«Медная» технология CMOS 7S, разработанная в IBM, позволила интегрировать на микросхеме шесть слоев «проводов» и уменьшить размер элементов до 0,20 мкм
Последние достижения микропроцессорных технологий, краеугольного камня компьютерной индустрии, заставляют нас вновь пересмотреть свой взгляд на организацию доступа и использование информации.

Миниатюрные специализированные процессоры, встраиваемые в карманные устройства, значительно уменьшат потребность в настольных ПК. Постоянное уменьшение соотношения цена/производительность создает условия для радикального изменения самой существующей модели ведения бизнеса.

Возьмем, к примеру, персональные компьютеры. Если нынешние темпы снижения цен на них сохранятся, то уже спустя год компьютеры можно будет приобрести чуть ли не бесплатно. Такой прогноз принадлежит главе корпорации National Semiconductor Брайану Халла.

Динамика цен поражает воображение.

Если в июле 1996 года стоимость процессора Pentium/200 МГц составляла 500 долл., то в ноябре 1998-го его уже можно было купить дешевле 100 долл.

В то время как цены на ранее выпущенные процессоры стремительно падают, новые модели продолжают столь же быстро совершенствоваться.

К осени 1999 года ПК массовых моделей (как мобильные, так и настольные) будут оснащаться процессорами, работающими с тактовой частотой свыше 600 МГц. Кроме того, эти процессоры будут обладать расширенной системой команд (3DNow! или Katmai New Instructions), что позволит значительно ускорить обработку графики.

Снизится потребляемая мощность. Использование всего лишь одного технологического новшества («кремний на изоляторе» - SOI, silicon-on-insulator) даст возможность повысить производительность на 35% или увеличить время непрерывной работы от батарей на 50%.

Уменьшение размеров транзисторов ведет к повышению их быстродействия и сокращению потребляемой мощности. Себестоимость производства снижается за счет экономии дорогостоящих материалов и увеличения числа транзисторов, размещаемых на кристалле.

Компактнее, быстрее, дешевле. Этот девиз как нельзя лучше характеризует современную полупроводниковую индустрию. Сегодня 3Com выпускает карманные ПК, которые опережают по производительности вчерашние мэйнфреймы. Недорогие беспроводные телефоны работают на частотах порядка 1 ГГц, когда-то резервировавшихся для военных. ПК уже можно купить дешевле 500 долл.

Но все это будет продолжаться лишь в том случае, если закон Мура по-прежнему будет исправно работать. Для сохранения темпов роста быстродействия оборудования при одновременном падении его стоимости необходимо, чтобы в соответствии с законом скорость процессоров удваивалась каждые 18 месяцев.

В то время как пессимисты предрекают скорый крах закона Мура, создатели микропроцессоров делают все, чтобы совершенствование технологий шло теми же темпами.

Важнейшей движущей силой полупроводниковой и всех смежных отраслей в последние пятьдесят лет стала постоянная миниатюризация - уменьшение размеров транзисторов. В результате «сжатия» компьютеры и иные электронные устройства стали компактнее, легче, дешевле и проще в использовании.

Величина транзисторов, выполненных по технологии КМОП (комплиментарные металл-оксидные полупроводники), в персональных компьютерах, выпущенных IBM в 1983 году, составляла 10 мкм. Сегодня их характерный размер - 0,25 мкм. За это же время тактовая частота процессоров возросла более чем в 50 раз, а плотность транзисторов на кристалле увеличилась в 20 раз.

«Полупроводниковая индустрия обладает уникальной способностью поддерживать очень высокие темпы технологического развития на протяжении долгого периода времени,- отмечается в отчете Ассоциации производителей полупроводников (SIA). - Это позволяет производителям из года в год снижать цены на свои продукты, одновременно увеличивая их быстродействие и расширяя функциональность».

Но бесконечное увеличение скорости вряд ли возможно, ведь существуют чисто физические ограничения. Судя по всему, пороговое значение находится на рубеже 0,1 мкм (100 нм), который, по прогнозам SIA, может быть достигнут к 2006 году.

Тем не менее сотни исследователей, представляющих самые различные организации, упорно трудятся, пытаясь преодолеть технологические барьеры.

Одним из методов совершенствования производства интегральных схем стала оптическая литография.

«Предполагается, что дальнейшее развитие этой технологии позволит полупроводниковой отрасли освоить выпуск 0,1-микронных электронных устройств, - подчеркнул сотрудник лаборатории Advanced Lithography Labs корпорации Intel Джон Бьоркхольм. - Однако к 2005 году понадобятся методы литографии следующего поколения».

На смену оптической литографии придет литография крайней области ультрафиолетового спектра (extreme ultraviolet, EUV), использующая для «печати» микросхем излучение с длиной волны от 10 до 14 нм. Эту технологию развивает корпорация Intel.

Компании Bell Labs и Lucent Technologies называют предложенный ими метод электронной литографией с ограничением угла проекции (Scattering with Angular Limitation Projection Electron Lithography), или просто «скальпелем» (SCALPEL).

Актуальность новых методов литографии становится все очевиднее по мере приближения размеров элементов процессоров к длине волны, используемой при изготовлении микросхем.

Транзисторы с каждым годом становятся все компактнее и быстрее. В связи с этим задержка, возникающая при передаче сигнала от одного транзистора к другому, начинает играть роль сдерживающего фактора. Преодолеть эту проблему поможет замена алюминиевой разводки, соединяющей отдельные транзисторы, на медную.

«Медная» технология CMOS 7S, разработанная в IBM, позволила интегрировать на микросхеме шесть слоев «проводов» и уменьшить размер элементов до 0,20 мкм. На микросхеме CMOS 7S можно разместить 12 млн. вентилей или 150-200 млн. транзисторов. В теории это позволит IBM втиснуть в одну микросхему две дюжины процессоров, по сложности не уступающих Merced.

Но самого по себе перехода на медные материалы недостаточно. Инженеры из Texas Instruments предложили совместно с медью использовать экспериментальный изолирующий материал, названный ксерогелем (xerogel). При этом в кремнии прорезается желобок, в который помещаются ксерогель и медь. В таких микросхемах задержка при установлении взаимодействия значительно уменьшается.

Идет также поиск более «быстрого» кремния и создание альтернативных материалов. Правда, до последнего времени авторам подобных исследований не удавалось продвинуться дальше создания небольших интегральных схем: простых инверторов, вентилей и линейных драйверов. Однако корпорация IBM усовершенствовала предложенные ранее решения, и теперь на их основе можно строить полнофункциональные серийные микропроцессоры.

Инженерам IBM принадлежит и первая коммерческая реализация технологии «кремний на изоляторе» (silicon-on-insulator, SOI). Микросхемы SOI представляют собой тонкий слой кремния на изолирующей подложке, в качестве которой обычно используется оксид кремния (стекло). В верхнем слое размещаются транзисторы. Помимо IBM развитием аналогичной технологии занимается компания RCA Solid State. В RCA, где отдают предпочтение сапфировой подложке (silicon-on-sapphire, SOS), также сумели добиться неплохих результатов.

Традиционная архитектура КМОП также не стоит на месте. Может быть, именно поэтому популярность SOI ограничена пока лишь узким кругом ее поклонников. В то время как разработчики SOI совершенствовали свой метод, применявшиеся при создании КМОП-процессоров «обычные» технологии успели шагнуть далеко вперед.

Впрочем, SOI обеспечивает значительное снижение потребления энергии (в 1,7-3 раза по сравнению с КМОП-микросхемами) и привлекает самое пристальное внимание производителей карманных устройств, питающихся от батарей. При этом быстродействие увеличивается на 25-35%. Таким образом, выйти на уровень производительности, присущий КМОП, можно на два года раньше.

В IBM рассчитывают, что SOI полностью вытеснит традиционные КМОП-устройства из сферы производства серийных микропроцессоров и микросхем с низким энергопотреблением для мобильных устройств. Корпорация собирается начать поставки устройств SOI в 1999 году.

Растущий спрос на недорогие беспроводные коммуникационные устройства (в частности, на сотовые телефоны, пейджеры и карманные ПК) стал главным стимулом к созданию на базе соединения кремния и германия (SiGe) серийных микросхем с повышенной производительностью. CommQuest Technologies, дочернее предприятие корпорации IBM, использует технологию SiGe в своих беспроводных телефонах.

Соединение кремния и германия также используется в IBM при производстве мэйнфреймов, в котором ранее применялся дорогой арсенид галлия (GaAs). В ближайшее время корпорация планирует перейти от опытного к серийному производству на основе технологии SiGe.

К вопросу об упаковке. Любой микропроцессор необходимо поместить в корпус, который и будут использовать сборщики ПК. В корпусе предусматриваются специальные контакты для соединения с другими компонентами компьютера. Традиционно для вывода контактов на корпус использовалась тонкая золотая проводка.

Эта требующая большого ручного труда, ненадежная и дорогостоящая технология является узким местом в работе по снижению цен на интегральные схемы. Альтернативным вариантом может быть процесс Controlled Collapse Chip Connection (C4), разработанный IBM еще в начале 60-х. В настоящее время эта технология (сейчас для ее обозначения используют термин «перевернутый кристалл») применяется в IBM Microelectronics при производстве процессоров PowerPC и специализированных интегральных схем. AMD использует методы C4 при изготовлении процессоров K6. Эту же технологию Intel планирует внедрить в 1999 году в производство новых моделей Pentium II.

Непрерывное совершенствование технологий конкурентами не позволяет производителям расслабляться и заставляет их бросать все свои силы в битву за более дешевые и быстрые микропроцессоры.


Вечное движение к совершенству

Ассоциация производителей полупроводников (SIA) опубликовала свой прогноз, который призван помочь разработчикам полупроводниковых устройств в нужное время оказаться со своей продукцией в нужном месте. Правда, опыт показывает, что предсказания сбываются далеко не всегда. Поэтому следует учитывать, что изложенные в этом документе предположения представляют собой лишь частную точку зрения.

 1997199920012003200620092012
Техпроцесс, мкм0,250,180,150,130,10,070,05
Диаметр подложки, мм200300300300300450450
Число слоев внутрисхемных соединений (память)2-33333-444
Число слоев внутрисхемных соединений (логика)66-7777-88-99
Емкость микросхем памяти DRAM, Гбит0,2561141664256
Число транзисторов на 1 кв. см, млн.4610183984180
Максимальная тактовая частота, МГц60095815701768207525743081
Максимальное число контактов1089149318242228300840605480

Источник: Ассоциация производителей полупроводников


Факторы торможения

Препятствия, возникающие на пути повышения пропускной способности соединений, превращаются в настоящее бедствие компьютерной индустрии, сводя на нет все усилия производителей, направленные на увеличение быстродействия своих устройств. Всего несколько лет назад пропускная способность канала, связывающего жесткий диск с оперативной памятью, полностью отвечала потребностям компьютерных систем, но с тех пор быстродействие оперативной памяти и жесткого диска значительно выросло, и сегодня необходимы более высокоскоростные соединения.

То же самое можно сказать и об остальных компонентах. Стремительные темпы совершенствования процессоров привели к тому, что быстродействие памяти оказывается сегодня недостаточным. Чтобы преодолеть эти ограничения, разработчики предложили целый ряд новых технологий: Direct Rambus DRAM, double data-rate DRAM, synchronous DRAM, Enhanced DRAM. Корпорация Intel первой объявила о поддержке данных решений, чуть позже ее примеру последовали и другие производители микропроцессоров.

Существуют и альтернативные архитектуры памяти (например, разработанная NEC технология Virtual Channel memory), обеспечивающие увеличение пропускной способности.

Для повышения эффективности графических приложений можно использовать параллельные интерфейсы между графической подсистемой и локальной памятью. Графические ускорители, к примеру, могут пересылать информацию по 128-разрядным или еще более «широким» шинам.

Справившись с одним узким местом, разработчики тут же вынуждены переключаться на устранение другого. Пропускная способность каналов между графическими платами и процессором явно не могла удовлетворить потребности современных приложений. В результате в компьютерах появилась архитектура Accelerated Graphics Port (сегодня имеются варианты с однократной и двукратной скоростью передачи для массовых ПК, а также профессиональная версия для графических рабочих станций, обеспечивающая четырехкратное увеличение).

Наборы микросхем системных плат поддерживают интерфейсы Universal Serial Bus и IEEE-1394, обладающие гораздо более высокой производительностью по сравнению с классическими последовательными и параллельными портами.

Предлагаются специализированные процессоры ввода/вывода, позволяющие снять часть нагрузки с центрального процессора. Интеллектуальные средства ввода/вывода ускоряют работу серверов, реализуя прямой обмен данными между периферийными устройствами.

Производители не обходят вниманием и сетевые технологии. Переход от сетей со скоростью передачи 10 Мбит/с к сетям с пропускной способностью 100 Мбит/с и 1 Гбит/с приводит к расширению предложения соответствующих сетевых плат и к снижению цен на них.

В области средств связи наметилось движение к стандарту цифровых абонентских линий (Digital Subscriber Line), который позволит сотрудникам небольших офисов и домашним пользователям ускорить доступ к Internet. Широкое распространение получают также компактные, быстрые и дешевые микросхемы для сотовых и иных телефонов.

Поделитесь материалом с коллегами и друзьями