Не секрет, что помимо научно-исследовательского энтузиазма балом полупроводниковых достижений правят инвестиционные проекты, а также трезвый экономический расчет. Поэтому связь между количеством новых открытий и объемом инвестированных в их разработку средств зачастую носит прямо пропорциональный характер. Что же мы имеем сегодня, когда большинство аналитиков пророчит полупроводниковой индустрии спад? На этот вопрос мы и попытаемся ответить.

Что касается прогнозируемого кризиса, на самом деле нынешняя ситуация далека от этого – у большинства ведущих игроков рынка, за малым исключением, стабильный рост доходов. Тем не менее начиная с конца лета многие аналитики предрекают заметный спад полупроводниковой промышленности. Для того чтобы понять, что ими движет, достаточно обратиться к опубликованному в октябре отчету SIA (Semiconductor Industry Association) о состоянии рынка полупроводников за август. Согласно отчету объем продаж микросхем в конце лета превысил прогнозируемый. Всего за август было продано полупроводниковой продукции на $18,2 млрд, что пусть не на много, но все же больше ожидавшейся суммы в $18 млрд, и на 34,2% выше показателей прошлого года. По предварительным оценкам аналитиков, это связано с высоким спросом на ПК и устройства беспроводной связи, а также снижением уровня запасов готовой продукции (попросту говоря, из-за распродаж).

На основании статистики за последние три месяца SIA приходит к выводу, что резкого изменения показателей не произойдет. И можно предположить, что даже в случае резкого падения спроса осенние результаты едва ли будут сильно отличаться от итогов лета.

Кроме того, в связи с закончившимся недавно «школьным» периодом спрос на процессоры увеличился на 3,5% (по сравнению с июлем). В данной ситуации любопытно следующее. Изменение уровня продаж по сравнению с предыдущим месяцем в Юго-Восточной Азии, традиционно демонстрирующей самый большой рост, составило всего 0,1%. Так что ожидать резкого падения спроса пока не приходится — самое интересное, говорят аналитики, начнется лишь в следующем году. Дело в том, что несмотря на предпринимаемые вендорами распродажи, количество готовой продукции — показатель, к которому в последнее время уделяется повышенное внимание, — в августе было достаточно высоким, из-за чего, по данным SIA, загруженность производственных мощностей снизилась с 99 до 95%. Соответственно, объем капиталовложений в расширение производства также остается невысоким и держится на уровне 23% от объема продаж.

Тем не менее Gartner продолжает бить тревогу, то и дело сообщая об ожидаемом снижении роста капиталовложений в отрасль, Все это должно произойти в будущем году из-за высокого уровня капзатрат. До конца текущего года ожидается вложение до $45,7 млрд в полупроводниковую отрасль, что на 53,9% больше показателей прошлого года ($29,7 млн). По прогнозу аналитиков, в будущем году капитальные затраты могут достичь 45,8%, что составит прирост 0,4% по сравнению с 2004 годом. Следующий год должен стать переломным, и в 2006-м объем капиталовложений в индустрию снизится на 0,6%.

Поскольку в июле Gartner уже публиковала аналогичный прогноз, у нас есть возможность сравнить старые и новые оценки. Так, в этом году аналитики Gartner ожидали роста капиталовложений на 50,9%, а в будущем – на 13,4%. Предполагалось, что в 2004-м затраты на приобретение оборудования возрастут на 63,5%, а в 2005-м — на 15%. В отчете Gartner отмечается, что средняя загруженность производственных мощностей к концу II квартала 2004 года составила 94,8%, что даже больше, чем в I квартале (93,2%). Легко подсчитать: если загруженность производственных линий не снизится в I квартале 2005 года до уровня менее 90%, то ожидаемый кризис перепроизводства начнется уже во второй половине будущего года.

Так или иначе, но сегодня уже заметны некоторые отрицательные тенденции. Например, крупнейшие тайваньские контрактные производители недавно опубликовали неутешительные данные о финансовых результатах своей деятельности за октябрь. Объем продаж лидера этого рынка, компании TSMC, достиг уровня в $698,1 млн, что на 13% лучше показателя аналогичного периода прошлого года ($617 млн), но одновременно на 0,9% меньше $703,9 млн в сентябре. Еще ощутимее рыночный спад сказался на основном конкуренте TSMC, компании UMC. Ее доход в октябре исчисляется суммой $305,75 млн. Для сравнения: в сентябре компания заработала на 15,2% больше (!). Хотя в ежегодном исчислении здесь также отмечен значительный рост в размере 31% (в октябре 2003 года на счету UMC было лишь $233,02 млн). Вероятно, в ближайшие месяцы (пока основные заказчики основательно не опустошат свои склады) мы еще не раз будем свидетелями снижения доходов обеих компаний.

Впрочем, повторимся, весь 2004 год прошел под знаменем роста доходов, капиталовложений и инвестиций в научные разработки, а потому технологических достижений было немало. Наиболее оптимальный способ совершенствования полупроводниковых технологий – уменьшение производственных норм – идет в прежнем темпе, и сегодня компании рапортуют не только о готовности перехода на нормы 0,65 нм, но и на более совершенные. Как всегда это направление возглавляет Intel, еще в августе заявившая о создании первой в мире полнофункциональной микросхемы памяти SRAM объемом 70 Мбит, изготовленной по 65-нм техпроцессу. Тем самым производитель продемонстрировал свою готовность к промышленному внедрению новейшего техпроцесса P1264 с нормами 65 нм и высокой степенью интеграции элементов на кристалле. Для того чтобы представить себе возможности данной технологии достаточно сказать, что кремниевый кристалл этой памяти площадью около 110 кв. мм содержит более полумиллиарда транзисторов.

Что касается самого процесса P1264, он характеризуется эффективной длиной затвора транзисторов 35 нм, использованием оксида кремния в качестве затворного диэлектрика, применением напряженного кремния, восьми слоев медных соединений и диэлектрика с низкой диэлектрической проницаемостью. При производственных процессах используется ультрафиолетовая литография с длиной волны 193 нм, маски со смещением фазы и оптическая коррекция создаваемого рисунка. Казалось бы, все перечисленные характеристики уже хорошо известны, но почти все они в той или иной степени улучшены. Например, увеличена толщина оксида под затвором — одного из главных параметров, влияющих на утечки в транзисторах. Если прежде для 65-нм техпроцесса предлагалось использовать оксид толщиной около 0,8 нм, то теперь это 1,2 нм — столько же, сколько в нынешних 90-нм процессорах Intel. За счет чего удалось не только уменьшить утечки в расчете на один транзистор (поскольку примерно вдвое уменьшилась его площадь), но и в конечном итоге повысить быстродействие, ведь балластная емкость транзисторов снизилась на 20%.

Претерпела изменения и технология напряженного кремния. В новой интерпретации она позволила улучшить рабочий ток транзисторов на 30%, тогда как ранее речь шла о 10-20%. Таким образом, утечки новых 65-нм транзисторов при том же рабочем токе уменьшены вчетверо, а значит, можно смело ожидать улучшенного показателя TDP для новых процессоров. Нельзя оставить без внимания и такое нововведение техпроцесса P1264, как спящие транзисторы, которые отключают питание отдельных блоков памяти при их бездействии. Результат их внедрения – троекратное уменьшение утечки кристалла SRAM, что само по себе является величиной весьма немалой, особенно если учесть, что кэши будущих процессоров будут существенно увеличиваться.

Не отстают от Intel и другие компании, причем некоторые из них даже пытаются идти с опережающим отрывом. Так, например, японские компании Sony и Toshiba, долгое время сотрудничающие в области разработки новых технологических процессов, с прошлого года наладили массовый выпуск чипов с применением 90-нм технологических норм. Уже в первой половине этого года увидели свет 65-нм сэмплы, а недавно Sony и Toshiba начали новый совместный проект, направленный на разработку 45-нм полупроводниковых структур. Сейчас известны две его особенности. Первая – новый высокопроизводительный MOSFET-транзистор, в затворе которого применяется сверхтонкая оксидная пленка. Благодаря ей удалось добиться весьма впечатляющих рабочих характеристик: в частности, плотность управляющего тока равняется 820 мкА/мк, а для PMOSFET – 300 мкА/мк (при напряжении 0,85 В). Вторая – это технология многоуровневых соединений, шаг которых равняется 130 нм (на 72% меньше, чем для полупроводниковых компонентов с уровнем детализации 65 нм).

Не менее интересна идея перехода к 45-нм технологическому процессу, предложенная компанией AMD. В ее основе лежат любопытные методы борьбы с токами утечки. Ранее в AMD уже сообщали о создании двухзатворного транзистора, а около года назад компания Intel продемонстрировала транзистор с тремя затворами. Теперь свою версию трехзатворного транзистора представила и AMD. В новой разработке компании объединено несколько перспективных технологий. Во-первых, для создания токопроводящего канала транзистора используется технология полностью обедненного кремния на изоляторе (Fully Depleted SOI). Во-вторых, новые транзисторы будут использовать металлические затворы (изготовленные из силицида никеля (NiSi), вместо поликристаллического кремния) и иметь "локально напряженный" канал. Такой канал с трех сторон окружен затворами, выполненными из силицида никеля. Этот металлосодержащий материал обеспечивает лучшие характеристики по сравнению с традиционным кремнием. Отмечается также, что подобный подход обеспечивает более чем двукратное увеличение быстродействия. Стоит сказать, что особенностью SOI-технологий AMD является малая диэлектрическая проницаемость изолирующих пленок, в то время как многие производители работают с пленками с высокой диэлектрической проницаемостью.

Использование силицида никеля для создания затворов приводит к возникновению дефектов в кристаллической решетке кремния в токопроводящем канале. Наличие таких дефектов позволяет электронам быстрее перемещаться по каналу, повышая быстродействие транзистора. Таким образом, технология напряженного кремния компании AMD основана на использовании дефектов кристаллической решетки, которые и применяются для ускорения движения электронов.

Сочетание вышеперечисленных технологий предоставляет возможность значительно улучшить характеристики транзистора: увеличить ток в открытом состоянии и уменьшить — в закрытом; повысить скорость переключения транзистора и в конечном итоге увеличить производительность всей интегральной схемы. В AMD подчеркивают, что по своим характеристикам новая технология превосходит требования Международного плана развития полупроводниковых технологий на 2009 год. Однако в компании полагают, что производство схем на базе новой технологии можно будет развернуть уже в 2007-м.

Упомянутый проект создания 45-нм техпроцесса не единственная новация компании Toshiba. В уходящем году ее исследователям удалось разработать технологию создания чипов, содержащих значительно большее количество слоев, чем используется сегодня. Речь идет о разработке девятислойных чипов, которые можно поместить в корпус высотой 1,4 мм. По сравнению с производимыми сегодня шестислойными чипами (а точнее — мультичиповыми компонентами) новая технология позволяет добавить еще три слоя.

Для того чтобы сделать возможным создание таких элементов, инженерам Toshiba пришлось уменьшить толщину каждого слоя (чипа) до 70 мк, что на 15 мк тоньше стандартных чипов. В качестве образца был представлен компонент, состоящий из SRAM, SDRAM, трех NOR и одного NAND-чипа вкупе с тремя промежуточными слоями. Общая емкость полученного мультичипа составила 776 Мбайт, размер - 11x14x1,4 мм, количество контактов - 225 при рабочем напряжении в 1,8 В. Для передачи данных между микросхемой и процессором используется разработанная компанией трехшинная система (быстрая шина - для SDRAM и NOR, средней скорости - для SRAM и медленная - для NAND). Ожидается, что вскоре Toshiba приступит к производству микросхем, содержащих выбранную заказчиком комбинацию различных типов памяти. В будущем данная разработка позволит создать не только более емкие, но и более функциональные устройства (в одной упаковке можно будет разместить разнофункциональную подсистему памяти).

Большие перспективы сулит технология, разработанная Шанхайским институтом оптики и точной механики. Как известно, в настоящее время при создании трехмерных электронных чипов производители применяют сложную и дорогостоящую технологию послойного наращивания плоских микросхем. Такая методика существенно ограничивает свободу выбора конструктивных решений и поэтому не позволяет выпускать объемные элементы в массовом порядке, однако в ближайшие несколько лет ситуация может измениться. В ходе экспериментов шанхайские ученые добавили оксид золота в состав стекла в концентрации один к десяти тысячам. Далее, фокусируя короткий лазерный импульс на определенных частях стеклянного блока, исследователи сместили атомы драгоценного металла с их начальных позиций. На завершающем этапе весь блок был нагрет до 550 градусов Цельсия, что привело к образованию крошечных золотых шариков, сформировавших сложную пространственную структуру. Внешне такая структура напоминает газетные фотографии, состоящие из тысяч отдельных чернильных капель. Пока предложенная методика может применяться лишь для создания небольших рисунков. Китайские ученые, к примеру, продемонстрировали изображение бабочки, состоящее из миллионов крошечных золотых гранул диаметром 7 нм каждая. Однако в перспективе технология могла бы использоваться для формирования проводников, электрических цепей и даже модулей памяти. Впрочем, о сроках практического применения системы исследователи пока умалчивают.

Достижения в области совершенствования производственных технологий были далеко не единственными громкими открытиями уходящего года. Немало компаний и научных лабораторий представило ряд весьма интересных результатов в области фундаментальных открытий, способных существенно изменить представления об основах полупроводниковой технологии. К примеру, компания Intel на IDF ‘2004 в Сан-Хосе рассказала о создании первого высокоскоростного оптического канала передачи данных, все компоненты которого объединены в одном кремниевом чипе. Здесь стоит заметить, что по определению Intel, фотоника – это наука, которая изучает возможности использования света в области передачи информации. Давно известно, что оптические волокна способны нести множество каналов данных, отличающихся частотой. Теоретический предел передачи информации по одному оптическому волокну – более 100 трлн бит в секунду. Этого достаточно, например, чтобы обеспечить одновременно все телефонные разговоры на нашей планете. До сих пор наиболее существенным ограничением для использования кремния в оптических схемах была низкая скорость работы оптических приборов, реализованных на основе этого материала. Модуляторы на полупроводниковых соединениях и ниобате лития обладали лучшими скоростными характеристиками, чем их кремниевые аналоги, которые могли реально функционировать на частотах до 20 МГц. Достижение исследователей Intel состоит в том, что им удалось создать новый модулятор, основанный на структуре конденсатора из металл-оксидного полупроводника ( MO П), внедренного в кремниевый волновод, способный производить высокоскоростную оптическую модуляцию на частоте около 1 ГГц. Важно, что эта технология полностью совместима с традиционным техпроцессом создания комплиментарных полупроводников и делает возможным интеграцию кремниевых модуляторов в существующую электронику. Таким образом, экспериментально подтверждено: свет и электроника работают вместе. В итоге можно говорить о возможности достаточно быстро довести эту технологию до промышленного производства и, как следствие, ожидать существенного повышения скорости работы микросхем.

Сразу же после представления разработки Intel многие компании и исследовательские лаборатории продемонстрировали свои разработки, которые могли бы стать сопутствующими при внедрении оптических элементов в цепи процессоров. Пример — разработка исследователей из университета штата Иллинойс, создавших принципиально новое полупроводниковое устройство – светоизлучающий транзистор. Группа исследователей во главе с Ником Холоньяком-младшим (Nick Holonyak Jr.) и Милтоном Фенгом (Milton Feng) создала излучающий свет биполярный транзистор, который можно использовать в устройствах для обработки сигналов. Ученые полагают, что в перспективе на основе подобных устройств возможно создание интегральных микросхем, где в качестве среды для передачи информации применяются кванты света – фотоны. Светоизлучающий транзистор изготовлен из фосфида индия и галлия (indium gallium phosphide) и арсенида галлия (gallium arsenide). Свет излучается при рекомбинации электронов и дыр в базовом слое биполярного транзистора, а его интенсивность зависит от тока базы и легко поддается управлению и модуляции. Эффект рекомбинации электронов и дыр известен с первых дней существования полупроводниковых технологий, но поскольку ранее фотоны излучались лишь в инфракрасном диапазоне, этот эффект считался паразитным, и использовать его пока никому не удавалось.

Ученые также сообщают, что с помощью таких светоизлучающих транзисторов можно получать модулированный свет с фазой, совпадающей с фазой электрического сигнала, на частотах до 1 МГц. Предстоит еще ответить на вопрос, насколько хорошо будут работать светоизлучающие транзисторы на более высоких частотах. И по всей вероятности, появятся новые способы их применения (например, гибридные фотон-электронные устройства).

А раз уж зашел разговор о технологиях завтрашнего дня, нельзя не упомянуть о долгосрочных планах компании Intel (до 2020 года), о которых стало известно в ходе одного из недавних брифингов. Начиная с 2013 года Intel планирует интеграцию принципиально новых технологий, в том числе углеродных нанотрубок и кремниевых нанопроводников. В списке инновационных технологий-кандидатов на внедрение значатся уже не раз описанные нами транзисторы с тремя затворами, интерференционные и оптические, а также менее привычные спинтронные устройства. По данным компании Intel, ей уже удалось интегрировать углеродные нанотрубки в кремний и создать полевой транзистор на их основе. Длина такого транзистора составляет всего 5 нм. Следующий шаг — создание транзисторов на полупроводниковых нанотрубках, диаметр которых составляет лишь 1,4 нм. Так что с 2011 по 2019 год, если верить Intel, транзисторы будут создаваться на основе нанотрубок из кремния и углерода. Японская NEC, являющаяся, между прочим, владельцем патента на коммерческое использование углеродных нанотрубок, также собирается представить первый чип на нанотрубках к 2010 году. Так что готовимся к большим переменам!