Что такое полупроводниковый чип
Что такое полупроводниковый чип
Не секрет, что сейчас по всему миру наблюдается дефицит полупроводниковых продуктов. Причиной стали несколько проблем, таких как торговая война, засуха, заморозки, майнинг криптовалют, пандемия коронавируса. Не помогает и тот факт, что спрос на микросхемы вырос до беспрецедентного уровня благодаря усилиям по цифровизации, а также растущему разнообразию продуктов, которые частично или полностью зависят от полупроводников. Возможно, дно ещё не достигнуто.
реклама
В прошлом году карантин из-за пандемии привёл к остановке или уменьшению объёмов производства, что воспринималось как временная проблема. Реальность оказалась более суровой, что стало понятно с появлением линейки смартфонов iPhone 12 и бумажными релизами видеокарт от Nvidia и AMD.
Microsoft и Sony выпустили новые игровые консоли, но не смогли удовлетворить спрос. Тем более что скальперам удалось перехватывать большие объёмы розничных запасов. По этой причине обе компании начали пересматривать свои ожидания по доходам на ближайшие кварталы.
Автопроизводители оказались в аналогичном затруднительном положении, что привело к сокращению объёмов производства, которое не восстановилось до сих пор. Даже когда производство чипов на заводах вернулось к норме, автомобильные компании вроде Ford, Nissan, Volvo и General Motors столкнулись с проблемами при получении необходимого числа процессоров. В результате в этом году они ждут убытков в миллиарды долларов. В качестве временного решения некоторые компании предпочитают производить автомобили без модулей экономии топлива.
В таблице ниже представлены производящие чипы компании и объёмы ежемесячного производства пластин:
Инсайдеры недавно подсчитали, что спрос на полупроводниковые продукты будет превышать предложение как минимум до конца лета. Некоторые полагают, что это продлится до 2022 года. TSMC заявляет, что хорошо подготовлена к засухе, но её доля пластин составляет лишь 13,1%.
Samsung, которая является ведущим производителем полупроводниковых пластин, далека от того, чтобы удовлетворить спрос на свои продукты со стороны производителей памяти или видеокарт Ampere от Nvidia. Поставки компьютеров выросли максимально за десять лет, поэтому производители испытывают дефицит и трудности с пополнением запасов микросхем, дисплеев и пассивных компонентов.
Технологии полупроводников. Часть 1
Большинство из вас наверняка прекрасно представляют и понимают, как устроен транзистор и как он работает. Но более глубокими познаниями могут похвастать немногие. Это неудивительно, поскольку данная тематика достаточно сложная для понимания, и описать максимально простым языком все процессы создания и работы транзисторов и чипов очень тяжело. Тем не менее, мы попытались это сделать. О том, что из себя представляет кремний, о транзисторах и их производстве — читайте далее.
Как это работает. Технологии полупроводников. Часть 1
Кремний — главный полупроводник
Так располагается запрещенная зона (bandgap) в кристалле полупроводника – между зоной валентности (valence band) и зоной проводимости (conduction band)
Наш рассказ мы начнем с самого важного материала для компьютерной индустрии — кремния. Его отличительной особенностью, как и у любого другого полупроводника, считается его зонная структура (band structure), которая представляет собой совокупность энергетических уровней, которые образуются большим числом орбитальных положений, на которых могут располагаться электроны. При этом каждый из уровней отделен друг от друга. Тем не менее, можно заметить, что между уровнями постоянно происходит распределение энергии. Происходит это как раз из-за очень большого количества орбитальных положений и их близкого расположения. Тут же стоит отметить, в структуре присутствуют и большие «зазоры», известные как запрещенные зоны (band gaps). По своей сути, запрещенные зоны — это те энергетические уровни, на которых электроны располагаться не могут.
Уровень Ферми для различных материалов: металлов, полуметаллов, полупроводников и изоляторов
В зонной структуре полупроводников существует такой показатель, как уровень Ферми, который на скриншоте выше обозначен как EF. Он отражает полное количество химической потенциальной энергии для электронов при абсолютном нуле, то есть при температуре 0 градусов по Кельвину. Поэтому если зона располагается над уровнем Ферми, то ее электроны могут отделяться от атомов. Следовательно, они также могут проводить ток. Такая зона называется зоной проводимости. Если же зона располагается ниже уровня Ферми, то ее электроны уже не могут покидать атом. Эта зона носит название зоны валентности.
Стоит сказать, что в идеальном кристалле полупроводника при температуре, стремящейся к абсолютному нулю, уровень Ферми располагается ровно посередине запрещенной зоны. Такое утверждение справедливо также и для изоляторов. Однако, в отличие от изоляторов у полупроводников, запрещенная зона, как правило, довольно узкая, что можно увидеть на скриншоте вверху. В действительности она настолько малая, что электроны даже могут «перепрыгивать» ее. Это происходит потому, что в реальных условиях всегда присутствует еще и тепловая энергия, которая оказывает дополнительное влияние на поведение электронов. Это свойство полупроводников не столь полезно для цифровой логики, как процесс легирования, который может оказывать реальное влияние на структуру каждой зоны. Другими словами, легирование позволяет изменять распределение электронов в зоне валентности и зоне проводимости.
В зависимости от того, как меняется распределение электронов, полупроводники могут быть двух типов: p и n. Если зонная структура изменяется таким образом, что свободные электроны генерируются легче и их становится больше, то такой материал становится полупроводником n-типа. Ну а если создаются электронные «дырки», то это уже полупроводник p-типа. Сама «дырка» представляет собой место, где мог бы располагаться электрон, но его там нет. Несмотря на отсутствие электрона в этом месте, «дырка» все равно может проводить ток. Если еще раз взглянуть на диаграмму полупроводника p-типа, то становится ясно, что его зона валентности находится в непосредственной близости от уровня Ферми. Из-за этого электроны, как правило, остаются в зоне валентности на низших орбиталях. Это означает, что на месте «дырок» могли быть электроны, что делает их носителями заряда. При этом нужно сказать, что приведенная диаграмма зон не совсем корректна. Объясним, почему. Обычно в процессе легирования зоны не только меняют свое расположение. Кроме этого, создаются и новые зоны, что не показано на диаграмме.
Положение равновесия в pn-соединении
Самые интересные процессы начинаются, когда полупроводники p- и n-типов располагаются друг с другом. Поскольку у полупроводников p-типа имеются «дырки», а у материалов n-типа — избыток электронов, то между ними начинается движение (диффузия) электронов, которое пытается уравнять заряд в соединении. Из-за диффузии область соединения полупроводником n-типа становится положительно заряженной, а p-типа — отрицательно заряженной. Это происходит потому, что в процессе диффузии часть соединения n-типа теряет электроны, то есть становится положительно заряженной. Область p-типа, наоборот, получает их и становится отрицательно заряженной. В результате образуется электрическое поле, препятствующее диффузии, и достигается положение равновесия. Та область, где происходит этот процесс, называется слоем обеднения. Такое название этот слой получил по той причине, что в нем практически отсутствуют подвижные носители заряда, из-за чего он не умеет проводить ток.
P-n-соединения чрезвычайно важны в микроэлектронике. Вообще описанная выше система может быть использована как диод, который представляет собой устройство, позволяющее протекать току только в одном направлении. Если подключить аккумулятор положительным полюсом к полупроводнику p-типа, а отрицательным — к полупроводнику n-типа, то электроны и «дырки» обоих полупроводников устремятся к соединению, и слой обеднения значительно уменьшится. И уже это приведет к тому, что через соединение начнет протекать ток.
Транзисторы: MOSFET
Кремний используется в производстве самой главной части любого процессора — транзистора. Существует множество различных методов их изготовления, однако мы остановимся на самой распространенной на сегодня технологии MOSFET (metal–oxide–semiconductor field-effect transistor, или полевой транзистор со структурой металл-оксид-полупроводник).
MOSFET-транзистор имеет относительно простой дизайн, однако в то же время существуют некоторые сложности в его имплементации. Такой транзистор состоит из четырех основных частей: истока (source), затвора (gate), стока (drain) и базы (body). Остановимся подробнее на взаимодействии первых трех компонентов.
По большому счету, названия этих частей говорят сами за себя. Исток — это место входа тока, а сток — точка его выхода. Что касается затвора, то он отвечает за протекание тока. Это означает, что в зависимости от приложенного к затвору напряжения (смещения) он может находиться в двух состояниях: включенном (ток протекает) и выключенном (ток не протекает). Здесь также важно отметить, что в зависимости от типа MOSFET-транзистора ток может протекать в обоих направлениях — как из истока в сток, так и наоборот.
Схема MOSFET-транзистора: исток (source), затвор (gate), сток (drain), подложка p-типа (p substrate)
Конечно, транзистор — это не только исток, сток и затвор. В случае с МОП-транзистором n-типа исток и сток — это выводы из области n-типа. Их окружает полупроводниковая подложка p-типа. Ну а в небольшом промежутке между истоком и стоком располагается непосредственно МОП-затвор.
Архитектура затвора в традиционном MOSFET-транзисторе довольно проста. На кремниевую подложку наносится слой диоксида кремния (SiO2), а уже на него накладывается поликремниевый или металлический затвор. Такая структура делает затвор конденсатором, в котором диоксид кремния выступает в роли диэлектрика.
Из курса физики известно, что конденсатор создает электрическое поле в том случае, если между его пластинами существует разница потенциалов. При этом из-за плотности электронов и «дырок» линии электрического поля не могут проходить сквозь проводники. Однако для полупроводников это правило не выполняется.
Почему мир уже больше года не может справиться с дефицитом микроэлектроники
Откуда взялся дефицит чипов
Нехватка чипов в мире стала особенно заметной во второй половине 2020 года. К их дефициту привели сразу несколько факторов.
Кто больше всего страдает от нехватки чипов
О дефиците чипов чаще всего вспоминают именно в связи с автопромом. Во время пандемии мировые автопроизводители, удрученные небывалым спадом спроса на автомобили, стали снижать объемы выпуска авто и отменять уже оформленные заказы на чипы.
Нехватка чипов не щадит никакие классы автомобилей: время от времени конвейер вынужденно останавливают и Audi, и Toyota, и АвтоВАЗ.
Ситуация может быть связана и с тем, что в автопроме широко используется микроэлектроника, изготовленная по более «старым» технологиям, а производственные мощности такой продукции ограничены и не наращиваются (производителям выгоднее инвестировать в более современное производство), допускает Гранкин.
По его прогнозу, в 2021 году разрыв цепей поставок, дефицит комплектующих и чипов может привести к тому, что восстановление авторынка не состоится или будет совсем небольшим относительно пандемийного прошлого года. Оценки по недополученной выручке автопроизводителей постоянно растут и уже оцениваются в 110 млрд долларов, а рынок недосчитается 5-7 млн автомобилей.
Какое место занимает Россия на рынке микроэлектроники
Когда дефицит чипов исчезнет
Сколько продлится мировой дефицит чипов, точно предсказать никто не берется, но объединяет все мнения один тезис: быстро он не закончится.
В целом же один из главных уроков, которые пандемия вообще и ситуация с чипами в частности преподала мировой экономике, в том, что чрезмерная концентрация производства и отсутствие альтернатив привычным поставщикам опасны: бизнес не должен останавливаться, если, например, из-за карантина или недостатка производственных мощностей какое-то звено цепочки создания добавленной стоимости вдруг выпадает, констатирует Фомичев.
Сколько стоит открыть новый завод по производству чипов
Оценки стоимости постройки нового завода для производства чипов зависят от многих факторов, в числе которых размеры производства, технологический процесс, особенности местности и уровень цен в экономике.
В среднем стоимость завода для производства более «старых» чипов (например, для автомобилей) оценивается в 4 млрд долларов (по данным Bloomberg), рассказывает Евгений Гранкин. В то же время большой завод для производства чипов по наиболее современной технологии может стоить около 10 млрд долларов (о таких планируемых затратах недавно сообщали Intel и TSMC) и может доходить до 20 млрд долларов (по оценкам американской Ассоциации полупроводниковой промышленности).
Сроки ввода производственных линий в эксплуатацию также сильно различаются, указывает Гранкин. В среднем оценки сроков составляют год-полтора, но после постройки завода требуется еще два-три года на доведение производства до полноценного уровня, так как в первое время около половины произведенных чипов могут быть нефункционирующими.
Основные типы микросхем, производимых полупроводниковыми компаниями
Типы микросхем, производимых полупроводниковыми компаниями, можно разделить на две категории. Обычно микросхемы классифицируются по функциональности. Однако иногда их делят на типы в зависимости от используемых интегральных схем (ИС).
С точки зрения функциональности, четыре основные категории полупроводников – это микросхемы памяти, микропроцессоры, стандартные микросхемы и сложные системы на кристалле (SoC). В разбивке по типам интегральных схем три типа микросхем бывают цифровыми, аналоговыми и смешанными.
Ключевые выводы
Чипы памяти
С точки зрения функциональности, микросхемы полупроводниковой памяти хранят данные и программы на компьютерах и устройствах хранения данных. Микросхемы оперативной памяти (ОЗУ) предоставляют временные рабочие области, тогда как микросхемы флэш-памяти хранят информацию постоянно, если она не стерта. Микросхемы постоянной памяти (ROM) и программируемой постоянной памяти (PROM) не могут быть изменены. В отличие от этого, можно заменить микросхемы стираемой программируемой постоянной памяти (EPROM) и электрически стираемой постоянной памяти (EEPROM).
Микропроцессоры
Микропроцессоры содержат один или несколько центральных процессоров (ЦП). Компьютерные серверы, персональные компьютеры (ПК), планшеты и смартфоны могут иметь несколько процессоров. 32- и 64-разрядные микропроцессоры в ПК и серверах основаны на архитектурах микросхем x86, POWER и SPARC. С другой стороны, мобильные устройства обычно используют архитектуру чипа ARM. Менее мощные 8, 16- и 24-битные микропроцессоры используются в таких продуктах, как игрушки и автомобили.
Графические процессоры (GPU)
Технически это тип микропроцессора, графический процессор (GPU), способный отображать графику для отображения на электронном устройстве. Графический процессор был представлен на более широком рынке в 1999 году и наиболее известен тем, что обеспечивает плавную графику, которую потребители ожидают от современных видео и игр. До появления графических процессоров в конце 1990-х графическим рендерингом занимался центральный процессор (CPU). При использовании вместе с ЦП, графический процессор может повысить производительность компьютера, взяв на себя некоторые вычислительно-ресурсоемкие функции, такие как рендеринг, от ЦП. Это увеличивает скорость обработки приложений, поскольку графический процессор может выполнять множество вычислений одновременно. Этот сдвиг также позволил разработать более совершенное и ресурсоемкое программное обеспечение и такие виды деятельности, как майнинг криптовалюты.
Стандартные микросхемы (товарные ИС)
Стандартные микросхемы, также известные как стандартные микросхемы, представляют собой простые микросхемы, используемые для выполнения повторяющихся процедур обработки. Эти чипы, производимые большими партиями, обычно используются в специализированных устройствах, таких как сканеры штрих-кода. На рынке сырьевых ИС, для которого характерна малая маржа, доминируют крупные азиатские производители полупроводников. Если ИС создается для определенной цели, она называется ASIC или специализированными интегрированными микросхемами.
SoC, новейший тип микросхемы, является наиболее привлекательным для новых производителей. В SoC все электронные компоненты, необходимые для всей системы, встроены в одну микросхему. Возможности SoC шире, чем у микросхемы микроконтроллера, которая обычно объединяет ЦП с ОЗУ, ПЗУ и вводом / выводом (I / O). В смартфоне SoC может также интегрировать графику, камеру и обработку аудио и видео. Добавление управляющего чипа и радиочипа дает трехчиповое решение.
Используя другой подход к классификации микросхем, большинство компьютерных процессоров в настоящее время используют цифровые схемы. Эти схемы обычно объединяют транзисторы и логические вентили. Иногда добавляются микроконтроллеры. Цифровые схемы используют цифровые дискретные сигналы, которые обычно основаны на двоичной схеме. Назначены два разных напряжения, каждое из которых представляет свое логическое значение.
Аналоговые чипы
Аналоговые микросхемы были в основном, но не полностью заменены цифровыми микросхемами. Микросхемы питания обычно представляют собой аналоговые микросхемы. Аналоговые микросхемы по-прежнему необходимы для широкополосных сигналов, и они все еще используются в качестве датчиков. В аналоговых микросхемах напряжение и ток непрерывно изменяются в определенных точках цепи. Аналоговый чип обычно включает в себя транзистор вместе с пассивными элементами, такими как катушка индуктивности, конденсаторы и резисторы. Аналоговые микросхемы более подвержены шуму или небольшим колебаниям напряжения, что может вызвать ошибки.
Полупроводники смешанной схемы
Полупроводники со смешанной схемой обычно представляют собой цифровые микросхемы с добавленной технологией для работы как с аналоговыми, так и с цифровыми схемами. Микроконтроллер может включать аналого-цифровой преобразователь (АЦП) для подключения к аналоговой микросхеме, такой как, например, датчик температуры. Цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП), наоборот, может позволить микроконтроллеру создавать аналоговые напряжения для создания звука через аналоговые устройства.
Отрасль полупроводников была прибыльной и динамичной, внедряя инновации в нескольких направлениях рынка вычислительной техники и электроники. Знание того, какой тип полупроводников производит компания, скажем, CPU или GPU или ASIC, может помочь вам принимать более обоснованные инвестиционные решения в рамках отраслевой группы.
Современные технологии полупроводникового производства
В последние годы к стадии возможности использования в коммерческом производстве подошел целый ряд технологий, позволяющих заметно увеличить скорость работы транзисторов, либо столько же заметно уменьшить размер чипа без перехода на более тонкий технологический процесс. Некоторые из этих технологий уже начали применяться в течение последних месяцев, их названия упоминаются в новостях, относящихся к компьютерам, все чаще. Эта статья – попытка сделать краткий обзор подобных технологий, попытавшись заглянуть в самое ближайшее возможное будущее чипов, находящихся в наших компьютерах.
Первая интегральная схема, где соединения между транзисторами сделаны прямо на подложке, была сделана более 40 лет назад. За это время технология их производства претерпела ряд больших и малых улучшений, пройдя от первой схемы Джека Килби до сегодняшних центральных процессоров, состоящих из десятков миллионов транзисторов, хотя для серверных процессоров впору уже говорить о сотнях миллионов.
Здесь пойдет речь о некоторых последних технологиях в этой области, таких, как медные проводники в чипах, SiGe, SOI, перовскиты. Но сначала необходимо в общих чертах затронуть традиционный процесс производства чипов из кремниевых пластин. Нет необходимости описывать процесс превращения песка в пластины, поскольку все эти технологии не имеют к столь базовым шагам никакого отношения, поэтому начнем с того, что мы уже имеем кремниевую пластину, диаметр которой на большинстве сегодняшних фабрик, использующих современные технологии, составляет 20 см. Ближайшим шагом на ее превращении в чипы становится процесс окисления ее поверхности, покрытия ее пленкой окислов — SiO2, являющейся прекрасным изолятором и защитой поверхности пластины при литографии.
Дальше на пластину наносится еще один защитный слой, на этот раз — светочувствительный, и происходит одна из ключевых операций — удаление в определенных местах ненужных участков его и пленки окислов с поверхности пластины, до обнажения чистого кремния, с помощью фотолитографии.
На первом этапе пластину с нанесённой на её поверхность плёнкой светочувствительного слоя помещают в установку экспонирования, которая по сути работает как фотоувеличитель. В качестве негатива здесь используется прецизионная маска — квадратная пластина кварцевого стекла покрытая плёнкой хрома там, где требуется. Хромированные и открытые участки образуют изображение одного слоя одного чипа в масштабе 1:5. По специальным знакам, заранее сформированным на поверхности пластины, установка автоматически выравнивает пластину, настраивает фокус и засвечивает светочувствительный слой через маску и систему линз с уменьшением так, что на пластине получается изображение кристалла в масштабе 1:1. Затем пластина сдвигается, экспонируется следующий кристалл и так далее, пока не обработаются все чипы на пластине. Сама маска тоже формируется фотохимическим способом, только засвечивание светочувствительного слоя при формировании маски происходит по программе электронным лучом примерно также, как в телевизионном кинескопе.
В результате засвечивания химический состав тех участков светочувствительного слоя, которые попали под прозрачные области фотомаски, меняется. Что дает возможность удалить их с помощью соответствующих химикатов или других методов, вроде плазмы или рентгеновских лучей.
После чего аналогичной процедуре (уже с использованием других веществ, разумеется) подвергается и слой окислов на поверхности пластины. И снова, опять же, уже новыми химикатами, снимается светочувствительный слой:
Потом накладывается следующая маска, уже с другим шаблоном, потом еще одна, еще, и еще… Именно этот этап производства чипа является критическим в плане ошибок: любая пылинка или микроскопический сдвиг в сторону при наложении очередной маски, и чип уже может отправиться на свалку. После того, как сформирована структура чипа, пришло время для изменения атомной структуры кремния в необходимых участках путем добавления различных примесей. Это требуется для того, чтобы получить области кремния с различными электрическими свойствами — p-типа и n-типа, то есть, как раз то, что требуется для создания транзистора. Для формирования p-областей используются бор, галлий, алюминий, для создания n-областей — сурьма, мышьяк, фосфор.
Поверхность пластины тщательно очищается, чтобы вместе с примесями в кремний не попали лишние вещества, после чего она попадает в камеру для высокотемпературной обработки и на нее, в том или ином агрегатном состоянии, с использованием ионизации или без, наносится небольшое количество требуемых примесей. После чего, при температуре порядка от 700 до 1400 градусов, происходит процесс диффузии, проникновения требуемых элементов в кремний на его открытых в процессе литографии участках. В результате на поверхности пластины получаются участки с нужными свойствами. И в конце этого этапа на их поверхность наносится все та же защитная пленка из окисла кремния, толщиной порядка одного микрона.
Все. Осталось только проложить по поверхности чипа металлические соединения (сегодня для этой роли обычно используется алюминий, а соединения сегодня обычно расположены в 6 слоев), и дело сделано. В общих чертах, так в результате и получается, к примеру, классический МОП транзистор: при наличии напряжения на затворе начинается перемещение электронов между измененными областями кремния.
Теперь, слегка пробежавшись по классическому процессу создания сегодняшних чипов, можно более уверенно перейти к обзору технологий, которые предполагают внести определенные коррективы в эту картину.
Медные соединения
Первая из них, уже начавшая широко внедряться в коммерческое производство — это замена на последнем этапе алюминия на медь. Медь является лучшим проводником, чем алюминий (удельное сопротивление 0,0175 против 0,028 ом*мм2/м), что, в полном соответствии с законами физики, позволяет уменьшить сечение межкомпонентных соединений. Вполне своевременно, учитывая постоянное движение индустрии в сторону уменьшения размеров транзисторов и увеличения плотности их размещения на чипе, когда использование алюминия начинает становиться невозможным. Индустрия начала сталкиваться с этой проблемой уже в первой половине 90-х. Вдобавок, что толку в ускорении самих транзисторов, если соединения между ними будут съедать весь прирост скорости?
Проблемой при переходе на медь являлось то, что алюминий куда лучше образует контакт с кремнием. Однако после не одного десятка лет исследований, ученым удалось найти принцип создания сверхтонкой разделительной области между кремниевой подложкой и медными проводниками, предотвращающей диффузию этих двух материалов.
По данным IBM, применение в технологическом процессе меди вместо алюминия, позволяет добиться снижения себестоимости примерно на 20-30 процентов за счет снижения площади чипа. Их технология CMOS 7S, использующая медные соединения, позволяет создавать чипы, содержащие до 150-200 миллионов транзисторов. И, наконец, просто увеличение производительности чипа (до 40 процентов) за счет меньшего сопротивления проводников.
IBM начала предлагать клиентам эту технологию в начале 98 года, в конце этого года своим заказчикам предложили использовать медь при производстве их чипов TSMC и UMC, AMD начинает выпуск медных Athlon в начале 2000 года, Intel переходит на медь в 2002 году, одновременно с переходом на 0.13 мкм техпроцесс.
Соединения — соединениями, но уже на скорости чипа в несколько ГГц перестает справляться с нагрузкой сама кремниевая подложка. И если для традиционных областей применения чипов кремния пока достаточно, в области беспроводной связи уже давно дефицит на дешевые скоростные чипы. Кремний — дешево, но медленно, арсенид галлия — быстро, но дорого. Решением здесь стало использование в качестве материала для подложек соединения двух основ полупроводниковой индустрии — кремния с германием, SiGe. Практические результаты по этой технологии стали появляться с конца 80-х годов. Первый биполярный транзистор, созданный с использованием SiGe (когда германий используется как материал для базы), был продемонстрирован в 1987 году. В 1992 году уже появилась возможность применения при производстве чипов с SiGe транзисторами стандартной технологии КМОП с разрешением 0.25 мкм.
Результатом применения становится увеличение скорости чипов в 2-4 раза по сравнению с той, что может быть достигнута путем использования кремния, во столько же снижается и их энергопотребление. При этом, в ход вступает все тот же решающий фактор — стоимость: SiGe чипы можно производить на тех же линиях, которые используются при производстве чипов на базе обычных кремниевых пластин, таким образом отпадает необходимость в дорогом переоснащении производственного оборудования. По информации IBM, потенциальная скорость транзистора (не чипа!) с их технологией составляет сегодня 45-50 ГГц (что далеко не рекорд), ведутся работы над увеличением этой цифры до 120 ГГц. Впрочем, в ближайшие годы прихода SiGe в компьютер ждать не стоит — при тех скоростях, что потребуется PC чипам в ближайшем будущем вполне хватает кремния, легированного такими технологиями, как медные соединения или SOI.
Кремний на изоляторе (silicon-on-insulator, SOI)
Вот и получается — кремний на изоляторе. Зачем это понадобилось? Чтобы уменьшить емкость. В идеале МОП транзистор должен выключаться, как только будет исчезнет питание с затвора (или наоборот, появится, в случае с КМОП). Но наш мир далеко не идеален, это справедливо и в данном конкретном случае. На время срабатывания транзистора напрямую влияет емкость области между между измененными участками кремния, через которую и идет ток при включении транзистора. Он начинает и заканчивает идти не мгновенно, а только после, соответственно, зарядки и разрядки этой промежуточной зоны. Понятно, что чем меньше это время, тем быстрее работает транзистор, можно сказать, что тем меньше его инерция. Для того и придумана SOI — при наличии между измененными участками и основной массой кремния тонкой пластинки изолирующего вещества (окисел кремния, стекло, и т.д.), этот вопрос снимается и транзистор начинает работать заметно быстрее.
Основная сложность в данном случае, как и в случае с медными соединениями, заключается в разных физических свойствах вещества. Кремний, используемый в подложке — кристалл, пленка окислов — нет, и закрепить на ее поверхности, или же не поверхности другого изолятора еще один слой кристаллического кремния весьма трудно. Вот как раз проблема создания идеального слоя и заняла весьма много времени. Не так давно IBM уже продемонстрировала процессоры PowerPC и чипы SRAM, созданные с использованием этой технологии, просигнализировав этим о том, что SOI подошла к стадии возможности коммерческого применения. Совсем недавно, IBM объявила о том, что она достигла возможности сочетать SOI и медные соединения на одном чипе, пользуясь плюсами обеих технологий. Тем не менее, пока что никто кроме нее не заявил публично о намерении использовать эту технологию при производстве чипов, хотя о чем-то подобном речь идет.
Перовскиты
Поиски замены на роль изолирующей пленки на поверхности подложки идут давно, учитывая, что как и алюминий, диоксид кремния начинает сдавать в последнее время — при постоянном увеличении плотности транзисторов на чипе необходимо уменьшать толщину его изолирующего слоя, а этому есть предел, поставленный его электрическими свойствами, который уже довольно близок. Однако пока, несмотря на все попытки, SiO2 по прежнему находится на своем месте. В свое время IBM, предполагала использовать в этой роли полиамид, теперь пришла очередь Motorola выступить со своим вариантом — перовскиты.
Этот класс минералов в природе встречается довольно редко — Танзания, Бразилия и Канада, но может выращиваться искусственно. Кристаллы перовскитов отличаются очень высокими диэлектрическими свойствами: использованный Motorola титанат стронция превосходит по этому параметру диоксид кремния более чем на порядок. А это позволяет в три-четыре раза снизить толщину транзисторов по сравнению с использованием традиционного подхода. Что, в свою очередь, позволяет значительно снизить ток утечки, давая возможность заметно увеличить плотность транзисторов на чипе, одновременно сильно уменьшая его энергопотребление.
Пока что эта технология находится в достаточно ранней стадии разработки, однако Motorola уже продемонстрировала возможность нанесения пленки перовскитов на поверхность стандартной 20 см кремниевой пластины, а также рабочий КМОП транзистор, созданный на базе этой технологии.