Get best of the week

كيف ساعد والد FinFET في إنقاذ قانون مور

Chenming Hu ، 2020 وسام الشرف IEEE ، يجلب الترانزستورات إلى البعد الثالث


كان عام 1995. لم يتخلف التقدم في تكنولوجيا الرقائق عن قانون مور - ملاحظة أن عدد الترانزستورات في الرقاقة يتضاعف كل عامين تقريبًا - ويرجع ذلك أساسًا إلى انخفاض حجم الترانزستورات.

ومع ذلك ، لم يعد الأفق يبدو هكذا بلا حدود. للمرة الأولى ، انتشرت الشائعات في جميع أنحاء صناعة أشباه الموصلات التي تتوقع زوال قانون مور. ستنتهي النقود الذهبية ، حسب التنبؤات ، عندما ينخفض ​​حجم الخصائص الحرجة للترانزستور ، الذي كان حجمه عند 350 نانومتر ، إلى 100 نانومتر. حتى حكومة الولايات المتحدة كانت قلقة - لدرجة أن وكالة DARPA دقت ناقوس الخطر وأطلقت برنامجًا للبحث عن تقنيات الرقائق الجديدة التي يمكن أن تستمر في التقدم.

كان Chenmin Hu ، الذي كان آنذاك أستاذًا لعلوم الكهرباء والكمبيوتر في جامعة كاليفورنيا في بيركلي ، سعيدًا بقبول هذا التحدي. توصل على الفور إلى حل للمشكلة - في الواقع ، حتى اثنين - وجلس على متن الطائرة ، ورسمها كمسودة. كانت إحدى هذه الأفكار رفع القناة الحالية بحيث ترتفع فوق سطح الشريحة. وقد تحولت إلى تقنية FinFET ، التي مُنحت لها هو هذا العام وسام IEEE of Honor "لمسيرة مهنية متميزة في التطوير والتطبيق العملي لنماذج أشباه الموصلات ، ولا سيما الهياكل ثلاثية الأبعاد ، والتي ساهمت في الحفاظ على قانون مور لعدة عقود."

بطبيعة الحال ، لم تبدأ قصة FinFET بحقيقة أن هو بدأ في رسم شيء بقلم رصاص على ورقة على طاولة قابلة للطي في طائرة.

بدأ الأمر في تايوان ، حيث أجرى هو ، وهو طفل فضولي ، تجارب منزلية مع مياه البحر ، وقام بتفكيك (ثم جمع) الإنذارات. بعد تخرجه من المدرسة ، كان لا يزال مهتمًا بالعلوم ، وخاصة الكيمياء. ولكن بدلاً من الدراسة ليكون كيميائيًا ، دخل كلية الهندسة الكهربائية في جامعة تايوان الوطنية ، دون أن يعرف حتى بالضبط ما تفعله الهندسة الكهربائية. لقد كان مجرد تحدٍ بالنسبة له - بالنسبة لبرنامج التدريب هذا ، كانت أعلى الدرجات مطلوبة.

اكتشف هو في السنة الأخيرة من دراسته صناعة ستصدمها أفعاله - كل ذلك بفضل فرانك فانغ ، الذي تمت دعوته لإلقاء محاضرة من الولايات المتحدة.

يتذكر هو: "كان ذلك عام 1968 ، وأخبرنا فانغ ما الذي ستفعله أجهزة التلفاز المستقبلية استنادًا إلى أشباه الموصلات ، وستتحول أجهزة التلفزيون إلى شيء مثل الصور التي يمكن تعليقها على الجدران".

في عصر أجهزة التلفاز الضخمة ذات الأنابيب المصورة ، جذب هذا انتباه هو. قرر أن دراسة أشباه الموصلات تناسبه ، وتقدم بطلب للتدريب في الولايات المتحدة. في عام 1969 ، انتهى به الأمر في بيركلي ، حيث انضم إلى فريق بحثي يعمل على ترانزستورات أشباه الموصلات المعدنية أكسيد ( هياكل MOS ).

سرعان ما غيرت مسيرته الاتجاه ، لأنه ، كما يتذكر ، بدا له سهلًا للغاية. انتقل إلى دراسة الدوائر البصرية ، ودافع عن دكتوراه في البصريات المتكاملة ، وانتقل إلى معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا لمواصلة العمل في هذا المجال.

ثم ، في عام 1973 ، تم فرض حظر نفطي. قال: "بدا لي أنني يجب أن أقوم بشيء مهم ، مفيد ، وليس فقط كتابة بعض الأعمال".

لذلك ، تحول إلى تطوير الألواح الشمسية غير المكلفة للتطبيقات الأرضية - في تلك الأيام ، تم استخدام الخلايا الشمسية فقط على الأقمار الصناعية. في عام 1976 ، عاد إلى بيركلي ، وهو بالفعل أستاذ ، يخطط لإجراء بحث في مجال الطاقة ، بما في ذلك السيارات الهجينة - وأعاده إلى أشباه الموصلات. ويوضح هو أن "السيارات الكهربائية تتطلب أجهزة عالية الجهد وشبه موصلة عالية التيار".

في أوائل الثمانينيات ، كانت العودة إلى أبحاث أشباه الموصلات انقلابًا. قال هو إن الحكومة توقفت عن تمويل أبحاث الطاقة ، لكن العديد من الشركات الموجودة في خليج سان فرانسيسكو دعمت أبحاث أشباه الموصلات والتحول إلى تمويل الشركات "لم يكن من الصعب للغاية تنفيذها". بدأ يقضي المزيد من الوقت في وادي السليكون ، بالقرب من بيركلي ، بدعوة من الشركات التي تدرس دورات قصيرة على أجهزة أشباه الموصلات. في عام 1982 ، قضى عطلته في قلب وادي السيليكون مع أشباه الموصلات الوطنية في سانتا كلارا.

يقول هو: "لقد أثرت مشاركتي في هذه الصناعة على حياتي لفترة طويلة". - في العلوم ، نتعلم أشياء مهمة من بعضنا البعض ، وكنت مهتمًا بشيء ما عندما قرأت عمل شخص آخر واعتقدت أنه يمكنني القيام بعمل أفضل. وبعد ذلك ، عندما تعرفت على الصناعة ، أدركت أنه كانت هناك مهام مثيرة للاهتمام تكمن. " وقد أدى هذا الكشف إلى أن يصبح هو أكثر نشاطًا في استكشاف الهياكل ثلاثية الأبعاد للترانزستورات.


ميزات FinFET: كل ترانزستور له مصدر ، واستنزاف ، وقناة موصلة تربطهم ، وبوابة تتحكم في التيار في القناة. في FinFET ، يتم رفع القناة فوق سطح الشريحة - مثل زعنفة القرش. زعنفة - زعنفة] - والتي تسمح للغالق بلفها على ثلاثة جوانب ، ونتيجة لذلك يمكنها التحكم في التيار بشكل أفضل.

يحتوي الترانزستور ذو التأثير الميداني على أربعة مكونات رئيسية - مصدر ، ومصرف ، وقناة موصلة تربطهم ، وبوابة تتحكم في التيار في القناة. وكلما قل صنع هذه المكونات ، كلما لاحظ الناس تغيرات في سلوك الترانزستورات بعد فترة طويلة. لم تظهر هذه التغييرات في تجارب قصيرة المدى ، وقد واجهت الشركات صعوبة في توقع ما إذا كانت ستظهر أم لا.

في عام 1983 ، قرأ هو ورقة بحثية نشرها باحثو آي بي إم تصف تغيرًا مشابهًا. بفضل تجربته في National Semiconductor ، أدرك الصعوبات التي قد تواجهها الصناعة بسبب هذا الافتقار إلى الموثوقية على المدى الطويل. إذا لم يعمل "في المقدمة" ، قال: "لن أفهم أهمية هذه المشكلة ، ولن أرغب في قضاء ما يقرب من 10 سنوات على حلها".

قرر هو قبول التحدي ، ومع مجموعة من الطلاب طور نظرية الحقن الحامل الساخن للتنبؤ بموثوقية MOS. يصف هذا النموذج الرقمي تدهور الجهاز أثناء ترحيل الإلكترون. ثم تحول إلى مشكلة أخرى من الموثوقية: كيف تتحلل الأكاسيد بمرور الوقت ، والتي أصبحت مهمة لأن الشركات المصنعة جعلت طبقات أكسيد أشباه الموصلات تدريجيًا أكثر رقة.

يقول هو إن هذه الدراسات تطلبت منه أن يفهم بعناية العمليات الجارية داخل الترانزستورات. في وقت لاحق ، أدى هذا العمل إلى ظهور أداة موثوقية Berkeley Tool (BERT) ومجموعات طراز الترانزستور BSIM. أصبح BSIM معيار الصناعة ولا يزال قيد الاستخدام اليوم. لا يزال هو المسؤول عن تحديث موديلاته بانتظام.

استمر هو في العمل مع الطلاب ، ودرس الخصائص الأساسية للترانزستورات - كيف تعمل ، وكيف تفشل ، وكيف تتغير بمرور الوقت - حتى منتصف التسعينات. وفي الوقت نفسه ، تطورت الرقائق التجارية وفقًا لقانون مور. ومع ذلك ، بحلول منتصف التسعينات ، عندما وصل متوسط ​​الحجم المميز إلى 350 نانومتر ، بدأت آفاق المزيد من ضغط حجم الترانزستورات في إثارة القلق بين الشركات المصنعة.

يتذكر لويس تيرمان ، الذي كان يعمل في شركة IBM للأبحاث: "نهاية قانون مور مرئية بالفعل".

كانت المشكلة الرئيسية التغذية. كلما كانت الأبعاد المميزة أصغر ، زادت المشاكل التي تتسبب في تدفق التيار بعيدًا أثناء إغلاق الترانزستور. وأصبحت هذه التسريبات مهمة جدًا لدرجة أنها زادت - أو حتى شكلت معظم - استهلاك الطاقة للرقاقة.

يتذكر هو: "بدأ العمل يظهر بتنبؤات بأن قانون مور لـ CMOS سينتهي عندما يتم تجاوز عتبة 100 نانومتر ، لأنه في مرحلة ما سيتعين عليك تبديد المزيد من الطاقة لكل سنتيمتر مربع مما هو عليه في فوهة صاروخ". "أعلنت الصناعة خسر المعركة."


بدأ تشينمينغ هو التدريس في جامعة كاليفورنيا في بيركلي عام 1976.


من بين الموضوعات الأولى من بحثه كانت السيارات الهجينة ، على وجه الخصوص ، سيارة البنزين والكهرباء ، والتي قدمها في اجتماع لأعضاء مجلس إدارة جامعة كاليفورنيا في عام 1980.


في مختبره عام 1997 ، شارك هو بنشاط في تطوير FinFET بأموال من DARPA.

لا يريد التخلي عن قانون مور ، DARPAكان مكتب مشاريع البحوث المتقدمة بوزارة الدفاع الأمريكية يبحث عن دراسات وعدت بتجاوز هذا العائق من أجل تمويلها. في منتصف عام 1995 ، أطلقت مشروعًا يسمى "انتقال 25 نانومتر".

وقال هو "لقد أحببت الفكرة بأبعاد 25 نانومتر - لقد تجاوزت ما هو ممكن في الصناعة".

اعتبر هو أن المشكلة الأساسية واضحة للغاية - تحتاج إلى جعل القناة رقيقة جدًا بحيث لا يمكن للإلكترونات أن تنزلق عبر البوابة. في ذلك الوقت ، كان من بين الحلول لهذه المشكلة اقتراح جعل طبقة الأكسيد في البوابة أرق. وبفضل هذا ، أصبحت السيطرة على القناة أفضل ، وانخفض تيار التسرب. ومع ذلك ، أظهر عمل هو أن مثل هذا النهج كان قريبًا جدًا من الحد الخطير: إذا كانت طبقة الأكسيد رقيقة جدًا ، فستتمكن الإلكترونات من القفز من خلالها إلى ركيزة السيليكون ، مما سيؤدي إلى مصدر آخر للتسرب.

هناك خياران آخران فاق ذهني على الفور. الأول هو تعقيد الشحنة حول البوابة بإضافة طبقة عازلة في السيليكون تحت الترانزستور. كانت تسمى هذه الدائرة "السيليكون المنضب بالكامل على الركيزة" ، أو FDSOI. كان الآخر هو زيادة قدرة الغالق على التحكم في الشحن عن طريق رفع قناة رقيقة فوق الركيزة بطريقة زعنفة القرش - بحيث يمكن لف الغالق حول القناة من ثلاثة جوانب ، وليس فقط من الأعلى. كان يسمى هذا الهيكل FinFET ، وله ميزة أخرى - استخدام البعد الثالث قلل الحمل على المستوى الثنائي الأبعاد ، ومهد الطريق لإنشاء ترانزستورات ثلاثية الأبعاد.

ومع ذلك ، لم يكن هناك الكثير من الوقت المتبقي لإرسال الطلب إلى DARPA. علم هو بمقترح التمويل من أحد زملائه ، جيفري بوكور ، الذي اكتشفه أثناء ركوب الأمواج مع مدير البرنامج من DARPA. لذلك ، التقى هو بسرعة مع بوكور وزميل آخر له ، تسو جاي كينغ ، ووافق على أن يرسم الفريق اقتراحًا للأسبوع. بعد يومين ، بينما كان على متن طائرة متجهة إلى اليابان ، رسم نسختين من المخطط ، وعند وصوله إلى فندقه أرسل الرسومات والوصف الفني بالفاكس إلى بيركلي. أرسل الفريق اقتراحه ، وبعد ذلك خصصت DARPA منحة بحثية لمدة أربع سنوات للفريق.

حتى ذلك الحين ، ظهرت بالفعل أفكار مشابهة لـ FinFET في الأوراق العلمية. ومع ذلك ، أنشأ هو وفريقه بالفعل أجهزة مناسبة للإنتاج الصناعي ، وأظهروا كيف ستصنع دوائرهم الترانزستورات بحجم مميز يبلغ 25 نانومتر أو أقل. "العلماء الآخرون الذين قرأوا هذه الأعمال لم يعتبروا أن مثل هذا النهج هو حل للمشكلة ، حيث سيكون من الصعب تصنيع مثل هذه الترانزستورات ، ومن غير الواضح ما إذا كانت ستعمل أم لا. ويقول هو إن مؤلفي المصنفات أنفسهم لم يطوروا هذه الفكرة أكثر من ذلك. - أعتقد أن الفرق هو أننا نظرنا إلى هذه المشكلة وقررنا أننا نريد العمل معها ليس لأننا أردنا كتابة وظيفة أخرى أو الحصول على منحة أخرى ، ولكن لأننا أردنا مساعدة الصناعة. اعتقدنا أننا بحاجة إلى تمديد قانون مور ".

"نحن ، بصفتنا تقنيين ،" يستمر هو ، "كنا مسؤولين عن ضمان أنه لم يتوقف. لأنه بمجرد أن يتوقف ، سنفقد الأمل على الفور في توسيع قدراتنا لحل أكثر مشاكل البشرية تعقيدًا ".


, 12 1947 .
180.
, .
, 1968.
, 1973 – .
: .
: - MIT.
: .
100 .
: .
ACM Research, Ambarella, Inphi.
: [ TSMC, ].
: Psychology Today.
: .
: (1993)
: , .
. Tesla S.
: IEEE 2020 « , , , », .


تقول إليز روزنباوم ، طالبة سابقة ، وهي الآن أستاذة في جامعة إلينوي في أوربانا شامبين: "لقد كان هو والفريق" مناسبين تمامًا لتطوير FinFET لأنه علم طلابه كيفية التفكير في الأجهزة. ويؤكد على أهمية الصورة الكلية والفهم الكمي للوضع. عند دراسة جهاز أشباه الموصلات ، يركز بعض الأشخاص على إنشاء نموذج والحل العددي اللاحق لجميع نقاط الشبكة ثلاثية الأبعاد. لقد علمنا أن نتراجع خطوة ، ونحاول أن نتخيل توزيع المجال الكهربائي في الجهاز ، وموقع الحواجز المحتملة ، وكيف يتغير التيار الكهربائي عندما نغير حجم جزء معين ".

كان هو يؤمن بأهمية تصور سلوك أجهزة أشباه الموصلات لدرجة أنه ، وفقًا لروزنبوم ، يحاول تعليم الطلاب هذه العملية ، "لقد بنى لنا نموذجًا لسلوك ترانزستور MOS من البلاستيسين المأخوذ من أطفاله".

قال فاري أسادراجي ، وهو طالب سابق ونائب رئيس الابتكار والتكنولوجيا في NXP Semiconductors: "بدا كل شيء بمثابة اختراع ظهر فجأة من الصفر" . - ومع ذلك ، عمل فريقه على المفاهيم الأساسية للجهاز المثالي ، بدءًا من أسس الفيزياء. وفكرة إنشاء مثل هذا الهيكل تأتي من هناك ".

بحلول عام 2000 ، في نهاية أربع سنوات من الدعم المالي ، أنشأ هو وفريقه أجهزة عمل ونشروا أبحاثهم ، والتي جذبت الاهتمام الفوري للعديد من ممثلي الصناعة. ومع ذلك ، فقد استغرقت رقائق FinFET عشر سنوات أخرى لبدء خطوط التجميع ، وكانت رقاقة Intel هي الأولى في عام 2011. لماذا استغرق وقتا طويلا؟

ويشرح هو ، مشيراً إلى قدرة الصناعة على إنتاج تصميمات مضغوطة أكثر فأكثر: "لم ينكسر الوضع بعد". "اعتقد الناس أنها ستنكسر ، ولكن لا يمكنك إصلاح شيء لم يتم كسره بعد."

اتضح أن مديري DARPA تنبأوا بالمستقبل - أطلقوا على المشروع التمويلي "الانتقال إلى 25 نانومتر" ، وعندما ظهرت FinFET ، تحولت صناعة أشباه الموصلات بالفعل إلى العمليات التكنولوجية أقل من 25 نانومتر.

وفي الوقت نفسه ، تطورت FDSOI أيضًا وتستخدم حتى اليوم في الصناعة. على وجه الخصوص ، يتم استخدامه في الأجهزة البصرية والإذاعية ، وتهيمن FinFET على صناعة المعالج. يقول هو إنه لم يقل قط أن أحدهما أفضل من الآخر.

في أيام تأسيس FinFET ، أخذ Hu إجازة لمدة ثلاث سنوات من Berkeley للعمل كمدير فني في شركة TSMC لصناعة أشباه الموصلات في تايوان. واعتبرها فرصة لسداد دين للدولة التي تلقى فيها تعليمه الأولي. عاد إلى بيركلي في عام 2004 ، واصل التدريس ، ودراسة أجهزة أشباه الموصلات الموفرة للطاقة ، ودعم BSIM. في عام 2009 ، أكمل هو التدريس المنتظم ، لكنه لا يزال يعمل مع طلاب الدراسات العليا كأستاذ فخري.

بعد عودة هو إلى بيركلي ، استولت تكنولوجيا FinFET على الصناعة. ولم ينتهي قانون مور عند 25 نانومتر ، على الرغم من أن وفاته لا تزال متوقعة بانتظام.

يقول هو: "سيتباطأ التقدم تدريجيًا ، لكن لن يكون لدينا بديل لـ MOS لمائة عام أخرى". ومع ذلك ، لا يفقد الأمل. "هناك طرق لتحسين كثافة الدوائر ، واستهلاك الطاقة ، والسرعة ، ويمكننا أن نتوقع أن تستمر صناعة أشباه الموصلات في تزويد الأشخاص بأجهزة مفيدة ومناسبة ومحمولة بشكل متزايد. نحن بحاجة إلى معالجة القضية بشكل أكثر إبداعًا وبثقة أكبر. "

More articles:


All Articles