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Realizzare un cablaggio che non inciampi nei chip del computer
Poiché i produttori di chip riducono in modo aggressivo i circuiti integrati per fornire una potenza di calcolo sempre maggiore, gran parte dell'attenzione si è concentrata sul miglioramento dei transistor. Ma le prestazioni sono state limitate anche dal cablaggio in rame che trasporta le informazioni attorno ai chip.
Oggi, al Semicon West conferenza a San Francisco, produttore di apparecchiature per semiconduttori Materiali applicati ha annunciato uno strumento che si dice risolve una parte di questo problema creando fili di chip che hanno meno errori. Gli osservatori del settore affermano che la nuova tecnologia potrebbe evitare costosi problemi di produzione a breve termine.
I transistor sono migliorati man mano che sono diventati più piccoli e i fili di rame sono peggiorati, afferma Robert Geer , professore di scienza su nanoscala presso la State University di New York ad Albany. Man mano che questi fili, detti anche interconnessioni, si assottigliano, la loro resistenza elettrica aumenta. I fili che trasportano i segnali attorno ai circuiti integrati all'avanguardia sono ora le principali fonti di assorbimento di potenza, accumulo di calore e ritardi del segnale.
Poiché le interconnessioni si sono ridotte, sono diventate anche più difficili da costruire. È questo problema di produzione che le nuove macchine di Applied Materials promettono di affrontare. I chip per computer più potenti di oggi sono pieni di miliardi di transistor da 20 nanometri. Impilati sopra i transistor ci sono decine di strati isolanti filettati con cavi di rame. Nel loro punto più piccolo, dove i fili si collegano ai transistor, anche questi fili sono di circa 20 nanometri.
Questi fili sono costruiti uno strato alla volta depositando rame in fori cilindrici nello strato isolante. Mentre il rame si sposta nei fori piccoli ma profondi necessari per la prossima generazione di chip, tendono a formarsi piccole bolle, un difetto catastrofico.
I chip di oggi contengono circa 100 chilometri di cablaggio in rame, quindi il potenziale di errore è enorme. E se uno di questi fili non funziona a causa di un errore in uno strato, qualcosa che è impossibile rilevare finché il chip non è completato e testato, il chip deve essere buttato via. Piccoli errori hanno un grande prezzo: i difetti al ritmo di uno per miliardo portano a un calo del 25% della resa, afferma Sree Kesapragada, responsabile globale dei prodotti per i prodotti di deposizione dei metalli di Applied Materials.
La società afferma che la sua nuova macchina per la deposizione del rame, chiamata Endura Amber, può realizzare interconnessioni in rame più piccole di 10 nanometri senza influire sulla resa. Come le macchine precedenti, utilizza un processo chiamato deposizione fisica da vapore ionizzato per rivestire il chip con uno strato di rame. La novità è che la macchina quindi riscalda il chip in modo che il rame fluisca nel foro, riducendo la probabilità di difetti. Eseguire le fasi di deposizione e riscaldamento nella stessa camera non è banale ed era qualcosa che gli ingegneri dell'azienda inizialmente consideravano un'idea pazzesca, afferma Kevin Moraes, che gestisce i prodotti di deposizione dei metalli di Applied Materials.
Questa idea stravagante potrebbe aiutare i produttori a utilizzare l'infrastruttura esistente per la produzione di chip per la prossima generazione di chip. Ma non risolverà il problema più grande: il fatto che i fili di rame più piccoli causano grossi problemi di prestazioni. Ogni progresso incrementale evidenzia il fatto che devi lavorare su queste grandi soluzioni in modo da poter stare al passo con gli enormi miglioramenti nelle prestazioni di elaborazione a cui siamo abituati, afferma Geer.
La soluzione che causerebbe il minimo disturbo all'infrastruttura di produzione dei chip sarebbe quella di trovare un altro metallo che rimanga conduttivo anche se trasformato in fili molto sottili e che non si riscaldi tanto quanto il rame, afferma Jonathan Candelaria, direttore delle scienze di interconnessione al Società di ricerca sui semiconduttori . I ricercatori stanno esaminando varie leghe, tungsteno o la possibilità di tornare all'alluminio, il materiale di interconnessione preferito fino a circa 20 anni fa.
Per un po', i ricercatori hanno riposto grandi speranze in nuovi nanomateriali di carbonio, incluso il grafene. Parte del problema con il rame è che gli elettroni disperdono le imperfezioni nel materiale. I nanotubi e il grafene, al contrario, forniscono una navigazione tranquilla per gli elettroni. Ma i ricercatori stanno ancora imparando a lavorare con questi materiali. Quindi Geer sta cercando di sviluppare nuovi modi di strutturare i metalli convenzionali in modo che, come i nanotubi e il grafene, conducano senza dispersione. Saroj Nayak , professore di fisica al Rensselaer Polytechnic Institute di Troy, New York, sta anche lavorando a trucchi per migliorare i conduttori metallici. Sta sviluppando nuovi materiali isolanti che mettono a dura prova il cablaggio metallico per migliorare la conduttività.
Ma non è chiaro quale di queste soluzioni, se presente, funzionerà. Applied Materials non commenta ciò per cui è preparato oltre il rame. Questa incertezza è un grosso problema, afferma Candelaria, perché in genere occorrono dai sette ai dieci anni per incorporare un nuovo materiale nella produzione di semiconduttori. Nel frattempo, i problemi di prestazioni del rame diventeranno insormontabili in 5-10 anni. Possiamo vedere questo muro di mattoni rossi del destino imminente più avanti, dice Candelaria.