EN
Быстрые ссылки
Современная электроника начала активно развиваться, когда трое учёных из Bell Labs — Уильям Шокли, Джон Бардин и Уолтер Браттейн — создали точечный транзистор ещё в 1947 году. До этого все устройства работали на громоздких электровакуумных лампах, потреблявших огромное количество энергии и склонных к поломкам. Разработанные ими полупроводниковые приборы были намного меньше по размеру, потребляли значительно меньше электроэнергии и позволили резко уменьшить размеры электронных устройств. Спустя несколько лет, в 1951 году, Шокли предложил свою версию — планарный транзистор, который со временем показал лучшие характеристики и сделал производство таких компонентов практичным для массового промышленного использования. Это фактически открыло путь для множества электронных инноваций, которые мы сегодня считаем само собой разумеющимися.
Первый транзисторы использовали германий, поскольку он довольно хорошо работал как полупроводниковый материал. Однако возникала проблема при температурах выше примерно 75 градусов Цельсия, что делало их ненадёжными для большинства промышленных применений. В середине 1960-х годов ситуация изменилась, когда кремний начал вытеснять германий и стал основным материалом. Кремний мог выдерживать значительно более высокие температуры, имел меньшие токи утечки и лучше работал с оксидными изоляторами, которые становились стандартом в отрасли. По мере совершенствования методов выращивания кристаллов и легирования полупроводников примесями производители начали стабильно выпускать кремниевые пластины. Это развитие оказалось чрезвычайно важным для постепенного уменьшения размеров полупроводников и повышения их мощности.
Еще в 1958 году Джек Килби из Texas Instruments и Роберт Нойс из Fairchild Semiconductor предложили нечто по-настоящему революционное — интегральную схему. Это маленькое чудо позволило разместить все отдельные электронные компоненты на одном кусочке кремния, вместо того чтобы располагать их по отдельности на плате. К середине 70-х годов началось массовое внедрение крупномасштабной интеграции, позволившей размещать десятки тысяч миниатюрных транзисторов на каждом чипе. Это полностью соответствовало тому, что Гордон Мур предсказал ранее — вычислительная мощность будет удваиваться каждые пару лет. Со временем усовершенствования в таких областях, как фотолитография, и улучшенные методы производства плоских чипов окончательно закрепили за кремнием статус лидера цифрового мира. Эти достижения сделали возможными не только наши повседневные компьютеры, но и такие устройства, как смартфоны, серверы, обеспечивающие работу веб-сайтов, а также отдельные компоненты современных центров обработки данных, поддерживающих функционирование интернета.
Закон Мура в основном утверждает, что количество транзисторов на чипе примерно удваивается каждые два года, и именно он определяет развитие вычислительной техники с тех пор, как Гордон Мур сделал своё знаменитое предсказание в 1965 году. Анализируя цифры, мы видим, что размеры транзисторов сократились с примерно 10 микрометров в 70-х годах до менее чем 5 нанометров в 2023 году, что значительно повысило как скорость, так и энергоэффективность работы этих чипов. Раньше действовал так называемый масштабируемый закон Деннарда, который поддерживал постоянное энергопотребление по мере уменьшения размеров транзисторов, однако около 2004 года он перестал работать из-за проблем с токами утечки и управления тепловыделением. Согласно недавнему Отчёту о масштабировании полупроводников 2024 года, всё это заставило отрасль изменить курс и перейти к использованию многопроцессорных архитектур вместо того, чтобы просто увеличивать производительность одного ядра; таким образом, производители теперь делают акцент на параллельной обработке данных, а не на повышении тактовых частот.
Когда мы переходим к размерам менее 5 нм, ситуация становится действительно сложной из-за квантового туннелирования и надоедливых паразитных ёмкостей. Электроны больше не ведут себя так, как ожидалось: они склонны просачиваться сквозь барьеры затвора за счёт туннельных эффектов. Это вызывает различные токи утечки, которые, по данным исследования Ponemon прошлого года, могут потреблять около 30 % от общего энергопотребления чипа. Положение усугубляется короткоканальными эффектами, которые нарушают стабильность порогового напряжения. Как отмечено в исследованиях IEEE 2022 года, разброс параметров на таких малых технологических нормах возрастает примерно на 15 %. Все эти проблемы накапливаются и делают управление плотностью мощности чрезвычайно трудным. В результате производителям пришлось существенно инвестировать в сложные системы охлаждения, что обычно увеличивает общую стоимость производства таких передовых чипов на 20–40 %.
Количество транзисторов продолжает расти, но традиционные методы масштабирования больше не пользуются популярностью у специалистов. Согласно опросу IEEE в прошлом году, около двух третей инженеров-полупроводников считают, что закон Мура практически достиг предела. Лишь около одного из десяти ожидает появления практических кремниевых чипов с нормами ниже 1 нм в ближайшее время. Большинство компаний переключают внимание на трёхмерную компоновку чипов и объединение различных компонентов вместе вместо того, чтобы пытаться уменьшить всё до одного элемента. Судя по последним тенденциям, технологический мир всё меньше заботится о том, насколько малы транзисторы, и всё больше — о том, насколько эффективно работают системы в целом. Это знаменует довольно серьёзный сдвиг в понимании того, что считать реальным прогрессом в разработке полупроводников.
Переход от плоских планарных транзисторов к трёхмерным структурам FinFET стал настоящим прорывом в улучшении управления электричеством. Суть метода заключается в том, что затвор охватывает с трёх сторон вертикально стоящий кремниевый плавник, что позволяет сократить нежелательные утечки и обеспечивает возможность уменьшения размеров до менее чем 22 нанометра. Затем появились транзисторы с наноплёночной структурой (nanosheet), которые ещё дальше продвинули эту концепцию, позволив инженерам регулировать ширину проводящих каналов в зависимости от требуемых напряжений. Судя по результатам, достигнутым в отрасли, такие трёхмерные конструкции продолжают эффективно работать даже при размерах менее 3 нм, тогда как старые планарные решения перестали быть жизнеспособными уже на уровне около 28 нм из-за того, что проблемы утечек и потерь энергии вышли из-под контроля.
Конструкция транзистора Gate-all-around (GAA) выводит технологию FinFET на новый уровень, полностью охватывая канал материалом затвора со всех сторон. Такое полное покрытие обеспечивает значительно лучший контроль над электрическими свойствами и сокращает паразитные утечки примерно на 40 процентов. Кроме того, такие устройства быстрее переключаются и эффективно работают при масштабировании за пределы отметки 2 нм. В то же время структуры Complementary FET (CFET) продвигают технологию дальше, размещая n-канальные и p-канальные транзисторы вертикально один над другим. Такая конструкция позволяет удвоить количество логических компонентов, помещаемых в том же пространстве, без увеличения площади поверхности чипа. Подходы GAA и CFET решают серьёзные проблемы, с которыми сталкиваются производители при управлении электростатическими эффектами и оптимизации топологий по мере уменьшения размеров полупроводниковых элементов до атомарных масштабов.
Ведущие полупроводниковые фабрики переходят к процессам производства менее 2 нм, хотя, согласно текущим прогнозам, массовое производство транзисторов с затвором со всех сторон (GAA) может начаться примерно в 2025 году. В настоящее время большинство отраслевых дорожных карт сосредоточены на повышении производительности при одновременном снижении энергопотребления, а не просто на увеличении количества транзисторов на чипах. Некоторые опытные производства уже начали экспериментировать с гибридными методами соединения для создания многослойных монолитных 3D-структур, что свидетельствует о более широком системном подходе компаний к взаимодействию целых систем. Медленное внедрение этих технологий объясняет, почему значительные средства продолжают вкладываться в передовое литографическое оборудование и современные системы осаждения. Без этих дорогостоящих обновлений вся отрасль быстро бы остановилась.
Монолитная 3D-интеграция позволяет производителям создавать несколько активных слоёв на одной подложке с использованием последовательных методов изготовления. В сочетании с технологией многослойного CMOS такая конструкция делает возможным размещение логических схем непосредственно рядом с компонентами памяти. Сейчас мы уже наблюдаем, как, например, SRAM размещается прямо под вычислительными ядрами. Однако остаются проблемы, связанные с тепловыделением между слоями и передачей сигналов с одного слоя на другой. Тем не менее, недавние улучшения в методах низкотемпературного производства, а также совершенствование сквозных кремниевых соединений (этих крошечных проводников, проходящих сквозь кремниевые пластины), указывают на то, что реальные продукты могут появиться на рынке примерно к 2026 году — особенно для ускорителей ИИ и устройств граничных вычислений. Некоторые эксперты считают, что такой подход к пространственному масштабированию может продлить жизнь закона Мура ещё примерно на десять лет, прежде чем мы вновь столкнёмся с пределом.
Материалы, называемые дихалькогенидами переходных металлов, или сокращённо TMD, включают такие вещества, как дисульфид молибдена (MoS2) и селенид вольфрама (WSe2). Эти материалы чрезвычайно тонкие на атомарном уровне и позволяют электронам перемещаться через них достаточно быстро. При рассмотрении очень маленьких полупроводниковых элементов такие TMD обеспечивают соотношение токов включенного и выключенного состояний выше 10⁸ при рабочем напряжении всего 0,7 вольта. Это примерно на 74 процента лучше, чем у кремния, согласно некоторым недавним исследованиям IMEC 2023 года. Слоистая структура этих материалов помогает контролировать надоедливые эффекты короткого канала, даже когда размеры элементов достигают около 5 нанометров. Благодаря этому свойству многие исследователи считают, что TMD могут стать важными строительными блоками для компьютерных чипов следующего поколения и других логических устройств в ближайшие годы.
Несмотря на их потенциал, широкое внедрение TMD затруднено из-за плотности дефектов при осаждении на уровне пластины. Эпитаксия селективной области позволила снизить количество ловушечных состояний на 63%, однако для массового производства необходима плотность дефектов менее 3% — этот показатель до сих пор достигается только в лабораторных условиях (дорожная карта по полупроводникам 2024 года).
Транзисторы, изготовленные из углеродных нанотрубок, могут перемещать электроны по прямой линии без рассеяния, если их длина составляет около 15 нанометров. Это обеспечивает им скорость переключения, почти в три раза превышающую традиционную кремниевую технологию FinFET. Однако есть одна проблема. У исследователей до сих пор возникают трудности с контролем хиральности (которая определяет электрические свойства) и получением стабильных результатов легирования, что затрудняет массовое производство надёжных устройств. Графен представляет ещё один интересный случай. Хотя он обладает потрясающей проводимостью, у него отсутствует естественная ширина запрещённой зоны, что делает его непригодным для стандартных цифровых схем. Тем не менее, ведутся перспективные исследования по комбинации графена и слоёв гексагонального нитрида бора. Эти гибридные структуры могут найти применение в узкоспециализированных областях, где их уникальные характеристики можно будет эффективно использовать.
Стремление внедрить 2D-материалы в массовое производство сосредоточено вокруг методов осаждения атомных слоев, которые хорошо работают с диэлектриками с высокой проницаемостью, такими как HZO. Недавние данные от отраслевой группы в 2024 году показывают, что большинство производственных предприятий уже тестируют оборудование для этих материалов. Примерно на 8 из 10 производственных линий уже установлено какое-либо оборудование для обработки 2D-материалов. Однако на этапе заключительной стадии производства по-прежнему существует проблема, связанная с созданием новых металлических соединений. Дело в чувствительности к нагреву, поскольку многие процессы не могут превышать 400 градусов Цельсия без риска повреждения компонентов. Это температурное ограничение вынуждает инженеров искать творческие решения для правильного соединения этих передовых материалов без ущерба для их производительности.
Ожидается, что к 2030 году количество устройств интернета вещей достигнет около 29 миллиардов, что означает необходимость потребления транзисторами менее 1 микроампера в режиме ожидания для эффективной работы систем. Недавние исследования показали, что субпороговые схемы и транзисторы с туннельным эффектом (TFET), о которых мы слышим в последнее время, могут сократить токи утечки почти на 60 процентов по сравнению со стандартной технологией MOSFET. Что это значит для реальных применений? Это позволяет системам экологического мониторинга, а также некоторым имплантируемым медицинским устройствам работать годы от одного заряда аккумулятора, сохраняя при этом достаточную вычислительную мощность для корректного выполнения своих функций. Полупроводниковая промышленность активно продвигает эти инновации вперёд, понимая, насколько критически важным становится долгое время автономной работы батарей в самых разных областях.
Последние транзисторы на основе карбида кремния (SiC) и нитрида галлия (GaN) достигают эффективности около 99,3% при использовании в солнечных инверторах, что помогает сократить общие выбросы CO2 примерно на 2,1 миллиона тонн в год. Согласно последним исследованиям из отчётов по энергетической инфраструктуре, эти передовые компоненты переключения снизили потери энергии примерно на 40% в приложениях умных сетей по сравнению с данными 2020 года. Производители сейчас также переходят к методам упаковки на уровне пластин. Такой подход не только снижает надоедливые резистивные потери, но и хорошо сочетается с существующим оборудованием для производства пластин диаметром 300 мм, не требуя масштабной модернизации производственных мощностей.
Нейроморфные чипы на основе ферроэлектрических полевых транзисторов (FeFET) обеспечивают в 1000 раз лучшую энергоэффективность на одну синаптическую операцию по сравнению с GPU, что позволяет эффективно развертывать ИИ на периферии сети. Гибкие органические тонкоплёночные транзисторы теперь достигают подвижности 20 см²/В·с и выдерживают 500 циклов изгиба, обеспечивая долговечность и возможность стирки медицинских мониторов.
Современный дизайн транзисторов учитывает баланс между током в открытом состоянии (ION), скоростью переключения, стоимостью и долговечностью в зависимости от требований применения. Транзисторы автомобильного класса надёжно работают при температуре 175 °C, тогда как варианты для биомедицинских приложений соответствуют строгим требованиям по отказоустойчивости — не более 0,1 % отказов за срок службы 15 лет. Такой подход, ориентированный на конкретное применение, обеспечивает превращение технологических достижений в практическую надёжность и ценность.
Какой крупный прорыв совершила компания Bell Labs в 1947 году?
В 1947 году учёные из Bell Labs изобрели точечный транзистор. Это позволило сделать электронные устройства значительно меньше и эффективнее по сравнению с использовавшимися ранее вакуумными лампами.
Почему кремний стал предпочтительным материалом по сравнению с германием в транзисторах?
Кремний заменил германий в качестве основного полупроводникового материала в середине 1960-х годов, поскольку он способен выдерживать более высокие температуры, имеет меньший уровень утечки и лучше работает с оксидными изоляторами.
Что такое закон Мура и почему он важен?
Закон Мура предсказывает, что количество транзисторов на чипе будет удваиваться примерно каждые два года, что стимулирует развитие вычислительной мощности и повышение эффективности.
Что такое технологии FinFET и GAA?
FinFET и затвор со всех сторон (GAA) — это передовые архитектуры транзисторов, обеспечивающие улучшенный электрический контроль и снижение утечки, что делает их пригодными для использования при уменьшении размеров чипов.
Что такое двумерные материалы и какова их роль в технологии транзисторов?
двумерные материалы, такие как TMDs, содержат тонкие атомные слои, которые обеспечивают лучшее движение электронов и потенциальные преимущества в эффективности по сравнению с традиционными кремниевыми слоями для будущих полупроводников.
Каким образом инновации в области транзисторов способствуют энергоэффективности?
Инновации в транзисторах, включая конструкции с ультранизким энергопотреблением и энергоэффективные материалы, значительно снижают потребление энергии в устройствах интернета вещей, солнечных технологиях и умных сетях.