Transistor pertama adalah bipolar dan germanium, tetapi sebagian besar sirkuit terpadu modern terbuat dari silikon menggunakan teknologi CMOS (komplementer logam-oksida-semikonduktor). Bagaimana silikon berubah menjadi yang utama dari banyak semikonduktor yang terkenal? Mengapa teknologi CMOS menjadi hampir eksklusif? Apakah prosesor pada teknologi lain? Apa yang menanti kita dalam waktu dekat, karena batas fisik dari miniaturisasi transistor MOS sebenarnya tercapai?
Jika Anda ingin mengetahui jawaban atas semua pertanyaan ini - selamat datang di kucing. Atas permintaan pembaca artikel sebelumnya, saya peringatkan Anda: ada banyak teks, selama setengah jam.
Mulai
Di halaman pergantian tahun 1947 dan 1948, John Bardin dan Walter Brattain, yang dipimpin oleh William Shockley di The Bell Labs, mempelajari distribusi bidang dalam dioda germanium dan secara tidak sengaja menemukan efek transistor. Dan meskipun kegunaan potensial dari penemuan itu tampak jelas (namun, legenda perkotaan mengatakan bahwa penemuan itu tidak diklasifikasikan setelah para pakar militer tidak melihat adanya penggunaan praktis di dalamnya), transistor pertama terlihat seperti ini:
Gambar 2. Replika dari transistor pertamaTidak sangat mirip dengan perangkat yang cocok untuk produksi industri, bukan? Butuh dua tahun untuk membuat transistor bipolar point-to-point yang berubah-ubah menjadi lebih nyaman untuk diproduksi dari persimpangan pn, setelah itu hari-hari (yah, bukan hari, tetapi bertahun-tahun) dari tabung elektron dalam peralatan elektronik massa dihitung.
Dari tiga penemu transistor, memang benar bahwa hanya Shockley yang terus mengerjakannya, yang tidak ada hubungannya dengan karya aslinya (karena ia adalah ahli teori dan bos, dan bukan peneliti), tetapi ia mengambil semua ketenaran dan dengan demikian bertengkar dengan Bardin dan Brattein bahwa mereka tidak pernah berurusan dengan mikroelektronika lagi. Brattain belajar elektrokimia, dan Bardin - superkonduktivitas, di mana ia menerima Hadiah Nobel kedua, menjadi satu-satunya orang dalam sejarah yang memiliki dua hadiah dalam fisika.
Shockley, setelah berhasil memecah tim penelitiannya dengan ambisinya, meninggalkan Bell Labs dan menciptakan Laboratorium Semikonduktor Shockley miliknya sendiri. Iklim kerja di dalamnya, bagaimanapun, juga meninggalkan banyak yang harus diinginkan, yang menyebabkan munculnya "pengkhianat delapan" yang terkenal, yang melarikan diri dari Shockley dan mendirikan Fairchild Semiconductor, yang, pada gilirannya, menjadi induk dari apa yang sekarang kita kenal sebagai "Lembah Silikon" - termasuk perusahaan seperti Intel, AMD, dan Intersil.
Gambar 3. Fairchildren - Perusahaan yang didirikan oleh Fairchild
Shockley sendiri tidak pernah pulih dari pengkhianatan G8 dan meluncur turun: dia dipecat dari perusahaannya sendiri, terbawa oleh rasisme dan eugenika, menjadi orang buangan dalam komunitas ilmiah dan meninggal, semuanya dilupakan. Bahkan anak-anaknya belajar tentang kematian dari koran.Sebelum memulai
Sejarah penemuan transistor banyak diketahui dan banyak dijelaskan. Tidak banyak diketahui bahwa
aplikasi paten pertama untuk sebuah transistor tidak diajukan sama sekali pada tahun 1947, tetapi dua puluh tahun sebelumnya, pada tahun 1925, oleh seorang Amerika asal Austro-Hungaria Julius Lilienfeld. Dalam kasus ini, tidak seperti transistor bipolar 1947, perangkat yang dijelaskan dalam paten Lilienfeld adalah bidang: dalam paten yang diterima pada tahun 1930, MESFET dengan penutup logam, dan pada paten 1933 - MOSFET, hampir sama seperti yang kita ketahui sekarang Lilienfeld bermaksud menggunakan gerbang aluminium dan alumina sebagai gerbang dielektrik.
Sayangnya, tingkat pengembangan teknologi saat itu tidak memungkinkan Lilienfeld untuk mewujudkan idenya dalam prototipe, tetapi percobaan yang dilakukan oleh Shockley pada tahun 1948 (sudah sendiri) menunjukkan bahwa paten Lilienfeld menggambarkan perangkat yang dapat dioperasikan secara fundamental. Sebenarnya, semua pekerjaan kelompok Shockley pada sifat-sifat dioda, yang mengarah pada penemuan acak dari transistor bipolar, adalah bagian dari penelitian tentang penciptaan transistor efek medan, jauh lebih mirip dalam sifat tabung vakum dan karena itu lebih dapat dipahami oleh fisikawan tahun itu. Namun demikian, terlepas dari konfirmasi keberhasilan kerja ide-ide Lilienfeld, pada tahun 1948 masih belum ada teknologi untuk produksi film tipis dielektrik bebas cacat yang stabil, sementara transistor bipolar ternyata lebih maju secara teknologi dan menjanjikan secara komersial. Transistor MOS disimpan, dan perangkat bipolar memulai prosesi kemenangan di planet ini.
Sesaat terminologiTransistor bipolar atau Transistor Bipolar adalah transistor di mana kedua jenis pembawa muatan, baik elektron dan lubang, diperlukan untuk beroperasi, dan yang dikendalikan oleh arus basis (mengalikannya dengan gain dari transistor). Biasanya dilakukan dengan menggunakan pn junction atau heterojunctions, meskipun transistor pertama, meskipun itu bipolar, bukan transistor junction. Singkatan bahasa Inggris yang populer adalah BJT, transistor persimpangan bipolar.
Untuk transistor pada heterojunctions (transisi antara bahan yang berbeda, misalnya, gallium arsenide dan gallium aluminitride), akronim HBT (Heterojunction Bipolar Transistor) digunakan.
Transistor efek unipolar atau medan, juga dikenal sebagai Field-Effect Transistor atau FET, adalah transistor yang operasinya didasarkan pada efek medan dan hanya memerlukan satu jenis pembawa muatan. Transistor efek medan memiliki saluran yang dikendalikan oleh tegangan yang diterapkan ke gerbang. Transistor efek medan adalah beberapa varietas.
MOSFET atau MOSFET yang biasa adalah transistor dengan gerbang yang diisolasi dari saluran dengan cara dielektrik, biasanya oksida, yang merupakan struktur Logam-Oksida-Semikonduktor. Jika tidak digunakan oksida, mereka dapat disebut MISFET (I - Insulator) atau MDPT (D - Dielektrik).
JFET (J - Junction) atau transistor dengan kontrol pn junction. Dalam transistor seperti itu, bidang yang menghalangi saluran dibuat dengan menerapkan tegangan ke persimpangan pn kontrol.
Transistor efek medan Schottky (PTSh) atau MESFET (ME - Metal) adalah jenis JFET yang menggunakan bukan pn junction sebagai kontrolnya, tetapi penghalang Schottky (antara semikonduktor dan logam), yang memiliki penurunan tegangan lebih rendah dan kecepatan operasi yang lebih tinggi.
HEMT (High Electron Mobility Transistor) atau transistor dengan mobilitas elektron tinggi - analog dari JFET dan MESFET, menggunakan heterojunction. Transistor semacam itu adalah yang paling populer di semikonduktor kompleks.Gambar 4. BJT, MOSFET, JFETGermanium
Transistor pertama adalah germanium, tetapi teknologi dari perusahaan yang berbeda dengan cepat beralih ke silikon. Ini disebabkan oleh fakta bahwa germanium murni sebenarnya sangat tidak cocok untuk aplikasi elektronik (walaupun transistor germanium masih digunakan dalam peralatan memotong antik). Keuntungan germanium termasuk mobilitas elektron yang tinggi dan, yang paling penting, lubang, serta tegangan pelepasan persimpangan pn 0,3 V vs 0,7 V untuk silikon, meskipun yang kedua dapat diratakan menggunakan transisi Schottky (seperti yang dilakukan dalam logika TTLS) . Tetapi karena celah pita yang lebih kecil (0,67 berbanding 1,14 eV), dioda germanium memiliki arus balik besar yang tumbuh kuat dengan temperatur, yang membatasi kisaran suhu penerapan sirkuit germanium dan daya yang diizinkan (pengaruh arus balik pada yang kecil terlalu besar, pada besar mengganggu pemanasan sendiri). Untuk mengatasi masalah suhu di Jerman, konduktivitas termal jauh lebih rendah daripada silikon, yaitu, lebih sulit untuk menghilangkan panas dari transistor yang kuat.
Bahkan pada periode awal sejarah elektronik semikonduktor, perangkat germanium memiliki masalah hasil yang besar karena kesulitan memperoleh germanium kristal murni tanpa dislokasi kisi ulir dan kualitas permukaan yang buruk, tidak seperti silikon, yang tidak dilindungi dari pengaruh eksternal oleh oksida. Lebih tepatnya, germanium memiliki oksida, tetapi kisi kristalnya bertepatan dengan kisi germanium murni jauh lebih buruk daripada silikon, yang mengarah pada pembentukan sejumlah besar cacat permukaan yang tidak dapat diterima. Cacat ini secara serius mengurangi mobilitas pembawa muatan, meniadakan keuntungan utama germanium dibandingkan silikon. Dan, sebagai tambahan, germanium oksida bereaksi dengan air - baik selama proses pembuatan chip dan selama operasi. Namun, semikonduktor lainnya bahkan kurang beruntung, dan mereka tidak memiliki oksida sama sekali.
Mencoba memecahkan masalah permukaan germanium yang buruk, yang mencegah transistor efek medan dibuat, Shockley muncul dengan gagasan untuk memindahkan saluran ke kedalaman semikonduktor. Jadi ada transistor efek medan dengan kontrol pn junction, alias JFET. Transistor ini dengan cepat menemukan tempatnya di sirkuit analog - pertama-tama, karena arus input yang sangat kecil (dibandingkan dengan transistor bipolar) dan karakteristik kebisingan yang baik. Kombinasi ini membuat JFET pilihan yang sangat baik untuk tahap input penguat operasional - yang dapat diamati, misalnya,
dalam artikel ini oleh Ken Shirrif. Selain itu, ketika alih-alih komponen terpisah mereka mulai membuat sirkuit terintegrasi, ternyata JFET cukup kompatibel dengan teknologi bipolar (saya bahkan membuat JFET dari transistor bipolar pada gambar di atas), dan mereka menjadi tempat yang umum dalam proses pembuatan analog bipolar. Tetapi semua ini sudah menggunakan silikon, dan germanium tetap dilupakan selama bertahun-tahun, sampai tiba saatnya untuk memperkuat posisi silikon alih-alih bertarung dengannya. Tetapi lebih lanjut tentang itu nanti.
Transistor efek medan
Bagaimana dengan transistor MOS? Tampaknya mereka dilupakan selama hampir satu dekade sehubungan dengan kemajuan pesat dari rekan-rekan bipolar, namun mereka berkembang. Semua Bell Labs yang sama pada tahun 1959, transistor MOS pertama yang berfungsi diciptakan oleh Devon Kang dan Martin Attala. Di satu sisi, ia hampir secara langsung menyadari gagasan Lilienfeld, dan di sisi lain, ia segera ternyata hampir identik dengan banyak generasi generasi transistor yang menggunakan silikon oksida sebagai gerbang dielektrik. Sayangnya, Bell Labs kemudian tidak mengenali potensi komersial dari penemuan ini: prototipe secara signifikan lebih lambat daripada transistor bipolar saat itu. Tetapi potensi kebaruan diakui oleh Radio Corporation of America (RCA) dan Fairchild, dan sudah pada tahun 1964, transistor MOS menghantam pasar. Mereka lebih lambat daripada rekan-rekan bipolar, lebih buruk diperkuat, berisik dan sangat dipengaruhi oleh pelepasan elektrostatik, tetapi mereka memiliki nol arus input, resistansi keluaran rendah dan kemampuan switching yang sangat baik. Memang tidak banyak, tapi itu hanya awal dari perjalanan yang sangat panjang.
Logika Bipolar dan RISC
Pada tahap awal pengembangan elektronik semikonduktor, aplikasi frekuensi analog dan radio mendominasi: kata "transistor" untuk waktu yang lama tidak hanya berarti transistor itu sendiri, tetapi juga penerima radio yang didasarkan padanya. Komputer digital berdasarkan pada sirkuit mikro yang mengandung satu atau dua gerbang sangat besar (meskipun tidak dapat dibandingkan dengan lampu), sehingga bahkan ada upaya untuk melakukan perhitungan dengan cara yang analog - ada baiknya menerapkan integrasi atau diferensiasi hanya dengan satu penguat operasional alih-alih hamburan chip digital secara keseluruhan. . Tetapi komputasi digital ternyata lebih nyaman dan praktis, sebagai akibatnya dimulainya era komputer elektronik digital, yang berlanjut hingga hari ini (walaupun komputasi kuantum dan jaringan saraf telah mencapai keberhasilan yang signifikan).
Keuntungan utama dari teknologi MOS pada waktu itu adalah kesederhanaan (saya ingat bahwa sampai tahun delapan puluhan, masing-masing perusahaan mikroelektronik harus mengatur produksi sendiri): untuk mengimplementasikan rangkaian n-MOS atau p-MOS yang paling sederhana, hanya empat fotolitografi yang diperlukan, untuk CMOS - enam, dan untuk rangkaian litografi bipolar, tujuh diperlukan untuk satu jenis transistor, dan kontrol difusi yang lebih tepat dan, idealnya, epitaksi masih diperlukan. Minus lemak adalah kecepatan: transistor MOS hilang dibandingkan dengan bipolar dan JFET lebih dari urutan besarnya. Pada saat CMOS diizinkan mencapai frekuensi 5 MHz, 100-200 dapat dibuat pada ESL. Tidak perlu berbicara tentang aplikasi analog - transistor MOS sangat tidak cocok untuk mereka karena kecepatan rendah dan gain rendah, sedangkan sirkuit bipolar dengan input JFET dapat menyediakan hampir semua permintaan desainer.
Sementara tingkat integrasi sirkuit mikro kecil, dan tidak ada yang secara khusus mempertimbangkan konsumsi daya, keuntungan dari logika emitor-berpasangan (ESL) untuk aplikasi kinerja tinggi jelas, tetapi teknologi MOS memiliki kartu truf di lengannya, yang bermain sedikit kemudian. Pada tahun enam puluhan, tujuh puluhan dan delapan puluhan, proses pembuatan MOS dan bipolar dikembangkan secara paralel, dengan MOS digunakan secara eksklusif untuk sirkuit digital, dan teknologi bipolar digunakan baik untuk sirkuit analog dan untuk logika berdasarkan TTL (transistor-transistor logika, TTL) dan keluarga ESL.
Gambar 5. Cray-1, superkomputer Seymour Cray pertama, diperkenalkan kepada publik pada tahun 1975, memiliki berat 5,5 ton, mengkonsumsi energi 115 kW dan memiliki kapasitas 160 MFLOPS pada 80 MHz. Itu dibangun di atas empat jenis sirkuit ECL diskrit, dan berisi sekitar 200 ribu katup. Chip tempat logika dibangun adalah Fairchild 11C01, sebuah katup ganda yang mengandung elemen 4 ILINE dan 5 ILINE, dan mengkonsumsi arus 25-30 mA saat ditenagai oleh -5.2 V.Gambar 6. Elemen logika 2INE pada TTL dan 2OR / ILINE pada ESLPerhatikan fakta bahwa elemen logika ESL hanyalah penguat umpan balik, yang dibangun sedemikian rupa sehingga switching transistor selalu dalam mode linear "cepat" dan tidak pernah jatuh ke mode saturasi "lambat". Biaya untuk kecepatan adalah arus yang mengalir terus menerus melalui rangkaian, terlepas dari frekuensi operasi dan keadaan input dan output. Ini lucu, tetapi mereka mulai mencoba menggunakan kelemahan ini beberapa waktu lalu sebagai keuntungan: karena keteguhan konsumsi saat ini, sirkuit kriptografi pada ESL jauh lebih tahan terhadap retak dengan "mendengarkan" konsumsi saat ini daripada CMOS, di mana konsumsi saat ini sebanding dengan jumlah katup yang beralih pada waktu tertentu. . Jika kita mengganti transistor bipolar dengan transistor efek medan (JFET atau MESFET), kita mendapatkan ISL - logika yang berhubungan dengan sumber, yang juga menemukan aplikasinya dalam semikonduktor kompleks pada saat itu.
Keuntungan yang jelas dari logika nMOS atau pMOS adalah kesederhanaan pembuatan dan sejumlah kecil transistor, yang berarti area kecil dan kemampuan untuk menempatkan lebih banyak elemen pada chip. Sebagai perbandingan: elemen 2INE atau 2ILINE pada nMOS / pMOS terdiri dari tiga elemen, pada CMOS - empat. Pada TTL, elemen-elemen ini mengandung 4-6 transistor, 1-3 dioda dan 4-5 resistor. Pada ESL - 4 transistor dan 4 resistor (sementara pada ESL lebih mudah untuk melakukan OR dan NOR, dan itu tidak nyaman untuk AND dan NAND). Perhatikan, omong-omong, bahwa semua transistor dalam rangkaian elemen TTL dan ESL adalah npn. Ini karena membuat transistor pnp dalam substrat p lebih rumit daripada npn, dan strukturnya berbeda - tidak seperti teknologi CMOS, di mana transistor dari kedua jenis hampir sama. Selain itu, baik pMOS dan bipolar pnp, bekerja dengan mengorbankan lubang, lebih lambat daripada rekan-rekan "elektronik" mereka, dan oleh karena itu, dalam logika bipolar, tujuan utamanya adalah kecepatan, mereka tidak berselisih.
Keuntungan penting kedua dari teknologi MOS, yang memanifestasikan dirinya sepenuhnya selama transisi ke CMOS dan sangat menentukan dominasi teknologi ini, adalah konsumsi daya yang rendah. Katup CMOS hanya mengkonsumsi energi selama proses switching, dan tidak memiliki konsumsi energi statis (untuk teknologi modern hal ini tidak demikian, tetapi kami menghilangkannya secara khusus). Arus operasi khas dari katup ESL adalah dari 100 ΞΌA hingga 1 mA (0,5-5 mW didukung oleh 5,2 V). Mengalikan angka ini dengan, katakanlah, satu miliar gerbang yang membentuk prosesor Intel modern, kita dapatkan MegaWatt ... Sebenarnya, konsumsi Cray-1 yang Anda lihat di atas. Namun, pada tahun delapan puluhan biasanya merupakan masalah ribuan atau puluhan ribu katup, yang, secara teori, memungkinkan untuk tetap berada dalam anggaran daya yang masuk akal, bahkan pada logika bipolar. Namun dalam praktiknya, beberapa kali jumlah katup CMOS yang mengonsumsi lebih sedikit daya dan menjadi lebih cepat dengan standar desain yang menurun ditempatkan pada bidang kristal yang sama (hukum Moore bekerja dengan kuat dan utama).
Intel 8008 (1972) menggunakan teknologi pMOS sepuluh-mikron bekerja pada frekuensi 500 kHz (dibandingkan 80 MHz untuk sistem Cray-1 yang jauh lebih kompleks), Intel 8086 (1979) menggunakan nMOS tiga-mikron dan kemudian CMOS dipercepat hingga 10 MHz, dan 80486 asli ( 1989) - hingga 50 MHz.
Apa yang membuat desainer terus mencoba desain bipolar, meskipun ada pengurangan cepat dalam perbedaan antara mereka dan CMOS, dan meskipun konsumsi energinya? Jawabannya sederhana - kecepatan. Pada waktu subuh, keuntungan tambahan besar ESL adalah hilangnya kinerja minimal ketika bekerja pada beban kapasitif besar atau garis panjang - yaitu, perakitan dari banyak bangunan dengan logika ESL jauh lebih cepat daripada perakitan pada CMOS atau TTL. Peningkatan tingkat integrasi memungkinkan CMOS untuk mengatasi sebagian kelemahan ini, sistem komputer masih multi-chip, dan setiap output sinyal di luar kristal (misalnya, ke cache eksternal) memperlambat semuanya. Gerbang bipolar, bahkan pada akhir tahun delapan puluhan, masih jauh lebih cepat, misalnya, karena perbedaan tegangan beberapa kali lebih kecil antara nol logis dan unit logis - 600-800 mV dalam ESL versus 5 V dalam CMOS, dan ini dalam kondisi ketika ukuran transistor dalam teknologi bipolar sudah mulai tertinggal dari CMOS. , ( ββ β β), , . , .
. RISC, . , , . , RISC , - ( ). 1989 Intel 80486, FPU , β , .
, , Fabless , . . Bipolar Integrated Technology , 1983 PMC-Sierra 1996. , , , . FPU, BIT RISC β MIPS Computer Systems Sun Microsystems β , RISC , . MIPS II β R6000, R6010 R6020 β BIT. SPARC B5000.
DEC MIPS II Motorola. , : 1993 , Intel β Pentium ( 800 , 66 , TPD 15 , ). IEEE Journal of Solid-State Circuits , β
A 300-MHz 115-W 32-b Bipolar ECL Microprocessor β. (!) (!!!!) . , , . , IEEE β , Β«the chip was designed largely with CAD tools developed by members of the design teamΒ» Β«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)Β». , 1993 (
YuriPanchul , ), wired OR!
7. DEC2 , 75 , 5 , , , , , , . , , . , β Wired OR. , , Wired OR. , .
. 1948 , (, ) , , 74 TL431, 28 16 , . ( , ), . , β β - β β β, . β β, AMD, , . , , ( ) β , , . , .
β
β , . , β . , . , , - β ? Β« Β», - . MESFET 1966 , Cray Corporation ( ) «» ( 6500).
, β . ? , ! . , . JFET β , , JFET MOSFET n- β , . β , JFET , , , MOSFET. , , . , , GaAs ED JFET (E β enhancement) (D β depleted) . β , . nJFET (, ), 1 , , - .
, , RISC MIPS. 1984 DARPA GaAs MIPS β RCA, McDonnell Douglas CDC-TI. 30 , β β. , Am2900 AMD, 1802 RCA, .
, 1990 , MIPS , SPARC β LEON MIPS. , LEON ARM, - . ARM- . , . , , Elsevier .McDonnell Douglas. IEEE Transactions on Nuclear Science ( Zuleeg), 1971 JFET 1989. ? ( , ) -, , , . nJFET-, McDonnell Douglas β , - .
, , , , , . β β - Β« 3%, 75 Β», Β« - , 1% 10%Β», . , , , , , , , , . , , , . , , , .
, ?
Sampai sekarang, artikel itu berbicara tentang keberhasilan dan kegagalan perusahaan-perusahaan Amerika, tetapi tidak hanya di Amerika adalah mikroelektronika, kan? Sayangnya, Anda dapat menceritakan sedikit tentang jalur sulit mikroelektronika Soviet dalam memilih teknologi. Alasan pertama - sejarah perkembangan Amerika (dan juga, misalnya, Jepang) didokumentasikan dengan baik oleh publikasi dalam jurnal khusus IEEE, arsip yang sekarang didigitalkan, dan mempelajarinya merupakan kesenangan nyata bagi penikmat. Mikroelektronika Soviet telah sangat tertutup sepanjang sejarahnya. Ada beberapa publikasi bahkan di Rusia, belum lagi melaporkan keberhasilan mereka ke seluruh dunia (yang dilakukan, misalnya, dalam fisika dasar). Dan bahkan sedikit yang diterbitkan sekarang sangat sulit ditemukan dan, tentu saja, hanya dalam bentuk kertas, dan bukan dalam bentuk elektronik. Oleh karena itu, omong-omong, secara terpisah mendorong untuk melihat rekan-rekan Rusia saya di konferensi ilmiah internasional dan pameran industri, tidak hanya sebagai tamu, tetapi juga sebagai pembicara. Alasan kedua adalah bahwa sebagian besar waktu mikroelektronika Soviet, meskipun tidak banyak, tertinggal di belakang Amerika dan secara aktif terlibat dalam menyalin perkembangan Barat yang sukses. Terlebih lagi, sejak awal tahun delapan puluhan, ketika hal-hal paling menarik dimulai di dunia, Kementerian Industri Elektronik Uni Soviet secara resmi mengambil langkah untuk meninggalkan desain asli dan membuat salinan sirkuit mikro Amerika - desain dan metode serial, daripada eksperimental, desain dan metode. Mungkin, dalam kondisi sumber daya yang terbatas, ini adalah keputusan yang tepat, tetapi hasilnya adalah peningkatan simpanan (dan bukan teknologi, tetapi ideologis), yang setelah jatuhnya USSR menjadi hampir tidak dapat diubah - sampai pada abad ke dua puluh, mikroelektronika Rusia "dimulai kembali" sebenarnya dari awal.
Akibatnya, meskipun chip GaA derajat integrasi sedang digunakan pada awal tahun sembilan puluhan baik di superkomputer Cray dan di EC-4 EMU, Uni Soviet tidak pernah memiliki prosesor RISC yang memainkan peran penting dalam tahap akhir perjuangan antara CMOS, ESL, dan gallium arsenide. Dari sudut pandang teknologi, pada saat yang sama ketika orang Amerika mengembangkan mikroprosesor kristal tunggal, "Mikron" Zelenograd dimasukkan ke dalam rangkaian produksi seri mikrosklus arsenide-gallium seri K6500, yang meliputi memori hingga 16 kbps, kristal matriks dasar dengan hingga sepuluh ribu katup dan satu set mikroprosesor. dari lima chip - yaitu, kristal kompleks yang sama dengan prosesor Amerika. Tetapi jika McDonnell Douglas, menggunakan JFET yang biasanya tertutup dari kedua jenis konduktivitas, meniru sirkuit GaOS nMOS dan CMOS dengan tujuan meminimalkan konsumsi daya dan menyiapkan landasan untuk meningkatkan tingkat integrasi, maka K6500 sangat cepat (hingga 1 GHz), tetapi jauh lebih kompleks dan berubah-ubah Sirkuit ICL dengan MESFET yang biasanya terbuka (yang membuat hasil yang dicapai dengan tingkat integrasi bahkan lebih mengejutkan).
Pekerjaan pada gallium arsenide berlanjut di Mikron dari tahun 1984 hingga setidaknya sampai tahun 1996, tetapi saya tidak dapat menemukan informasi tentang apa yang terjadi setelah itu. Sekarang semua perkembangan Micron, termasuk yang tahan radiasi dan frekuensi radio, dibuat dari silikon.
Arsenide dan lainnya
Pengembang silikon CMOS untuk keperluan khusus, sementara itu, tidak diam; pada awal tahun sembilan puluhan, menjadi jelas bahwa memberikan ketahanan radiasi pada teknologi CMOS silikon komersial sedikit dimodifikasi tidak jauh lebih sulit daripada pada gallium arsenide yang mahal dan berubah-ubah, yang merampasnya dari keuntungan penting terakhirnya dan terbatas pada ceruk yang sangat sempit dan spesifik - terutama diskrit microwave dan peralatan listrik . Selain itu, bahkan dalam aplikasi ini, sekarang semakin tidak digunakan arsenide, tetapi gallium nitride atau berbagai heterostruktur dengan karakteristik suhu yang lebih baik, mobilitas yang lebih tinggi dan bidang kerusakan besar.
Gambar 9. Perbandingan sifat utama silikon, gallium arsenide dan gallium nitride untuk aplikasi daya dan gelombang mikroNah, Anda bertanya, bisakah gallium nitride membuat VLSI? Sayangnya, gallium nitride juga memiliki mobilitas lubang rendah, dan tidak hanya untuk itu. Hanya indium antimonide yang memiliki mobilitas lubang yang jauh lebih besar daripada silikon, tetapi ia memiliki zona terlarang yang sempit sehingga perangkat yang didasarkan padanya hanya dapat bekerja pada suhu kriogenik.
Jangan salah paham, semikonduktor lain juga dibutuhkan, dan mereka memiliki banyak aplikasi yang berguna. Ketika pada tahun 2000 Komite Nobel akhirnya memutuskan untuk memberikan penghargaan untuk elektronik, Jack Kilby menerima setengah dari hadiah untuk menciptakan sirkuit terintegrasi pertama, dan yang kedua - Zhores Alferov dan Herbert Kremer untuk "mengembangkan struktur semikonduktor yang digunakan dalam sirkuit frekuensi tinggi dan optoelektronika." Sudah sulit membayangkan hidup kita tanpa laser heterostruktur, pasar untuk perangkat daya berbasis gallium nitride dan silikon karbida semakin meningkat pesat (dan pada elektrifikasi kendaraan), penyebaran cepat jaringan 5G yang beroperasi pada frekuensi hingga 39 GHz tidak mungkin dibayangkan tanpa semikonduktor A3B5, tetapi hanya silikon CMOS teknologi ternyata memiliki semua sifat yang diperlukan untuk membuat VLSI komputasi, yang merupakan bagian terbesar dari pasar mikroelektronika dan mengelola semua keragaman yang disebutkan di atas.
Namun, bahkan silikon mikroelektronika jauh lebih luas daripada hanya mikroprosesor kinerja tinggi. Saat ini, TSMC bersamaan dengan commissioning teknologi proses 5 nm meluncurkan pabrik baru dengan standar desain 180 nm pada pelat 200 mm - karena ada permintaan untuk mereka dan itu terus berkembang. Ya, pasar ini jauh lebih kecil daripada pasar chip untuk ponsel, tetapi investasi untuk masuk jauh lebih sederhana. Hal yang sama dapat dikatakan tentang pasar silikon karbida dan galium nitrida. Dan semikonduktor kompleks, microwave, dan elektronik listrik, menurut pendapat saya yang sederhana, dapat menjadi pendorong nyata kebangkitan mikroelektronika Rusia dan masuknya ke pasar dunia. Di bidang ini, kompetensi dan peralatan perusahaan Rusia sangat kuat dan cukup dekat dengan para pemimpin dunia. Semua orang mengetahui 180, 90 dan 65 nm pada Micron, tetapi hanya sedikit yang pernah mendengar tentang 200 nm pada Sumber atau 150 nm pada Mikran. Beberapa orang telah mendengar bahwa pabrik STM di Catania, tempat proses 180 nm di Micron disalin, kini telah sepenuhnya beralih ke produksi silikon karbida, pasar yang seharusnya mencapai tiga miliar dolar dalam lima tahun. STM baru-baru ini membeli produsen substrat SiC untuk memiliki seluruh rantai produksi, dan pada prinsipnya mereka melakukan segalanya untuk menjadi pemimpin di pasar yang sedang tumbuh.
Serap dan taklukkan
Artikel dari akhir tahun delapan puluhan dan awal sembilan puluhan tentang teknologi yang menjanjikan - ESL pada silikon, saling melengkapi dengan JFET pada GaAs, upaya untuk membuat germanium menjadi hebat lagi - hampir selalu berakhir dengan kata-kata βkami menunjukkan prospek besar untuk ide kami, dan secara harfiah beberapa tahun kemudian, ketika teknologi berkembang sedikit lebih dan akan memungkinkan lebih banyak transistor pada chip / konsumsi kurang / hasil persen lebih tinggi, saat itulah kita akan menaklukkan dunia. " Itu hanya kemajuan yang dijanjikan pada uang DARPA tidak pernah datang. Mengapa Karena teknologi chip manufaktur meningkatkan harga dengan setiap pengurangan baru dalam ukuran, dan tidak ada hibah penelitian yang dapat melampaui volume investasi Intel, yang bekerja di pasar konsumen yang besar dan sangat menyadari bahwa kepemimpinan teknologi adalah salah satu kunci kepemimpinan komersial. Itulah sebabnya Intel mengibarkan bendera hukum Moore dan menjadikan diri mereka bertanggung jawab atas implementasinya, setelah semua produsen lain terlibat dalam perlombaan senjata gila yang tidak mampu dilakukan oleh perusahaan kecil dan teknologi lainnya. Akibatnya, Intel memiliki tepat satu pesaing di ceruk komputer pribadi, dan secara umum hanya tiga perusahaan di dunia yang memiliki teknologi di bawah 14 nm - TSMC, Intel dan Samsung. Kita dapat mengatakan bahwa Intel sangat beruntung dulu untuk mulai bekerja dengan transistor MOS, dan tidak dengan ESL, tetapi jika mereka tidak beruntung, orang lain akan beruntung, dan hasilnya akan tetap kurang lebih sama.
Fakta bahwa keunggulan CMOS pada silikon tidak dapat disangkal menjadi jelas pada akhir tahun sembilan puluhan, dan disproporsi sumber daya yang diinvestasikan di dalamnya dan segala sesuatu menjadi sedemikian rupa sehingga alih-alih mengembangkan teknologi baru untuk kebutuhan spesifik, menjadi lebih menguntungkan dan lebih mudah untuk menempelkan elemen bobot yang sesuai dengan CMOS. Teknologi BiKMOP dengan transistor bipolar npn muncul untuk perancang sirkuit analog, memori non-volatile untuk elektronik tertanam, transistor DMOS tegangan tinggi untuk aplikasi daya, substrat SOI untuk suhu tinggi atau kecepatan tinggi, fotodioda terintegrasi untuk optoelektronika. Penggerak penting untuk integrasi opsi tambahan dalam teknologi CMOS adalah konsep sistem pada sebuah chip. Jika sebelumnya perancang sistem memilih sirkuit mikro yang sesuai, berdasarkan seberapa baik mereka mengatasi fungsi target, tidak memperhatikan teknologi manufaktur mereka (dalam kasus terburuk, penerjemah level masih diperlukan, tetapi ini tidak menakutkan), maka dengan peningkatan derajat integrasi ada peluang letakkan semua komponen sistem pada satu chip dan dengan demikian membunuh banyak burung dengan satu batu - meningkatkan kecepatan dan mengurangi konsumsi karena kurangnya kebutuhan untuk memompa kapasitas trek pada papan sirkuit cetak, t chnost oleh unsur-unsur pencocokan yang lebih baik untuk meningkatkan kehandalan dengan mengurangi jumlah titik solder. Tetapi untuk ini, semua bagian sistem harus kompatibel dengan CMOS. Pabrik-pabrik menjawab "apa pun, hanya membayar uang untuk masker tambahan dan opsi teknologi" dan mulai melakukan proses teknis khusus produksi satu per satu. Masker ekstra - mahal dan rumit, tetapi apakah chip harus murah? Dan sekarang buku teks desain analog sudah menulis ulang dari transistor bipolar yang baik dan cepat ke yang buruk dan lambat. Apakah sama sekali tidak ada kecepatan untuk microwave? Akankah kita mencoba gallium arsenide lagi? Tidak, mari kita rentangkan kisi kristal silikon dengan germanium untuk meningkatkan mobilitas elektron secara lokal. Kedengarannya rumit? Tetapi ini kompatibel dengan CMOS! Sebuah mikrokontroler murah dengan memori flash dan ADC pada satu chip terdengar jauh lebih baik daripada yang sama pada tiga chip, bukan? Pemrosesan data digital dan kontrol pada chip yang sama dengan bagian analog dari sistem menjadi pencapaian utama yang memungkinkan mikrokontroler untuk menembus di mana-mana, dari ruang angkasa ke ketel listrik.
Contoh favorit saya dari jenis ini adalah teknologi BCD. BCD adalah Bipolar (untuk bagian analog), CMOS (untuk digital), DMOS (sakelar tegangan tinggi pada chip yang sama dengan logika kontrol). Teknologi semacam itu dapat bekerja dengan voltase hingga 200 Volt (dan terkadang lebih) dan memungkinkan Anda untuk menerapkan pada semua chip yang Anda butuhkan untuk mengendalikan motor listrik atau konversi DC / DC.
Gambar 11. Potongan melintang SOI BCD dengan transistor LDMOS tegangan tinggi dalam saku yang terisolasiTeknologi BCD SOI melengkapi semua hal di atas dengan isolasi elemen dielektrik penuh, yang meningkatkan ketahanan terhadap efek thyristor, isolasi kebisingan, meningkatkan tegangan kerja, memungkinkan Anda untuk dengan mudah menempatkan kunci sisi tinggi pada chip atau, misalnya, bekerja dengan tegangan negatif (diperlukan untuk kunci GaN yang kuat dengan ambang batas di bawah ini) nol volt). Pada chip yang sama, produsen menawarkan untuk menempatkan memori non-volatile, IGBT, dioda Zener ... daftar panjang, Anda dapat memainkan bingo omong kosong di presentasi) Perhatikan kedalaman lapisan silikon: tidak seperti teknologi SOI "biasa", di mana mereka mencoba meminimalkannya untuk menyingkirkan dari bagian bawah saluran dan sumber pn persimpangan dan meningkatkan kecepatan operasi, lapisan silikon dalam BCD sangat dalam, yang membantu memberikan ketahanan yang dapat diterima terhadap pelepasan elektrostatik dan karakteristik termal. Pada saat yang sama, transistor berperilaku persis seperti yang volumetrik, hanya dengan isolasi dielektrik penuh. Selain target audiens dari produsen elektronik otomotif, mereka juga menggunakan ini untuk membuat chip CMOS mereka sendiri yang tidak bertegangan tinggi, tetapi tahan radiasi, misalnya, Milander atau Atmel, mendapatkan keunggulan utama SOI tanpa kekurangan seperti biasanya.
Masa depan CMOS dan alternatifnya
Bahkan ketika hukum Moore mulai pecah karena fakta bahwa pengurangan ukuran transistor silikon mencapai batas fisik, ternyata terus membawa CMOS ke pikiran lebih menguntungkan daripada mencari sesuatu yang secara fundamental baru. Investasi dalam alternatif dan jalur pelarian, tentu saja, diinvestasikan, tetapi upaya utama dilakukan untuk meningkatkan CMOS silikon dan memastikan keberlanjutan pengembangan. Untuk penemuan graphene, Novoselov dan Game diberi Hadiah Nobel hampir sepuluh tahun yang lalu; dan di mana graphene itu? Itu benar, di tempat yang sama di mana karbon nanotube dan semua bahan lain di masa depan, dan silikon sudah mulai diproduksi oleh proses 5 nm, dan semuanya berjalan ke titik yang 3 atau bahkan 2 nm juga akan terjadi. Tentu saja, ini bukan nanometer yang sebenarnya (yang sudah saya tulis di Habr
di sini ), tetapi kepadatan pengepakan terus bertambah; meskipun sangat lambat, itu masih CMOS silikon.
Gambar 12. Transistor Gerbang Sekitar Samsung untuk 5 nm dan di bawah. Langkah selanjutnya dibandingkan dengan FinFET dan jawaban untuk pertanyaan "mengapa tidak mengemas transistor dalam beberapa lapisan?" Semua metode lain telah habis, sekarang giliran beberapa lapisan. Letakkan tujuh transistor ini secara vertikal, kita dapatkan satu nanometer, bukan tujuh!Bahkan silikon oksida, demi yang semuanya awalnya disusun, menjadi korban kemajuan dalam CMOS! Itu digantikan oleh struktur multilayer kompleks berdasarkan hafnium oksida. Germanium mulai ditambahkan ke saluran untuk meningkatkan mobilitas (sudah diuji dalam pengembangan microwave BiKMOS); mereka bahkan mencapai pengujian (untuk saat ini, pengujian) dalam transistor "silikon" saluran tipe-n yang terbuat dari bahan A3B5 (yang memiliki mobilitas elektron tinggi), dan saluran tipe-p - dari Jerman (yang memiliki mobilitas lubang tinggi). Tentang hal-hal kecil seperti mengubah bentuk saluran dari flat menjadi tiga dimensi (FinFET) dan trik pemasaran dengan jumlah standar desain, menulis jumlah yang tidak cukup sudah cukup.
Apa yang menanti kita di masa depan? Di satu sisi, kemajuan teknologi silikon dengan pengenalan litografi EUV dan transistor Gate All Around telah menghabiskan dirinya sendiri; Keterlambatan di balik rencana ITRS dua puluh tahun yang lalu sudah sekitar sepuluh tahun, Intel telah lama meninggalkan "tick-tack" yang terkenal, Globalfoundries dan sepenuhnya menolak untuk jatuh di bawah 14 nm. Biaya satu transistor per chip setidaknya telah melewati standar 28 nm dan sejak itu mulai tumbuh. Dan yang paling penting, target pasar telah berubah. Selama bertahun-tahun, pendorong pengurangan standar desain adalah pasar komputer pribadi, kemudian komputer pribadi berubah menjadi ponsel (sekitar saat ini TSMC dan Samsung menyusul Intel). Tetapi sekarang pasar ponsel berada dalam resesi dan stagnasi. Ada harapan jangka pendek untuk chip untuk penambangan, tetapi tampaknya tidak dapat dibenarkan.
Pembuat chip favorit baru adalah Internet untuk berbagai hal. Memang, pasarnya besar, tumbuh cepat dan dengan prospek jangka panjang yang bagus. Dan yang paling penting - untuk Internet hal-hal, kinerja dan jumlah elemen pada sebuah chip bukanlah keunggulan kompetitif yang kritis, tetapi konsumsi daya yang rendah dan biaya rendah. Ini berarti bahwa alasan utama untuk mengurangi standar desain telah menghilang, tetapi ada alasan untuk mengoptimalkan teknologi untuk tugas-tugas tertentu. Kedengarannya menarik, bukan? Sesuatu seperti ... siaran pers Globalfoundries tentang penghentian kerja pada 7 nm dan konsentrasi pada 14/12 dan 28/22 nm FDSOI. Selain itu, kenaikan harga teknologi baru, dikombinasikan dengan persaingan harga yang sengit, telah membuat produsen chip tidak terburu-buru untuk beralih ke standar desain baru hanya karena mereka bisa, tetapi tetap pada yang lama selama itu wajar untuk dilakukan, serta mengintegrasikan heterogen chip - tapi sekarang tidak di papan, tetapi di dalam kasing. "System on a chip" digantikan oleh "system in a case" (Saya sudah
menulis lebih banyak tentang ini secara
detail ). Munculnya sistem dalam case dan Internet of things, antara lain, memberikan peluang baru untuk semikonduktor yang kompleks, karena menempatkan chip gallium arsenide dalam satu case dengan silikon tidak mengganggu lagi, dan kebutuhan akan jalur radio dalam sistem untuk Internet of things cukup jelas. Hal yang sama berlaku untuk berbagai perangkat optik, MEMS, sensor - dan secara umum semua yang ada dalam mikroelektronika selain CMOS pada silikon
Jadi prediksi saya mengenai pengembangan CMOS lebih lanjut dari teknologi silikon dan penggantinya adalah bahwa kita akan melihat perlambatan radikal yang sedang berlangsung, hingga berhenti total - sama seperti tidak perlu - dan kita tidak akan melihat sesuatu yang secara fundamental baru dalam produksi massal (carbon nanotube, graphene, logika memristor) - lagi, tidak perlu. Namun tidak diragukan lagi, penggunaan bagasi teknologi yang ada akan lebih luas. , , , . , : TSMC 15 200 , Globalfoundries 180 BCD . , . , , .