Почему кремний и почему КМОП?

Самый первый транзистор был биполярным и германиевым, но подавляющее большинство современных интегральных микросхем сделаны из кремния по технологии КМОП (комплементарный металл-оксид-полупроводник). Как вышло, что кремний стал главным из многих известных полупроводников? Почему именно КМОП-технология стала почти монопольной? Были ли процессоры на других технологиях? Что ждет нас в ближайшем будущем, ведь физический предел миниатюризации МОП-транзисторов фактически достигнут?

Если вы хотите узнать ответы на все эти вопросы — добро пожаловать под кат. По просьбам читателей предыдущих статей предупреждаю: там много текста, на полчаса.

Начало

На дворе рубеж 1947 и 1948 годов, Джон Бардин и Уолтер Браттейн под руководством Уильяма Шокли в The Bell Labs исследуют распределение поля в германиевых диодах и случайно обнаруживают транзисторный эффект. И хотя потенциальная полезность открытия выглядела очевидной (впрочем, городские легенды гласят, что открытие было рассекречено после того, как военные эксперты не увидели в нем практической пользы), выглядел первый транзистор вот так:

Рисунок 2. Реплика первого транзистора

Не очень похоже на прибор, пригодный для промышленного производства, правда? На то, чтобы сделать из капризного точечного биполярного транзистора более удобный в производстве биполярный транзистор из pn-переходов, ушло два года, после чего дни (хорошо, не дни, но годы) электронных ламп в массовой электронной аппаратуре были сочтены.

Из троих первооткрывателей транзистора, правда, продолжил работать над ними только Шокли, который почти не имел отношения к исходной работе (потому что был теоретиком и начальником, а не исследователем), зато присвоил себе всю славу и так из-за этого разругался с Бардином и Браттейном, что они больше никогда не имели дела с микроэлектроникой. Браттейн занялся электрохимией, а Бардин — сверхпроводимостью, за которую он получил вторую Нобелевскую премию, став единственным человеком в истории, у которого две премии по физике.

Шокли же, успешно развалив своими амбициями исследовательскую команду, ушел из Bell Labs и создал собстаенную Shockley Semiconductor Laboratory. Рабочий климат в ней, впрочем, тоже оставлял желать лучшего, что привело к появлению знаменитой «предательской восьмерки», сбежавшей от Шокли и основавшей Fairchild Semiconductor, которая, в свою очередь, стала родителем того, что мы сейчас знаем как «Кремниевую долину» — включая такие компании, как Intel, AMD и Intersil.

Рисунок 3. «Fairchildren» — компании, основанные выходцами из Fairchild

Сам Шокли так и не оправился от предательства «восьмерки» и покатился по наклонной: был уволен из собственной компании, увлекся расизмом и евгеникой, стал изгоем в научном сообществе и умер, всеми забытый. Даже его дети узнали о смерти из газет.

До начала

История открытия транзистора широко известна и много где описана. Гораздо менее известно то, что первая патентная заявка на транзистор была подана вовсе не в 1947, а на двадцать с лишним лет раньше, в 1925, американцем австро-венгерского происхождения Юлиусом Лилиенфельдом. При этом, в отличие от биполярного транзистора 1947 года, приборы, описанные в патентах Лилиенфельда, были полевыми: в патенте, полученном в 1930 году, MESFET с металлическим затвором, а в патенте 1933 года — MOSFET, практически такой же, каким мы знаем его сейчас. Лилиенфельд предполагал использовать алюминий для затвора и оксид алюминия в качестве подзатворного диэлектрика.

К сожалению, тогдашний уровень уровень развития технологии не позволил Лилиенфельду реализовать свои идеи в прототипах, но проведенные в 1948 году все тем же Шокли (уже в одиночку) эксперименты показали, что патенты Лилиенфельда описывали принципиально работоспособные приборы. Собственно, вся работа группы Шокли над свойствами диодов, приведшая к случайному изобретению биполярного транзистора, была частью исследований по созданию полевого транзистора, гораздо более похожего по свойствам на вакуумные лампы и потому более понятного физикам тех лет. Тем не менее, несмотря на успешное подтверждение работоспособности идей Лилиенфельда, в 1948 году технологий стабильного получения тонких бездефектных пленок диэлектриков все еще не было, тогда как биполярный транзистор оказался вполне более технологичным и коммерчески перспективным. МОП-транзисторы были отложены на полку, а биполярные приборы начали триумфальное шествие по планете.

Минутка терминологии

Биполярный транзистор или Bipolar Transistor — транзистор, в котором для работы нужны оба типа носителей заряда, и электроны, и дырки, и который управляется током базы (умножая его на коэффициент усиления транзистора). Обычно делаются при помощи pn-переходов или гетеропереходов, хотя самый первый транзистор хоть и был биполярным, не был транзистором на переходах. Популярный англоязычный акроним — BJT, bipolar junction transistor.
Для транзисторов на гетеропереходах (переходах между разными материалами, например, арсенидом галлия и алюмонитридом галлия) используется акроним HBT (Heterojunction Bipolar Transistor).

HEMT (High Electron Mobility Transistor) или транзистор с высокой подвижностью электронов — аналог JFET и MESFET, использующий гетеропереход. Такие транзисторы — самые популярные в сложных полупроводниках.

Рисунок 4. BJT, MOSFET, JFET

Германий

Первый транзистор был германиевым, однако технологи разных компаний довольно быстро перешли на кремний. Это было связано с тем, что чистый германий на самом деле довольно плохо подходит для электронных применений (хотя германиевые транзисторы до сих пор используются в аудиоаппаратуре, косящей под старину). Из преимуществ германия можно назвать высокую подвижность электронов и, что особенно важно, дырок, а также напряжение отпирания pn-переходов в 0.3 В против 0.7 В у кремния, хотя второе можно нивелировать при помощи использования переходов Шоттки (как и делалось в ТТЛШ-логике). Зато из-за меньшей ширины запрещенной зоны (0.67 против 1.14 эВ) у германиевых диодов большие обратные токи, сильно растущие с температурой, что ограничивает и температурный диапазон применимости германиевых схем, и допустимые мощности (на маленьких слишком велико влияние обратных токов, на больших начинает мешать саморазогрев). В довершение температурных проблем германия, его теплопроводность гораздо ниже, чем у кремния, то есть отводить тепло от мощных транзисторов сложнее.

Еще в ранний период истории полупроводниковой электроники у германиевых приборов были большие проблемы с выходом годных из-за сложности получения чистого кристаллического германия без винтовых дислокаций решетки и плохого качества поверхности, в отличие от кремния, не защищенной от внешних воздействий оксидом. Точнее, оксид у германия есть, но его кристаллическая решетка совпадает с решеткой чистого германия гораздо хуже, чем у кремния, что приводит к образованию недопустимо большого количества приповерхностных дефектов. Эти дефекты серьезно снижают подвижность носителей заряда, сводя на нет главное преимущество германия перед кремнием. И, в довершение, оксид германия реагирует с водой — как в процессе производства чипа, так и при эксплуатации. Впрочем, остальным полупроводникам повезло еще меньше, и у них никакого оксида нет вообще.

Пытаясь решить проблему плохой поверхности германия, мешавшей сделать полевой транзистор, Шокли придумал убрать канал в глубину полупроводника. Так появился полевой транзистор с управляющим pn-переходом, он же JFET. Эти транзисторы быстро нашли свое место в аналоговых схемах — в первую очередь, благодаря очень маленькому (по сравнению с биполярными транзисторами) входному току и хорошим шумовым характеристикам. Такое сочетание делает JFET отличным выбором для входного каскада операционного усилителя — что можно наблюдать, например, вот в этой статье Кена Ширрифа. Более того, когда вместо отдельных компонентов стали делать интегральные схемы, оказалось, что JFET довольно хорошо совместимы с биполярной технологией (я даже на рисунке выше сделал JFET из биполярного транзистора), и они стали общим местом в аналоговых биполярных техпроцессах. Но все это было уже на кремнии, а германий так и остался забыл на много лет, пока не пришло его время усилить позиции кремния вместо того, чтобы воевать с ним. Но об этом чуть позже.

Полевые транзисторы

А что МОП-транзисторы? Казалось бы забытые почти на десятилетие в связи со стремительным прогрессом биполярных собратьев, они, тем не менее, развивались. Во все тех же Bell Labs в 1959 году Дэвоном Кангом и Мартином Аттала был создан первый работающий МОП-транзистор. Он, с одной стороны, почти прямо реализовал идею Лилиенфельда, а с другой, сразу оказался практически идентичным многим следующим поколениям транзисторов, использующим в качестве подзатворного диэлектрика оксид кремния. К сожалению, в Bell Labs тогда не распознали коммерческий потенциал изобретения: прототип был существенно медленнее, чем биполярные транзисторы того времени. Зато потенциал новинки распознали в Radio Corporation of America (RCA) и в Fairchild, и уже в 1964 году МОП-транзисторы попали на рынок. Они были медленнее биполярных собратьев, хуже усиливали, шумели и очень страдали от электростатического разряда, зато у них были нулевой входной ток, низкое выходное сопротивление и отличные переключательные способности. Это не так много, но это было только начало очень длинного пути.

Биполярная логика и RISC

На ранних этапах развития полупроводниковой электроники доминировали аналоговые и радиочастотные применения: словом «транзистор» довольно долго обозначали не только собственно транзистор, но и радиоприемник на его основе. Цифровые ЭВМ на основе содержащих один-два вентиля микросхем были огромными (хоть и не шли ни в какое сравнение с ламповыми), так что были даже попытки делать вычисления аналоговым образом — благо для реализации интегрирования или дифференцирования достаточно одного операционного усилителя вместо целой россыпи цифровых чипов. Но цифровые вычисления оказались удобнее и практичнее, в результате чего началась эра цифровых электронных вычислительных машин, которая продолжается и сегодня (хотя квантовые вычисления и нейросети уже достигли значительных успехов).

Основным преимуществом МОП-технологии того времени была простота (напомню, что вплоть до восьмидесятых каждая микроэлектронная компания должна была сама организовать себе производство): для реализации простейшей работающей n-МОП или p-МОП схемы нужны всего четыре фотолитографии, для КМОП — шесть, а для биполярной схемы литографий нужно семь для одного типа транзисторов, и еще необходим более точный контроль диффузий и, в идеале, эпитаксия. Жирным минусом была скорость: МОП-транзисторы проигрывали в сравнении с биполярными и JFET больше, чем на порядок. В момент, когда КМОП позволял достичь частоты в 5 МГц, на ЭСЛ можно было сделать 100-200. Про аналоговые применения и говорить не приходится — МОП-транзисторы очень плохо для них подходят из-за низких скоростей и маленького коэффициента усиления, в то время как биполярная схема с JFET на входах способна обеспечить практически все запросы дизайнера.

Пока степень интеграции микросхем была маленькой, а потребляемую мощность никто особенно не считал, преимущество эмиттерно-связанной логики (ЭСЛ) для высокопроизводительных применений было очевидным, но в рукаве у МОП-технологии были козыри, сыгравшие несколько позже. В шестидесятых, семидесятых и восьмидесятых МОП и биполярные техпроцессы развивались параллельно, причем МОП использовали исключительно для цифровых схем, а биполярную технологию — как для аналоговых схем, так и для логики на основе семейств ТТЛ (транзисторно-транзисторная логика, TTL) и ЭСЛ.

Рисунок 5. Cray-1, первый суперкомпьютер Сеймура Крэя, представленный публике в 1975 году, весил 5.5 тонн, потреблял 115 кВт энергии и имел производительность в 160 MFLOPS на частоте 80 МГц. Он был построен на четырех типах дискретных ЭСЛ микросхем, и содержал около 200 тысяч вентилей. Чип, на котором была построена логика — это Fairchild 11C01, сдвоенный вентиль, содержащий элементы 4ИЛИНЕ и 5ИЛИНЕ, и потребляющий 25-30 мА тока при питании -5.2 В.

Рисунок 6. Логический элемент 2ИНЕ на ТТЛ и 2ИЛИ/ИЛИНЕ на ЭСЛ

Обратите внимание на то, что логический элемент ЭСЛ — это просто усилитель без обратной связи, построенный таким образом, что переключающиеся транзисторы всегда находятся в “быстром” линейном режиме и никогда не попадают в “медленный” режим насыщения. Плата за скорость — постоянно текущий через схему ток, вне зависимости от рабочей частоты и состояния входов и выходов. Забавно, но этот недостаток некоторое время назад стали пытаться использовать как преимущество: из-за постоянства потребляемого тока криптографические схемы на ЭСЛ гораздо более устойчивы к взлому через “прослушивание” тока потребления, чем КМОП, где потребляемый ток пропорционален количеству переключающихся в данный момент времени вентилей. Если заменить биполярные транзисторы на полевые (JFET или MESFET), то получится ИСЛ — истоково-связанная логика, тоже нашедшая в свое время применения в сложных полупроводниках.

Очевидный плюс nМОП или pМОП логики — простота изготовления и малое число транзисторов, а значит малая площадь и возможность разместить на кристалле больше элементов. Для сравнения: элемент 2ИНЕ или 2ИЛИНЕ на nМОП/pМОП состоит из трех элементов, на КМОП — из четырех. На ТТЛ эти элементы содержат по 4-6 транзисторов, 1-3 диода и 4-5 резисторов. На ЭСЛ — 4 транзистора и 4 резистора (при этом на ЭСЛ удобно делать OR и NOR, и неудобно AND и NAND). Обратите, кстати, внимание, что все транзисторы на схеме элементов ТТЛ и ЭСЛ — это npn. Это потому, что сделать в p-подложке pnp-транзистор сложнее, чем npn, и структура у них получается разная — в отличие от КМОП-технологии, где транзисторы обоих типов почти одинаковые. К тому же, и pMOS, и биполярные pnp, работающие за счет дырок, медленнее своих «электронных» собратьев, а значит в биполярной логике, главной целью которой была скорость, они были не ко двору.

Второе важное преимущество МОП-технологии, проявившееся в полной мере при переходе на КМОП и во многом определившее доминирование этой технологии — маленькое энергопотребление. КМОП вентиль потребляет энергию только в процессе переключения, а статического энергопотребления у него нет (для современных технологий это не так, но опустим частности). Типовой рабочий ток вентиля ЭСЛ — от 100 мкА до 1 мА (0.5-5 мВт на питании 5.2 В). Умножив это число на, скажем, миллиард вентилей, составляющих современные процессоры Intel, мы получим МегаВатт… Собственно, потребление Cray-1 вы видели выше. Впрочем, в восьмидесятых речь обычно шла о тысячах или десятках тысяч вентилей, что, в теории, позволяло уложиться в разумный бюджет мощности даже на биполярной логике. На практике, впрочем, на одну и ту же площадь кристалла помещалось в несколько раз больше КМОП-вентилей, потреблявших меньше мощности, и становившихся намного быстрее с уменьшением проектных норм (закон Мура работал вовсю).

Intel 8008 (1972) на десятимикронной pМОП-технологии работал на частоте 500 кГц (против 80 МГц у гораздо более сложной системы Cray-1), Intel 8086 (1979) на трехмикронной nМОП и позже КМОП разгонялся уже до 10 МГц, а оригинальный 80486 (1989) — аж до 50 МГц.

Что же заставляло дизайнеров продолжать пробовать биполярные дизайны, несмотря на стремительное сокращение разницы между ними и КМОП, и несмотря на энергопотребление? Ответ прост — скорость. На заре времен дополнительным огромным преимуществом ЭСЛ была минимальная потеря быстродействия при работе на большие емкостные нагрузки или длинные линии — то есть сборка из многих корпусов с ЭСЛ-логикой была намного быстрее, чем сборка на КМОП или ТТЛ. Увеличение степени интеграции позволило КМОП частично преодолеть этот недостаток, вычислительные системы все еще были многочиповыми, и каждый выход сигнала за пределы кристалла (например, во внешний кэш) все сильно замедлял. Биполярные же вентили даже в конце восьмидесятых все еще были существенно быстрее, например за счёт в несколько раз меньшей разницы напряжений между логическим нулем и логической единицей — 600-800 мВ у ЭСЛ против 5 В у КМОП, и это в условиях, когда размеры транзисторов в биполярных технологиях уже стали отставать от КМОП. Но если скейлинг КМОП шел таким образом, что удельная мощность на единицу площади чипа оставалась постоянной (это явление является “следствием” закона Мура и называется “Деннардовское масштабирование”), то мощность ЭСЛ почти не упала, ведь для быстрой работы нужны статические рабочие токи. В результате разработчики цифровых схем стали предпочитать КМОП для реализации все усложнявшихся архитектур вычислительных систем даже там, где была нужна большая производительность.

Помощь цифровым биполярным технологиям пришла откуда не ждали. В начале восьмидесятых была придумана концепция RISC, предполагающая значительное упрощение микропроцессора и уменьшение числа элементов в нем. Биполярные технологии несколько отставали от КМОП в степени интеграции, потому что биполярные БИС были в основном аналоговыми, а там спешить за законом Мура больших причин не было. Тем не менее, начало развития RISC совпало с моментом, когда стало реалистично упаковать целый процессор на одном кристалле или хотя бы на двух-трех (кэш был обычно внешний). В 1989 году вышел Intel 80486, в котором FPU был выполнен на том же кристалле, что и основной процессор — это был первый чип, использовавший больше миллиона транзисторов.

Ко времени, о котором идет речь, многие производители микросхем начали переходить на Fabless модель, предоставляя организацию производства другим компаниям. Результатом деятельности одной из таких компаний и стали разработки интегральных микропроцессоров на ЭСЛ. Компания называлась Bipolar Integrated Technology и никогда не была особенно успешной, от самого основания в 1983 году до продажи в PMC-Sierra в 1996. Есть подозрение, что причиной неуспешности была именно ставка на биполярные цифровые продукты, но в конце восьмидесятых это не было так очевидно, а компания обладала передовыми по размерам и степени интеграции биполярными процессами. Их первым собственным продуктом был чип сопроцессора FPU, и BIT активно сотрудничала с двумя пионерами RISC — MIPS Computer Systems и Sun Microsystems — для того, чтобы создать на основе RISC архитектур чипы, для которых этот сопроцессор был бы полезен. Первая реализация архитектуры MIPS II — набор чипов R6000, R6010 и R6020 — была реализована на ЭСЛ и производилась на мощностях BIT. На них же производился процессор SPARC B5000.

Несколько позже в DEC реализовали MIPS II на одном кристалле на биполярной технологии Motorola. Итак, представьте себе: на дворе 1993 год, лидирующий продукт Intel — тот самый Pentium (техпроцесс КМОП 800 нм, тактовая частота 66 МГц, TPD 15 Вт, три миллиона транзисторов на кристалле). В IEEE Journal of Solid-State Circuits выходит статья, озаглавленная “A 300-MHz 115-W 32-b Bipolar ECL Microprocessor”. Триста (!) Мегагерц и сто пятнадцать (!!!!) Ватт. Отдельная статья, разумеется, была посвящена корпусу и теплоотводу этого монстра. Обе статьи я очень рекомендую почитать, если у вас есть доступ к библиотеке IEEE — это прекрасный документ эпохи, в котором есть фразы масштаба «the chip was designed largely with CAD tools developed by members of the design team» и «circuit performance has been increased significantly by using different signal swings in different applications, and by using circuit topologies (such as low-swing cascode and wired-OR circuits)». Ладно САПР, его в 1993 году только ленивый самостоятельно не писал (спросите YuriPanchul, он подтвердит), но wired OR!

Рисунок 7. Фотография кристалла процессора DEC и его корпуса с теплоотводом

У нас было 2 уровня логических нулей и единиц, 75 элементов в библиотеке, 5 собственных САПР, полсхемы на Си и целое множество методов трассировки всех сортов и расцветок, топологические примитивы, а также клоковое дерево, три слоя металлизации, радиационная стойкость, килобайт кэша и две дюжины тестбенчей. Не то чтобы это был необходимый запас для проектирования, но если начал собирать микропроцессор, становится трудно остановиться. Единственное, что вызывало у меня опасение — это Wired OR. Ничто в мире не бывает более беспомощным, безответственным и порочным, чем Wired OR. Я знал, что рано или поздно мы перейдем и на эту дрянь.

К слову о радиационной стойкости и прочих специальных прибамбасах. История с открытием транзистора в 1948 году, а также много других менее известных событий (например, создание Кремниевой долины на деньги американских военных) показывает нам, что миф о военных как людях, готовых клепать истребители пятого поколения на рассыпухе 74 серии и TL431, а про проектные нормы 28 или 16 нм слышавших только по телевизору, по меньшей мере несправедлив. Настоящие военные не только постоянно применяют новые технологии (после соответствующей сертификации, которая иногда занимает существенное время), но и финансируют их создание. Так, всем отлично известная “семьдесят четвертая” серия ТТЛ-микросхем — это упрощенная “пятьдесят четвертая”, изначально созданная для военных применений. То же самое можно сказать о технологии “кремний на изоляторе”, которую много лет успешно использовала AMD, и о многих других технологиях, давно и прочно вошедших в наш быт. Так вот, радиационная стойкость ЭСЛ была в среднем выше, чем у аналогов на КМОП (она и сейчас наверное выше) — потому что когда у вас в вентиле большой постоянный рабочий ток, вас не очень волнуют ни утечки, ни падение коэффициента усиления транзистора. Этот факт дополнительно продлил жизнь и разработкам на ЭСЛ, и герою следующей части моего рассказа.

Арсенид галлия — материал будущего

Арсенид галлия — один из первых сложных полупроводников, привлекших внимание микроэлектронной индустрии. Главное преимущество арсенида галлия и над германием, и над кремнием — огромная подвижность электронов. При этом у него еще и довольно широкая запрещенная зона, что позволяет работать при больших температурах. Возможность работать на частотах в сотни МГц или даже несколько ГГц, в то самое время, когда из кремния еле-еле выжимаются десятки МГц — это ли не мечта? Арсенид галлия довольно долго считался «материалом будущего», который вот-вот придет на смену кремнию. Первый MESFET на нем был создан в 1966 году, а последние активные попытки делать БИС на нем были сделаны уже в середине девяностых в Cray Corporation (они же ее и похоронили окончательно) и на «Микроне» (серия микросхем К6500).

Важная проблема, которую надо было решить — отсутствие у арсенида галлия нативного оксида. Но проблема ли это? Ведь если нет оксида, то нет и проблем с радиационной стойкостью! Именно из этих соображений программы по разработке арсенидгаллиевой технологии обильно финансировались военными ведомствами. Результаты по стойкости действительно были отличные, а вот с собственно технологией вышло несколько сложнее. Необходимость применять JFET означает или применение ИСЛ — быстрой, но очень много потребляющей, или JFET вместо MOSFET в имитации nМОП-логики — более простой, но не такой быстрой и все еще изрядно потребляющей. Другая неприятная мелочь — если ничего не делать, то JFET на арсениде галлия получаются нормально открытые, то есть их пороговое напряжение ниже нуля, а это означает большее энергопотребление, чем оно было бы на MOSFET. Для того, чтобы сделать нормально закрытые транзисторы, технологам надо изрядно постараться. Впрочем, эту проблему относительно быстро решили, и в GaAs логике начали активно применяться E-D JFET технологии с нормально закрытыми (E — enhancement) активными транзисторами и нормально открытыми (D — depleted) в нагрузках. Еще один сильно недооцененный изначально недостаток — у арсенида галлия очень высокая подвижность электронов, но не дырок. На nJFET можно сделать очень много интересного (например, высокочастотные усилители), но с потреблением 1 мВт на вентиль говорить о СБИС довольно сложно, а если сделать малопотребляющие комплементарные схемы, то они из-за низкой подвижности дырок окажутся даже медленнее кремниевых.

И опять, как и с биполярными схемами, на помощь очень хотевшим получить радиационную стойкость военным пришла концепция RISC в лице все той же архитектуры MIPS. В 1984 году DARPA подписала три контракта на разработку GaAs MIPS микропроцессоров — с RCA, McDonnell Douglas и коллаборацией CDC-TI. Одним из важных требований технического задания было ограничение в 30 тысяч транзисторов, с формулировкой “чтобы процессоры можно было начать серийно производить с приемлемым выходом годных”. Кроме этого, существовали варианты конверсии на арсенид галлия семейства Am2900 от AMD, радстойкие арсенидгаллиевые версии легендарных 1802 микроконтроллеров от тех же RCA, базовые матричные кристаллы на несколько тысяч вентилей и чипы статической памяти на несколько килобит.

Несколько позже, в 1990 году, архитектуру MIPS для космических применений рассматривали и в Европе, но там выбрали SPARC — а иначе LEON тоже могли бы быть MIPS. Кстати, в выборе архитектуры для будущих LEON участвовал и ARM, но был отвергнут из-за плохой поддержки софтом. В итоге первый европейский космический ARM-процессор появится только в следующем году.

Самое интересное на мой взгляд решение было у группы из McDonnell Douglas. Я проследил по публикациям в IEEE Transactions on Nuclear Science историю их проекта (искать по фамилии Zuleeg), от первых транзисторов в 1971 году до собственной комплементарной JFET технологии и чипов на ее основе в 1989. Почему комплементарной? Потому что большую часть (и в плане бюджета транзисторов, и в плане бюджета мощности) микропроцессора составляет кэш-память, причем задержка собственно ячейки памяти далеко не всегда является фактором, ограничивающим быстродействие, а вот выигрыш по энергопотреблению при использовании комплементарной ячейки очевиден. Сделав комплементарный кэш и nJFET-логику, в McDonnell Douglas получили отличное соотношение скорости и потребления — и радиационную стойкость буквально на сдачу, без каких-либо дополнительных усилий.

И все было бы хорошо, но в то самое время, когда счет транзисторам в арсенидгаллиевых микропроцессорах шел на десятки тысяч, на коммерческом рынке уже были доступны относительно недорогие кремниевые КМОП чипы с миллионами транзисторов, и отставание не только не сокращалось, но и продолжало расти. Еще разработчики “материала будущего” среди многочисленных рассказов о достижениях кое-где писали в своих статьях фразы «достигнут процент выхода годных 3%, то есть один годный чип с пластины диаметром 75 мм», или «если мы снизим плотность дефектов до такого-то уровня, то сможем повысить процент выхода годных с 1% до 10%», причем подобные цифры фигурируют у несвязанных научных групп из разных стран. Капризность арсенида галлия и хрупкость его кристаллической решетки, мешающая выращивать кристаллы большого диаметра и ограничивающая уровни легирующих примесей, хорошо известна, и это, в сочетании с желанием минимизировать количество транзисторов на кристалле микропроцессора, наводит меня на мысли о том, что такой низкий выход годных для арсенида галлия действительно был нормой, и не только в лаборатории, но и в серийном производстве. Причем, согласно уже советским данным, итоговая стоимость практически не зависела от сложнсти технологии, потому что сами пластины арсенида галлия были дороже любой обработки. Неудивительно, что никому, кроме военных, такие СБИС не были интересны.

Кстати, а что у нас?

До сих пор статья рассказывала об успехах и неудачах американских компаний, но ведь не только в Америке была микроэлектроника, верно? К сожалению, о сложном пути советской микроэлектроники в выборе технологий рассказать можно немного. Первая причина — история американских (а также, например, японских) разработок хорошо документирована публикациями в профильных журналах IEEE, архив которых сейчас оцифрован, и изучать их — настоящее удовольствие для ценителя. Советская же микроэлектроника всю свою историю была крайне замкнутой. Публикаций было немного даже на русском языке, не говоря уже о том, чтобы сообщать о своих успехах всему миру (что делалось, например, в фундаментальной физике). И даже то немногое, что публиковалось, сейчас очень сложно найти и, разумеется, только в бумажном виде, а никак не в электронном. Поэтому мне, кстати, отдельно отрадно сейчас видеть российских коллег на международных научных конференциях и промышленных выставках, причем не только как гостей, но и как докладчиков. Вторая причина состоит в том, что большую часть времени советская микроэлектроника, пусть и ненамного, но отставала от американцев и активно занималась копированием успешных западных разработок. Более того, с начала восьмидесятых, когда в мире началось все самое интересное, министерство электронной промышленности СССР официально взяло курс на отказ от оригинальных разработок и поголовное копирование американских микросхем — уже серийных, а не экспериментальных разработок и методов. Возможно, в условиях ограниченных ресурсов это было правильным решением, но его итогом стало нарастание отставания (причем не технологического, а идейного), которое после развала СССР стало фактически необратимым — до тех пор, пока уже в двадцать первом веке российская микроэлектроника была “перезапущена” фактически с нуля.

В итоге, хотя GaAs чипы средней степени интеграции применялись в начале девяностых как в суперкомпьютерах Cray, так и в ЭВС ЕС-4, в СССР никогда не было RISC-процессоров, сыгравших важную роль в завершающих этапах борьбы КМОП, ЭСЛ и арсенида галлия. С технологической точки зрения, в то же самое время, когда американцы разрабатывали однокристалльные микропроцессоры, на зеленоградском “Микроне” ставилась в серийное производство арсенидгаллиевая серия микросхем К6500, включавшая в себя память до 16 кбит, базовые матричные кристаллы объемом до десяти тысяч вентилей и микропроцессорный комплект из пяти чипов — то есть такие же сложные кристаллы, как и американские процессоры. Но если McDonnell Douglas при помощи нормально закрытых JFET обоих типов проводимости имитировали на GaAs nМОП и КМОП схемы, имея целью минимизировать энергопотребление и подготовить почву для роста степени интеграции, то в К6500 были очень быстрые (до 1 ГГц), но гораздо более сложные и капризные схемы на ИСЛ с нормально открытыми MESFET (что делает достигнутые результаты по степени интеграции еще более удивительными).

Рисунок 8. Два варианта инверторов из техпроцесса McDonnell Douglas и инвертор микросхем серии К6500

Работы по арсениду галлия продолжались на «Микроне» с 1984 до по меньшей мере до 1996 года, но никакую информацию о том, что случилось после этого, мне найти не удалось. Сейчас все разработки “Микрона”, в том числе радиационностойкие и радиочастотные, делаются на кремнии.

Арсенид и другие

Разработчики кремниевых КМОП микросхем специального назначения тем временем не стояли на месте; к началу девяностых стало понятно, что обеспечить радиационную стойкость на слегка модифицированной коммерческой кремниевой КМОП технологии ненамного сложнее, чем на дорогом и капризном арсениде галлия, что лишило его последнего важного преимущества и ограничило весьма узкими и специфическими нишами — в основном, дискретными СВЧ и силовыми приборами. Более того, даже в этих применениях сейчас все чаще используется не арсенид, а нитрид галлия или разнообразные гетероструктуры, обладающие лучшими температурными характеристиками, более высокой подвижностью и большим полем пробоя.

Рисунок 9. Сравнение основных свойств кремния, арсенида галлия и нитрида галлия для силовых и СВЧ-применений

А что же, спросите вы, может на нитриде галлия можно сделать СБИС? К сожалению, у нитрида галлия тоже низкая подвижность дырок, да и не только у него. Радикально большей, чем у кремния, подвижностью дырок обладает только антимонид индия, но у него такая узкая запрещенная зона, что приборы на его основе могут работать только при криогенных температурах.

Не поймите меня неправильно, другие полупроводники тоже нужны, и у них множество полезных применений. Когда в 2000 году Нобелевский комитет решил наконец выдать премию за электронику, одну половину премии получил Джек Килби за создание первой интегральной схемы, а вторую — Жорес Алферов и Герберт Кремер за «разработку полупроводниковых гетероструктур, используемых в высокочастотных схемах и оптоэлектронике». Нашу жизнь уже сложно представить без лазеров на гетероструктурах, рынки силовых приборов на нитриде галлия и карбиде кремния растут как на дрожжах (и на электрификации транспорта), скорое развертывание сетей 5G, работающих на частотах до 39 ГГц, невозможно представить без полупроводников A3B5, но только кремниевая КМОП-технология оказалась обладающей всеми нужными свойствами для создания вычислительных СБИС, составляющих львиную долю рынка микроэлектроники и управляющих всем упомянутым выше разнообразием.

Впрочем, даже кремниевая микроэлектроника намного шире, чем только высокопроизводительные микропроцессоры. Прямо сейчас TSMC одновременно с вводом в строй техпроцесса 5 нм запускает новую фабрику с проектными нормами 180 нм на 200 мм пластинах — потому что спрос на них есть и он стабильно растет. Да, этот рынок намного меньше рынка чипов для мобильных телефонов, но и вложения для входа существенно скромнее. То же самое можно сказать про рынки карбида кремния и нитрида галлия. И именно сложные полупроводники, СВЧ и силовая электроника, на мой скромный взгляд, могут стать настоящим драйвером возрождения российской микроэлектроники и ее выхода на мировой рынок. В этих сферах компетенции и оснащенность российских компаний очень сильны и достаточно близки к мировым лидерам. Все в курсе про 180, 90 и 65 нм на “Микроне”, но мало кто слышал про 200 нм на “Истоке” или 150 нм на “Микране”. Еще мало кто слышал, что фабрика STM в Катании, с которой был скопирован 180 нм процесс на «Микроне», сейчас полностью перешла на производство карбида кремния, рынок которого через пять лет должен достигнуть трех миллиардов долларов. STM недавно купили производителя подложек SiC, чтобы владеть всей производственной цепочкой, и в принципе делают все, чтобы оказаться на растущем рынке лидерами.

Поглощай и властвуй

Статьи конца восьмидесятых и начала девяностых, посвященные перспективным технологиям — ЭСЛ на кремнии, комплементарным JFET на GaAs, попыткам сделать германий great again — практически неизменно заканчиваются словами «мы продемонстрировали великолепные перспективы нашей идеи, и буквально через пару лет, когда технологии ещё немного разовьются и позволят больше транзисторов на чипе / меньше потребление / выше процент выхода годных, вот тогда-то мы и завоюем мир». Вот только обещанный прогресс на деньги DARPA так никогда и не наступил. Почему? Потому что технология производства микросхем дорожает с каждым новым уменьшением размеров, и никакие исследовательские гранты не могли перебить объемы вложений Intel, работавших на огромный потребительский рынок и хорошо понимавших, что технологическое лидерство — один из ключей к лидерству коммерческому. Именно поэтому Intel подняли флаг закона Мура и назначили себя ответственными за его выполнение, после чего все остальные производители оказались втянуты в сумасшедшую гонку вооружений, которую маленькие компании и другие технологии предсказуемо не смогли себе позволить. В итоге в нише персональных компьютеров у Intel остался ровно один конкурент, и вообще технологии ниже 14 нм есть всего у трёх компаний в мире — TSMC, Intel и Samsung. Можно сказать, что Intel очень повезло давным-давно начать работать с МОП-транзисторами, а не с ЭСЛ, но если бы не повезло им, повезло бы кому-то еще, и результат остался бы примерно таким же.

То, что преимущество КМОП на кремнии неоспоримо, стало понятно к концу девяностых, и диспропорция вкладываемых в нее и во все остальное ресурсов стала такой, что вместо разработки новых технологий для специфических нужд стало выгоднее и проще приделывать соответствующие довески к КМОП. Для дизайнеров аналоговых схем появилась БиКМОП технология с биполярными npn-транзисторами, для встраиваемой электроники — энергонезависимая память, для силовых применений — высоковольтные DMOS транзисторы, для высоких температур или больших скоростей — подложки КНИ, для оптоэлектроники — интегрированные фотодиоды. Важным драйвером интеграции дополнительных опций в КМОП-технологию стала концепция «система на кристалле». Если раньше дизайнер системы выбирал подходящие микросхемы, исходя из того, насколько хорошо они справляются с целевыми функциями, не обращая внимание на технологию их изготовления (в худшем случае были еще нужны трансляторы уровней, но это не страшно), то с ростом степени интеграции появилась возможность разместить все составные части системы на одном кристалле и таким образом убить множество зайцев — увеличить скорость и уменьшить потребление за счет отсутствия необходимости прокачивать емкости дорожек на печатной плате, увеличить точность за счет лучшего согласования элементов, увеличить надежность за счет уменьшения количества точек пайки. Но для этого все части систему должны были быть КМОП-совместимыми. Фабрики ответили на это «все, что угодно — только платите деньги за дополнительные маски и опции технологии» и начали один за одним ставить в производство специализированные техпроцессы. Дополнительные маски — дорого и сложно, а чип должен быть дешевым? И вот учебники по аналоговому дизайну уже переписываются с хороших и быстрых биполярных транзисторов на плохие и медленные полевые. Совсем никак не хватает скорости для СВЧ? Снова попробуем арсенид галлия? Нет, давайте растянем кристаллическую решетку кремния при помощи германия, чтобы локально повысить подвижность электронов. Звучит сложно? Зато это КМОП-совместимо! Дешевый микроконтроллер с flash-памятью и АЦП на одном кристалле звучит гораздо приятнее, чем то же самое на трех чипах, правда? Цифровая обработка данных и управление на том же кристалле, что и аналоговая часть системы, стали ключевым достижением, позволившим микроконтроллерам проникнуть всюду, от дальнего космоса до электрочайника.

Рисунок 10. Схематичный разрез BCD технологии

Мой любимый пример такого рода — BCD-технология. BCD — это Bipolar (для аналоговой части), CMOS (для цифровой), DMOS (высоковольтные ключи на том же кристалле, что и управляющая логика). Такие технологии умеют работать с напряжениями до 200 Вольт (а бывает и больше) и позволяют реализовать на одном чипе все, что нужно для управления электромоторами или DC/DC преобразованием.

Рисунок 11. Разрез SOI BCD с высокольтным LDMOS транзистором в изолированном кармане

Технология BCD SOI дополняет все вышеперечисленное полной диэлектрической изоляцией элементов, улучшающей стойкость к тиристорному эффекту, шумоизоляцию, повышающей рабочие напряжения, позволяющей без проблем разместить на кристалле high-side ключи или, например, работать с отрицательными напряжениями (нужными для мощных GaN ключей с порогом ниже нуля Вольт). На том же кристалле производители предлагают разместить энергонезависимую память, IGBT, диоды Зенера… список длинный, можно играть в буллшит-бинго на презентациях) Обратите внимание на глубину слоя кремния: в отличие от «обычных» КНИ технологий, где ее стараются минимизировать, чтобы избавиться от донной части стокового и истокового pn-переходов и увеличить скорость работы, в BCD слой кремния очень глубокий, что помогает обеспечить приемлемые стойкость к электростатическому разряду и тепловые характеристики. Транзисторы при этом ведут себя в точности как объемные, только с полноценной диэлектрической изоляцией. Этим, помимо целевой аудитории из производителей автоэлектроники еще пользуются для создания своих не высоковольтных, но радстойких КМОП-чипов, например «Миландр» или Atmel, получая главное преимущество КНИ без его обычных недостатков.

Будущее КМОП и альтернативы

Даже когда закон Мура начал ломаться из-за того, что уменьшение размеров кремниевых транзисторов подошло к физическим пределам, оказалось, что продолжать доводить до ума КМОП выгоднее, чем искать что-то принципиально новое. В исследования альтернатив и путей отхода, разумеется, вкладывали деньги, но основные усилия оказались брошены на то, чтобы улучшить кремниевый КМОП и обеспечить преемственность наработок. За открытие графена Новоселову и Гейму дали Нобелевскую премию уже почти десять лет назад; и где тот графен? Правильно, там же, где углеродные нанотрубки и все остальные материалы будущего, а на кремнии уже начато производство по процессу 5 нм, и все идет к тому, что 3 или даже 2 нм тоже будут. Разумеется, это не совсем настоящие нанометры (о чем я уже писал на Хабре вот здесь), но плотность упаковки продолжает расти; хоть и очень медленно, зато это все ещё кремниевый КМОП.

Рисунок 12. Gate All Around транзисторы Samsung для технологий 5 нм и ниже. Следующий шаг по сравнению с FinFET и ответ на вопрос «почему бы не упаковывать транзисторы в несколько слоев?» Все, остальные методы исчерпаны, теперь пришла очередь нескольких слоев. Поставим семь таких транзисторов вертикально, мы получим один нанометр вместо семи!

Жертвой прогресса в КМОП пал даже оксид кремния, ради которого изначально все и затевалось! Его заменили сложные многослойные структуры на основе оксида гафния. В канал стали добавлять германий для увеличения подвижности (уже апробированный в разработках для БиКМОП СВЧ); доходят даже до того, чтобы тестировать (пока только тестировать) в “кремниевых” транзисторах канал n-типа из материалов A3B5 (у которых высокая подвижность электронов), а p-типа — из германия (у которого высокая подивжность дырок). Про мелочи вроде изменения формы канала с плоской на объемную (FinFET) и маркетинговые уловки с цифрами проектных норм писать никакого объема не хватит.

Что ждет нас в будущем? С одной стороны, прогресс кремниевой технологии с внедрением EUV литографии и Gate All Around транзисторов уже точно себя исчерпал; отставание от планов ITRS двадцатилетней давности составляет уже около десяти лет, Intel давно забросил свой знаменитый “тик-так”, Globalfoundries и вовсе оказались опускаться ниже 14 нм. Стоимость одного транзистора на кристалле прошла минимум на нормах 28 нм и с тех пор начала расти. А самое главное — целевые рынки изменились. Много лет драйвером уменьшения проектных норм был рынок персональных компьютеров, потом персоналки сменились на мобильные телефоны (примерно в это время TSMC и Samsung догнали Intel). Но сейчас и на рынке мобильников спад и стагнация. Была кратковременная надежда на чипы для майнинга, но она, кажется, не оправдалась.

Новый фаворит производителей микросхем — интернет вещей. Действительно, рынок большой, быстрорастущий и с хорошими долгосрочными перспективами. А главное — для интернета вещей производительность и количество элементов на кристалле не являются критическими конкурентными преимуществами, зато малое энергопотребление и дешевизна — являются. Это значит, что основная причина уменьшать проектные нормы исчезла, зато появились резоны оптимизировать технологию под специфические задачи. Звучит интересно, не правда ли? Примерно как… пресс-релиз Globalfoundries о прекращении работ на 7 нм и концентрации на 14/12 и 28/22 нм FDSOI. Более того, удорожание новых технологий в сочетании с жесткой ценовой конкуренцией привело к тому, что производители микросхем не спешат переходить на новые проектные нормы просто потому, что могут, а остаются на старых так долго, как это разумно делать, а также объединяют в системе разнородные чипы — но теперь не на плате, а в внутри корпуса. «Систему на кристалле» сменила «система в корпусе» (об этом я тоже уже писал подробнее). Появление систем в корпусе и интернет вещей, помимо прочего, дают новый шанс сложным полупроводникам, ведь поместить арсенидгаллиевый чип в один корпус с кремниевым больше ничего не мешает, а необходимость радиотракта в системе для интернета вещей достаточно очевидна. То же касается разнообразных оптических приборов, МЭМС, сенсоров — и вообще всего, что существует в микроэлектронике помимо КМОП на кремнии

Так что моим прогнозом относительно дальнейшего развития КМОП кремниевой технологии и ее заменителей будет то, что мы увидим радикальное замедление прогресса, вплоть до полной остановки — просто за ненадобностью — и не увидим в ближайшем будущем в массовом производстве что-то принципиально новое (углеродные нанотрубки, графен, логика на мемристорах) — опять же за ненадобностью. Зато несомненно будет более широким использование уже имеющегося технологического багажа. Микроэлектроника продолжает проникновение во все сферы нашей жизни, количество доступных ниш огромно, новые рынки появляются, растут и будут продолжать расти. Ведущие мировые производители наращивают производство не только самых новых проектных норм, но и более старых тоже: TSMC впервые за 15 лет строит фабрику с пластинами 200 мм, Globalfoundries в прошлом году представили новый 180 нм BCD техпроцесс. Ведущие мировые производители с оптимизмом смотрят в новые ниши, которые при скромных сложениях сейчас обещают огромную выгоду в обозримом будущем. В общем, несмотря на отсутствие прогресса с нанометрами, скучно не будет.

Автор: Валерий Шунков

Источник