211service.com
Jak tranzystory trójwymiarowe przeszły z laboratorium do Fab?
Nowy trójwymiarowy projekt tranzystora firmy Intel, ogłoszony na początku tego tygodnia, jest zwieńczeniem ponad dziesięciu lat prac badawczo-rozwojowych, które rozpoczęły się w laboratorium Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley w 1999 roku.
W nowym projekcie Intela kanał krzemowy jest uniesiony jak płetwa, dzięki czemu bramka styka się z nim z trzech stron. (Duża grafika na następnej stronie.)
22-nanometrowe tranzystory, które według Intela sprawią, że chipy będą o 37 procent szybsze io połowę mniej energochłonne, będą używane w każdym elemencie w 22-nanometrowych układach scalonych firmy, w tym w obwodach logicznych i pamięci. Procesory wykorzystujące tranzystory trójbramkowe zostały zademonstrowane w działających układach, a firma rozpocznie masową produkcję w drugiej połowie tego roku. Nie jest jasne, w jaki sposób producenci urządzeń skorzystają z chipów, ale prawdopodobnie zapewnią one lepszą żywotność baterii i większe wyrafinowanie urządzeń przenośnych, a także szybsze przetwarzanie komputerów stacjonarnych i serwerów.
Firma Intel zwróciła się do nowego projektu, ponieważ istniejące projekty zaczęły napotykać na przeszkody związane z wydajnością. Konwencjonalne tranzystory składają się z metalowej konstrukcji zwanej bramką, która jest zamontowana na płaskim kanale krzemowym. Bramka steruje przepływem prądu przez kanał od elektrody źródłowej do elektrody drenowej. Z każdą generacją chipów kanał stawał się coraz mniejszy, umożliwiając firmom takim jak Intel wytwarzanie szybszych chipów poprzez pakowanie większej liczby tranzystorów. Ale brama stała się trudniejsza do całkowitego odcięcia przepływu prądu. Nieszczelne tranzystory, które nie wyłączają całkowicie, marnują energię.
Tranzystory z trzema bramkami wykorzystują prostokątne kanały krzemowe, które wystają z powierzchni chipa, dzięki czemu bramka styka się z kanałem z trzech stron, a nie tylko z jednej. Ten bliższy kontakt oznacza, że bramka może prawie całkowicie wyłączyć tranzystor nawet w skali 22-nanometrowej, co jest odpowiedzialne za wzrost efektywności energetycznej nowych chipów Intela. Możliwe jest również wykonanie tranzystorów trójbramkowych z więcej niż jednym kanałem krzemowym podłączonym do każdej bramki, aby zwiększyć ilość prądu, który może przepływać przez każdy tranzystor, umożliwiając wyższą wydajność.
Multimedialne
Prawo Moore'a: Historia tranzystorów w obrazach.
Odprawa: Mikroprocesory
Kalendarium rozwoju mikroprocesora.
Intel nie wynalazł tego projektu tranzystora, ale firma jako pierwsza wprowadziła go do produkcji. Gdyby firma utknęła przy tranzystorach planarnych podczas przechodzenia z 32-nanometrowych na 22-nanometrowe, chipy wykazywałyby 20-30 procentowy wzrost wydajności i wydajności, mówi analityk branżowy. Linley Gwennap . Spekulowano, że firma wykorzysta nowy projekt tranzystora do elementów pamięci, a nie logiki, a więc nie wyeliminuje całkowicie tranzystorów planarnych. Używając technologii tri-gate zarówno do pamięci, jak i logiki, mówi Gwennap, Intel naprawdę idzie naprzód i widzi dużą poprawę wydajności, co może być ogromną przewagą nad konkurencją.
Poruszać się w górę: W konwencjonalnym tranzystorze (po lewej) zamontowana od góry bramka steruje przepływem prądu elektrycznego przez płaski krzemowy kanał poniżej. W nowym projekcie Intela (po prawej) kanał krzemowy jest uniesiony jak płetwa, dzięki czemu bramka styka się z nim z trzech stron. Zapewnia to większą kontrolę nad przepływem prądu przez kanał i zmniejsza upływ mocy.
Te trójwymiarowe tranzystory zostały po raz pierwszy wymyślone i zbudowane przez trzech badaczy z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley pod koniec lat 90. w odpowiedzi na wezwanie Agencji Zaawansowanych Projektów Badawczych Obrony Stanów Zjednoczonych dotyczące projektów, które umożliwiłyby skalowanie tranzystorów poniżej 25 nanometrów, o rząd wielkości mniejszych niż te w produkcji w tamtym czasie. Chenming Hu napisał specyfikacje techniczne nowego tranzystora podczas lotu samolotem do Japonii w 1996 roku. Grupa z Berkeley złożona z Hu, Jeffrey Bokor , oraz Tsu-Jae Król Liu po raz pierwszy wyprodukowali te tranzystory, które nazwali FinFET, w 1999 roku.
To był strzał w dziesiątkę, mówi Hu. Uniwersytet zdecydował się udostępnić własność intelektualną do domeny publicznej zamiast ją patentować; w miarę jak badacze z Berkeley udoskonalali projekty, Hu zaprezentował prace kilku firmom, w tym Intelowi. Do 2002 roku FinFET i drugi projekt Berkeley, znany jako krzem na izolatorze, były urządzeniami preferowanymi przez Międzynarodowa mapa drogowa technologii półprzewodników jako technologie, które mogą zaspokoić potrzeby branży w ciągu najbliższych 15 lat. Ale przynajmniej w Intelu FinFET wyprzedził drugi projekt, który polega na dodaniu bardzo cienkiej warstwy krzemu do tranzystora. Jeszcze około dwa lata temu firmy produkujące wafle krzemowe nie były w stanie zrobić wystarczająco cienkiej warstwy aktywnej. francuska firma Soitec może teraz wytwarzać niezbędne wafle dla tego alternatywnego projektu, a Hu mówi, że konkurenci Intela mogą go w pewnym momencie przyjąć.
Wyprowadzenie obiecującego trójwymiarowego projektu urządzenia z laboratorium do produkcji zajęło około dekadę. Intel nie ujawnił wielu szczegółów na temat tego, jakie fabrykowane ulepszenia są konieczne do wytworzenia nowych tranzystorów, ale opiera się na fakcie, że najwyraźniej nie są wymagane żadne nowe materiały ani maszyny – oraz marginalny wzrost kosztów produkcji o 2 do 3 procent obiecany przez firma – zmiany wydają się niewielkie. Firma powiedziała, że tworzenie trójwymiarowych kanałów wymaga tylko dodatkowego etapu trawienia.
Hu mówi, że naukowcy z Berkeley od samego początku zdecydowali, że ich nowy projekt będzie musiał być kompatybilny z istniejącą infrastrukturą branży, i tak się stało. Główną przeszkodą w przygotowaniu technologii do masowej produkcji, mówi Hu, była prawdopodobnie niezawodność: kontrolowanie wymiarów bardzo cienkiego kanału, podczas gdy miliardy muszą być wykonane na każdym pojedynczym waflu.
Hu mówi, że grupa Berkeley zaprojektowała te tranzystory tak, aby nie wymagały od projektantów obwodów całkowitego przeprojektowania architektury chipów. To jeden z powodów, dla których firma Intel może tak szybko wypuszczać produkty. Grupa Hu pracowała nad narzędziami do symulacji obwodów dla tranzystorów trójbramkowych przez ostatnie pięć lat.
Mimo to projektanci obwodów dostrzegają nowe możliwości, które mogą otworzyć się dzięki tym tranzystorom. Oferują nowe sposoby dostrajania zachowania poszczególnych bramek, co daje projektantom nowe pokrętła do zabawy w celu dalszej poprawy wydajności energetycznej i niezawodności, mówi Subhaszysz Mitrau , profesor elektrotechniki i informatyki na Uniwersytecie Stanforda. Widząc, że całkowicie nowy tranzystor wchodzi do masowej produkcji w ciągu około dziesięciu lat, to zachęcający znak, że branża nie jest przestarzała i że dobre pomysły technologiczne wciąż mogą wydostać się z laboratoriów akademickich, dodaje Mitra.