211service.com
IBM: Kommersiella nanorörtransistorer kommer snart
I mer än ett decennium har ingenjörer grämt sig över att de har slut på knep för att fortsätta att krympa kiseltransistorer. Intels senaste chips har transistorer med funktioner så små som 14 nanometer, men det är oklart hur industrin kan fortsätta att skala ner kiseltransistorer mycket ytterligare eller vad som kan ersätta dem.
Chiptest : Varje chip på denna wafer har 10 000 nanorörstransistorer på sig. IBM hoppas kunna placera miljarder av enheterna på ett enda chip snart efter 2020.
Ett projekt på IBM siktar nu på att få transistorer byggda med kolnanorör redo att ta över från kiseltransistorer snart efter 2020. Enligt halvledarindustrins färdplan måste transistorer vid den tidpunkten ha funktioner så små som fem nanometer för att hålla jämna steg med det kontinuerliga miniatyrisering av datorchips. Det är där kiselavlagringen tar slut, och det finns verkligen inget annat, säger Wilfried Haensch, som leder företagets nanorörsprojekt vid företagets T.J. Watson forskningscenter i Yorktown Heights, New York. Nanorör är den enda tekniken som ser ut att kunna förhindra att datorkraftens framsteg saktar ner, genom att erbjuda ett praktiskt sätt att göra både mindre och snabbare transistorer, säger han.
1998 gjorde forskare vid IBM en av de första fungerande kolnanorörstransistorerna. Och nu, efter mer än ett decennium av forskning, är IBM det första stora företaget som åtar sig att göra tekniken redo för kommersialisering.
Vi har tidigare arbetat med det som en sandlådetyp, säger James Hannon , chef för IBM:s grupp för molekylära sammansättningar och enheter. Hannon ledde IBM:s nanorörsarbete före Haensch, som tog över 2011 efter en karriär som arbetade med att tillverka konventionella chips. Wilfried gick med med en kiselteknologisk bakgrund [och] vårt fokus ändrades verkligen.
Haenschs team valde målet för kommersialisering baserat på tidtabellen för tekniska förbättringar som chipindustrin har kartlagt för att hålla Moores lag vid liv, en förutsägelse från 1965 om att antalet transistorer som skulle kunna stoppas in i en krets skulle fördubblas vartannat år. Generationer av chiptillverkningsteknologi är kända genom storleken på den minsta struktur de kan skriva in i ett chip. Den nuvarande bästa är 14 nanometer, och 2020, för att hålla jämna steg med Moores lag, kommer branschen att behöva vara nere på fem nanometer. Detta är punkten IBM hoppas att nanorör kan träda in i. Den senaste rapporten från industrigruppen för mikrochips, ITRS, säger att den så kallade fem-nanometernoden är beräknad till 2019.
IBM har nyligen tillverkat chips med 10 000 nanorörstransistorer (se Hur man bygger en nanorörsdator ). Nu arbetar man på en transistordesign som skulle kunna byggas på de kiselskivor som används i branschen idag med minimala förändringar av befintlig design och tillverkningsmetoder. Designen valdes delvis baserat på simuleringar som utvärderade prestandan hos ett chip med miljarder transistorer. Dessa simuleringar tyder på att den valda designen bör tillåta en mikroprocessor att vara fem gånger så snabb som en kisel med samma mängd ström.
IBM:s valda design använder sex nanorör som är uppradade parallellt för att göra en enda transistor. Varje nanorör är 1,4 nanometer brett, cirka 30 nanometer långt, och på ungefär åtta nanometers avstånd från grannarna. Båda ändarna av de sex rören är inbäddade i elektroder som levererar ström, vilket lämnar cirka 10 nanometer av deras längder exponerade i mitten. En tredje elektrod löper vinkelrätt under denna del av rören och slår på och av transistorn för att representera digitala 1:or och 0:or.
IBM-teamet har testat nanorörstransistorer med den designen, men hittills har de inte hittat ett sätt att placera nanorören tillräckligt nära varandra, eftersom befintlig chipteknologi inte kan fungera i den skalan. Den föredragna lösningen är att kemiskt märka substratet och nanorören med föreningar som skulle få dem att självmontera på plats. Dessa föreningar kunde sedan tas bort och lämnar nanorören ordnade på rätt sätt och redo att ha elektroder och andra kretsar tillsatta för att färdigställa ett chip.
Haenschs team köper nanorör i bulk från industriella leverantörer och filtrerar bort rören med rätt egenskaper för transistorer med hjälp av en modifierad version av en maskin som används för att filtrera molekyler som proteiner i läkemedelsindustrin. Den använder elektrisk laddning för att separera halvledande nanorör som är användbara för transistorer från de som leder elektricitet som metaller och som inte kan användas för transistorer.
Förra året skapade forskare vid Stanford den första enkla datorn byggd med enbart nanorörstransistorer (se Den första nanorörsdatorn). Men de komponenterna var skrymmande och långsamma jämfört med kiseltransistorer, säger Subhasish Mitra , en professor som arbetade med projektet. Vi vet nu att man kan bygga något användbart med kolnanorör, säger han. Frågan är hur du får den prestanda du behöver?
Även om IBM inte har utarbetat hur man gör nanorörstransistorer tillräckligt små för massproduktion, säger Mirta att de har gjort konkreta steg och har utarbetat processer som borde vara mottagliga för halvledarindustrin.
Men för närvarande är IBM:s nanorörssatsning kvar inom dess forskningslabb, inte dess affärsenhet för halvledarprodukter. Och forskarna är öppna med att framgången inte är garanterad. I synnerhet, om nanorörstransistorerna inte är klara strax efter 2020 när industrin behöver dem, kan möjligheterna vara stängda, säger IBMs Hannon.
Om nanorör inte klarar det, finns det lite annat som visar stor potential att ta över från kiseltransistorer under den tidsramen. Enheter som manipulerar spinn hos individuella elektroner är den närmaste möjliga kandidaten (se Silicon-Based Spintronics), men de är mindre mogna, och till skillnad från kolnanorör, beter de sig inte på samma sätt som kiseltransistorer, säger Hannon.