Чуть ранее я опубликовал две статьи на тему всех этих нанометров, краткое объяснение человеческим языком, что это такое, и объяснение различий разных техпроцессов в рамках одних и тех же нанометров. Теперь подошла очередь к логическому продолжению этих статей, а именно, к сравнению конструкций транзисторов, использующихся в разных поколениях процессоров. Постараюсь быть максимально краток.
Если вам встретятся незнакомые слова и понятия, просто пропускайте их мимо ушей, поскольку они не влияют на общий смысл статьи, а присутствуют для тех, кто ещё не забыл школьный курс физики. Итак, приступим.
Ниже на картинке представлены конструкции транзисторов в порядке совершенствования их конструкции:
Ток проходит по серому кремниевому каналу транзистора (выступающего вверх из кремниевой подложки), от истока (спереди) к стоку (сзади) и регулируется напряжением, подающимся на лежащий поперёк сверху сиреневый затвор.
Эти схемы упрощённые. Например, между затвором и каналом ещё лежит слой диэлектрика, а в кремний в районе контактов истока и стока внесены соответствующие примеси для получения проводимости n-типа (электронной), в то время, как в остальную кремниевую подложку ещё при её изготовлении были внесены другие примеси для получения проводимости p-типа (дырочной).
Давайте рассмотрим каждую конструкцию поподробнее.
Planar FET (до 28 нм)
Очень простая конструкция, работу которой можно продемонстрировать на фото ниже:
Вокруг контактов истока и стока находится область n-проводимости, сформированная внесением в кремний соответствующих примесей. Подложка изначально имеет p-проводимость. Пока к затвору не приложен электрический потенциал, между истоком (там, где ток входит в транзистор) и стоком (откуда он вытекает, пройдя через транзистор) проходят только токи утечки.
Замечу, что чем меньше расстояние между истоком и стоком (то есть, чем короче канал), тем токи утечки выше. При длине канала менее 25 нм работа транзистора становится нестабильной, так что длину канала уже трудно сокращать далее.
Как только на затворе появляется потенциал, под ним, на границе кремния и разделяющего их диэлектрика, возникает наведённый (индуцированный) канал, по которому начинается перемещение электронов, и транзистор начинает пропускать ток. При отключении потенциала ток через транзистор перестаёт проходить.
При уменьшении размеров транзистора приходится уменьшать и слой диэлектрика под затвором, что увеличивает также и токи утечки с затвора через канал в подложку. Всё это вынудило инженеров для техпроцесса 22 нм придумать другую конструкцию транзистора.
FinFET (с 22 до 3 нм)
Чтобы улучшить управляемость транзисторов и сократить токи утечки с затвора в подложку, канал сделали узким но высоким, а сам затвор стал облегать его с трёх сторон, что обеспечивает более полное вхождение электрического поля в канал.
Чтобы увеличить ток транзистора, что важно для его быстродействия, делают параллельно несколько каналов, управляемых одним затвором. И чем тоньше техпроцесс, тем количество параллельно каналов для сохранения стабильной работы на высоких частотах приходится делать больше.
Ещё одним путём сохранения быстродействия транзистора при уменьшении техпроцесса является формирование более высоких гребней каналов.
Для экономичных процессоров количество каналов сокращают, но при этом приходится снижать и частоту процессора.
Конструкция FinFET применялась начиная с техпроцесса 22 нм до сегодняшнего дня, но оказалась тоже не идеальна, поскольку канал ведь можно окружить затвором и со всех сторон. Эта идея стала особенно актуальной для техпроцесса 2 нм, где и будет реализована.
GAAFET (от 2 нм и тоньше)
Для более эффективного управления каналами разработчики решили окружить их затвором со всех четырёх сторон. Сначала было предложено решение с каналами в виде нанопроволок, которые проходят сквозь затвор:
Однако это решение оказалось не очень удачным. Сечение нанопроволок оказалось слишком маленьким для пропускание токов, достаточных для необходимой быстроты переключения транзистора. Поэтому для нового техпроцесса 2 нм эта конструкция была модернизирована.
Вместо нанопроволок было решено использовать плоские нанопластины (нанолисты):
Пластины можно сделать шире, чтобы увеличить ток и быстродействие, или уже, чтобы ограничить энергопотребление. Кроме того, можно сделать пластины не из кремния, а из другого полупроводника.
Перспектива
Дальнейшее развитие технологии GAAFET может пойти по пути более компактного совмещения транзисторов разной полярности (комплементарных пар) в одном узле:
Совмещённые сборки транзисторов с каналами разной полярности (комплементарные пары или КМОП-схемы) являются основой современных микропроцессоров, поэтому такая компактная их реализация позволит заметно повысить плотность процессора, а значит, и сократить длину (а значит, и электрическое сопротивление) соединений.
Также предложены конструкции с размещением каналов разной полярности один над другим, что ещё более повысит плотность схемы. Технология называется CFET (Сomplementary FET).
Но вот насколько такое повышение плотности повысит производительность процессора — вопрос открытый.
Заключение
На сегодня всё. Ставьте нравлики, дополняйте изложенное в комментариях и обязательно подписывайтесь на мой канал! Удачи!