Резистивная память или сокращённо ReRAM (RRAM) упорно сопротивляется лучшим умам человечества. Она весьма заманчива для запуска в массовое производство и обещает высочайшую устойчивость к износу — ReRAM в 1000 раз устойчивее, чем NAND-флеш, но создать коммерчески выгодный техпроцесс производства ReRAM пока ни у кого не получилось. На словах ближе всего к делу запуска коммерческого производства ReRAM подошла компания HP и даже придумала интересное название для нового продукта — мемристор, но воз с мемристорами за прошедшие с тех пор шесть лет так и не сдвинулся со своего места. Более того, теперь компания HP в качестве памяти для своего «козырного» проекта Machine на первом этапе собирается использовать не ReRAM (мемристор), а память с изменяемым фазовым состоянием вещества и, судя по последним событиям, это будет память Intel/Micron 3D XPoint.

ReRAM имеет массу востребованных качеств (HP)

Всё сказанное выше не означает, что интерес к ReRAM сходит на нет. Разработке резистивной памяти уделяют внимание всё новые и новые компании. Так, в 2014 году в Израиле была организована компания Weebit Nano, которая предложила коммерциализировать одну из модификаций ReRAM. Разработчики лицензировали у Университета Райса семь уникальных патентов, оформленных профессором Джеймсом Туром (James Tour). Судя по всему, речь может идти об одной из последних разработок — о ячейке ReRAM на основе пористого графена и рабочего слоя в виде диоксида кремния. Новые материалы позволяют создать ячейку памяти с относительно простой структурой и достаточно низким рабочим напряжением — порядка 2 вольт, что положительно скажется на себестоимости продукта и на энергоэффективности его работы.

В настоящий момент компания Weebit Nano проходит процедуру покупки австралийской компанией Radar Iron. Голосование акционеров по этому поводу должно состояться в мае. По условию договора, после завершения транзакции компания Radar Iron будет переименована в Weebit Nano. Когда это произойдёт, председателем совета директоров Weebit Nano станет ветеран компании Intel и её последний директор разработчиков процессорных архитектур — Дэвид (Дэди) Перлмуттер (David Perlmutter).

Дэвид Перлмуттер (David Perlmutter) на IDF 2012 (Intel)

Дэвид Перлмуттер отработал в компании Intel 34 года и ушёл из неё в феврале 2014 года, когда стало понятно, что никто из старой команды в компании больше не нужен. В Intel меняют стратегию развития, и работа над процессорными архитектурами больше не является наиболее важным направлением для компании. Но такие спецы, как Перлмуттер, без работы долго не остаются. Тем более, что память ReRAM, если и когда она будет доведена до производства, будет востребована также в качестве основы для процессорных архитектур.

Приверженность родному футбольному клубу стало для многих большим, чем просто развлечение выходного дня. Особенно, если вы проживаете в стране, которая исконно считается одной из сильнейших футбольных держав в мире. Смешать современные технологии и любовь к футболу воедино, чтобы удовольствие от просмотра игры любимой команды на стадионе было максимальным, предложило руководство футбольного клуба «Тигре» из города Виктория. 

www.youtube.com

Для преданных фанатов команды «Тигре», пребывающей в первом дивизионе аргентинского национального чемпионата, была подана на рассмотрение идея воплотить в реальность популярное выражение «I carry you inside me», что означает «всей душой болеть/сопереживать» своей команде. Правда, отдавать душу в случае с ФК «Тигре» не потребуется, а вот вживить под кожу специальный чип болельщикам всё-таки предложили. 

Руководство клуба объяснило, что имплантация микрочипа не несёт в себе цель каким-либо образом отслеживать передвижения фанатов или вторгаться в их частную жизнь. Однако с его помощью прибывшие на матч поклонники команды смогут попасть на стадион лишь прислонив руку к сканеру турникета, что должно ускорить процесс движения очереди. Занимающий пост управляющего «Тигре» Эсекьель Рочино (Ezequiel Rocino) в числе первых успел опробовать на себе технологию, вживив чип под татуировку с клубной символикой на плече. 

www.kgw.com

Пока что упомянутая инициатива проходит предварительно-экспериментальную фазу, так как руководству клуба потребуется обязательное одобрение на массовые имплантации чипов со стороны Аргентинской футбольной ассоциации, а также разрешение от организаций здравоохранения. 

Дальнейшее снижение себестоимости производства микросхем сопряжено с невероятными трудностями. Снижение масштаба технологических норм для широко распространённого КМОП-процесса (металл/оксид/полупроводник) подходит к своему пределу. Сделать микросхемы дешевле можно за счёт более высокой интеграции компонентов, а также за счёт разного рода оптимизаций. Это не самый простой путь к снижению себестоимости, но других вариантов просто не остаётся. А оптимизировать можно многое. Пока снижение себестоимости шло скачками — с одних технологических норм на меньшие, на оптимизацию мало кто обращал внимание. Теперь приходится вглядываться в каждую мелочь. Одной из таких «мелочей» считается внутричиповая обвязка, которая соединяет кристалл с упаковкой и контактами для распайки.

Пример сварки обвязки шариком (TJ Green Associates LLC)

В производстве чипов для обвязки кристаллов наиболее широко используется золото и сплав золота с добавками бериллия. Как альтернатива золоту может применяться медь, рабочие характеристики которой не намного хуже. Гораздо реже и только для больших токов используются алюминиевые проводники с диаметром проводника от сотни и больше микрон. Диаметр золотых проводников, к примеру, начинается от 12 мкм. Это немаленькая статья расхода, сократить которую были бы не прочь многие производители. Можно не сомневаться, что в этом направлении работают многие исследователи. Свой вариант технологии перехода на алюминиевые проводники для обвязки, к примеру, предложил Тайваньский национальный институт NCKU (National Cheng Kung University).

Алюминиевые проводники, которые могут стать альтернативой золотым в чипах (National Cheng Kung University)

Подробный доклад о технологии будет представлен в июле этого года. Пока сообщается, что технология позволяет создать для обвязки кристаллов алюминиевые проводники диаметром 18 мкм — это на порядок меньше, чем обычно. Хитрость разработки заключается в том, что алюминиевая проволока покрывается «нанослоем» цинка. Полученная таким образом проволока имеет все необходимые качества для обвязки кристаллов методом сварки шарика (ball bonding) — она характеризуется необходимой ковкостью и вязкостью и не разрушается в процессе изготовления и упаковки микросхемы. Метод сварки шариком, добавим, использует лазерную (прямой нагрев) или ультразвуковую сварку, когда из проволоки формируется шарик и происходит точечная сварка с контактами на кристалле и в упаковке.

Следующим важным этапом на пути развития электроники обещает стать переход к кремниевой фотонике, когда медные проводники во внутричиповых интерфейсах уступят место оптическим каналам связи. Для этого будут использоваться полупроводниковые лазеры в инфракрасном диапазоне, благо для инфракрасного излучения полупроводник прозрачен. Попросту говоря, для прокладки оптических каналов связи внутри процессора не нужно будет изобретать чего-то особенного. Традиционный техпроцесс CMOS для этого годится на все сто процентов. Переход на «оптику» снизит потребление процессоров (и уменьшит объёмы рассеиваемого ими тепла), а также ускорит обмен данными. Проблема кроется в другом — научиться выпускать полупроводниковые лазеры в ходе обычных циклов производства полупроводников на кремниевой пластине.

Сегодня наиболее перспективными для интеграции в чипы считаются полупроводниковые лазеры на квантовых точках (quantum dot laser). Такие лазеры в качестве активной среды в излучающей области используют квантовые точки. Удобство данных структур в том, что в зависимости от выбора размеров квантовой точки можно выбирать длину волны лазера и, тем самым, обеспечить уплотнение каналов передачи данных. Также лазеры на квантовых точках способны работать в расширенном диапазоне температур без ухудшения рабочих характеристик.

Общий принцип работы и строение полупроводникового лазера на квантовых точках (jqi.umd.edu)

В качестве материалов для лазеров на квантовых точках принято использовать комбинации материалов из III-V групп периодической таблицы Менделеева. Это арсенид индия и арсенид галлия (InAs/GaAs). Сложным моментом в производстве подобных лазеров являлось то, что в области контакта выращиваемого лазера и кремния (в качестве подложки) возникает много дефектов. Дефекты значительно сокращают срок службы лазера и являются препятствием для внедрения технологии в массовое производство. Этот барьер, как недавно сообщила группа британских учёных, можно преодолеть с помощью специально разработанного зародышевого слоя (nucleation layer), нанесённого на кремниевую подложку для выращивания на нём полупроводникового лазера.

Изображение слоёв подложек и лазера под электронным микроскопом (UCL Electronic & Electrical Engineering)

Отметим, подобный подход и материалы используются во всех лабораториях мира, работающих над проблемами производства полупроводниковых лазеров. Уникальность же нового подхода в том, что впервые получен очень интересный результат. Выпущенный с использованием новых методик 1,3 мкм (1300 нм) лазер на мощности излучения 105 мВт показал свыше 100 000 часов наработки на отказ (использовалось ускоренное старение — работа на запредельных мощностях). Это больше 10 лет эксплуатации, что соответствует обычному в телекоммуникациях времени использования оборудования до модернизации.

Изображение бездефектных слоёв в сканирующем микроскопе (UCL Electronic & Electrical Engineering)

Добавим, в ходе экспериментов лазер нагревался до 120 градусов по Цельсию и оставался работоспособным. На новом этапе разработки учёные будут пытаться выращивать лазеры с разной длиной волны и изучать возможность их интеграции в полупроводниковые цепи.

Крупнейший в мире независимый исследовательский центр — бельгийский imec — открыл на днях новую «чистую комнату» для освоения техпроцессов с нормами менее 7 нм. В «чистых комнатах» находится литографическое оборудование для переноса изображения с фотошаблонов на полупроводниковые пластины. Новая «чистая комната» imec вместила линии для обработки 300-мм кремниевых пластин — наибольшего из имеющихся сегодня в ходу типоразмеров.

Здание imec с новой «чистой комнатой» (imec )

Общая площадь нового помещения составила 4000 квадратных метров. На строительство здания ушло 20 месяцев и свыше одного миллиарда евро. Тем самым общая площадь «чистых комнат» imec достигла внушительного числа 12 000 квадратных метров. Можно ожидать, что новые линии для освоения техпроцессов с нормами менее 7 нм опираются на EUV-оборудование компании ASML. В пресс-релизе imec об этом ничего нет, но сообщается, что новые линии используют опытные сканеры ранних (альфа и бета) версий. Центр imec, кстати, уже имеет на руках опытный кремний с 5-нм чипами.

Пример сканера компании ASML (ASML)

Новые линии дополнят экспериментальные и коммерческие линии imec для выпуска полупроводников с лейблом «Made in Europe». Кроме перспективных исследований центр imec занимается обслуживанием коммерческих заказов на проектирование и производство микросхем для больших и маленьких европейских компаний. В активе центра имеются опытные линии по выпуску биоэлектроники, нейроэлектроники, беспроводных чипов, солнечных панелей, кремниевой фотоники на основе GaN-on-Si (нитрид галлия на кремнии) и MEMS-схем (микроэлектромеханические). Новые линии в новой «чистой комнате» дополнят этот список возможностью выпускать чипы с размером элементов длиной в считанные единицы атомов.

По следам Mobile World Congress, который состоялся на неделе в Барселоне, хочется упомянуть ещё об одной части выставки — быть может, не столь заметной, как масса новых гаджетов, представленных в этом году, однако то, о чём мы сейчас поговорим, в действительности более важно для компьютерной индустрии, чем новый смартфон.

Наиболее известным из потенциальных применений графена являются интегральные схемы, в которых данный материал способен заменить кремний в качестве полупроводника, формирующего затворы полевых транзисторов. И действительно, на MWC была продемонстрирована медная пластина подходящего для фотолитографии формата, покрытая невидимым для невооруженного глаза слоем графена. Медь в данном случае выполняет роль катализатора, а на следующих этапах обработки от неё необходимо будет избавиться. Однако что-то более сложное, чем равномерный слой, на базе графена пока создать не так-то просто. Как нам сказал представитель компании, изготовившей пластину — Graphenea, доработка технологии до коммерческой стадии займет ещё приблизительно двадцать лет.

Хорошие новости в том, что графен уже готов к практическому применению в более тривиальных областях. К примеру, можно создавать композитные материалы, обладающие улучшенными свойствами, добавляя графен в пластик, резину или углеволокно. Причём для этого не обязательно использовать дорогостоящий в производстве однослойный графен. Достаточно множества фрагментов, состоящих из нескольких атомарных слоев. На стенде компании Haydale можно было увидеть образцы перечисленных продуктов. В данном случае графен усиливает прочность изделий и придаёт им свойство электропроводности.

Добавление графена в обычные углеродные чернила снижает в 4–5 раз сопротивление цепей, нанесённых на бумагу либо пластик при помощи принтера. Кстати, таким способом уже создаются не только проводники, но, к примеру, и транзисторы.

Haydale также показала прототип датчика давления, который представляет собой два слоя полос из графита с добавлением графена, разделённых диэлектриком. Эффект основан на том, что приложение давления в определенной точке заставляет частицы графена временно выравниваться относительно друг друга. Опытный образец обеспечивает измерение с ошибкой в пределах 2–5 %.

ICFO продемонстрировал образцы оптических датчиков с применением графена, которые можно использовать, к примеру, для регистрации пульса в носимой электронике — часах, браслетах и пр. В отличие от датчиков, которые уже используются в этой области, графен позволяет сделать их гибкими.

ZAP&GO — это внешний аккумулятор для зарядки электронных устройств на основе конденсатора, обладающий ёмкостью 750 мА·ч. Стандартный конденсатор подобной емкости представляет собой круглую «банку», но применение графена позволило создать плоскую деталь и увеличить площадь внутренних пластин. Устройство полностью заряжается за пять минут. Следующие итерации технологии, как утверждает разработчик (компания Zapgocharger), достигнут показателей 1500 и 3000 мА·ч соответственно. Банк допускает вплоть до 100 тыс. циклов зарядки — то есть он практически вечный по сравнению с химическими батареями. Кроме того, в отличие от аккумуляторов, ZAP&GO не горит и не содержит ядовитого лития. Потенциально супер-конденсаторы на основе графена можно применять и в других областях — бытовые приборы, строительные инструменты и, конечно же, электромобили.

Переход на сканеры для полупроводниковой литографии в жёстком ультрафиолетовом диапазоне с длиной волны 13,5 нм не просто назрел, он перезрел, как минимум на пять, а то и больше лет. Давным-давно производители собирались начать использовать EUV-литографию в 2005 году или около того. Череда больших и малых кризисов поломала эти планы. Кризис «доткомов», кризис перепроизводства компьютерной памяти, корпоративный кризис, финансово-кредитный кризис 2008 года, начало сокращения рынка ПК — это всё сдерживало серьёзные капитальные вливания в принципиально новое оборудование. Тянули на старом: прогоняли по две проекции с чуть смещёнными фотошаблонами, играли с полутенями и интерференцией, для повышения разрешающей способности погружали оптику проекторов в жидкости — 193-нм сканеры всё работали и работали. До техпроцесса с нормами 7 нм, как оказалось, без EUV-проекции всё ещё можно обойтись. Дальше — себе дороже. Иными словами, переход на EUV-проекцию всё-таки назрел.

Типичная оптическая колонна для 193-нм сканеров

К сожалению, EUV-сканеры — это ещё не всё, что необходимо для перехода на новое оборудование. Для работы с EUV-излучением требуются новый светочувствительный материал — фоторезист, а также фотомаски из другого материала. Излучение очень жёсткое и традиционные материалы быстро и надёжно разрушаются под его воздействием. Стоимость фотомасок давно приблизилась к одному миллиону долларов США за каждую, и никто в здравом уме не собирается сжигать такую дорогую вещь за один проход. Также надо учитывать, что оптическая система EUV-сканеров работает на отражении — через систему фокусирующих зеркал, тогда как оптическая система современных сканеров работает на просвет. Соответственно, новые фотомаски должны быть зеркальными, а не прозрачными. В общем, нерешённых проблем остаётся много, а времени до желательного начала производства с помощью EUV-сканеров всё меньше. Индустрия жаждет начать коммерческое использование EUV-сканеров в 2018 или в 2019 году — через два-три года.

Общий принцип организации оптической системы EUV-установки

Можно ожидать, что многих проблем, связанных с EUV-литографией, в одиночку не решить — они комплексные, а решение требует значительных затрат на исследования. В связи с этим компания GlobalFoundries и Политехнический Институт SUNY (штат Нью-Йорк) договорились создать центр по изучению проблем EUV-литографии. Центр будет решать вопросы с применением EUV-сканеров для производства полупроводников с нормами 7 нм и меньшими. Предусмотренный объём финансирования — 500 млн долларов CША в течение пяти лет. Центр получит один сканер ASML NXE:3300 и примет на работу около 100 человек исследователей. Создаётся ощущение, что организаторы опоздали с этим центром лет на пять, но лишним он всё равно не будет даже сейчас.

Прозрачные проводящие плёнки, выполняющие роль прозрачных электродов и применяющиеся при изготовлении современных сенсорных панелей, классических жидкокристаллических мониторов/ТВ, а также при производстве OLED-дисплеев, имеют один серьёзный недостаток. В роли базового материала, из которого выполняются прозрачные проводящие плёнки, выступает легированный оксид олова (SnO₂) или оксид индия (In₂O). Последнее соединение отвечает всем современным стандартам производства сенсорных дисплеев, однако сложный технологический процесс при работе с оксидом индия отражается на стоимости конечной продукции.  

Заняться поиском альтернативных материалов, которые можно было бы использовать для создания ничем не уступающих по своим параметрам аналогов современных прозрачных проводящих плёнок, решили специалисты из лаборатории наноматериалов Сколковского института науки и технологий. Руководителем проекта выступил профессор Альберт Насибулин, под чьим руководством и был разработан российский наноматериал, о котором пойдёт речь ниже. 

Дмитрий Рогулин/ТАСС

Команда из Сколково предложила в качестве замены оксиду индия гибридный наноматериал, в составе которого значится графен и углеродные нанотрубки. Производственный цикл анонсированной разработки выглядит на данном этапе следующим образом: на плёнку из  углеродных нанотрубок наносится методом напыления покрытие из оксида графена. Далее происходит его термическое восстановление, после чего происходит легирование гибридного наноматериала хлоридом золота.

В результате проделанных манипуляций инженерам Сколтеха удалось на выходе получить исходный материал для изготовления прозрачных проводящих плёнок без использования привычного оксида индия. При этом, как утверждается в подготовленном лабораторией наноматериалов отчёте, результаты первых тестов говорят о впечатляющих оптоэлектрических и прочих свойствах полученного «гибрида».

Как известно, литиево-ионные аккумуляторы подвержены риску возгорания и даже взрыва. Физические или электрические пробои ведут к замыканиям в среде электролита и к резкому росту температуры — до 150 градусов по Цельсию. Всё это ограничивает сферу использования литиево-ионных аккумуляторов, ведёт к неудобствам при транспортировке и часто служит причиной отзыва уже отгруженной продукции. Возможно, новая разработка группы учёных из Университета Стэнфорда раз и навсегда решит проблему возгорания литиево-ионных аккумуляторов и батарей. Более того, предложенная технология включает возможность автоматического возврата аккумулятора в рабочий режим после остывания до безопасной температуры.

Полимерная плёнка для литиево-ионного аккумулятора с реверсивным термопредохранителем (Stanford)

Согласно предложению учёных, один из электродов литиево-ионного аккумулятора можно изготовить на основе полиэтиленовой плёнке с покрытием из наночастиц никеля. В свою очередь, для лучшей проводимости наночастицы никеля порываются слоем графена. При нормальных температурах, скажем — до 70 градусов по Цельсию, внутренняя токопроводящая поверхность электрода с плёнкой с наночастицами работает как проводник. В случае повышения температуры выше заданной, а этим можно управлять, меняя химический состав плёнки, происходит коробление с массовыми разрывами на уровне потери контактов между наночастицами. Течение тока останавливается, и батарея начинает остывать. После снижения температуры до безопасного уровня аккумулятор возобновляет работу в обычном режиме.

Принцип работы аккумулятора с защитой от перегрева на основе наночастиц (Nature)

Разработчики проверили теорию на практике. При разогреве образца строительным феном сопротивление плёнки с наночастицами резко возрастало, разрывая контакт в импровизированной цепи. После остывания цепь снова возобновляла работу. Аккумуляторы с подобной защитой, уверены учёные, помогут существенно снизить затраты, связанные сегодня с отзывом и заменой батарей, а также ликвидируют проблему с самовозгоранием литиево-ионных аккумуляторов. На наш взгляд, это лишь частично решает вопрос с защитой аккумуляторов. Такая неисправность, как короткое замыкание между обкладками аккумулятора не является реверсивной, и вышедший из строя аккумулятор подлежит замене. Но от пожара подобная защита действительно может уберечь.

Демонстрация работы реверсивного термопредохранителя в простой электрической цепи (Nature)