Ничто не бесконечно, но предел можно отодвинуть!

За последние 50 лет производство интегральных микросхем выросло из стадии младенчества и превратилось в крупнейшую отрасль мировой экономики. Развитие и рост полупроводниковой промышленности в значительной степени обуславливались уникальными особенностями технологии создания интегральных схем и беспрецедентной адаптационной способностью рынка этих изделий.

 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 свое применение практически в любой продукции современной цивилизации - от автомобилей до поздравительных открыток. Оглядываясь назад, трудно поверить, что былые прогнозы, основанные на передовых научно-технических расчетах своего времени, предполагали, что себестоимость транзисторов может, в конечном счете, 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.1.1.1. - 1.1.3 представлены графики роста объемов 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 обобщенным ежегодным приростом порядка 15% в год, график объемов производства (рис.1.1.1.) иллюстрирует взлеты и падения, которые переживала полупроводниковая промышленность в результате нарушения баланса между имеющимися производственными мощностями и потребностями рынка. На рис. 1.1.2., напротив, демонстрируется плавный рост ориентировочного количества ежегодно выпускаемых транзисторов. Из графика видно, что за последние 30 лет объем ежегодного производства транзисторов вырос на 8 порядков, при этом обобщенный среднегодовой прирост составил 78% (указанный временной интервал включает и несколько лет в 70 - 80-х годах, на протяжении которых годичный прирост превышал 100%).

Рис. 1.1.1. Мировой объем производства полупроводников Источник: Intel / WSTS, май 2002 г. Рис. 1.1.2: Объем ежегодных продаж транзисторов Источник: Dataquest / Intel

 На рис. 1.1.3 приведены данные, полученные в результате деления объемов на приблизительное количество производимых транзисторов. Из графика видно, что средняя отпускная цена в пересчете 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) еще на порядок ниже. Небывалое снижение цены производимой продукции в сочетании с увеличением его потребления и стало движущей силой развития всей полупроводниковой промышленности.

Рис. 1.1.3. Среднегодовая цена транзистора. Источник: Dataquest / Intel

 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 придется преодолевать барьеры. Уже в настоящее время выравнивание графика роста прибыли в полупроводниковой промышленности, начавшееся в 1994 году, дает повод для определенной 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 надежность систем, уменьшаются их размеры и масса, и обеспечивается возможность создания все более сложных систем, обладающих низкой стоимостью и повышенной надежностью. Но что самое важное - значительно увеличившаяся плотность размещения компонентов существенно снижает себестоимость продукции.

Рис. 1.1.4. Минимальный размер элемента интегральной микросхемы (мкм)

 Минимальный размер элемента производимых интегральных микросхем с момента их первого появления снижался по экспоненте (рис. 1.1.4.). 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 трех. 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.

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 еще 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.1.1.5.). По мере развития технологии данный параметр также уменьшался примерно по экспоненциальному закону. Как показывает микрофотография электронного перехода (рис.1.1.6.), 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.

Рис. 1.1.5: Эффективная диэлектрическая толщина полевого транзистора с МОП-структурой затвора (ангстрем) Рис. 1.1.6: Вещество с высоким значением диэлектрической постоянной в качестве диэлектрика затвора Источник: Intel 90-нанометровый технологический процессЭкспериментальный диэлектрик с высокой диэлектрической постоянной 1X 1,6X Емкость Утечка 1X
Подпишитесь на нашу новостную рассылку, чтобы узнать о последних новостях.
Вы успешно подписались на рассылку
Ошибка, попробуйте другой email
VN.ru обязуется не передавать Ваш e-mail третьей стороне.
Отписаться от рассылки можно в любой момент