Шаг за пределы

Компания Intel объявила о создании первого в мире трехмерного транзистора с шириной затвора 22 нм.

Новшество позволит увеличить плотность размещения транзисторов на кристалле микропроцессора, что приведет к уменьшению линейных размеров и энергопотребления интегральных схем. Инновационный полупроводниковый прибор будет запущен в массовое производство в рамках новой процессорной архитектуры Ivy Bridge.

Говоря о микропроцессорной технике упрощенно, можно считать, что назначение транзистора — пропускать или не пропускать ток. Тем самым прибор формирует логические состояния «ноль» или «единица», лежащие в фундаменте современной информатики, основанной на двоичной системе.

В обычном (не трехмерном) транзисторе канал, по которому идет электрический ток (назовем его контакт), можно представить как проводящую полоску в поверхностном слое основы транзистора — например, кремния. Ток контакта можно регулировать, посылая сигналы на специальную область транзистора — затвор, представляющий собой «пластину», расположенную над контактом. Именно с его помощью осуществляется открытие-закрытие транзистора (смена логических состояний). Скорость управляющих сигналов в современных транзисторах достигает сотен миллиардов тактов в секунду (1011 Гц).

Система управления транзистором напоминает бутерброд, в котором в качестве «кусков хлеба» выступают затвор и контакт, а «начинкой» служит прослойка ди­электрика. До недавнего времени в качестве диэлектрика использовался диоксид кремния, но постоянное уменьшение размеров транзисторов приводило к увеличению тока утечки и, как следствие, значительному снижению скорости переключения между логическими состояниями. Для создания быстродействующих процессоров требовались новые виды диэлектриков с высоким значением относительной диэлектрической проницаемости, и Intel разработал целое семейство материалов, отвечающих современным требованиям,  например, диоксиды гафния, циркония, титана.

Новые материалы позволили уменьшить толщину диэлектрического слоя в несколько раз, тем самым примерно в сотню раз уменьшив ток утечки. Впервые эти материалы применены на 45-нм затворах в 2007 году. Однако и этого достижения было недостаточно для дальнейшего уменьшения элементов.

Характер задач, стоящих перед учеными и инженерами Intel, не изменился. Как и ранее, прогресса следовало добиться на двух основных направлениях. Во-первых, обеспечить максимальный ток через контакт во «включенном» транзисторе (логическое состояние «1») и минимизировать ток в положении «выключено» (достичь абсолютного прекращения тока в существующей конструкции практически невозможно). Во-вторых, за счет снижения потерь на ток утечки увеличить максимально возможную частоту управляющих сигналов, подаваемых на затвор транзистора.

Использования одних лишь новых материалов для достижения поставленных целей было уже недостаточно — конструкция явно подходила к пределу заложенных в нее возможностей. Требовалось нестандартное решение, и специалистам удалось его найти. Оно оказалось простым и элегантным: полоска контакта была «развернута» на 90 градусов, благодаря чему площадь соприкосновения с затвором возросла более чем в два раза.

По сравнению с обычным планарным транзистором контакт словно приобрел третье измерение. Конструкция позволила значительно повысить качество работы затвора, положительно сказалась на его быстродействии и энергопотреблении, а величину тока утечки удалось снизить в сотни раз.

Важным преимуществом «объемной» технологии производства транзисторов стало резкое снижение «запирающего» напряжения на затворе. В этом отношении трехмерные транзисторы, изготовленные по 22-нм технологии, превосходят своих предшественников на 37% при низких напряжениях (около 0,7 В) и примерно на 18% — при высоких (до 1 В). Новые чипы будут потреблять почти вдвое меньше энергии (с той же производительностью), чем их 32-нанометровые братья с двухмерной структурой, что означает значительную экономию при операциях, не требующих использования всего ресурса процессора. Еще одно достоинство трехмерного решения — возможность использовать сразу несколько контактов с одним общим затвором. Теоретически это позволило бы сократить площадь, занимаемую элементами на поверхности кристалла, дополнительно повысить быстродействие и улучшить энергоэффективность. Примечательно, что с внедрением новой технологии затраты на производство возрастут всего на 2–3%.

Трехмерный транзистор вновь подтвердил известный закон Мура, в справедливости которого эксперты уже было стали сомневаться: в полном соответствии с формулировкой количество транзисторов, которые можно разместить на одной и той же площади интегральной микросхемы, вновь сможет удвоиться за два года без существенного увеличения стоимости.

Дэн Хатчесон, старший аналитик компании VLSI Research (мирового лидера в области анализа и исследования рынка полупроводников и нанотехнологий), заявил, что данный прорыв в производстве транзисторов является впечатляющим достижением и может характеризоваться как революционный.

Но не следует забывать и о том, что изобретение трехмерных транзисторов только слегка отсрочило приближение к физическим границам возможности уменьшения размеров транзисторов. Ближайшие поколения этих полупроводниковых приборов вплотную подойдут к отметке 14—10 нм — показателю, сравнимому с размерами атомов (около 5 ангстрем, или 0,5 нм). В соответствии с существующими представлениями уменьшать размеры элементов дальше будет уже нельзя. Что тогда? На пороге уже достаточно давно стоят и ждут своей очереди технологии полуфантастического будущего — квантовые и спиновые компьютеры. В одном можно быть уверенным: в скором времени нас ожидают еще более революционные достижения науки и техники.

Есть мнение

Такое важное событие, как анонс начала применения корпорацией Intel трехмерных транзисторов в процессорах нового поколения, не могло остаться без внимания со стороны главного и фактически единственного серьезного соперника на процессорном рынке — компании AMD.

Представители AMD за­явили, что появление трехмерных чипов не изменит их планов, но они учтут это в своих будущих разработках. Производственный партнер AMD — компания Globalfoundries сообщила, что опубликованный в сентябре прошлого года вектор развития корректироваться не будет, и вплоть до техпроцесса 10-нм класса о начале применения трехмерных транзисторов речи не идет. В планах компании — применение различных инновационных подходов при создании серверных процессоров, чипов для мобильных устройств и других продуктов, однако в основе этих стратегий лежит использование планарных (плоских) транзисторов. Основой для реализации амбициозных планов станет применение инновационных подходов в литографии, интеграции материалов и технологиях обмена данными. Свой вклад в разработку чипов нового поколения внесут постоянные партнеры Globalfoundres – IBM и Samsung.

Справка «УТГ»

Опытные образцы транзисторов с трехмерным затвором получены в научно-исследовательских лабораториях Intel еще в 2002-м — именно он считается годом изобретения новой технологии. Но чтобы разработать техпроцесс массового производства трехмерных транзисторов, потребовалось более восьми лет.

В течение 2011—2012 годов планируется полностью перевести на 22-нм технологический процесс пять крупных фабрик, принадлежащих Intel: D1D и S1C в американском штате Орегон, Fab 32 и Fab 12 в штате Аризона и Fab 28 в Израиле.