В последнее время часто приходится слышать о том, что эволюция технологических процессов завершается. Но никто не верит в то, что развитие производственных технологий остановится совсем, поэтому правильнее задать другой вопрос: прекратится ли возможность разрабатывать и внедрять новые технологические процессы каждые 2 года, как это было спрогнозировано Гордоном Муром около 50 лет назад?
Перед тем, как делать прогнозы, обратимся к истории. В индустрии микроэлектроники все начиналось с относительно простых вещей. Традиционные МОП-транзисторы для микропроцессоров имели фиксированную архитектуру, и перспективы внедрения новых производственных технологий были очевидны: уменьшаем размеры по вертикали и горизонтали, понижаем напряжение - и получаем желаемое: еще более компактные, еще менее <прожорливые> в отношении энергии более быстрые транзисторы. Конечно, периодически приходилось внедрять что-то новое: ионную имплантацию, самосовмещенные затворы, нитридные подзатворные элементы. Но сама архитектура оставалась неизменной в течение многих лет.
Конец масштабирования технологических процессов?
Даже в эпоху расцвета полупроводниковых технологий эксперты предсказывали скорый конец масштабирования технологических процессов: <оптическая литография достигнет предела на отметке 0,75-0,50 мкм>, <минимальные размеры элементов ограничены 0,3-0,5 мкм>, <при размерах элементов менее 1 мкм нужно использовать уже рентгеновскую литографию>, <медные проводники не смогут работать>, <масштабирование техпроцессов завершится в ближайшие 10 лет>. Но развитие не остановилось.
Компоненты, выполненные по 130-нанометровой технологии, были, по всей видимости, последней <настоящей> технологией, реализованной в привычной архитектуре. Начало 90-х годов XX в. было отмечено кардинальными изменениями в отрасли, когда Intel создала полупроводники с одноосевой деформацией, выполненные по 90-нанометровому технологическому процессу. Эта разработка, отмеченная использованием кремний-германиевых элементов в р-канальных структурах металлоксид-полупроводник (МОП), открыла эпоху трансформации материалов, которая сопровождалась значительными изменениями как физических размеров, так и электрических показателей. 65-нанометровые структуры стали последними, в которых использовался подзатворный диэлектрик на основе диоксида кремния - настоящая <рабочая лошадка> того времени. Начиная с 45-нанометрового технологического процесса Intel перешла на новаторский на тот момент времени диэлектрик high-k на основе диоксида гафния. Выпуск 22-нанометровых структур ознаменовал конец 50-летней эпохи плоскостных МОП-транзисторов и переход к трехмерным 3D Tri-Gate.
За последнее десятилетие в значительной степени изменились не только структура элементов, не только используемые материалы, но и сама задача масштабирования размеров. В 80-90-е годы XX в ее решение позволяло легко и просто увеличить скорость работы транзисторов, чтобы затем создать микропроцессоры с более высокой тактовой частотой. Но за это мы должны были расплачиваться более высокими показателями токов утечки и, соответственно, тепловыделения. В 2000-х гг. рост спроса на мобильные устройства привел к тому, что во главе угла стали показатели энергоэффективности, а не производительности. При разработке всех современных вычислительных устройств, начиная с высокопроизводительных серверов и заканчивая маломощными мобильными телефонами, повышенное внимание уделяется более низким токам утечки и энергоэкономичности. Все возрастающий интерес к однокристальным системам вынуждает разработчиков искать пути создания устройств на базе одной микросхемы: от высокопроизводительных транзисторов до транзисторов с ультранизким уровнем утечки.
Будущее за новыми подходами к разработке новой продукции
История развития индустрии напоминает о том, что единственной неизменной вещью в ней являются изменения. В будущем принципиально новые архитектуры смогут коренным образом изменить представления о существующих возможностях для развития. Предложены перспективные решения: туннельные транзисторы, BISFET, графеновые структуры и спиновые полевые транзисторы. Они активно изучаются ведущими производителями полупроводников и отраслевыми организациями.
Другая не менее важная тенденция заключается в более тесной интеграции производственных технологий, проектирования продукции и создания архитектур. За последние несколько поколений технологий ограничения по масштабированию технологических процессов привели к сокращению возможностей для проектирования новых продуктов, что вызвало необходимость во взаимной оптимизации процессов проектирования и производства. Вероятно, что эта тенденция сохранится, и будущее полупроводниковых технологий будет связано с интеграцией производства, проектирования и создания архитектур, как в случае с трехмерной многоуровневой структурой (в рамках одной микросхемы, а не на уровне вертикальных межсоединений), и с новыми подходами к вычислениям, включая производственные технологии, оптимизированные для небинарной логики.
