Поглед в бъдещето на процесорните технологии
Всяка година през месец декември се провежда т.нар. International Electron Devices Meeting (IEDM), на което производителите на компютърни компоненти и процесори представят своите виждания за бъдещите технологии на производство. На състоялото се през 2007 г. изложение участваха редица големи компании, сред които бяха Intel, TSMC и Fujitsu. Всички те представиха своите разработки, касаещи производството на процесори по 45 nm технология, както и различни иновации, с които да се облекчи процеса.
Създаването на процесори с използването на все по-малки производствени методи (90-65-45nm) е изключително сложен процес, зависещ от различни параметри. Промяната на всеки един от тези параметри има своите граници, и някои от тях вече са достигнати. В случая става въпрос за дебелината на слоя диелектрик под или над гейта над транзистора в процесорите. За да се заобиколи този проблем, производителите въвеждат вече доста популярния процес High-K Gate Dielectric. Както вече отбелязахме, High-K процесът не е нещо изключително ново, нови обаче са материалите, които производителите използват. Преди да разгледаме възможностите, нека обясним накратко в какво се състои проблема, предизвикал използването на този процес, и как точно става неговото решаване. С намаляването на размерите на транзисторите в процесора се намаляват и техните елементи, сред които и самата изолационна подложка. Така в един момент се стига до ситуация, в която изолацията под (или над) транзистора не може да удържи възникването на утечка, при което започва появата на паразитни токове. За да се предотврати този ефект трябва или слоя диелектрик под транзистора да е по-дебел, което е невъзможно, или да се използват материали с по-висока диелектрична константа, откъдето идва и името на процеса – High-K.
До момента производителите успешно използват третиран с азот силициев диоксид като материал с по-висока диелектрична константа, но при прехода от 45 nm към по-малък процес дори неговите качества стават недостатъчни. Ето защо плановете на повечето производители са за замяната му с различни видове силикати на хафния, имащи значително по-висока диелектрична константа. Intel е сред компаниите, притежаващи подобна технология за производство на силициеви пластини с изолация от споменатите силикати, а плановете са тя да влезе в употреба при следващата си серия процесори, произвеждани по 45nm технология.
За момента Intel е начело – High-K + Megal Gate, 193 nm Optical litography
Очевидно за момента Intel е начело както на иновационните разработки, така и на реалното им прилагане в производството. В случая става въпрос за употребата на т.нар. "Течностна литография" (Immersion Litography), при която средата, в която се обработват силициевите пластини, не е въздух, а вода (или друг флуид). Причината за това е, че при фотолитографията постигнатата ефективна разделителната способност зависи не само от дължината на вълната на използваната светлина (в случая 193 nm), но и от константата на пречупване (рефракция) на средата между лещата и силиция. Казано по-просто използването на среда с константа на пречупване, по-голяма от 1, ще ни даде като резултат по-фина разделителна способност вследствие на ефекта, имитращ намаляване на дължината на вълната.
Досега се считаше, че преходът към 45nm ще изисква практическото навлизане на течностната литография, което значително би оскъпило крайните продукти. Това оскъпяване се дължи на цената на апаратурата, необходима за този процес – един производствен модул за течностна литография има цена от $28 млн. Благодарение на използването на процеса double patterning Intel успява да създаде оборудване, с което производството на 45 nm процесори става реалност. При double patterning се извършват повече на брой процедури по ецване на силициевия слой, като по този начин се постига по-висока разделителна способност, отколкото при еднократна обработка. Недостатък на този процес е значително по-дългото време на обработка, както и по-високата консумация на изходни материали, което в крайна сметка оскъпява процеса. Въпреки това, благодарение на развиването на double patterning, Intel успя да създаде процесори, изработени по 45nm технология, без при това да се стига до негативите на течностната литография.
В допълнение към споменатите по-нагоре процеси Intel постига успех в прилагането на металното опроводяване за транзисторите – нещо, което не е използвано от десетилетия. Причината за това е, че металните примеси в силиция имат склонност към "разтваряне" (не буквално, разбира се) при високотемпературните обработки, на които се подлага пластината в хода на производството. Заради това до момента се използваше обогатен с примеси силиций, наречен полисилиций. Недостатък на полисилициевите примеси обаче се явява фактът, че тяхната електропроводимост е значително по-ниска от тази на чистите метали, макар и да е по-добра от тази на чистия силиций. Така в процесора става нужно да се увеличат необходимите работни напрежения с цел преодоляване на това вътрешно съпротивление, което от своя страна води до завишено топлоотделяне. Благодарение на въвеждането на металното опроводяване, Intel успява да намали нужните нива на работните напрежения, като по този начин намалява както топлоотделянето, така и утечките към съседни транзистори. За заобикалянето на проблема с "разтапящия" се метал при обработката, Intel въвежда постъпково извършване на процеса – обработка (ецване) на силиция, изпичане и чак тогава нанасяне на т.нар. metal gates.
Сред другите новаторски методи, използвани от Intel при изработката на процесорите, е и т.нар. "напрегнат силиций" (Strained silicon). При него най-общо казано се използва ефекта, при който физически натоварената кристална решетка на силиция буквално провежда по-бързо електроните през себе си. Това физическо натоварване на кристалната решетка се постига чрез нанасянето на силициевия слой върху друг материал, който в случая е SiGe (силиций + германий). След обработка силицият се свързва с кристалната решетка на германия, която обаче е с по-голямо разстояние между атомите. В стремежа си да се "подравнят" с атомите на SiGe подложката, атомите от кристалната решетка на силициевата пластина буквално обтягат своите връзки, което води до по-бързия трансфер на електрони през тях.
Според изследванията употребата на напрегнат силиций има като резултат около 70 % по-бързо придвижване на електрони в кристалната решетка на силициевата пластина и като цяло до 35 % по-бързо превключване на транзисторите в нея. Към момента компанията разработва третото поколение процес на напрегнат силиций, при който се влага по-голям процент SiGe (до 30 % по обем) в силициевата пластина. Комбинирано с доближаването на SiGe подложката до повърхностния силициев слой, бързодействието на транзисторите в новите поколения процесори става все по-голямо.
TSMC залага на течностната литография
За производството на процесори и схеми по 45nm или по-малка технология, компанията Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, Limited (TSMC) залага на описаната по-горе течностна литография. На провелия се IEDM компанията демонстрира произведена по този процес 45nm схема, която притежава пълната функционалност на разработваните от Intel модели. Тук е моментът да отбележим, че освен значително по-високата цена на апаратурата за производство на схеми чрез течностна литография, методът има още един недостатък. При разработената от Intel технология се използват вече изпитани и доказали се процеси, благодарение на които се постига отлична ефективност на произведената схема, независимо дали става въпрос за процесор или чипове памет. Въвеждането на нов производствен процес винаги има за резултат по-слабите добиви на чипове от всяка пластина, комбинирано с по-лоши енергийни резултати на самите процесори. С последващото усъвършенстване на технологията тези недостатъци се изчистват, докато се стигне до момент, в който технологията бива доведена до много високо ниво на ефективност. Като пример в това отношение може да се посочи 90 nm производствен процес на AMD, доведен до наистина високи нива на добив в последните години на използването му, макар и на цената на сериозна консумация на енергия.
Макар и значително по-скъп от гледна точка на първоначалните инвестиции, технологичният процес при течностната литография има доста сериозни предимства пред класическата "въздушна" такава. Технически погледнато, оптичната въздушна литография към настоящия момент е на ръба на възможностите си, докато течностната тепърва прохожда и ще показва своя потенциал. В доказателство на това твърдение TSMC демонстрира микросхема, изработена по тази технология, при която физическата дължина на гейта на транзисторите беше 30 nm срещу 35nm при технологията на Intel.
В допълнение към това, разработената от TSMC технология ще доведе до значително повишаване на плътността на паметите. Това се дължи на възможността за ецването и изработката на значително по-фини структури при използването на течностната литография. При използвания от Intel производствен процес максималната разделителна способност дава като краен резултат клетка памет с площ от минимум 0,346 кв. um. При технологията на TSMC нещата стоят по по-различен начин – благодарение на течностната литография минималната постижима площ се движи между 0,202 кв. um и 0,324 кв. um. Последната демонстрация на компанията показа работещ прототип на SRAM памет, с площ на всяка от клетките 0,242 кв. um. Сред другите положителни черти на течностната литография е и нейния потенциал за изработката на нискоенергийни процесори. Благодарение на възможността за по-фино структуриране на елементите в чипа, необходимата за неговата работа енергия е значително по-малко в сравнение с изработените по класически методи чипове. Така разработваната от TSMC течностна литография придобива потенциал да се превърне в основен метод за производство на бъдещите енергийно ефективни процесори и памети.
За финал ще отбележим, че за разлика от Intel, TSMC не разчита на процеса High-K/Metal Gate (HKMG), с който да редуцира утечките в процесорното ядро – в произведените от TSMC модули все още се разчита на полисилициеви вложки, изработени от азотни окиси на силиция. Макар този процес да има за негативи по-високи нива на утечката между опроводяването на транзистора и неговата подложка, положителните аспекти са значително по-евтиния и опростен производствен процес.
Fujitsu също с immersion lithography
Компанията Fujitsu също е сред най-големите производители на микрочипове и схеми в световен мащаб. Подобно на TSMC тя също залага на течностната литография, комплектована с обогатен полисилиций за изолационна подложка и напрегнат силиций за по-бърза работа на модула. Поради различните технически методи, използвани от двете компании, крайните резултати до известна степен се различават. При Fujitsu например, демонстрираният прототип на клетка SRAM памет има обем от 255 кв. um. Оставащите разлики в технологията са минимални, сравнени с методите на TSMC, което идва да покаже, че двете компании са избрали доста подобни пътища за развитие в бъдещето.
И няколко думи за финал
След като разгледахме различните технологии, на които са се спрели по-големите производители в световен мащаб, може би е време да обърнем внимание и на бъдещите посоки в тяхното развитие. Сред разгледаните методи прави впечатление разликата в избора на Intel и TSMC/Fujitsu – докато първата компания залага на добре развитата вече технология, другите две са по-склонни да рискуват със "скок в неизвестното". Макар на пръв поглед за момента да изглежда сякаш Intel е направила по-добрия избор, това тепърва предстои да се докаже. Въпреки, че тя има предимствата на по-ниските разходи за производство и развитие на избраната от нея технология в комбинация с по-висока скорост и ниско енергопотребление, в крайна сметка следващият преход към 32 nm ще покаже дали избора й е бил правилен. В същото време течностната литография, избрана от TSMC и Fujitsu, тепърва ще показва потенциала си със своето усъвършенстване и доразвиване. Кой ще е правилният избор тепърва ни предстои да разберем.