Меня всегда удивляло, что для выращивания процессоров все эти десятки верхних его слоёв просто напыляются/осаждаются, а нижний слой — это обязательно должна быть кремниевая пластина. Почему нельзя взять любую гладкую подложку и просто напылить на неё слой кремния или другого подходящего вещества?
Для профессионалов вопрос, наверное, дилетантский но, согласитесь, для большинства читателей — напрашивающийся. Давайте попробуем его прояснить. Посмотрим, почему нельзя просто напылить, скажем, кремний? На то есть несколько причин.
Во-первых, для полупроводниковых устройств требуется именно монокристаллический кремний с упорядоченной решеткой. Напыление частичек кремния на случайную подложку приводит к образованию аморфного или поликристаллического слоя, что вызывает дефекты и ухудшает электронные свойства.
Во-вторых, материал подложки должен иметь близкий коэффициент теплового расширения к кремнию. В противном случае при нагреве (например, уже во время литографии или легирования) возникают механические напряжения, трещины или отслоения.
В-третьих, современные процессы (например, литография, ионное легирование и т.п.) оптимизированы именно для кремниевых пластин. Использование других подложек потребует существенной перестройки производства, что экономически невыгодно. Примерно так же невыгодно, как, скажем, переходить c уже разработанных и отлаженных EUV-техпроцессов с источником излучения 13,5 нм на кажущийся сегодня более перспективным EUV с источником излучения 11,2 нм.
Однако выход всё же есть. Так, группа исследователей из Китая 2 апреля 2025-го года опубликовала в журнале Nature статью, в которой описала 32-битный процессор RISC-V, созданный с использованием дисульфида молибдена вместо кремния в качестве полупроводника.
Описание работы также было опубликовано в СМИ.
Суть работы
Дисульфид молибдена немного похож на графен: одна молекула MoS₂ представляет собой пластину толщиной чуть больше одного атома (толщину больше атома придают ей имеющиеся углы между её химическими связями). Но в отличие от графена (проводник с особыми свойствами — полуметалл или нулевой полупроводник), дисульфид молибдена является классическим полупроводником.
Этот материал использовался в различных демонстрационных электронных устройствах, в том числе в флэш-накопителях и сенсорах изображения. Но недавно учёные выяснили, как создавать листы MoS₂ размером с пластину на сапфировой подложке. На этой основе они создали демонстрационный процессор RV32-WUJI.
Он может складывать только по одному биту за раз и ограничен тактовой частотой в килогерцах, но способен выполнять полный 32-битный набор команд RISC-V благодаря почти 6000 отдельным транзисторам.
Идущий плашмя приветствует тебя!
Учёные выявили широкий спектр так называемых двумерных материалов. Все они образуют повторяющиеся химические связи, расположенные плюс-минус в одной плоскости.
В случае графена, который состоит только из углерода, все связи находятся в одной плоскости, то есть молекула имеет толщину, равную толщине атома углерода. Дисульфид молибдена немного отличается, так как угол химических связей находится вне плоскости, что приводит к зигзагообразной структуре. Это означает, что лист немного толще составляющих его атомов.
В любом случае, электронные свойства этих материалов являются результатом орбитальных конфигураций самой молекулы — не существует объёма материала, из которого могли бы возникнуть объёмные свойства. В то время как графен является отличным проводником, MoS₂ — полупроводник.
В некоторых демонстрационных устройствах, созданных с использованием MoS₂, в качестве проводящего материала использовался графен. Но команда, работавшая над новой разработкой, сосредоточилась на создании экспериментального оборудования, совместимого с технологиями производства кремния. Потенциально это упрощает производство новых чипов.
Тем не менее, с MoS₂ возникли некоторые сложности. В обычном кремнии пороговое напряжение транзистора можно регулировать, легируя кремний — внедряя примеси, которые изменяют поведение полупроводника. Но нет способа внедрить примесь в отдельную молекулу.
Все полупроводники RV32-WUJI имеют n-тип проводимости, и их характеристики нельзя регулировать. Поэтому исследователи использовали два разных металла (алюминий и золото) для проводников и регулировали пороговое напряжение каждого транзистора с помощью выбора материала проводник.
Создание чипов
На уровне микросхемы исследователи экспериментировали с созданием множества отдельных устройств, а затем использовали машинное обучение, чтобы определить оптимальное сочетание проводников и материалов, которое обеспечило бы соответствие каждого отдельного транзистора необходимым характеристикам.
На уровне транзисторов устройство использует так называемые инверторы в режиме обеднения. Чтобы создать функциональную схему, исследователи собрали и протестировали полный набор из 25 логических элементов и протестировали их.
Восемнадцать из них были функциональными, и исследователи создали чип с их использованием. Они использовали самый длинный путь через чип, чтобы определить задержку, которую необходимо было учитывать, что установило верхний предел тактовой частоты в диапазоне килогерц.
Общий выход годного при окончательном изготовлении микросхемы составил более 99,9 процента, а выход годного на уровне микросхемы — 99,8 процента.
Тем не менее, некоторые схемы оказались значительно сложнее. Например, выход годных восьмибитных регистров составила всего 71 процент, а для 64-битного регистра (для которого требовалось 1152 транзистора) — всего 7 процентов.
Получившийся в результате процессор состоит из 5900 отдельных транзисторов и способен выполнять полную 32-битную версию набора команд RISC-V, что обязательно означает наличие сложных схем, таких как декодер команд RISC-V.
В то же время некоторые аспекты намеренно упрощены: хотя процессор может выполнять сложение двух 32-битных чисел, он делает это, работая с каждым битом по отдельности, то есть для выполнения операции требуется 32 такта. Для хранения промежуточных результатов также требуются встроенные буферы.
Тем не менее, это работает, и авторы утверждают, что это, вероятно, один из самых сложных элементов аппаратного обеспечения «за пределами кремния», который уже реализован.
Заключение
Хотя сами разработчики позиционируют свой подход, как нишевый, мне кажется, что в итоге всё к этому и придёт. Уж больно архаичным мне видится вот этот вот весь этап выращивания, резки и шлифовки монокристаллического кремния. Как будто, атавизм из прошлого века.
Хорошо бы и нашим разработчикам посмотреть в сторону альтернатив кремниевым пластинам, пока они ещё не заняли прочную нишу в отечественном сегменте нашей отрасли. Позже такой перспективный переход может стать уже экономически невыгодным.
На сегодня всё. Ставьте нравлики, делитесь своим мнением в комментариях, обязательно подпишитесь на мой канал и поддержите его донатом! Финансовая поддержка очень вдохновляет меня на написание новых интересных статей! Удачи! :-)