IBM pokazuje krzemowy czip 5 nm – tam na dole jest jeszcze dużo miejsca

Ciężko jest być prorokiem w branży komputerowej. Jeszczedziesięć lat temu eksperci Intela pracowali nad innowacyjnąlitografią 32 nm, skarżąc się na problemy z efektami kwantowymi isugerując, że praktyczną granicą miniaturyzacji w krzemie będzie16 nm lub 11 nm. Dalszy postęp miała zapewnić optoelektronika,arsenek galu i inne egzotyczne rozwiązania. Tymczasem mamy rok 2017,a eksperci IBM Research, współpracujący z Samsungiem i GlobalFoundries, zaprezentowali pierwszy czip wykonany w procesie 5 nm. Toczysto krzemowy czip, żadnego arsenku galu, żadnych optycznychprzełączników.

Taki postęp w miniaturyzacji udało się uzyskać za sprawądwóch technologii. Pierwszym jest praktyczne zastosowanie litografiiw ekstremalnie dalekim ultrafiolecie (EUV). Eksperymentalne procesynaświetlania, w których wykorzystuje się promieniowanie o długościfali w zakresie od dalekiego ultrafioletu do nawet miękkiegopromieniowania rentgenowskiego, były ogromnym wyzwaniem dlaprzemysłu – wszystkie dotychczas używane elementy optyczne niemiały tu zastosowania, bo i materiały z których wykonywanosoczewki pochłaniały promieniowanie. Układy optyczne trzeba byłowięc budować w postaci skomplikowanych systemów luster z mieszankimolibdenowo-krzemowej (reflektorówBragga).

Dopiero w 2016 roku na rynku pojawiły się systemy do litografiiEUV, produkcji holenderskiej firmy ASML, które nadawały się nietylko do eksperymentów w laboratoriach. Wykorzystując światło odługości fali 13,5 nanometrów, pozwalają wielokrotnie zmniejszyćliczbę etapów wzorowania (patterningu), zmniejszając liczbępotencjalnych błędów i oczywiście koszty produkcji. Użycie ich wprocesie litografii czipu IBM każe sądzić, że zakończyliśmywreszce epokę, w której EUV było tuż za rogiem, nadchodziło,nadchodziło i nadejść nie mogło. Przykładowo, taki systemNXE:3300B,w którym wykorzystuje się źródło światła o mocy 250 W iwydajności przekraczającej 125 krzemowych wafli na godzinę – tojuż jest poziom przemysłowej produkcji.

O litografii EUV słyszymy jednak od lat. Tranzystory GAAFET (GateAll Around FET), druga z technologii wykorzystanych w czipie IBM-a,to prawdziwa nowość, bezpośredni następcy powszechnie dziśwykorzystywanych procesorów FinFET.

Jak wiadomo, w tranzystorach FinFET rozwiązano główny problemcoraz cienszej wskutek miniaturyzacji warstwy kanału, co prowadziłodo odpływania elektronów bez przeszkód ze źródła i drenu dopodłoża i ze źródła do drenu. Płaski kanał przekształcono wwyrastającą z substratu trójwymiarową „płetewkę”. Pozwoliłoto od razu uzyskać znacznie większą ilość krzemu w kanale, a coza tym idzie, uniknąć tych prądów upływu. Sęk w tym, żeFinFET, debiutujące w litografii 22 nm, przy zejściu do 5 nmzaczyna mieć ponownie te problemy.

GAAFET to w pewnym sensie FinFET obrócony o 90 stopni. Pionowapłetewka staje się płetewką poziomą, czymś w rodzaju krzemowegonanodrutu, rozciągniętego między źródłem a drenem. Z materiałówudostępnionych przez IBM wynika, że w tym konkretnym wypadkupomiędzy źródłem a drenem zastosowano trzy ułożone na sobienanowarstwy, tak że bramka wypełnia wszystkie wolne miejsca. Wefekcie uzyskujemy względnie dużą objętość bramki i kanału, coczyni GAAFET znacznie bardziej podatną konstrukcją na dalsząminiaturyzację.

Interesujący jest też sam proces produkcji GAAFET. To jużprawdziwa nanotechnologia: układane na sobie są naprzemienniewarstwy krzemu i germanku krzemu (SiGe), a następnie germanek krzemujest usuwany za pomocą nowej techniki trawienia warstwy atomowej. Wten sposób uzyskujemy nanopłachty krzemu, między którymi jestnieco wolnego miejsca – i to miejsce wypełniane jest materiałemo wysokiej względnej przenikalności elektrycznej) – tutajstosuje się technikę osadzania warstwy atomowej (ALD).

Wykonane w procesie 5 nm czipy mają oferować w porównaniu doczipów 10 nm o 40% większą wydajność przy takim samym zużyciuenergii i nawet 75% mniejsze zużycie energii przy tej samejwydajności. Miniaturyzacja pozwala oczywiście też na znaczniegęstsze upakowanie elementów dyskretnych: IBM Research mówi oumieszczeniu 30 mld tranzystorów na powierzchni 50 mm2.

To teraz już wiecie, dlaczego nie spotykamy kosmitów. RichardFeynmann powiedział w 1959 roku podczas wykładu na Caltechu słynnezdanie *tam na dole jest jeszcze dużo miejsca *–rozważając możliwość bezpośredniej manipulacji atomami jakonastępnego etapu chemii. Najwyraźniej znacznie łatwiej ruszyć wpodróż na dół, niż w górę. Łatwiej znaleźć sobie miejscepoprzez miniaturyzację, niż kosmiczną ekspansję w świecie, wktórym do najbliższych gwiazd podróżuje się z prędkościąświatła całe lata.