Самый маленький транзистор в процессоре
Обновлено: 07.07.2024
Электроника развивается просто семимильными шагами и если ранее, например, телевизор имел просто огромные габариты, то теперь это очень тонкая и хрупка конструкция. А все это благодаря тому, что комплектующие постоянно уменьшаются в габаритных размерах и теперь они имеют размеры даже не микрометры, а нанометры. В этой статье я расскажу о транзисторах размером до 2,5 нанометров.
Получить столь малое изделие удалось инженерам из Массачусетского технологического института и Университета Колорадо. Ими была разработана новейшая методика микро обработки, которая была успешно применена для производства столь малых транзисторов.
А ведь всего пару лет назад стандартом для промышленного производства считался чип 14 нанометров и, казалось бы, создать более компактное устройство будет проблематично, но уже сейчас (2019 год) компания IBM уже активно экспериментирует с транзисторами 5 нанометров.
Технология производства
Для того, чтобы произвести столь малое устройство ученые применили термическое травление на атомарном уровне (ALE). При этом используется легированный полупроводниковый материал – арсенид индия-галия, который обрабатывается фтористым водородом, благодаря чему создается слой фторида металла на поверхности подложки.
После этого на заготовку добавляется специальное соединение – диметилалюминийхлорид (DMAC), запускающее химическую реакцию, в процессе которой происходит обмен лигандами.
При этом ионы связываются с атомами в кристаллической решетке фторида металла, поэтому, когда происходит очищение DMAC, то происходит удаление лишь отдельных атомов с поверхности металла. За одно такое травление происходит удаление всего лишь 0,2 нанометра материала, за счет этого происходит предельно точное травление при повторении процесса.
Что в итоге получилось
Используя вышеописанную технологию, инженеры получили транзисторы с полевым эффектом Fin (FinFET). При этом большая их часть меньше по размеру, чем 5 нанометров, а самые маленькие получились размером всего 2,5 нанометра.
Кроме этого проведенные испытания показали, что работа новых транзисторов эффективнее существующих на 60 процентов ныне существующих и активно использующихся транзисторов.
Заключение
Новые технологии позволяют производить все более компактные электронные устройства, а все благодаря технологиям, которые позволяют управлять процессами производства буквально на атомарном уровне. Понравилась статья, тогда оцените ее лайком. Спасибо за ваше внимание!
Для этого компания сменила традиционный кремний на висмут и сульфид молибдена.
Один из крупнейших производителей процессоров, тайваньская компания TSMC объявила о прорыве в освоении технологического процесса величиной один нанометр. Это в 5-7 раз меньше техпроцесса, который используют в современных процессорах AMD, Samsung и Apple. Для преодоления рубежа в 1 нм TSMC привлекла специалистов из сильнейших американских вузов и Национального университета Тайваня.
Размер технологического процесса показывает, насколько мелкими масштабами может оперировать оборудование, на которых производят процессоры. Сейчас процессоры для смартфонов, ноутбуков и компьютеров делают на техпроцессе 5-7 нанометров. Это всего в 80-100 раз больше размера отдельных атомов. В 2022 году TSMC планирует перейти на техпроцесс в три нанометра.
Уменьшение техпроцесса позволяет уместить в процессор больше транзисторов. В целом, чем меньше техпроцесс — тем выше производительность процессора и тем меньше он потребляет энергии при работе.
Чтобы покорить рубеж в 1 нм, исследователи заменили привычный для процессоров кремний на висмут и сульфид молибдена. Из них изготовили «двумерные» транзисторы, толщина которых составляет один или несколько атомов. Ранее такие транзисторы не могли заставить передавать ток друг другу, но оказалось, что для этого достаточно было подобрать нужные материалы.
Правда, из полученных транзисторов пока нельзя собрать полноценную электронную схему, это лишь опытные образцы. Так что до внедрения техпроцесса 1 нм в производство пока далеко. При этом IBM недавно выпустила первую готовую пластину с процессорами на техпроцессе 2 нм. Они обещают снижение энергопотребления на 75% или повышение производительности на 45% по сравнению с 7-нанометровыми чипами.
это в семь раз меньше, чем у нынешних процессоров
Да, Никита, техпроцессы именно так и считаются
Ну и в чем он не прав
В том что цифра в техпроцессе говорит только об использовании наиболее свежей архитектуры и по сути является маркетинговой уловкой, при чем очень успешной. Не особо разбирающиеся любители поустраивать срачи любят приводить в пример 7нм процы у AMD как преимущество перед 14нм у Intel, хотя в интернете достаточно сравнений явно демонстрирующих, что плотность транзисторов и их размер в обоих случаях примерно одинаковы. Более того Intel кажется еще в 2009 году предлагала ввести единый стандарт сертификации техпроцессов, но не случилось
Совсем распустились без Дамира
Я кстати, пытался обсуждать с Дамиром полупроводниковое производство на сходке, он он выглядел не очень заинтересованным)
А что случилось с Дамиром?
Комментарий удален по просьбе пользователя
Наконец-то техпроцесс достиг размера моего члена
Такими темпами они скоро добьются результата равного толщине колбасы, которую нарезает тетя Сара для гостей
Сейчас процессоры для смартфонов, ноутбуков и компьютеров делают на техпроцессе 5-7 нанометров или 5-7 миллиардных долей метра
Или же 5-7 десятитриллионных долей километра
Комментарий удален по просьбе пользователя
Или в площадях Техаса
Это в 3 миллиона раз меньше, чем диаметр одноцентовой монеты
Проблема с 2D-материалами в том, что место контакта между полупроводником и металлом обладает высоким сопротивлением и ухудшает токовые характеристики транзисторов. Исследователи из Массачусетского технологического института, Калифорнийского университета в Беркли, компании TSMC, Национального университета Тайваня и ряда других организаций смогли подобрать правильное сочетание материалов, которое обеспечило все нужные характеристики «двумерных» транзисторов.
Всё оказалось просто. Снижение сопротивления на границе перехода между двумерным полупроводником в лице сульфида молибдена (MoS2) и металлическим контактом для соединения с другими цепями электронной схемы произошло при контакте материала с полуметаллом висмутом (Bi). На границе раздела материалов, как сообщают учёные, отсутствовал энергетический барьер (барьер Шотки), который мог бы препятствовать свободному прохождению электронов — течению электрического тока.
Из данного исследования был сделан вывод, что электрический контакт между MoS2 и Bi — это вполне рабочее решение для создания транзистора n-типа. Решения для создания аналогичного транзистора p-типа у исследователей пока нет, так что полноценной электронной схемы из 2D-материалов пока не создать.
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.
До настоящего времени в полупроводниковой промышленности считалось, что транзисторы, выполненные по техпроцессу менее 5-нм, не будут работать, поэтому их разработка и изготовление даже не рассматривались. Но теперь эта теория, пошатнулась благодаря изысканиям научных сотрудников Калифорнийского университета в Беркли. Им удалось создать транзисторы по 1-нм техпроцессу за счет применения углеродных нанотрубок (графен) и дисульфида молибдена (MoS2).
Принято считать, что из-за квантовых ограничений длина затвора в кремниевых транзисторах не может быть меньше 5 нанометров. Причиной тому служит туннельный эффект, когда электроны начинают проходить через энергетический барьер транзистора, и электронный компонент уже не может работать. Для решения этой проблемы ученые использовали конструкцию из трёх слоев — подложки из кремния, пластинки из диоксида циркония с проходящей в ней углеродной нанотрубки и тонкой плёнки дисульфида молибдена, который в сравнении с кремнием обладает более низкой диэлектрической проницаемостью. В результате затвор даже из одной углеродной нанотрубки создает достаточное электрическое поле, чтобы не дать электронам "прыгать" с одного конца транзистора на другой из-за квантового туннелирования.
Важно отметить, что такой результат достигнут не впервые. Ещё в 2008 году исследователи из университета Манчестера использовали графен для создания транзистора по 1-нм техпроцессу, содержащего лишь несколько углеродных колец. Двумя годами ранее корейские ученые использовали технологию FinFET, чтобы перейти на 3-нм техпроцесс. Однако решение учёных из Беркли отличается от ранних открытий стабильностью своей работы.
Впрочем, исследователи из Беркли еще не пытались компоновать новые транзисторы на кристалле и не изучали вопрос производства чипов в промышленных масштабах. В наши же дни самые новейшие процессоры (например, Kaby Lake от Intel) созданы по 14-нанометровому технологическому процессу. Следующий шаг — выпуск чипсетов с длиной затвора 10 нм. Над созданием соответствующей промышленной технологии, которая позволит "печатать" прогрессивные чипы, работают такие признанные чипмейкеры, как Intel, Qualcomm и MediaTek.
Для потребителей данная технологическая революция может означать, что устройства станут ещё мощнее, но с сохранением нынешних размеров, или компактнее.
Читайте также: