Le tout premier transistor était bipolaire et germanium, mais la grande majorité des circuits intégrés modernes sont en silicium utilisant la technologie CMOS (complémentaire métal-oxyde-semi-conducteur). Comment le silicium s'est-il avéré être le principal de nombreux semi-conducteurs bien connus? Pourquoi la technologie CMOS est-elle devenue presque exclusive? Les processeurs utilisaient-ils d'autres technologies? Qu'est-ce qui nous attend dans un avenir proche, car la limite physique de miniaturisation des transistors MOS est effectivement atteinte?
Si vous voulez connaître les réponses à toutes ces questions - bienvenue au chat. A la demande des lecteurs d'articles précédents, je vous préviens: il y a beaucoup de texte, pendant une demi-heure.
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Dans la cour du tournant de 1947 et 1948, John Bardin et Walter Brattain, dirigés par William Shockley aux Bell Labs, étudient la répartition du champ dans les diodes au germanium et découvrent accidentellement un effet transistor. Et bien que l'utilité potentielle de la découverte semble évidente (cependant, les légendes urbaines disent que la découverte a été déclassifiée après que les experts militaires n'y ont vu aucune utilisation pratique), le premier transistor ressemblait à ceci:
Figure 2. Réplique du premier transistorPas très similaire à un appareil adapté à la production industrielle, non? Il a fallu deux ans pour rendre un transistor bipolaire point à point capricieux plus pratique à fabriquer à partir de jonctions pn, après quoi les jours (enfin, pas des jours, mais des années) de tubes électroniques dans un équipement électronique de masse ont été comptés.
Des trois pionniers du transistor, il est vrai que seul Shockley a continué à travailler sur eux, qui avaient peu à voir avec le travail original (parce qu'il était théoricien et patron, et non chercheur), mais il a pris toute la renommée et s'est donc disputé avec Bardin et Brattein qu'ils n'ont plus jamais traité de microélectronique. Brattain a étudié l'électrochimie, et Bardin - la supraconductivité, pour laquelle il a reçu le deuxième prix Nobel, devenant la seule personne dans l'histoire à avoir deux prix en physique.
Shockley, ayant réussi à séparer son équipe de recherche de ses ambitions, a quitté Bell Labs et a créé son propre laboratoire Shockley Semiconductor. Cependant, le climat de travail y laissait beaucoup à désirer, ce qui a conduit à l'émergence du fameux «huit de trahison», qui a fui Shockley et a fondé Fairchild Semiconductor, qui, à son tour, est devenu le parent de ce que nous connaissons maintenant sous le nom de «Silicon Valley» - y compris des sociétés comme Intel, AMD et Intersil.
Figure 3. Fairchildren - Entreprises créées par Fairchild
Shockley lui-même ne s'est jamais remis de la trahison du G8 et a dévalé la pente: il a été licencié de sa propre entreprise, emporté par le racisme et l'eugénisme, est devenu un paria dans la communauté scientifique et est décédé, tout oublié. Même ses enfants ont appris la mort des journaux.Avant le départ
L'histoire de la découverte du transistor est largement connue et bien décrite. Il est beaucoup moins connu que la
première demande de brevet pour un transistor n'a pas été déposée du tout en 1947, mais une vingtaine d'années plus tôt, en 1925, par un Américain d'origine austro-hongroise Julius Lilienfeld. Dans ce cas, contrairement au transistor bipolaire de 1947, les dispositifs décrits dans les brevets de Lilienfeld étaient du domaine: dans le brevet reçu en 1930, le MESFET avec obturateur métallique, et dans le brevet de 1933 - MOSFET, presque les mêmes que nous le connaissons maintenant. Lilienfeld avait l'intention d'utiliser l'aluminium et l'alumine de grille comme diélectrique de grille.
Malheureusement, le niveau de développement technologique de l'époque n'a pas permis à Lilienfeld de réaliser ses idées dans des prototypes, mais les expériences menées par Shockley en 1948 (déjà seul) ont montré que les brevets de Lilienfeld décrivaient des dispositifs fondamentalement utilisables. En fait, tous les travaux du groupe Shockley sur les propriétés des diodes, qui ont conduit à l'invention aléatoire d'un transistor bipolaire, faisaient partie des recherches sur la création d'un transistor à effet de champ, beaucoup plus similaire aux propriétés des tubes à vide et donc plus compréhensible pour les physiciens de ces années. Néanmoins, malgré la confirmation réussie de la faisabilité des idées de Lilienfeld, en 1948, il n'y avait toujours pas de technologie pour la production stable de films diélectriques minces sans défaut, tandis qu'un transistor bipolaire s'est avéré être beaucoup plus avancé technologiquement et prometteur sur le plan commercial. Les transistors MOS ont été mis de côté et les dispositifs bipolaires ont commencé une procession triomphale sur la planète.
Un moment de terminologieUn transistor bipolaire ou transistor bipolaire est un transistor dans lequel les deux types de porteurs de charge, à la fois des électrons et des trous, sont nécessaires pour fonctionner, et qui est contrôlé par le courant de base (en le multipliant par le gain du transistor). Habituellement fait en utilisant des jonctions ou des hétérojonctions pn, bien que le tout premier transistor, bien qu'il soit bipolaire, n'était pas un transistor à jonction. Un acronyme anglais populaire est BJT, transistor à jonction bipolaire.
Pour les transistors à hétérojonctions (transitions entre différents matériaux, par exemple l'arséniure de gallium et l'aluminitrure de gallium), l'acronyme HBT (Heterojunction Bipolar Transistor) est utilisé.
Un transistor unipolaire ou à effet de champ, également connu sous le nom de transistor à effet de champ ou FET, est un transistor dont le fonctionnement est basé sur l'effet de champ et ne nécessite qu'un seul type de porteur de charge. Le transistor à effet de champ a un canal contrôlé par la tension appliquée à la grille. Les transistors à effet de champ sont assez variés.
Le MOSFET ou MOSFET habituel est un transistor avec une grille isolée du canal au moyen d'une diélectrique, généralement de l'oxyde, qui est une structure métal-oxyde-semi-conducteur. Si aucun oxyde n'est utilisé, ils peuvent être appelés MISFET (I - Isolant) ou MDPT (D - Diélectrique).
JFET (J - Junction) ou transistor avec une jonction pn de contrôle. Dans un tel transistor, le champ bloquant le canal est créé en appliquant une tension à la jonction pn de commande.
Un transistor à effet de champ Schottky (PTSh) ou MESFET (ME - Metal) est un type de JFET qui utilise non pas une jonction pn comme contrôle, mais une barrière Schottky (entre un semi-conducteur et un métal), qui a une chute de tension plus faible et une vitesse de fonctionnement plus élevée.
HEMT (High Electron Mobility Transistor) ou transistor à haute mobilité électronique - un analogue de JFET et MESFET, utilisant une hétérojonction. Ces transistors sont les plus populaires dans les semi-conducteurs complexes.Figure 4. BJT, MOSFET, JFETGermanium
Le premier transistor était du germanium, mais les technologues de différentes sociétés sont rapidement passés au silicium. Cela était dû au fait que le germanium pur est en fait assez mal adapté aux applications électroniques (bien que les transistors au germanium soient encore utilisés dans les équipements de tonte anciens). Les avantages du germanium comprennent la mobilité élevée des électrons et, surtout, les trous, ainsi que la tension de libération des jonctions pn de 0,3 V contre 0,7 V pour le silicium, bien que la seconde puisse être nivelée en utilisant des transitions Schottky (comme cela a été fait dans la logique TTLS) . Mais en raison de la bande interdite plus petite (0,67 contre 1,14 eV), les diodes au germanium ont de grands courants inverses qui augmentent fortement avec la température, ce qui limite à la fois la plage de température d'applicabilité des circuits en germanium et la puissance admissible (l'influence des courants inverses sur les petits est trop grande, sur de grandes interférer avec l'auto-échauffement). Pour couronner les problèmes de température de l'Allemagne, sa conductivité thermique est bien inférieure à celle du silicium, c'est-à-dire qu'il est plus difficile d'évacuer la chaleur des transistors puissants.
Même au début de l'histoire de l'électronique semi-conductrice, les dispositifs en germanium avaient de gros problèmes de rendement en raison de la difficulté d'obtenir du germanium cristallin pur sans dislocations du réseau de vis et de mauvaise qualité de surface, contrairement au silicium, qui n'est pas protégé des influences extérieures par l'oxyde. Plus précisément, le germanium a un oxyde, mais son réseau cristallin coïncide avec le réseau du germanium pur bien pire que le silicium, ce qui conduit à la formation d'un nombre inacceptablement élevé de défauts de surface. Ces défauts réduisent considérablement la mobilité des porteurs de charge, annulant le principal avantage du germanium sur le silicium. Et, pour couronner le tout, l'oxyde de germanium réagit avec l'eau - à la fois pendant le processus de fabrication de la puce et pendant le fonctionnement. Cependant, le reste des semi-conducteurs a été encore moins chanceux, et ils n'ont aucun oxyde du tout.
En essayant de résoudre le problème d'une mauvaise surface de germanium, qui a empêché la fabrication du transistor à effet de champ, Shockley a eu l'idée de retirer le canal dans la profondeur du semi-conducteur. Il y avait donc un transistor à effet de champ avec une jonction pn de contrôle, alias JFET. Ces transistors ont rapidement trouvé leur place dans les circuits analogiques - tout d'abord, en raison du très faible courant d'entrée (par rapport aux transistors bipolaires) et de bonnes caractéristiques de bruit. Cette combinaison fait du JFET un excellent choix pour l'étage d'entrée de l'amplificateur opérationnel - ce qui peut être observé, par exemple,
dans cet article de Ken Shirrif. De plus, lorsque, au lieu de composants séparés, ils ont commencé à fabriquer des circuits intégrés, il s'est avéré que les JFET sont assez bien compatibles avec la technologie bipolaire (j'ai même fabriqué un JFET à partir d'un transistor bipolaire dans la figure ci-dessus), et ils sont devenus un lieu commun dans les processus de fabrication bipolaires analogiques. Mais tout cela était déjà sur le silicium, et le germanium est resté oublié pendant de nombreuses années, jusqu'à ce qu'il soit temps de renforcer la position du silicium au lieu de lutter avec lui. Mais plus à ce sujet plus tard.
Transistors à effet de champ
Et les transistors MOS? Il semblerait qu'ils aient été oubliés pendant près d'une décennie en lien avec les progrès rapides des homologues bipolaires, ils se sont néanmoins développés. Tout de même Bell Labs en 1959, le premier transistor MOS fonctionnel a été créé par Devon Kang et Martin Attala. D'une part, il a réalisé presque directement l'idée de Lilienfeld, et d'autre part, il s'est immédiatement avéré être presque identique à de nombreuses générations futures de transistors qui utilisent l'oxyde de silicium comme diélectrique de grille. Malheureusement, les Bell Labs n'ont alors pas reconnu le potentiel commercial de l'invention: le prototype était nettement plus lent que les transistors bipolaires de l'époque. Mais le potentiel de la nouveauté a été reconnu par Radio Corporation of America (RCA) et Fairchild, et déjà en 1964, les transistors MOS ont frappé le marché. Ils étaient plus lents que leurs homologues bipolaires, pire amplifiés, bruyants et très affectés par les décharges électrostatiques, mais ils avaient un courant d'entrée nul, une faible résistance de sortie et d'excellentes capacités de commutation. Ce n'est pas tant que ça, mais ce n'est que le début d'un très long voyage.
Logique bipolaire et RISC
Aux premiers stades du développement de l'électronique semi-conductrice, les applications analogiques et radiofréquences ont dominé: le mot «transistor» a longtemps signifié non seulement le transistor lui-même, mais aussi un récepteur radio basé sur lui. Les ordinateurs numériques basés sur des microcircuits contenant une ou deux portes étaient énormes (bien qu'ils ne puissent pas être comparés à ceux à lampe), donc il y a même eu des tentatives de faire les calculs de manière analogue - il est bon d'implémenter l'intégration ou la différenciation avec un seul amplificateur opérationnel au lieu d'une dispersion entière de puces numériques . Mais l'informatique numérique s'est avérée plus pratique et pratique, à la suite de laquelle l'ère des ordinateurs électroniques numériques a commencé, qui se poursuit aujourd'hui (bien que l'informatique quantique et les réseaux de neurones aient déjà connu un succès significatif).
Le principal avantage de la technologie MOS de cette époque était la simplicité (je me souviens que jusque dans les années 80, chaque entreprise microélectronique devait organiser sa propre production): pour mettre en œuvre le circuit n-MOS ou p-MOS le plus simple de travail, seules quatre photolithographies sont nécessaires, pour CMOS - six, et pour un circuit de lithographie bipolaire, sept sont nécessaires pour un type de transistor, et un contrôle plus précis de la diffusion et, idéalement, une épitaxie sont encore nécessaires. Le gros inconvénient était la vitesse: les transistors MOS ont perdu plus d'un ordre de grandeur par rapport aux bipolaires et aux JFET. Au moment où CMOS permettait d'atteindre une fréquence de 5 MHz, 100-200 pouvait être réalisé sur ESL. Il n'est pas nécessaire de parler d'applications analogiques - les transistors MOS leur conviennent très mal en raison de leur faible vitesse et de leur faible gain, tandis qu'un circuit bipolaire avec entrées JFET peut répondre à presque toutes les demandes du concepteur.
Alors que le degré d'intégration des microcircuits était faible et que personne ne tenait particulièrement compte de la consommation d'énergie, l'avantage de la logique couplée à l'émetteur (ESL) pour les applications hautes performances était évident, mais la technologie MOS avait des atouts dans sa manche, qui a joué un peu plus tard. Dans les années 60, 70 et 80, les processus de fabrication MOS et bipolaires se sont développés en parallèle, le MOS étant utilisé exclusivement pour les circuits numériques, et la technologie bipolaire a été utilisée à la fois pour les circuits analogiques et pour la logique basée sur les familles TTL (transistor-transistor logic, TTL) et ESL.
Figure 5. Cray-1, le premier supercalculateur Seymour Cray, présenté au public en 1975, pesait 5,5 tonnes, consommait 115 kW d'énergie et avait une capacité de 160 MFLOPS à 80 MHz. Il était construit sur quatre types de circuits ECL discrets et contenait environ 200 000 vannes. La puce sur laquelle la logique a été construite est Fairchild 11C01, une double vanne contenant des éléments 4 ILINE et 5 ILINE, et consommant 25-30 mA de courant lorsqu'elle est alimentée par -5,2 V.Figure 6. Élément logique 2INE sur TTL et 2OR / ILINE sur ESLFaites attention au fait que l'élément logique ESL n'est qu'un amplificateur de rétroaction construit de telle manière que les transistors de commutation sont toujours en mode linéaire "rapide" et ne tombent jamais en mode de saturation "lent". La redevance pour la vitesse est le courant circulant en continu dans le circuit, indépendamment de la fréquence de fonctionnement et de l'état des entrées et sorties. C'est drôle, mais ils ont commencé à utiliser cet inconvénient il y a quelque temps comme avantage: en raison de la constance de la consommation actuelle, les circuits cryptographiques sur les ESL sont beaucoup plus résistants à la fissuration en «écoutant» la consommation actuelle que CMOS, où la consommation actuelle est proportionnelle au nombre de vannes commutant à un moment donné . Si nous remplaçons les transistors bipolaires par des transistors à effet de champ (JFET ou MESFET), nous obtenons ISL - la logique liée à la source, qui a également trouvé son application dans les semi-conducteurs complexes à l'époque.
Un avantage évident de la logique nMOS ou pMOS est la simplicité de fabrication et le petit nombre de transistors, ce qui signifie une petite surface et la possibilité de placer plus d'éléments sur la puce. A titre de comparaison: l'élément 2INE ou 2ILINE sur le nMOS / pMOS se compose de trois éléments, sur le CMOS - quatre. Sur TTL, ces éléments contiennent 4-6 transistors, 1-3 diodes et 4-5 résistances. Sur l'ESL - 4 transistors et 4 résistances (tandis que sur l'ESL, il est commode de faire OR et NOR, et il est gênant pour AND et NAND). Soit dit en passant, tous les transistors du circuit des éléments TTL et ESL sont npn. En effet, la fabrication d'un transistor pnp dans un substrat p est plus compliquée que npn, et leur structure est différente - contrairement à la technologie CMOS, où les transistors des deux types sont presque les mêmes. De plus, le pMOS et le pnp bipolaire, travaillant au détriment des trous, sont plus lents que leurs homologues «électroniques», et donc, dans la logique bipolaire, dont le principal objectif était la vitesse, ils n'étaient pas en désaccord.
Le deuxième avantage important de la technologie MOS, qui s'est manifesté pleinement lors de la transition vers CMOS et a largement déterminé la domination de cette technologie, est sa faible consommation d'énergie. La vanne CMOS ne consomme de l'énergie que pendant le processus de commutation, et elle n'a pas de consommation d'énergie statique (pour les technologies modernes, ce n'est pas le cas, mais nous omettons en particulier). Le courant de fonctionnement typique de la vanne ESL est de 100 μA à 1 mA (0,5-5 mW alimenté par 5,2 V). En multipliant ce nombre par, disons, le milliard de portes qui composent les processeurs Intel modernes, nous obtenons MegaWatt ... En fait, la consommation de Cray-1 que vous avez vue ci-dessus. Cependant, dans les années 80, il s'agissait généralement de milliers ou de dizaines de milliers de vannes, ce qui, en théorie, permettait de maintenir un budget de puissance raisonnable, même en logique bipolaire. Dans la pratique, cependant, plusieurs vannes CMOS, qui consommaient moins d'énergie et devenaient beaucoup plus rapides avec des normes de conception décroissantes, étaient placées sur la même zone cristalline (la loi de Moore fonctionnait avec la puissance et la puissance).
Intel 8008 (1972) utilisant la technologie pMOS de dix microns fonctionnait à une fréquence de 500 kHz (contre 80 MHz pour le système Cray-1 beaucoup plus complexe), Intel 8086 (1979) utilisant un nMOS à trois microns et plus tard CMOS accéléré à 10 MHz, et le 80486 d'origine ( 1989) - jusqu'à 50 MHz.
Qu'est-ce qui a poussé les concepteurs à continuer d'essayer les conceptions bipolaires, malgré la réduction rapide de la différence entre eux et CMOS, et malgré la consommation d'énergie? La réponse est simple: la vitesse. À l'aube des temps, l'énorme avantage supplémentaire d'ESL était la perte minimale de performances lors du travail sur de grandes charges capacitives ou de longues lignes - c'est-à-dire que l'assemblage de nombreux bâtiments avec la logique ESL était beaucoup plus rapide que l'assemblage sur CMOS ou TTL. Une augmentation du degré d'intégration a permis au CMOS de surmonter partiellement cet inconvénient, les systèmes informatiques étaient toujours multi-puces et chaque sortie du signal à l'extérieur du cristal (par exemple, vers un cache externe) a tout ralenti. Les portes bipolaires, même à la fin des années 80, étaient encore beaucoup plus rapides, par exemple, en raison de différences de tension plusieurs fois plus faibles entre un zéro logique et une unité logique - 600 à 800 mV en ESL contre 5 V en CMOS, et cela dans des conditions où la taille des transistors les technologies bipolaires ont déjà commencé à prendre du retard sur le CMOS. , ( “” “ ”), , . , .
. RISC, . , , . , RISC , - ( ). 1989 Intel 80486, FPU , — , .
, , Fabless , . . Bipolar Integrated Technology , 1983 PMC-Sierra 1996. , , , . FPU, BIT RISC — MIPS Computer Systems Sun Microsystems — , RISC , . MIPS II — R6000, R6010 R6020 — BIT. SPARC B5000.
DEC MIPS II Motorola. , : 1993 , Intel — Pentium ( 800 , 66 , TPD 15 , ). IEEE Journal of Solid-State Circuits , “
A 300-MHz 115-W 32-b Bipolar ECL Microprocessor ”. (!) (!!!!) . , , . , IEEE — , «the chip was designed largely with CAD tools developed by members of the design team» «circuit performance has been increased significantly by using different signal swings in different applications, and by using circuit topologies (such as low-swing cascode and wired-OR circuits)». , 1993 (
YuriPanchul , ), wired OR!
7. DEC2 , 75 , 5 , , , , , , . , , . , — Wired OR. , , Wired OR. , .
. 1948 , (, ) , , 74 TL431, 28 16 , . ( , ), . , “ ” - — “ ”, . “ ”, AMD, , . , , ( ) — , , . , .
—
— , . , — . , . , , - — ? « », - . MESFET 1966 , Cray Corporation ( ) «» ( 6500).
, — . ? , ! . , . JFET — , , JFET MOSFET n- — , . — , JFET , , , MOSFET. , , . , , GaAs ED JFET (E — enhancement) (D — depleted) . — , . nJFET (, ), 1 , , - .
, , RISC MIPS. 1984 DARPA GaAs MIPS — RCA, McDonnell Douglas CDC-TI. 30 , “ ”. , Am2900 AMD, 1802 RCA, .
, 1990 , MIPS , SPARC — LEON MIPS. , LEON ARM, - . ARM- . , . , , Elsevier .McDonnell Douglas. IEEE Transactions on Nuclear Science ( Zuleeg), 1971 JFET 1989. ? ( , ) -, , , . nJFET-, McDonnell Douglas — , - .
, , , , , . “ ” - « 3%, 75 », « - , 1% 10%», . , , , , , , , , . , , , . , , , .
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Jusqu'à présent, l'article parlait des succès et des échecs des entreprises américaines, mais pas seulement en Amérique la microélectronique, non? Malheureusement, vous pouvez en dire un peu plus sur le chemin difficile de la microélectronique soviétique dans le choix des technologies. La première raison - l'histoire des développements américains (ainsi que, par exemple, japonais) est bien documentée par des publications dans des revues spécialisées IEEE, dont les archives sont maintenant numérisées, et les étudier est un réel plaisir pour le connaisseur. La microélectronique soviétique a été extrêmement fermée tout au long de son histoire. Il y avait peu de publications, même en russe, sans parler des rapports sur leurs succès dans le monde entier (ce qui a été fait, par exemple, en physique fondamentale). Et même le peu qui a été publié est maintenant très difficile à trouver et, bien sûr, uniquement sous forme papier et non sous forme électronique. Par conséquent, soit dit en passant, il est encourageant de voir séparément mes collègues russes à des conférences scientifiques internationales et à des expositions industrielles, non seulement en tant qu'invités, mais aussi en tant que conférenciers. La deuxième raison est que la plupart du temps, la microélectronique soviétique, bien que peu, était en retard sur les Américains et était activement engagée dans la copie de développements occidentaux réussis. De plus, depuis le début des années quatre-vingt, lorsque les choses les plus intéressantes ont commencé dans le monde, le ministère de l'Industrie électronique de l'URSS a officiellement pris le parti d'abandonner les conceptions originales et de faire des copies de microcircuits américains - conceptions et méthodes en série plutôt qu'expérimentales. Dans les conditions de ressources limitées, c'était peut-être la bonne décision, mais cela a eu pour résultat une augmentation de l'arriéré (et non technologique, mais idéologique) qui, après l'effondrement de l'URSS, est devenu pratiquement irréversible - jusqu'au XXIe siècle, la microélectronique russe a été «redémarrée» en fait à partir de zéro.
En conséquence, bien que des puces GaAs de degré d'intégration moyen aient été utilisées au début des années 90 à la fois dans les superordinateurs Cray et dans les UEM EC-4, l'URSS n'a jamais eu de processeurs RISC qui ont joué un rôle important dans les étapes finales de la lutte entre CMOS, ESL et arséniure de gallium. D'un point de vue technologique, en même temps que les Américains développaient des microprocesseurs monocristallins, le "Micron" de Zelenograd a mis en production en série la série de microcircuits K6500 arséniure-gallium, qui comprenait de la mémoire jusqu'à 16 kbps, des cristaux matriciels de base avec jusqu'à dix mille valves et un ensemble de microprocesseurs de cinq puces - c'est-à-dire les mêmes cristaux complexes que les processeurs américains. Mais si McDonnell Douglas, en utilisant des JFET normalement fermés des deux types de conductivité, a imité des circuits GaOS nMOS et CMOS dans le but de minimiser la consommation d'énergie et de préparer le terrain pour augmenter le degré d'intégration, alors le K6500 était très rapide (jusqu'à 1 GHz), mais beaucoup plus complexe et capricieux. Circuits ICL avec MESFET normalement ouverts (ce qui rend les résultats obtenus par le degré d'intégration encore plus surprenants).
Les travaux sur l'arséniure de gallium se sont poursuivis à Mikron de 1984 jusqu'à au moins jusqu'en 1996, mais je n'ai trouvé aucune information sur ce qui s'est passé par la suite. Désormais, tous les développements de Micron, y compris ceux résistants aux radiations et aux radiofréquences, sont réalisés sur silicium.
Arsenide et autres
Les développeurs de circuits spéciaux CMOS au silicium, quant à eux, ne se sont pas arrêtés; au début des années 90, il est devenu clair que fournir une résistance aux radiations sur la technologie CMOS au silicium commerciale légèrement modifiée n'est pas beaucoup plus difficile que sur l'arséniure de gallium coûteux et capricieux, qui l'a privé de son dernier avantage important et l'a limité à des niches très étroites et spécifiques - principalement des micro-ondes discrets et des appareils électriques . De plus, même dans ces applications, il n'est plus de plus en plus utilisé d'arséniure, mais de nitrure de gallium ou de diverses hétérostructures avec de meilleures caractéristiques de température, une mobilité plus élevée et un large champ de dégradation.
Figure 9. Comparaison des principales propriétés du silicium, de l'arséniure de gallium et du nitrure de gallium pour les applications électriques et micro-ondesEh bien, demandez-vous, le nitrure de gallium peut-il produire du VLSI? Malheureusement, le nitrure de gallium a également une faible mobilité des trous, et pas seulement pour cela. Seul l'antimonure d'indium a une mobilité des trous radicalement plus grande que le silicium, mais il a une zone interdite si étroite que les dispositifs basés sur celui-ci ne peuvent fonctionner qu'à des températures cryogéniques.
Ne vous méprenez pas, d'autres semi-conducteurs sont également nécessaires et ils ont de nombreuses applications utiles. Lorsqu'en 2000 le Comité Nobel a finalement décidé de décerner un prix pour l'électronique, Jack Kilby a reçu la moitié du prix pour la création du premier circuit intégré et le second - Zhores Alferov et Herbert Kremer pour "le développement d'hétérostructures de semi-conducteurs utilisées dans les circuits haute fréquence et l'optoélectronique". Il est déjà difficile d'imaginer notre vie sans lasers à hétérostructure, les marchés des dispositifs d'alimentation en nitrure de gallium et en carbure de silicium se développent à pas de géant (et l'électrification des véhicules), le déploiement rapide de réseaux 5G fonctionnant à des fréquences allant jusqu'à 39 GHz est impossible à imaginer sans semi-conducteurs A3B5, mais seulement la technologie CMOS au silicium s'est avérée avoir toutes les propriétés nécessaires pour créer des VLSI de calcul, qui constituent la part du lion du marché de la microélectronique et gèrent toute la diversité mentionnée ci-dessus.
Cependant, même la microélectronique au silicium est beaucoup plus large que les seuls microprocesseurs hautes performances. À l'heure actuelle, TSMC lance simultanément une nouvelle usine avec des normes de conception de 180 nm sur des plaques de 200 mm, en même temps que la mise en service de la technologie de traitement de 5 nm - car il y a une demande pour ces produits et elle ne cesse de croître. Oui, ce marché est beaucoup plus petit que le marché des puces pour les téléphones portables, mais l'investissement pour l'entrée est beaucoup plus modeste. On peut en dire autant des marchés du carbure de silicium et du nitrure de gallium. Et ce sont précisément les semi-conducteurs complexes, les micro-ondes et l'électronique de puissance, à mon humble avis, qui peuvent devenir un véritable moteur de la relance de la microélectronique russe et de son entrée sur le marché mondial. Dans ces domaines, les compétences et équipements des entreprises russes sont très forts et assez proches des leaders mondiaux. Tout le monde connaît 180, 90 et 65 nm sur le Micron, mais peu ont entendu parler de 200 nm sur la Source ou de 150 nm sur le Mikran. Peu de gens ont entendu dire que l'usine STM de Catane, dont le procédé à 180 nm au Micron a été copié, est désormais entièrement passée à la production de carbure de silicium, dont le marché devrait atteindre trois milliards de dollars en cinq ans. La STM a récemment acheté le fabricant de substrats SiC pour détenir l'intégralité de la chaîne de production et, en principe, ils font tout pour devenir des leaders sur le marché en croissance.
Absorber et conquérir
Des articles de la fin des années 80 et du début des années 90 sur les technologies prometteuses - ESL sur silicium, complémentaire de JFET sur GaAs, tentent de rendre à nouveau le germanium grand - se terminent presque invariablement par les mots «nous avons montré de grandes perspectives pour notre idée, et littéralement quelques années plus tard, lorsque les technologies se développent un peu plus et permettra plus de transistors sur une puce / moins de consommation / un pourcentage de rendement plus élevé, c'est à ce moment que nous conquerrons le monde. » C'est juste le progrès promis sur l'argent que la DARPA n'a jamais reçu. Pourquoi? Parce que la technologie de fabrication des puces augmente de prix à chaque nouvelle diminution de taille, et qu'aucune subvention de recherche ne pourrait dépasser le volume des investissements d'Intel, travaillant sur l'énorme marché de consommation et bien conscient que le leadership technologique est l'une des clés du leadership commercial. C’est pourquoi Intel a hissé le drapeau de la loi de Moore et s’est rendu responsable de sa mise en œuvre, après quoi tous les autres fabricants ont été impliqués dans une folle course aux armements que les petites entreprises et autres technologies ne pouvaient pas se permettre. En conséquence, Intel a exactement un concurrent dans le créneau des ordinateurs personnels, et en général, seules trois sociétés dans le monde ont des technologies inférieures à 14 nm - TSMC, Intel et Samsung. Nous pouvons dire qu'Intel a eu beaucoup de chance il y a longtemps de commencer à travailler avec des transistors MOS, et non avec ESL, mais s'ils n'étaient pas chanceux, quelqu'un d'autre aurait de la chance et le résultat resterait à peu près le même.
Le fait que l'avantage du CMOS sur le silicium soit indéniable est devenu clair à la fin des années 90, et la disproportion des ressources investies en lui et tout le reste est devenue telle qu'au lieu de développer de nouvelles technologies pour des besoins spécifiques, il est devenu plus rentable et plus facile d'attacher les éléments de pondération correspondants au CMOS. La technologie BiKMOP avec des transistors bipolaires npn est apparue pour les concepteurs de circuits analogiques, une mémoire non volatile pour l'électronique embarquée, des transistors DMOS haute tension pour les applications de puissance, des substrats SOI pour des températures ou des vitesses élevées, des photodiodes intégrées pour l'optoélectronique. Un concept important pour l'intégration d'options supplémentaires dans la technologie CMOS était le concept d'un système sur puce. Si plus tôt le concepteur du système a choisi les microcircuits appropriés, en fonction de leur capacité à faire face aux fonctions cibles, sans prêter attention à la technologie de leur fabrication (dans le pire des cas, des traducteurs de niveau étaient toujours nécessaires, mais ce n'est pas effrayant), alors avec le degré d'intégration, l'opportunité placez tous les composants du système sur une puce et tuez ainsi beaucoup d'oiseaux avec une pierre - augmentez la vitesse et réduisez la consommation en raison de l'absence de besoin de pomper les capacités des pistes sur une carte de circuit imprimé, augmentez t chnost par de meilleurs éléments d'adaptation pour augmenter la fiabilité en réduisant le nombre de points de soudure. Mais pour cela, toutes les parties du système devaient être compatibles CMOS. Les usines ont répondu à «n'importe quoi, il suffit de payer de l'argent pour des masques et des options technologiques supplémentaires» et ont commencé à mettre en production des processus techniques spécialisés un par un. Masques supplémentaires - chers et compliqués, mais la puce devrait-elle être bon marché? Et maintenant, les manuels de conception analogique réécrivent déjà des transistors bipolaires bons et rapides en transistors à champ mauvais et lents. N'y a-t-il absolument pas de vitesse pour les micro-ondes? Allons-nous réessayer l'arséniure de gallium? Non, étirons le réseau cristallin de silicium avec du germanium pour augmenter localement la mobilité électronique. Cela semble compliqué? Mais il est compatible CMOS! Un microcontrôleur bon marché avec mémoire flash et un ADC sur une seule puce semble beaucoup plus agréable que le même sur trois puces, non? Le traitement et le contrôle des données numériques sur la même puce que la partie analogique du système est devenu une réalisation clé qui a permis aux microcontrôleurs de pénétrer partout, de l'espace lointain à la bouilloire électrique.
Mon exemple préféré de ce type est la technologie BCD. BCD est bipolaire (pour la partie analogique), CMOS (pour numérique), DMOS (commutateurs haute tension sur la même puce que la logique de commande). De telles technologies peuvent fonctionner avec des tensions allant jusqu'à 200 Volts (et parfois plus) et vous permettent d'implémenter sur une seule puce tout ce dont vous avez besoin pour contrôler les moteurs électriques ou la conversion DC / DC.
Figure 11. Section BCD SOI avec transistor LDMOS haute tension dans une poche isoléeLa technologie BCD SOI complète tout ce qui précède avec une isolation diélectrique complète des éléments, ce qui améliore la résistance à l'effet thyristor, l'isolation au bruit, augmente la tension de fonctionnement, vous permet de placer facilement des touches hautes sur la puce ou, par exemple, de travailler avec des tensions négatives (nécessaire pour les touches GaN puissantes avec un seuil inférieur) zéro volt). Sur la même puce, les constructeurs proposent de placer de la mémoire non volatile, des diodes IGBT, Zener ... la liste est longue, vous pouvez jouer au bingo de conneries lors des présentations) Faites attention à la profondeur de la couche de silicium: contrairement aux technologies SOI "ordinaires", où ils essaient de la minimiser pour se débarrasser à partir du bas des jonctions pn de drain et de source et augmenter la vitesse de fonctionnement, la couche de silicium dans le BCD est très profonde, ce qui contribue à fournir une résistance acceptable aux décharges électrostatiques et aux caractéristiques thermiques. Dans le même temps, les transistors se comportent exactement comme ceux volumétriques, uniquement avec une isolation diélectrique complète. En plus du public cible des fabricants d'électronique automobile, ils l'utilisent également pour créer leurs puces CMOS non haute tension, mais résistantes aux radiations, telles que Milander ou Atmel, obtenant le principal avantage de SOI sans ses défauts habituels.
L'avenir du CMOS et des alternatives
Même lorsque la loi de Moore a commencé à se briser en raison du fait que la réduction de la taille des transistors en silicium a atteint des limites physiques, il s'est avéré que continuer à penser au CMOS est plus rentable que de chercher quelque chose de fondamentalement nouveau. Des investissements dans des alternatives et des voies d'évacuation ont bien sûr été investis, mais les principaux efforts ont été consacrés à l'amélioration du CMOS silicium et à la continuité des développements. Pour la découverte du graphène, Novoselov et Game ont reçu le prix Nobel il y a près de dix ans; et où est ce graphène? C'est vrai, au même endroit où les nanotubes de carbone et tous les autres matériaux du futur, et le silicium ont déjà commencé la production par le processus de 5 nm, et tout va au point que 3 ou même 2 nm le seront également. Bien sûr, ce ne sont pas des nanomètres tout à fait réels (dont j'ai déjà parlé
ici sur Habr), mais la densité de remplissage continue de croître; bien que très lent, il s'agit toujours d'un CMOS en silicium.
Figure 12. Transistors Samsung Gate All Around pour 5 nm et moins. L'étape suivante par rapport au FinFET et la réponse à la question "pourquoi ne pas emballer les transistors en plusieurs couches?" Toutes les autres méthodes ont été épuisées, maintenant c'est au tour de plusieurs couches. Mettez sept de ces transistors verticalement, on obtient un nanomètre au lieu de sept!Même l'oxyde de silicium, au nom duquel tout a été conçu à l'origine, a été victime de progrès en CMOS! Il a été remplacé par des structures multicouches complexes à base d'oxyde d'hafnium. Germanium a commencé à être ajouté au canal pour augmenter la mobilité (déjà testé dans les développements pour micro-ondes BiKMOS); aller même au point de tester (jusqu'à présent uniquement des tests) dans des transistors "silicium" un canal de type n à partir de matériaux A3B5 (qui ont une mobilité électronique élevée), et un canal de type p d'Allemagne (qui a une mobilité de trou élevée). À propos de petites choses comme changer la forme du canal de plat en tridimensionnel (FinFET) et des astuces de marketing avec le nombre de normes de conception, écrire aucun montant ne suffit.
Qu'est-ce qui nous attend dans le futur? D'une part, les progrès de la technologie du silicium avec l'introduction de la lithographie EUV et des transistors Gate All Around se sont déjà épuisés; Le retard par rapport aux plans d'ITRS il y a vingt ans est déjà d'une dizaine d'années, Intel a depuis longtemps abandonné son fameux "tick-tack", Globalfoundries et a complètement refusé de tomber en dessous de 14 nm. Le coût d'un transistor par puce est passé au moins aux normes de 28 nm et a depuis commencé à croître. Et surtout, les marchés cibles ont changé. Pendant de nombreuses années, le moteur de la réduction des normes de conception a été le marché des ordinateurs personnels, puis les ordinateurs personnels sont passés aux téléphones portables (à cette époque, TSMC et Samsung ont rattrapé Intel). Mais maintenant, le marché des téléphones mobiles est en récession et en stagnation. Il y avait un espoir à court terme pour les puces pour l'exploitation minière, mais il ne semble pas être justifié.
Le nouveau fabricant de puces préféré est l'Internet des objets. En effet, le marché est vaste, en croissance rapide et avec de bonnes perspectives à long terme. Et le plus important - pour l'Internet des objets, les performances et le nombre d'éléments sur une puce ne sont pas des avantages compétitifs critiques, mais une faible consommation d'énergie et un faible coût. Cela signifie que la principale raison de la réduction des normes de conception a disparu, mais il existe des raisons d'optimiser la technologie pour des tâches spécifiques. Cela semble intéressant, non? Quelque chose comme ... un communiqué de presse de Globalfoundries sur l'arrêt du travail à 7 nm et la concentration à 14/12 et 28/22 nm FDSOI. De plus, la hausse des prix des nouvelles technologies, combinée à une concurrence féroce sur les prix, a amené les fabricants de puces à ne pas être pressés de passer à de nouvelles normes de conception simplement parce qu'ils le peuvent, mais restent sur les anciennes aussi longtemps qu'il est raisonnable de le faire, tout en intégrant des systèmes hétérogènes puces - mais maintenant pas sur la carte, mais à l'intérieur du boîtier. «System on a chip» a été remplacé par «system in a case» (j'en ai déjà
écrit plus en
détail ). L'apparition de systèmes dans le boîtier et l'Internet des objets, entre autres, donnent une nouvelle chance aux semi-conducteurs complexes, car placer la puce d'arséniure de gallium dans un boîtier avec du silicium n'interfère plus, et la nécessité d'un chemin radio dans le système pour l'Internet des objets est tout à fait évidente. La même chose s'applique à une variété de dispositifs optiques, MEMS, capteurs - et en général tout ce qui existe en microélectronique en plus du CMOS sur silicium
Donc, ma prédiction concernant le développement futur du CMOS de la technologie du silicium et de ses substituts sera que nous verrons un ralentissement radical en cours, jusqu'à un arrêt complet - tout aussi inutile - et nous ne verrons rien de fondamentalement nouveau dans la production de masse (nanotubes de carbone, graphène, logique sur les memristors) - encore une fois, comme inutile. Mais sans aucun doute, l'utilisation des bagages technologiques existants sera plus large. , , , . , : TSMC 15 200 , Globalfoundries 180 BCD . , . , , .