Ускоренные мобильные чипы с FDSOI-транзисторами

Биполярные транзисторы достигли пределов развития. Только переход на технологию FDSOI позволит выпускать CPU, обеспечивающие более высокую производительность при меньших энергозатратах. Транзисторы переключаются в тот момент, когда на них подается напряжение. При этом в подложке процессора открывается канал, по которому электроны перемещаются от истока к стоку. Однако при конструктивных размерах менее 30 нм исток/сток и подложка оказывают друг на друга взаимное влияние, в результате чего электроны начинают произвольно передвигаться по каналу. Технология FDSOI предполагает наличие изоляционного оксидного слоя. Он снижает произвольное передвижение электронов, так как с истоком и стоком напрямую контактирует только часть подложки процессора, предусмотренная для канала. Это позволяет уменьшить размеры транзисторов до 14 нм.

Процессоры с более высокой скоростью работы и малым энергопотреблением — такова основная цель технического прогресса. Уменьшение техпроцесса означает возможность разместить на поверхности чипа больше транзисторов, а также снизить напряжение, необходимое для их работы. Если восемь лет назад в 90-нанометровых процессорах Pentium 4 присутствовало 125 млн транзисторов, то в современном 32-нанометровом CPU на базе микроархитектуры Sandy Bridge их работает более миллиарда. Однако миниатюризация традиционных, используемых в течение десятилетий биполярных транзисторов уже достигла своих пределов.

Ток утечки тормозит прогресс

Проблема биполярных транзисторов, выполненных по техпроцессу менее 30 нм, заключается в потере ими заряда. Транзистор, элементы которого образуют логическую схему, может принимать значение бита «0» или «1». Переключение происходит в момент подачи напряжения на затвор. При этом в подложке открывается канал, по которому могут перемещаться электроны от истока к стоку. Если в результате уменьшения компоненты транзистора (исток, сток и подложка) будут располагаться ближе друг к другу, они начнут оказывать негативное влияние друг на друга: электроны будут перемещаться по каналу даже при отсутствии напряжения, вызывая ток утечки. Для восстановления контроля над открытием и закрытием канала необходимо изменить архитектуру. Сначала производители чипов предприняли попытку оптимизировать изоляционный слой между затвором и каналом: более тонкий подзатворный изолятор-диэлектрик, изготовленный не из кремния, а из оксида гафния, должен был уменьшить ток утечки. Но в транзисторах, выполненных по 32-нанометровому техпроцессу, толщина подзатворного изоляторадиэлектрика составляет немногим более 1 нм (для сравнения, размер атома кремния в диаметре равен примерно 0,3 нм). Дальнейшее уменьшение привело бы к возможности самопроизвольного перемещения электронов от затвора к каналу, в результате чего появился бы следующий источник тока утечки. Решение данной проблемы может заключаться только в изоляции канала от подложки, что и сделала компания Intel в процессорах на базе микроархитектуры Ivy Bridge. В транзисторах Tri-Gate канал возвышается над подложкой и окружен с трех сторон затвором. Но только у Intel сегодня есть возможность серийного выпуска транзисторов Tri-Gate. Другие производители связывают свои надежды с технологией FDSOI (Fully Depleted Silicon On Insulator — полностью обедненный кремний на изоляторе). В FDSOI-транзисторах предусмотрен дополнительный изоляционный оксидный слой между подложкой и каналом. Он отделяет, например, в 28-нанометровом транзисторе канал толщиной 7 нм от подложки. Одновременно с этим исток и сток располагаются не в подложке, а над ней.

Мобильные чипы работают дольше

Чипы с FDSOI-транзисторами, в отличие от CPU с транзисторами Tri-Gate, изготавливаются по традиционной технологии, однако им необходима подложка нового типа с уже «встроенным» оксидным слоем. Поэтому производство транзисторов FDSOI связано с меньшими затратами. Однако подложки для них обходятся дороже: для биполярных транзисторов этот компонент стоит около $150, для транзисторов FDSOI его цена находится на уровне $625. Несмотря на расходы, в июле 2012 года компания STMicroelectronics, крупный европейский производитель микроэлектроники, в числе первых начала производство транзисторов FDSOI для чипов серии NovaThor от ST-Ericsson, используемых в смартфонах Sony Xperia. В этом году применяется 28-нанометровый техпроцесс, а на следующий уже запланирован переход на 20-нанометровую технологию. Так как производство компании STMicroelectronics налажено на фабриках Globalfoundries, существует вероятность того, что в скором времени транзисторы FDSOI будут использоваться в процессорах AMD, ведь основателем Globalfoundries является эта компания. По информации STMicroelectronics, переход на технологию производства процессоров с FDSOI-транзисторами позволит увеличить тактовую частоту мобильных чипов с 2 до 2,5 ГГц и существенно снизить энергопотребление. Применение как FDSOI-, так и Tri-Gate-транзисторов позволит в будущем производить 14-нанометровые процессоры. Решение проблемы дальнейшего уменьшения техпроцесса возможно лишь путем объединения обеих технологий. Данную задумку инженерам предстоит воплотить в жизнь не позднее чем через пять лет.

Эволюция транзисторов

Традиционные биполярные транзисторы, используемые в течение вот уже нескольких десятилетий в любых электронных устройствах, отживают свой век. Новые FDSOI-решения работают значительно эффективнее благодаря наличию изоляционного оксидного слоя, который предотвращает образование тока утечки. Такую же высокую эффективность демонстрируют и транзисторы с трехмерной структурой Tri-Gate от компании Intel.