Транзистор: 60 лет больших свершений маленького элемента

В 1958 году Джек Килби (Jack Kilby) из компании Texas Instruments и Роберт Нойс (Robert Noyce) из компании Fairchild Semiconductor, ставший впоследствии одним из отцов-основателей корпорации Intel, изобрели способ объединения большого числа полупроводниковых транзисторов в одну интегральную схему, или микросхему. Это был гигантский шаг вперед – ведь прежде отдельные компоненты электрической схемы приходилось соединять вручную.

У микросхем было два преимущества: более низкая стоимость и более высокая производительность. Оба преимущества явились следствием миниатюризации, которая обеспечивала экспоненциальное сокращение размеров устройств и необычайную динамичность производственного процесса. Гордон Мур (Gordon Moore), который в 1968 году вместе с Нойсом основал процессорный гигант Intel, в одной из журнальных статей сформулировал прогноз, опубликованный в 1965 году и получивший название «закон Мура». Согласно этому закону число транзисторов в микросхеме должно было удваиваться каждые полтора-два года, что в свою очередь обеспечивало бы повышение вычислительной мощности и снижение конечной стоимости продукта при его массовом производстве. Возможность размещения множества компактных элементов на поверхности малого размера оказалась решающим фактором для успешного продвижения микросхем.

Производителям микросхем удается поддерживать этот экспоненциальный рост плотности размещения транзисторов в микросхеме на протяжении десятков лет. Первый компьютерный микропроцессор корпорации Intel® 4004, выпущенный в 1971 году, содержал 2300 транзисторов. В 1989 году в процессоре Intel® 486 их было уже 1 200 000, а в 2000 году процессор Intel® Pentium® 4 преодолел рубеж в 42 миллиона. Новый четырехъядерный процессор Intel® Core™ 2 Extreme, созданный на базе 45-нанометровой производственной технологии, содержит 820 миллионов транзисторов.

Игры атомов

Закону Мура постоянно предсказывают кончину. Бесконечный экспоненциальный рост невозможен по определению – и все-таки производителям процессоров до сих пор удается обходить ограничение. В сентябре прошлого года Гордон Мур заявил, что у закона его имени есть все шансы оставаться в силе еще как минимум лет 10-15, но затем могут возникнуть новые фундаментальные барьеры на пути его реализации. Так или иначе, но этот самый известный закон компьютерного мира XXI века ждали трудные времена.



Битва за миниатюризацию исчерпала возможности одного из наиболее критических компонентов транзистора: прослойки из диоксида кремния (SiO2), служившей изолирующим слоем между затвором транзистора и его каналом, по которому течет ток, когда транзистор включен. С каждым новым поколением процессоров этот изолирующий слой становился все более тонким – пока два поколения назад его толщина не достигла значения 1,2 нм, или 5 атомов. Инженеры Intel уже не смогли сделать этот слой тоньше хотя бы еще на один атом.

По мере уменьшения толщины изолирующего слоя рос ток утечки. Изолирующий слой начал пропускать ток внутрь транзистора, поведение устройства изменилось, оно стало рассеивать все большее количество энергии. В результате выросло потребление тока процессором, при его работе выделялось дополнительное количество теплоты.

Фундаментальный предел

Утечка тока в транзисторе стала серьезнейшей проблемой полупроводниковой отрасли: без прорыва в этой области давно предсказанный фундаментальный предел становился непреодолимым. Причем, это означало не только конец закона Мура – цифровая революция последних десятилетий внезапно бы прекратилась. Компьютерные процессоры, практически удваивавшие свою производительность каждые 24 месяца, могли кануть в Лету.

Чтобы найти выход из кризиса, нужно было увеличить толщину изолирующего слоя, но изготавливать этот более толстый слой из другого диэлектрического материала с более высоким коэффициентом диэлектрической проницаемости (high-k) для сохранения характера взаимодействия затвора и канала. В январе 2007 года корпорация Intel объявила, что впервые за сорок лет изолирующий слой будет состоять не из оксида кремния, а из материала на основе гафния, серебристо-серого металла, превосходящего кремний по электрическим свойствам и позволяющего снизить ток утечки в десять раз. Сам Гордон Мур назвал это крупное достижение «самым важным изменением транзисторных технологий с конца шестидесятых годов».

Однако данный прорыв решал проблему лишь наполовину. Новый материал оказался несовместимым с важным компонентом транзистора – с затвором. Еще хуже то, что транзисторы с новым изолирующим материалом работали менее эффективно, чем со старым. Тогда было предложено заменить и материал затвора: корпорация Intel открыла уникальное сочетание металлов, состав которого держится в строгом секрете.

12 ноября 2007 года корпорация Intel представила новое поколение процессоров на основе этих материалов и 45-нанометровой производственной технологии. Новая производственная технология, более тонкая, чем предыдущая 65-нанометровая, позволила Intel почти вдвое увеличить число транзисторов, размещаемых на той же площади кристалла – теперь можно было выбирать между увеличением общего числа транзисторов и уменьшением размеров процессора. Новым транзисторам требуется на 30% меньше энергии для включения и выключения. В итоге новое поколение процессоров Intel, изготовленных по 45-нанометровой производственной технологии, не только демонстрирует рекордную производительность, но и знаменует прорыв в области энергопотребления.



Повышение вычислительной мощности, являющееся следствием закона Мура, позволяет человечеству эффективнее просчитывать пути разрешения важнейших стоящих перед ним проблем: изменение климата, наследственные болезни, тайны генетики и др. Современные пути и темпы решения подобных проблем еще пять лет назад трудно было себе даже представить. Новые приложения помогают изменить нашу жизнь и сделать ее еще более безопасной...


Количество транзисторов в процессоре:

Intel® 4004                            1971                         2300
Intel® 8086                            1978                      29 000
Intel® 486                              1989                1 200 000
Intel® Pentium® III               1999                9 500 000
Intel® Pentium® 4                2000              42 000 000
Intel® Core™ 2 Duo             2007           410 000 000

Процессоры и производственная технология:

1993                     Intel® Pentium®                 800 нм
1999                     Intel® Pentium® III             250 нм
2002                     Intel® Pentium® 4             130 нм
2005                     Intel® Pentium® D               90 нм
2006                     Intel® Core™ 2 Duo            65 нм
2007                     Intel® Core™ 2 Duo            45 нм


Транзистор. Занимательные факты

• Первый портативный радиоприемник располагал всего четырьмя транзисторами, первый микропроцессор Intel содержал 2300 транзисторов, а в новейших четырехъядерных процессорах Intel на базе 45-нанометровой производственной технологии, выпущенных на рынок в ноябре 2007 года, насчитывается до 820 миллионов транзисторов.
• Размер 45-нанометрового транзистора в 2000 раз меньше диаметра человеческого волоса.
• Более 30 миллионов 45-нанометровых транзисторов можно разместить на булавочной головке.
• Первый транзистор, созданный сотрудниками научно-исследовательского центра Bell Labs в 1947 году, можно было взять в руки, тогда как сотни новейших 45-нанометровых транзисторов Intel способны разместиться на поверхности одной красной кровяной клетки человека.
• Стоимость транзистора, интегрированного на кристалле новейшего процессора Intel, примерно в миллион раз ниже средней стоимости полупроводникового транзистора, ставшего основой интегральных микросхем в 1968 году. Если бы цены на автомобили снижались столь же стремительно, сегодня новый автомобиль стоил бы около 1 цента.
• По оценкам аналитиков, ежегодно на планете отгружается такое количество процессоров, которое содержит примерно 10¹⁹ транзисторов, что примерно в 100 раз больше всей популяции муравьев, живущих на Земле.

Терминологический словарь

Транзистор – простой выключатель с двумя положениями (включен/выключен), обрабатывающий единицы и нули электрических данных. Цифровые микросхемы, такие как микропроцессоры, состоят из миллионов таких транзисторов, соединенных медными проводами определенным образом. Современный четырехъядерный процессор Intel® Core™2 содержит более 500 миллионов крошечных транзисторов. Цель развития технологий – сделать эти транзисторы миниатюрнее, ускорить их переключение, снизить стоимость и сократить энергопотребление; достижение всех этих целей позволит создать более мощные микросхемы. Будет ли течь ток от истока к стоку или нет, определяется уровнем (высокий или низкий) напряжения на затворе, что в значительной степени напоминает ситуацию с обычным выключателем света, управляющим подачей напряжения на электрическую лампочку.

Исток – часть транзистора, служащая источником электрического тока. Состоит из легированного кремния, который содержит примеси, позволяющие снизить его сопротивление.

Сток – часть транзистора, служащая приемником электрического тока. Также содержит легирующие примеси для снижения электрического сопротивления. Транзистор – абсолютно симметричный компонент, т. е. электрический ток может течь как от истока к стоку, так и в обратном направлении.

Затвор (также называется электрод затвора) – область в верхней части транзистора, состояние которой определяет, включен транзистор или выключен. Обычно затвор изготавливается из поликристаллического кремния (поликремния), т. е. кремния, атомы которого расположены случайным образом, а не в узлах кристаллической решетки.

Канал – область между истоком и стоком, по которой течет ток при включении транзистора. Состоит из кристаллического кремния, т. е. атомов кремния, образующих регулярную кристаллическую решетку.

Изолирующий слой затвора – тонкий слой под затвором, изолирующий затвор от канала. В современных микросхемах состоит из диоксида кремния.

Диоксид кремния – молекулы, состоящие из одного атома кремния и двух атомов кислорода. Диоксид кремния – хороший изолятор (т. е. не проводит электрический ток). Наличие тонкого слоя диоксида кремния необходимо для достижения высоких эксплуатационных характеристик изолирующего слоя затвора. Проблема состоит в том, что с уменьшением толщины слоя увеличивается ток утечки, происходящей через этот слой – следовательно, необходимо заменить диоксид кремния новыми материалами, имеющими такие же свойства, но не требующими столь низкой толщины слоя.

Материал high-k – материал, который может использоваться в качестве изолирующего слоя затвора вместо диоксида кремния. Этот материал обладает хорошими изолирующими свойствами и создает эффект сильного электрического поля (отсюда обозначение «high-k» – высокое значение k) между затвором и каналом. Оба этих свойства положительно влияют на эксплуатационные характеристики транзисторов. Здесь «k» (на самом деле – греческая буква «каппа») обозначает способность материала сохранять электрический заряд. Представьте себе губку: она может впитать в себя большое количество воды. В дереве также может содержаться вода, но не так много. Стекло вообще не впитывает воду. Аналогично некоторые материалы способны хранить электрический заряд лучше, чем другие, и, следовательно, имеют более высокое значение «k». Кроме того, применение high-k материалов вместо диоксида кремния позволяет увеличить толщину слоя при сохранении свойств – благодаря чему существенно снижается ток утечки.

Ток утечки – электрический ток, текущий через изолирующий слой затвора. В идеальном случае изолирующий слой затвора действует как совершенный изолятор, однако поскольку его толщина постоянно уменьшается (в транзисторах, изготовленных по 65-нанометровой производственной технологии Intel, толщина этого слоя составляет всего 5 атомов!), через него происходит утечка тока. Это приводит к нежелательным последствиям. Ухудшается работа транзистора, повышается энергопотребление. Такая ситуация напоминает потери, вызванные протекающим водопроводным краном.

Транзистор NMOS (другое название – транзистор n-типа) – это транзистор, который находится в состоянии «включен», если уровень напряжения на затворе высокий, и в состоянии «выключен» при низком напряжении на затворе.

Транзистор PMOS (другое название – транзистор p-типа) – транзистор, работающий в режиме, противоположном транзистору n-типа, т. е. «выключен», если уровень напряжения на затворе высокий, и «включен», если уровень низкий.

КМОП-транзистор (КМОП – комплементарный металло-оксидный полупроводник, CMOS) – технологический процесс, применяемый для изготовления транзисторов типов NMOS и PMOS. Все современные цифровые интегральные схемы, такие как микропроцессоры и наборы микросхем, выпускаются на базе КМОП, учитывая способность данной технологии обеспечить высокую производительность и низкое энергопотребление при небольших затратах.

Пороговое напряжение – уровень напряжения, определяющий разницу между высоким и низким значениеми напряжения, задающими состояние транзистора («включен»/«выключен»). Транзистор NMOS находится в состоянии «включен», если уровень напряжения на затворе выше порогового значения, и «выключен» – если ниже. Транзистор PMOS действует по обратному принципу. При проектировании транзисторов стараются обеспечить как можно более низкое пороговое напряжение, чтобы повысить производительность (подобно тому, как при создании гоночного автомобиля стремятся обеспечить по возможности наиболее низкое расположение его центра тяжести).

Пиннинг (закрепление) порогового напряжения (другое название пиннинг (закрепление) уровней Ферми) – одно из двух нежелательных явлений, возникающих при совместном использовании изолирующего слоя затвора из материала high-k и электрода затвора, изготовленного из поликристаллического кремния. Из-за некоторых дефектов, возникающих на границе «электрод затвора/изолирующий слой затвора», обеспечение низкого значения порогового напряжения, необходимого для повышения производительности, становится сложной задачей. Эту проблему можно устранить, применяя для изготовления электрода затвора другой материал. В транзисторах типа NMOS и PMOS используются разные материалы.

Фононное рассеяние – второй нежелательный эффект, возникающий при совместном использовании изолирующего слоя затвора из материала high-k и электрода затвора, изготовленного из поликристаллического кремния. Это явление ограничивает подвижность электронов, тем самым ухудшая работу транзистора. Проблема решается путем изготовления затвора по особой технологии из материала, заменяющего поликремний.

Закон Мура – прогноз (а не реальный закон в строгом понимании этого слова), сделанный одним из основателей корпорации Intel Гордоном Муром (Gordon Moore), согласно которому число транзисторов в микросхеме должно удваиваться каждые два года. Развитие микропроцессоров корпорации Intel следовало этой тенденции очень четко, начиная с процессора Intel® 4004, изготовленного в 1971 году и содержавшего около 2000 транзисторов, и заканчивая современным процессором Intel® Itanium® 2, который содержит 410 миллионов транзисторов. В грубом приближении плотность транзисторов в микросхеме удваивается с появлением нового технологического процесса, которое происходит каждые два года.

Напряженный кремний – технология, применяемая для повышения быстродействия транзисторов. Как уже упоминалось, атомы кремния в канале располагаются в узлах упорядоченной пространственной решетки. Несколько десятков лет назад было обнаружено, что растяжение этой решетки, приводящее к небольшому увеличению расстояний между атомами кремния, позволяет ускорить переключение транзисторов NMOS (аналогично небольшое сжатие кристаллической решетки позволяет ускорить работу транзисторов PMOS). Такое растяжение/сжатие и называют напряжением. Корпорация Intel использует специальные методики для создания напряжений в транзисторах NMOS и PMOS, изготавливаемых по 90-нанометровой производственной технологии, чтобы повысить их производительность.

Диэлектрик low-k – диэлектрики low-k (с низким значением k) используются для изоляции межсоединений в микросхеме; их не следует путать с диэлектриками high-k. В изолирующем слое затвора полевого транзистора высокие значения k (high-k) оказывают положительное влияние, обеспечивая высокую производительность и снижая токи утечки. В межсоединениях лучше использовать материалы с низким значением k, поскольку они позволяют ускорить передачу сигнала.

Кремний на диэлектрике (SOI, КНД-структура) – аббревиатура SOI применяется для обозначения многослойной (кремний-диэлектрик-кремний) подложки, используемой при производстве транзистора вместо простой («объемной») кремниевой подложки. Некоторые компании заявляют о том, что использование КНД-структур вместо «объемного» кремния обеспечивает некоторый выигрыш в производительности и/или сокращении энергопотребления. Проведенный Intel анализ показывает, что подобные преимущества отсутствуют или являются минимальными и не сопоставимы с соответствующим ростом затрат на производство SOI-подложек. Корпорация Intel никогда не использовала и не планирует применение частично обедненного кремния на диэлектрике (partially depleted SOI, PD-SOI), применяемого другими компаниями. Однако в настоящее время Intel ведет исследования полностью обедненного кремния на диэлектрике (fully-depleted SOI, FD-SOI) – материала, не используемого в настоящее время ни одним из производителей микросхем.

Транзистор, изготовленный по технологии Tri-gate – новый тип транзисторов, рассматриваемых Intel как возможные кандидаты для использования в производственных технологиях нового поколения. Ранее описанные в этом документе транзисторы являются планарными, т. е. имеют один плоский затвор, размещенный параллельно поверхности кремниевой подложки. В транзисторе, изготовленном по технологии tri-gate, использована новая трехмерная структура, в которой затвор с трех сторон обернут вокруг кремниевого канала. Традиционный планарный транзистор можно сравнить с шоссе, проложенным по вершине столовой горы (это гора с плоской вершиной и отвесными склонами); электрические сигналы путешествуют по этой поверхности как автомобили. При использовании новой трехмерной конструкции сигналы распространяются не только по плоской вершине, но и по вертикальным склонам. Отсюда и название «tri-gate» («три затвора»).

Статическое оперативное запоминающее устройство (Static Random Access Memory, SRAM) – SRAM представляет собой тип памяти, более быстрой и более надежной по сравнению с обычной DRAM (dynamic RAM, динамическое ОЗУ). Термин «статическое» используется, чтобы подчеркнуть отсутствие необходимости постоянно обновлять содержимое оперативной памяти, как в динамическом ОЗУ. Время доступа к памяти типа DRAM составляет около 60 наносекунд, запоминающие устройства SRAM обеспечивают более скоростной доступ – порядка 10 наносекунд. Кроме того, продолжительность цикла доступа у SRAM-устройств существенно короче, чем у DRAM, поскольку им не нужна пауза между операциями доступа.

45 нм (45 нанометров) – новая веха полупроводниковых технологий. 45-нанометровая производственная технология позволяет создавать микросхемы, внутренние цепи которых обеспечивают более высокое соотношение «производительность на ватт», чем остальные самые передовые технологические процессы, используемые в современном производстве. В будущем применение 45-нанометровой производственной технологии позволит вдвое повысить плотность размещения транзисторов в микросхеме. 45-нанометровая производственная технология позволит более чем на 20 процентов увеличить скорость переключения транзисторов и более чем в пять раз уменьшить токи утечки в транзисторах. Корпорация Intel использует 45-нанометровую производственную технологию при выпуске новых поколений лучших процессоров семейств Intel® Core™2 Duo и Intel Xeon™.