Совершенствование элементной базы и технологий

Элементная база служит показателем технического уровня развития страны, общества, цивилизации. Успехи в создании новой элементной базы определяются передовыми научными и техническими достижениями целого ряда наук (физики, химии, оптики, механики и др.). Качество элементной базы является показателем технического прогресса. Смена электронных ламп транзисторами, появление интегральных схем, разработка кремниевых чипов – каждое из этих событий производило революцию в компьютерной технике. Все современные ЭВМ строятся на микропроцессорных наборах, основу которых составляют большие (БИС) и сверхбольшие интегральные схемы (СБИС).

Технологический принцип разработки и производства интегральных схем действует уже более четверти века. Он заключается в послойном изготовлении частей электронных схем по циклу "программа – рисунок – схема". По программам на напыленный фоторезисторный слой наносится рисунок будущего слоя микросхемы. Затем рисунок протравливается, фиксируется, закрепляется и изолируется от новых слоев. На основе этого создается пространственная твердотельная структура. Например, СБИС типа Pentium включает около трех с половиной миллионов транзисторов, размещаемых в пятислойной структуре.

Степень микроминиатюризации, размер кристалла ИС, производительность и стоимость технологии напрямую определяются типом литографии. До настоящего времени доминирующей оставалась оптическая литография, т.е. послойные рисунки на фоторезисторе микросхем наносились световым лучом. В настоящее время ведущие компании, производящие микросхемы, реализуют кристаллы с размерами примерно 400 – 600 мм² для процессоров (например, Pentium) и 200 – 400 мм² – для схем памяти. Минимальный топологический размер (толщина линий) при этом составляет 0,25—0,135 мкм. Для сравнения можно привести такой пример. Толщина человеческого волоса составляет примерно 100 мкм. Значит, при таком разрешении на толщине 100 мкм требуется вычерчивать более двухсот линий.

Дальнейшие успехи микроэлектроники связываются с электронной (лазерной), ионной и рентгеновской литографией. Это позволяет выйти на размеры 0,08; 0,05 и даже 0,018 мкм (данные февраля 2004 г., по материалам http://hardw.net). По данным на 2010 год минимальный топологический размер элементов составляет 35нм. Вместо ранее используемых алюминиевых проводников в микросхемах теперь повсеместно применяют медные соединения, что позволяет повысить частоту работы.

Такие высокие технологии порождают целый ряд проблем. Требуется очень дорогой технологический процесс в условиях "чистой атмосферы", т.е. при полном отсутствии пыли, в условиях глубокого вакуума или атмосферы инертного газа (например, чистого азота или аргона).

Напряжение питания современных микросхем составляет 2,4 – 1,3V. Появились схемы с напряжением питания, близким к 1V, что выходит за рамки принятых стандартов. Дальнейшее понижение напряжения нежелательно, так как всегда в электронных схемах должно быть обеспечено необходимое соотношение "сигнал-шум" (SNR), гарантирующее устойчивую работу ЭВМ.

Но рост производительности не может объясняться только лишь совершенствованием элементной базы.