации, которую Intel готовит к этой конференции, рассматриваются вопросы, связанные с энергопотреблением, утечкой тока и тепловыделением, под углом двух выдающихся достижений в этой области: изобретения транзистора нового типа, получившего наименование "транзистор на обедненной подложке" ("depleted substrate transistor"), и создания нового материала, названного "высокоизолирующим диэлектриком К-затвора" ("high k gate dielectric"). Обе эти разработки способствуют резкому снижению утечки тока и энергопотребления.
Энергопотребление как ограничительный фактор
По мере усложнения конструкции полупроводниковых устройств, уменьшения размеров и наращивания производительности транзисторов, энергопотребление и тепловыделение стали в последнее время играть роль ограничительных факторов, препятствующих дальнейшему конструктивному совершенствованию компьютерных микросхем. Стало очевидным, что невозможно создавать процессоры завтрашнего дня на основе транзисторов ныне существующей конструкции из-за утечки в них тока, ведущей к росту энергопотребления и тепловыделения. Напомним, что транзисторами называются микроскопические полупроводниковые (кремниевые) устройства для преобразования, генерирования и усиления электрических колебаний ("единиц и нулей") в электронных приборах.
Ранее корпорация Intel разработала самые малоразмерные и быстродействующие в мире КМОП-транзисторы, в том числе транзистор размером в 15 нанометров, количество которых в одном-единственном кристалле может достичь одного миллиарда уже во второй половине текущего десятилетия. Однако размещение миллионов и миллиардов микроскопических, но при этом быстродействующих транзисторов внутри кусочка кремния размером не более ногтя ведет к тому, что энергопотребление и тепловыделение ядра микропроцессора становится трудноразрешимой технической проблемой. Применение в настольных компьютерах и серверах полупроводниковых устройств современной конструкции просто-напросто вызовет их перегрев. Что касается компьютеров меньших размеров - например, мобильных или наладонных, - то этот ограничительный фактор способен помешать дальнейшей разработке микросхем для подобного рода устройств.
"Уменьшение размеров и наращивание быстродействия перестают играть первостепенную роль, - отмечает Дж. Марчик. - Насущной задачей текущего десятилетия становится снижение энергопотребления и тепловыделения. Наши транзисторы новой конструкции призваны способствовать тому, чтобы устройства потребляли электроэнергию максимально эффективно, направляя ее туда, где она действительно нужна".
Транзисторы Intel нового типа будут называться терагерцевыми (Intel TeraHerz), так как число циклических переключений процесса в секунду превысит в них триллион. Для сравнения заметим, что человеку потребовалось бы более 15.000 лет, чтобы триллион раз включить и выключить обыкновенный электрический переключатель.
Транзистор на обедненной подложке
Одна из двух составляющих выдающегося достижения проектировщиков корпорации Intel - так называемый транзистор на обедненной подложке - представляет собой КМОП-устройство нового типа, в котором транзистор размещается на сверхтонкой кремниевой подложке поверх встроенного изолирующего слоя. Сверхтонкая кремниевая подложка отличается от устройств традиционной компоновки по принципу "полупроводник на изоляторе" прежде всего тем, что изготавливается из полностью обедненного материала, позволяющего генерировать максимальный ток возбуждения при включенном транзисторе, что повышает скорость выполнения циклических переключений.
При выключенном же транзисторе утечка тока снижается до минимума благодаря тончайшему изолирующему слою. Таким образом, утечка тока в транзисторе на обедненной подложке в 100 раз ниже аналогичного показателя транзисторов, скомпонованных по традиционной схеме "полупроводник на изоляторе". Еще одним новшеством, примененным в транзисторах на обедненной подложке, являются контакты с низким сопротивлением, встроенные в верхнюю часть полупроводникового слоя. Благодаря этому транзистор отличается чрезвычайно малыми размерами, высоким быстродействием, низким энергопотреблением.
Новый материал идет на смену диоксиду кремния
Вторая ключевая составляющая транзисторов следующего поколения - новый материал изготовления подложки, призванный заменить диоксид кремния. Во всех транзисторах имеется изолирующий слой, отделяющий "затвор" транзистора от его активной зоны ("затвором" называется устройство, включающее и выключающее транзистор). В представленных за последний год транзисторах, обладающих рекордными показателями, толщина изолирующего слоя затвора, изготавливаемого из диоксида кремния, не превышает 0,8 нанометров, что примерно соответствует толщине трех слоев атомов. И тем не менее, утечка тока даже через столь тончайший изолирующий слой становится одним из главных факторов повышенного энергопотребления.
На предстоящей конференции IEDM специалисты Intel продемонстрируют транзисторы, способные побить все рекорды быстродействия за счет применения материала нового типа, названного "высокоизолирующим диэлектриком К-затвора". По сравнению с диоксидом кремния, новый материал более чем в 10.000 раз снижает утечку тока через затвор. Высокоизолирующий диэлектрик К-затвора изготавливается на основе принципиально новой технологии, названной "атомно-послойным осаждением" и позволяющей наращивать новый материал послойно. При этом толщина такого слоя не превышает одной молекулы. На практике это означает рост производительности, снижение тепловыделения, значительное продление сроков службы батарей питания мобильных устройств.
Транзисторы Intel TeraHertz устраняют основное препятствие организации массового производства микросхем завтрашнего дня, которые лягут в основу целого ряда принципиально новых электронных устройств. Корпорация Intel планирует приступить к промышленному внедрению компонентов новой конструкции уже в 2005 году.
Подробная информация о транзисторе TeraHertz и других результатах исследований в области полупроводниковых приборов и устройств представлена в разделе Silicon Showcase англоязычного Web-сайта корпорации Intel по адресу: www.intel.com/research/silicon.
