EN
BRZI LINKOVI
Suvremena elektronika stvarno je krenula naprijed kad su trojica ljudi u Bell Labsu — William Shockley, John Bardeen i Walter Brattain — 1947. godine stvorili točkasti tranzistor. Prije toga, sve je ovisilo o golemim cijevima s vakuumom koje su trošile ogromne količine energije i skloni su bili kvarovima. Nove poluvodičke komponente koje su razvili bile su mnogo manje, potrošile su znatno manje struje i omogućile su drastično smanjenje veličine uređaja. Nešto kasnije, 1951. godine, Shockley je predstavio svoju verziju poznatu kao spojni tranzistor, koji je vremenom radio bolje i učinio proizvodnju ovih komponenata praktičnom za široku upotrebu u različitim industrijama. To je, u osnovi, otvorilo poplavu svih vrsta elektroničkih inovacija koje danas smatramo samorazumljivima.
Prvi tranzistori oslanjao se na germanij jer je prilično dobro funkcionirao kao poluvodički materijal. Međutim, postojao je problem kada bi temperature premašile oko 75 stupnjeva Celzijevih, što ih je činilo nepouzdanim za većinu industrijskih primjena. Stvari su se promijenile sredinom 1960-ih godina kada je silicij postao glavni materijal. Silicij je podnosio znatno više temperature, imao manje curenja struje i bolje je funkcionirao s oksidnim izolatorima koji su postajali standard u industriji. Kako su se poboljšavale metode za uzgoj kristala i dodavanje nečistoća kroz procese dopiranja, proizvođači su počeli dosljedno proizvoditi silicijske pločice. Ovaj razvoj pokazao se iznimno važnim za daljnje smanjivanje i povećanje snage poluvodiča.
Još 1958. godine, Jack Kilby iz Texas Instrumentsa i Robert Noyce iz Fairchild Semiconductor razvili su nešto vrlo revolucionarno: integrirani krug. Ovo malo čudo omogućilo je da se svi ti odvojeni elektronički dijelovi smjeste na jedan komad silicija umjesto da budu rasuti po ploči. Brzimo naprijed do sredine 70-ih, kada je došlo do proboja u velikoj integraciji, koja je uklopila desetke tisuća malih tranzistora na svaki čip. To je bilo u skladu s onim što je Gordon Moore predvidio o tome kako će se računalna snaga udvostručiti svakih par godina. Tijekom vremena, poboljšanja u tehnologijama poput fotolitografije i bolji načini izrade ravnih čipova potvrdili su ulogu silicija kao kralja digitalnog svijeta. Ti napretci omogućili su ne samo svakodnevna računala, već i pametne telefone, poslužitelje koji pokreću web stranice i čak dijelove modernih centara za podatke koji drže internet u pokretu.
Mooreov zakon u osnovi kaže da se broj tranzistora na čipu približno udvostručuje svake dvije godine, a to upravlja napretkom računala još od Gordonovog Mooreovog poznatog predviđanja iz 1965. godine. Gledajući brojke, vidimo da su tranzistori smanjeni s otprilike 10 mikrometara u veličini tijekom 70-ih godina na manje od 5 nanometara danas, 2023. godine, što je znatno povećalo brzinu i učinkovitost rada ovih čipova. Postojalo je nešto što se zvalo Dennardovo skaliranje koje je držalo potrošnju energije stabilnom kako su tranzistori postajali manji, ali je to prestalo djelovati oko 2004. godine zbog problema s curenjem struje i upravljanjem toplinom. Prema nedavnom Izvješću o skaliranju poluvodiča iz 2024. godine, sve je to navelo industriju da promijeni pristup i prebaci se na višejezgrene procesore umjesto da jednostavno čini pojedinačne jezgre bržima, pa proizvođači sada više ulažu u paralelnu obradu podataka umjesto da nastoje povećavati takt frekvencije.
Kada siđemo na dimenzije ispod 5 nm, stvari postaju zaista složene zbog kvantnog tuneliranja i dosadnih parazitskih kapaciteta. Elektroni više se ne ponašaju kako se očekuje, te imaju sklonost prodiranju kroz barijere tranzistora putem efekata tuneliranja. To uzrokuje različite curenja struje koja mogu potrošiti oko 30% ukupne snage čipa, prema istraživanju Ponemon iz prošle godine. A još je gore kada se promatraju efekti kratkog kanala koji remete stabilnost praga napona. Varijacije narastu za oko 15% na ovim mikroskopskim razinama, kako je navedeno u IEEE studijama iz 2022. Svi ovi problemi se nadodaju jedan na drugi i čine upravljanje gustoćom snage iznimno zahtjevnim. Kao posljedica toga, proizvođači su morali znatno uložiti u sofisticirane sustave hlađenja, što obično dodatno povećava troškove proizvodnje najmodernijih čipova između 20% i 40%.
Broj tranzistora stalno raste, ali tradicionalne metode skaliranja više nisu popularne među stručnjacima. Prema anketi IEEE-a prošle godine, otprilike dvije trećine inženjera poluvodiča smatra da je Mooreov zakon u osnovi dosegao svoje granice. Samo oko jedna desetina očekuje da ćemo uskoro vidjeti praktične silicijske čipove ispod 1 nm. Većina tvrtki mijenja fokus na 3D slaganje čipova i kombiniranje različitih komponenti umjesto pokušaja smanjivanja svega u jednu cjelinu. Sudeći po nedavnim trendovima, tehnološkom svijetu sve manje ide za rukom koliko su tranzistori mali, a sve više koliko dobro cijeli sustavi rade zajedno. To označava prilično veliku promjenu u razmišljanju o tome što se smatra stvarnim napretkom u razvoju poluvodiča.
Prelazak s ravnih planarnih tranzistora na one napredne 3D FinFET strukture bio je pravi preokret u boljoj kontroli električne struje. Poanta je u tome da se ulaz (gate) omota oko malog uspravnog silicijskog rebra, što smanjuje neželjeni curenje struje i omogućuje smanjivanje dimenzija ispod 22 nanometra. Zatim su došli nanoslojni tranzistori koji su ovaj koncept još više razvili, omogućivši inženjerima da podešavaju širinu vodljivih kanala ovisno o naponima koje trebaju upravljati. S obzirom na to što je industrija otkrila, ovi trodimenzionalni dizajni nastavljaju dobro funkcionirati čak i na veličinama manjim od 3 nm, što jednostavno nije bilo izvedivo s ranijim planarnim dizajnima kada smo došli do otprilike 28 nm, jer su problemi curenja i gubitka energije potpuno izmakli kontroli.
Konstrukcija tranzistora s okolnim ulazom (GAA) vodi tehnologiju FinFET-a na sljedeću razinu tako što potpuno obavija kanal materijalom ulaza sa svih strana. Ovo potpuno pokrivanje omogućuje znatno bolju kontrolu električnih svojstava i smanjuje neželjeni curenje za oko 40 posto. Osim toga, ovi uređaji brže prelaze između stanja i dobro rade čak i kada se skaliraju ispod oznake od 2 nm. U međuvremenu, strukture komplementarnog FET-a (CFET) idu korak dalje tako što vertikalno jednu na drugu postavljaju n-tip i p-tip tranzistore. Ova pametna arhitektura udvostručuje broj logičkih komponenti koje mogu stati na isto područje, bez potrebe za dodatnim prostorom na površini čipa. GAA i CFET pristupi rješavaju ozbiljne probleme s kojima se proizvođači suočavaju pri upravljanju elektrostatskim efektima i optimizaciji rasporeda kako se dimenzije poluvodičkih elemenata smanjuju na atomske razmjere.
Najveći poluvodički pogoni približavaju se proizvodnim procesima ispod 2 nm, iako ćemo prema trenutačnim projekcijama masovnu proizvodnju tranzistora s okolnim vratom (GAA) vjerojatno vidjeti negdje oko 2025. godine. Većina industrijskih planova sada se usredotočuje na postizanje boljih performansi uz manju potrošnju energije, umjesto samo na povećanje broja tranzistora na čipovima. Neke pokusne tvornice već eksperimentiraju s hibridnim vezanjem kako bi stvorile one napredne monolitne 3D strukture, što pokazuje da poduzeća sve više razmišljaju o cjelokupnom radu cijelih sustava. Spori uvođenje ovih tehnologija ističe zašto toliko novca nastavlja ulagati u najnoviju litografsku opremu i napredne sustave za taloženje. Bez ovih skupih nadogradnji, cijela bi industrija vrlo brzo zastala.
Monolitna 3D integracija omogućuje proizvođačima stvaranje više aktivnih slojeva na jednom podlogom korištenjem sekvencijalnih tehnika izrade. Kada se kombinira sa složenom CMOS tehnologijom, ovakva konfiguracija omogućuje integraciju logičkih krugova točno pored komponenti za pohranu. Trenutno vidimo stvari poput SRAM-a koji se izravno smješta ispod računskih jezgri. Međutim, termički problemi između slojeva i prijenos signala s jednog sloja na drugi i dalje predstavljaju izazove. No, nedavna poboljšanja u metodama proizvodnje pri niskim temperaturama, uz naprednije prolaze kroz silicijemske vodove (one sićušne veze koje idu ravno kroz silicijemske pločice), upućuju na stvarne proizvode koji će izaći na tržište za akceleratore umjetne inteligencije i uređaje za rubno računanje otprilike 2026. godine? Neki stručnjaci misle da ova vrsta prostorne skaliranja može održati Mooreov zakon još otprilike deset godina prije nego što naiđemo na novi zid.
Materijali koji se nazivaju dikalkogenidi prijelaznih metala, ili kraće TMD-ovi, uključuju tvari poput molibden disulfida (MoS2) i volfram diselenida (WSe2). Ovi su materijali iznimno tanki na atomskoj razini i dopuštaju elektronima da kroz njih prilično brzo prolaze. Kada promatramo vrlo male poluvodičke strukture, ovi TMD-ovi mogu postići omjer struje uključeno/isključeno veći od 10 na 8. potenciju pri radu na samo 0,7 volti. To je zapravo otprilike 74 posto bolje od onoga što silicij može postići, prema nekim nedavnim istraživanjima IMEC-a iz 2023. godine. Način na koji se ovi materijali slojevito slažu pomaže u kontroliranju dosadnih efekata kratkog kanala čak i kada dimenzije struktura padnu na oko 5 nanometara. Zbog ovog svojstva, mnogi istraživači vjeruju da bi TMD-ovi mogli biti važni građevni blokovi za računalne čipove sljedeće generacije i druge logičke uređaje u nadolazećim godinama.
Unatoč svom potencijalu, široka primjena TMD-a ograničena je gustoćom defekata tijekom deponiranja na razini pločice. Epitaksija selektivne površine smanjila je broj začepnih stanja za 63%, međutim za visokoserijsku proizvodnju potrebna je gustoća defekata manja od 3% — cilj koji je do sada postignut isključivo u laboratorijskim uvjetima (Semiconductor Roadmap 2024).
Tranzistori izrađeni od ugljičnih nanocjevica zapravo mogu premještati elektrone u ravnim linijama bez raspršenja kada su dugački oko 15 nanometara. To im omogućuje brzine prebacivanja koje su gotovo tri puta veće u usporedbi s tradicionalnom silicijskom FinFET tehnologijom. No postoji jedan problem. Istraživači još uvijek imaju poteškoća s kontrolom čiralnosti (koja određuje električna svojstva) i postizanjem dosljednih rezultata dopiranja, što otežava proizvodnju pouzdanih uređaja u dosljednim serijama. Grafen predstavlja još jedan zanimljiv slučaj. Iako ima izvrsnu vodljivost, on nema prirodni energijski procjep, zbog čega je neprimjeren za standardne digitalne sklopove. Međutim, postoje obećavajuća istraživanja koja se bave kombinacijama slojeva grafena i heksagonalnog boron nitrida. Ove hibridne strukture mogle bi pronaći nišne primjene u specifičnim aplikacijama gdje bi se njihova jedinstvena svojstva mogla učinkovito iskoristiti.
Potiskivanje 2D materijala u redovnu proizvodnju usredotočeno je na metode deponiranja slojeva na atomskoj razini koji dobro funkcioniraju s dielektricima visoke permitivnosti, poput HZO-a. Nedavni podaci iz industrijske grupe iz 2024. godine pokazuju da većina pogona za proizvodnju trenutačno testira opremu za ove materijale. Otprilike 8 od 10 linija već raspolaže nekakvom postavkom alata za obradu 2D materijala. No, i dalje postoji problem na kraju procesa proizvodnje gdje treba izvesti nove metalne spojeve. Problem je osjetljivost na toplinu, budući da mnogi procesi ne smiju premašiti 400 stupnjeva Celzijusovih bez oštećenja komponenti. Ovo ograničenje temperature prisiljava inženjere da pronađu kreativna rješenja za ispravno povezivanje ovih naprednih materijala bez kompromitiranja performansi.
Očekuje se da će broj IoT uređaja doseći oko 29 milijardi do 2030. godine, što znači da tranzistori moraju trošiti manje od 1 mikroampere u stanju mirovanja kako bi sustavi učinkovito funkcionirali. Nedavna istraživanja pokazala su da podpragovi sklopovi, zajedno s tranzistorima s tunelskim efektom polja o kojima smo posljednje vrijeme čuli, mogu smanjiti struje curenja za gotovo 60 posto u usporedbi sa standardnom MOSFET tehnologijom. Što to zapravo znači za primjenu u stvarnom svijetu? Omogućuje da sustavi za nadzor okoliša, pa čak i neki ugradivi medicinski uređaji, rade godinama na jednom punjenju baterije i pritom imaju dovoljno računske snage da ispravno obavljaju svoj posao. Poluvodička industrija aktivno potiče ove inovacije jer razumije koliko sve više postaju ključne dugotrajne baterije u različitim područjima.
Najnoviji tranzistori od silicijevog karbida (SiC) i galijevog nitrida (GaN) postižu učinkovitost od oko 99,3% kada se koriste u solarnim invertorima, što pomaže smanjenju otprilike 2,1 milijuna tona emisija CO2 svake godine. Nedavne studije iz izvješća o energetskoj infrastrukturi ukazuju da su ovi napredni sklopni elementi smanjili gubitke energije za oko 40% u aplikacijama pametnih mreža od 2020. godine. Proizvođači se sada okreću i tehnikama pakiranja na razini pločice. Ovaj pristup ne samo da smanjuje dosadne gubitke zbog otpora, već se također dobro uklapa s postojećom proizvodnom opremom za 300 mm pločice bez potrebe za masovnim rekonstrukcijama proizvodnih pogona.
Neuromorfne čipove koji koriste ferolektrične FET-ove (FeFET) postižu 1.000— bolju energetsku učinkovitost po sinaptičkoj operaciji u odnosu na GPU-ove—omogućujući učinkovitu implementaciju umjetne inteligencije na rubu mreže. Fleksibilni organski tranzistori s tankim filmom sada dosežu pokretljivost od 20 cm²/V·s i izdrže 500 ciklusa savijanja, što omogućuje izradu trajnih, perilnih uređaja za praćenje zdravlja.
Suvremeni dizajn tranzistora uravnotežuje struju u UKLJUČENOM stanju (ION), brzinu prebacivanja, trošak i izdržljivost na temelju potreba primjene. Tranzistori za automobilsku primjenu pouzdano rade na temperaturi od 175°C, dok medicinski varijanti zadovoljavaju stroge zahtjeve stopa kvarova od 0,1% tijekom vijeka trajanja od 15 godina. Ovaj pristup specifičan za primjenu osigurava da tehnološki napreci rezultiraju pouzdanosti i vrijednošću u stvarnim uvjetima.
Koji je bio glavni proboj koji su ostvarili Bell Labs 1947. godine?
Godine 1947., znanstvenici iz Bell Labs-a izumili su tranzistor s točkastim kontaktom. To je omogućilo da elektroničke naprave postanu mnogo manje i učinkovitije u usporedbi s cijevima na prazninu koje su se ranije koristile.
Zašto je silicij postao preferirani materijal u odnosu na germanij u tranzistorima?
Silicij je zamijenio germanij kao preferirani poluvodički materijal sredinom 1960-ih jer je mogao podnijeti više temperature, imao manje curenja i bolje funkcionirao s oksidnim izolatorima.
Što je Mooreov zakon i zašto je važan?
Mooreov zakon predviđa da će se broj tranzistora na čipu približno udvostručiti svake dvije godine, što pokreće napredak u računalnoj snazi i učinkovitosti.
Što su FinFET i GAA tehnologije?
FinFET i Gate-All-Around (GAA) su napredne arhitekture tranzistora koje nude poboljšanu električnu kontrolu i smanjuju curenje, zbog čega su prikladne za manje veličine čipova.
Što su 2D materijali i koja je njihova uloga u tehnologiji tranzistora?
2D materijali, poput TMD-a, sadrže tanke atomske slojeve koji omogućuju bolje kretanje elektrona, pružajući potencijalne prednosti učinkovitosti u odnosu na tradicionalne silicijske slojeve za buduće poluvodiče.
Kako inovacija tranzistora doprinosi energetskoj učinkovitosti?
Inovacija tranzistora, uključujući dizajne s izuzetno niskom potrošnjom energije i energetski učinkovite materijale, znatno smanjuje potrošnju energije u IoT uređajima, solarnoj tehnologiji i pametnim mrežama.