EN
Швидкі посилання
Сучасна електроніка справді почала розвиватися, коли троє чоловіків у Bell Labs — Вільям Шоклі, Джон Бардін і Уолтер Браттейн — створили точковий транзистор ще в 1947 році. До цього все залежало від громіздких електронних ламп, які споживали величезну кількість енергії й часто виходили з ладу. Нові напівпровідникові пристрої, які вони розробили, були значно меншими за розміром, використовували набагато менше електрики й дозволяли пристроям значно зменшуватися в розмірах. Кілька років потому, у 1951 році, Шоклі запропонував свій варіант — переходовий транзистор, який краще працював із часом і зробив виробництво цих компонентів практичним для масового використання в різних галузях. Це фактично відкрило шлюзи для безлічі електронних інновацій, які ми сьогодні сприймаємо як належне.
Перший транзистори використовували германій, оскільки він цілком непогано працював як напівпровідниковий матеріал. Проте виникала проблема, коли температура перевищувала приблизно 75 градусів Цельсія, що робило їх ненадійними для більшості промислових застосувань. Приблизно в середині 1960-х років ситуація змінилася, коли кремній почав ставати основним матеріалом. Кремній міг витримувати значно вищу температуру, мав менший струм витоку і краще працював з оксидними ізоляторами, які ставали стандартними в галузі. Оскільки методи вирощування кристалів і додавання домішок через процеси легування покращилися, виробники почали виготовляти кремнієві пластини більш узгоджено. Цей розвиток виявився надзвичайно важливим для поступового зменшення розмірів напівпровідників і підвищення їх потужності.
У 1958 році Джек Кілбі з Texas Instruments і Роберт Нойс із Fairchild Semiconductor запропонували дещо революційне: інтегральну схему. Це диво техніки помістило всі окремі електронні компоненти на один шматочок кремнію замість того, щоб розкидати їх по платі. Поступово до середини 70-х років почалася масштабна інтеграція, коли десятки тисяч мікротранзисторів вміщували на кожен чіп. Це було в повній відповідності з тим, що Гордон Мур передбачив тоді щодо подвоєння обчислювальної потужності кожні кілька років. З плином часу покращення таких технологій, як фотолітографія, та удосконалення способів виготовлення плоских чіпів остаточно закріпили кремній як правителя цифрового світу. Ці досягнення зробили можливими не лише наші повсякденні комп'ютери, але й такі пристрої, як смартфони, сервери, що забезпечують роботу сайтів, а також окремі компоненти сучасних центрів обробки даних, які тримають інтернет у робочому стані.
Закон Мура стверджує, що кількість транзисторів на мікросхемі приблизно подвоюється кожні два роки, і саме це керувало розвитком обчислювальної техніки з того часу, як Гордон Мур висунув своє знамените передбачення у 1965 році. Аналізуючи цифри, бачимо, що розміри транзисторів скоротилися з приблизно 10 мікрометрів у 70-х роках до менш ніж 5 нанометрів сьогодні, у 2023 році, що значно підвищило як швидкість, так і ефективність роботи мікросхем. Існувало явище під назвою масштабування Деннарда, яке раніше забезпечувало стале енергоспоживання при зменшенні розмірів транзисторів, але близько 2004 року воно почало порушуватися через проблеми з витоками струму та управлінням тепловиділенням. Згідно з останнім Звітом про масштабування напівпровідників 2024 року, все це змусило галузь змінити курс на використання багатоядерних архітектур замість того, щоб просто збільшувати швидкість окремих ядер, тому виробники тепер роблять акцент на паралельній обробці даних, а не на підвищенні тактових частот.
Коли ми доходиш до розмірів менше 5 нм, ситуація стає дуже складною через квантове тунелювання та ці неприємні паразитні ємності. Електрони більше не поводяться так, як очікується, вони мають тенденцію просочуватися крізь бар'єри затвору завдяки тунельним ефектам. Це призводить до різних струмів витоку, які можуть споживати близько 30% загальної потужності чіпа, згідно з дослідженням Понемона минулого року. І становиться ще гірше, коли враховувати ефекти короткого каналу, які порушують стабільність порогової напруги. Варіації зростають приблизно на 15% на таких малих техпроцесах, як зазначено у дослідженнях IEEE у 2022 році. Усі ці проблеми накопичуються одна на одну і роблять управління густини потужності надзвичайно важким. Як наслідок, виробникам довелося значно інвестувати в складні системи охолодження, що зазвичай збільшує загальні витрати на виробництво таких сучасних чіпів на 20–40%.
Кількість транзисторів продовжує зростати, але традиційні методи масштабування більше не викликають ентузіазму у фахівців. Згідно з опитуванням IEEE минулого року, приблизно дві третини інженерів-напівпровідників вважають, що закон Мура фактично досяг межі. Лише близько однієї десятої очікує, що незабаром з’являться практичні кремнієві чіпи з розміром менше 1 нм. Більшість компаній тепер роблять акцент на тривимірне стекування чіпів і поєднання різних компонентів замість спроби зменшити все до одного елемента. Враховуючи останні тенденції, здається, що техносфера все менше цікавиться тим, наскільки маленькими є транзистори, і все більше — тим, наскільки добре працюють системи в цілому. Це свідчить про значний зсув у поглядах на те, що вважається справжнім прогресом у розробці напівпровідників.
Перехід від плоских планарних транзисторів до фешкових 3D-структур FinFET був справжньою революцією у кращому контролі електрики. Суть полягає в тому, щоб оточити затвор навколо маленького вертикально встановленого кремнієвого ребра, що зменшує небажані витоки й дозволяє зменшувати розміри нижче 22 нанометрів. Потім з'явилися транзистори з наноплівками, які ще далі розвинули цю концепцію, дозволяючи інженерам регулювати ширину провідних каналів залежно від напруг, які потрібно обробляти. Згідно з даними галузі, ці тривимірні конструкції продовжують добре працювати на розмірах менше 3 нм, тоді як для старих планарних конструкцій це стало неможливим після досягнення приблизно 28 нм через неконтрольоване зростання витоків та втрат енергії.
Конструкція транзистора з повним оточенням затвору (GAA) посилює технологію FinFET, повністю оточуючи канал матеріалом затвору з усіх боків. Таке повне покриття забезпечує значно кращий контроль над електричними властивостями та зменшує небажаний струм витоку приблизно на 40 відсотків. Крім того, ці пристрої швидше перемикаються та добре працюють під час масштабування нижче позначки 2 нм. У той же час структури комплементарного FET (CFET) розвивають цей напрямок далі, вертикально розташовуючи n-канальні та p-канальні транзистори один над одним. Ця вигадлива конструкція дозволяє подвоїти кількість логічних компонентів, що поміщаються в тому самому просторі, не збільшуючи площу чіпа. Обидва підходи — GAA та CFET — допомагають вирішити серйозні проблеми, з якими стикаються виробники під час контролювання електростатичних ефектів і оптимізації розташування елементів, коли розміри напівпровідникових структур зменшуються до атомних розмірів.
Топові напівпровідникові фабрики поступово наближаються до процесів виготовлення менше 2 нм, хоча масове виробництво транзисторів з оточуючим затвором (GAA) може розпочатися приблизно у 2025 році згідно із поточними прогнозами. Більшість промислових дорожніх карт тепер зосереджена на покращенні продуктивності при зниженні енергоспоживання, а не просто на збільшенні кількості транзисторів на чипах. Деякі пілотні установки вже розпочали експериментувати з гібридними методами зв'язування для створення складних монолітних 3D-структур, що свідчить про те, що компанії думають у ширшому контексті взаємодії цілих систем. Повільне впровадження цих технологій пояснює, чому так багато коштів продовжує надходити у розробку передового літографічного обладнання та сучасних систем осадження. Без цих дорогих оновлень уся галузь швидко зазнала б стагнації.
Монолітна 3D-інтеграція дозволяє виробникам створювати кілька активних шарів на одній підкладці за допомогою послідовних технологій виготовлення. У поєднанні зі стековою технологією CMOS ця конфігурація дозволяє розміщувати логічні схеми безпосередньо поруч із компонентами пам'яті. Зараз ми бачимо, що такі елементи, як SRAM, розміщуються прямо під обчислювальними ядрами. Проте залишаються проблеми, пов’язані з тепловиділенням між шарами та передачею сигналів з одного шару на інший. Однак останні досягнення в галузі низькотемпературних методів виробництва, а також покращення черезкремнієвих виводів (цих найдрібніших з’єднань, що проходять крізь кремнієві пластини), свідчать про те, що реальні продукти можуть з’явитися на ринку для прискорювачів штучного інтелекту та пристроїв граничних обчислень приблизно у 2026 році? Деякі експерти вважають, що такий просторовий масштаб може підтримувати закон Мура ще приблизно десять років, перш ніж ми досягнемо чергової межі.
Матеріали, які називають дихалькогенідами перехідних металів, або скорочено TMDs, включають такі речовини, як дисульфід молібдену (MoS2) та диселенід вольфраму (WSe2). Ці матеріали є надзвичайно тонкими на атомному рівні й дозволяють електронам рухатися крізь них досить швидко. Коли ми розглядаємо дуже маленькі напівпровідникові структури, ці TMDs можуть досягати співвідношення струмів увімкненого/вимкненого стану понад 10 у степені 8 при роботі лише з напругою 0,7 вольта. Це фактично приблизно на 74 відсотки краще, ніж те, що може зробити кремній, згідно з деякими недавніми дослідженнями IMEC за 2023 рік. Спосіб, у який ці матеріали укладаються один на одного шарами, допомагає контролювати ті неприємні короткоканальні ефекти, навіть коли розміри структур зменшуються до приблизно 5 нанометрів. Через цю властивість багато дослідників вважають, що TMDs можуть стати важливими будівельними блоками для комп'ютерних чіпів нового покоління та інших логічних пристроїв у найближчі роки.
Незважаючи на їхній потенціал, широкому впровадженню ТМП перешкоджає щільність дефектів під час осадження на рівні пластин. Селективна епітаксія знизила кількість станів-ловушок на 63%, проте для масового виробництва необхідно досягти щільності дефектів менше 3% — цей показник досі досягнуто лише в лабораторних умовах (дорожня карта напівпровідників 2024 року).
Транзистори, виготовлені з вуглецевих нанотрубок, можуть переміщати електрони по прямій лінії без розсіювання, коли їх довжина становить близько 15 нанометрів. Це забезпечує їм швидкість перемикання, яка майже втричі перевищує традиційну кремнієву технологію FinFET. Але є одне «але». Дослідники досі стикаються з труднощами у контролюванні хіральності (яка визначає електричні властивості) та отриманні стабільних результатів легування, що ускладнює масове виробництво надійних пристроїв. Графен представляє ще один цікавий випадок. Хоча він має чудову провідність, у нього немає природньої забороненої зони, що робить його непридатним для стандартних цифрових схем. Проте ведеться перспективна робота з комбінацій графену та шарів гексагонального нітриду бору. Ці гібридні структури можуть знайти застосування в окремих спеціалізованих сферах, де їхні унікальні характеристики можна буде ефективно використати.
Прагнення впровадити двовимірні матеріали в масове виробництво зосереджено навколо методів осадження атомних шарів, які добре працюють із діелектриками з високою сталою діелектричної проникності, такими як HZO. Останні дані від галузевої групи за 2024 рік показують, що більшість виробничих підприємств уже тестують обладнання для цих матеріалів. Близько 8 із 10 ліній сьогодні мають певне устаткування для обробки двовимірних матеріалів. Проте на етапі закінчення виробництва залишається проблема, пов’язана з необхідністю створення нових металевих з’єднань. Проблема полягає в чутливості до нагріву, оскільки багато процесів не можуть перевищувати 400 градусів Цельсія без пошкодження компонентів. Обмеження температури змушує інженерів знаходити креативні рішення для правильного з'єднання цих передових матеріалів без погіршення їхніх характеристик.
Очікується, що кількість пристроїв Інтернету речей досягне приблизно 29 мільярдів до 2030 року, що означає: транзистори повинні споживати менше 1 мікроампера в режимі очікування, щоб забезпечити ефективну роботу. Останні дослідження показали, що субпорогові схеми разом із тунельними транзисторами з ефектом поля, про які ми чули останнім часом, можуть зменшити струми витоку майже на 60 відсотків у порівнянні зі стандартною технологією MOSFET. Що це означає для реальних застосунків? Це дозволяє системам моніторингу навколишнього середовища та навіть деяким імплантуючим медичним пристроям працювати роками від одного заряду, зберігаючи достатню обчислювальну потужність для належного виконання своїх функцій. Півпровідникована галузь активно просуває ці інновації вперед, адже розуміє, наскільки важливим стає тривале живлення батарей у багатьох різних сферах.
Останні транзистори з карбіду кремнію (SiC) і нітриду галію (GaN) досягають приблизно 99,3% ефективності під час використання в сонячних інверторах, що допомагає щороку загалом скоротити викиди CO2 приблизно на 2,1 мільйона тонн. Останні дослідження звітів про енергетичну інфраструктуру вказують, що ці сучасні перемикальні компоненти зменшили втрати енергії приблизно на 40% у застосунках розумних мереж порівняно з показниками 2020 року. Виробники тепер також звертаються до технологій упаковки на рівні пластин. Цей підхід не лише зменшує дратівливі омічні втрати, але й гармонує з існуючим обладнанням для виготовлення 300 мм пластин, не вимагаючи масштабної модернізації виробничих потужностей.
Нейроморфні чіпи, що використовують фероелектричні польові транзистори (FeFET), забезпечують у 1000 разів кращу енергоефективність на одну синаптичну операцію порівняно з GPU — це дозволяє ефективно розгортати штучний інтелект на периферії мережі. Гнучкі органічні тонкоплівкові транзистори досягають рухливості 20 см²/В·с і витримують 500 циклів згинання, що забезпечує створення міцних і придатних для прання приладів контролю стану здоров’я.
Сучасне проектування транзисторів враховує баланс між струмом у відкритому стані (ION), швидкістю перемикання, вартістю та довговічністю залежно від конкретного застосування. Транзистори, призначені для автомобільної промисловості, надійно працюють при температурі 175 °C, тоді як медичні варіанти відповідають жорстким вимогам щодо частоти відмов — не більше 0,1% протягом 15-річного терміну служби. Такий підхід, орієнтований на конкретне застосування, гарантує, що технологічний прогрес перетворюється на реальну надійність і корисність у практичному застосуванні.
Який великий прорив було зроблено в Bell Labs у 1947 році?
У 1947 році вчені з Bell Labs винайшли транзистор з точковим контактом. Це дозволило електронним пристроям стати значно меншими та ефективнішими у порівнянні з вакуумними лампами, що використовувалися раніше.
Чому кремній став переважним матеріалом замість германію у транзисторах?
Кремній замінив германій як основний напівпровідниковий матеріал у середині 1960-х років, оскільки він краще витримує високі температури, має менший струм витоку та краще працює з оксидними ізоляторами.
Що таке закон Мура і чому він важливий?
Закон Мура передбачає, що кількість транзисторів на мікросхемі приблизно кожні два роки подвоюється, що сприяє розвитку обчислювальної потужності та ефективності.
Що таке технології FinFET і GAA?
FinFET і Gate-All-Around (GAA) — це сучасні архітектури транзисторів, які забезпечують покращений електричний контроль і зменшують струм витоку, що робить їх придатними для виготовлення мікросхем меншого розміру.
Що таке двовимірні матеріали і яку роль вони відіграють у технології транзисторів?
2D-матеріали, такі як TMDs, містять тонкі атомні шари, які забезпечують кращий рух електронів і можуть бути ефективнішими порівняно з традиційними кремнієвими шарами для напівпровідників майбутнього.
Як інновації в транзисторах сприяють енергоефективності?
Інновації в транзисторах, включаючи конструкції з наднизьким енергоспоживанням і енергоефективні матеріали, значно зменшують споживання енергії в пристроях Інтернету речей, сонячних технологіях та розумних мережах.