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Come i transistor tridimensionali sono passati da Lab a Fab
Il nuovo design del transistor tridimensionale di Intel, annunciato all'inizio di questa settimana, è il culmine di oltre un decennio di lavoro di ricerca e sviluppo iniziato in un laboratorio dell'Università della California, a Berkeley, nel 1999.
Nel nuovo design di Intel, il canale in silicio è sollevato come un'aletta, in modo che il gate lo contatti da tre lati. (Grafico grande pagina successiva.)
I transistor a 22 nanometri, che secondo Intel renderanno i chip il 37% più veloci e la metà del consumo energetico, verranno utilizzati per ogni elemento dei chip su scala a 22 nanometri dell'azienda, inclusi i circuiti logici e di memoria. I processori che utilizzano i transistor tri-gate sono stati dimostrati nei sistemi funzionanti e l'azienda inizierà la produzione in serie nella seconda metà di quest'anno. Non è chiaro come i produttori di dispositivi trarranno vantaggio dai chip, ma è probabile che consentano una maggiore durata della batteria e una maggiore sofisticatezza per i dispositivi portatili, nonché un'elaborazione più rapida per desktop e server.
Intel si è rivolta al nuovo design perché i progetti esistenti hanno iniziato a scontrarsi con un ostacolo alle prestazioni. I transistor convenzionali sono costituiti da una struttura metallica chiamata gate montata sopra un canale piatto di silicio. La porta controlla il flusso di corrente attraverso il canale da un elettrodo di sorgente a un elettrodo di drenaggio. Con ogni generazione di chip, il canale è diventato sempre più piccolo, consentendo ad aziende come Intel di realizzare chip più veloci inserendo più transistor. Ma è diventato più difficile per il cancello interrompere completamente il flusso di corrente. Transistor che perdono, che non si spengono completamente, sprecano energia.
I transistor tri-gate utilizzano canali di silicio rettangolari che sporgono dalla superficie del chip, consentendo al gate di contattare il canale su tre lati, anziché su uno solo. Questo contatto più intimo significa che il gate può spegnere quasi completamente il transistor anche su una scala di 22 nanometri, che è responsabile dei guadagni di efficienza energetica nei nuovi chip Intel. È anche possibile realizzare transistor tri-gate con più di un canale di silicio collegato a ciascun gate per aumentare la quantità di corrente che può fluire attraverso ciascun transistor, consentendo prestazioni più elevate.
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Intel non ha inventato questo design a transistor, ma l'azienda è la prima a metterlo in produzione. Se l'azienda fosse rimasta bloccata con i transistor planari nel passaggio dai transistor da 32 a 22 nanometri, i chip avrebbero dimostrato un aumento del 20-30% in termini di efficienza e prestazioni, afferma l'analista del settore Linley Gwennap . Si era ipotizzato che l'azienda avrebbe utilizzato il nuovo design del transistor per gli elementi di memoria e non per la logica, e quindi non avrebbe eliminato completamente i transistor planari. Utilizzando la tecnologia tri-gate sia per la memoria che per la logica, afferma Gwennap, Intel sta davvero superando i limiti e sta vedendo un grande miglioramento delle prestazioni, che potrebbe essere un enorme vantaggio rispetto ai suoi concorrenti.
Salendo: In un transistor convenzionale (a sinistra) un gate montato in alto controlla il flusso di corrente elettrica attraverso un canale piatto di silicio sottostante. Nel nuovo design di Intel (a destra) il canale in silicio è sollevato come un'aletta, in modo che il gate lo contatti da tre lati. Ciò fornisce un maggiore controllo sul flusso di corrente attraverso il canale e riduce la dispersione di potenza.
Questi transistor tridimensionali sono stati immaginati e costruiti per la prima volta da tre ricercatori dell'Università della California, Berkeley, alla fine degli anni '90, in risposta a una richiesta dell'Agenzia per i progetti di ricerca avanzata della difesa degli Stati Uniti per progetti che consentissero ai transistor di scalare al di sotto di 25 nanometri, un ordine di grandezza inferiore a quelli in produzione all'epoca. Chenming Hu ha scritto le specifiche tecniche per il nuovo transistor durante un viaggio in aereo in Giappone nel 1996. Un gruppo di Berkeley composto da Hu, Jeffrey Bokor , e Tsu-Jae King Liu ha realizzato per la prima volta questi transistor, che hanno chiamato FinFET, nel 1999.
È stato un successo immediato, dice Hu. L'università ha scelto di rilasciare la proprietà intellettuale nel pubblico dominio invece di brevettarla; mentre i ricercatori di Berkeley continuavano a perfezionare i progetti, Hu ha presentato il lavoro a diverse aziende, inclusa Intel. Nel 2002, il FinFET e un secondo progetto Berkeley, noto come silicio su isolante, erano i dispositivi preferiti dal Roadmap tecnologica internazionale dei semiconduttori come le tecnologie che probabilmente soddisferanno le esigenze del settore nei prossimi 15 anni. Ma almeno in Intel, FinFET ha anticipato il secondo progetto, che si basa sull'aggiunta di uno strato molto sottile di silicio a un transistor. Fino a circa due anni fa, le aziende che producono wafer di silicio non erano in grado di rendere abbastanza sottile lo strato attivo. azienda francese Soitec ora può produrre i wafer necessari per questo design alternativo e Hu afferma che i concorrenti di Intel potrebbero ad un certo punto adottarlo.
Per portare il promettente design del dispositivo tridimensionale fuori dal laboratorio e metterlo in produzione ci sono voluti circa un decennio. Intel non ha rivelato molti dei dettagli su quali aggiornamenti fab sono necessari per realizzare i nuovi transistor, ma sulla base del fatto che apparentemente non sono necessari nuovi materiali o macchine e l'aumento marginale del costo di produzione del 2-3% promesso da l'azienda: i cambiamenti sembrano essere minori. L'azienda ha affermato che la realizzazione dei canali tridimensionali comporta solo un passaggio di incisione in più.
Hu afferma che i ricercatori di Berkeley hanno deciso fin dall'inizio che il loro nuovo design doveva essere compatibile con l'infrastruttura esistente del settore, e così è stato. L'ostacolo principale nel preparare la tecnologia per la produzione in serie, afferma Hu, era probabilmente l'affidabilità: tenere sotto controllo le dimensioni del canale molto sottile quando ne devono essere realizzati miliardi su ogni singolo wafer.
Hu afferma che il gruppo di Berkeley ha progettato questi transistor in modo da non richiedere ai progettisti di circuiti di riprogettare completamente le architetture dei chip. Questo è uno dei motivi per cui Intel può lanciare i prodotti così rapidamente. Il gruppo di Hu ha lavorato su strumenti di simulazione del circuito per i transistor tri-gate negli ultimi cinque anni.
Tuttavia, i progettisti di circuiti vedono nuove opportunità che potrebbero aprirsi con questi transistor. Offrono nuovi modi di mettere a punto il comportamento dei singoli gate, il che offre ai progettisti nuove manopole con cui giocare per migliorare ulteriormente l'efficienza energetica e l'affidabilità, afferma Subhasish Mitra , professore di ingegneria elettrica e informatica alla Stanford University. Vedere un transistor totalmente nuovo entrare in produzione in serie nell'arco di circa un decennio è un segnale incoraggiante che il settore non è stantio e che buone idee tecnologiche possono ancora farcela dai laboratori accademici, aggiunge Mitra.