Корпорация IBM анонсировала передовую полупроводниковую технологию, использующую метод "chip-stacking" (монтаж в одном корпусе нескольких чипов друг над другом), которая открывает путь к широкому распространению производственного процесса трехмерной упаковки микросхем. Это революционное достижение будет, несомненно, способствовать «продлению жизни» и расширению сферы действия известного закона Мура, согласно которому число транзисторов в кристалле удваивается каждые 12-18 месяцев, вследствие чего соответствующим образом растет производительность процессоров. Новая технология, получившая название "through-silicon vias" («внутрикремниевые межсоединения»), позволяет выполнять сверхплотную упаковку компонентов микросхемы, что очень важно при создании быстродействующих компактных электронных систем с низким энергопотреблением.
Эта инновационная методика дает возможность перейти от двухмерных (2D) горизонтальных топологий чипов к трехмерной (3D) упаковке кристалла. Например, если ядра процессора и элементы памяти традиционно располагались рядом, «бок о бок» на кремниевой пластине, то теперь их можно компоновать друг над другом. В итоге формируется компактная многослойная структура полупроводниковых элементов, которая позволяет значительно уменьшить размеры корпуса микросхемы и повысить пропускную способность межсоединений функциональных компонентов чипа.
Новый технологический метод IBM устраняет необходимость в относительно длинных металлических проводниках, которые сегодня соединяют между собой 2D-чипы и их составные элементы, заменяя эти проводники т.н. внутрикремниевыми соединениями. Межсоединения "through-silicon vias" представляют собой вертикальные каналы, протравленные в кремниевой пластине и заполненные металлом. Такие внутрикремниевые соединения позволяют располагать на пластине несколько чипов по вертикали друг над другом и, в итоге, значительно увеличить объем данных, проходящий через эти чипы.
Благодаря новой технологии расстояние, которое необходимо преодолевать потокам данных в микросхеме, сокращается почти в 1000 раз. Кроме того, эта методика позволяет реализовать в 100 раз больше каналов связи для обмена данными по сравнению с 2D-чипами.
IBM уже начала применять методику внутрикремниевых межсоединений в своем технологическом процессе производства микросхем. Опытные образцы таких чипов появятся во второй половине 2007 г., а массовое производство чипов с использованием технологии "through-silicon vias" будет освоено в 2008 г. Как ожидается, свое первое широкое применение методика внутрикремниевых межсоединений найдет в микросхемах усилителей мощности базовых станций беспроводных сетей и сотовой телефонии. 3D-чипы планируется также использоваться в наборах микросхем высокопроизводительных серверов и суперкомпьютеров IBM, предназначенных для решения ресурсоемких вычислительных задач в области научных исследований и бизнеса.
Чипы, которые IBM выполнила по новой технологии внутрикремниевых межсоединений, уже появились, в частности, в электронных компонентах беспроводного коммуникационного оборудования, процессорах серии Power, чипах суперкомпьютера Blue Gene и модулях памяти с высокой пропускной способностью:
- ПОЛУПРОВОДНИКОВАЯ 3D-ТЕХНОЛОГИЯ ДЛЯ БЕСПРОВОДНОГО КОММУНИКАЦИОННОГО ОБОРУДОВАНИЯ – IBM применяет технологию внутрикремниевых межсоединений для повышения (вплоть до 40%) выходной мощности беспроводных коммуникационных устройств, построенных на кремниево-германиевых полупроводниковых компонентах, что позволяет увеличить срок службы батарей питания. Технология "through-silicon vias" дает возможность отказаться от использования проводных соединений между чипами, менее эффективных для передачи сигналов.
- ПОЛУПРОВОДНИКОВАЯ 3D-ТЕХНОЛОГИЯ ДЛЯ СТАБИЛИЗАЦИИ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ ПРОЦЕССОРОВ POWER – Одним из ограничений производительности микропроцессоров по мере роста количества ядер является необходимость обеспечения единых характеристик стабилизированного питания всех частей чипа. Технологиях "through-silicon vias" позволяет значительно снизить потери мощности на межсоединениях в результате уменьшения линейных размеров проводников цепей питания в кристалле, что дает возможность повысить быстродействие процессора при сокращении его энергопотребления до 20%.
- ПОЛУПРОВОДНИКОВАЯ 3D-ТЕХНОЛОГИЯ ДЛЯ ЧИПСЕТОВ СУПЕРКОМПЬЮТЕРА BLUE GENE И МОДУЛЕЙ ПАМЯТИ – Прогрессивная технология "3D chip-stacking" позволяет размещать высокопроизводительные чипы друг над другом, т.е. реализовать, например, архитектуры «процессор-на-процессоре» или «память-на-процессоре». IBM развивает эту инновационную методику, постепенно заменяя традиционные микросхемы, используемые в компонентах IBM Blue Gene, самого быстрого на сегодняшний день суперкомпьютера в мире, на 3D-чипы. Кроме того, IBM применяет полупроводниковую 3D-технологию в целях кардинального изменения структуры электрических связей между микропроцессором и памятью, направленного на значительное увеличение быстродействия обмена данными между этими компонентами. В перспективе это позволит создавать суперкомпьютеры нового поколения. IBM уже выпустила соответствующий прототип статической памяти SRAM на своей 300 мм производственной линии с использованием 65-нм технологического процесса.
ИССЛЕДОВАНИЯ IBM В ОБЛАСТИ 3D-ЧИПОВ
IBM проводит исследования в области 3D-чипов в своем научном центре им. Т. Дж. Уотсона (IBM T.J. Watson Research Center) вот уже течение более 10 лет. Сегодня эта работа продолжается и в других исследовательских лабораториях IBM по всему миру. Проводимые IBM разработки методик и инструментальных средств для «трехмерных» микросхем, направленные на повышение производительности электронного оборудования и расширение сфер применения чипов нового поколения, поддерживаются Управлением перспективного планирования оборонных научно-исследовательских работ США ( Defense Advanced Research Projects Agency, DARPA).
НЕДАВНИЕ ДОСТИЖЕНИЯ IBM В ОБЛАСТИ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ТЕХНОЛОГИЙ
Анонсированная сегодня инновационная методика является пятым по счету достижением в ряду значимых новаций IBM в области полупроводниковых технологий за последние пять месяцев, которые способны расширить сферу действия закона Гордона Мура.
Так, в декабре 2006 г. IBM представила первые чипы, выполненные на базе 45-нм производственного процесса с применением технологий иммерсионной литографии и диэлектриков со сверхнизкой диэлектрической постоянной.
В январе 2007 г. IBM анонсировала технологию "high-k/metal-gate" («изолирующий слой с высокой диэлектрической проницаемостью/металлический затвор»), предусматривающую применение нового материала для важнейшего компонента полупроводниковой микросхемы – изолирующего слоя в затворе полевого транзистора. Материал, который заменит традиционный диоксид кремния при изготовлении электрода затвора, обладает великолепными изолирующими свойствами и обеспечивает хороший показатель емкостного сопротивления между затвором и каналом. Оба этих свойства позволяют уменьшить размеры и увеличить скорость срабатывания транзистора, что ведет к улучшению эксплуатационных характеристик чипов, применяемых в компьютерах и других электронных системах.
В феврале 2007 г. IBM представила первую в своем роде технологию «внутрикристалльной памяти» (on-chip memory), которая демонстрирует наилучшие показатели времени доступа, когда-либо зафиксированные для eDRAM (embedded Dynamic Random-Access Memory) – встроенной динамической памяти с произвольным доступом.
И, наконец, в марте IBM продемонстрировала набор микросхем (чипсет) прототипа оптического трансивера, который позволит передавать и принимать данные, по меньшей мере, в восемь раз быстрее, чем любые существующие сегодня оптические сетевые компоненты.
