211service.com
Superchip Motoroli
Leżąc na plaży podczas wakacji na hiszpańskim wybrzeżu w 1999 roku, fizyk Jamal Ramdani doznał objawienia. Gdy piasek dopasowywał się do konturów jego ciała, Ramdani, badacz z Motorola Labs w Tempe, AZ, nagle wyobraził sobie rozwiązanie zagadki, która wprawiała w zakłopotanie branżę półprzewodników przez 30 lat: jak połączyć tani krzem z dużą szybkością, emitujące światło, ale znacznie droższe materiały półprzewodnikowe, takie jak arsenek galu, wszystko na jednym wafelku.
Ponieważ materiały są fizycznie niedopasowane, nakładanie warstw jedna na drugą w celu wytworzenia chipa o optymalnych właściwościach elektronicznych i optycznych było praktycznie niemożliwe. Być może to piasek na hiszpańskiej plaży, wykonany z tego samego minerału, z którego otrzymuje się wafle krzemowe, dostarczył Ramdani kluczowej wskazówki. W każdym razie, wspomina Ramdani, wróciłem do Phoenix, pożyczyłem maszynę do hodowli złożonych półprzewodników iw dwóch lub trzech strzałach mieliśmy arsenek galu osadzony na krzemie.
Korzyści płynące z posiadania funkcjonalności arsenku galu, w szczególności jego zdolności do obsługi komunikacji bezprzewodowej i emitowania światła na niedrogim chipie krzemowym, nie zostały utracone na kierownictwie Motoroli. Wysokowydajne chipy wykonane z arsenku galu i innych tak zwanych półprzewodników złożonych są szeroko stosowane we wszystkim, od telefonów komórkowych po przełączniki w optycznych sieciach komunikacyjnych. Wynalazek Ramdaniego może przynajmniej oznaczać zastąpienie tych kosztownych chipów znacznie tańszymi układami z arsenu galu na krzemie. W ciągu dwóch lat od przełomu Ramdani Motorola złożyła ponad 300 patentów na tę technologię; Jesienią ubiegłego roku firma wykorzystała metodę Ramdani do zbudowania prototypowych chipów do wzmacniania sygnałów w telefonach komórkowych. Aby skomercjalizować nowy materiał, Motorola uruchomiła w Austin w Teksasie spółkę zależną będącą w całości własnością firmy Thinkbeam. Obiecuje, że nowe materiały trafią do urządzeń elektronicznych i optycznych w ciągu najbliższych dwóch lat.
Wpływ technologii chipowej Motoroli może znacznie wykraczać poza tańsze telefony komórkowe czy urządzenia optyczne. Dzisiaj, jeśli chcesz mieć szybki i niedrogi mikroprocesor, potrzebujesz chipa krzemowego; jeśli chcesz, aby chip obsługiwał funkcje optyczne lub sygnały radiowe o wysokiej częstotliwości, potrzebujesz złożonych półprzewodników, takich jak arsenek galu lub fosforek indu. W rezultacie sprzęt, taki jak telefony komórkowe i przełączniki sieci komunikacyjnych, wymaga wielu urządzeń półprzewodnikowych. Niektórzy eksperci przewidują, że w końcu technologia Motoroli może umożliwić zintegrowanie funkcji arsenku galu i krzemu w jednym chipie, wykorzystując każdy z materiałów do tego, co robi najlepiej. Rezultatem byłby superchip. Zamiast mieć wiele chipów w odtwarzaczu DVD wykonujących różne zadania - generowanie światła do odczytu płyty, sprawdzanie danych wejściowych od widzów, dekodowanie danych cyfrowych na obrazy i dźwięk - jeden chip poradziłby sobie z tym wszystkim.
Branża półprzewodników marzy o takim superprocesorze od dziesięcioleci — a wielu naukowców aktywnie realizuje to marzenie. Na przykład Eugene Fitzgerald, materiałoznawca z MIT, pracuje nad tym problemem od ponad dekady i opublikował opisy własnej techniki hodowania arsenku galu na krzemie. On i wielu innych sceptyków kwestionuje, czy technologia Motoroli okaże się wielkim szlemem. Co kilka lat pojawia się tak zwane rozwiązanie, ale po bliższym przyjrzeniu się widać, że wcale nim nie jest – mówi Fitzgerald.
Inni są jednak pod takim wrażeniem potencjału przełomowego Ramdani, że wierzą, że technologia może fundamentalnie zmienić dynamikę biznesu chipowego, ostatecznie wypełniając podział materiałów między krzemem a złożonymi półprzewodnikami, który stał się fundamentalnym faktem w branży. Według Steve'a Cullena, dyrektora i głównego analityka usług badań nad półprzewodnikami w Cahners In-Stat Group, postęp Motoroli może przejść do historii jako punkt zwrotny dla branży półprzewodników.
Kuzyni Krzemu
Krzem jest materiałem z wyboru dla zdecydowanej większości chipów wykorzystywanych w zastosowaniach mikroprocesorowych; jest łatwy w obsłudze, a producenci nauczyli się tworzyć w nim maleńkie obwody, które umożliwiają dzisiejsze szybkie i niedrogie komputery. Ale mimo całej swojej sławy, krzem nie może dorównać możliwościom bezprzewodowym i optycznym droższych półprzewodników, takich jak arsenek galu i fosforek indu.
Materiały te nazywane są półprzewodnikami złożonymi, ponieważ ich kryształy – w przeciwieństwie do krzemu – składają się z więcej niż jednego pierwiastka. Ta bardziej złożona kompozycja często nadaje im pożądane cechy fizyczne. Na przykład, ponieważ elektrony poruszają się szybciej w wielu złożonych półprzewodnikach, materiały mogą przetwarzać sygnały radiowe o wyższej częstotliwości, a tym samym większe ilości danych, co jest właśnie tym, czego potrzebujesz, jeśli chcesz, powiedzmy, przenośnych urządzeń bezprzewodowych, które mogą odbierać płynne strumienie wideo .
I w przeciwieństwie do krzemu, wiele z tych złożonych półprzewodników może emitować wiązki światła, gdy jest zasilane tylko niewielką ilością prądu elektrycznego. Dzięki temu możliwe są lasery półprzewodnikowe, które mogą odczytywać małe fragmenty informacji gęsto upakowane na płytach CD lub DVD. Szybkie optyczne sieci komunikacyjne również opierają się na złożonych półprzewodnikach do przekształcania informacji optycznych w informacje elektroniczne i odwrotnie, w tysiącach miejsc, w których włókna światłowodowe spotykają się z elektronicznymi przełącznikami i komputerami.
Jednak ta sama złożoność, która sprawia, że złożone półprzewodniki są tak użyteczne, sprawia, że są one kruche, trudne do zsyntetyzowania, trudne do zintegrowania z innymi materiałami i bardzo drogie. W tej chwili 15-centymetrowy wafelek arsenku galu kosztuje około 300 dolarów, podczas gdy 20-centymetrowy wafel krzemowy może kosztować około jednej dziesiątej tego. Przełom Ramdani polega na osadzeniu patyny arsenku galu na wafelku standardowego krzemu. Wierzchnia warstwa arsenku galu zapewnia wszystkie unikalne możliwości tego materiału, ale umieszczenie jej na podłożu krzemowym sprawia, że jest znacznie łatwiejszy w obsłudze i tańszy w produkcji.
Na pierwszy rzut oka procedura wydaje się tak prosta, jak nałożenie masła orzechowego na kromkę chleba. Ale w praktyce jest to znacznie trudniejsze. Podstawowym problemem, mówi Fitzgerald, jest to, że podstawowe struktury krystaliczne krzemu i arsenku galu są tak różne, że nakładanie warstw jedna na drugą jest jak układanie grejpfrutów na grządce pomarańczy. Dostajesz odmieńców i dodatkowe przestrzenie, mówi Fitzgerald. Te defekty w krysztale mają tendencję do zaczepiania elektronów, zakłócając funkcje urządzeń półprzewodnikowych.
Jak dotąd problem niedopasowania pokonał prawie każdego, kto kiedykolwiek próbował zrobić wafelki z arsenem galu na krzemie. To pomaga wyjaśnić, dlaczego wielu badaczy z firm takich jak IBM i startup zajmujący się technologią półprzewodnikową AmberWave Systems z Salem w stanie NH, stosuje alternatywne podejście do bardziej wszechstronnych i wydajnych półprzewodników: ulepszanie krzemu, aby zachowywał się bardziej jak jego bardziej wyrafinowani kuzyni. W ten sposób uzyskują korzyści kosztowe wynikające z korzystania z 50-letniej infrastruktury technologii produkcji krzemu, a jednocześnie nadal zbliżają się do wydajności półprzewodników złożonych.
Firma AmberWave Systems, której współzałożycielem jest Fitzgerald z MIT, opracowała formę naprężonego kryształu krzemu, w którym elektrony poruszają się szybciej niż w zwykłym krzemie. Materiał umożliwia szybsze tranzystory, a to oznacza na przykład procesory sygnałów radiowych o wyższej częstotliwości. Naukowcy hodują warstwę stopu krzemowo-germanowego na wierzchu płytki krzemowej, a następnie pokrywają stop cienką warstwą krzemu. Ponieważ odległości między atomami w krysztale krzemowo-germanowym są większe niż w krzemie, atomy krzemu w górnej warstwie muszą się rozciągać, aby dopasować się do przestrzeni między atomami w krzemie-germanowym poniżej. Gdy atomy krzemu są bardziej od siebie oddalone, elektrony poruszają się swobodniej, a więc szybciej.
W rzeczywistości ta odrobina inżynierii krystalicznej zaowocowała próbkami, w których elektrony poruszają się do 80 procent szybciej niż w zwykłych waflach krzemowych. AmberWave ma nadzieję, że w ciągu najbliższego roku na rynek trafią urządzenia wykonane z tego materiału – na przykład mikroprocesory czy układy wzmacniające sygnał w telefonach komórkowych.
Superchip Składniki
 | |||||||||||||||
| Badacze Motoroli marzą, by pewnego dnia wyprodukować wielozadaniowe chipy (powyżej) z wbudowanymi urządzeniami optycznymi i bezprzewodowymi wykonanymi z arsenku galu oraz mikroprocesorem wyrzeźbionym z odsłoniętego podłoża krzemowego. Firma ma nadzieję zrealizować to marzenie dzięki nowej technologii. Warstwa wewnętrzna, składająca się z dwutlenku krzemu i tytanianu strontu, zapewnia mostek molekularny między różnymi rozmiarami kryształów krzemu i arsenku galu. (Ilustracja Slim Films) Wakacyjne wizje Poprawienie krzemu może sprawić, że będzie on szybszy, ale do uzyskania możliwości optycznych nadal potrzebujesz złożonych półprzewodników. Podczas gdy wielu badaczy próbuje hodować złożone półprzewodniki na krzemie, Motorola wierzy, że ma przewagę w wyścigu o komercjalizację tej technologii – dzięki zarówno Ramdani, jak i dobrze rozwiniętej infrastrukturze produkcyjnej i marketingowej firmy. Historia przełomu Ramdaniego zaczyna się co najmniej rok przed jego fatalnymi hiszpańskimi wakacjami. Ramdani był członkiem grupy badawczej Motoroli, która próbowała przyspieszyć wytwarzanie krzemu, kiedy dokonał przypadkowego odkrycia, które doprowadziło do projektu galu-arsenek na krzemie. W tym czasie on i jego koledzy koncentrowali się na cienkiej, podobnej do szkła warstwie dwutlenku krzemu, która tworzy się na powierzchni krzemu, gdy jest on wystawiony na działanie tlenu podczas przetwarzania chipów. Ta warstwa, znana jako dielektryk, jest istotnym elementem chipa, ponieważ umożliwia jednemu tranzystorowi kontrolowanie stanu elektrycznego drugiego, jednocześnie zapobiegając przeciekaniu elektronów między nimi. Ale w miarę jak tranzystory stają się mniejsze, a ta warstwa staje się cieńsza, staje się bardziej podatna na wyciekanie elektronów. Aby rozwiązać ten problem, Ramdani i jego koledzy Ravi Droopad i Jimmy Yu eksperymentowali z alternatywą dla dwutlenku krzemu – tytanianu strontu – która mogłaby poprawić wydajność układów opartych na krzemie. Jednak, gdy badacze Motoroli nałożyli na powierzchnię krzemu pszczoły tytanian strontu, powstała między nimi warstwa dwutlenku krzemu. To było jak nieumyślne pokrycie okna warstwą czarnej farby, kiedy wszystko, co chciałeś zrobić, to lekko je przyciemnić. A potem Ramdani odwiedził tę hiszpańską plażę. Odpoczywając na piasku, zdał sobie sprawę, że warstwa dwutlenku krzemu, wraz z tytanianem strontu, może służyć o wiele większemu celowi, niż początkowo sądził: warstwy pośrednie, które umieszczone między krzemem a arsenkiem galu mogą pogodzić krystaliczne niedopasowanie między nimi. dwa półprzewodniki. Dzieje się tak, ponieważ odległości między atomami tytanianu strontu, gdy znajdują się na wierzchu warstwy dwutlenku krzemu, która tworzy się pod nim, są dłuższe niż w krzemie, ale krótsze niż w arsenku galu. W rzeczywistości to dwutlenek krzemu powoduje, że atomy tytanianu strontu całkowicie się rozluźniają i przyjmują konfigurację bardziej zgodną z powyższymi atomami arsenku galu. W ciągu kilku dni po powrocie z wakacji Ramdani i jego zespół inżynierów zdołali wyhodować arsenek galu na krzemie przy użyciu tych pośrednich warstw (patrz Superchip Składniki ) . Narastanie odsetek W miarę jak naukowcy Motoroli udoskonalają swoją technologię w nadchodzących latach i uczą się hodować inne złożone półprzewodniki na bazie krzemu, potencjalne zastosowania tego materiału powinny nadal rosnąć. Jak widzą Ramdani i jego koledzy, ten sam rodzaj warstwy wewnętrznej, której używają do łączenia arsenku galu z krzemem, może zostać wykorzystany do hodowli fosforku indu lub dowolnej liczby innych wysokowydajnych półprzewodników złożonych na tym samym niedrogim podłożu krzemowym. Każdy z tych złożonych półprzewodników ma swoją własną osobowość — własną prędkość i właściwości emitowania światła. Taka technologia może również prowadzić do powstania nowych rodzajów urządzeń lub aplikacji, które wcześniej nie były opłacalne. Na przykład tanie źródła wysokowydajnych chipów mogą ułatwić projektantom dodanie komunikacji bezprzewodowej do urządzeń gospodarstwa domowego i podłączenie ich do Internetu. Wizje pralek komunikujących się bezpośrednio z centrami serwisowymi, gdy pracują na frycie, lub lodówek, które zamawiają jedzenie do supermarketów, mogą stać się tańsze w realizacji, jeśli nie będą bardziej pożądane. Bardziej przystępne cenowo chipy emitujące światło i wykrywające światło mogą zmienić ekonomikę łączy światłowodowych do bezpośredniego podłączania domowych komputerów, kamer wideo i innych domowych gadżetów do Internetu. Poza tym producenci chipów, tacy jak Motorola i AmberWave Systems, dzielą ten sam, długoterminowy, technologiczny wafelek typu „wszystko w jednym”. W tej wizji złożone półprzewodniki są nie tylko nakładane warstwowo na wierzch krzemowego podłoża, ale różne półprzewodniki są ze sobą zintegrowane na chipie. Jeśli uda nam się wyhodować cienką warstwę arsenku galu na płytkach krzemowych, to może będziemy w stanie wyhodować selektywnie wyspy arsenku galu na krzemie – mówi Charles Huang, współzałożyciel i dyrektor techniczny Anadigics, firmy produkującej chipy z siedzibą w Warren w stanie New Jersey. . Każda wyspa miałaby swoją własną funkcję, na przykład wysyłanie i odbieranie wiadomości bezprzewodowo lub przesyłanie danych optycznie do świata zewnętrznego. Jednak większość krzemu byłaby dostępna do wykonywania rzeczywistych obliczeń lub przechowywania danych. Takie wszechstronnie utalentowane chipy byłyby na przykład w stanie optycznie przenosić dane wokół mikroprocesora. W komputerze dane obecnie przemieszczają się elektronicznie zarówno w chipach, jak i między chipami – między, powiedzmy, mikroprocesorem a chipem pamięci – przez maleńkie przewody, które wszystko spowalniają. Przewody są prawdziwym wąskim gardłem w komputerach, mówi Ramdani. Gdyby każdy krzemowy układ scalony miał własne wbudowane lasery wykonane ze złożonych półprzewodników do przenoszenia danych, takie układy działałyby samodzielnie szybciej i byłyby w stanie szybciej wymieniać większe ilości danych z innymi układami. Jest zbyt wcześnie, aby wykluczyć możliwość, że jakaś czająca się usterka spowoduje, że rosnące inwestycje Motoroli w nową technologię wyślą na mnóstwo dobrych prób, które nie powiodły się. Z pewnością jest wielu sceptyków, którzy wciąż nie są przekonani, czy superchip firmy kiedykolwiek spełni oczekiwania. Niemniej jednak, w ciągu trzech lat od pierwszego objawienia Ramdaniego, Motorola coraz bardziej angażowała się w dopilnowanie, by technologia spełniała swoje liczne obietnice, przekładając się na jej znaczną wagę finansową i techniczną. Rzeczywiście, podekscytowanie Ramdani z powodu przełomu wcale nie słabnie. Moim zdaniem ta technologia zrewolucjonizuje branżę półprzewodników, mówi. Pozwoli nam robić rzeczy, o których jeszcze 20 lat temu mogliśmy tylko pomarzyć. Pompowanie krzemu Próbka firm przesuwających granice materiałów półprzewodnikowych
|