На пути к наносистемам

Корпорация IBM первой в отрасли заявила о готовности выпускать по заказам сторонних компаний 45-нм чипы на основе технологии «кремний на изоляторе» (SOI). Добавление инструментов и библиотек проектирования к массиву интеллектуальной собственности, уже доступному в рамках инфраструктуры IBM для разработки SOI-решений, позволяет заказчикам воспользоваться преимуществами SOI-технологий при создании самых разных продуктов для своих клиентов. Тестирование IBM показало, что технология SOI позволяет в рамках 45-нм техпроцесса поднять производительность на 30% либо снизить уровень энергопотребления на 40% по сравнению со ставшей отраслевым стандартом массовой технологией CMOS. Первой начав коммерческие поставки продуктов, в которых была реализована технология SOI, IBM вывела ее в несколько различных секторов рынка. Ключевым фактором распространения технологии SOI за пределы высокопроизводительных систем стала сокращающаяся с каждым очередным поколением ценовая разница между SOI и массовыми технологиями. Это наглядно демонстрируется успехом SOI-технологии IBM на рынке процессоров для игровых консолей, который характеризуется высоким уровнем ценовой конкуренции. Лидерство по соотношению цена/производительность в сочетании с непрерывным ростом прикладных рабочих нагрузок создают возможности для применения SOI в еще более широком диапазоне устройств бытовой электроники, включая цифровое телевидение и мобильные устройства высшего класса.

В конце прошлого года триумвират компаний (AMD, IBM и Toshiba) разработал элемент статической памяти с произвольной выборкой SRAM (Static Random Access Memory), площадь которого составляет всего лишь 0,128 кв. мкм. Новый интегрированный элемент SRAM более чем на 50% меньше предыдущего аналога, площадь которого составляла 0,274 кв. мкм. Производители интегральных схем при создании элементов SRAM с использованием обычных планарных транзисторов, как правило, корректируют свойства материалов путем добавления различных примесей или присадок (легирования), с тем чтобы в конечном счете уменьшить размеры транзисторов. Данная методика, однако, создает нежелательную изменчивость характеристик и ухудшает стабильность работы SRAM. Этот эффект становится особенно критичным при применении проектных норм 22 нм (и ниже). Альтернативный подход – использование новых FinFET-транзисторов (Fin-shaped Field Effect Transistor) с нелегированными (не содержащими добавок) кремниевыми каналами – позволяет добиться уменьшения площади элементов памяти SRAM с минимальным изменением характеристик.

Ячейка памяти на базе полупроводниковой технологии HKMG (High-K/Metal Gate) обладает рядом преимуществ перед элементами на базе планарных полевых транзисторов с точки зрения перспектив их применения в электронных устройствах будущих поколений. Поскольку элементы памяти служат базовыми «кирпичиками» при проектировании узлов микропроцессоров, более миниатюрные ячейки SRAM могут способствовать появлению меньших по размеру и более быстрых процессоров, которые к тому же потребляют меньше электроэнергии.

И еще один успех в области создания наносистем, связанный с корпорацией IBM. В декабре прошлого года из исследовательского центра IBM им. Т. Дж. Уотсона сообщили, что удалось продемонстрировать работоспособность графеновых транзисторов на гигагерцовых частотах, достигнув таким образом рекордно высоких рабочих частот для этого нового в электронике «не-кремниевого» полупроводникового элемента. Напомним, что графен – это особая форма графита, состоящая из одного слоя атомов углерода, выстроенных в форме гексагональной решетки, аналогичной мелкой проволочной сетке атомарного масштаба. Этот материал привлек внимание ученых во всем мире своими необычными электронными свойствами, которые, как ожидается, со временем позволят создавать транзисторы, существенно превосходящие по быстродействию любые известные до сих полупроводниковые триоды. Дело в том, что быстродействие транзистора определяется размерами этого устройства и скоростью движения электронов. Зависимость быстродействия от размеров всегда была одним из основных факторов, способствовавших постоянному уменьшению габаритов кремниевых транзисторов в полупроводниковой промышленности. Ключевое преимущество графена состоит в очень высокой скорости распространения электронов в этом материале, что является необходимым условием создания быстродействующих высокопроизводительных транзисторов. Исследователи IBM считают, что производительность графеновых транзисторов можно дополнительно увеличить за счет улучшения диэлектрических свойств затвора. По их мнению, оптимизация графенового транзистора и уменьшение длины его затвора до 50 нм позволит достичь рабочих частот уровня терагерц.