Скорость будущих процессоров и видеокарт зависит от многих факторов, включая прогресс в сфере транзисторов. На повышение вычислительной мощности влияет уменьшение размеров транзисторов, что позволяет разместить больше элементов на меньшей площади. Кроме того, структура транзисторов меняется, появляются новые конструкции, такие как планарные, FinFET и GAAFET транзисторы. Эти решения отличаются более высокой производительностью и энергоэффективностью по сравнению с традиционными транзисторами. О них и пойдет речь в нашей статье.
Planar FET
Планарный транзистор был основной технологией примерно до 2012 года. Его структура довольно проста: вокруг истока и стока имеется область n-проводимости, созданная путем введения соответствующих примесей в кремний. Подложка изначально имеет p-проводимость. Затвор служит управляющим элементом, который позволяет регулировать ток от истока к стоку путем приложения к нему определенного потенциала.
Чтобы понять эту концепцию, представьте себе водопроводную трубу. Затвор действует как клапан, который регулирует ширину канала. По мере развития технологии планарные FET-транзисторы удавалось делать все меньше без особых препятствий. Однако, когда они достигли размера 22 нм, инженеры столкнулись с рядом проблем. Например, уменьшение длины затвора привело к тому, что канал стал слишком тонким. Это вызвало спонтанное туннелирование электронов от истока к стоку, даже когда затвор был закрыт. Другими словами, утечка происходила даже тогда, когда транзистор выключен.
Кроме того, уменьшение площади затвора привело к снижению эффективности контроля канала. В результате транзистор стал менее управляемым, что вызывало проблемы в его работе. Поэтому надо было разработать новые конструкции и технологии, чтобы преодолеть ограничения.
FinFET
Переход от двумерной к трехмерной структуре в транзисторах, а именно использование технологии FinFET, обеспечил ряд преимуществ на практике:
- расширенный канал в виде плавника позволил обеспечить более эффективное протекание тока. Затвор теперь окружает канал с трех сторон, что позволяет лучше контролировать поток электронов. Когда напряжение подается на затвор, электроны вытягиваются из глубины ребер к вершинам, где формируется канал. Это приводит к созданию более эффективной и концентрированной активной зоны в верхней части ребер, минимизируя утечку токов подложки;
- трехмерная структура FinFET повышает эффективность управления по сравнению с планарной технологией. Поскольку затвор охватывает канал с трех сторон, а не только с одной, производители могут разрабатывать транзисторы с 2-3 гребенками, что позволяет увеличить ток транзистора;
- разрешение используемого фотолитографического оборудования также напрямую влияет на шаг между гребнями, что еще больше повышает эффективность управления.
Технологию FinFET внедрили такие крупные игроки, как Intel, Samsung, тайваньская TSMC и китайская SMIC. Несмотря на практические преимущества, ресурс технологии FinFET постепенно исчерпывается. Поскольку размер затвора становится меньше, проблематично размещать ребра ближе друг к другу. Кроме того, с каждой итерацией необходимо увеличивать высоту ребер. Хотя в прошлом это было возможно, технология достигает своего предела с 5-3-нм техпроцессом. В связи с этими TSMC и Samsung работают над новой архитектурой, которая показывает многообещающие перспективы.
GAAFET
В 2020 году компании TSMC и Samsung объявили о разработке нового поколения транзисторов под названием GAAFET (Gate-All-Around Field-Effect Transistor). Ожидается, что эта новая архитектура обеспечит дальнейший рост производительности интегральных схем и позволит перейти на более тонкие техпроцессы вплоть до 1-2 нм.
Транзистор GAAFET отличается от предыдущих конструкций тем, что каналы окружены затворами со всех четырех сторон. Это достигается путем разрезания ребер на части и создания каналов, образованных несколькими горизонтальными кремниевыми нанотрубками или нанолистами. Новая конструкция улучшает управление транзистором и преодолевает порог в 3 нм.
Интересно, что GAA-транзистор был впервые представлен в 1988 году, но массовое производство запустили только недавно. Помимо TSMC и Samsung, Intel также имеет свою собственную вариацию GAAFET-транзистора под названием RibbonFET. Инженеры Intel заявили, что они предложат несколько вариантов RibbonFET с различным количеством нанолистов (от 2 до 5).
Но внедрение этой технологии сопряжено с трудностями, включая высокую стоимость создания из-за ее специфической структуры. В результате разработчики не спешат отказываться от FinFET, поскольку они по-прежнему предлагают конкурентоспособную производительность и техпроцесс вплоть до 4 нм.
Какие перспективы у отрасли
После открытия 3D-структур разработчики начали исследовать и предлагать более сложные архитектуры. Один из примеров — представленный Intel комплементарный полевой транзистор (CFET) с технологией 2,5 нм. Эта концепция предполагает укладку структур nFET и pFET вертикально друг на друга. Такая техника уменьшает активную площадь ячейки и позволяет достичь еще большей плотности, что открывает возможности для создания более сложных и мощных электронных устройств.
IBM и Samsung также работают над новой транзисторной технологией под названием VTFET. Эта технология предусматривает вертикальное расположение транзисторов, что делает ее более сложной по сравнению с существующей структурой FinFET. Ожидается, что она обеспечит двукратный прирост производительности или потребует на 85% меньше энергопотребления по сравнению с FinFET.
Но пока неясно, будут ли новые проекты реализованы на практике. Стоимость масштабирования интегральных схем становится все более дорогой, что заставляет производителей искать альтернативные решения. Яркий пример — технология компоновки, которые предполагают разбиение устройств на более мелкие микросхемы и интеграцию их в корпус, вместо того, чтобы размещать все функции на одном кристалле. Этот подход набирает популярность, так как поможет преодолеть проблему стоимости при масштабировании. В любом случае производители будут смотреть на экономическую эффективность, производительность и практическую реализацию.