Гордон Мур

Ничто не бесконечно, но предел можно отодвинуть!

В эти дни в Сан-Франциско (Калифорния, США) проходит очередная ежегодная инженерная конференция International Solid-State Circuits Conferece (ISSCC), посвящённая фундаментальным вопросам развития полупроводниковой техники и микроэлектроники. Конференцию открыл один из основателей корпорации Intel, почётный председатель совета директоров, автор известного закона Мура доктор Гордон Е. Мур. Мы публикуем изложение его доклада.

За последние 50 лет производство интегральных микросхем выросло из стадии младенчества и превратилось в крупнейшую отрасль мировой экономики. Помимо самостоятельной ценности, интегральные микросхемы стали основополагающим элементом всей электронной промышленности с годовым оборотом в триллион долларов и нашли своё применение практически в любой продукции современной цивилизации - от автомобилей до поздравительных открыток. Оглядываясь назад, трудно поверить, что былые прогнозы, основанные на передовых научно-технических расчётах своего времени, предполагали, что себестоимость транзисторов может, в конечном счёте, снизиться до 50 центов. Эти прогнозы не учитывали появления интегральных микросхем и их последующей эволюции, что в настоящее время позволяет объединить сотни миллионов транзисторов в рамках единой интегральной структуры.

Развитие и рост полупроводниковой промышленности в значительной степени обуславливались уникальными особенностями технологии создания интегральных схем и беспрецедентной адаптационной способностью рынка этих изделий. На рис. 1-3 представлены графики роста объёмов производства полупроводниковой промышленности за последние 30 лет, приблизительное количество ежегодно выпускаемых транзисторов и средняя стоимость одного транзистора, получаемая в результате деления соответствующих показателей из двух предыдущих графиков. Наряду с обобщённым ежегодным приростом порядка 15% в год, график объёмов производства (рис. 1) иллюстрирует взлёты и падения, которые переживала полупроводниковая промышленность в результате нарушения баланса между имеющимися производственными мощностями и потребностями рынка. На рис. 2, напротив, демонстрируется плавный рост ориентировочного количества ежегодно выпускаемых транзисторов. Из графика видно, что за последние 30 лет объём ежегодного производства транзисторов вырос на 8 порядков, при этом обобщённый среднегодовой прирост составил 78% (указанный временной интервал включает и несколько лет в 70–80-х годах, на протяжении которых годичный прирост превышал 100%).

Рисунок 1. Мировой объём производства полупроводников

Рисунок 2. Объём ежегодных продаж транзисторов

На рис. 3 приведены данные, полученные в результате деления объёмов на приблизительное количество производимых транзисторов. Из графика видно, что средняя отпускная цена в пересчёте на один транзистор за последние 30 лет снизилась на 6 порядков, составив в 2002 году примерно 20 миллионных долей цента. Более того, стоимость одного транзистора в современных модулях динамической оперативной памяти (DRAM) ещё на порядок ниже. Небывалое снижение цены производимой продукции в сочетании с увеличением её потребления и стало движущей силой развития всей полупроводниковой промышленности.

Рисунок 3. Среднегодовая цена транзистора

Тем не менее, экспоненциальное изменение любой физической величины не может длиться вечно. Та или иная причина всегда ограничивает продолжение роста. В полупроводниковой промышленности кривая экспоненциального развития многих процессов рано или поздно приближается к подобным ограничениям. Если мы хотим сохранить исторически сложившийся темп прогресса, потребуются новые обходные маневры. Полупроводниковой индустрии в ближайшее десятилетие или чуть позже снова придётся преодолевать барьеры. Уже в настоящее время выравнивание графика роста прибыли в полупроводниковой промышленности, начавшееся в 1994 году, даёт повод для определённой озабоченности.

Основополагающий технологический фактор, обусловивший выдающиеся достижения отрасли, заключается в том, что уменьшение размеров устройства улучшает практически все характеристики электронной микросхемы. Транзисторы работают быстрее и потребляют меньше энергии. Возможности интегральной реализации сложных функций увеличиваются, в результате чего улучшается надёжность систем, уменьшаются их размеры и масса, и обеспечивается возможность создания всё более сложных систем, обладающих низкой стоимостью и повышенной надёжностью. Но что самое важное - значительно увеличившаяся плотность размещения компонентов существенно снижает себестоимость продукции.

Минимальный размер элемента производимых интегральных микросхем с момента их первого появления снижался по экспоненте (рис. 4). Во всяком случае, скорость уменьшения размеров элемента за последние несколько лет увеличилась по сравнению с традиционным "уменьшением вдвое за шесть лет". Это вызвано тем, что производители микросхем вынуждены бороться за конкурентоспособность своей продукции. Как показано в докладе "Перспективы развития полупроводниковых технологий, 2001 г." (Technology Roadmap for Semiconductors, 2001 Edition), период между переломными моментами технологий приближается к двум годам вместо исторически сложившихся трёх. Даже несмотря на увеличивающиеся технологические трудности и финансовые затраты, сопровождающие уменьшение размеров элементов, конкурентное преимущество, получаемое от выхода на рынок продукции следующего поколения, поддерживает процесс миниатюризации. Производители вынуждены корректировать свои разработки в направлении повышения конкурентоспособности в соответствии с новыми технологическими достижениями в отрасли.

Рисунок 4. Минимальный размер элемента интегральной микросхемы, мкм

За прошедшие годы несколько раз казалось, что технологические барьеры должны замедлить или даже остановить описанные выше тенденции, однако, поскольку ставки были высоки, компании-производители нашли способы обойти возникшие препятствия. Тем не менее, в течение двух ближайших десятилетий производители встретятся с новым и ещё более фундаментальным барьером - вещества состоят из атомов, а зона действия современной полупроводниковой технологии приближается к размерам атомов. Указанная проблема, скорее всего, проявит себя в толщине диэлектрика, изолирующего затвор транзистора (рис. 5). По мере развития технологии, данный параметр также уменьшался примерно по экспоненциальному закону. При использовании диоксида кремния в качестве диэлектрика затвора транзисторы следующего поколения будут иметь слой диэлектрика толщиной всего в несколько молекул. Впрочем, в данном случае есть возможность использования материалов с более высокой диэлектрической постоянной, что позволяет достичь заданных характеристик электрического поля посредством более толстого слоя изолятора. Такое решение отодвигает наступление описываемой проблемы.

Рисунок 5. Эффективная диэлектрическая толщина полевого транзистора с МОП-структурой затвора, ангстрем

Ещё одна хорошо известная экспоненциальная зависимость описывает увеличение сложности наиболее сложных интегральных микросхем. Поведение этой зависимости обуславливается уменьшением размеров фотошаблонов и улучшением технологии производственных процессов, что экономически оправдывает создание всё более сложных кристаллов микросхем. Я первый уловил эту тенденцию на начальном этапе существования интегральных микросхем [1], когда пытался предсказать тенденции развития микроэлектроники на очередное десятилетие. На рис. 6 показан первоначальный прогноз 1965 года (так называемое "ежегодное удвоение"), который впоследствии был назван "Законом Мура". На рис. 7 показан тот же самый прогноз с учётом данных, имевшихся в 1975 году. На рис. 8 показан аналогичный график, включающий мой прогноз 1975 года [2] и данные, иллюстрирующие реальное развитие событий. Приблизительно двухлетний цикл удвоения, предсказанный в 1975 году, в значительной степени является следствием уменьшения размеров шаблонов и увеличения размеров кристаллов. Увеличение темпа роста сложности, произошедшее после 1975 года, обусловлено включением ещё одной движущей силы - усовершенствование схемотехники и конструирования микросхем позволили уменьшить долю терявшейся ранее поверхности полупроводникового кристалла. В 1975 году существовавшие на тот момент резервы уменьшения исчерпывались, что замедлило темпы развития.

Рисунок 6. Прогнозируемое количество транзисторов (прогноз 1965 года)

Рисунок 7. Прогнозируемое количество транзисторов (прогноз 1965 года с наложением реальных данных 1975 года)

Рисунок 8. Прогнозируемое количество транзисторов (прогноз 1975 года с наложением реальных данных)

Многие другие параметры также имеют примерно экспоненциальный закон поведения, в основном из-за их связи с уменьшающимися размерами и увеличивающейся сложностью микросхем. К ним можно отнести рост производительности компьютеров, обусловленный как наличием более быстрых транзисторов, так и их количеством, нарастающим по экспоненциальному закону, а также изменение мощности рассеяния микропроцессорных интегральных схем, которая увеличивается, несмотря на все попытки уменьшить рабочее напряжение и минимизировать рассеивание токов.

Для того чтобы исторически сложившаяся тенденция продолжилась, транзистор интегральной микросхемы должен сам эволюционировать, то есть избавиться от планарной структуры, обычно используемой сегодня. К настоящему моменту предлагаются несколько идей, которые призваны уменьшить рассеивание токов и обеспечить повышение быстродействия. Указанные идеи включают в себя структуры полностью обеднённого кремния на диэлектрике (fully-depleted SOI) [3], а также структуры с двумя [4] и тремя затворами [5]. Изменениям подвергается даже кристаллическая структура кремния. С целью повышения подвижности носителей заряда и, как следствие этого, улучшения рабочих характеристик транзистора его кристаллическая решётка деформируется [6]. На рис. 9 проиллюстрировано одно из наиболее радикальных нововведений, исследуемых в настоящее время: трёхмерный транзистор с тремя затворами. Использование подобных транзисторов позволит обеспечить прогресс технологии, по крайней мере, ещё на несколько поколений. Технологические трудности продолжают нарастать; аналогичную нагрузку создают и финансовые проблемы. В качестве примера можно привести изменение стоимости литографической машины за последние несколько поколений развития микроэлектроники. Очевидно, что в отрасли, где рост доходов замедляется, этот фактор также представляет собой труднопреодолимое препятствие. Однако, микроэлектроника встречалась с трудностями и раньше, все их успешно преодолела и достигла сегодняшних высот.

Рисунок 9. Трёхзатворная структура транзистора

Существует множество способов решения проблем, стоящих перед микроэлектроникой в наше время. Изобретательность инженеров и учёных, преодолевавших возникавшие ранее препятствия, была фантастической, и я надеюсь, что так будет и впредь. По крайней мере, на несколько ближайших поколений существуют решения, которые обеспечат развитие отрасли примерно с той же скоростью, с какой оно происходило до настоящего времени. Однако даже если в будущем циклы удвоения увеличатся, скорость развития полупроводниковой индустрии будет намного превосходить соответствующие показатели практически всех остальных отраслей техники. Полупроводниковая индустрия - действительно революционная технология!

Литература

1. Moore G.E. Cramming more Components onto Integrated Circuits. Electronics. Vol. 38. 1965. April 19. № 8.
2. Moore G.E. Progress in Digital Integrated Electronics. Technical Digest of International Electron Devices Meeting. Dec. 1975. P. 11.
3. Chau R. et al. A50nm Depleted-Substrate CMOS Transistor (DST). Technical Digest of International Electron Devices Meeting. Dec. 2001. P. 621–624.
4. Huang X. et al. Sub 50-nm FinFET: PMOS. Technical Digest of International Electron Devices Meeting. Dec. 1999. P. 67–70.
5. Chau R. et al. Advanced Depleted Substrate Transistors: Single-gate, Double-gate and Tri-gate. Extended Abstracts of the 2002 International Conference on Solid State Devices and Materials. Nagoya, Japan. Sept. 2002. P. 68–69.
6. Thompson S. et al. A 90nm Logic Technology Featuring 50nm Strained Silicon Channel Transistors, 7 Layers of Cu Interconnects, Low k ILD, and 1мm2 6-T STAM Cell. to be published in the Technical Digest of International Electron Devices Meeting. Dec. 2002.