Společnost Intel Corporation oznámila, že se jejím výzkumným pracovníkům podařilo vyvinout novou strukturu tranzistorů a nové materiály, které vykazují výrazný nárůst rychlosti, lepší využití energie a snížení tepelného vyzařování. Tento technologický vývoj je důležitým mezníkem v úsilí dostát Moorovu zákonu a ve snaze o odstranění technologických bariér, které se před společností Intel i celým polovodičovým průmyslem začaly rýsovat.
Tento objev, společně s oznámeními společnosti Intel o rychlejších a menších tranzistorech, umožní nasazení výkonnostně náročných aplikací jako je rozeznávání hlasu a tváře v reálném čase, práce s počítačem bez použití klávesnice a vývoj ještě menších inteligentních zařízení s vyšším výkonem a delší výdrží baterií.
"Náš výzkum prokázal, že můžeme vyrábět stále menší a rychlejší tranzistory, ale že se objevují zásadní problémy v oblasti spotřeby energie, produkce tepla a svodových proudů," řekl Gerald Marcyk, ředitel vývoje komponentů v Intel Labs. "Naším cílem je překonat tyto bariéry a vyrábět procesory obsahující 25-ti násobek dnešního počtu tranzistorů, pracující na 10-ti násobné rychlosti, ale se stejnou spotřebou elektrické energie."
Vědci společnosti Intel budou o dvou klíčových součástech nové tranzistorové struktury hovořit na konferenci IEDM (International Electron Device Meeting), která se koná 3. prosince ve Washingtonu D.C. Technické materiály budou zaměřené na spotřebu energie, svodové proudy a zahřívání s ohledem na přínos dvou novinek v konstrukci tranzistorů: nový tranzistor s ochuzeným substrátem (depleted substrate transistor) a nový materiál nazývaný "vysoké dielektrické K hradlo" (high k gate dielectric). Kombinace těchto vylepšení dramaticky snižuje svodový proud a celkovou spotřebu elektrické energie.
Příkon coby omezující faktor
Jak se zvyšuje složitost polovodičů a dosahuje se dalších a dalších mezníků ve velikosti a výkonu tranzistorů, objevuje se nové omezení - spotřeba a teplo začínají bránit plynulému vývoji a výrobě procesorů. Stávající architektura přestává u další generace procesorů fungovat, neboť svodové proudy zvyšují spotřebu, a tím i zahřívání procesoru nad únosnou mez. Tranzistory jsou mikroskopické křemíkové přepínače zpracovávající jedničky a nuly digitálního světa.
Společnost Intel vyvinula nejmenší a nejrychlejší CMOS tranzistory na světě, včetně 15-ti nanometrových tranzistorů, umožňujících výrobu čipů s miliardou tranzistorů již v druhé polovině této dekády. Nicméně při umístění stovek milionů a brzy celé miliardy tranzistorů na jeden kousek křemíku velikosti lidského nehtu se jejich celková spotřeba a vytvářené teplo stávají skutečným technickým oříškem. Při použití stávající technologie výroby by se čipy staly jednoduše příliš horké pro použití ve stolních počítačích a serverech. Tato omezení by též bránila implementaci nových procesorů do malých zařízení jako jsou přenosné počítače a handheldy.
"Menší a rychlejší, to prostě samo o sobě již dnes nestačí," říká Gerald Marcyk. "Spotřeba a teplo jsou hlavním námětem tohoto desetiletí. Naše nová struktura tranzistorů nyní umožní výrobu zařízení s vysokou energetickou účinností, protože koncentruje elektrický proud přesně tam, kde je potřeba."
Tato nová architektura se nazývá Intel TeraHertz, neboť takto vyrobené tranzistory se budou schopny přepnout více než bilionkrát za sekundu. Pro porovnání: pokud by chtěl člověk vlastní rukou bilionkrát vypnout a zapnout světlo, trvalo by mu to více jak 15 000 let.
Tranzistor s ochuzeným substrátem
Jedním ze stavebních kamenů nové architektury je tranzistor s ochuzeným substrátem (depleted substrate transistor), což je nový typ CMOS zařízení, kde je tranzistor postaven na ultratenkém křemíkovém plátku potaženém izolační vrstvou. Tato ultratenká křemíková vrstva, odlišná od běžných systémů křemíku na izolátoru (silicon-on-insulator), je zcela ochuzená, což maximalizuje průtok proudu při zapnutém tranzistoru a zároveň umožňuje rychlejší přepnutí tranzistoru z jednoho stavu do druhého.
Na druhé straně, pokud je tranzistor vypnutý, je pomocí tenké izolační vrstvy nežádoucí svodový proud snížen na minimum. Tranzistory s ochuzeným substrátem tak mají až 100krát nižší svod než tradiční systémy s křemíkem na izolátoru.
Další novinkou v tranzistorech s ochuzeným substrátem je zabudování nízko-odporových kontaktů na horní straně křemíkové vrstvy. Ve výsledku tedy tranzistory mohou být velmi malé, velice rychlé a spotřebovat přitom méně energie.
Nový materiál nahrazuje křemíkový dioxid
Dalším klíčovým momentem byl vývoj nového materiálu nahrazujícího křemíkový dioxid na primární destičce. Všechny tranzistory obsahují materiál (gate-dielectric) oddělující hradlo tranzistoru (gate) od aktivního kanálu - hradlo ovládá stav tranzistoru, zapíná jej a vypíná. Tranzistory uvedené v posledním roce (record-setting) měly tuto oddělovací dielektrickou vrstvu vyrobenu z křemíku tenkého pouze 0,8 nanometru, nebo-li tři atomové vrstvy. Nicméně svod skrze tuto atomicky tenkou vrstvu se stal jedním z největších odběratelů elektrické energie v procesoru.
Na konferenci IEDM vědci společnosti Intel předvedou rekordní rychlost tranzistorů vyrobených s použitím nového materiálu nazvaného "vysoké dielektrické K hradlo" (high k gate dielectric). Tento nový materiál snižuje svod hradla v porovnání s křemíkovým dioxidem více než 10 000krát. Materiál vysokého K hradla je připravován revoluční technologií nanášením atomové vrstvy (atomic layer deposition), kdy se na základní destičku při jednom průchodu nanese vrstva pouze jednu molekulu vysoká. Výsledkem je vyšší výkon, snížené zahřívání a znatelně delší výdrž baterií v mobilních zařízeních.
Tranzistory Intel TeraHertz tak překonávají zásadní bariéru, což umožní masovou výrobu čipů pro aplikace a zařízení zcela nové generace. Společnost Intel předpokládá zavedení této nové struktury do výroby již během roku 2005.
Další informace o tranzistorech TeraHertz a dalším výzkumu společnosti Intel na poli křemíku naleznete na výstavě Silicon Showcase na stránkách http://www.intel.com/research/silicon.
