Микропроцессоры (стр. 4 из 6)
Заряд, накапливаемый n-канальным транзистором в то время, когда он «открыт» (то есть когда на затвор подается положительный потенциал), не может «рассосаться» мгновенно после того, как транзистор запирается. В результате возникает ток утечки, ограничивающий скорость переключения транзистора, поэтому емкость транзистора желательно сделать как можно меньше. Для этого в новом поколении транзисторов применяется структура кремния на изоляторе (silicon on insulator, SOI), при которой (рисунок 5) на кремниевую подложку наносится слой диэлектрика и на нем размещается сам транзистор, то есть легированные области стока и истока, а также область затвора. Паразитный заряд накапливается преимущественно в областях под стоком и затвором, поэтому, чтобы исключить накопление этого заряда, необходимо разместить диэлектрик непосредственно под стоком и истоком. Вследствие этого сокращается толщина транзистора и уменьшается его емкость.
 |
Рисунок. 5 - Структура SOI-транзистора
Использование SOI-транзисторов позволяет без существенного изменения технологии их изготовления (нет необходимости в ином литографическом процессе) повысить скорость работы транзисторов в среднем на 25%.
Уменьшение емкости транзистора путем добавления слоя диэлектрика вглубь кремния влечет за собой одно негативное последствие: поскольку при этом увеличивается сопротивление между истоком и стоком, приходится повышать напряжение, что, конечно, негативно отражается на характеристиках транзистора и всей микросхемы в целом.
Для того чтобы снизить сопротивление между истоком и стоком, увеличивают высоты этих областей (рисунок 6).
Рисунок 6 - Уменьшение сопротивления истока и стока в SOI-транзисторах
Все усовершенствования пленарных МОП-транзисторов были реализованы в новом поколении разработанных корпорацией Intel транзисторов, которые получили название терагерцевых транзисторов (рисунок 7) - они способны переключаться 1012 раз в секунду.
Рисунок 7 - Структура терагерцевого транзистора
Взгляд в будущее
Разработанные технологии терагерцевого транзистора позволяют значительно улучшить характеристики планарных транзисторов и продолжить предсказанное Гордоном Муром сокращение их размеров, но от разработки транзистора до его практического использования в производстве микросхем проходит немало времени. Так, еще в декабре 2000 года корпорация Intel объявила о создании МОП-транзистора с длиной канала 30 нм, в июне 2001 года был создан транзистор с длиной затвора 20 нм, а в декабре того же года уже было объявлено о создании терагерцевого транзистора с длиной канала 15 нм (рисунок 8).
Рисунок 8 - Планарные транзисторы с различной длиной канала
Однако ни один из разработанных транзисторов пока еще не используется в серийных микросхемах - это своего рода задел на будущее. Так, терагерцевый транзистор начнут использовать в микросхемах лишь к 2005 году.
Корпорация Intel уделяет огромное внимание разработке новых, перспективных транзисторов. В сентябре 2002 года было объявлено, например, о трехмерной конструкции транзистора с тройным затвором, которая обеспечивает более эффективный расход энергии по сравнению с традиционными пленарными транзисторами. Эта разработка знаменует собой начало эпохи неплоских трехмерных конструкций транзисторов, которые корпорация Intel планирует принять на вооружение для поддержания темпов развития, согласующихся с законом Мура, по окончании текущего десятилетия.
«Наши исследования показали, что по преодолении рубежа в 30 нм физическая основа плоских пленарных транзисторов с одинарным затвором начинает давать утечку слишком большого количества энергии, что не позволит нам достичь желаемых целей в плане производительности, - говорит доктор Джеральд Марчик (Gerald Marcyk), директор лаборатории изучения компонентов Intel. - Конструкция транзистора с тройным затвором позволит Intel создавать сверхмалые транзисторы, которые обеспечат еще более высокую производительность при низком энергопотреблении и сделают возможным дальнейшее практическое воплощение закона Мура».
Структура тройного затвора многообещающая разработка для дальнейшего развития архитектуры терагерцевого транзистора. В основе транзистора корпорации Intel с тройным затвором лежит новаторская трехмерная структура, похожая на приподнятую горизонтальную плоскость с вертикальными стенками (рисунок 9).
Рисунок 10 - Трехмерный транзистор напоминает катонную упаковку для яиц
Рисунок 11 - Структура многоканального трехзатворного транзистора
структура позволяет посылать электрические сигналы как по «крыше» транзистора, так и по обеим его «стенам». За счет подобной схемы распределения тока эффективно увеличивается площадь, доступная для прохождения тока, следовательно, снижается его плотность, а вместе с ней уменьшается и утечка. Тройной затвор строится на ультратонком слое полностью обедненного кремния, что обеспечивает еще большее снижение тока утечки и позволяет транзистору быстрее включаться и выключаться при значительном снижении энергопотребления.
Особенностью этой конструкции также являются поднятые исток и сток - в результате снижается сопротивление, что позволяет транзистору работать при токе меньшей мощности. Транзистор с тройным затвором в миллимикронных геометрических конструкциях работает не только более эффективно, но и более быстро, проводя на 20% больше тока по сравнению с традиционной планарной конструкцией, имеющей аналогичный размер затвора. Одним из важнейших преимуществ транзисторов с тройным затвором является возможность их производства с помощью существующего ныне литографического процесса.
«Наш транзистор с тройным затвором внешне напоминает картонную упаковку для яиц» (рисунок 10), —такой неожиданный образ для сделанного открытия нашел Роберт Чау (Robert Chau), почетный сотрудник Intel и директор лаборатории по исследованию транзисторов. Интересно, что, когда он выступал с рассказом о новом транзисторе перед учеными всего мира на одной из крупнейших технологических конференций, в кулуарах то и дело звучал риторический вопрос: «Почему же нам это не пришло в голову?!»
Использование трехмерной архитектуры транзистора позволяет производить многоканальные трехзатворные транзисторы (Multi-Channel Tri-Gate Devices).
В таких устройствах (рисунок 11) используется один трехмерный затвор, который сразу управляет прохождением тока между несколькими парами истоков и стоков, то есть одновременно образует множество каналов. Такая архитектура в еще большей степени позволяет повысить плотность размещения транзисторов на кристалле и, кроме того, повысить силу тока в транзисторе, поскольку суммарный ток, проходящий через транзистор, пропорционален количеству пар истоков-стоков в транзисторе.
Одно из важнейших условий стабильности работы системы — надежность и качество ее комплектующих. И в первую очередь это касается микропроцессоров и других современных микросхем. Еще на стадии проектирования проводится моделирование распространения сигналов и синхронизации, а также моделирование на уровне компонентов, микросхемы и системы в целом.
Например, только на стадии разработки процессоры Intel проходят 176 квадриллионов (1015) циклов проверки (Вообще, по ряду оценок, корпорация Intel реализует самую полную в отрасли программу испытаний процессоров и платформ, и совместно с производителями и разработчиками программного обеспечения работает над оптимизацией производительности и совместимости платформ. Intel тратит на проверку своей продукции более 300 миллионов долларов в год, этой работой занято более 2500 сотрудников корпорации по всему миру). А после выпуска образцов проводится строгое тестирование на уровне системы и проверка электрических параметров, а также всестороннее испытание на совместимость, охватывающее более двадцати операционных систем, полутора сотен периферийных устройств и четыреста приложений. Проверка включает более 250 тысяч отдельных тестов с использованием более чем шестисот программных приложений и длится примерно 6–8 недель круглые сутки. Мобильные эталонные платформы проходят примерно 26 тысяч часов дополнительного тестирования и испытаний — в частности, средствами управления энергопотреблением, в более широком диапазоне условий среды и пр.
Серьезнее всего проверяется «сердце» компьютера — процессор. Скажем, процессор Pentium 4 проходит 1 триллион случайных проверок инструкций в неделю, 2 тысячи тестов на совместимость с предыдущими архитектурами, 2450 тестов функций процессора, нагрузочное тестирование системы ввода/вывода с миллионами вариантов функций набора микросхем, расширенное тестирование случайных команд для конвейера процессора. Это гарантирует совместимость и оптимальную производительность для широчайшего спектра операционных систем и приложений, сетевых устройств и аппаратных компонентов.
Между тем процесс тестирования и отладки современных микросхем постоянно усложняется — ведь растет функциональная насыщенность кристаллов, уменьшается размер транзисторов, увеличивается их число. Но следствием того же закона Мура является и рост вероятности появления багов (ошибок) в кристаллах! Именно по причине огромного количества интегрированных в микросхему транзисторов и их крошечного размера вопросы надежности и качества их работы выходят на первый план. Для их решения и упрощения отладки сложнейших кристаллов в опытном и серийном производстве ведущие производители полупроводниковой продукции разрабатывают и широко используют различные методы контроля, анализа и коррекции. В их основу положены самые современные научные достижения в области физики твердого тела, оптики и других дисциплин. А в последнее время широко стали применяться и нанотехнологии. В этой статье мы попробуем взглянуть на некоторые из таких методов (их полный обзор занял бы не одну толстую книжку). И помогут нам в этом визиты в святая святых корпораций Intel и AMD — их фабричные и исследовательские лаборатории.