Курсовая работа: Микропроцессоры
Нa Форуме Intel для разработчиков, прошедшем весной прошлого года, главный технический директор корпорации Intel Гелсингер заявил: «Наша задача состоит сегодня не только в том, чтобы продлить жизнь закона Мура, но и в том, чтобы максимально расширить сферу его действия, распространив его и на другие области».
Первоначально прогноз Мура был просто наблюдением за тем, как развивается индустрия микропроцессоров, этаким эмпирическим постулатом. Однако через несколько лет он стал руководящим принципом развития для всей отрасли, а теперь иначе как законом его никто и не называет. Однако, несмотря на то, что закон Мура оправдывает себя вот уже в течение почти что сорока лет, многие довольно скептически относятся к тому, что он будет действовать и в дальнейшем.
С приводимыми ими доводами трудно не согласиться. Действительно, уже сейчас микросхемы производятся по 0,13 - микронному технологическому процессу, а толщина затвора транзистора составляет всего 60 нм. Но ведь не может же уменьшение размеров транзисторов происходить до бесконечности, хотя бы в силу дискретности самой природы! Вопрос ставится так: а что будет, когда размеры затворов транзисторов достигнут атомарных слоев? Вопрос, конечно, интересный, но ответить на него в ближайшее десятилетие вряд ли кто-нибудь сможет. Впрочем, до атомарных размеров транзисторов еще далеко. Если же говорить о перспективе дальнейшего совершенствования полупроводниковой электроники в соответствии с законом Мура на ближайшие лет тридцать, то можно утверждать, что предсказанное экспоненциальное возрастание числа транзисторов на одной микросхеме сохранится.
На весеннем Форуме Intel для разработчиков главный технический директор корпорации Intel Патрик Гелсингер поделился своими соображениями в отношении закона Мура: «Честно говоря, я часто спрашивал себя, когда же закончится действие закона Мура? Сколько мы еще сможем пользоваться его плодами? В 1980 году, когда я пришел в Intel, мы ломали головы над тем, как достичь технологической нормы производства микропроцессоров в один микрон. В 90-е годы перед нами уже стояла задача внедрить технологическую норму в одну десятую микрона, и опять она казалась нам недостижимой. А сегодня мы думаем о том, как преодолеть барьер в одну сотую микрона. Могу пообещать вам, что до моей пенсии (то есть в течение последующей четверти века) закон Мура будет действовать. Я уверен, что еще не одно десятилетие он будет руководящим принципом развития отрасли».
Итак, в корпорации Intel считают, что в обозримой перспективе закон Мура продолжит действовать. Впрочем, чтобы сохранить экспоненциальный рост числа транзисторов на одной микросхеме завтра, необходимо уже сегодня задумываться о новых технологиях.
Соблюдение закона Мура и реализация его предсказаний требует снижения проектной нормы — уменьшения номинального размера элементов, из которых состоит интегральная схема. За последнее десятилетие корпорация Intel уменьшила проектную норму на порядок — с одного микрона (примерно одной сотой толщины человеческого волоса) до менее чем 100 нанометров (нм), то есть до уровня, отвечающего нанотехнологиям. В предстоящее десятилетие проектная норма технологических процессов вплотную подойдет к физическим пределам, обусловленным атомной структурой, что приведет к новым проблемам, связанным с энергопотреблением, тепловыделением и поведением атомных частиц. Компания Intel уже продемонстрировала транзисторы, содержащие элементы толщиной всего в три атома.
Чтобы продолжить действие закона Мура, исследователи Intel активно занимаются поиском и устранением различных барьеров, препятствующих дальнейшему уменьшению размеров элементов. Так, если сегодня для нанесения сложнейших рисунков, формирующих электронные схемы на полупроводниковой пластине, используется 130-нм литографическая технология, позволяющая получать транзисторы с длиной затвора 60 нм и шесть слоев медных соединений, то уже в этом году в массовое производство будет внедрен новый 90-нанометровый технологический процесс. Новый технологический процесс, представленный корпорацией Intel в августе минувшего года, предусматривает использование семи слоев медных соединений и включает целый ряд уникальных технологий. Во-первых, в нем применяются самые маленькие в мире серийно производимые КМОП - транзисторы с длиной затвора всего 50 нм. Во-вторых, это самый тонкий оксидный слой затвора среди всех когда-либо применявшихся в производстве — его толщина составляет 1,2 нм (менее пяти атомных слоев).
Несколько позже будет внедрена в массовое производство революционная литографическая технология, находящаяся сегодня на стадии разработки. Известно, что возможности сегодняшней литографии уже практически исчерпали себя. Действительно, литография — это процесс, при котором лазер световым пучком выжигает на пластине проводники для будущего процессора, при этом луч надо очень точно сфокусировать. Проводники в процессорах становятся все тоньше, и, чтобы точно вырезать тонкие проводники, длина волны луча света должна быть в несколько раз меньше ширины проводника. Стало быть, длина волны света постепенно уходит из видимого диапазона и перемещается в диапазон более коротких ультрафиолетовых волн. Новая технология литографии, получившая название EUV-литографии (Extreme Ultraviolet — сверхжесткое ультрафиолетовое излучение), основана на использовании ультрафиолетового излучения, что позволяет формировать рисунки с толщиной линий менее 50 нм. Здесь главная сложность заключается в том, что ультрафиолетовый свет поглощается стеклом, и никакие линзы и призмы для его точной фокусировки уже не годятся — необходимы совершенно новая техника и технология.
В 2001 году компания Intel представила первые фотомаски стандартного отраслевого формата для EUV-литографии. С помощью разработанного ею процесса формирования рисунка удалось получить линии шириной на 30% меньше, чем для самых совершенных масок, применяемых сегодня в производстве. Корпорация Intel планирует выпустить первые процессоры с использованием EUV-технологии во второй половине нынешнего десятилетия.
Описанные новые технологии относятся к ближайшему будущему, однако уже сейчас разрабатываются технологии, рассчитанные и на более далекую перспективу. Так, в июне 2001 года корпорация Intel объявила, что ее специалисты разработали транзисторы, содержащие структуры размером всего 20 нм. Эти новые транзисторы имеют на 30% меньшие размеры и на 25% большее быстродействие, чем созданные всего годом ранее. К концу того же года Intel преодолела еще один рубеж, изготовив самые маленькие в мире транзисторы с длиной затвора 15 нм. Именно такие крошечные транзисторы потребуются для серийных процессоров к концу текущего десятилетия.
По мере уменьшения размеров транзисторов, увеличения плотности их размещения на подложке и повышения быстродействия компонентов потенциальными ограничительными факторами для реализации закона Мура могут стать энергопотребление и тепловыделение. Чтобы решить проблему тепловыделения, специалисты Intel исследуют как новые структуры, например транзисторы с тремя затворами, так и новые материалы, в частности напряженный кремний, позволяющие увеличить производительность при одновременном повышении эффективности использования энергии. Возможно, лучший пример — это представленный Intel в ноябре 2001 года транзистор с рабочей частотой 1 терагерц.
Этот ключевой проект корпорации направлен на создание микроскопических «переключателей», которые меньше и быстрее существующих. В основе терагерцевого транзистора лежит несколько совершенно новых технологий. Первая — это новый диэлектрический материал с гораздо более высокими изолирующими свойствами (с более высокой диэлектрической проницаемостью); вторая — затворы, с помощью которых снижается ток утечки. Разработанные для этого нового транзистора элементы конструкции планируется использовать в серийной продукции Intel во второй половине текущего десятилетия.
Еще одной перспективной технологией, позволяющей устранить ограничения по росту тактовой частоты современных микросхем, является новая технология изготовления корпусов. В современных микросхемах полупроводниковые кристаллы соединяют с корпусом с помощью крошечных шариков припоя, обеспечивающих механическое крепление и электрическое соединение кристалла с корпусом. В результате экспоненциального роста частоты будущих процессоров эффективность шариковых соединений, толщина корпуса и количество точек соединения превращаются в серьезную проблему. В октябре 2001 года корпорация Intel представила новаторскую технологию изготовления корпусов, получившую название Bumpless Build-up Layer (BBUL), которая позволяет избавиться от шариковых соединений, наращивая корпус вокруг полупроводникового кристалла. Новая технология не только в несколько раз уменьшает размеры «упакованного» микропроцессора, но и существенно улучшает его индуктивные свойства. Этот метод позволяет уменьшить толщину корпуса и снизить рабочее напряжение процессора. Технология начнет активно применяться во второй половине этого десятилетия.
Еще одна серьезная проблема, препятствующая экспоненциальному росту тактовой частоты процессоров и соответственно закону Мура, — это проблема тепловыделения. Ее решению уделяется немало внимания уже сейчас. Действительно, давайте посмотрим, к чему приводит перспектива экспоненциального роста тактовой частоты.
В соответствии с законом Мура в 2010 году следует ожидать появления микропроцессора с тактовой частотой 30 ГГц и размером проводников 10 нм или меньше. Но, как следует из законов физики, чем больше транзисторов в процессоре и чем больше его тактовая частота, тем больший ток он потребляет. А с ростом потребляемого тока увеличивается и тепловыделение. С 1970-го по 1990 год плотность выделяемой мощности, измеряемая в ваттах на квадратный сантиметр, оставалась в пределах нескольких единиц, а к 2000 году достигла 10. Если выстроить прогнозируемую кривую до 2010 года, то в 2003-2004 годах этот показатель должен достичь 100 (что соответствует энерговыделению в ядерном реакторе), к 2008 году — 1000 (примерно как в соплах ракеты), а после 2010 года — 10 000 (лишь немного холоднее, чем на поверхности Солнца). Итак, совершенно очевидно, что без решения проблемы снижения энергопотребления дальнейший рост тактовой частоты процессоров просто невозможен.
Транзисторы
Как известно, транзисторы — это микроскопические кремниевые «переключатели», которые являются основным структурным элементом всех современных микросхем
Начиная с 60-х годов, то есть со времени создания первой микросхемы, и по сегодняшний день в микросхемах использовались так называемые планарные (плоские) полевые транзисторы (рисунок 1). Принцип действия такого транзистора достаточно прост. В подложке кремния формируются две легированные области с электронной (л-тип) или дырочной (p-тип) проводимостью. Эти области называются стоком и истоком. В обычном состоянии электроны (для n - типа) или дырки (для p-типа) хотя и диффундируют в область кремния за счет избыточной концентрации, но не способны перемещаться между стоком и истоком, поскольку неизбежны процессы рекомбинации в области кремния. Кроме того, за счет такой диффузии на границах контактов между легированными областями стока и истока и кремния возникают локальные электрические поля, препятствующие дальнейшей диффузии и приводящие к образованию обедненного носителями слоя. Поэтому в обычном состоянии прохождение тока между истоком и стоком невозможно. Для того чтобы иметь возможность переносить заряд между истоком и стоком, используется третий электрод, называемый затвором. Затвор отделен от кремниевой подложки слоем диэлектрика, в качестве которого выступает диоксид кремния (SiO2 ). При подаче потенциала на затвор создаваемое им электрическое поле вытесняет вглубь кремниевой подложки основные носители заряда кремния, а в образующуюся обедненную носителями область втягиваются основные носители заряда стока и истока (мы говорим об основных носителях заряда, а не конкретно о дырках или электронах, поскольку возможен и тот и другой вариант). В результате между истоком и стоком в подзатворной области образуется своеобразный канал, насыщенный основными носителями заряда. Если теперь между истоком и стоком приложить напряжение, то по каналу пойдет ток. При этом принято говорить, что транзистор находится в открытом состоянии. При исчезновении потенциала на затворе канал разрушается и ток не проходит, то есть транзистор запирается (рисунок 1)
Рисунок - 1 Схема традиционного планарного транзистора
Описанная схема верой и правдой служила на протяжении многих лет, и все усилия электронной промышленности были направлены на то, чтобы уменьшить размеры самого транзистора. Так, в 1965 году в микросхемах интегрировалось всего три десятка транзисторов, а современный процессор IntelPentium 4 насчитывает уже 55 млн. транзисторов на кристалле. Конечно, в процессе эволюции планарных транзисторов менялись не только их размеры. Существенные изменения претерпели и используемые материалы, и даже геометрия самих транзисторов. Ну что ж, все логично. Для того чтобы выдержать диктуемые законом Мура экспоненциальные темпы увеличения числа транзисторов в одной микросхеме, необходимо разрабатывать новые технологии производства. Из ближайших планов корпорации Intel по выпуску процессоров (табл. 1) видно, например, что сегодня в производство внедряется 90-нанометровый технологический процесс изготовления микросхем, при котором длина затвора транзистора составляет 50 нм, а в 2009 году планируется освоить промышленный выпуск транзисторов с длиной затвора уже 15 нм (32-нанометровый технологический процесс). Всего же за последние 5 лет длина затвора транзистора уменьшилась в 4 раза
Таблица 1 -Темпы сокращения длины затвора транзистора
Таблица 2 - Изменение характеристик транзистора при уменьшении его геометрических размеров
| Длинна затвора | 1/М |
| Толщина слоя диэлектрика | 1/М |
| Ширина затвора | 1/М |
| Напряжение | 1/М |
| Плотность размещения | М2 |
| Скорость | М |
| Рассеиваемая мощность | 1/М2 |
Естественно, что уменьшение размеров транзистора сказывается и на других его характеристиках. Так, если считать, что длина затвора транзистора уменьшается в М раз, то в такое же количество раз уменьшаются и толщина слоя диэлектрика, отделяющего область затвора от кремниевой подложки, и ширина затвора, и рабочее напряжение затвора. Кроме того, в М раз возрастает скорость работы транзистора и квадратично увеличивается плотность размещения транзисторов на кристалле, а рассеиваемая мощность уменьшается в М2 раз (табл. 2).
Таким образом, очевидно, что уменьшение размеров транзисторов положительно сказывается на их характеристиках.
Основная проблема, связанная с уменьшением размеров транзистора, упирается даже не в технологические сложности литографического процесса, который требует использования новых коротковолновых источников излучения, а в то, что экспоненциальное увеличение числа транзисторов на кристалле приводит к экспоненциальному росту потребляемой мощности и, как следствие, к перегреву микросхемы. Причин тому несколько, но все они имеют один и тот же корень: уменьшение размеров транзистора приводит к возникновению токов утечки. Токи утечки возникают через слой диэлектрика, отделяющего область затвора от кремниевой подложки, а также между истоком и стоком при «выключенном» состоянии транзистора.
Расскажем о причинах возникновения токов утечки в области затвора более подробно. Слой диэлектрика между затвором и кремнием можно рассматривать как плоский конденсатор (рисунок 2), емкость которого зависит от диэлектрической проницаемости вещества, толщины слоя диэлектрика и площади затвора по формуле:
 |
где S — площадь затвора, d — толщина слоя диэлектрика, ε — диэлектрическая проницаемость слоя диэлектрика.