Kā trīsdimensiju tranzistori pārgāja no laboratorijas uz rūpnīcu

Intel jaunais trīsdimensiju tranzistora dizains, par kuru tika paziņots šīs nedēļas sākumā, ir kulminācija vairāk nekā desmit gadus ilgam pētniecības un izstrādes darbam, kas sākās Kalifornijas universitātes laboratorijā Bērklijā 1999. gadā.

Intel jaunajā dizainā silīcija kanāls ir pacelts kā spura, lai vārti ar to saskaras no trim pusēm. (Nākamā lapa ar lielu grafiku.)

22 nanometru tranzistori, kas, pēc Intel domām, padarīs mikroshēmas par 37 procentiem ātrākas un uz pusi mazāk enerģijas iztērētas, tiks izmantotas katram uzņēmuma 22 nanometru mēroga mikroshēmu elementam, tostarp gan loģikas, gan atmiņas shēmām. Procesori, kas izmanto trīsvārtu tranzistorus, ir demonstrēti darba sistēmās, un šī gada otrajā pusē uzņēmums uzsāks lielapjoma ražošanu. Nav skaidrs, kā ierīču ražotāji izmantos mikroshēmas, taču tie, visticamāk, ļaus uzlabot akumulatora darbības laiku un uzlabot pārnēsājamo ierīču izsmalcinātību, kā arī ātrāku apstrādi galddatoriem un serveriem.

Intel pievērsās jaunajam dizainam, jo ​​esošie dizaini ir sākuši saskarties ar veiktspējas šķēršļiem. Parastie tranzistori sastāv no metāla konstrukcijas, ko sauc par vārtiem, kas ir uzstādīti uz plakana silīcija kanāla. Vārti kontrolē strāvas plūsmu caur kanālu no avota elektroda uz drenāžas elektrodu. Ar katru mikroshēmu paaudzi kanāls ir kļuvis mazāks un mazāks, ļaujot tādiem uzņēmumiem kā Intel ražot ātrākas mikroshēmas, iesaiņojot vairāk tranzistoru. Bet vārtiem ir kļuvis grūtāk pilnībā pārtraukt strāvas plūsmu. Necaurlaidīgi tranzistori, kas pilnībā neizslēdz jaudu.

Trīsvārtu tranzistori izmanto taisnstūrveida silīcija kanālus, kas pielīp no mikroshēmas virsmas, ļaujot vārtiem saskarties ar kanālu no trim pusēm, nevis tikai vienā. Šis intīmāks kontakts nozīmē, ka vārti var gandrīz pilnībā izslēgt tranzistoru pat 22 nanometru skalā, kas ir atbildīgs par Intel jauno mikroshēmu energoefektivitātes pieaugumu. Ir iespējams arī izgatavot trīs vārtu tranzistorus ar vairāk nekā vienu silīcija kanālu, kas savienots ar katru vārtu, lai palielinātu strāvas daudzumu, kas var plūst caur katru tranzistoru, nodrošinot lielāku veiktspēju.

Multivide

• Mūra likums: tranzistoru vēsture attēlos.

• Instruktāža: Mikroprocesori

• Mikroprocesora izstrādes laika grafiks.

Intel neizgudroja šo tranzistora dizainu, taču uzņēmums ir pirmais, kas to nodeva ražošanā. Ja uzņēmums būtu pieturējies pie plakanajiem tranzistoriem, pārejot no 32 nanometru tranzistoriem uz 22 nanometru tranzistoriem, mikroshēmu efektivitāte un veiktspēja būtu uzlabojušās par 20 līdz 30 procentiem, saka nozares analītiķis. Linlija Gvennapa . Bija spekulācijas, ka uzņēmums izmantos jauno tranzistoru dizainu atmiņas elementiem, nevis loģikai, tādējādi pilnībā neizslēdzot plakanos tranzistorus. Izmantojot trīs vārtu tehnoloģiju gan atmiņai, gan loģikai, saka Gvennaps, Intel patiešām tiecas pēc žogiem un redz lielu veiktspējas uzlabojumu, kas varētu būt milzīga priekšrocība salīdzinājumā ar konkurentiem.

Virzoties uz augšu: Parastajā tranzistorā (pa kreisi) augšpusē uzstādīti vārti kontrolē elektriskās strāvas plūsmu caur plakanu silīcija kanālu zemāk. Intel jaunajā dizainā (pa labi) silīcija kanāls ir pacelts kā spura, lai vārti ar to saskaras no trim pusēm. Tas nodrošina lielāku kontroli pār strāvas plūsmu caur kanālu un samazina jaudas noplūdi.

Šos trīsdimensiju tranzistorus pirmo reizi iztēloja un uzbūvēja trīs pētnieki Kalifornijas Universitātē Bērklijā deviņdesmito gadu beigās, atsaucoties uz Amerikas Savienoto Valstu Aizsardzības progresīvo pētījumu projektu aģentūras aicinājumu izstrādāt dizainu, kas ļautu tranzistoriem mērogot zem 25. nanometri, kas ir par lielumu mazāki nekā tajā laikā ražotie. Čenmings Hu 1996. gadā lidmašīnā uz Japānu uzrakstīja jaunā tranzistora tehniskās specifikācijas. Bērklija grupa, ko veidoja Hu, Džefrijs Bokors , un Tsu-Jae karalis Liu pirmo reizi izgatavoja šos tranzistorus, kurus viņi sauca par FinFET, 1999. gadā.

Tas bija tūlītējs trāpījums, saka Hu. Universitāte izvēlējās nodot intelektuālo īpašumu publiskajā īpašumā, nevis patentēt; Kamēr Bērklija pētnieki turpināja pilnveidot dizainus, Hu iepazīstināja ar darbu vairākos uzņēmumos, tostarp Intel. Līdz 2002. gadam FinFET un otrs Berkeley dizains, kas pazīstams kā silīcijs uz izolatora, bija ierīces, kuras iecienīja Starptautiskais pusvadītāju tehnoloģiju ceļvedis tehnoloģijas, kas nākamajos 15 gados apmierinās nozares vajadzības. Bet vismaz Intel FinFET pārspēja otro dizainu, kas balstās uz ļoti plāna silīcija slāņa pievienošanu tranzistoram. Vēl pirms diviem gadiem uzņēmumi, kas ražo silīcija vafeles, nespēja padarīt aktīvo slāni pietiekami plānu. Francijas uzņēmums Soitec tagad var ražot vajadzīgās vafeles šim alternatīvajam dizainam, un Hu saka, ka Intel konkurenti kādā brīdī to varētu pieņemt.

Daudzsološā trīsdimensiju ierīces dizaina izņemšana no laboratorijas un ražošana ilga apmēram desmit gadus. Intel nav atklājis daudz detaļu par to, kādi lieli uzlabojumi ir nepieciešami jauno tranzistoru izgatavošanai, bet pamatojoties uz faktu, ka šķietami nav nepieciešami jauni materiāli vai mašīnas, un minimālais ražošanas izmaksu pieaugums par 2 līdz 3 procentiem, ko solīja uzņēmums — izmaiņas šķiet nelielas. Uzņēmums ir teicis, ka trīsdimensiju kanālu izveide ietver tikai papildu kodināšanas soli.

Hu saka, ka Bērklija pētnieki jau no paša sākuma nolēma, ka viņu jaunajam dizainam jābūt saderīgam ar nozares esošo infrastruktūru, un tas tā ir izrādījies. Hu saka, ka galvenais šķērslis tehnoloģijas sagatavošanā lielapjoma ražošanai, visticamāk, bija uzticamība: ļoti plānā kanāla izmēru kontrole, kad uz katras plāksnītes ir jāizveido miljardi to.

Hu saka, ka Berkeley grupa izstrādāja šos tranzistorus tā, lai ķēdes dizaineriem nebūtu nepieciešams pilnībā pārveidot mikroshēmu arhitektūru. Tas ir daļa no iemesla, kāpēc Intel var tik ātri izņemt produktus. Hu grupa pēdējos piecus gadus ir strādājusi pie ķēdes simulācijas rīkiem trīs vārtu tranzistoriem.

Tomēr ķēdes dizaineri redz jaunas iespējas, kas varētu pavērties ar šiem tranzistoriem. Tie piedāvā jaunus veidus, kā pielāgot atsevišķu vārtu uzvedību, kas dod dizaineriem jaunas pogas, ar kurām var spēlēties, lai vēl vairāk uzlabotu enerģijas efektivitāti un uzticamību. Subhašišs Mitra , Stenfordas universitātes elektrotehnikas un datorzinātņu profesors. Redzot, ka aptuveni desmit gadu laikā tiek ražots pilnīgi jauns tranzistors, tas ir iepriecinoša zīme, ka nozare nav novecojusi un ka labas tehnoloģiju idejas joprojām var izkļūt no akadēmiskajām laboratorijām, piebilst Mitra.

paslēpties