TRI-GATE

После выхода очередного поколения центральных процессоров многие техноманьяки задаются вполне логичным вопросом: а что будет дальше? Каковы перспективы развития микроэлектроники, ведь невозможно постоянно «утоньшать» техпроцесс и увеличивать тактовую частоту? Рано или поздно перед кремниевыми чипами появится непреодолимый порог и придется внедрять что-то принципиально новое. Естественно, ученые всего мира уже давно озадачились этими вопросами. И некоторые технологии внедряются уже сейчас. О них и пойдет речь.

ДЕНЬ ВЧЕРАШНИЙ

В конечном итоге Intel столкнется с проблемами, касающимися дальнейшего выполнения закона Мура. И связаны они с размером того самого транзистора и способностью кремния пережить очередное его уменьшение. Поэтому уже сегодня, подобно тому, как русские готовят сани летом, необходимо начать изучение новых материалов или способов улучшить имеющиеся технологии (точнее, это уже делается не один год, просто кремний пока еще остается вне конкуренции).

На данный момент изготовление всевозможных чипов происходит по одному алгоритму, разветвленному, в зависимости от сложности, на сотни мельчайших и не очень элементов, который совершенствуется по ходу роста потребностей общества. Для наглядности позволь рассказать про самые главные его стадии.

Итак, для создания процессора «выращивают» цилиндр из чистейшего кремния, который потом нарезается на круглые пластины. В помещениях, где при попадании хотя бы одной пылинки сразу же звучит сирена, под строгим наблюдением людей в белых халатах данный стержень проходит ряд химикофизических процедур, обусловленных конкретными свойствами полупроводника. Если раньше изготавливали пластины диаметром 200 и 300 мм, то на сегодня распространена технология 450-миллиметровых кремниевых заготовок. Именно обработка полупроводника определяет, какая часть будущего процессора станет проводником, пропускающим ток, либо изолятором, соответственно, не пропускающим ток.

Далее необходимо из одной такой пластины сделать хотя бы несколько сотен процессоров с несколькими сотнями миллионов транзисторов, заполненных в специальных местах проводниками из различных металлов из нижней части таблицы Менделеева (выбор зависит от редкости, дороговизны и свойств элемента).

Германий

Параллельно с рассказом о новых технологиях, которые так или иначе, но будут интегрированы в центральные процессоры, я бы хотел затронуть тему использования других полупроводниковых материалов. Ведь рано или поздно из кремния выжмут все соки. А что же будут делать дальше?

Заменить кремний пробуют с помощью германия. Продвижением данного материала занимается достаточно известная контора — AMD. Дела в последнее время у них пошли на поправку, так что в серьезности их намерений можешь не сомневаться. Но попрошу акцентировать внимание на том, что германий при большей производительности достаточно нестабильно ведет себя уже при температурах выше 65 градусов по Цельсию. А потому на данный момент инженерам удалось лишь частично задействовать новый материал в своих процессорах с целью создания барьера. Дело в том, что установленные по краям заполненного растянутым кремнием канала германиевые пластины (за счет более крупной кристаллической решетки) позволяют кремнию растягиваться — плотность полупроводника уменьшается, и скорость пропускания электронов возрастает.

Естественно, физически достичь таких крохотных размеров (речь идет о расстояниях, сравнимых с диаметром атомов кремния) невозможно, поэтому создаются слои за счет шаблонов с дальнейшим «наращиванием» необходимого материала и последующим удалением лишних остатков. Но прежде чем что-то убрать, надо что-то создать. Поэтому на кремниевый диск наносят светочувствительный материал, именуемый фоторезистом. Его экспонируют на пластине с помощью трафарета-маски и засвеченные участки удаляют травлением. Данный этап изготовления CPU получил название фотолитографии. Процесс повторяют снова и снова, пока на поверхности пластины не останется рельефный рисунок из наращенного диоксида кремния согласно архитектуре чипа.
Полученную структуру обогащают токопроводящим поликристаллическим кремнием, а затем создают новый слой будущего «камня». Если ситуация требует того, то материал насыщают ионами других веществ в процессе легирования для увеличения проводимости диоксида кремния.

Именно таким способом Intel успешно осуществила выпуск процессоров архитектуры Sandy Bridge, работающих за счет 32-нанометровых транзисторов. Точнее, данная цифра говорит исключительно о ширине самого затвора, ибо расстояние между диэлектриком и транзистором меньше одного нанометра. Если учитывать, что диаметр атома кремния всего 0,24 нм, то приходится иметь дело с атомными расстояниями. Столь небольшие размеры в процессоре увеличивают интенсивность квантово-туннельного перехода электронов через барьер, что приводит к ошибкам во время переключения транзисторов из нуля в единицу. Поэтому от диоксида кремния пришлось отказаться в пользу новейших Hi-K оксидных материалов на основе преимущественно гафния.

Но проблемы окружают нас со всех сторон! К сожалению, инженеры столкнулись с очередной из них. Дело в том, что с выходом 32-нанометровых, а затем и 22-нанометровых транзисторов достигнут предел применения ультрафиолета для работы с фоторезистом и минимальной дифракцией (рассеиванием). Квант волны света элементарно «толще» расстояний между элементами на оксидной подложке, следовательно, и рисунка маски.

Нашелся выход в виде применения так называемого Deep Ultraviolet (глубокий ультрафиолет) с длиной волны 193 нм в совокупности с фазовым сдвигом трафарета. Но такая головная боль требует не только практически идеального позиционирования маски относительно пластины, но и огромных вычислительных мощностей, тормозящих процесс изготовления чипов. Поэтому на сегодня одним из самых высокотехнологичных методов является иммерсионная литография, основанная на размещении между линзой ультрафиолетового источника света и кремниевой пластиной специальной жидкости. Состав, конечно же, держится в тайне.

Существует и технология EUV-литографии (Extreme Ultraviolet, экстремальный ультрафиолет) для более тонкой экспозиции трафаретов. Длина волны у такого ультрафиолетового света всего 13 нм, что позволит избавиться от ряда проблем, кроме одной — цены.

Графен

Еще один материал, который может стать «преемником» кремния, — это графен, обладающий очень хорошими свойствами. Например, он имеет высокое отношение прочности к массе. По этому показателю ему нет равных в периодической системе Д. И. Менделеева. Теплопроводность графена свыше 5 • 103 Вт / (м • К). Электропроводность этого материала на три порядка выше, чем у меди. Также графен имеет высокую подвижность носителей: 2 • 105 см2/ (В • с) при нормальной температуре и 107 см2/ (В • с) — при гелиевых температурах. Наконец, на базе графена можно сделать сток, исток и канал для создания полевых транзисторов. Причем уже сейчас есть специальные полоски толщиной всего 3 нм.

На базе графена, кстати, уже разработаны так называемые полевые туннельные транзисторы — GNR TFETs (Graphene NanoRibbons TFET). Данные транзисторы способны выдержать более высокие токи возбуждения и характеризуются на несколько порядков более низкой рассеиваемой мощностью. В университете Нотр-Дам уже разработаны графеновые нанополоски толщиной до 3 нм, затвор GNR TFET имеет длину всего 20 нм. Ток утечки в отключенном состоянии на четыре порядка ниже, чем у классического MOSFET-транзистора, а напряжение питания — на порядок (0,1 В против 1 В). Переключение GNR TFET происходит с частотой 11 000 ГГц. Обычные МОП-приборы могут похвастать лишь скоростью 2000 ГГц.

Масштабный выпуск процессоров на базе графеновых транзисторов — дело далеко не ближайшего будущего. Плюсы графена очевидны. Однако необходимо учесть еще один аспект — финансовый. Сколько будет стоить такой «камень»? Инженерам наверняка придется поломать над этим голову.

ДЕНЬ СЕГОДНЯШНИЙ

Описанная выше методика создания чипов за вычетом некоторых моментов использовалась больше 50 лет. Но с выходом процессоров архитектуры Ivy Bridge в Intel перешли от классических планарных структур к трехмерным. Эта технология получила название Tri-Gate, и она позволяет и дальше выполнять закон Мура.

Почему все так прицепились к этому закону? Все очень просто. Данный вектор развития позволяет каждые 24 месяца стабильно увеличивать производительность интегральных схем. Конечно же, раз число транзисторов в кристалле увеличивается вдвое, то в теории и производительность должна удвоиться. Однако трудности, с которыми приходится сталкиваться инженерам и ученым, капитально «корректируют» выходной результат. А потому на практике очень часто выходит не так, как в теории. На деле «планарный» Sandy Bridge не так уж и сильно отстает от «трехмерного» Ivy Bridge.

Любой планарный процессор можно представить в виде плоской структуры, на которой располагаются ячейки с транзисторами. Площадь этой структуры определяет число транзисторов, а следовательно, и производительность «камня». С выходом Ivy Bridge ячейки стали располагать в несколько рядов. Появилось такое понятие, как «производительность вглубь». Чтобы ты понимал, насколько сложная задача стояла перед Intel, скажем, что разработка Tri-Gate-технологии велась с 2002 года, то есть чуть меньше десяти лет. А это приличный срок для микроэлектроники!

В «планарном» процессоре ток может протекать только по узкой поверхности проводника. И это одно из самых главных его ограничений. В трехмерных же структурах ток распространяется по толще кремниевого выступа, как бы проходящего сквозь затвор. Эта разница позволила уменьшить сопротивление транзистора в активном состоянии, а также увеличить скорость их переключения. Как итог, у новых процессоров были уменьшены напряжение питания и токи утечки. В идеальных условиях Tri-Gate-транзисторы на 40-50% производительнее обычных планарных транзисторов. На практике же все не так радужно.

Еще один большущий плюс Tri-Gate — возможность изготавливать чипы при помощи классической литографии. То есть для новых процессоров не надо строить новые фабрики и переоснащать старые.

ТЕМНЫЙ ВЛАСТЕЛИН

Итак, именно создание трехмерных транзисторов, а также развитие схем «вглубь» (а не «вширь») позволило Intel беспрепятственно перейти на 22-нанометровые «рельсы». Скажем больше: не за горами выход чипов, изготовленных согласно 14-нанометровому и 10-нанометровому техпроцессу. Также ожидается появление первого центрального процессора с триллионом транзисторов на борту. Но не все так хорошо, как может показаться на первый взгляд. И очень может быть, что в скором будущем мы услышим историю про «паровозик, который не смог». Согласно закону Деннарда, при уменьшении техпроцесса в X раз производительность схемы увеличится в X3 раз. При этом рост вычислительной мощи не приведет к увеличению энергопотребления, так как на той же площади кристалла помещается, как мы знаем, X2 транзисторов. Также в X раз должна увеличиться тактовая частота, а напряжение питания — уменьшиться в X раз. Но в наши дни закон не работает (вот это поворот!). И с уменьшением техпроцесса начинают расти токи утечки, приводящие к увеличению энергопотребления. Уже сегодня некоторые процессоры можно считать миниатюрными ядерными реакторами. И тепловыделение в размере 125-135 Вт у самых производительных «камней» уж точно не назовешь маленьким.

Очевидно, что в Intel стараются держаться в рамках определенных тепловых пакетов. Конечно, можно создать сверхмощный процессор с TDP порядка 200-300 Вт (как у видеокарт, например). Однако охлаждать его придется двухкилограммовым кулером. Стоимость системы будет зашкаливать, а стоимость электроэнергии… лучше промолчим. Поэтому при выпуске новых процессоров нужно обязательно держаться определенной границы энергопотребления — так называемой Utilization Wall. У этого ограничения есть зависимость: с каждым новым техпроцессом, в отсутствие серьезных архитектурных изменений, доля активной площади чипа (то есть той, в которой постоянно идет переключение затворов транзисторов) должна убывать экспоненциально. Как правило, речь идет о единицах и даже долях процентов. Оставшаяся большая часть кристалла, которая неактивна, получила название «темный кремний» (Dark Silicon). И чтобы процессор не превышал допустимый порог энергопотребления, необходимо, чтобы в любой момент времени большая часть кристалла была отключена либо работала на пониженных частотах.

ЧЕТЫРЕ ПУТИ

Уже сейчас можно смело заявить, что мы живем в эпоху «темного кремния». Инженеры разделяют четыре основных подхода, при которых микроэлектроника будет развиваться в эту эпоху. Это интеграция новых техпроцессов и материалов, специализация, параллелизация и управление энергопотреблением. Бегло рассмотрим эти подходы:

1. Интеграция. Уже сейчас ведутся разработки схем на базе более тонких технологических норм. Сюда же можно отнести разработку Tri-Gate. Хотя очевидно, что трехмерные транзисторы лишь отсрочат приход альтернативных технологий с использованием других полупроводниковых материалов. Уже сейчас активно ведутся разработки над созданием чипов на базе германия и графена.

2. Специализация. Это реализация на площади кристалла специальных блоков (сопроцессоров), которые, в зависимости от конкретной задачи, либо намного производительнее процессора общего назначения, либо во сто крат энергоэффективней. Уже сейчас существуют специальные сопроцессоры, позволяющие на аппаратном уровне обрабатывать графику, кодировать видео и звук. И пока один сопроцессор выполняет задачу, другие могут быть попросту отключены. Конечно же, самым наглядным примером использования специализации являются SoC-схемы.

3. Параллелизация. Многие задаются вопросом, почему при освоении новых технологических норм Intel не спешит наращивать мощь своих процессоров за счет увеличения
количества ядер? Ответ прост: всему виной токи утечки, которые постоянно растут из-за того, что при определенной площади кристалла площадь ядер становится все меньше. Площадь кристалла вряд ли в ближайшее время сильно уменьшится. Поэтому в Intel обращают внимание на другие составляющие процессора. Например, замена одного компаратора на два, но работающих на вдвое меньшей частоте, позволяет уменьшить энергопотребление в 2,5 раза!

4. Управление энергопотреблением. Помимо термина «темный кремний», существует понятие «тусклый кремний» (Dim Silicon). Это та часть схемы, которая не бездействует, но работает на значительно меньшей частоте. Самый яркий пример использования «тусклого кремния» — это использование технологии Turbo Boost. Рассказывать о ней в подробностях нет смысла. Второй момент — увеличение кеша. А именно предлагается использовать «темные» области кремния для размещения кеша. В итоге для ряда задач появится возможность уменьшить число кеш-промахов.

ВЫВОД

Существует еще достаточно много методик и технологий, позволяющих микроэлектронике развиваться в эпоху «темного кремния». Так что как минимум до 2020 года мы будем лицезреть привычную нам картину. Скорее всего, закон Мура будет действовать и дальше, а технологические нормы разработки CPU — совершенствоваться и совершенствоваться. Однако в перспективе, глобально, если мы возьмем временной отрезок в два-три десятилетия, очевидно, что микроэлектронике, какой мы знаем ее сегодня, приходит конец. И совсем скоро мир будет стоять на распутье. Либо человечество загонит себя в технологический тупик, либо, наоборот, произойдет самая настоящая Hi-Tech-революция!