2006 г.

Кремниево-ядерный реактор,
Или говорим о проблеме нагрева в микросхемах

Александр Лось, Максим Федоров, "Экспресс-Электроника"

Великий маг и престидижитатор Кристобаль Хозевич Хунта из повести братьев Стругацких "Понедельник начинается в субботу" принципиально занимался решением только тех задач, которые не имели решения, поскольку все остальные он считал недостойными себя. Без сомнения, он с удовольствием занялся бы и решением задачи снижения тепловыделения в современных полупроводниковых микросхемах, ведь эта проблема всегда была одной из наиболее существенных при работе полупроводниковых устройств любой логики и размера, причем с каждым годом она становится все более актуальной. Как же с ней бороться?

О существовании эмпирического закона Гордона Мура (Gordon Moore) сегодня знают, или хотя бы слышали, многие. Далеко не все, правда, знают об условии, которое делает возможным его выполнение. Последнее является открытием Роберта Деннарда (Robert Dennard) из IBM и называется условием масштабирования MOSFET (Metal Oxide Silicon Field Effect Transistor). Суть его состоит в том, что если удерживать постоянное значение напряженности электрического поля при уменьшении размеров MOSFET, то параметры производительности улучшатся. Это значит, если, например, сократить длину затвора в n раз и одновременно во столько же раз понизить рабочее напряжение (значение напряженности при этом не изменится), время задержки логического элемента тоже уменьшится в n раз.

MOSFET-транзистор

Отсюда и жесткая зависимость размеров элементов интегральных микросхем от их производительности. Но, к сожалению, еще и от тепловыделения. Ведь с каждым годом транзисторы становятся все меньше, а значит, электронам приходится передвигаться по все более узким переходам, все более "энергично" сталкиваясь с атомами вещества,, способствуя тем выделению все большего количества теплоты. Кроме того, чем больше транзисторов размещается на единице площади, тем больше мощности они потребляют и, соответственно, тем больше выделяют энергии. Как тут не вспомнить замечание Патрика Гелсингера двухлетней давности (ныне занимающего пост генерального менеджера группы Intel по цифровым корпоративным технологиям), о том, что если продолжать использовать современные методы разработки процессоров, то к 2010 году процессоры будут вырабатывать больше тепла на квадратный миллиметр, чем ядерный реактор. Именно поэтому снижение тепловыделения современных процессоров наравне с повышением их производительности выходит сегодня на первый план. И создать производительный процессор на нынешний день недостаточно — не менее важной задачей оказывается приведение его работы к качественным энергохарактеристикам.

Собственно, масштабы проблемы ясны, самое время перейти к описанию идей по ее искоренению. Ну а начать, пожалуй, стоит со способов, не особо меняющих устои привычного производства полупроводниковых микросхем, а именно с тех, которые модифицируют используемые в производстве материалы. Но для лучшего понимания проблемы — еще немного теории.

Итак, если вновь обратиться к условию масштабирования MOSFET, то выяснится, что для минимизации размеров транзисторов помимо их самих необходимо также масштабировать и другие элементы прибора. Уменьшение длины затвора требует более тонких боковых стенок, менее глубоких истоковых и стоковых переходов и, что в данном случае является самым важным, — более тонкого диэлектрика затвора (двуокиси кремния). При технологических нормах 90 нм его толщина достигает 1,2 нм, что составляет всего пять атомных слоев. При дальнейшем уменьшении толщины слоя диэлектрика его изоляционные свойства значительно ухудшаются, и ток утечки, которым можно пренебречь при крупных габаритах элементов транзистора, становится недопустимо большим. Поэтому миниатюризация элементов микроэлектроники превращается в трудоемкую, а при достижении определенных размеров — практически не решаемую задачу.

Здесь же нужно отметить, что ток утечки является величиной, определяющей мощность, потребляемую в режиме ожидания или неактивном режиме, то есть активно сказывается на общем уровне энерговыделения микросхемы. Если потребляемая мощность в режиме ожидания в микросхемах, выполненных по 180-нм и 130-нм нормам, пренебрежимо мала по сравнению с общей мощностью, потребляемой в активном режиме, то использование существующих технологий в 65-нм и более "тонких" техпроцессах может привести к росту потребляемой мощности в режиме ожидания до уровня, превосходящего мощность, потребляемую в активном режиме.

Вообще, на величину тока утечки влияют три главных фактора: туннельные эффекты, приводящие к миграции электронов между затвором и стоком под потенциальным барьером, ток через изолятор затвора и индуцированный этим же эффектом ток стока. Наиболее решительно здесь можно влиять лишь на ток утечки, который определяется уровнем напряжения на изоляторе и его сопротивлением. Последнее находится в прямой зависимости электрической емкости пленки диэлектрика затвора от диэлектрической постоянной k материала, из которого он выполнен. Именно поэтому высокое значение k — столь желанный показатель для материалов.

Судите сами: если значение диэлектрической постоянной для двуокиси кремния составляет 3,9, то, используя другой материал с более высоким значением этого параметра, той же емкости на единицу площади можно достичь и при более толстой пленке и тем самым снизить ток утечки. Именно в таком направлении сегодня двигаются большинство исследователей. И надо сказать, небезрезультатно, так как существует большое количество пленок со значениями k выше, чем у двуокиси кремния (вплоть до 1400). Однако большая часть из них при соединении с кремнием, к сожалению, теряет термодинамическую устойчивость, а также ряд необходимых для производства транзисторов свойств. Поэтому для изготовления затвора необходимо использовать отличный от поликремния материал.

По многим причинам более эффективным оказывается сочетание диэлектрической пленки с высоким значением k и металлического затвора (high-k/metal-gate). Именно такой подход недавно удалось успешно реализовать исследователям из Intel. Применив новый сплав для изготовления затвора, они продемонстрировали высокопроизводительные КМОП-транзисторы со стеками high-k/metal-gate. Последние имеют физическую длину затвора 80 нм и толщину изолятора примерно 1,4 нм. По мнению разработчиков, эта технология позволит осуществить переход на технологические нормы 45 нм.

Структура обычного КМОП-транзистора и транзистора со стеком high-k/metal-gate

Что касается других реализаций пленок с высоким показателем k, к примеру, Texas Instruments уже более пяти лет работает с силикатами гафния и, по словам специалистов компании, смогла добиться весьма низких значений тока утечки. Как отмечают, такие изоляторы помогут удержать величину токов утечки в допустимых пределах при уменьшении размеров транзисторов в микросхемах. В Texas Instruments заявляют, что кремниевый оксинитрид гафния (HfSiON) обеспечивает необходимый уровень тепловой и электрической совместимости со стандартным КМОП-процессом, а также гарантирует приемлемый уровень подвижности носителей заряда (примерно 90% от аналогичного показателя для диоксида кремния) и стабильность порогового напряжения. В принципе, потенциал диэлектриков на основе гафния известен давно, сложность заключалась в подборе оптимального компонентного состава соединений, на решение этой задачи и были направлены усилия Texas Instruments.

Но по истине ошеломляющие результаты в экспериментах с силикатом гафния достигнуты компанией NEC. Как утверждается представителями компании NEC, ее сотрудникам удалось достичь тока утечки в 1,4 пА для полевых транзисторов структуры p-n-p и 0,3 пА для транзисторов типа n-p-n. Опять-таки по данным NEC, такая величина тока утечки в 30 раз меньше, чем у когда-либо достигнутых в индустрии, и это позволяет надеяться, что выполненные по новой технологии микросхемы будут работать от источников питания до 10 раз дольше.

Новая технология стала основой инициативы NEC Ultimate Low Power, направленной на внедрение энергосберегающих технологий в 65-нм и 45-нм технологические процессы, а в готовые продукты названная технология будет интегрирована уже в 2006 году.

Впрочем, на фоне оптимизма относительно перспектив материалов с высоким показателем k нельзя не отметить, что их использование порождает ряд побочных проблем. Например, считается, что это может привести к снижению подвижности носителей заряда и смещению порогового напряжения. На один из возможных механизмов снижения подвижности носителей заряда, вызванного генерацией "мягких" фононов, связанных с электронами в канале проводимости, указал в прошлом году Макс Фишетти (Max Fischetti), сотрудник IBM T.J. Watson Research Center. Он предсказал также значительное снижение тока утечки при использовании его методики, эффективность которой была подтверждена компанией Intel — ее специалистам удалось снизить обнаруженное IBM рассеяние фононов использованием затвора, состоящего из слоя нитрида титана поверх оксида гафния. Кроме того, частично бороться со снижением подвижности носителей заряда, благодаря которой транзисторы срабатывают значительно медленнее, помогает методика "напряженного кремния" (strained silicon).

На этой технологии остановимся подробнее, ведь в ближайшем будущем она должна стать базовой для полупроводникового производства, и уже сегодня активно внедряется в техпроцессы компанией Intel.

Идея "напряженного кремния" предельно проста. С целью обеспечения удовлетворительного уровня прохождения носителей заряда специалисты корпорации Intel решили в буквальном смысле растянуть кристаллическую решетку транзистора, чтобы увеличить расстояние между атомами и тем самым облегчить прохождение тока. Инженеры подразделения Logic Technology Development Division разработали два независимых способа растяжения кремния для разных типов транзисторов. Напомним, что существует два типа CMOS-транзисторов (CMOS, complimentary metal oxide semiconductor — полупроводниковая технология, применяемая при изготовлении всех логических микросхем, включая микропроцессоры и чипсеты): n-типа, обладающие электронной проводимостью, и p-типа — с дырочной проводимостью. Так вот, в NMOS-устройствах поверх транзистора в направлении движения электрического тока наносится слой нитрида кремния (Si3N4), в результате чего кремниевая кристаллическая решетка растягивается. В PMOS-устройствах растяжение достигается за счет нанесения слоя SiGe в зоне образования переносчиков тока — здесь решетка сжимается в направлении движения электрического тока, поэтому "дырочный" ток течет свободнее. В первом случае прохождение тока облегчается на 10%, во втором — на 25%.

Последняя интерпретация технологии "напряженного кремния" компании Intel позволила улучшить рабочий ток транзисторов на 30%, тогда как ранее оговаривались 10–20%. Причем токи утечки новых 65-нм транзисторов при том же рабочем токе уменьшены вчетверо, так что можно ожидать улучшенного показателя TDP для новых процессоров, и как следствие, уменьшения размеров охлаждающих их систем.

Методика "напряженного кремния"

Не менее интересна идея улучшения производительности транзисторов, а заодно и их термохарактеристик, предложенная компанией AMD. В ее основе лежат весьма интересные методы борьбы с токами утечки. В AMD уже сообщали о создании двухзатворного транзистора, но около года назад компания Intel продемонстрировала транзистор с тремя затворами. Дошла очередь до трехзатворного транзистора и в AMD. В новой разработке компании объединены несколько перспективных технологий. Во-первых, для создания токопроводящего канала транзистора используется технология "полностью обедненного кремния-на-изоляторе" (Fully Depleted SOI, FDSOI). Во-вторых, новые транзисторы будут использовать металлические затворы (изготовленные из силицида никеля (NiSi) вместо поликристаллического кремния) Ко всему прочему, транзисторы будут иметь "локально напряженный" канал:. с трех сторон он окружен затворами, выполненными из силицида никеля. Этот металлосодержащий материал обеспечивает лучшие характеристики по сравнению с традиционным кремнием. Подобный подход гарантирует более чем двукратное увеличение быстродействия. Особенностью SOI-технологий AMD является малая диэлектрическая проницаемость изолирующих пленок, в то время как Intel работает с пленками с высокой диэлектрической проницаемостью.

Использование силицида никеля для создания затворов приводит к возникновению дефектов в кристаллической решетке кремния в токопроводящем канале. Наличие их 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 позволяет улучшить характеристики транзистора: увеличить ток в открытом состоянии и уменьшить в закрытом; повысить скорость переключения транзистора и, в конечном итоге, повысить производительность всей интегральной схемы.

Говоря о "деформированном кремнии" нельзя не упомянуть об аналогичных технологиях полупроводникового энергосбережения компании IBM. Одна из них была использована при создании транзистора, в котором используется "напряженный кремний, размещенный непосредственно на изоляторе" (strained silicon directly on insulator, SSDOI). Это, по утверждению специалистов компании, позволяет добиться повышения быстродействия с одновременным устранением проблем, связанных с массовым производством.

Структура SSDOI создана при помощи переноса напряженного кремния, выращенного посредством эпитаксиального метода (слой за слоем) на ненапряженном SiGe, на слой оксида кремния. Перед окончательным изготовлением микросхемы слой SiGe был удален. Напряженное состояние слоя кремния было сохранено после выполнения циклов переноса слоев и термической обработки. Увеличение подвижности электронов и "дырок" было подтверждено при помощи тестирования MOSFET-транзисторов (полевые МОП-транзисторы), изготовленных по технологии SSDOI.

Технология SSDOI

По мнению представителей IBM, новая технология позволит добиться 80%-ного снижения энергопотребления или четырехкратного прироста быстродействия в сравнении с наиболее передовыми существующими решениями.

Впрочем, модернизация материалов, используемых при производстве микросхем, — не единственный путь повышения привлекательности энергетических характеристик процессоров. Например, исследователи Intel ведут разработки в области новых материалов и материалов непосредственно для самих транзисторов. Так, в феврале 2005 года инженеры Intel и британской компании QinetiQ предложили новый тип транзисторов, функционирование которых основано на эффекте "квантовой ямы", для изготовления которых служит новый материал — антимонид индия (InSb). В отличие от традиционных транзисторов (в нормальном состоянии они закрыты и при работе открываются положительным потенциалом), созданные Intel и QinetiQ в нормальном состоянии открыты и при работе запираются отрицательным потенциалом.

Согласно заявлению фирм, чипы на основе указанной технологии при том же энергопотреблении, что у нынешних микросхем, имеют трехкратное преимущество в быстродействии, или при той же производительности являются в 10 раз экономичнее.

Впрочем, к проблеме снижения энерговыделения можно подойти и с другой стороны. Например, как исследователи из лаборатории изучения цепей корпорации Intel: под руководством Рэма Кришнамурти (Ram Krishnamurty) они идут "путем медиков" — берутся не лечить болезнь, а устранить ее причину.

Исследуя проблему высокого нагрева процессоров Intel Pentium 4, команда Рэма Кришнамурти решила разобраться, какие конкретно участки производимого их компанией микропроцессора выделяют больше тепла, а какие — меньше. С этой целью они использовали широко известную технологию "тепловидения". В результате специалисты обнаружили, что до пугающих любого пользователя 125 °С нагревается лишь небольшой участок процессора — ALU (Arithmetic and Logic Unit, элемент для логических и арифметических операций), тогда как вся остальная часть, включая кэш-память, нормально функционирует при вполне приемлемой для кристалла температуре не выше 65 °С.

Решением проблемы тепловыделения может стать оптимизация расположения "горячих" элементов по кристаллу чипа, или более ровное их распространение по его площади. Кроме того, как это произошло в случае с "горячими" ALU процессора Pentium 4, разработчикам удалось переработать "электрическую" схему блоков ALU таким образом, что тепловыделение группы транзисторов, составляющих их, снизилось в 4 раза.

Еще более интересных результатов в сфере пространственного размещения блоков микросхем достигла Tezzaron Semiconductor, "склеившая" чип микроконтроллера (по технологии FaStack) с оперативной памятью SRAM. В конце прошлого года Tezzaron сообщила о разработке шести прототипов, позволяющих, по ее словам, добиться снижения энергопотребления на 90% (вследствие уменьшения длины внутренних соединений) по сравнению с аналогичными двухмерными чипами. Технология Tezzaron интересна еще тем, что в отличие от, например, аналогичной разработки Samsung, также "склеивающей" флэш-память в MCP-микросхемы (MCP, Multi-Chip Package), ее подход позволяет соединять в одной микросхеме чипы, выполненные по разным технологическим процессам и даже из разных материалов. А это может оказаться очень кстати для производителей модулей беспроводной связи, ищущих пути упрощения производства.

Кстати, у Intel, также активно интегрирующей в свои процессоры ячейки памяти (они образуют кэш процессоров), имеется еще один подход к проблеме объединения кристаллов SRAM с логической частью чипов. В техпроцессе P1264 используются так называемые спящие транзисторы, которые отключают питание отдельных блоков памяти при их бездействии. Результат внедрения — троекратное уменьшение утечки кристалла SRAM, что само по себе немало, особенно если учесть, что кэши процессоров, согласно планам развития продуктов Intel, будут активно увеличиваться.

Подход из области "технологий будущего" предлагает группа инженеров из Purdue University. Они недавно запатентовали принципиально новую технологию охлаждения чипов, использующую углеродные нанотрубки и в нано-масштабе повторяющую электрические процессы во время грозы.

Принцип названной технологии заключается в том, что цепочка углеродных нанотрубок подвергается воздействию отрицательного электрического заряда, в результате чего происходит излучение электронов, облако которых, перемещаясь между двумя противоположно заряженными электродами, приводит к образованию холодного потока воздуха, который и охлаждает горячую микросхему.

Однако несмотря на кажущуюся простоту, описанная выше технология еще далека от выхода за пределы исследовательских лабораторий, поэтому говорить о какой-либо ее коммерческой эксплуатации придется нескоро. Следующим шагом разработчиков станет создание прототипа охлаждающего устройства, встраиваемого, судя по всему, в сам чип, поиск наиболее подходящих материалов и решение различных технических проблем, таких как статическое электричество, возникающее в результате описанных процессов. А это значит, что производители вентиляторов и водяных систем охлаждения могут спать спокойно — ввиду постоянно растущего тепловыделения современных микросхем спрос на их решения будет только расти.

В статье использованы открытые материалы компании Intel.