Производство CPU. Планы на 2003-2007-й год

Планы IBM

Компания традиционно считается технологическим лидером среди производителей процессоров, первой начав использовать в своих коммерческих продуктах такие технологии, как медные соединения, low-k диэлектрики, или SOI, неудивительно, что именно ее AMD выбрала в качестве своего партнера для 65 и 45 нм техпроцессов.

Сейчас базовым для IBM является 130 нм техпроцесс 8SF из фирменной линейки Blue Logic, на котором делаются как PowerPC, так и Power4 чипы для серверов и суперкомпьютеров. Он сочетает в себе практически все наработанные на сегодняшний день IBM технологии производства, упомянутые только что. Самым же совершенным на сегодняшний день является Blue Logic Cu-08, позволяющий компании производить процессоры, состоящие из 72 миллионов транзисторов с шириной затвора 70 нм, питанием от 0.7 В, и тепловыделением 0.006 мкВт/транзистор/МГц. Цифра 8 в названии процесса означает количество слоев металлических соединений в чипе.

IBM получила первый заказ на чип, созданный с применением Cu-08, FPGA матрицу от Xilinix с 90 нм транзисторами, еще в декабре прошлого года, массовое же производство таких чипов на новейшей фабрике компании в East Fishkill, начнется со второй половины этого года. Ее новая фабрика площадью в 140 тысяч квадратных футов обошлась компании в 2.5 миллиарда долларов, но она предлагает лучшее, что доступно на сегодняшний день - 300 мм пластины в сочетании с 90 нм техпроцессом и технологиями типа SOI и low-k диэлектриков.

Впрочем, IBM продолжает задавать тон и в обозримом будущем, сохраняя за собой титул технологического лидера. Тут и транзисторы, которые компания предлагает выращивать один над другим, создавая многоэтажные структуры, экономя площадь чипа, и уменьшая количество требуемых металлических соединений, хотя IBM пока испытывает сомнения по поводу тепловыделения подобных конструкций.

Тут и SiGe транзисторы, когда на кремниевую подложку наносится слой кремния, обогащенного небольшой примесью германия. Несколько более дорогой техпроцесс, которым IBM занимается с начала 80-х, предлагая сегодня под названием RF CMOS, тем не менее, находит свое применение в производстве коммерческих чипов, в первую очередь - для коммуникационного оборудования, где ценятся его высокие частоты и низкое энергопотребление по сравнению с традиционными кремниевыми транзисторами.

Сегодня IBM заявляет о возможности того, что в течение ближайших двух лет, в своем техпроцессе BiCMOS 9HP (линейка техпроцессов BiCMOS позволяет сочетать в одном устройстве блоки на биполярных SiGе транзисторах и на обычных кремниевых CMOS) она предложит клиентам возможность использования SiGe транзисторов с частотой до 350 ГГц, что даст возможность создания чипов с частотой до 150 ГГц. Те, кому не требуется такая частота, смогут использовать эти же транзисторы с пониженным питанием, что выразится в сниженной скорости, но и в просто мизерном энергопотреблении.

Тут и, естественно, уже упоминавшиеся нанотехнологии, которые очевидно придут на смену сегодняшней литографии после 2010 года. Еще бы: EUV позволит продлить жизнь сегодняшним транзисторам, пусть они даже будут к тому времени трехмерными и многоэтажными, до ширины затвора порядка 30 нм, но дальше резервы этого подхода выглядят уже окончательно исчерпанными. Причем, не только в инженерном плане! В коммерческом смысле литография тоже зашла в тупик: фабрику стоимостью в миллиарды долларов, на переоборудование которой в последующем надо ежегодно выделять сотни миллионов, трудно назвать нормальным явлением.

Тут то и появляются на горизонте нанотехнологии, предлагающие совсем другой подход, когда транзисторы не "печатаются" на кремниевой пластине, а буквально собираются сами из самоорганизующихся молекул. Примерно таким же образом, как мельчайшие капельки воды кристаллизуются на морозе в геометрически правильные снежинки.

Как уже упоминалось, неясно, какая из двух технологий станет победителем, хотя создается впечатление, что IBM больше внимания уделяет карбоновым нанотрубкам. Они были открыты в 1991 году ученым из NEC, Sumio Iijima, во время изучения под электронным микроскопом материала, осадившегося на графитовый катод во время синтеза фуллеренов методом осаждения. Iijima обнаружил, что в осадке находится ряд неописанных до того времени закрытых графитовых структур, в том числе и в виде пресловутых трубок. Занявшись этим вопросом, NEC достаточно быстро обнаружил, что меняя условия процесса осаждения, можно добиться массового производства нанотрубок.

Правда, в оригинальном состоянии наблюдались лишь многослойные экземпляры, но через пару лет, когда этим направлением занялись уже всерьез, и не только в NEC, удалось открыть, что при добавлении к графитовому электроду некоторых металлов, вроде кобальта, можно получать и трубки прекрасного качества с однослойными стенками. В 1996 году метод был модифицирован Richard E. Smalley, в результате чего все те же трубки приобрели тенденцию выстраиваться в своеобразные скопления, получившие название канатов. Правда, в результате всех этих модификаций в этой смеси встречались как карбоновые, так и металлические трубки, но не так давно IBM был найден метод избирательного уничтожения последних, что стало очередным этапом на пути к промышленному применению нанотрубок в микроэлектронике.

Тот самый канат

Меняя их материальную структуру, и получая, в зависимости от этого, трубки либо с проводящими, либо с изолирующими свойствами, и собирая из них под атомным микроскопом транзисторы, ученые уже экспериментируют с простейшими электронными структурами, признавая, в то же время, что здесь еще должны пройти несколько лет и несколько прорывов, прежде чем станет возможным коммерческое применение этих технологий. Возможно, что раньше, чем появятся чипы, сделанные исключительно из нанотрубок, мы увидим гибриды, где нанотрубки будут отвечать, к примеру, за гомогенные структуры высокой плотности, вроде кэш-памяти.

Схожей альтернативой являются нановолокна - действительно микроскопические волокна, составленные из уже привычных кремния и кремния, обогащенного германием (SiGe), расположенных слоями по всей длине волокна. Очевидно, что меняя свойства этих участков есть возможность получать любые полупроводниковые устройства, а компактность волокон, вдобавок, могущих пересекаться как угодно, позволяет разместить на площади, где сегодня размещаются миллионы транзисторов - миллиарды.

Процесс получения нановолокон по сути своей очень схож с тем, в результате которого получаются нанотрубки: химическое осаждение в комбинации с пульсирующим испарением лазером. Кремниевая пластина покрывается тончайшим слоем золота, камера нагревается. Под воздействием нагрева, золотая пленка плавится, превращаясь на капли нанометровых размеров. Затем на эти капли осаживаются пары кремния и германия: когда лазер выключен - только кремния, когда включен - и кремния, и германия, так контролируется процесс. По словам самих ученых, процесс выращивания заданной нановолокон заданной структуры с помощью запрограммированного на ту или иную последовательность лазера, чем-то напоминает процесс полимеризации.

Волокна. Это которые две большие! Темные полоски - SiGe, светлые - просто силикон.

За час удается вырастить миллионы таких слоеных волокон по весьма низкой цене.В этом то вся и суть: нанотрубки, или нановолокна, кто бы из них не оказался победителем в конце концов, возможно новая технология позволит при заметном увеличении плотности транзисторов если не удешевить процесс, то хотя бы оставить его на уровне, близком к сегодняшнему.