Крок за межі

Компанія Intel оголосила про створення першого у світі тривимірного транзистора із шириною затвора 22 нм.

Нововведення дозволить збільшити щільність розміщення транзисторів на кристалі мікропроцесора, що приведе до зменшення лінійних розмірів та енергоспоживання інтегральних схем. Інноваційний напівпровідниковий прилад буде запущено в масове виробництво в рамках нової процесорної архітектури Ivy Bridge.

Говорячи про мікропроцесорну техніку спрощено, можна вважати, що призначення транзистора — пропускати або не пропускати струм. Таким чином прилад формує логічні стани «нуль» або «одиниця», покладені в основу сучасної інформатики, яка ґрунтується на двійковій системі.

У звичайному (не тривимірному) транзисторі канал, яким іде електричний струм (назвемо його контакт), можна уявити як провідну смужку в поверхневому шарі основи транзистора — наприклад, кремнію. Струм контакта можна регулювати, надсилаючи сигнали на спеціальну ділянку транзистора — затвор, який являє собою «пластину», розташовану над контактом. Саме з його допомогою здійснюється вмикання-вимикання транзистора (зміна логічних станів). Швидкість керуючих сигналів у сучасних транзисторах досягає сотень мільярдів тактів на секунду (1011 Гц).

Система керування транзистором нагадує бутер­брод, у якому «шматками хліба» є затвор і контакт, а «начинкою» — прошарок діелектрика. Донедавна діелектриком був діоксид кремнію, але постійне зменшення розмірів транзисторів приводило до збільшення струму витоку і, як наслідок, значного зниження швидкості перемикання між логічними станами. Для створення швидкодійних процесорів були потрібні нові види діелектриків із високим значенням відносної діелектричної проникності, і Intel розробила цілу родину матеріалів, які відповідають сучасним вимогам, — наприклад, діоксиди гафнію, цирконію, титану.

Нові матеріали дозволили зменшити товщину діелектричного шару в кілька разів, таким чином приблизно в сотню разів зменшивши струм витоку. Уперше ці матеріали застосовані на 45-нм затворах у 2007 році. Однак і цього досягнення було недостатньо для подальшого зменшення елементів.

Характер завдань, які стоять перед ученими та інженерами Intel, не змінився. Як і раніше, прогресу треба було домогтися на двох основних напрямках. По-перше, забезпечити максимальний струм через контакт у «ввімкненому» транзисторі (логічний стан «1») і мінімізувати струм у положенні «вимкнуто» (досягти цілковитого припинення струму в наявній конструкції майже неможливо). По-друге, за рахунок зниження втрат на струм витоку збільшити максимально можливу частоту керуючих сигналів, що подаються на затвор транзистора.

Використання самих лише нових матеріалів для досягнення визначених завдань було вже недостатньо — конструкція вочевидь наближалася до межі закладених у неї можливостей. Було потрібне нестандартне рішення, і фахівці його знайшли. Воно було простим і елегантним: смужку контакту було «розгорнуто» на 90 градусів, завдяки чому площа зіткнення із затвором зросла більш ніж удвічі.

У порівнянні зі звичайним, планарним транзистором, контакт немов набув третього виміру. Конструкція дозволила значно підвищити якість роботи затвора, позитивно позначилася на його швидкодії й енерго­споживанні, а величину струму витоку вдалося знизити в сотні разів.

Важливою перевагою «об’ємної» технології виробництва транзисторів стало різке зниження «замикальної» напруги на затворі. Щодо цього тривимірні транзистори, виготовлені за 22-нм технологією, перевершують своїх попередників на 37% за низьких напруг (близько 0,7 В) і приблизно на 18% — за високих (до 1 В). Нові чипи споживатимуть майже вдвічі менше енергії (з тією ж продуктивністю), ніж їх 32-нанометрові брати із двомірною структурою, що означає значну економію під час операцій, які не потребують використання всього ресурсу процесора. Ще одна перевага тривимірного рішення — можливість використовувати відразу декілька контактів з одним спільним затвором. Теоретично це дозволило б скоротити площу, яку займають елементи на поверхні кристала, додатково підвищити швидкодію й поліпшити енергоефективність. Показово, що із впровадженням нової технології витрати на виробництво зростуть лише на 2—3%.

Тривимірний транзистор­ знову підтвердив відомий закон Мура, у справедливості якого експерти вже почали сумніватися: у цілковитій відповідності з формулюванням кількість транзисторів, які можна розмістити на одній і тій же площі інтегральної мікросхеми, знову зможе подвоїтися за два роки без істотного збільшення вартості.

Ден Хатчесон, старший аналітик компанії VLSI Research (світового лідера в галузі аналізу й дослідження ринку напівпровідників і нанотехнологій), заявив, що цей прорив у виробництві транзисторів є вражаючим досягненням, і може характеризуватися як революційний.

Але не слід забувати й про те, що винайдення тривимірних транзисторів тіль­ки трохи відстрочило наближення до фізичних меж можливості зменшення розмірів транзисторів. Найближчі покоління цих напівпровідникових приладів упритул підійдуть до позначки 14—10 нм — показника, порівнянного з розмірами атомів (близько 5 ангстремів, або 0,5 нм). Відповідно до існуючих уявлень зменшувати розміри елементів далі буде вже не можна. Що тоді? На порозі вже досить давно стоять і очікують своєї черги технології напівфантастичного майбутнього — квантові й спінові комп’ютери. В одному можна бути впевненим: незабаром на нас чекають ще більш революційні досягнення науки і техніки.

Є думка

Така важлива подія, як анонс початку застосування корпорацією Intel тривимірних транзисторів у процесорах нового покоління, не могла залишитися поза увагою головного й фактично єдиного серйозного суперника на процесорному ринку — компанії AMD.

Представники AMD заявили, що поява тривимірних чипів не змінить їхніх планів, але вони враху­ють це у своїх майбутніх розробках. Виробничий партнер AMD — компанія Globalfoundries повідомила, що опублікований у вересні минулого року вектор розвитку не коректуватиметься, і аж до техпроцесу 10-нм класу про початок застосування тривимірних транзисторів не йдеться. У планах компанії — застосування інноваційних підходів у створенні серверних процесорів, чипів для мобільних пристроїв та інших продуктів, однак  ці стратегії ґрунтуються на використанні планарних (плоских) транзисторів. Основою для реалізації амбіційних планів стане застосування інноваційних підходів у літографії, інтеграції матеріалів і технологіях обміну даними. Свій внесок у розробку чипів нового покоління зроблять постійні партнери Globalfoundres — IBM і Samsung.

Довідка «УТГ»

Дослідні зразки транзисторів із тривимірним затвором отримані в науково-дослідних лабораторіях Intel ще в 2002-му — саме він уважається роком винайдення нової технології. Але на розроблення техпроцесу масового виробництва тривимірних транзисторів потрібно було більше восьми років.

Протягом 2011—2012 років планується цілком перевести на 22-нм технологічний процес п’ять великих фабрик, які належать Intel: D1D і S1C у американському штаті Орегон, Fab 32 і Fab 12 у штаті Аризона й Fab 28 у Ізраїлі.