Самый быстрый в мире чип

Корпорация IBM и Технологический институт штата Джорджия объявили о том, что их исследователи продемонстрировали первый в мире чип на основе кремния, способный функционировать на частотах более 500 ГГц (500 млрд. тактов в секунду). Для достижения этого результата чип был "заморожен" криогенным способом до температуры 4,5 градусов Кельвина. Такие экстремально низкие температуры в природе сстречаются только в открытом космосе, однако на Земле они могут быть получены искусственным путем с помощью материалов со сверхнизкой температурой, таких как жидкий гелий. (Абсолютный нуль или минимально возможная в природе температура составляет — 273,15 градуса по шкале Цельсия или 0 градусов по шкале Кельвина).

Для сравнения, 500 ГГц — это более чем в 250 раз больше, чем у современных сотовых телефонов, которые обычно работают на частоте 2 ГГц. Согласно результатам компьютерного моделирования, использованные в данном чипе кремний-германиевые технологии смогут в конечном итоге поддерживать еще более высокие рабочие частоты (около тысячи гигагерц) даже при комнатной температуре.

Описываемые эксперименты IBM и Технологического института штата Джорджия проводятся в рамках проекта по исследованию верхнего предела скорости кремний-германиевых устройств, которые работают быстрее при очень низких температурах. В данном исследовании использовались опытные образцы чипов, изготавливаемые корпорацией IBM по экспериментальной кремний-германиевой технологии четвертого поколения на базе полупроводниковой пластины размером 200 мм. При комнатной температуре эти чипы функционируют на частоте примерно 350 ГГц.

"Впервые в мире специалисты IBM и Технологического института штата Джорджия показали в реальных условиях, что скорости порядка половины триллиона тактов в секунду могут быть достигнуты коммерческими чипами на базе кремния, изготовленными из полупроводниковых пластин большого размера с помощью недорогих производственных процессов, — заявил Джон Кресслер (John D. Cressler), преподаватель Школы электротехники и вычислительной техники при Технологическом институте штата Джорджия и исследователь Центра проектирования электронных устройств (GEDC) при Технологическом институте Джорджии. — Эти результаты меняют установившиеся представления о верхнем пределе скорости, достижимом с помощью кремний-германиевых нанотехнологий".

"Эти революционные эксперименты, проводившиеся совместно IBM и Технологическим институтом штата Джорджия показали, что кремниевые полупроводники способны обеспечивать гораздо более высокую производительность, чем считалось до этого, — говорит Берни Мейерсон (Bernie Meyerson), вице-президент и главный технолог подразделения IBM Systems and Technology Group. — Корпорация IBM продолжит тесное сотрудничество со своими партнерами из учебных заведений и производственных компаний, направленное на теоретическое обоснование и практическую проработку инноваций, которые лягут в основу нового поколения высокопроизводительных микропроцессоров с низким уровнем энергопотребления".

Кремний-германиевая технология производства полупроводниковых устройств основана на том, что электрические свойства кремния, базового материала для практически всех современных микрочипов, модифицируются добавлением германия, что позволяет повысить эффективность функционирования чипов. Кремний-германиевые полупроводниковые материалы обеспечивают создание чипов с более высокой производительностью и сниженным уровнем энергопотребления для современных сотовых телефонов и других коммуникационных устройств. В 1989 г. корпорация IBM представила первую в мире кремний-германиевую технологию, а в 1998 г. применила эту технологию в первых в отрасли стандартных кремний-германиевых чипах массового производства.

Потенциальными областями применения сверхвысокочастотных кремний-германиевых микросхем являются коммерческие коммуникационные системы, электронные устройства военного назначения, космическая техника и системы дистанционного зондирования. Достижение подобных экстремальных скоростей в полупроводниковых схемах на основе кремния — которые могут производиться с использованием обычных недорогих технологий — закладывает основу для создания устройств, производимых массовыми сериями. До настоящего времени подобного экстремального уровня производительности на уровне транзисторов достигали только интегральные схемы, производимые из более дорогих комбинированных полупроводниковых материалов III-V.

Углубление наших знаний о физических процессах в кремний-германиевых полупроводниках — и в конечном счете в создаваемых на их основе электронных схемах — позволит со временем создавать более совершенные полупроводниковые продукты.

"При "криогенных" температурах мы на практике наблюдаем в этих устройствах интересные эффекты, которые потенциально позволяют увеличить быстродействие этих устройств куда более радикально, чем это представлялось в теории, — пояснил Кресслер. — Понимание физических основ функционирования этих передовых транзисторов вооружает нас знаниями, которые позволят нам создать еще более совершенное поколение интегральных схем на основе кремния". Кремний-германиевые технологии традиционно привлекают пристальное внимание экспертов электронной отрасли, поскольку позволяют существенно улучшить характеристики транзисторов при использовании стандартных процессов массового производства на основе кремния. Введение германия в кремниевые пластины на атомном уровне позволят существенно улучшить характеристики полупроводникового материала, сохранив большинство преимуществ технологий на основе кремния. Помимо Джона Кресслера, в группу исследователей входили аспиранты Технологического института штата Джорджия Рамкумар Критивасан (Ramkumar Krithivasan) и Юань Лу (Yuan Lu), сотрудник Сеульского национального университета Джай Сун Ри (Jae-Sun Rieh), ранее работавший в IBM, и сотрудники подразделения IBM Microelectronics Марван Катер (Marwan Khater), Дэвид Алгрен (David Ahlgren) и Грег Фримен (Greg Freeman) (г. Ист-Фишкил, штат Нью-Йорк). Информация об этом достижении будет опубликована в июльском выпуске журнала IEEE Electron Device Letters. Исследования были выполнены при поддержке корпорации IBM, организации NASA и Центра проектирования электронных устройств (GEDC) при Технологическом институте штата Джорджия.