Procesory potřebují menší tranzistory

Z pohledu vědy se problémy lemující cestu k 15nanometrovým tranzistorům zdají být veskrze řešitelné. A v roce 2009 ...


Z pohledu vědy se problémy lemující cestu k 15nanometrovým tranzistorům zdají
být veskrze řešitelné. A v roce 2009 už by mělo být vše završeno. Základní
technologie, jakou je například EUV litografie, by mohly v klidu přežít i toto
desetiletí. Pojďte s námi nahlédnout do technologické kuchyně předních výrobců
procesorů, společností Intel, AMD a IBM.
Přinejmenším na dalších deset let se zdá, že tempo růstu výkonnosti
mikroprocesorů zůstane zachováno. Společnost Intel již dnes předpovídá na rok
2007 příchod 20GHz procesorů. Zdali je bude možné také prodávat, nebo jestli se
zákazníci dalších gigahertzových stíhacích závodů odmítnou dále účastnit, je
otázka, na kterou odpoví až čas.

Intel s novým dielektrikem
Ve snaze o další zmenšování tranzistorů narážejí vědci na hranice dosud
používaných materiálů. Mimořádně složitým problémem je udržování náboje v
řídicí elektrodě. Z tohoto důvodu je přepínač izolován pomocí dielektrika, jak
je znázorněno na obrázku vlevo nahoře.
Dosud bylo toto dielektrikum bez potíží vyráběno z oxidu křemičitého. Křemík se
nechal jednoduše zoxidovat v kyselém prostředí. Avšak již při výrobě
tranzistorů s 20nanometrovou řídicí elektrodou se ukázalo, že vrstva oxidu na
gate je tvořena pouhými třemi vrstvami atomů. Proudy elektronů tak mohou
částečně protékat i přes řídicí elektrodu a tudy unikají. Tento efekt je znám
také pod pojmem "leakage". Nejsnazším východiskem by bylo zvýšení napětí, což
však z teplotních důvodů vůbec nepřichází v úvahu. Společnost Intel proto
začala experimentovat s novými dielektrickými materiály z oxidů titanu, hafnia,
zirkonia a tantalu.
Další opatření, které má potlačit unikající proudy, spočívá ve změněné
konstrukci vyrobené technologií SOI (Silicon on Insulator). Díky tomu má dojít
k omezení chybovosti typu "soft error rate", která je způsobena například
prolétávajícími částicemi alfa.

Nový oxid jako dielektrikum
Také společnost AMD se propracovala do 15nanometrové ligy. Poprvé prezentovala
podrobnosti svého projektu na konferenci "International Electronic Devices
Meeting" (IEDM), která se konala koncem prosince roku 2000 ve Washingtonu.
Podle vlastního vyjádření se má sériová výroba tranzistorů se šířkou struktur
30 nanometrů neboli 0,03 mikronů rozběhnout v roce 2009. Se svým pracovním
napětím 0,8 voltu budou tyto tranzistory oproti svým dnešním předchůdcům
potřebovat pouze poloviční napětí.
Tranzientní kmitočet vlastních tranzistorů má podle společnosti AMD činit 3,33
terahertze. Díky tomu by podle hrubého odhadu bylo možné vyrábět procesory s
taktovacími frekvencemi desítek gigahertzů. V případě komunikačních čipů, které
pracují ve výhradně synchronním režimu, by se dalo uvažovat dokonce o
nefalšovaných terahertzových procesorech. Také Intel chce u svých tranzistorů
dosáhnout tranzientních kmitočtů v řádech několika terahertzů.
Na obrázku vpravo je zřetelně jasně vidět, jak jsou polovodičové struktury již
malé. Pod transmisním elektronovým mikroskopem lze šířku hranice mezi
dielektrikem a polovodičovou vrstvou počítat na atomy.

"Double gate" tranzistory
Společnost IBM, která vyvinula technologii SOI (Silicon on Insulator) pro
procesory AMD, jde ještě o krok dále. Zabývá se totiž vývojem tranzistoru se
dvěmi řídicími elektrodami místo dosavadní jedné. Obě elektrody jsou vzájemně
odděleny křemíkovou přepážkou (finne). Odtud také název "FinFET" této
technologie.
Dvě řídicí elektrody by měly udržet náboj lépe než jedna. Společnost IBM si od
nové konstrukce tranzistoru slibuje především lepší výchozí pozici pro další
zmenšování polovodičových struktur. Velikost struktur FinFET nasnímaných pomocí
elektronového mikroskopu však IBM neudává (viz obrázek dole).
Z posledních vyjádření společnosti IBM však vyplývá, že double-gate tranzistory
již překonaly své ryze teoretické začátky. Jejich realizace se výrazně liší od
technologie firmy Intel, která již ohlásila výrobu procesorových "gigantů"
postavených na 15nanometrových tranzistorech. V tomto případě je náboj na
elektrodách řízen pomocí nového typu dielektrika. Teprve budoucnost však ukáže,
jestli lze tranzistory vyrobené touto technologií dále zmenšovat.

EUV v roli klíčové technologie
Souběžně s řešením otázek souvisejících s použitými materiály apod.
spolupracují výrobci polovodičů také na přípravě sériové výroby těchto
minitranzistorů. K čemuž už rozhodně nepostačuje dnes používané ultrafialové
záření. Technologií zítřka se má stát tzv. "EUV", neboli "Extreme Ultraviolet".
Již v roce 1997 založily společnosti Intel, Motorola a AMD konsorcium s názvem
EUV LLC. V rámci tohoto sdružení špičkových firem polovodičového průmyslu
chtějí sjednotit své vědecké a výrobní kapacity s cílem připravit technologii
EUV k sériovému použití. Litografie s pomocí ultrafialového záření o mimořádně
krátké vlnové délce, která je daleko za hranicí viditelného světla, má přetrvat
mnoho generací polovodičových součástek.
Záření EUV se svou velmi krátkou vlnovou délkou v rozmezí od 11 do 14 nanometrů
je většinou prvků v atmosféře rychle absorbováno. Materiály používané pro
výrobu EUV forem, které jsou používány pro osvit ultrafialovým zářením, fungují
jako zrcadlové formy. Se změnou teploty mohou svou podobu měnit pouze
minimálně. Z tohoto důvodu je základní deska z mimořádně teplotně rozměrově
stálého materiálu potažena několika vrstvami velmi tenkého křemíku a molybdenu.
Takováto kombinace vytváří vysoce odrazivé zrcadlo, které je vhodné pro vlnové
délky záření EUV. Zrcadlo představuje prázdnou šablonu, na kterou lze nanášet
formu pro tranzistory.
Dejte se tedy překvapit, zda se výše popsané technologie podaří v nastaveném
časovém horizontu uvést v běžný život. Pokud ano, měli bychom se v roce 2007
dočkat procesorů s miliardou 15nm tranzistorů.









Komentáře
K tomuto článku není připojena žádná diskuze, nebo byla zakázána.