4. Основные проблемы развития микроэлектроники

4.1. Принципиальные и технологические проблемы, связанные с микро­миниатюризацией

Микроминиатюризация - одно из главных направлений развития элек­троники, связанное с уменьшением габаритов электронной аппаратуры при од­новременном сохранении и расширении её функциональных возможностей.

Первое поколение электронных приборов (электровакуумные приборы) в направлении микроминиатюризации не достигло особых успехов, что явилось одной из причин постепенного сокращения их производства и использования.

Второе поколение электроники (дискретные полупроводниковые прибо­ры) характеризуется существенным уменьшением размеров электронных ком­понентов - фактически зародилась микромодульная аппаратура. Плотность монтажа в этих устройствах достигала трёх деталей на кубический сантиметр.

Третье и последующее поколения электроники связаны с резким возрас­танием степени интеграции, т.е. созданием микроэлектроники, базирующейся на больших, сверхбольших и гигантских интегральных микросхемах.

Поскольку основным активным элементом таких схем являются встроен­ные в неё биполярные и полевые транзисторы, степень интеграции стала оце­ниваться по количеству условных транзисторов, приходящихся на единицу объёма (площади) интегральной схемы, микрочипа. В то же время, следует все­гда иметь в виду, что в одном кристалле интегрируются далеко не всегда одно­типные активные и пассивные элементы.

В настоящее время свершается переход от интегральной микроэлектро­ники к функциональной. Микроэлектроника от интеграции в дискретных объё­мах с локализованными, сосредоточенными в них функциями движется в на­правлении интеграции функций, распределённых по всему объёму кристалла.

Основными показателями качества и технологичности интегральных схем является степень интеграции, которую мы будем определять как число элементов (транзисторов, диодов, резисторов, ёмкостей, индуктивностей), вхо­дящих в структуру микросхемы или кристалла. Однако, в первую очередь, оце­нивать степень интеграции следует по числу условных транзисторов.

Кроме того, необходимо учитывать, что современные технологии пока не позволяют получать активные трёхмерные структуры. Поскольку доминирую­щее положение в технологии дискретных и интегральных приборов и устройств пока занимают планарные структуры, размеры активных областей принято оце­нивать по их линейным размерам в плоскости.

Современная электроника оперирует понятием минимального топологи­ческого размера (МТР), характеризующим некое предельное значение Ь габа­ритного размера микроэлемента, ниже которого микросхема на заданном тех-логическом уровне перестаёт функционировать.

Поскольку микроминиатюризация и повышение степени интеграции связано с тенденцией уменьшения п, то каждую новую технологию

37

1	Показатели	1998г.	2001г. 2002г.	2004г.	2010г.
1	Минимальный то­пологический размер, мкм	0,25	0,18 0,15	0,13	0,05
	Диаметр пластины, мм	200	200-300 300-400	400-570	1500
	! Толщина кристалла, мкм	200	300 300	300	450

Таблица 4.1. Динамика изменения геометрических показателей чипов и кристаллов

принято характеризовать отношением Ь/К, где К - так называемый фактор масштабирования, показывающий, во сколько раз уменьшается МТР. При этом, сложность чипа увеличивается приблизительно в К² раз.

Таким образом, микроминиатюризация и уменьшение МТР, кроме всего прочего являются экономически выгодными.

Правда, этот эффект всегда несколько меньше ожидаемого ввиду необхо­димости использования для уменьшение МТР довольно сложных и дорогих аи-, паратурно-технологических решений.

Взаимная противоречивость этих факторов привела к тому, что, невзирая' на неуклонное уменьшение МТР, стоимость единицы площади кремниевы пластин не меняется уже несколько десятилетий и остаётся в пределах 2 -долл./см² для обработанных и 0,18 - 0,25 долл./см² - для необработанных плат стин. Соответственно, усреднённые рыночные цены составляют для исполь зуемых в производстве СБИС кремниевых пластин диаметром 125 мм - 2( долл., 150 мм - 40 долл., 200 мм - 80 долл., 300 мм - 200 долл.

В 1965 году Гордон Мур, который был одним из пионеров Кремниевой долины США и основателем фирмы 1п1е1, предсказал, что число транзисторов в интегральной схеме памяти будет удваиваться каждые два года. "Закон Мура" стал подтверждаться в процессе развития микроэлектроники с достаточно» точностью. До 1979 года степень интеграции удваивалась каждые два года, за тем вплоть до конца 80-х годов темпы увеличения степени интеграции возрос­ли, и период её удвоения составил 1,5 года. С начала 80-х годов степень инте­грации удваивается приблизительно каждые два года. Большинство прогнози стов и экспертов сходятся в том, что к 2010 году МТР интегральных микросхем достигнет значения 0,04 — 0,07 мкм.

По величине МТР современную интегральную электронику часто под разделяют на:

• микроэлектронику (Ь = 0,25 -И,0 мкм);

• субмикронную электронику (Ь = 0,75 4-0,1 мкм);

• наноэлектронику (Ь < ЮОнм).

К числу важнейших факторов, обусловливающих повышение степени ин тефации, помимо уменьшения МТР следует отнести увеличение размере! (диаметра) кристалла, совершенствование схемотехники и архитектуры микро схем, а также повышение уровня технологического процесса и выхода годных.

Тенденция к увеличению диаметра исходных пластин весьма устойчива и обусловлена чисто экономическими соображениями. Однако поскольку пла стины являются одновременно базовыми опорными элементами, определяю щими механическую прочность интегральной микросхемы, то по мере увели чения диаметра возрастает толщина кристалла. Современные технологии на правлены на то, чтобы удержать толщину кристалла на минимально возможном уровне и не допустить тем самым увеличения материалоёмкости интегральны} микросхем.

Фирма 81А даёт следующие прогнозные показатели в области геометри ческих параметров пластин и чипов, показанные в таблице 4.1.

38

Конечно, при анализе этих тенденций возникает естественный вопрос: чем же ограничено дальнейшее уменьшение линейных топологических разме­ров элементов микросхем? Ответ на этот вопрос адекватен ответу на вопрос о том, каким представляется ближайшее будуш^ее электроники.

Сейчас мы подходим к пониманию того, что современная классическая микроэлектроника приблизилась к разумным пределам своих теоретических, принципиальных и технологических возможностей.

Поэтому есть все основания считать, что электроника и информатика на­ходятся на грани предстоящих коренных перемен.

На этот счёт не было и нет недостатка в прогнозах и предсказаниях, в том числе и не вполне научно обоснованных.

Например, Брукс и Генри Адамсы "вычислили" такие периоды развития человеческого общества:

1. 1600 год - условно принят за начало отсчёта периода механической "революции" (до 1900 г.)

1900-1600=300 лет

2. Второй период - электрической "революции" (1900-1917 гг.).

^/300=17,4*17 лет

3. Третий период -радио-или эфирной "революции" (1917 - 1921 гг.).

^17 = 4,3 года

Отсюда они "определили", что после 1921 года следует предел научной мысли и гибель цивилизации.

Несколько более оптимистичен в своих футурологических прогнозах Р.П. ^Сейсян. Он исходит из экспоненциальной зависимости длительности проме­тка между "революциями" от их порядкового номера и приходит к выводу, ^Чт° на эру ЭВМ отведено всего 50 лет, т.е. мы уже сейчас находимся на грани

39

конструктивные; социально-политические и экономические.

следующей "революции". По Сейсяну четвёртая "революция" была электрон­ной, а пятая "революция" возможно приведет к созданию искусственного ин­теллекта.

Далее мы увидим, что этот прогноз при всей псевдонаучности его мето­дологии достаточно близок к истине.

По мере повышения степени интеграции и уменьшения МТР растут объ­ёмы памяти и быстродействие логических интегральных микросхем, что при­водит к существенному улучшению характеристик микропроцессоров совре­менных ЭВМ.

По данным 81А параметры микропроцессора связаны с топологическими нормами следующим образом (см. таблицу 4.2).

Таблица 4.2.

Динамика изменений основных параметров микропроцессоров ЭВМ в период

1998-2010 гг

Год Показатели	1998	2001	2002	2004	2010
Минимальный топологический размер, мкм	0,25	0,18	0,15	0,13	0,05
Тактовая частота, МГц	750	1250	1500	2100	10000
Емкость памяти, Гбит	0,256	1	2	4	256
Минимальное напряжение, В	1,8-2,5	1,5-1,8	1,2-1,5	1,2-1,5	0,5 -0,6
Максимальная мощность, Вт	70	90	ПО	130	175

На примере совершенствования микропроцессоров ведущей фирмы 1п1е1 можно проследить связь между степенью интеграции и быстродействием (таб­лица 4.3).

В ней приведены почти предельные показатели, которые можно "выжать" из современной микроэлектроники доводкой конструктивно-технологических решений до высочайшего уровня.

Однако такой подход не даёт исчерпывающего ответа на вопрос, какой будет электроника ближайшего будущего, и на каких принципах она будет строиться.

Поэтому представляется целесообразным определить, сгруппировать и рассмотреть факторы, ограничивающие дальнейшее развитие классической фи­зической электроники, следующим образом:

• технологические;

• принципиальные;

Таблица 4.3.

Тенденции развития микропроцессоров 1п1е1

Характеристики и параметры	Тип процессоров 1п1е1
	286	386 П	486 586 ; 686			786	886
Проектирование, год	1979 ! 1982		1985 1989		1990	1992	1995
Разработка, год 1 1982 1985			1989	1992	1993	1995	1998
Поставка, год , 1986^ 1990				1993	1995	1996 ! 1999
Количество транзи­сторов в чипе, млн шт		0,5	1,2	3	7	20	100
Производитель­ность, 1 06 команд/с (М1Р8)	1	5	20 100		175 ..	250	500-1000