Инженеры разместили 100 миллиардов транзисторов на микрочипе

Фото из открытых источников

Благодаря прорыву в новую область инженеры IBM почти вдвое увеличили количество транзисторов, которые можно разместить на микрочипе — устройстве, приводящем в движение компьютер, — разместив почти 100 миллиардов транзисторов на квадратном сантиметре. Объявленное вчера достижение продолжает историческую, но замедляющуюся тенденцию, известную как закон Мура, согласно которому с 1960-х годов количество транзисторов на чипе удваивается примерно каждые 2 года. Но это подчеркивает, что инженерам больше нельзя просто уменьшать транзисторы. Для достижения этого увеличения исследователи IBM расположили их друг над другом.

«Впервые в истории мы обеспечиваем масштабирование транзисторов в вертикальном направлении», — говорит Хуимин Бу, инженер-электрик и вице-президент IBM по глобальным исследованиям и разработкам в области полупроводников. 

Джеймс Рондинелли, специалист по материаловедению из Северо-Западного университета, не участвовавший в этой работе, говорит: «Это еще один шаг вперед. Вы увидите, как все остальные полупроводниковые компании переймут этот подход к проектированию микросхем». IBM не производит микросхемы сама, а лицензирует свои технологии.

IBM заявляет, что чип достиг 0,7-нанометрового «узла», став первым субнанометровым чипом. Фактически, самые маленькие элементы на новом чипе имеют ширину около 14–20 нанометров, что соответствует современным стандартам, но конструкция транзисторов позволяет разместить их гораздо плотнее.

Транзистор — это переключатель, в котором тонкий канал полупроводника соединяет один металлический электрод, называемый истоком, с другим, называемым стоком. Третий электрод, называемый затвором, пересекает канал, отделенный от него тонким слоем изолятора. Управление напряжением на затворе либо позволяет току течь от истока к стоку, либо останавливает его. Миллиарды транзисторов соединены между собой на одном чипе, образуя микропроцессоры и микросхемы памяти, которые обеспечивают работу всего, от мобильных телефонов до центров обработки данных для искусственного интеллекта (ИИ).

Для изготовления микросхем производители сначала наносят слои необходимых материалов на кремниевую пластину, а затем покрывают все светочувствительным материалом, известным как фоторезист. На пластину проецируется световой рисунок для трассировки цепей. Удаление только что освещенного фоторезиста позволяет вытравить нижележащий материал для формирования цепей.

На протяжении десятилетий проектирование микросхем было двухмерным процессом, когда затвор просто располагался поперек канала, а указанный размер имел физическое значение. «В то время это число означало длину канала», — говорит Чан-Ён Нам, специалист по материаловедению из Брукхейвенской национальной лаборатории, не участвовавший в новой работе. Чем короче, тем лучше, и инженеры уменьшали размеры транзисторов, формируя рисунок на микросхеме с помощью света все более коротких длин волн.

Десять лет назад исследователи сделали первый шаг в трехмерном пространстве, расположив канал ребре, как акульий плавник, так что затвор соприкасался с ним с трех сторон. Такая конструкция уменьшила утечку тока в выключенном состоянии и позволила достичь характеристик традиционного 2D-транзистора с более коротким каналом — эквивалентность, на которую сейчас указывает размер узла. Формирование рисунка с помощью экстремального ультрафиолетового (EUV) излучения с длиной волны 13,5 нанометров — почти такой же короткой, как у рентгеновских лучей — позволило инженерам достичь плотности 20 миллиардов транзисторов на квадратный сантиметр.

Затем, 5 лет назад, исследователи IBM заменили канал в виде ребер тремя «нанолистами» кремния толщиной в 15 атомных слоев, расположенными внутри затвора. Такая конструкция с «затвором по всему периметру» увеличивает ток канала и производительность транзисторов так называемых 2-нанометровых чипов, производство которых началось в прошлом году на предприятиях Samsung и Taiwan Semiconductor Manufacturing Company Limited, ведущих мировых производителях микросхем.

Теперь IBM пошла еще дальше, по сути, сложив два слоя таких нанолистовых транзисторов в «наностэк». Инженеры не могут просто нанести больше материала на первый слой транзисторов, не повредив их. Вместо этого они соединяют вторую пластину с первой, а затем травят вторую в сложном процессе, который требует переноса развивающегося чипа с одной подложки на другую. Вся эта стратегия стала возможной благодаря возможности соединить две пластины тонким, идеально однородным изоляционным слоем, говорит Бу.

Исследователи IBM располагают два слоя транзисторов с точным смещением, что упрощает их соединение и помогает снизить энергопотребление на 70%. «Они работают с пластинами размером в миллиметры, но отклонение не может превышать одного-двух нанометров», — говорит Рондинелли. «Это очень впечатляет».

Бу прогнозирует, что технологию можно продвинуть дальше. «Мы можем накладывать несколько слоев, — говорит он, — но есть несколько строительных блоков, которые нам нужно разработать, и мы работаем над ними сегодня». Например, по его словам, для добавления большего количества слоев инженерам придется спроектировать каналы для отвода тепла из чипа.

Нам говорит, что для дальнейшего увеличения плотности транзисторов разработчикам микросхем также придется пересмотреть основные вопросы, касающиеся материалов. Например, по его словам, элементы должны быть гладкими на уровне плоскостей атомов, чего будет трудно достичь с помощью современных фоторезистов, которые представляют собой полимеры, состоящие из крупных молекул. Поиск более эффективных резистов — это актуальная область исследований, добавляет Нам.

В конечном итоге, именно стоимость может стать фактором, ограничивающим количество транзисторов, которые можно разместить на чипе. Согласно закону Мура, каждый раз, когда количество транзисторов на микрочипе удваивается, увеличивается и стоимость оборудования, необходимого для их производства. По имеющимся данным, стоимость производства микрочипов по 2-нанометровой технологии составляет 28 миллиардов долларов. Но на данный момент, по словам Нама, рынок микрочипов движим бумом искусственного интеллекта. «Спрос на ИИ настолько велик, что его достаточно, чтобы оправдать эти очень дорогостоящие подходы».