El primer transistor fue bipolar y germanio, pero la gran mayoría de los circuitos integrados modernos están hechos de silicio utilizando tecnología CMOS (semiconductor complementario de óxido de metal). ¿Cómo se convirtió el silicio en el principal de muchos semiconductores conocidos? ¿Por qué la tecnología CMOS se ha vuelto casi exclusiva? ¿Los procesadores usaban otras tecnologías? ¿Qué nos espera en el futuro cercano, porque el límite físico de miniaturización de los transistores MOS se alcanza realmente?
Si desea conocer las respuestas a todas estas preguntas, bienvenido a cat. A petición de los lectores de artículos anteriores, les advierto: hay mucho texto, durante media hora.
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En el patio de la vuelta de 1947 y 1948, John Bardin y Walter Brattain, dirigidos por William Shockley en The Bell Labs, estudian la distribución de campo en diodos de germanio y descubren accidentalmente un efecto de transistor. Y aunque la utilidad potencial del descubrimiento parecía obvia (sin embargo, las leyendas urbanas dicen que el descubrimiento fue desclasificado después de que los expertos militares no vieron ningún uso práctico en él), el primer transistor se veía así:
Figura 2. Réplica del primer transistorNo es muy similar a un dispositivo adecuado para la producción industrial, ¿verdad? Se necesitaron dos años para hacer un caprichoso transistor bipolar de punto a punto más conveniente de fabricar a partir de uniones pn, después de lo cual se contaron los días (bueno, no días, sino años) de tubos de electrones en equipos electrónicos de masas.
De los tres descubridores del transistor, es cierto que solo Shockley continuó trabajando en ellos, que tenía poco que ver con el trabajo original (porque era un teórico y jefe, y no un investigador), pero se llevó toda la fama y se peleó con Bardin y Brattein que nunca más trataron con microelectrónica. Brattain estudió electroquímica y Bardin - superconductividad, por la cual recibió el segundo Premio Nobel, convirtiéndose en la única persona en la historia que tiene dos premios en física.
Shockley, después de haber dividido con éxito su equipo de investigación con sus ambiciones, dejó Bell Labs y creó su propio Laboratorio de semiconductores Shockley. Sin embargo, el clima de trabajo también dejó mucho que desear, lo que llevó a la aparición de los famosos "ocho traidores", que huyeron de Shockley y fundaron Fairchild Semiconductor, que, a su vez, se convirtió en el padre de lo que ahora conocemos como "Silicon Valley". incluidas compañías como Intel, AMD e Intersil.
Figura 3. Fairchildren - Empresas fundadas por Fairchild
Shockley nunca se recuperó de la traición del G8 y rodó cuesta abajo: fue despedido de su propia compañía, llevado por el racismo y la eugenesia, se convirtió en un paria en la comunidad científica y murió, todo olvidado. Incluso sus hijos aprendieron sobre la muerte en los periódicos.Antes del comienzo
La historia del descubrimiento del transistor es ampliamente conocida y muy descrita. Es mucho menos conocido que la
primera solicitud de patente para un transistor no se presentó en absoluto en 1947, sino veinte años antes, en 1925, por un estadounidense de origen austrohúngaro, Julius Lilienfeld. En este caso, a diferencia del transistor bipolar de 1947, los dispositivos descritos en las patentes de Lilienfeld eran de campo: en la patente recibida en 1930, el MESFET con un obturador de metal, y en la patente de 1933 - MOSFET, casi lo mismo que lo conocemos. ahora Lilienfeld pretendía utilizar compuerta de aluminio y alúmina como dieléctrico de compuerta.
Desafortunadamente, el nivel de desarrollo tecnológico en ese momento no permitió a Lilienfeld realizar sus ideas en prototipos, pero los experimentos llevados a cabo por Shockley en 1948 (ya solo) mostraron que las patentes de Lilienfeld describían dispositivos fundamentalmente operables. En realidad, todo el trabajo del grupo Shockley sobre las propiedades de los diodos, que condujo a la invención aleatoria de un transistor bipolar, fue parte de la investigación sobre la creación de un transistor de efecto de campo, mucho más similar en propiedades a los tubos de vacío y, por lo tanto, más comprensible para los físicos de esos años. Sin embargo, a pesar de la confirmación exitosa de la viabilidad de las ideas de Lilienfeld, en 1948 todavía no había tecnología para la producción estable de películas delgadas de dieléctricos sin defectos, mientras que un transistor bipolar resultó ser bastante más avanzado tecnológicamente y comercialmente prometedor. Los transistores MOS fueron archivados, y los dispositivos bipolares comenzaron una procesión triunfal en el planeta.
Un momento de terminologiaUn transistor bipolar o transistor bipolar es un transistor en el que se necesitan ambos tipos de portadores de carga, electrones y agujeros, y que está controlado por la corriente base (multiplicándolo por la ganancia del transistor). Usualmente se realiza usando uniones pn o heterouniones, aunque el primer transistor, aunque fue bipolar, no fue un transistor de unión. Un acrónimo inglés popular es BJT, transistor de unión bipolar.
Para los transistores en heterouniones (transiciones entre diferentes materiales, por ejemplo, arseniuro de galio y aluminitruro de galio), se usa el acrónimo HBT (Transistor bipolar de heterounión).
Un transistor unipolar o de efecto de campo, también conocido como Transistor de efecto de campo o FET, es un transistor cuya operación se basa en el efecto de campo y requiere solo un tipo de portador de carga. El transistor de efecto de campo tiene un canal controlado por el voltaje aplicado a la puerta. Los transistores de efecto de campo son bastantes variedades.
El MOSFET o MOSFET habitual es un transistor con una puerta aislada del canal por medio de un dieléctrico, generalmente óxido, que es una estructura semiconductora de óxido de metal. Si no se usa óxido, pueden llamarse MISFET (I - Insulator) o MDPT (D - Dielectric).
JFET (J - Junction) o transistor con un control pn junction. En dicho transistor, el campo que bloquea el canal se crea aplicando voltaje a la unión pn de control.
Un transistor de efecto de campo Schottky (PTSh) o MESFET (ME - Metal) es un tipo de JFET que no utiliza una unión pn como control, sino una barrera Schottky (entre un semiconductor y un metal), que tiene una caída de voltaje más baja y una velocidad de funcionamiento más alta.
HEMT (Transistor de alta movilidad de electrones) o transistor con alta movilidad de electrones, un análogo de JFET y MESFET, que utiliza una heterounión. Tales transistores son los más populares en semiconductores complejos.Figura 4. BJT, MOSFET, JFETGermanio
El primer transistor fue germanio, pero los tecnólogos de diferentes compañías cambiaron rápidamente al silicio. Esto se debió al hecho de que el germanio puro en realidad es bastante poco adecuado para aplicaciones electrónicas (aunque los transistores de germanio todavía se usan en equipos de corte antiguos). Las ventajas del germanio incluyen la alta movilidad de electrones y, lo más importante, los agujeros, así como el voltaje de liberación de las uniones pn de 0.3 V versus 0.7 V para el silicio, aunque el segundo puede nivelarse usando transiciones de Schottky (como se hizo en la lógica TTLS) . Pero debido a la brecha de banda más pequeña (0.67 versus 1.14 eV), los diodos de germanio tienen grandes corrientes inversas que aumentan fuertemente con la temperatura, lo que limita tanto el rango de temperatura de aplicabilidad de los circuitos de germanio como la potencia permitida (la influencia de las corrientes inversas en los pequeños es demasiado grande, en grandes interferir con el autocalentamiento). Para colmo los problemas de temperatura de Alemania, su conductividad térmica es mucho más baja que la del silicio, es decir, es más difícil eliminar el calor de los transistores potentes.
Incluso en el período inicial de la historia de la electrónica de semiconductores, los dispositivos de germanio tenían grandes problemas de rendimiento debido a la dificultad de obtener germanio cristalino puro sin dislocaciones de red de tornillo y mala calidad de superficie, a diferencia del silicio, que no está protegido de las influencias externas por el óxido. Más precisamente, el germanio tiene un óxido, pero su red cristalina coincide con la red del germanio puro mucho peor que el silicio, lo que conduce a la formación de un número inaceptablemente grande de defectos superficiales. Estos defectos reducen seriamente la movilidad de los portadores de carga, negando la principal ventaja del germanio sobre el silicio. Y, para colmo, el óxido de germanio reacciona con el agua, tanto durante el proceso de fabricación del chip como durante la operación. Sin embargo, el resto de los semiconductores fueron aún menos afortunados y no tienen óxido en absoluto.
Tratando de resolver el problema de una pobre superficie de germanio, que impedía la fabricación del transistor de efecto de campo, a Shockley se le ocurrió la idea de quitar el canal a la profundidad del semiconductor. Así que había un transistor de efecto de campo con una unión pn de control, también conocido como JFET. Estos transistores rápidamente encontraron su lugar en los circuitos analógicos, en primer lugar, debido a la muy pequeña corriente de entrada (en comparación con los transistores bipolares) y las buenas características de ruido. Esta combinación convierte a JFET en una excelente opción para la etapa de entrada del amplificador operacional, que se puede observar, por ejemplo,
en este artículo de Ken Shirrif. Además, cuando en lugar de componentes separados comenzaron a hacer circuitos integrados, resultó que los JFET son bastante compatibles con la tecnología bipolar (incluso hice un JFET a partir de un transistor bipolar en la figura anterior), y se convirtieron en un lugar común en los procesos de fabricación bipolar analógicos. Pero todo esto ya estaba en el silicio, y el germanio permaneció olvidado durante muchos años, hasta que llegó el momento de fortalecer la posición del silicio en lugar de luchar con él. Pero más sobre eso más tarde.
Transistores de efecto de campo
¿Qué pasa con los transistores MOS? Parece que fueron olvidados durante casi una década en relación con el rápido progreso de sus homólogos bipolares, sin embargo, se desarrollaron. De todos modos, Bell Labs en 1959, el primer transistor MOS en funcionamiento fue creado por Devon Kang y Martin Attala. Por un lado, se dio cuenta casi directamente de la idea de Lilienfeld, y por el otro, inmediatamente resultó ser casi idéntico a muchas próximas generaciones de transistores que usan óxido de silicio como dieléctrico de puerta. Desafortunadamente, Bell Labs no reconoció el potencial comercial de la invención: el prototipo era significativamente más lento que los transistores bipolares de la época. Pero el potencial de la novedad fue reconocido por Radio Corporation of America (RCA) y Fairchild, y ya en 1964, los transistores MOS llegaron al mercado. Eran más lentos que sus homólogos bipolares, peor amplificados, ruidosos y muy afectados por la descarga electrostática, pero tenían cero corriente de entrada, baja resistencia de salida y excelentes capacidades de conmutación. No es tanto, pero fue solo el comienzo de un viaje muy largo.
Lógica Bipolar y RISC
En las primeras etapas del desarrollo de la electrónica de semiconductores, dominaron las aplicaciones analógicas y de radiofrecuencia: la palabra "transistor" durante mucho tiempo significó no solo el transistor en sí, sino también un receptor de radio basado en él. Las computadoras digitales basadas en microcircuitos que contenían una o dos compuertas eran enormes (aunque no podían compararse con las lámparas), por lo que incluso hubo intentos de hacer los cálculos de manera análoga: es bueno implementar la integración o diferenciación con un solo amplificador operacional en lugar de una dispersión completa de chips digitales. . Pero la computación digital resultó ser más conveniente y práctica, como resultado de lo cual comenzó la era de las computadoras electrónicas digitales, que continúa hoy (aunque la computación cuántica y las redes neuronales ya han logrado un éxito significativo).
La principal ventaja de la tecnología MOS de esa época era la simplicidad (recuerdo que hasta los años ochenta, cada empresa microelectrónica tenía que organizar su propia producción): para implementar el circuito n-MOS o p-MOS más simple, solo se necesitan cuatro fotolitografías, para CMOS: seis y Para un circuito de litografía bipolar, se necesitan siete para un tipo de transistor, y aún se necesita un control más preciso de la difusión e, idealmente, de la epitaxia. El punto negativo fue la velocidad: los transistores MOS perdieron en comparación con bipolar y JFET más de un orden de magnitud. En el momento en que CMOS permitía alcanzar una frecuencia de 5 MHz, se podían hacer 100-200 en ESL. No es necesario hablar de aplicaciones analógicas: los transistores MOS son muy poco adecuados para ellos debido a las bajas velocidades y la baja ganancia, mientras que un circuito bipolar con entradas JFET puede proporcionar casi todas las solicitudes del diseñador.
Si bien el grado de integración de los microcircuitos fue pequeño, y nadie consideró particularmente el consumo de energía, la ventaja de la lógica acoplada al emisor (ESL) para aplicaciones de alto rendimiento era obvia, pero la tecnología MOS tenía cartas de triunfo en su manga, que jugaron un poco más tarde. En los años sesenta, setenta y ochenta, los procesos de fabricación MOS y bipolar se desarrollaron en paralelo, con MOS utilizado exclusivamente para circuitos digitales, y la tecnología bipolar se utilizó tanto para circuitos analógicos como para lógica basada en las familias TTL (lógica transistor-transistor, TTL) y ESL.
Figura 5. Cray-1, la primera supercomputadora Seymour Cray, presentada al público en 1975, pesaba 5,5 toneladas, consumía 115 kW de energía y tenía una capacidad de 160 MFLOPS a 80 MHz. Fue construido sobre cuatro tipos de circuitos ECL discretos, y contenía alrededor de 200 mil válvulas. El chip en el que se construyó la lógica es Fairchild 11C01, una válvula doble que contiene los elementos 4 ILINE y 5 ILINE, y consume 25-30 mA de corriente cuando funciona con -5.2 V.Figura 6. Elemento lógico 2INE en TTL y 2OR / ILINE en ESLPreste atención al hecho de que el elemento lógico ESL es solo un amplificador de retroalimentación, construido de tal manera que los transistores de conmutación siempre están en el modo lineal "rápido" y nunca entran en el modo de saturación "lento". La tarifa por velocidad es la corriente que fluye continuamente a través del circuito, independientemente de la frecuencia de funcionamiento y el estado de las entradas y salidas. Es divertido, pero comenzaron a tratar de usar este inconveniente hace algún tiempo como una ventaja: debido a la constancia del consumo actual, los esquemas criptográficos en las ESL son mucho más resistentes a las grietas al "escuchar" el consumo actual que CMOS, donde el consumo actual es proporcional al número de puertas que se cambian actualmente . Si reemplazamos los transistores bipolares con transistores de efecto de campo (JFET o MESFET), obtenemos la lógica relacionada con la fuente ISL, que también encontró su aplicación en semiconductores complejos en ese momento.
Una ventaja obvia de la lógica nMOS o pMOS es la simplicidad de fabricación y el pequeño número de transistores, lo que significa un área pequeña y la capacidad de colocar más elementos en el chip. A modo de comparación: el elemento 2INE o 2ILINE en el nMOS / pMOS consta de tres elementos, en el CMOS: cuatro. En TTL, estos elementos contienen 4-6 transistores, 1-3 diodos y 4-5 resistencias. En el ESL - 4 transistores y 4 resistencias (mientras que en el ESL es conveniente hacer OR y NOR, y es inconveniente para AND y NAND). Tenga en cuenta, por cierto, que todos los transistores en el circuito de los elementos TTL y ESL son npn. Esto se debe a que hacer un transistor pnp en un sustrato p es más complicado que npn, y su estructura es diferente, a diferencia de la tecnología CMOS, donde los transistores de ambos tipos son casi iguales. Además, tanto pMOS como pnp bipolar, trabajando a expensas de los agujeros, son más lentos que sus contrapartes "electrónicas" y, por lo tanto, en lógica bipolar, cuyo objetivo principal era la velocidad, no estaban reñidos.
La segunda ventaja importante de la tecnología MOS, que se manifestó completamente durante la transición a CMOS y determinó en gran medida el dominio de esta tecnología, es el bajo consumo de energía. La válvula CMOS consume energía solo durante el proceso de conmutación, y no tiene consumo de energía estática (para las tecnologías modernas esto no es así, pero omitimos en particular). La corriente de funcionamiento típica de la válvula ESL es de 100 μA a 1 mA (0.5-5 mW alimentado por 5.2 V). Multiplicando este número por, digamos, los mil millones de puertas que componen los procesadores Intel modernos, obtenemos MegaWatt ... En realidad, el consumo de Cray-1 que viste arriba. Sin embargo, en los años ochenta se trataba de miles o decenas de miles de válvulas, lo que, en teoría, permitía mantener un presupuesto de energía razonable, incluso con lógica bipolar. En la práctica, sin embargo, varias veces la cantidad de válvulas CMOS que consumieron menos energía y se volvieron mucho más rápidas con la disminución de los estándares de diseño se colocaron en la misma área de cristal (la ley de Moore trabajó con fuerza y principal).
Intel 8008 (1972) con tecnología pMOS de diez micrones funcionó a una frecuencia de 500 kHz (frente a 80 MHz para el sistema Cray-1 mucho más complejo), Intel 8086 (1979) con nMOS de tres micrones y CMOS posterior acelerado a 10 MHz, y el 80486 original ( 1989) - hasta 50 MHz.
¿Qué hizo que los diseñadores siguieran probando diseños bipolares, a pesar de la rápida reducción en la diferencia entre ellos y CMOS, y a pesar del consumo de energía? La respuesta es simple: velocidad. En los albores del tiempo, una gran ventaja adicional de ESL fue la pérdida mínima de rendimiento al trabajar en grandes cargas capacitivas o líneas largas, es decir, el ensamblaje desde muchos edificios con lógica ESL fue mucho más rápido que el ensamblaje en CMOS o TTL. Un aumento en el grado de integración permitió a CMOS superar parcialmente este inconveniente, los sistemas informáticos todavía eran de múltiples chips y cada salida de la señal fuera del cristal (por ejemplo, a un caché externo) ralentizó todo. Las puertas bipolares, incluso a fines de los años ochenta, todavía eran significativamente más rápidas, por ejemplo, debido a diferencias de voltaje varias veces menores entre un cero lógico y una unidad lógica: 600-800 mV en ESL versus 5 V en CMOS, y esto es en condiciones cuando los tamaños de los transistores en . , ( “” “ ”), , . , .
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Hasta ahora, el artículo hablaba de los éxitos y fracasos de las empresas estadounidenses, pero no solo en Estados Unidos era microelectrónica, ¿verdad? Desafortunadamente, puedes contar un poco sobre el difícil camino de la microelectrónica soviética en la elección de tecnologías. La primera razón: la historia de los desarrollos estadounidenses (así como, por ejemplo, japoneses) está bien documentada por publicaciones en revistas especializadas de IEEE, cuyo archivo ahora está digitalizado, y estudiarlas es un verdadero placer para el conocedor. La microelectrónica soviética ha estado extremadamente cerrada a lo largo de su historia. Hubo pocas publicaciones incluso en ruso, sin mencionar que informaron sobre sus éxitos en todo el mundo (lo que se hizo, por ejemplo, en física fundamental). E incluso lo poco que se publicó ahora es muy difícil de encontrar y, por supuesto, solo en papel y no en formato electrónico. Por lo tanto, por cierto, es alentador ver a mis colegas rusos en conferencias científicas internacionales y exposiciones industriales, no solo como invitados, sino también como oradores. La segunda razón es que la mayoría de las veces la microelectrónica soviética, aunque no mucho, se quedó atrás de los estadounidenses y participó activamente en la copia de desarrollos occidentales exitosos. Además, desde principios de los años ochenta, cuando comenzaron las cosas más interesantes del mundo, el Ministerio de Industria Electrónica de la URSS tomó oficialmente un curso para abandonar los diseños originales y hacer copias de los microcircuitos estadounidenses, diseños y métodos en serie, en lugar de experimentales. Tal vez, en condiciones de recursos limitados, esta fue la decisión correcta, pero su resultado fue un aumento en la acumulación (y no tecnológica, sino ideológica), que después del colapso de la URSS se volvió prácticamente irreversible, hasta que en el siglo XXI, la microelectrónica rusa fue "reiniciada" En realidad desde cero.
Como resultado, aunque los chips GaAs de grado medio de integración se utilizaron a principios de los noventa tanto en las supercomputadoras Cray como en las UEM EC-4, la URSS nunca tuvo procesadores RISC que desempeñaron un papel importante en las etapas finales de la lucha entre CMOS, ESL y arseniuro de galio. Desde un punto de vista tecnológico, al mismo tiempo que los estadounidenses desarrollaban microprocesadores monocristalinos, el "Micron" de Zelenograd puso en producción en serie la serie de microcircuitos K6500 arseniuro-galio, que incluía memoria de hasta 16 kbps, cristales de matriz base con hasta diez mil válvulas y un conjunto de microprocesadores de cinco chips, es decir, los mismos cristales complejos que los procesadores estadounidenses. Pero si McDonnell Douglas, utilizando JFET normalmente cerrados de ambos tipos de conductividad, imitó los circuitos GaOS nMOS y CMOS con el objetivo de minimizar el consumo de energía y preparar el terreno para aumentar el grado de integración, entonces el K6500 fue muy rápido (hasta 1 GHz), pero mucho más complejo y caprichoso Circuitos ICL con MESFET normalmente abiertos (lo que hace que los resultados alcanzados por el grado de integración sean aún más sorprendentes).
El trabajo sobre arseniuro de galio continuó en Micron desde 1984 hasta al menos hasta 1996, pero no pude encontrar ninguna información sobre lo que sucedió después de eso. Ahora todos los desarrollos de Micron, incluidos los resistentes a la radiación y los de radiofrecuencia, están hechos de silicio.
Arseniuro y otros
Los desarrolladores de circuitos de silicio CMOS de propósito especial, mientras tanto, no se detuvieron; A principios de los noventa, quedó claro que proporcionar resistencia a la radiación en la tecnología CMOS de silicio comercial ligeramente modificada no es mucho más difícil que en el costoso y caprichoso arseniuro de galio, que lo privó de su última ventaja importante y lo limitó a nichos muy estrechos y específicos, principalmente microondas y dispositivos de alimentación discretos. . Además, incluso en estas aplicaciones, ahora no se usa cada vez más arseniuro, sino nitruro de galio u otras heteroestructuras con mejores características de temperatura, mayor movilidad y un gran campo de descomposición.
Figura 9. Comparación de las principales propiedades del silicio, arseniuro de galio y nitruro de galio para aplicaciones de potencia y microondas.Bueno, usted pregunta, ¿puede el nitruro de galio producir VLSI? Desafortunadamente, el nitruro de galio también tiene poca movilidad en los agujeros, y no solo por ello. Solo el antimonuro de indio tiene una movilidad de agujeros radicalmente mayor que el silicio, pero tiene una zona prohibida tan estrecha que los dispositivos basados en ella solo pueden funcionar a temperaturas criogénicas.
No me malinterpreten, también se necesitan otros semiconductores, y tienen muchas aplicaciones útiles. Cuando en 2000 el Comité Nobel finalmente decidió otorgar un premio a la electrónica, Jack Kilby recibió la mitad del premio por crear el primer circuito integrado y el segundo, Zhores Alferov y Herbert Kremer por "desarrollar heteroestructuras de semiconductores utilizados en circuitos de alta frecuencia y optoelectrónica". Ya es difícil imaginar nuestra vida sin láseres de heteroestructura, los mercados de dispositivos de energía basados en nitruro de galio y carburo de silicio están creciendo a pasos agigantados (y en la electrificación de vehículos), el despliegue rápido de redes 5G que funcionan a frecuencias de hasta 39 GHz es imposible de imaginar sin semiconductores A3B5, pero solo La tecnología CMOS de silicio resultó tener todas las propiedades necesarias para crear VLSI computacionales, que constituyen la mayor parte del mercado de microelectrónica y gestionan toda la diversidad mencionada anteriormente.
Sin embargo, incluso la microelectrónica de silicio es mucho más amplia que solo los microprocesadores de alto rendimiento. En este momento, TSMC, simultáneamente con la puesta en marcha de la tecnología de proceso de 5 nm, está lanzando una nueva fábrica con estándares de diseño de 180 nm en placas de 200 mm, porque existe una demanda y está creciendo constantemente. Sí, este mercado es mucho más pequeño que el mercado de chips para teléfonos móviles, pero la inversión para la entrada es mucho más modesta. Lo mismo puede decirse de los mercados de carburo de silicio y nitruro de galio. Y son precisamente los semiconductores complejos, la microonda y la electrónica de potencia, en mi humilde opinión, los que pueden convertirse en un verdadero impulsor del renacimiento de la microelectrónica rusa y su entrada en el mercado mundial. En estas áreas, las competencias y el equipamiento de las compañías rusas son muy fuertes y bastante cercanas a los líderes mundiales. Todos conocen 180, 90 y 65 nm en el Micron, pero pocos han oído hablar de 200 nm en la Fuente o 150 nm en el Mikran. Pocas personas han escuchado que la fábrica de STM en Catania, desde la cual se copió el proceso de 180 nm en Micron, ahora ha cambiado completamente a la producción de carburo de silicio, cuyo mercado debería alcanzar los tres mil millones de dólares en cinco años. STM recientemente compró al fabricante de sustrato de SiC para ser dueño de toda la cadena de producción, y en principio están haciendo todo lo posible para convertirse en líderes en el creciente mercado.
Absorber y conquistar
Los artículos de finales de los ochenta y principios de los noventa sobre tecnologías prometedoras (ESL sobre silicio, complementarios de JFET sobre GaAs, intentos de hacer que el germanio vuelva a ser grandioso) casi siempre terminan con las palabras "mostramos grandes perspectivas para nuestra idea, y literalmente un par de años después, cuando las tecnologías se desarrollan un poco más y permitirá más transistores en un chip / menos consumo / mayor rendimiento porcentual, entonces es cuando conquistaremos el mundo ". Ese es solo el progreso prometido en el dinero que DARPA nunca llegó. Por qué Debido a que la tecnología de fabricación de chips aumenta de precio con cada nueva reducción de tamaño, y ninguna subvención de investigación podría superar el volumen de inversiones de Intel, trabajando en el enorme mercado de consumo y consciente de que el liderazgo tecnológico es una de las claves del liderazgo comercial. Es por eso que Intel levantó la bandera de la ley de Moore y se hizo responsable de su implementación, después de lo cual todos los demás fabricantes se vieron envueltos en una loca carrera armamentista que las pequeñas empresas y otras tecnologías no podían permitirse. Como resultado, Intel tiene exactamente un competidor en el nicho de las computadoras personales y, en general, solo tres compañías en el mundo tienen tecnologías por debajo de 14 nm: TSMC, Intel y Samsung. Podemos decir que Intel tuvo mucha suerte hace mucho tiempo de comenzar a trabajar con transistores MOS, y no con ESL, pero si no tuvieran suerte, alguien más tendría suerte, y el resultado sería aproximadamente el mismo.
El hecho de que la ventaja de CMOS sobre el silicio es innegable se hizo evidente a fines de los años noventa, y la desproporción de los recursos invertidos en él y todo lo demás se volvió tal que, en lugar de desarrollar nuevas tecnologías para necesidades específicas, se volvió más rentable y más fácil unir los elementos de ponderación correspondientes a CMOS. La tecnología BiKMOP con transistores bipolares npn apareció para diseñadores de circuitos analógicos, memoria no volátil para electrónica integrada, transistores DMOS de alto voltaje para aplicaciones de potencia, sustratos SOI para altas temperaturas o altas velocidades, fotodiodos integrados para optoelectrónica. Un controlador importante para la integración de opciones adicionales en la tecnología CMOS fue el concepto de un sistema en un chip. Si antes, el diseñador del sistema eligió los microcircuitos apropiados, en función de lo bien que hacen frente a las funciones objetivo, sin prestar atención a la tecnología de su fabricación (en el peor de los casos, todavía se necesitaban traductores de nivel, pero esto no da miedo), entonces con el aumento en el grado de integración, hubo una oportunidad coloque todos los componentes del sistema en un chip y, por lo tanto, mate muchas aves de un tiro: aumente la velocidad y reduzca el consumo debido a la falta de la necesidad de bombear las capacidades de las pistas en una placa de circuito impreso, aumente t chnost por mejores elementos de adaptación para aumentar la fiabilidad reduciendo el número de puntos de soldadura. Pero para esto, todas las partes del sistema tenían que ser compatibles con CMOS. Las fábricas respondieron a esto "cualquier cosa, solo pagan dinero por máscaras adicionales y opciones tecnológicas" y comenzaron a poner en producción procesos técnicos especializados uno por uno. Máscaras adicionales: caras y complicadas, pero ¿debería ser barato el chip? Y ahora los libros de texto de diseño analógico ya están reescribiendo desde transistores bipolares buenos y rápidos a los de campo lento y malo. ¿No hay absolutamente ninguna velocidad para microondas? ¿Intentaremos nuevamente con arseniuro de galio? No, estiremos la red cristalina de silicio con germanio para aumentar localmente la movilidad de los electrones. ¿Suena complicado? ¡Pero es compatible con CMOS! Un microcontrolador barato con memoria flash y un ADC en un solo chip suena mucho mejor que el mismo en tres chips, ¿verdad? El procesamiento y control digital de datos en el mismo chip que la parte analógica del sistema se convirtió en un logro clave que permitió a los microcontroladores penetrar en todas partes, desde el espacio profundo hasta el hervidor eléctrico.
Mi ejemplo favorito de este tipo es la tecnología BCD. BCD es Bipolar (para la parte analógica), CMOS (para digital), DMOS (interruptores de alto voltaje en el mismo chip que la lógica de control). Dichas tecnologías pueden funcionar con voltajes de hasta 200 voltios (y a veces más) y le permiten implementar en un solo chip todo lo que necesita para controlar motores eléctricos o la conversión de CC / CC.
Figura 11. BCD SOI de sección transversal con transistor LDMOS de alto voltaje en un bolsillo aisladoLa tecnología BCD SOI complementa todo lo anterior con un aislamiento dieléctrico completo de los elementos, lo que mejora la resistencia al efecto tiristor, el aislamiento de ruido, aumenta los voltajes de trabajo, le permite colocar fácilmente teclas de lado alto en el chip o, por ejemplo, trabajar con voltajes negativos (necesarios para poderosas teclas GaN con un umbral por debajo cero voltios). En el mismo chip, los fabricantes ofrecen colocar memoria no volátil, IGBT, diodos Zener ... la lista es larga, puedes jugar bingo de mierda en las presentaciones) Presta atención a la profundidad de la capa de silicio: a diferencia de las tecnologías SOI "habituales", donde intentan minimizarla para deshacerse de ella. Desde el fondo de las uniones de drenaje y fuente pn y aumentar la velocidad de operación, la capa de silicio en el BCD es muy profunda, lo que ayuda a proporcionar una resistencia aceptable a la descarga electrostática y las características térmicas. Al mismo tiempo, los transistores se comportan exactamente como los volumétricos, solo con aislamiento dieléctrico completo. Además del público objetivo de los fabricantes de electrónica automotriz, también usan esto para crear sus chips CMOS no de alto voltaje, sino resistentes a la radiación, como Milander o Atmel, obteniendo la principal ventaja de SOI sin sus inconvenientes habituales.
El futuro de CMOS y sus alternativas.
Incluso cuando la ley de Moore comenzó a romperse debido al hecho de que la reducción en el tamaño de los transistores de silicio llegó a límites físicos, resultó que continuar trayendo a la mente CMOS es más rentable que buscar algo fundamentalmente nuevo. Por supuesto, se invirtieron inversiones en alternativas y rutas de escape, pero se realizaron los principales esfuerzos para mejorar el CMOS de silicio y garantizar la continuidad de los desarrollos. Por el descubrimiento del grafeno, Novoselov y Game recibieron el Premio Nobel hace casi diez años; ¿Y dónde está ese grafeno? Así es, en el mismo lugar donde los nanotubos de carbono y todos los demás materiales del futuro, y el silicio ya ha comenzado la producción mediante el proceso de 5 nm, y todo llega al punto de que también lo serán 3 o incluso 2 nm. Por supuesto, estos no son nanómetros reales (sobre los cuales ya escribí sobre Habr
aquí ), pero la densidad de empaque continúa creciendo; aunque muy lento, sigue siendo un CMOS de silicio.
Figura 12. Transistores Gate All Around Samsung para 5 nm y menos. El siguiente paso en comparación con FinFET y la respuesta a la pregunta "¿por qué no empacar transistores en varias capas?" Todos los demás métodos se han agotado, ahora es el turno de varias capas. Ponga siete de estos transistores verticalmente, ¡obtenemos un nanómetro en lugar de siete!¡Incluso el óxido de silicio, por el cual todo fue concebido originalmente, fue víctima del progreso en CMOS! Fue reemplazado por complejas estructuras multicapa basadas en óxido de hafnio. Se comenzó a agregar germanio al canal para aumentar la movilidad (ya probado en desarrollos para microondas BiKMOS); incluso vaya al punto de prueba (hasta ahora solo pruebas) en transistores de "silicio", un canal de tipo n de materiales A3B5 (que tienen alta movilidad de electrones) y un canal de tipo p de Alemania (que tiene alta movilidad de orificios). Acerca de pequeñas cosas como cambiar la forma del canal de plano a tridimensional (FinFET) y trucos de marketing con la cantidad de estándares de diseño, escribir ninguna cantidad es suficiente.
¿Qué nos espera en el futuro? Por un lado, el progreso de la tecnología de silicio con la introducción de la litografía EUV y los transistores Gate All Around ya se ha agotado; El retraso detrás de los planes de ITRS hace veinte años ya es de unos diez años, Intel ha abandonado durante mucho tiempo su famoso "tick-tack", Globalfoundries y se ha negado completamente a caer por debajo de 14 nm. El costo de un transistor por chip ha pasado al menos a los estándares de 28 nm y desde entonces ha comenzado a crecer. Y lo más importante, los mercados objetivo han cambiado. Durante muchos años, el motor de la reducción de los estándares de diseño fue el mercado de las computadoras personales, luego las computadoras personales cambiaron a teléfonos móviles (alrededor de este tiempo TSMC y Samsung se pusieron al día con Intel). Pero ahora el mercado de teléfonos móviles está en recesión y estancamiento. Había una esperanza a corto plazo de chips para la minería, pero no parece estar justificado.
El nuevo fabricante de chips favorito es el Internet de las cosas. De hecho, el mercado es grande, de rápido crecimiento y con buenas perspectivas a largo plazo. Y lo más importante: para Internet de las cosas, el rendimiento y la cantidad de elementos en un chip no son ventajas competitivas críticas, pero sí lo son el bajo consumo de energía y el bajo costo. Esto significa que la razón principal para reducir los estándares de diseño ha desaparecido, pero hay razones para optimizar la tecnología para tareas específicas. Suena interesante, ¿no? Algo así como ... un comunicado de prensa de Globalfoundries sobre el cese del trabajo a 7 nm y la concentración a 14/12 y 28/22 nm FDSOI. Además, el aumento en el precio de las nuevas tecnologías, combinado con la feroz competencia de precios, ha llevado a los fabricantes de chips a no tener prisa por cambiar a nuevos estándares de diseño simplemente porque pueden, pero permanecen en los viejos durante el tiempo que sea razonable, e integran heterogéneos chips, pero ahora no en el tablero, sino dentro de la caja. "Sistema en un chip" fue reemplazado por "sistema en un caso" (ya
escribí más sobre esto en
detalle ). La aparición de sistemas en el caso y el Internet de las cosas, entre otras cosas, dan una nueva oportunidad a los semiconductores complejos, porque colocar el chip de arseniuro de galio en un caso con silicio ya no interfiere, y la necesidad de una ruta de radio en el sistema para Internet de las cosas es bastante obvia. Lo mismo se aplica a una variedad de dispositivos ópticos, MEMS, sensores, y en general todo lo que existe en microelectrónica además de CMOS en silicio.
Entonces, mi predicción con respecto al desarrollo posterior de CMOS de la tecnología de silicio y sus sustitutos será que veremos una desaceleración radical en el progreso, hasta una parada completa, igual de innecesaria, y no veremos nada fundamentalmente nuevo en la producción en masa (nanotubos de carbono, grafeno, lógica en memristores) - nuevamente, como innecesario. Pero, sin duda, el uso del equipaje tecnológico existente será más amplio. , , , . , : TSMC 15 200 , Globalfoundries 180 BCD . , . , , .