Съвременните чипове разчитат на технологии, които контролират електрическия ток, съхраняват информация и пренасят данни между компонентите. Тяхната производителност отразява напредъка в проектирането на транзистори, прецизността на производството, материалите и опаковането. Тези разработки са в основата на всичко – от смартфони и компютри до електромобили и центрове за данни. Ето 10 важни полупроводникови технологии, как работят и защо са от значение.

FinFET транзистори

FinFET транзисторите са транзистори с тесни силициеви канали, които имат формата на изправени ребра, а не на плоски структури. Гейтът обгръща трите страни на всяко ребро, като контролира електрическия ток, протичащ през него. Този дизайн подобрява контрола върху нежеланите утечки на ток, тъй като транзисторите стават все по-малки. FinFET транзисторите помогнаха на производителите да повишат производителността и енергийната ефективност в редица поколения процесори за смартфони, компютри и сървъри.

GAA транзистори

Gate-all-around (GAA) транзисторите обграждат канала, по който протича токът с гейт от всяка страна. При реализацията им могат да се използват тънки силициеви нанолисти или наноленти, подредени вертикално, като един от примерите е RibbonFET на Intel. Обграждащият гейт осигурява по-строг контрол върху потока на тока, което помага за преодоляване на предизвикателствата, свързани с по-нататъшното намаляване на размерите на транзисторите. Инженерите могат също така да регулират ширината на канала, за да балансират производителността, консумацията на енергия и заеманото от устройството пространство.

Екстремна ултравиолетова литография (EUV)

Екстремната ултравиолетова литография (EUV) използва светлина с дължина на вълната 13,5 нанометра за пренасяне на схематични модели върху светлочувствително покритие върху полупроводникови пластини. Процесът изисква специализирани огледала и вакуумна среда, тъй като EUV светлината се абсорбира лесно от много материали.

EUV позволява по-фино моделиране и може да намали броя на етапите на моделиране, необходими за определени слоеве на чипа. EUV с висока числова апертура подобрява още повече оптичната разделителна способност, въпреки че нито дължината на вълната, нито наименованието на технологичния възел описват директно всеки размер на транзистора.

Нанасяне и ецване на атомни слоеве

Нанасянето на атомни слоеве създава изключително тънки слоеве от материал чрез последователни, контролирани повърхностни реакции. Ецването на атомни слоеве използва допълваща последователност, която модифицира повърхността и след това отстранява модифицирания материал. Тези техники помагат на производителите да покриват сложни структури и да отстраняват материал с прецизен контрол. Тази прецизност става все по-важна за триизмерните устройства, при които малки отклонения могат да повлияят на електрическото поведение и последователността на производството.

Захранване от задната страна

Технологията за захранване от задната страна пренасочва електрическата енергия през обратната страна на пластината спрямо предните сигнални връзки. Това разделя двете мрежи от проводници, които традиционно се конкурираха за пространство над транзисторите.

Тази конфигурация може да облекчи претоварването при маршрутизирането и да подобри начина, по който захранването достига до устройствата с висока плътност на компонентите. PowerVia на Intel е една от реализациите на тази технология, въпреки че производството на такива структури изисква допълнителни производствени процеси, включително изтъняване на пластината и прецизни връзки от задната страна.

Чиплети и усъвършенствано опаковане

Дизайните с чиплети разпределят функциите на системата между по-малки полупроводникови чипове, свързани в рамките на един корпус. Различните чипове могат да се занимават с изчисления, памет или вход и изход, като се използват производствени процеси, подходящи за техните индивидуални изисквания. Усъвършенстваното опаковане осигурява гъстите връзки, които позволяват на тези компоненти да работят заедно – или един до друг, или във вертикални купчини.

Този подход предлага гъвкавост при проектирането и възможност за повторна употреба на компонентите, като в същото време превръща комуникационните разходи, тестването, цената и управлението на топлината във важни инженерни съображения.

Памет с висока пропускателна способност (HBM)

Паметта с висока пропускателна способност (HBM) подрежда вертикално множество DRAM чипове и ги свързва чрез гъста мрежа от връзки, включително през-силициеви проходни отвори. Тe са разположени в непосредствена близост до процесора и използват широк интерфейс за паралелен трансфер на голям брой битове.cТази конфигурация спомага за подаването на данни към ресурсоемки работни натоварвания, като например обработка на изкуствен интелект и научни изчисления. HBM служи като работна памет и се нуждае от електроенергия, за да запази информацията, което я отличава от технологиите за трайно съхранение, като например NAND флаш.

3D NAND флаш памет

3D NAND флаш паметта увеличава плътността на съхранение чрез подреждане на паметните клетки в множество вертикални слоеве в рамките на един чип. Този подход разширява капацитета отвъд това, което производителите биха могли да постигнат само чрез намаляване на размерите на плоската подредба на клетките. За разлика от DRAM, NAND флаш запазва съхранената информация при изключване на захранването, което я прави подходяща за SSD дискове и други продукти за съхранение. Нейната производителност и издръжливост зависят от фактори, които надхвърлят броя на слоевете, включително битове на клетка, дизайн на контролера и корекция на грешки.

Силициев карбид и галиев нитрид

Силициевият карбид и галиевият нитрид са полупроводникови материали с широка енергийна празнина, използвани за управление и преобразуване на електрическа енергия. Тяхното свойства предлагат предимства в приложения, които изискват ефективно превключване, висока плътност на мощността или работа при високо напрежение.

Силициевият карбид се използва широко в приложения като инвертори за електромобили, докато галиевият нитрид се използва в компактни, бързопревключващи се преобразуватели на мощност. Материалите не са взаимозаменяеми и инженерите избират между тях в зависимост от напрежението, честотата, термичните изисквания, надеждността и цената.

Силициева фотоника

Силициевата фотоника интегрира оптични компоненти в полупроводникови платформи за предаване на информация чрез светлина. Вълноводите насочват светлината, модулаторите кодират данните, а фотодетекторите преобразуват входящите оптични сигнали в електрически. Технологията помага за преодоляване на ограниченията, свързани с пропускателната способност, разстоянието и енергопотреблението в комуникационната и изчислителната инфраструктура. Нейната роля в оптичните връзки допълва електронната обработка, като подобрява начина, по който данните се пренасят между компонентите и системите.

Заключение

Напредъкът в областта на полупроводниците зависи от координирани подобрения в транзисторите, производствените процеси, паметите, връзките и силовите устройства. Всяка технология преодолява различно ограничение относно възможностите на електронните системи. По-малките превключватели изискват прецизно производство, мощните процесори се нуждаят от бърз достъп до данни, а компактните силови системи – от подходящи материали. Заедно тези разработки позволяват на инженерите да подобрят производителността, капацитета и ефективността на съвременната електроника.