Самые передовые чипы на рынке напоминают раскинувшиеся пригороды с транзисторами, расположенными подобно блокам домов на кремниевой плате. IBM пытается «сравнять с землей» все дома и заменить их многоквартирными домами.
Технологический гигант в декабре представил то, что он назвал полевым «транзистором с вертикальным транспортом» (Vertical-Transport Field-Effect Transistor), или VTFET, который, по заявлением компании, может удвоить скорость полевых транзисторов FinFET, которые доминировали на рынке микросхем в течение десятилетия. IBM заявила, что экономит место за счет размещения транзисторов перпендикулярно плоскости чипа, при этом ток течет вверх и вниз, а не каскадно проходит через транзисторы, расположенные на микросхеме бок о бок.
IBM упомянула, что новый транзистор откроет компаниям двери для дальнейшего внедрения транзисторов в чипы, лежащие в основе всего, от телефонов и ноутбуков до центров обработки данных. Непрерывное впихивание этих функций в кремниевые пластины, называемое законом Мура, десятилетиями было истинным принципом индустрии микросхем, что привело к созданию более компактных, быстрых и эффективных микросхем. Но темпы инженерных «подвигов» замедляются уже много лет.
IBM заявила, что VTFET может обеспечить вдвое большую производительность при том же уровне мощности, что и транзисторы FinFET, масштабированные для того же узла процесса, благодаря улучшенному электростатическому контролю и паразитным характеристикам. В качестве альтернативы, по словам IBM, он может поддерживать снижение мощности потерь на 85% по сравнению с FinFET на эквивалентной частоте.
Однако фирмам могут потребоваться годы, чтобы освоить инженерные и производственные достижения, лежащие в основе VTFET.
Исследования IBM
Раньше IBM была одним из самых передовых производителей чипов в мире, но несколько лет назад она начала передавать свое производство Samsung. Он остается центром исследований в области полупроводников и управляет крупным исследовательским центром в Олбани, штат Нью-Йорк, который производит тестовые партии микросхем, в том числе тестовые микросхемы VTFET. IBM заключила соглашение о совместной разработке с Samsung, которая сотрудничала с VTFET, чтобы использовать инновации IBM.
Компания планирует зарабатывать деньги, лицензируя технологию другим фирмам. Ранее в этом году генеральный директор Intel Пэт Гелсингер объявил о своей стратегии IBM 2.0, включая новое соглашение о партнерстве с IBM в области исследований.
VTFET — вторая заметная инновация IBM в области полупроводников за последние месяцы.
Ранее в прошлом году IBM представила, по ее словам, первый в мире чип, основанный на 2-нм технологии, который обещает быть меньше и быстрее, чем 5-нм чипы, используемые в телефонах высокого класса, таких как Apple iPhone 13. 2-нм чип содержит 50 миллиардов транзисторов, основанных на технологии нанолистов, или GAA, на площади 150 мм2, что обеспечивает плотность более 330 миллионов транзисторов на квадратный миллиметр.
Самые передовые процессоры содержат десятки миллиардов транзисторов, объединенных в логические элементы. Электроны перемещаются между компонентами, называемыми «исток» и «сток», образуя «канал», по которому проходит ток. Канал определяет, насколько быстро течет ток и размер тока утечки, что влияет на энергоэффективность. «Затвор» запускает и останавливает поток электронов, включая и выключая транзистор.
Транзисторы, используемые сегодня в самых передовых чипах, представляют собой FinFET. Кремниевое ребро в форме плавника помещено в транзисторе с огибающим его затвором, образующим каналы с трех сторон. Трехмерная форма ребра позволяет протекать большему току во время «включенного» состояния и уменьшению тока утечки, когда транзистор выключен. Это не только повышает скорость, но и снижает мощность, потребляемую микросхемой.
Вертикальные транзисторы
На протяжении десятилетий IBM и другие компании стремились втиснуть транзисторы во все меньшие и меньшие полупроводниковые корпуса, уменьшая шаг затвора и увеличивая размеры соединительных проводов между ними. Физическое пространство, в котором размещены все компоненты, называется контактным шагом затвора (contacted gate pitch CGP). Но поскольку самые продвинутые из этих коммутаторов теперь меньше вируса, им все еще не хватает места, чтобы втиснуть части в конечную область CGP.
IBM заявила, что с VTFET ребро внутри транзистора перевернуто так, что исток и сток расположены перпендикулярно затвору, что значительно улучшает масштабирование плотности. Транзисторы процессора должны оставаться изолированными друг от друга, чтобы уменьшить помехи. Производители чипов разделяют их, помещая между ними «изолирующие ворота». IBM заявила, что VTFET позволит избавиться от этих компонентов, оставив место на плате для размещения большего количества транзисторов.
Вертикальная ориентация означает, что затворы, расстояния и контакты устройства больше не ограничиваются одним и тем же образом, что дает компаниям больше свободы для точной настройки производительности транзистора и энергопотребления. IBM заявила, что компании могут изменить различные аспекты транзистора, чтобы улучшить ток возбуждения и утечки или контролировать емкость. IBM заявила, что VTFET также может использовать более крупные контакты истока и стока для увеличения текущей пропускной способности устройства.
IBM и Samsung возлагают большие надежды на исследование. Компании заявили, что транзисторы VTFET можно использовать в сверхэффективных чипах, которые могут продлить срок службы батареи смартфона более чем на неделю, а не на день.
«Сегодняшнее технологическое объявление бросает вызов условностям, — сказал Мукеш Кхаре, глава отдела полупроводниковых исследований IBM.
