Исследователи из Венского технологического университета (TU Wien) представили набор базовых логических схем на реконфигурируемых транзисторах (RFET). Проводимость транзисторов RFET можно менять в любое время, что открывает путь к адаптивной логике вплоть до тонкой подстройки самообучающихся процессоров.

Источник изображения: TU Wien

Учёные из Австрии разработали базовый подход к созданию RFET ещё три года назад. Сегодня они впервые показали, что транзисторы с изменяемой проводимостью могут работать в составе базовых логических схем, и их логика может меняться по команде.

Сегодня проводимость транзисторов — электронная или дырочная — закладывается в процессе обработки кремниевых пластин на этапе легирования. Это химико-физическое внесение тех или иных примесей в транзисторные каналы, которые делают их либо избыточно насыщенными электронами, либо электронными вакансиями — дырками. Тем самым в канале транзистора будет движение электронов или дырок, что предопределит его работу в составе электронной схемы. Представьте на минуту, что мы получаем возможность на лету поменять проводимость транзисторов. Очевидно, что схема начнёт работать по-иному.

Исследователи из Венского технологического университета предложили метод электростатического легирования. Изначально транзисторные каналы создаются нейтральными, но затем к ним может быть приложено электромагнитное поле, которое в зависимости от полярности насытит канал либо электронами, либо дырками. Для этого достаточно разместить над каналом транзисторов RFET один дополнительный электрод — его учёные назвали «программным вентилем». Правильная команда на все программные вентили перестроит транзисторы и всю логику чипа, если каждый из её транзисторов будет реконфигурируемым.

«В наших реконфигурируемых устройствах [с нелегированными полупроводниковыми каналами] мы добавляем дополнительные электроды, так называемый ”программный вентиль" поверх каждого перехода металл-полупроводник, чтобы отфильтровывать нежелательный тип носителей заряда, — поясняют разработчики из TU Wien. — При помощи второго электрода поверх полупроводникового канала, так называемого "управляющего затвора", протеканием тока через устройство управляют для включения и выключения транзистора (как в классических МОП-транзисторах)».

Учёные отдают себе отчёт, что транзистор RFET не может быть таким же маленьким, как обычный полевой транзистор. Как минимум этого не позволит дополнительный электрод в его составе. В то же время с учётом оптимизации работы логики за счёт RFET общее количество транзисторов в микросхеме может быть меньше, чем в случае универсального решения на обычных транзисторах. Наконец, реконфигурировать можно не весь процессор, а только отдельные его элементы, ответственные за какие-то специфические и непостоянные функции. В любом случае, оптимизированный чип будет меньше греться и быстрее считать.

«Наши реконфигурируемые транзисторы позволяют реконфигурировать блоки передачи информации на фундаментальном уровне, а не заниматься её передачей в стационарные функциональные блоки, — пояснил профессор факультета твердотельной электроники в Венском техническом университете Уолтер М. Вебер (Walter M. Weber). — Это означает, что природа нашего подхода является весьма перспективной для реконфигурируемых вычислений и приложений искусственного интеллекта».

Очевидно, что RFET не заменят обычные транзисторы в подавляющем большинстве решений, но в отдельных случаях изобретение может помочь в создании более передовых и функционально насыщенных чипов. В конечном итоге можно выпускать базовые «обезличенные» наборы логических схем, цепи которых будут создаваться потом по мере необходимости и в соответствии с решаемыми задачами.

Реконфигурируемые транзисторы открывают возможности для решений аппаратной безопасности, новых приложений в аналоговых схемах и достижений в области нейроморфных вычислений, делая возможным даже производство самообучающихся и адаптивных решений.

Учёные из Национальной лаборатории им. Лоуренса в Беркли подобрали перспективный, недорогой и экологически безопасный состав чернил для широкого спектра применений в производстве и быту. Новинка поможет выпускать дисплеи нового поколения для электроники, будет использоваться в предметах одежды и служить основой для 3D-печати светящихся и люминесцирующих моделей.

Модели Эйфелевой башни, напечатанные с использованием новых люминесцентных чернил. Источник изображения: Berkeley Lab

«Благодаря замене драгоценных металлов более доступными в природе материалами, наша технология супрамолекулярных [супермолекулярных] чернил может кардинально изменить правила игры в индустрии OLED-дисплеев, — заявил главный исследователь проекта Пейдонг Янг (Peidong Yang), старший научный сотрудник отдела материаловедения Berkeley Lab и профессор химии, материаловедения и инженерии Калифорнийского университета в Беркли. — Что ещё более захватывающе, так это то, что технология может также распространить свое применение на печать органических плёнок для изготовления носимых устройств, а также люминесцентных рисунков и скульптур».

Исследователи пояснили в статье в журнале Science, что новый материал состоит из порошков, содержащих гафний (Hf) и цирконий (Zr), которые можно смешивать в растворе при относительно невысоких температурах: от комнатной до примерно 80 °C. При нагревании образуются «чернила», которыми дальше можно пользоваться по своему усмотрению. Подобный скромный нагрев позволит значительно снизить затраты на производство, которое, как правило, довольно энергоёмкое, если говорить о современных реалиях.

Представление новой супермолекулы «чернил»

Более того, новые чернила способны подтолкнуть к появлению более устойчивых к воздействию окружающей среды плёнок на основе перовскита. Они могут заменить современные соединения перовскита со свинцом, предложив более экологически чистую альтернативу перспективным светящимся и фотопреобразующим перовскитным пленкам.

Но это в отдалённой перспективе. Найденный в Беркли супермолекулярный состав был испытан на люминесценцию и её эффективность. Выяснилось, что при освещении материала ультрафиолетовым светом он почти 100 % энергии переводит в оптический диапазон. Это редкая удача, которая позволит максимально увеличить эффективность будущих плоскопанельных дисплеев. Правда, найдены только соединения для синего и зелёного спектра, тогда как с красным пока не заладилось.

В качестве эксперимента была изготовлен тонкоплёночный дисплей, работа которого в виде быстрой смены букв английского алфавита показана выше на видео. Нетрудно заметить, что даже лабораторная разработка показывает отличную скорость реакции, что важно для дисплеев.

Не менее интересно выглядит перспектива использования нового супермолекулярного соединения для 3D-печати. Напечатанные таким образом миниатюры будут светиться, что позволит, например, создавать таким образом декоративные осветительные приборы. Наконец, светящиеся чернила с поддержкой низкотемпературно процесса способны сказать новое слово в одежде. Это может быть как спецодежда для работы в условиях плохой освещённости, так и повседневная со своей изюминкой в дизайне.

Для наращивания производительности чипов приходится уменьшать размеры транзисторов и искать новые материалы для их изготовления. Одно без другого не работает. И будет выгодно вдвойне, если какой-либо новый материал для производства передовых полупроводников окажется недорогим, неисчерпаемым и хорошо известным учёным и производственникам. Как выяснили учёные из США, таким материалом может быть обычный уголь.

Источник изображения: The Grainger College of Engineering at University of Illinois Urbana-Champaign

Транзисторы прошли стадию дискретных элементов, интегрированных, планарных, с вертикальными затворами, с полностью окружёнными затворами и приближаются к наностраничным каналам, располагаемым горизонтально. На следующем этапе они станут двухэтажными, когда комплементарная пара будет сидеть друг у друга на голове. Примерно к 2035 году, вероятно, начнут появляться более-менее надёжные технологии массового производства транзисторов из двумерных материалов атомарной толщины. Однако появятся они только в том случае, если для них будет подготовлена база, включая спектр проводников, полупроводников и изоляторов.

Уголь в данной триаде может играть роль изолятора, как выяснили исследователи из Национальной лаборатории энергетических технологий Министерства энергетики США (NETL). Почему уголь? Потому что его много. Реально много. Добыча, транспортировка, обработка и хранение угля отлажены как ничто другое. Сегодня практика сжигать уголь для получения энергии и тепла уходит в прошлое как пережиток эпохи расцвета индустриализации. Но разом отказаться от угледобывающей отрасли тоже нельзя, поскольку это будет серьёзным ударом по экономике, промышленности и социуму. Перевести этот ископаемый ресурс в статус высокотехнологического стало бы идеальным решением. Собственно для этого была поставлена соответствующая задача коллективу NETL.

Отдельный нюанс в том, что для чипов на двумерных материалах — графене, дисульфиде молибдена и других — традиционные изоляторы из оксидов металлов подходят плохо. Оксиды металлов имеют объёмную и потому неровную поверхность, и если их стыковать с 2D-материалами, то на границе раздела получится такой сложный рельеф, что электронам это точно не понравится. Часть тока будет рассеиваться на границе перехода. Другое дело уголь. Его аморфная структура позволяет создать превосходный изолирующий слой, который почти идеально ляжет на зеркальную гладь 2D-материала.

Предложенный учёными техпроцесс нанесения изолирующих плёнок из угля выглядит достаточно простым. Уголь измельчается в порошок, после чего с помощью жидкости превращается в суспензию. После осаждения происходит сушка и полировка. Выглядит несложно и доступно для массового производства. Собственно, последующие эксперименты с углём для замены изоляторов будут направлены преимущественно на разработку технологий для массового выпуска микросхем, о чём учёные рассказали в статье в журнале Communications Engineering.

Вишенкой на торте в этой новости стала информация, что в проект с углём вложилась компания TSMC. Тайваньский чипмейкер надеется использовать эту технологию в будущих техпроцессах.

Чем меньше становятся транзисторы, тем больше факторов влияет на их производительность. Как выяснили в компании IBM, производительность будущих транзисторов с круговыми затворами и наностраничными каналами будет заметно меняться в зависимости от ориентации кристаллов кремния, из которых они изготавливаются.

Источник изображения: ИИ-генерация Кандинский 3.0/3DNews

Известно, что кристаллическая решётка — это бесконечно повторяющееся чередование одинаковых комбинаций атомов в структуре вещества. В зависимости от выбора направления и места среза, проходящего через кристалл, на образовавшейся грани выступят те или иные сочетания атомов и связей между ними. Учёные давно выяснили, что каждая грань обладает своей дырочной и электронной проводимостью. Пока транзисторы были большими, это можно было не принимать во внимание. Однако при переходе к 2-нм транзисторам и компонентам меньшего размера ориентация кристаллов кремния уже заметно влияет на их производительность.

Индексы Миллера. Источник изображения: Википедия

Традиционно в индустрии производства полупроводников кремниевую подложку нарезали в плоскости 001 так называемого индекса Миллера. В этой плоскости электронная проводимость наиболее высокая и она оказывает наибольшее влияние на производительность чипа. Дырочная проводимость существенно меньше, но до сих пор это было не критично. В случае создания транзистора из кремния на срезе 110 дырочная проводимость резко возрастает, а электронная немного снижается. В сумме эффект получается положительным и это будет иметь значение для производительности будущих транзисторов.

Расположение атомов в ячейке кристаллической решётки кремния

В принципе, транзисторы с вертикально расположенными затворами — FinFET, которые давно выпускаются и стали привычными, располагают каналами именно в срезе 110. Другое дело — будущие транзисторы с круговым затвором и наностраничными каналами — GAA. Наностраничные каналы будут располагаться параллельно плоскости традиционного среза кремния и лишатся выигрыша в виде ускоренной дырочной проводимости.

Исследовательская группа IBM создала целый ряд вариаций пар GAA-транзисторов на кремнии с обеими ориентациями срезов. Транзисторы были с разным количеством каналов, с разными сечениями и с каналами разной длины. Во всех случаях транзисторы с ориентацией кремния 110 превзошли своих собратьев из кремния по срезу 001. Для более толстых каналов разница была меньше, но всё равно оставалась. Также транзисторы с электронной проводимостью (nFET) оказались чуть медленнее на срезе 110, чем на 001. Но заметно возросшая производительность транзисторов pFET (с дырочной проводимостью) на кристалле со срезом 110 это компенсировала.

Представление пары вертикально расположенных друг над другом комплементарных транзисторов. Источник изображения: Intel

Также в компании IBM собираются найти способ уменьшить негативное влияние альтернативной ориентации на электронную проводимость. Кроме того, учёные изучат использование кремния с ориентацией 110 в транзисторах с 3D-наноструктурой, называемых комплементарными полевыми транзисторами (CFET). В этой архитектуре элементы nFET обычно размещаются поверх pFET, чтобы не увеличивать размеры чипов. Ожидается, что такие многоуровневые устройства появятся в течение 10 лет, и все три производителя микросхем с передовой логикой уже представили прототипы CFET в прошлом месяце на конференции IEDM 2023. В таком случае транзисторы pFET могут изготавливаться из кремния 110, а nFET — из кремния 001.

В любом случае, это не решение завтрашнего дня. Вряд ли производители изменят ориентацию порезки кристаллов кремния до 2030 года. У них есть в запасе технологии, повышающие производительность чипов менее экзотическими способами.

На мероприятии IEEE International Electron Device Meeting (IEDM), которое состоялось в Сан-Франциско в начале декабря, компания IBM продемонстрировала усовершенствованный КМОП-транзистор, который оптимизирован для охлаждения жидким азотом.

Источник изображения: Carson Masterson / unsplash.com

В GAA-транзисторах роль канала исполняет стопка кремниевых нанолистов, полностью окружённых затвором. IBM представила прототип процессора на основе таких транзисторов, изготовленных по технологии 2 нм. Данная технология, которая считается преемником актуальной FinFET, позволит размещать 50 млрд транзисторов на чипе размером с ноготь. Но ещё большей производительности поможет добиться сочетание этой технологии с охлаждением жидким азотом.

Исследователи обнаружили, что при температуре 77 К (-196 °C), при которой закипает азот, производительность транзисторов оказывается вдвое выше, чем при комнатной — около 300 К. Низкотемпературные системы предлагают два ключевых преимущества: меньшее рассеяние носителей заряда и меньшее потребление энергии, пояснил старший научный сотрудник IBM Жуцянь Бао (Ruqiang Bao). С уменьшенным рассеянием снижается сопротивление проводников, а электроны быстрее проходят через элемент. И при заданном напряжении удаётся добиться более высокого тока. При охлаждении транзистора до 77 К переход между состояниями «включено» и «выключено» производится при меньшем изменении напряжения, а значит, можно значительно снизить потребление энергии. Но остаётся ключевая проблема: с понижением температуры растёт пороговое напряжение, необходимое для создания проводящего канала между истоком и стоком или переключения в состояние «включено».

Современные производственные технологии не предлагают простых решений для снижения порогового напряжения, поэтому учёные в IBM избрали новый подход — сочетание различных металлических затворов и двойных диполей. Технология предусматривает применение пар транзисторов n- и p-типов с донорами и акцепторами электронов соответственно. КМОП-чипы проектируются таким образом, чтобы они формировали диполи на границе раздела транзисторов n- и p-типа — для этого используются различные металлические примеси. Такое решение позволяет снижать энергию, необходимую для прохода электронов через край зоны, а эффективность транзисторов повышается.

Не секрет, что головной мозг работает не так, как электронные цепи компьютера. У них разная архитектура, сблизить которую мечтает не одно поколение учёных. Мозг хранит и обрабатывает данные в одном месте, тогда как компьютер постоянно пересылает их между процессором и банками памяти. Главная проблема в отсутствии подходящей ячейки памяти, которая одновременно играла бы роль транзистора, с чем обещают помочь учёные из США.

Источник изображения: ИИ-генерация Кандинский 3.0/3DNews

Команда учёных из Северо-Западного университета (Northwestern University), Бостонского колледжа (Boston College) и Массачусетского технологического института (MIT) сообщила, что они создали и испытали так называемый синаптический транзистор, который оказался способен работать в составе нейронных сетей с ассоциативным обучением. Главным преимуществом разработки учёные считают способность транзистора работать при комнатной температуре с предельно маленьким потреблением 20 пВт (пиковатт).

В живой нервной ткани синапс представляет собой зазор между окончанием одного нейрона и началом другого (если речь идёт о головном или спинном мозге). В этом зазоре происходят биохимические реакции, которые отвечают за передачу нервного импульса дальше или за его блокировку. Представленный учёными транзистор выполняет сходную функцию, но в своей работе он использует физические явления и процессы.

По большому счёту разработка относится к сфере муаровых квантовых материалов. Во многих случаях такие материалы работают в условиях криогенного охлаждения. Поэтому для команды исследователей было важно показать эффект при комнатной температуре, с чем они успешно справились.

Транзистор, если его так можно назвать, представляет собой два наложенных друг на друга слоя материала атомарной толщины, слегка смещённых друг относительно друга в горизонтальной плоскости. Один слой — это графен, а второй слой — это нитрид бора с гексагональной решёткой. Поворот одного из них на определённый угол создаёт муаровый узор из двух совмещённых структур, и в этом всё волшебство. Правильные углы, при которых проявляются отчётливые взаимодействия, даже принято называть магическими.

При определённых углах поворота кулоновские взаимодействия между двумя материалами переходят в разряд экзотических электрических взаимодействий, которые в обычных материалах не встречаются, что открывает потенциал для использования таких структур в будущей электронике с непознанной до конца функциональностью.

К чести исследователей, они пошли дальше и создали на основе представленных условных транзисторных переходов ряд нейронных цепей, которые показали способность к ассоциативному обучению. Экспериментальные схемы обучались распознавать группы цифр в бинарном кодировании, с чем они успешно справились. Например, нейронные цепи отделили комбинации 000 и 111 от 101, показав ассоциативную связь первых и их отличие от третьей комбинации. Таким образом, сообщают в аннотации к статье в журнале Nature учёные, «муаровый синаптический транзистор обеспечивает эффективные схемы вычислений в памяти и [обещает] передовые аппаратные ускорители для искусственного интеллекта и машинного обучения».

На проходящей в эти дни конференции IEDM 2023 компания Intel сообщила о ряде достижений, которые продлят работу закона Мура. Плотность транзисторов на единицу площади продолжит увеличиваться прежними или близкими к прежним темпами, обещая дойти к 2030 году до триллиона транзисторов в одном процессоре.

Рекламное представление CFET (комплементарных полевых транзисторов). Источник изображения: Intel

Ещё в мае стало известно, что Intel намерена внедрить в одном из будущих поколений процессоров многоуровневую компоновку транзисторов. Речь идёт о вертикальном расположении комплементарных полевых транзисторов (CFET). На конференции представитель компании сообщил, что это будут первые в индустрии решения такого рода, шаг затвора которых составит до 60 нм. Сейчас такие транзисторы изготавливаются с расположением бок о бок в горизонтальной плоскости, тогда как в ближайшие годы компания начнёт производить их один над другим в сочетании с горизонтальными полностью окружёнными затворами каналами. Это значительно увеличит плотность размещения транзисторов на кристалле, что также потребует сигнального доступа к транзисторам с обратной стороны подложки.

Но сначала Intel введёт в обиход новый (и первый за 13 лет в её практике) транзистор. Компания называет его RibbonFET Gate-All-Around (GAA). Каналы у такого транзистора будут в виде тонких горизонтально ориентированных наностраниц, расположенных друг над другом. Канала будет четыре, и все они будут полностью окружены одним затвором. Начало производства транзисторов RibbonFET запланировано на первую половину 2024 года. Вертикальная компоновка из комплементарных пар таких транзисторов, очевидно, произойдёт на несколько лет позже. Вероятно в одном и том же техпроцессе удвоения количества транзисторов не произойдёт. Однако можно ожидать роста плотности транзисторов до 30 % или около того, что в сочетании с переходом на ещё более тонкие техпроцессы позволит следовать закону Мура.

Близкое к реальному представление пары вертикально расположенных друг над другом комплементарных транзисторов

Также на конференции Intel сообщила о других достижениях. В частности, она рассказала о выпуске кристаллов с питанием транзисторов через обратную сторону подложки. Это разгрузит сторону с сигнальными линиями, что позволит поднять тактовую частоту и увеличить мощность питания, поскольку последним будет предоставлено больше пространства для проводников и, следовательно, откроет простор для изготовления подводящих питание линий с большим сечением. Правда, когда придёт черёд вертикально расположенных транзисторов, через заднюю подложку будут предусмотрены также прямые сигнальные контакты, что поможет разгрузить основную сигнальную инфраструктуру.

Обычное горизонтальное расположение транзисторов с наностраничными каналами

Также компания сообщила об опыте изготовления на единой кремниевой подложке в дополнение к обычным транзисторам транзисторов из нитрида галлия (GaN). Технология показала свою жизнеспособность и позволит в будущем на 300-мм кремниевых подложках выпускать силовую электронику или электронику с силовыми элементами с использованием нитрида галлия. Сегодня такие элементы выпускаются на своих подложках (и это обычно не кремний) и интегрируются с кремниевой электроникой на уровне сборок.

Разделение питания и сигнального интерфейса по разное стороны от кристалла (на прямую и тыловую стороны)

Наконец, Intel сообщила об успешном движении в направление «двумерных» транзисторов с 2D-каналами. Материалы для 2D-каналов на основе дихалькогенида переходных металлов (TMD) предоставляют уникальную возможность масштабирования физического затвора транзистора длиной менее 10 нм. На IEDM 2023 Intel показала прототипы высокомобильных TMD-транзисторов как для NMOS (n-канальный металлооксидный полупроводник), так и для PMOS (p-канальный металлооксидный полупроводник).

Также компания представила первый в мире gate-all-around (GAA) 2D TMD PMOS-транзистор и первый в мире 2D PMOS-транзистор, изготовленный на 300-миллиметровой пластине. Ждём более подробных докладов, которые помогут ознакомиться с этими новшествами.

Сегодня классическая компьютерная архитектура фон-Неймана стала препятствием для наращивания вычислительных возможностей. Частично вина за это лежит на обмене данными процессора с внешней памятью. Хранение данных в процессоре — где они обрабатываются — многократно помогло бы снизить потребление компьютеров. Первый такой процессор для задач ИИ создали в Швейцарии. В его основе лежат новые атомарно тонкие полупроводники, а не кремний.

Источник изображения: EPFL

Исследователи из Федеральной политехнической школы Лозанны (EPFL) опубликовали в журнале Nature Electronics статью, в которой сообщили о создании процессора из 1024 транзисторов на основе дисульфида молибдена (MoS₂). Они не первые, кто обратил внимание на этот полупроводник. Слой дисульфида молибдена имеет толщину в три атома и неплохо зарекомендовал себя в опытных разработках в качестве рабочего канала транзисторов. По большому счёту его можно рассматривать как графен в мире полупроводников. Его характеристики и методы получения во многом напоминают работу с моноуглеродными слоями.

Свой первый образец MoS₂ исследователи из EPFL 13 лет назад получали с помощью скотча, отбирая липкой лентой с основы чешуйки материала. Сегодня они уже могут производить целые пластины дисульфида молибдена, из которых, в частности, был изготовлен кристалл процессора площадью 1 см². И поскольку это полупроводник, технологию производства таких процессоров можно будет внедрять на действующих заводах, где уже обрабатывается кремний.

Каждый транзистор из MoS₂ в опытном процессоре также содержит управляющий плавающий затвор. Затвор предназначен для хранения бита данных и для управления транзистором. Данные вычислений остаются в процессоре и участвуют в дальнейшей работе процессора. Никуда вовне обрабатываемые данные не пересылаются и ниоткуда не загружаются. Мы просто подаём на вход процессора информацию для обработки, а на выходе получаем готовый результат.

Представленный прототип процессора с вычислениями в памяти предназначен для выполнения одной из фундаментальных операций обработки данных — векторно-матричного умножения. Эта операция повсеместно используется при цифровой обработке сигналов и реализации моделей искусственного интеллекта. Очевидно, что сегодня такие решения находятся на пике спроса. Как уверяют разработчики, создав масштабный рабочий прототип, они доказали возможность переноса проекта на заводы для массового выпуска.

Отдельно исследователи заявили, что разработка дошла до своей реализации благодаря усиленному финансированию со стороны властей Европейского союза, который стремится вернуть Европе звание лидера рынка полупроводников.

Исследователи из Калифорнийского университета разработали первый в мире полевой транзистор, который управляет не электрическим током, а передачей тепла. Скорость переключения уникального прибора достигает 1 МГц. Он может быстро, дозировано и даже с увеличением мощности передавать тепло по цепи, что открывает целый спектр новых приложений для терморегуляции в электронике и не только.

Источник изображения: H-Lab/UCLA

Обычному полевому транзистору в этом году исполнится 76 лет (это произойдёт 16 декабря). Эти приборы управляют проводимостью полупроводникового канала с помощью электромагнитного поля, дозируя прохождение потока электронов от истока к стоку. Термотранзистор работает по тому же принципу, но только с помощью электромагнитного поля он регулирует теплопроводность канала.

По словам учёных, прототип показал способность быстро и точно переключать теплопроводность канала, управляя тепловым сопротивлением на границе раздела нескольких материалов в канале. Прибор показал способность менять тепловое сопротивление до 1300 %. Иначе говоря, он может не только включать и выключать тепловой поток от источника, но также значительно его усиливать.

Предложенные термотранзисторы полностью твердотельные, что позволит выпускать их в одном технологическом процессе с обычными микросхемами. В составе чипов они будут с предельной точностью и скоростью регулировать тепловой отвод от нужных участков кристалла, тогда как обычные средства отвода тепла обладают большой инерцией и плохо поддаются регулировке.

Наконец, те фундаментальные основы физики, которые помогли разработать термотранзистор, послужат толчком к пониманию механизмов переноса тепла живыми клетками и, в итоге, дадут возможность учёным разобраться с терморегуляцией тела человека, процессы которой науке до конца ещё не ясны.

На днях вице-президент подразделения Samsung по контрактному производству чипов Чон Ги Тхэ (Jeong Gi-Tae) в интервью изданию The Elec сообщил, что в будущем техпроцессе SF1.4 (класс 1,4 нм) количество каналов в транзисторах будет увеличено с трёх до четырех, что принесёт с собой ощутимые преимущества в плане производительности и энергопотребления. Это произойдёт на три года позже выпуска аналогичных по строению транзисторов Intel, что заставит Samsung догонять конкурента.

Источник изображения: Samsung

Компания Samsung первой начала выпускать транзисторы с затвором, полностью окружающим каналы в транзисторах (SF3E). Это произошло больше года назад и используется довольно избирательно. Например, такого рода 3-нм техпроцесс задействован для выпуска чипов для майнеров криптовалюты. Каналы в транзисторах в новом техпроцессе представляют собой тонкие нанолисты, размещённые друг над другом. В транзисторах Samsung три таких канала, которые со всех четырёх сторон окружены затвором и поэтому ток через них течёт под точным контролем с минимальными утечками.

Планы Samsung по введению новых техпроцессов

Компания Intel, напротив, свои первые транзисторы с каналами-нанолистами начнёт выпускать в 2024 году с использованием 2-нм техпроцесса RibbonFET Gate-All-Around (GAA). С самого начала они будут иметь по четыре нанолистовых канала в каждом. Это означает, что GateGAA-транзисторы Intel будут более производительные, чем аналогичные по строению транзисторы Samsung, смогут пропускать больший ток и окажутся более энергоэффективными, чем транзисторы южнокорейского конкурента. Это будет длиться около трёх лет, пока Samsung не начнёт выпускать чипы на техпроцессе SF1.4, что ожидается в 2027 году. Как теперь стало известно, они тоже станут «четырёхлистовыми» — получат по четыре канала каждый вместо сегодняшних трёх.

Архитектура будущих 2-нм транзисторов Intel с нанолистовыми каналами, полностью окружёнными затвором. Источник изображения: Intel

Другое дело, будет ли Samsung на самом деле отставать от Intel в плане технологичности? К тому времени у южнокорейской компании будет пять лет опыта по массовому выпуску GAA-транзисторов, тогда как Intel будет оставаться новичком. А с производством таких транзисторов вряд ли всё просто, раз Samsung использует этот техпроцесс очень и очень избирательно. В любом случае, переход на новую архитектуру транзисторов станет для отрасли полупроводников заметным прорывом и позволит ещё на несколько лет отодвинуть барьер, за которым традиционное производство полупроводников перестанет находиться на острие прогресса.

Учёные из Университета Тафтса (США) представили прототип гибридного транзистора на основе шёлка. Биологический материал включили в стандартный техпроцесс производства чипов, что обещает сделать его использование массовым. Сочетание кремния и биотехнологий позволяет гибридным электронным цепям реагировать одновременно на электрические и биологические сигналы, открывая путь к датчикам здоровья и нейропроцессорам.

Источник изображения: Tufts University / Silklab

Исследователи давно ищут мостик между живым и неживым, который позволит создавать нейроинтерфейсы между электронными устройствами и живыми организмами. Перспективы подобных решений невозможно переоценить. Нейросети, подобные мозгу процессоры, датчики биологических процессов в организме людей — это многое изменит в жизни людей. Произойдёт это не завтра и не послезавтра, но рано или поздно мир станет совершенно иным.

Подтолкнут ли к этим изменениям только что представленные гибридные транзисторы, или они канут в небытие, мы пока не знаем. Но на данном этапе разработка демонстрирует ряд интересных свойств, например, способность вписаться в современные техпроцессы выпуска микросхем.

Предложенный учёными гибридный процессор в качестве изолятора (очевидно, затвора) использует материал на основе белка фиброина, входящего в состав шёлковых нитей и, например, паутины. Этот белок показал хорошую восприимчивость в процессе регулировки его ионной проводимости электронными импульсами и биомаркерами.

По сути, мы имеем дело с чем-то сильно напоминающим, как работает ячейка памяти ReRAM: насыщение ионами рабочего слоя меняет там сопротивление. Тем самым гибридный транзистор на основе шёлка вполне перекрывает область применения резистивной памяти или мемристора, как назвала его компания HP, и даже выходит за его пределы, поскольку заходит в сферу биологии.

На основе предложенного решения исследователи создали датчик дыхания, чутко реагирующий на влажность. Здоровье человека — это та сфера, которая может стать благодатной почвой для множества перспективных начинаний, и «транзистор из шёлка» вполне может стать одним из них.

Китайские учёные сообщили о создании технологии массового производства подложек с атомарно тонкими полупроводниковыми слоями. Новая технология масштабируется до производства 12-дюймовых (300-мм) подложек — самых массовых, продуктивных и наибольших по диаметру пластин для производства чипов. С такими пластинами транзисторы с затвором размером 1 нм и меньше станут реальностью, что продлит действие закона Мура и выведет электронику на новый уровень.

Источник изображения: Pixabay

Современные технологии наращивания слоёв на подложках работают по принципу осаждения материала из точки распыления на поверхность. Для нанесения плёнок толщиной в один атом или около того на крупные пластины эта технология не предназначена. С её помощью можно инициировать рост равномерной по толщине плёнки только на небольшие пластины — примерно до 2 дюймов в диаметре. Для пластин большего диаметра и, тем более, для 300-мм подложек этот метод не годится.

В интервью изданию South China Morning Post профессор Пекинского университета Лю Кайхуи (Liu Kaihui) сообщил, что его группа разработала технологию производства атомарно тонких слоёв на любых подложках вплоть до 300-мм. В основе технологии лежит контактный метод выращивания плёнки с поверхности на поверхность. Активный материал входит в контакт с подложкой сразу по всей её поверхности, давая старт для роста плёнки равномерно во всех её точках. В зависимости от типа активного материала могут быть выращены плёнки нужного состава и даже множество плёнок друг на друге, если это потребуется.

Кроме того, учёные разработали проект установки для выращивания атомарно тонких плёнок в массовых объёмах. Согласно расчётам, одна такая установка может выпускать до 10 тыс. 300-мм подложек в год. Эта же технология подходит для покрытия подложек графеном, что позволит, наконец, внедрить этот интересный материал в массовое производство чипов.

Следует сказать, что учёные заглянули далеко вперёд. Сегодня 2D-материалы (толщиной в 1 атом) только исследуются на предмет использования в структурах 2D-транзисторов и в других качествах. До массового производства подобных решений ещё очень далеко, и предстоит провести много научной работы, пока она не воплотится в серийной продукции. Но это важнейшее направление, которое позволит совершить прорыв в производстве электроники и китайские производители внимательно следят за успехами своих учёных.

Выступая на европейском технологическом симпозиуме представитель TSMC заявил, что в лабораториях компании уже есть рабочие микросхемы с транзисторами CFET или комплементарными FET (Сomplementary FET). Однако до выхода технологии на рынок ещё очень далеко. CFET находятся на очень ранней стадии разработки и до их массового производства на рынке ещё успеют появиться несколько поколений других типов транзисторов.

Источник изображения: TSMC

Перед CFET ожидается выход GAA-транзисторов с круговым затвором, которые TSMC собирается представить с грядущим 2-нм технологическим процессом N2. CFET-транзисторы станут идейными наследниками GAAFET и предложат преимущества над GAAFET и FinFET в аспектах энергоэффективности, производительности и плотности размещения транзисторов. Однако все эти преимущества — пока лишь теория, которая зависит от того, смогут ли инженеры преодолеть значительные технологических сложности, связанные не только с производством, но самой разработкой этого типа транзисторов.

В частности, как отмечает TSMC, для производства транзисторов CFET потребуется применение чрезвычайно точных инструментов литографии для возможности интеграции в конструкцию транзистора и расположения рядом друг с другом полупроводниковых элементов n-типа и p-типа, а также применение максимально качественных материалов, обладающих необходимыми электрическими свойствами.

Как и любой производитель чипов, компания TSMC ведёт разработку и исследование разных типов транзисторов. И те же CFET разрабатывает не только она одна. Этот вопрос также исследует, например, компания Intel. Однако TSMC первой сообщила, что получила в лабораторных условиях работающие CFET. Теперь задача компании состоит в том, чтобы понять, как эти транзисторы вывести на массовое производство. По словам тайваньского контрактного производителя чипов, случится это точно не в ближайшем будущем.

«Позвольте мне прояснить то, что изображено на нашей дорожной карте. Всё, что находится далее нанолистов — это вопрос далёкого будущего. Мы продолжаем работу по нескольким направлениям. Я также хотел бы добавить по поводу одномерных транзисторов <…> Сейчас все [типы транзисторов] исследуются на предмет возможности стать кандидатом на будущее производство, однако мы не можем точно сказать, какая именно архитектура транзисторов будет использоваться после нанолистов», — прокомментировал вице-президент по вопросам технологического развития TSMC Кевин Чжан.

По словам Чжана, TSMC в течение нескольких лет планирует использование GAA-транзисторов для производства чипов. «Применение нанолистов начнётся с 2 нм. Логично предположить, что нанолисты будут использоваться как минимум в течение пары последующих поколений. Поэтому если говорить о CFET… мы использовали те же FinFET в течение пяти поколений, то есть более 10 лет», — добавил он.

На отраслевой конференции ITF World 2023 в бельгийском Антверпене генеральный менеджер по развитию технологий Intel Энн Келлехер (Ann Kelleher) рассказала о последних разработках компании в нескольких ключевых областях. Одним из самых интересных откровений этого выступления стало то, что в будущем Intel будет использовать многослойные транзисторы CFET или комплементарные FET (Сomplementary FET).

Источник изображений: Intel

Intel впервые отметила многослойные транзисторы CFET в рамках своей презентации, однако Келлехер не назвала сроки начала производства чипов с такими транзисторами. Сама технология комплементарных FET была впервые представлена международным научно-исследовательским центром Imec в 2018 году.

На изображении выше можно увидеть внешний вид транзистора CFET в представлении компании Intel (обведён красным кругом). В нижней части изображения представлены старые поколения транзисторов, а 2024 год ознаменовывает переход Intel на использование новых RibbonFET — транзисторов с нанолистами и круговым затвором (nanosheet GAAFET). Они будут выпускаться с использованием техпроцесса Intel 20A и содержать четыре нанолиста, каждый из которых будет окружён затвором. По словам Келлехер, разработка RibbonFET ведётся в соответствии с графиком, и они должны дебютировать в следующем году. В RibbonFET используется конструкция с окружающим затвором, позволяющая увеличить плотность транзистора, повысить скорость его перехода из одного состояния в другое и при этом без значительных жертв с точки зрения энергопотребления.

Стилизованное изображение CFET-транзистора Intel выше несколько отличается от первых изображений этих транзисторов, представленных Imec (показаны ниже), но в целом Intel своим изображением передаёт их суть — в CFET будут использоваться восемь нанолистов, что вдвое больше, чем у RibbonFET. Это позволит ещё сильнее повысить плотность транзисторов. Для сравнения, на изображениях ниже также показаны другие типы транзисторов (планарный FET, FinFET и RibbonFET).

Конструкция CFET-транзистора предполагает расположение рядом друг с другом полупроводниковых элементов n-типа (pFET) и p-типа (pFET). В настоящий момент рассматривается два варианта CFET-транзисторов — монолитные (monolithic) и последовательные (sequential). Второй вариант отличается более высокой и широкой конструкцией. В правой части изображения ниже представлены четыре варианта конструкции CFET-транзисторов. Какой из них в конечном итоге выберет Intel — неизвестно. И узнаем мы это нескоро, поскольку Imec считает, что CFET-транзисторы появятся на рынке не ранее момента, когда техпроцесс производства чипов не сократится до уровня 5 ангстрем, что в свою очередь ожидается не ранее 2032 года.

Источник изображения: Imec

Конечно, никто не исключает, что Intel не будет следовать этим временным рамкам и придёт к выпуску новых транзисторов гораздо раньше. Примечательно, что на продемонстрированном компанией изображении переход к CFET-транзисторам идёт после нанолистовых GAA-транзисторов RibbonFET, минуя разветвлённые GAA-транзисторы (forksheet GAAFET), которые рассматриваются отраслью в качестве переходного звена от нанолистов к CFET. Конструкция разветвлённых GAA-транзисторов отображена на изображении выше — второй рисунок слева.

Поскольку презентационный слайд Intel оказался не очень детальным, вполне возможно, что компания тоже планирует использовать разветвлённые GAA-транзисторы перед переходом на CFET, но пока просто не готова поделиться информацией на этот счёт.

Исследователи из Массачусетского технологического института (MIT) разработали технологию, которая позволит «выращивать» транзисторы атомарного уровня непосредственно на поверхности кремниевых микросхем, что может привести к созданию компьютерных чипов с большей плотностью транзисторов и более высокой производительностью.

Источник изображения: MIT

Разработки в сфере ИИ, такие как набравшие огромную популярность чат-боты, требуют более плотных и мощных компьютерных чипов. Но традиционные полупроводниковые чипы представляют собой трехмерные структуры, поэтому укладка нескольких слоев транзисторов для создания более плотных интеграций очень затруднительна. Однако полупроводниковые транзисторы, изготовленные из сверхтонких двумерных материалов, толщина каждого из которых составляет всего около трех атомов, могут быть сложены в стопки для создания более мощных чипов. Учёные Массачусетского технологического института продемонстрировали новую технологию, которая позволяет эффективно и качественно «выращивать» слои двумерных материалов из дихалькогенидов переходных металлов (TMD) непосредственно на полностью готовом кремниевом чипе, что позволяет создавать более плотные и мощные решения.

Выращивание двумерных материалов непосредственно на кремниевой КМОП-пластине представляло собой сложную задачу, поскольку этот процесс обычно требует температуры около 600 °C, в то время как кремниевые транзисторы и схемы могут выйти из строя при нагреве выше 400 градусов. Группа исследователей MIT разработала низкотемпературный процесс выращивания, который не повреждает чип. Технология позволяет интегрировать двумерные полупроводниковые транзисторы непосредственно поверх стандартных кремниевых схем.

В прошлом исследователи выращивали двумерные материалы отдельно, а затем переносили эту тончайшую плёнку на чип или пластину. Это часто приводит к возникновению дефектов, которые мешают работе конечных устройств. Кроме того, перенос настолько тонкого материала представляется чрезвычайно сложным в масштабах пластины. Новый процесс позволяет вырастить равномерный, однородный слой на всей поверхности 200-мм пластины менее чем за час. В то время как предыдущие подходы требовали более суток.

Источник изображений: Nature

Двумерный материал, на котором сосредоточились исследователи, — дисульфид молибдена — гибкий, прозрачный и обладает мощными электронными и фотонными свойствами, что делает его идеальным для полупроводникового транзистора. Он состоит из одноатомного слоя молибдена, зажатого между двумя атомами сульфида.

Выращивание тонких пленок дисульфида молибдена на поверхности с хорошей однородностью часто осуществляется с помощью процесса, известного как металлоорганическое химическое осаждение из паровой фазы (MOCVD). Гексакарбонил молибдена и диэтиленсульфоксид, два органических химических соединения, содержащие атомы молибдена и серы, испаряются и нагреваются внутри реакционной камеры, где они «разлагаются» на более мелкие молекулы. Затем они соединяются в результате химических реакций, образуя цепочки дисульфида молибдена на поверхности.

Но для разложения этих соединений молибдена и серы, известных как прекурсоры, требуется температура выше 550 градусов Цельсия, в то время как кремниевые цепи начинают разрушаться при температуре выше 400 градусов. Поэтому исследователи начали с нестандартного подхода — они спроектировали и построили совершенно новую печь для осаждения из паровой фазы.

Печь состоит из двух камер, низкотемпературной области в передней части, куда помещается кремниевая пластина, и высокотемпературной области в задней части. В печь закачиваются испаренные прекурсоры молибдена и серы. Молибден остается в низкотемпературной области, где температура поддерживается ниже 400 градусов Цельсия — достаточно тепло, чтобы разложить молибденовый прекурсор, но не настолько горячо, чтобы повредить кремниевый чип. Прекурсор серы проходит через высокотемпературную область, где он разлагается. Затем он поступает обратно в низкотемпературную область, где происходит химическая реакция для выращивания дисульфида молибдена на поверхности пластины.

Одна из проблем этого процесса заключается в том, что кремниевые микросхемы обычно имеют алюминиевый или медный верхний слой, чтобы чип можно было подключить к контактам подложки. Но сера вызывает сернистость этих металлов, подобно тому, как некоторые металлы ржавеют под воздействием кислорода, что разрушает их проводимость. Исследователи предотвратили серообразование, сначала нанеся очень тонкий слой пассивирующего материала на верхнюю часть микросхемы, который после вскрывается для создания контактов.

Они также поместили кремниевую пластину в низкотемпературную область печи вертикально, а не горизонтально. При вертикальном расположении ни один из концов не находится слишком близко к высокотемпературной области, поэтому ни одна часть пластины не повреждается под воздействием тепла. Кроме того, молекулы молибдена и сернистого газа закручиваются, сталкиваясь с вертикальным чипом, а не текут по горизонтальной поверхности. Этот эффект циркуляции улучшает рост дисульфида молибдена и приводит к лучшей однородности материала.

В будущем исследователи хотят усовершенствовать свою методику и использовать ее для выращивания нескольких слоев двумерных транзисторов. И изучить возможность использования низкотемпературного процесса роста для гибких поверхностей, таких как полимеры, текстиль или даже бумага. Это может позволить интегрировать полупроводники в повседневные предметы, например на одежду.