В связи с тем, что закон Мура выполняется уже на протяжении 50-и лет и тема того, сколько ему «еще осталось» обсуждается повсюду, познакомимся с мыслями и планами тех, кому данный закон придется утверждать и поддерживать, как минимум в ближайшие годы.

Ниже даетсяперевод блога людей, отвечающих за архитектуру и прозводство в компании Intel: Марка Бора(Mark Bohr) и Санджея Натараджана(Sanjay Natarajan) по поводу того, как долго, с их точки зрения, будет развиваться техпроцесс в сторону уменьшения и какие технологии, с их точки зрения, помогут поддерживать прогресс в данном направлении.

В последнее время часто возникает вопрос: «Подходит ли к концу процесс уменьшения размеров транзисторов?» Поскольку никто не считает, что процесс совершенствования технологий может прекратиться совсем, более разумным будет вариант этого вопроса: «Становится ли технически или практически невозможным разработка и внедрение новых техпроцессов примерно каждые два года, как это предсказано законом Мура почти 50 лет назад?»

Перед тем, как ответить на данный вопрос, сначала заглянем в историю. Когда-то развитие технологий процесса производства полупроводников давалось значительно легче. Базовая архитектура МОП-транзисторов была фиксирована, и путь к разработке нового процесса был ясен и прост: уменьшить габариты, уменьшить вертикальный размер, уменьшить электрические поля и — вуаля – готов новый более быстрый и более энергоэффективный транзистор. Конечно, изобретения, типа точечных и halo(ореол) имплантаций, оксидов силицида и нитрида для затвора были необходимы для решения проблем на этом пути, но основная архитектура оставалась прежней на протяжении многих поколений. (Когда мы говорим про изобретения, давайте не будем забывать об уменьшении длины межсоединений, где предложены медные проводники и планаризация.)

Конец масштабирования?

Даже в период «расцвета» данных технологий, отраслевые эксперты предсказывали конец масштабирования. Утверждения экспертов, как «Оптическая литография достигнет своих пределов в диапазоне 0.75–0.50 мкм,» «Минимальные геометрии[транзисторов] будут достигнуты в диапазоне от 0,3 до 0,5 микрон», «рентгеновская литография понадобится при размерах менее 1 микрона,» «медные межсоединения никогда не будет работать», и «Масштабирование закончится примерно через 10 лет», были сделаны публично, и все кажутся странными спустя время.

Пожалуй, 130-нм технология была последней настоящей технологией в этой архитектуре. Начало 1990-х годов отмечено огромным изменением в этой отрасли в связи с изобретением корпорацией Intel одноосного напряженного кремния в 90-нм технологии. Это изменение отмечено использованием кремний-германиевых сплавов в истоке/стоке PMOS (р-канальный МОП) транзистора, оно открыло эпоху больших перемен в материалах в дополнение к существующим геометрическому и электрическому масштабированиям. 65-нм этап был последней возможностью, чтобы использовать «рабочую лошадку» отрасли, SiON диэлектрик затвора. Начиная с 45-нм, Intel сделал переход к экзотическому диэлектрику на основе диоксида Гафния c высоким показателем диэлектрической проницаемости k и сложной сэндвич-структурой пленок. Наконец, 22-нм этап ознаменовал конец 50-го года жизни планарного МОП транзистора и переход на tri-gate технологию 3D-транзисторов. Сегодняшнее состояние технологии напоминает транзистор конца 1980-х примерно настолько же, насколько Феррари напоминает конный экипаж.

Не только структура транзистора и материалов резко изменилась за последние десятилетия, но и цель масштабирования транзистора также изменилась. В 1980-х и 1990-х годах классическое масштабирование обеспечивало значительные улучшения в скорости транзистора для работы микропроцессоров на более высоких рабочих частотах. Но мы платили цену за очень высокую плотность мощности все более высокими ее утечками. 2000-е годы открыли эпоху, когда предел плотности мощности и рыночный спрос на мобильные компьютеры изменили фокус транзисторных технологий с повышенной производительности к уменьшенному энергопотреблению. Современные компьютеры, являются ли они высокопроизводительными серверами или маломощными мобильными телефонами, все требуют повышения энергоэффективности и снижения утечки энергии. А рост интереса к системам-на-чипе (SOC) придает все большее значение созданию широкого спектра устройств на одной микросхеме, из высокопроизводительных транзисторов с ультра-низким уровнем утечки.

Радикальные новые подходы

Историческая перспектива очень важна, потому что она напоминает нам, что единственной постоянной в нашей отрасли является изменение (или, как выразился Йоги Берра, «будущее — это не то, что это было»). В будущем радикально новая архитектура может создать еще один колоссальный сдвиг, когда постепенное улучшение перестает работать. Существует много потенциально привлекательных вариантов технологий вроде туннельных полевых транзисторов, BISFET (bilayer pseudospintronic field-effect transistors) транзисторов, полевых транзисторов на основе графена, и полевых транзисторов на основе спина. Все они активно исследуются в ведущих полупроводниковых компаниях.

Еще одним трендом, который приобретает все большее значение, является более тесная интеграция технологических процессов, дизайна и архитектуры продуктов. За последние несколько поколений, ограничения в процессе масштабирования привели к ограничениям в дизайне, которые, в свою очередь, требуют более тесной совместной оптимизации между дизайном и процессом для достижения лучшего результата. Эта тенденция, вероятно, сохранится и даже будет расти. Будущее будет включать в себя интеграцию новых процессов, дизайна и архитектуры, такие как 3D упаковку внутри чипа, а не только внутри TSV(through-silicon via) упаковки и новых подходов к вычислениям, таких как техпроцесс, оптимизированный для не-булевой логики.

Вполне возможно, что новая архитектура техпроцесса завтра сделает настолько же сильный рывок, что «сегодняшний Феррари» станет выглядеть как древний «конный экипаж». Поскольку мы живем и работаем в это удивительное время для полупроводниковой промышленности, и мы надеемся увидеть еще 50 лет «работы» закона Мура.