1 Исторический подход к проектированию электронной компонентной базы

1.1 Вся история развития электронной компонентной базы – это стремление к уменьшению размеров, увеличению быстродействия и массовости производства.

Гордон Мур – один из основателей компании Intel, за три года до основания компании установил, что плотность логических элементов микросхем удваивается каждые полтора года. На основании этой закономерности в 1965 году, когда плотность составляла 50 компонентов на кристалл, он предсказал, что в 1975 году она составит 65000 компонентов на кристалл, что и произошло. Эта тенденция действует до сих пор и называется закон Мура [1].

Фактически закон Мура стал настолько универсальным, что его применяют при прогнозировании роста Интернета, пропускной способности каналов связи, предсказания роста ёмкости жестких дисков и т.п.

В 1980 году разработчики элементной базы электроники ломали голову над тем, как добиться технологической нормы производства микросхем в один микрон ( . В 1990 годы встала задача внедрить технологическую норму в одну десятую микрона ( . Сегодня перед проектировщиками стоит задача освоить барьер в одну сотую микрона ( . Рост плотности базовых компонентов электроники в интегральных микросхемах (ИС) продолжается путём масштабирования микросхем, освоения технологических норм 90, 65, 45, 32 нм и менее. Так в корпорации Intel в 2006 году началось производство ИС по технологии 65 нм. В 2007 году произошёл переход на 45 нанометровый процесс, в 2009году приступили к внедрению технологического процесса 32 нм. В 2011году наступает черёд перехода на технологический процесс в 22 нм. Вплоть до 2020 года прогнозируется сохранение технологии проектирования транзисторов по современной схеме работы - с электродами и затворами между ними [2]. К тому времени размеры всех элементов транзистора достигнут атомарных величин.

Исследователи из корпорации Intel [3] представили прототип транзистора, который поможет закону Мура продержаться ещё десятилетие. Транзистор, разработанный корпорацией Intel и британской компанией Qinetiq, по структуре аналогичен традиционным полевым транзисторам. У него есть исток и сток, соединённые каналом, потоком носителей заряда в котором управляет затвор. Однако в отличие от традиционных полупроводниковых приборов, канал выполнен не из кремния, а из антимонида индия, который состоит из атомов индия In и сурьмы Sb. В периодической системе эти элементы расположены в колонках , поэтому транзисторы на их основе обозначают . Кремний же находится в колонке 4, близкие к нему индий и сурьма обладают похожими характеристиками, но ведут себя несколько иначе. Замена кремния антимонидом индия приводит к снижению потребляемой энергии в 10 раз при повышении быстродействия на 50%. Не менее важно и то, что материалы в принципе могут вписаться в существующие технологические процессы, что сделает массовое изготовление этих транзисторов более дешёвым и простым по сравнению с такими новыми технологиями, как углеродные нанотрубки и кремниевые нанопроводники. Микросхемы на базе таких транзисторов могут появиться на рынке уже к 2015 году. Экспериментальные транзисторы были выполнены на подложке из арсенида галлия – дорогого материала. Теперь компания пытается перенести свои транзисторы на кремниевую подложку.

В отличие от Intel корпорация IBM встроила 45 нанометровое технологическое оборудование в свои существующие производственные линии с минимальными изменениями в оборудовании и процессах, за счёт этого снизив себестоимость 45 нм технологии. IBM осваивает технологию «кремний на изоляторе» (КНИ) и развивает технологии объёмного кремния. IBM развивает 32 нм технологии статических ОЗУ (СОЗУ) с использованием подзатворных диэлектриков с высокой диэлектрической проницаемостью и металлическими затворами. Речь идёт о параллельном развитии двух технологий: на объёмном кремнии и на КНИ. Выбранный метод проектирования позволяет уменьшить размеры кристалла на 50% по сравнению с аналогом, спроектированным по технологии с 45 нм разрешением. К концу 2011 года IBM перешла к освоению технологии уровня 22 нм. В конце февраля 2008г. IBM сообщила об успешном эксперименте по формированию топологии верхнего слоя металла на чипе 22х33 мм посредством экстремальной УФ-литографии с длиной волны излучения источника 13,5 нм. Данная технология предназначена для проектирования кристаллов с технологическими нормами 22 нм [4].

Высокая плотность размещения базовых элементов на кристалле достигается в первую очередь за счёт успехов в улучшении разрешающей способности литографии. Уменьшение размеров компонентов продолжается, однако предел будет достигнут очень скоро, когда размер логического элемента на кристалле станет равным размеру атома. Специалисты считают, что произойдёт это к 2020-2030 г.г. [1].

Одним из важных ограничивающих факторов литографии является длина волны света. Чем короче длина волны света, тем меньше вытравленные на подложке элементы топологии схемы и выше плотность транзисторов. Литография – это, в принципе технологический процесс копирования чертежа микросхемы на подложку. Достоинства и недостатки этого процесса определяют производительность и стоимость микросхем. Современные кремниевые микросхемы создаются с использованием ультрафиолетового света с очень короткой длиной волны. Ведутся интенсивные исследования возможностей использования литографии на основе экстремального ультрафиолетового света с длиной волны 10-15 нм. С его помощью можно настолько увеличить плотность транзисторов в микропроцессорах, что они станут мощнее почти в 100 раз.

Анализируя проектные и технологические возможности передовых фирм, видим, что каждая из ведущих в области электроники фирм организовывала и производила электронные базовые компоненты, начиная «с нуля и под ключ». Сегодня такой метод проектирования, разработки и освоения промышленного выпуска предполагает грандиозные финансовые вложения, которые под силу только очень крупным фирмам, да и те создают кооперации для совместного освоения новых проектов и технологий. Можно назвать членов «45 нм клуба»: это IBM и связанные с ней компании, альянс «общей платформы» СPTA :Samsung, Chartered Semiconductor и др., а также корпорации Intel, TSMC, Texas Instruments. Отдельно выделяется японский альянс компаний Sony, Toshiba и NEC.

В нынешних условиях для привлечения в электронную промышленность малого бизнеса российская компания ITFY предложила создать Центр коллективной разработки микроэлектроники. [5] Завершен первый этап создания этого центра. Вычислительная среда этого центра будет размещена в облачной инфраструктуре на базе программно-аппаратной платформы IBM в России и СНГ. Создание центра коллективной разработки микроэлектроники обеспечит дизайнерам России и дизайн-центрам всего мира доступ к широкому спектру услуг в микроэлектронике – от средств разработки чипов до размещения заказов на фабрике. Создание центра проходит в несколько этапов. Вслед за лицензированием технологий разработки САПР IBM с топологией 90 нм, ITFY приняла решение о подписании контракта с IBM по предоставлению серверных мощностей для облачной проектной среды на базе хостингового центра IBM в России и СНГ. Облачная проектная среда будет размещаться в хостинговом центре IBM, гарантируя максимальную гибкость, масштабируемость и высокое качество сервиса для всех клиентов центра коллективной разработки. «На текущий момент под задачи центра выделены десятки терабайт дискового пространства, которые в любой момент могут быть расширены согласно потребностям заказчиков» - заявил Михаил Лебедев, директор департамента технологических серверов IBM в России и СНГ.

В первую очередь в облачной инфраструктуре будут размещены программные продукты IBM, в частности маршруты САПР разработки IBM с топологией 90 нм и набор IP- блоков (инструментов разработки). Облако даст возможность компаниям разрабатывать и изготавливать свои чипы с использованием самых современных лицензионных продуктов, просто арендуя программные и аппаратные мощности среды. Что обеспечит ценовые преимущества по сравнению с покупкой аналогичного программного обеспечения на рынке. Производство изначально будет осуществляться на фабриках, производящих чипы по технологиям IBM. Это является гарантией самого высокого качества, т.к. на выходе клиент получит протестированный и готовый к использованию чип. В дальнейшем по мере роста числа заказчиков, представленных в облачной среде, у заказчика появится альтернатива при выборе фабрики. В перспективе Центр рассчитывает на 500 клиентов – пользователей облачной системы разработки. На текущий момент в мире не существует аналогов подобных Центров на основе облачной технологии, открытой внешним разработчикам, которая даёт возможность пользоваться как мар-шрутами IBM, так и маршрутами других фирм. Снижение себестоимости проектирования чипов в облачной проектной среде может составить 20%. География потенциальных заказчиков определяется следующим образом: Россия, Западная Европа, Ближний Восток и Индия.