Poprawa wydajności chipów krzemowych w ciągu ostatnich 50 lat była następstwem specjalnej zasady zwanej prawem Moore’a; Ale jaki jest inny sposób na ulepszenie chipów krzemowych?

Pojawienie się półprzewodnikowych chipów krzemowych zrewolucjonizowało świat elektroniczny i komputeryzację życia, wyznaczając pierwsze lata XXI wieku. Układy scalone, czyli układy scalone, stanowią podstawę całego otaczającego nas cyfrowego świata, kontrolując nasze systemy i umożliwiając nam dostęp do informacji i udostępnianie ich w mgnieniu oka.

Rozwój tranzystorów krzemowych od czasu prototypu w 1947 roku był bardzo szybki. Całkowita liczba tranzystorów w prymitywnym układzie scalonym wzrosła z kilku tysięcy do ponad dwóch miliardów. Zgodnie z prawem Moore’a, które nadal obowiązuje po 50 latach, gęstość tranzystorów podwoi się w obu latach.

Jednakże komponenty te stoją przed poważnym wyzwaniem:

ostatni wyprodukowany układ scalony ma architekturę 5 nanometrów, która mierzy odległość między komórką krwi (7500 nanometrów) a ciągiem diod (2,5 nanometra). Ponadto rozmiar pojedynczych atomów krzemu (około 0,2 nm) w układach scalonych o szerokości jednego bitu będzie stwarzał problematyczne ograniczenie fizyczne.

Z drugiej strony zniszczy stabilność jego zachowania i wydajności oraz utrudni kontrolę. Jakie jest więc rozwiązanie? Czy zmniejszenie rozmiaru chipów krzemowych to jedyny sposób na poprawę ich wydajności?

Należy zauważyć, że brak możliwości zmniejszenia rozmiaru układów scalonych zakłóci proces wzrostu komponentów krzemowych. Nieuniknione jest ponowne rozważenie sposobu produkcji urządzeń lub nawet zaoferowanie alternatyw dla krzemu. W tym artykule zbadamy inne sposoby poprawy wydajności chipów krzemowych, poza zmniejszaniem ich rozmiaru.

Problemy z użyciem krzemu w chipie; Prędkość, ciepło i światło

Aby zrozumieć stojące przed nami wyzwanie, musimy najpierw zrozumieć, dlaczego krzem stał się najlepszym surowcem do produkcji komponentów elektronicznych. Oprócz zalet takich jak obfity dostęp do tego materiału i jego łatwa ekstrakcja oraz dobre właściwości fizyczne, obecność stabilnego tlenku natywnego czyni go dobrym izolatorem. Posiada wszystkie niezbędne właściwości do zastosowania w chipie. Oczywiście ten artykuł ma również swoje wady.

Na przykład jedną ze znaczących korzyści zwiększenia składu większej liczby tranzystorów w chipie jest to, że może przyspieszyć przetwarzanie danych w układzie scalonym; Jednak ten wzrost prędkości jest przede wszystkim związany ze stopniem, w jakim elektrony mogą się poruszać i przemieszczać wewnątrz materiału półprzewodnikowego, zwanym mobilnością elektronów.

Chociaż elektrony w krzemie są w pełni mobilne, są one znacznie mniej ruchliwe niż inne materiały półprzewodnikowe, takie jak arsenek galu, arsenek indu i antymonek indu. Zatem pierwszym problemem związanym ze stosowaniem krzemu jest niska pobudliwość elektronów.

Jednak nie wszystkie przydatne właściwości półprzewodników w zakresie przewodności ograniczają się do ruchliwości elektronów, a ruch tzw. dziur elektronowych wpływa również na przewodność i szybkość przekazywania informacji. Dziura elektronowa to pozostałe przerwy w sieci elektronów, które w miarę ruchu elektronów poruszają się również wokół jądra, zwiększając przewodność.

Dzisiejsze układy scalone korzystają z CMOS techniką komplementarnego półprzewodnika tlenkowo-metalowego i wykorzystują parę tranzystorów, z których jeden wykorzystuje elektrony do poruszania się, a drugi dziury elektronowe. Mimo to dryf dziur elektronowych w krzemie jest tak słaby, że utrudnia osiągnięcie wyższej wydajności, zmuszając producentów do stosowania germanu obok krzemu przez kilka lat w celu przyspieszenia dryfu.

Innym problemem związanym z krzemem jest dziwne zmniejszenie jego wydajności w wysokich temperaturach.

Nowoczesne układy scalone zawierające miliardy tranzystorów generują znaczne ilości ciepła, a chłodzenie ich za pomocą wentylatorów i radiatorów (na przykład procesorów komputerów stacjonarnych wyposażonych w wentylatory) wymaga dużego wysiłku.

Natomiast półprzewodniki, takie jak azotek galu (GaN) i węglik krzemu lub węglik krzemu (SiC), działają lepiej w wysokich temperaturach i mogą działać szybciej; Dlatego we wzmacniaczach elektronicznych o dużym poborze mocy zastąpiono je krzemem, aby zmniejszyć ich wydajność.

Ostatnim poważnym problemem krzemu jest jego słaba przepuszczalność światła. Chociaż lasery, elektrody i inne urządzenia fotoniczne są mniej złożone, wykorzystują związki półprzewodnikowe zastępujące krzem. W rezultacie doprowadziło to do powstania dwóch odrębnych gałęzi przemysłu: krzemu w strukturze elektronicznej i składu półprzewodników w postaci fotonicznej.

Sytuacja ta utrzymywała się przez lata, jednak w ostatnich latach położono duży nacisk na chip łączący elektronikę i fotony, co stało się poważnym problemem dla producentów.

Zmień silikon zamiast zmieniać rozmiar.

Producenci próbowali różnych sposobów poprawy wydajności chipów krzemowych, zamiast zmniejszać nanometrowy rozmiar architektury chipów zgodnie z prawem Moore’a i ostatecznie zdecydowali się zmienić sposób wykorzystania krzemu. Pod tym względem przetestowano różne materiały do ​​połączenia z krzemem w celu poprawy wydajności i ostatecznie spośród nich wybrano trzy materiały.

Pierwszym materiałem było wyeliminowanie słabości krzemu w dryfie dziur elektronowych. Aby rozwiązać ten problem, do chipów dodano już niewielką ilość germanu, ale zwiększenie tej ilości lub nawet użycie tranzystorów w całości wykonanych z germanu może poprawić sytuację.

German był pierwszym materiałem zastosowanym w półprzewodnikach; Dlatego ponowne jego wykorzystanie to właśnie powrót do przyszłości. Jednak odbudowa dużego przemysłu półprzewodników germanowych i usunięcie krzemu będzie dla producentów bardzo trudne i kosztowne.

Drugi materiał dotyczy tematyki tlenków metali.

Dwutlenek krzemu był stosowany w półprzewodnikach od lat, ale w miarę kurczenia się warstwy dwutlenku krzemu stała się ona tak cienka, że ​​straciła swoje właściwości izolacyjne, przez co tranzystory stały się prawie zawodne.

Po wielu badaniach jako alternatywną izolację zaczęto stosować rzadką substancję, dwutlenek hafnu (HfO2). Oczywiście pomimo tendencji w kierunku wykorzystania tego rzadkiego materiału, nadal trwają badania nad alternatywami o lepszych właściwościach izolacyjnych.

Następnie, aby rozwiązać problem wykorzystania krzemu, najciekawsze mogą być półprzewodniki kompozytowe III-V, zwłaszcza próbki zawierające ind, takie jak arsenek indu i antymonek indu. Półprzewodniki te zapewniają pobudliwość elektronów 50 razy większą niż krzem, a w połączeniu z tranzystorami wzbogaconymi w german będą w stanie radykalnie zwiększyć prędkość.

Jednak nie wszystko idzie tak gładko, jak się wydaje. Wszystkie materiały krzemu, germanu, tlenków i III-V mają struktury krystaliczne, których właściwości zależą od integralności krystalicznej.

Dlatego nie da się ich łatwo połączyć z silikonem i oczekiwać od nich najlepszego działania. Tym samym głównym wyzwaniem tej technologii stało się rozwiązanie problemu niedopasowania sieci krystalicznej. Zbadano różne sposoby, co ostatecznie doprowadziło do lepszego wykorzystania krzemu.

Rodzaje silikonu

Pomimo ograniczeń krzemu, elektronika krzemowa okazała się kompatybilna, niezawodna i opłacalna na rynku urządzeń masowych. Tym samym wbrew wyobrażeniom o „końcu ery krzemu” czy nierealistycznym obietnicom materiałów alternatywnych, krzem okazał się najlepszym wyborem i cieszy się silnym poparciem światowego przemysłu półprzewodników i nie zostanie porzucony przynajmniej do końca naszych żyć.

Zamiast tego postęp w elektronice doprowadzi do poprawy wydajności krzemu poprzez integrację z innymi materiałami. Firmy takie jak IBM, Intel i laboratoria uniwersyteckie na całym świecie poświęciły czas i wysiłek, aby sprostać temu wyzwaniu. Wyniki badań obiecujące podejście hybrydowe, które łączy materiały III–V, krzem i german, można uzyskać w ciągu kilku minut.

Podbij rok targowy.

Półprzewodniki złożone pokazały już swoją moc w kluczowych obszarach, takich jak lasery, lampy, wyświetlacze LED i panele słoneczne, w których krzem nie ma nic do powiedzenia. Jednak w przyszłości będziemy potrzebować bardziej zaawansowanych kombinacji, ponieważ urządzenia elektroniczne z każdą chwilą stają się mniejsze i mniej energochłonne. Ponadto urządzenia elektroniczne o dużym zużyciu energii zwiększają zapotrzebowanie na zaawansowane związki ze względu na ich właściwości wykraczające poza możliwości krzemu.

Przyszłość świata elektroniki rysuje się w bardzo jasnych barwach. Chociaż większość z nich nadal będzie zawdzięczać krzemowi, tym razem krzem w połączeniu z innymi materiałami będzie miał różne typy, aby zapewnić bardziej ulepszone właściwości.

Co sądzisz o przyszłości chipsów?

Pobierz zerowe motywy WordPressPobierz najlepsze motywy WordPress do pobrania za darmoPobierz motywy WordPressPobierz zerowe motywy WordPresspłatny kurs udemy do pobrania za darmopobierz oprogramowanie redmiPobierz bezpłatne motywy WordPress PremiumZG93bmxvYWQgbHluZGEgY291cnNlIGZyZWU=