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Cómo los transistores tridimensionales pasaron del laboratorio a la fábrica
El nuevo diseño de transistor tridimensional de Intel, anunciado a principios de esta semana, es la culminación de más de una década de trabajo de investigación y desarrollo que comenzó en un laboratorio de la Universidad de California, Berkeley en 1999.
En el nuevo diseño de Intel, el canal de silicio se eleva como una aleta, de modo que la puerta entra en contacto con él desde tres lados. (Gráfico grande en la página siguiente).
Los transistores de 22 nanómetros, que según Intel harán que los chips sean un 37 por ciento más rápidos y consuman la mitad de energía, se utilizarán para todos los elementos de los chips de escala de 22 nanómetros de la empresa, incluidos los circuitos lógicos y de memoria. Los procesadores que utilizan los transistores de tres puertas se han demostrado en sistemas de trabajo, y la empresa comenzará la producción en volumen en la segunda mitad de este año. No está claro cómo los fabricantes de dispositivos aprovecharán los chips, pero es probable que permitan una mayor duración de la batería y una mayor sofisticación para los dispositivos portátiles, así como un procesamiento más rápido para computadoras de escritorio y servidores.
Intel recurrió al nuevo diseño porque los diseños existentes han comenzado a enfrentarse a un obstáculo de rendimiento. Los transistores convencionales están formados por una estructura de metal llamada compuerta que está montada sobre un canal plano de silicio. La puerta controla el flujo de corriente a través del canal desde un electrodo fuente a un electrodo de drenaje. Con cada generación de chips, el canal se ha vuelto cada vez más pequeño, lo que permite a empresas como Intel fabricar chips más rápidos al incluir más transistores. Pero se ha vuelto más difícil para la puerta cortar completamente el flujo de corriente. Los transistores con fugas que no se apagan por completo desperdician energía.
Los transistores de triple puerta utilizan canales de silicio rectangulares que sobresalen de la superficie del chip, lo que permite que la puerta entre en contacto con el canal en tres lados, en lugar de solo en uno. Este contacto más íntimo significa que la puerta puede apagar el transistor casi por completo incluso en la escala de 22 nanómetros, que es responsable de las ganancias de eficiencia energética en los nuevos chips de Intel. También es posible hacer transistores de tres puertas con más de un canal de silicio conectado a cada puerta para aumentar la cantidad de corriente que puede fluir a través de cada transistor, lo que permite un mayor rendimiento.
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Intel no inventó este diseño de transistor, pero la empresa es la primera en ponerlo en producción. Si la compañía se hubiera quedado con los transistores planos en el cambio de transistores de 32 a 22 nanómetros, los chips habrían demostrado ganancias de 20 a 30 por ciento en eficiencia y rendimiento, dice un analista de la industria. Linley Gwennap . Se había especulado con que la empresa utilizaría el nuevo diseño de transistor para elementos de memoria y no para lógica, por lo que no eliminaría por completo los transistores planos. Al utilizar la tecnología de tres puertas tanto para la memoria como para la lógica, dice Gwennap, Intel realmente está subiendo por las vallas y está viendo una gran mejora en el rendimiento, lo que podría ser una gran ventaja sobre sus competidores.
Subiendo: En un transistor convencional (izquierda), una puerta montada en la parte superior controla el flujo de corriente eléctrica a través de un canal de silicio plano debajo. En el nuevo diseño de Intel (derecha), el canal de silicio se eleva como una aleta, de modo que la puerta entra en contacto con él desde tres lados. Esto proporciona un mayor control sobre el flujo de corriente a través del canal y reduce la fuga de energía.
Estos transistores tridimensionales fueron imaginados y construidos por primera vez por tres investigadores de la Universidad de California, Berkeley, a fines de la década de 1990, en respuesta a un llamado de la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa de los Estados Unidos para diseños que permitirían a los transistores escalar por debajo de 25. nanómetros, un orden de magnitud menor que los que estaban en producción en ese momento. Chenming Hu escribió las especificaciones técnicas del nuevo transistor en un viaje en avión a Japón en 1996. Un grupo de Berkeley formado por Hu, Jeffrey Bokor , y Tsu-Jae Rey Liu primero hizo estos transistores, a los que llamaron FinFET, en 1999.
Fue un éxito instantáneo, dice Hu. La universidad optó por liberar la propiedad intelectual al dominio público en lugar de patentarla; Mientras los investigadores de Berkeley continuaban perfeccionando los diseños, Hu presentó el trabajo en varias empresas, incluida Intel. En 2002, el FinFET y un segundo diseño de Berkeley, conocido como silicio sobre aislante, fueron los dispositivos favorecidos por los Hoja de ruta tecnológica internacional de semiconductores como las tecnologías que probablemente satisfagan las necesidades de la industria en los próximos 15 años. Pero en Intel, al menos, FinFET se adelantó al segundo diseño, que se basa en agregar una capa muy delgada de silicio a un transistor. Hasta hace unos dos años, las empresas que fabrican obleas de silicio no podían hacer que la capa activa fuera lo suficientemente delgada. Empresa francesa Soitec Ahora puede fabricar las obleas necesarias para este diseño alternativo, y Hu dice que los competidores de Intel pueden adoptarlo en algún momento.
Sacar el prometedor diseño de dispositivo tridimensional del laboratorio y ponerlo en producción tomó alrededor de una década. Intel no ha revelado muchos de los detalles de las fabulosas actualizaciones necesarias para fabricar los nuevos transistores, pero basándose en el hecho de que aparentemente no se requieren nuevos materiales o máquinas, y el aumento marginal en el costo de producción del 2 al 3 por ciento prometido por la empresa: los cambios parecen ser menores. La compañía ha dicho que hacer los canales tridimensionales solo implica un paso adicional de grabado.
Hu dice que los investigadores de Berkeley decidieron desde el principio que su nuevo diseño tendría que ser compatible con la infraestructura existente de la industria, y ese ha sido el caso. El principal obstáculo para preparar la tecnología para la producción en volumen, dice Hu, probablemente fue lidiar con la confiabilidad: controlar las dimensiones del canal muy delgado cuando se deben fabricar miles de millones en cada oblea.
Hu dice que el grupo de Berkeley diseñó estos transistores para que no requirieran que los diseñadores de circuitos rediseñen completamente las arquitecturas de chips. Esa es parte de la razón por la que Intel puede lanzar productos tan rápidamente. El grupo de Hu ha estado trabajando en herramientas de simulación de circuitos para los transistores de tres puertas durante los últimos cinco años.
Aún así, los diseñadores de circuitos ven nuevas oportunidades que podrían abrirse con estos transistores. Ofrecen nuevas formas de ajustar el comportamiento de las puertas individuales, lo que les da a los diseñadores nuevas perillas con las que jugar para mejorar aún más la eficiencia energética y la confiabilidad, dice Subhasish Mitra , profesor de ingeniería eléctrica e informática en la Universidad de Stanford. Ver un transistor totalmente nuevo entrar en producción en volumen en el lapso de aproximadamente una década es una señal alentadora de que la industria no está obsoleta y de que las buenas ideas tecnológicas aún pueden salir de los laboratorios académicos, agrega Mitra.