Метрика

Микроэлектроника

Микроэлектроника в наше время чрезвычайно прибыльное занятие. Годовой оборот в этой сфере составляет около пятисот миллионов долларов. Однако, в последнее время все не так просто.

Те времена, когда одна компания производила составляющие компоненты и устройства на их основе самостоятельно, давно прошли. Теперь, чтобы изготовить одно сложное технологическое устройство, приходится задействовать связи, которые зачастую уходят далеко за пределы страны. Одни смартфон – это работа нескольких высокотехнологических компаний.

Одним из главных элементов в любом технологическом устройстве является процессор. Развиваясь параллельно с микроэлектроникой, он прошел уже несколько этапов. Что самое удивительное, его развитие не всегда затормаживали естественные технические процессы. Но обо всем по порядку.

Процессор – сердце микроэлектроники

Процессор занимает едва ли не центральное место в микроэлектронике. Гонка за повышение его производительности ведется уже больше семидесяти лет. И в этой войне корпораций, каждая из них сталкивается со сложностями и тормозит свое развитие. По сути, прорывов и выпуск новых процессоров нет уже больше десяти лет. Конечно. Компании стараются доработать уже имеющиеся образцы – продажи терять не хочется. Однако принципиально нового уровня производительности давно не видно.

Пример такой тенденции – одна из ведущих компаний на рынке процессоров Intel. Уже более пяти лет идут попытки перевести процесс производства на новый стандарт 10 нм. И пока не удаются. Первое заявление о таком переходе было сделано еще в 2015 году. Теперь же его перенесли на 2022. Схожая ситуация наблюдается и у других компаний. А ведь так было не всегда.

Закон Мура

Начало производства процессоров ознаменовалось их быстрым развитием. Настолько быстрым и стремительным, что Гордон Мур, один из основателей всем известной компании Intel, рассмотрел определенную закономерность. Данное эмпирическое наблюдение и было сформировано в закон Мура.

Этот закон утверждает, что раз в два года мощность компьютера должна возрасти. Такой вывод был сделан, в связи с тем, что количество транзисторов на одном квадрате раз в два года увеличивалось ровно в два раза. Позже, когда, темпы развития стали не такими стремительными, цифру изменили. Однако закон так и остался существовать.

Теперь же настало время, когда Закон Мура окончательно опровергнут. О том, что он несостоятелен, экспертами упоминалось еще раньше. Однако такие заявления совсем не способствовали продвижению товара, и привлечению новых инвестиций. Официальные заявления на форумах произошли совсем недавно. Причем прозвучали они от таких авторитетных компаний, как:

  • NVIDIA. «Закон Мура мертв…».
  • AMD. «Развитие микроэлектроники теперь должно идти по другому вектору».

Однако, очевидную истину, согласно которой Закон не больше чем эмпирическое наблюдение на определённом промежутке, вопреки здравому смыслу, принимают не все. Есть активисты, которые до сих пор верят, что нужен прорыв, и развитие снова пойдет семимильными шагами. Другие, а в частности, такие азиатские компании, как:

  • TSMS;
  • Samsung,

словно не замечая образовавшегося застоя технологи, рекламируют процессоры с 7 нм, а обещают перейти к пяти. К сожалению, это не значит, что компании сильно вырвались вперед в развитии. Это – лишь маркетинговый ход. Их процессоры с 7 нм по производительности равны процессорам INTEL c 14 и даже 22 нм.

Глядя на эту гонку может возникнуть вполне закономерный вопрос. А к чему вообще это постоянное уменьшение рабочей поверхности?

Война за нанометры

Прежде чем говорить о причинах постоянного уменьшения нм, необходимо принимать во внимание такие факторы, как:

  • С уменьшением, многократно возрастает сложность процесса производства. Факторы, которые в обычных условиях не имели бы никакого значения, теперь могут сыграть решающее. Например, компания Intel, утверждала. Что лаборатории по производству процессоров лучше всего строить на луне. И это совсем не шута. Причина в том, что на луне ослабленная гравитация и отсутствует тектоническое движение плит. А при производстве процессоров, даже такая мелочь может иметь значение;
  • Вместе с уменьшением размера приходится использовать и новые дорогостоящие технологии.

Таким образом, войны за нанометры не может быть, без веских на то причин. И причины, по которым этот процесс движется вот уже более 70 лет более чем веские:

  • Технология уменьшения транзисторов подразумевает воздействие на размер, оставляя нетронутыми свойства. А от количества транзисторов напрямую зависти производительность компьютера. Чем меньше транзистор, тем больше их можно разместить на одной кремниевой платине.
  • Уменьшенный в два раза транзистор, при тех же свойствах потребляет в два раза меньше электроэнергии. Учитывая стоимость энергоресурсов – качество более чем важное;
  • Уменьшение резистора одновременно позволяет работать с его геометрической формой, давая возможность увеличить плотность резисторов. А чем меньше расстояние между резисторами, тем быстрее проходят логические сигналы от одного к другому. Соответственно это – еще один фактор позволяющий увеличить производительность компьютера.

Именно эти цели преследовали и продолжают преследовать ведущие компании по производству процессоров. И все бы хорошо, если бы не вышеупомянутый ступор. Ведь от уменьшения транзистора сплошные плюсы. Так почему же он случился, и есть ли шанс совершить новый прорыв в микроэлектронике?

На самом деле, основными проблемами в процессе увеличения плотности транзисторов на квадратном дюйме, являются следующие факторы:

  • Технологические факторы. Речь идет о банальном разрешении аппаратуры, при помощи которой и производится весь технологический процесс.
  • Естественные физические ограничения. Речь идет о том, что у любого свойства материала есть свой предел. А еще он взаимосвязан с близлежащими телами и воздействовать на него без воздействия на эти тела невозможно. Этим же типом ограничений являются естественные физические законы.
  • Технологические факторы производства.

Сейчас, эти факторы ушли на второй план. При нынешних технологиях для талантливого специалиста не составляет большого труда просчитать ступени процесса и подготовиться к ним. Однако, к сожалению, почти всегда данные таких расчётов не соотносятся с реальностью, по причине очень сложного процесса производства. В частности, при производстве микросхем соблюдается такие условия, как:

  • Полное отсутствие перепада температур;
  • Вакуум.

Статистика говорит сама за себя. Первые партии микросхем, изготовленных по новой технологии имеют отход порядка 97%. Причем в некоторых случаях, три процента для новых партий –хороший результат. Конечно, впоследствии технология подгоняется под реалии, и тогда отход составляет всего 10-15 процентов.

Ограничения в технологическом процессе

Существует несколько факторов такого характера, которые не дают улучшить процесс в некоторых направлениях:

  1. При сращивании кремниевой основы с примесями, примеси попадают за окисел – оксид кремния, ту тонкую пленку, которая равномерно распределена по всей кремниевой поверхности.
  1. Термическая обработка (исключить ее при нанесении некоторых слоев микросхемы невозможно) расплавляет и делает размытыми уже нанесенные слои.
  1. Паразитный ток. Под этим термином понимается электричество остающееся в транзисторные, даже в тот момент, когда он отключён. С уменьшением нм обычные законы физики начинают уступать место законам квантового мира, и в транзисторах появляется то самое электричество. Это откатывает технологию к заре производства, когда транзисторы были открытыми, а не комплементарными, как сейчас. Через них постоянно проходило электричество, и трата электроэнергии была огромной. Решение проблемы — использование новых материалов, которые позволят выстраивать рабочие детали в новой форме, уменьшая процесс образования паразитного тока.
  1. Дифракция.

О последнем пункте — дифракции света стоит рассказать подробнее, так как именно она является той основной сложностью, которая не дает в полной мере развернуться в технологическом плане. Значение ее настолько велико, что проблему борьбы с дифракцией зачастую приравнивают к основному процессу производства, признавая другие проблемы несущественными.

Дифракция света

Проблеме уже больше тридцати лет. Основная проблема в том, что дифракция – неизбежный процесс в ходе литографии. Физический закон, который нельзя ни изменить, ни заменить. А ведь литография — основной технологический процесс создания слоев микросхемы – избавиться от него никак нельзя. В ходе этого процесса, под действием ультрафиолета специальные вещества приобретают новые свойства. Проблема в том, что ультрафиолет не должен попадать на другие участки, а дифракция не дает избежать этого.

Дифракция – физическое явление, согласно которому свет, не идет по прямой, а распространяется в геометрическую тень. Свет проникает вовсе отверстия, размер которых больше четверти длины волны, и нарушает технологический процесс.

Методы борьбы с дифракцией

Несмотря на то, что у фотолитографии есть несколько аналогов, таких как:

  • Электронная;
  • Рентгеновская;
  • Ионная.

Фотолитография остается приоритетной технологией ввиду своей простоты и дешевизны относительно других технологий. Однако, чтобы пользоваться ею нужны методы обхода дифракции. Ими являются:

  1. Линзы. Использование собирающих линз позволило если не полностью избавиться от дифракции, то значительно уменьшить ее воздействие;
  1. Уменьшение длины волн излучения. Этот метод выглядел неплохо при переходе от ртутных ламп к лазерам. Однако средний и сильный ультрафиолет стали последним рубежом в этом направлении. Следующим шагом стал экстремальный ультрафиолет, с длиной волны всего 13 нм.
  1. Уменьшить длину волны — еще полдела. Так как обычные кварцевые линзы просто не пропускают низкочастотное излучение, а просто поглощают его. Решением стали линзы из других материалов.
  1. Внеосевое освещение. Суть метода, в том, что при работе свет падает не перпендикулярно, а под небольшим углом.
  1. Фазосдвигающие маски. Представляют собой специальный материал, который частично обрезает излучение, уходящее в геометрическую тень.

Самым продвинутым решением на текущий момент стало двухфазное облучение. Ультрафиолет направляется на нужный участок сначала через горизонтальную, а затем через вертикальную щели поочередно. Тратится при этом в два раза больше энергоресурсов. Однако этот способ – вершина производства на данный момент.

Таким образом, в силу естественно-физических причин процесс производства в микроэлектронике сейчас застыл на одном месте. Однако помимо решения проблем основной технологии ведутся разработки, которые должны увеличить качество микроэлектроники другим путем. Одно из таких направлений – новые материалы.

Кремень и его замена

Как бы это ни звучало, но процессоры, способные выполнять колоссальные задачи, сделаны из песка. Кремень, как сырьё в микроэлектронике выступает ключевым материалом. И для этого есть все основания. Он дешев, и обладает хорошей стойкостью к химическим и физическим процессам, хороший диэлектрик. Хороший, но не идеальный.

На данный момент, на рыке представлено несколько вариантов замены кремния. Среди них:

  • Фосфид галлия;
  • Нитрид галлия.

Эти материалы превосходят кремень по целому ряду показателей:

  1. Теплопроводность.
  1. Износостойкость.
  1. Общая подвижность электронов.

Единственный их минус – цена. Такие материалы, в отличии от кремния, под ногами не валяются. Этот – один из тех случаев. Когда экономический фактор тормозит научное развитие. Да, вышеуказанные соединения превосходят кремень по своим показателем, но только производство с их применением, намного затратнее. Сейчас они используются только в небольших отдельных элементах. Тем не менее переход на них дело времени. Так как экспериментальные образцы говорят о том, что частота процессоров, собранных из таких материалов больше.

Таким образом, технологии микроэлектроники на данный момент оказались в тупиковом состоянии. Где-то по естественным, а где-то по экономическим причинам. Многие теперь уверены что только элементарные частицы и квантовый мир смогут сдвинуть дело с мёртвой точки. Ведь все чаще речь идет о квантовом компьютере, в сравнении, с производительностью которого суперкомпьютеры современности оказались бы обычными калькуляторами.

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector