Ревю: Нанолистният транзистор е последната надежда на бъдещите процесори

Оригиналът е на Пидей Ий (Peide Ye), Томас Ърнст (Thomas Ernst) и Макеш В. Харе (Mukesh V. Khare)

10
3791

Съвременният процесор е една от най-сложните системи в света, но се базира на един съвсем опростен и елегантен елемент – транзисторът. В днешните процесори транзисторите са милиарди, като те всичките са идентични. Ето защо повишаването плътността на тези транзистори е най-лесният начин процесорите, а това значи и компютрите, да започнат да работят по-бързо.

Удвояването броя на транзисторите на всеки две години е всеизвестният Закон на Мур, който вече не се изпълнява и не важи. Създаването на все по-малки транзистори за процесорите става все по-трудна и тежка задача, да не говорим за фантастичната цена за тяхното производство. В крайна сметка в тази надпревара останаха само Intel, Samsung и Taiwan Semiconductor Manufacturing Co. (TSMC). Тези компании могат да създават чипове чрез 7 нанометров технологичен процес, но това не винаги е рентабилно. Всъщност, този термин е остатък от времената на действието на Закона на Мур и повече няма ясно физическо определение, но все пак показва степента на миниатюризация на транзисторите в чипа.

Към днешен ден, най-съвременният технологичен процес за масово производство на процесорите е 7 нанометровият. Но през месец април тази година Samsung и TSMC обявиха, че започват прехода към нова технология с използването на 5 нанометров технологичен процес. Samsung дори вече има някои нови неща: корпорацията счита, че този тип транзистори, използвани в продължение на почти едно десетилетие, вече се е изчерпал. За достигането на следващото ниво на технологиите – 3 nm, което ще се използва през 2020 година в първите ограничени партиди нови процесори, корейците ще използват съвсем нов архитектурен дизайн на транзисторите.

Този дизайн от ново поколение има различни имена – полеви транзистор с кръгъл гейт, многоканален транзистор и дори нанолъч. Но последно време в изследователските кръгове той все по-често се нарича нанолистен. В този случай името не е важно. Важното е, че този дизайн не е просто следващият дизайн за силициевите транзистори, а това, че той може да бъде последният. Разбира се, при производството ще има най-различни вариации на тази технология, но на глобално ниво, това може да се окаже крайната точка в развитието на силиция в полупроводниковата техника.

Въпреки че формата и материалите през изтеклите десетилетия значително се промениха, метал-оксид-полупроводниковите транзистори или MOSFET, използвани в съвременните процесори, включват в себе си същите основни структури още от времето на тяхното изобретяване през 1959 година. Това са гейтът, областта на канала, електродът на сорса и електродът на дрейна. Първоначално сорсът, каналът и дрейнът са били област от силициевия кристал, легирани с атоми на други елементи, за да се създаде област с подвижни носители на отрицателен заряд (проводимост от n тип) или област с подвижни носители с положителен заряд (проводимост от p тип). И двата типа транзистори са необходими на CMOS технологиите, на които се базират съвременните компютърни чипове.

Гейтът на MOSFET се намира малко над областта на канала. Към днешен ден електродът на гейта се прави от метал, разположен върху слой от диелектричен материал. Тази комбинация е необходима за проектирането на електрическото поле в областта на канала на транзистора, за да се предотврати изтичането на заряд.

Подаването на достатъчно високо напрежение на гейта (относително сорса) създава слой от подвижни носители на заряд близо до границата между диелектрика и силиция. След като този слой запълни пространството между сорса и дрейна, през транзистора протича ток. Намаляването на напрежението на гейта до нулата води до свиването на проводящия слой и до намаляване на протичащия ток до нулата.

Разбира се, за да може през канала от сорса към дрейна да протече ток, на тези електроди трябва да бъде подадено напрежение. Но тъй като транзисторните структури ставаха все по-малки и по-малки, негативните ефекти от това напрежение в крайна сметка доведоха до най-голямата промяна на формата на транзистора в цялата негова история.

Основната причина за това е, че напрежението сорс-дрейн може да създава своя област на проводимост между електродите. И тъй като каналът със всяко ново поколение транзистори ставаше все по-къс, влиянието на напрежението на сорса ставаше все по-голямо. Зарядът започна да изтича през областта под гейта. В крайна сметка се получи транзистор, който никога не се изключва напълно, постоянно харчи енергия и отделя топлина.

За да се спре това нежелателно изтичане, областта на канала трябва да бъде направена възможно най-тънка и по този начин да се ограничи пътя на преминаване на заряда. Освен това, гейтът трябва да максимално да обкръжава областта на канала. Именно така се появи съвременният FinFET транзистор. Това е конструкция, в която областта на канала на практика е приповдигната над сорса и дрейна, като по този начин се създава нещо като „перка“ (Fin) от силиций (именно този термин се наложи, понеже формата прилича на перка), като по този начин се осигурява по-широк път за протичане на тока. След това гейтът и диелектричният материал се нанасят отгоре върху тази перка, като го обкръжават от три страни, а не от една, както е при предишната технология.

Без съмнение, FinFET транзисторът бе изключително успешен. Въпреки че бе изобретен преди повече от десет години, първите комерсиални транзистори с тази технология се появиха през 2011 година в 22 nm продукти на Intel. След това този дизайн бе усвоен и от Samsung, TSMC и други. Оттогава именно това е двигателят на съвременната силициева логика чак до края на действието на Закона на Мур. Но както добре знаем, хубавото един ден свършва. При използването на 3 нанометров технологичен процес FinFET не се справя и не може да се използва.

Еволюцията на транзисторите

По принцип FinFET никога не е бил идеален. Така например, той донесе ограничения в конструкцията на транзистора, което не бе проблем за стария „плосък“ транзисторен дизайн. Общият проблем на всички тези транзистори бе, че винаги трябва да се прави компромис между скоростта на работа, консумацията на електрическа енергия, сложността на производството и цената. Този компромис е свързан преди всичко с широчината на канала, която специалистите наричат Weff. По-голямата ширина означава, че може да се управлява по-голям ток и транзисторът да се включва и изключва по-бързо. Но това изисква по-сложен и по-скъп производствен процес.

При плоския транзистор компромисът може да се постигне чрез регулиране геометрията на канала. Но триизмерните FinFET не позволяват подобна гъвкавост. Миниатюрните метални шини, които обединяват транзисторите в сложни логически схеми са изградени като слоеве над самите транзистори. Ето защо височината на FinFET транзистора не може да се променя свободно без намеса в самата структура на тези слоеве. Към днешен ден този проблем частично се решава чрез използването на транзистори с няколко гейта.

Друг недостатък на FinFET е, че неговият гейт е заобиколен от правоъгълната силициева „перка“ само от три страни, като долната част е оставена съединена с корпуса на транзистора. Така възниква ток на изтичане, когато транзисторът е изключен. Редица специалисти считат, че за получаването на пълен контрол върху областта на канала, гейтът трябва да го обвива от всички страни.

Редица водещи лаборатории още от 1990 година се опитват да приложат тази идея. Ето че тази година се появи официална информация за създаването на първия силициев транзистор с гейт, който изцяло обвива областта на канала. Поколения специалисти работиха върху така нареченият полеви транзистор с кръгъл гейт. През 2003 година учените в стремежа си да минимизират тока на изтичане, превърнаха областта на канала в тесен нанопроводник, който съединява сорса и дрейна и от всички страни е обвит от гейта.

Но защо тези нанопроводници не станаха основата на най-новите транзистори? Лесно е да се досетим каква е причината. Твърде тесният канал не дава големи възможности за изтичането на електрони и по този начин минимизира тока на изтичане, но в същото време осигурява твърде малко пространство за потока от електрони на включения транзистор. По този начин се ограничава максималния ток, но и се забавя превключването и съответно, работата на транзистора.

Възможно е да се получи по-голям Weff и следователно, по-голям ток, като се използват няколко нанопроводника. Специалистите на Samsung представиха подобна конфигурация през 2004 година под името многоканален MOSFET. Но този транзистор също имаше маса ограничения. Първо, купчината „перки“ не може да бъде много висока, понеже това започва да пречи на връзките между транзисторите. Второ, всеки допълнителен нанопроводник увеличава паразитния капацитет на транзистора и забавя неговата скорост на превключване. И накрая, поради твърде сложното производство на нанопроводници, те остават неравни по краищата, а това оказва влияние на скоростта на придвижване на носителите на заряд.

Процесът на производство на нанолистния транзистор

През 2006 година специалистите на френската лаборатория CEA-Leti демонстрираха нова технология. Вместо да поставят купчина нанопроводници за съединяването на сорса и дрейна, те използваха няколко тънки силициеви листа. Идеята е да се увеличи ширината на канала при съвсем малки размери на транзисторите, като в същото време се запазва твърдия контрол върху тока на изтичане. По този начин се осигурява по-ефективна работа при по-малка консумация. Оказа се, че тази схема работи безпогрешно. IBM Research разви тази концепция през 2017 година, демонстрирайки че транзистор, направен от няколко нанолиста предлага по-висок Weff в сравнение с FinFET при една и съща площ в чипа.

Освен това, нанолистовият дизайн предлага допълнителен бонус: той възстановява гъвкавостта на формата на транзистора, изгубена при прехода към FinFET. Листовете могат да бъдат направени широки, за да се увеличи тока, или пък тесни, за да се ограничи консумацията. IBM Research предлага три вида от тези транзистори, произвеждани с технологични процеси от 8 до 50 nm.

Как да се организира масовото производство на наналистов транзистор? Това може да се окаже сложна задача, като се има предвид, че в съвременното производство полупроводниковите слоеве се изрязват директно в горната част на силициевата пластина. А при създаването на нанолистове е необходимо да се премахне веществото между слоевете материал, а промеждутъците да бъдат запълнени както с метал, така и с диелектрик.

Подходящата технология бе измислена сравнително бързо. Използва се така наречената свръхрешетка – слоест кристал от две вещества – в този случай силиций и сплав от силиций-германий. Учените успяха да създадат свръхрешетки с 19 слоя, но при тях има голямо вътрешно напрежение и използването на толкова много слоеве се оказа нецелесъобразно.

След образуването на съответния брой слоеве се използва специално химическо вещество, което разяжда и премахва единствено сплавта от силиций и германий, но по никакъв начин не засяга чистия силиций. В крайна сметка остават само силициеви нанолисти, които изглеждат като мостове между сорса и дрейна.

След създаването областта на канал от силициеви нанолисти, междините между тях трябва да бъдат запълнени първо с диелектрик, а след това и с метал, за да се сформира групата гейтове. И двата етапа се извършват с помощта на технологичен процес, известен като отлагане на атомарен слой, който започна да се използва в производството на полупроводникови компоненти преди само десетина години. При този процес газообразно химично вещество се натрупва върху откритите повърхности на транзистора и дори върху долната страна на нанолистовете, като по този начин се образува тънък слой. След това се добавя втори химичен реагент, който реагира с първия и оставя атомарен слой от необходимия материал, като например диелектрическия хафниев диоксид. Процесът е толкова точен, че дебелината на този слой може да регулира с точност до един атомарен слой.

Разрез на нанолистов транзистор, видян под микроскоп

Едно от най-поразителните неща в тази нова технология е, че с нейна помощ става възможно дори да бъде изпреварен Закона на Мур и да се достигне фундаменталния предел.

Плътността на транзисторите непрекъснато се увеличава с всяко намаляване на технологичния процес. Но количеството топлина, което без големи загуби може да бъде разсеяно от един квадратен сантиметър чип така си и остана на ниво от 100 W. Производителите на процесори правят всичко възможно, за да не превишат този предел. Така например, за да не се прехвърли тази бариера, тактовите честоти не превишават няколко гигахерца. Така постепенно се стигна до многоядрените процесори чрез следването на ясната логика, че няколкото по-бавни процесорни ядра могат да свършат същата работа за едно и също време в сравнение с едно бързо ядро, но ще отделят много по-малко топлина. Ето защо, ако искаме рязко да увеличим тактовите честоти, ще ни трябват транзистори от нов тип, които са значително по-енергийно ефективни, отколкото позволява силицият.

Едно от възможните решения е използването на нови материали за изготвяне областта на канала, като например германий или полупроводниците от 3 и 4 ред на периодичната таблица, като например галиевия арсенид. В някои от тези полупроводници електроните се движат 10 пъти по-бързо, което означава съществено по-бързи транзистори. И което е по-важно, тези вещества дават възможност за използване на по-ниско захранващо напрежение, което ще доведе до по-висока енергийна ефективност и по-малко отделяне на топлина.

През 2012 година учените от университета Пердю представиха няколко транзистора с три нанолиста, направени от галиево-индиев арсенид. Резултатите се оказаха много по-добри от очакваните. Този нанолистов транзистор от нов тип допуска ток от 9000 микроампера на всеки микрон от ширината на канала – около три пъти повече от най-добрите полеви транзистори към днешен ден. Това съвсем не е максимумът: напълно е възможно чрез оптимизация на производствения процес производителността да се повиши минимум 10 пъти, като се използват повече нанолисти. Именно с това се занимават изследователите от HRL Laboratories в Малибу, които работят върху транзистори с десетки нанолистове от галиев нитрид.

Галиево-индивият арсенид не е единственият материал за бъдещите нанолистови транзистори. Изледват се и други полупроводници с бързи носители на заряд, като например германий, индиев арсенид и галиев антимонид. Но най-удачното решение явно ще бъде използването на легиран германий, понеже скоростта на електроните и дупките в него са много високи.Само че засега надеждността на германиевите транзистори не е на достатъчно високо ниво. Явно в началния етап полупроводниковата промишленост ще се спре на силиция и германия като материали за изграждането на канала на транзисторите.

Към днешен ден множеството нанолоистове са най-добрият начин за изграждане на бъдещите транзистори. Производителите на чипове вече са достатъчно уврени и сигурни в тази технология и започнаха да я включват в бъдещите си планове. А чрез използването на нови полупроводникови материали с висока подвижност на носителите на заряд, нанолистовите транзистори могат да сбъднат и най-смелите мечти на производителите на процесори.

0 0 глас
Оценете статията
Абонирай се
Извести ме за
guest
10 Коментара
стари
нови оценка
Отзиви
Всички коментари