Технологический прорыв Intel

Евгений Рудометов

http://www.rudometov.com

Корпорация Intel объявила о разработке и готовности к внедрению новых перспективных материалов, обеспечивающих улучшение частных свойств транзисторов, составляющих основу высокопроизводительных процессоров. Новые решения позволяют узначительно меньшить токи утечек и, соответственно, общее теплообразование, что до последнего времени казалось неразрешимой проблемой

Развитие полупроводниковых технологий и совершенствование архитектуры компьютерных микросхем процессоров не только расширяет возможности компьютеров, но и оборачивается для учеными и инженеров чрезвычайно сложными проблемами.

Как известно, своеобразным ориентиром для развития отраслей, связанных с электронными компонентами, уже более трех десятилетий служит небезызвестный закон Мура. Этот эмпирический закон предсказывает удвоение числа полупроводниковых элементов в составе микросхем каждые полтора-два года.  Однако, когда размер мельчайших элементов логических микросхем – транзисторов – от поколения к поколению становится все меньше и меньше, а плотность их интеграции на кристалле полупроводникового устройства, согласно закону Мура, стремительно возрастает, разработчикам становится все труднее решать технологические проблемы, возникающие в силу действия естественных законов физики. Уже сегодня размеры транзисторов уже меньше вируса гриппа.

Естественно, у специалистов все чаще возникают сомнения - нельзя же бесконечно уменьшать размеры транзисторов, должен же быть какой-то физический предел миниатюризации.

Главными барьерами на пути миниатюризации транзисторов являются выделение тепла при работе транзистора и утечка электрического тока, вызванная проникновением его через чрезвычайно тонкие изоирующие слои. В результате чем меньше транзистор, тем тоньше эти слои, выше неуправляемые токи утечек, а следовательно, и выше тепловыделение уже сотен миллионов транзисторов в процессорах. Данные негативные решения стремительно нарастали по мере уменьшения технологического масштаба. Это и стало основной критики закона Мура в последние годы.

Однако, признавая проблемы, порожденные миниатюризацией транзисторов, и ограничениями, накладываемыми физическими законами, инженеры Intel постоянно ищут и находят нетрадиционные решения. Одним из перспективных путей является поиск новых материалов и совершенствование архитектуры и топологии самих транзисторов, являющихся основой всех современных микросхем и процессоров.

Теме последних достижений корпорации Intel была посвящена встреча с Фрэнком Спиндлером (Frank E. Spindler), вице-президента Corporate Technology Group корпорации Intel, директора Industry Technology Program с журналистами ведущих СМИ.

В своем выступлении он коснулся некоторых основ архитектуры современных сложных микросхем, к которым относятся современные процессоры.

Все полевые транзисторы содержат специальный изолирующий слой - тонкую диэлектрическую пленку под затвором, т.е. электродом, управляющим «включением» и «выключением» транзистора. Свойства диэлектрика затвора оказывают решающее влияние на работу транзистора. Последние 30 лет в качестве основного материала для диэлектрика затвора использовался диоксид кремния (SiO₂), что было обусловлено его технологичностью и возможностью систематического улучшения характеристик транзисторов по мере уменьшения их размеров. На сегодняшний день в транзисторах, производимых корпорацией Intel, толщина слоя диэлектрика затвора из диоксида кремния составляет всего 1,2 нанометра - то есть, сопоставима с пятью атомарными слоями. Фактически, это уже близко к пределу для данного материала, поскольку в результате дальнейшего уменьшения самого транзистора и, как следствие, утоньшения слоя диоксида кремния ток утечки через диэлектрик затвора значительно возрастет, что приведет к существенным потерям тока и избыточному тепловыделению. По оценкам экспертов корпорации Intel, в современных чипах уже почти 40% энергии теряется из-за утечек.

 Перед отраслью давно стоит глобальная задача разработки и внедрения новых материалов взамен диоксида кремния, находящегося на пределе своих возможностей.

Исследователи Intel предлагают сразу два революционных технологических решения, которые позволяют преодолеть вышеупомянутые сложности и продлевают действие закона Мура, как минимум, еще лет на десять. Для решения все возрастающих проблем тепловыделения и тока утечки корпорация Intel планирует заменить используемый в настоящее время в качестве диэлектрика затвора тонкий слой диоксида кремния более толстым слоем совершенно нового диэлектрика с высоким диэлектрическим коэффициентом «к» (так называемым «high-k» диэлектриком), что позволит существенно – примерно в 100 раз! - снизить токи утечки. Вторая часть решения заключается в разработке нового материала (сплава металлов) для затвора, поскольку новый «high-k» диэлектрик плохо совместим с прежним материалом затвора – поликристаллическим кремнием.

Транзисторы на основе новых материалов, обладающие рекордными параметрами производительности, рассматриваются в качестве базового варианта для изготовления будущих процессоров Intel в рамках производственного процесса с проектной нормой 45 нанометров (техпроцесс под кодовым номером 1266 на основе 300-мм подложек, медных соединений, технологии «растянутого кремния», а также нового затвора и диэлектрика затвора будет запущен в массовое производство уже в 2007 году).

Внедрение новых материалов позволило уже сегодня, правда, пока в лабораторных условиях опытных производств, создать транзисторы с высокими параметрами.

Конечно, докладчик не мог не остановиться на ближайших планах крпорации Intel, среди которых особую роль занимают программы, связанные с Radio Free Intel, амбициозные цели которой благодаря новым материалам и технологиям стали намного реальние.

Следует отметить, что последовательно инвестируя значительные средства в научные исследования и новые разработки, корпорации Intel удается развеивать скепсис маловеров, обеспечивать выполнение закона Мура и продолжать создавать все более мощные и в то же время компактные устройства для самого широкого круга пользователей.

В заключение Фрэнк Спиндлер ответил на многочисленные вопросы.

В статье были использованы материалы Intel