Ugrás a tartalomhoz

Ipari technológiák

Dr. Német Béla (2013)

Pécsi Tudományegyetem

A félvezető ipar fejlődése napjainkig

A félvezető ipar fejlődése napjainkig

Moore törvénye

Moore törvénye: Gordon E. Moore, az Intel egyik alapítója, 1965-ben, a 16 tranzisztort tartalmazó akkori IC-ből azt a kijelentést tette (leggyakrabban előforduló megfogalmazás), hogy az egységnyi felületre integrált elemek száma (tranzisztorok száma – ami használható a számítási teljesítmény durva mérésére), minden 1,5-2 évben megduplázódik az évek folyamán, viszont az egy elemre vetített árexponenciálisan csökkenni fog. Ez mindmáig érvényes!

Bár a Moore-törvény először egy megfigyelést és előrejelzést írt le, minél szélesebb körben lett ismert, annál inkább célként jelent meg az egész ipar számára. A félvezetőgyártók kutatórészlegei hatalmas energiákat fordítottak arra, hogy teljesítsék a meghatározott növekedési szinteket.. Emiatt a törvényt egy önmagát beteljesítő jóslatként is felfoghatjuk. Rövidebb időskálára vetítve, a törvény heti 1 %-os ipari növekedést jelent.

11.14. ábra - A számoló-, és számítógépek „teljesítményének” (élőlények agykapacitásában „mérve”) és „dollár egységben” mért árának párhuzamba állítása az eltelt évek „függvényében”.

A számoló-, és számítógépek „teljesítményének” (élőlények agykapacitásában „mérve”) és „dollár egységben” mért árának párhuzamba állítása az eltelt évek „függvényében”.

https://community.emc.com/people/ble/blog/2012/02/21/moores-law-limit-reached

1995-ben a csíkszélesség még 500 nm volt, 2004 utolsó negyedévében a processzorok 130 és 90 nm-es technológiával készültek, 2005 végen pedig már voltak a 65 nm-es gyártósorok. 2008-ban megjelentek az AMD 45 nanométeres processzorai. 2012. második félévében az Intel 22 nanométeres csíkszélességgel az Ivy Bridge 32 nanométeres Exynos és 28 nanométeres Snapdragon S4 processzorokat gyárt. Samsung 20 és 14 nanométeres gyártósorokat hoz létre.

11.15. ábra - Moore „törvénye” 2000-ig: Tranzisztorok egy chippen az évek „függvényében”

Moore „törvénye” 2000-ig: Tranzisztorok egy chippen az évek „függvényében”

http://www.sg.hu/cikkek/26374/a_moore_torveny_jovoje_meg_legalabb_10_evig_biztositott

11.16. ábra - Moore „törvénye” 2003-ig: Tranzisztorok egy chippen az évek „függvényében”

Moore „törvénye” 2003-ig: Tranzisztorok egy chippen az évek „függvényében”

http://www.berzsenyi.hu/mediawiki/index.php/Középszint_7._tétel

http://njtechreviews.com/2011/09/04/moores-law/

11.17. ábra - LED fényforrások intenzitás növekedése és a félvezető összetétel változás az évek során

LED fényforrások intenzitás növekedése és a félvezető összetétel változás az évek során

11.18. ábra - Moore „törvénye” 2008-ig: Egy chipre integrált tranzisztorok száma az évek „függvényében”

Moore „törvénye” 2008-ig: Egy chipre integrált tranzisztorok száma az évek „függvényében”

http://blog.andrewboy.com/?cat=20&paged=3

11.19. ábra - Moore „törvénye” 2011-ig: Egy chipre integrált tranzisztorok száma az évek „függvényében”

Moore „törvénye” 2011-ig: Egy chipre integrált tranzisztorok száma az évek „függvényében”

http://en.wikipedia.org/wiki/File:Transistor_Count_and_Moore’s_Law_-_2011.svg

11.20. ábra - Moore „törvénye”. 2009-ben. Előrejelzés 2018-ig:

Moore „törvénye”. 2009-ben. Előrejelzés 2018-ig:

http://www.indybay.org/newsitems/2006/05/18/18240941.php

Jóslat: 2015 utánraaz 5 nanométeres technológiais alkalmassá válhat sorozatgyártásra.

Az integrált áramkörök planár, azaz réteges technológiával készülnek. Tipikus technológiai lépések a rétegleválasztás, fotolitográfia, maratás, a diffúzió és az ionimplantáció. Ezután bemutatunk két „lépést”, a 45 nm-es és a 22 nm-es csíkszélesség kialakulását.

11.21. ábra - Pixel per dollár „függvény” 2006-ig

Pixel per dollár „függvény” 2006-ig

http://en.wikipedia.org/wiki/Moore’s_law

11.22. ábra - A műveletek másodpercenkénti száma az évek függvényében (elektronikai alkatrészekkel illusztrálva)

A műveletek másodpercenkénti száma az évek függvényében (elektronikai alkatrészekkel illusztrálva)

http://hu.wikipedia.org/wiki/Moore-törvény

11.23. ábra - A processzor megmunkálásánál alkalmazott fény hullámhossza és a megmunkálási szélesség az évek függvényében

A processzor megmunkálásánál alkalmazott fény hullámhossza és a megmunkálási szélesség az évek függvényében

Nanotechnológia a chipek gyártása terén: 45 nanométer

http://computerworld.hu/technologiai-forradalom-nanometeren-intel.html

Az Intel 2007. januárjában a 45 nanométeres, alacsonyabb csíkszélességű technológia bevezetésével 5 új Intel Core 2 Duo, Intel Core 2 Quad és Xeon terméket állított elő a Penryn kódnevű maggal készülő, 15 változatot felölelő termékvonalból. A Penryn a gyakorlatban nem más, mint az eddigi, 65 nanométeres technológiával készült Merom, Conroe, Woodcrest magok csökkentett méretű, viszonylag kis mértékben módosított változata - tehát a 45 nanométeres négymagos processzor is két külön szilíciumlapka "közös fedél alatt". Az Intel a megnövelt órajelen kívül, 50 új SSE4 utasítást és megnövelt, akár 12 megabájtos gyorsító tárat is megvalósított. A kétmagos változatok több mint 400 millió, míg a négymagosak több mint 800 millió tranzisztort tartalmaznak. Ezek a termékek kevésbé melegszenek, mint elődeik, kevesebbet is fogyasztanak.

Az Intel 45 nanométeres technológiája a tranzisztorok sűrűségét az előző generációéhoz képest a kétszeresére növelte, ami a kisebb processzorok gyártását segíti elő. Tekintve, hogy a 45 nanométeres tranzisztorok kisebbek előző generációs társaiknál, ki- és bekapcsolásuk kevesebb energiát igényel, kapcsolási áramuk/energiafelvételük körülbelül 30 százalékkal kevesebb. Az Intel rézvezetékeket és alacsony K-együtthatójú dielektrikumot használ a 45 nm-es lapkák átkötéseinél a fokozott teljesítmény és alacsonyabb energiafogyasztás érdekében, valamint újszerű tervezési irányelveket és fejlett maszk-technikákat alkalmazni, hogy a 193 nm-es száraz litográfiai eljárás továbbra is használható maradjon, nagy volumenű gyárthatóságot és további költségcsökkentést eredményezve. Az immersion lithography és az ultra-low-K interconnect dielectrics névre keresztelt megoldásokkal azonban nemcsak a teljesítmény/fogyasztás mutatók javulását biztosítják.

Nanotechnológia a chipek gyártása terén: 22 nanométer

http://itcafe.hu/hir/intel_22_nanometer_sram_32_nano_westmere_idf.html

Az Intel 2009 szeptemberében az Intel Developer Forum technológiai show-n bemutatta a világ első, 22 nanométeres csíkszélességgel gyártott működő chipjét, egy logikát és SRAM memóriát egyaránt tartalmazó áramkört. A több mint 2,9 milliárd tranzisztorból álló lapka 364 millió bitnyi (körülbelül 43,4 megabájtnyi) SRAM memóriacellát tartalmaz, melyek mérete 0,092 µm2.

11.24. ábra - Paul Otellini a chipet tartalmazó waferrel

Paul Otellini a chipet tartalmazó waferrel

11.25. ábra - Intel-penryn-45 nm core-wafer

Intel-penryn-45 nm core-wafer

A chipgyártók jellemző paramétere az adott technológiával előállított memóriacellák közti távolság fele. Azt, hogy készen állnak egy kisebb csíkszélesség bevezetésére, a cégek a komplexebb lapkák egyik alapelemének tekinthető – egyebek mellett a mikroprocesszorok gyorsító táraként használt, hattranzisztoros cellákból álló – SRAM memóriák prototípusának bemutatásával demonstrálják.

A miniatürizálási versenyt a vállalat egyik alapítója, Gordon Moore által 44 évvel ezelőtt megfogalmazott agresszív fejlődési iramhoz ragaszkodva hagyományosan az Intel vezeti. Bár 22 nanométeres SRAM-cellát az IBM és a partnerei – az AMD, a Freescale, az STMicroelectronics, a Toshiba és az albanyi College of Nanoscale Science and Engineering (CNSE) – alkotta szövetség gyártott először, erre épülő működő chipet e fejlesztői konzorcium a mai napig nem mutatott be.

Az Intel közleménye szerint az új eljárás kulcselemei a cég által először 45 nanométeren bevezetett magas k állandójú (high k) dielektrikumból készült kapuoxid és fém kapuelektróda újabb, harmadik generációja, a feszített szilícium technológia továbbfejlesztése és a 193 nanométer hullámhosszú fényt használó immerzív litográfia. E technológia bevezetése a sorozatgyártásban 2011-ben esedékes.

A vállalat egyben bejelentette, hogy az ún. tikk-takk stratégiájának megfelelően – amely szerint minden páros évben egy új processzorarchitektúrával, minden páratlan évben pedig ennek kisebb csíkszélességgel gyártott változatával áll elő – megkezdte a Nehalem kódnevű architektúra 32 nanométeres zsugorításának, a Westmere-nek gyártását. Erre épül a cég első CPU-GPU megoldása, a várhatóan még a negyedik negyedévben piacra kerülő Clarkdale kódnevű chip, amelybe egy kétmagos Westmere mellé egy külön szilíciumlapkán lévő grafikus magot is tokoznak.

Új anyagok: chipgyártás "vaskorszaka"

http://www.sg.hu/cikkek/50066/jon_a_chipgyartas_vaskorszaka

Majd negyven évig a processzorgyártó cégek szilicíumból állították elő a tranzisztorok kapujait. Az Intel és az IBM - illetve nemsokára rá az AMD is 2007. januárjában új anyagok bevezetéséről számolt be, melyekkel a jelentős teljesítménynövekedés mellett számottevő mértékben visszaszorítható lenne az energiaveszteség is. Természetesen a szilícium marad a tranzisztor fő összetevője. Azonban magukat a kapukat immár fémből készítenék, és a kapu-oxidnak hívott - a kapu és a tranzisztor többi része között elhelyezkedő - réteget is más anyagból gyártanák le. Az Intel a Penryin termékcsaládjában tervezi az új összetevők bevetését. A két anyag kombinációját először 45 nanométeres SRAM-jain tesztelte a cég. Az IBM és az AMD is az új anyagokban látja a jövőt 2008-ban a chippek gyártásában.

11.26. ábra - Intel Penryin termékcsaládjának „fémkapus” változata

Intel Penryin termékcsaládjának „fémkapus” változata

Az ipar szinte évről évre csökkenti a tranzisztorok méreteit, amely lehetővé teszi számukra, hogy egyre többet rakjanak fel belőlük lapkáikra. Ám a teljesítmény növekedésével arányosan az elfolyó elektromos-energia is egyre jelentősebb lesz. A szivárgás következtében a tranzisztor se ki, se be nem tud kapcsolni, arról nem is beszélve, hogy a jelenség számos rendszerproblémához és túlmelegedéshez is vezethet. Bernie Meyerson, az IBM chiprészlegének technológiai igazgatója elmondta, hogy az IBM nem hajlandó elárulni a kapu-oxid anyagát, azonban nemrég olyan kutatásokat tett közzé, melyekben hafniumot használt erre a célra.