Тенденции развития больших интегральных схем

На современном уровне вычислительной техники подавляющее большинство ус­тройств ВМ и ВС реализуется на базе полупроводниковых технологий в виде сверх­больших интегральных микросхем (СБИС). Каждое нововведение в области архи­тектуры ВМ и ВС, как правило, связано с необходимостью усложнения схемы процессора или его составляющих и требует размещения на кристалле СБИС все большего числа логических или запоминающих элементов (ЛЭ, ЗУ). Задача может быть ре­шена двумя путями: увеличением размеров кристалла и уменьшением площади, занимаемой на кристалле элементарным транзистором, с одновременным повы­шением плотности упаковки таких транзисторов на кристалле.

Наиболее перспективным представляется увеличение размеров кристалла, но это только на первый взгляд. Кристаллической подложкой микросхемы служит тонкая пластина, представляющая собой срез цилиндрического бруска полупро­водникового материала. Полезная площадь подложки ограничена вписанным в окружность квадратом или прямоугольником. Увеличение диаметра кристалли­ческой подложки на 10% на практике позволяет получить до 60% прироста числа транзисторов на кристалле. К сожалению, технологические сложности, связанные с изготовлением кристаллической подложки большого размера без ухудшения однородности ее свойств по всей поверхности, чрезвычайно велики. Фактические тенденции в плане увеличения размеров кристаллической подложки СБИС ил­люстрирует рис. 11.

Точки излома на графике соответствуют годам, когда переход нановый раз­мер кристалла становится повсеместным. Каждому переходу обычно предшествуют 2-3-летиие исследования, а собственно переход на пластины увели­ченного диаметра происходит в среднем один раз в 9 лет.

 

Рис.11.Тенденция увеличения диаметра кристаллической подложки СБИС

 

Пока основные успехи в плане увеличения емкости СБИС связаны с уменьше­нием размеров элементарных транзисторов и плотности их размещения на крис­талле. Здесь тенденции эволюции СБИС хорошо описываются эмпирическим за­коном Мура. В 1965 году Мур заметил, что число транзисторов, которое удается разместить на кристалле микросхемы, удваивается каждые 12 месяцев. Он предсказал, что эта тенденция сохранится в 70-е годы, а начиная с 80-х темп роста начнет спадать. В 1995 году Мур уточнил свое предсказание, сделав прогноз, что удвоение числа транзисторов далее будет происходить каждые 24 месяца.

Создание интегральных микросхем предполагает два этапа. Первый из них но­сит название литографии и заключается в получении маски, определяющей струк­туру будущей микросхемы. На втором этапе маска накладывается па полупроводни­ковую пластину, после чего пластина облучается, в результате чего и формируется микросхема. Уменьшение размеров элементов на кристалле напрямую зависит от возможностей технологии (рис. 12.).

 

Рис.12.Размер минимального элемента на кристалле интегральной микросхемы

 

Современный уровень литографии сделал возможным серийный выпуск СБИС, в которых размер элемента не превышает 0,13 мкм. Чтобы оценить перспективы развития возможностей литографии на ближайший период, обратимся к прогнозу авторитетного эксперта в области полупроводниковых технологий — International Technology Roadmap for Semiconductors. Результаты прогноза относительно буду­щих достижений литографии, взятые из отчета за 2001 год, приведены на рис. 13.

Рис.13. Прогноз максимальных размеров элементов на кристалле СБИС

 

Наконец, еще одна общая тенденция в технологии СБИС — переход от алюми­ниевых соединительных линий на кристалле на медные. «Медная» технология позволяет повысить быстродействие СБИС примерно на 10% с одновременным снижением потребляемой мощности.

Приведенные выше закономерности определяют общие направления совершен­ствования технологий СБИС. Для более объективного анализа необходимо при­нимать во внимание функциональное назначение микросхем. В аспекте архитек­туры ВМ и ВС следует отдельно рассмотреть «процессорные» СБИС и СБИС запоминающих устройств.

 

 

2. Характеристики систем памяти