EN
БЪРЗИ ВРЪЗКИ
Съвременната електроника наистина започна, когато тримата от Bell Labs — Уилям Шокли, Джон Бардин и Уолтър Братейн — създадоха точковият контактен транзистор през 1947 година. Преди това всичко зависеше от онези грамадни вакуумни лампи, които поглъщаха огромни количества енергия и често се повреждаха. Новите полупроводникови устройства, които те разработиха, бяха много по-малки, използваха значително по-малко електроенергия и позволяваха драстично намаляване на размерите на електронните уреди. Няколко години по-късно, през 1951 г., Шокли представи своя вариант – преходният транзистор, който работеше по-ефективно и направи производството на тези компоненти практически осъществимо за масово промишлено приложение. Това буквално отвори наводнението от електронни иновации, които днес приемаме като нещо нормално.
Първият транзистори разчитаха на германий, тъй като той се оказа доста добър полупроводников материал. Имаше обаче проблем при температури над около 75 градуса по Целзий, което ги правеше ненадеждни за повечето промишлени приложения. Около средата на 60-те години на миналия век нещата се промениха, когато кремния започна да поема ролята на предпочтитан материал. Кремният издържаше много по-високи температури, имаше по-малко токови изтичания и работеше по-добре с оксидните изолатори, които ставаха стандарт в индустрията. С подобряването на методите за отглеждане на кристали и добавяне на примеси чрез легирани процеси, производителите започнаха последователно да произвеждат кремниеви пластинки. Това развитие се оказа от решаващо значение за постепенното правене на полупроводниците по-малки и по-мощни.
През 1958 г. Джак Килби от Texas Instruments и Робърт Нойс от Fairchild Semiconductor измислиха нещо доста революционно: интегралната схема. Това малко чудо постави всички отделни електронни компоненти върху един кристал от силиций, вместо да са разпръснати по платка. Скок напред до средата на 70-те, когато започна мощната интеграция, като десетки хиляди миниатюрни транзистори бяха разположени върху всеки чип. Това беше точно в съответствие с прогнозата на Гордън Мур за това как изчислителната мощ ще се удвоява на всеки няколко години. С течение на времето подобрения в техники като фотолитографията и по-добри методи за производство на плоски чипове окончателно утвърдиха силиция като господар на цифровия свят. Тези постижения направиха възможни не само нашите обикновени компютри, но и неща като смартфони, сървъри, които изпълняват уебсайтове, и дори части от съвременни центрове за данни, които задвижват интернет.
Законът на Мур по същество гласи, че броят на транзисторите в един чип се удвоява приблизително на всеки две години и това насочва напредъка в компютърната индустрия още откако Гордън Мур направи своята известна прогноза през 1965 г. Ако разгледаме числата, виждаме, че размерите на транзисторите са намалели от около 10 микрометра през 70-те години до по-малко от 5 нанометра днес през 2023 г., което значително е повишило както скоростта, така и ефективността на тези чипове. Имаше нещо наречено мащабиране по Денард, което държеше консумацията на енергия на постоянно ниво, докато транзисторите ставаха по-малки, но това започна да се разпада около 2004 г. поради проблеми с токовете на утечка и трудности при управлението на топлината. Според последния доклад за мащабиране на полупроводници от 2024 г., всичко това накара индустрията да промени курса си към използването на множество ядра вместо просто да увеличава скоростта на отделните ядра, така че производителите сега се фокусират повече върху паралелна обработка, вместо да се опитват да повишават тактовите честоти.
Когато стигнем до размери под 5 nm, нещата започват да стават наистина сложни поради квантовото тунелиране и досадните паразитни капацитети. Електроните вече не се държат както се очаква – те имат тенденция да преминават директно покрай бариерите на гейта чрез тунелни ефекти. Това води до различни видове токове на утечка, които според проучване на Понеман от миналата година могат да поглъщат около 30% от общата консумация на енергия в един чип. Положението се влошава още повече при кратки канали, които нарушават стабилността на праговото напрежение. Отклоненията нарастват с около 15% при тези миниатюрни нива, както е отбелязано в изследвания на IEEE през 2022 г. Всички тези проблеми се натрупват един върху друг и правят управлението на плътността на мощността изключително трудно. В резултат производителите са принудени сериозно да инвестират в изискани системи за охлаждане, което обикновено увеличава общите разходи за производство на тези високотехнологични чипове с между 20% и 40%.
Броят на транзисторите продължава да расте, но традиционните методи за мащабиране вече не се ползват с голямо признание сред специалистите. Според анкета на IEEE миналата година около две трети от инженерите в полупроводниковата индустрия считат, че законът на Мур е достигнал до задънена улица. Само около един от десет очаква скоро да видим практически силиконови чипове под 1 нм. Повечето компании преминават към 3D компоновка на чипове и комбиниране на различни компоненти, вместо да се опитват да миниатюризират всичко в един единствен елемент. Като се имат предвид последните тенденции, изглежда, че технологичният свят все повече преустановява фокуса върху размера на транзисторите и насочва вниманието си към това колко добре работят системите като цяло. Това означава значителен промяна във възгледите за това какво представлява истински напредък в развитието на полупроводниците.
Преходът от плоски планарни транзистори към онези модерни 3D структури FinFET беше истинска промяна в начина на по-добро контролиране на електричеството. Уловката тук е в това да се обгърне порта изцяло около малката изправена кремниева „перка“, което намалява нежеланата утечка и позволява още по-нататъшно миниатюризиране под 22 нанометра. След това се появиха транзисторите с нано-листове, които развили тази концепция още повече, като дали възможност на инженерите да регулират ширината на проводящите канали според нужните напрежения. Според установеното от индустрията, тези триизмерни конструкции продължават да работят ефективно и при размери под 3 нм, нещо, което просто не беше възможно с по-старите планарни проекти, когато достигнахме около 28 нм, защото проблемите с утечката и загубата на енергия излезли напълно извън контрол.
Транзисторният дизайн с изолация от всички страни (GAA) издига технологията FinFET на следващо ниво, като обвива напълно канала с материала на електрода от всяка посока. Това пълно покритие осигурява много по-добър контрол върху електрическите свойства и намалява нежеланата изтичане с около 40 процента. Освен това тези устройства превключват състоянията си по-бързо и работят добре при мащабиране под 2 nm. Междувременно структурите с комплементарни FET (CFET) водят още по-напред, като поставят вертикално един върху друг както n-тип, така и p-тип транзистори. Това хитро разположение удвоява броя на логическите компоненти, които могат да се поберат в същото пространство, без да се заема допълнително място на повърхността на чипа. И двата подхода – GAA и CFET – решават сериозни предизвикателства, с които производителите се сблъскват при опитите си да управляват електростатичните ефекти и да оптимизират разположението, докато полупроводниковите елементи се свиват до атомни размери.
Най-големите полупроводникови фабрики преминават към производствени процеси под 2 нм, въпреки че според сегашните прогнози масовото производство на транзистори с технология gate-all-around (GAA) може да стане факт около 2025 г. Повечето индустриални графици сега се насочват към по-добра производителност при по-ниско енергопотребление, вместо просто да увеличават броя на транзисторите в чиповете. Някои пилотни съоръжения вече започнаха експерименти с хибридни свързващи техники за създаване на сложни монолитни 3D структури, което показва, че компаниите мислят по-мащабно за начина, по който цялата система работи заедно. Бавното внедряване на тези технологии подчертава защо толкова много средства продължават да се влагат в най-новото литографско оборудване и напреднали системи за отлагане. Без тези скъпи модернизации, цялата индустрия би спряла доста бързо.
Монолитната 3D интеграция позволява на производителите да създават няколко активни слоя върху един субстрат, използвайки последователни технологии за производство. Когато се комбинира с технологията на подредени CMOS структури, тази конфигурация дава възможност за интегриране на логически вериги непосредствено до компоненти за памет. В момента започваме да виждаме как SRAM се поставя директно под изчислителните ядра. Въпреки това, топлинните проблеми между слоевете и предаването на сигнали от един слой към друг все още създават трудности. Но скорошни подобрения в методите за производство при ниски температури, заедно с по-добри чрез-силициеви преходи (онези миниатюрни връзки, които минават директно през силициеви пластинки), сочат към възможността реални продукти да навлязат на пазара около 2026 г., предназначени за ускорители на изкуствен интелект и устройства за крайно изчисление. Някои експерти смятат, че този вид пространствено мащабиране може да поддържа закона на Мур още приблизително десет години, преди да достигнем следващата граница.
Материали, наречени дихалкогениди на преходни метали или накратко TMDs, включват вещества като молибден дисулфид (MoS2) и волфрам диселенид (WSe2). Тези материали са изключително тънки на атомно ниво и позволяват на електроните да се движат през тях доста бързо. Когато разглеждаме наистина миниатюрни полупроводникови структури, тези TMDs могат да достигнат съотношение между токовете включено/изключено над 10 на степен 8 при работа на само 0,7 волта. Това всъщност е приблизително с 74 процента по-добре от това, което може да постигне кремния, според някои скорошни изследвания на IMEC от 2023 година. Начинът, по който тези материали се нанизват в слоеве, помага за контролиране на досадните ефекти от кратък канал, дори когато размерите достигнат около 5 нанометра. Поради това свойство много изследователи считат, че TMDs могат да бъдат важни градивни елементи за компютърни чипове и други логически устройства от следващо поколение в предстоящите години.
Въпреки потенциала си, разпространеното прилагане на TMDs се затруднява от плътността на дефектите по време на отлагане в мащаб на кръгче. Селективната епитаксия намалила капковите състояния с 63%, но за производство с голям обем остава необходимо да се постигне плътност на дефектите под 3% — този еталон досега е постиган единствено в лабораторни условия (Дорожна карта за полупроводници 2024).
Транзисторите, изработени от въглеродни нанотръби, могат всъщност да придвижват електрони по права линия без разсейване, когато са дълги около 15 нанометра. Това им дава скорост на превключване, която е почти три пъти по-висока в сравнение с традиционната силициева технология FinFET. Но има един недостатък. Изследователите все още се затрудняват с контрола върху хиралността (която определя електрическите свойства) и постигането на последователни резултати при легирането, което затруднява производството на надеждни устройства по последователен начин. Графенът представлява друг интересен случай. Въпреки че притежава изключителна проводимост, той няма естествена забранена зона, което го прави неподходящ за стандартни цифрови вериги. Въпреки това се провежда перспективна работа с комбинации от графен и слоеве от хексагонален борен нитрид. Тези хибридни структури биха могли да намерят нишово приложение в специфични области, където техните уникални характеристики могат да бъдат използвани ефективно.
Усилията за въвеждане на двуизмерни материали в редовното производство са насочени основно към методи за атомнослоево нанасяне, които добре работят с висококапацитивни диелектрици като HZO. Скорошни данни от индустриална група през 2024 г. показват, че повечето производствени съоръжения вече тестват оборудване за тези материали. Около 8 от 10 производствени линии разполагат с някаква форма на технологична инфраструктура за обработка на двуизмерни материали в момента. Въпреки това все още съществува проблем в задната част на производствения процес, където трябва да се изграждат нови метални връзки. Проблемът е чувствителността към топлина, тъй като много процеси не могат да надвишават 400 градуса по Целзий, без да повредят компонентите. Това температурно ограничение принуждава инженерите да намират креативни решения за правилното свързване на тези напреднали материали, без да компрометират представянето им.
Очаква се броят на устройствата от Интернета на нещата (IoT) да достигне около 29 милиарда до 2030 година, което означава, че транзисторите трябва да консумират по-малко от 1 микроампер в режим на готовност, за да осигурят ефективна работа. Наскорошни изследвания показват, че подпрагови схеми заедно с тунелни полеви транзистори, за които чуем напоследък, могат да намалят токовете на утечка почти с 60 процента в сравнение със стандартната MOSFET технология. Какво означава това за приложения в реалния свят? Това позволява на системи за наблюдение на околната среда и дори на някои имплантируеми медицински устройства да работят години наред само с едно зареждане, като при това запазват достатъчно изчислителна мощ, за да изпълняват правилно своите функции. Полупроводниковата индустрия активно развива тези иновации, защото разбира колко критично важни стават дълготрайните батерии в много различни области.
Най-новите транзистори от силициев карбид (SiC) и галиев нитрид (GaN) постигат ефективност от около 99,3%, когато се използват в инвертори за слънчева енергия, което допринася за намаляване на около 2,1 милиона тона CO2 емисии всяка година общо. Според последни проучвания от доклади за енергийната инфраструктура тези напреднали превключващи компоненти са намалили загубите на енергия с около 40% в приложенията за умни мрежи спрямо данните от 2020 г. Производителите сега се обръщат и към техники за опаковане на нива на пластинка. Този подход не само намалява досадните омични загуби, но също така добре работи със съществуващото производствено оборудване за 300 мм без да изисква мащабни преустройства на производствените съоръжения.
Невроморфните чипове, използващи фероелектрични FET (FeFET), постигат 1000 пъти по-добра енергийна ефективност на синаптична операция в сравнение с GPU, което позволява ефективно внедряване на изкуствен интелект на ръба на мрежата. Гъвкавите органични тънкослойни транзистори вече достигат подвижност от 20 cm²/V·s и издържат 500 цикъла на огъване, което осигурява здрави, пранеустойчиви устройства за наблюдение на здравето.
Съвременният дизайн на транзистори балансира ток в отворено състояние (ION), скорост на комутиране, цена и дълготрайност въз основа на приложните изисквания. Транзистори за автомобилна употреба работят надеждно при 175°C, докато биомедицинските варианти отговарят на строги изисквания за неизправност от 0,1% през 15-годишен срок на живот. Този подход, базиран на конкретни приложения, гарантира, че технологичните постижения се превръщат в реална надеждност и стойност.
Какъв е бил големият пробив, осъществен от лабораториите на Бел през 1947 г.?
През 1947 г. учените от Bell Labs изобретяват точковият транзистор. Това позволява на електронните устройства да станат много по-малки и по-ефективни в сравнение с вакуумните лампи, използвани по-рано.
Защо кремният става предпочитаният материал спрямо германия в транзисторите?
Кремният заменя германия като предпочитан полупроводников материал през средата на 60-те години на миналия век, защото издържа на по-високи температури, има по-малко течове и работи по-добре с оксидни изолатори.
Какво е Законът на Мур и защо е от значение?
Законът на Мур предвижда, че броят на транзисторите на един чип ще се удвоява приблизително на всеки две години, което задвижва напредъка в изчислителната мощ и ефективност.
Какво са технологиите FinFET и GAA?
FinFET и Gate-All-Around (GAA) са напреднали архитектури на транзистори, които осигуряват подобрено електрическо управление и намаляват течовете, като по този начин стават подходящи за по-малки размери на чиповете.
Какво са 2D материалите и каква е тяхната роля в транзисторната технология?
2D материали, като TMDs, съдържат тънки атомни слоеве, които позволяват по-добро движение на електроните, осигурявайки потенциални предимства в ефективността в сравнение с традиционните силиконови слоеве за бъдещи полупроводници.
Как транзисторните иновации допринасят за енергийна ефективност?
Транзисторните иновации, включително ултра нискомощни конструкции и енергийно ефективни материали, значително намаляват консумацията на енергия в устройства от интернета на нещата (IoT), слънчева технология и умни мрежи.