Однако растущий интерес к альтернативным полупроводникам имеет и другую, более основательную причину. Дело в том что привычный кремний в скором времени рискует попросту не справиться с темпами эволюции полупроводниковой промышленности и по ряду причин физического свойства перестанет устраивать разработчиков новых чипов.

Множество разнообразных и даже экзотических потенциальных замен кремниевым полупроводникам – от графена и кремниевых нанотрубок до квантовых и ДНК-структур, освещается в прессе с завидной регулярностью, однако о сроках и причинах грядущей смерти кремния в качестве основы современной полупроводниковой промышленности сообщается достаточно мало. Эта публикация призвана пролить свет на ближайшие – порядка 10-15 лет, перспективы развития электроники и ответить на ряд ключевых вопросов.

Парадоксально, но высокодоходный многомиллиардный и один из наиболее интеллектуальных бизнесов современности – полупроводниковая промышленность, насчитывает от роду несколько десятков лет. Родившись в качестве подмножества электротехники, электроника быстро пережила "ламповый" период развития и уже в лабораториях Белла в 1947 году был изобретён транзистор – компактное полупроводниковое устройство с тремя (и более) электродами, способное управлять током и генерировать электрические колебания.

За считанные годы после изобретения транзистор превратился в универсальный строительный "кирпичик" электронного, а чуть позднее – и цифрового мира, став основным компонентом микросхем и процессоров. И если первое полностью полупроводниковое устройство, радиоприёмник Regency TR-1 образца 1954, было выполнено всего лишь на четырёх транзисторах, то представленный в 1960 году первый в мире портативный полупроводниковый телевизор Sony TV8-301 с 5-дюймовым экраном содержал 23 кремниевых и германиевых транзистора, а первый в мире процессор Intel 4004, выпущенный в 1971 году, состоял из 2300 транзисторов.

Дальше темпы развития электроники удобнее отслеживать по анонсам процессоров Intel. После появления в 1974 году 2 МГц процессоров Intel 8080 на базе 4500 транзисторов события стали развиваться с невиданным доселе ускорением: 1978 год – выпуск первого 16-битного процессора Intel 8086 на 29 тыс. транзисторов; 1982 год – полностью совместимый с предшественником процессор Intel 286 на 134 тыс. транзисторов; 1985 год – процессор Intel 386 на 275 тыс. транзисторов. И, наконец, год 1989 – 25 МГц процессор Intel 486, передвинувший планку сразу до отметки 1,2 миллиона транзисторов. В первом процессоре Pentium (1993 год) количество транзисторов превысило 3 миллиона.

Миллиардный рубеж был преодолён в 2006 году – 2-ядерные процессоры Intel Itanium 2 семейства 9000, выпускавшиеся с соблюдением норм 90-нм техпроцесса, содержат более 1,7 млрд. транзисторов.

Сегодня количество транзисторов в составе процессоров и графических чипов превышает миллиард даже в обычных настольных и портативных ПК. Никого не удивляет тот факт, что за первый приёмник на четырёх транзисторах 60 лет назад приходилось выкладывать $49,99, а сегодня каждый из миллиардов транзисторов настольного ПК обходится в десятки-сотни нанодолларов, а совсем скоро речь пойдёт о пикодолларах за один транзистор. Если бы авиапутешествия дешевели и становились быстрее с такой же скоростью, то авиарейс между Парижем и Нью-Йорком, обходившийся в 1978 году в $900 и занимавший порядка семи часов, обходился бы сегодня примерно в цент и длился бы не более секунды!

Кстати, первый транзистор, созданный в Bell Labs, помещался на ладони. Современные 32-нанометровые транзисторы в сотни раз меньше красной кровяной клетки человека.

Трудно сегодня сыскать на белом свете другую сферу человеческой деятельности, сравнимую по динамике и темпам развития с электроникой. Взять для примера хотя бы дебютировавший в 2000 году процессор Intel Pentium 4 на 42 млн. транзисторов и сравнить на его примере темпы развития разных отраслей промышленности. Если бы за прошедшие полвека автомобилестроение развивалось темпами электроники, сейчас расстояние от Москвы до Владивостока мы могли бы преодолевать за считанные секунды! Кстати о деньгах: если бы цены на автомобили падали с такой же скоростью, новый автомобиль мог бы стоить сегодня менее 1 цента.

На диаметре точки, стоящей в конце этого предложения (примерно 0,1 мм, или 100 тысяч нм), может уместиться 3 тысячи 32-нм транзисторов. Вот вам ещё несколько ориентиров: диаметр человеческого волоса примерно равен 90000 нм.

Суммарное количество транзисторов, произведённых в 2003 году, превысило астрономически огромное число, описываемое десяткой с 19 нулями - 10.000.000.000.000.000.000. Несметные количества обычно принято сравнивать с чем-либо бесконечным – числом звёзд, песчинок, но вы только представьте себе, что указанное выше число в 100 раз превышает количество всех муравьёв на планете Земля!

Ещё одна замечательная метафора – остриё иголки. Преодолевая барьер создания процессора с миллиардом транзисторов, физические размеры транзисторов уменьшили так, что на этом самом острие диаметром примерно 1,5 миллиона нанометров их может разместиться более 50 тысяч!

Можно без устали приводить примеры ошеломляющих темпов развития электроники, но, пожалуй, самым невероятным является факт предсказуемости этой динамики. Более того, существует закон, описывающий этот процесс, и называется он

Закон Мура

В далёком теперь 1965 году Гордон Мур (Gordon Moore), один из отцов-основателей компании Intel, смог гениально предсказать будущее электроники. Вкратце это предсказание, известное сегодня как Закон Мура (Moore’s Law) формулируется так:

Количество транзисторов в микросхемах будет удваиваться каждые два года

С тех пор прогноз Гордона Мура исполняется непостижимым образом: каждые два года экспоненциально удваивается число транзисторов в чипах, что ведёт к неуклонному росту вычислительной мощности полупроводников, экспоненциальному сокращению стоимости их производства.

На протяжении всей истории существования полупроводниковой электроники Закону Мура многократно предсказывался конец и забвение. Причины при этом всплывали самые разные – слишком уж малы размеры элементов транзисторов; велики токи утечки, слишком разогревавшие чип и многое другое, о чём мы поговорим немного ниже.

Но до сегодняшнего дня каждый раз учёным и технологам удавалось найти необходимые материалы, компоненты и условия для перехода на следующую ступень технологического процесса с ещё более прецизионными характеристиками.

На этом вступление к теме можно бы посчитать законченным, однако прежде чем переходить к проблемам, стоящим перед современным полупроводниковым производством, попробуем определиться, стоит ли овчинка выделки? Стоит ли затрачивать огромные силы и средства ради удвоения количества транзисторов в чипах каждые два года? Иными словами,

Так ли необходимо дальнейшее соблюдение Закона Мура?

Передо мной стоит ультрапортативный компьютер, выполненный на самых современных полупроводниковых компонентах. Даже в таком лёгком и компактном устройстве невозможно сосчитать количество транзисторов – ведь даже его цветной жидкокристаллический экран представляет собой тонкоплёночную транзисторную матрицу!

Казалось бы, чего ж ещё желать – живи и радуйся. Но… давайте позволим себе поворчать. Всем хороша машинка, но батарейки почему-то не хватает на пару суток автономной работы. Да и греется аппарат местами, что также не добавляет ему продолжительности работы. И, наконец, всегда найдутся приложения – игрушка ли, видеозапись, которые обязательно вызовут досаду своим "торможением".

Иными словами, даже самое идеальное и самое современное устройство всегда можно раскритиковать если не за габариты, то уж точно за чрезмерную "прожорливость", тепловыделение и недостаточную производительность.

Теперь посмотрим на этот вопрос шире. В плане недостатка вычислительной мощности и экономичности нам даже не придётся касаться ненасытных корпоративных нужд: давайте просто вспомним некоторые приложения, необходимые каждому, на каждом шагу, но реализация которых до сих пор попросту невозможна из-за недостаточно развитой электроники.

Многим из читателей уже приходилось сталкиваться с проблемами общения в чужой стране из-за незнания местного языка. Конечно, выручает международный язык жестов и хотя бы поверхностное знание одного из универсальных международных языков общения, но что если бы ваши слова переводились на местный язык в реальном времени, а вы в ответ слышали бы автоматический перевод? Заманчиво? Ещё как, сколько бы границ при этом пало и скольких бы недоразумений удалось избежать, не говоря уж об экономии времени и денег.

Также попробуйте представить системы автоматического сканирования лиц при входе в аэропорт, способные сверять их с базой данных террористов и блокировать подозрительных лиц при совпадении. Экономия времени в этом случае не менее ощутима чем значительный рост безопасности.

Автомобили с автоматическими шофёрами, которым достаточно назвать пункт назначения для доставки пассажира наиболее свободным, кратчайшим и безопасным маршрутом, также скоро могут перестать быть атрибутами лишь фантастических фильмов.

На самом же деле сегодня мы даже приблизительно не можем представить себе все возможные способы использования возросшей вычислительной мощности – до тех пор, пока эти возможности не появятся. Сейчас учёные лишь пытаются предсказывать развитие событий и составляют список задач, требующих вычислительных мощностей даже в полевых условиях. Одна из таких категорий - моделируемые условия, привычные для виртуальных миров, коллективных интерактивных игр, трехмерного кино. Словом, там, где визуальное представление данных и взаимодействие с реальным миром требуют обретения новых качеств, а использование моделей требует более интеллектуальных распределенных вычислительных технологий, инструментов генерации пользовательского трехмерного контента и технологий повышения эффективности мобильных устройств.

Другая насущная задача современности – так называемое "очувствление" виртуальности. То есть, объединение реального и цифрового миров, приобретение современными мобильными, портативными, стационарными компьютерами дополнительных "органами чувств". Чем больше разных датчиков и сенсоров –"окон" в реальный мир, тем больше возможностей преобразования аналоговой информации в цифровую, поддающуюся дальнейшей компьютерной обработке, систематизации и хранению, тем больше возможностей оказывать воздействие на жизнь человека.

Современные сенсоры и без того весьма разнообразны - GPS-приёмники, датчики состояния окружающей среды, видеосенсоры (от веб-камер до систем развития стволовых клеток и повреждения кожи), всевозможные "сенсоры-атомы", взаимодействующие с другими устройствами для формирования гибких физических образов. А динамически компонуемые вычисления позволят преодолеть ограничения ресурсов мобильных устройств – таких как небольшой размер экрана путем создания логической платформы с использованием ресурсов соседних устройств.

На повестке дня - интеллектуальные мобильные устройства с максимальными вычислительными, коммутационными и сенсорными свойствами, легко адаптируемые к проблемам, потребностям и окружению пользователя с помощью датчиков и анализа информации. Датчики могут собирать сколь угодно бесконечное количество данных, но одна из проблем, связанных с ними – точная интерпретация и понимание этих данных. Взять, например, идею мобильной системы контроля здоровья, позволяющую следить за состоянием своего здоровья, чтобы не лечить, а предупреждать болезнь. Такая мобильная платформа будет постоянно отслеживать состояние жизненно важных органов человека, а также записывать информацию о питании для поддержания хорошей физической формы и лучшего понимания соответствия активности и количества потребляемой пищи.

Как делают процессоры сегодня

Близятся времена, когда для дальнейшего соблюдения Закона Мура обычной эволюции технологий - даже с самыми гениальными инженерными ухищрениями, будет недостаточно. Времена эти по предварительным оценкам наступят сравнительно скоро – в 2010-х годах.

Почему об этом заговорили именно сейчас? Дело в том, что постоянный непрерывный прогресс в развитии полупроводников не мог не привести со временем к исчерпанию возможностей ряда инструментов, применяемых в технологическом производственном процессе, а новые инструменты в силу ограничений физических законов ещё не готовы или по той или иной причине не работают на практике.

Процесс создания чипа - дело трудоёмкое и хлопотное. Чем сложнее микросхема, тем большее количество этапов приходится на его изготовление. Например, осваивая новый, более точный техпроцесс, чипы статической памяти (SRAM) со сравнительно несложной структурой (относительно сложной архитектуры процессоров) обычно демонстрируют первыми, и лишь по прошествии определённого уровня удаётся изготовить полноценный процессор или так называемую "систему-в-чипе" (SoC, System-on-Chip).

Технология изготовления современного процессора на традиционной кремниевой подложке может включать до 300 стадий, но если не углубляться в дебри, основные этапы выглядят следующим образом.

Чипы производятся на поверхности тонких круглых пластин из чистейшего кремния путём многослойной обработки различными химикатами, газом и светом. Кремний для этой цели выбран не случайно, поскольку он относится к уникальному классу полупроводников – материалов, электрическая проводимость которых где-то между проводником и изолятором. Свойства кремния в процессе обработки могут быть изменены таким образом, что он становится или изолятором, препятствующим течению электрического тока, или проводником, пропускающим через себя электрический ток. Что касается физических размеров кремниевых пластин, используемых для масштабного производства, здесь всё логически понятно: чем больше диаметр пластины, тем выше выход готовых чипов с каждой пластины, и в то же время тем сложнее обрабатывать каждую пластину и снижать количество брака. До конца XX века в производстве преобладали пластины диаметром 200 мм (8 дюймов), однако на рубеже тысячелетий началось активное внедрение 300-мм (12-дюймовых) пластин. Сейчас многие компании активно разрабатывают планы использования 450-мм (15-дюймовых) пластин, однако на этом пути предстоит решить множество проблем до окончательного внедрения в массовое производство.

Физически процессор представляет собой миллионы или миллиарды транзисторов, объёдинённых между собой сверхтонкими алюминиевыми или медными проводниками. На практике процесс получения чипа сводится к созданию на поверхности чистой кремниевой пластины тонких слоёв различных материалов по точнейшим шаблонам. С учётом того, что речь идёт о формировании миллиардов элементов транзисторов, размеры которых составляют десятки и даже единицы нанометров, непосредственное нанесение этих элементов на пластину каким-либо физическим способом. Поэтому слои материалов осаждаются (или "выращиваются") на поверхности пластины, после чего ненужные материалы удаляются, и на поверхности остаётся лишь необходимое. Так на полированной поверхности кремниевой пластины под воздействием температуры "выращивается" изолирующий слой диоксида кремния, играющий одновременно роль затвора транзистора, с помощью которого регулируется прохождение тока.

Следующим в дело вступает процесс, называемый фотолитографией. Сначала на пластину наносится временный слой светочувствительного материала - "фоторезиста". С помощью ультрафиолета фоторезист экспонируется через специально подготовленный "трафарет" - "фотомаску", благодаря чему "засвечиваются" определённые участки фоторезиста. После этого экспонированные участки фоторезиста удаляются (по аналогии с проявлением фотоплёнки), и под ними открываются участки нанесённого ранее диоксида кремния.

Далее открытые участки диоксида кремния удаляют с помощью процесса под названием "etching", наиболее близкий перевод которого на русский язык звучит как "сухое травление". После удаления оставшегося фоторезиста на поверхности пластины остаётся рельефный рисунок из диоксида кремния, на который с помощью дополнительных этапов фотолитографии и сухого травления наносятся дополнительные материалы – вроде токопроводящего поликристаллического кремния. И далее – новый слой со своим уникальным рисунком, в результате чего формируется трёхмерная структура кристалла микросхемы.

Лишь на словах всё это звучит просто. На практике в процессе изготовления чипа применяется множество различных этапов химической и физической обработки. Например, процесс "легирования", при котором экспонированные области кремниевой пластины бомбардируют "ионами" различных химических добавок с целью получения областей различной (p- и n-) проводимости. Также важен процесс создания специальных межслойных "окошек", заполняемых металлическим проводником (в последнее время – всё чаще медью, хотя ранее широко применялся алюминий) для создания электрических соединений между слоями.

Весь процесс создания трёхмерных многослойных "небоскрёбов" может повторяться несколько десятков раз и занимать период в несколько недель.

Далее производится процесс тестирования, сборки и корпусировки чипов, после чего они поступают в розницу или компаниям, которые используют полученные чипы для создания конечных электронных устройств.

Теперь вернёмся на несколько шагов назад и вспомним, о каких масштабах нынче идёт речь. В 2008 году ряд компаний объявил об успешной разработке 32-нанометрового технологического процесса, а 2009 можно назвать годом перехода на этот техпроцесс, наряду с широким промышленным освоением 45-нм норм. Так, например, ещё в 2008 году компанией Intel был продемонстрирован первый работающий модуль статической памяти (SRAM), выполненный с соблюдением норм 32-нм технологического процесса. Стоит отметить, что размер каждой ячейки такой памяти составляет всего лишь 0,182 квадратных микрометра, а площадь чипа, содержащего более 1,9 миллиардов транзисторов, составляет всего 118 квадратных миллиметров. Уже весной 2009 года 32-нанометровая технология была объявлена компанией Intel полностью готовой к массовому производству сложнейшей процессорной логики, в подтверждение чему был продемонстрирован первый работающий 32-нм процессор.

Стоит подчеркнуть, что определение "32-нанометровый технологический процесс" говорит о размерах затвора транзистора. То есть, при 32-нм технологических нормах размер затвора транзистора составляет эти самые 32 нанометра, а "шаг" транзисторов составляет примерно 112,5 нм. Кстати, ещё одна особенность Закона Мура, или, если хотите, следствие из него гласит о том, что размеры транзисторов продолжают уменьшаться в 0,7 раза каждые 2 года.

Если ширина затвора 32 нм пока что ещё хоть как-то звучит в качестве физической длины, то ширина зазора диэлектрика из диоксида кремния, располагаемого между кремниевой подложкой и затвором, уже на этапе разработки 45-нм техпроцесса составила всего 1,2 нанометра. Если вспомнить, что диаметр атома кремния составляет всего лишь 0,24 нм, мы приходим к совершенно невероятным выводам: толщина отдельных элементов современного транзистора сравнима с диаметрами несколькими атомов!

На практике разработчикам новых техпроцессов пришлось отказаться от использования диоксида кремния в качестве изолятора между подложкой и затвором. Дело в том, что при масштабах, оцениваемых диаметрами атомов, классический диоксид кремния уже не мог исполнять роль качественного диэлектрика: слишком тонкий его слой не способен эффективно снижать интенсивность квантово-механического туннельного перехода электронов через барьер. На практике это означает, что кроме того, что слишком тонкий слой диоксида кремния уже не гарантирует точное переключение транзисторного ключа, "токи утечки" через столь ненадёжный изолятор приводят к тому, что в масштабе всего чипа с его миллиардами транзисторов мы получаем самую настоящую печку, потребляющую неоправданно высокое количество энергии и выделяющую огромное количество побочного тепла.

В Intel в процессе разработки 45-нм и 32-нм технологических процессов эту проблему удалось решить заменой традиционного диэлектрика затвора на материал с высоким диэлектрическим коэффициентом (Hi-K) с добавками оксида гафния. Также было обнаружено, что для эффективного производства Hi-K диэлектриков на основе гафния необходимо изготавливать электрод затвора из другого материала: вместо поликристаллического кремния использовать металл.

Другая фундаментальная проблема полупроводникового производства – физические ограничения по использованию ультрафиолета в качестве источника света для экспозиции фоторезистов. Дело в том, что даже самые современные ультрафиолетовые инструменты с длиной волны далеко за пределами видимого фиолетового спектра, уже не в состоянии экспонировать фоторезист под масками, поскольку зазоры в этих масках слишком малы для прохождения "толстых" волн света.

В настоящее время для наиболее экспонирования наиболее критичных слоёв используются литографические инструменты "глубокого ультрафиолета" (DUV, Deep Ultraviolet) с длиной волны 193 нм, которые исчерпали свои возможности ещё в эпоху освоения 0,1 мкм барьера (90-нм техпроцесс). Все попытки создания лазеров для сканеров и степперов с меньшей длиной волны – 157 нм, несколько лет назад потерпели неудачу ввиду невозможности создания для таких экспозиционных систем надёжной оптики (у лучших образцов на базе фторсодержащих материалов в конце концов так и не удалось избавиться от эффекта двойного преломления и высокой гигроскопичности). Поэтому разработчикам до сих пор приходится бороться с дифракцией 193 нм лазеров совершенно фантастическим способом – применением оптики с высокой апертурой, созданием фотомасок с фазовым сдвигом и рядом других инженерных ухищрений.

Ещё на этапе разработки 65-нм техпроцесса фотомаска с фазовым сдвигом выглядела удивительно: шутка ли сказать, разработчикам пришлось решать сложнейшие оптические уравнения по обратному дифракционному преломлению света в "закоулках" стенок фотомаски.

Фотомаска для 32-нм техпроцесса и вовсе выглядит фантастически: если проводить аналогии, считайте, что перед вами поставлена задача нарисовать точнейший чертёж для курсового проекта с учётом толщины и насыщенности линий, но вместо заточенных карандашей или рейсфедеров с тушью вы получили кусок угля или мела. Тот самый случай, когда все фантасты мира просто "отдыхают" перед гениальностью инженерной мысли.

Помимо этого для разработки современных точнейших техпроцессов приходится применять ряд других ухищрений – таких как, например, двойное экспонирование, в результате которого получается действительно отчётливый рисунок канавок.

А также процесс иммерсионной литографии – то есть, литографии с применением специальной жидкости между оптикой и экспонируемой пластиной, позволяющей продолжить использование 193 нм излучения.

Ради дальнейшего использования кремниевых полупроводников для производства чипов в настоящее время ведутся поиски альтернативных инструментов для экспозиции фотомасок. Так, в лабораториях ряда компаний уже на протяжении нескольких лет проходят испытания установки с лазерами так называемого сверхглубокого ультрафиолета (EUV, Extreme Ultraviolet), с длиной волны порядка 13 нм. Это излучение уже гораздо ближе к рентгену нежели к свету в традиционном понимании, однако тут дело уже не в названиях и определениях, заработало бы.

К сожалению, с развитием EUV литографии дела обстоят не так радужно, как прогнозировалось несколько лет назад, на заре освоения этой технологии. До сих пор не разработаны достаточно мощные источники излучения - для промышленного производства необходима мощность порядка 50-100 Вт, стабильными пока получаются установки мощностью 10-20 Вт. До конца не определены материалы, подходящие в качестве "светочувствительных" фоторезистов. Список проблем можно продолжать, но факт остаётся фактом: технология EUV литографии по-прежнему далека от коммерциализации.

В настоящее время также обсуждается ряд других технологических приёмов для так называемой "литографии следующего поколения" (Next Generation Lithography, NGL), включая безмасочную литографию, нанопечать и улучшенную двухпроходную экспозицию. Однако всё это лишь отсрочит, но не отменит смерть полупроводникового кремния.

Будут ли нанотехнологии 2020 года "соблюдать" Закон Мура?

Теперь давайте взглянем на шкалу развития технологий выпуска кремниевых полупроводников на ближайшее обозримое будущее.

В лабораторных условиях с помощью оптической литографии учёным ещё в 2003 году удалось получить экспериментальный транзистор с шириной затвора 10 нм. Таким образом можно предполагать, что возможностей кремниевых полупроводников теоретически хватит ещё как минимум на два этапа эволюции технологии. Максимум на три. То есть, до 2015, от силы – до 2017 года.

А что же дальше?

А дальше наступит физический предел даже для "идеального" транзистора, функционирующего в совершенно идеальных условиях. Ибо при таких масштабах приходится оперировать с габаритами отдельных атомов и где классические приёмы уже не дают никакой гарантии стабильной работы, тем более в масштабе миллиардов электронных ключей чипа.

Итак, конец кремниевой эры полупроводниковой промышленности уже не за горами. Однако это совершенно не означает смерть самой полупроводниковой промышленности.

Сейчас учёные всего мира изучают различные свойства веществ с целью поиска достойной замены кремниевым полупроводникам. К таким свойствам можно отнести массу, заряд, спин различных веществ, их волновые и магнитные свойства.

Наконец, появление новых классов нановеществ с замечательными уникальными свойствами также сулит в ближайшем будущем много интересных открытий и находок, часть из которых, вполне возможно, удастся воплотить в массовое производство электроники нового поколения.