Η τεχνολογία ημιαγωγών δεν σταματά ποτέ. Η πρόοδος είναι συνεχής και σε πολύ υψηλά επίπεδα. Συσκευές με υψηλότερη απόδοση και μεγαλύτερη αποδοτικότητα είναι όλο και πιο απαραίτητες, και αυτό προέρχεται μόνο από τη βελτίωση των υλικών, των δομών και των ίδιων των ενσωματωμένων συσκευών, όπως η μετάβαση από τα CMOS MOSFET στα σημερινά FinFET, και η άφιξη νέων τρανζίστορ όπως τα cFET ή VTFETs, με την οποία η IBM και η Samsung στοχεύουν να φέρουν επανάσταση στον κλάδο…
Λίγο de historia
Το 1965, ο Γκόρντον Μουρ πρότεινε για πρώτη φορά μια υπόθεση που διαμόρφωσε την εξέλιξη της τεχνολογίας: ο νόμος του ΜουρΑυτό υποστήριζε ότι ο αριθμός των εξαρτημάτων, όπως τα τρανζίστορ, σε ένα πυκνό ολοκληρωμένο κύκλωμα θα διπλασιαζόταν κάθε δύο χρόνια, ενισχύοντας έτσι την ταχύτητα και την χωρητικότητα των υπολογιστών. Ωστόσο, μετά από περισσότερα από 55 χρόνια, πλησιάζουμε στο όριο αυτού που μπορεί να επιτευχθεί αυξάνοντας τον αριθμό των τρανζίστορ σε ένα μόνο τσιπ.
Παρά ταύτα, η πορεία προς το μέλλον των συστημάτων Η πληροφορική συνεχίζεται αμείωτη. Δυναμικά συστήματα τεχνητής νοημοσύνης είναι έτοιμα να τροφοδοτήσουν ποικίλες πτυχές της ζωής μας, από την οδική ασφάλεια έως την ανακάλυψη φαρμάκων και την προηγμένη κατασκευή. Αυτές οι εφαρμογές θα απαιτήσουν σημαντικά πιο ισχυρά τσιπ από τα σημερινά. Για να συνεχιστεί η πρόοδος στην ταχύτητα και την ικανότητα επεξεργασίας, όπως υποστήριξε ο Moore, θα πρέπει να κατασκευαστούν τσιπ με έως και 100 δισεκατομμύρια τρανζίστορ.
Στο πλαίσιο αυτό, Η IBM Research, σε συνεργασία με τη Samsung και ο συνεργάτης μας, η Albany Research Alliance, πέτυχε μια σημαντική ανακάλυψη στον σχεδιασμό ημιαγωγών. Η καινοτόμος προσέγγισή μας, που ονομάζεται Vertical Transport Nanosheet Field Effect Transistor (VTFET), θα μπορούσε να είναι το κλειδί για να διατηρηθεί ζωντανός ο νόμος του Moore για τα επόμενα χρόνια.
VTFET: Νανοφύλλο κατακόρυφης μεταφοράς για να διατηρήσει ζωντανό τον νόμο του Moore
Το VTFET είναι ένα επαναστατική προσέγγιση στην αρχιτεκτονική τρανζίστορΣε αντίθεση με τα συμβατικά σχέδια, αυτό το νέο τρανζίστορ χρησιμοποιεί πλακίδια μεγέθους νανομέτρου που επιτρέπουν την κατακόρυφη μεταφορά ρεύματος, αντί να βασίζεται αποκλειστικά στην πλευρική μεταφορά ρεύματος. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα βελτιωμένη απόδοση και μεγαλύτερη ενεργειακή απόδοση.
Ένα από τα Βασικά πλεονεκτήματα του VTFET Η ικανότητά του να ενσωματώνει μεγαλύτερο αριθμό τρανζίστορ σε ένα τσιπ χωρίς να αυξάνει σημαντικά το μέγεθός του. Επιτρέποντας την κατακόρυφη μεταφορά ρεύματος, η απόσταση που πρέπει να διανύσει το ηλεκτρικό σήμα μπορεί να μειωθεί, οδηγώντας σε βελτιωμένη ταχύτητα και αποτελεσματικότητα επεξεργασίας.
Επιπλέον, το VTFET προσφέρει ένα μεγαλύτερη αντοχή στη θερμότητα και ηλεκτρικές απώλειες, καθιστώντας την μια πολλά υποσχόμενη επιλογή για εφαρμογές υψηλής ισχύος και απόδοσης. Αυτό θα μπορούσε να είναι ιδιαίτερα σημαντικό σε τομείς όπως η τεχνητή νοημοσύνη και η κβαντική υπολογιστική, όπου απαιτείται εντατική και ταχεία επεξεργασία μεγάλων όγκων δεδομένων.
Η προσέγγιση VTFET της IBM Research και της Samsung καταδεικνύει ότι η συνεχής καινοτομία και η εξερεύνηση νέων προσεγγίσεων μπορούν να βοηθήσουν στην υπέρβαση των σημερινών τεχνολογικών ορίων. Παρόλο που ο νόμος του Moore μπορεί να φτάνει στο όριό του όσον αφορά την αύξηση του αριθμού των τρανζίστορ σε ένα τσιπ, αυτή η νέα τεχνολογία προσφέρει μια πολλά υποσχόμενη πορεία για τη συνέχιση της προόδου της πληροφορικής στο μέλλον.
Εύρεση περισσότερου χώρου
Σήμερα, Οι κυρίαρχες αρχιτεκτονικές τσιπ είναι τα τρανζίστορ πλευρικής μεταφοράς πεδίου φαινομένου (FET), όπως το τρανζίστορ φαινομένου πεδίου με πτερύγια ή FinFET (που πήρε το όνομά του επειδή το σώμα του από πυρίτιο μοιάζει με το πτερύγιο της ουράς ενός ψαριού), το οποίο στοιβάζει τρανζίστορ κατά μήκος της επιφάνειας ενός πλακιδίου. Αντίθετα, το VTFET στοιβάζει τρανζίστορ κάθετα στο πλακίδιο πυριτίου και κατευθύνει τη ροή ρεύματος κάθετα στην επιφάνεια του πλακιδίου. Αυτή η νέα προσέγγιση αντιμετωπίζει τα εμπόδια κλιμάκωσης χαλαρώνοντας τους φυσικούς περιορισμούς στο μήκος της πύλης του τρανζίστορ, το πάχος του διαχωριστή και το μέγεθος της επαφής, έτσι ώστε καθένα από αυτά τα χαρακτηριστικά να μπορεί να βελτιστοποιηθεί είτε για απόδοση είτε για κατανάλωση ενέργειας.
Με το VTFET, έχει αποδειχθεί με επιτυχία ότι είναι δυνατό να διερευνηθεί η κλίμακα πέρα από την τεχνολογία φιλμ μεγέθους νανομέτρου στο σχεδιασμό ημιαγωγών CMOS. Σε αυτούς τους προηγμένους κόμβους, το VTFET θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για να προσφέρει έως και διπλάσια απόδοση ή... μείωση έως και 85% στην κατανάλωση ενέργειας σε σύγκριση με την εναλλακτική λύση με κλιμακωτό finFET.
η νέα αρχιτεκτονική Το VTFET δείχνει μια διαδρομή για να συνεχιστεί η κλιμάκωση πέρα από το νανομετρικό φύλλοΤον Μάιο, η IBM ανακοίνωσε σχέδια τσιπ κόμβων 2 νανομέτρων που θα επιτρέψουν σε ένα τσιπ να φιλοξενήσει έως και 50 δισεκατομμύρια τρανζίστορ σε έναν χώρο στο μέγεθος ενός νυχιού. Το VTFET συνεχίζει το ταξίδι της καινοτομίας και ανοίγει την πόρτα σε νέες δυνατότητες.
Στο παρελθόν, οι σχεδιαστές ενσωμάτωναν περισσότερα τρανζίστορ σε ένα τσιπ μειώνοντας τα βήματα της πύλης και του σύρματος. Ο φυσικός χώρος όπου χωράνε όλα τα εξαρτήματα ονομάζεται Θέση Πύλης με Επαφή (CGP)Η δυνατότητα μείωσης των βημάτων των πυλών και των ακροδεκτών έχει επιτρέψει στους σχεδιαστές ολοκληρωμένων κυκλωμάτων να χρησιμοποιήσουν από χιλιάδες σε εκατομμύρια τρανζίστορ στις συσκευές μας. Αλλά με τις πιο προηγμένες τεχνολογίες finFET, υπάρχει περιορισμένος χώρος για αποστάτες, πύλες και επαφές. Μόλις επιτευχθεί το όριο CGP, δεν υπάρχει πλέον διαθέσιμος χώρος.
Το CGP αναφέρεται στην ελάχιστη απόσταση από τη μία πύλη ενός τρανζίστορ στην άλλη και λειτουργικά αποτελεί ένδειξη του φυσικού χώρου όπου χωράνε όλα τα εξαρτήματα.
Κατευθύνοντας τη ροή του ηλεκτρικού ρεύματος κάθετα, οι πύλες, οι αποστάτες και οι επαφές δεν περιορίζονται πλέον με τους παραδοσιακούς τρόπους: έχουμε χώρο για να κλιμακώσουμε το CGP διατηρώντας παράλληλα ένα υγιές μέγεθος τρανζίστορ, επαφής και μόνωσης (Απομόνωση ρηχής τάφρου ή ΣΜΝ). Απαλλαγμένοι από τους περιορισμούς της πλευρικής διάταξης και της ροής ρεύματος, οι ερευνητές μπόρεσαν επίσης να χρησιμοποιήσουν μεγαλύτερες επαφές πηγής/αποστράγγισης για να αυξήσουν το ρεύμα στη συσκευή. Το μήκος της πύλης μπορεί να επιλεγεί για να βελτιστοποιήσει το ρεύμα αγωγιμότητας και τη διαρροή της συσκευής, ενώ το πάχος του διαχωριστή μπορεί να βελτιστοποιηθεί ανεξάρτητα για χαμηλότερη χωρητικότητα. Δεν είναι πλέον αναγκασμένοι να κάνουν συμβιβασμούς μεταξύ των μεγεθών της πύλης, του διαχωριστή και της επαφής, κάτι που μπορεί να οδηγήσει σε ταχύτερες ταχύτητες μεταγωγής και μειωμένη κατανάλωση ενέργειας.
Ένα άλλο βασικό χαρακτηριστικό του VTFET είναι η δυνατότητα χρήσης STI για την απομόνωση γειτονικών κυκλωμάτων και την επίτευξη απομόνωσης Διάλειμμα μηδενικής διάχυσης (ZDB), χωρίς απώλεια ενεργών διαδρομών πύλης. Συγκριτικά, η πυκνότητα των κυκλωμάτων FET πλευρικής μεταφοράς επηρεάζεται από τις διπλές ή απλές βλάβες διάχυσης που απαιτούνται για την απομόνωση του κυκλώματος, γεγονός που μειώνει την ικανότητα περαιτέρω συρρίκνωσης της τεχνολογίας.
Ελπίδα για το μέλλον
Ακόμα και πριν από μια δεκαετία, μπορούσε κανείς να δει ότι οι πλευρικές αρχιτεκτονικές θα έφταναν στα όριά τους Επιθετική αναβάθμιση της συσκευής: Σχεδόν κάθε εξάρτημα της συσκευής πλησίαζε τα όρια κλιμάκωσης. Θέλαμε να βρούμε άλλους δρόμους που θα μπορούσαν να ξεπεράσουν αυτά τα εμπόδια και το κίνητρό μας δεν άλλαξε ποτέ. Στόχος μας ήταν πάντα να κατασκευάσουμε μια συσκευή που να είναι ανταγωνιστική με τις μελλοντικές τεχνολογίες.
Με ένα πιο επιθετικό σκαλοπάτι πόρτας από οτιδήποτε γνωστό στην παραγωγή και τρανζίστορ λογικής CMOS με βήμα πύλης κάτω από 45 nm σε πλακίδια πυριτίου χύδην, και οι ειδικοί πιστεύουν ότι ο σχεδιασμός VTFET αντιπροσωπεύει ένα σημαντικό άλμα προς τα εμπρός στην κατασκευή τρανζίστορ επόμενης γενιάς που θα επιτρέψει μια τάση μικρότερων, πιο ισχυρών και ενεργειακά αποδοτικών συσκευών τα επόμενα χρόνια.