Физические основы действия современных компьютеров
добиться снижения себестоимости примерно на 20-30
процентов за счет снижения площади чипа. Их технология CMOS 7S,
использующая медные соединения, позволяет создавать чипы, содержащие до 150-
200 миллионов транзисторов. И, наконец, просто увеличение
производительности чипа (до 40 процентов) за счет меньшего сопротивления
проводников.
IBM начала предлагать клиентам эту технологию в начале 98 года, в конце
этого года своим заказчикам предложили использовать медь при производстве
их чипов TSMC и UMC, AMD начинает выпуск медных Athlon в начале 2000 года,
Intel переходит на медь в 2002 году, одновременно с переходом на 0.13 мкм
техпроцесс.
SiGe
Соединения - соединениями, но уже на скорости чипа в несколько ГГц
перестает справляться с нагрузкой сама кремниевая подложка. И если для
традиционных областей применения чипов кремния пока достаточно, в области
беспроводной связи уже давно дефицит на дешевые скоростные чипы. Кремний -
дешево, но медленно, арсенид галлия - быстро, но дорого. Решением здесь
стало использование в качестве материала для подложек соединения двух основ
полупроводниковой индустрии - кремния с германием, SiGe. Практические
результаты по этой технологии стали появляться с конца 80-х годов. Первый
биполярный транзистор, созданный с использованием SiGe (когда германий
используется как материал для базы), был продемонстрирован в 1987 году. В
1992 году уже появилась возможность применения при производстве чипов с
SiGe транзисторами стандартной технологии КМОП с разрешением 0.25 мкм.
Результатом применения становится увеличение скорости чипов в 2-4 раза по
сравнению с той, что может быть достигнута путем использования кремния, во
столько же снижается и их энергопотребление. При этом, в ход вступает все
тот же решающий фактор - стоимость: SiGe чипы можно производить на тех же
линиях, которые используются при производстве чипов на базе обычных
кремниевых пластин, таким образом отпадает необходимость в дорогом
переоснащении производственного оборудования. По информации IBM,
потенциальная скорость транзистора (не чипа!) с их технологией составляет
сегодня 45-50 ГГц (что далеко не рекорд), ведутся работы над увеличением
этой цифры до 120 ГГц. Впрочем, в ближайшие годы прихода SiGe в компьютер
ждать не стоит - при тех скоростях, что потребуется PC чипам в ближайшем
будущем вполне хватает кремния, легированного такими технологиями, как
медные соединения или SOI.
Кремний на изоляторе (silicon-on-insulator, SOI)
Еще одна технология, позволяющая достаточно безболезненно повысить
скорость чипов, не требуя от производителей отказаться от всех их
сегодняшних наработок. Как и технология медных соединений, SOI позволяет
создателям чипов убить двух зайцев одним выстрелом - поднять скорость, до
25 процентов, одновременно снизив энергопотребление. Что из себя
представляет эта технология? Вспомним начало обработки кремниевой пластины
- она покрывается тонкой пленкой окисла кремния. А в SOI к этому бутерброду
добавляется еще один элемент - сверху опять наносится тонкий слой кремния:
Вот и получается - кремний на изоляторе. Зачем это понадобилось? Чтобы
уменьшить емкость. В идеале МОП транзистор должен выключаться, как только
будет исчезнет питание с затвора (или наоборот, появится, в случае с КМОП).
Но наш мир далеко не идеален, это справедливо и в данном конкретном случае.
На время срабатывания транзистора напрямую влияет емкость области между
измененными участками кремния, через которую и идет ток при включении
транзистора. Он начинает и заканчивает идти не мгновенно, а только после,
соответственно, зарядки и разрядки этой промежуточной зоны. Понятно, что
чем меньше это время, тем быстрее работает транзистор, можно сказать, что
тем меньше его инерция. Для того и придумана SOI - при наличии между
измененными участками и основной массой кремния тонкой пластинки
изолирующего вещества (окисел кремния, стекло, и т.д.), этот вопрос
снимается и транзистор начинает работать заметно быстрее.
Основная сложность в данном случае, как и в случае с медными
соединениями, заключается в разных физических свойствах вещества. Кремний,
используемый в подложке - кристалл, пленка окислов - нет, и закрепить на ее
поверхности, или же не поверхности другого изолятора еще один слой
кристаллического кремния весьма трудно. Вот как раз проблема создания
идеального слоя и заняла весьма много времени. Не так давно IBM уже
продемонстрировала процессоры PowerPC и чипы SRAM, созданные с
использованием этой технологии, просигнализировав этим о том, что SOI
подошла к стадии возможности коммерческого применения. Совсем недавно, IBM
объявила о том, что она достигла возможности сочетать SOI и медные
соединения на одном чипе, пользуясь плюсами обеих технологий. Тем не менее,
пока что никто кроме нее не заявил публично о намерении использовать эту
технологию при производстве чипов, хотя о чем-то подобном речь идет.
Перовскиты
Поиски замены на роль изолирующей пленки на поверхности подложки идут
давно, учитывая, что как и алюминий, диоксид кремния начинает сдавать в
последнее время - при постоянном увеличении плотности транзисторов на чипе
необходимо уменьшать толщину его изолирующего слоя, а этому есть предел,
поставленный его электрическими свойствами, который уже довольно близок.
Однако пока, несмотря на все попытки, SiO2 по прежнему находится на своем
месте. В свое время IBM, предполагала использовать в этой роли полиамид,
теперь пришла очередь Motorola выступить со своим вариантом - перовскиты.
Этот класс минералов в природе встречается довольно редко - Танзания,
Бразилия и Канада, но может выращиваться искусственно. Кристаллы
перовскитов отличаются очень высокими диэлектрическими свойствами:
использованный Motorola титанат стронция превосходит по этому параметру
диоксид кремния более чем на порядок. А это позволяет в три-четыре раза
снизить толщину транзисторов по сравнению с использованием традиционного
подхода. Что, в свою очередь, позволяет значительно снизить ток утечки,
давая возможность заметно увеличить плотность транзисторов на чипе,
одновременно сильно уменьшая его энергопотребление.
Пока что эта технология находится в достаточно ранней стадии разработки,
однако Motorola уже продемонстрировала возможность нанесения пленки
перовскитов на поверхность стандартной 20 см кремниевой пластины, а также
рабочий КМОП транзистор, созданный на базе этой технологии.
Заключение
Таким образом, в данной работе были рассмотрены технологические и
физические основы производства и действия приборов, входящих в современный
компьютер. Впрочем, с учетом скорости развития данной области знаний и
данной области промышленности, данная работа (и так практически не
содержащая ничего нового) скорее всего устареет окончательно лет через 5-
10.
Список использованной литературы:
1) В.И. Федотов «Основы электроники» -- «ВШ», 1990
2) Л.Н. Преснухин «Микропроцессоры» – «ВШ», 1986
3) «Знакомьтесь, Компьютера», под ред. к.т.н Курочкина, Мир, 1989
4) www.ixbt.ru / Статьи Ященко А. и др.
5) www.toshiba.com
6) www.acer.com
7) www.intel.com
| |  скачать работу |
Физические основы действия современных компьютеров |
