为什么要硅，为什么要CMOS？

最早的晶体管是双极型和锗型，但是现代集成电路中的绝大多数是使用CMOS技术（互补金属氧化物半导体）由硅制成的。 硅如何成为许多知名半导体的主要元素？ 为什么CMOS技术几乎已成为排他性产品？ 处理器是否采用了其他技术？ 由于实际上已经达到了MOS晶体管小型化的物理极限，在不久的将来我们会期待什么？


如果您想知道所有这些问题的答案-欢迎来到cat。 应先前文章的读者的要求，我警告您：半个小时内有很多文字。

开始

在贝尔实验室的威廉·肖克利（William Shockley）领导下的约翰·巴丁（John Bardin）和沃尔特·布拉顿（Walter Brattain）在1947年和1948年的庭院中，研究了锗二极管的场分布并偶然发现了晶体管效应。 尽管该发现的潜在用途显而易见（但是，城市传说说，在军事专家没有发现任何实际用途之后，该发现才被解密），但第一个晶体管看起来像这样：


图2.第一个晶体管的副本

与适合工业生产的设备不太相似，对吧？ 花了两年的时间才能使反复无常的点对点双极晶体管更易于从pn结制造，然后才算出了大型电子设备中电子管的天数（不是几天，而是几年）。

在晶体管的三位先驱中，确实只有肖克利继续从事与原始工作无关的工作（因为他是理论家和上司，而不是研究员），但他一举成名，因此与巴丁和Brattein，他们再也没有与微电子打交道。 布拉顿（Brattain）研究了电化学，并研究了巴丁（Bardin）-超导性，他因此获得了第二届诺贝尔奖，成为历史上唯一获得两项物理学奖的人。

肖克利凭借雄心勃勃的事业成功地打破了自己的研究团队，他离开了贝尔实验室，创建了自己的肖克利半导体实验室。 但是，这里的工作环境也有许多不足之处，导致著名的“叛国八人”的出现，他逃离了肖克利，创立了飞兆半导体，而飞兆半导体又成为了我们现在称为“硅谷”的母公司-包括Intel，AMD和Intersil等公司。


图3. Fairchildren-Fairchild创立的公司

肖克利本人从未从G8的背叛中恢复过来并走下坡路：他被自己的公司开除，被种族主义和优生学带走，在科学界被人抛弃，死了，全都被遗忘了。 甚至他的孩子也从报纸上了解到死亡的信息。

开始之前

晶体管的发现历史已广为人知并有大量描述。 鲜为人知的是，晶体管的第一项专利申请根本没有在1947年提出，而是在二十多年前的1925年由奥匈帝国裔美国人Julius Lilienfeld提出的。 在这种情况下，与1947年的双极晶体管不同，Lilienfeld专利中描述的器件属于领域：在1930年获得的专利中，带金属快门的MESFET和1933年的MOSFET专利中，与我们所知几乎相同现在。 Lilienfeld打算使用栅极铝和氧化铝作为栅极电介质。

不幸的是，当时的技术发展水平使Lilienfeld无法在原型中实现他的想法，但是Shockley在1948年进行的实验（仅已经进行过）表明Lilienfeld的专利描述了从根本上可操作的设备。 实际上，肖克利小组关于二极管特性的所有工作（导致了双极晶体管的随机发明）是创建场效应晶体管的研究的一部分，该场效应晶体管的性质与真空管非常相似，因此对于那些年的物理学家来说更容易理解。 尽管如此，尽管成功地证实了Lilienfeld的想法的可操作性，但是在1948年，仍然没有稳定生产无缺陷的薄电介质薄膜的技术，而双极晶体管却在技术上更加先进并且具有商业前景。 MOS晶体管被搁置，双极器件开始在地球上进行凯旋游行。

一瞬间的术语

双极型晶体管或双极型晶体管是一种晶体管，其中需要同时运行电子和空穴的两种类型的电荷载流子，并且受基极电流控制（乘以晶体管的增益）。 通常使用pn结或异质结完成，尽管第一个晶体管虽然是双极型，但不是结型晶体管。 流行的英文缩写是BJT，双极结型晶体管。
对于异质结处的晶体管（不同材料之间的过渡，例如砷化镓和铝氮化镓），使用了缩写HBT（异质结双极晶体管）。

单极或场效应晶体管，也称为场效应晶体管或FET，是一种基于场效应进行操作且仅需要一种载流子的晶体管。 场效应晶体管具有由施加到栅极的电压控制的沟道。 场效应晶体管的种类很多。

普通的MOSFET是一种晶体管，其栅极通过电介质（通常是氧化物）与沟道隔离，该介质是金属氧化物半导体结构。 如果不使用氧化物，则可以将它们称为MISFET（I-绝缘体）或MDPT（D-介电质）。

JFET（J-结）或具有控制pn结的晶体管。 在这样的晶体管中，通过向控制pn结施加电压来产生阻挡沟道的场。

肖特基场效应晶体管（PTSh）或MESFET（ME-金属）是一种JFET，它不使用pn结作为控制，而是使用肖特基势垒（在半导体和金属之间），具有较低的压降和较高的工作速度。

HEMT（高电子迁移率晶体管）或具有高电子迁移率的晶体管-使用异质结的JFET和MESFET的模拟。 这样的晶体管在复杂的半导体中是最流行的。


图4. BJT，MOSFET，JFET

锗

第一个晶体管是锗，但来自不同公司的技术人员很快转向了硅。 这是由于以下事实：纯锗实际上非常不适合用于电子应用（尽管锗晶体管仍用于古董割草设备中）。 锗的优点包括高电子迁移率，最重要的是，空穴以及硅的pn结的pn结释放电压分别为0.3 V和0.7 V，尽管第二个可以使用肖特基跃迁进行平整（如在TTLS逻辑中所做的那样） 。 但是由于带隙较小（0.67对1.14 eV），锗二极管具有较大的反向电流，该反向电流随温度而强烈增加，这既限制了锗电路适用性的温度范围，又限制了允许的功率（反向电流对小电路的影响太大，在大电路上也是如此）。干扰自热）。 除德国的温度问题外，其热导率远低于硅的热导率，也就是说，从强效晶体管中散热较为困难。

甚至在半导体电子历史的早期，由于难以获得没有螺杆晶格位错和表面质量差的纯结晶锗，与硅不同，锗器件仍存在很大的良率问题，硅不能不受氧化物的外部影响。 更准确地说，锗具有氧化物，但其晶格与纯锗的晶格重合，比硅差得多，这导致形成了不可接受的大量表面缺陷。 这些缺陷严重降低了电荷载流子的迁移率，从而抵消了锗相对于硅的主要优势。 而且，最重要的是，氧化锗在芯片的制造过程和操作过程中都会与水反应。 但是，其余的半导体甚至没有那么幸运，它们根本没有氧化物。

为了解决锗表面不良的问题，这种问题会阻止制造场效应晶体管，肖克利提出了将沟道移到半导体深度的想法。 因此，有一个带有控制pn结的场效应晶体管，又称JFET。 这些晶体管很快在模拟电路中找到了自己的位置-首先，由于非常小的输入电流（与双极晶体管相比）和良好的噪声特性。 这种结合使JFET成为运算放大器输入级的绝佳选择-例如，肯·舍里夫（ Ken Shirrif） 在本文中可以看到这一点。 而且，当他们开始制造集成电路而不是单独的组件时，事实证明JFET与双极技术具有很好的兼容性（我什至在上图中甚至由双极晶体管制成了JFET），并且它们在模拟双极制造工艺中变得很普遍。 但是所有这些都已经存在于硅上，并且锗被遗忘了很多年，直到他来加强硅的地位而不是与之抗衡的时候到了。 但是稍后会更多。

场效应晶体管

MOS晶体管呢？ 看来，由于两极对应分子的迅速发展，它们被遗忘了将近十年，尽管如此，它们还是得到了发展。 贝尔实验室（Bell Labs）在1959年都是一样，第一个工作的MOS晶体管是由Devon Kang和Martin Attala创造的。 一方面，他几乎直接实现了Lilienfeld的想法，另一方面，他立即证明与使用氧化硅作为栅极电介质的许多下一代晶体管几乎相同。 不幸的是，贝尔实验室当时并没有意识到本发明的商业潜力：原型比当时的双极晶体管要慢得多。 但是这种新颖性的潜力已得到美国无线电公司（RCA）和飞兆半导体的认可，并且1964年，MOS晶体管进入市场。 它们比双极晶体管慢，放大效果更差，噪声更大，并且受静电放电影响很大，但是它们具有零输入电流，低输出电阻和出色的开关能力。 它不是很多，但这只是一段漫长旅程的开始。

双极逻辑和RISC

在半导体电子技术发展的早期阶段，模拟和射频应用占主导地位：“晶体管”一词长期以来不仅意味着晶体管本身，还意味着基于晶体管的无线电接收器。 基于包含一个或两个门的微电路的数字计算机非常庞大（尽管它们无法与灯的门进行比较），因此甚至尝试以类似的方式进行计算-最好只用一个运算放大器来实现集成或微分，而不是整个数字芯片分散。 但是，事实证明，数字计算更加方便实用，因此，数字电子计算机时代开始了，并一直持续到今天（尽管量子计算和神经网络已经取得了巨大的成功）。

当时MOS技术的主要优势是简单（我记得在八十年代之前，每个微电子公司都必须组织自己的生产）：要实现最简单的n-MOS或p-MOS电路，对于CMOS来说只需要四个光刻就可以了-六个，对于双极光刻电路，一种类型的晶体管需要七个，而且仍需要更精确的扩散控制，理想情况下还需要外延。 缺点是速度：与双极型和JFET相比，MOS晶体管的损耗超过一个数量级。 当CMOS允许达到5 MHz的频率时，可以在ESL上得到100-200。 无需谈论模拟应用-MOS晶体管由于速度低和增益低而非常不适合它们，而带有JFET输入的双极电路几乎可以满足设计人员的所有要求。

尽管微电路的集成度很小，并且没有人特别考虑功耗，但对于高性能应用而言，射极耦合逻辑（ESL）的优势显而易见，但MOS技术的优势在于其王牌，后来又发挥了作用。 在六十年代，七十年代和八十年代，并行开发了MOS和双极制造工艺，其中MOS仅用于数字电路，而双极技术则用于模拟电路以及基于TTL（晶体管-晶体管逻辑，TTL）和ESL系列的逻辑。


图5. Cray-1，第一台Seymour Cray超级计算机，于1975年问世，重5.5吨，耗能115 kW，在80 MHz时的容量为160 MFLOPS。 它建立在四种类型的离散ECL电路上，并包含约20万个阀。 构建逻辑的芯片是Fairchild 11C01，这是一个双阀，其中包含4 ILINE和5 ILINE元件，并且在由-5.2 V供电时消耗25-30 mA的电流。


图6.逻辑元件TTL上的2INE和ESL上的2OR / ILINE

请注意，ESL逻辑元件只是一个反馈放大器，其结构使开关晶体管始终处于“快速”线性模式，而从不陷入“慢速”饱和模式。 速度收费是指电流连续不断地流经电路，而与工作频率以及输入和输出的状态无关。 这很有趣，但是他们早在一段时间前就开始尝试利用此缺点作为优势：由于电流消耗的恒定性，ESL上的加密电路通过“监听”电流消耗而比CMOS更能抵抗黑客入侵，而CMOS的电流消耗与给定时间切换的阀门数量成正比。 如果用场效应晶体管（JFET或MESFET）代替双极晶体管，则会得到与源极有关的逻辑ISL，该逻辑在当时也已应用于复杂的半导体中。

nMOS或pMOS逻辑的一个明显优势是制造简单，晶体管数量少，这意味着面积小并且可以在芯片上放置更多元素。 为了进行比较：nMOS / pMOS上的2INE或2ILINE元素由CMOS上的三个元素组成-四个。 在TTL上，这些元件包含4-6个晶体管，1-3个二极管和4-5个电阻器。 在ESL上-4个晶体管和4个电阻器（在ESL上，方便进行OR和NOR，并且对AND和NAND不方便）。 顺便说一下，请注意，TTL和ESL元件电路中的所有晶体管均为npn。 这是因为在p衬底中制作pnp晶体管比npn更为复杂，并且它们的结构也有所不同-与CMOS技术不同，在CMOS技术中，两种类型的晶体管几乎相同。 此外，以空穴为代价工作的pMOS和双极pnp都比其“电子”对应物慢，因此，在以速度为主要目的的双极逻辑中，它们并没有矛盾。

MOS技术的第二个重要优势是低功耗，它在向CMOS过渡期间已充分体现出来并在很大程度上决定了该技术的主导地位。 CMOS阀仅在开关过程中消耗能量，并且没有静态能量消耗（对于现代技术并非如此，但我们省略了）。 ESL阀的典型工作电流为100μA至1 mA（由5.2 V供电的0.5-5 mW）。 将这个数字乘以构成现代英特尔处理器的十亿个门，我们得到的是MegaWatt ...实际上，就是您在上面看到的Cray-1的消耗量。 但是，在80年代通常是成千上万个阀门的问题，从理论上讲，即使在双极性逻辑上，也可以将功率预算控制在合理范围内。 然而，实际上，在同一晶体区域上放置了数倍于CMOS阀的功率，这些阀消耗的功率更少，并且随着设计标准的降低变得更快得多（摩尔定律适用于威力和Main）。

使用十微米pMOS技术的英特尔8008（1972）在500 kHz的频率下工作（对于复杂得多的Cray-1系统为80 MHz），使用三微米nMOS和后来的CMOS的英特尔8086（1979）加速到10 MHz，而原始的80486（ 1989）-高达50 MHz。

是什么让设计人员继续尝试双极设计，尽管它们与CMOS之间的差异迅速减小，并且能耗却很大？ 答案很简单-速度。 随着时间的推移，ESL的另一个巨大优势是在大电容性负载或长线路上工作时性能的最小损失-也就是说，使用ESL逻辑从许多建筑物进行组装比在CMOS或TTL上组装要快得多。 集成度的提高使CMOS可以部分克服此缺陷，计算机系统仍是多芯片，晶体外部的每个信号输出（例如，到外部高速缓存）都减慢了一切。 甚至在80年代后期，双极门的速度仍然显着提高，例如，由于逻辑零和逻辑单元之间的电压差小了几倍-ESL中为600-800 mV，而CMOS中为5 V，这是在晶体管尺寸为 . , ( “” “ ”), , . , .

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到现在为止，这篇文章谈到了美国公司的成功与失败，但不仅在美国是微电子学，对吗？ 不幸的是，您可以稍微了解一下苏联微电子在选择技术方面的艰难道路。 第一个原因-美国（以及日文）发展的历史在专门的IEEE期刊上得到了很好的文献记载，而现在这些文献的档案已被数字化，对鉴赏家们来说，研究它们确实是一件很愉快的事情。 苏联微电子技术在其整个历史上一直极为封闭。 即使是俄语出版物也很少，更不用说报道它们在全世界范围内取得的成就了（例如，在基础物理学领域所做的工作）。 现在，即使是已出版的小书也很难找到，当然也只有纸质形式，而不是电子形式。 因此，顺便说一句，我很高兴看到我的俄罗斯同事在国际科学会议和工业展览会上不仅作为嘉宾，而且作为演讲者。 第二个原因是，尽管不是很多，苏联微电子在大多数时候都落后于美国人，并积极参与模仿西方的成功发展。 此外，从八十年代初开始，当世界上最有趣的事情开始时，苏联电子工业部正式采取了放弃原始设计和制作美国微电路副本的课程，即串行设计，而不是实验性设计和方法。 也许，在资源有限的情况下，这是正确的决定，但其结果是积压（不是技术，而是意识形态）的增加，这在苏联解体后几乎不可逆转-直到二十世纪，俄罗斯“微电子”才被“重新开始”。实际上是从头开始。

结果，尽管在90年代初在Cray超级计算机和EC-4 EMU中都使用了中等集成度的GaAs芯片，但苏联从未有RISC处理器在CMOS，ESL和砷化镓之间的斗争的最后阶段发挥重要作用。 从技术角度来看，在美国人开发单晶微处理器的同时，Zelenograd“ Micron”将K6500砷化镓系列微电路投入批量生产，其中包括高达16 kbps的存储器，具有一万个阀的基本矩阵晶体和一个微处理器套件。五种芯片中的一种-即与美国处理器相同的复杂晶体。 但是，如果麦克唐纳·道格拉斯（McDonnell Douglas）使用两种导电类型的常闭JFET模仿GaOS nMOS和CMOS电路，以最小化功耗并为增加集成度做准备，那么K6500的速度非常快（高达1 GHz），但是更加复杂且易变具有常开MESFET的ICL电路（这使得通过集成度获得的结果更加令人惊讶）。


图8.麦克唐纳道格拉斯工艺技术的两种逆变器以及K6500系列芯片的逆变器

从1984年一直到Mikron，砷化镓的研究一直持续到至少直到1996年，但是我找不到关于那之后发生的任何信息。 现在，美光的所有开发成果，包括抗辐射和射频的研发，都是在硅上完成的。

砷化物及其他

同时，硅CMOS专用电路的开发商并没有停滞不前。 到90年代初，很明显，在经过稍微修改的商用硅CMOS技术上提供抗辐射性并不比在昂贵且反复无常的砷化镓上要困难得多，后者剥夺了它的最后一个重要优势，并将其限制在非常狭窄和特定的壁-上-主要是离散的微波和功率器件。 而且，即使在这些应用中，现在也不再使用砷化物，而是使用氮化镓或具有更好的温度特性，更高的迁移率和较大的击穿场的各种异质结构。


图9.用于功率和微波应用的硅，砷化镓和氮化镓的主要性能比较

好吧，你问，氮化镓可以制造超大规模集成电路吗？ 不幸的是，不仅因为氮化镓，还具有低的空穴迁移率。 只有锑化铟比硅具有更大的空穴迁移率，但禁区如此狭窄，以其为基础的器件只能在低温下工作。

不要误会我的意思，还需要其他半导体，它们具有许多有用的应用。 2000年，诺贝尔委员会最终决定授予电子奖，杰克·基尔比（Jack Kilby）因创建第一个集成电路而获得了一半的奖金，其次是卓尔·阿尔费罗夫（Zhores Alferov）和赫伯特·克雷默（Herbert Kremer），因为他们“开发了用于高频电路和光电的半导体异质结构”。 没有异质结构激光器已经很难想象我们的生活，基于氮化镓和碳化硅的功率器件市场正在飞跃发展（以及在车辆电气化方面），如果没有A3B5半导体，以39 GHz的频率运行的5G网络的快速部署是无法想象的。事实证明，硅CMOS技术具有创建计算VLSI所需的所有必要属性，这些VLSI构成了微电子市场的主要份额，并管理上述所有多样性。

但是，即使是硅微电子产品也比仅高性能微处理器宽得多。 目前，台积电与5纳米制程技术的调试同时启动了一家新工厂，其200mm平板的设计标准为180纳米-因为对它们的需求不断增长。 是的，这个市场比手机芯片市场小得多，但是进入市场的投资却很少。 关于碳化硅和氮化镓的市场也可以这样说。 在我的拙见中，正是复杂的半导体，微波和电力电子设备才能真正成为俄罗斯微电子技术复兴和进入世界市场的真正动力。 在这些领域，俄罗斯公司的能力和设备非常强大，非常接近世界领先者。 每个人都知道微米上的180 nm，90 nm和65 nm，但很少有人听说过Source上的200 nm或Mikran上的150 nm。 很少有人听说过，位于卡塔尼亚的STM工厂已经复制了碳化硅的生产，该工厂在美光的180 nm工艺已被复制，该工厂在五年内将达到30亿美元的市场。 STM最近收购了SiC衬底制造商，以拥有整个生产链，原则上，他们正在尽一切努力成为不断增长的市场的领导者。

吸收并征服

八十年代末至九十年代初有关有前途技术的文章-硅上的ESL，与砷化镓上的JFET互补，试图再次使锗变大-几乎总是以“我们为我们的想法显示出了广阔的前景，而几年后，随着技术的发展，这将使我们征服世界，这将使更多的晶体管在芯片上/更少的消耗/更高的成品率。” 那只是DARPA从未承诺的金钱上的承诺进展。 怎么了 由于制造芯片技术的价格每增加一个新的减小都会增加价格，并且没有任何研究经费可以超过英特尔的投资额，因此在巨大的消费市场上工作并深知技术领先是商业领先的关键之一。 这就是为什么英特尔举起摩尔定律的旗帜并对其实施负有责任的原因，此后，所有其他制造商都陷入了疯狂的军备竞赛，这是小公司和其他技术无法负担的。 结果，英特尔在个人计算机领域中仅是一个竞争对手，而全球只有三家公司拥有14纳米以下的技术-台积电，英特尔和三星。 可以说，很早以前，英特尔很幸运开始使用MOS晶体管，而不是ESL，但是如果他们不幸运，其他人将很幸运，结果将保持不变。

CMOS在硅片上的优势不可否认，这一事实在90年代末就已变得显而易见，并且投入到它上面的资源和其他所有方面的分配不均已成为事实，而不是为了满足特定需求而开发新技术，它变得更加有利可图，并且更容易将相应的加权元素附加到CMOS上。 具有双极性npn晶体管的BiKMOP技术出现了给模拟电路设计人员，用于嵌入式电子设备的非易失性存储器，用于电源应用的高压DMOS晶体管，用于高温或高速的SOI衬底，用于光电的集成光电二极管。 集成CMOS技术中其他选项的重要驱动因素是片上系统的概念。 如果较早的时候，系统设计人员根据它们对目标功能的适应程度来选择合适的微电路，而不关注其制造技术（在最坏的情况下，仍然需要电平转换器，但这并不可怕），那么就可以通过集成度获得机会将系统的所有组件都放在一个芯片上，从而用一块石头杀死许多鸟-由于无需在印刷电路板上泵送线路，因此提高了速度并减少了消耗 通过更好地匹配元素chnost通过减少焊接点的数量以提高可靠性。 但是为此，系统的所有部分必须与CMOS兼容。 这些工厂回答了“任何事情，只需付钱购买额外的口罩和技术选择”，并开始将一项专门的技术流程投入生产。 额外的面罩-昂贵且复杂，但是芯片应该便宜吗？ 现在，模拟设计教科书已经从好的和快速的双极晶体管重写为坏的和慢速的晶体管。 微波绝对没有速度吗？ 我们会再次尝试砷化镓吗？ 不，让我们用锗拉伸硅晶格以局部提高电子迁移率。 听起来复杂吗？ 但是它与CMOS兼容！ 一个便宜的带有闪存和一个ADC的微​​控制器听起来要比三个芯片好得多，对吗？ 与系统的模拟部分在同一芯片上的数字数据处理和控制成为一项关键成就，使微控制器能够渗透到从深空到电热水壶的各个地方。


图10. BCD技术的示意图部分

我最喜欢的这种示例是BCD技术。 BCD是双极性的（用于模拟部分），CMOS（用于数字），DMOS（与控制逻辑在同一芯片上的高压开关）。 此类技术可以在高达200伏（有时甚至更高）的电压下工作，并允许您在单个芯片上实现控制电动机或DC / DC转换所需的一切。


图11.隔离袋中带有高压LDMOS晶体管的SOI BCD的横截面

BCD SOI技术通过对元件进行完全电介质隔离来补充上述所有内容，从而提高了对晶闸管效应的抵抗力，噪声隔离，增加了工作电压，允许您轻松地在芯片上放置高侧键或例如在负电压下工作（对于阈值低于阈值的强大GaN键是必需的零伏）。 制造商提供在同一芯片上放置非易失性存储器，IGBT，齐纳二极管的清单...清单很长，您可以在演讲时玩废话宾果游戏）请注意硅层的深度：与“常用” SOI技术不同，他们尝试将其最小化以摆脱从漏极和源极pn结的底部开始并增加操作速度，BCD中的硅层非常深，这有助于为静电放电和热特性提供可接受的电阻。 同时，晶体管的行为与体积晶体管完全相同，只是具有完全的介电绝缘。 除了汽车电子制造商的目标受众之外，他们还使用它来制造其非高电压但耐辐射的CMOS芯片（例如Milander或Atmel），从而获得了SOI的主要优势而又没有通常的缺点。

CMOS和替代品的未来

即使由于硅晶体管尺寸的减小已达到物理极限这一事实而使摩尔定律开始失效时，事实证明，比起根本上寻找新东西，继续想到CMOS更有利可图。 当然，对替代品和逃生路线的投资也得到了投资，但主要的努力是改善硅CMOS并确保开发的连续性。 由于发现了石墨烯，诺沃塞洛夫和加梅尔将近十年前获得了诺贝尔奖。 那石墨烯在哪里？ 没错，在未来碳纳米管和其他所有材料都在同一个地方的情况下，硅已经通过5 nm工艺开始生产，一切都将达到3甚至2 nm。 当然，这些不是真正的纳米（我已经在Habr上写过大约纳米），但是堆积密度却在不断增长。 尽管速度很慢，但仍然是硅CMOS。


图12. 5nm及以下的三星晶体管的所有栅极。 与FinFET相比，下一步是对“为什么不将晶体管分几层包装？”这一问题的答案。 所有其他方法已经用尽，现在轮到几层了。 垂直放置这些晶体管中的七个，我们得到的是一个纳米而不是七个纳米！

即使是最初构想一切的氧化硅，也是CMOS进步的牺牲品！ 它被基于氧化ha的复杂多层结构所取代。 锗开始被添加到通道中以增加迁移率（已经在BiKMOS微波的开发中进行了测试）。 他们甚至在“硅”晶体管中进行测试（目前为测试），该晶体管是由A3B5材料制成的n型沟道（电子迁移率高），而来自德国的p型沟道（空穴迁移率高）。 诸如将通道的形状从平面形状更改为三维（FinFET）以及采用设计标准数量的营销技巧之类的小事，写任何数量都不够。

将来有什么在等我们？ 一方面，随着EUV光刻技术和Gate All Around晶体管的引入，硅技术的进步已经耗尽。 二十年前ITRS计划的滞后已经大约十年了，英特尔长期以来一直放弃其著名的“ tick-tack” Globalfoundries，并完全拒绝跌破14 nm。 每个芯片一个晶体管的成本至少达到了28 nm的标准，并且此后开始增长。 最重要的是，目标市场已经改变。 多年来，降低设计标准的驱动力是个人计算机市场，然后个人计算机变成了移动电话（大约在这个时候，台积电和三星赶上了英特尔）。 但是现在手机市场处于衰退和停滞状态。 对采矿用芯片有短期的希望，但这似乎没有道理。

最受欢迎的新芯片制造商是物联网。 的确，市场很大，增长迅速并且具有良好的长期前景。 最重要的是-对于物联网，芯片上的性能和芯片上的元件数量并不是至关重要的竞争优势，但低功耗和低成本却是关键。 这意味着降低设计标准的主要原因已经消失，但是有理由针对特定任务优化技术。 听起来很有趣，不是吗？ Globalfoundries新闻稿关于FDSOI在7 nm处停止工作，在14/12和28/22 nm处集中的情况。 此外，新技术价格的上涨，加上激烈的价格竞争，已导致芯片制造商不急于转向新的设计标准，仅仅是因为它们可以，但只要合理可行就可以继续使用旧的设计标准，并且集成了异构产品。芯片-但现在不在主板上，而是在外壳内。 “片上系统”被“案中系统”所取代（我已经对此进行了详细介绍 ）。 机壳中系统的出现以及物联网等因素给复杂的半导体带来了新的机遇，因为将砷化镓芯片与硅一起放置在一个外壳中不会再产生干扰，并且物联网系统中对无线电路径的需求非常明显。 这同样适用于各种光学设备，MEMS，传感器-通常，除了硅上的CMOS以外，微电子中还存在的所有事物

因此，我对硅技术CMOS及其替代品的进一步发展的预测将是，我们将看到进展速度急剧放缓，直至完全停止-完全没有必要-而且我们将不会看到任何量产的根本新东西（碳纳米管，石墨烯，忆阻器上的逻辑）-同样，不必要。 但是，毫无疑问，现有技术包的使用将更加广泛。 , , , . , : TSMC 15 200 , Globalfoundries 180 BCD . , . , , .