Достижения IBM в области полупроводниковых и нанотехнологий
Корпорация IBM уже многие годы остается лидером исследований и разработки технологий в области полупроводников. Благодаря созданию новых материалов и технологических процессов производства микросхем — от базовых «строительных блоков» для микросхем динамической оперативной памяти DRAM до самых современных полупроводниковых приборов, таких как микропроцессор Cell, — электронные устройства стали более компактными, быстродействующими и энергосберегающими. Среди достижений корпорации — выпуск первых кристаллов с медными проводниками внутренних межсоединений; улучшение производительности транзистора путем применения технологии «кремний на изоляторе» (silicon-on-insulator, SOI); разработка технологии «напряженного кремния» (strained silicon) и кремниево-германиевой (SiGe) технологии производства микросхем; разработка фотолитографических процессов и материалов. Лидерство на этом высокотехнологичном направлении признается за IBM еще с 2005 г., когда корпорация за свою многолетнюю успешную деятельность по развитию и совершенствованию полупроводниковой техники была награждена медалью National Medal of Technology — высшей государственной наградой США в области инновационных технологий.
Повторное использование полупроводниковых пластин
Одна из самых серьезных проблем, стоящих перед гелиоэнергетической промышленностью, — нехватка кремния, угрожающая остановить ее быстрый рост. Вот почему эксперты советуют обратить внимание на отбракованные кремниевые материалы, поступающие преимущественно из полупроводниковой промышленности, которые можно было бы использовать в качестве столь необходимого сырья при изготовлении солнечных батарей. IBM разработала инновационный процесс утилизации полупроводниковых пластин, запущенный на заводе корпорации в Берлингтоне (шт. Вермонт). В этом процессе применяется специализированная методика удаления шаблонов с отбракованных полупроводниковых пластин — тонких кремниевых дисков, на которые впечатываются шаблоны, образующие готовые полупроводниковые чипы для различных электронных устройств. Тем самым обеспечивается повторное использование пластин в производстве кремниевых панелей солнечных батарей. Этот процесс был удостоен награды 2007 Most Valuable Pollution Prevention Award («Самое полезное изобретение, предотвращающее загрязнение окружающей среды») от организации The National Pollution Prevention Roundtable (NPPR). Благодаря процессу утилизации теперь можно будет более эффективно удалять информацию с поверхности пластин. Это даст возможность повторно их использовать в качестве «контрольных пластин» при отладке производственного процесса на собственных предприятиях IBM или продавать предприятиям, занятым производством солнечных батарей, тем самым удовлетворяя растущую потребность в кремниевых материалах для изготовления фотоэлектрических преобразователей для солнечных батарей. Корпорация намеревается предоставить подробное описание своего нового процесса широкому кругу производителей полупроводниковых компонентов. В настоящее время этот процесс внедряется на заводе IBM по производству полупроводниковых компонентов в Ист-Фишкилле (шт. Нью-Йорк).
Вообще говоря, IBM и другие предприятия отрасли используют кремниевые пластины двояким образом: в качестве исходного материала для производства микроэлектронных продуктов — от сотовых телефонов до компьютеров и бытовой электроники — и при мониторинге и контроле огромного числа промежуточных операций в процессе производства. По данным Ассоциации полупроводниковой промышленности (Semiconductor Industry Association, SIA), предприятия всего мира ежедневно запускают в производственный процесс 250 тыс. новых полупроводниковых пластин. Согласно внутренним оценкам IBM, до 3,3% пластин идут в отходы производства; за год это составляет приблизительно 3 млн пластин. Поскольку эти пластины содержат интеллектуальную собственность, большинство из них нельзя утилизовать путем передачи внешним контрагентам, и поэтому они подвергаются дроблению, а затем отправляются на свалку, или переплавляются и в таком виде поступают в продажу. Генеральный менеджер подразделения IBM Semiconductor Solutions Майк Кадиган подчеркивает, что обязательства корпорации по защите окружающей среды охватывают все виды ее деятельности — от повторного использования материалов, применяемых в производстве полупроводниковых компонентов, до предоставления клиентам самых эффективных по энергопотреблению вычислительных центров. Техническая изобретательность, которую IBM демонстрирует в своей новаторской программе конверсии полупроводниковых пластин для гелиоэнергетической промышленности, породила множество других экологичных решений, которые сегодня успешно применяются в производственных операциях.
В новом процессе утилизации бракованные пластины направляются для использования в качестве контрольных экземпляров. Тем самым достигается общая экономия энергии до 90%, поскольку повторное использование брака уменьшает количество новых пластин, направляемых в производство. После окончания срока службы контрольных экземпляров их продают предприятиям гелиоэнергетической отрасли. В зависимости от того, как конкретный производитель солнечных элементов обрабатывает пакет таких пластин, он может сократить свои потребности в электроэнергии на 30—90% по сравнению с использованием новых кремниевых материалов. В свою очередь, снижение энергопотребления обуславливает общее сокращение количества выделяемого углекислого газа и других парниковых газов, вырабатываемых на протяжении всего срока службы продукта — причем и для полупроводниковой отрасли, и для гелиоэнергетики.
Возможности EUV-литографии
В начале этого года корпорации AMD и IBM объявили об изготовлении «полномасштабного» пробного рабочего образца микросхемы, в которой первый слой металлических соединений создан с помощью EUV-литографии (Extreme UltraViolet lithography — литография с использованием жесткого УФ-излучения). Предыдущие образцы, полученные с помощью этого метода, не были «полномасштабными», поскольку при их производстве EUV-литография была задействована лишь для малой части микросхемы. Результаты совместной работы AMD, IBM и их партнеров из UAlbany NanoCollege’s Albany NanoTech Complex были представлены доктором Бруно Ла Фонтеном из AMD на первой в отрасли конференции по литографии. Он рассказал об успешной «полномасштабной» интеграции EUV-литографии в процесс производства пробного образца микросхемы AMD размерами 22х33 мм, изготовленной по 45-нм технологии. По мнению ученых, предстоит еще немалая работа, прежде чем EUV-литографию можно будет использовать в крупномасштабном производстве, но уже сегодня ясно, что эта технология успешно интегрируется в процесс производства полупроводниковых элементов для создания первого слоя металлических межсоединений по всей микросхеме. Представители IBM, в свою очередь, подчеркнули, что совместные исследования очень важны для достижения успехов в полупроводниковой отрасли. Так, совместные исследования в центре в Олбани позволяют интегральным образом оценить разнообразные аспекты EUV-инфраструктуры и послужат настоящим тестом готовности этой технологии к внедрению в производство.
Напомним, что литография позволяет переносить на множество слоев кремниевой подложки высокосложные микросхемы с миллионами транзисторов. В то время как проектировщики микросхем продолжают добавлять новые функции и повышать производительность своей продукции, сокращение размеров транзисторов позволяет умещать все большее их количество в пределах заданной области. То, насколько миниатюрными могут быть транзисторы и их соединения, напрямую зависит от длины волны света, используемого для переноса схемы на подложку. В EUV-литографии используется длина волны 13,5 нм, т.е. значительно меньше, чем у применяемого сегодня в литографии излучения с длиной волны 193 нм. Это позволяет и дальше уменьшать размеры микросхем. Пробная микросхема AMD сначала прошла обработку на фабрике AMD Fab 36 в Дрездене (Германия), где используется 193-нм иммерсионная литография, самый передовой сегодня литографический инструмент в крупномасштабном производстве. Затем подложка с пробной микросхемой была передана в исследовательский центр IBM в Колледже научных и прикладных исследований в области нанотехнологий (College of Nanoscale Science and Engineering, CNSE) в Олбани (шт. Нью-Йорк), где в рамках партнерской программы IBM, CNSE и компании ASML был установлен сканер EUV-литографии от ASML. С помощью этого сканера был перенесен первый слой металлических соединений между транзисторами, изготовленными в Германии. После переноса, травления, осаждения и прочих технологических этапов структура, полученная с помощью EUV-литографии, прошла электрическое тестирование в AMD. Она показала характеристики, прекрасно согласующиеся с характеристиками пробной микросхемы, изготовленной с использованием только 193-нм иммерсионной литографии. На пробные подложки будут нанесены дополнительные слои внутренних соединений с помощью стандартной фабричной обработки, что позволит также протестировать крупные массивы памяти.
Следующим шагом проверки применимости EUV-литографии в производстве станет ее использование не только для металлических межсоединений, но и для всех слоев микросхемы. Как ожидается, это покажет, что весь рабочий микропроцессор можно изготовить с помощью EUV-литографии. EUV-литография должна быть полностью проверена и допущена к производству до 2016 г., на который запланировано введение 22-нм технологического процесса в рамках проекта International Technology Roadmap for Semiconductors.
16 декабря 1947 г. ученым научно-исследовательского центра Bell Labs удалось создать действующий образец того, что многие считают самым великим изобретением двадцатого столетия, — полупроводникового прибора, названного транзистором. С тех пор инженеры и ученые непрерывно улучшали характеристики транзисторов, делая их все более мощными и миниатюрными, что позволяет сегодня наращивать их количество в микросхемах до сотен миллионов на одном кристалле, повышая тем самым производительность электронных устройств.
Прорыв в области технологии микросхем
Как известно, в основе развития технологий и производственных процессов обычно лежит коллективный инженерный талант и огромный практический опыт лучших специалистов в области полупроводниковой техники при активном участии научно-исследовательских организаций мирового уровня. В декабре 2007 г. корпорации IBM и Toshiba заключили соглашение, цель которого — совместная разработка 32-нм технологического процесса производства интегральных микросхем с комплементарной структурой «металл-оксид-полупроводник» (КМОП). Стоит напомнить, что с декабря 2005 г. IBM и Toshiba активно сотрудничают в области фундаментальных перспективных исследований, связанных с технологическими процессами производства полупроводниковых элементов (в частности, с 32-нм технологией), которые проводятся на производственных площадках в Йорктауне и Олбани (шт. Нью-Йорк). Опираясь на успех этого партнерства, обе компании приняли решение расширить сферу совместных разработок, которая теперь охватывает 32-нм КМОП-технологию.
По условиям нового соглашения Toshiba присоединилась к альянсу шести компаний (Chartered Semiconductor, Freescale Semiconductor, IBM, Infineon Technologies, Samsung Electronics, STMicroelectronics) по совместной разработке 32-нм технологии изготовления микросхем, которая ведется на предприятии IBM в Ист-Фишкилле (шт. Нью-Йорк). В рамках сотрудничества IBM и Toshiba, которое в целом направлено на укрепление лидерства обеих компаний в мировой полупроводниковой отрасли, планируется ускорить развитие нового поколения технологий создания высокопроизводительных энергосберегающих кристаллов с проектной нормой 32 нм. Одновременно Toshiba планирует ускорить разработку интеграционной технологии для 32-нм процесса в собственном Центре развития микроэлектроники (Toshiba Advanced Microelectronics Center) в Йокогаме, с тем чтобы как можно быстрее наладить производство электронных устройств следующего поколения.
В марте 2008 г. IBM объявила об альянсе с Hitachi, цель которого — совместная работа над дальнейшей миниатюризацией элементов процессора, с переходом с 32-нм технологической нормы на 22-нм.
IBM совместно c партнерами разработала материал, который уменьшает стоимость производства 32-нм процессоров следующего поколения. В основе этого материала лежит химический элемент гафний, и с его помощью можно выпускать изделия по тому же технологическому процессу, который применяется при производстве обычных микропроцессоров. Корпорация Intel, которая выпускает кристаллы с учетом проектных норм 45 нм, тоже работает над 32-нм технологией, которую она планирует освоить примерно в то же время, что и IBM с партнерами — в 2009 г. Однако Intel и альянс IBM, куда входит конкурент Intel корпорация AMD, используют принципиально разные подходы в соответствии со своими требованиями. Подход Intel оптимизирован в расчете на ее собственные процессоры х86, и компания старается его не менять. А IBM и партнерам требуется универсальный подход, который можно применять в разных производственных системах.
Как известно, в целях уменьшения тока утечки производители процессоров начали заменять поликремний (SiOn), используемый для изготовления затворов транзисторов, материалами с высокой диэлектрической постоянной (диэлектриками high-k), в состав которых входит гафний. Достижение IBM и ее партнеров заключается в том, что они разработали материал, выдерживающий высокие температуры производственного процесса. До сих пор, чтобы избежать воздействия высоких температур на гафнийсодержащие материалы, их вводили в технологический процесс последними, тогда как материалы того же назначения в обычных кристаллах с поликремниевыми транзисторами вводятся в начале процесса. Такое изменение последовательности приводит к удорожанию производства и вносит дополнительные конструктивные ограничения. Предложив теплостойкий материал, IBM и партнеры смогли создать 32-нм микросхемы с применением того же технологического процесса, что и при изготовлении обычных микропроцессоров. Хотя проблемы еще остаются, и впереди много работы, основная задача все же решена, и партнеры уверены, что они подготовят производственные линии ко второму полугодию 2009 г.
В апреле прошлого года IBM продемонстрировала технологию, которая повышает производительность и снижает потребляемую мощность процессоров для любых электронных устройств: от мобильных телефонов до высокопроизводительных серверов. Действительно, в случае 32-нм технологического процесса применение транзисторов нового типа, с металлическим затвором и изоляционным слоем с высокой диэлектрической постоянной (high-k/metal gate — HKMG), повышает быстродействие на 30%, а потребляемую мощность уменьшает на 50%. IBM уже предлагает заказчикам оценочные комплекты с образцами новых моделей кристаллов и планирует начать массовое производство в конце этого года.
Самые маленькие ячейки памяти SRAM
В августе 2008 г. IBM и ее партнеры по совместным разработкам — AMD, Freescale, STMicroelectronics и Toshiba, а также колледж CNSE объявили о получении первых в мире действующих элементов памяти типа SRAM с технологической нормой 22 нм, которые были изготовлены из 300-мм подложек в исследовательском комплексе в Олбани (шт. Нью-Йорк). Напомним, что размер ячеек SRAM определяет размеры более сложных устройств, таких как микропроцессоры. Новая ячейка SRAM имеет обычную конструкцию на основе шести транзисторов и площадь всего 0,1 кв. мкм, т. е. существенно меньше, чем у предшествующих ячеек этого типа. Технологическая норма 22 нм на два поколения опережает современный уровень полупроводникового производства; следующее поколение кристаллов будет основано на технологической норме 32 нм.
Напомним, что производители интегральных схем при создании элементов SRAM с использованием обычных планарных транзисторов, как правило, изменяют свойства материалов путем добавления различных примесей или присадок (легирование), с тем чтобы в конечном счете уменьшить размеры транзисторов. Данная методика, однако, создает нежелательную изменчивость характеристик и ухудшает стабильность работы SRAM. Этот эффект становится критичным при применении проектных норм 22 нм (и меньше). Использование новых FinFET-транзисторов (Fin-shaped Field Effect Transistor) с нелегированными (не содержащими добавок) кремниевыми каналами — это альтернативный подход, позволяющий 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.
Графеновый транзистор
В декабре прошлого года из исследовательского центра IBM им. Т. Дж. Уотсона сообщили, что удалось продемонстрировать работоспособность графеновых транзисторов на гигагерцовых частотах. Таким образом, были достигнуты рекордно высокие рабочие частоты 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 пор полупроводниковые триоды. Дело в том, что быстродействие транзистора определяется размерами устройства и скоростью движения электронов. Зависимость быстродействия от размеров всегда была одним из основных факторов, способствовавших неуклонному 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.
Водяное охлаждение полупроводниковых кристаллов
Технологии водяного охлаждения — это новейшее достижение в рамках обширной исследовательской программы IBM в области технологий охлаждения, которые обеспечивают повторное использование тепла, генерируемого центрами обработки данных. Суть их в том, что вода отводится в точке ее максимального нагрева и перенаправляется в системы водоснабжения и отопления зданий. Новая технология знаменует важный шаг на пути к этой цели, поскольку теперь воду можно доставить к самым горячим участкам компьютерного чипа, где охлаждение критично. Полученные результаты были впервые опубликованы в докладе под названием Forced convective interlayer cooling in vertically integrated packages («Принудительное конвективное межуровневое охлаждение в вертикально интегрированных пакетах») на конференции IEEE ITherm в Орландо (шт. Флорида), где эта работа была отмечена наградой Best Paper. На протяжении трех лет подряд группа Advanced Thermal Packaging из Цюрихской лаборатории IBM получает награды за свои инновации в области охлаждения микросхем на самых значимых конференциях, посвященных охлаждению ИТ-устройств.
Заимствовав эффективные концепции у природы и дополнив их глубокими знаниями в области переноса массы и теплоты в микроскопических масштабах, а также современными технологиями изготовления микросхем, исследователи IBM создали новое поколение высокоэффективных технологий охлаждения кристаллов, потенциально способных разрешить проблемы охлаждения для следующих поколений высокопроизводительных и высокоэффективных чипов. В Цюрихской исследовательской лаборатории IBM был разработан целый ряд инноваций в области охлаждения, наиболее значимые из которых перечислены ниже.
Июнь 2006 г.: ученые продемонстрировали инновационную систему водяного охлаждения, которая впрыскивает воду в кристалл непосредственно с его обратной стороны. Эта система использует сложную древовидную систему каналов, напоминающую кровеносную систему человека, и обеспечивает высочайшую эффективность и производительность системы охлаждения. Работа получила награду Best Paper на конференции IEEE SemiTherm.
Март 2007 г.: представлена заимствованная у природы концепция интерфейса высокой теплопроводности, который вдвое повышает эффективность системы охлаждения посредством улучшения теплопередачи в месте контакта между микросхемой и радиатором. Этот метод также получил награду Best Paper на конференции IEEE SemiTherm.
Март 2008 г.: на выставке CeBIT в Германии ученые представили модель будущего центра обработки данных с нулевым тепловыделением. На основе мощных методов водяного охлаждения кристаллов ученые из Цюриха разработали новые способы прямого использования тепловой энергии, выделяемой дата-центрами. Эта новая технология революционизирует эффективность энергопотребления и управление охлаждением, существенно повышая экологичность ИТ.
Теперь в лабораториях IBM мельчайшие водяные потоки охлаждают компьютерные микросхемы, в которых схемы и компоненты расположены друг над другом — эта конструкция обещает продлить действие закона Мура на следующее десятилетие и значительно сократить энергопотребление центров обработки данных. Исследователи IBM в сотрудничестве с институтом Фраунгофера (Берлин) продемонстрировали прототип, в котором каналы охлаждения интегрированы непосредственно в трехмерный (так называемый слоеный) кристалл, а вода пропускается между слоями этого чипа. Напомним, что в традиционном кристалле компоненты размещаются на кремниевой подложке рядом друг с другом, а в трехмерном — в несколько слоев. Это один из самых перспективных подходов к повышению производительности микросхем свыше прогнозируемых пределов. В позапрошлом году IBM первой предложила технологию производства слоеных кристаллов, позволяющую почти в 1000 раз сократить расстояние, которое необходимо преодолевать информации в микросхеме. Кроме того, эта технология позволяет реализовать в 100 раз больше каналов для обмена данными по сравнению с двумерными чипами.
Как объясняет Томас Бруншвилер, руководитель проекта в Цюрихской исследовательской лаборатории IBM, когда кристаллы размещали друг над другом, рассчитывая существенно улучшить у процессора возможности обработки данных, обнаружили, что обычные средства охлаждения, закрепляемые на обратной стороне чипа, не способны масштабироваться. Для реализации возможностей высокопроизводительных трехмерных кристаллов необходимо охлаждение между отдельными слоями такой микросхемы. До настоящего времени никто не продемонстрировал жизнеспособного решения этой задачи. Ведь классическая схема охлаждения с задней стороны чипа не позволяет наложить друг на друга два или более слоя высокопроизводительной логики. Совокупное тепловыделение трехмерной «слоеной» микросхемы площадью 4 кв. см и толщиной около 1 мм приближается к 1 кВт, что в 10 раз превышает тепловыделение электрической плитки. Более того, каждый новый уровень чипа представляет собой дополнительный барьер для отвода тепла.
С целью эффективного отвода тепла от источника группа Бруншвилера подает воду в расположенные между отдельными слоями чипа охлаждающие каналы, по толщине сравнимые с человеческим волосом (50 мкм). Используя превосходные термофизические свойства воды, ученые смогли продемонстрировать холодопроизводительность до 180 Вт/кв. см на типовой кристалл с площадью основания 4 кв. см. При проведении экспериментов воду пропускали через испытательный образец размером 1х1 см, состоящий из двух пластин (источников тепла) с размещенным между ними охлаждающим слоем. Этот слой имел размеры всего около 100 мкм в высоту и 10 тыс. вертикальных межсоединений на 1 кв. см.
Группа решила важнейшие технические проблемы в проектировании системы и смогла обеспечить максимальный поток воды сквозь слои, сохранив при этом герметичную изоляцию межсоединений, препятствующую электрическим замыканиям из-за воздействия воды. По своей сложности такая система напоминает человеческий мозг, в пространстве которого миллионы нейронов для передачи сигналов пересекаются с десятками тысяч кровеносных сосудов для охлаждения и энергоснабжения, не влияя друг на друга. Отдельные слои создавались при помощи существующих методов производства, за исключением дополнительных операций, связанных с формированием отверстий для передачи сигналов между слоями. С целью изоляции этих «нервов» ученые оставили вокруг каждого межсоединения кремниевую оболочку (технология Through-Silicon Vias) и добавили тонкий слой оксида кремния для защиты электрических межсоединений от воды. Такие структуры должны изготавливаться с точностью до 10 мкм, что в 10 раз превышает требования при изготовлении межсоединений и металлических элементов в современных микросхемах.
Для сборки отдельных слоев группа Бруншвилера вместе со своими коллегами из института Фраунгофера разработала сложную технологию тонкопленочной пайки. С помощью этой технологии ученые достигли высоких показателей качества, точности и надежности, что гарантирует превосходный тепловой контакт и отсутствие электрических замыканий. На завершающем этапе собранный слоеный чип был помещен в кремниевый охлаждающий контейнер, напоминающий миниатюрный бассейн. Вода закачивается в этот контейнер с одной стороны, протекает между отдельными слоями чипа и отводится с другой стороны контейнера. В дальнейшем группа Бруншвилера будет заниматься оптимизацией систем охлаждения для кристаллов с уменьшенными размерами и увеличенным числом межсоединений. Кроме того, группа будет исследовать возможность и дальше усовершенствовать структуры для охлаждения отдельных «горячих точек».
Немного о нанотехнологиях
Как ожидается, инновационные нанотехнологии произведут переворот в самых разных областях, таких как функциональные материалы, наноэлектроника, информационные и коммуникационные технологии, сенсорные устройства, здравоохранение, науки о жизни (биология, биохимия, иммунология, генетика, физиология, экология и т. п.), энергетика. В частности, прикладные реализации нанотехнологий в энергетическом секторе, такие как высокоэффективные способы использования солнечной энергии или новые методики очистки и опреснения воды, могут помочь в решении некоторых важнейших проблем нашего времени. По прогнозам аналитиков инвестиционной компании Credit Suisse, объем мирового рынка нанотехнологий достигнет к 2010 г. 220 млрд долл. при ежегодных темпах роста в 25—30%.
Инженерия на наноуровне
Не менее значительны достижения IBM в нанотехнологиях, где корпорация является пионером. Среди ее многочисленных достижений в этой области стоит отметить изобретение сканирующего туннельного микроскопа STM (Scanning Tunneling Microscope), способного отображать отдельные атомы; контролируемые манипуляции с одиночными атомами, размещенными на поверхности вещества (впервые в мире); встраивание субнанометровых слоев материала в считывающие/записывающие головки серийных дисковых накопителей и в магнитное покрытие самих дисков. Совсем недавно ученым удалось создать твердотельный полупроводниковый источник светового излучения (Solid State Light Emitter), что свидетельствует об улучшении понимания процессов, происходящих на молекулярном уровне.
Отметим и такие достижения исследователей, как создание самых высокопроизводительных на сегодняшний день нанотранзисторов (транзисторов на основе нанотрубок, представляющих собой цилиндрическую структуру толщиной в несколько атомов, которая в зависимости от размера и формы может обладать проводящими либо полупроводниковыми свойствами); демонстрация того, что транзисторы на основе углеродных нанотрубок (Carbon NanoTube, CNT) могут превзойти по производительности прототипы самых быстродействующих современных кремниевых транзисторов; демонстрация первой в мире логической компьютерной схемы на базе одной углеродной нанотрубки; разработка инновационной технологии производства наборов CNT-транзисторов, позволяющей обойтись без тщательного разделения металлических (со свойствами проводника) и полупроводниковых нанотрубок.
Текущие исследования IBM в области нанотехнологий направлены на изобретение новых структур атомарного и молекулярного масштаба и разработку методов совершенствования ИТ, а также проведение фундаментальных научных исследований. В частности, логические элементы на основе углеродных нанотрубок, полученных с помощью щупов сканирующих головок микроскопов AFM и STM, обладают огромным потенциалом для кардинального улучшения интегральных схем и модулей памяти.
Перемещения атомов
Еще полстолетия назад Нобелевский лауреат Ричард Фейнман заинтересовался тем, что должно произойти, когда можно будет «по собственному желанию» точно позиционировать (иными словами, располагать в нужном месте) отдельные атомы. Его мечта в наши дни становится реальностью, и «контролируемое манипулирование атомами» широко используется в работах по созданию, тестированию и управлению объектами на атомарном уровне. Тем не менее фундаментальный вопрос — какую силу надо приложить к отдельному атому для его перемещения на поверхности вещества — не был экспериментально решен до самого последнего времени. Ученые IBM при участии своих коллег из Университета Регенсбурга (University of Regensburg) в Германии впервые измерили значение этой силы. Созданная методика измерения, которую по праву можно отнести к фундаментальным научным достижениям, позволяет получать информацию, необходимую для проектирования устройств на атомарном уровне — миниатюрных компьютерных микросхем, устройств хранения данных и многого другого.
Около двадцати лет назад в Альмаденском научно-исследовательском центре корпорации IBM (Almaden Research Center) в Сан-Хосе, в расположенной на холмах Кремниевой долины небольшой лаборатории, оснащенной высокотехнологичным оборудованием, ученому Дону Айглеру, ставшему позже обладателем титула IBM Fellow (знак высочайшего признания в области высоких технологий, которым IBM награждает своих новаторов), удалось достичь важного поворотного пункта на пути к конструированию микроструктур. 29 сентября 1989 г. он впервые в истории продемонстрировал способность манипулировать отдельными атомами с атомарной точностью, составив из отдельных атомов ксенона три буквы I-B-M на поверхности вещества. В наши дни новое поколение исследователей в той же самой лаборатории, при поддержке коллег из Университета Регенсбурга, добилось очередного чрезвычайно важного успеха на этом пути — они измерили величину силы (очень малую по своему значению), необходимую для манипулирования атомами.
Понимание того, какие усилия требуются для перемещений атомов определенного вещества по поверхности другого определенного вещества, — это один из ключевых моментов при проектировании и построении миниатюрных структур, которые послужат основой будущих нанотехнологий. С подобной проблемой ученые и инженеры уже сталкивались много десятилетий назад, когда решали задачи создания различных конструкций на макроскопическом уровне. Так, строительство современного моста было бы невозможно без предварительных расчетов прочностных характеристик применяемых материалов и глубокого понимания процессов, происходящих в этих материалах при приложении к ним сил различной величины, направления и интенсивности, а также процессов взаимодействия этих материалов между собой. В области нанотехнологий, если требуется создать устойчивые жесткие структуры, необходимо использовать «крепко связанные» друг с другом (как бы склеенные между собой) атомы, тогда как в случае групп атомов, которые необходимо перемещать, надо использовать атомы, удерживающиеся на месте только за счет слабых химических связей.
В статье, озаглавленной The Force Needed to Move an Atom on a Surface («Сила, необходимая для перемещения атома по поверхности вещества»), ученые привели полученные результаты измерений, сообщая, в частности, что для перемещения атома кобальта по гладкой поверхности платинового образца требуется приложить силу в 210 пН (пиконьютонов), тогда как для перемещения того же атома кобальта по поверхности медного образца нужна сила всего лишь в 17 пН. Таким образом — если перевести эти результаты на макроскопический уровень — чтобы «сдвинуть с места» медную одноцентовую монетку массой всего в 3 г, нужно приложить силу не менее 30 млрд пН, что в 2 млрд раз превышает силу, необходимую для перемещения одного атома кобальта по медной поверхности. Эти сведения будут способствовать глубокому пониманию процессов, происходящих на атомарном уровне — в «рабочей среде» будущих нанотехнологий, стимулируя прогресс в области сверхминиатюрных компьютерных устройств и медицинских приборов. Как следует из знаменитой тенденции развития вычислительного оборудования (широко известной как закон Мура), число уменьшающихся в размерах транзисторов, которые могут быть размещены на интегральной микросхеме, растет в геометрической прогрессии. Благодаря уменьшению размеров транзисторов снижается их энергопотребление и, следовательно, стоимость, а быстродействие повышается. Одна из самых насущных проблем ИТ-индустрии — постоянный поиск эффективных конструктивных и производственных методов, позволяющих создавать устройства все меньших и меньших размеров. Миниатюризация этих устройств до окончательного предела — размеров в несколько атомов — требует полностью новых производственных процессов и подходов к конструированию. Способность точно измерять усилия, необходимые для перемещения атомов, открывает новые возможности в проектировании и производстве будущих наноустройств.
В своей работе исследователи использовали так называемый атомно-силовой микроскоп (Atomic Force Microscope, AFM) для измерения как величины, так и направления (вектора) силы воздействия на атом или молекулу тончайшей иглы микромеханического зонда для перемещения этого атома или молекулы по поверхности вещества. Ученые обнаружили, что величина силы варьируется в широких пределах в зависимости от конкретного вещества, используемого в качестве опытной поверхности. Величина силы для манипулирования также в значительной степени зависит от того, к чему она прикладывается, — к одиночному атому или небольшой молекуле.
Научное достижение сочетает в себе две методики высочайшего уровня точности и эффективности — измерение значений силы и перемещение атомов/молекул на поверхности вещества. Эта работа основывается на многолетнем опыте исследований и разработок IBM в области атомно-силовой микроскопии — AFM-микроскоп был изобретен более 20 лет назад. Устройство использует зонд в виде сверхтонкой иглы, вмонтированный в гибкую конструкцию манипулятора, которая позволяет игле зонда взаимодействовать с атомами на поверхности вещества и измерять параметры этого взаимодействия. В описываемом опыте эта гибкая конструкция была оборудована миниатюрным кварцевым резонатором — по типу эталонного генератора стабильной частоты, широко используемого в настольных и наручных часах. Когда игла зонда позиционировалась в непосредственной близости от атома на поверхности образца, частота кварцевого генератора изменялась в небольших пределах. Это изменение частоты можно проанализировать для определения силы, приложенной к атому.
Как успокоить «буйные» электроны
Новое открытие ученых IBM позволяет успешно бороться с одной из наиболее сложных проблем электронной индустрии, связанной с использованием графита в качестве материала для создания наноэлектронных схем, значительно более миниатюрных, чем любые современные компьютерные микросхемы на основе кремния. Именно в IBM впервые нашли способ подавления паразитных помех электрических сигналов в миниатюрных, длиной всего в несколько атомов, образцах графена — двумерного кристалла из одинарного слоя атомов углерода, собранных в гексагональную кристаллическую решетку. Из этого материала можно «собрать» трехмерный кристалл графита. Вообще говоря, графен можно представить как одну плоскость графита, отделенную от объемного кристалла.
Исследователи во всем мире изучают возможности использования графена как гораздо более миниатюрной альтернативы современным кремниевым транзисторам. Графен, как уже отмечалось, обладает двумерной кристаллической решеткой, сформированной атомами углерода (которая напоминает проволочную сетку, но атомарного масштаба). Такое строение графена вызвало большой интерес к нему со стороны ученых, инженеров и технологов, поскольку оно способствует проявлению привлекательных электрических свойств и может быть использовано в транзисторах и электронных схемах, значительно меньших по размеру, чем компоненты самых крошечных современных компьютерных кристаллов. Одна из проблем использования таких наноустройств — обратно пропорциональная зависимость между размером устройства и мощностью генерируемого им неуправляемого электрического шума. Иными словами, чем миниатюрнее устройства, тем интенсивнее становится электрический шум — возрастает заряд электричества, проходящего через вещество и вызывающего помехи, которые негативно влияют на характеристики этого вещества (материала) и ограничивают его полезное применение. Эта зависимость, известная как закон Хуга, справедлива как для полупроводниковых элементов на основе традиционного кремния, так и для сверхминиатюрных устройств на основе графеновых «нанопленок» и углеродных нанотрубок.
И вот совсем недавно исследователи из IBM обнаружили, что электрический шум в полупроводниковых элементах на основе графена может быть фактически подавлен (результаты этого исследования опубликованы в журнале Nano Letters). Сначала в этих экспериментах использовали один слой (или пленку) графена для создания транзистора; при этом еще раз было подтверждено, что на полученный полупроводниковый элемент распространяется правило Хуга — действительно, по мере уменьшения размеров электронного устройства пропорционально увеличивается генерируемый им шум. Тем не менее, когда исследователи IBM создали такой же элемент с двумя слоями графена вместо одного (расположенными друг над другом), они отметили, что электрический шум подавляется. Мощность помех была в достаточной степени невелика, и это дает основание предположить, что так называемые двухслойные графеновые полоски (bilayer graphene ribbons) смогут доказать свою пригодность для создания полупроводниковых элементов, которые, в свою очередь, найдут широкое применение в аппаратуре связи, компьютерных системах и других электронных устройствах. Паразитный шум подавляется благодаря сильной электрической связи между двумя слоями графена, которая нейтрализует влияние источников помех. Проще говоря, такая структура функционирует как своеобразный шумоизолятор. Несмотря на то, что для углубленного изучения данного феномена потребуются дополнительные исследования и анализ, это достижение открывает большие перспективы практического применения технологии двухслойных графеновых лент в производстве полупроводниковых комплектующих для целого спектра электронных устройств.
Самый миниатюрный нанофотонный коммутатор
Ученые IBM достигли очередного результата в решении проблемы передачи данных внутри компьютерного кристалла с помощью световых импульсов вместо электронов, создав самый миниатюрный в мире нанофотонный коммутатор, площадь которого на поверхности кристалла почти в сто раз меньше площади поперечного сечения человеческого волоса. Этот коммутационный элемент — важный компонент управления потоками данных внутри микросхем следующего поколения — может значительно повысить производительность чипа при гораздо меньшем потреблении электроэнергии.
Новое достижение стало продолжением серии открытий и разработок IBM в области внутренней оптической информационной шины компьютерной микросхемы. Так, в ноябре 2005 г. ученые IBM продемонстрировали кремниевое нанофотонное устройство, способное значительно замедлять и активно контролировать скорость светового потока. В декабре 2006 г. аналогичное миниатюрное кремниевое устройство было использовано для демонстрации буферизации более 1 байт данных, закодированных посредством оптических импульсов. Это устройство требуется для создания оптических буферов внутренних оптических шин обмена данными в микросхеме. Еще через год, в декабре 2007 г., ученые IBM сообщили о разработке сверхкомпактного кремниевого волоконно-оптического модулятора, который преобразует электрические сигналы в световые импульсы, что также необходимо для реализации оптических информационных каналов в микросхеме.
Эксперты отмечают, что эту новую разработку можно по праву считать еще одним важным шагом на пути создания оптической сети на уровне микросхемы. Принимая во внимание все успехи в этой области, достигнутые за последние несколько лет, очевидно, что ожидания и прогнозы по поводу возможности реализации эффективных оптических каналов обмена данными в чипе становятся все более и более реалистичными. Новое достижение ученых стало очередным вкладом исследователей IBM в разработку высокопроизводительных многоядерных компьютерных микросхем следующего поколения, в которых обмен данными происходит посредством световых импульсов, проходящих через кристалл кремния, а не электрических сигналов, передающихся по медным проводникам.
В статье, опубликованной в журнале Nature Photonics, ученые IBM сообщают о разработке кремниевого широкополосного оптического коммутатора — еще одного ключевого компонента реализации оптических межсоединений в микросхеме. Когда электрические сигналы преобразованы в импульсы света, это коммутационное устройство берет на себя важную функцию управления внутренним «сетевым трафиком», гарантируя, что оптические «сообщения» от одного процессорного ядра будут доставлены любому из других процессорных ядер. Команда исследователей IBM продемонстрировала, что ряд ценных характеристик нанофотонного коммутатора делает его оптимальным элементом для применения на «микросхемном» уровне. Во-первых, коммутатор чрезвычайно миниатюрен. На одном квадратном миллиметре можно разместить — рядом друг с другом — до 2000 таких микроустройств, что с легкостью удовлетворяет требования к плотности упаковки элементов будущих многоядерных процессоров. Во-вторых, устройство способно маршрутизировать большие объемы данных, поскольку одновременно могут коммутироваться световые потоки с различной длиной волны. Каждый световой сигнал определенной длины волны может «переносить» данные со скоростью вплоть до 40 Гбит/с; таким образом, оптический коммутатор обеспечивает суммарную пропускную способность, превышающую 1 Тбит/с, что согласуется с требованиями к быстродействию обмена данными между «удаленными» процессорными ядрами компьютерного чипа. И наконец, последнее, но не менее важное обстоятельство: исследователи IBM впервые продемонстрировали, что их оптический коммутатор способен работать в реальной среде «микропроцессора на кристалле» (On-Chip) — иными словами, в условиях, когда собственная температура микросхемы может меняться в широких пределах вблизи «активных точек» (hot-spots — ячеек памяти, к которым одновременно обращаются несколько процессорных ядер); при этом активные точки «перемещаются» в зависимости от режима работы процессора в данный момент времени. По мнению ученых IBM, способность устойчиво функционировать в условиях больших температурных колебаний — одно из важнейших требований, предъявляемых к внутренним оптическим сетям процессорного кристалла.
Одно из актуальных направлений развития современной микроэлектронной индустрии — достижение высокой степени параллелизма вычислений путем реализации многопотокового режима, построения крупномасштабных многокристальных (multi-chip) систем, а в последнее время — и путем увеличения числа ядер на одном кристалле. Так, процессор IBM Cell, которым оснащаются игровые приставки Sony PlayStation 3, содержит девять ядер в одном кристалле. Поскольку требования к вычислительной производительности продолжают устойчиво расти, разработчики процессоров планируют увеличить число ядер до десятков или даже сотен. Такой подход к повышению вычислительной производительности тем не менее имеет смысл, если каждое ядро способно будет получать и передавать большие сообщения всем остальным ядрам процессора в параллельном режиме. Отдельные ядра современных многоядерных микропроцессоров обмениваются друг с другом данными по миллионам тончайших медных проводников. Эти медные межсоединения, однако, характеризуются значительной потребляемой (рассеиваемой) мощностью и неспособны передавать большие объемы данных, что необходимо для эффективной работы многоядерных процессоров. Исследователи IBM изучают альтернативное решение этой проблемы путем связывания ядер друг с другом с помощью световых импульсов внутренней оптической сети чипа, основанной на кремниевых нанофотонных интегральных схемах. Эта сверхминиатюрная «сеть на кристалле», подобно разветвленной волоконно-оптической компьютерной сети, будет обеспечивать и информационный обмен между ядрами, и маршрутизацию сообщений, которые кодируются импульсами света. Предполагается, что, используя свет вместо проводов, можно передавать почти в 100 раз больше информации между процессорными ядрами, расходуя при этом в 10 раз меньше мощности и выделяя, соответственно, меньше тепла. Отметим, что данная работа выполнялась при поддержке Управления перспективных исследований Министерства обороны США (Defense Advanced Research Projects Agency, DARPA) в рамках программы Slowing, Storing and Processing Light («Замедление, хранение и обработка света»).
Центр нанотехнологий
IBM и ведущий европейский образовательный и научно-исследовательский центр ETH Zurich запустили совместную партнерскую программу в области нанотехнологий. Как часть этого партнерства, на территории лаборатории IBM Zurich Research Laboratory в Цюрихе будет создана новая исследовательская лаборатория под названием Nanoscale Exploratory Research Laboratory, деятельность которой будет охватывать как фундаментальные исследования, так и прикладные разработки в области нанотехнологий, а также проекты близкой тематики. В рамках этой многолетней программы, в которую инвестировано 90 млн долл., ученые и инженеры IBM и ETH Zurich будут проводить совместные исследования новых структур и устройств атомарного и молекулярного масштаба. Цель данных исследований — углубленное изучение свойств и принципов функционирования наноструктур, размеры которых составляют менее 100 нм (что приблизительно в 400 раз меньше толщины человеческого волоса).
Напомним, что лаборатория IBM Zurich Research Lab как один из крупнейших мировых центров нанотехнологий имеет давнюю традицию научного сотрудничества и считается «родиной» нанотехнологий, которые родились там вместе с разработкой сканирующего туннельного микроскопа (за что Герд Бинниг и Генрих Рорер были удостоены в 1986 г. Нобелевской премии по физике).
В новом центре нанотехнологий более 90 кв. м площади будет отведено под «чистые комнаты» (помещения с высочайшей степенью защиты от пыли и других загрязнений), специально выделенные для проведения научных исследований в таких областях, как углеродные материалы, нанофотоника (стекловолоконная нанооптика), спинтроника (спиновая электроника), нанопроводники (nanowires) и трибология (наука о трении и износе). Эти исследования позволят определить новые концепции устройств, основанных на углеродных материалах и использующих квантовомеханические эффекты для считывания и обработки информации. Запланированные проекты нового центра, несомненно, внесут свой вклад в решение уже существующих и возникающих проблем в сфере нано-производства, поскольку исследования будут направлены на изучение методик «самосборки» наноструктур, молекулярных функциональных материалов, а также 3D-интеграции (как альтернативного способа достижения высокой степени интеграции электронных микросистем).