211service.com
Hvordan tredimensionelle transistorer gik fra Lab til Fab
Intels nye tredimensionelle transistordesign, der blev annonceret i begyndelsen af denne uge, er kulminationen på mere end ti års forsknings- og udviklingsarbejde, der begyndte i et laboratorium ved University of California, Berkeley i 1999.
I Intels nye design er siliciumkanalen hævet som en finne, så porten kommer i kontakt med den fra tre sider. (Stor grafik næste side.)
De 22 nanometer transistorer, som Intel siger vil gøre chips 37 procent hurtigere og halvt så strømkrævende, vil blive brugt til hvert element på virksomhedens 22 nanometer skala chips, inklusive både logik- og hukommelseskredsløbene. Processorer, der bruger tri-gate transistorer, er blevet demonstreret i arbejdssystemer, og virksomheden vil begynde volumenproduktion i anden halvdel af dette år. Det er uklart, hvordan enhedsproducenter vil drage fordel af chipsene, men de vil sandsynligvis muliggøre forbedret batterilevetid og større sofistikering til bærbare enheder samt hurtigere behandling af desktops og servere.
Intel vendte sig til det nye design, fordi eksisterende design er begyndt at løbe op mod en ydeevne-vejspærring. Konventionelle transistorer består af en metalstruktur kaldet en port, der er monteret oven på en flad kanal af silicium. Porten styrer strømmen af strøm gennem kanalen fra en kildeelektrode til en drænelektrode. Med hver generation af chips er kanalen blevet mindre og mindre, hvilket gør det muligt for virksomheder som Intel at lave hurtigere chips ved at pakke flere transistorer ind. Men det er blevet sværere for porten helt at afbryde strømmen. Utætte transistorer, der ikke slukker helt, spilder strøm.
Tri-gate transistorerne bruger rektangulære siliciumkanaler, der stikker op fra overfladen af chippen, hvilket gør det muligt for porten at kontakte kanalen på tre sider i stedet for kun én. Denne mere intime kontakt betyder, at porten kan slukke for transistoren næsten fuldstændigt selv på 22-nanometer skalaen, som er ansvarlig for energieffektiviteten i Intels nye chips. Det er også muligt at lave tri-gate transistorer med mere end én siliciumkanal forbundet til hver gate for at øge mængden af strøm, der kan strømme gennem hver transistor, hvilket muliggør højere ydeevne.
Multimedier
Moores lov: Transistorernes historie i billeder.
Briefing: Mikroprocessorer
En tidslinje for udvikling af mikroprocessorer.
Intel opfandt ikke dette transistordesign, men virksomheden er den første til at få den i produktion. Hvis virksomheden havde holdt fast i plane transistorer i overgangen fra 32- til 22-nanometer transistorer, ville chipsene have vist 20 til 30 procents gevinster i effektivitet og ydeevne, siger industrianalytiker Linley Gwennap . Der havde været spekulationer om, at virksomheden ville bruge det nye transistordesign til hukommelseselementer og ikke logik, og dermed ikke helt eliminere de plane transistorer. Ved at bruge tri-gate-teknologien til både hukommelse og logik, siger Gwennap, er Intel virkelig på vej efter hegnene og ser en stor forbedring i ydeevnen, hvilket kan være en kæmpe fordel i forhold til sine konkurrenter.
Flytter op: I en konventionel transistor (til venstre) styrer en topmonteret port strømmen af elektrisk strøm gennem en flad siliciumkanal nedenfor. I Intels nye design (til højre) er siliciumkanalen hævet som en finne, så porten kommer i kontakt med den fra tre sider. Dette giver større kontrol over strømmen gennem kanalen og reducerer strømlækage.
Disse tredimensionelle transistorer blev først forestillet og bygget af tre forskere ved University of California, Berkeley, i slutningen af 1990'erne, som svar på en opfordring fra United States Defense Advanced Research Projects Agency om design, der ville tillade transistorer at skalere under 25 nanometer, en størrelsesorden mindre end dem, der var i produktion på det tidspunkt. Chenming Hu skrev de tekniske specifikationer for den nye transistor på en flyvetur til Japan i 1996. En Berkeley-gruppe bestående af Hu, Jeffrey Bokor , og Tsu-Jae King Liu lavede først disse transistorer, som de kaldte FinFET'er, i 1999.
Det var et øjeblikkeligt hit, siger Hu. Universitetet valgte at frigive den intellektuelle ejendom til det offentlige domæne i stedet for at patentere den; mens Berkeley-forskerne blev ved med at forfine designerne, præsenterede Hu arbejdet hos flere virksomheder, inklusive Intel. I 2002 var FinFET og et andet Berkeley-design, kendt som silicium på isolator, de enheder, som International teknologikøreplan for halvledere som de teknologier, der sandsynligvis vil opfylde industriens behov i de næste 15 år. Men hos Intel trak FinFET sig i det mindste foran det andet design, som er afhængig af at tilføje et meget tyndt lag silicium til en transistor. Indtil for omkring to år siden var de virksomheder, der laver siliciumwafers, ikke i stand til at gøre det aktive lag tyndt nok. fransk selskab Soitec kan nu fremstille de nødvendige wafere til dette alternative design, og Hu siger, at Intels konkurrenter måske på et tidspunkt vil adoptere det.
Det tog omkring et årti at få det lovende tredimensionelle enhedsdesign ud af laboratoriet og i produktion. Intel har ikke afsløret mange af detaljerne om, hvilke fantastiske opgraderinger der er nødvendige for at lave de nye transistorer, men baseret på det faktum, at der tilsyneladende ikke kræves nye materialer eller maskiner - og den marginale stigning i produktionsomkostningerne på 2 til 3 procent lovet af virksomheden – ændringerne ser ud til at være mindre. Virksomheden har sagt, at fremstillingen af de tredimensionelle kanaler kun involverer et ekstra ætsningstrin.
Hu siger, at Berkeley-forskerne fra starten besluttede, at deres nye design skulle være kompatibelt med industriens eksisterende infrastruktur, og det har vist sig at være tilfældet. Den største hindring for at gøre teknologien klar til volumenproduktion, siger Hu, var sandsynligvis at beskæftige sig med pålidelighed: at få dimensionerne af den meget tynde kanal under kontrol, når milliarder af dem skal laves på hver enkelt wafer.
Hu siger, at Berkeley-gruppen designede disse transistorer, så de ikke ville kræve, at kredsløbsdesignere fuldstændigt redesignede chiparkitekturer. Det er en del af grunden til, at Intel kan få produkter ud så hurtigt. Hus gruppe har arbejdet på kredsløbssimuleringsværktøjer til tri-gate transistorer i de sidste fem år.
Alligevel ser kredsløbsdesignere nye muligheder, der kan åbne sig med disse transistorer. De tilbyder nye måder at tune adfærden af individuelle porte, hvilket giver designere nye knapper at lege med for yderligere at forbedre strømeffektiviteten og pålideligheden, siger Subhasish Mitra , professor i elektroteknik og datalogi ved Stanford University. At se en helt ny transistor gå i volumenproduktion i løbet af omkring et årti er et opmuntrende tegn på, at industrien ikke er forældet, og at gode teknologiideer stadig kan komme ud af akademiske laboratorier, tilføjer Mitra.