Made in IBM Labs: 10 инноваций, которые потрясли мир

Компания IBM на днях анонсировала свою очередную разработку в области проектирования полупроводниковых схем. Причем, по мнению многих специалистов, технология, получившая название Airgap, является очередным прорывом в этой области. IBM за последние десять лет представила как минимум 10 инноваций, которые оказали решающее влияние на IТ-индустрию.

10 определяющих инноваций за 10 лет: от медных соединений в микросхемах до вакуумной изоляции

Начнем отсчет с 1997 г., когда IBM представила разработку по замене алюминиевых проводников в микросхемах медными. Это позволило сразу же снизить электрическое сопротивление почти на треть и, как результат, повысить производительность чипов на 15%. Сегодня данная технология IBM является фактически отраслевым стандартом.

В дальнейшем ученые IBM продолжили работы в области полупроводниковых технологий. И среди многочисленных инноваций, пришедших из лабораторий IBM за истекшее десятилетие, можно выделить еще девять достижений.

Предложенная в августе 1998 г. технология «кремний на диэлектрике» позволяет эффективно изолировать друг от друга миллионы транзисторов, в результате чего сокращается энергопотребление и повышается производительность чипов. Представители IBM отмечают, что индустрия работала над данным проектом на протяжении 15 лет, и только их компания смогла получить реальные результаты.

В июне 2001 г. из лабораторий Голубого Гиганта выходит технология напряженного кремния, призванная уменьшить электрическое сопротивление и ускорить поток электронов через транзисторы, как результат – повышение производительности и снижение энергопотребления.

Первый в мире двухъядерный процессор также появился в стенах IBM. Чип POWER4 был представлен в октябре 2001 г. как компонент сервера System p (Regatta). Прошло более двух лет, прежде чем конкуренты смогли вывести на рынок свои двухъядерные чипы.

Компания также впервые в мире применила в декабре 2004 г. иммерсионную литографию, благодаря чему были созданы схемные элементы уменьшенного размера.

Еще в 1990-х годах IBM первой использовала кремний-германиевые полупроводники для замены дорогостоящих экзотических материалов, что позволило выпускать более дешевые микросхемы с уменьшенными размерами и увеличенной скоростью работы. Корпорация начала продавать такие чипы и производителям различных беспроводных продуктов, в том числе мобильных телефонов и маршрутизаторов. В прошлом году IBM вновь сообщила о прорыве в этой области, расширив пределы возможного для кремний-германиевых технологий. В июне 2006 г. в содружестве с Технологическим университетом штата Джорджия и при поддержке NASA корпорация продемонстрировала первый кремний-германиевый чип, который при охлаждении почти до абсолютного нуля способен функционировать на тактовой частоте 500 GHz .

И наконец, уже в этом году IBM предложила еще четыре инновационные разработки, которые вновь создали предпосылки для того, чтобы закон Мура выполнялся в ближайшие десять лет. Так, ее исследователи решили одну из самых неприятных проблем, стоящих сегодня перед проектировщиками электронных компонентов, – большими токами утечки транзисторов. На основе новых материалов специалисты IBM разработали чип с высоким значением диэлектрической постоянной металлических затворов (high-k metal gates). Это дало возможность производить продукты с увеличенным быстродействием, уменьшенными размерами и повышенной эффективностью энергопотребления.

Благодаря переходу с памяти типа SRAM на инновационную скоростную память типа eDRAM (которая была объявлена в нынешнем феврале) IBM сможет более чем в три раза увеличить объем встроенной памяти процессорного чипа и существенно повысить его производительность.

В апреле была представлена трехмерная компоновка чипов – технология through-silicon vias (соединения сквозь кремний). Она заменяет горизонтальную компоновку полупроводниковых элементов вертикальной, в результате чего длина критических внутрисхемных соединений сокращается примерно в тысячу раз.

И вот в мае компания IBM анонсировала очередное свое достижение, которое упрочит позиции закона Мура. Речь идет о новой форме изоляции, названной учеными Airgap («воздушный зазор»), являющейся результатом применения нанотехнологии самосборки к обычному производству микрочипов. Если быть точным, то название «воздушный зазор» не совсем корректно, поскольку в образованных полостях воздух отсутствует – там вакуум. Такие каверны получаются значительно меньших размеров (порядка 20 нм), чем позволяют методы литографии.

Испытания чипов, собранных с использованием этой технологии, показали, что они могут на 35% быстрее передавать сигналы или потреблять на 15% меньше энергии, чем микросхемы, изготовленные традиционными способами.

Для создания триллионов вакуумных полостей, эффективно изолирующих нанометровые провода, плотно упакованные внутри каждого компьютерного чипа, применен повсеместно встречающийся в природе процесс самоорганизации, образующий структуру снежинок, морских раковин и зубной эмали.

На поперечном сечении микропроцессора видно пустое пространство между проводниками

Благодаря нанотехнологии «самосборки» между километрами проводников внутри микрочипа формируется безвоздушное пространство, в результате чего снижается нежелательная емкость монтажа, что приводит к повышению производительности и снижению энергопотребления.

Сегодня чипы изготовляются с применением изолированной медной проводки и предусматривают наложение маски для формирования рисунка схемы с помощью засветки и последующего химического удаления (травления) ненужных участков. Вплоть до недавнего времени для борьбы с паразитными емкостями разработчики чипов использовали, в частности, изоляторы с высокой диэлектрической постоянной, но они становились ломкими при уменьшении размеров микросхем, и их изолирующие свойства не могли сравниться с вакуумом.

Новая технология создает полости посредством самосборки, минуя процессы маскирования и травления. Избежать их позволяет специально разработанная смесь компонентов, которая выливается на кремниевую пластину с топологией проводников. Затем пластинка отжигается.

Этот запатентованный процесс обеспечивает условия для сборки с направленным поведением, в результате чего создаются триллионы однородных нанометровых полостей по всей 300-миллиметровой пластине. После их формирования силикатное стекло удаляется, и между проводниками образуется вакуум.

Новая технология может быть внедрена в любое стандартное полупроводниковое производство КМОП без его разрушения или привлечения новых методов.

Предложенный процесс самосборки уже реализован на заводе IBM в Ист-Фишкилле (штат Нью-Йорк), а в 2009 г. его планируется полностью интегрировать со всеми технологическими линиями компании по изготовлению микросхем.