Появившись на сцене более десяти лет назад, технология FinFET преобразила конструкцию чипов. Хотя эти непланарные транзисторы по-прежнему являются неофициальным отраслевым стандартом, их эпоха, возможно, подходит к концу. Так что инженерам-электронщикам, похоже, придется подготовиться к предстоящей смене.
Первые чипы с использованием FinFET появились в 2011 году, позволив полупроводникам смело занять на территорию ниже 25 нм. В то время эта архитектура стала своего рода спасательным кругом для закона Мура, поскольку при геометрии менее 100 нм утечки планарных транзисторов были слишком велики, чтобы транзисторы могли сохранить свою жизнеспособность (Рисунок 1).
 |
|
| Рисунок 1. | FinFET заменили планарную конструкцию транзисторов на трехмерную, чтобы преодолеть ограничения традиционных планарных транзисторов. |
Однако сейчас FinFET сталкиваются с той же проблемой, что и предшествовавшие им планарные технологии. Проблемы «просачивания» мощности и помех в сигнальных цепях становятся все более распространенными препятствиями, поскольку форм-факторы устройств продолжают уменьшаться, а требования к производительности растут. В связи с этим многие ключевые игроки отрасли начинают рассматривать альтернативные архитектуры транзисторов.
Какими бы полезными ни были FinFET по сравнению со своими предшественниками, они имеют серьезные ограничения по разводке питания при меньших геометрических размерах. Инженеры обычно обходят эти ограничения, используя различную ширину каналов и варьируя расстояния между ними. FinFET хорошо работают во многих приложениях, но и у этой стратегии есть свои недостатки.
Поскольку затворы должны доходить до изолятора между «плавниками» (fin – плавник, FET – полевой транзистор, ред.), между каждым каналом должно быть достаточно свободного пространства. В результате инженеры могут быстро столкнуться с проблемами масштабируемости, поскольку расстояние между соседними плавниками составляет от 15 до 20 нм. Увеличение количества каналов неизбежно означает увеличение неактивных областей, что приводит к необходимости поиска компромисса между разводкой токоведущих дорожек и физическим пространством.
GAA-транзисторы
Потенциальное решение проблемы появилось в виде транзисторов с каналами, окруженными затвором (gate-all-around, GAA). Архитектура GAA возвращается к планарным форм-факторам, но теперь вместо плоского канала, расположенного заподлицо с изолятором, в ней используются кремниевые полосы, окруженные затвором со всех четырех сторон.
Точно так же, как FinFET позволяют инженерам размещать несколько плавников рядом друг с другом, GAA позволяют размещать каналы один над другим в вертикальной плоскости. Необходимо отметить, что и при этом методе между каждой полосой по-прежнему требуется пространство. Однако, поскольку технология основана на стековом расположении, каждая из них может быть длиннее по горизонтали. В качестве альтернативы инженеры могли бы разработать более высокие, но узкие транзисторы, чтобы оставить на кристалле больше места для других компонентов.
Еще одним ключевым преимуществом конструкции GAA является то, что затвор контактирует с каналом со всех четырех сторон. Следовательно, он обеспечивает больший контроль над более высокими токами, как это сделали FinFET по отношению к традиционным планарным архитектурам (Рисунок 2).
 |
|
| Рисунок 2. | В структуре транзистора GAA затвор может контактировать с каналом со всех сторон, что делает возможным продолжительное масштабирование. |
GAA пока еще относительно новы, но уже демонстрируют признаки того, что они становятся стандартом. Этот процесс возглавила Samsung, объявив о переходе на технологии GAAFET в 2022 году. Intel, создавшая технологию FinFET, выпустит свою версию GAA позже в 2024 году вместе с технологией доставки питания «backside power».
На этом пути остается еще несколько препятствий. По некоторым данным, Samsung не удается добиться высокого выхода годных с помощью своей технологии GAAFET. Другие производители интегральных схем имеют более долгосрочные планы выпуска своих чипов GAA, поэтому остается неясным, сможет ли технология GAA преодолеть эти трудности.
Несмотря на эти препятствия, отрасль явно движется в сторону GAA. Поэтому разработчикам электроники следует ознакомиться с этой технологией до того, как произойдет переход, чтобы адаптироваться к меняющемуся рынку.
Переход будет непростым
Подобно тому, как FinFET изменили архитектуру полупроводников в 2010-х годах, GAAFET могут сделать то же самое в течение следующего десятилетия. Хотя многое в этом переходе еще не ясно, большинство признаков, похоже, указывают на то, что он произойдет.
Электроника – это постоянно развивающаяся область. Поэтому инженеры должны быть в курсе подобных разработок, чтобы иметь возможность воспользоваться выгодой от инноваций, которые произведут революцию в отрасли.
