Какое будущее ждет индустрию процессоров?

Еще несколько лет, и производству чипов в том виде, какому мы их знаем, грозит конец. Преде­лы физических возможностей усложняют знако­мую нам процессорную гонку.

При этом компьютерная индустрия, как и прежде, измеряет свои успехи по закону Мура: один из основателей Intel около 50 лет назад предположил, что количество транзисторов, размещаемых на кристалле интегральной схемы процессора, будет удваивается каждые 24 месяца. Компания Intel и сегодня продолжает следовать закону Мура и стремится к уменьшению транзисторов каждые два года.

Процессор последнего поколения на базе микроархитектуры Haswell состоит из примерно 1,4 млрд транзисторов — для сравнения, десять лет назад на Pentium 4 было всего 100 млн.

Другие крупные производители чипов, такие как компании Samsung, TSMC или Globalfoundries, тоже следуют этому ритму в меру своих возможностей.

Однако чем больше транзисторов функционирует под термокрышкой процессора, тем сильнее они нагреваются. Участки микросхемы, которые в данный момент не работают, ученые называют «темным кремнием». При этом термобюджет этих неактивных блоков передается на работу других блоков.

Сейчас уже несомненно, что в предстоящее время производителей ждут все более значительные препятствия, делающие невозможным уменьшение транзисторов на базе существующих на данный момент технологий производства.

Нанометровый апгрейд

Производитель чипов, освоивший более тонкий техпроцесс производства транзисторов, имеет на рынке решающее преимущество: он может делать более быстрые и энергоэффективные CPU.

Между тем, разработчики до­шли до таких стандартов техпроцесса, что могли бы заинтересовать даже микробиологов: например, диаметр вируса гриппа составляет от 80 до 120 нм, а шаг между контактными площадками транзистора — 80 нм для 22-нанометрового техпроцесса.

Планарные CMOS-тран­зисторы состоят из полупроводника кремния, в который внедряются чужеродные атомы. Эта примесь обеспечивает проводимость: в легированном примесью n-типа истоке и стоке находятся такие атомы, как фосфор, которые имеют больше внешних электронов, чем кремний, и могут легче их отдавать.

Оставшийся субстрат имеет примесь р-типа, например, атомы брома, которые могут принимать электроны. Если в затворе между истоком и стоком, в канале между истоком и стоком проходит электрический ток — транзистор включен.

Если уменьшить длину затвора, транзисторы работают более эффективно, но возникают проблемы: обедненный слой становится еще более проницаемым, так что электроны беспрепятственно проходят от истока и стока в субстрат. Этот ток утечки составляет почти 40% потребляемой энергии. Именно поэтому многие производители чипов останавливают дальнейшие разработки планарных транзисторов на 20-нанометровом техпроцессе.

Новые типы транзисторов

Проблемой миниатюризации в чипах является то, что транзисторы меньшего размера можно получить только изменением конструкции. В своих новых транзисторах с кодовым именем Tri-Gate компания Intel первой применила новый индустриальный стандарт FinFET (от англ. Fin Field Effect Transistors — трехмерные транзисторы) — один из вариантов техпроцесса, который позволит перейти на еще меньшие геометрические размеры транзис­торов.

FinFET представляет отдельные транзисторы внутри микросхем уже не в плоском (планарном) виде, а в форме 3D-конструкции, что дает технологические преимущества. В FinFET-транзисторе канал, исток и сток отделяется от субстрата. Канал имеет лишь незначительную примесь с чужеродными атомами, а субстрат не имеет ее вовсе. Это значительно уменьшает ток утечки и позволяет использовать узлы размером вплоть до 10 нм.

Однако длина затвора транзистора и минимальное разрешение литографии техпроцесса — это не одно и то же. Для примера, длина затвора на 16-нанометровом процессе TSMC — 30 нм.

Специализирующийся на процессорах аналитик Малколм Пенн ожидает для выпускаемых в следующем году транзисторов с длинами затворов в диапазоне между 17 и 20 нм. Если есть намерение достигнуть длины менее 10 нм в 2017–2018 годах, потребуются другие материалы и новая конструкция транзисторов.

Технология FinFET работает до десяти нанометров без возникновения тока утечки. При использовании нанопроводов (менее десяти нанометров) влияние затвора еще выше.

Металл вместо кремния

Чипы, выполненные по технологии FinFET, способны решить многие проблемы миниатюризации. Но уменьшение функциональных компонентов (исток, сток и канал) создает и новую проблему, которая коснется производителей чипов, начиная с десятинанометрового техпроцесса.

С 2009 года в транзисторах чипов используется «растянутый кремний»: в кремний включаются атомы германия, в результате чего увеличивается расстояние между отдельными атомами. На этот слой из кремния-германия (SiGe) наносится обычный кремниевый слой.

Оба слоя связываются в одну кристаллическую решетку. Увеличение кристаллической решетки повышает проводимость материала.

При подключении транзистора электроны движутся примерно на 70% быстрее, чем через обычный кремний. Однако у FinFET-транзисторов меньшего размера «кремниевый плавник» становится настолько тонким, что состоит всего из нескольких атомных слоев.

Растяжение кремния становится все более трудоемким, и при десяти нанометрах наступает предел. Уменьшение транзистора больше не дает никаких преимуществ, и кремний в качестве полупроводника исчерпывает себя полностью.

Решение приходит в виде новых материалов, которые частично заменяют кремний. В качестве идеальной основы для компонентов с примесью р-типа действует германий, который имеет естественное растяжение и в четыре раза более высокую проводимость, чем кремний.

Для компонентов с примесью n-типа в роли фаворита выступает смесь индия, галлия и мышьяка (InGaAs) — ее проводимость выше в шесть раз.

Разработчики бельгийского центра микроэлектроники в Левене создали первый прототип с каналом из InGaAs, и он потребляет только 50% энергии, необходимой сопоставимому FinFET с кремниевым каналом. Аналитики ожидают внедрение новых материалов в массовое производство с 2017 года.Сплав металлов в канале FinFET: инженеры бельгийского центра микроэлектроники заменяют кремниевый канал сплавом из индия, галлия и мышьяка (InGaAs). Фотография показывает канал в поперечном разрезе.

Учет отдельных атомных решеток

После 2020 года при технологическом процессе пять нанометров будут востребованы компоненты еще меньшего размера, но с хорошей проводимостью. Для этого подходят двумерные (2D) нанослои, то есть материалы, состоящие из одного слоя атомов. Уже активно исследовался графен — решетка из атомов углерода, еще идет изучение германена, силицена и станена.

Например, не так давно инженерам IBM удалось изготовить графеновый процессор, работающий на поражающей воображение частоте — 100 ГГц. Исследователи из IBM также продемонстрировали возможность выполнения графеновых транзисторов на основах, подобных традиционным кремниевым.

Прототип процессора выполнен на пластине диаметром два дюйма, но сегодня уже возможно формирование графеновых транзисторов и на пластинах большего диаметра. Графен изготавливается методом нагревания подложки из карбида кремния с испарением последнего.

Идеальные характеристики для узла пять нанометров с 2019 года обещают монослои. Через эти однослойные атомные решетки электроны двигаются беспрепятственно. Некоторые материалы, такие как станен пока только исследуются.

В третьем измерении

Почти все крупные производители планируют разработку чипов c 3D-транзисторами, в которых элементы процессора и хранения информации взаимодействуют без больших отставаний по времени. Пример: на слое центрального процессора лежит слой запоминающего устройства и сверху — слой из флеш-памяти.

Так, крупнейший контрактный производитель TSMC с его будущими 16-наномет­ровыми чипами предлагает трехмерную интеграцию — в 2016 году ее можно будет использовать, например, для процессора iPhone 7, ведь помимо прочего Apple является клиентом TSMC.

Производитель запускает технологию с помощью TSV (от англ. Through-Silicon Vias — сквозные отверстия в кремнии). TSV предполагает просверливание отдельных отверстий размером до десяти нанометров в кремниевой пластине и заполнение электрическим проводником.

Ввиду монолитности TSV действует только как временное решение: здесь весь процессор состоит только из блока материалов, в котором кремниевые слои напрямую соединены с транзисторами проводами толщиной около 100 нм.

Только самый нижний слой создается на обычной кремниевой пластине. На нее последовательно накладываются другие слои, и, соответственно, создаются транзисторы и провода. Это удается только в том случае, если работать с температурами до 400 °C.

Поскольку слои находятся еще ближе друг к другу, а провода становятся меньше, данные передаются с меньшим расходом энергии и быстрее чем с TSV.

Новые технологии производства SSD

Ячейки флеш-памяти в том виде, в каком они сегодня используются в твердотельных накопителях, сходны с логическими транзисторами с дополнительным компонентом — плавающим затвором. Он находится между каналом и затвором и служит в качестве накопителя электронов.

Актуальные ячейки флеш-памяти имеют ширину менее 20 нм, и потому борются с теми же проблемами миниатюризации, что и транзисторы центрального процессора: ячейки находятся настолько близко друг к другу, что накопленные заряды создают взаимные помехи.

Если уменьшить ячейки флеш-памяти, чтобы они были удалены друг от друга только на десять нанометров, контроллер SSD при считывании больше не сможет передавать правильные значения. Поэтому такие производители твердотельных дисков, как Samsung, To­shiba, SanDisk и Hynix, сегодня изменяют конструкцию: они укладывают ячейки флеш-памяти таким образом, чтобы они состояли из отдельных трубок.

В своих твердотельных накопителях компания Samsung накладывает друг над другом 24 ячейки флеш-памяти. Свой электрический заряд они накапливают в слое нитрида кремния между затвором и каналом. Это позволяет создавать более высокую плотность записи в памяти и увеличивает срок службы ячейки.

Строение ячейки флеш-памяти упрощается: так, Samsung перемещает их в своем накопителе V-Nand и дает возможность дополнительного увеличения процессов за­писи/удаления с 3000 до 35 000, прежде чем иссякнет ресурс.

Кроме того, Samsung намеревается в десять раз увеличить плотность записи в памяти в SSD на базе V-Nand до 2017 года. Из актуальных чипов на 128 Гбит в таком случае должны получиться чипы на 1 Тбит.

Жесткие диски из нескольких магнитных слоев: новый прототип HDD международного университета Флориды может по-разному намагничивать три лежащих один над другим слоя. Считывающая головка также получает в ответ восемь возможных полей силы, которые она интерпретирует как битовые значения. Так максимальная плотность записи в памяти жестких дисков увеличивается в три раза.

Фотографии в статье: компании-производители; Taiwan Semiconductor Manufacturing CO LTD., IMEC, Image Courtesy Lawrence Berkeley National Laboratory, Samsung Иллюстрации: Andreia Margarida DaSilva Granada