EN
Rychlé odkazy
Moderní elektronika se opravdu rozjela, když ti tři muži z Bell Labs – William Shockley, John Bardeen a Walter Brattain – v roce 1947 vytvořili bodový kontaktový tranzistor. Předtím vše záviselo na těchto objemných elektronkách, které spotřebovávaly obrovské množství energie a často vycházely z provozu. Nově vyvinutá polovodičová zařízení byla mnohem menší, spotřebovala mnohem méně elektřiny a umožnila výrazné zmenšení přístrojů. O několik let později, v roce 1951, přišel Shockley s verzí nazývanou přechodový tranzistor, který byl časem spolehlivější a umožnil praktickou výrobu těchto součástek pro široké průmyslové použití. To v podstatě otevřelo cestu bezpočtu elektronických inovací, které dnes běžně považujeme za samozřejmé.
První transistory spoléhal na germanium, protože fungoval docela dobře jako polovodičový materiál. Existoval však problém, když teploty přesáhly zhruba 75 stupňů Celsia, což je činilo nespolehlivými pro většinu průmyslových aplikací. Okolo poloviny 60. let se situace změnila, když začal být preferovaným materiálem křemík. Křemík odolával mnohem vyšším teplotám, měl nižší únikový proud a lépe fungoval s oxidovými izolátory, které se stávaly průmyslovým standardem. Jak se zlepšovaly metody pěstování krystalů a přidávání nečistot pomocí procesů legování, začali výrobci konzistentně vyrábět křemíkové destičky. Tento vývoj se ukázal jako velmi důležitý pro postupné zmenšování a zvyšování výkonu polovodičů.
Už v roce 1958 přišli Jack Kilby z Texas Instruments a Robert Noyce z Fairchild Semiconductor s něčím doslova revolučním: integrovaným obvodem. Tento malý zázrak umístil všechny ty samostatné elektronické součástky na jediný kousek křemíku, místo aby byly rozesety po desce. Rychle se přeneste do poloviny 70. let, kdy začala masivní integrace, která vtlačila desetitisíce malých tranzistorů na každý čip. To přesně odpovídalo tomu, co tehdy Gordon Moore předpověděl o tom, jak se výpočetní výkon zdvojnásobí zhruba každé dva roky. V průběhu času pevně zakotvilo postavení křemíku jako krále digitálního světa díky vylepšením například v technikách fotonanolitografie a lepším metodám výroby plochých čipů. Tyto pokroky umožnily nejen běžné počítače, ale také chytré telefony, servery provozující webové stránky a dokonce i části moderních datových center, která udržují internet v chodu.
Mooreův zákon v podstatě říká, že počet tranzistorů na čipu se zhruba každé dva roky zdvojnásobí, a toto tvrzení určuje směr vývoje počítačů od doby, kdy Gordon Moore učinil své slavné předpovědi v roce 1965. Při pohledu na čísla vidíme, že velikost tranzistorů klesla z přibližně 10 mikrometrů ve 70. letech na méně než 5 nanometrů v roce 2023, což výrazně zvýšilo jak rychlost, tak účinnost těchto čipů. Existovala věc zvaná Dennardovo škálování, která dříve udržovala spotřebu energie stabilní, když se tranzistory zmenšovaly, ale toto se začalo rozpadat kolem roku 2004 kvůli problémům s únikovými proudy a obtížím s odvodem tepla. Podle nedávné zprávy o škálování polovodičů z roku 2024 to vedlo odvětví k přechodu na používání vícejader, místo aby se soustředilo pouze na zrychlování jednotlivých jader, a výrobci se proto nyní více zaměřují na paralelní zpracování namísto snahy dále zvyšovat taktovací frekvence.
Když se dostaneme na rozměry pod 5 nm, začíná to být opravdu složité kvůli kvantovému tunelování a těm otravným parazitním kapacitám. Elektrony už se totiž nechovají tak, jak by se očekávalo, mají tendenci proklouzávat branami právě díky tunelovým efektům. To způsobuje různé únikové proudy, které mohou podle minuloročního výzkumu Ponemona spotřebovat až kolem 30 % celkového výkonu čipu. A situace se ještě zhoršuje při pohledu na efekty krátkého kanálu, které narušují stabilitu prahového napětí. Podle studie IEEE z roku 2022 na těchto malých nodech vzrůstají variace přibližně o 15 %. Všechny tyto problémy se navzájem nasycují a ztěžují řízení hustoty výkonu extrémně. V důsledku toho musely výrobce investovat velké prostředky do sofistikovaných chladicích systémů, což obvykle přidává k celkovým výrobním nákladům těchto nejmodernějších čipů mezi 20 % a 40 %.
Počet tranzistorů stále roste, ale staré metody zmenšování už odborníky příliš neoslovují. Podle průzkumu IEEE z minulého roku si asi dvě třetiny inženýrů v oblasti polovodičů myslí, že Mooreův zákon v podstatě narazil na zeď. Jen asi každý desátý očekává, že brzy uvidí praktické křemíkové čipy pod 1 nm. Většina společností nyní mění směr a zaměřuje se na 3D skládání čipů a kombinování různých komponent namísto snahy zmenšit vše do jednoho kusu. Z posledních trendů vyplývá, že technologický svět přikládá menší důležitost tomu, jak malé jsou tranzistory, a více se zaměřuje na to, jak dobře spolupracují celé systémy. Tím dochází k poměrně významné změně v chápání toho, co je skutečným pokrokem ve vývoji polovodičů.
Přechod od plochých planárních tranzistorů k těm pokročilým 3D strukturám FinFET byl pro lepší řízení elektrického proudu opravdu revoluční změnou. Podstata spočívá v tom, že hradlo obklopuje malou svisle stojící křemíkovou žebrovku, čímž se snižuje nežádoucí únik proudu a umožňuje zmenšování na rozměry pod 22 nanometry. Poté přišly tranzistory s nanolisty, které tento koncept ještě dále rozvinuly a umožnily inženýrům upravovat šířku vodivých kanálů v závislosti na napětí, které mají zvládat. Z pohledu toho, co odhalil průmysl, tyto trojrozměrné návrhy dobře fungují i při velikostech menších než 3 nm, což u starších planárních konstrukcí již kolem 28 nm nebylo proveditelné, protože problémy s únikem proudu a ztrátou energie zcela vyšly zpod kontroly.
Návrh tranzistoru Gate-all-around (GAA) přenáší technologii FinFET na další úroveň tím, že obalí kanál zcela materiálem hradla ze všech směrů. Toto úplné pokrytí umožňuje mnohem lepší kontrolu elektrických vlastností a snižuje nežádoucí únik o přibližně 40 procent. Navíc tyto součástky přepínají stavy rychleji a dobře fungují i při zmenšování pod hranici 2 nm. Mezitím struktury Complementary FET (CFET) posouvají vývoj dále svislým skládáním n-type a p-type tranzistorů jeden nad druhým. Toto chytré uspořádání zdvojnásobuje počet logických komponent, které se vejdou do stejného prostoru, aniž by bylo potřeba více místa na povrchu čipu. Přístupy GAA i CFET řeší některé vážné problémy, jimž výrobci čelí při řízení elektrostatických efektů a optimalizaci uspořádání, když se rozměry polovodičových prvků zmenšují až na atomární úroveň.
Největší polovodičové závody se přibližují výrobním procesům pod 2 nm, i když podle současných prognóz by mohly transistory gate-all-around (GAA) dosáhnout sériové výroby zhruba v roce 2025. Většina průmyslových plánů se nyní zaměřuje na lepší výkon při nižší spotřebě energie namísto pouhého zvyšování počtu tranzistorů na čipech. Některá zkušební zařízení již začala experimentovat s hybridními vazebními technikami pro vytváření těch pokročilých monolitických 3D struktur, což ukazuje, že firmy uvažují širší obraz fungování celých systémů. Pomalé nasazování těchto technologií vysvětluje, proč stále proudí tak velké finanční prostředky do nejmodernějšího litografického vybavení a pokročilých depozičních systémů. Bez těchto drahých aktualizací by celý průmysl velmi rychle uvízl.
Monolitická 3D integrace umožňuje výrobcům vytvářet několik aktivních vrstev na jednom substrátu pomocí postupných výrobních technik. V kombinaci se stackovanou CMOS technologií tato konfigurace umožňuje integraci logických obvodů přímo vedle paměťových komponent. Nyní pozorujeme například umístění SRAM přímo pod výpočetní jádra. I když stále existují problémy s tepelnými jevy mezi vrstvami a přenosem signálů z jedné vrstvy do druhé, nedávné pokroky v nízkoteplotních výrobních metodách a lepších průchozích kontaktů skrz křemík (ty malé spoje procházející přímo křemíkovými waferovými destičkami) naznačují, že kolem roku 2026 by mohly na trh proniknout skutečné produkty určené pro akcelerátory umělé inteligence a zařízení pro edge computing. Někteří odborníci se domnívají, že tento druh prostorového škálování by mohl udržet platnost Moorova zákona zhruba dalších deset let, než narazíme na další hranici.
Materiály označované jako dichalkogenidy přechodných kovů, nebo stručněji TMD, zahrnují látky jako disulfid molybdeničitý (MoS2) a diselenid wolframový (WSe2). Tyto materiály jsou na atomové úrovni velmi tenké a umožňují elektronům pohybovat se skrz ně poměrně rychle. Při zkoumání extrémně malých polovodičových struktur dosahují tyto TMD poměr zapnutého a vypnutého proudu vyšší než 10 na 8. mocninu při provozním napětí pouhých 0,7 V. To je podle nedávného výzkumu provedeného v roce 2023 institutem IMEC o 74 procent lepší výkon než u křemíku. Způsob, jakým jsou tyto materiály navrstveny do vrstev, pomáhá potlačovat obtížné krátké kanálové efekty i při velikosti struktur kolem 5 nanometrů. Díky tomuto vlastnosti si mnozí výzkumníci myslí, že by mohly být TMD důležitými stavebními kameny pro počítačové čipy nové generace a další logické obvody v nadcházejících letech.
Navzdory svému potenciálu je široké uplatnění TMD brzděno hustotou vad při depozici ve velkorozměrové výrobě na waferu. Epitaxe selektivní oblasti snížila pastičkové stavy o 63 %, přesto je pro výrobu ve velkém rozsahu nezbytná hustota vad <3 % – toto kritérium bylo dosaženo zatím pouze v laboratorních podmínkách (2024 Semiconductor Roadmap).
Tranzistory vyrobené z uhlíkových nanotrub se skutečně mohou pohybovat elektrony v přímé čáře bez rozptylu, jsou-li dlouhé přibližně 15 nanometrů. To jim poskytuje spínací rychlosti téměř třikrát vyšší ve srovnání s tradiční křemíkovou technologií FinFET. Ale existuje jedna nevýhoda. Výzkumníci stále bojují s kontrolou chirality (která určuje elektrické vlastnosti) a dosažením konzistentních výsledků legování, což ztěžuje výrobu spolehlivých zařízení v konzistentní kvalitě. Grafen představuje další zajímavý případ. Ačkoli má úžasnou vodivost, nemá přirozenou zakázanou pásu, což ho činí nevhodným pro běžné digitální obvody. Nicméně probíhá několik slibných výzkumů s kombinacemi vrstev grafenu a šestiúhelníkového nitridu boritého. Tyto hybridní struktury by mohly najít specifické uplatnění v aplikacích, kde by bylo možné efektivně využít jejich jedinečné vlastnosti.
Snaha o zavedení 2D materiálů do běžné výroby se zaměřuje na metody depozice atomových vrstev, které dobře fungují s dielektriky o vysoké permitivitě, jako je HZO. Nedávná data průmyslové skupiny z roku 2024 ukazují, že většina výrobních zařízení již testuje vybavení pro tyto materiály. Přibližně 8 z 10 výrobních linek nyní má nějaké zařízení pro zpracování 2D materiálů. Stále však existuje problém na konci výrobního procesu, kde je třeba vytvořit nové metalické spoje. Problém spočívá ve citlivosti na teplo, protože mnoho procesů nemůže překročit teplotu 400 stupňů Celsia, aniž by poškodilo součástky. Toto omezení teploty nutí inženýry hledat kreativní řešení pro správné propojení těchto pokročilých materiálů bez kompromitace jejich výkonu.
Počet zařízení IoT by měl do roku 2030 dosáhnout přibližně 29 miliard, což znamená, že tranzistory musí ve stand-by režimu spotřebovávat méně než 1 mikroampér, aby byl provoz efektivní. Nedávný výzkum ukázal, že subprahové obvody spolu s tunelovými tranzistory s polem (TFET), o kterých jsme v poslední době slyšeli, dokážou snížit únikové proudy téměř o 60 procent ve srovnání se standardní technologií MOSFET. Co to znamená pro reálné aplikace? Umožňuje to systémům pro monitorování životního prostředí a dokonce i některým implantabilním lékařským zařízením pracovat roky na jedno nabití a přitom si udržovat dostatečný výpočetní výkon pro správné fungování. Polovodičový průmysl tyto inovace důsledně posouvá vpřed, protože si je vědom, jak kritická stává se dlouhá životnost baterií v mnoha různých oblastech.
Nejnovější tranzistory na bázi karbidu křemičitého (SiC) a nitridu gallia (GaN) dosahují účinnosti přibližně 99,3 %, když jsou použity v solárních střídačích, což přispívá ke snížení celkových emisí CO2 o zhruba 2,1 milionu tun ročně. Podle nedávných studií zpráv o energetické infrastruktuře tyto pokročilé spínací komponenty od roku 2020 snížily ztráty energie v aplikacích chytrých sítí přibližně o 40 %. Výrobci se nyní obrací také k technikám balení na úrovni waferu. Tento přístup nejen snižuje obtížné rezistivní ztráty, ale dobře funguje i se současným výrobním zařízením pro 300mm destičky, aniž by vyžadoval masivní rekonstrukci výrobních zařízení.
Neuromorfní čipy s využitím ferroelektrických FET (FeFET) dosahují až 1 000krát lepší energetické účinnosti na jednu synaptickou operaci ve srovnání s GPU – což umožňuje efektivní nasazení umělé inteligence na hranici sítě. Flexibilní organické tenké vrstvy tranzistorů nyní dosahují pohyblivosti 20 cm²/V·s a vydrží 500 cyklů ohýbání, čímž podporují odolné a prátelné zdravotní monitory.
Moderní návrh tranzistorů vyvažuje proud v sepnutém stavu (ION), rychlost spínání, náklady a odolnost podle potřeb konkrétní aplikace. Tranzistory pro automobilový průmysl spolehlivě pracují při teplotách až 175 °C, zatímco jejich biomedicínské varianty splňují přísné požadavky na poruchovost 0,1 % během životnosti 15 let. Tento přístup zaměřený na konkrétní aplikace zajišťuje, že technologický pokrok přináší skutečnou spolehlivost a hodnotu v reálném světě.
Jaký byl hlavní průlom, který uskutečnil Bell Labs v roce 1947?
V roce 1947 vědci z Bell Labs vynalezli tranzistor s bodovým kontaktem. To umožnilo, aby elektronická zařízení byla oproti dříve používaným elektronkovým obvodům mnohem menší a efektivnější.
Proč se křemík stal upřednostňovaným materiálem před germaniem v tranzistorech?
Křemík nahradil germánium jako preferovaný polovodičový materiál v polovině 60. let 20. století, protože odolává vyšším teplotám, má nižší únikové proudy a lépe funguje s oxidovými izolátory.
Co je Mooreův zákon a proč je významný?
Mooreův zákon předpovídá, že počet tranzistorů na čipu se přibližně každé dva roky zdvojnásobí, čímž podporuje pokrok výpočetního výkonu a efektivity.
Co jsou technologie FinFET a GAA?
FinFET a Gate-All-Around (GAA) jsou pokročilé architektury tranzistorů, které nabízejí lepší elektrickou kontrolu a snižují únikové proudy, což je činí vhodnými pro menší velikosti čipů.
Co jsou 2D materiály a jakou hrají roli v technologii tranzistorů?
2D materiály, jako jsou TMD, obsahují tenké atomové vrstvy, které umožňují lepší pohyb elektronů a mohou nabízet vyšší účinnost ve srovnání s tradičními křemíkovými vrstvami pro budoucí polovodiče.
Jak přispívá inovace tranzistorů k energetické účinnosti?
Inovace tranzistorů, včetně návrhů s extrémně nízkou spotřebou a energeticky účinných materiálů, výrazně snižuje spotřebu energie v zařízeních IoT, solárních technologiích a chytrých rozvodech.