Буквально на днях произошёл один знаковый инцидент, о котором поспешил доложить китайский интернет-ресурс EXPreview. В микроблогах Weibo один из зарегистрированных участников поделился новостью о небывалом доселе случае отказа в получении работы в высокотехнологической европейской компании. Один из китайских студентов, который заканчивает обучение в Нидерландах, направил запрос об отправке резюме для получения работы по месту в компании ASML или в её дочерних структурах. Ответ представителя ASML обескуражил. Под давлением правительства США компании якобы запрещено принимать на работу китайцев.

Позиция ASML понятна. При сборке сканеров для полупроводникового литографического производства она опирается на поставки комплектующих из многих стран, включая США. Поэтому она уязвима для возможных санкций, если американцы обвинят её даже в непредумышленном пособничестве Китаю по передаче технологий. Подобной позиции можно ожидать от других европейских компаний и более чем вероятно — от американских компаний. Возможно, вопрос смены гражданства облегчит китайцам поиск работы в IT-сфере в США и Европе. Но в случае накала борьбы за чистоту рядов случиться может всякое. Примеры этому можно легко найти в не таком далёком прошлом.

Литографический сканер ASML диапазона EUV

Компания ASML не зря попала в поле зрения служб безопасности США. Она является безусловным лидером по разработке промышленного оборудования для выпуска полупроводников, в чём отчаянно нуждается Китай. Тем самым в ASML фактически в одном месте сосредоточены главные секреты в области работы с кремниевыми пластинами. К такому кого попало не допустишь. Остаётся вопрос, будет ли для Китая намного хуже, если прошедший обучение в Европе студент вернётся на родину и начнёт работать на её благо?

Транзисторы размером с один атом остаются неблизким, но неизбежным рубежом, после которого невозможно будет развивать данный тип электронных приборов. Исследователи давно изучают данный рубеж, чтобы понять насколько близко и как скоро мы сможем к нему приблизиться. Очередной экспериментальный одноатомный транзистор создали в Технологическом институте Карлсруэ (Karlsruhe Institute of Technology, KIT). Разработка стала продолжением серии экспериментов по созданию одноатомного транзистора в жидком электролите. Новая структура создана в твёрдом электролите и может считаться уникальной.

Экспериментальный одноатомный транзистор разработки Технологического института Карлсруэ (KIT)

Отмечается, что предложенный в KIT транзистор может стать основой квантовых вычислительных систем. При этом он работает при комнатной температуре, а не с охлаждением до −273 °C, как современные квантовые коммутаторы. Но даже для традиционной вычислительной и другой электроники разработка сулит немыслимое — снижение потребления для транзисторов более чем в 10 000 раз.

Высокая энергоэффективность предложенной транзисторной структуры достигнута также за счёт того, что разработчики отказались от полупроводников в пользу исключительно металлов. Транзистор представляет собой два металлических контакта с зазором между ними в один атом. В зазоре находится твёрдый электролит, полученный из жидкого состояния путём высокотемпературного воздействия. С помощью импульса тока, приложенного к контактам, в зазор вводится атом серебра, который замыкает цепь (транзистор переходит в открытое состояние). Обратный импульс выводит атом серебра из зазора, размыкая цепь и запирая транзистор.

Современная электроника и вычислительные мощности во всём мире потребляют около 10 % вырабатываемой электростанциями электроэнергии. В этом свете вопрос снижения потребления транзисторов крайне актуален, уверены в институте. Может так статься, что именно эта разработка окажется востребованной отраслью и приблизит создание электроники с никогда не разряжающейся батарейкой.

Учёные Университета Пердью в штате Индиана предложили улучшить структуру субмикронного полевого транзистора, встроив в него для этого полупроводниковый лазер. Ожидается, что такая гибридная структура обеспечит ошеломительный эффект в виде снижения потребления транзистора наноразмерного уровня и приведёт к повышению производительности за счёт увеличения скорости его переключения.

Структура обычного кремний-германиевого полевого транзистора (Purdue Office of Technology Commercialization)

В качестве лазера предложено использовать квантово-каскадный лазер. Данный тип полупроводникового лазера работает на эффекте перехода электронов между слоями гетероструктуры полупроводника. Иначе говоря, транзистор является «естественной средой» для квантово-каскадного лазера. Кроме этого в транзистор встроена комплексная система переключающих механизмов, которая одновременно переключает транзистор из включенного состояния в выключенное и обратно. Увы, подробностями источник не располагает.

Лазер и «переключающие механизмы» призваны решить одну фундаментальную трудность для мельчающих транзисторов. Для снижения потребления и для повышения скорости переключения транзисторов по мере снижения масштаба норм технологических процессов необходимо снижать напряжение питания до пороговых значений и крайне желательно снизить сам порог переключения, который при обычных условиях уменьшить ниже строго определённого значения просто невозможно.

В схемотехнике полевых транзисторов за это отвечает величина или крутизна допорогового размаха (subthreshold swing). В свою очередь, чтобы допороговый размах был как можно меньше, а крутизна больше, необходимо повышать плотность тока открытия транзистора и понижать плотность тока его закрытия. Это крайне положительно скажется на уменьшении допорогового размаха напряжения, в чём главную роль обещает сыграть встроенный в структуру полевого транзистора лазер.

По данным сайта EXPreview, руководство компании TSMC подтвердило планы начать массовое производство 3-нм полупроводниковой продукции в 2022 году. На сегодняшний день к выпуску 3-нм чипов ускоренными темпами идут только две компании: TSMC и Samsung. Причём Samsung может сделать это первой на один год раньше TSMC — в 2021 году. Компания Intel застряла на этапе снижения уровня брака при  производстве с технологическими нормами 10 нм, а GlobalFoundries внедряет первое поколение 7-нм техпроцесса и рассматривает вариант последующего перехода сразу на 3-нм техпроцесс (но она вряд ли сделает это раньше Samsung).

Итак, компания TSMC сообщила, что Национальное агентство Тайваня по контролю за окружающей средой (EIA) утвердило предварительные планы строительства завода в научном парке города Тайнань (Tainan Science Park). Это производство изначально нацелено на выпуск 3-нм продукции и расположено рядом с уже строящимся заводом Fab 18, который будет выпускать 5-нм полупроводники. Определена также сумма инвестиций в проект — порядка 600 млрд новых тайваньских долларов, что сегодня эквивалентно $19,4 млрд. В 5-нм завод, отметим, TSMC инвестирует $25 млрд.

В собственность TSMC земля под строительство завода для выпуска 3-нм чипов площадью 18 гектар перейдёт в 2020 году. Строительство предприятия должно начаться в том же году с началом установки промышленного оборудования в 2021 году. Тем самым 3-нм завод TSMC может успеть войти в строй до конца 2022 года. Во всяком случае, в 2023 году он уже будет выпускать массовую продукцию.

Третий в мире по величине контрактный производитель полупроводников тайваньская компания UMC (United Microelectronics Corporation) решил остепениться. Вместо разработки техпроцессов с нормами менее 12 нм компания задумалась о возврате инвестиций на базе развития более зрелых техпроцессов, в частности 28- и 14-нм. Техпроцесс с нормами 14 нм FinFET компания UMC ввела в строй только в прошлом году, что на год с небольшим позже компании TSMC. На очереди внедрение 12-нм техпроцесса, но с этим тоже есть трудности. Отставание от TSMC стало настолько критическим, что в UMC приняли решение вовсе отказаться от гонки техпроцессов.

Разница между выручками TSMC и UMC очень большая. Компания TSMC получила в 2017 году свыше $32 млрд, а UMC только около $5 млрд. С такой разницей расходы на НИОКР также будут колоссально отличаться, что определяет выбор стратегии развития. И если TSMC успешно разработала 7-нм техпроцесс и почти завершила разработку 5-нм техпроцесса, а также вгрызлась в разработку 3-нм, то UMC пока остановилась на 12-нм техпроцессе и собирается делать минимальные вложения как в разработку 7-, так и 5-нм  техпроцесса.

Полупроводниковый завод компании UMC (UMC)

К сожалению для UMC, главная угроза для неё не в компании TSMC (во всяком случае в обозримом будущем), а в китайском контрактном производителе полупроводников компании SMIC. Компания SMIC успешно освоила 28-нм техпроцесс и планово внедряет 14-нм производство. Она-то точно не остановится на выпуске 14-нм решений и уже сообщает о закупке сканеров EUV. На очереди у китайцев внедрение 7-нм техпроцесса и более мелкого. Ориентировочно через два года китайская SMIC будет обладать более совершенными техпроцессами и технологиями, чем компания UMC. Это определённо позволит SMIC обойти UMC и по экономическим показателям. При этом важно понимать, что обе они (как и другие лидеры рынка) стремятся расшириться на рынке Китая. Для UMC новая стратегия выглядит проигрышной, но другой альтернативы у неё, похоже, нет.

Изобретение микроскопа принесло революционные изменения почти во все области деятельности человека. Использование этого инструмента трудно переоценить, а широту применения невозможно ограничить какими-то рамками. Спустя столетия микроскоп продолжает совершенствоваться. В 2014 году, например, разработчики одной из самых передовых технологий в оптической флуоресцентной микроскопии удостоились Нобелевской премии. Это очень развитая и совершенная технология, но, к сожалению, она требует особых умений и дорогая в эксплуатации. Между тем прикладная и академическая науки требуют оптических микроскопов новых поколений и, в сочетании с современной электроникой, такие приборы обещают появиться.

Слева на фото Нильс Вереллен (Niels Verellen)

На днях один из молодых учёных бельгийского исследовательского центра Imec Нильс Вереллен (Niels Verellen) был удостоен гранта Европейского научного совета ERC на разработку сверхкомпактного микроскопа. Программа предусматривает пятилетние исследования на сумму 1,5 млн евро. Микроскоп будет опираться на датчик изображения КМОП вкупе с использованием технологии кремниевой фотоники. Нильс Вереллен как раз специалист Imec по кремниевой фотонике. Сверхкомпактный микроскоп должен удовлетворять ряду других требований. Он не должен требовать материалов при обслуживании (zero-maintenance), иметь сверхвысокое разрешение, должен работать быстро с минимальной подготовкой к работе, не требовать каких-либо условий для работы и при этом должен быть недорогим. Иначе говоря — пригодным для массового производства.

Создание микроскопа по предъявленным выше условиям приведёт к облегчению диагностики целого ряда опасных для человека заболеваний. Разработка должна помочь в наблюдении живой клетки вплоть до молекулярного уровня и до секвенции ДНК «на коленке». Теоретически, подобные микроскопы можно будет встраивать даже в смартфоны.

Электроника США начинает возрождение. Правда, пока только на бумаге или в основном на бумаге. Во вторник, 24 июля, на саммите Electronics Resurgence Initiative Summit руководители тематических программ агентства DARPA объявили первых участников программы. Полный список победителей (руководителей проектов) с общим призовым фондом в размере $1,5 млрд на пять следующих лет можно найти по этой ссылке. Нас же интересуют имена компаний, которые будут возрождать электронику США.

Главными действующими лицами программы «Инициатива DARPA по возрождению электроники» (Electronics Resurgence Initiative, ERI) станут гиганты полупроводниковой индустрии — компании IBM, Intel, NVIDIA и Qualcomm, а также малоизвестная компания Skywater, которая, если забегать вперёд, получит наибольшее финансирование по данной программе — $61 млн. Субподрядчиками программы названы компании ARM и GlobalFoundries и целый ряд других компаний. Инициатива DARPA призвана дать толчок развитию электроники в США в период с 2025 по 2030 годы и освоить всё то, о чём сегодня разработчики могут только мечтать.

Помимо перечисленной выше пятёрки основных участников программы ERI тремя другими главными компаниями инициативы названы Applied Materials, Ferric Inc и HRL Laboratories (Калифорнийский университет). В качестве управляющих программой к проекту присоединились исследователи из компаний Mentor Graphics и Xilinx.

Возвращаясь к компании Skywater Technology Foundry, поясним, что это один из самых амбициозных проектов в рамках программы ERI. Эта компания, основанная на базе бывшего завода компании Cypress в штате Миннесота, должна разработать технологию производства монолитных 3D-чипов с весьма развитой функциональностью. Например, 90-нм 3D-полупроводники должны быть не хуже по характеристикам 7-нм планарных чипов.

Исследователи Skywater вместе с учёными из MIT и Стэндфордского университета будут работать в рамках подпрограммы DARPA 3DsoC (Three Dimensional Monolithic System-on-a-Chip). Они будут искать возможность интеграции в чипы новейших материалов для выпуска встраиваемой памяти ReRAM или углеродных нанотрубок. И всё это на базе устаревшего 90-нм низкотемпературного CMOS-процесса. При этом разработка призвана 50-кратно увеличить общую производительность вычислительного процесса.

Отдельно на встраиваемой перспективной энергонезависимой памяти сфокусируется программа Foundations Required for Novel Compute (FRANC). В частности, памятью MRAM будет заниматься компания GlobalFoundries. Программа FRANC должна 10-кратно улучшить встраиваемую память, чтобы она была плотнее классической SRAM и не хуже её по скорости работы. Главными разработчиками программы FRANC стали компании Applied Materials, Ferric, HRL и учёные из Университетов Миннесоты и Иллинойса и Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе (UCLA). Помимо MRAM будут изучаться возможность использования других вариантов памяти, например памяти CeRAM (Correlated electron RAM, память с коррелированным электроном), на которую делает ставку компания ARM.

Компании Intel, NVIDIA и Qualcomm стали главными по программе Software-Defined Hardware (SDH, аппаратные системы, задаваемые программным обеспечением). Главными академическими исследователями по программе SDH стали Технологический институт Джорджии, Принстон, Стэнфорд и Университеты Мичигана и Вашингтона. Программа SDH призвана разработать чипы, которые могли бы изменять архитектурную конфигурацию в зависимости от исполняемой в данный момент задачи (подстраиваться под тип данных). В основе проекта лежит ускорение обработки графов. Этим, а также тензорной алгеброй и машинным обучением будет заниматься NVIDIA.

iStockphoto

Компания IBM вместе с Национальной лабораторией Ок-Ридж и Университетами Аризоны и Стэнфордом займётся программой Domain-Specific System on Chip (DSSoC) или SoC-ускорителями специфических задач. Грубо говоря, разработчики должны найти баланс между ASIC и CPU, чтобы проложить дорогу к массе специализированных ускорителей. О двух других программах — IDEAS и POSH, мы рассказывали в начале июля. Осенью DARPA планирует анонсировать ещё несколько программ в рамках инициативы ERI.

Скирмионы или мельчайшие магнитные вихревые структуры, направление магнитной оси индивидуальных атомов в которых меняется по мере удаления от центра вплоть до полной противоположности, интересуют учёных не первый год. Скирмион как устойчивая структура может служить единицей для записи данных на магнитном носителе. Главная особенность скирмиона заключается в возможности воспроизвести его в магнитном материале с меньшими энергетическими затратами, чем в случае изменения намагниченности обычного домена на магнитном носителе жёсткого диска. Происходит это благодаря тому, что векторы атомов в магнитном вихре уже частично и даже полностью развёрнуты в нужную сторону, тогда как в обычном случае приходится менять направление намагниченности на полностью противоположное.

Условное изображение магнитного вихря, известного как скирмион (Nanoscale / Royal Society of Chemistry)

Очевидно, что подобные качества скирмионов заставляют задуматься об использовании мельчайших магнитных вихрей в качестве основы для памяти будущего. Остаётся решить вопросы масштабирования, подобрать материалы и создать условия для формирования устойчивых вихревых структур при комнатных температурах. Что-то из этого решено, пусть частично, что-то требуется решить. Так, учёные из Университета Небраски-Линкольна (University of Nebraska–Lincoln) смогли закрутить магнитную спираль скирмиона диаметром всего 13 нм. До этого рекордом считался 50-нм скирмион, и дальше дело не шло. Материалом, на котором создан мельчайший магнитный вихрь, остаётся моносилицид марганца (MnSi). Температура, при котором скирмион оставался стабильным, составила −230 °C.

Трековая память в представлении IBM

Интересным явлением также считается возможность перемещения скирмион с помощью электрических имульсов. Это открывает путь к так называемой трековой памяти, когда данные хранятся и считываются с наномасштабных нитей. В магнитной нити или треке электрический ток способен передавать вихревое состояние (скирмион) от одной группы атомов к другой. Это очевидным образом открывает возможность создания магнитных носителей без механически движущихся частей. Иначе говоря, с высочайшей и недоступной механическим конструкциям надёжностью. Перспективной, например, считается разработка треков шириной около 20 нм. Опыты группы учёных из Университета Небраски-Линкольна приближают создание подобных систем хранения данных.

Компания Samsung официально сообщила о расширении сотрудничества с компанией ARM для успешного продвижения на рынок высокопроизводительных вычислительных платформ. Совместная работа обещает поднять вычислительную производительность решений до новых уровней — выше отметки в 3 ГГц, в чём поможет 7-нм техпроцесс Samsung и последующие техпроцессы. В компании подчёркивают, что это стратегическое партнёрство, позволяющее каждому из участников оставаться на новых рынках на шаг впереди конкурентов.

Если говорить конкретно, то компания ARM для техпроцессов Samsung Foundry 7LPP (7nm Low Power Plus) и 5LPE (5nm Low Power Early) готовит обновлённую платформу Artisan physical IP, в частности — архитектуру ARM Cortex-A76 с частотным потенциалом сверх 3 ГГц тактовой частоты. Платформа Artisan physical IP включает комплекс готовых блоков, «кремниевых» компиляторов и стандартных библиотек элементов, интерфейсов и блоков. Уточним, оптимизированные для работы с линиями Samsung платформы ARM будут подготовлены только в первой половине 2019 года, хотя Samsung начнёт выпуск самостоятельно спроектированных 7-нм чипов ещё до конца текущего года. Завершение разработки Artisan physical IP для 5-нм техпроцесса Samsung также ожидается в первой половине 2019 года.

Для ускоренного вывода новой продукции на рынок будет предложен другой комплект инструментов и решений — ARM Artisan POP IP (Processor Optimization Pack). Платформа ARM Artisan POP IP представляет собой практически готовую к производству продукцию (ядра и процессоры), разработанную инженерами ARM, которая распространяется на правах лицензирования. Заказчик получит новейшие ядра ARM или процессоры под свои нужды, включая поддержку новейшей технологии ARM DynamIQ для объединения в одном процессоре до 8 разнородных ядер. Платформа ARM Artisan POP IP также будет оптимизирована для выпуска на 7-нм и на будущих 5-нм линиях Samsung.

Первый коммерческий сканер ASML для EUV-литографии (NXE:3300B)

Отличительной особенностью 7-нм техпроцесса Samsung станет первое в индустрии использование EUV-литографии для создания нескольких критически важных слоёв в чипах. Инструменты ARM помогут разработчикам освоить новые технологии при проектировании и минимизировать уровень ошибок.

Imec продолжает радовать разработками, открывающими путь к производству полупроводников с нормами менее 5–3 нм. Среди прочих докладов на симпозиуме VLSI Technology 2018 разработчики центра рассказали о найденной серии технологических цепочек, которая позволит выпускать комплементарные пары полевых транзисторов с использованием технологических норм менее 3 нм (complementary FET, CFET). Процесс производства CFET по энергоэффективности и производительности транзисторов может в итоге превзойти техпроцесс FinFET применительно к технологическим нормам 3 нм. Более того, техпроцесс CFET открывает возможность уменьшить на 50 % размеры как стандартных (цифровых) ячеек, так и ячеек памяти SRAM.

Слева указаны варианты строения ячеек (стандартной и SRAM), а справа — предложенная Imec комплиментарная структура из двух транзисторов

Напомним, что на использовании комплементарных пар транзисторов базируется классические КМОП (CMOS) техпроцессы производства микросхем. Это транзисторы с разным типом проводимости (n и p), но идентичные или почти идентичные по параметрам. Разработчики Imec внесли смелое предложение создавать на кристалле комплиментарные транзисторы не рядом, а друг над другом. В предложенной Imec цепочке операций по обработке кремниевой пластины полевой транзистор n-типа (nFET) располагается над полевым транзистором p-типа (pFET).

Транзистор pFET выполнен в виде вертикального ребра (фактически FinFET), а транзистор nFET в виде вынесенной над ним наностраницы (по сути такого же ребра FinFET). Особая прелесть данной конструкции в том, что она создаётся в обычном техпроцессе, как для выпуска транзисторов FinFET. Анализ конструкции с помощью TCAD-инструментов доказывает, что производительность и потребление CFET, выпущенных с использованием 3-нм техпроцесса, превзойдёт показатели транзисторов FinFET в лучшую сторону. Тем не менее, есть проблема, с которой ещё придётся разобраться — это высокое паразитное сопротивление участка подключения истока к верхнему nFET-транзистору (происходит значительное падение напряжения Vss). Данную проблему можно решить, например, за счёт использования рутения в качестве проводника.

Что касается размера ячеек, то «цифровую» или стандартную ячейку в случае CFET удаётся свести к схеме с тремя активными рёбрами FinFET (три контактных площадки в первом слое металлизации), а ячейку SRAM — к схеме с четырьмя активными рёбрами FinFET. Современные же техпроцессы дают возможность создавать ячейку с 6 активными рёбрами и не меньше (6T). На картинке выше, поясним, показаны только активные рёбра FinFET. Рёбра-пустышки, которые разделяют активные FinFET, но не задействованы в схеме ячейки, на картинке заменены пустыми местами, но на кристалле они физически присутствуют и занимают место. «Двухэтажные» комплементарные транзисторы позволят с пользой использовать окружающую площадь. В этом с Imec согласны партнёры по программе разработки компании GlobalFoundries, Huawei, Intel, Micron, Qualcomm, Samsung, SK Hynix, Sony Semiconductor Solutions, TOSHIBA Memory, TSMC и Western Digital.