क्यों सिलिकॉन और क्यों CMOS?

बहुत पहले ट्रांजिस्टर द्विध्रुवीय और जर्मेनियम था, लेकिन आधुनिक एकीकृत सर्किट का विशाल हिस्सा सीएमओएस तकनीक (पूरक धातु-ऑक्साइड-अर्धचालक) का उपयोग करके सिलिकॉन से बना है। सिलिकॉन कई प्रसिद्ध अर्धचालकों का मुख्य आधार कैसे निकला? ऐसा क्यों है कि CMOS तकनीक लगभग अनन्य हो गई है? अन्य तकनीकों पर प्रोसेसर थे? निकट भविष्य में हमें किस चीज का इंतजार है, क्योंकि एमओएस ट्रांजिस्टर के लघुकरण की भौतिक सीमा वास्तव में है?


यदि आप इन सभी सवालों के जवाब जानना चाहते हैं - बिल्ली का स्वागत है। पिछले लेखों के पाठकों के अनुरोध पर, मैं आपको चेतावनी देता हूं: आधे घंटे के लिए बहुत पाठ है।

शुरुआत

1947 और 1948 के बीच यार्ड में, जॉन बेर्डिन और वाल्टर ब्रेटन, द बेल लैब्स में विलियम शॉक्ले के नेतृत्व में जर्मेनियम डायोड में क्षेत्र वितरण का अध्ययन करते हैं और गलती से एक ट्रांजिस्टर प्रभाव की खोज करते हैं। और हालांकि खोज की संभावित उपयोगिता स्पष्ट दिख रही थी (हालांकि, शहरी किंवदंतियों का कहना है कि इस खोज को सैन्य विशेषज्ञों द्वारा व्यावहारिक रूप से उपयोग नहीं किए जाने के बाद इसे हटा दिया गया था), पहला ट्रांजिस्टर इस तरह दिखता था:


चित्रा 2. पहले ट्रांजिस्टर की प्रतिकृति

औद्योगिक उत्पादन के लिए उपयुक्त डिवाइस के समान नहीं है, है ना? पी.एन. जंक्शनों से निर्माण करने के लिए एक कैपिटल पॉइंट-टू-पॉइंट बाइपोलर ट्रांजिस्टर को अधिक सुविधाजनक बनाने के लिए दो साल लग गए, जिसके बाद बड़े पैमाने पर इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों में इलेक्ट्रॉन ट्यूबों के दिन (अच्छी तरह से, दिन नहीं, बल्कि वर्ष) गिने गए।

ट्रांजिस्टर के तीन अग्रदूतों में से, यह सच है कि केवल शॉक्ली ने उन पर काम करना जारी रखा, जिनका मूल काम से बहुत कम संबंध था (क्योंकि वह एक सिद्धांतवादी और मालिक थे, और एक शोधकर्ता नहीं थे), लेकिन उन्होंने सभी प्रसिद्धि ले ली और इस तरह बारडिन के साथ झगड़ा किया ब्रेटीन कि वे माइक्रोइलेक्ट्रॉनिक के साथ फिर से निपटा नहीं। ब्रेटन ने इलेक्ट्रोकैमिस्ट्री का अध्ययन किया, और बार्डिन - अतिचालकता, जिसके लिए उन्हें दूसरा नोबेल पुरस्कार मिला, जो इतिहास में एकमात्र व्यक्ति बन गया, जिसके पास भौतिकी में दो पुरस्कार हैं।

शॉकली ने अपनी महत्वाकांक्षाओं के साथ अपनी अनुसंधान टीम को सफलतापूर्वक तोड़ दिया, बेल लैब्स को छोड़ दिया और अपनी शॉक्ली सेमीकंडक्टर प्रयोगशाला बनाई। हालांकि, इसमें काम करने की जलवायु भी वांछित होने के लिए बहुत कुछ छोड़ गई, जिसके कारण प्रसिद्ध "देशद्रोही आठ" का उदय हुआ, जो शॉकली से बच गए और फेयरचाइल्ड सेमीकंडक्टर की स्थापना की, जो बदले में, हम अब "सिलिकॉन वैली" के रूप में जाने जाने वाले माता-पिता बन गए। Intel, AMD और Intersil जैसी कंपनियां शामिल हैं।


चित्रा 3. फेयरचाइल्डन - फेयरचाइल्ड द्वारा स्थापित कंपनियां

शॉक्ले खुद जी -8 के विश्वासघात से उबर नहीं पाया और नीचे की ओर लुढ़क गया: उसे अपनी ही कंपनी से निकाल दिया गया, नस्लवाद और यूजीनिक्स द्वारा दूर किया गया, वैज्ञानिक समुदाय में एक बहिष्कार हो गया और मर गया, सभी भूल गए। यहां तक ​​कि उनके बच्चों ने भी अखबारों से मौत के बारे में जाना।

शुरुआत से पहले

ट्रांजिस्टर की खोज का इतिहास व्यापक रूप से जाना जाता है और बहुत वर्णित है। यह बहुत कम ज्ञात है कि एक ट्रांजिस्टर के लिए पहला पेटेंट आवेदन 1947 में दर्ज नहीं किया गया था, लेकिन बीस साल पहले, 1925 में, ऑस्ट्रो-हंगेरियन मूल के एक अमेरिकी जूलियस लिलियनफेल्ड द्वारा। इस मामले में, 1947 के द्विध्रुवी ट्रांजिस्टर के विपरीत, लिलेनफ़ेल्ड पेटेंट में वर्णित डिवाइस फ़ील्ड थे: 1930 में प्राप्त पेटेंट में, एक मेटल शटर के साथ MESFET, और 1933 में पेटेंट - MOSFET, लगभग वैसा ही जैसा हम जानते हैं। अब। लिलिएनफेल्ड का इरादा गेट एल्यूमीनियम और अल्युमिना को गेट ढांकता हुआ उपयोग करना था।

दुर्भाग्य से, प्रौद्योगिकी विकास के तत्कालीन स्तर ने लिलेनफेल्ड को प्रोटोटाइप में अपने विचारों को महसूस करने की अनुमति नहीं दी, लेकिन शॉक्ले द्वारा 1948 (पहले से अकेले) में किए गए प्रयोगों से पता चला कि लिलेनफील्ड के पेटेंट ने मौलिक रूप से संचालित उपकरणों का वर्णन किया है। दरअसल, डायोड के गुणों पर शॉक्ले समूह का सारा काम, जिसके कारण एक द्विध्रुवीय ट्रांजिस्टर का यादृच्छिक आविष्कार हुआ, एक क्षेत्र प्रभाव ट्रांजिस्टर के निर्माण पर अनुसंधान का हिस्सा था, वैक्यूम ट्यूब के गुणों के समान और इसलिए उन वर्षों के भौतिकविदों के लिए अधिक समझ में आता है। फिर भी, 1948 में लिलिएनफेल्ड के विचारों की व्यावहारिकता की सफल पुष्टि के बावजूद, अब भी डाइलेक्ट्रिक्स की पतली दोष मुक्त फिल्मों के स्थिर उत्पादन के लिए कोई तकनीक नहीं थी, जबकि एक द्विध्रुवीय ट्रांजिस्टर तकनीकी रूप से काफी उन्नत और व्यावसायिक रूप से आशाजनक निकला। एमओएस ट्रांजिस्टर को आश्रय दिया गया था, और द्विध्रुवी उपकरणों ने ग्रह पर एक विजयी जुलूस शुरू किया।

शब्दावली का एक क्षण

एक द्विध्रुवी ट्रांजिस्टर या द्विध्रुवी ट्रांजिस्टर एक ट्रांजिस्टर है जिसमें दोनों प्रकार के आवेश वाहकों, दोनों इलेक्ट्रॉनों और छिद्रों को संचालित करने की आवश्यकता होती है, और जिसे बेस करंट द्वारा नियंत्रित किया जाता है (इसे ट्रांजिस्टर के लाभ से गुणा किया जाता है)। आमतौर पर पी.एन. जंक्शनों या विषमलैंगिकों का उपयोग करके किया जाता है, हालांकि बहुत पहले ट्रांजिस्टर, हालांकि यह द्विध्रुवी था, एक जंक्शन ट्रांजिस्टर नहीं था। एक लोकप्रिय अंग्रेजी परिचित BJT, द्विध्रुवी जंक्शन ट्रांजिस्टर है।
विषमलैंगिकों में ट्रांजिस्टर के लिए (विभिन्न सामग्रियों के बीच संक्रमण, उदाहरण के लिए, गैलियम आर्सेनाइड और गैलियम एल्यूमिनिट्राइड), संक्षिप्त नाम HBT (Heterojunction द्विध्रुवी ट्रांजिस्टर) का उपयोग किया जाता है।

एक एकध्रुवीय या क्षेत्र प्रभाव ट्रांजिस्टर, जिसे फील्ड-इफेक्ट ट्रांजिस्टर या FET के रूप में भी जाना जाता है, एक ट्रांजिस्टर है जिसका संचालन क्षेत्र प्रभाव पर आधारित होता है और इसके लिए केवल एक प्रकार के चार्ज वाहक की आवश्यकता होती है। क्षेत्र प्रभाव ट्रांजिस्टर में गेट पर लागू वोल्टेज द्वारा नियंत्रित एक चैनल होता है। क्षेत्र-प्रभाव ट्रांजिस्टर काफी कुछ किस्में हैं।

सामान्य MOSFET या MOSFET एक ट्रांजिस्टर है, जो एक ढांकता हुआ, आमतौर पर ऑक्साइड के माध्यम से चैनल से पृथक गेट के साथ होता है, जो एक धातु-ऑक्साइड-सेमीकंडक्टर संरचना है। यदि ऑक्साइड का उपयोग नहीं किया जाता है, तो उन्हें MISFET (I - इन्सुलेटर) या MDPT (D - ढांकता हुआ) कहा जा सकता है।

JFET (J - जंक्शन) या ट्रांजिस्टर एक नियंत्रण pn जंक्शन के साथ। इस तरह के एक ट्रांजिस्टर में, चैनल को अवरुद्ध करने वाले क्षेत्र को कंट्रोल पीएन जंक्शन पर वोल्टेज लागू करके बनाया जाता है।

एक Schottky फील्ड इफेक्ट ट्रांजिस्टर (PTSh) या MESFET (ME - मेटल) JFET का एक प्रकार है जो अपने नियंत्रण के रूप में एक pn जंक्शन का उपयोग नहीं करता है, लेकिन एक Schottky बाधा (एक अर्धचालक और एक धातु के बीच), जिसमें एक कम वोल्टेज ड्रॉप और एक उच्च परिचालन गति होती है।

HEMT (उच्च इलेक्ट्रॉन गतिशीलता ट्रांजिस्टर) या उच्च इलेक्ट्रॉन गतिशीलता के साथ ट्रांजिस्टर - एक विषम का उपयोग करके JFET और MESFET का एक एनालॉग। इस तरह के ट्रांजिस्टर जटिल अर्धचालकों में सबसे लोकप्रिय हैं।


चित्रा 4. BJT, MOSFET, JFET

जर्मेनियम

पहला ट्रांजिस्टर जर्मेनियम था, लेकिन विभिन्न कंपनियों के टेक्नोलॉजिस्ट जल्दी से सिलिकॉन में चले गए। यह इस तथ्य के कारण था कि शुद्ध जर्मेनियम वास्तव में इलेक्ट्रॉनिक अनुप्रयोगों के लिए काफी खराब अनुकूल है (हालांकि जर्मेनियम ट्रांजिस्टर अभी भी प्राचीन घास काटने के उपकरण में उपयोग किए जाते हैं)। जर्मेनियम के फायदों में उच्च इलेक्ट्रॉन गतिशीलता और, सबसे महत्वपूर्ण बात, छेद, साथ ही सिलिकॉन के लिए 0.3 वी बनाम 0.7 वी के पीएन जंक्शनों की रिहाई वोल्टेज शामिल है, हालांकि दूसरे को स्कूटी संक्रमण (टीटीएलएस तर्क में किया गया है) का उपयोग करके समतल किया जा सकता है। । लेकिन छोटे बैंड गैप (0.67 बनाम 1.14 eV) के कारण, जर्मेनियम डायोड में तापमान के साथ दृढ़ता से बढ़ने वाली बड़ी रिवर्स धाराएं होती हैं, जो जर्मेनियम सर्किट की अनुमेयता और अनुमेय शक्ति (छोटे लोगों पर रिवर्स टेंट का प्रभाव) के दोनों तापमान सीमा को बहुत बड़ी है। स्व-हीटिंग के साथ हस्तक्षेप)। जर्मनी की तापमान समस्याओं को दूर करने के लिए, इसकी तापीय चालकता सिलिकॉन की तुलना में बहुत कम है, अर्थात, शक्तिशाली ट्रांजिस्टर से गर्मी को निकालना अधिक कठिन है।

सेमीकंडक्टर इलेक्ट्रॉनिक्स के इतिहास के शुरुआती दौर में भी, सिलिकॉन के विपरीत, स्क्रू लेटिस डिस्लोकेशन और खराब सतह की गुणवत्ता के बिना शुद्ध क्रिस्टलीय जर्मेनियम प्राप्त करने में कठिनाई के कारण जर्मेनियम उपकरणों में काफी उपज की समस्या थी, जो ऑक्साइड के बाहरी प्रभावों से सुरक्षित नहीं है। अधिक सटीक रूप से, जर्मेनियम में एक ऑक्साइड होता है, लेकिन इसका क्रिस्टल जाली सिलिकॉन की तुलना में शुद्ध जर्मेनियम की जाली के साथ मेल खाता है, जो अस्वीकार्य रूप से बड़ी संख्या में सतह दोषों के गठन की ओर जाता है। ये दोष सिलिकॉन पर जर्मेनियम के मुख्य लाभ की उपेक्षा करते हुए, चार्ज वाहक की गतिशीलता को गंभीरता से कम करते हैं। और, इसे बंद करने के लिए, जर्मेनियम ऑक्साइड पानी के साथ प्रतिक्रिया करता है - दोनों चिप के निर्माण की प्रक्रिया के दौरान और ऑपरेशन के दौरान। हालांकि, बाकी अर्धचालक भी कम भाग्यशाली थे, और उनके पास कोई ऑक्साइड नहीं था।

एक खराब जर्मेनियम सतह की समस्या को हल करने की कोशिश कर रहा है, जिसने क्षेत्र-प्रभाव ट्रांजिस्टर को बनाए जाने से रोक दिया, शॉक्ले ने सेमीकंडक्टर की गहराई में चैनल को हटाने के विचार के साथ आया। तो वहाँ एक नियंत्रण पी.एन. जंक्शन, उर्फ ​​JFET के साथ एक क्षेत्र प्रभाव ट्रांजिस्टर था। ये ट्रांजिस्टर जल्दी से एनालॉग सर्किट में अपनी जगह पा गए - सबसे पहले, बहुत छोटे इनपुट करंट (द्विध्रुवी ट्रांजिस्टर की तुलना में) और अच्छे शोर विशेषताओं के कारण। यह संयोजन परिचालन एम्पलीफायर के इनपुट चरण के लिए जेएफईटी को एक उत्कृष्ट विकल्प बनाता है - जिसे देखा जा सकता है, उदाहरण के लिए, केन शिरिफ द्वारा इस लेख में । इसके अलावा, जब अलग-अलग घटकों के बजाय वे एकीकृत सर्किट बनाने लगे, तो यह पता चला कि JFETs द्विध्रुवी तकनीक के साथ काफी अच्छी तरह से संगत हैं (मैंने ऊपर चित्र में एक द्विध्रुवी ट्रांजिस्टर से JFET भी बनाया है), और वे एनालॉग द्विध्रुवी विनिर्माण प्रक्रियाओं में एक आम जगह बन गए। लेकिन यह सब पहले से ही सिलिकॉन पर था, और जर्मेनियम कई वर्षों तक भूल गया, जब तक कि उसके साथ लड़ने के बजाय सिलिकॉन की स्थिति को मजबूत करने का समय नहीं था। लेकिन उस पर और बाद में।

क्षेत्र प्रभाव ट्रांजिस्टर

MOS ट्रांजिस्टर के बारे में क्या? ऐसा लगता है कि वे द्विध्रुवी समकक्षों की तेजी से प्रगति के संबंध में लगभग एक दशक तक भूल गए थे, फिर भी वे विकसित हुए। 1959 में सभी समान बेल लैब्स, पहला काम करने वाला MOS ट्रांजिस्टर डेवोन कांग और मार्टिन अटला द्वारा बनाया गया था। एक ओर, उन्होंने लगभग सीधे लिलियेनफेल्ड के विचार को महसूस किया, और दूसरी ओर, वह तुरंत ट्रांजिस्टर के कई अगली पीढ़ियों के लिए लगभग समान हो गए, जो कि सिलिकॉन डाइऑक्साइड का उपयोग फाटक ढांकता हुआ के रूप में करते हैं। दुर्भाग्य से, बेल लैब्स ने तब आविष्कार की व्यावसायिक क्षमता को नहीं पहचाना: प्रोटोटाइप उस समय के द्विध्रुवी ट्रांजिस्टर की तुलना में काफी धीमा था। लेकिन नवीनता की क्षमता को रेडियो कॉर्पोरेशन ऑफ अमेरिका (आरसीए) और फेयरचाइल्ड द्वारा मान्यता दी गई थी, और पहले से ही 1964 में, एमओएस ट्रांजिस्टर ने बाजार में कदम रखा। वे द्विध्रुवी समकक्षों की तुलना में धीमे थे, बदतर प्रवर्धित, शोर और इलेक्ट्रोस्टैटिक निर्वहन से बहुत प्रभावित थे, लेकिन उनके पास शून्य इनपुट वर्तमान, कम आउटपुट प्रतिरोध और उत्कृष्ट स्विचिंग क्षमताएं थीं। यह इतना अधिक नहीं है, लेकिन यह केवल एक बहुत लंबी यात्रा की शुरुआत थी।

द्विध्रुवी तर्क और RISC

सेमीकंडक्टर इलेक्ट्रॉनिक्स के विकास के शुरुआती चरणों में, एनालॉग और रेडियो-आवृत्ति अनुप्रयोगों का बोलबाला था: लंबे समय तक "ट्रांजिस्टर" शब्द का मतलब न केवल ट्रांजिस्टर था, बल्कि इसके आधार पर एक रेडियो रिसीवर भी था। एक या दो गेट वाले माइक्रोक्रिस्किट पर आधारित डिजिटल कंप्यूटर विशाल थे (हालांकि उनकी तुलना दीपक से नहीं की जा सकती थी), इसलिए गणना को भी एक समान तरीके से करने की कोशिश की गई थी - डिजिटल चिप्स के एक पूरे गुच्छा के बजाय एक परिचालन एम्पलीफायर को एकीकृत या अलग करना अच्छा है। । लेकिन डिजिटल कंप्यूटिंग अधिक सुविधाजनक और व्यावहारिक निकला, जिसके परिणामस्वरूप डिजिटल इलेक्ट्रॉनिक कंप्यूटर का युग शुरू हुआ, जो आज भी जारी है (हालांकि क्वांटम कंप्यूटिंग और तंत्रिका नेटवर्क पहले ही महत्वपूर्ण सफलता प्राप्त कर चुके हैं)।

उस समय की एमओएस तकनीक का मुख्य लाभ सादगी था (मुझे याद है कि अस्सी के दशक तक, प्रत्येक माइक्रोइलेक्ट्रॉनिक कंपनी को अपने उत्पादन को व्यवस्थित करना था): सरलतम काम करने वाले एन-एमओएस या पी-एमओएस सर्किट को लागू करने के लिए, केवल सीएमएल के लिए चार सोलोलिथोग्राफी की आवश्यकता होती है। एक द्विध्रुवी लिथोग्राफी सर्किट के लिए, ट्रांजिस्टर के एक प्रकार के लिए सात की आवश्यकता होती है, और प्रसार के अधिक सटीक नियंत्रण और, आदर्श रूप से, एपिटाइक अभी भी आवश्यक हैं। वसा शून्य गति थी: द्विध्रुवी और JFET की तुलना में MOS ट्रांजिस्टर एक परिमाण के क्रम से अधिक खो गए। उस समय जब CMOS ने 5 MHz की आवृत्ति तक पहुंचने की अनुमति दी थी, ESL पर 100-200 बनाया जा सकता था। एनालॉग अनुप्रयोगों के बारे में बात करने की कोई आवश्यकता नहीं है - कम गति और कम लाभ के कारण MOS ट्रांजिस्टर उनके लिए बहुत खराब हैं, जबकि JFET इनपुट के साथ द्विध्रुवी सर्किट लगभग सभी डिजाइनर के अनुरोध प्रदान कर सकते हैं।

जबकि माइक्रोक्रिस्कुट के एकीकरण की डिग्री छोटी थी, और कोई भी विशेष रूप से बिजली की खपत पर विचार नहीं करता था, उच्च प्रदर्शन वाले अनुप्रयोगों के लिए एमिटर-कपल्ड लॉजिक (ईएसएल) का लाभ स्पष्ट था, लेकिन एमओएस तकनीक में इसकी आस्तीन में ट्रम्प कार्ड थे, जो थोड़ी देर बाद खेला। साठ, सत्तर और अस्सी के दशक में, MOS और द्विध्रुवीय विनिर्माण प्रक्रियाएं समानांतर में विकसित हुईं, MOS डिजिटल सर्किट के लिए विशेष रूप से इस्तेमाल किया गया, और द्विध्रुवी प्रौद्योगिकी का उपयोग एनालॉग सर्किट और TTL (ट्रांजिस्टर-ट्रांजिस्टर-लॉजिक, TTL) और ESL परिवारों के आधार पर तर्क के लिए किया गया।


चित्रा 5. क्रे -1, 1975 में जनता के लिए पेश किया गया पहला सेमुर क्रे सुपरकंप्यूटर, जिसका वजन 5.5 टन था, इसकी खपत 115 किलोवाट थी और इसकी क्षमता 80 मेगाहर्ट्ज पर 160 MFLOPS थी। यह चार प्रकार के असतत ईसीएल सर्किट पर बनाया गया था, और इसमें लगभग 200 हजार वाल्व थे। जिस चिप पर लॉजिक का निर्माण किया गया था वह फेयरचाइल्ड 11C01, एक डुअल वॉल्व जिसमें एलिमेंट्स 4ILINE और 5ILINE थे, और 25.2 mA की खपत करते हैं जब -5.2 V द्वारा संचालित होता है।


चित्रा 6. TTL पर तर्क तत्व 2INE और ESL पर 2OR / ILINE

इस तथ्य पर ध्यान दें कि ईएसएल तर्क तत्व सिर्फ एक फीडबैक एम्पलीफायर है, जो इस तरह से निर्मित होता है कि स्विचिंग ट्रांजिस्टर हमेशा "तेज" रैखिक मोड में होते हैं और कभी भी "धीमी" संतृप्ति मोड में नहीं आते हैं। गति का शुल्क सर्किट के माध्यम से लगातार बहने वाला है, ऑपरेटिंग आवृत्ति और इनपुट और आउटपुट की स्थिति की परवाह किए बिना। यह मज़ेदार है, लेकिन वे कुछ समय पहले इस खामी का उपयोग एक लाभ के रूप में करने की कोशिश करने लगे: वर्तमान खपत की निरंतरता के कारण, ईएसएल पर क्रिप्टोग्राफ़िक सर्किट CMOS की तुलना में वर्तमान खपत के लिए "सुनने" द्वारा हैकिंग के लिए अधिक प्रतिरोधी हैं, जहां वर्तमान खपत एक निश्चित समय पर स्विच करने वाले वाल्वों की संख्या के आनुपातिक है। । यदि हम द्विध्रुवी ट्रांजिस्टर को क्षेत्र-प्रभाव ट्रांजिस्टर (JFET या MESFET) के साथ बदलते हैं, तो हमें ISL - स्रोत से संबंधित तर्क मिलते हैं, जो उस समय जटिल अर्धचालकों में भी इसका आवेदन मिला था।

NMOS या pMOS तर्क का एक स्पष्ट लाभ निर्माण की सरलता और ट्रांजिस्टर की छोटी संख्या है, जिसका अर्थ है एक छोटा क्षेत्र और चिप पर अधिक तत्वों को रखने की क्षमता। तुलना के लिए: nMOS / pMOS पर 2INE या 2ILINE तत्व तीन तत्वों के होते हैं, CMOS पर - चार। टीटीएल पर, इन तत्वों में 4-6 ट्रांजिस्टर, 1-3 डायोड और 4-5 प्रतिरोधक होते हैं। ईएसएल पर - 4 ट्रांजिस्टर और 4 प्रतिरोधक (जबकि ईएसएल पर यह OR और NOR करना सुविधाजनक है, और यह AND और NAND के लिए असुविधाजनक है)। ध्यान दें, वैसे, टीटीएल और ईएसएल तत्वों के सर्किट में सभी ट्रांजिस्टर एनपीएन हैं। ऐसा इसलिए है क्योंकि पी-सब्सट्रेट में पीएनपी ट्रांजिस्टर बनाना एनपीएन से अधिक जटिल है, और उनकी संरचना अलग है - सीएमओएस तकनीक के विपरीत, जहां दोनों प्रकार के ट्रांजिस्टर लगभग समान हैं। इसके अलावा, दोनों pMOS और द्विध्रुवी pnp, छेद की कीमत पर काम कर रहे हैं, उनके "इलेक्ट्रॉनिक" समकक्षों की तुलना में धीमी हैं, जिसका अर्थ है कि द्विध्रुवी तर्क में, जिसका मुख्य उद्देश्य गति था, वे बाधाओं पर नहीं थे।

एमओएस तकनीक का दूसरा महत्वपूर्ण लाभ, जो CMOS के संक्रमण के दौरान खुद को पूरी तरह से प्रकट करता है और मोटे तौर पर इस तकनीक के प्रभुत्व को निर्धारित करता है, कम बिजली की खपत है। सीएमओएस वाल्व केवल स्विचिंग प्रक्रिया के दौरान ऊर्जा की खपत करता है, और इसमें स्थैतिक ऊर्जा की खपत नहीं होती है (आधुनिक तकनीकों के लिए ऐसा नहीं है, लेकिन हम विशेष रूप से छोड़ देते हैं)। ईएसएल वाल्व का विशिष्ट परिचालन वर्तमान 100 μA से 1 mA (0.5-5 mW द्वारा संचालित 5.2 V) है। इस संख्या को बढ़ाकर कहें, तो बिल्ट गेट्स जो आधुनिक इंटेल प्रोसेसर बनाते हैं, हमें मेगावॉट मिलता है ... दरअसल, क्राय -1 की खपत आपने ऊपर देखी थी। हालांकि, अस्सी के दशक में यह आमतौर पर हजारों या दसियों हजार वाल्वों का सवाल था, जो सिद्धांत रूप में, द्विध्रुवी तर्क पर भी एक उचित बिजली बजट के भीतर रखना संभव बनाता था। हालांकि, व्यवहार में, कई बार अधिक सीएमओएस वाल्व, जो कम बिजली की खपत करते थे, और डिजाइन मानकों में कमी के साथ बहुत तेज हो गए थे, एक ही क्रिस्टल क्षेत्र (मूर के कानून ने ताकत और मुख्य के साथ काम किया) पर रखा गया था।

दस-माइक्रोन pMOS तकनीक का उपयोग करते हुए इंटेल 8008 (1972) ने 500 kHz (बहुत अधिक जटिल क्रे -1 प्रणाली के लिए 80 मेगाहर्ट्ज) की आवृत्ति पर काम किया, इंटेल 8086 (1979) ने तीन-माइक्रोन nMOS का उपयोग किया और बाद में CMOS 10 मेगाहर्ट्ज तक त्वरित हुआ, और मूल 80486 ( 1989) - 50 मेगाहर्ट्ज तक।

क्या बनाया डिजाइनरों द्विध्रुवी डिजाइनों की कोशिश जारी है, उनके और CMOS के बीच अंतर में तेजी से कमी के बावजूद, और ऊर्जा की खपत के बावजूद? इसका उत्तर सरल है - गति। — - , . , , (, ) . , — 600-800 5 , , . , ( “” “ ”), , . , .

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अब तक, लेख में अमेरिकी कंपनियों की सफलताओं और विफलताओं के बारे में बात की गई थी, लेकिन न केवल अमेरिका में माइक्रोइलेक्ट्रॉनिक था, है ना? दुर्भाग्य से, आप प्रौद्योगिकियों को चुनने में सोवियत माइक्रोइलेक्ट्रॉनिक के कठिन पथ के बारे में थोड़ा बता सकते हैं। पहला कारण - अमेरिकी का इतिहास (और साथ ही, उदाहरण के लिए, जापानी) घटनाक्रम विशेष रूप से IEEE पत्रिकाओं में प्रकाशनों द्वारा अच्छी तरह से प्रलेखित किया गया है, जिनमें से संग्रह अब डिजीटल है, और उनका अध्ययन करना पारखी के लिए एक वास्तविक खुशी है। सोवियत माइक्रोइलेक्ट्रॉनिक अपने पूरे इतिहास में बेहद बंद रहा है। रूसी में भी कुछ प्रकाशन थे, पूरी दुनिया में उनकी सफलताओं पर रिपोर्टिंग का उल्लेख नहीं करना था (जो कि किया गया था, उदाहरण के लिए, मौलिक भौतिकी में)। और यहां तक ​​कि थोड़ा जो प्रकाशित हुआ था, अब उसे ढूंढना बहुत मुश्किल है और, केवल कागज के रूप में, और इलेक्ट्रॉनिक रूप में नहीं। इसलिए, यह अंतरराष्ट्रीय वैज्ञानिक सम्मेलनों और औद्योगिक प्रदर्शनियों में मेरे रूसी सहयोगियों को न केवल मेहमानों के रूप में, बल्कि वक्ताओं के रूप में देखने के लिए अलग से प्रोत्साहित करता है। दूसरा कारण यह है कि अधिकांश समय सोवियत माइक्रोइलेक्ट्रॉनिक, भले ही बहुत अधिक न हो, अमेरिकियों से पिछड़ गया और सक्रिय रूप से सफल पश्चिमी विकास की नकल करने में लगा रहा। इसके अलावा, अस्सी के दशक की शुरुआत से, जब दुनिया में सबसे दिलचस्प चीजें शुरू हुईं, तो यूएसएसआर इलेक्ट्रॉनिक उद्योग मंत्रालय ने आधिकारिक तौर पर मूल डिजाइनों को त्यागने और प्रयोगात्मक, डिजाइन और तरीकों के बजाय अमेरिकी माइक्रोकिरिट्स - सीरियल की प्रतियां बनाने की दिशा में एक कोर्स किया। शायद, सीमित संसाधनों की स्थितियों में, यह सही निर्णय था, लेकिन इसका परिणाम बैकलॉग (और तकनीकी नहीं, बल्कि वैचारिक) में वृद्धि थी, जो यूएसएसआर के पतन के बाद लगभग अपरिवर्तनीय हो गया - इक्कीसवीं सदी तक रूसी माइक्रोइलेक्ट्रॉनिक "फिर से शुरू किया गया" था। वास्तव में खरोंच से।

नतीजतन, हालांकि एकीकरण की मध्यम डिग्री के GaAs चिप्स का उपयोग नब्बे के दशक में क्रे सुपर कंप्यूटरों और EC-4 EMUs दोनों में किया गया था, USSR के पास कभी भी RISC प्रोसेसर नहीं थे जो CMOS, ESL और गैलियम आर्सेनाइड के बीच संघर्ष के अंतिम चरण में महत्वपूर्ण भूमिका निभाते थे। तकनीकी दृष्टिकोण से, एक ही समय में कि अमेरिकी एकल-क्रिस्टल माइक्रोप्रोसेसरों का विकास कर रहे थे, ज़ेलेनोग्राड "माइक्रोन" सीरियल प्रोडक्शन में डाल दिया गया था, जो माइक्रोक्रिस्केट्स के K6500 आर्सेनाइड-गैलियम श्रृंखला है, जो कि 16 केबीपीएस तक, बेस मैट्रिक्स क्रिस्टल दस हज़ार वाल्व और माइक्रोप्रोसेसर सेट के साथ मेमोरी सेट करता है। पाँच चिप्स के - अर्थात्, अमेरिकी प्रोसेसर के रूप में एक ही जटिल क्रिस्टल। लेकिन अगर मैकडॉनेल डगलस, दोनों प्रकार की चालकता के सामान्य रूप से बंद जेएफईटी का उपयोग करते हैं, तो बिजली की खपत को कम करने और एकीकरण की डिग्री बढ़ाने के लिए जमीन तैयार करने के लक्ष्य के साथ GaOS nMOS और CMOS सर्किटों की नकल करते हैं, तो K6500 बहुत तेज (1 गीगाहर्ट्ज तक) था, लेकिन बहुत अधिक जटिल और जटिल है। आईसीएल सर्किट आम ​​तौर पर खुले एमईएसईएफटी के साथ (जो एकीकरण की डिग्री द्वारा प्राप्त परिणामों को और भी आश्चर्यजनक बनाता है)।


चित्रा 8. McDonnell डगलस प्रक्रिया प्रौद्योगिकी और K6500 श्रृंखला चिप्स के एक पलटनेवाला से इनवर्टर के दो वेरिएंट

1984 से कम से कम 1996 तक, मिक्रॉन में गैलियम आर्सेनाइड पर काम जारी रहा, लेकिन उसके बाद क्या हुआ, इसके बारे में मुझे कोई जानकारी नहीं मिली। अब माइक्रोन के सभी विकास, जिसमें विकिरण-प्रतिरोधी और रेडियो-आवृत्ति वाले शामिल हैं, सिलिकॉन पर बने हैं।

आर्सेनाइड और अन्य

सिलिकॉन CMOS विशेष-उद्देश्य सर्किट के डेवलपर्स, इस बीच, अभी भी खड़ा नहीं था; नब्बे के दशक की शुरुआत तक, यह स्पष्ट हो गया कि थोड़ा संशोधित वाणिज्यिक सिलिकॉन सीएमओएस तकनीक पर विकिरण प्रतिरोध प्रदान करना महंगा और कैप्टिक गैलियम आर्सेनाइड की तुलना में बहुत अधिक कठिन नहीं है, जो इसे इसके अंतिम महत्वपूर्ण लाभ से वंचित करता है और इसे बहुत संकीर्ण और विशिष्ट niches तक सीमित करता है - मुख्य रूप से माइक्रोवेव और पावर डिवाइसेस । इसके अलावा, इन अनुप्रयोगों में, यह अब तेजी से आर्सेनाइड का उपयोग नहीं कर रहा है, लेकिन बेहतर तापमान विशेषताओं, उच्च गतिशीलता और एक बड़े टूटने वाले क्षेत्र के साथ गैलियम नाइट्राइड या विभिन्न हेट्रोस्ट्रक्चर।


चित्र 9. बिजली और माइक्रोवेव अनुप्रयोगों के लिए सिलिकॉन, गैलियम आर्सेनाइड और गैलियम नाइट्राइड के मुख्य गुणों की तुलना

खैर, आप पूछते हैं, क्या गैलियम नाइट्राइड वीएलएसआई बना सकता है? दुर्भाग्य से, गैलियम नाइट्राइड में कम छेद की गतिशीलता है, और न केवल इसके लिए। केवल ईण्डीयुम एंटीमोनोइड में सिलिकॉन की तुलना में बहुत अधिक छेद वाली गतिशीलता होती है, लेकिन इसमें इतना संकीर्ण निषिद्ध क्षेत्र है कि इसके आधार पर उपकरण केवल क्रायोजेनिक तापमान पर काम कर सकते हैं।

मुझे गलत मत समझो, अन्य अर्धचालकों की भी आवश्यकता है, और उनके पास कई उपयोगी अनुप्रयोग हैं। जब 2000 में नोबेल समिति ने अंततः इलेक्ट्रॉनिक्स के लिए एक पुरस्कार देने का फैसला किया, तो जैक किल्बी ने पहला एकीकृत सर्किट बनाने के लिए पुरस्कार का आधा हिस्सा प्राप्त किया, और दूसरा - ज़ोर्स अल्फेरोव और हर्बर्ट क्रेमर ने "उच्च आवृत्ति सर्किट और ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक्स में उपयोग किए जाने वाले सेमीकंडक्टर हेटरोस्टेरोस्ट्रेट विकसित करने के लिए"। हेट्रोस्ट्रक्चर लेसरों के बिना हमारे जीवन की कल्पना करना पहले से ही कठिन है, गैलियम नाइट्राइड और सिलिकॉन कार्बाइड बिजली उपकरणों के लिए बाजार में छलांग और सीमाएं बढ़ रही हैं (और वाहनों का विद्युतीकरण), 39 गीगाहर्ट्ज तक की आवृत्तियों पर संचालित 5 जी नेटवर्क की तीव्र तैनाती A3B5 अर्धचालक के बिना कल्पना करना असंभव है, लेकिन केवल सिलिकॉन CMOS तकनीक कम्प्यूटेशनल वीएलएसआई बनाने के लिए सभी आवश्यक गुण हैं, जो कि माइक्रोइलेक्ट्रॉनिक बाजार के शेर की हिस्सेदारी बनाते हैं और ऊपर उल्लिखित सभी विविधता का प्रबंधन करते हैं।

हालांकि, यहां तक ​​कि सिलिकॉन माइक्रोइलेक्ट्रॉनिक केवल उच्च-प्रदर्शन माइक्रोप्रोसेसरों की तुलना में बहुत व्यापक है। अभी, TSMC 5 एनएम प्रक्रिया प्रौद्योगिकी के साथ मिलकर 200 मिमी प्लेटों पर 180 एनएम के डिजाइन मानकों के साथ एक नया कारखाना शुरू कर रहा है - क्योंकि उनके लिए एक मांग है और यह लगातार बढ़ रही है। हां, यह बाजार मोबाइल फोन के लिए चिप बाजार की तुलना में बहुत छोटा है, लेकिन प्रवेश के लिए निवेश बहुत अधिक मामूली है। सिलिकॉन कार्बाइड और गैलियम नाइट्राइड के लिए बाजारों के बारे में भी यही कहा जा सकता है। और यह मेरी विनम्र राय में ठीक जटिल अर्धचालकों, माइक्रोवेव और पावर इलेक्ट्रॉनिक्स है, जो रूसी माइक्रोइलेक्ट्रॉनिक के पुनरुद्धार और विश्व बाजार में इसके प्रवेश का वास्तविक चालक बन सकता है। इन क्षेत्रों में, रूसी कंपनियों की क्षमता और उपकरण बहुत मजबूत हैं और विश्व के नेताओं के काफी करीब हैं। सभी को माइक्रोन पर 180, 90 और 65 एनएम के बारे में पता है, लेकिन कुछ ने स्रोत पर 200 एनएम या मिक्रान पर 150 एनएम के बारे में सुना है। कुछ लोगों ने सुना है कि कैटेनिया में एसटीएम कारखाना, जिसमें से माइक्रोन पर 180 एनएम की प्रक्रिया की नकल की गई थी, अब पूरी तरह से सिलिकॉन कार्बाइड के उत्पादन में बदल गया है, जिसका बाजार पांच साल में तीन बिलियन डॉलर तक पहुंच जाना चाहिए। एसटीएम ने हाल ही में पूरे उत्पादन श्रृंखला के मालिक के लिए SiC सब्सट्रेट निर्माता को खरीदा, और सिद्धांत रूप में वे बढ़ते बाजार में नेता बनने के लिए सब कुछ कर रहे हैं।

अवशोषित और जीत

अस्सी के दशक के अंत और होनहार प्रौद्योगिकियों पर प्रारंभिक नब्बे के दशक के लेख - सिलिकॉन पर ईएसएल, गैस पर जेएफईटी के पूरक, जर्मेनियम को फिर से महान बनाने का प्रयास - लगभग हमेशा शब्दों के साथ समाप्त होता है "हमने अपने विचार के लिए महान संभावनाएं दिखाईं, और शाब्दिक रूप से कुछ साल बाद, जब प्रौद्योगिकियां थोड़ी और विकसित होती हैं। चिप पर अधिक ट्रांजिस्टर / कम खपत / उच्च प्रतिशत उपज की अनुमति देगा, तभी हम दुनिया को जीतेंगे। ” यही कारण है कि पैसे DARPA पर वादा किया प्रगति कभी नहीं आया है। क्यों? क्योंकि विनिर्माण चिप्स की तकनीक आकार में प्रत्येक नई कमी के साथ बढ़ती जाती है, और कोई शोध अनुदान इंटेल के निवेश की मात्रा को कम नहीं कर सकता है, विशाल उपभोक्ता बाजार में काम कर रहा है और अच्छी तरह से जानता है कि तकनीकी नेतृत्व वाणिज्यिक नेतृत्व की कुंजी है। यही कारण है कि इंटेल ने मूर के कानून के झंडे को उठाया और इसके कार्यान्वयन के लिए खुद को जिम्मेदार बनाया, जिसके बाद अन्य सभी निर्माताओं को पागल हथियारों की दौड़ में उलझा दिया गया था, जो कि छोटी कंपनियों और अन्य तकनीकों का अनुमान नहीं लगा सकते थे। नतीजतन, इंटेल के पास व्यक्तिगत कंप्यूटरों के आला में एक प्रतियोगी है, और सामान्य तौर पर दुनिया में केवल तीन कंपनियों के पास 14 एनएम से कम प्रौद्योगिकियां हैं - टीएसएमसी, इंटेल और सैमसंग। हम कह सकते हैं कि MOS ट्रांजिस्टर के साथ काम करना शुरू करने के लिए Intel बहुत पहले भाग्यशाली था, और ESL के साथ नहीं, लेकिन अगर वे भाग्यशाली नहीं थे, तो कोई और भाग्यशाली होगा, और परिणाम लगभग एक ही रहेगा।

तथ्य यह है कि सिलिकॉन पर सीएमओएस का लाभ नगण्य है नब्बे के दशक के अंत तक स्पष्ट हो गया, और इसमें निवेश किए गए संसाधनों का अनुपात और बाकी सब कुछ ऐसा हो गया कि विशिष्ट आवश्यकताओं के लिए नई तकनीकों को विकसित करने के बजाय, सीएमओएस को संबंधित भार तत्वों को संलग्न करना अधिक लाभदायक और आसान हो गया। द्विध्रुवी एनपीएन ट्रांजिस्टर के साथ बीकेएमओपी प्रौद्योगिकी एनालॉग सर्किट डिजाइनरों, एम्बेडेड इलेक्ट्रॉनिक्स के लिए गैर-वाष्पशील मेमोरी, बिजली अनुप्रयोगों के लिए उच्च वोल्टेज डीएमओएस ट्रांजिस्टर, उच्च तापमान या उच्च गति के लिए एसओआई सब्सट्रेट, ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक के लिए एकीकृत फोटोडोडोड के लिए दिखाई दी। CMOS तकनीक में अतिरिक्त विकल्पों के एकीकरण के लिए एक महत्वपूर्ण ड्राइवर एक चिप पर एक प्रणाली की अवधारणा थी। यदि पहले सिस्टम डिज़ाइनर ने उपयुक्त माइक्रोक्रिस्केट्स को चुना, तो इस आधार पर कि वे कितनी अच्छी तरह से लक्ष्य कार्यों का सामना करते हैं, अपने निर्माण की तकनीक पर ध्यान नहीं दे रहे हैं (सबसे खराब स्थिति में, स्तर के अनुवादकों की अभी भी जरूरत थी, लेकिन यह डरावना नहीं है), फिर एकीकरण की डिग्री में वृद्धि के साथ एक अवसर था। सिस्टम के सभी घटकों को एक चिप पर रखें और इस प्रकार एक पत्थर से बहुत सारे पक्षियों को मारें - एक मुद्रित सर्किट बोर्ड पर पटरियों की क्षमता को पंप करने की आवश्यकता की कमी के कारण गति में वृद्धि और खपत को कम करें, टी बढ़ाएं बेहतर मिलान तत्वों द्वारा chnost टांका अंकों की संख्या को कम करके विश्वसनीयता को बढ़ाने के लिए। लेकिन इसके लिए, सिस्टम के सभी हिस्सों को सीएमओएस-संगत होना चाहिए था। कारखानों ने इसका जवाब दिया "कुछ भी, बस अतिरिक्त मास्क और प्रौद्योगिकी विकल्पों के लिए पैसे का भुगतान करें" और एक-एक करके उत्पादन विशेष तकनीकी प्रक्रियाओं में डालना शुरू किया। अतिरिक्त मास्क - महंगा और जटिल है, लेकिन क्या चिप सस्ता होना चाहिए? और अब एनालॉग डिजाइन की पाठ्यपुस्तकें पहले से ही अच्छे और तेज द्विध्रुवी ट्रांजिस्टर से खराब और धीमी गति वाले क्षेत्र के लिए फिर से लिख रही हैं। क्या माइक्रोवेव के लिए कोई गति नहीं है? क्या हम फिर से गैलियम आर्सेनाइड की कोशिश करेंगे? नहीं, चलो स्थानीय रूप से इलेक्ट्रॉन गतिशीलता को बढ़ाने के लिए जर्मेनियम के साथ सिलिकॉन क्रिस्टल जाली को लंबा करें। जटिल लगता है? लेकिन यह CMOS संगत है! फ्लैश मेमोरी के साथ एक सस्ता माइक्रोकंट्रोलर और एक चिप पर एडीसी तीन चिप्स पर एक ही की तुलना में बहुत अच्छा लगता है? डिजिटल डेटा प्रोसेसिंग और नियंत्रण एक ही चिप पर सिस्टम के अनुरूप भाग के रूप में एक महत्वपूर्ण उपलब्धि बन गई है जो कि माइक्रोकंट्रोलर्स को हर जगह घुसने की अनुमति देती है, गहरे स्थान से इलेक्ट्रिक केतली तक।


चित्रा 10. एक बीसीडी प्रौद्योगिकी का योजनाबद्ध खंड

इस तरह का मेरा पसंदीदा उदाहरण बीसीडी तकनीक है। बीसीडी द्विध्रुवीय (एनालॉग भाग के लिए), सीएमओएस (डिजिटल के लिए), डीएमओएस (नियंत्रण तर्क के समान चिप पर उच्च वोल्टेज स्विच) है। ऐसी प्रौद्योगिकियां 200 वोल्ट (और कभी-कभी अधिक) तक की वोल्टेज के साथ काम कर सकती हैं और आपको एकल चिप पर लागू करने की अनुमति देती हैं जो आपको इलेक्ट्रिक मोटर्स या डीसी / डीसी रूपांतरण को नियंत्रित करने की आवश्यकता होती है।


चित्रा 11. एक अलग जेब में उच्च वोल्टेज LDMOS ट्रांजिस्टर के साथ क्रॉस-सेक्शन SOI BCD

बीसीडी एसओआई प्रौद्योगिकी उपरोक्त सभी तत्वों के पूर्ण ढांकता हुआ अलगाव के साथ पूरक है, जो थाइरिस्टर प्रभाव प्रतिरोध, शोर अलगाव में सुधार करता है, ऑपरेटिंग वोल्टेज को बढ़ाता है, जिससे आप आसानी से चिप पर उच्च-पक्ष कीज़ रख सकते हैं या, उदाहरण के लिए, नकारात्मक वोल्टेज के साथ काम करना (थ्रेशोल्ड के नीचे शक्तिशाली GaN कुंजी के लिए आवश्यक) शून्य वोल्ट)। उसी चिप पर, निर्माता गैर-वाष्पशील मेमोरी, IGBT, जेनर डायोड रखने का प्रस्ताव देते हैं ... सूची लंबी है, आप प्रस्तुतियों में बकवास बिंगो खेल सकते हैं) सिलिकॉन परत की गहराई पर ध्यान दें: "साधारण" SOO प्रौद्योगिकियों के विपरीत, जहां वे छुटकारा पाने के लिए इसे कम करने की कोशिश करते हैं। नाली और स्रोत पीएन जंक्शनों के नीचे से और संचालन की गति में वृद्धि, बीसीडी में सिलिकॉन परत बहुत गहरी है, जो इलेक्ट्रोस्टैटिक निर्वहन और थर्मल विशेषताओं के लिए स्वीकार्य प्रतिरोध प्रदान करने में मदद करता है। एक ही समय में, ट्रांजिस्टर बिल्कुल वॉल्यूमेट्रिक की तरह व्यवहार करते हैं, केवल पूर्ण ढांकता हुआ इन्सुलेशन के साथ। ऑटोमोटिव इलेक्ट्रॉनिक्स निर्माताओं के लक्षित दर्शकों के अलावा, वे इसका उपयोग अपने हाई-वोल्टेज बनाने के लिए भी नहीं करते हैं, लेकिन रेडिएंट-प्रतिरोधी सीएमओएस चिप्स, जैसे कि मिलेंडर या एटलम में, एसओआई का मुख्य लाभ इसकी सामान्य कमियों के बिना प्राप्त करते हैं।

CMOS और विकल्प का भविष्य

यहां तक ​​कि जब मूर का कानून इस तथ्य के कारण टूटना शुरू हुआ कि सिलिकॉन ट्रांजिस्टर के आकार में कमी शारीरिक सीमा तक आई, तो यह पता चला कि CMOS को दिमाग में लाने के लिए मौलिक रूप से कुछ नया देखने की तुलना में अधिक लाभदायक है। विकल्प और भागने के मार्गों में निवेश, निश्चित रूप से किया गया था, लेकिन सिलिकॉन CMOS में सुधार और विकास की निरंतरता सुनिश्चित करने के लिए मुख्य प्रयास किए गए थे। ग्राफीन की खोज के लिए, नोवोसेलोव और गेम को लगभग दस साल पहले नोबेल पुरस्कार दिया गया था; और वह ग्राफीन कहां है? यह सही है, उसी स्थान पर जहां कार्बन नैनोट्यूब और भविष्य की अन्य सभी सामग्री, और सिलिकॉन ने पहले ही 5 एनएम प्रक्रिया द्वारा उत्पादन शुरू कर दिया है, और सब कुछ इस बिंदु पर जाता है कि 3 या 2 एनएम भी होगा। बेशक, ये काफी वास्तविक नैनोमीटर नहीं हैं (जिनके बारे में मैंने पहले ही हैबर के यहाँ लिखा है ), लेकिन पैकिंग घनत्व बढ़ना जारी है; हालांकि बहुत धीमी गति से, यह अभी भी एक सिलिकॉन CMOS है।


चित्रा 12. 5 एनएम और नीचे के लिए सैमसंग ट्रांजिस्टर के चारों ओर गेट। FinFET की तुलना में अगला कदम और प्रश्न का उत्तर "कई परतों में ट्रांजिस्टर क्यों नहीं पैक किया गया?" अन्य सभी तरीके समाप्त हो गए हैं, अब कई परतों की बारी है। इन ट्रांजिस्टर के सात को लंबवत रूप से रखें, हमें सात के बजाय एक नैनोमीटर मिलता है!

यहां तक ​​कि सिलिकॉन ऑक्साइड, जिसके लिए सब कुछ मूल रूप से कल्पना की गई थी, सीएमओएस में प्रगति के लिए गिर गया! इसे हेफ़नियम ऑक्साइड पर आधारित जटिल बहुपरत संरचनाओं द्वारा प्रतिस्थापित किया गया था। जर्मेनियम को गतिशीलता बढ़ाने के लिए चैनल में जोड़ा जाने लगा (पहले से ही BiKMOS माइक्रोवेव के लिए विकास में परीक्षण); यहां तक ​​कि परीक्षण के बिंदु पर जाएं (अभी तक केवल परीक्षण) "सिलिकॉन" ट्रांजिस्टर में ए -3 बी 5 सामग्री (जिसमें उच्च इलेक्ट्रॉन गतिशीलता है) और जर्मनी से एक पी-प्रकार चैनल (जिसमें उच्च छेद गतिशीलता है) से एक एन-प्रकार चैनल है। चैनल के आकार को फ्लैट से त्रि-आयामी (FinFET) में बदलने और डिजाइन मानकों की संख्या के साथ मार्केटिंग ट्रिक्स के बारे में कुछ चीजें, कोई राशि नहीं लिखना पर्याप्त है।

भविष्य में हमें किस बात का इंतजार है? एक ओर, EUV लिथोग्राफी और गेट ऑल अराउंड ट्रांजिस्टर की शुरूआत के साथ सिलिकॉन प्रौद्योगिकी की प्रगति पहले ही समाप्त हो गई है; बीस साल पहले आईटीआरएस की योजनाओं में पिछड़ने के कारण पहले से ही लगभग दस साल है, इंटेल ने लंबे समय से अपने प्रसिद्ध "टिक-टैक" को छोड़ दिया है, Globalfoundries और पूरी तरह से 14 एनएम से नीचे गिरने से इनकार कर दिया। प्रति चिप एक ट्रांजिस्टर की लागत कम से कम 28 एनएम के मानकों से गुजरी है और तब से बढ़ना शुरू हो गई है। और सबसे महत्वपूर्ण बात, लक्ष्य बाजार बदल गए हैं। कई वर्षों के लिए, डिजाइन मानकों को कम करने का ड्राइवर व्यक्तिगत कंप्यूटर बाजार था, फिर व्यक्तिगत कंप्यूटर मोबाइल फोन में बदल गए (लगभग इस समय टीएसएमसी और सैमसंग ने इंटेल के साथ पकड़ा)। लेकिन अब मोबाइल फोन का बाजार मंदी और ठहराव में है। खनन के लिए चिप्स के लिए एक छोटी अवधि की उम्मीद थी, लेकिन यह उचित नहीं लगता है।

नया पसंदीदा चिप निर्माता इंटरनेट ऑफ थिंग्स है। वास्तव में, बाजार बड़ा है, तेजी से विकसित हो रहा है और अच्छी दीर्घकालिक संभावनाओं के साथ है। और सबसे महत्वपूर्ण बात - चीजों के इंटरनेट के लिए, प्रदर्शन और एक चिप पर तत्वों की संख्या महत्वपूर्ण प्रतिस्पर्धी फायदे नहीं हैं, लेकिन कम बिजली की खपत और कम लागत हैं। इसका मतलब है कि डिजाइन मानकों को कम करने का मुख्य कारण गायब हो गया है, लेकिन विशिष्ट कार्यों के लिए प्रौद्योगिकी का अनुकूलन करने के कारण हैं। दिलचस्प लगता है, है ना? कुछ इस तरह ... एक ग्लोबलफाउंड्री 7 एनएम पर काम की समाप्ति और 14/12 और 28/22 एनएम एफडीएसओआई पर एकाग्रता के बारे में जारी करता है। इसके अलावा, नई प्रौद्योगिकियों की कीमत में वृद्धि, भयंकर मूल्य प्रतियोगिता के साथ, चिप निर्माताओं को नए डिजाइन मानकों पर स्विच करने की कोई जल्दी नहीं है, क्योंकि वे कर सकते हैं, लेकिन जब तक यह करना उचित है, तब तक पुराने पर बने रहें, साथ ही विषम को एकीकृत करें। चिप्स - लेकिन अब बोर्ड पर नहीं, बल्कि मामले के अंदर। "एक चिप पर सिस्टम" को "एक मामले में सिस्टम" से बदल दिया गया था (मैंने पहले से ही इसके बारे में विस्तार से लिखा था )। मामले में सिस्टम की उपस्थिति और चीजों की इंटरनेट, अन्य चीजों के अलावा, जटिल अर्धचालकों को एक नया मौका देते हैं, क्योंकि सिलिकॉन के साथ एक मामले में गैलियम आर्सेनाइड चिप को रखने से अब हस्तक्षेप नहीं होता है, और चीजों के इंटरनेट के लिए सिस्टम में एक रेडियो पथ की आवश्यकता काफी स्पष्ट है। यही बात विभिन्न प्रकार के ऑप्टिकल उपकरणों, एमईएमएस, सेंसर पर लागू होती है - और सामान्य तौर पर सिलिकॉन पर सीएमओएस के अलावा माइक्रोइलेक्ट्रॉनिक में मौजूद हर चीज में

तो CMOS सिलिकॉन प्रौद्योगिकी और इसके विकल्प के विकास के लिए मेरा पूर्वानुमान यह होगा कि हम प्रगति में एक कट्टरपंथी मंदी को देखेंगे, एक पूर्ण विराम तक - अनावश्यक रूप से - और हम बड़े पैमाने पर उत्पादन में कुछ भी नया नहीं देखेंगे (कार्बन नैनोट्यूब, ग्राफीन, मेमिस्टर्स पर तर्क) - फिर से, अनावश्यक के रूप में। लेकिन निस्संदेह, मौजूदा तकनीकी सामान का उपयोग व्यापक होगा। , , , . , : TSMC 15 200 , Globalfoundries 180 BCD . , . , , .