Ведущие производители микросхем переходят с 0,13-микронной на 0,09-микронную технологию
Сокращение нормы проектирования до 90 нм позволит уменьшить толщину самих проводов и транзисторных вентилей. Элементы таких микросхем могут быть еще меньше — размер некоторых мельчайших структур на самых современных процессорах Intel не превышает 45 нм

Сорок нанометров — это меньше толщины человеческого волоса. Именно такое расстояние намерены в ближайшее время «преодолеть» производители полупроводниковых устройств. Годы исследований и миллионы долларов потрачены на оборудование и технологии, которые позволят разместить на кремниевом чипе больше транзисторов или уменьшить размеры мощных процессоров.

Год близится к концу, и Intel, IBM, Texas Instruments и другие компании готовятся к выпуску своих первых процессоров, созданных на основе технологии с нормой проектирования 90 нм.

Сейчас большинство из них создает микросхемы с нормой проектирования 0,13 мкм, используя стандартные технологии КМОП. Как заметил редактор бюллетеня Microprocessor Report Кевин Крюэлл, сокращение нормы проектирования до 0,09 мкм (или 90 нм) позволит уменьшить толщину самих проводов и транзисторных вентилей. Ристо Пухакка, вице-президент компании VLSI Research, подчеркнул, что элементы таких микросхем могут быть еще меньше.

Нанометры и новые технологии

Одним из главных преимуществ новых технологий станет возможность уменьшить размер вентилей. Более узкие вентили смогут быстрее переключаться с позиции «включено» в позицию «выключено», увеличивая тем самым тактовую частоту. Уменьшение размеров вентилей не только приведет к ускорению передачи сигнала, но и даст компаниям возможность размещать на кремниевой подложке большее количество микросхем.

Однако чем меньше вентили и тоньше провода, тем острее стоит вопрос об «утечке тока». Эти структуры на процессоре настолько малы и тонки, что электроны могут «рассеиваться» с поверхности проводов и вентилей, когда микросхема находится в режиме ожидания. В статическом состоянии электроны могут проникать через стенки чипа, созданного на основе технологий с меньшей нормой проектирования.

Некоторые пытаются решить эту проблему с помощью технологии, получившей название «кремний на изоляторе» (Silicon On Insulator, SOI). Во время производственного процесса на кремниевую подложку наносится тонкий слой оксида, который выступает в роли изолирующего материала, удерживающего электроны в структуре чипа. Дэн Маккарон, ведущий аналитик компании Mercury Research, считает, что SOI — ключевое усовершенствование, которое позволяет создавать более быстрые микросхемы, потребляющие меньше энергии.

Сейчас эту технологию используют компании IBM и AMD, которые планируют применять ее и при производстве процессоров с нормой проектирования 90 нм. То же самое относится и к Motorola. Уже в четвертом квартале компания собирается представить опытные экземпляры таких устройств, а в 2004 году предполагается начать их массовое производство. IBM уже выпустила опытные экземпляры микросхем с нормой проектирования 90 нм и намерена начать производство этих устройств в четвертом квартале этого года. Созданные на основе 90-нанометровой технологии процессоры AMD, согласно информации, опубликованной на Web-сайте компании, появятся не раньше середины 2004 года.

Intel применяет в своих процессорах с нормой проектирования 90 нм технологию т. н. «растянутого кремния» (strained silicon), предусматривающую нанесение слоя кремний-германиевого сплава на слой кремния. Атомы двух веществ стремятся выравняться относительно друг друга, благодаря чему кристаллическая решетка кремния растягивается и открывает больше места для движения электронов без увеличения скорости или энергии, потребляемой процессором.

В конце концов Intel будет использовать SOI, но пока, как заметил Пухакка, не делает этого по причинам экономического характера. Intel предпочла не использовать SOI в процессорах нынешнего поколения из-за сомнений в том, оправдают ли преимущества в производительности, которые должна дать эта технология, вложенные в нее инвестиции. Однако это вовсе не означает, что Intel навсегда отказалась от SOI. Пухакка считает, что новые материалы, используемые на «уровне» 90 нм, помогут разработчикам микросхем достичь новых высот в производительности при имеющемся уровне энергопотребления, хотя все далеко не безоблачно.

Всякий раз, когда в производство начинают внедрять новые методики (диэлектрики с низким коэффициентом проводимости, SOI, «растянутый кремний» и т. д.), могут возникать непредвиденные осложнения. Так, к примеру, произошло сразу с несколькими производителями микросхем, когда они попытались использовать медные соединения при создании процессоров с нормой проектирования 0,13 мкм.

На подступах к рубежу

Texas Instruments с января предлагает опытные версии созданного на базе технологии 90 нм процессора для высокоскоростных беспроводных соединений и рассчитывает к концу года начать его массовое производство. Компания сосредоточила свои усилия на том, чтобы извлечь максимальную производительность, которой позволяет добиться технология КМОП, и не использует каких-либо новых технологий, таких как SOI или «растянутый кремний».

Строительство производственных мощностей — дело нелегкое. Затраты на исследования и оборудование, необходимое для новой технологии производства, могут вылиться в миллиарды долларов.

Многие компании предпочитают сокращать свои затраты за счет переноса производства своих микросхем в третьи страны или налаживая сотрудничество с другими производителями. Так, AMD подписала технологическое соглашение с IBM о совместной разработке новых технологий производства микросхем, позволяющих установить норму проектирования ниже 90 нм.

Sun Microsystems в сотрудничестве с Texas Instruments переводит производство процессоров UltraSPARC на технологию с нормой проектирования 90 нм. Тайваньские компании TSMC и UMC также готовятся к внедрению на своих фабриках технологии с нормой проектирования 90 нм. UMC недавно заключила соглашение с компанией Xilinx, которая будет использовать 90-нанометровую технологию UMC при выпуске своих ИС программируемой логики.

Пользователи TSMC уже получили опытные экземпляры подобных микросхем, массовое их производство компания намерена начать в первом квартале 2004 года. Пухакка считает, что перейти с нормы проектирования 130 нм на 90 нм компаниям, по всей вероятности, будет значительно легче, чем это было при переходе с 180 нм на 130 нм.

Поделитесь материалом с коллегами и друзьями