Kierunek Z

Obawy te nie są bezzasadne, gdyż w przypadku najnowszego procesu 22nm grubość warstwy tlenku krzemu izolującego bramkę tranzystorów MOSFET wynosi mniej więcej tyle, ile zajmuje 40 warstw atomów w krysztale, co powoduje dotkliwe problemy z prądem upływu bramki, koniecznością zmniejszania napięcia zasilającego zwiększającą podatność układów cyfrowych na zakłócenia, pogarszającym się uzyskiem produkcji i w konsekwencji lawinowo wzrastającymi kosztami.

Zdaniem specjalistów, ku rozpaczy fanów prawa Moore’a, splot takich niekorzystnych zjawisk zatrzyma rozwój technologiczny na poziomie 16nm, czyli już za kilka lat. Taka nieodległa perspektywa budzi zrozumiały niepokój, gdyż w naturalny sposób postępująca miniaturyzacja jest nośnikiem postępu w całej elektronice, a z drugiej strony mimo wielu zapowiedzi i rewolucyjnych odkryć, nie ma żadnej innej sensownej alternatywy dla krzemu.

Oczywiście na rynku pojawiają się nowe rozwiązania zapewniające większą możliwość scalania, czego przykładem mogą być układy wielostrukturowe zawierające kilka struktur połączonych w jednej obudowie, niemniej każde z nich ma jakieś wady i jest traktowane jako przejściowe, niepełne i na pewno nie docelowe. Przy ogromnych kosztach, jakie trzeba ponieść na sprzęt technologiczny do produkcji półprzewodników, producenci nie spieszą się także z wprowadzaniem nowości, gdyż ryzyko trafienia w coś, co się nie przyjmie, jest spore. Wolą naturalnie rozwijać to, co znają, walcząc z wieloma dotkliwymi ograniczeniami, bazując na doświadczeniu oraz posiadanych urządzeniach.

Z tym większym zadowoleniem należy przyjąć informację, że po kilku latach prób przemysł półprzewodnikowy wypracował takie rozwiązanie, które uznane zostało za technologię spełniającą wszystkie oczekiwania i wolną od większości wad. Rozwiązanie to, będące podsumowaniem prac prowadzonych od ponad pięciu lat, zostało przedstawione na wspólnej konferencji przez przedstawicieli wielkich firm jak Intel, NEC, NXP, Samsung, ST Micro, którzy zaangażowali się w badania i rozwój w tej tematyce.

Zostało ono zaliczone przez firmy analityczne takie jak Frost & Sullivan i Yole Development do grona dziesięciu nadchodzących technologii, w które warto inwestować. Ratunek dla elektroniki ma przynieść 3D TSV, czyli technologia spiętrzania polegająca na rozbudowywaniu chipów półprzewodnikowych w pionie, które realizuje się poprzez „naklejenie” na siebie kilku jednakowych struktur tak, że całość przypomina wielowarstwową „kanapkę”. Dolna struktura jest trochę grubsza od cienkich pozostałych warstw, aby zapewnić stabilność mechaniczną.

Wyróżniającą cechą tego rozwiązania jest to, że poszczególne struktury scalone są tych samych rozmiarów, a połączenia między nimi wykonywane są za pomocą metalizowanych przelotek TSV (Th rough Silicon Via). Z zewnątrz spiętrzony gotowy układ scalony wygląda podobnie jak tradycyjny. Spiętrzanie, czyli innymi słowy rozbudowa układu wzdłuż osi z, pozwala zwiększać stopień integracji i złożoności układów scalonych w ramach dotychczasowych osiągnięć technologicznych.

Niemniej przelotki wewnątrz krzemu eliminują potrzebę bondingu, jak w układach zawierających wiele struktur w obudowie (MCM) i pozwalają stosować bardzo ciasne i niskie obudowy bez wyprowadzeń metalowych, w których podłączenia realizuje się za pomocą pól kontaktowych na dole krzemowej płytki. Sklejanie układu z kilku struktur to też możliwość mieszania różnych technologii w obrębie jednego układu scalonego, np. CMOS z BiMOS, układów analogowych z cyfrowymi itp. Przelotki w miejsce długich drutów bondingu to także sposób na zapewnienie dużej szybkości działania, w których magistrale komunikacyjne są bardzo krótkie.

Mimo wielu niepokojów wiadomo było, że jakieś wyjście musi się znaleźć. Niemniej mało kto spodziewał się, że przemysł wspólnie wypracuje i zaakceptuje rozwiązanie tak proste, eleganckie i dające fantastyczne możliwości integracji. Zafascynowany wyjątkowym konsensusem przemysłu w tej sprawie otwierający konferencję wymienionych firm Ho-Ning Tong zacytował Wiktora Hugo: „Nie ma na świecie nic równie potężnego jak pomysł, którego czas właśnie nadszedł”, co doskonale oddaje nastrój panujący w branży.

Robert Magdziak