Считается, что создание абсолютно чёрного материала, поглощающего 100 % света, невозможно, однако группе учёных из Научно-технологического университета имени короля Абдаллы (King Abdulla University of Science and Technology, KAUST), находящегося в Саудовской Аравии, удалось максимально приблизиться к этому значению. Изобретённый ими материал имеет полное право называться самым чёрным, так как поглощает 98–99 % световых волн в диапазоне 400–1400 нм независимо от угла поляризации, то есть на 26 % больше, чем прежние разработки на основе углеродных нанотрубок. Собственного названия у новой технологии пока нет, а вот идей для её применения уже масса — от оптических приборов до солнечных батарей.

На изобретение материала с рекордным светопоглощением учёных вдохновила сама природа. Изучив панцирь жука Cyphochilus, имеющий особенную кристаллическую структуру и вследствие этого способный рассеивать максимальное количество света в видимом диапазоне, они решили воспроизвести нечто подобное, но только с обратным эффектом.

Поверхность нового материала покрыта хаотично расположенными на ней наночастицами, состоящими из наностержней и наносфер диаметром 30 нм. Они образуют некое подобие бесконечных волноводов, практически полностью поглощающих энергию фотонов. При этом материал достаточно прост в производстве и сохраняет свои свойства как на открытом воздухе, так и в жидкой среде. Кроме того, воздействуя на него лазером, исследователи получили новый источник монохроматического излучения.

Летом этого года компания IBM завершила передачу двух своих заводов компании GlobalFoundries. Тем самым, помимо прочего, компания лишилась опытного производства в Ист-Фишкилл (East Fishkill), где она обкатывала разработки, относящиеся к новым техпроцессам. Также компания IBM лишилась значительной части опытных инженеров, которые теперь будут разрабатывать техпроцессы в составе GlobalFoundries. Означает ли это, что IBM больше не будет уделять R&D должного внимания? Нет, не означает. Летом прошлого года компания утвердила пятилетний план по разработкам с объёмом финансирования в 3 млрд долларов США.

Ключевым моментом плана считается переход к посткремниевой электронике. Это и поиск новых материалов, и разработка техпроцессов с нормами менее 7 нм, и создание новых транзисторов. Наиболее перспективным направлением в данном случае признаётся разработка электронных приборов с использованием углеродных нанотрубок. Углеродная нанотрубка — это свёрнутый в трубочку графен. Её стенка толщиной в один атом, что позволит приблизиться к транзисторам со структурой масштаба атомов. При этом электрические свойства углеродных нанотрубок значительно превосходят электрические свойства традиционных полупроводников на основе кремния.

На днях компания IBM сообщила, что она преодолела очередной барьер на пути к транзисторам с каналом из углеродных нанотрубок. Больным местом подобных электронных приборов оставался контакт между транзисторным каналом и токопроводящими площадками с обеих сторон канала. По мере снижения масштаба производства площадь металлических контактов тоже снижалась, что вело к увеличению сопротивления в месте соединения. Возросшее сопротивление — это потери и, в итоге, ухудшение характеристик транзисторов.

Условная конструкция транзистора на основе углеродной нанотрубки (первые CNT-транзисторы будут содержать в канале от сотен до тысяч нанотрубок)

Для решения данной проблемы в IBM создали уникальную технологию — что-то типа химической сварки. Атомы углерода в концах нанотрубок привязываются к атомам металлов в месте контакта, чем значительно снижается сопротивление контакта. Данные об эксперименте опубликованы компанией в журнале Nature от 2 октября. По словам IBM, данная технология обещает открыть путь к техпроцессам с нормами до 1,8 нм. Компания IBM в этом году уже показала опытный чип, выпущенный с нормами 7 нм. Можно ожидать, что она в дальнейшем также продолжит данную практику. 

Компания Gartner опубликовала рейтинг популярных технологий и прогнозы их развития до середины 2016 года. К наиболее многообещающим достижениям относятся искусственный интеллект, а также взаимодействие между человеком и компьютером, включая машинное обучение и синтез речи.

Согласно оценкам аналитиков компании, самыми обсуждаемыми темами 2015 года являются беспилотные автомобили, синтезирование и распознавание речи и умные дома. Также заслуживает внимания машинное обучение, под которым понимается способность компьютера к самостоятельному освоению информации и развитию своих систем. Отмечается, что автоматизированные аналитические системы уже сейчас могут строить более точные прогнозы и намного глубже анализировать информационные массивы, чем люди. При этом, данным системам потребуется от двух до пяти лет, чтобы достичь окончательной зрелости.

«Умные» часы и фитнес-трекеры, которые появились в продаже в последнее время, в целом не очень пришлись по душе покупателям. Сообщается, что данные системы ещё нуждаются в существенных доработках. При этом, по мнению аналитиков компании, такие явления как виртуальная реальность, управление гаджетами с помощью жестов и 3D-печать для промышленных целей совсем скоро войдут в повседневную жизнь человека.

Также в прогнозах на 2015–2016 годы упоминается так называемая «умная пыль» — нанороботы, которые могут действовать сообща и обмениваться беспроводными сигналами. Окончательно обосноваться на рынке эта технология сможет в течение десяти лет. Ещё приблизительно в течение ближайших десяти лет получит широкое распространение «Интернет вещей» — вначале «умную» технику смогут позволить себе состоятельные люди, а позже и любой среднестатистический потребитель.

Компания Gartner, образованная в 1979 году, всегда отличалась интересными реалистичными прогнозами. Так, ещё в 1995 году её эксперты предсказали биометрию, Bluetooth и беспроводной Интернет. 

Как мы сообщали, компании Intel и Micron торжественно объявили о создании революционной энергонезависимой памяти 3D XPoint. Новый тип памяти в 1000 раз быстрее и устойчивее к износу, чем память NAND флеш, и в 10 раз плотнее традиционной оперативной памяти DRAM-типа. Что самое поразительное, новая технология выскочила как чёртик из табакерки. Вчера её не было, а сегодня разработчики говорят о готовности поставлять образцы новинки и обещают старт массового производства до конца текущего года. Если честно, так не бывает. Разве что в мечтах.

Образцы памяти 3D XPoint ёмкостью 128 Гбит

В настоящий момент мы не можем сказать, как работает память 3D XPoint. Специалистам ещё предстоит разобраться в материалах и техпроцессах. В Intel и Micron пока не собираются объяснять нюансы работы данной технологии. Судя по всему, сейчас начнётся или уже начался поиск определённых патентов обеих компаний. Ведь нельзя исключать, что оба разработчика скрывают детали просто потому, что использованный в 3D XPoint подход и (или) материалы давно кем-то разработаны и запатентованы, только называются по-другому. Например, мемристор.

Строение памяти 3D XPoint копирует архитектуру ReRAM

Дело в том, что строение памяти 3D XPoint — это классический вариант так называемой перекрёстной памяти (cross-point). Чаще всего подобную структуру связывают со строением резистивной памяти ReRAM. Компания HP для подобной памяти придумала имя «мемристор» и даже назвала его четвёртым электротехническим элементом. Что мешало компаниям Intel и Micron назвать ReRAM памятью 3D XPoint? Да ничего! Представитель Intel, кстати, подтвердил, что принцип записи данных в ячейку памяти 3D XPoint опирается на метод изменения сопротивления материала. Казалось бы, вот он ответ, но его снова нет.

В случае классического варианта памяти ReRAM в ячейке памяти при приложении напряжения возникают устойчивые нитевидные структуры из ионов действующего вещества — серебра, меди или другого материала с высокой проводимостью. За счёт «нитей» ток течёт от одного электрода к другому и в ячейке памяти возникает среда с определённым сопротивлением. По словам Intel и Micron, принцип работы памяти 3D XPoint не имеет ничего общего с нитевидной структурой работы ячейки ReRAM. Рабочий материал ячейки XPoint переключает состояние целиком и полностью (в описании использован термин «bulk»).

Отличие структуры ячейки памяти ReRAM и CeRAM

Монолитный характер переключения состояния ячейки XPoint может возникнуть в двух известных случаях. Во-первых, это может быть такая  разновидность памяти ReRAM, как CeRAM (Correlated electron RAM, память с коррелированным электроном). В рабочем слое CeRAM как раз происходят условно монолитные изменения без образования нитевидных токопроводящих структур. Во-вторых, общее изменения состояния ячейки может быть в случае памяти с изменением фазового состояния вещества (PRAM или PCM). Компания HP, кстати, недавно изменила планы, и первые прототипы системы Machine будет выпускать на памяти PRAM, а не на памяти ReRAM, как планировалось изначально. Совпадение? Не думаю. (с)

Два состояния вещества ячейки памяти PRAM (PCM)

Компания Micron давно приобрела ключевые патенты на память PRAM, и если она действительно смогла создать достаточно малую ячейку памяти PRAM в составе перекрёстной архитектуры — это действительно революция. До сих пор площадь ячейки памяти с изменением фазового состояния вещества была очень большая, что ограничивала её применение. Впрочем, пока вопросов о памяти XPoint больше, чем ответов. Ждём подробностей.

Современная электроника даже в её концентрированном виде — в качестве интегральных схем — немыслима без такого электротехнического элемента, как конденсатор. В зависимости от требуемых условий используются те или иные виды этих приборов, характеристики которых очень сильно отличаются друг от друга. Для низкочастотных цепей и для силовой электроники востребованы электролитические конденсаторы. Они отличаются высокой удельной плотностью хранения энергии и высокой выходной мощностью. Одна беда — на печатных платах «банки» электролитических конденсаторов занимают достаточно много места. Это больно ранит разработчиков компактных решений и сдерживает их фантазию.

Конденсатор на нанотрубках в 1000 раз компактнее аналогичного по ёмкости электролитического конденсатора

Помочь горю разработчиков взялись японские учёные. Институт AIST (Advanced Industrial Science and Technology) предложил конденсаторы, в основе которых лежат углеродные нанотрубки (CNT, carbon nanotubes). Это как активированный уголь. С виду пуговка, но своей огромной внутренней площадью капилляров активированный уголь помог спасти поутру не один страдающий организм. На электрод CNT-конденсаторов наносится несколько слоёв углеродных нанотрубок. Тем самым создаются условия для накопления энергии с высокой плотностью. Также высокая проводимость углеродных трубок обеспечивает максимальные рабочие токи, отдавая при разряде импульс с высокой мощностью.

На одной 100-мм кремниевой пластине создано 4700 CNT-конденсаторов с характеристиками, повторяющими свойства электролитических конденсаторов

Но главное во всём этом то, что размеры CNT-конденсаторов в 1000 раз меньше размеров их электролитических аналогов (на три порядка!). Более того, конденсаторы на нанотрубках можно выпускать на кремниевых подложках с помощью традиционной полупроводниковой литографии. Это радикально снизит себестоимость решений с сохранением всех ключевых рабочих характеристик. Монтажные платы станут меньше, электроника значительно уменьшится в размерах и сможет принимать причудливые формы. К сожалению, разработчики не ответили на главный вопрос: Когда? Будем ждать новостей. Отдельный привет военным. Идея с пушкой Гаусса может заиграть новыми красками.

Глобализация больно ударила по европейским производителям полупроводников. Значительный по относительному объёму производства кластер удалось сохранить только Германии. Сегодня в этой стране выпускается ровно половина от всех производимых в Европе чипов. Более того, поскольку все заводы сосредоточены в Саксонии, то половина европейского производства полупроводников организована в этом отдельном регионе. В производстве занято 25 тысяч человек, генерирующих годовую выручку на уровне €6 млрд. И всё же, на уровне мировых объёмов выпуска чипов — это мелочи. В пересчёте на 300-мм полупроводниковые пластины в Европе (даже не в Германии) обрабатывается менее 1 % от общемирового объёма подложек.

Канцлер Германии Ангела Меркель изучает 300-мм пластину с чипами на заводе Infineon (EE Times)

В ходе недавнего визита канцлера Германии Ангелы Меркель (Angela Merkel) на завод компании Infineon было заявлено, что в стране разрабатывается программа для стимулирования микроэлектроники. Программа будет создана до конца 2015 года. Ожидается, что бюджет программы составит 400 млн евро, а продлится она как минимум до 2020 года. Скажем прямо, в расчёте на пять лет бюджет программы стимулирования достаточно скромный. Спасает то, что Федеральное Министерство по Науке и Образованию находит какие-то средства для отдельного субсидирования производителей. Так, гранты получили компании GlobalFoundries (разработка техпроцессов), Infineon (силовые полупроводники) и Fraunhofer Institute.

Важность стимулирования микроэлектроники на новом этапе заключается в том, что грядёт так называемая эпоха Промышленности 4.0 (Industry 4.0). Предполагается, что производство и многое другое будут завязаны на облачные сервисы с помощью инфраструктуры из оборудования с подключением к Интернету. Это составная часть развития эры вещей с подключением к Интернету. Ключевым моментом концепции является безопасность и защищённость соединений. Электронику для подобных задач крайне важно выпускать под полным контролем внутри страны. Правда, за последние годы в Европе и в Германии сделано так много всего, чтобы микроэлектроника оказалась в загоне, что «пить Боржоми может уже поздно». Пепел Qimonda стучится в наши сердца!

Традиционная процессорная архитектура компании IBM носит имя «Power», которое в переводе не нуждается. Это мощь, производительность и бескомпромиссность — качества, которые помогли вычислительным платформам IBM попасть в первые строчки рейтинга мощнейших суперкомпьютеров мира. Но теперь в почёте не столько пиковая производительность, как энергоэффективность. Одно другого не исключает, да. Тем не менее, обстановка на рынке полупроводников требует смещения акцента на активное снижение потребления там, где только возможно.

В ходе доклада под названием «14nm FinFET Based Supply Voltage Boosting Techniques for Extreme Low Vmin Operation» на симпозиуме VLSI Technology 2015, который прошёл в середине июня в Киото, представитель компании IBM рассказал об уникальной технологии, способной снизить рабочее напряжение транзисторов до 0,3 вольт. Компания представила 14-нм SRAM-память, выпущенную на SOI-подложке с использованием FinFET-транзисторов. Новая технология представляет собой комбинацию схемы динамически изменяемого напряжения питания (применительно к SRAM — это повышение питания по разрядной шине) и работы с напряжением на уровне порогового значения (0,2-0,3 В).

По словам разработчика, технология «Based Supply Voltage Boosting Techniques» сочетает предельно низкое потребление с возможностью «моментального» перехода в режим максимальной производительности при подаче «ускоряющего напряжения». При этом итоговое потребление окажется лишь незначительно выше, как если бы микросхема всё время работала с напряжением питания 0,3 В. Также в компании отмечают, что в отличие от других схем реализации динамически изменяемого питания, подход IBM более удачен. Так, площадь микросхемы SRAM с поддержкой технологии «Boosting Techniques» больше обычного кристалла SRAM лишь на единицы процентов, что едва ли увеличит себестоимость интересных решений.

Кристалл SRAM с напряжением питания 0,2-0,3 В (IBM)

Наконец, в IBM уверены в удачном масштабировании новой технологии. С помощью аналитической системы предсказаний и программных инструментов для проектирования чипов Technology CAD (TCAD) сделан расчёт, который подтверждает возможность выпуска 7-нм полупроводников с технологией динамического повышения питания. А в том, что компания IBM научилась выпускать опытные 7-нм полупроводники, мы уже не сомневаемся.

На осенней сессии IDF 2013 компания Intel показала электронику, работающую от бокала вина (Intel)

В заключение добавим, что компания Intel также активно работает в направлении, связанном с работой полупроводниковых схем на уровне порогового значения напряжения. Почти на всех форумах IDF последних двух-трёх лет компания Intel показывала работу специально выпущенных процессоров, работающих от солнечных элементов и даже от бокала вина. Напряжение питания таких схем составляло 0,4-0,5 В. Можно сказать, что компания IBM обошла компанию Intel не только в плане выпуска опытного 7-нм кремния, но также в сфере разработки полупроводников с предельно низким напряжением питания.

За последние 15 лет для производителей полупроводников и разработчиков снижение технологических норм производства обходилось сравнительно дёшево. Поясним: хотя в производство вкладывались огромные деньги, в пересчёте на отдельный транзистор суммы вложений стабильно снижались. Это хорошо иллюстрирует график аналитиков компании International Business Strategies (IBS), из которого следует, что стоимость затрат в пересчёте на транзистор снизилась с $4,01 для 90-нм техпроцесса до $1,28 для 28-нм техпроцесса. В конечном итоге это вело к снижению себестоимости производства и к падению розничных цен на процессоры, видеокарты и так далее.

При переходе с 28-нм производства на 20-нм произошёл скачок стоимости вложений в пересчёте на каждый транзистор. Практически единственным заказчиком на 20-нм чипы была и остаётся компания Apple (процессоры NVIDIA Tegra X1 на фоне объёмов Apple A8 просто меркнут). Ежемесячно компания TSMC выпускает примерно 60 тыс. кремниевых пластин с 20-нм чипами. Для сравнения, та же TSMC каждый месяц обрабатывает 150 тыс. подложек с 28-нм чипами. Иными словами, объёмы выпуска пластин с 20-нм полупроводниками остаются ограниченными и не могут привести к снижению себестоимости отдельного транзистора и чипов в целом. Вложения были огромными, а отдача — скромной.

Изменение стоимости вложений в пересчёте на один транзистор (IBS)

Переход на 14/16-нм нормы производства грозит аналогичными трудностями. Ожидается, что стоимость затрат на каждый транзистор при переходе на 14/16-нм нормы ещё раз последовательно увеличится. И вновь виновными окажутся сравнительно малые объёмы производства. В любом случае, они будут заметно меньше объёмов, размещённых с использованием 28-нм техпроцесса. При этом надо учесть, что время жизни 14/16-нм норм может быть также ограничено, как и время активной жизни 20-нм техпроцесса. Компании Samsung и TSMC уже объявили, что собираются приступить к производству 10-нм решений в конце следующего года.

Снижение стоимости транзистора аналитики прогнозируют на этапе внедрения 10-нм техпроцесса. Сам по себе переход на данные нормы производства будет весьма затратным.

Так, для организации производства с 10-нм чипами в объёме 10 тыс. пластин в месяц потребуется вложить $2 млрд капитальных затрат. Например, компания Samsung по заказам Apple поставляет примерно 40 тыс. пластин в месяц. Для удовлетворения таких объёмов Samsung (или TSMC) должна вложить в производство $8 млрд и получить весомую отдачу. Разработка 10-нм чипов ориентировочно будет стоить $150 млн, что окупается и приносит хорошую прибыль только при десятикратной выручке. За выручку Apple, судя по всему, можно не беспокоиться. Но число разработчиков передовых решений, очевидно, будет сокращаться.

Из всего вышесказанного можно сделать вывод, что при переходе с 14/16-нм норм на 10-нм нормы производители и разработчики начнут зарабатывать чуть больше, но спектр передовых решений может сузиться.

В марте этого года расположенный в Гренобле институт CEA-Leti — Европейский центр разработки полупроводниковых и других технологий — предложил «национальную» программу поддержки европейских разработчиков полупроводников. Программа «Silicon Impulse» даёт возможность завершить цикл разработки решений в Европе, включая выпуск изделий не в далёком Китае, а рядом — по-домашнему. Глобализация вывела за скобки европейские компании полупроводникового сектора, но остатки былых наработок всё ещё позволяют Европе грозно «бряцать пробирками».

На днях в программу «Silicon Impulse» внесено интересное дополнение. Сообщается, что теперь европейским разработчикам будет доступен 28-нм техпроцесс с применением подложек SOI с полностью обеднённым изолятором (fully-depleted silicon-on-insulator, FD-SOI). По слухам, подобные подложки может широко использовать компания Samsung при производстве 14-нм однокристальных схем для «умных» часов Apple Watch. В общем случае использование подложек с полностью обеднённым изолятором снижает токи утечки и повышает энергоэффективность микросхем и решений.

Слева структура транзистора на обычной кремниевой подложке, а справа на пластине FD-SOI

Производителем микросхем по программе «Silicon Impulse» с использованием подложек FD-SOI будет компания STMicroelectronics. Следует уточнить, что в Европе среди местных разработчиков осталось очень мало клиентов, которые могли бы самостоятельно заказать и оплатить коммерчески выгодные объёмы производства полупроводников в Европе (организовать производство в Китае — без проблем). Поэтому программа «Silicon Impulse» предусматривает возможность собрать для размещения на одной пластине заказы нескольких компаний. Это так называемое челночное MPW-производство (multi-project wafer, мультипроектные пластины). Компания STMicroelectronics, например, организует производство по таким проектам четыре раза в год. Первое производство с 28-нм техпроцессом на пластинах FD-SOI будет запущено в феврале 2016 года.

Преимущества использования подложек FD-SOI по сравнению с обычными пластинами

Добавим, программа «Silicon Impulse» включает все этапы сопровождения разработки — от проектирования микросхем с использованием пакетов компаний Synopsys и Mentor Graphics до верификации проектов, производства и тестирования готовых изделий. Также в помощь разработчикам предоставляется возможность лицензировать готовые блоки от ядер ARM до интегрированных модулей различной функциональности вплоть до радиочастотных цепей.

Углеродные трубки несут с собой массу интересных возможностей для микроэлектроники. Они выдерживают высокие токи, обеспечивают электронам максимальную мобильность и даже проявляют свойства, пригодные для создания квантовых компьютеров. Главная проблема, которая стоит на пути коммерческого внедрения углеродных трубок — это сочетание традиционных техпроцессов и материалов с углеродным наноматериалом. Раствор с нанотрубками должен намертво приклеиться к подложке и не оказаться смытым в процессе травления или в ходе других операций с кремниевой пластиной, а также выдержать череду обжигов пластины по мере её обработки. Именно этими проблемами — совместимостью составов с углеродными нанотрубками применительно к КМОП-техпроцессу — занимается с 2001 года компания Nantero.

Но Nantero создаёт не «голый» техпроцесс. В компании предложили вариант энергонезависимой памяти, один из ключевых элементов которой состоит из углеродных нанотрубок. Тонкий слой из нанотрубок под воздействием управляющего напряжения может менять сопротивление от нуля до бесконечности. Минимальное сопротивление обеспечивается контактами нанотрубок между собой и управляющими электродами, тогда под воздействием внешнего импульса контакт разрывается и сопротивление скачком увеличивается. Подобная механика обещает беспрецедентную надёжность ячейки памяти NRAM. Устойчивость современной памяти NAND флеш к износу в лучшем случае достигает 30-40 тысяч циклов стирания. Память NRAM обещает выдержать до 10¹²  циклов перезаписи. В нашем понимании — это вечность.

Каковы перспективы? По словам разработчика, память NRAM проходит разные циклы заводских испытаний на семи заводах двух из пяти крупнейших производителей полупроводников. В принципе, это может в какой-то мере обещать выход нового типа памяти в обозримом будущем. Разработчик собирается лицензировать технологию выпуска NRAM, что откроет путь к массовому появлению новинки. Параллельно компания Nantero изучает варианты по уплотнению массивов памяти на углеродных нанотрубках, включая создание ячейки NRAM с записью нескольких бит данных (по аналогии с NAND MLC), а также прорабатывает производство монолитных 3D-структур NRAM (типа 3D NAND).

Ячейки на углеродных нанотрубках не только устойчивы к износу в процессе перезаписи, но и равнодушны к жёстким условиям окружающей среды. Холод, жара, радиация — всё это и многое другое не сможет разрушить микросхему памяти NRAM. Сообщается, например, о выносе микросхем NRAM в открытый космос в ходе одной из миссий шаттла «Атлантис». Если верить источнику, после этого память NRAM осталась работоспособной.