Транзисторы с нормами 2 нм: вам порезать или порубить?

    На этой неделе компания Intel поделилась долгосрочными планами по внедрению новых техпроцессов. Примерно в 2029 году Intel собирается внедрить техпроцесс с нормами 1,4 нм. Через 10 лет руководящая команда компании вряд ли будет той же самой, что и сегодня. Так что эти планы чем-то неуловимо напоминают притчу Ходжи Насреддина о начитанном ишаке, хане и учителе животного в лице самого Ходжи. К урочному часу ответчика может не оказаться. Но речь не об этом. Запланировали, значит, принимаем как руководство к действию.

    image

    В станах конкурентов-лидеров по выпуску полупроводников чуть больше ясности, что подтверждено рисковым производством TSMC чипов с нормами 5 нм (на сегодняшний день уровень брака по таковому всего 20 % при норме 3-8 % для кристаллов площадью 17,92 мм2, для чиплетов размера AMD Zen 2 уровень брака будет больше ― до 60 %). Впрочем, до выпуска процессоров AMD с нормами 5 нм пройдёт ещё не менее полутора лет.

    image
    / изображение с сайта AnandTech

    В следующем году со второго квартала техпроцесс TSMC с нормами 5 нм будет использоваться для серийного выпуска SoC на ядрах ARM. В 2022 году TSMC приступит, очевидно, к рисковому выпуску 3-нм чипов (что бы ни значили эти нанометры), а через пару лет компания обещает начать выпуск 2-нм решений. Это будет в 2024-2025 году или на два-три года раньше, чем тот же самый техпроцесс внедрит Intel.

    image

    Для компании Samsung техпроцессы с нормами 5 нм и 4 нм станут эволюцией 7-нм техпроцесса, что будет выражено в небольшом постепенном сокращении шагов металлизации под такими элементами FinFET транзисторов, как каналы и затворы. В целом строение транзисторов (число рёбер) останется тем же, как и не изменится строение ячейки SRAM. К выпуску чипов с использованием 4-нм техпроцесса Samsung приступит в районе 2021 года. В том же году компания обещает начать рисковое производство с использованием 3-нм техпроцесса. А некоторые южнокорейские источники утверждают, что это может произойти уже в 2020 году, что выглядит маловероятным.

    image

    В данной заметке нас интересует то, что, вплоть до 4-нм техпроцесса Samsung и, очевидно, Intel и TSMC будут использовать FinFET транзисторы ― плавники высоких затворов, в которые врезаются и пронзают насквозь вертикальные гребни каналов. В таких транзисторах электромагнитное поле затвора проникает в каналы с трёх сторон, а два-три канала в каждом транзисторе в сумме обеспечивают необходимую для работы вентиля силу тока.

    image
    / изображение Samsung

    Начиная с 3-нм техпроцесса, Samsung поломает эту практику. Концепция FinFET перестанет работать в прежнем виде. Затворы транзисторов FinFET окажутся слишком малы и не смогут переключать транзисторы. Необходимость дальнейшего снижения напряжения питания транзисторов только усугубит это положение. Поэтому для 3-нм техпроцесса будет введён транзистор с кольцевым (окружающим) затвором GAA (Gate-All-Around).

    image
    / изображение Samsung

    В Samsung дали новому транзистору коммерческое имя MBCFET (Multi Bridge Channel FET). На практике это развитие идеи транзистора, созданного совместно исследователями IBM, Samsung и GlobalFoundries. Предполагалось, что подобный по строению транзистор будет задействован при переходе к техпроцессу с нормами 5 нм. Но реально эта вентильная структура появится в чипах только с началом 3-нм производства Samsung. Транзистор MBCFET будет представлять собой горизонтально расположенные друг над другом каналы в виде наностраниц, а не вертикальные гребни, как в FinFET. Характеристиками MBCFET транзисторов будет удобно управлять как за счёт варьирования числом страниц, расположенных друг над другом, так и с помощью изменения ширины страницы. Каждая страница ― это канал. Сумма этих переменных будет определять какой у нас транзистор: мощный и быстрый, или слабый, но малопотребляющий. Градаций будет больше двух ― от пяти до семи.

    image
    / изображение Samsung

    Самое интересное, ради чего затевалась эта заметка, что транзистор MBCFET может появиться только в рамках 3-нм техпроцесса, а техпроцесс с нормами 2 нм снова потребует изменений в строении транзистора. Такой новый транзистор под именем Forksheet предложил бельгийский исследовательский центр Imec. Впервые подробно о структуре транзистора с раздельными (нано)страницами представители Imec рассказали весной этого года на годовом мероприятии. Но баснями соловья не накормишь. Нам бы пощупать. Пощупать пока нельзя, но моделирование работы Forksheet-транзистора на TCAD бельгийцы провели, о чём сообщили три дня назад.

    image

    Перед тем, как рассмотреть полученные данные, поясним, что транзистор Forksheet представляет собой модификацию транзистора с наностраницами ― того самого MBCFET или Gate-All-Around, если абстрагироваться от терминов Samsung. В транзисторе Forksheet плавник вертикального затвора чуть шире, чем у MBCFET, но наностраницы транзисторных каналов расщеплены надвое и разделены слоем диэлектрика. Фактически один MBCFET-транзистор лёгким движением руки превращается в комплементарную транзисторную пару из транзисторов p- и n-типа.

    Предложенная структура разрушает серьёзный барьер в уплотнении транзисторов в виде сложности максимально сблизить p- и n-транзисторы и избежать при этом взаимного негативного влияния вентилей.

    Очевидно, что предложенный подход увеличит плотность размещения транзисторов на кристалле, но моделирование показало, что улучшатся также производительность и энергопотребление. Переход на транзистор с раздельными страницами позволит уменьшить площадь кристалла до 20 %, а за счёт снижения паразитных ёмкостей и утечек производительность электронных приборов вырастет на величину до 10 %. Если не наращивать частоты, то можно снизить энергопотребление на величину до 24 %.

    image

    В запасе у Imec есть ещё одна технология, которая может ещё сильнее увеличить плотность размещения транзисторов. Она может быть применена как на этапе выпуска 3-нм чипов, так и с меньшими нормами производства. Идея заключается в том, чтобы комплементарную пару транзисторов изготавливать друг над другом. Эта нехитрая на первый взгляд операция обещает на 50 % уменьшить размеры как стандартной логической ячейки, так и ячейки SRAM. На этом хорошо проработанные и частично испытанные на моделях идеи заканчиваются.

    image

    Переход на 1-нм техпроцесс также может потребовать новой структуры транзистора. В то же время необходимо помнить, что инженеры часто находят возможность растянуть удовольствие ― придумать что-нибудь этакое, чтобы сделать ещё один шаг вперёд на старых костылях.
    AdBlock похитил этот баннер, но баннеры не зубы — отрастут

    Подробнее
    Реклама

    Комментарии 15

      +4
      Вспоминаешь времена транзисторов мп42 (когда паял на них) и теперь читаешь подобные новости — дух захватывает, какой прогресс в электронике произошел.
      И думаешь — а где предел? Будет ли он?
        +1
        В рамках нынешней процессорной архитектуры — безусловно, законов физики никто не отменял. Другой вопрос — когда? То, что называют 10-нм техпроцессом, в самой микроскопической части (толщина ребра) имеет размер 7 нм. А до этого, у 14-нм техпроцесса, было 8 нм. Эти несколько нанометров — предел, за который выйти нельзя. Дальнейшее наращивание количества транзисторов на кристалле будет происходить за счет других параметров.
          0
          В ближайшие три года резкое наращивание плотности будет за счёт объёмной (3D) компоновки нескольких кристаллов. TSMC для этого несколько лет назад купила у Qualcomm на Тайване завод и на его основе сама занялась услугами упаковки. Нанометры будут прогибаться слабо.
            0
            Что значит «будет»? Оно уже в каждом втором мобильнике такое упакованное стоит.
              0
              Есть, но в виде 2.5D. К 3D ещё надо дошагать.
          +1

          Предел давно показала IBM — одноэлектронные транзисторы.
          Но это ж IBM, они еще раньше отдельными атомами рисовали свой лого.
          К производству пока отношения не имеет, естественно.
          Пока.

            0
            А если научиться использовать несколько энергетических уровней электрона? Или что-нибудь вроде функциональной электроники.
              +1
              Научиться можно чему угодно, вопрос в том, что КМОП-технология обеспечивает очень простую, надежную и быструю схемотехнику с высокой помехоустойчивостью.
              Так-то можно и эти транзисторы заставить в аналоговом режиме работать и вместо инверторов ставить АЦП.
            0

            Разумеется будет — как минимум снизу это ограничивается размером атома кремния, а это 132 пм (0.143 нм), по факту от 1 нм.

              0
              А атом меди — 128 пм. Так просто согласовать не выйдет.
              И, самое главное — 1 атом металла не является металлом с точки зрения электронных зон. Так же как 1 атом кремния не может быть п/п как минимум в том смысле, что нам необходимо легирование. 139 пм у мышьяка — вроде как близко к кремнию, а вот у бора уже 98 пм. Ну и с другой стороны нам нужна ГЦК решетка, я бы брал как минимум 14 атомов кремния на ячейку техпроцесса.
                +3
                Размер атома тут ни при чем. Значение имеют два параметра: шаг кристаллической решетки (0,54 нм) и необходимость поддерживать определенную концентрацию примесей в кремнии. Полупроводниковый переход создается подмешиванием в кремний примесей в определенной концентрации.

                Например, необходимо поставить в кристаллическую решетку кремния фосфор в пропорции 1/1000. Без фосфора вообще кристалл не заработает. С двукратным переизбытком фосфора будет брак по электрическим параметрам. То есть на каждый гипотетический транзистор размером 10*10*10 периодов кристаллической решетки кремния (5 нм, содержит 1000 атомов кремния) надо исхитриться и поставить в такой кубик один атом фосфора. Не ноль и не два. Строго один.

                Однако если гипотетический транзистор имеет размеры 20*20*20, то это дает размер кубика в 10 нм но при этом атомов фосфора надо посадить не 1 а 4. Если даже будет погрешность в +- 20% то такой транзистор все равно будет хоть как-то работать.
                  0

                  Даже не 4, а 8

              0
              Фактически один MBCFET-транзистор лёгким движением руки превращается в комплементарную транзисторную пару из транзисторов p- и n-типа.

              Или 2 одинакового типа? Или будет наложено ограничения на возможную топографию кристалла?
                0
                Imec говорит о комплементарной паре из транзисторов разной проводимости (повышает коэффициент усиления), но ни кто не мешает создать пару одинаковых транзисторов, если это будет нужно. Это вопрос внесения примесей туда, где это необходимо.
                0
                Была такая шутка в 80-х:
                — Представь транзистор из десяти атомов, и вдруг, в него квадратный электорон залетает…

                Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.

                Самое читаемое