Новосибирск 2.8 °C

«Искуственное сердце»транзистора

01.12.2003 00:00:00

Разработка и внедрение инженерами Intel
революционных транзисторных материалов и структур
открывает «второе дыхание» закона Мура

 Сегодня, когда размер мельчайших элементов логических микросхем - транзисторов - от поколения к поколению становится все меньше и меньше, а плотность их интеграции на кристалле полупроводникового устройства, согласно закону Мура, стремительно возрастает, разработчикам становится все труднее решать технологические проблемы, возникающие в силу действия естественных законов физики. Летом этого года корпорация Intel выпустила микросхему (процессор Intel Itanium 2, ранее известный под кодовым названием Madison), содержащую 410 млн транзисторов на кристалле площадью всего 374 мм2 (меньше двухрублевой монеты!), не за горами - чипы с миллиардом транзисторов на кристалле. При этом инженерам приходится иметь дело со слоями материала толщиной всего в несколько атомов!

Закон Мура гласит, что число транзисторов на микросхеме удваивается каждые два года. Естественно, у специалистов все чаще возникают сомнения - нельзя же бесконечно уменьшать размеры транзисторов, должен же быть какой-то физический предел миниатюризации! Вместе с тем, существуют эффективные технологии - и инженеры Intel уже приступили к внедрению некоторых из них, - которые позволяют сохранить набранный отраслью темп интеграции транзисторов на кристалле даже в жестких рамках непреложных законов физики.

Главными барьерами на пути миниатюризации транзисторов являются выделение тепла при работе транзистора и утечка электрического тока в том же процессе. Чем меньше транзистор, тем выше тепловыделение и больше ток утечки.

Все полевые транзисторы содержат специальный изолирующий слой - тонкую диэлектрическую пленку под затвором, т.е. электродом, управляющим «включением» и «выключением» транзистора. Свойства диэлектрика затвора оказывают решающее влияние на работу транзистора. Последние 30 лет в качестве основного материала для диэлектрика затвора использовался диоксид кремния (SiO2), что было обусловлено его технологичностью и возможностью систематического улучшения характеристик транзисторов по мере уменьшения их размеров. На сегодняшний день в транзисторах, производимых корпорацией Intel, толщина слоя диэлектрика затвора из диоксида кремния составляет всего 1,2 нанометра - то есть, сопоставима с пятью атомарными слоями. Фактически, это уже близко к пределу для данного материала, поскольку в результате дальнейшего уменьшения самого транзистора и, как следствие, утоньшения слоя диоксида кремния ток утечки через диэлектрик затвора значительно возрастет, что приведет к существенным потерям тока и избыточному тепловыделению. По оценкам экспертов корпорации Intel, в современных чипах уже почти 40% энергии теряется из-за утечек.

«В области полупроводникового производства долгие годы считалось, что тепловыделение и токи утечки являются фундаментальной преградой для дальнейшего развития индустрии в соответствии с законом Мура и с использованием сегодняшних транзисторных материалов и структур, - заявил Сунлинь Чжоу (Sunlin Chou), старший вице-президент корпорации Intel и генеральный менеджер подразделения Technology and Manufacturing Group. - Перед отраслью давно стоит глобальная задача разработки и внедрения новых материалов взамен диоксида кремния, находящегося на пределе своих возможностей. Решение этой задачи по степени важности иногда сравнивают с созданием "искусственного сердца».

Исследователи Intel предлагают сразу два революционных технологических решения, которые позволяют преодолеть вышеупомянутые сложности и продлевают действие закона Мура, как минимум, еще лет на десять. Для решения все возрастающих проблем тепловыделения и тока утечки корпорация Intel планирует заменить используемый в настоящее время в качестве диэлектрика затвора тонкий слой диоксида кремния более толстым слоем совершенно нового диэлектрика с высоким диэлектрическим коэффициентом «к» (так называемым «high-k» диэлектриком), что позволит существенно - примерно в 100 раз! - снизить токи утечки. Вторая часть решения заключается в разработке нового материала (сплава металлов) для затвора, поскольку новый «high-k» диэлектрик плохо совместим с прежним материалом затвора - поликристаллическим кремнием.

Специалисты корпорации Intel убеждены, что новые, открытые в результате многолетних исследований материалы можно будет интегрировать в экономически эффективный, массовый производственный процесс. Транзисторы на основе новых материалов, обладающие рекордными параметрами производительности, рассматриваются в качестве базового варианта для изготовления будущих процессоров Intel в рамках производственного процесса с проектной нормой 45 нанометров (техпроцесс под кодовым номером 1266 на основе 300-мм подложек, медных соединений, технологии «растянутого кремния», а также нового затвора и диэлектрика затвора будет запущен в массовое производство уже в 2007 году).

Параллельно с корпорацией Intel разработки в направлении поиска новых материалов ведут и другие разработчики, включая Texas Instruments, IBM и Motorola, но ни одному из этих «грандов» полупроводниковой индустрии не удалось продвинуться в своих исследованиях так далеко, как корпорации Intel.

Технологический прорыв корпорации Intel произвел в компьютерном сообществе впечатление разорвавшейся бомбы. «Диоксид кремния в течение многих лет был сердцем транзистора, и его замена сравнима по значимости с операцией по пересадке сердца», - считает Робин Дегрейв (Robin Degraeve), исследователь из бельгийского межуниверситетского центра микроэлектроники. «Постоянное стремление к миниатюризации CMOS-транзисторов напоминает подъем на все более крутую гору. «Вершины» впереди едва различимы, а невероятные сложности в процессе интеграции новых материалов и структур заставляют многих «восходителей» терять уверенность в себе, - пишет EE Times в редакционной статье 23 сентября 2003 г. - Сегодня ни у кого не вызывает сомнений тот факт, что CMOS-транзисторы должны меняться, причем очень быстро. На компьютерном рынке происходит нечто похожее на естественный отбор, открытый Дарвиным в мире живой природы: выживают лишь те компании, которые выберут для создания своих продуктов верные материалы и схемы интеграции. У других будет два пути: либо погибнуть, либо слиться с победителями».

Таким образом, последовательно инвестируя значительные средства в научные исследования и новые разработки, корпорации Intel удается развеивать скепсис маловеров, обеспечивать выполнение закона Мура и продолжать создавать все более мощные и в то же время компактные устройства для самого широкого круга пользователей.

Информация для СМИ компании Intel

Вам было интересно?
Подпишитесь на наш канал в Яндекс. Дзен. Все самые интересные новости отобраны там.
Подписаться на Дзен

Новости

Больше новостей

Новости районных СМИ

Новости районов

Больше новостей

Новости партнеров

Больше новостей

Самое читаемое: