Еще несколько лет, и производству чипов в том виде, какому мы их знаем, грозит конец. Пределы физических возможностей усложняют знакомую нам процессорную гонку.
При этом компьютерная индустрия, как и прежде, измеряет свои успехи по закону Мура: один из основателей Intel около 50 лет назад предположил, что количество транзисторов, размещаемых на кристалле интегральной схемы процессора, будет удваивается каждые 24 месяца. Компания Intel и сегодня продолжает следовать закону Мура и стремится к уменьшению транзисторов каждые два года.
Однако чем больше транзисторов функционирует под термокрышкой процессора, тем сильнее они нагреваются. Участки микросхемы, которые в данный момент не работают, ученые называют «темным кремнием». При этом термобюджет этих неактивных блоков передается на работу других блоков.
Сейчас уже несомненно, что в предстоящее время производителей ждут все более значительные препятствия, делающие невозможным уменьшение транзисторов на базе существующих на данный момент технологий производства.
Нанометровый апгрейд
Производитель чипов, освоивший более тонкий техпроцесс производства транзисторов, имеет на рынке решающее преимущество: он может делать более быстрые и энергоэффективные CPU.
Между тем, разработчики дошли до таких стандартов техпроцесса, что могли бы заинтересовать даже микробиологов: например, диаметр вируса гриппа составляет от 80 до 120 нм, а шаг между контактными площадками транзистора — 80 нм для 22-нанометрового техпроцесса.
Планарные CMOS-транзисторы состоят из полупроводника кремния, в который внедряются чужеродные атомы. Эта примесь обеспечивает проводимость: в легированном примесью n-типа истоке и стоке находятся такие атомы, как фосфор, которые имеют больше внешних электронов, чем кремний, и могут легче их отдавать.
Оставшийся субстрат имеет примесь р-типа, например, атомы брома, которые могут принимать электроны. Если в затворе между истоком и стоком, в канале между истоком и стоком проходит электрический ток — транзистор включен.
Если уменьшить длину затвора, транзисторы работают более эффективно, но возникают проблемы: обедненный слой становится еще более проницаемым, так что электроны беспрепятственно проходят от истока и стока в субстрат. Этот ток утечки составляет почти 40% потребляемой энергии. Именно поэтому многие производители чипов останавливают дальнейшие разработки планарных транзисторов на 20-нанометровом техпроцессе.
Новые типы транзисторов
Проблемой миниатюризации в чипах является то, что транзисторы меньшего размера можно получить только изменением конструкции. В своих новых транзисторах с кодовым именем Tri-Gate компания Intel первой применила новый индустриальный стандарт FinFET (от англ. Fin Field Effect Transistors — трехмерные транзисторы) — один из вариантов техпроцесса, который позволит перейти на еще меньшие геометрические размеры транзисторов.
FinFET представляет отдельные транзисторы внутри микросхем уже не в плоском (планарном) виде, а в форме 3D-конструкции, что дает технологические преимущества. В FinFET-транзисторе канал, исток и сток отделяется от субстрата. Канал имеет лишь незначительную примесь с чужеродными атомами, а субстрат не имеет ее вовсе. Это значительно уменьшает ток утечки и позволяет использовать узлы размером вплоть до 10 нм.
Однако длина затвора транзистора и минимальное разрешение литографии техпроцесса — это не одно и то же. Для примера, длина затвора на 16-нанометровом процессе TSMC — 30 нм.
Специализирующийся на процессорах аналитик Малколм Пенн ожидает для выпускаемых в следующем году транзисторов с длинами затворов в диапазоне между 17 и 20 нм. Если есть намерение достигнуть длины менее 10 нм в 2017–2018 годах, потребуются другие материалы и новая конструкция транзисторов.
Технология FinFET работает до десяти нанометров без возникновения тока утечки. При использовании нанопроводов (менее десяти нанометров) влияние затвора еще выше.
Р.S. картинки взяты и з интернета.
Понравилась статья? ставь палец вверх и опдписывайся!