Planar FET, FinFET и GAAFET — что это и в чем различие
Скорость будущих процессоров и видеокарт зависит от многих факторов, включая прогресс в сфере транзисторов. На повышение вычислительной мощности влияет уменьшение размеров транзисторов, что позволяет разместить больше элементов на меньшей площади. Кроме того, структура транзисторов меняется, появляются новые конструкции, такие как планарные, FinFET и GAAFET транзисторы. Эти решения отличаются более высокой производительностью и энергоэффективностью по сравнению с традиционными транзисторами. О них и пойдет речь в нашей статье.
Planar FET
Планарный транзистор был основной технологией примерно до 2012 года. Его структура довольно проста: вокруг истока и стока имеется область n-проводимости, созданная путем введения соответствующих примесей в кремний. Подложка изначально имеет p-проводимость. Затвор служит управляющим элементом, который позволяет регулировать ток от истока к стоку путем приложения к нему определенного потенциала.
Чтобы понять эту концепцию, представьте себе водопроводную трубу. Затвор действует как клапан, который регулирует ширину канала. По мере развития технологии планарные FET-транзисторы удавалось делать все меньше без особых препятствий. Однако, когда они достигли размера 22 нм, инженеры столкнулись с рядом проблем. Например, уменьшение длины затвора привело к тому, что канал стал слишком тонким. Это вызвало спонтанное туннелирование электронов от истока к стоку, даже когда затвор был закрыт. Другими словами, утечка происходила даже тогда, когда транзистор выключен.
Кроме того, уменьшение площади затвора привело к снижению эффективности контроля канала. В результате транзистор стал менее управляемым, что вызывало проблемы в его работе. Поэтому надо было разработать новые конструкции и технологии, чтобы преодолеть ограничения.
FinFET
Переход от двумерной к трехмерной структуре в транзисторах, а именно использование технологии FinFET, обеспечил ряд преимуществ на практике:
- расширенный канал в виде плавника позволил обеспечить более эффективное протекание тока. Затвор теперь окружает канал с трех сторон, что позволяет лучше контролировать поток электронов. Когда напряжение подается на затвор, электроны вытягиваются из глубины ребер к вершинам, где формируется канал. Это приводит к созданию более эффективной и концентрированной активной зоны в верхней части ребер, минимизируя утечку токов подложки;
- трехмерная структура FinFET повышает эффективность управления по сравнению с планарной технологией. Поскольку затвор охватывает канал с трех сторон, а не только с одной, производители могут разрабатывать транзисторы с 2–3 гребенками, что позволяет увеличить ток транзистора;
- разрешение используемого фотолитографического оборудования также напрямую влияет на шаг между гребнями, что еще больше повышает эффективность управления.
Технологию FinFET внедрили такие крупные игроки, как Intel, Samsung, тайваньская TSMC и китайская SMIC. Несмотря на практические преимущества, ресурс технологии FinFET постепенно исчерпывается. Поскольку размер затвора становится меньше, проблематично размещать ребра ближе друг к другу. Кроме того, с каждой итерацией необходимо увеличивать высоту ребер. Хотя в прошлом это было возможно, технология достигает своего предела с 5–3-нм техпроцессом. В связи с этими TSMC и Samsung работают над новой архитектурой, которая показывает многообещающие перспективы.
GAAFET
В 2020 году компании TSMC и Samsung объявили о разработке нового поколения транзисторов под названием GAAFET (Gate-All-Around Field-Effect Transistor). Ожидается, что эта новая архитектура обеспечит дальнейший рост производительности интегральных схем и позволит перейти на более тонкие техпроцессы вплоть до 1–2 нм.
Транзистор GAAFET отличается от предыдущих конструкций тем, что каналы окружены затворами со всех четырех сторон. Это достигается путем разрезания ребер на части и создания каналов, образованных несколькими горизонтальными кремниевыми нанотрубками или нанолистами. Новая конструкция улучшает управление транзистором и преодолевает порог в 3 нм.
Интересно, что GAA-транзистор был впервые представлен в 1988 году, но массовое производство запустили только недавно. Помимо TSMC и Samsung, Intel также имеет свою собственную вариацию GAAFET-транзистора под названием RibbonFET. Инженеры Intel заявили, что они предложат несколько вариантов RibbonFET с различным количеством нанолистов (от 2 до 5).
Но внедрение этой технологии сопряжено с трудностями, включая высокую стоимость создания из-за ее специфической структуры. В результате разработчики не спешат отказываться от FinFET, поскольку они по-прежнему предлагают конкурентоспособную производительность и техпроцесс вплоть до 4 нм.
Какие перспективы у отрасли
После открытия 3D-структур разработчики начали исследовать и предлагать более сложные архитектуры. Один из примеров — представленный Intel комплементарный полевой транзистор (CFET) с технологией 2,5 нм. Эта концепция предполагает укладку структур nFET и pFET вертикально друг на друга. Такая техника уменьшает активную площадь ячейки и позволяет достичь еще большей плотности, что открывает возможности для создания более сложных и мощных электронных устройств.
IBM и Samsung также работают над новой транзисторной технологией под названием VTFET. Эта технология предусматривает вертикальное расположение транзисторов, что делает ее более сложной по сравнению с существующей структурой FinFET. Ожидается, что она обеспечит двукратный прирост производительности или потребует на 85% меньше энергопотребления по сравнению с FinFET.
Но пока неясно, будут ли новые проекты реализованы на практике. Стоимость масштабирования интегральных схем становится все более дорогой, что заставляет производителей искать альтернативные решения. Яркий пример — технология компоновки, которые предполагают разбиение устройств на более мелкие микросхемы и интеграцию их в корпус, вместо того, чтобы размещать все функции на одном кристалле. Этот подход набирает популярность, так как поможет преодолеть проблему стоимости при масштабировании. В любом случае производители будут смотреть на экономическую эффективность, производительность и практическую реализацию.
Полный текст статьи читайте на Компьютерра
