Objav na poli tranzistorov

Limitom nových čipov je spotreba energie a veľkosť tepla

Výskumníci spoločnosti Intel vyvinuli novú štruktúru tranzistora a nové materiály, ktoré predstavujú významné zlepšenie v rýchlosti, vo využití energie, v efektívnosti a v znížení tepelného vyžarovania tranzistora. Rozvoj tejto technológie je dôležitým míľnikom v úsilí o udržanie kroku s tzv. Moorovým zákonom a odbúraní technologických bariér, ktoré polovodičový priemysel len nedávno začal identifikovať. Prelom v technológii spojený s poslednými vyhláseniami Intelu o rýchlejších a menších tranzistoroch umožní nasadenie náročnejších nových aplikácií ako napríklad rozpoznávanie hlasu a tváre v reálnom čase, prácu s počítačom bez klávesnice a vývoj ešte menších inteligentných zariadení s vyšším výkonom a s dlhšou životnosťou

„Náš výskum ukázal, že môžeme pokračovať vo výrobe menších a rýchlejších tranzistorov. Dôležité problémy, ktoré však musíme riešiť, sa týkajú spotreby energie, vytvárania tepla a únikov energie,“ povedal Gerald Marcyk, riaditeľ vývoja komponentov v Intel Labs. „Naším cieľom je odstrániť tieto bariéry a produkovať čipy, ktoré majú 25-krát viac tranzistorov ako dnešné mikroprocesory a pracujú 10-krát vyššou rýchlosťou bez zvýšenia spotreby energie.“ Ako sa polovodiče stávali viac komplexnými a boli dosiahnuté nové míľniky vo veľkosti a výkone tranzistorov, spotreba energie a teplo boli nedávno charakterizované ako obmedzujúce faktory súčasnej konštrukcie a výroby čipov. Použitie existujúcich konštrukcií pre budúce procesory sa ukázalo ako nedostatočné. Dôvodom je únik energie v štruktúre tranzistora, ktorý spôsobuje vyššiu spotrebu, a tým dochádza k zahrievaniu procesora nad únosnú hranicu. Intel už vyvinul najmenšie a najrýchlejšie CMOS tranzistory na svete vrátane 15 nanometrových tranzistorov, čo umožní vyrábať čipy s viac ako jednou miliardou tranzistorov už v druhej polovici tohto desaťročia. Problémom je, že ak sa milióny a dokonca čoskoro miliardy tranzistorov umiestnia na kúsok kremíka veľkosti ľudského nechta, celková spotreba energie a veľkosť vytvoreného tepla predstavujú skutočný technický problém. Použitie existujúcich metód pri konštrukcii polovodičov by viedlo k výrobe čipov, ktoré by boli jednoducho priveľmi horúce na použitie v stolových počítačoch a serveroch. Tieto obmedzenia by tiež bránili implementácii nových procesorov v menších zariadeniach, akými sú mobilné PC a handheldy.

„Menšie a rýchlejšie dnes už nestačí,“ povedal Gerald Marcyk. „Energia a teplo sú najväčšie námety tohto desaťročia. Naša nová štruktúra tranzistorov teraz umožní výrobu zariadení s vysokou energetickou účinnosťou, pretože koncentruje elektrický prúd presne tam, kde je to potrebné.“ Nová architektúra sa nazýva Intel TeraHertz tranzistor, pretože tranzistor sa bude dať zapnúť a vypnúť viac ako biliónkrát za sekundu. Jedným zo základov novej architektúry je tranzistor s ochudobneným substrátom. Ide o nový typ CMOS zariadenia, na ktorom je tranzistor postavený na ultratenkom plátku kremíka potiahnutom izolačnou vrstvou. Táto ultratenká kremíková vrstva, ktorá je odlišná od tradičnej vrstvy kremíka na izolátoroch, je úplne ochudobnená s cieľom vytvorenia maximálneho prietoku prúdu pri zapnutom tranzistore a zároveň umožňuje rýchlejšie prepnutie tranzistora z jedného stavu do druhého. Naopak, pri vypnutí tranzistora je únik energie zredukovaný na minimálnu úroveň pomocou tenkej izolačnej vrstvy. To umožňuje tranzistoru s ochudobneným substrátom dosiahnuť až stokrát menší únik energie oproti tradičným systémom s kremíkom na izolátore. Ďalšou inováciou tranzistora s ochudobneným substrátom je zabudovanie nízkoodporových kontaktov na hornej strane kremíkovej vrstvy. Tranzistor môže teda byť veľmi malý, veľmi rýchly a spotrebuje menej energie.

Ďalším kľúčovým prvkom je rozvoj nového materiálu, ktorý nahrádza kremíkový dioxid na primárnej doštičke. Všetky tranzistory obsahujú materiál (gate-dielectric), ktorý oddeľuje hradlo tranzistora od aktívneho kanála - hradlo ovláda stav tranzistora, zapína ho a vypína. Najlepšie tranzistory predstavené minulý rok mali túto oddeľujúcu dielektrickú bránu vyrobenú z kremíka tenkého len 0,8 nanometra, teda približne tri atómové vrstvy. Aj napriek tak tenkej izolačnej vrstve predstavuje únik energie cez túto vrstvu jeden z najväčších odberateľov elektrickej energie v procesore. Nový materiál „vysoké dielektrické K hradlo” (high k gate dielectric) znižuje únik energie hradla o viac ako 10 000-krát pri porovnaní s kremíkovým dioxidom. Materiál vysokého K hradla vznikol vďaka novej technológii nanášania atómovej vrstvy, keď sa na základnú doštičku pri jednom prechode nanesie vrstva vysoká len jednu molekulu. Výsledkom je vyšší výkon, zníženie zahrievania a významné predĺženie životnosti batérie v mobilných zariadeniach. Tranzistory TeraHertz tak prekonávajú zásadnú bariéru, čo umožní masovú výrobu čipov pre aplikácie a zariadenia úplne novej generácie. Intel predpokladá začlenenie prvkov tejto novej štruktúry do výroby v roku 2005.

(jz)