Закат каменного века?

Закон Мура не действует, и кремний исчерпан. Так думают те, кто наблюдает проблемы Intel с внедрением следующего поколения процессоров на основе 10-нм техпроцесса. Но есть и те, для кого слухи об окончании развития кремниевой электроники сильно преувеличены.

В последнее время компания, в которой родился Закон Мура (Гордон Мур был одним из основателей Intel), начала делать несколько странно звучащие заявления. В прошлом году компания отложила запуск новой серии 10-нанометровых чипов. В начале 2016 года вместо того, чтобы тратить два поколения процессоров на один технологический процесс, он распространил данную технологию на три поколения процессоров. Новое предположение также применимо к системам, изготовленным с использованием 10-нанометровой литографии.

До сих пор производитель выпускал процессоры под стратегии где шаг означал сокращение технологического процесса, а шаг — внедрение новой микроархитектуры. Например, процессоры представили новую микроархитектуру и уменьшенную литографию, представили другую микроархитектуру и снова уменьшили литографию, а текущие модели представили новую микроархитектуру (при сохранении 14-нм литографии).

В следующем году мы получим процессоры в 10-нанометровой архитектуре, а через год появятся уклады на базе новой микроархитектуры. В 2019 году снова наступит время совершенствовать процессоры — на этот раз это будут модели с кодовым названием, основанные на микроархитектуре и 10-нанометровой литографии. Позже, возможно (но не обязательно), мы увидим системы в 7-нанометровой литографии — самое раннее в 2020 г. Так что, похоже, внедрение все более миниатюризируемых технологических процессов занимает все больше и больше времени. Изначально упомянутая литография должна была дебютировать в 2016 году, но давно было известно, что срок не будет уложен. Другой перевод был бы имиджевым ударом.

Анонс 7-нм технологии TSMC

Возможно, это проблема самой Intel, которая ощущает на себе дыхание азиатской конкуренции — TSMC (Taiwan Semiconductor Manufacturing Company) и Samsung Electronics. Они хотели начать производство 10-нм чипов в больших количествах до конца прошлого года, а сейчас говорят о 2017 году как о стартовом периоде производства чипов по 7-нм техпроцессу. Если им это удастся, это будет плохой новостью для Intel, которая долгое время была лидером в отрасли интегральных схем.

Однако стоит иметь в виду, что, как правило, каждый производственный процесс Intel на практике оказывается лучше конкурирующих решений. При этом новые решения этой компании всегда обеспечивали всесторонняя миниатюризация интегральных схембез ущерба для размера транзистора, длины затвора и т. д. процессы конкурентов обычно жертвуют одним свойством, чтобы улучшить другое. Поэтому, по мнению многих наблюдателей, Intel, несмотря на задержку, наконец-то представит 10-нанометровую литографию со всеми ее возможностями.

Кремний по-разному

Много говорят об ограничениях использования кремния в компьютерных процессорах. Тема менее известна недостатки кремния, используемого в солнечных элементах. В кремниевых транзисторах электроны возбуждаются до проводимости потоком электрического тока. Фотоны солнечного света играют захватывающую роль в солнечных панелях. Проблема в том, что только определенная часть полосы пропускания солнечного излучения может сделать это эффективно. Например, инфракрасный свет имеет слишком мало частоты и энергии, чтобы выполнять свою работу. Более половины солнечной радиации просто тратится впустую.

У кремния нет того, что называется оптоэлектроникой. прямая запрещенная зона. Это означает, что не так просто возбудить электроны в более высокие энергетические состояния. Это еще один барьер, снижающий эффективность кремниевых элементов.. Такие прямые полосы имеют арсенид галлия или теллурид кадмия, часто упоминаемые как альтернативные электронные материалы. Однако они не свободны от недостатков. Например, мышьяк и кадмий являются высокотоксичными веществами, а галлий и теллур очень дорогими. А для того, чтобы иметь возможность думать о производстве солнечных панелей в больших масштабах (например, для покрытия ими территорий пустынь), материал, из которого они будут изготовлены, не должен быть слишком дорогим и представлять угрозу для окружающей природной среды. . Именно кремний отвечает этим экономическим и экологическим требованиям.

Однако, конечно, это совершенно другой кремний, точно так же, как аллотропная форма углерода, называемая графеном, является чем-то иным, чем всем известный углерод. О таком материале, отмеченном химической формулой Na₄Si₂₄, это было написано в ноябре прошлого года в NewScientist. Его открыл Тимоти Стробел из Института Карнеги в Вашингтоне. Точнее, На₄Si₂₄ хотя прямой запрещенной зоны нет, достаточно небольшого напряжения, чтобы он вел себя как арсенид галлия.

Лучшие элементы, доступные на рынке, обеспечивают эффективность преобразования энергии до 25%. Верхним пределом выхода кремния в этой области принято считать 33%. Этот предел основан на предположении, что один фотон солнечного света может возбудить не более одного электрона. Однако наше знание квантовой механики предполагает, что это может быть не обязательно так, и действие одного фотона может быть распространено на большее количество электронов. По словам Джулии Гаул из Чикагского университета, это можно сделать — даже с эффективностью 42 процента — с помощью аллотропной наноразновидности кремния, известной как BC8.

Аллотропные разновидности кремния

Он все еще там кремний. Полевой транзистор с использованием силицена, то есть кремния в двумерной форме, похожей на графен, уже был построен международной командой, в которую входили, в частности, ученые. из США и Франции. Устройство не представляет каких-либо примечательных параметров и способно работать всего две минуты, но оно работает и доказывает возможность использования этого относительно нового материала в электронике. К сожалению, кремний по-прежнему относительно сложно производить. Ученые производят его путем выпаривания кремния и кристаллизации слоя на кристаллах серебра в вакуумной камере. В отличие от графена, силицен также очень нестабилен при нормальных погодных условиях и быстро разлагается.

Новые материалы — перспективные, но не долговечные

В целом наиболее интересными направлениями исследований новых электронных материалов в настоящее время являются сведения о материалах, состоящих из одного слоя атомов (так называемых двумерных монослоев, связанных в основном с графеном). Ученые работают над упомянутым силиценом и станенем (из атомов цинка) и фосфат (или 2D fosfanem — название пока строго не установлено). Однако сначала необходимо решить ряд проблем. Их проводимость все еще трудно контролировать, а некоторые из них, такие как силицены, остаются очень нестабильными.

Model struktury fosforenu

Недавно ученым из Монреальского университета в Канаде и французского исследовательского центра CNRS удалось разработать методику предотвращения окисления двумерных монослоев. черный фосфор. Считается, что аллотропная разновидность фосфора, называемая черным фосфором, может быть новым графеном, но, напротив, лучше, чем графен, потому что у него есть запрещенная зона. Черный фосфорный материал в виде 2D-слоев называют просто фосфором или 2D-фосфаном.

Уже в 2011 году швейцарские ученые из Федеральной политехнической школы Лозанны (EPFL) представили первую интегральную схему из молибден. Этот материал позволяет создавать транзисторы меньшего размера, чем кремниевые. Молибденит можно использовать для формирования эффективного слоя толщиной всего в три атома. Он очень стабилен, и поток электронов легко контролировать. Молибденовые транзисторы также более эффективны и переключаются быстрее, чем кремниевые. По мнению ученых, молибденит так же эффективен в усилении электрического сигнала, как и кремний. Выходной сигнал может быть в четыре раза сильнее входного сигнала. Кроме того, молибденит, в отличие от кремния, обладает интересными механическими свойствами, которые могут позволить производить гибкие интегральные схемы.

Как видите, исследовательские лаборатории очень далеко заходят в поисках материалов, которые заменят кремний и другие традиционные компоненты электронных компонентов. Поиск новых возможностей самого кремния тоже не обвиняют.

С 2009 года в конструкции функциональных компонентов используются транзисторы. «Растянутый силикон». Это растяжение следует понимать буквально: атомы германия внедряются в структуру кремния, что увеличивает расстояние между отдельными атомами. На кремнегерманиевый (SiGe) слой нанесен слой обычного кремния. Оба слоя объединяются, образуя правильную кристаллическую структуру, при этом расстояние между атомами адаптировано к структуре слоя SiGe. Увеличение этих зазоров улучшает проводимость материала — электроны проходят через переключаемый транзистор на 70% быстрее, чем если бы он был сделан из обычного кремния.

Вернуться к германию?

Кристаллическая структура германия естественно вытянута, а его проводимость в четыре раза выше, чем у кремния. Транзисторные элементы, требующие n-легирования, могут быть изготовлены из смеси индия, галлия и мышьяка (InGaAs), имеющей в шесть раз выше проводимость. Уже первый прототип транзистора с изготовленным из него каналом материал потребляет вдвое меньше энергии чем сопоставимый кремниевый канальный транзистор. Аналитики рынка прогнозируют, что новые материалы начнут массово использоваться с 2017 года.

Между прочим, недавно выяснилось, что применение германия не должно ограничиваться только транзисторами р-типа. Есть новости об открытии ученых из Университета Пердью, заключающемся в разработке метода изготовления транзистора типа «n» из этого элемента. Оба типа полупроводников необходимы в интегральных схемах CMOS. Оказывается, электроника может вернуться к своим истокам — ведь первые транзисторы были сделаны не из кремния, а из германия.

В частности, будущее принадлежит, как считает Джошуа Голдбергер из Университета штата Огайо, двумерной форме этого элемента, называемого немецкий. Его лаборатория создала такую ​​структуру уже в 2013 году, и работа по развитию продолжается. По мнению исследователей, германен не только переносит электроны в десять раз быстрее, чем кремний, но и отлично справляется с задачей поглощения и излучения света, что выглядит перспективным для развития фотоники и светодиодов. Кроме того, считают ученые, его можно использовать в качестве так называемого топологический изолятор, проводящий электричество только по периферии.

А как же развитие электроники?

Когда в 1971 году на рынок был представлен чип Intel 4004, которому приписывают начало революции в персональных компьютерах, он состоял из 2300 транзисторов размером 10 микрометров (мкм). Лучшие сегодняшние процессоры уже имеют 5 миллиардов транзисторов. В 80-х годах скорость транзисторных переключателей в процессорах, выраженная в тактовых частотах, измерялась в мегагерцах, или миллионах циклов в секунду. За последнее десятилетие уже были достигнуты тактовые темпы в миллиарды долларов. Intel Pentium 4 HT работал на частоте 3 ГГц.

И сейчас, по прошествии десятка с лишним лет, большинство рыночных чипов по-прежнему находятся на уровне 3 ГГц, и только процессор выше среднего (и охлаждаемый специальным образом) работает выше 4 ГГц. Оказалось, что отвод тепловой энергии, вырабатываемой в таких быстродействующих и столь малых устройствах, является настоящей проблемой. Мы столкнулись с термодинамическими ограничениями, которые не позволяют отводить тепло от наноразмерных систем так быстро, как хотелось бы. Интегральные схемы до сих пор масштабируются настолько, насколько это возможно — принято считать, что предел процесса миниатюризации находится где-то ниже 5 нм. Однако процессоры не могут работать быстрее, и их даже приходится замедлять.

Уже более десяти лет в компьютерной индустрии преобладает скептицизм, если не сказать пессимизм. Почти все СМИ уже пишут о закате кремния. Описанные выше альтернативы все еще весьма неопределенны или находятся на ранних стадиях разработки. Говорят, что в ноябре 2006 года сам Гордон Мур заявил, что, по его словам, через 2-3 года (то есть в 2008 или 2009 году) его закон перестанет действовать. Увеличение в соответствии с первоначальной формулировкой знаменитого правила Мура, согласно которому оптимальное число транзисторов в интегральной схеме удваивается за аналогичные промежутки времени, произошло за счет десятилетий уменьшения так называемого характерный размер, увеличение площади поверхности конструкций и повышение эффективности упаковки.

Вычислительная мощность хотя и растет, но почти уже не за счет миниатюризации, а за счет добавления дополнительных вычислительных ядер, т.е. умножения процессоров в вычислительной системе и параллельной обработки. Однако добавление ядер требует больше энергии для вычислений и связи между сегментами.

Пластина IBM с 7-нм транзисторами

Одной из главных причин, по которой стал возможен этот экспоненциальный рост, было и остается использование меньших и меньших элементов в процессе изготовления. Сегодня доминируют технологии 45, 32, 22, а в последнее время и 14 нм. Как мы упоминали в начале, можно услышать о проблемах с внедрением 10-нм литографии. Однако, учитывая классическую физику, эти размеры не могут бесконечно уменьшаться — предел здесь размер атомови еще одно ограничение скорость светакоторый устанавливает верхний предел скорости передачи информации. Согласно документам (ITRS), с учетом потенциальных проблем с разработкой и миниатюризацией, следующие процессы, имеющиеся в последние и последующие годы, обозначили следующие этапы: 32 нм — 2009 г., 22 нм — 2012 г., 14 нм — 2015 г., 10 нм — 2017… Дальнейшее развитие электроники под вопросом.

Однако даже среди множества мрачных настроений нет недостатка в информации вроде той, что была от 9 июля 2015 года. IBM — а не Intel, как можно было бы ожидать, — объявила тогда, что ей удалось создать ШПУ процессор на базе 7-нанометровой технологии. Новая технология использует лучи ультрафиолетового света для создания чипов, что требует специальных стабилизированных … корпусов для защиты производственного оборудования от вибрации. Так может мы еще не достигли конца миниатюризации в традиционных транзисторах? Еще нет…