Чипам готовят смену уклада

Очередной скачок в развитии полупроводниковой индустрии связывают с ростом конкуренции, новыми материалами и новой физикой

Геополитический хаос, напрямую затронувший рынок полупроводников, ускорил поиски путей повышения производительности процессоров. Эта отрасль вот уже более полувека развивается согласно так называемому закону Мура, гласящему, что количество транзисторов на единицу площади удваивается каждые два года. Если старые технологии не позволяют поддерживать такой темп развития, их меняют. Сейчас наступает время очередного перехода. Самая прогрессивная, освоенная только двумя компаниями ― тайваньской TSMS и корейской Samsung, ― литография экстремального ультрафиолета, с помощью которой улучшают кремниевые чипы, становится все сложнее и дороже. А возможности кремния для очередного скачка в развитии электроники и вовсе ограничены законами физики. Но если раньше у ученых был общий план действий в случае подобных «форс-мажоров», то теперь его нет. Есть несколько путей, и, вероятно, они будут реализованы в разных уголках мира независимо друг от друга.

Нанометровый забег

Формальная цель ученых остается прежней: поэтапное уменьшение размера транзистора — главной «рабочей лошадки» твердотельной электроники — и, следовательно, увеличение числа этих структур на интегральной схеме. Ставки в такой гонке высоки: миниатюрные устройства многократно превосходят своих менее технологичных предшественников по ключевым характеристикам. Дело в том, что более мелкие элементы выделяют меньше энергии и занимают меньше места, соответственно, их можно разместить на чипе в большем количестве. А большее количество транзисторов без перегрева означает большую мощность вычислительных систем. К примеру, смартфон Samsung с передовым техпроцессом 5 нм в 13,9 раза превосходит по производительности похожую модель предыдущего поколения с техпроцессом 14 нм.

Такой скачок в производительности удалось совершить совсем недавно, пять лет назад, благодаря большому событию в отрасли — переходу от литографии глубокого ультрафиолета (DUV) к литографии экстремального ультрафиолета (EUV). DUV начала буксовать еще на размере 65 нм, но с помощью всевозможных ухищрений ее адаптировали под создание более мелких транзисторов. Технология опирается на длину волны 193 нм — слишком большую для того, чтобы ее можно было сфокусировать в достаточно малую для создания рекордных чипов точку. Длина волны в экстремальном ультрафиолете — 13,5 нм, на нижней границе УФ-спектра, почти у края рентгеновского диапазона. Это позволяет ставить нанорекорды в электронике: с помощью EUV-установок уже созданы транзисторы размером 7 и 5 нм, анонсированы чипы с техпроцессами размером 3 и 2 нм. Впрочем, при уменьшении элементов на считаные нанометры с помощью литографии EUV (к примеру, 3 против 5) вау-эффектов уже не ожидается. По данным TSMS, производительность трехнанометровых микросхем вырастет всего на 10–15% при снижении энергопотребления на 20–30%.

Издержки процесса

Но почему так мало, где обещанный бурный рост — хотя бы на порядок? Оказывается, не все так просто и со стратегией уменьшения структур на чипе, и с литографией экстремального ультрафиолета. Главное ограничение — перегрев элементов. К сожалению, удвоение числа транзисторов не сопровождается эквивалентным увеличением эффективного теплоотведения от чипа. Это сказывается на производительности конечных устройств: при совершении любых манипуляций с битами компьютеру требуется энергия, чтобы отличить значения бита от теплового шума, и много мощности расходуется на попытки справиться с ненужной теплоотдачей. Безусловно, технологии позволяют совершенствовать и системы охлаждения в чипах, но это, не решая проблему полностью, увеличивает себестоимость интегральных схем.

Дополнительные сложности создают выходящие из-под контроля электроны при изготовлении микросхемы. «Длина волны, которую использует EUV, — 13,5 нанометра, что соответствует энергии фотона в 92 электронвольт. Такой фотон выбивает электроны из атомных оболочек. Вторичные электроны сами реагируют с резистом (диэлектрик, используемый в качестве защиты при изготовлении микросхем. — “Эксперт”), вызывая тот же эффект, что и фотоны, — поясняет член научного совета Российского квантового центра, профессор Университета Калгари Александр Львовский. — Прежде чем остановиться, электрон проходит расстояние в несколько нанометров, что, естественно, влияет на разрешение. Получается заколдованный круг: чем меньше длина волны, тем лучше дифракционный предел разрешения, но тем сильнее эффект от выбиваемых электронов».

Каскады вторичных электронов добавляют тепла и запускают целый ряд химических реакций, из-за чего нарушается четкость изображения схемы по краям, тени формируемых на поверхности чипа элементов получаются более размытыми, чем на шаблоне. Все это повышает вероятность возникновения дефектов на готовом изделии. Выявлять их на 300-миллиметровом диске, покрытом транзисторами с плотностью 130–230 млн штук на квадратный миллиметр, помогают специально разработанные для этих целей дефектоскопы, но это снова сказывается на стоимости чипа.

«В результате за последние годы стоимость наночипов в пересчете на один транзистор росла, а не уменьшалась — налицо замедление закона Мура!» — отмечает Александр Львовский.

Восстание машин

Особенность нынешнего технологического перехода в том, что в разных уголках мира ученые ориентированы не только на разработку технологий для чипов будущего, но и на совершенствование инструментов для передовых техпроцессов нынешнего поколения — 7 и 5 нм, которые, казалось бы, покорены «азиатскими тиграми» TSMS и Samsung. Этот параллельный «забег», конечно, лежит не в парадигме закона Мура, зато вполне способен изменить ландшафт в отрасли. Потребители не в восторге от того, что стоимость передовых техпроцессов растет быстрее, чем их качество, и многие напрямую связывают это с установившейся на рынке EUV-оборудования монополией голландской компании ASML, в прошлом подразделения Philips. Кстати, ASML «славится» не только высокой ценой на установки (более 200 млн долларов), но и тем, что продает машины не всем — в частности, Россия и Китай не могут их купить по политическим причинам. Такую странную конфигурацию отрасли, завязанную на одного поставщика с не самым выгодным предложением, сейчас наконец начинают расшатывать, причем с разных сторон.

В июне 2022 года стало известно, что китайская корпорация SMIC освоила передовой техпроцесс 7 нм без доступа к западным технологиям (предположительно с помощью увеличения числа шагов технологии предыдущего поколения — DUV). Вскоре японский гигант Canon анонсировал начало строительства завода для выпуска оборудования по новой технологии — наноимпринтной литографии (NIL), которая позволит делать транзисторы размером 10 нм с возможностью их последующего уменьшения до 2 нм. В сравнении с EUV она существенно упрощает и удешевляет процесс изготовления чипов, позволяя буквально штамповать рисунки интегральных схем. Производитель заявляет, что издержки производства при этом снизятся на 40%, а энергопотребление — на 90%. Запуск завода намечен на 2025 год, сумма инвестиций составит 350 млн долларов. Появление на рынке японского флагмана с новой технологией придаст дополнительный импульс науке и рынку. «Это будет великая битва», — цитируют Киплинга в актуальном контексте пользователи зарубежных соцсетей.

Наконец, в России прогремела новость о разработке в Институте прикладной физики РАН EUV-литографа для выпуска схем по топологии 7 нм. Отечественный анонс многие восприняли как браваду на фоне ужесточения санкций, однако технологии для экспериментов с EUV в России имелись задолго до начала периода международной турбулентности. В 2000-х, на заре зарождения литографии экстремального ультрафиолета, ученые из Института спектроскопии РАН консультировали ASML, а в 2011 году в Институте физики микроструктур РАН был создан прототип рентгеновского литографа с длиной волны 13,5 нм (см. статью «Сложить нанопасьянс», «Эксперт» № 4 за 2012 год). В проектируемых российских литографах, в отличие от голландских установок, источником излучения будет не олово, а газ ксенон, который, как отмечает замдиректора Института физики микроструктур РАН Николай Чхало, в разы компактнее и чище в работе, что позволит снизить стоимость, размеры и сложность оборудования. Предполагается, что на выходе при равной мощности источника излучения отечественная установка будет в полтора-два раза эффективнее машин ASML. Над литографами работают и китайцы: Компартия КНР поставила перед учеными цель создать EUV-установку к 2030 году.

Физика на пределе

А что же с дальнейшим уменьшением транзисторов и будущим закона Мура? Где тот самый нанометровый рубеж, который невозможно покорить с помощью имеющихся технологий и инструментов? Согласно публичным заявлениям представителей компании TSMS, которая с 2021 года уже в третий раз переносит выпуск 3-нанометрового чипа, даже техпроцесс 3 нм едва ли станет основой для создания массовых устройств: это обойдется потребителю слишком дорого. Однако прототипы таких чипов уже созданы, и начинается разработка схем с топологией 2 нм. Под них ASML создает более совершенную машину, старт серийного производства запланирован на 2024 год. Голландцы убеждены, что им по силам будет взять и высоту 1 нм, но вот двигаться дальше станет сложнее.

При переходе к ультрамалым размерам кремниевого чипа начнут проявляться квантовые эффекты, нивелирующие магию двоичных вычислений. Биты кодируют наличие или отсутствие заряда электрона, который идет через транзистор. Однако слишком маленький транзистор не сможет исправно работать как переключатель: даже в его «закрытом» состоянии электроны станут проникать через потенциальный барьер в силу квантового тоннельного эффекта. И чем меньше транзистор, тем сильнее окажется эффект туннелирования. В итоге транзистор будет постоянно включенным, и чип просто расплавится.

Кроме того, предел уменьшения транзистора связан с таким очевидным ограничением, как постоянная решетки кремния, которая составляет ~0,543 нанометра. «На таких масштабах кремний перестает быть самим собой. Химический элемент, конечно, останется, но кристаллического кремния как вещества не будет, — поясняет старший научный сотрудник лаборатории новых материалов для ИК-фотоники Физического института им. П. Н. Лебедева РАН (ФИАН) Владимир Кривобок. — Иначе говоря, при переходе к субнанометровым структурам свойства электронной подсистемы уже не могут быть описаны в рамках представлений об обычных блоховских функциях, соответствующих тем или иным объемным материалам. Необходим последовательный переход к физике и технологии атомарно тонких пленок. Это новое направление материаловедения и физики конденсированного состояния только начинает развиваться».

На смену кремнию

Один из возможных преемников кремния — графен. Его уникальные свойства объясняются двумерной структурой. В объемных материалах току — упорядоченному движению частиц — мешает множество факторов, тогда как в плоскости для них помех практически нет. Большая подвижность электронов, в свою очередь, обеспечивает более высокую частоту работы транзистора. Кроме того, не возникает утечек, поскольку проходящей энергии просто некуда расходоваться — только на движение вперед. Исключительная проводимость электронов позволит условному чипу из этого материала обойти кремниевый аналог по производительности в десять раз при вдвое меньшем потреблении энергии.

Прототипы графеновых чипов разрабатывают в МФТИ и Физико-технологическом институте РАН, британском Университете Сассекса, IBM, а также в нескольких крупных китайских научных центрах и компаниях, объединенных в графеновый инновационный консорциум. Западные аналитики полагают, что пройдет не менее десяти лет, прежде чем новые технологии выйдут за пределы лабораторий. Сдерживают графеновую революцию и сложности в получении больших листов материала.

Еще одним перспективным кандидатом на роль лидера посткремниевой эпохи и нового драйвера закона Мура считают нитрид галлия (GaN). Его преимущество перед кремнием состоит в ширине запрещенной зоны (3,2 электронвольта против 1,1), что конвертируется в более высокую подвижность электронов и лучшую теплопроводность. По подсчетам физика из Бристольского университета Мартина Кубалла, переход всей современной электроники на нитрид-галлиевые транзисторы позволит снизить энергопотребление планеты на 25%. Практически по всем параметрам это идеальный полупроводник, но технологии его получения и необходимых комбинаций с другими материалами — карбидом кремния, кремнием и искусственном алмазом — все еще слишком дороги. А значит, пока потенциал кремниевой технологии не исчерпан на 100%, GaN в чипах для массовой электроники вряд ли сможет на равных соперничать с кремнием — вторым по распространенности элементом на Земле. Это материал будущего, с ним экспериментируют ученые в России, США, Японии, Южной Корее, Китае. В ограниченных сегментах — системах быстрой зарядки для электромобилей, системах связи 5G, системах навигации и авионики — такая продукция уже представлена на рынке.

Российские ученые, давно экспериментирующие с GaN, полагают, что у нитрида галлия прекрасные перспективы и в массовой электронике, особенно в производстве транзисторов для компьютерных микросхем. Для полноценного соперничества с кремнием ему не хватает только развитой инфраструктуры.

Где рубеж, который невозможно покорить с помощью имеющихся технологий и инструментов? Даже техпроцесс 3 нм едва ли станет основой для создания массовых устройств: это обойдется потребителю слишком дорого. Однако прототипы таких чипов уже созданы

Спинтроника

Одновременно в науке идет поиск новых физических принципов, с помощью которых можно совершить технологическую революцию, а не просто плавно перейти от одного уклада к другому. Например, задействовать не заряд, а спин электрона (спин — собственный момент импульса; определяет вращение электрона и меняется под воздействием магнитного поля). При кодировании битов ученые предлагают ориентироваться на физическое пространство, в котором находится частица. Электрон, ось которого направлена условно вверх, принимают за логическую единицу, вниз — за логический ноль. Переключать спин из одного состояния в другое можно намного быстрее, чем перемещать заряд по схеме, и делается это с гораздо меньшим расходом энергии. К тому же при перевороте спина практически не меняется кинетическая энергия, а значит, почти не выделяется тепло. В совокупности все эти преимущества позволяют создавать более эффективные транзисторы.

«Проведенные исследования показывают, что при использовании для записи информации спина электрона вместо его заряда энергию записи одного бита информации легко уменьшить более чем на два порядка. Размеры устройств в спинтронике могут достигать размеров отдельных атомов и молекул (молекулярная спинтроника), в то время как традиционная полупроводниковая электроника — это десятки нанометров, — комментирует научный сотрудник лаборатории оптики сложных квантовых систем ФИАН Павел Форш. — Дополнительными преимуществами спинтроники по сравнению с электроникой является возможность реализации энергонезависимых элементов памяти. Многие ведущие компании из области электроники работают над созданием магнитной памяти с произвольным доступом на основе структур со спин-туннельным эффектом (STT-MRAM). В MRAM данные сохраняются сколь угодно долго при отключении питания — в отличие от динамической (DRAM) памяти на полупроводниках».

На рынке уже представлено несколько устройств, реализованных на принципах спинтроники, — это датчики магнитных полей на основе эффекта гигантского магнитного сопротивления и считывающие головки жестких дисков, построенные на туннельном магнитосопротивлении.

В мире со спинтроникой связывают большие надежды. В Японии на базе Университета Тохоку создан центр спинтронных микропроцессоров, который объединил для технологического рывка более двух десятков японских и американских компаний, занятых в производстве микрочипов. В США Национальный институт стандартов и технологий совместно с партнерами инвестировал 10,3 млн долларов в создание Исследовательского центра спинтроники в Миннесоте.

Эксперименты проходят и в российских научных центрах. Исследования, как правило, связаны с туннелированием в гетероструктурах на основе сверхпроводников и ферромагнитных материалов. Так, в Курчатовском институте и Институте общей физики им. А. М. Прохорова РАН изучают тончайшие магнитные пленки из редкоземельного металла европия, наложенные на слой графена. В ФИАН, в Центре высокотемпературной сверхпроводимости и квантовых материалов им. В. Л. Гинзбурга, анализируют свойства так называемых магнитных сверхпроводников на основе железа и европия, в которых слои сверхпроводника чередуются с магнитно упорядоченными слоями. Такой переход от микроразмерного уровня на наноразмерный открывает путь к управлению спином электрона и в итоге к созданию более прогрессивных устройств. Индийское аналитическое агентство Mordor Intelligence выпустило прогноз по рынку спинтроники, в котором прогнозирует его ежегодный рост почти на 40% до 2027 года.

Все рассмотренные технологии имеют определенные ограничения и, возможно, не вполне готовы к завоеванию массовых сегментов, особенно пока жив нынешний король рынка, кремний, со всей его свитой — заводами, оборудованием, отработанными методами производства, системой подготовки кадров. Но политическое переформатирование рынков, рост конкуренции в науке, технологиях и даже в индустрии, что вчера еще казалось немыслимым в отрасли полупроводников, способно подбросить дров в затухающий костер закона Мура.