Современный процессор относится к числу самых сложных систем в мире, но в его основе лежит очень простое и красивое устройство — транзистор. Сегодня в процессорах их миллиарды, и почти все они идентичны. Поэтому повышение плотности этих транзисторов — самый простой способ заставить процессоры, а значит и компьютеры, работать быстрее.
Прямо сейчас 7 нм — это самый передовой техпроцесс, но Samsung и TSMC объявили в апреле, что начинают переход к следующей ступени, 5 нм. У Samsung были некоторые дополнительные новости: компания решила, что тот тип транзистора, который использовался в отрасли в течение почти десятилетия, исчерпал себя. Для достижения следующего уровня, 3 нм, на котором должно начаться тестовое ограниченное производство около 2020 года, корейцы работают над совершенно новым дизайном транзистора.
Он имеет разные названия — полевой транзистор с круговым затвором, многоканальный транзистор, нанолуч — но в исследовательских кругах чаще всего его называют нанолистом. Имя здесь не очень важно. Важно то, что этот дизайн не просто следующий для кремниевых транзисторов — он может стать последним. Конечно, при производстве будут вариации этой технологии, но на глобальном уровне это может быть концом развития кремния.
Хотя форма и материалы за десятилетия сильно изменились, металл-оксид-полупроводниковые транзисторы, или MOSFET, используемые в современных микропроцессорах, включают в себя все те же основные структуры со времен их изобретения в 1959 году: затвор, область канала, электрод истока и электрод стока. Первоначально исток, сток и канал в основном представляли собой области кремния, легированные атомами других элементов, чтобы создать либо область с подвижными носителями отрицательного заряда (проводимость n-типа), либо область с подвижными носителями положительного заряда (проводимость р-типа). Вам нужны оба типа транзисторов для технологии CMOS, на которой базируются современные компьютерные чипы.
Внешний вид и принцип работы современного полевого транзистора.
Затвор MOSFET расположен чуть выше области канала. На данный момент электрод затвора делают из металла поверх слоя диэлектрического материала. Такая комбинация нужна для проецирования электрического поля в область канала транзистора, чтобы предотвратить утечку заряда.
Приложение достаточно большого напряжения к затвору (относительно истока) создает слой подвижных носителей заряда вблизи границы раздела между диэлектриком и кремнием. Как только этот слой полностью перекрывает промежуток от истока до стока, ток может течь через транзистор. Снижение напряжения на затворе до нуля должно привести к сжатию проводящего слоя и снижению тока до нуля.
Конечно, чтобы ток протекал через канал от истока к стоку, нужно подать напряжение на последний. Поскольку транзисторные структуры становились все меньше и меньше, негативные эффекты от этого напряжения в конечном итоге привели к самому большому изменению формы транзистора за всю его историю.
Это связано с тем, что напряжение исток-сток может создавать собственную проводящую область между электродами. По мере того как область канала становилась все короче и короче с каждым новым поколением транзисторов, влияние напряжения стока становилось все больше. Заряд начинал утекать через область под затвором. В результате получился транзистор, который никогда не отключался полностью, постоянно тратя энергию и выделяя тепло.
Чтобы остановить эту нежелательную утечку, область канала должна быть сделана более тонкой, тем самым ограничивая путь для прохождения заряда. К тому же затвор должен окружать область канала с максимального количества сторон. Таким образом и появился современный транзистор FinFET. Это конструкция, в которой область канала, по сути, приподнята над истоком и стоком, создавая своеобразный «плавник» из кремния и тем самым обеспечивая более широкий путь для протекания тока. Затем затвор и диэлектрик накладываются сверху на этот «плавник», окружая его с трех сторон, а не с одной.
Эволюция транзисторов.
FinFET, без сомнения, имел большой успех. Хотя он был изобретен более десяти лет назад, впервые такие транзисторы коммерчески использовались в 2011 году на 22 нм техпроцессе Intel, после чего этот дизайн освоили Samsung, TSMC и другими. С тех пор он стал рабочей лошадкой передовой кремниевой логики на заключительных этапах масштабирования по закону Мура. Но все хорошее заканчивается. На 3 нм FinFET не справляется с поставленной задачей.
FinFET никогда не был идеальным: так, он ввел ограничение на конструкцию транзистора, что не было проблемой для старого «плоского» типа. Общая проблема всех транзисторов в том, что всегда есть компромисс между скоростью его работы, энергопотреблением, сложностью производства и стоимостью. И этот компромисс во многом связан с шириной канала, которая в кругах разработчиков называется Weff. Большая ширина означает, что вы можете управлять большим током и быстрее включать и выключать транзистор. Но это также требует более сложного и дорогостоящего производственного процесса.
В плоском транзисторе вы можете достичь компромисса, просто отрегулировав геометрию канала. Но трехмерные «плавниковые» транзисторы не дают такой гибкости. Металлические соединения, которые объединяют транзисторы для формирования схем, выстроены слоями над самими транзисторами. И из-за своего «плавника» FinFET не могут сильно отличаться по высоте без вмешательства в слои соединений. Сегодня разработчики микросхем решают эту проблему, создавая отдельные транзисторы с несколькими «плавниками».
Другим недостатком FinFET является то, что его затвор окружает прямоугольный кремниевый «плавник» только с трех сторон, оставляя нижнюю сторону соединенной с корпусом транзистора. Это создает токи утечки, когда транзистор выключен. Многие исследователи полагают, что для получения полного контроля над областью канала затвор должен полностью окружать его.
Инженеры пытаются довести эту идею до логического завершения, по крайней мере, с 1990 года. Именно в этом году они сообщили о создании первого кремниевого транзистора с затвором, который полностью окружает область канала. С тех пор поколения исследователей работали над так называемыми полевыми транзисторами с круговым затвором. К 2003 году инженеры, стремящиеся минимизировать токи утечки, превратили область канала в узкую нанопроволоку, которая соединяет исток и сток и окружена затвором со всех сторон.
Так почему же такие нанопроволоки не стали основой для новейших транзисторов? Опять же, все дело в ширине канала. Узкий канал обеспечивает лишь небольшую возможность выхода электронов, таким образом, минимизируя токи утечки, когда транзистор выключен. Но он также обеспечивает мало места для потока электронов при включенном транзисторе, тем самым ограничивая максимальный ток и замедляя переключение.
Вы можете получить большую Weff и, следовательно, больший ток, накладывая нанопроволоки друг на друга. И инженеры Samsung представили версию этой конфигурации в 2004 году под названием многоканального MOSFET. Но у него было несколько ограничений. Во-первых, как и «плавник» FinFET, «стопка» из нанопроволок не может быть слишком высокой, иначе она будет мешать межтранзисторным соединениям. С другой стороны, каждая дополнительная нанопроволока увеличивает емкость транзистора, замедляя скорость его переключения. И, наконец, из-за сложности изготовления очень узких нанопроволок, они часто оказываются неровными по краям, и это может сказываться на скорости носителей заряда.
В 2006 году инженеры, работающие в лаборатории CEA-Leti, во Франции, продемонстрировали лучшую технологию. Вместо того, чтобы использовать стопку из нанопроволок для соединения истока и стока, они использовали стопку тонких листов кремния. Идея состояла в том, чтобы увеличить ширину канала при небольших размерах транзистора, сохраняя при этом жесткий контроль над током утечки — и, таким образом, обеспечивая более эффективную работу с меньшим энергопотреблением. И это действительно работает: IBM Research продолжила эту концепцию в 2017 году, показав, что транзистор, изготовленный из сложенных нанолистов, на самом деле предлагает большую Weff, чем FinFET, занимающий такую же площадь на чипе.
К тому же нанолистовой дизайн предлагает еще один бонус: он восстанавливает гибкость формы транзистора, потерянную при переходе на FinFET. Листы можно сделать широкими, чтобы увеличить ток, или узкими, чтобы ограничить энергопотребление. IBM Research выпускает три вида таких транзисторов с техпроцессами от 8 до 50 нм.
Процесс производства нанолистового транзистора.
Как сделать нанолистовой транзистор? Это может показаться сложной задачей, учитывая, что при современном производстве полупроводниковые слои вырезаются прямо в верхней части кремниевой пластины. А вот при создании нанолистов необходимо удалить материал между слоями материала и заполнить промежутки как металлом, так и диэлектриком.
Основная хитрость тут заключается в создании так называемой сверхрешетки — слоистого кристалла из двух материалов, в данном случае кремния и сплава кремний-германий. Исследователи смогли создать сверхрешетки с 19 слоями, но связанные с этим механические напряжения делают использование такого количества слоев нецелесообразным.
После выращивания соответствующего количества слоев используют специальное химическое вещество, которое избирательно вытравливает кремний-германий, но ничего не делает с кремнием, оставляя в итоге только кремниевые нанолисты, подвешенные в виде мостов между истоком и стоком. Это на самом деле не новая идея: инженеры France Telecom и STMicroelectronics использовали схожую технологию 20 лет назад в экспериментальных транзисторах типа «кремний на пустоте», пытаясь снизить негативные эффекты от короткого канала путем создания прослойки воздуха под ним.
После создания области канала из кремниевых нанолистов нужно заполнить промежутки между ними, окружив их сначала диэлектриком, а затем металлом, чтобы сформировать стопку затворов. Оба эти этапа выполняются с помощью процесса, называемого атомно-слоевым осаждением, который стали использовать в производстве полупроводников всего лишь чуть более десяти лет назад. В этом процессе газообразное химическое вещество осаждается на открытых поверхностях транзистора, даже на нижней стороне нанолистов, с образованием единого слоя. Затем добавляется второй химический реагент, который реагирует с первым, оставляя атомарный слой необходимого материала, такого как диэлектрический диоксид гафния. Процесс настолько точен, что толщина напыляемого материала регулируется вплоть до одного атомного слоя.
Одна из поразительных вещей в дизайне нанолистов заключается в том, что с его помощью есть шанс даже обогнать закон Мура и упереться в фундаментальный предел. Речь идет, разумеется, о тепловыделении.
Плотность транзисторов постоянно увеличивается с каждым уменьшением техпроцесса. Но вот количество тепла, которое можно без сверхъестественных затрат отвести с одного квадратного сантиметра чипа, на протяжении нескольких десятилетий зависло на уровне около 100 Вт. Производители процессоров делают все возможное, чтобы не превысить этот фундаментальный предел. Так, чтобы обуздать тепловыделение, тактовые частоты не растут выше нескольких гигагерц. К тому же чипмейкеры перешли к многоядерным CPU, вполне логично полагая, что несколько более медленных процессорных ядер смогут выполнить работу за то же время, что и одно быстрое, при этом выделяя меньше тепла. И если мы когда-нибудь захотим снова сильно увеличить тактовые частоты, нам понадобятся более энергоэффективные транзисторы, чем позволит сделать кремний.
Вот так выглядят нанолистовые транзисторы в разрезе под микроскопом.
Одним из возможных решений является использование новых материалов в области канала, таких как германий или полупроводники, состоящие из элементов 3-его и 4-ого столбцов периодической таблицы — например, арсенида галлия. Электроны могут двигаться более чем в 10 раз быстрее в некоторых из этих полупроводниках, что позволяет транзисторам, изготовленным из этих материалов, переключаться существенно быстрее. Что еще более важно, вы сможете снизить напряжение на процессоре, что приведет к более высокой энергоэффективности и меньшему тепловыделению.
В 2012 году ученые из Университета Пердью сконструировали несколько транзисторов с тремя нанолистами, используя в качестве полупроводника арсенид индия-галлия. Результаты оказались даже лучше, чем ожидалось. Этот нанолистовой транзистор допускал токи 9000 микроампер на каждый микрометр ширины канала. Это примерно в три раза больше, чем у лучших плоских полевых транзисторов на сегодня. И это далеко не максимум: вполне возможно, что при оптимизации процесса производства получится поднять производительность в 10 и более раз, сложив больше нанолистов. Этим занимаются, например, исследователи из HRL Laboratories в Малибу, которые сейчас работают над стопками из десятков нанолистов на основе нитрида галлия.
Арсенид галлия-индия — не единственный возможный материал для будущих нанолистовых транзисторов. Исследователи также изучают другие полупроводники с быстрыми носителями заряда, такие как германий, арсенид индия и антимонид галлия. Например, исследователи из Национального университета Сингапура недавно сконструировали полноценный MOSFET, используя комбинацию транзисторов n-типа, изготовленных из арсенида индия, и транзисторов p-типа, изготовленных из антимонида галлия. Но потенциально более удачным решением является использование легированного германия, потому что скорости электронов и носителей положительного заряда (дырок) в нем очень высоки. Однако при изготовлении германиевых транзисторов пока что хватает проблем с производственным процессом и надежностью. Таким образом, полупроводниковая промышленность может упростить себе задачу на начальном этапе, используя кремний-германий в качестве материала канала.
В целом, стопки нанолистов является наилучшим способом построения будущих транзисторов. Производители чипов уже достаточно уверены в этой технологии, чтобы включить ее в свои планы на ближайшее будущее. А благодаря использованию полупроводниковых материалов с высокой подвижностью носителей заряда, нанолистовые транзисторы могут воплотить в жизнь самые смелые мечты о производительности процессоров.
