Menu

FD-SOI tranzistory: Nejlepší čipy pro smartphony

FD-SOI tranzistory: Nejlepší čipy pro smartphony

Vývoj klasických tranzistorů již naráží na fyzikální hranice. Rychlejší a úspornější čipy přinese jen přechod na nový typ tranzistorů FD-SOI.
    MARKUS MANDAU  

Cílem technického rozvoje je pro výrobce vývoj čím dál tím rychlejších a úspornějších procesorů. Řadu let toho dosahovali hlavně zmenšováním tranzistorů, které představují základní součástky procesoru. Z čím menších tranzistorů je procesor složen, tím více se jich na jeho plochu vejde, navíc menší tranzistory si při práci vystačí s nižším napětím. Z toho mají největší užitek mobilní zařízení, jako jsou smartphony a tablety, u nichž je potřeba skloubit vysoký výkon s dlouhou výdrží na baterie. Procesory složené z menších tranzistorů se také při stejném příkonu a vytížení pomaleji zahřívají.
Ještě před osmi lety se na jednom procesoru Pentium 4 nacházelo jen 125 milionů tranzistorů o velikosti 90 nanometrů (nm). V CPU Sandy Bridge bychom dnes našli více než miliardu 32nm tranzistorů. Miniaturizace tranzistorů, tak jak probíhala v posledních desetiletích, ale již dosáhla svého limitu, protože při velikostech mezi 20 a 30 nm už ztrácejí spolehlivost a při jejich zmenšování tedy musí výrobci měnit i jejich strukturu a materiály.

Miniaturizaci zpomaluje prosakování proudu

Největším problémem tranzistorů s klasickou architekturou založenou na křemíkovém bloku je při velikostech pod 30 nm tzv. průsak proudu. V praxi nabývá každý tranzistor bitové hodnoty 0 nebo 1 podle toho, zda jejich brána momentálně propouští nebo nepropouští přiváděný proud. Pokud je brána (gate) otevřena, proud prochází kanálem v substrátu z emitoru (source) do kolektoru (drain). V rámci miniaturizace tranzistoru dochází i ke zmenšování jeho součástí (tedy emitoru, brány a kolektoru) a brána již v zavřeném stavu nedokáže spolehlivě zastavit průchod elektronů. Prochází-li elektrony i zavřenou branou, nastává jev nazývaný prosakování proudu. Pro zvýšení spolehlivosti tranzistoru by v takovém případě bylo nutné zvýšit i provozní napětí, a tedy i spotřebu procesoru, takže další miniaturizace by přinesla jen malý prospěch. Pokud chtějí výrobci získat větší kontrolu nad otevíráním a zavíráním kanálu, musí přistoupit ke změně architektury samotného tranzistoru.
Výrobci se nejprve u 45nm výrobního procesu snažili vyztužit izolační vrstvu mezi hradlem a kanálem tranzistoru, a použili proto místo oxidu křemičitého směsi hafnia. To na chvíli pomohlo, ale u 32nm tranzistorů je tato izolační vrstva tlustá už jen pouhý 1 nm, přičemž při velikosti atomu křemíku (0,3 nm) by její další ztenčování znamenalo, že elektrony by začaly tzv. tunelovým efektem prosakovat substrátem do kanálu i skrz zavřenou bránu.
S řešením, které spočívá v lepší izolaci kanálu od zbytku substrátu, přišel Intel u nejnovější generace procesorů Ivy Bridge. Ty obsahují až 1,4 miliardy 22nm tranzistorů, označovaných jako „3D“ nebo „Tri-Gate“. Intel dal v podstatě struktuře tranzistoru třetí rozměr tím, že vyzdvihl kanál tak, aby z výšky překlenoval substrát jako most, tento kanál pak obepíná brána (či hradlo) ze tří stran a tvoří tak větší bariéru. Tri-Gate tranzistory ale sériově vyrábí pouze Intel, ostatní výrobci nezvládnou jejich sériovou výrobu dříve než za dva roky, nebo se rozhodnou pro alternativní a stejně efektivní řešení v podobě tranzistorů typu Fully Depleted - Silicon On Insulator. Tranzistory typu FD-SOI obsahují mezi kanálem a substrátem vrstvu oxidu křemičitého. Díky tzv. vrstvě „Buried Oxide“ (BOx) bude například možné vytvořit 28nm generaci tranzistorů s kanálem o šířce 7nm. U tohoto typu tranzistorů pak nebude emitor a kolektor umístěn ve vrstvě substrátu, ale bude se nacházet nad ním.

Dvakrát rychlejší a úspornější mobilní čipy

Čipy s tranzistory FD-SOI lze na rozdíl od tranzistorů Tri-Gate vyrábět na stávající infrastruktuře, k jejich přípravě se ale musí použít nový typ waferů, které již budou obsahovat vrstvu BOx. Samotná výroba FD-SOI procesorů tak vyjde levněji, je k ní ale třeba použít dražší wafer. Pro srovnání: wafer, ze kterého jsou vyráběny klasické procesory, stojí asi 120 eur, zatímco za wafer vhodný pro výrobu FD-SOI tranzistorů musí výrobci zaplatit 500 eur. Navzdory vyšším nákladům začal již letos v červenci největší evropský výrobce procesorů ST-Microelectronics se sériovou výrobou FD-SOI tranzistorů pro sérii čipů NovaThor, které se již montují do nejnovějších smartphonů Sony Xperia.
Letos se FD-SOI tranzistory vyrábějí ještě 28nm procesem, příští rok se však plánuje jejich přechod na 20nm, čímž bude miniaturizační náskok Intelu opět vyrovnán. Společnost ST-Microelectronics vyrábí FD-SOI čipy v továrnách Globalfoundries, které k výrobě používají i společnosti AMD a IBM, takže se dá očekávat, že na novou technologii brzy přejdou i tyto firmy. Přechod na technologii FD-SOI umožnil ST-Microelectronics zvýšit frekvenci procesorů z 2 na 2,5 GHz při 35% úspoře spotřeby elektrické energie, takže mobilní zařízení s novými CPU vydrží pracovat na baterii o několik hodin déle. Pokud je při běhu procesor málo vytížen, může jeho napětí klesnout na 0,6 V, takže jeho spotřeba klesne dokonce na polovinu. Tranzistory FD-SOI tak dosahují účinnosti srovnatelné s Tri-Gate a obyčejné klasické tranzistory se jim výkonem a spotřebou nemohou rovnat. Jak technologie FD-SOI, tak Tri-Gate umožní miniaturizaci tranzistorů až do velikosti 14 nm. Ještě větší miniaturizace na úrovni 11 nm by bylo za současných podmínek možné dosáhnout pouze kombinací obou technologií, to ale bude nutné až přibližně za pět let.   
      AUTOR@CHIP.CZ

JEŠTĚ MENŠÍ TRANZISTORY
Moorův zákon říká, že složitost integrovaných obvodů se pravidelně zdvojnásobuje zhruba každých 24 měsíců. Kvůli tomu je nutné pravidelně zmenšovat i tranzistory, které jsou základními kameny procesorů. Při velikostech pod 30 nm však nestačí jen zmenšovat, kvůli fyzikálním limitům je nutné změnit i samotnou architekturu tranzistorů. Intel již přešel na Tri-Gate, nyní přicházejí i tranzistory typu FD-SOI, určené hlavně pro mobilní zařízení.

SCHÉMA TRANZISTORŮ FD-SOI
Průchod proudu tranzistorem je řízen branou neboli hradlem. Jakmile se brána otevře, proteče ve směru od emitoru ke kolektoru proud kanálem umístěným v substrátu tranzistoru. U tranzistorů o velikosti menší než 30 nm ale narážíme na fyzikální hranice, které způsobují náhodné protékání elektronů substrátem i při zavřené bráně. Tranzistory typu Fully Depleted Silicon-on-Insulator (FDSOI) obsahují izolační vrstvu zvanou Buried Oxide (BOx), která eliminuje škodlivý průsak elektronů tím, že lépe oddělí kanál, kudy protéká proud od emitoru ke kolektoru, od vrstvy substrátu. Tato technologie umožní miniaturizaci tranzistorů až na 14 nm.

RODOKMEN TRANZISTORU
Dlouhá desetiletí jsme si vystačili se stále se zmenšujícími tranzistory, jejichž struktura se nijak neměnila. Miniaturizace tranzistorů přinesla změnu jejich struktury a Intel přišel s prostorovou variantou Tri-Gate. Ostatní výrobci dávají přednost vylepšené izolační vrstvě BOx. Ideální by byla kombinace obou.

1971
KLASICKÝ TRANZISTOR

TRADIČNÍ: Tranzistory s klasickou strukturou sloužily až do velikosti 30 nm, tedy do minulé generace procesorů Intel Sandy Bridge.
2003
PD-SOI

ZMĚNA OD AMD: Společnost AMD použila u procesorů řady K8 technologii PD-SOI s hrubou izolační vrstvou. Tyto tranzistory používá i současná generace CPU Bulldozer.
OD POLOVINY ROKU 2012
TRI-GATE

SPECIALITA INTELU: Novou 3D architekturu tranzistorů Tri-Gate zatím používá Intel pouze u procesorů Ivy Bridge.
KONEC ROKU 2012
FD-SOI

VYLEPŠENÝ: Vylepšenou variantu tranzistorů FD-SOI vyrábí ST-Microelectronics a používají se v procesorech smartphonů.
OD ROKU 2016
FD-SOI 3D 

IDEÁLNÍ KOMBINACE: Zatím to vypadá, že tranzistory s šířkou 11 nm budou muset používat kombinaci 3D a FD-SOI technologií.