Krzem na wieki


Kolejnym niebezpiecznie malejącym elementem jest grubość warstwy izolatora bramki. W następstwie redukcji napięcia także ona musi się kurczyć, żeby umożliwiać przepływ elektronów. W technologiach poniżej 65 nm jej grubość zmniejsza się do kilku warstw atomowych. To przestaje wystarczać do zachowania właściwości izolacyjnych. Inaczej mówiąc, mamy efekt podobny do tunelowania, kiedy tranzystor może się przełączyć nawet bez żadnego napięcia przyłożonego do bramki. Kto zgodziłby się powierzyć swoje konto bankowe takiemu tranzystorowi?

Krzem na wieki

Cienka warstwa materiału o dużej stałej dielektrycznej (k) hamuje wyciekanie elektronów przez bramkę, zachowując jej dużą pojemność.

Opór miniaturyzacji stawia także pierwsza faza procesu technologicznego. Chodzi o wytworzenie w krzemowym waflu śladów przyszłych ścieżek i innych elementów. Aby móc je nanieść, trzeba wcześniej zasłonić pozostałą część wafla. Używa się do tego celu techniki fotolitografii, której istotną częścią jest naświetlanie warstwy światłoczułej w tych miejscach, które zostaną późnej usunięte. Jego dokładność zależy od długości fali użytego światła. Widzialne przestało wystarczać już w 1995 roku, zamieniono je na nadfiolet w 248 nm (do 2002 roku) i później w 193 nm. Do kolejnych kroków wykorzystano kontrast interferencyjny, następnie litografię immersyjną. Do przejścia na proces 45 nm to nie wystarczy, więc radykalnie skrócono długość fali do 14 nm, przy której cały układ optyczny razem z maskami musi być zbudowany z luster, bez żadnych soczewek. Jak widać, proste skalowanie z pierwszych lat miniaturyzacji komplikuje się coraz bardziej.

Wymienione problemy pojawiają się już w technologii 65 nm i będą się potęgować, jeśli zechcemy kontynuować tempo miniaturyzacji narzucone przez prawo Moore'a, to mamy 45 nm w tym roku, 32 - pod koniec 2009, a później 22, 16 i 11 nm. Z tej perspektywy stary dobry krzem, który wystarczał przez tyle lat, nie wygląda najlepiej. Nadszedł czas na świeże pomysły.

Krzem plus

Gwoli sprawiedliwości trzeba przyznać, że żaden z tych problemów nie zaskoczył Intela, IBM czy AMD. Rzeczywiście, wszyscy pracowali nad ich rozwiązaniem. Odkrywali metody poprawienia charakterystyki krzemu przez przyspieszanie przepływu elektronów, tym samym polepszając rozpraszanie ciepła i zużycie energii.

Pierwszą z nich była technologia silicon on insulator (SOI). Nie wchodząc w szczegóły, oznacza to zastąpienie zwykłego podłoża krzemowego pewnego rodzaju kanapką z tego pierwiastka i warstwy izolatora, np. krzemu albo szkła. W tradycyjnym tranzystorze krzemowym warstwa silikonu między elektrodami źródła i drenu ma pewną pojemność, co oznacza, że magazynuje jakąś ilość ładunku, który hamuje przejścia i przełączenia. Warstwa izolatora eliminuje część tej pojemności, poprawia wydajność i dzięki zmniejszeniu upływności obniża napięcie wymagane do pracy tranzystora.

Teoretycznie SOI jest bardzo pożyteczną technologią. IBM, które było pionierem prac z tego zakresu, utrzymuje, że SOI może poprawić wydajność o 35 procent i zmniejszyć zużycie energii o 33 procent w porównaniu do konwencjonalnego tranzystora MOS. Co więcej, od pewnego czasu zostało to wprowadzone do układów. Jest stosowane w procesorach Power G5, Xenon z konsoli Xbox 360 oraz STI Cell z PlayStation 3, wykorzystywane też w całej serii procesorów AMD budowanych w technologii 90 nm: od Semprona, przez Athlona 64, Athlona 64 X2, Opterona do Turiona. Także układy 65 nm z AMD są oparte na SOI według pomysłu IBM.

Intel nie przepada za SOI i od kilku lat zaczął mówić o jego alternatywie, nazwanej Depleted Substrate Transistor (DST). Podobnie jak w SOI, także w tej technologii tranzystor jest zbudowany na warstwie krzemu i materiału izolatora, ale istnieje między nimi istotna różnica. Technologia Intela posługuje się cieńszym izolatorem i warstwą krzemu pozbawionego elektronów. Taki materiał "głodny" elektronów maksymalnie zwiększa prąd, kiedy tranzystor jest włączony, i minimalizuje upływność w stanie wyłączenia. Do tego podwyższone elektrody źródła i drenu mają mniejszy opór. W sumie tranzystor przełącza się szybciej, pobiera mniej energii i w stanie wyłączonym ma znikomą upływność.

Z kumplami

Krzem na wieki

W obu technologiach chodzi o wyeliminowanie "dzikich" prądów i ładunków.

Ani SOI, ani DST nie są wykorzystywane samodzielnie. AMD i IBM połączyły pierwszą technologię z technologią odkształconego krzemu. Intel robi to samo od wprowadzenia rdzeni Prescott i Dothan. Znowu celem jest ruchliwość elektronów. Krzem wyróżnia się taką strukturą krystaliczną, w której elektrony nie poruszają się zbyt chętnie. Jeśli związać ten pierwiastek z materiałem krystalizującym nieco luźniej, będzie rozciągał oryginalną sieć, pozwalając elektronom na łatwiejsze przemieszczanie się. Tak się postępuje z tranzystorem typu NMOS. W wypadku PMOS jest odwrotnie, ładunki przemieszczają się łatwiej, kiedy oryginalna sieć zostanie ściśnięta. Ten stan uzyskuje się podobnie jak poprzednio, kładąc warstwę krzemu na inny materiał, tym razem krystalizujący ciaśniej. Tę rolę często gra domieszka germanu, a wynikiem wykorzystania go według Intela jest wzrost wydajności o 24 procent.

Odkształcony krzem i SOI zostały szczególnie łatwo przyswojone, ponieważ nie wymagały prawie żadnych zmian w produkcji układów. Produkcja procesorów jest bardzo innowacyjna, ale tylko w wąskich granicach, na które pozwala skalowalność technologii. Nie należy oczekiwać wprowadzenia niczego, co zmniejszy liczbę w pełni funkcjonalnych układów wycinanych z jednego wafla lub powiększy koszty, choćby korzyści miały być wielokrotnie większe.

Ciąg na bramkę

SOI i odkształcony krzem pomagają procesorom pracować z niższym napięciem, ale nie rozwiązały problemów z bramką. W tym wypadku konieczna jest inna recepta, zastąpienie tradycyjnie używanego dwutlenku krzemu przez materiał z wysoką stałą dielektryczną, k. Dzięki temu można zgromadzić stosunkowo duży ładunek w bardzo cienkiej warstwie bez obawy wyciekania elektronów przez bramkę i bez redukowania jej pojemności. Taka cienka warstwa może mieć grubość poniżej 3 nm. Wykorzystanie materiału z dużym k zwiększa także efekt polowy.

Zmiana materiału bramki na bardziej odporny dielektrycznie pozwala budować procesory mniejsze i dzięki temu szybsze. Chociaż ten związek nie jest taki oczywisty. Z jednej strony potrzebny jest materiał dobrze współpracujący z krzemem i aktualnie używanymi technologiami. Z drugiej - powinien przetrwać bardzo wysokie temperatury, w których produkuje się procesory, a potem pracować długo i niezawodnie. Sam proces produkcji też się komplikuje. Molekuły tej warstwy muszą być osadzane pojedynczo. Mamy także efekt pośredni, konieczna staje się zmiana materiału elektrody bramki. Na szczęście żadna z tych trudności nie zatrzymała Intela, który ogłosił znalezienie odpowiednich materiałów do obu części i zapowiedział wprowadzenie nowej bramki do procesorów w technologii 45 nm. Jednocześnie odmówił ujawnienia szczegółów składu i technologii, czym nie ułatwił życia konkurencji.