Процессор 1 нм, что дальше

Обновлено: 02.05.2024

Не далее как в этом месяце IBM объявила о невероятном прорыве в производстве благодаря 2-нанометровому техпроцессу, в котором 50 миллиардов транзисторов втиснуты в размер ногтя. Хотя это все еще перспективная технология, которая еще не запущена в массовое производство (и, следовательно, пока не является решением для нашей нынешней нехватки микросхем), ее уже превзошли. Совместный исследовательский потенциал Массачусетского технологического института (MIT) и Тайваньской компании по производству полупроводников (TSMC) объявил о крупных прорывах в использовании некремниевых материалов для изготовления очень крошечных транзисторов (всего 1 нм).

MIT и TMSC опубликовали совместный документ с описанием нового набора материалов, которые можно использовать для создания однослойных (или двумерных) транзисторов. Те, у кого долгая память, помнят, что еще в 2011 году Intel представила свою технологию транзисторов 3D Tri-Gate, которая будет использоваться в ее 22-нанометровых процессорах. Intel поставляет 3D-транзисторы с 2012 года в линейке Core третьего поколения, известной как Ivy Bridge.

Использование третьего измерения — высоты — привело к значительному увеличению плотности транзисторов, уменьшению размеров кристаллов и производственных затрат по мере развития технологии. Другие производители, в том числе TSMC, сами пошли по пути 3D. Тем не менее, TSMC и MIT говорят, что коммутационные материалы позволят вернуться к традиционным 2D-транзисторам при согласовании плотности тока. Затем путем создания слоев этих 2D-транзисторов в чипе общая плотность увеличивается на коэффициент, соответствующий количеству слоев.

Большой кампус Массачусетского технологического института в Кембридже, Массачусетс

В совместном исследовательском документе, аннотацию к которому можно прочитать на веб-сайте Nature, описываются производственные проблемы, вызванные металлическими разрывами в проводимости при создании чипов. Используя постпереходный металл висмут и некоторые полупроводящие монослойные дихалькогениды переходных металлов, можно уменьшить размер зазоров, в результате чего 2D-транзисторы станут намного меньше, чем это было возможно ранее.

В результате TSMC и MIT заявили, что достигли нулевого барьера Шоттки, то есть достигли теоретического энергетического барьера для электронов, образующихся на полупроводниках. Это означает, что утечка мощности должна быть как можно меньше, что позволит увеличить скорость и повысить плотность. Команды также продемонстрировали низкоомные омические контакты с различными существующими полупроводниковыми материалами, включая дисульфид молибдена (MoS₂), дисульфид вольфрама (WS₂) и диселенид вольфрама ( WSe₂). Все эти соединения уже присутствуют в полупроводниках, поэтому нет необходимости искать дополнительные материалы.

Потенциально это огромный прорыв, поскольку технологию с несколькими затворами (которая включает в себя 3D-транзистор) сложно создать и возникают проблемы при уменьшении размеров элементов. Монослойные технологии пострадали от этих пробелов, вызванных металлом, но если их можно устранить, мы будем производить чипы, на которые опираются все наши технологии. Объединенные исследовательские группы не устанавливают график массового производства, но любые шаги в этом направлении, безусловно, приветствуются.

Майк Блейк / Рейтер

Забудьте о «SuperFin Enhanced», прежнем названии узла, на котором будут работать будущие 10-нанометровые процессоры Intel Alder Lake. Теперь этот узел называется просто «Intel 7», согласно пересмотренной дорожной карте компании. Но не думайте, что это означает, что Intel каким-то образом поставляет 7-нм процессор раньше — его долгожданный 7-нм чип «Rocket Lake» все еще не будет выпущен до 2023 года, а его узел был переименован в «Intel 4». Еще не запутались? Похоже, что Intel пытается присвоить новым продуктам новый номер, поэтому мы забудем, что она проигрывает войну транзисторов против AMD.

Но перспективы Intel более интересны, поскольку мы смотрим вперед к 2024 году, когда компания рассчитывает завершить разработку своих первых чипов с транзисторами размером менее 1 нанометра. Вместо этого они будут измеряться в ангстремах. Узел «Intel 20A» будет питаться от транзисторов «RibbonFET», первой новой архитектуры компании с момента появления FinFET в 2011 году. Он будет сочетаться с PowerVia, технологией, которая может переносить подачу питания на заднюю часть пластины чипа. что должно сделать передачу сигнала более эффективной.

«Опираясь на неоспоримое лидерство Intel в области усовершенствованной компоновки, мы ускоряем реализацию нашей инновационной программы, чтобы к 2025 году выйти на четкий путь к лидерству в производительности процессов, — заявил новый генеральный директор Intel Пэт Гелсингер (вверху) во время конференции Intel Accelerated». прямой эфир сегодня. «Мы используем наш беспрецедентный поток инноваций, чтобы донести технологический прогресс от транзистора до системного уровня. Пока периодическая таблица не будет исчерпана, мы будем неустанно следовать закону Мура и идти по пути инноваций с помощью магии кремния».

Однако до того, как наступит эра ангстремных чипов, компания также планирует выпустить процессор с узлом Intel 3 в 2023 году. Вы можете думать о нем как о сверхмощной версии своей 7-нм архитектуры с около производительность на 18 процентов больше, чем у Intel 4. Вероятно, он заполнит временной разрыв между чипами Rocket Lake в 2023 году и продуктами Intel 20A в 2024 году. Узел Intel 18A", который еще больше улучшит конструкцию RibbonFET.

Для потребителей эта дорожная карта означает, что в течение следующих пяти лет чипы будут становиться все быстрее и эффективнее. Во всяком случае, сегодняшние объявления показывают, что Intel пытается выйти за рамки 10-нм и 7-нм задержек, которые преследовали ее целую вечность.

Как мы уже говорили ранее, в конечном счете, для технологической отрасли будет хорошо, если Intel сможет наконец восстановить свои позиции. Его инвестиции в размере 20 миллиардов долларов в два производственных предприятия в Аризоне были явным признаком того, что Гелсингер стремится вывести компанию на новую территорию. Но теперь, когда установлен новый график, Intel будет оказывать еще большее давление, чтобы не упустить ситуацию еще раз.

Все продукты, рекомендованные Engadget, выбираются нашей редакционной группой независимо от нашей материнской компании. Некоторые из наших историй содержат партнерские ссылки. Если вы купите что-то по одной из этих ссылок, мы можем получить партнерскую комиссию.

Исследователи компании Microchip в очередной раз раздвинули границы закона Мура — наблюдения, сделанного изобретателем Гордоном Муром, согласно которому количество транзисторов в плотной интегральной схеме (ИС) удваивается примерно каждые два года.

Тайваньская компания по производству полупроводников (TSMC), крупнейший в мире производитель микросхем, и ее партнеры по исследованиям из Национального университета Тайваня (NTU) и Массачусетского технологического института (MIT) совместно совершили технологический прорыв в разработке 1-нанометровых (нм) стружки.

Инновационные полупроводниковые материалы.

Суть этой инновации заключается в использовании полуметалла висмута (Bi) вместо кремния в качестве основы для новых транзисторов для решения одной из самых больших проблем миниатюризации полупроводниковых устройств.

Согласно их исследованию, опубликованному в журнале Nature , открытие было впервые сделано командой Массачусетского технологического института, а TSMC оптимизировала процесс осаждения и усовершенствовала его отделом электротехники и оптометрии NTU. р>

При использовании висмута в качестве контактного электрода транзистора контактное сопротивление между металлическим электродом и монослойным полупроводниковым материалом может быть существенно снижено. «Легкий процесс осаждения» был достигнут с использованием системы литографии с использованием пучка ионов гелия (HIB).

Поток электрического тока также увеличивается, что позволяет технологии достичь энергоэффективности, близкой к существующим физическим ограничениям полупроводниковых микросхем.

Расширяя границы полупроводниковых технологий.

Всего несколько недель назад IBM анонсировала первый 2-нм чип, производительность которого увеличилась на 45%, а энергопотребление снизилось на 75%, хотя коммерческое производство, скорее всего, начнется через 2–3 года.

Сегодняшние технологии уже позволяют производить чипы до 3-нм масштаба, а производство TSMC должно начаться во второй половине 2022 года.

Этот технологический прорыв в узле с шагом 1 нм потенциально может выйти за рамки закона Мура. Это инженерное «эмпирическое правило» предсказывает, что количество транзисторов, которые можно разместить на микрочипе, будет удваиваться каждые пару лет, что примерно соответствует удвоению вычислительной мощности.

Когда 1-нанометровые узлы станут реальностью, возможно, пришло время выражать фотолитографические чипы в ангстремах (Å) и отказаться от текущей единицы длины, нанометров (1 Å = 0,1 нм), хотя этого будет достаточно только для десятилетие при нынешних темпах развития.

Все еще находится в зачаточном состоянии.

Несмотря на то, что это отличная новость, TSMC также пояснила, что их новый разработанный процесс может не использоваться в крупносерийном производстве в обозримом будущем.

Их 1-нанометровый узел в настоящее время находится на стадии поиска пути и исследований и разработок, и они экспериментируют с различными другими вариантами.Даже использование их нового материала висмута не гарантируется.

Но самое главное, одно можно сказать наверняка: это яркая демонстрация человеческих инноваций и служит хорошим предзнаменованием стремления компьютерной индустрии к большему количеству вычислений при меньшем энергопотреблении.

Как свидетельствует прогресс TSMC, ученые-микрочипы уже открывают новые горизонты в разработке узлов, близких к физическим пределам.

Ожидайте, что в недалеком будущем ваши электронные устройства будут оснащены микросхемами, превышающими 1 нм.

Поделиться этой публикацией

Митчел Лим

Митчел Лим — архитектор научного контента DUG. Имея докторскую степень в области химического машиностроения, Митч является экспертом в области катализа и ультразвука. Помешанный на науке, частично увлекающийся фитнесом, Митч стремится обеспечить эффективное и увлекательное научное общение, поскольку он считает, что легко усваиваемые научные взгляды могут оказать влияние на общество в целом и принести ему пользу.

Обновление от 21 мая 2020 г., 8:45 по тихоокеанскому времени. Компания TSMC обратилась с просьбой разъяснить, что результаты исследований не обязательно могут быть использованы в коммерческом производстве микросхем. Заявление гласит следующее:

Статья «Сверхнизкое контактное сопротивление между полуметаллом и однослойным полупроводником», опубликованная в журнале Nature, представляет собой захватывающее открытие для применения 2D-материалов к полупроводникам, но это не обязательно означает, что это исследование будет применяться TSMC в будущем. технологические узлы. TSMC поддержал работу, описанную в этой статье, выполненную исследователями из Массачусетского технологического института и Тайваньского национального университета, и это является прекрасным примером нашего сотрудничества с ведущими мировыми академическими учреждениями. Однако все технологии TSMC, выходящие за пределы 3-нанометрового техпроцесса, в настоящее время находятся на стадии поисковых или поисковых исследований».

Исходная статья:

Согласно публикации TSMC, NTU и MIT в журнале Nature (отмечено Verdict), Taiwan Semiconductor Manufacturing Co. (TSMC) и ее партнеры по исследованиям из Национального университета Тайваня (NTU) и Массачусетского технологического института (MIT) ) заявили, что они разработали материал, который будет использоваться для контактных электродов транзисторов с предстоящим процессом производства 1 нм.

Каждый новый технологический процесс ставит новые задачи, и в данном случае ключевыми проблемами являются поиск правильной структуры транзистора, а также правильных материалов для транзисторов. Между тем, транзисторные контакты, которые подают питание на транзисторы, имеют решающее значение для их работы. Дальнейшая миниатюризация полупроводниковых технологий увеличивает сопротивление на контактах, что ограничивает их производительность. Поэтому TSMC и другим производителям микросхем необходимо найти контактный материал с очень низким сопротивлением, способный передавать большие токи и пригодный для массового производства.

В публикации указывается, что использование полуметалла висмута (Bi) в качестве контактного электрода транзистора может значительно снизить сопротивление и увеличить ток. В настоящее время TSMC использует вольфрамовые межсоединения (изготовленные с использованием процесса селективного осаждения вольфрама), тогда как Intel использует кобальтовые межсоединения. У обоих есть свои преимущества, и оба требуют специальных заводских инструментов.

Чтобы использовать полуметаллический висмут (Bi) в качестве контактного электрода транзистора, исследователи должны были использовать систему литографии с помощью ионно-гелиевого луча (HIB) и разработать «легкий процесс осаждения». Этот «процесс» использовался только на производственной линии НИОКР, поэтому он не совсем готов для массового производства.

Сейчас 1-нанометровый узел TSMC находится в режиме поиска пути, и литейный цех экспериментирует с различными вариантами. Технологический процесс TSMC в 1 нм не будет использоваться для крупносерийного производства в ближайшие годы, и нет никаких гарантий, что полуметаллический висмут действительно будет использоваться вообще. Тем не менее очевидно, что TSMC уже работает над своей 1-нанометровой технологией.

Для всех вас, которых волнует их ширина, скажем, что на данном этапе эти компании не обозначают «1 нм» или даже «5 нм». Так уже не рассчитывают. Транзисторы на самом деле намного больше.

Про транзисторы никто ничего не писал.

"Размер" процессов определяется как неопределенный размер функции, который варьируется между производителями и долгое время не обязательно является наименьшей частью дизайна, а "функция" – это что-то вроде минимального шага трассировки к трассе. , ширина канала полевого транзистора, толщина изоляции затвора и т. д., а не целые транзисторы.

Это не меняет того факта, что при длине 1 нм большинство размеров действительно можно описать одноразрядным числом атомов.Мы почти подошли к моменту, когда атомный распад материалов, из которых сделаны процессоры, может стать достаточным, чтобы вызвать проблемы: мы не можем допустить, чтобы слишком много поперечных сечений ~25 атомов канала размером 1 нм2 превратились во что-то другое.

Нм относится к размеру определенных структур, используемых для изготовления транзисторов. К сожалению, каждая компания использует свою структуру в качестве эталона, поэтому вы не можете сравнивать количество нм между компаниями.
TSMC 12nm составляет около 29 миллионов транзисторов/мм^2
Intel 14 нм составляет около 35 MT/мм^2
TSMC 10nm составляет около 52 MT/мм^2
Intel 10nm примерно равен TSMC 7nm (оба около 100-110 МТ/мм^2).
TSMC 5 нм составляет около 173 МТ/мм^2.
Intel 7nm (если он когда-либо появится) оценивается примерно в 225-250 MT / мм^2,
TSMC 3nm должен быть на 70% выше, чем их 5nm, что будет около 290 МТ/мм ^ 2. Насколько я понимаю, атом кремния имеет диаметр около 0,132 нм. Таким образом, 1 мм ^ 2 = 7,5 млн х 7,5 млн атомов кремния. Или около 325 000 атомов (площадь поверхности) на транзистор. Или 570x570 атомов на транзистор, если бы они были квадратными (менее вероятно с учетом мертвого пространства между транзисторами).

Если вы сравните плотность транзисторов с процессором, соотношение близко к квадрату (но немного меньше). Таким образом, если вы подсчитаете, что 1 нм техпроцесс обеспечивает примерно 25 % линейной плотности по сравнению с 5 нм, то вы получите транзисторы размером примерно 140 x 140 атомов в поперечнике.

Про транзисторы никто ничего не писал.

Это не меняет того факта, что при длине 1 нм большинство размеров действительно можно описать одноразрядным числом атомов. Мы почти подошли к тому моменту, когда атомный распад материалов, из которых сделаны процессоры, может стать достаточным, чтобы вызвать проблемы: мы не можем позволить слишком большому количеству поперечного сечения ~25 атомов канала размером 1 нм2 превратиться во что-то другое.< /p>

Само по себе это не будет большой метрикой, поскольку ширина каналов полевого транзистора зависит от общего тока, который должен пройти полевой транзистор, который сам по себе может быть разделен между несколькими вертикально и горизонтально расположенными параллельными каналами, имеющими общий затвор. .

Если вы сравните плотность транзисторов с процессором, соотношение близко к квадрату (но немного меньше). Таким образом, если вы считаете, что 1-нм техпроцесс дает примерно 25% линейной плотности по сравнению с 5-нм техпроцессом, то вы получаете транзисторы размером около 140 x 140 атомов в поперечнике.

Я помню, как много лет назад читал, что длина волны меньше 3 нанометров невозможна, так как электрические токи начинают мешать друг другу.

Было ли это решено простой заменой сплавов? Или на самом деле это была только теоретическая проблема, а не проблема реального мира?

Читайте также: