Основа наших технологій: наскільки крихітними можуть бути транзистори й коли ми досягнемо межі

Велике майбутнє найменшої деталі людства

Усе почалося в грудні 1947 року, коли американські фізики Джон Бардін та Волтер Браттейн у лабораторіях Bell Labs продемонстрували перший робочий точково-контактний транзистор. Цей винахід назавжди змінив світ, замінивши громіздкі та ненадійні вакуумні лампи, пише 24 Канал.

Згодом інженери перейшли на кремній як основну підкладку, що відкрило шлях до масового виробництва мікросхем. Протягом десятиліть розвиток чипів підпорядковувався знаменитому закону Мура, згідно з яким щільність елементів на кристалі подвоювалася кожні два роки, та принципам масштабування Деннарда.

Сьогодні без цих наноперемикачів неможливо уявити жоден сучасний прилад: від побутового таймера до гігантських серверів хмарних обчислень та автономних роботів.

Анатомія сучасного чипа: наскільки крихітними є технології сьогодні

Сучасні технологічні процеси давно відійшли від класичного розуміння фізичних розмірів. Сьогодні назви вузлів на кшталт "3 нанометри" або "2 нанометри" є радше комерційними позначеннями, ніж відображенням реальних геометричних характеристик елементів. Справжні відстані між затворами (контактований затворний крок) для чипів 2-нанометрового класу становлять приблизно 45 – 50 нанометрів, а мінімальний крок металізації становить близько 20 – 32 нанометрів.

Попри маркетингову природу назв, щільність розміщення транзисторів на сучасних кристалах вражає уяву. Так, у передовому техпроцесі TSMC N2 середня щільність логіки сягає близько 313 мільйонів транзисторів на один квадратний міліметр. Своєю чергою, аналогічні рішення від Intel (техпроцес 18A) та Samsung (SF2) забезпечують показники в районі 238 та 231 мільйона нанометрових перемикачів на квадратний міліметр відповідно.

Для створення таких структур виробники використовують найскладніші літографічні сканери екстремального ультрафіолету (EUV) та переходять від традиційної архітектури плавників (FinFET) до повністю всеохопного затвора (GAA). У нових структурах затвор повністю оточує кілька ультратонких горизонтальних кремнієвих шарів з усіх чотирьох боків, що дозволяє значно покращити контроль над струмом та мінімізувати витоки.

Фізичні ліміти кремнію: чому ми не можемо зменшувати транзистори нескінченно

Головним ворогом подальшої мініатюризації є сама квантова фізика. Коли довжина провідного каналу стає меншою за 10 нанометрів, кремнієві потенційні бар'єри перестають бути надійними стінами. Виникає явище прямого квантового тунелювання між витоком та стоком. Електрони просто пролітають крізь зачинений затвор, створюючи гігантські витоки струму у вимкненому стані транзистора.

В архітектурі комплементарних транзисторів пристрої n- та p-типу розташовані один над одним. Таке вертикальне розміщення дозволяє усунути бічні зазори з розрахунку висоти комірки та максимізувати ширину каналу, що забезпечує стабільну роботу затвора та високі струми провідності навіть на граничних масштабах.

Другим серйозним бар'єром є катастрофічне зростання теплової щільності. Хоча кожен окремий транзистор нового покоління споживає менше енергії, їхня колосальна щільність на кристалі призводить до виникнення локальних гарячих точок. Самоохолодження в ультратонких нанолистах працює набагато гірше, ніж в об'ємному кремнії, оскільки теплові коливання (фонони) розсіюються на численних внутрішніх межах.

Тривимірна революція та ангстремна ера: куди рухається індустрія

Для подолання цих викликів світові лідери, такі як TSMC, Intel та Samsung, переходять до системної вертикальної інтеграції. Найбільш значущою інновацією найближчих років є мережа зворотного живлення (BSPDN). У звичайних чипах лінії передачі сигналів та товсті кабелі живлення конкурують за місце на лицьовій стороні пластини. Перенесення ліній живлення на зворотний бік кремнієвого диска дозволяє скоротити шлях струму, зменшити падіння напруги та звільнити місце для сигнальних трас.

Компанія TSMC успішно завершила перевірку цієї технології, назвавши власне рішення Super Power Rail. Вона впровадить його в передовому 1,6-нанометровому процесі A16, масове виробництво якого розпочнеться вже наприкінці 2026 року. Водночас компанія Samsung вирішила дещо уповільнити темпи в гонці геометричного масштабування та перенесла запуск свого 1,4-нанометрового процесу на 2029 рік, щоб повністю зосередитися на стабілізації виходу придатних чипів на базі 2-нанометрової платформи.

Згідно з прогнозами дослідників консорціуму imec, до 2038 року індустрія має досягти екстремального технологічного вузла в 0,3 нанометра (або 3 ангстреми). На цьому шляху нанолисти GAA замінять Forksheet-транзистори, де відстань між n- та p-каналами розділятиме діелектрична стінка товщиною менше 10 нанометрів.

Згодом, приблизно у 2033 році, стандартною технологією стануть комплементарні транзистори (CFET), у яких n- та p-канали будуть фізично стояти один над одним, що дозволить зменшити площу логіки майже вдвічі.

Наступники кремнію: чим ми замінимо традиційні напівпровідники

Коли кремній остаточно вичерпає свої фізичні можливості, людство перейде до нових напівпровідникових матеріалів. Найбільш перспективними вважають двовимірні моношари дихалькогенідів перехідних металів (TMD), такі як дисульфід молібдену (MoS2) або дисульфід вольфраму (WS2). Маючи товщину всього в один атом, ці кристалічні плівки демонструють чудову рухливість носіїв заряду та дозволяють повністю придушити паразитарне квантове тунелювання при довжині каналу менше 5 нанометрів.

Іншою революційною альтернативою є вуглецеві нанотрубки (CNT). Одностінні вуглецеві нанотрубки, згорнуті в безшовні циліндри діаметром близько 1 нанометра, обмежують рух електронів лише в одному вимірі. У такому одновимірному каналі практично повністю зникає розсіювання носіїв заряду, а середній вільний пробіг перевищує 1 мікрометр, забезпечуючи майже ідеальний балістичний транспорт. На практиці дослідники вже створили перший у світі повноцінний 16-бітний процесор RV16X-NANO, що містить понад 14 тисяч транзисторів на базі вуглецевих нанотрубок, довівши життєздатність технології на системному рівні.

Звісно, перехід на нові матеріали потребуватиме колосальних інвестицій у модернізацію фабрик, розробку нових методів очищення та вирішення проблем зі стійкістю параметрів при тривалій експлуатації. Проте саме ці мікроскопічні революції дозволять людству продовжувати нарощувати потужність комп'ютерів та систем штучного інтелекту, ведучи нас в ангстремну еру після закінчення кремнієвої доби.