Проблемы развития элементной базы

Несомненно, что одним из главных факторов достижения высокого быстродействия, а значит и высокой производительности ЭВМ, является построение их на новейшей элементной базе. Смена поколений ЭВМ в значительной степени связана с переходами на новые поколения элементной базы, знаменующие достижения новых частотных диапазонов работы схем в рамках доступных технологий. Элементная база служит показателем технического уровня развития страны, общества, цивилизации. Успехи в создании новой элементной базы определяются передовыми научными и техническими достижениями целого ряда наук (физики, химии, оптики, механики и др.). Качество элементной базы является показателем технического прогресса.

Все современные ЭВМ строятся на микропроцессорных наборах, основу которых составляют большие и сверхбольшие интегральные схемы. Технологический принцип разработки и производства интегральных схем действует уже более четверти века. Он заключается в циклическом послойном изготовлении частей электронных схем по циклу «программа - рисунок - схема». По программам на напыленный фоторезисторный слой наносится рисунок будущего слоя микросхемы. Затем рисунок протравливается, фиксируется, закрепляется и изолируется от новых слоев. На основе этого создается пространственная твердотельная структура. Например, первые типы СБИС типа Pentium включали в себя около трех с половиной миллионов транзисторов, размещаемых в пятислойной структуре. Процессоры Intel Pentium 4 имеют 55 млн транзисторов, a Intel Itanium 2-221 млн транзисторов. В новейших микросхемах количество слоев доходит до 20-25.

Новые литографии и сверхточные технологии. Степень микроминиатюризации, размер кристалла ИС, производительность и стоимость технологии напрямую определяются типом литографии. До последне­го времени доминирующей оставалась оптическая литография, т.е. послойные рисунки на фоторезисторе микросхем наносились световым лучом. В настоящее время ведущие компании, производящие микросхемы, реализуют кристаллы с размерами примерно 400 - 900 мм² для процессоров (например, Pentium) и 200 - 400 мм² для схем памяти. Минимальный топологический размер (толщина линий) при этом составляет 0,18... 0,13 мкм. Дальнейшие успехи микроэлектроники связываются с электронной (лазерной), ионной и рентгеновской литографией. Это позволяет выйти на размеры 0,10 мкм и менее. Ос­новные производители микропроцессоров Intel и AMD уже планируют переход на топоразмер 0,065 мкм. Для сравнения можно привести такой пример. Толщина человеческого волоса составляет примерно 100 мкм. Значит при таком разрешении на толщине 100 мкм могут вычерчиваться от нескольких сотен до тысяч линий.

Сверхчистые материалы и высоковакуумные технологии. Новые высокие технологии порождают целый ряд проблем. Микроскопическая толщина линий, сравнимая с диаметром молекул, требует высокой чистоты используемых и напыляемых материалов, применения вакуумных установок и снижения рабочих температур. Действитель­но, достаточно попадания мельчайшей пылинки при изготовлении микросхемы, как она попадает в брак. Поэтому новые заводы по производству микросхем представляют собой уникальное оборудование, размещаемое в «сверхчистых помещениях», микросхемы в которых транспортируются от оборудования к оборудованию в замкнутых миниатмсферах. Миниатмосфера создается, например, сверхчистым азотом или другим инертным газом при давлении менее 10 мм ртутного столба.

Борьба с потребляемой и рассеиваемой мощностью. Уменьшение линейных размеров микросхем и повышение уровня их интеграции заставляют проектировщиков искать средства борьбы с потребляемой (W_n) и рассеиваемой (W_p) мощностью. При сокращении линейных размеров микросхем в 2 раза их объемы изменяются в 8 раз. Пропорционально этим цифрам должны меняться и значения W_n и W_p, в противном случае схемы будут «перегреваться» и выходить из строя. По данным фирмы Intel, за последние 10 лет быстродействие выпускаемых ею процессоров выросло в 5-6 раз, а энергопотребление в 18 раз (сравнивались характеристики процессоров i486 и Pentium 4). До настоящего времени основой построения всех микросхем была и остается КМОП-технология (комплементарные схемы, то есть совместно использующие п- и p-переходы, в транзисторах со структурой металл - окисел - полупроводник).

Известно, что W = U*I. Напряжение питания современных микросхем снизилось до 2 V. Появились схемы с напряжением питания менее двух вольт, что уже выходит за рамки принятых стандартов. Даль­нейшее понижение напряжения нежелательно, так как в электронных схемах всегда должно быть обеспечено необходимое соотношение «сигнал-шум», гарантирующее устойчивую работу компьютера.

Протекание тока по микроскопическим проводникам сопряжено с выделением большого количества тепла. Поэтому, создавая сверхбольшие интегральные схемы, проектировщики вынуждены снижать тактовую частоту работы микросхем. На рис. 2.7 показано, что использование максимальных частот работы возможно только в микросхемах малой и средней интеграции. Максимальная частота f_max = 10¹¹ - 10¹² Гц доступна очень немногим материалам: кремнию (Si), арсениду галлия (GaAs) и некоторым другим. Поэтому они чаще всего и используются в качестве подложек в микросхемах.

Рис. 2.7. Зависимость частоты f от степени интеграции l

Таким образом, переход к конструированию ЭВМ на СБИС и ультра-СБИС должен сопровождаться снижением тактовой частоты работы схемы. Дальнейший прогресс в повышении производительности может быть обеспечен либо за счет архитектурных решений, либо за счет новых принципов построения и работы микросхем. Так как микросхемы СБИС не могут работать с высокой тактовой частотой, то в компьютерах будущих поколений их целесообразно комплексировать в системы. При этом несколько СБИС должны работать параллельно, а слияние работ в системе должны обеспечивать сверхскоростные ИС (ССИС), которые не могут иметь высокой степени интеграции. Перечисленные проблемы развития современной микроэлектронной базы указывают, что изготовление микросхем подходит к предельным характеристикам. Строительство каждого нового завода по производству микросхем обходится уже в миллиарды долларов. «Выход годных новых микросхем» измеряется единицами процентов даже у таких признанных лидеров, как Intel и AMD. Давление пределов заставляет производителей искать альтернативные пути развития, которых не очень много.