Теги → imec
Быстрый переход

Европейские разработчики создали доступный «электронный» медицинский пластырь

В рамках выставки CES 2019 бельгийский исследовательский центр Imec и нидерландский центр прикладных научных разработок TNO представили недорогой одноразовый медицинский пластырь со встроенной системой мониторинга жизненных показателей человека. Разработка обещает оказаться на порядок дешевле, чем современные решения аналогичного назначения. В то же время повышен уровень комфорта ношения пластыря и длительность его активного использования (автономной работы).

По словам разработчиков, существующие аналоги следят за жизненными показаниями пациентов не больше 4 дней. Новый пластырь со встроенной SoC Imec MUSEIC V3 работает от установленной в него батареи не меньше семи дней. Батарея, кстати, выполнена из материалов, не содержащих вредные для экологии соединения, и может быть утилизирована без специальных предосторожностей. Собственно, пластырь со всей его электроникой — это изделие разового применения и выбрасывается после использования.

Применение «электронных» медицинских пластырей облегчает пациентам жизнь в процессе выздоровления без необходимости посещать врача. Пациент может быть выписан раньше положенного срока и завершать лечение дома с удалённым слежением со стороны лечащего врача за жизненными показателями. В новом пластыре кроме слежения за активностью сокращения сердечной мышцы есть акселерометр, который позволяем судить о физической активности пациента. В наличии схема замера сопротивления кожного покрова, потливости, температурных показателей и главное новшество — датчик определения степени насыщения крови кислородом (SpO2). Своевременные показания датчика SpO2 могут предотвратить остановку дыхания и остановку сердца, что делает разработку особенно ценной.

Пластырь изготовлен из толерантных к кожному покрову биосовместимых материалов. Базовая подложка — тонкая, гибкая и эластичная — выполнена из термопластичного полиуретана. Большинство электронных компонентов пластыря изготовлены методом печатной электроники. Контакты для снятия показаний жизнедеятельности сухие. Липкий слой содержит состав на основе силикона. О начале коммерческого производства разработки не сообщается. С образцами можно было ознакомиться на стенде Imec на CES 2019.

Imec доказал эффективность памяти SST-MRAM для разделяемой кеш-памяти

На конференции 2018 IEEE International Electron Devices Meeting (IEDM) представители бельгийского исследовательского центра Imec продемонстрировали доказательство эффективности магниторезистивной памяти SST-MRAM для использования в качестве разделяемой кеш-памяти вместо традиционной памяти SRAM. Для этого была разработана модель массива SST-MRAM и выпущен опытный чип, на котором были проведены все необходимые измерения.

Следует отметить, что опытный массив памяти SST-MRAM выпущен с использованием 5-нм техпроцесса. Для производства был использован 193-нм сканер и однопроходная иммерсионная литография (с погружением в жидкость). Тем самым разработчики доказали, что процесс производства массива кеш-памяти SST-MRAM с технологическими нормами 5 нм может быть достаточно недорогим.

Сначала с помощью расчёта, а затем путём замеров был составлен график зависимости потребления массива кеш-памяти SST-MRAM и SRAM в зависимости от объёма памяти. Выяснилось, что в случае ёмкость 0,4 Мбайт память SST-MRAM становится эффективнее памяти SRAM в режимах чтения, а при наборе ёмкости 5 Мбайт потребление в режиме записи памяти SRAM начинает превышать потребления в режиме записи памяти SST-MRAM. Это означает, что в техпроцессах 5 нм память SST-MRAM невыгодно использовать для кеш-памяти первого и второго уровней, тогда как для кеш-памяти третьего уровня, обычно разделяемой, это эффективная замена SRAM. К тому же память SST-MRAM является энергонезависимой, что добавляет ей очков при сравнении с обычной оперативной памятью.

Остаётся напомнить, что ячейка памяти SST-MRAM представляет собой бутерброд из диэлектрика, заключённого между двумя слоями с намагниченностью: одну с фиксированной, а вторую — с переменной. В зависимости от поляризации тока свободный слой меняет направление намагниченности благодаря движению через него электронов с заданным вращающим моментом. Использование SST-MRAM вместо SRAM решает также другую задачу — это увеличения плотности ячеек памяти. Эксперимент показал, что в рамках 5-нм техпроцесса ячейка SST-MRAM занимает примерно 43,3 % от площади ячейки SRAM.

Imec и CEA-Leti будут вместе двигать Европу в мир ИИ и квантовых компьютеров

На днях во время визита Президента Франции Эммануэля Макрона (Emmanuel Macron) в Бельгию два ведущих научных учреждения из этих стран подписали стратегический меморандум о взаимопонимании. Бельгийский исследовательский центр Imec и французский исследовательский институт CEA-Leti договорились вместе разрабатывать технологии в области искусственного интеллекта и квантовых компьютеров.

Важно отметить, что Imec и CEA-Leti планируют разрабатывать технологии для так называемого периферийного искусственного интеллекта Edge Artificial Intelligence (eAI). Периферийный ИИ представляется решением в виде чипа или компактной самостоятельной платформы, способной на месте анализировать обстановку и принимать решения для выполнения локальной задачи. Эта часть ИИ должна работать без облака или являться ячейкой распределённой ИИ-сети. Развитие данной области искусственного интеллекта обещает поднять на новый уровень как индустриализацию, так и решить массу проблем социума.

Квантовые вычисления также представляются приоритетным видом научной деятельности двух крупнейших европейских центров исследований. Европа не желает плестись в хвосте разработок и через партнёрство Imec и CEA-Leti намерена дойти до стадии создания квантовых компьютеров. В этом также будет помогать немецкий центр Fraunhofer Group for Microelectronics Общества Фраунгофера (Fraunhofer-Gesellschaft), стратегическое соглашение о сотрудничестве с которым центр CEA-Leti заключил несколько ранее.

Здание imec с новой «чистой комнатой» (imec)

Здание imec с новой «чистой комнатой» (imec)

Интересным в данном союзе можно считать то, что оба центра — французский и бельгийский — обладают самыми передовыми в Европе средствами производства полупроводников. Европа давно забыла о модернизации заводов для выпуска чипов, тогда как CEA-Leti и Imec могут выпускать не только опытные чипы нанометрового уровня, но даже организовать при надобности мелкосерийный выпуск продукции. Иначе говоря, если бы не они, то практическая сторона квантовых и нейроморфных разработок в Старом Свете была бы заранее обречена на провал.

Показана гидрогелевая контактная линза со встроенной электроникой

По различным оценкам, контактными линзами сегодня пользуются около 130 млн человек. Преимущественно линзы используются для коррекции зрения, но у этих оптических приборов есть скрытый и гораздо больший потенциал. Раскрыть его поможет современная промышленность по производству электроники и последние достижения в этой отрасли. Контактные линзы могут стать носимыми диагностическими приборами и средствами по дозированной доставке лекарств в глазное яблоко.

На форуме ITF Japan 2018 (technology forum) в Японии бельгийский исследовательский центр Imec показал первую, по словам разработчиков, мягкую гидрогелевую контактную линзу со встроенной электроникой. Разработка создана совместно с учёными Гентского университета (Ghent University, UGent) и производителем контактных линз компанией SEED Co., Ltd. Мягкая контактная линза с большим содержанием воды несёт встроенный светодиод, сверхтонкий кремниевый контроллер, радиочастотную антенну для беспроводной передачи энергии и эластичную тонкоплёночную основу с токопроводящими контактами для соединения всего этого хозяйства в действующую электронную цепь.

Разработка не имеет какой-то практической ценности (разве что декоративную — на будущий Хеллоуин подсветить роговицу светодиодом), и призвана лишь очертить круг возможностей для будущего применения. Так, получая питание извне, контактная линза с электроникой может длительное время работать в полупассивном режиме. Длительному времени ношения способствует гидрогелевая среда линзы, которая является газопроницаемой и, следовательно, пропускает кислород к роговице. Электроника линзы может питать и управлять встроенными в неё датчиками и передавать информацию для анализа на внешние устройства, например, на смартфон.

В качестве материала для подложки с электроникой и проводниками выбран термопластичный полиуретан (thermoplastic polyurethane, TPU). Под воздействием температуры этот материал переходит от плоской формы к изогнутой (для примера с линзами — с кривизной изгиба до 9 мм). Он обладает низкой жёсткостью, оптически прозрачен, пропускает кислород и, что самое главное, давно проверен на биологическую совместимость с организмом человека. Дальше дело за малым: разработать необходимую электронику и средства дозировки и доставки лекарства непосредственно в глаз. И тогда контактные линзы превратятся из инструмента коррекции зрения в инструмент восстановления зрения после травм, болезней или хирургического вмешательства.

Imec приступила к коммерческим поставкам нейрозондов нового поколения

При всей своей бытовой доступности человеческий мозг остаётся тайной за семью печатями. Учёные только начинают приближаться к основам того, что можно назвать пониманием мышления, сознания или эмоций. Происходящие в мозге химико-электрические процессы изучены на уровне отдельных нейронов и их связей. Комплексное исследование, которое призвано охватить большие участки мозга, затруднено отсутствием необходимых для этого инструментов. Вернее, было затруднено. Год назад завершена разработка полупроводникового зонда Neuropixels с сотнями каналов для снятия данных активности головного мозга с беспрецедентным разрешением — с почти тысячей датчиками на небольшой кремниевой игле.

Кремниевый нейрозонд нового поколения разработал бельгийский исследовательский центр Imec в содружестве с Исследовательским кампусом Медицинского института Говарда Хьюза (HHMI), независимым международным благотворительным фондом Wellcome Trust с центром в Лондоне, благотворительным фондом Gatsby и Алленским институтом мозга (Allen Institute for Brain Science). Проект стартовал в июле 2013 года и был завершён около года назад. За прошедшее время было разослано около полутысячи прототипов зонда, а сейчас он становится доступен на коммерческой основе.

Кремниевый зонд Neuropixels выпускается на КМОП производстве Imec. Длина кремниевого щупа составляет 1 см. Сечение зонда — 70 × 20 мкм. На каждый миллиметр длины приходится чуть  больше 100 датчиков активности головного мозга. Всего на щупе чуть больше 960 датчиков, которые передают данные одновременно по 384 каналам. Считанная зондом информация позволяет с недоступной ранее степенью детализации считывать данные об активности нейронов на относительно большой площади.

Следует уточнить, что зонд Neuropixels предназначен для изучения активности головного мозга мелких животных. Увы, других надёжных методов снятия состояния нейронов кроме как введения зондов напрямую в мозг пока не придумано. В то же время новая разработка откроет путь к интересным проектам и открытиям, которые ещё на шаг или два приблизят нас к пониманию работы мозга вообще и человеческого мозга в частности.

Imec и ASML вместе сделают сканеры EUV намного лучше

Бельгийский исследовательский центр Imec и нидерландская компания ASML выпустили пресс-релиз, в котором сообщили о ряде совместных действий по улучшению сканеров диапазона EUV. Это не первое сотрудничество Imec и ASML. По тем или иным проектам центр и компания работают вместе около трёх десятилетий. Более того, в 2014 году они создали совместный исследовательский центр Advanced Patterning Center для оптимизации литографических технологий для развитых техпроцессов КМОП и для подготовки инфраструктуры для поддержки новейших технологий выпуска полупроводников.

Пример сканера компании ASML (ASML)

Пример сканера компании ASML (ASML)

Сканеры EUV с использованием длины волны 13,5 нм только-только начали свой путь в коммерческом производстве чипов. Это произошло благодаря компании Samsung. С помощью штатного сканера ASML NXE:3400B Samsung в сутки обрабатывает до 1500 300-мм кремниевых подложек. И хотя для начала коммерческого использования сканеров этого достаточно, Samsung использует только половину из пропускной способности сканеров данной серии. Очевидно, что при интенсивном использовании технологии использования сканеров EUV требуют доработки. Центр Imec и компания ASML вновь объединяют усилия, чтобы сделать сканеры EUV ещё лучше.

Здание imec с новой «чистой комнатой» (imec )

Здание imec с новой «чистой комнатой» (imec )

Дальнейшая совместная деятельность Imec и ASML будет двигаться в одном направлении, но разными путями. Во-первых, Imec в недавно построенной «чистой» комнате установит сканер ASML NXE:3400B и сканер NXT:2000i для иммерсионной (с погружением в жидкость) литографии. Сканер NXE:3400B будет установлен до конца года, а NXT:2000i — в 2019 году. Во-вторых, Imec и ASML создадут совместную лабораторию high-NA EUV research lab для разработки оборудования и техпроцессов производства чипов с помощью сканеров с оптическими системами с высоким значением числовой апертуры (NA). Для этого лаборатория получит сканер EXE:5000 с NA 0,55, что намного больше NA сканера NXE:3400B, которая равна 0,33.

Перспективы освоения новых технологических норм с помощью сканеров ASML (ASML)

Перспективы освоения новых технологических норм с помощью сканеров ASML (ASML)

Сканер NXE:3400B с числовой апертурой 0,33 может за один проход «нарисовать» 7-нм и даже 5-нм элемент. Чтобы создать на кремнии элемент размерами 3 нм и меньше необходимо увеличить значение NA и, тем самым, ещё ближе придвинуть оптику к пластине, что само по себе затруднит работу сканера. Сканеры с NA свыше 0,5 компания ASML планирует выпустить после 2020 года, но не позже 2025 года. Похоже, следование этим планам будет зависеть от успехов совместных лабораторий Imec и ASML.

Также центр Imec возьмёт на вооружение инструменты ASML YieldStar для оптической оценки дефектов и систему ASML-HMI Multi-electron beam для оценки дефектов в наноструктурах. С помощью нового оборудования Imec и ASML намерены всесторонне совершенствовать техпроцессы с использованием сканеров EUV.

Imec разработал эталонный антенный модуль для 60-ГГц точек доступа

Для увеличения объёма передаваемых данных системы связи начинают покорять диапазон миллиметровых волн, в частности — диапазон в районе 60 ГГц, для работы в котором не требуется лицензирование частот. Он открытый. Сегодня 60-ГГц стандарт 802.11ad используется для передачи данных на очень небольшие расстояния (до 10 метров, а на практике  — едва ли не вплотную). Например, он оказался весьма актуальным для гарнитур с погружением в виртуальную реальность. Готовится новый 60-ГГц стандарт 802.11ay, который расширит дальность связи с 10 до 300 метров. Также диапазон 60 ГГц может быть использован в сетях сотовой связи 5G для организации локальных подсетей.

Одной из важных составляющих приёмо-передающих устройств миллиметрового диапазона были и остаются фазированные антенные решётки (ФАР). С помощью ФАР можно управлять лепестками направленности антенны, обеспечивая максимальную скорость передачи данных по нескольким каналам с наилучшей эффективностью. В сочетании с радиочастотными усилителями мощности это достаточно дорогой элемент приёмо-передающей системы, удешевить который можно с помощью унифицированных эталонных модулей. Именно подобный модуль для распространения по OEM-каналам разработала компания Pharrowtech — бизнес-единица, выделенная из Imec в рамках деятельности коммерческого инкубатора института.

Прототип модуля ФАР с 256 антенными элемнтами

Прототип модуля АФАР с 256 антенными элементами (Imec)

Разработка Pharrowtech показана 16 октября в Лондоне на конференции Infra Project Summit. Это модуль в виде компактной активной фазированной антенной решётки из 256 элементов со 128 усилителями мощности. Решение собрано из «доступных» серийных комплектующих и представляется как одно из самых недорогих среди аналогов. При этом угол направленности АФАР предельно широкий, а дальность передачи беспрецедентно большая. Решение предназначено для создания стационарных точек доступа для домов и служебных ретрансляторов в 60-ГГц диапазоне для обеспечения Интернетом жителей сельской местности, мегаполисов и пригородных зон.

Пример серийной ФАР QCA9008 из ноутбука Acer N15W8 (FCC)

Пример серийной ФАР для 802.11ad-модуля QCA9008 из ноутбука Acer N15W8 (FCC)

В Imec уверены, что беспроводные технологии в 60-ГГц диапазоне помогут закрыть потребность в скоростной цифровой связи даже там, где предлагается кабельный Интернет. Развёртывание беспроводных точек быстрее и дешевле, чем прокладка кабеля, а переход в диапазон 60 ГГц решит проблему с наращиванием пропускной способности.

Учёный из Imec получил грант на разработку сверхмалого микроскопа

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

Слева на фото Нильс Вереллен (Niels Verellen)

Слева на фото Нильс Вереллен (Niels Verellen)

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

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

Представлена ячейка солнечной панели с эффективностью 27,1 %

Бельгийский исследовательский центр Imec сообщил о разработке конструкции ячейки для солнечных панелей с рекордной эффективностью 27,1 %. Ячейка разработана в рамках европейской партнёрской программы EnergyVille. Полученный в ходе экспериментов результат вселяет надежду, что солнечные панели с КПД свыше 30 % — это вовсе не фантастика, а цель, которую реально достичь в обозримом будущем.

Двойная солнечная ячейка Imec из кремния и кристаллов перовскита

Двойная солнечная ячейка Imec из кремния и кристаллов перовскита

За основу опытной ячейки Imec взята классическая технология изготовления солнечных ячеек IBC (interdigitated back-contact) с контактами к тыльной поверхности в виде чередующихся полос (гребёнка). Нижний тыльный слой ячейки выполнен из кремния, а верхний — из кристаллов перовскита. Такая составная или в виде тандема структура ячейки популярна у разработчиков в последнее время. Это позволяет суммировать собранную с поверхности и со «дна» энергию. Соответственно, Imec выбрала 4-терминальную схему подключения ячейки, когда генерируемый ток отдельно снимается с верхнего слоя из перовскита и с нижнего из кремния. Таким образом КПД удаётся удержать на максимальному уровне.

Схематическое изображение двойной IBC-ячейки с разными вариантами подключения (2-, 4- и 3-терминальным)

Схематическое изображение двойной IBC-ячейки с разными вариантами подключения (2-, 4- и 3-терминальным)

Площадь опытной солнечной ячейки Imec стандартная для отрасли и равна 4 см², а окошко с кристаллами перовскита на её поверхности занимает всего 0,13 см². Отметим, данная разработка Imec вряд ли может похвастаться чем-то уникальным. Подобную конструкцию и состав ячеек разрабатывают многие исследовательские центры и компании. Но это также означает, что практическая реализация лабораторного проекта имеет высокие шансы воплотиться в жизнь.

Водные ресурсы Фландрии подключат к Интернету

На днях в административном округе Фландрия в Бельгии формально стартовал проект по подключению к Интернету водных ресурсов этого региона. Проект буквально называется «Интернет воды». Однако речь не идёт об обеспечении связью водных обитателей или тех, кто находится рядом с источниками воды или водоёмами. Проект предусматривает размещение по всему региону свыше 1000 датчиков с подключением к сети Интернет.

Универсальный датчик контроля над качеством водой и её объёмами (Imec)

Универсальный датчик контроля над качеством водой и её объёмами (Imec)

Миниатюрные и относительно недорогие беспроводные датчики для контроля чистоты воды и её объёмов разработал бельгийский центр Imec. До этого с аналогичной задачей справлялся целый комплекс сенсоров стоимостью в несколько тысяч евро каждый. Разработка Imec обеспечивает целый спектр измерений за намного меньшую стоимость и отвечает за передачу информации в Сеть. Датчики будут следить не только за естественными водоёмами и уровнем воды в них, но также проверять качество воды после обработки и сброса сточных вод, а также движение подпочвенных и запасы грунтовых вод.

Проблема качества и мониторинга резервного объёма пригодной для питья воды, а также воды сельскохозяйственного назначения, это проблема почти всех регионов мира, даже там, где, казалось бы, никогда не было перебоев с водоснабжением. Система датчиков Imec и самообучающееся программное обеспечение партнёров центра позволит в реальном времени понимать, в каких местах региона, сколько и какого качества вода в данный момент времени. К тому же эти данные обещают стать публичными через приложение для ПК или смартфонов.

Партнёрами Imec в данном проекте выступают четыре компании: VITO, De Watergroep, Aquafin и Vlakwa. Группа намерена разработать платформу не только для мониторинга запасов водных ресурсов региона и качества этих ресурсов, но также представит удобные инструменты и средства для подачи необходимых объёмов поды с требуемым качеством промышленности, сельскому хозяйству, жителям, в природные зоны и компаниям по производству питьевой воды. Не пропадёт ни капли.

Imec представил технологию, которая вдвое увеличит плотность размещения транзисторов

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

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

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

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

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

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

Для техпроцессов с нормами менее 5 нм Imec предложила «нанотранзистор»

К симпозиуму VLSI Technology 2018 бельгийский центр Imec подготовил два связанных документа, в которых раскрыл варианты производства транзисторных структур с технологическими нормами менее 5 нм. Данная разработка призвана преодолеть фундаментальное ограничение, связанное с необходимостью уменьшать размеры транзисторных элементов. По мере снижения размеров элементов, в частности — сечения транзисторных каналов, снижаются также максимально допустимые значения токов, которые можно пропускать через транзистор.

Схематическое изображение транзисторных каналов в поперечном сечении: FinFET, нанопровода, наностраницы

Схематическое изображение транзисторных каналов в поперечном сечении: а) FinFET, б) нанопровода, в) наностраницы

Чтобы продолжить уменьшать размеры транзисторов и не терять в производительности решений, Imec предлагает в качестве материала канала транзистора использовать не кремний, а германий. В первом документе исследователи с цифрами на руках доказали ценность практического использования германия в каналах полевых транзисторов с p-проводимостью (pFET) для техпроцессов с нормами менее 5 нм. При этом канал транзистора выполняется в виде нанопроводника (nanowire).

К сожалению, даже выполненный из германия один нанопроводной канал не может обеспечить достаточных токовых характеристик для транзисторов требуемой функциональности. Поэтому во втором документе исследователи рассказывают о кольцевых затворах вокруг нанопроводников-каналов (gate-all-around) и о технологии стековой компоновки каналов, когда каждый транзисторный канал представляет собой совокупность нескольких уложенных друг на друга нанопроводников-каналов каждый со своим кольцевым затвором. Суммарное сечение всех каналов оказывается достаточным, чтобы не создавать току высокого сопротивления. Также в такой стековой конструкции паразитная ёмкость оказывается меньше, чем если бы у транзистора был один общий канал.

Реальное изображение сечения транзисторных каналов с затворами вокруг наностраниц (IBM, техпроцесс 5 нм)

Реальное изображение сечения транзисторных каналов с затворами вокруг наностраниц (IBM, техпроцесс 5 нм)

Ещё одна тонкость заключается в том, что в качестве материала для канала используется не просто германий, а так называемый напряжённый германий. Это не новая технология, её для кремния используют все производители процессоров. Смысл этого действа — растянуть атомарную решётку материала и улучшить мобильность передвижения электронов. Тем самым германий, который и так обладает лучшей мобильностью электронов, чем кремний, становится ещё лучше.

Всё выше сказанное специалисты Imec воплотили в «железе», создав и продемонстрировав полевой транзистор p-типа с кольцевым затвором и каналом из нанопроводов. Правда, для этого была использована производственная платформа 14/16 нм. Но принцип понятен и он работает. Партнёрами центра по этой программе выступают компании GlobalFoundries, Huawei, Intel, Micron, Qualcomm, Samsung, SK Hynix, Sony Semiconductor Solutions, TOSHIBA Memory, TSMC и Western Digital, чьи имена говорят сами за себя.

Кое-что новенькое: память SOT-MRAM можно выпускать в промышленных масштабах

Как мы знаем, энергонезависимую память STT-MRAM (spin-transfer torque MRAM) в настоящее время выпускает компания GlobalFoundries по проекту компании Everspin Technologies. Плотность 40-нм микросхем STT-MRAM составляет всего 256 Мбит (32 Мбайт), что выгодно компенсируется высокой скоростью работы и большей устойчивостью к разрушению во время операций очистки, чем в случае памяти NAND. Эти высокие качества STT-MRAM позволяют претендовать магниторезистивной памяти с записью данных с помощью переноса спинового момента (spin-transfer torque) на место в процессоре. Как минимум речь идёт о замене массивов SRAM на массивы STT-MRAM в качестве кеш-памяти третьего уровня (L3). А что же с кеш-памятью L1 и L2?

По мнению специалистов бельгийского исследовательского центра Imec, для использования магниторезистивной памяти MRAM в качестве энергонезависимого кеша первого и второго уровней память STT-MRAM подходит не очень хорошо. На эту роль претендует более совершенный вариант магниторезистивной памяти, а именно — SOT-MRAM (spin-orbit torque MRAM). Запись в ячейку SOT-MRAM также происходит спин-поляризованным током, но только в виде передачи вращательного момента, используя для этого спин-орбитальный момент электронов.

Принципиальная разница заключается в схеме управления туннельным переходом в составе ячейки памяти и в методе записи. Так, ячейка STT-MRAM представляет собой бутерброд из двух тонкоплёночных структур (разделённых диэлектриком), одна из которых имеет постоянную намагниченность, а вторая «свободную» — зависящую от поляризации приложенного тока. Запись и чтение данных из такой ячейки происходят одинаково при пропускании токов перпендикулярно через туннельный переход. Тем самым износ ячейки происходит как во время записи, так и во время чтения, хотя при чтении токи значительно меньше, чем при записи.

Ячейка с туннельным переходом SOT-MRAM, также содержащая свободный слой и слой с постоянной намагниченностью, записывается током, который движется вдоль туннельного перехода, а не через все слои. Изменение «геометрии» подачи тока, заявляют в Imec, значительно повышает как устойчивость ячейки к износу, так и скорость переключения слоя. При сравнении работы ячеек STT-MRAM и SOT-MRAM, выпущенных на одной и той же пластине типоразмера 300 мм, для SOT-MRAM устойчивость к износу превысила 5·1010, а скорость переключения ячейки (запись) снизилась с 5 нс до 210 пс (пикосекунд). Потребление при этом было на низком уровне, равном 300 пДж (пикоджоулей).

Особый шарм всей этой истории заключается в том, что в Imec показали возможность выпускать память SOT-MRAM на штатном оборудовании на 300-мм кремниевых подложках. Иначе говоря, на практическом уровне доказали возможность запуска массового производства памяти типа SOT-MRAM.

Для техпроцессов с нормами 3 нм вместо медных проводников понадобятся другие металлы

Судя по всему, со временем переход на техпроцессы с нормами 3 нм — дело уже решённое. Компания Samsung планирует внедрить 3-нм полупроводниковую литографию в 2021 году, а компания TSMC — в 2022-м. На бумаге всё это выглядит хорошо, но на пути к новым «глубинам» полно и оврагов.

Процессор IBM CMOS 7S: 7 слоёв медных соединений с удалённм для наглядности диэлектриком (IBM)

Процессор IBM CMOS 7S: 7 слоёв медных соединений с удалённым для наглядности диэлектриком (IBM)

Для конференции IEEE International Interconnect Technology Conference 2018 (IITC 2018) специалисты исследовательского центра Imec подготовили 11 документов, в которых рассматриваются вопросы использования современных технологий и материалов в производстве чипов с нормами 3 нм и ниже. Основная проблема заключается в том, что для создания внутричиповых соединений — проводников и межслойной металлизации — индустрия и дальше желала бы использовать так называемую дамасскую технологию (damascene metallization).

Дамасскую технологию, названную по аналогии с одноимённой средневековой технологией нанесения рельефного узора на металлические изделия, предложила компания IBM. В прошлом году как раз исполнилось 20 лет с момента первого выпуска процессоров IBM с использованием медных соединений вместо алюминиевых. Высокая по сравнению с алюминием проводимость меди на ровном месте позволила увеличить производительность решений на 30 %, чем позже воспользовались все, включая Intel и AMD.

Пример последовательности технологии двойного дамасского процесса (в две линии вместо одной, но суть та же)

Пример последовательности технологии двойного дамасского процесса (в две линии вместо одной, но суть та же)

Технология IBM заключается в изготовлении траншей в изоляторе с последующим внесением меди и удалением (полировкой) излишков, и так до 5–10 слоёв, в зависимости от потребностей. При этом медь покрывается защитной плёнкой — диффузионным барьером для предотвращения электромиграции, что можно расценить как защиту от «отравления» полупроводниковых структур атомами меди. Технология отработана и хорошо себя показала, но медь для технологических норм от 3 нм и ниже уже не подходит.

Вместо меди Imec предлагает использовать кобальт, рутений или графен. Оба металла и графен имеют меньшее сопротивление, чем медь, но не лишены своих недостатков. В докладе Imec рассматривает надёжность и перспективы новых материалов. Например, соблазнительный вариант использовать кобальт без защитных диффузионных барьеров. При этом разработчики также выяснили, что нитрид тантала в качестве диффузионного барьера может использоваться с техпроцессами ниже 2 нм. Это, кстати, может продлить жизнь медным соединениям, что было бы, возможно, самой экономически оправданной технологией.

Зависимоть сопротивления сквозной металлизации от используемого материала и размеров сечения контакта (Imec)

Зависимость сопротивления сквозной металлизации от используемого материала и сечения контакта (Imec)

Нет смысла объяснять, что вопросами металлических соединений в чипах интересуются не только в Imec. В программе бельгийцев принимают партнёрское участие компании GlobalFoundries, Huawei, Intel, Micron, Qualcomm, Samsung, SK Hynix, SanDisk/Western Digital, Sony Semiconductor Solutions, TOSHIBA Memory и TSMC, что само за себя говорит о важности этого направления.

Imec научит хорошо и недорого охлаждать самые горячие процессоры

Бельгийский исследовательский центр Imec продемонстрировал жидкостную систему охлаждения с удивительно высоким коэффициентом эффективности и при этом достаточно недорогую. В теории подобную систему охлаждения может сделать каждый владелец 3D-принтера. Образец процессорного охладителя, о котором ниже пойдёт речь, специалисты Imec распечатали на 3D-принтере методом стереолитографии, когда вместо порошка для спекания лазером используются растворённые в жидкости полимеры.

Полимерный водоблок Imec с высочайшей эффектвиностью по отводу тепла (Imec)

Полимерный водоблок Imec с высочайшей эффективностью по отводу тепла (Imec)

По мнению Imec, современные термоинтерфейсы имеют массу ограничений и недостатков, что не позволяет эффективно и, главное, недорого отводить тепло от производительных процессоров и других сложных полупроводниковых приборов. Например, материалы для сопряжения теплораспределительной крышечки процессора и подошвы радиатора (в общем случае — это термопаста) имеют фиксированное тепловое сопротивление, и сами по себе увеличивают рабочую температуру процессора на 20–50 °C.

Прямое охлаждение теплораспределительной крышки или даже непосредственно кристалла тоже имеет свои недостатки. Современные реализации систем жидкостного охлаждения с прямым контактом, когда жидкость течёт вдоль охлаждаемой поверхности, неизбежно ведут к разнице температур на разных участках. Избежать этого можно только прямой «бомбардировкой» охлаждаемой поверхности одновременно по всей площади. В Imec предложили недорогой по реализации и действенный способ изготовить подобную охлаждающую систему на 3D-принтере из доступных материалов.

Структурная схема водоблока Imec с бомбардировкой нагретой поверхности струями хладагента (Imec)

Структурная схема водоблока Imec с бомбардировкой нагретой поверхности струями хладагента (Imec)

Принцип предложенной разработчиками Imec жидкостной системы охлаждения понятен по иллюстрации выше. Основание водоблока имеет систему впрыскивающих отверстий, окружённых несколькими отводящими хладагент отверстиями. Нагретая вода задерживается в камере охлаждения не дольше, чем впрыскивается охлаждённая. Система работает с достаточно низким давлением 0,3 бар и прокачивает хладагент со скоростью 1 литр в минуту. С подобной производительностью системы температура чипа выросла менее чем на 15 °C с рассеиванием теплового потока 100 Вт/см2. Данный результат признан разработчиками как впечатляющий по своей эффективности. С чем, собственно, не поспоришь. Осталось дождаться реакции компаний, специализирующихся на системах жидкостного охлаждения или брать дело в свои руки, благо 3D-принтеры сегодня это уже не роскошь, а средство для самореализации.

window-new
Soft
Hard
Тренды 🔥