Krzem, krzemogerman, InGaAs, a może nanorurki węglowe, czyli przyszłość branży półprzewodników

Tempo rozwoju przemysłu półprzewodnikowego zostało przepowiedziane już w 1965 roku przez Gordona Moore'a, który jest jednym z założycieli firmy Intel. Na jego cześć zależność, zgodnie z którą liczba tranzystorów w układach scalonych podwaja się średnio co 18-24 miesiące, została nazwana prawem Moore'a.

Samospełniająca się przepowiednia

To, że gęstość upakowania układów scalonych okresowo się zwiększa, Moore zauważył, kiedy pracował jako dyrektor ds. badań i rozwoju w firmie Fairchild Semiconductor. Spostrzeżenie to opisał w zaledwie kilkustronicowym artykule opublikowanym w jednym z amerykańskich pism branżowych, przez które został poproszony o podzielenie się z czytelnikami przemyśleniami na temat przyszłości przemysłu półprzewodnikowego.

Moore wielokrotnie podkreślał w wywiadach, że nie spodziewał się wtedy, że jego przewidywania okażą się tak precyzyjne ani że będą się sprawdzać tak długo. Tymczasem z upływem lat stały się one sztandarowym przykładem samospełniającej się przepowiedni. Cel, jaki Moore nieświadomie postawił przed producentami układów scalonych, wpłynął na nich bowiem tak silnie, że wciąż nie ustają w dążeniach do jego realizacji.

Trwa odliczanie do końca

Mimo że prognoza współzałożyciela Intela do tej pory się spełnia, co jakiś czas pytanie postawione w tytule artykułu jest ponawiane. Średnio co kilka lat pojawiają się również publikacje ogłaszające definitywny koniec obowiązywania prawa Moore'a.

Co ciekawe, w gronie autorów takich opinii znalazł się nawet... sam autor. W 2007 roku stwierdził on, że prawo jego imienia przestanie obowiązywać prawdopodobnie już za około 10, a najpóźniej za 15 lat.

Takie pesymistyczne przewidywania przeważnie zaczynają być masowo upubliczniane wówczas, gdy zbliża się kres możliwości danej technologii produkcji i/lub wtedy, gdy już niewiele brakuje, żeby przekroczono granice właściwości jakiegoś materiału. Przez sceptyków automatycznie taki moment utożsamiany jest z niemożliwością dalszej miniaturyzacji. Co do zasady trudno jest odmówić im racji, bowiem praw fizyki nie da się oszukać. Można to wyjaśnić na przykładzie krzemu.

Symbioza

Z tego materiału nie można wykonywać tranzystorów, w których bramka będzie cieńsza niż kilka nanometrów. W przypadku węższych struktur zaczynają bowiem obowiązywać prawa mechaniki kwantowej. W wyniku zjawiska tunelowania kwantowego ma wówczas miejsce swobodny przepływ elektronów, na skutek którego tranzystory mogą się przełączać w niekontrolowany sposób.

Do tej pory jednak, dzięki staraniom producentów półprzewodników, systematycznie udawało się pokonywać kolejne granice miniaturyzacji. Warto przy tej okazji podkreślić wzajemną zależność, która łączy tę branżę z wieloma gałęziami nauki oraz techniki.

Chociaż bezsprzecznie nieustające zwiększanie gęstości upakowania tranzystorów w układach scalonych w tempie regulowanym prawem Moore'a nie byłoby możliwy bez przełomowych odkryć w zakresie inżynierii, fizyki czy chemii, jednak w pierwszej kolejności do wielu z nich w ogóle by nie doszło, gdyby producenci półprzewodników nie przeznaczali ogromnych środków finansowych, liczonych w miliardach dolarów rocznie, na prace badawczo-rozwojowe.

Mapa drogowa branży półprzewodników

Obecnie stoimy w obliczu kolejnego technologicznego przełomu. Przewidywania na ten temat zostały przestawione w dokumencie pt. 2015 International Technology Roadmap for Semiconductors (ITRS).

ITRS zostało opublikowane w połowie zeszłego roku. Z opracowaniem tym można się zapoznać, bezpłatnie, na stronie internetowej organizacji Semiconductor Industry Association (SIA), pod adresem www.semiconductors.org.

Mapy drogowe ITRS są publikowane okresowo już od 1993 roku. Wśród ich autorów i sponsorów są czołowi producenci z branży półprzewodnikowej oraz organizacje ich zrzeszające, działające w różnych częściach świata, m.in. SIA, która reprezentuje amerykański przemysł półprzewodnikowy, European Semiconductor Industry Association, Korea Semiconductor Industry Association i Japan Electronics and Information Technology Industries Association.

Celem autorów kolejnych edycji International Technology Roadmap for Semiconductors jest wskazanie najbardziej perspektywicznych materiałów, procesów, technologii, urządzeń czy koncepcji. Taka analiza ułatwia producentom podjęcie decyzji, w które z rozwiązań powinni zainwestować w najbliższej przyszłości. Jak się okazuje, wielu z nich rzeczywiście planując wydatki na prace badawczo-rozwojowe, opiera się na wnioskach z raportów ITRS.

Przewidywanie przyszłości

Przykładowo, kilka lat temu głośno było o grafenie i nanorurkach węglowych. Około siedmiu lat temu okrzyknięto je nawet mianem materiałów przyszłości elektroniki. Faktycznie, pod względem właściwości takich jak przewodnictwo elektryczne, cieplne, lekkość, wytrzymałość, przewyższają one inne materiały. Pozwala to mieć nadzieję, że kiedyś odmienią przemysł elektroniczny. Ówczesna analiza ITRS była jednak wobec grafenu i nanorurek raczej sceptyczna.

W dokumencie 2011 International Technology Roadmap for Semiconductors przewidywano, że minie przynajmniej od 10 do 15 lat, zanim będzie można produkować z nich układy scalone na masową skalę. Za to w przypadku germanu i półprzewodników z grup III-V, takich jak na przykład InGaAs, prognoza ta była znacznie przychylniejsza. Przepowiadano wtedy, że komercjalizacja technologii produkcji z tych materiałów możliwa będzie już za od 5 do 10 lat.

IBM pionierem

W rezultacie czołowi producenci z branży półprzewodników zdecydowali się zainwestować w badania nad tymi materiałami. Na przykład IBM w połowie 2014 roku ogłosiło, że przeznaczy w ciągu kolejnych pięciu lat środki w wysokości 3 mld dolarów m.in. na prace nie tylko nad będącymi "na topie" grafenem oraz nanorurkami węglowymi, ale również półprzewodnikami z grup III-V, jako potencjalnymi zamiennikami krzemu, który pod względem ruchliwości elektronów przewyższają one aż o rząd wielkości.

W 2015 roku zainteresowanie tymi materiałami potwierdził również Intel. Z kolei IBM, też w 2015 roku, we współpracy z GlobalFoundries, Samsungiem, STMicroelectronics i Colleges of Nanoscale Science and Engineering przy SUNY Polytechnic Institute, wyprodukowało pierwszy na świecie testowy układ scalony w technologii 7 nm. Zbudowano go z tranzystorów z kanałem z SiGe (krzemogermanu).

Rys. 1. Ewolucja struktury tranzystora MOS na przestrzeni lat

Ostatni taki raport

Jak poinformował wówczas IBM w komunikacie ogłaszającym osiągnięcie granicy 7 nm, dzięki tej technologii możliwe będzie umieszczenie ponad 20 mld tranzystorów w jednym układzie scalonym o wielkości paznokcia. Kiedy zestawimy to osiągnięcie z oczekiwaniami, jakie w swoim przełomowym artykule przedstawił Gordon Moore, najlepiej uwidacznia się skok technologiczny, jaki wykonała branża półprzewodników w minionym półwieczu. We wstępie do swojej publikacji napisał on bowiem, że w 1975 roku opłacalne będzie umieszczenie "aż" 65 tysięcy komponentów elektronicznych na powierzchni o polu równym jednej czwartej cala kwadratowego.

Warto przy okazji wspomnieć o tym, że, abstrahując od prawa Moore'a, coś się jednak kończy - najnowsza edycja ITRS będzie bowiem zarazem ostatnią. Wynika to stąd, że drogi organizacji SIA oraz innych stowarzyszeń współtworzących te raporty rozchodzą się.

Zmiana nie tylko organizacyjna

W rezultacie ta pierwsza będzie analizować trendy w przemyśle półprzewodnikowym we współpracy z amerykańskim konsorcjum badawczym Semiconductor Research Corporation. Pozostałe natomiast zamierzają opracowywać kolejne mapy drogowe pod auspicjami organizacji IEEE.

Wydawać by się mogło, że zmiana ta ma charakter wyłącznie organizacyjny. Tak jednak nie jest, bo jej wymiar jest znacznie szerszy i odzwierciedla przemianę, jaka na przestrzeni lat zaszła w przemyśle półprzewodnikowym. W porównaniu do lat 90., kiedy działało w nim około dwudziestu firm, obecnie, ze względu na trudności i duże koszty produkcji, bardzo się on skonsolidował, przez co pozostała w nim już tylko garstka firm.

Te natomiast, zamiast wspólnie ustalać priorytety, coraz częściej wolą, ze względu na nasilającą się konkurencję, działać na własną rękę. Nie bez znaczenia jest też fakt, że to coraz częściej odbiorcy, firmy takie jak Apple czy Google, a raczej nowe zastosowania, takie jak Internet Rzeczy, chmury obliczeniowe czy gadżety elektroniczne, a wcale nie producenci z tej branży, zaczynają dyktować kierunki jej rozwoju.

Co nas czeka po 2021?

Wracając jednak do ostatniej edycji raportu ITRS, najważniejszy wniosek, jaki z niego płynie to to, że po 2021 roku miniaturyzacja w dotychczasowej formie nie będzie się już opłacać. W zamian na znaczeniu będą zyskiwać inne metody zwiększania gęstości upakowania układów scalonych, polegające przede wszystkim, nie jak to było do tej pory na manipulowaniu rozmiarami tranzystorów w płaszczyźnie poziomej, lecz na zmienianiu ich w płaszczyźnie pionowej i budowaniu obwodów wielowarstwowych 3D.

W takim podejściu można dostrzec podobieństwo do sposobu, w jaki rozwiązano problem z brakiem miejsca w gęsto zaludnionych regionach świata. W miastach takich jak na przykład Nowy Jork czy Tokio, gdy zaczęło brakować powierzchni, którą można by zagospodarować, też zaczęto wykorzystać nieużywaną przestrzeń... budując drapacze chmur.

Żegnajcie FinFET-y, witajcie GAAFET-y

W najnowszej edycji publikacji ITRS przewiduje się również, że stopniowo na znaczeniu tracić będą tranzystory FinFET, których zbudowanie było pierwszym krokiem w ewolucji konstrukcji planarnych w kierunku tranzystorów 3D. Nazwę zawdzięczają one użebrowanej strukturze kanału, który jest otoczony przez bramkę z trzech stron.

Po raz pierwszy układy scalone w oparciu o tranzystory FinFET zostały wprowadzone do produkcji na masową skalę przez Intela w technologii 22 nm. W ślady tej firmy wkrótce poszli inni producenci, jak TSMC w procesie 16 nm oraz Samsung i GlobalFoundries w procesie 14 nm.

Po 2020 roku tranzystory FinFET mają zostać zastąpione przez nową konstrukcję typu GAA (Gate-All-Around). W tym przypadku bramka ma otaczać kanał z czterech stron.

Sukces IBM

Pierwsze testowe układy scalone zbudowane z tranzystorów GAAFET zostały już wyprodukowane. W połowie 2017 roku udało się to osiągnąć firmie IBM, we współpracy z Samsungiem oraz GlobalFoundries, w technologii 5 nm.

Co ciekawe, tranzystory GAAFET zostały wykonane przez IBM jako struktury znów w wersji 2D. Tranzystor tego typu można sobie bowiem wyobrazić jako tranzystor FinFET obrócony o 90º. W związku z tym, kanał w jego przypadku nie ma postaci pionowego żebra, lecz raczej poziomego żebra, inaczej nanokabla (nanowires) albo nanopłytki (nanosheet) (w zależności od szerokości), rozciągniętego/rozciągniętej pomiędzy źródłem a drenem.

W przypadku konstrukcji IBM są to akurat trzy nanopłytki, umieszczone jedna na drugiej, między źródłem a drenem. Przestrzeń pomiędzy, tzn. dookoła nanopłytek, jest wypełniona materiałem bramki. Producent deklaruje, że w porównaniu do opisywanego wcześniej układu scalonego wykonanego w technologii 7 nm na powierzchni o analogicznym rozmiarze możliwe było zmieszczenie o 10 mld więcej tranzystorów.

Oszczędność paliwa a prawo Moore'a

Przedstawiciele Intela, powołując się na prawo Moore'a, podkreślają wyjątkowość przemysłu półprzewodnikowego, który już przez ponad pół wieku, jak żaden inny, rozwija się w tempie wykładniczym. Aby uzmysłowić wszystkim, jak szybki jest to postęp, zestawiają oni tę branżę przykładowo z przemysłem motoryzacyjnym.

Według nich, gdyby w analogicznym tempie rozwijano konstrukcje silników, przez całe życie każdy człowiek na jazdę samochodem zużyłby zaledwie 4 litry! paliwa. Co więcej, podróż na Księżyc trwałaby tylko 60 sekund, zaś z Tajpej do Nowego Jorku można by się przemieścić w czasie o połowę krótszym.

Biorąc zatem pod uwagę to, że rozwój w tempie narzucanym przez prawo Moore'a jest wyróżnikiem branży półprzewodnikowej, można by zaryzykować postawienie tezy, że jego kontynuowanie stawia ona sobie za punkt honoru. Powód jest chyba jednak bardziej prozaiczny.

Podsumowanie

Według przedstawicieli Intela prognoza sformułowana przez Gordona Moore'a powinna być bowiem interpretowana przede wszystkim jako prawo ekonomiczne. Uzasadnieniem dla tej oceny jest fakt, że podwajając liczbę tranzystorów umieszczonych na powierzchni o określonym rozmiarze, w konsekwencji zmniejsza się rozmiar układu scalonego, też o połowę. To zaś z kolei w takim samym stopniu zmniejsza jego koszt.

W związku z tym, zwyczajnie się to opłaca. Najlepszym podsumowaniem aktualnej sytuacji w przemyśle półprzewodnikowym, a zarazem odpowiedzią na tytułowe pytanie, niech będzie cytat z publikacji 2015 International Technology Roadmap for Semiconductors, w której napisano: "Moore's Law is dead, long live Moore's Law".

Monika Jaworowska