За последние четыре десятилетия компьютерные микросхемы нашли свое применение практически во всех электронных устройствах в мире. За это время они стали меньше, дешевле и мощнее, но для ряда исследователей все еще есть много возможностей для того, чтобы раздвинуть границы миниатюризации.
Ключевые слова : КМОП-микросхема, транзистор, полупроводники.
Первое поколение КМОП-микросхем (комплементарные металлооксидные полупроводники) было основано на процессе проектирования с литографическими элементами, определяющими области внутри транзисторов размером 10 микрометров и более. Чипы в большинстве используемых сегодня продуктов имеют характеристики более чем в сто раз меньше — всего 65 нанометров или 90 нм, что примерно в 1000 раз меньше ширины человеческого волоса. Это может быть мало, но в конкурентной полупроводниковой промышленности, где размер имеет большое значение, он недостаточно мал. [3]
Уменьшение минимального размера элемента означает больше транзисторов на чип, больше транзисторов означает большую вычислительную мощность, а большая мощность означает, что электронные системы — мобильные телефоны, ПК, спутники, транспортные средства и т. д. — улучшат функциональность и производительность. [1] И поскольку обработанные кремниевые пластины, из которых изготавливаются микросхемы, дороги (создание завода по их производству стоит 3 миллиарда евро), использование меньшего количества пластин, чтобы делать больше, означает, что тенденция к снижению стоимости таких устройств может продолжиться. [4]
«Полупроводниковая промышленность занимается продажей кремния в квадратных миллиметрах. Таким образом, помещая в микросхему больше транзисторов, вы обеспечиваете большую емкость, большую функциональность и большую вычислительную мощность по той же цене. Вот почему дешевеют такие вещи, как мобильные телефоны, ЖК-телевизоры и DVD-плееры», — отмечает Жиль Томас, директор совместных программ исследований и разработок компании STMicroelectronics в Кролле, Франция, пятого по величине производителя полупроводников в мире и крупнейшего поставщика полупроводников в Европе. [5]
За последние три с половиной года STMicroelectronics координировала два крупных проекта, финансируемых ЕС, чтобы раздвинуть границы миниатюризации в полупроводниковой промышленности. Инициатива NanoCMOS, завершившаяся в июне 2006 года, позволила разработать технологию создания 45-нанометрового поколения (или технологического узла) микросхем.
При таком миниатюрном размере производство полупроводников продолжает проверять закон Мура — предположение, высказанное соучредителем Intel Гордоном Э. Муром в 1965 году, согласно которому количество транзисторов, которые можно рентабельно разместить на кристалле, будет удваиваться примерно каждые два года. [2]
В частности, в масштабе 32 нм квантово-механические эффекты играют большую роль. Одной из основных проблем, решенных исследователями Pullnano, является уменьшение утечки тока на логическом вентиле с помощью изолятора на основе соединения гафния с более высокой диэлектрической прочностью, чем традиционный диоксид кремния. [1]
Исследователи Pullnano достигли 100-кратного уменьшения утечки затвора, нужно отметить, что это первая замена оксида — «O» в CMOS — другим материалом.
Но по мере того, как узлы становятся все меньше, неизбежно будет достигнут момент, когда будет просто невозможно продолжать уменьшать минимальный размер элемента, чтобы освободить место для большего количества транзисторов. Исследователи говорят, что для полупроводниковой промышленности он, вероятно, будет около 16 или 11 нм. [5]
Даже в этом случае до достижения этой точки еще есть время. Должен начаться отбор образцов 45-нанометровых узловых полупроводников, разработанных в рамках проекта NanoCMOS.
Потребители получат наибольшую выгоду от продолжения этой тенденции к миниатюризации. Экономия на масштабе, созданная в полупроводниковой промышленности стоимостью 260 миллиардов долларов (+/- 183 миллиарда евро), сделала электронику доступной для масс, поскольку стоимость транзистора упала в 2500 раз за последние 35 лет. Это произошло благодаря уменьшению размеров элементов и увеличению производственных мощностей транзисторов примерно в 30 000 раз. [4]
Однако миниатюризация не может продолжаться бесконечно. Уже в 2021 году ожидается появление процессоров, сделанных по 3-нанометровому технологическому процессу, т. е. минимальный размер элемента составляет 3 нанометра. Для сравнения размер атома кремния, повсеместно используемого при изготовлении процессоров, составляет 0.21 нанометра. Очень скоро мы упрёмся в ограничения, связанные с атомарной структурой вещества.
Литература:
- Н. Л. Прохоров, К. В. Песелев. Перспективы развития вычислительной техники. Книга 5: Малые ЭВМ. М.,Наука.2009.
- Л.Федичкин. “Квантовые компьютеры”(c. 24–29). Наука и жизнь. Москва .,издательство “Пресса”.2011.№ 1.
- Р.Фейнман. Моделирование физики на компьютерах // Квантовый компьютер и квантовые вычисления: Сб. в 2-х т. — Ижевск: РХД, 2010. Т2, с96–123.
- А.Шишлова.“Последний из компьютеров” (c. 68–72). Наука и жизнь. М., издательство “Пресса”.2011.№ 2.
- А.Шишлова.”Молетроника. Системы исчисления. Органические материалы в современной микроэлектронике”(c. 64–70).Наука и жизнь. Москва, издательство “Пресса”.2013.№ 1.
