Get best of the week

Bagaimana ayah FinFET membantu menyelamatkan hukum Moore

Chenming Hu, IEEE Medal of Honor 2020, membawa transistor ke dimensi ketiga


Itu tahun 1995. Kemajuan dalam teknologi chip tidak tertinggal dari hukum Moore - pengamatan bahwa jumlah transistor dalam sebuah chip berlipat dua kira-kira setiap dua tahun - terutama karena penurunan ukuran transistor.

Namun, cakrawala tidak lagi tampak tanpa batas. Untuk pertama kalinya, rumor telah menyebar ke seluruh industri semikonduktor yang memprediksi matinya hukum Moore. Uang emas akan berakhir, prediktor disiarkan, ketika ukuran karakteristik kritis dari transistor, yang kemudian memiliki ukuran urutan 350 nm, turun menjadi 100 nm. Bahkan pemerintah AS khawatir - sangat banyak sehingga agen DARPA membunyikan alarm dan meluncurkan program untuk mencari teknologi chip baru yang dapat melanjutkan kemajuan.

Chenmin Hu, yang saat itu seorang profesor ilmu listrik dan komputer di University of California di Berkeley, senang menerima tantangan ini. Dia segera datang dengan solusi untuk masalah - bahkan dua - dan, duduk di pesawat, membuat sketsa mereka dalam konsep. Salah satu ide ini adalah untuk meningkatkan saluran saat ini sehingga naik di atas permukaan chip. Itu berubah menjadi teknologi FinFET, yang tahun ini Hu dianugerahi Medali Kehormatan IEEE "untuk karir yang luar biasa dalam pengembangan dan penerapan praktis model semikonduktor, khususnya struktur tiga dimensi, yang berkontribusi pada pelestarian hukum Moore selama beberapa dekade."

Tentu saja, kisah FinFET tidak dimulai dengan fakta bahwa Hu mulai menggambar sesuatu dengan pensil di atas kertas di atas meja lipat di pesawat terbang.

Itu dimulai di Taiwan, di mana Hu, seorang anak yang penasaran, melakukan eksperimen di rumah dengan air laut, dan membongkar (dan kemudian mengumpulkan) alarm. Setelah lulus dari sekolah, ia masih tertarik pada sains, terutama kimia. Tetapi alih-alih belajar menjadi ahli kimia, ia masuk ke Fakultas Teknik Listrik di Universitas Nasional Taiwan , bahkan tanpa tahu persis apa yang dilakukan teknik listrik. Itu hanya tantangan baginya - untuk program pelatihan ini, nilai tertinggi diperlukan.

Dalam tahun terakhir studinya, Hu menemukan sebuah industri yang akan terkejut dengan tindakannya - semua berkat Frank Fang, yang diundang untuk kuliah dari Amerika Serikat.

"Itu tahun 1968," kenang Hu, "dan Fang memberi tahu kami apa yang akan dilakukan televisi di masa depan berdasarkan semikonduktor, dan televisi akan berubah menjadi sesuatu seperti foto yang dapat digantung di dinding."

Di era TV besar dengan tabung gambar, ini menarik perhatian Hu. Dia memutuskan bahwa mempelajari semikonduktor akan cocok untuknya, dan mendaftar untuk pelatihan di Amerika Serikat. Pada tahun 1969, ia berakhir di Berkeley, di mana ia bergabung dengan tim peneliti yang bekerja pada transistor semikonduktor oksida logam ( struktur MOS ).

Segera karirnya berubah arah, karena, ketika dia ingat, sepertinya baginya terlalu mudah. Dia beralih ke studi tentang sirkuit optik, mempertahankan gelar doktor di bidang optik terintegrasi, dan dipindahkan ke MIT untuk melanjutkan pekerjaan di bidang ini.

Dan kemudian, pada tahun 1973, embargo minyak diperkenalkan. "Sepertinya saya harus melakukan sesuatu yang penting," katanya, "berguna, dan tidak hanya menulis beberapa pekerjaan."

Oleh karena itu, ia beralih ke pengembangan panel surya murah untuk aplikasi berbasis darat - pada masa itu, sel surya hanya digunakan pada satelit. Pada 1976, ia kembali ke Berkeley, yang sudah menjadi profesor, berencana melakukan penelitian di bidang energi, termasuk mobil hibrida - dan mereka membawanya kembali ke semikonduktor. "Mobil listrik," Hu menjelaskan, "membutuhkan tegangan tinggi dan perangkat semikonduktor arus tinggi."

Pada awal 1980-an, kembali ke penelitian semikonduktor adalah kudeta. Pemerintah menghentikan pendanaan penelitian energi, tetapi beberapa perusahaan yang berlokasi di Teluk San Francisco mendukung penelitian semikonduktor dan beralih ke keuangan perusahaan "tidak terlalu sulit untuk diterapkan," kata Hu. Dia mulai menghabiskan lebih banyak waktu di Silicon Valley, dekat Berkeley, atas undangan perusahaan yang mengajarkan kursus singkat tentang perangkat semikonduktor. Pada tahun 1982, ia menghabiskan liburannya di jantung Lembah Silikon dengan National Semiconductor di Santa Clara.

"Keterlibatan saya dalam industri ini telah lama mempengaruhi hidup saya," kata Hu. - Dalam sains, kami belajar hal-hal penting dari satu sama lain, dan saya tertarik pada sesuatu ketika saya membaca karya orang lain dan berpikir bahwa saya bisa melakukan yang lebih baik. Dan kemudian, ketika saya berkenalan dengan industri ini, saya menyadari bahwa di sanalah tugas-tugas menarik mengintai. ” Dan wahyu ini telah menyebabkan Hu menjadi lebih aktif dalam mengeksplorasi struktur tiga dimensi transistor.


Fitur FinFET: setiap transistor memiliki sumber, tiriskan, saluran konduktif yang menghubungkannya, dan gerbang yang mengontrol arus di saluran. Di FinFET, saluran dinaikkan di atas permukaan chip - seperti sirip hiu. sirip - si] - yang memungkinkan rana untuk membungkusnya di tiga sisi, sehingga dapat mengontrol arus dengan lebih baik.

Transistor efek medan memiliki empat komponen utama - sumber, tiriskan, saluran konduktif yang menghubungkannya, dan gerbang yang mengontrol arus di saluran. Dan semakin sedikit komponen ini dibuat, semakin sering orang melihat perubahan perilaku transistor setelah waktu yang lama. Perubahan ini tidak memanifestasikan diri dalam uji coba jangka pendek, dan perusahaan mengalami kesulitan memprediksi apakah mereka akan terwujud atau tidak.

Pada tahun 1983, Hu membaca sebuah makalah yang diterbitkan oleh para peneliti IBM yang menggambarkan perubahan serupa. Berkat pengalamannya di National Semiconductor, ia menyadari kesulitan apa yang mungkin dihadapi industri karena kurangnya keandalan jangka panjang. Jika dia tidak bekerja "di garis depan," katanya, "saya tidak akan mengerti pentingnya masalah ini, dan tidak ingin menghabiskan hampir 10 tahun untuk menyelesaikannya."

Hu memutuskan untuk menerima tantangan, dan dengan sekelompok siswa ia mengembangkan teori injeksi pembawa panas untuk memprediksi keandalan MOS. Model numerik ini menjelaskan degradasi perangkat selama migrasi elektron. Lalu ia beralih ke masalah keandalan lainnya: bagaimana oksida menurun seiring waktu, yang menjadi penting karena produsen secara bertahap membuat lapisan oksida semikonduktor semakin tipis.

Hu mengatakan bahwa studi ini mengharuskan dia untuk memahami proses yang terjadi di dalam transistor. Selanjutnya, pekerjaan ini memunculkan Berkeley Reliability Tool (BERT) dan set model transistor BSIM. BSIM telah menjadi standar industri dan masih digunakan sampai sekarang. Hu masih bertugas memperbarui modelnya secara teratur.

Hu terus bekerja dengan siswa, mempelajari karakteristik dasar transistor - bagaimana mereka bekerja, bagaimana mereka gagal, bagaimana mereka berubah dari waktu ke waktu - hingga pertengahan 1990-an. Sementara itu, chip komersial dikembangkan sesuai dengan hukum Moore. Namun, pada pertengahan 90-an, ketika ukuran karakteristik rata-rata mencapai 350 nm, prospek untuk lebih lanjut menekan ukuran transistor mulai menimbulkan kekhawatiran di antara produsen.

"Akhir dari hukum Moore sudah terlihat," kenang Lewis Terman, yang bekerja di IBM Research pada saat itu.

Masalah utamanya adalah nutrisi. Semakin kecil dimensi karakteristik, semakin banyak masalah yang menyebabkan arus mengalir menjauh saat transistor ditutup. Dan kebocoran ini menjadi sangat signifikan sehingga mereka meningkatkan - atau bahkan menyumbang sebagian besar - dari konsumsi daya chip.

"Pekerjaan mulai muncul dengan prediksi bahwa hukum Moore untuk CMOS akan berakhir ketika ambang 100 nm dilintasi, karena pada titik tertentu harus membuang lebih banyak energi per sentimeter persegi daripada di nozzle roket," kenang Hu. "Industri telah menyatakan pertempuran itu hilang."


Chenming Hu mulai mengajar di Universitas California di Berkeley pada tahun 1976.


Di antara topik pertama penelitiannya adalah mobil hibrida, khususnya, mobil bensin-listrik, yang ia presentasikan pada pertemuan anggota dewan Universitas California pada 1980.


Di laboratoriumnya pada tahun 1997, Hu secara aktif terlibat dalam pengembangan FinFET dengan uang dari DARPA.

Tidak ingin meninggalkan hukum Moore, DARPAKantor Proyek Penelitian Lanjutan Departemen Pertahanan AS sedang mencari studi yang berjanji untuk mengatasi hambatan ini untuk membiayai mereka. Pada pertengahan 1995, ia meluncurkan proyek yang disebut "transisi 25 nm."

"Saya menyukai ide dengan dimensi 25 nm - itu jauh melampaui apa yang dianggap mungkin dalam industri," kata Hu.

Hu menganggap masalah mendasar sangat jelas - Anda harus membuat saluran sangat tipis sehingga elektron tidak dapat menyelinap melewati gerbang. Pada saat itu, di antara solusi untuk masalah ini adalah proposal untuk membuat lapisan oksida di gerbang lebih tipis. Berkat ini, kontrol saluran menjadi lebih baik, dan arus bocor berkurang. Namun, karya Hu menunjukkan bahwa pendekatan seperti itu terlalu dekat dengan batas berbahaya: jika lapisan oksida dibuat terlalu tipis, elektron akan dapat melompati melalui itu ke substrat silikon, yang akan menimbulkan sumber kebocoran lain.

Dua opsi lain segera terlintas di benak saya. Salah satunya adalah memperumit muatan di sekitar gerbang dengan menambahkan lapisan isolasi dalam silikon di bawah transistor. Sirkuit seperti itu disebut "silikon yang habis penuh pada substrat", atau FDSOI. Cara lainnya adalah meningkatkan kemampuan rana untuk mengendalikan muatan dengan mengangkat saluran tipis di atas media dengan cara sirip hiu - sehingga rana dapat dililitkan di sekitar saluran dari tiga sisi, dan tidak hanya dipegang dari atas. Struktur ini disebut FinFET, dan memiliki keuntungan lain - penggunaan dimensi ketiga mengurangi beban pada bidang dua dimensi, dan membuka jalan bagi pembuatan transistor tiga dimensi.

Namun, tidak ada banyak waktu tersisa untuk mengirim aplikasi ke DARPA. Hu mengetahui tentang proposal pendanaan dari salah satu koleganya, Jeffrey Bokor, yang mengetahuinya saat selancar angin dengan direktur program dari DARPA. Karena itu, Hu dengan cepat bertemu dengan Bokor dan rekannya yang lain, Tsu Jae King, dan setuju bahwa tim akan membuat proposal untuk minggu ini. Setelah beberapa hari, ketika di pesawat terbang ke Jepang, ia membuat sketsa dua versi skema, dan setibanya di hotel mengirim gambar dan deskripsi teknis melalui faks kembali ke Berkeley. Tim mengirim proposal, dan kemudian DARPA mengalokasikan dana penelitian selama empat tahun untuk tim.

Sampai saat itu, ide-ide yang mirip dengan FinFET sudah muncul di karya ilmiah. Namun, Hu dan timnya benar-benar menciptakan perangkat yang cocok untuk produksi industri, dan menunjukkan bagaimana sirkuit mereka akan membuat transistor dengan ukuran karakteristik 25 nm atau kurang. "Ilmuwan lain yang membaca karya-karya ini tidak menganggap pendekatan semacam itu sebagai solusi untuk masalah ini, karena transistor seperti itu akan sulit dibuat, dan tidak jelas apakah mereka akan bekerja atau tidak. Dan bahkan para penulis karya sendiri tidak mengembangkan ide ini lebih jauh, kata Hu. - Saya pikir perbedaannya adalah bahwa kami melihat masalah ini dan memutuskan bahwa kami ingin bekerja dengannya bukan karena kami ingin menulis pekerjaan lain atau mendapatkan hibah lain, tetapi karena kami ingin membantu industri ini. Kami pikir kami perlu memperpanjang hukum Moore. "

"Kami, sebagai teknolog," lanjut Hu, "bertanggung jawab untuk memastikan bahwa ia tidak berhenti. Karena begitu dia berhenti, kita akan segera kehilangan harapan untuk memperluas kemampuan kita untuk memecahkan masalah umat manusia yang paling kompleks. ”


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


Dia dan timnya “sangat cocok untuk mengembangkan FinFET karena dia mengajar para siswanya cara berpikir tentang perangkat,” kata Elise Rosenbaum, mantan muridnya, dan sekarang menjadi profesor di University of Illinois di Urbana-Champaign. “Dia menekankan pentingnya gambaran keseluruhan, pemahaman kuantitatif situasi. Mempelajari perangkat semikonduktor, beberapa orang berkonsentrasi untuk menciptakan model dan solusi numerik berikutnya dari semua titik dari kisi tiga dimensi. Dia mengajarkan kita untuk mengambil langkah mundur, mencoba membayangkan distribusi medan listrik dalam perangkat, lokasi hambatan potensial, dan bagaimana arus listrik berubah ketika kita mengubah ukuran bagian tertentu. "

Hu percaya akan pentingnya memvisualisasikan perilaku perangkat semikonduktor sedemikian rupa sehingga suatu kali, menurut Rosenbaum, mencoba untuk mengajarkan para siswa proses ini, "ia membangun bagi kita sebuah model perilaku transistor MOS dari plastisin yang diambil dari anak-anaknya."

"Itu semua tampak seperti penemuan yang tiba-tiba muncul dari awal," kata Fari Assaderagi, seorang mantan siswa dan sekarang wakil presiden bidang inovasi dan teknologi di NXP Semiconductors . - Namun, timnya bekerja pada konsep dasar perangkat yang ideal, dimulai dengan dasar-dasar fisika. Dan ide untuk menciptakan struktur seperti itu berasal dari sana. "

Pada tahun 2000, di akhir empat tahun dukungan keuangan, Hu dan timnya menciptakan perangkat kerja dan menerbitkan penelitian mereka, yang menarik minat instan banyak perwakilan industri. Namun, butuh sepuluh tahun lagi untuk chip FinFET untuk mulai memulai jalur perakitan, dan chip Intel adalah yang pertama pada tahun 2011. Kenapa butuh waktu lama?

"Situasi belum pecah," Hu menjelaskan, merujuk pada kemampuan industri untuk menghasilkan desain yang lebih dan lebih kompak. "Orang-orang berpikir itu akan rusak, tetapi kamu tidak dapat memperbaiki sesuatu yang belum rusak."

Ternyata manajer DARPA meramalkan masa depan - mereka menyebut proyek pembiayaan "transisi ke 25 nm," dan ketika FinFET muncul, industri semikonduktor telah beralih ke proses teknologi di bawah 25 nm.

Sementara itu, FDSOI juga telah berkembang dan bahkan digunakan saat ini di industri. Secara khusus, ini digunakan dalam perangkat optik dan radio, dan FinFET mendominasi industri prosesor. Hu mengatakan dia tidak pernah mengatakan bahwa satu pendekatan lebih baik daripada yang lain.

Pada hari-hari awal FinFET, Hu mengambil liburan tiga tahun dari Berkeley untuk bekerja sebagai CTO di pembuat semikonduktor TSMC di Taiwan. Dia menganggapnya sebagai kesempatan untuk membayar hutang ke negara tempat dia menerima pendidikan awalnya. Dia kembali ke Berkeley pada tahun 2004, terus mengajar, mempelajari perangkat semikonduktor hemat energi, dan mendukung BSIM. Pada tahun 2009, Hu menyelesaikan pengajaran reguler, tetapi masih bekerja dengan mahasiswa pascasarjana sebagai profesor kehormatan.

Setelah Hu kembali ke Berkeley, teknologi FinFET menangkap industri ini. Dan hukum Moore tidak berakhir pada 25 nm, meskipun kematiannya masih diprediksi secara teratur.

"Kemajuan secara bertahap akan melambat, tetapi kami tidak akan memiliki pengganti MOS selama seratus tahun lagi," kata Hu. Namun, dia tidak kehilangan harapan. “Ada beberapa cara untuk meningkatkan kepadatan sirkuit, konsumsi daya, dan kecepatan, dan kita dapat berharap industri semikonduktor terus memberikan orang-orang dengan perangkat yang semakin berguna, nyaman, dan portabel. Kita perlu mendekati masalah ini secara lebih kreatif dan lebih percaya diri. ”

More articles:


All Articles