Транзистор: 60 років великих звершень маленького елемента

Телевізори, автомобілі, радіоприймачі, медичні та побутові прилади, комп’ютери, космічні «човники» і навіть програмовані дверні замки в готелях – напевно, складно собі уявити хоч один більш-менш складний електронний прилад з тих, що нас оточують, який не використовував би транзистори . Винахід транзистора 60 років тому співробітниками науково-дослідного центру Bell Labs стало найважливішим фактором, що стимулював впровадження багатьох чудових інновацій та розвитку технологій. Фактично, без транзистора було б неможливим існування практично всієї сучасної електронно-цифрової індустрії. Саме транзистор – крихітний пристрій, елемент мікросхеми, що діє подібно до мініатюрного вимикача і тим самим дозволяє реалізовувати алгоритми обробки інформації – забезпечив феноменальний тріумф комп’ютерів.

У чому секрет успіху? Мікроелектроніка неухильно розвивається, постійно збагачуючи інноваціями науково-технічну спільноту. Транзистори з кожним новим поколінням технологічних процесів їх виготовлення стають все компактнішими, швидкодіючими, дедалі економніше витрачають енергію. У листопаді 2007 р. інженери

Це дозволило створити мікропроцесори на базі мікроархітектури Intel< span style=”font-family: Arial;”>® ™, що використовують революційну 45-нанометрову виробничу технологію із застосуванням підзатворного ізолятора (діелектрика) на основі гафнію з високим коефіцієнтом діелектричної проникності – high–k, а також металевого затвора, що забезпечує рекордну продуктивність та ефективне енергоспоживання.

Що ж далі? Корпорація

“Вимк” / “Вимк”

“Вимк” / “Вимк”

Офіційною датою появи на світ першого транзистора вважається 23 грудня (за іншими даними – 16 грудня) 1947, авторами цього чудового винаходу стали американські фізики Вільям Шоклі (William Shockley), Джон Бардін (John Bardeen) і Уолтер Браттейн (Walter Bratta). , спочатку вчена громадськість зустріла цей винахід досить Прохолодно, але вже в 1956 році всі три американці були удостоєні Нобелівської премії в галузі фізики. року за створення теорії надпровідності.

Ну а сама назва — «транзистор» придумав їхній колега Джон Пірс (John R. Pierce). Слово “transistor” утворено шляхом з’єднання двох термінів: “transconductance” (активна міжелектродна провідність) та «variable resistor» або «varistor» (змінний опір, варистор).

Першими, хто став активно застосовувати транзистори, були радіоаматори, які використовували ці елементарні прилади для посилення сигналу. що забезпечило транзистору найважливішу роль у технічних досягненнях людства протягом останніх сорока років.

Цікаво відзначити, що транзистор, по суті, робить те ж, що і звичайний вимикач: включає і вимикає струм. складаються у зрозумілий комп’ютеру бінарний код – «мова», яку комп’ютери використовують у процесі обчислень, обробки тексту, відтворення фільмів та аудіо, демонстрації зображень…

 

Транзистори та… рок’н’рол

Перший транзистор, струм в якому тек уздовж поверхні напівпровідника, використовувався для посилення електричного сигналу, що проходив через нього – транзистори справлялися з цим завданням ефективніше, ніж популярні в той час, але більш громіздкі і тендітні електронні лампи.

 

Щоб максимально прискорити популяризацію транзисторів, у науково-дослідному центрі Bell Labs було ухвалено рішення продати ліцензію на транзисторні технології. Ліцензію вартістю 25 000 доларів США придбали двадцять шість компаній. Однак для комерційного успіху транзисторних технологій потрібно було привернути увагу масової аудиторії. Це стало можливим завдяки транзисторним радіоприймачам.

 

Перша модель такого пристрою, що містила аж чотири транзистори, була представлена ​​у жовтні 1954 року. З появою портативного радіоприймача радіомани здобули можливість слухати музику та отримувати інформацію в будь-якому місці – цим одразу ж скористалася молодь, яка отримала можливість вирватися з-під батьківського піклування та самоствердитися за допомогою нової субкультури. Так портативне радіо стимулювало нову революцію… і музикою – в ефірі повсюдно зазвучав рок-н-рол!

Інтегральна мікросхема

 

До кінця 50-х років транзистор «влаштувався» в радіоприймачах, телефонах та ЕОМ, і хоча його розміри були набагато меншими, ніж у електронних ламп, для створення нового покоління електронних пристроїв цього було явно недостатньо. Щоб реалізувати величезний обчислювальний потенціал транзисторів, пристосувати їх для масового виробництва та знизити вартість, потрібен ще один винахід.

 

У 1958 році Джек Кілбі (Jack Kilby) з компанії Texas Instruments і Роберт Нойс (Robert Noyce) з компанії Fairchild Semiconductor, який згодом став одним із батьків-засновників корпорації Intel, винайшли спосіб об’єднання великої кількості напівпровідникових транзисторів в одну інтегральну схему. Це був гігантський крок уперед – адже колись окремі компоненти електричної схеми доводилося з’єднувати вручну.

 

У мікросхем було дві переваги: ​​нижча вартість та вища продуктивність. Обидві переваги стали наслідком мініатюризації, яка забезпечувала експоненційне скорочення розмірів пристроїв і надзвичайну динамічність виробничого процесу. Гордон Мур (Gordon Moore), який у 1968 році разом із Нойсом заснував процесорний гігант Intel, в одній із журнальних статей сформулював прогноз, опублікований у 1965 році і отримав назву «закон Мура».

 

Відповідно до цього закону число транзисторів у мікросхемі мало подвоюватися кожні півтора-два роки, що у свою чергу забезпечувало б підвищення обчислювальної потужності та зниження кінцевої вартості продукту за його масового виробництва. Можливість розміщення множини компактних елементів на поверхні малого розміру виявилася вирішальним фактором для успішного просування мікросхем.

 

Виробникам мікросхем вдається підтримувати це експоненційне зростання щільності розміщення транзисторів у мікросхемі протягом десятків років. Перший комп’ютерний мікропроцесор корпорації Intel 4004, випущений 1971 року, містив 2300 транзисторів. У 1989 році в процесорі Intel 486 їх було вже 1 200 000, а в 2000 процесор Intel Pentium 4 подолав рубіж в 42 мільйони. Новий чотириядерний процесор Intel Core 2 Extreme, створений на базі 45-нанометрової виробничої технології, містить 820 мільйонів транзисторів.

 

Ігри атомів

 

Закону Мура постійно пророкують смерть. Нескінченне експоненційне зростання неможливе за визначенням – і все-таки виробникам процесорів досі вдається оминати обмеження. У вересні минулого року Гордон Мур заявив, що закон його імені має всі шанси залишатися в силі ще як мінімум років 10-15, але потім можуть виникнути нові фундаментальні бар’єри на шляху його реалізації. Так чи інакше, але на цей найвідоміший закон комп’ютерного світу XXI століття чекали важкі часи.

 

Битва за мініатюризацію вичерпала можливості одного з найбільш критичних компонентів транзистора: прошарку з діоксиду кремнію (SiO2), що служила ізолюючим шаром між затвором транзистора та його каналом, яким тече струм, коли транзистор включений. З кожним новим поколінням процесорів цей ізолюючий шар ставав дедалі тоншим – поки два покоління тому його товщина досягла значення 1,2 нм , чи 5 атомів. Інженери Intel вже не змогли зробити цей шар тоншим хоча б ще на один атом.

 

У міру зменшення товщини ізолюючого шару ріст витоку. Ізолюючий шар почав пропускати струм усередину транзистора, поведінка пристрою змінилася, воно почало розсіювати все більшу кількість енергії. В результаті зросло споживання струму процесором, при роботі виділялася додаткова кількість теплоти.

 

Фундаментальна межа

 

Витік струму в транзисторі став серйозною проблемою напівпровідникової галузі: без прориву в цій галузі давно передбачена фундаментальна межа ставала непереборною. Причому це означало не тільки кінець закону Мура – ​​цифрова революція останніх десятиліть раптово припинилася б. Комп’ютерні процесори, що практично подвоювали свою продуктивність кожні 24 місяці, могли канути в Лету.

 

Щоб знайти вихід із кризи, потрібно було збільшити товщину ізолюючого шару, але виготовляти цей товстіший шар з іншого діелектричного матеріалу з вищим коефіцієнтом діелектричної проникності (high-k) для збереження характеру взаємодії затвора та каналу. У січні 2007 року корпорація Intel оголосила, що вперше за сорок років ізолюючий шар складатиметься не з оксиду кремнію, а з матеріалу на основі гафнію, сріблясто-сірого металу, що перевершує кремній за електричними властивостями і дозволяє знизити струм витоку вдесятеро. Сам Гордон Мур назвав це велике досягнення “найважливішою зміною транзисторних технологій з кінця шістдесятих років”.

 

Однак цей прорив вирішував проблему лише наполовину. Новий матеріал виявився несумісним із важливим компонентом транзистора – із затвором. Ще гірше те, що транзистори з новим ізолюючим матеріалом працювали менш ефективно, ніж із старим. Тоді було запропоновано замінити і затворний матеріал: корпорація Intel відкрила унікальне поєднання металів, склад якого тримається в строгому секреті.

 

12 листопада 2007 року корпорація Intel представила нове покоління процесорів на основі цих матеріалів та 45-нанометрової виробничої технології. Нова виробнича технологія, тонша, ніж попередня 65-нанометрова, дозволила Intel майже вдвічі збільшити кількість транзисторів, що розміщуються на тій же площі кристала – тепер можна було вибирати між збільшенням загальної кількості транзисторів та зменшенням розмірів процесора. Новим транзисторам потрібно на 30% менше енергії для включення та вимкнення. У результаті нове покоління процесорів Intel, виготовлених за 45-нанометровою виробничою технологією, не лише демонструє рекордну продуктивність, а й знаменує прорив у галузі енергоспоживання.

 

Підвищення обчислювальної потужності, що є наслідком закону Мура, дозволяє людству ефективніше прораховувати шляхи вирішення найважливіших проблем, що стоять перед ним: зміна клімату, спадкові хвороби, таємниці генетики та ін. Сучасні шляхи та темпи вирішення подібних проблем ще п’ять років тому важко було навіть уявити. Нові програми допомагають змінити наше життя і зробити його ще безпечнішим.

 

Количество транзисторов в процессоре:

Intel® 4004                   1971     2300

Intel® 8086                   1978     29 000

Intel® 486                     1989     1 200 000

Intel® Pentium® III        1999     9 500 000

Intel® Pentium® 4         2000     42 000 000

Intel® Core™ 2 Duo      2007     410 000 000

 

Процессоры и производственная технология:

1993     Intel® Pentium®                       800 нм

1999     Intel® Pentium® III                    250 нм

2002     Intel® Pentium® 4                    130 нм

2005     Intel® Pentium® D                    90 нм

2006     Intel® Core™ 2 Duo                  65 нм

2007     Intel® Core™ 2 Duo                  45 нм