какой минимальный размер транзистора
В университете Беркли создали транзистор размером в нанометр
Группа физиков из Национальной лаборатория имени Лоуренса в Беркли создала первый в мире транзистор, размер затвора которого составляет всего лишь один нанометр. Это на порядок меньше, чем размер затворов самых маленьких по размеру современных транзисторов.
«Нам удалось создать самые маленькие на сегодняшний день транзисторы. Размер затвора — один из основных факторов, определяющих размер самого транзистора. Мы добились радикального снижения размера затвора, доказав возможность дальнейшей миниатюризации электроники», — говорит Али Джави (Ali Javey) из Калифорнийского университета в Беркли (США).
Считается, что из-за квантовых ограничений размер затвора кремниевого транзистора не может быть меньше 5 нм. Если попытаться сделать затвор меньшим по размеру, то на работу элемента будет оказывать негативное влияние туннельный эффект. В этом случае транзистор прекращает выполнять свои функции из-за токов утечки и других проблем.
До граничного показателя в 5 нм производители электронных устройств еще не добрались. Сейчас минимальный размер затвора транзисторов составляет 20 нанометров. Но ученые, как видим, уже доказали возможность преодоления лимита в 5 нанометров. Для того, чтобы обойти ограничение по кремнию, для создания миниатюрных электронных элементов специалисты решили использовать другие материалы: дисульфид молибдена, графена или углеродные трубки.
Ученым из Беркли удалось объединить в единую систему дисульфид молибдена (MoS2) и углеродные нанотрубки. Такая комбинация позволила значительно снизить размеры затвора. Самый маленький транзистор в мире состоит из трех основных слоев. Это подложка из кремния, пластинка из диоксида циркония, проходящая через этот материал углеродная трубка и пленка из дисульфида молибдена. Пленка соединяет исток и сток транзистора. Как и кремний, дисульфид молибдена имеет кристаллическую структуру решетки. Но проходящие по MoS2 электроны тяжелее, чем в кремнии. Это означает, что электроны лучше удерживаются энергетическим барьером затвора.
Ученые говорят о том, что дисульфид молибдена образует листы толщиной в 0,65 нм c низким значением диэлектрической проницаемости. По этой причине небольшие затворы транзисторов смогут вырабатывать электрическое поле, достаточно сильное, чтобы не допустить появления туннельного эффекта. К сожалению, миниатюрные транзисторы, созданные в Беркли — это штучная работа, массово их производить пока нельзя.
«Создав транзистор, мы доказали, что затвор меньшего размера, чем 5 нм — вполне достижимая цель. Это ограничение оказалось преодолимым. И закон Мура может и дальше действовать, при условии, что мы будем выбирать правильные материалы», — заявил Джави. Если специалисты научатся создавать такие транзисторы в промышленных масштабах, то в ближайшее время закон Мура действительно будет продолжать действовать.
Закон Мура выведен Гордоном Муром по результатам эмпирического наблюдения. Согласно закону количество транзисторов, размещаемых на кристалле интегральной схемы, удваивается каждые 24 месяца. Этот «закон» известен уже более полувека. Собственно, это и не закон, но его положения, в целом, справедливы.
Представители Ассоциации полупроводниковой промышленности (Semiconductor Industry Association) этой весной опубликовала исследование, согласно которому в ближайшие шесть лет закон Мура перестанет действовать. Причина — в предельном размере затворов транзисторов, о чем было написано выше. Одна из предлагаемых альтернатив — это создание 3D-чипов с вертикальным расположением ядер, а не горизонтальным. Правда, в этом случае появляется еще одна важная проблема — это перегрев чипов. При объемной конструкции чипы будут нагреваться намного сильнее, и в этом случае во всех системах с электронными компонентами с ветикальной компоновкой ядер нужно будет использовать жидкостное охлаждение.
Некоторые эксперты считают, что закон Мура не выполняется с приписываемой ему точностью. Вполне может быть, что он известен только благодаря корпорации Intel и ее маркетинговой политике. Тем не менее, сейчас это уже больше, чем маркетинг, поскольку многие технологические компании обращают внимание на закономерность, названную законом, долгое время определяющую темпы развития полупроводниковой индустрии.
С момента появления появилось несколько интерпретаций закона Мура:
Создан транзистор c самым маленьким затвором в мире
Строение транзистора. В роли канала выступает бислой дисульфида молибдена, затвор — углеродная нанотрубка
Sujay Desai/UC Berkeley
Физики из Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли, а также университетов Калифорнии, Техаса и Стэнфорда создали транзистор с рекордно малым размером затвора — части устройства, отвечающей за включение и отключение. Его длина составила всего один нанометр — в 20 раз меньше, чем в современных устройствах. Ключевым для создания транзистора стало использование в качестве основного материала атомарно тонких слоев дисульфида молибдена. В случае традиционных кремниевых транзисторов минимальный размер затвора ограничен пятью нанометрами. Исследователи отмечают, что разработанная технология не адаптирована для массового производства, но тем не менее работа показывает, что предел миниатюризации транзисторов еще не достигнут. Исследование опубликовано в журнале Science, кратко о нем сообщает пресс-релиз лаборатории.
Основной деталью современных микроэлектронных устройств являются транзисторы — полупроводниковые приборы, способные изменять свою электропроводность под действием приложенного управляющего напряжения. Полевые транзисторы (самый распространенный тип) состоят из трех основных частей — истока, затвора и стока. В простейшем случае в транзисторе есть два разных типа проводников с различными видами проводимости. Между истоком и стоком есть канал, через который могут перемещаться носители заряда, часть этого канала контактирует с полупроводником другого типа проводимости. Если приложить к последнему напряжение, то возникает запирающий слой, повышающий сопротивление канала — транзистор «отключается».
Современные транзисторы имеют размеры порядка десятков нанометров — на таких расстояниях начинают сказываться различные побочные эффекты, связанные с квантовой природой носителей зарядов, электронов. Так, при малых длинах канала, расположенного рядом с затвором, электроны могут «не обращать внимания» на запирающий слой и попросту туннелировать сквозь него. Такой транзистор невозможно выключить. Этот эффект можно подавить, увеличив эффективную массу электронов и сделав их менее подвижными. Эффективная масса носителей заряда — это такая масса, имея которую в вакууме частицы двигались бы так же, как двигаются в реальном материале. Изменить ее можно, выбрав другой материал для транзистора.
В новой работе авторы использовали для канала транзистора слой дисульфид молибдена толщиной в несколько атомных слоев. Эффективная масса носителей заряда в нем в несколько раз выше, чем в кремнии. Роль управляющего электрода, изменявшего состояние затвора, играла одиночная углеродная нанотрубка. От затвора она отделена слоем диэлектрика — оксида циркония.
Чтобы собрать подобное устройство, ученые пользовались высокоточными техниками — на первом этапе одиночную углеродную нанотрубку переносили на подложку. Затем с помощью сканирующей электронной микроскопии физики устанавливали точное положение нанотрубки на подложке и напыляли на ее концы палладий. Образовывались контакты большой площади, благодаря которым можно было подавать напряжение на затвор. Затем с помощью техники атомного послойного осаждения авторы наносили слой оксида циркония требуемой толщины. Следом за этим на диэлектрик помещали дисульфид молибдена и напыляли контакты — исток и сток.
Эксперименты с устройством показали, что проводимость транзистора управляется напряжением на затворе. Ток, проходящий через транзистор в выключенном состоянии, в миллион раз меньше, чем ток включенного транзистора.
Авторы отмечают, что хотя разработанные транзисторы гораздо меньше, чем используемые в современных устройствах, их массовое производство на сегодняшний день потребует значительных усовершенствований техник литографии. Так, сложность представляет рост больших по площади моноатомных слоев дисульфида молибдена, а также технология нанесения на них металлических контактов.
Слева направо, сверху-вниз: строение транзистора, микрофотография затвора, микрофотография всего транзистора, микрофотография среза, распределение элементов в срезе транзистора
Ученые создали самый маленький транзистор в мире
Увеличение производительности вычислительной техники с одновременным удешевлением её себестоимости – задача, которая стояла перед изобретателями 50, 30 и 10 лет назад. Актуальна она и сегодня. Поставленная цель из года в год достигается одним и тем же путём – уменьшением размеров компонентов микросхем и в первую очередь транзисторов. На настоящем этапе достигнут уровень в 18 млрд транзисторов в одной микросхеме. Однако, как выяснилось несколько лет назад, – это не предел и место для манёвра по уменьшению главного элемента системы ещё есть.
Величина самого маленького транзистора в мире на сегодняшний день составляет всего 1 нанометр. Этот микроскопический порог американские учёные преодолели и уже доказали, что уменьшать можно ещё, а значит, предел возможности развития компьютерных технологий, согласно закону Г. Мура, все ещё не достигнут. А это в свою очередь гарантирует человечеству регулярное (раз в два года) усиление мощности и производительности вычислительной техники.
Гордон Мур и его закон
Гордон Мур – известный американский учёный, инженер и изобретатель. Широкому кругу общественности он известен как основатель фирмы «Интел» и основоположник закона Мура, который сегодня является основным принципом развития полупроводниковой отрасли. Будущий учёный родился в Сан-Франциско в 1929 году, окончил университет, защитил диссертацию в области химии и физики (став доктором наук), некоторое время проработал в лаборатории прикладной физики в университете Хопкинса. А затем, осознав что будущее за кремниевыми транзисторами, оставил всё и решил посвятить себя их изучению.
Летом 1968 года Г. Мур вместе с соратником Робертом Нойсом основали собственное предприятие под названием INTEL. Г. Мур до 1987 замещал должность исполнительного директора. Выйдя на пенсию, учёный стал почётным председателем им же основанной компании. В этой должности он остаётся до сих пор.
Изучая кремниевые транзисторы, инженер установил некую закономерность. Согласно ей, количество транзисторов в микропроцессоре должно удваиваться каждый год. Позже утверждение было скорректировано: удвоение количества транзисторов должно происходить раз в два года. Этот закон стал определяющим в процессе эволюции и совершенствования полупроводниковых схем с целью повышения мощности и снижения себестоимости.
Если объяснить закон Мура простыми словами, то он означает буквально следующее: мощность вычислительной техники и её производительность увеличиваются в два раза каждые два года.
Говоря о своем законе, сам Мур подчеркивал, что этот закон не вечен. Рано или поздно он перестанет действовать, поскольку предел темпа развития технологий существует.
Похожие наблюдения
Закон Мура не является строгим и эмпирическим. Он не соблюдается в точности, но с высокой долей соблюдения сроков. Поэтому это не столько закон в научном смысле слова, сколько работающее наблюдение. Существуют и другие выявленные закономерности, которые можно назвать интерпретациями основного закона Мура. Например, замечено, что каждые полтора года удваиваются тактовая частота процессоров и производительность устройств, а количество транзисторов, приходящихся на один кристалл увеличивается и вовсе каждые 12 месяцев, при этом себестоимость производства чипа каждые 18 месяцев снижается вдвое.
Где создали самый маленький транзистор?
Именно руководствуясь законом Мура, учёные постоянно ищут способы уменьшения размеров транзисторов, входящих в кристалл микросхемы. Чем он меньше, тем большее их количество можно включить в микросхему, за счет чего и достигается увеличение мощности и производительности вычислительной техники.
Самым маленьким на сегодняшний день транзистором считается тот, что создан в американской Национальной лаборатории в институте Беркли. Инженерной группой руководил Али Джавей. Величина изобретения – 1 нанометр. Чтобы было понятнее – толщина человеческого волоса 50000 нанометров.
Какие перспективы?
До недавнего времени размер одноатомного процессора величиной в 5 нанометров считался пределом. Однако ученые доказали, что при правильном выборе архитектуры микросхемы и материала размеры транзистора всё ещё можно уменьшать, а это значит, что предел закона Мура всё ещё не наступил.
В качестве материала были выбраны полые углеродные нанотрубки диаметром в 1 нанометр. Толщина стенки такой трубы – один атом углерода, а длина – 10 нанометров. Электроды, подающие и отводящие ток с этой нанотрубки, выполнены из молибдена с примесью кобальта. Такой состав хорошо сочетается и контактирует с углеродом.
Однако одна углеродная трубка проводила через себя недостаточное количество тока. Поэтому инженеры нашли способ укладывать в ряд несколько трубок ещё меньшей длины – 7 нанометров. С учётом всего вышеописанного полный размер этого самого маленького в мире нанотрубочного транзистора составил всего 40 нанометров. Это уже сегодняшний день. А что завтра?
На повестке для разработчиков (которые по прежнему руководствуются законом Мура) – уменьшение размера транзистора с целью повышения производительности техники. Собственно, цель та же, что была и 20, и 30 лет назад. Вот только теперь длина трубок будет всего 5 нанометров.
7 нм техпроцесс в чипах: Померяемся нанометрами? РАЗБОР
Snapdragon 865, Apple A13 bionic, новый Ryzen от AMD. Отовсюду нам кричат про 7-нанометровый техпроцесс в смартфонах и ПК! Чем это отличается от знакомых 10 и 14 нанометров? Как влияет на батарейку, производительность, нагрев? А тут еще и Samsung с Google анонсируют процессоры на 5 нм, кто-то уже вообще говорит о 3 нм.
А где вообще Intel? Только что еле-еле переползли на 10 нм?
Мы решили узнать, что измеряют эти нанометры? И так ли важно ими мериться или это просто маркетинг? И реально ли Intel так безбожно устарел?
Прежде чем перейти к процессорам в наших смартфонах и компьютерах, немного основ как устроен процессор?
Знакомьтесь — это транзистор! Ключевой элемент всех процессоров. Фактически транзистор — это переключатель. Ток течет через него — это 1, ток не течет — это 0. Это и позволяет считать в двоичной системе — основа всех процессоров!
Раньше транзисторами были вакуумные лампочки. Условно — горит или не горит: единица или ноль.
Таких лампочек нужно было очень много, чтобы всё как-то работало. Например, компьютер ENIAC 1946 года, который участвовал в создании водородной бомбы насчитывал 17,5 тысяч вакуумных ламп и весил 27 Тонн, занимая 167 квадратных метров. При этом он жрал 150 кВт электричества.
И тут один из ключевых моментов, на который стоит обратить внимание. Еще раз повторю энергопотребление у этих 17,5 тысяч лампочек составляло 150 кВт.
Но в начале 1960-х случилась революция — изобретение и начало производства полевых транзисторов. Как раз у них исходным полупроводником является кремний — отсюда и всем известная силиконовая, кхм, то есть Кремниевая долина!
И тут понеслось! Размеры транзисторов уменьшились настолько, что они стали потреблять существенно меньше электричества и занимать меньше места. И количество транзисторов в вычислительной технике начало увеличиваться с огромной скоростью! А вместе с ним и мощность вычислительных систем!
В первом промышленном процессоре Intel 4004, который был выпущен в 1971 году было 2250 транзисторов.
А сейчас например в A13 Bionic этих транзисторов 8.5 миллиардов — это больше чем людей на планете! Ну пока…
Но на сколько вообще уменьшились современные транзисторы, насколько они маленькие? Простое сравнение легкое для понимания — например, с человеческим волосом!
На его срезе можно разместить почти 1.5 миллиона современных транзисторов сделанных по 7-нанометровому техпроцессу!
То есть у вас на толщине человеческого волосе можно разместить в 4 раза больше транзисторов, чем было в процессоре Intel 4004!
Почему же надо уменьшать? Тут все более-менее очевидно!
Во-первых, чем меньше транзистор — тем меньше он потребляет энергии. Вы уже это поняли на примере ламповых.
А во-вторых — их больше помещается на кристалле, а значит растёт производительность. Двойная выгода!
И тут мы переходим к понятию техпроцесса или Technology Node — что же это такое?
Если максимально упростить, то значением техпроцесса исторически являлась минимальная длина канала транзистора — как видно на картинке — не стоит его путать с размерами транзистора целиком.
То есть, чем меньше размер техпроцесса — тем лучше — это нам и пытаются донести компании, но так ли всё просто?
И тут важно другое: транзисторы бывают разные и они отличаются не только по размеру, но и по своей структуре.
Классические, планарные или плоские, транзисторы перестали использоваться относительно недавно — в 2012 году. Они уступили место трёхмерным транзисторам, где вытянули канал в третье измерение, уменьшив его толщину и тем самым уменьшив сам транзистор. Такая структура называется FinFET — они и используются сейчас.
Данная технология очень помогла уменьшить размер транзисторов и главное — сильно повысила количество транзисторов на единицу площади, что и является одним из ключевых показателей для производительности!
Но означает ли сегодня понятие техпроцесс тоже самое, что и несколько лет назад?
Во всей индустрии прослеживалась очень важная тенденция — каждый следующий техпроцесс был меньше предыдущего на 30%, что помогало удвоить количество транзисторов при сохранение того же энергопотребления — например 130*0.7=90 нм, 90*0.7=65 нм, далее до 45 нм, 32 нм, и так далее.
И это пока соответствует Закону Мура:
Количество транзисторов, размещаемых на кристалле интегральной схемы, удваивается каждые 24 месяца.
Что же стоит за этой игрой чисел?
Мы уже выяснили, что техпроцесс — это размер затвора транзистора, то есть длина канала, который пропускает или не пропускает через себя ток и этот размер ключевой!
Но оказывается это истинно, только если мы говорим о старых 32 нм — там все точно, хоть линейкой измеряй! И этот параметр был закреплен документально!
Но так было до 2009 года, когда из так называемого “Международного плана по развитию полупроводниковой технологии” было исключено понятие техпроцесса и его обозначения!
Простым языком — цифры указанные в тех процессе сегодня — это просто маркетинговый лейбл!
Производители пошли вразнос и начали называть всё подряд 10, 7 и вообще 5 нанометрами, а кто-то уже говорит и о 3 нанометрах! Можно всё это ставить в кавычки, как простое обозначение поколения процессоров!
Вот вам например структура процессора Apple A12, произведенного на заводе TSMC по 7- нанометровому техпроцессу. Обратите внимание на шкалу масштаба в левом нижнем углу.
Если сравнить масштаб и посчитать, то получается, что ширина канала — 8 нанометров, при том, что официально процесс называется 7-нанометровым.
Теперь давайте сравним 10-нанометровый процесс у Intel и 7-нанометровый у TSMC.
Кстати, знайте, что сегодня TSMC это компания, которая производит процессоры для AMD, а также делает Apple A13 и Snapdragon 865 — поэтому считайте, что мы сравниваем сразу все их чипы.
Обратите внимание на размерность. Сразу видно, что те же 10нм у Intel почти такие же как 7 нанометров у TSMC! Так что выходит Intel не так уж отстали от AMD и других производителей — они просто проиграли маркетинговую битву? Тут тоже все не так однозначно!
Внезапно по некоторым параметрам Intel даже выигрывают у TSMC.
Смотрите на 1 квадратный миллиметр 10нм кристалла Intel помещается примерно на 5 процентов больше транзисторов, чем на 7нм у того же Apple, Qualcomm или AMD.
Но при этом у повышенной плотности есть и минусы — увеличенный нагрев!
Значит получается что кристаллы Intel мощнее, но за счет плотности они больше греются. Таким образом, мы получаем тот самый пресловутый троттлинг.
А процессоры производства TSMC — Apple Qualcomm и AMD выигрывают именно за счет более просторного расположения транзисторов примерно тех же размеров.
Как они это делают — это скорее вопрос внутренней архитектуры, а не циферка, которая стоит в названии тех процесса.
Не думайте, что я забыл про архитектуру N7FF+ — да она еще плотнее чем у Intel, но если говорить о чипах серия AMD Zen 2, Applу A13, Snapdragon 865 — все сделаны на основе TSMC 7FF и она проигрывает в плотности Intel.
Единственный процессор, который уже производится по новой технологии N7FF+ с использованием экстремальной УФ-литографии — это Kirin 990 5G. Тут конечно плотность транзисторов сильно возрастает — аж на 15 процентов!
По идее производители просто идут по немного разному пути и если заглянуть в будущее, то становится понятно по какому: вот вам табличка того как все будет — чипы следующего поколения.
Нас интересует строчка про плотность транзисторов на 1 квадратный миллиметр!
По этим данным Intel более чем на 30 процентов обходит и Samsung, и TSMC в плотности транзисторов — и это при том, что тут мы сравниваем уже 7 нм у одного производителя и 5 у другого.
Откуда такой прирост? Как возможно такое повышение плотности — процы просто будут взрываться или работать только с навороченными система охлаждения?
Не совсем так. Все дело в том, что Intel планирует перейти на транзисторы совершенно другой структуры — под названием HNS — Horizontal Nano Sheets — это и позволит сделать скачок!
Но похожие планы есть и у Samsung — они идут немного в другую сторону к структуре Gate-All-Around FET.
Вот как это выглядит в реальности — не так симпатично, но вы только подумайте о том, какие они маленькие!
В итоге мы поняли, что за маркетинговыми названиями 7 нм и 5 нм скрывается битва архитектур, а в будущем мы сможем выяснить чей же путь был верным.
Что можно сказать абсолютно точно — нас ждёт огромный скачок среди всех чипов как мобильных так и десктопных уже в течение ближайших нескольких лет.
На этой ноте не хочется заканчивать тему процессоров, ведь мы изучили немало информации и документов, в том числе разобрались в процессе производства. Например, вы слышали о таком процессе Экстремальная Ультрафиолетовая Литография? Если на пальцах, это какая-то фантастика — капля олова превращается в плазму после попадания лазера: именно так создаются современные процессоры. Но сами установки может создавать только одна компания в мире и все гиганты от нее зависят.