Вычислительные машины, системы и сети. Лекция 10. Тема 13. Технологический процесс. Эволюция транзисторов

1.

Вычислительные машины,
системы и сети
Лекция 10
к.т.н., доцент, Тычинина Юлия
Александровна

2.

13. Технологический процесс. Эволюция транзисторов.
Ранние техпроцессы, до стандартизации NTRS (National Technology Roadmap for
Semiconductors) и ITRS, обозначались "xx мкм" (xx микрон), где xx сперва
обозначало техническое разрешение литографического оборудования, затем стало
обозначать длину затвора транзистора, полушаг линий металла (half pitch) и ширину
линий металла.
Под технологическим процессом (техпроцесс, технология, технология
производства микропроцессоров) долгое время подразумевалась длина затвора
транзистора. Например, когда говорили, что 0.6-мкм технологический процесс, –
это означает, что размер затвора транзистора составляет 0.6 микрон.
Обозначения для техпроцессов, внедренных начиная с середины 1990-ых годов,
были стандартизованы NTRS и ITRS и стали называться "Technology Node" или
"Cycle". Реальные размеры затворов транзисторов логических схем стали несколько
меньше, чем обозначено в названии техпроцессов 350 нм - 45 нм и с этих пор
коммерческие названия техпроцессов перестали соответствовать длине затвора. (В
1999 году, когда процессоры изготовлялись по 180-нм техпроцессу, длина затвора
составляла 130 нм. Спустя десять лет, в 2009 году, был освоен 32-нм техпроцесс
производства транзисторов с длиной затвора всего 15 нм) Теперь техпроцесс снова
соответствует линейному разрешению литографического оборудования.

3.

13. Технологический процесс. Эволюция транзисторов.
Транзистор (полупроводниковый триод) – радиоэлектронный компонент из
полупроводникового материала, обычно с тремя выводами, позволяющий
управлять током в электрической цепи. В транзисторах управление током в
выходной цепи осуществляется за счёт изменения входного напряжения или тока.
Фактически, транзисторы – это миниатюрные переключатели, с помощью которых
реализуются те самые «нули» и «единицы», составляющие основу цифровой
информации.
В настоящее время в аналоговой технике доминируют биполярные
транзисторы (БТ) (международный термин — BJT, bipolar junction transistor),
цифровой технике (логика, память, процессоры, компьютеры, цифровая связь
и т. п.), биполярные транзисторы почти полностью вытеснены полевыми.
Электроды полевого транзистора имеют следующие названия:
• исток (source) — электрод, из которого в канал входят основные носители
заряда;
• сток (drain) — электрод, через который из канала уходят основные носители
заряда;
• затвор (gate) — электрод, служащий для регулирования поперечного сечения
канала, то есть затвор предназначен для включения и выключения транзистора. Во
включенном состоянии транзистор пропускает ток, а в выключенном – нет.
Диэлектрик затвора расположен под электродом затвора. Он предназначен для
изоляции затвора, когда ток проходит через транзистор.

4.

13. Технологический процесс. Эволюция транзисторов.
Канал – это область транзистора, по
которой проходит управляемый ток
основных носителей заряда.
В 1934 году немецкий физик Оскар
Хейл запатентовал полевой транзистор,
но датой рождения транзистора
считается
день
официального
представления
биполярного
транзистора.
16 декабря 1947 года в лаборатории Bell Labs американцами Уильямом Шокли,
Уолтером Браттейном и Джоном Бардином придумали первый биполярный
транзистор. Эти транзисторы делали из германия, но p-n-переходы были
термически нестабильны (при том, что прибор заметно грелся), а дороговизна
затрудняла распространение.
В 1952 г. впервые получен кристаллический кремний, а через 2 года Texas
Instruments (TI) применила его в транзисторе.
В 1958 г. Джек Килби и Роберт Нойс изобрели интегральную микросхему,
годную для массового производства.
В 1958 г. Джэй Лэст и Роберт Нойс построили один из первых
фотоповторителей, позволявших на одну пластину проецировать множество копий
маски.

5.

13. Технологический процесс. Эволюция транзисторов.
В 1959 г. Роберт Нойс объединил обе идеи с возможностью
напылять тонкий слой металла на схему. Этот слой потом выборочно
вытравливался, получая одновременно все необходимые
межсоединения, что сделало возможным изготовление более
сложной схемы за несколько шагов. Так был изобретён планарный
технологический процесс.
В 1959 г. Джон Аталла и Дэвон Канг из Bell Labs изготовили
полевой транзистор с изолированным затвором. Получился всем
сегодня известный «бутерброд»:металлический (Al) затвор,
подзатворный оксид (SiO2) и канал-полупроводник (Si). И хотя
первые два элемента уже давно делаются из других материалов, мы
всё ещё называем это МОП-транзисторами.

6.

13. Технологический процесс. Эволюция транзисторов.
В подложке кремния (Silicon Substrate) формируются две
легированные области (сток и исток) с электронной (n-тип) или
дырочной (p-тип) проводимостью. В обычном состоянии электроны
(для n-типа) или дырки (для p-типа) хотя и диффундируют в область
кремния за счет избыточной концентрации, но не способны
перемещаться между стоком и истоком, поскольку неизбежны
процессы рекомбинации в области кремния. Кроме того, за счет
такой диффузии на границах контактов между легированными
областями стока и истока и кремния возникают локальные
электрические поля, препятствующие дальнейшей диффузии и
приводящие к образованию обедненного носителями слоя
(Depletion Region). Поэтому в обычном состоянии прохождение тока
между истоком и стоком невозможно. Для того чтобы иметь
возможность переносить заряд между истоком и стоком,
используется третий электрод, называемый затвором (Gate). Затвор
отделен от кремниевой подложки слоем диэлектрика (Gate Oxide), в
качестве которого выступает диоксид кремния (SiO2).

7.

13. Технологический процесс. Эволюция транзисторов.
При подаче потенциала на затвор
создаваемое им электрическое поле вытесняет
вглубь кремниевой подложки основные
носители заряда кремния, а в образующуюся
обедненную носителями область втягиваются
основные носители заряда стока и истока. В
результате между истоком и стоком в
подзатворной
области
образуется
своеобразный канал, насыщенный основными
носителями заряда (Inversion Layer).
Если теперь между истоком и стоком приложить напряжение, то по каналу пойдет
ток. При этом принято говорить, что транзистор находится в открытом состоянии. При
исчезновении потенциала на затворе канал разрушается и ток не проходит, то есть
транзистор запирается.
В 1961 г. выпущены первые промышленные фотоповторители с уменьшением
изображения — теперь маску можно сделать в 5–10 раз больше, что упрощало процесс
её подготовки. В то время микросхемы пока еще делались с биполярными
транзисторами.
В 1961 г. Жан Эрни, используя легирование золотом и эпитаксиальное осаждение,
получил кремниевый биполярный транзистор, работающий быстрее германиевых.

8.

13. Технологический процесс. Эволюция транзисторов.
В 1965 г. Гордон Мур сформулировал свой эмпирический закон.
Вся современная цифровая техника построена, в основном, на
полевых МОП (металл-оксид-полупроводник) - транзисторах (МОПТ), как
более экономичных, по сравнению с БТ, элементах. Иногда их называют
МДП (металл-диэлектрик-полупроводник)-транзисторы.
Международный термин — MOSFET (metal-oxide-semiconductor field
effect transistor). Транзисторы изготавливаются в рамках интегральной
технологии на одном кремниевом кристалле (чипе) и составляют
элементарный «кирпичик» для построения микросхем логики, памяти,
процессора и т. п. В настоящее время на одном современном кристалле
площадью 1—2 см² могут разместиться несколько миллиардов МОПТ.
В 1968 г. сделан настолько важный прорыв, что за следующие 35 лет
ничего подобного с транзистором не случалось: Роберт Кервин, Доналд
Кляйн и Джон Сэрэс из Bell Labs сменили материал затвора с алюминия на
поликремний (поликристаллическая форма кремния, сильно легированная
проводящими примесями). Такой подход позволил увеличить надежность
работы, увеличить скорость срабатывания и плотность размещения
транзисторов.

9.

13. Технологический процесс. Эволюция транзисторов.
На протяжении последующих лет происходит уменьшение размеров
(миниатюризация) МОПТ и увеличение их количества на одном чипе
(степень интеграции), в ближайшие годы ожидается дальнейшее
увеличение степени интеграции транзисторов на чипе. Так, в 1965 году в
микросхемах интегрировалось всего три десятка транзисторов, а
современный процессор насчитывает уже милиарды транзисторов на
кристалле. Уменьшение размеров МОПТ приводит к повышению
быстродействия
процессоров,
снижению
энергопотребления
и
тепловыделения.
Начиная с 60-х годов, то есть со времени создания первой микросхемы,
более 40 лет для изготовления диэлектриков затвора транзистора
использовался диоксид кремния (благодаря легкости его применения в
массовом производстве и возможности постоянного повышения
производительности транзисторов за счет уменьшения толщины слоя
диэлектрика). Специалистам Intel удалось уменьшить толщину слоя
диэлектрика до 1,2 нм (что равнозначно всего 5 атомарным слоям!) – такой
показатель был достигнут в 65-нанометровой технологии производства. У
Intel по технологии 65 нм выпускались ядра Conroe, Merom, Kentsfield (20062007 г), у AMD – Brisbane и Kuma (2006 – 2007 г.).

10.

13. Технологический процесс. Эволюция транзисторов.
В 1999 году, когда процессоры изготовлялись по 180-нм техпроцессу,
длина затвора составляла 130 нм. Спустя десять лет, в 2009 году, был
освоен 32-нм техпроцесс производства транзисторов с длиной затвора
всего 15 нм.
Конечно, в процессе эволюции планарных транзисторов менялись не
только их размеры. Существенные изменения претерпели и используемые
материалы, и даже геометрия самих транзисторов.
Дело в том, что основная проблема, связанная с уменьшением размеров
транзистора, упирается даже не в технологические сложности
литографического процесса, а в то, что экспоненциальное увеличение числа
транзисторов на кристалле приводит к экспоненциальному росту
потребляемой мощности и, как следствие, к перегреву микросхемы.
Причина этого негативного явления заключается в том, что уменьшение
размеров транзистора приводит к возникновению токов утечки. Токи утечки
возникают через слой диэлектрика, отделяющего область затвора от
кремниевой подложки, а также между истоком и стоком при
«выключенном» состоянии транзистора.

11.

13. Технологический процесс. Эволюция транзисторов.
Рост тока утечки через затвор транзистора по мере уменьшения
толщины слоя диэлектрика из диоксида кремния является одним из
самых труднопреодолимых технических препятствий на пути
следования закону Мура. Для решения этой принципиальной
проблемы корпорация Intel в 2007 г. заменила диоксид кремния в
диэлектрике затвора на тонкий слой из материала high-k (означает
высокую диэлектрическую пронициаемость) на основе гафния или
циркония. Это позволило уменьшить ток утечки более чем в 10 раз
по сравнению с диоксидом кремния. Га́фний (лат. Hafnium, Hf) —
тяжёлый тугоплавкий серебристо-белый металл, 72 элемент
периодической системы, открыт в 1923 году. В мире в год в среднем
добывается около 70 тонн гафния. Суть технологии в том, что теперь
сквозь затвор транзистора проходит особый High-K диэлектрик,
который снижает токи утечки.

12.

13. Технологический процесс. Эволюция транзисторов.
Материал high-k диэлектрика затвора несовместим с традиционными
кремниевыми электродами затвора, поэтому в качестве второй составляющей
«рецепта» Intel для ее новых транзисторов, создаваемых на основе 45нанометрового техпроцесса, стала разработка электродов с применением
новых металлических материалов. Для изготовления электродов затвора
транзистора применяется комбинация различных металлических материалов.
По 45 нм технологии Intel выпускала ядра Yorkfield, Wolfdale, Penryn,
Bloomfield (2007-2008), Lynnfield (2009), AMD – Deneb, Toliman, Dragon (20082009) . На срезе одного человеческого волоса можно разместить более 2000
транзисторных затворов, выполненных по 45-нм производственной
технологии.

13.

13. Технологический процесс. Эволюция транзисторов.
На смену 45 нм тех. процесса пришла 32 нм технология.
По 32 нм технологии Intel выпускала ядра – Clarkdale, Gulftown, Sandy
Bridge (2010 – 2011 г.), AMD – Zambezi (2010 г.) – это архитектура бульдозер,
Llano (2011), Trinity (2012г.), Richland (2013), Vishera (арх Piledriver).
С 2011 г. (идея возникла еще в 2002 г, но до реализации не доходило)
микропроцессоры Intel собираются на трёхмерных транзисторах (3d
транзисторы) именуемых Tri-Gate. Эта революционная технология
позволила существенно улучшить существующие характеристики
процессоров.

14.

13. Технологический процесс. Эволюция транзисторов.
Отметим, что переход к 3D-транзисторам при технологическом процессе 22
нм позволил повысить производительность процессоров на 30 % (по оценкам
Intel) и снизить энергопотребление. «Трёхзатворный» транзистор на деле
означает транзистор с каналом, окружённым затвором (через прослойку в виде
тонкого изолятора, обозначенного жёлтым) с трёх сторон — по сравнению с
планарным, где поверхность сопряжения представляет собой одну плоскость.
Затвор "окружает" транзистор и лучше предотвращает токи утечки.
Благодаря транзисторной технологии 3D Tri-Gate компании Intel удалось
значительно уменьшить размер кристалла (до 160 кв. мм) и геометрические
размеры самого транзистора, разместив на кристалле больше транзисторов,
однако отличия в плане архитектуры у Sandy Bridge и Ivy Bridge, несмотря на
громкие слова, минимальны. Благодаря транзисторам 3D Tri-Gate не только
уменьшились паразитные токи утечки, возросла скорость переключения, но и
несколько усложнилось производство процессора, вместе с этим увеличилась и
цена на чипы, правда, Intel утверждает что незначительно – всего на 2-3
процента.
По 22 нм технологии Intel выпускала ядра –Ivy Bridge (2012), Haswell (2013).
Компания AMD «пропустила» выпуск 22 нм технологии, на 28 нм – ядро Kabini
(2014).

15.

13. Технологический процесс. Эволюция транзисторов.
Увеличение производительности приводит к удорожанию фабрик, а это
в свою очередь ведёт к естественному отбору. Так, например, чтобы
окупить себя за 4 года, каждая фабрика Intel должна выпускать минимум
100 работающих пластин в час. На каждой пластине тысячи чипов… и если
произвести определенные расчеты, то станет понятно — не будь у Intel 80%
мирового рынка процессоров, компания просто не смогла бы окупать
расходы. Вывод – иметь у себя и собственный «дизайн» и собственное
производство в наше время достаточно накладно – как минимум нужно
иметь огромный рынок. Результат естественного отбора можно видеть
ниже – как видно, со своим «дизайном» и производством в ногу с
техническим прогрессом шагает все меньше и меньше компаний. Всем
остальным пришлось перейти в режим fabless – так, например, ни у Apple,
ни у NVIDIA, ни даже у AMD нет собственных фабрик и им приходится
пользоваться услугами других компаний.
Samsung и TSMC, вложившие в прошлом году в свои фабрики более
$1млрд. Причем у TSMC нет своего подразделения дизайна (только лишь
foundry) – по сути, это просто высокотехнологичная кузница, которая
принимает заказы от других компаний и часто даже не знает того, что куёт.

16.

13. Технологический процесс. Эволюция транзисторов.
Увеличение производительности приводит к удорожанию фабрик, а это
в свою очередь ведёт к естественному отбору.

17.

13. Технологический процесс. Эволюция транзисторов.
Издание AnandTech собрало информацию ото всех крупных игроков полупроводниковой
промышленности, которые планируют вложиться в модернизацию производства и строительство
новых фабрик. Это компании GlobalFoundries (США), Intel (США), Samsung (Южная Корея),
Semiconductor Manufacturing International Corporation (SMIC, Китай), Taiwan Semiconductor
Manufacturing Company (TSMC, Тайвань) и United Microelectronics (UMC, Тайвань).

18.

13. Технологический процесс. Эволюция транзисторов.
Транзисторы FinFET ещё можно будет выпускать с использованием 5-нм и 4-нм
техпроцесса (что бы ни понималось под этими нормами), но уже на этапе
производства 3-нм полупроводников структуры FinFET перестают работать так, как
надо. Затворы транзисторов оказываются слишком малы, а управляющее
напряжение недостаточно низким, чтобы транзисторы продолжали выполнять свою
функцию вентилей в интегральных схемах. Поэтому отрасль и, в частности,
компания Samsung, начиная с 3-нм техпроцесса перейдёт на изготовление
транзисторов с кольцевыми или всеохватывающими затворами GAA (Gate-AllAround).

19.

13. Технологический процесс. Эволюция транзисторов.
Итак, на смену FinFET должна прийти архитектура GAAFET (gate-all-around FET),
её с 2000 года разрабатывает организация, в которую входят также IBM,
Globalfoundries и Samsung. Тайваньская фирма TSMC взвешивает разные варианты
для 3 нм, включая нанослои (нанолисты), нанопровода и форсированные FinFET.
Как видно из названия, главной особенностью архитектуры GAAFET (gate-allaround FET) являются кольцевые затворы. Каналы транзисторов представляют собой
нанопровода, сформированные из нескольких горизонтальных кремниевых
«нанолистов», в то время как у FinFET канал транзистора представляет собой
монолитную вертикальную конструкцию, что накладывает ограничения по
масштабированию.
В
январе
2020
года
южнокорейская
компания
Samsung сообщала о первых успехах в разработке транзисторов GAAFET по
техпроцессу 3 нм. TSMC движется в том же направлении.

20.

13. Технологический процесс. Эволюция транзисторов.
По мере снижения технологических норм производства затворы прошли путь от
планарных структур, которые могли контролировать одну-единственную область
под затвором до вертикальных каналов, окружённых затвором с трёх сторон и,
наконец, приблизились к переходу на каналы, окружённые затворами со всех
четырёх сторон. Весь этот путь сопровождался увеличением площади затвора
вокруг управляемого канала, что позволяло снижать питание транзисторов без
ущерба для токовых характеристик транзисторов, следовательно, вело к
увеличению производительности транзисторов и к снижению токов утечек.
Транзисторы GAA в этом плане станут новым венцом творения и при этом не
потребуют значительной переделки классических КМОП-техпроцессов.
Окружённые затвором каналы могут выпускаться как в виде тонких перемычек
(нанопроводов), так и в виде широких мостов или наностраниц. Компания Samsung
сообщает о выборе в пользу наностраниц и заявляет о защите разработки
патентами, хотя все эти структуры она разрабатывала, ещё входя в альянс с IBM и
другими компаниями, например, с AMD. Новые транзисторы Samsung будет
называть не GAA, а патентованным именем MBCFET (Multi Bridge Channel FET).
Широкие страницы каналов обеспечат значительные токи, которые трудно
достижимы в случае нанопроводных каналов.

21.

13. Технологический процесс. Эволюция транзисторов.
Переход к кольцевым затворам позволит также увеличить энергоэффективность новых
транзисторных структур. Это означает, что напряжение питания транзисторов можно
уменьшить. Для FinFET структур условным порогом снижения питания компания называет 0,75
В. Переход на транзисторы MBCFET опустит эту границу ещё ниже.
Следующим преимуществом транзисторов MBCFET Самсунг называет необычайную
гибкость решений. Так, если характеристиками транзисторов FinFET на стадии производства
можно управлять только дискретно, закладывая в проект определённое число рёбер на
каждый транзистор, то проектирование схем с транзисторами MBCFET будет напоминать
тончайший тюнинг под каждый проект. И это будет сделать очень просто: достаточно будет
выбрать необходимую ширину каналов-наностраниц, а этот параметр можно изменять
линейно.

22.

13. Технологический процесс. Эволюция транзисторов.
Для производства MBCFET-транзисторов классический техпроцесс КМОП и
установленное на заводах промышленное оборудование подойдут без значительных
изменений. Небольшой доработки потребует только этап обработки кремниевых
пластин, что вполне объяснимо, и всё. Со стороны контактных групп и слоёв
металлизации даже не придётся ничего менять.
В заключение Samsung впервые даёт качественную характеристику тем
улучшениям, которые принесёт с собой переход на 3-нм техпроцесс и транзисторы
MBCFET. По сравнению с 7-нм FinFET техпроцессом переход на новые нормы и
MBCFET обеспечит снижение потребления на 50 %, увеличение производительности
на 30 % и уменьшение площади чипов на 45 %. Не «или, или», а именно в
совокупности. Эти изменения анонсируются к концу 2021 года.

23.

13. Технологический процесс. Эволюция транзисторов.

24.

13. Технологический процесс. Эволюция транзисторов.
Корпорация Intel опубликовала финансовый отчёт за II кв. 2020 года, в котором
объявила об очередной задержке с переходом на техпроцесс 7 нм. Планы отложили
ещё на шесть месяцев, так что теперь внедрение 7 нм планируется не раньше конца
2021-го — начала 2022 года. В сумме отставание от внутренней дорожной карты Intel
выросло до 12 месяцев.
Любопытно, что Intel планировала быстро перейти на 7 нм, потому что
испытывала проблемы с внедрением техпроцесса 10 нм. Некоторые аналитики
высказывают мнение, что в такой ситуации можно думать о переходе сразу на 5 нм.
Исполнительный директор компании Боб Свон сказал инвесторам, что
графический процессор для высокопроизводительных вычислений Ponte Vecchio
выйдет не раньше, чем в конце 2021-го или начале 2022 года. Он должен стать
первым 7-нанометровым чипом Intel.
7-нм процессор Intel для персональных компьютеров выйдет не ранее конца
2022-го — начала 2023 года, а первый серверный процессор для дата-центров — не
ранее I полугодия 2023 года.
По словам Свона, компания выявила в своём 7-нм техпроцессе «дефектный
режим», это вызвало «деградацию нормы техпроцесса». В результате Intel
предусмотрела «план на случай непредвиденных обстоятельств», включая
использование сторонних фабрик по производству микросхем.

25.

13. Технологический процесс. Эволюция транзисторов.
Задержка с переходом 7 нм представляет собой очередную неудачу Intel,
которая несколько лет испытывает проблемы с освоением процесса 10 нм.
Эти задержки позволили AMD впервые в истории отвоевать у Intel
лидерские позиции в разработке процессоров, что вызвало ценовую войну
на рынке, поскольку Intel сражается с конкурентом x86, у которого лучшие
технологии, не говоря уже о новых ARM-чипах Amazon Graviton 2, тоже
основанных на 7-нм техпроцессе TSMC.
Apple недавно объявила, что переходит с чипов Intel на собственные 7нм ARM-процессоры.
На первый взгляд кажется, что задержка Intel на шесть месяцев
небольшая, но в реальности она будет иметь долгосрочный «эффект
домино». Она означает, что в течение нескольких лет Intel будет
технологически отставать от AMD и Nvidia. Другими словами, в русле 7 нм
Intel уже неконкурентоспособна и может вернуться в полноценную борьбу
только после перехода на 5 нм.

26.

13. Технологический процесс. Эволюция транзисторов.
Rocket Lake — это кодовое
название семейства процессоров
одиннадцатого поколения Intel Core,
выпущенное 30 марта 2021. Оно основано
на новой микроархитектуре Cypress Cove,
варианте Sunny Cove (используемом
мобильными процессорами Intel Ice Lake)
обратный перенос на более старый 14-нм
техпроцесс. Ядра Rocket Lake содержат
больше транзисторов, чем нынешние
ядра Comet Lake, основанные на Skylake.
Rocket Lake имеет тот же сокет LGA 1200 и
совместим с чипсетами Z490 и H470, как и
Comet Lake. Также представлены новые
чипсеты 500-й серии. Rocket Lake имеет до
8 ядер, по сравнению с 10 ядрами в Comet
Lake. Он имеет графику Intel Xe-LP и
поддержку PCIe 4.0.

27.

13. Технологический процесс. Эволюция транзисторов.
В
2021
году
компания
AMD
представила
5000-серию
процессоров
Ryzen
(Райзен)
на
микроархитектуре Zen 3 с несколько
измененной в сравнении с 4000-серией
интегрированной
графической
подсистемой Vega на Socket AM4, которые
обозначаются индексом "G" (и их
урезанные по энергопотреблению версии
с приставкой "GE"), а также решения без
графической
подсистемы.
В
сами
процессорные ядра внесли значительные
изменения, чем заметно улучшили
производительность. У AMD и Intel нет
сейчас своих заводов, и производством
занимается тайваньская компания TSMC,
в 2020 успешно освоившая 5 нм и
выпускающая по этой процессор Apple
A14.
Видео 1, 2

28.

Ссылки на видео:
Видео 1
https://www.youtube.com/watch?v=K1NcSLYh1e0&t=2s – 7 мин
Видео 2
https://www.youtube.com/watch?v=mimHfARfROU&t=13s – 12 мин