O primeiro transistor foi bipolar e germânio, mas a grande maioria dos circuitos integrados modernos são feitos de silício usando a tecnologia CMOS (óxido-metal-semicondutor complementar). Como o silício acabou sendo o principal de muitos semicondutores conhecidos? Por que a tecnologia CMOS se tornou quase exclusiva? Os processadores estavam em outras tecnologias? O que nos espera no futuro próximo, porque o limite físico de miniaturização dos transistores MOS é realmente atingido?
Se você quiser saber as respostas para todas essas perguntas - bem-vindo ao gato. A pedido dos leitores dos artigos anteriores, aviso: há muito texto, durante meia hora.
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No pátio da virada de 1947 e 1948, John Bardin e Walter Brattain, liderados por William Shockley no The Bell Labs, estudam a distribuição de campo em diodos de germânio e descobrem acidentalmente um efeito de transistor. E embora a utilidade potencial da descoberta parecesse óbvia (no entanto, as lendas urbanas dizem que a descoberta foi desclassificada depois que os especialistas militares não viram nenhum uso prático nela), o primeiro transistor ficou assim:
Figura 2. Réplica do primeiro transistorNão é muito parecido com um dispositivo adequado para produção industrial, certo? Foram necessários dois anos para tornar um transistor bipolar ponto a ponto caprichoso mais conveniente para fabricar a partir de junções pn, após o qual foram contados os dias (bem, não dias, mas anos) de tubos de elétrons em equipamentos eletrônicos de massa.
Dos três descobridores do transistor, é verdade que apenas Shockley continuou trabalhando neles, que pouco tinham a ver com o trabalho original (porque ele era um teórico e chefe, e não um pesquisador), mas ele ganhou toda a fama e, assim, brigou com Bardin e Brattein que eles nunca mais lidaram com microeletrônica. Brattain estudou eletroquímica e Bardin - supercondutividade, pelo qual recebeu o segundo Prêmio Nobel, tornando-se a única pessoa na história que tem dois prêmios em física.
Shockley, tendo terminado com sucesso sua equipe de pesquisa com suas ambições, deixou a Bell Labs e criou seu próprio Shockley Semiconductor Laboratory. O clima de trabalho, no entanto, também deixou muito a desejar, o que levou ao surgimento dos famosos "oito traidores", que fugiram de Shockley e fundaram a Fairchild Semiconductor, que, por sua vez, tornou-se mãe do que hoje conhecemos como "Vale do Silício" - incluindo empresas como Intel, AMD e Intersil.
Figura 3. Fairchildren - Empresas fundadas por Fairchild
O próprio Shockley nunca se recuperou da traição ao G8 e rolou ladeira abaixo: foi demitido de sua própria empresa, levado pelo racismo e pela eugenia, tornou-se um pária na comunidade científica e morreu, esquecido. Até seus filhos aprenderam sobre a morte nos jornais.Antes do início
A história da descoberta do transistor é amplamente conhecida e muito descrita. É muito menos conhecido que o
primeiro pedido de patente para um transistor não foi registrado em 1947, mas vinte e tantos anos antes, em 1925, por um americano de origem austro-húngara, Julius Lilienfeld. Nesse caso, diferentemente do transistor bipolar de 1947, os dispositivos descritos nas patentes de Lilienfeld eram de campo: na patente recebida em 1930, o MESFET com um obturador de metal e na patente de 1933 - MOSFET, quase a mesma que a conhecemos. agora Lilienfeld pretendia usar alumínio e alumina de porta como um dielétrico de porta.
Infelizmente, o nível de desenvolvimento tecnológico da época não permitiu que Lilienfeld realizasse suas idéias em protótipos, mas os experimentos realizados por Shockley em 1948 (já sozinhos) mostraram que as patentes de Lilienfeld descreviam dispositivos fundamentalmente operáveis. Na verdade, todo o trabalho do grupo Shockley sobre as propriedades dos diodos, que levou à invenção aleatória de um transistor bipolar, fazia parte da pesquisa sobre a criação de um transistor de efeito de campo, muito mais semelhante em propriedades aos tubos de vácuo e, portanto, mais compreensível para os físicos daqueles anos. No entanto, apesar da confirmação bem-sucedida da viabilidade das idéias de Lilienfeld, em 1948 ainda não havia tecnologia para a produção estável de filmes finos de dielétricos isentos de defeitos, enquanto um transistor bipolar mostrou-se bastante mais tecnologicamente avançado e comercialmente promissor. Os transistores MOS foram arquivados e os dispositivos bipolares iniciaram uma procissão triunfal no planeta.
Um momento de terminologiaUm transistor bipolar ou transistor bipolar é um transistor no qual são necessários os dois tipos de portadores de carga, elétrons e orifícios, e é controlado pela corrente base (multiplicando-o pelo ganho do transistor). Geralmente feito usando junções pn ou heterojunções, embora o primeiro transistor, embora fosse bipolar, não era um transistor de junção. Um acrônimo popular em inglês é BJT, transistor de junção bipolar.
Para transistores em heterojunções (transições entre diferentes materiais, por exemplo, arseneto de gálio e aluminitreto de gálio), é usada a sigla HBT (transistor bipolar de heterojunção).
Um transistor unipolar ou de efeito de campo, também conhecido como Transistor de efeito de campo ou FET, é um transistor cuja operação é baseada no efeito de campo e requer apenas um tipo de transportador de carga. O transistor de efeito de campo possui um canal controlado pela tensão aplicada ao portão. Transistores de efeito de campo são algumas variedades.
O MOSFET ou MOSFET usual é um transistor com uma porta isolada do canal por meio de um dielétrico, geralmente óxido, que é uma estrutura de Metal-Óxido-Semicondutor. Se não for utilizado óxido, eles podem ser chamados MISFET (I - Isolador) ou MDPT (D - Dielétrico).
JFET (Junção J) ou transistor com uma junção pn de controle. Nesse transistor, o campo que bloqueia o canal é criado aplicando tensão à junção pn de controle.
Um transistor de efeito de campo Schottky (PTSh) ou MESFET (ME - Metal) é um tipo de JFET que usa não uma junção pn como controle, mas uma barreira Schottky (entre um semicondutor e um metal), que possui uma queda de tensão mais baixa e uma velocidade operacional mais alta.
HEMT (Transistor de alta mobilidade eletrônica) ou transistor com alta mobilidade eletrônica - um análogo do JFET e MESFET, usando uma heterojunção. Esses transistores são os mais populares em semicondutores complexos.Figura 4. BJT, MOSFET, JFETGermânio
O primeiro transistor foi germânio, mas tecnólogos de diferentes empresas rapidamente mudaram para o silício. Isso ocorreu devido ao fato de que o germânio puro é realmente pouco adequado para aplicações eletrônicas (embora os transistores de germânio ainda sejam usados em equipamentos de corte antigos). As vantagens do germânio incluem a alta mobilidade de elétrons e, mais importante, os orifícios, bem como a tensão de liberação das junções pn de 0,3 V versus 0,7 V para silício, embora o segundo possa ser nivelado usando transições Schottky (como foi feito na lógica TTLS) . Mas, devido ao menor intervalo de banda (0,67 versus 1,14 eV), os diodos de germânio têm grandes correntes reversas que crescem fortemente com a temperatura, o que limita a faixa de temperatura de aplicabilidade dos circuitos de germânio e a potência permitida (a influência das correntes reversas nos pequenos é grande demais, em grande escala). interferir no auto-aquecimento). Para superar os problemas de temperatura da Alemanha, sua condutividade térmica é muito menor que a do silício, ou seja, é mais difícil remover o calor de transistores poderosos.
Mesmo no período inicial da história da eletrônica semicondutora, os dispositivos de germânio tiveram grandes problemas de rendimento devido à dificuldade de obter germânio cristalino puro, sem deslocamentos da estrutura de parafuso e baixa qualidade da superfície, ao contrário do silício, que não é protegido de influências externas por óxido. Mais precisamente, o germânio possui um óxido, mas sua estrutura cristalina coincide com a estrutura do germânio puro muito pior que o silício, o que leva à formação de um número inaceitavelmente grande de defeitos na superfície. Esses defeitos reduzem seriamente a mobilidade dos portadores de carga, negando a principal vantagem do germânio sobre o silício. E ainda por cima, o óxido de germânio reage com a água - durante o processo de fabricação do chip e durante a operação. No entanto, o restante dos semicondutores teve ainda menos sorte e não possui óxido.
Tentando resolver o problema de uma superfície pobre de germânio, que impedia a fabricação do transistor de efeito de campo, Shockley teve a idéia de remover o canal na profundidade do semicondutor. Portanto, havia um transistor de efeito de campo com uma junção pn de controle, também conhecida como JFET. Esses transistores rapidamente encontraram seu lugar em circuitos analógicos - em primeiro lugar, devido à corrente de entrada muito pequena (em comparação aos transistores bipolares) e às boas características de ruído. Essa combinação faz do JFET uma excelente opção para o estágio de entrada do amplificador operacional - o que pode ser observado, por exemplo,
neste artigo de Ken Shirrif. Além disso, quando, em vez de componentes separados, eles começaram a fazer circuitos integrados, os JFETs são muito bem compatíveis com a tecnologia bipolar (eu até fiz um JFET a partir de um transistor bipolar na figura acima) e eles se tornaram um local comum nos processos de fabricação bipolar analógicos. Mas tudo isso já estava em silício, e o germânio permaneceu esquecido por muitos anos, até que chegou a hora de fortalecer a posição do silício em vez de lutar com ele. Mas mais sobre isso mais tarde.
Transistores de efeito de campo
E os transistores MOS? Parece que eles foram esquecidos por quase uma década em conexão com o rápido progresso das contrapartes bipolares que eles desenvolveram. Do mesmo modo, em 1959, o Bell Labs, o primeiro transistor MOS em funcionamento foi criado por Devon Kang e Martin Attala. Por um lado, ele percebeu quase diretamente a idéia de Lilienfeld e, por outro, imediatamente se mostrou quase idêntico a muitas gerações seguintes de transistores que usam óxido de silício como um dielétrico de porta. Infelizmente, a Bell Labs não reconheceu o potencial comercial da invenção: o protótipo era significativamente mais lento que os transistores bipolares da época. Mas o potencial da novidade foi reconhecido pela Radio Corporation of America (RCA) e Fairchild, e já em 1964, os transistores MOS chegaram ao mercado. Eles eram mais lentos que os bipolares, eram mais amplificados, barulhentos e muito afetados pela descarga eletrostática, mas tinham corrente de entrada zero, baixa resistência de saída e excelentes recursos de comutação. Não é tanto, mas foi apenas o começo de uma jornada muito longa.
Lógica bipolar e RISC
Nos estágios iniciais do desenvolvimento da eletrônica semicondutora, predominavam as aplicações analógicas e de radiofrequência: a palavra "transistor" por um longo tempo significou não apenas o transistor em si, mas também um receptor de rádio com base nele. Os computadores digitais baseados em microcircuitos contendo um ou dois portões eram enormes (embora não pudessem ser comparados com os de lâmpadas); portanto, houve até tentativas de fazer os cálculos de maneira análoga - é bom implementar integração ou diferenciação com apenas um amplificador operacional em vez de uma dispersão completa de chips digitais . Mas a computação digital se mostrou mais conveniente e prática, como resultado do início da era dos computadores eletrônicos digitais, que continua até hoje (embora a computação quântica e as redes neurais já tenham alcançado um sucesso significativo).
A principal vantagem da tecnologia MOS da época era a simplicidade (lembro-me que até os anos 80, cada empresa microeletrônica tinha que organizar sua própria produção): para implementar o circuito n-MOS ou p-MOS mais simples, são necessárias apenas quatro fotolitografias para o CMOS - seis e para um circuito litográfico bipolar, sete são necessários para um tipo de transistor, e um controle mais preciso da difusão e, idealmente, da epitaxia ainda são necessários. A gordura menos foi a velocidade: os transistores MOS perderam em comparação com o bipolar e o JFET mais do que uma ordem de magnitude. No momento em que o CMOS permitia atingir uma frequência de 5 MHz, 100-200 podiam ser feitos no ESL. Não há necessidade de falar sobre aplicações analógicas - os transistores MOS são muito pouco adequados para eles devido a baixas velocidades e baixo ganho, enquanto um circuito bipolar com entradas JFET pode fornecer quase todas as solicitações do projetista.
Embora o grau de integração dos microcircuitos fosse pequeno e ninguém considerasse particularmente o consumo de energia, a vantagem da lógica acoplada por emissor (ESL) para aplicações de alto desempenho era óbvia, mas a tecnologia MOS possuía trunfos na manga, que tocavam um pouco mais tarde. Nos anos sessenta, setenta e oitenta, os processos de fabricação MOS e bipolar se desenvolveram em paralelo, com o MOS usado exclusivamente para circuitos digitais e a tecnologia bipolar foi usada tanto para circuitos analógicos quanto para lógica baseada nas famílias TTL (transistor-transistor logic, TTL) e ESL.
Figura 5. O Cray-1, o primeiro supercomputador Seymour Cray, apresentado ao público em 1975, pesava 5,5 toneladas, consumia 115 kW de energia e tinha capacidade de 160 MFLOPS a 80 MHz. Foi construído em quatro tipos de circuitos ECL discretos e continha cerca de 200 mil válvulas. O chip no qual a lógica foi construída é o Fairchild 11C01, uma válvula dupla que contém os elementos 4 ILINE e 5 ILINE e consome 25-30 mA de corrente quando alimentado por -5,2 V.Figura 6. Elemento lógico 2INE em TTL e 2OR / ILINE em ESLPreste atenção ao fato de que o elemento lógico ESL é apenas um amplificador de feedback, construído de tal maneira que os transistores chaveadores estão sempre no modo linear "rápido" e nunca caem no modo de saturação "lento". A taxa pela velocidade é a corrente que flui continuamente pelo circuito, independentemente da frequência de operação e do estado das entradas e saídas. É engraçado, mas eles começaram a tentar usar essa desvantagem há algum tempo como uma vantagem: devido à constância do consumo atual, os circuitos criptográficos nos ESLs são muito mais resistentes ao hacking ao “ouvir” o consumo atual do que o CMOS, onde o consumo atual é proporcional ao número de válvulas trocadas em um determinado momento . Se substituirmos transistores bipolares por transistores de efeito de campo (JFET ou MESFET), obteremos a ISL - lógica relacionada à fonte, que também encontrou sua aplicação em semicondutores complexos na época.
Uma vantagem óbvia da lógica nMOS ou pMOS é a simplicidade de fabricação e o pequeno número de transistores, o que significa uma pequena área e a capacidade de colocar mais elementos no chip. Para comparação: o elemento 2INE ou 2ILINE no nMOS / pMOS consiste em três elementos, no CMOS - quatro. No TTL, esses elementos contêm 4-6 transistores, 1-3 diodos e 4-5 resistores. Nos transistores ESL - 4 e 4 resistores (enquanto no ESL, é conveniente executar OR e NOR, e é inconveniente para AND e NAND). Preste atenção, a propósito, que todos os transistores no circuito dos elementos TTL e ESL são npn. Isso ocorre porque criar um transistor pnp em um substrato p é mais complicado que npn e sua estrutura é diferente - diferentemente da tecnologia CMOS, onde os transistores dos dois tipos são quase os mesmos. Além disso, o pMOS e o pnp bipolar, trabalhando às custas dos furos, são mais lentos do que seus equivalentes “eletrônicos” e, portanto, na lógica bipolar, cujo objetivo principal era a velocidade, eles não estavam em desacordo.
A segunda vantagem importante da tecnologia MOS, que se manifestou totalmente durante a transição para o CMOS e determinou amplamente o domínio dessa tecnologia, é o baixo consumo de energia. A válvula CMOS consome energia apenas durante o processo de comutação e não possui consumo de energia estática (para tecnologias modernas, não é assim, mas omitimos em particular). A corrente de operação típica da válvula ESL é de 100 μA a 1 mA (0,5-5 mW alimentado por 5,2 V). Multiplicando esse número, digamos, os bilhões de portas que compõem os modernos processadores Intel, obtemos MegaWatt ... Na verdade, o consumo de Cray-1 que você viu acima. No entanto, na década de oitenta, geralmente era uma questão de milhares ou dezenas de milhares de válvulas, o que, em teoria, tornava possível manter dentro de um orçamento razoável de energia, mesmo na lógica bipolar. Na prática, no entanto, várias vezes o número de válvulas CMOS que consumiram menos energia e se tornaram muito mais rápidas com a diminuição dos padrões de projeto foi colocado na mesma área de cristal (a lei de Moore trabalhava com força e força).
O Intel 8008 (1972), usando a tecnologia pMOS de dez mícrons, trabalhava a uma frequência de 500 kHz (versus 80 MHz no sistema Cray-1 muito mais complexo), o Intel 8086 (1979), usando o nMOS de três mícrons e o CMOS posterior, acelerado para 10 MHz, e o 80486 original 1989) - até 50 MHz.
O que fez os designers continuarem experimentando projetos bipolares, apesar da rápida redução na diferença entre eles e o CMOS, e apesar do consumo de energia? A resposta é simples - velocidade. No início dos tempos, uma enorme vantagem adicional da ESL era a perda mínima de desempenho ao trabalhar em grandes cargas capacitivas ou longas filas - ou seja, a montagem de muitos edifícios com lógica ESL era muito mais rápida que a montagem no CMOS ou TTL. Um aumento no grau de integração permitiu que o CMOS superasse parcialmente essa desvantagem, os sistemas de computadores ainda eram com vários chips e cada saída do sinal fora do cristal (por exemplo, para um cache externo) atrasava tudo. As portas bipolares, mesmo no final dos anos 80, ainda eram significativamente mais rápidas, por exemplo, devido às diferenças de tensão várias vezes menores entre um zero lógico e uma unidade lógica - 600-800 mV em ESL versus 5 V em CMOS, e isso ocorre em condições em que os tamanhos de transistores em tecnologias bipolares já começaram a ficar para trás do 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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Até agora, o artigo falava sobre os sucessos e fracassos das empresas americanas, mas não apenas nos Estados Unidos era a microeletrônica, certo? Infelizmente, você pode contar um pouco sobre o difícil caminho da microeletrônica soviética na escolha de tecnologias. A primeira razão - a história dos desenvolvimentos americanos (bem como, por exemplo, japoneses) está bem documentada por publicações em revistas especializadas do IEEE, cujo arquivo agora é digitalizado, e estudá-las é um verdadeiro prazer para o conhecedor. A microeletrônica soviética foi extremamente fechada ao longo de sua história. Havia poucas publicações, mesmo em russo, sem mencionar os relatórios de seus sucessos para o mundo inteiro (o que foi feito, por exemplo, na física fundamental). E mesmo o pouco que foi publicado agora é muito difícil de encontrar e, é claro, apenas em papel, e não em formato eletrônico. Portanto, a propósito, é separadamente encorajador ver meus colegas russos em conferências científicas internacionais e exposições industriais, não apenas como convidados, mas também como oradores. A segunda razão é que, na maioria das vezes, a microeletrônica soviética, embora não muito, ficou para trás dos americanos e estava ativamente envolvida em copiar desenvolvimentos ocidentais de sucesso. Além disso, desde o início dos anos 80, quando as coisas mais interessantes começaram no mundo, o Ministério da Indústria Eletrônica da URSS tomou oficialmente um curso para abandonar projetos originais e fazer cópias de microcircuitos americanos - projetos e métodos seriais, e não experimentais. Talvez, nas condições de recursos limitados, essa tenha sido a decisão certa, mas o resultado tenha sido um aumento no atraso (e não tecnológico, mas ideológico), que após o colapso da URSS se tornou praticamente irreversível - até que no século XXI a microeletrônica russa foi "reiniciada" na verdade, a partir do zero.
Como resultado, embora os chips GaAs de médio grau de integração tenham sido usados no início dos anos 90, tanto nos supercomputadores Cray quanto nas EMU EC-4, a URSS nunca teve processadores RISC que desempenharam um papel importante nos estágios finais da luta entre CMOS, ESL e arseneto de gálio. Do ponto de vista tecnológico, ao mesmo tempo em que os americanos estavam desenvolvendo microprocessadores de cristal único, o Zelenograd “Micron” colocou em produção em série a série de microcircuitos de arseneto-gálio K6500, que incluía memória de até 16 kbps, cristais de matriz base com até dez mil válvulas e um conjunto de microprocessadores de cinco chips - ou seja, os mesmos cristais complexos dos processadores americanos. Mas se McDonnell Douglas, usando JFETs normalmente fechados dos dois tipos de condutividade, imitava os circuitos GaOS nMOS e CMOS com o objetivo de minimizar o consumo de energia e preparar o terreno para aumentar o grau de integração, o K6500 era muito rápido (até 1 GHz), mas muito mais complexo e caprichoso Circuitos ICL com MESFETs normalmente abertos (o que torna os resultados alcançados pelo grau de integração ainda mais surpreendentes).
O trabalho com arseneto de gálio continuou em Mikron de 1984 até pelo menos até 1996, mas não consegui encontrar nenhuma informação sobre o que aconteceu depois disso. Agora, todos os desenvolvimentos da Micron, incluindo resistentes à radiação e radiofrequência, são feitos em silício.
Arseneto e outros
Enquanto isso, os desenvolvedores de circuitos especiais CMOS de silício não pararam; no início dos anos 90, ficou claro que fornecer resistência à radiação na tecnologia CMOS de silício comercial levemente modificada não é muito mais difícil do que no arseneto de gálio caro e caprichoso, que o privou de sua última vantagem importante e o limitou a nichos muito estreitos e específicos - principalmente micro-ondas e dispositivos de energia discretos . Além disso, mesmo nessas aplicações, agora não é mais utilizado arseneto, mas nitreto de gálio ou várias heteroestruturas com melhores características de temperatura, maior mobilidade e um grande campo de avaria.
Figura 9. Comparação das principais propriedades do silício, arseneto de gálio e nitreto de gálio para aplicações de energia e microondasBem, você pergunta, o nitreto de gálio pode produzir VLSI? Infelizmente, o nitreto de gálio também possui baixa mobilidade dos furos, e não apenas por isso. Somente o antimoneto de índio tem uma mobilidade de buraco radicalmente maior que o silício, mas possui uma zona proibida tão estreita que os dispositivos baseados nele podem funcionar apenas em temperaturas criogênicas.
Não me interpretem mal, também são necessários outros semicondutores e eles têm muitos aplicativos úteis. Quando, em 2000, o Comitê Nobel finalmente decidiu dar um prêmio por produtos eletrônicos, Jack Kilby recebeu metade do prêmio por criar o primeiro circuito integrado e o segundo - Zhores Alferov e Herbert Kremer por "desenvolver heteroestruturas semicondutoras usadas em circuitos de alta frequência e optoeletrônicos". Já é difícil imaginar nossa vida sem lasers de heteroestrutura, os mercados de dispositivos de energia de nitreto de gálio e carboneto de silício estão crescendo aos trancos e barrancos (e eletrificação de veículos), a rápida implantação de redes 5G operando em frequências de até 39 GHz é impossível de imaginar sem semicondutores A3B5, mas apenas A tecnologia CMOS de silício revelou ter todas as propriedades necessárias para criar VLSIs computacionais, que constituem a maior parte do mercado de microeletrônica e gerenciam toda a diversidade mencionada acima.
No entanto, até a microeletrônica de silício é muito mais ampla do que apenas os microprocessadores de alto desempenho. No momento, a TSMC simultaneamente com o comissionamento da tecnologia de processo de 5 nm está lançando uma nova fábrica com padrões de design de 180 nm em chapas de 200 mm - porque há uma demanda por elas e está crescendo constantemente. Sim, esse mercado é muito menor que o mercado de chips para celulares, mas o investimento para entrada é muito mais modesto. O mesmo pode ser dito sobre os mercados de carboneto de silício e nitreto de gálio. E são precisamente semicondutores complexos, microondas e eletrônica de potência, na minha humilde opinião, que podem se tornar um verdadeiro impulsionador do renascimento da microeletrônica russa e de sua entrada no mercado mundial. Nessas áreas, as competências e os equipamentos das empresas russas são muito fortes e bastante próximos dos líderes mundiais. Todo mundo está ciente de 180, 90 e 65 nm no Micron, mas poucos ouviram falar de 200 nm na Fonte ou 150 nm no Mikran. Poucas pessoas ouviram dizer que a fábrica da STM em Catania, da qual foi copiado o processo de 180 nm na Micron, agora mudou completamente para a produção de carboneto de silício, cujo mercado deve atingir três bilhões de dólares em cinco anos. A STM comprou recentemente o fabricante de substratos SiC para possuir toda a cadeia de produção e, em princípio, está fazendo de tudo para se tornar líder no crescente mercado.
Absorver e conquistar
Os artigos do final dos anos 80 e início dos anos 90 sobre tecnologias promissoras - ESL em silício, complementares ao JFET em GaAs, tentam tornar o germânio ótimo novamente - terminam quase sempre com as palavras “mostramos grandes perspectivas para nossa ideia e, literalmente, alguns anos depois, quando as tecnologias se desenvolvem um pouco mais e permitirá mais transistores em um chip / menos consumo / maior porcentagem de rendimento, é quando conquistaremos o mundo. ” Esse é apenas o progresso prometido no dinheiro que a DARPA nunca chegou. Porque Como a tecnologia dos chips de fabricação aumenta de preço a cada nova redução de tamanho, e nenhuma bolsa de pesquisa pode superar o volume de investimentos da Intel, trabalhando no enorme mercado consumidor e ciente de que a liderança tecnológica é uma das chaves da liderança comercial. É por isso que a Intel levantou a bandeira da lei de Moore e se responsabilizou por sua implementação, após o que todos os outros fabricantes se envolveram em uma corrida armamentista louca que pequenas empresas e outras tecnologias previsivelmente não podiam pagar. Como resultado, a Intel possui exatamente um concorrente no nicho de computadores pessoais e, em geral, apenas três empresas no mundo possuem tecnologias abaixo de 14 nm - TSMC, Intel e Samsung. Podemos dizer que a Intel teve muita sorte, há muito tempo, de começar a trabalhar com transistores MOS, e não com ESL, mas se eles não tivessem sorte, alguém teria sorte e o resultado permaneceria aproximadamente o mesmo.
O fato de a vantagem do CMOS no silício ser inegável tornou-se evidente no final dos anos 90, e a desproporção dos recursos investidos nele e tudo o mais tornou-se tal que, em vez de desenvolver novas tecnologias para necessidades específicas, tornou-se mais rentável e mais fácil anexar os elementos de ponderação correspondentes ao CMOS. A tecnologia BiKMOP com transistores bipolares de npn apareceu para projetistas de circuitos analógicos, memória não volátil para eletrônicos incorporados, transistores DMOS de alta tensão para aplicações de energia, substratos SOI para altas temperaturas ou altas velocidades, fotodiodos integrados para optoeletrônica. Um fator importante para a integração de opções adicionais na tecnologia CMOS foi o conceito de sistema em um chip. Se anteriormente, o projetista do sistema escolheu os microcircuitos apropriados, com base em como eles lidam com as funções de destino, não prestando atenção à tecnologia de sua fabricação (na pior das hipóteses, ainda eram necessários tradutores de nível, mas isso não é assustador), e com o grau de integração da oportunidade coloque todos os componentes do sistema em um chip e, assim, mate muitos pássaros com uma pedra - aumente a velocidade e reduz o consumo devido à falta de necessidade de bombear as capacidades das trilhas em uma placa de circuito impresso, aumente t chnost por melhores elementos correspondentes para aumentar a fiabilidade através da redução do número de pontos de solda. Mas, para isso, todas as partes do sistema precisavam ser compatíveis com CMOS. As fábricas responderam a isso “qualquer coisa, apenas pague dinheiro por máscaras adicionais e opções de tecnologia” e começaram a colocar em produção processos técnicos especializados, um por um. Máscaras extras - caras e complicadas, mas o chip deve ser barato? E agora os livros didáticos de design analógico já estão reescrevendo desde transistores bipolares bons e rápidos até transistores de campo ruim e lento. Não existe absolutamente nenhuma velocidade para o microondas? Vamos tentar o arseneto de gálio novamente? Não, vamos esticar a estrutura de cristal de silício com germânio para aumentar localmente a mobilidade eletrônica. Parece complicado? Mas é compatível com CMOS! Um microcontrolador barato com memória flash e um ADC em um único chip soa muito melhor do que o mesmo em três chips, certo? O processamento e controle de dados digitais no mesmo chip da parte analógica do sistema se tornou uma conquista importante que permitiu aos microcontroladores penetrarem em todos os lugares, do espaço profundo à chaleira elétrica.
Meu exemplo favorito desse tipo é a tecnologia BCD. BCD é bipolar (para a parte analógica), CMOS (para digital), DMOS (comutadores de alta tensão no mesmo chip que a lógica de controle). Essas tecnologias podem trabalhar com tensões de até 200 Volts (e às vezes mais) e permitem implementar em um único chip tudo o que você precisa para controlar motores elétricos ou conversão CC / CC.
Figura 11. BCD SOI de seção transversal com transistor LDMOS de alta tensão em um bolso isoladoA tecnologia BCD SOI complementa todos os itens acima com isolamento dielétrico completo dos elementos, o que melhora a resistência ao efeito do tiristor, o isolamento de ruído, aumenta a tensão operacional, permite colocar facilmente teclas do lado alto no chip ou, por exemplo, trabalhar com tensões negativas (necessárias para chaves GaN poderosas com um limite abaixo volt zero). No mesmo chip, os fabricantes propõem a colocação de memória não volátil, IGBT, diodos Zener ... a lista é longa, você pode jogar bingo de merda em apresentações) Preste atenção à profundidade da camada de silício: ao contrário das tecnologias SOI "comuns", onde elas tentam minimizá-la para se livrar a partir do fundo das junções pn de dreno e fonte e aumentar a velocidade da operação, a camada de silício no BCD é muito profunda, o que ajuda a fornecer resistência aceitável à descarga eletrostática e às características térmicas. Ao mesmo tempo, os transistores se comportam exatamente como os volumétricos, apenas com isolamento dielétrico total. Além do público-alvo dos fabricantes de eletrônicos automotivos, eles também usam isso para criar seus chips CMOS não resistentes a alta voltagem, mas resistentes a radiações, como Milander ou Atmel, obtendo a principal vantagem do SOI sem as deficiências usuais.
O futuro do CMOS e alternativas
Mesmo quando a lei de Moore começou a violar devido ao fato de que a redução no tamanho dos transistores de silício atingiu limites físicos, verificou-se que continuar trazendo à mente o CMOS é mais lucrativo do que procurar algo fundamentalmente novo. Os investimentos em alternativas e rotas de fuga foram, é claro, investidos, mas os principais esforços foram lançados para melhorar o CMOS de silício e garantir a continuidade dos desenvolvimentos. Pela descoberta do grafeno, Novoselov e Game receberam o Prêmio Nobel quase dez anos atrás; e onde está esse grafeno? É isso mesmo, no mesmo lugar em que os nanotubos de carbono e todos os outros materiais do futuro e o silício já começaram a produção pelo processo de 5 nm, e tudo chega ao ponto de que 3 ou mesmo 2 nm também estarão. Obviamente, esses nanômetros não são bem reais (sobre os quais eu já escrevi no Habr
aqui ), mas a densidade de empacotamento continua a crescer; apesar de muito lento, ainda é um CMOS de silicone.
Figura 12. Transistores Gate All Around Samsung para 5 nm e abaixo. O próximo passo em comparação com o FinFET e a resposta à pergunta "por que não embalar transistores em várias camadas?" Todos os outros métodos foram esgotados, agora é a vez de várias camadas. Coloque sete desses transistores verticalmente, obtemos um nanômetro em vez de sete!Até o óxido de silício, para o qual tudo foi originalmente concebido, foi vítima do progresso no CMOS! Foi substituído por estruturas complexas de múltiplas camadas baseadas em óxido de háfnio. O germânio começou a ser adicionado ao canal para aumentar a mobilidade (já testado nos desenvolvimentos para o microondas BiKMOS); até vá ao ponto de testar (até agora apenas testes) em transistores de “silício”, um canal do tipo n de materiais A3B5 (que possuem alta mobilidade eletrônica) e um canal do tipo p da Alemanha (que possui alta mobilidade do orifício). Sobre pequenas coisas como mudar a forma do canal de plana para tridimensional (FinFET) e truques de marketing com o número de padrões de design, escrever não é suficiente.
O que nos espera no futuro? Por um lado, o progresso da tecnologia de silício com a introdução da litografia EUV e dos transistores Gate All Around já se esgotou; O atraso nos planos da ITRS, há vinte anos, já é de dez anos, a Intel há muito abandonou seu famoso "tick-tack", Globalfoundries, e se recusou completamente a cair abaixo de 14 nm. O custo de um transistor por chip passou pelo menos nos padrões de 28 nm e, desde então, começou a crescer. E o mais importante, os mercados-alvo mudaram. Por muitos anos, o fator que levou à redução dos padrões de design foi o mercado de computadores pessoais, depois os computadores pessoais mudaram para telefones celulares (nessa época, a TSMC e a Samsung alcançaram a Intel). Mas agora o mercado de celulares está em recessão e estagnação. Havia uma esperança de curto prazo para chips para mineração, mas isso não parece ser justificado.
O novo fabricante de chips favorito é a Internet das coisas. De fato, o mercado é grande, de rápido crescimento e com boas perspectivas de longo prazo. E o mais importante - para a Internet, desempenho e número de elementos em um chip não são vantagens competitivas críticas, mas baixo consumo de energia e baixo custo. Isso significa que o principal motivo para reduzir os padrões de design desapareceu, mas existem motivos para otimizar a tecnologia para tarefas específicas. Parece interessante, não é? Algo como ... um comunicado de imprensa da Globalfoundries sobre a interrupção do trabalho em 7 nm e a concentração em 14/12 e 28/22 nm de FDSOI. Além disso, o aumento do preço das novas tecnologias, combinado com a feroz concorrência de preços, levou os fabricantes de chips a não ter pressa de mudar para novos padrões de design simplesmente porque eles podem, mas permanecem nos antigos pelo tempo que for razoável, além de integrar heterogêneos chips - mas agora não no quadro, mas dentro do gabinete. "Sistema em um chip" foi substituído por "sistema em um caso" (eu já
escrevi mais sobre isso em
detalhes ). A aparência dos sistemas no caso e a Internet das coisas, entre outras coisas, dá uma nova chance aos semicondutores complexos, porque a colocação do chip de arseneto de gálio em um caso com silício não interfere mais, e a necessidade de um caminho de rádio no sistema para a Internet das coisas é bastante óbvia. O mesmo se aplica a uma variedade de dispositivos ópticos, MEMS, sensores - e, em geral, tudo o que existe na microeletrônica, além do CMOS no silício.
Portanto, minha previsão para o desenvolvimento adicional da tecnologia de silício CMOS e seus substitutos será que veremos uma desaceleração radical em andamento, até uma parada completa - igualmente desnecessária - e não veremos nada fundamentalmente novo na produção em massa (nanotubos de carbono, grafeno, lógica nos memristores) - novamente, como desnecessário. Mas, sem dúvida, o uso da bagagem tecnológica existente será mais amplo. , , , . , : TSMC 15 200 , Globalfoundries 180 BCD . , . , , .