Эволюция и уменьшение транзисторов

Эволюция и уменьшение транзисторов

Сегодня мы поговорим об эволюции транзисторов которая привела к уменьшению их размеров, что в свою очередь позволило достичь небывалой производительности компьютерной техники.

Первый транзистор был не намного меньше нашей ладони. Спустя 70 лет с момента его появления инженеры IBM Research показали, что его величина может составлять всего 5 нм или 0,000005 мм. Масштаб миниатюризации впечатляет, но практическое применение является наиболее важным. Меньшие размеры транзисторов означают более длительное время автономной работы и более высокую производительность смартфонов или компьютеров, потому что они являются основным элементом, который создает микропроцессоры.

Эволюция транзисторов

В 1965 году Гордон Мур, один из создателей Intel, заявил, что число транзисторов в процессоре и, следовательно, его вычислительная мощность будут удваиваться каждые 18 месяцев. Это соотношение, называемое законом Мура, все еще действует, хотя время, в течение которого происходит этот экспоненциальный рост, было продлено до двух лет. Первый микропроцессор (Intel 4004), массово появившийся на рынке в 1971 году, содержал довольно большой корпус из 2300 транзисторов и был изготовлен по технологии 10 мкм. Это означает, что один транзистор имел ширину около 10000 нм или 0,01 мм. Теперь ученые из IBM Research в сотрудничестве с Samsung и GlabalFoundries, производящими чипы для таких гигантов, как AMD и Qualcomm, создали первый процессор размером 5 нм. Это позволяет разместить на кусочке кремниевой пластины размером со шляпку маленького гвоздя 30 миллиардов транзисторов.

Транзисторы были плоскими и просторными

Можно сказать, что к 2011 году полевые транзисторы, из которых были построены процессоры, имели «плоскую» горизонтальную структуру. Эта структура позволила разработчикам миниатюризировать транзистор до 28 нм. На пути к дальнейшему уменьшению стояли различные физические явления, такие как потенциальный барьер, токи утечки. Было невозможно дополнительно уменьшить транзистор, потому что это уменьшило бы все компоненты, которые его составляют. Наиболее проблематичной была и остается ширина канала, от которого зависит максимальный ток, протекающий через него. Поэтому, чтобы уменьшить транзистор еще раз, его пришлось строить по-другому. Intel был первым, кто сделал это в то время и уложил его прямо на кремниевую подложку. Так родился FinFET, то есть транзистор, канал которого имел форму вертикального ребра для повышения его эффективности (чем больше площадь контакта с затвором, тем лучше).

FinFET транзистор

Вертикализация позволила уменьшить технологический размер до 22 нм, а затем в ближайшие годы достичь размера 10 нм, которые и производятся серийно для смартфонов Samsung. IBM пошла дальше и показала, что она может производить транзисторы размером до 7 нм, используя для этого кремниевые чипы и технологию фотолитографии EUV (мгновеннный экстремальный ультрафиолет). Тем не менее FinFET подошел к своему концу. Нужно было что-то новое.

IBM пришла в голову идея сделать транзистор плоским. Вертикальные ребра с определенного момента уже не могут быть уже или выше, но они могут наклоняться, как трава, и вступать в контакт. Поэтому вертикальные каналы снова были расположены горизонтально и окружены воротами, обеспечивающие им максимальную эффективность. Вот так был создан GAAFET, что означает «Ворота вокруг FET».

По словам IBM, процессоры, изготовленные по 5 нм технологии, по сравнению с доступной на рынке 10 нм технологией, обеспечивают повышение эффективности на 40% и энергосбережения на 75% при оптимизации производительности. Однако, это было бы невозможно без использования процесса литографии EUV. Ранее применялась оттискная фотолитография, при которой использовалась лазерная пластина для работы со светом длиной волны 193 нм для создания кремниевой пластины. EUV работает при освещенности 13,5 нм! И уже известно, что использование этой техники для создания процессоров должно снизиться до 3 нм. Единственная проблема заключается в том, что установщик пластин EUV весит около 180 тонн, и для его работы требуется мощность 1 МВт, а иммерсионная литография «всего» 165 кВт.

С одной стороны, EUV упрощает процесс создания кремниевой пластины, потому что, в отличие от более старой технологии, вся структура может создаваться, как в случае с IBM, с одной подсветки. С другой стороны, весь процесс становится определенно дороже.

На данный момент мы не знаем, что нас ждет после премьеры процессора с транзистоором в 3 нм. Пока же Intel объявила о продаже 18-ядерного процессора, который будет выпускаться по 14 нм технологии. Это означает, что «гиганты» все еще впереди на несколько нанометров. Однако, эксперты сходятся во мнении, что ограничения, вытекающие из законов физики к 2021 году, положат конец размерам транзистора. Это, однако, не означает, что закон Мура перестанет работать — чипы могут накладываться друг на друга.

На видео: История создания транзистора.

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: