На симпозиуме VLSI компания Intel рассказала о некоторых улучшениях будущего техпроцесса Intel 18A-P. Samsung, в свою очередь, сосредоточилась на другой теме: завершении эпохи классического 2D-масштабирования, архитектуре Gate-All-Around как следующем этапе развития транзисторов и переходе к третьему измерению за счет 3D-стековых транзисторов.
Любая транзисторная технология сталкивается с фундаментальными физическими и технологическими ограничениями. В традиционных планарных структурах канал и затвор расположены в одной плоскости, что по мере уменьшения размеров транзисторов приводит к серьезным проблемам. В частности, так называемый эффект короткого канала ухудшает электростатический контроль затвора над каналом, увеличивает токи утечки и снижает энергоэффективность.
Ответом на эти проблемы стала архитектура FinFET, которая со временем превратилась в отраслевой стандарт и была принята всеми крупными контрактными производителями. Во многом именно благодаря FinFET Intel долгие годы оставалась технологическим лидером полупроводниковой отрасли. Затвор, охватывающий канал с трех сторон, обеспечил гораздо более эффективное управление током. Однако по мере дальнейшего уменьшения размеров транзисторов даже FinFET начинает упираться в физические ограничения. Следующим этапом стали архитектуры Gate-All-Around (GAA), которые Intel внедряет в техпроцессе Intel 18A, а Samsung уже использует в серийном производстве.
Gate-All-Around уже применяется на практике
Если в транзисторах FinFET затвор окружает канал только с трех сторон, то в GAA-структурах он полностью охватывает канал. Это значительно улучшает электростатический контроль и заметно снижает паразитные токи утечки.
Samsung реализует GAA в виде структур на основе нанолистов (nanosheet) или нанопроводников (nanowire), где проводящий канал формируют тонкие полупроводниковые слои. Такая архитектура обеспечивает более точное управление током и улучшает масштабируемость для техпроцессов класса 3 нм и ниже. Компания подчеркивает преимущества GAA с точки зрения энергоэффективности, производительности и гибкости проектирования.
Собственную реализацию GAA Samsung называет MBCFET (Multi-Bridge Channel FET). В этой архитектуре используются несколько нанолистов, расположенных друг над другом и полностью окруженных затвором. Такая конструкция увеличивает эффективную площадь канала каждого транзистора и повышает его способность пропускать ток без увеличения площади кристалла.
По словам Samsung, MBCFET обеспечивает не только рост производительности и энергоэффективности, но и лучше масштабируется по сравнению с классическими FinFET. Дополнительным преимуществом стала высокая совместимость с существующими производственными линиями: многие этапы изготовления можно перенести из FinFET-процессов, что упрощает внедрение новой технологии.
Переход в третье измерение: 3D-стековые транзисторы
Следующим этапом после GAA Samsung видит полноценные трехмерные транзисторные структуры. Если FinFET и GAA остаются в первую очередь способами дальнейшего масштабирования в плоскости кристалла, то в будущем акцент сместится на вертикальную интеграцию активных элементов.
В архитектуре 3D Stacked FET транзисторы располагаются не только рядом друг с другом, но и друг над другом в нескольких активных полупроводниковых слоях. Это позволяет существенно увеличить плотность логических элементов на единицу площади за счет использования третьего измерения.
Однако такой подход связан с серьезными техническими сложностями. Одной из главных проблем становится теплоотвод. Несколько активных слоев транзисторов выделяют значительное количество тепла в ограниченном объеме, а эффективно отводить его становится гораздо сложнее.
Дополнительные трудности возникают и на этапе производства. Для совмещения и соединения нескольких активных слоев требуется исключительно высокая точность технологических процессов. При этом необходимо исключить повреждение уже сформированных нижних слоев во время последующих этапов обработки. Серьезной задачей остается и обеспечение надежных электрических соединений между уровнями.
Таким образом, дальнейшее развитие полупроводниковой отрасли все меньше зависит исключительно от уменьшения размеров транзисторов и все больше — от архитектурных инноваций. И Samsung здесь не исключение. В будущем рост производительности уже не сможет опираться только на литографию и миниатюризацию. Ключевую роль будут играть новые транзисторные архитектуры, такие как GAA, а затем и полноценная трехмерная интеграция.
А как обстоят дела у Intel и TSMC?
И Intel, и TSMC сейчас переходят от проверенной временем архитектуры FinFET к транзисторам Gate-All-Around (GAA), однако делают это с разной скоростью и разными подходами. Причина очевидна: классические структуры FinFET постепенно упираются в физические ограничения и на передовых техпроцессах уже не обеспечивают прежний потенциал масштабирования. Именно поэтому GAA рассматривают как следующий этап эволюции транзисторов — затвор полностью окружает канал, что обеспечивает гораздо более эффективный электростатический контроль.
TSMC внедряет GAA сравнительно осторожно и поэтапно. Компания перейдет на новую архитектуру только с техпроцессом N2, максимально использовав потенциал FinFET в нескольких поколениях технологий. В основе решения TSMC лежат транзисторы GAA на базе нанолистов (nanosheet), которые позволяют гибко изменять ширину канала и находить оптимальный баланс между производительностью, энергопотреблением и плотностью размещения элементов.
Подход TSMC отличает акцент на зрелости техпроцесса, стабильности выхода годных кристаллов и масштабируемости производства. Компания рассматривает GAA не как революционный разрыв с прошлым, а как контролируемое развитие существующих технологий. Параллельно TSMC уже исследует более перспективные концепции вроде CFET, однако в ближайшей перспективе они не появятся в массовом производстве.
Intel, напротив, выбрала гораздо более агрессивную стратегию. В рамках поколения Intel 20A компания внедряет транзисторы RibbonFET — собственную реализацию GAA — и одновременно переходит на систему подачи питания с обратной стороны кристалла PowerVia. Таким образом Intel меняет не только архитектуру транзисторов, но и саму организацию питания и компоновки кристалла.
В отличие от TSMC, Intel рассматривает GAA не как отдельный этап развития технологии, а как часть масштабного перехода на новую платформу. Компания одновременно задействует несколько механизмов масштабирования, рассчитывая получить более заметный прирост производительности от поколения к поколению. Такой подход потенциально обеспечивает более высокие результаты, но одновременно повышает технические риски и усложняет вывод технологии в массовое производство.
Подписывайтесь на группу Hardwareluxx ВКонтакте и на наш канал в Telegram (@hardwareluxxrussia).