|
Опрос
|
реклама
Быстрый переход
В MIT придумали бустер для CPU и GPU — крошечный дискретный GaN-транзистор «дайлет»
24.06.2025 [10:48],
Геннадий Детинич
Мы едва успели привыкнуть к чиплетам — модульной компоновке процессоров и ускорителей, а учёные из США уже спешат сообщить об изобретении дайлетов (dielet) — ещё более крошечных полупроводниковых компонентов в чипах. Дайлеты станут своеобразными бустерами для чипов, повышая их силовые и частотные характеристики, недоступные обычному кремнию. По сути, это невероятно маленькие дискретные транзисторы из нитрида галлия, которые точечно устанавливаются на готовый чип.
Источник изображения: MIT Разработкой дайлетов занимались учёные под руководством специалистов из Массачусетского технологического института (MIT). Цель состояла в том, чтобы сэкономить на нитриде галлия (GaN) — втором по популярности после кремния полупроводнике. Однако он дорог, сложен для интеграции в КМОП-процесс, а его поставки контролирует Китай. Лучший способ экономии — изготовить отдельные транзисторы из нитрида галлия и размещать их на кремниевых кристаллах лишь там, где это даст наибольший эффект. Дискретные транзисторы на интегральной схеме — идея настолько необычная, что даже интригующая. В MIT уверены: это позволит удешевить использование нитрида галлия, снизить тепловой бюджет чипа и обеспечить впечатляющий прирост как рабочих частот, так и энергетической эффективности. Для реализации идеи был разработан инструментарий на базе 22-нм техпроцесса Intel. Во-первых, транзисторы были изготовлены максимально плотно на подложке из нитрида галлия. Размер каждого транзистора составил 240 × 410 мкм. Затем с помощью лазера транзисторы разрезали на отдельные элементы. Для монтажа на кристалл использовалась медь — в отличие от золота она позволяет сваривать детали при температуре ниже 400 °C, что обеспечивает щадящий режим для материалов будущего чипа. В MIT также разработали инструмент для точного совмещения медных контактов на дискретных транзисторах с контактными площадками на чипе. Операция требует нанометровой точности. Устройство перемещает подложку с транзисторами над чипом, удерживая её вакуумом, и устанавливает транзисторы с помощью тепла и давления. Поскольку в процессе использовалось стандартное оборудование Intel для выпуска 22-нм FinFET-транзисторов, в схему удалось добавить компенсационные конденсаторы, повышающие коэффициент усиления и стабильность работы. Тестовым образцом стал радиочастотный усилитель мощности площадью всего полквадратного миллиметра. Кремниевый чип с вкраплениями дайлетов продемонстрировал значительно лучшие характеристики по усилению сигнала, чем чисто кремниевые аналоги. Учёные уверены, что это станет прорывом в области связи и силовой электроники. Однако технология пока ещё недостаточно зрелая для внедрения в коммерческие процессы. Бельгийцы представили транзисторы нового поколения — быстрые, эффективные и доступные в производстве
19.06.2025 [10:53],
Геннадий Детинич
Около шести лет назад бельгийский центр Imec представил совершенно новую архитектуру транзисторов — CFET (комплементарные FET). Она должна была помочь с производством транзисторов с нормами производства менее 2 нм. Особенностью архитектуры стали раздельные наностраничные каналы (forksheet). Но технология оказалась сложна для производства, поэтому в Imec создали видоизменённый промежуточный вариант будущей архитектуры, представленный на днях.
Источник изображений: Imec Суть архитектуры forksheet заключается в разделении диэлектрической перегородкой транзисторов n- и p-типа с общим круговым затвором (GAA). Перегородка или стена призвана минимизировать влияние соседних транзисторов друг на друга. В таком случае пару транзисторов с разной проводимостью можно изготовить на меньшей площади чипа, что, в итоге, приведёт к существенному снижению площади кристалла — до 20 %. Более того, Imec предложил располагать транзисторы друг над другом для реализации архитектуры CFET, что ещё сильнее уменьшило бы площадь чипов. Однако последующая работа над транзисторами с раздельными страницами показала, что идея с диэлектрической перегородкой крайне сложна при воплощении в производство. Тончайшую перегородку из диэлектрика толщиной от 8 до 10 нм необходимо было изготавливать первой ещё до всех манипуляций с кристаллом и травлением транзисторов. Такие «издевательства» над собой выдержит далеко не каждый материал, что вело бы к высокому уровню брака. Тогда в Imec придумали гениальное решение — перегородки должны быть внешними. Они уже не отдаляли разнополярные транзисторы друг от друга, но они как бы изолировали пары транзисторов от соседних пар. Фактически это была изоляция транзисторов с одинаковой проводимостью.
Варианты внутренней и внешней диэлектрической перегородки При таком техпроцессе перегородки изготавливались одними из последних на кристалле. Такое решение позволяло использовать известные материалы. За счёт более толстых стен могла незначительно пострадать площадь размещения пар транзисторов, но зато все остальные выгоды в виде увеличения скорости работы (токов) и снижения утечек сохранялись. Более тонкий переход между наностраницами и внешней стенкой позволял затвору охватывать увеличенную площадь ребра каждого наностраничного канала, что существенно улучшало контроль над токами в транзисторных каналах. Наконец, финальное изготовление внешних стенок вокруг транзисторных каналов повышало механическую напряжённость в наностраницах (в каналах транзисторов). Термин «напряжённый кремний» знаком всем, кто как минимум четверть века в теме производства чипов. В таких условиях повышается проводимость электронов и дырок в полупроводнике, что ведёт к повышению общей производительности чипов. Разработчики признают, что за счёт повышения толщины внешних изолирующих перегородок forksheet-транзисторов до 15 нм общая площадь чипа может оказаться несколько больше, чем в случае использования внутренних перегородок, но это небольшая и вынужденная жертва. Моделирование в CAD ячеек SRAM и генераторов с использованием транзисторов с раздельными наностраницами и внешними перегородками показало, что в ячейках статической памяти новая схема для техпроцесса A10 (10 ангстрем) позволила сократить площадь на 22 % по сравнению с нанолистами A14 без изоляции за счёт более плотной упаковки однотипных устройств и уменьшения шага затворов. Для схемы генератора под полной нагрузкой новая компоновка соответствует или превосходит производительность генераторов для техпроцессов A14 и 2 нм. Без нагрузки ток питания снижается примерно на 33 % (снижение утечек). Опыт производства транзисторов с раздельными наностраницами будет иметь большое значение для разработки CFET, поскольку многие этапы процесса, материалы и концепции проектирования будут пересекаться. В forksheet-транзисторах устройства p-типа и n-типа располагаются рядом друг с другом. В отличие от них, в CFET нового поколения два разных типа транзисторов будут располагаться вертикально, хотя базовые технологии останутся прежними. Но это история середины 30-х годов, к которой мы ещё не раз вернёмся в будущем. Российские и немецкие учёные разогнали оптический транзистор до 240 ГГц
01.05.2025 [21:41],
Геннадий Детинич
Около шести лет назад международная группа учёных при участии исследователей из «Сколтеха» разработала полностью оптический универсальный логический вентиль — перспективную альтернативу электронным транзисторам. Такие оптические переключатели способны работать при крайне низком энергопотреблении и в десятки, а то и сотни раз быстрее кремниевых аналогов. В новой работе учёные протестировали устройство на пределе его возможностей и выявили ключевые ограничения.
Схематическое представление органического микрорезонатора, работающего как логический элемент, у которого выходной сигнал зависит от синхронизации входных импульсов и от того, было ли исчерпано предыдущее состояние. Источник изображения: Physical Review B 2025 Сегодняшним компьютерам нужны всё более быстрые процессоры, однако традиционная полупроводниковая электроника сталкивается с физическими пределами: при высоких тактовых частотах компоненты перегреваются. Решением могут стать оптические системы, способные работать в тысячу раз быстрее. Исследователи из «Сколтеха» и немецких институтов продолжили развитие своей ранней разработки и изучили, как повысить её быстродействие. Созданный ранее оптический вентиль, реализующий универсальную логическую операцию NOR, основан на поляритонных конденсатах — квазичастицах, объединяющих свойства фотонов и экситонов. В отличие от электронов, фотоны не взаимодействуют между собой, поэтому для управления логикой применяются экситон-поляритоны. Такие устройства работают при комнатной температуре, не используют электрический ток и потому лишены связанных с ним ограничений — потерь энергии и сравнительно низкой скорости. Новая работа, опубликованная в журнале Physical Review B (а также доступная на arXiv.org), посвящена изучению остаточных эффектов в работе логического элемента, ограничивающих его скорость. В частности, исследователи рассмотрели явление бимолекулярного гашения — процесса, при котором взаимодействие между поляритонами приводит к потерям, замедляющим переключение между логическими состояниями 0 и 1. «Скорость работы поляритонных транзисторов определяется тем, насколько быстро могут выполняться последовательные логические операции. Для этого требуется достаточное количество поляритонов, оставшихся от предыдущего состояния «1», чтобы обеспечить чёткое различие между логическими состояниями «1» и «0». По мере увеличения рабочей частоты остаточные поляритоны от первого импульса могут непреднамеренно усиливать второй импульс, создавая, таким образом, паразитное усиление при некоторой ненулевой временной задержке между последовательностями импульсов», — поясняют авторы работы. Согласно полученным данным, логический вентиль способен работать на частоте до 240 ГГц — это один из самых высоких показателей для оптических логических элементов. Как отметил первый автор статьи, аспирант программы «Физика» в «Сколтехе» Михаил Миско, для достижения такой частоты необходимо учитывать влияние делокализации поляритонов, приводящей к дополнительным потерям. Кроме того, учёные установили, что для эффективного функционирования устройства длительность управляющих импульсов должна быть короче, чем время характерных потерь в системе. Это открывает путь к более точному управлению поляритонной динамикой и расширяет возможности оптических логических схем. Полученные результаты подтвердили теоретические модели и позволили сопоставить данные из различных экспериментов. Это ещё один важный шаг на пути к созданию оптических компьютеров, которые смогут работать в сотни раз быстрее современных электронных систем. Китайцы сделали самый быстрый в мире транзистор без кремния и санкционных литографов
13.03.2025 [15:21],
Геннадий Детинич
Команда исследователей из Пекинского университета (Peking University) утверждает, что им удалось преодолеть технологические ограничения для наращивания производительности чипов относительно простыми средствами. Учёные буквально сменили направление в производстве транзисторов, отказавшись как от современных сканеров, так и от кремния.
Источник изображений: Peking University Общепринято, что выпуск 2-нм полупроводников и решений с меньшими технологическими нормами связан с переходом на EUV-литографию и новые транзисторные архитектуры. Всё это требует колоссальных затрат на разработку и производственные ресурсы. Однако даже при условии наличия таких ресурсов экспорт высокотехнологичного оборудования строго ограничен США и их партнёрами. В частности, в Китай запрещено продавать сканеры EUV и даже современные версии 193-нм DUV-сканеров. Группа учёных из Пекинского университета изначально работала над новой технологией производства чипов в попытке обойти санкции, но в итоге добилась принципиально нового результата — создала техпроцесс производства 2D-транзисторов с использованием материалов, не содержащих кремний. Исследователи утверждают, что для изготовления этих «принципиально новых» транзисторов подходит типичное оборудование, используемое в полупроводниковой промышленности. По крайней мере, чип был изготовлен на экспериментальной университетской линии, которая вряд ли оснащена передовыми технологиями. ![]() В качестве материалов для транзисторного канала и затвора были использованы оксиды висмута: Bi₂O₂Se для канала и Bi₂SeO₅ для затвора. Благодаря своим свойствам эти материалы можно наносить на подложку атомарно тонкими и однородными слоями, что обеспечивает повторяемость процесса и стабильность характеристик транзисторов. Именно за это свойство транзистор на основе Bi₂O₂Se и Bi₂SeO₅ считается 2D-транзистором. Архитектурно он представляет собой полевой транзистор с круговым затвором (GAAFET). Разработчики описывают его структуру как «плетёный мост» вместо традиционных для FinFET «небоскрёбов». По словам исследователей, высокая диэлектрическая проницаемость используемых материалов позволяет создавать сверхтонкие структуры затворов, не допускающие токов утечки, что снижает напряжение переключения транзисторов. Это, в свою очередь, увеличивает скорость переключения транзисторов при одновременном снижении энергопотребления. Учёные заявляют, что их 2D-транзисторы работают на 40 % быстрее по сравнению с ультрасовременными 3-нм транзисторами TSMC и Intel, при этом потребление энергии снижено на 10 %. Они также разработали простую логическую схему на основе новых транзисторов и экспериментально подтвердили их впечатляющие рабочие характеристики. «Последний рубеж транзисторной архитектуры»: TSMC и Intel рассказали о нанолистовых транзисторах
13.12.2024 [13:02],
Геннадий Детинич
На днях на конференции IEDM 2024 в Сан-Франциско компания TSMC впервые официально рассказала о преимуществах перехода на 2-нм транзисторы с круговым затвором Gate-All-Around и нанолистовыми каналами. К выпуску чипов по технологии N2 тайваньский чипмейкер приступит в наступающем году. По сути, нанолисты — это финальная архитектура транзисторов в привычном понимании и она останется актуальной надолго.
Не видите внизу 2-нм транзисторы? А они есть! Источник изображения: TSMC В 2025 году производить чипы на основе 2-нм техпроцесса с наностраничными каналами и круговым затвором начнут также Samsung и Intel. Подобные структуры первой начала выпускать компания Samsung в рамках 3-нм техпроцесса в 2022 году. Для TSMC это станет первым опытом и плодом «более чем четырёхлетнего труда», как признался глава отдела разработчиков компании. Современные транзисторы FinFET представляют собой набор вертикально расположенных транзисторных каналов — рёбер или плавников. Характеристики такого транзистора зависят от количества рёбер у каждого — одного, двух или трёх. Чем больше каналов, тем больше площадь, занимаемая транзистором. Это особенно остро сказывается в случае массивов памяти SRAM. Каждая ячейка такой памяти состоит из шести транзисторов и поэтому плохо поддаётся масштабированию. Между тем, без SRAM не обходятся ни простенькие контроллеры, ни мощные процессоры и ускорители. Перевод транзисторных каналов в горизонтальную плоскость в виде тонких наностраниц сразу улучшает плотность, так как каналы располагаются друг над другом, и неважно, сколько их. От этого занимаемое транзистором место не увеличивается. В частности, переход TSMC от выпуска 3-нм FinFET транзисторов к 2-нм наностраничным увеличивает плотность размещения транзисторов на 15 %, независимо от того, используются ли производительные схемы или энергоэффективные. Выигрыш произойдёт в обоих случаях. Между производительностью и энергоэффективностью придётся выбирать. Если делать ставку на скорость вычислений, прирост от перехода на 2-нм наностраничные транзисторы составит 15 %, а если выбрать низкое потребление, то выигрыш достигнет впечатляющих 30 %. Но это не вся польза от наностраничных каналов. Для FinFET транзисторов нельзя создать транзисторы с 1,5 рёбрами — это как полтора землекопа из известной сказки. Зато в случае наностраничных каналов можно менять их ширину, не говоря о количестве, и проектировать схемы с разнообразными и точно требуемыми параметрами. В компании TSMC технологию изменения ширины наностраниц назвали Nanoflex. Это позволит выпускать на одном кристалле логику с узкими наностраницами, что ограничит их потребление, и вычислительное ядро с транзисторами с широкими наностраницами для пропускания больших токов, что обеспечит производительность, несмотря ни на что. Но особенно заметно от перехода на наностраничные транзисторные каналы выиграет SRAM. При переходе с 4-нм на 3-нм техпроцесс плотность ячеек памяти SRAM выросла всего на 6 %. В случае технологии Nanoflex при переходе от 3-нм на 2-нм техпроцесс плотность ячеек SRAM вырастет на 11 %. Это даст повсеместный выигрыш, утверждают в TSMC.
Источник изображения: Intel Интересно добавить, что на этой же конференции прозвучал доклад компании Intel, которая очертила границы будущего для классических транзисторов и, конкретно, в наностраничном исполнении. «Архитектура наностраниц на самом деле является последним рубежом транзисторной архитектуры, — сказал Ашиш Агравал (Ashish Agrawal), специалист по кремниевым технологиям в исследовательской группе Intel по компонентам схем. — Даже будущие комплементарные FET (CFET) устройства, которые, возможно, появятся в середине 2030-х годов, будут построены из нанолистов. Поэтому важно, чтобы исследователи понимали свои ограничения». Чтобы изучить границы возможного, в Intel создали экспериментальную транзисторную структуру с каналом длиной 6 нм. Чем короче канал, тем выше вероятность утечек через него и тем менее управляемым становится транзистор. Эксперимент показал, что транзисторы с каналами длиной 6 нм и шириной наностраницы 2 нм полностью работоспособны. Это позволит наностраничной транзисторной архитектуре существовать ещё долго, отодвинув переход на двумерные материалы и транзисторы на принципиально иной архитектуре далеко в будущее. Возвращаясь к 2-нм техпроцессу TSMC (а также Samsung и Intel), напомним, что цифра в его названии ничего не говорит о физических размерах транзисторов. В рамках 2-нм техпроцесса транзисторы и транзисторные каналы измеряются десятками нанометров. Поэтому до выставленных Intel границ в эксперименте индустрия будет идти не одну пятилетку. Учёные MIT разработали нанотранзисторы для мощной и экономичной электроники будущего
05.11.2024 [23:08],
Анжелла Марина
Исследователи из Массачусетского технологического института (MIT) разработали новый тип трёхмерных транзисторов, способных работать при значительно более низком электрическом напряжении, чем традиционные кремниевые решения. Технология основана на использовании ультратонких полупроводниковых материалов и, возможно, в будущем станет основой для производства более мощной и экономичной электроники — от смартфонов до автомобилей. Источник изображения: mit.edu Кремниевые транзисторы, используемые для усиления и переключения сигналов, являются критически важным компонентом большинства электронных устройств, используемых как в быту, так и на производстве. Однако развитие технологии кремниевых полупроводников сдерживается законами физики, которые не позволяют транзисторам работать ниже определённого напряжения, поясняют учёные. Это ограничение, известное как «тирания Больцмана», затрудняет повышение энергоэффективности компьютеров и других электронных устройств, особенно в условиях стремительного развития технологий искусственного интеллекта, где требуются большие вычисления. В стремлении преодолеть этот фундаментальный предел кремния исследователи из Массачусетского технологического института разработали новый тип трёхмерных транзисторов, используя уникальный набор ультратонких полупроводниковых материалов. Эти устройства, оснащённые вертикальными нанопроводами шириной всего несколько нанометров, могут обеспечивать производительность, сопоставимую с современными кремниевыми транзисторами, но при этом эффективно работать на гораздо более низких уровнях напряжения. Технология использует свойства квантовой механики, а чрезвычайно малый размер транзисторов позволит размещать их на компьютерном чипе в большем количестве, что, в свою очередь, приведёт к созданию быстрой, мощной и энергоэффективной электроники. «Эта технология потенциально способна заменить кремний, поэтому её можно использовать для всех функций, которыми обладает кремний в настоящее время, но с гораздо большей энергоэффективностью», — отмечает Яньцзе Шао (Yanjie Shao), исследователь из MIT и основной автор статьи. По словам другого автора этой работы, профессора Хесуса дель Аламо (Jesús del Alamo), с помощью традиционной физики невозможно продвинуться дальше определённого уровня, но работа Яньцзе Шао показывает, что вполне возможно достичь большего, однако для этого нужно использовать иную физику. «Конечно, остаётся ещё много вызовов, которые предстоит преодолеть, чтобы сделать этот подход коммерчески жизнеспособным в будущем, но концептуально это действительно прорыв», — добавил он. В MIT напечатали транзистор без полупроводников на обычном 3D-принтере — технология будет доступна всем
22.10.2024 [11:25],
Геннадий Детинич
Учёные из Массачусетского технологического института показали, как обычная 3D-печать позволяет напечатать электронные схемы не используя полупроводниковые материалы. Эта возможность пригодится тем, кто ограничен в использовании кремниевых компонентов, но нуждается в простой электронике, например, в космосе или на полярных станциях. Даже возможность напечатать модель со встроенной электроникой дорогого стоит.
Напечатанная на 3D-принтере схема с предохранителем со сбросом (пластик легированный медью). Источник изображения: MIT «У технологии есть реальные преимущества. Хотя мы не можем конкурировать с кремнием как полупроводником, наша идея состоит не в том, чтобы обязательно заменить то, что существует, а в том, чтобы продвинуть технологию 3D-печати на неизведанную территорию, — поясняют авторы работы, опубликованной в журнале Virtual and Physical Prototyping. — В двух словах, речь идёт о демократизации технологий. Это может позволить любому создавать интеллектуальное оборудование вдали от традиционных производственных центров». Разработку создали Хорхе Каньяда (Jorge Cañada), аспирант по электротехнике и информатике, и Луис Фернандо Веласкес-Гарсия (Luis Fernando Velásquez-García), главный научный сотрудник лаборатории микросистемных технологий Массачусетского технологического института. Ранее они обратили внимание, что легированный медью пластик может вести себя подобно полупроводнику, что позволяет на этой основе напечатать элемент со свойствами транзистора и, следовательно, несложную электронику. Интересно, что графен и графит не проявляют похожих свойств в тех же условиях. Предложенная исследователями технология позволит распечатать электромеханическое устройство как единую модель самым простым образом на 3D-принтерах с обычными, рассчитанными на работу с полимерными нитями, экструдерами. С такими возможностями любой буквально на коленке сможет напечатать приспособление с блоком управления. Такая возможность станет бесценной в космических полётах и, в целом, в местах, где под рукой просто не окажется нужных компонентов, а почтового сообщения нет или долго не будет. Учёные создали съедобный транзистор из зубной пасты — он способен проработать больше года
01.10.2024 [13:34],
Павел Котов
Учёные из Италии и Сербии построили транзистор из фталоцианина меди (CuPc) — известного компонента, который используется в отбеливающей зубной пасте, но может применяться и в качестве органического полупроводника. Вещество остаётся стабильным более года и может работать как управляемый электролитом транзистор при напряжении менее 1 В — при этом оно безопасно для потребления человеком.
Источник изображения: Diana Polekhina / unsplash.com Чистя зубы два раза в день, человек принимает около 1 мг CuPc, и это в 12 500 раз больше, чем необходимые для создания чипа 80 нанограммов (нг). Съедобный транзистор окажется полезным при разработке медицинских устройств, которые можно безопасно проглотить для исследования желудочно-кишечного тракта. К примеру при капсульной эндоскопии — проглатывании крошечной беспроводной камеры размером с таблетку — требуется контроль врача, а исследование носит только визуальный характер. Съедобные транзисторы помогут в разработке более сложных устройств — например, сенсоров для оценки уровней ферментов и других химических веществ. Такие устройства не сопряжены со значительной угрозой для здоровья, а значит, ими можно пользоваться без подготовки и надзора со стороны врача. Это может быть полезным в ранней диагностике заболеваний и даже автоматизации лечебных процедур. Ранее учёные предлагали и другие съедобные электронные компоненты: электролиты, батареи, суперконденсатор, проводящие пасты и чернила и сенсоры — но их применение было бы ограниченным без транзисторов, способных выполнять роль «мозга» операции. CuPc-транзистор может оказаться относительно простым и недорогим решением этой проблемы. |