| Plnou parou vpred, Silicon on Insulator na obzore! |
| autor: Seman Martin , publikováno 7.4.2003 |
Taktovacia frekvencia procesorov je a ostáva najdôležitejším marketingovým nástrojom. Všeobecne je síce známe, že architektúra ma oveľa väčšie dôsledky na výkonnosť, ale je to práve taktovací kmitočet, ktorý určuje výber zákazníka. Aby procesory mohli dosahovať vyššie a vyššie frekvencie, prichádzajú výrobcovia už približne dva roky s technológiu zvanou SOI.
Silicon-on-Insulator (SOI) využíva ponorenú oxidovú vrstvu na úplnú elektrickú izoláciu každého jedného stavebného prvku integrovaného obvodu. Táto technológia na báze silikónu stojí už tri desaťročia v šuflíkoch výrobcov a konečne až teraz prichádza k jej použitiu vo výrobe.
Prvým signálom, že sa niečo deje bolo vyhlásenie AMD v druhej polovici roku 2002, že nové 64-Bit-Hammer-procesory budú vyrábané pomocou SOI-Technologie. Oveľa zaujímavšia je však pozícia firmy Intel, ktorá koncom novembra 2001 signalizovala, že nevedie žiadna cesta okolo SOI a pritom ju teraz nepriamo ignoruje. Ostatní výrobcovia ako IBM, HP a Motorola začali v poslednej dobe tiež prechádzať z obyčajnej Bulk-Technologie na SOI.
A prečo? Dôvod je jasný - pomocou aplikovania SOI-Technologie môže výrobca efektívne zvýšiť výpočtový výkon, znížiť stratový výkon a hlavne odbúrať problémy zabraňujúce potrebnej skalárnosti výkonu, ktorej zatiaľ zabraňujú momentálne používané stavebne prvky.
SOI- Materiály
Obyčajné CMOS- silikonové technológie sú označované aj ako vaňové technológie (Bulk Technologies). Obidva typy tranzistorov - NMOS- a PMOS- tranzistor sú postavené v nízkom území a to vždy komplementárne.
Pri bežných CMOS- Silikonových technológiách je vždy použitý p-substrát, v ktorom je bezprostredne realizovaný NMOS- tranzistor. Pre PMOS- tranzistor sa implantuje ešte prídavná vanička.
Na obrázku sa používa jeden p-Substrát, v ktorom je realizovaný NMOS- Tranzistor. Pre PMOS- Tranzistor sa pridáva ešte jedna n-vaňa. Izolácia oboch vaní v oblasti nastáva cez uzavretý smer zapnutého PN - diódového prechodu medzi Substrátom a Vaňou (junction insulation).
Pre to musí byť zaistené, že potenciál N- vane je vždy pod p-Substrátom. To je umožnené prepojením území s úrovňou vyrovnávacieho napätia vane, alebo kontaktov substraktu. Moderná polovodičová technológia musí nasadzovať kaskádovité vane, tak že procesy s dvomi alebo tromi vaňami našli taktiež svoje uplatnenie (twin well / triple well).
O čo ide v SOI?
V protiklade k tomuto postupu sú stavebné prvky v SOI -Technológie postavené v jednom tenkom silikónovom filme a to na jednom zapustenom izolante. Týmto sa dosiahne úplná elektrická izolácia každého stavebného prvku integrovaného obvodu.
Dobre izolovaný: Toto je základný stavebný prvok Technológie SOI.
Z tohto výrobného princípu vychádza rad kladov a záporov, ktoré budú diskutované v ďalšej časti, ale najprv v skratke predstavím výrobné procesy.
CMOS
Complimentary Metal Oxide Semiconductor. Používa v kombinácii PMOS- a NMOS- Tranzistory . Z toho vychádza menšia spotreba OHMOV ako pri čistej PMOS- alebo NMOS- Implementácii.
SOI - výroba pomocou SIMOX
Výroba izolantu začína skôr ako výroba procesora. Pre výrobu takýchto SOI- oplátok z obyčajne polarizovaných silikónových oplátok máme k dispozícii viaceré metódy. Za pozornosť stoja iba tieto tri technológie SIMOX, Bonding a Smart-Cut metoda.
Pri Separation-by-Implantation-of-Oxygen-(SIMOX)- metóde sú Kyslíkové - Ióny nastreľované do silikonovéj oplátky. Po následnom zahriatí na 1350°C sa v hĺbke vytvára jedna uzavretá silikonovo oxidová vrstva. Nevýhodou sú neprimerané náklady na vysoko napäťové implantéri a výkonné pece.
SOI - ostatné metódy
Bonding: Pri oplátkovej - metóde sú dve povrchovo - oxidované oplátky spojené pomocou lepiaceho procesu dohromady. Následne je jedna strana zbrúsená až do požadovanej hrúbky aktívnej vrstvy. Z tohto dôvodu je cena tejto metódy minimálne dvojnásobná ako u bežnej silikonovéj metódy.
Smart-Cut-metóda: Používa na začiatku výroby taktiež dve povrchovo-oxidové oplátky. Z týchto sa po rozdelení jednej H+ - Implantácii môže použiť len jedna. Táto metóda nevyžaduje vysoké výrobné náklady, čo zaisťuje dobré predpoklady pre komerčné využitie. Ale ostatné pracovné postupy voči nej majú menšiu výhodu, ktorou je skúsenosť získaná počas niekoľkoročnej práce s nimi.
{mospagebreak title=Výhody SOI-Technológie }Výroba tranzistorov pomocou SOI-Technológie ma nasledovné výhody:
- Relatívna prúdová schopnosť tranzistorov stúpa podstatným znížením emitorovej a kolektorovej kapacity. Táto ovplyvňuje v obyčajných technológiách uzavretých vrstvách izolantu časové meškanie jednej gate.
- Taktiež môžu byť parazitné kapacity medzi spodnou vrstvou a substrátom znížené o 20 percent. SOI zároveň zosilňuje vplyv a vlastnosti súvisiace s použitím medených spojov.
- V dôsledku výpadového chovania tranzistora môže byť zvolené správne prahové napätie.
- Týmto sa pri nezmenených parametroch zvyšujú vlastnosti ako prúd nasýtenia či synchrónna frekvencia.
- Alternatívne môže byť pri nezmenenom výkone zredukované zásobovacie napätie, čo je výhodné najmä pre trh s batériovo pracujúcimi zariadeniami.
Prahové napätie u tranzistora môže byť používané oveľa variabilnejšie, pretože sú tranzistory realizované v jednej silikónovej vrstve. Toto je technológia používaná firmou IBM, pomocou ktorej nastavuje kritickú hranicu prahového napätia pri návrhu tranzistorov. Zvýšenie tzv. prierazného prúdu je pritom tolerované kvôli tomu, že väčšinou postihuje len malý počet tranzistorov. Pre podobnú metódu by musela obyčajná technológia zvýšiť náklady na každú vaňu aspoň o 50 percent.
Pro experty:Čiastočne alebo úplne ochudobnené?Jeden dôležitý faktor pre väčší výkon je vzťah hrubej ochudobnenej vrstvy k aktívnej silikonovéj vrstve. Keď dosiahne ochudobnenie vrstvy izolantu určitú hranicu, hovoríme o úplne ochudobnenom (Fully Depleted - FD) stavebnom prvku. Keď to nie je tento prípad tak hovoríme o čiastočné ochudobnenom (Partially Depleted - PD)stavebnom prvku.
Výzva pri čiastočne ochudobnenom stavebnom prvku je v tom, že ešte nemá určený potenciál. Hovoríme o plávajúcom tele (Floating Body FB). Toto v najlepšom prípade vedie k úrovni, v ktorej východisková čiara MOS- Tranzistora má aspoň jedno určené Kolektorove-Emitorové napätie. Zatiaľ čo elektróny odtekajú cez kolektor, diery sa pohybujú smerom k miestu najmenšieho potenciálu. Pri NMOS- Tranzistore je táto emitorová strana okraja na ochudobnenom území filmu pod bázou. Tam môžu diery prekonať potenciálovú bariéru pn- priechodu a zhromaždiť sa vo filmovom území, ktorého potenciál sa kvôli tomu zvýši. Týmto sa zmenšuje ochudobnený náboj v oblasti kanála a kolektorové napätie stúpa. Nebezpečenstvo Latch-upTeraz je stúpanie kolektorového prúdu pre digitálne zapojenie pozitívne, keďže vedie k zvýšenému výkonu tranzistora. Ale pri druhom pohľade bude táto problematika zrejmá. Pretože diery vniknuté do filmovej oblasti môžu viesť k bázovému (základnému) napätiu pre parazitný bipolárny tranzistor. Keď je prúdové zosilnenie väčšie ako jedna, tak to vedie k väčšiemu emitoro- kolektorového prúdu, ktorý vedie zase k prídavnému bázovému prúdu.
Táto pozitívna spätná spojitosť môže viesť k "Single Transistor Latch-up". V tomto stave je tranzistor trvanlivo vodivý. Tým sa už nedá kontrolovať pomocou bázy a do pôvodného stavu sa vráti až po odpojení napätia. Pri návrhu MOS- Tranzistora ide o to využiť pozitívne vlastnosti vyššieho výkonu bez toho aby sme sa dostali do nebezpečia prepnutia. Tu existujú viaceré stanovy:
Úplne ochudobnené stavebné prvky sa takto nesprávajú. Film je ochudobnený cez celú plochu a tým nevzniká ani žiadny parazitný bipolárny tranzistor. Problematické pri výrobe je, že veľkosť filmovej hrúbky je asi 3 nm, keď chceme dosiahnuť predurčený pomer. Toto je však z dôvodu hustoty prúdu a šírky celej wafle (oplátky) momentálne nerealistické.
|
Vysvetlenie: Oplatky sú základný materiál pre výrobu čipov. Kryštáľová tabula s typickým priemerom 25 až 30 centimetrov, väčšinou z kremíka. Tabula z kryštáľovej tehly má jednotnú prechodovú kryštáľovú mriežku .
Náklady a cena
Jednotlivé technologické obmedzenia SOI- technológie sú postupne prekonávané. Veľa otázok z výťažnosti a spoľahlivosti je už zodpovedaných. Na druhú stranu sú tu stále otázky o kvalite ochudobneného izolantu ako aj kritická veľkosť aktivovanej silikonovéj vrstvy.
Veľkým kritickým bodom je pre SOI-Technologiu stále cena. Dôležitá je najmä cena u začiatočných waflov, ktorá by výrazne klesla pri produkcii vo veľkom množstve.
Priemerne sa však pri produkcii SOI technológiou neočakáva prílišné zdraženie produkcie. Výrobcovia sa koncentrujú už aj na takúto produkciu, keďže zákazníci sú už pripravení dostatočné vyhodnotiť využívanie jej nesporných technologických výhod.
Záver
SOI-Technologie sú ďalším krokom k zvýšeniu výkonu integrovaných obvodov. SOI môže s ostatnými opatreniami medzi ktoré patrí použitie mede ako metalizačného materiálu, či medzioxidov so zmenšenou permitivitou kombinovaný, bez toho, aby sa zmiernili jednotlivé efekty a výhody samotnej SOI. Cez jednoznačné technické prednosti SOI až teraz konečne vstupuje do sériovej výroby a to hlavne vďaka firme AMD.
Tým sa vyrieši aj problém vysokých nákladov pri nepatrnom počte kusov. Pri súčasných cenách SIMOX-plátok, ktoré sú ešte štyri až šesť krát tak drahé ako porovnateľný Bulk-plátok, by mala cena klesnúť na faktor tri.
Predsa - a to ukazujú tiež projekty od AMD vyzerá, že SOI bude mať komerčný úspech nielen u High-End-procesorov. Okrem toho by SOI mal bez problémov vedieť preniknúť aj do ostatných produkčných vrstiev.
Na úplný záver možno už len povedať, niet inej cesty ako tej cez SOI!
Zdroje fotomaterialu a informácii: www.amd.com www.ibm.com www.techchannel.de
Špeciálne poďakovanie: Martin Sedlák
Redakce si vyhrazuje právo odstranit neslušné a nevhodné příspěvky. Případné vyhrady na diskuze(zavináč)pctuning.cz
Zajímalo by mně proč je to slovensky? to jako PCT zaměstnává slovenský redaktory, nebo co? Nechci vyvolat flame. ale fakt by mně to zajímalo.
Do přečtení článku jsem měl částečnou představu, jak fungují takovéto tranzistory, ale teď ji mám trochu pomotanou ...
OK
Ten možete realizovat inde.
Inač súhlasím, daktoré slova dokonca v SK ci CZ nemaju ani svoj ekvivalent. Takže je skoro nemožne vystihnúť presný názov.
Tak si laskave uvedomte co znamena CZ a bud piste cesky nebo to alespon neprezentujte na ceskem serveru ! ! !
Aspon ze si pravidelny citatel, co pride zas
Je mi uprimne luto, ale neda mi nez snim suhlasit, poriadne si ten clanko doje... (este raz prepac)
Pokojne si si tuto problematiku mohol hlbsie nastudovat a pisat az po tom, co budes mat vo veci jasno
Je samozrejme,ze prijdu zas (jak by ne kdyz je PCtuning mou nejoblibenejsi sajtou) jen si dam priste vetsi pozor na to, kdo je autorem clanku...
Na tieto výrazi vsak bol pouzitý specializovaný translator pre technické vyrazi !!
Takze si dakde skuste najst a zistite ze :source a drain su v preklade naozaj spominané výrazi.
Nepopieram ze chybicka sa moze dostavit, ale v tomto urcite nie.
Plme si nadalej stojim za svojim.
(deI.Impearator- Moja reakcie je plne primerana tvojmu odpornemu rasizmu a egoizmu. Ked chces pocut slovencinu v cechach, zapnisi TV kanal - Galaxia Sport (ceský) a pri prenosoch z NHL mozes vychutnávat aj slovenský komentar. Ty totiz nemas problem s clankom, ale.....ved vies)
Nacionalizmus ma tiez svoje medze.
ad pokracovani: myslim ze jediny nacionalista jses tady ty, umyslne vyhledavas konflikt tam kde neni....slovenstinu mam rad - pulka me rodiny zije na slovensku....
...ale to nic nemeni na tom, ze SLOVENSTINA TOMU clanku opravdu na rozlustitelnosti nepridala, neni to jen muj nazor - ozvalo se tady vice lidi (ale ti jsou podle tebe stejne jen rasisti, ze?)
Som s tvojich predchadzajucich komentarov k minulemu clanku usudil ze ti ide o to
Ok... tak potom nic.
Ale potpichovat by si nabuduce takymto sposobom nemusel
BTW, ver tomu ze tomu clanku by si zrejme nerozumel ani keby bol rovno napisany po cesky, je nepisany moc odborne a akoby to bola vytrhnuta 15 kapitola s ucebnice, v ktorej predoslych kapitolach boli vysvetlene jednotlive spominane casti.
Základní rozdíl mezi unipolárními a bipolárními tranzistory je v tom, že (jak názvy napovídají) v prvém případě se přenos proudu uskutečňuje v podstatě jen majoritními nosiči, funkce bipolárních tranzistorů je podmíněna pohybem nosičů majoritních i minoritních.
Uvedený případ trvalého sepnutí je (zjednodušeně řečeno) způsoben zvýšenou koncentrací minoritních nosičů, kdy se v kanále "vytvoří" parazitní bipolární tranzistor a kladná zpětná vazba (dle autora - pozitívna spatná spojitosť) vede ke stavu, kdy je možné tranzistor vypnout pouze přerušením napájení.
V slovencine je to presne tak isto, akurat ak sa preklada, v unipolarnych tranzistoroch, source je to vtok alebo zdroj a ak sa preklada drain tak je to vytok alebo odtok.
>Uvedený případ trvalého sepnutí je (zjednodušeně řečeno) >způsoben zvýšenou koncentrací minoritních nosičů, kdy se v >kanále "vytvoří" parazitní bipolární tranzistor a kladná >zpětná vazba (dle autora - pozitívna spatná spojitosť) vede >ke stavu, kdy je možné tranzistor vypnout pouze přerušením >napájení.
Krasne vysvetlenie pojmu zuzenie kanalu.
Ak som to pochopil hovoris o tranzistore pracujucom len v obohacovacom rezime,lebo pri ochudobnovacom rezime by ti nulove naptie na hradle velmi nepomohlo.
Este, ze z unipolarov poznam len MOS-FET (N aj P) a J-FET.
(FET= field effect transitor, MOS=metal oxid semiconductor a J je junction).
Keby sa hovorilo o bipolaroch bolo by tam RTL, DTL, TTL ...
(RTL=resiztor to transitor logic, DTL - diode to transitor... -TTL transitor to transistor...). Tie vsak urcite nepracuju pri 1.5V napajani.
Len na kieho frasa vsetci pouzivaju Complementary MOS (t.j kombinaciu P-MOS-FET a N-MOS FET), ved to je chameleon
pri malych (radovo Hz) frekvenciach ma malu spotrebu a vysoku spolahlivost. Pri vysokych frekvenciach (kHz,Mhz,Ghz,...) bud vysoka spotreba a vysoka spolahlivost alebo stredna spotreba a nizska spolahalivost..
Precital som ten clanok este raz a nasiel som dalsie skovsty:
>Úplne ochudobnené stavebné prvky sa takto nesprávajú. Film je >ochudobnený cez celú plochu a tým nevzniká ani žiadny >parazitný bipolárny tranzistor. Problematické pri výrobe je, >že veľkosť filmovej hrúbky je asi 3 nm, keď chceme dosiahnuť >predurčený pomer. Toto je však z dôvodu hustoty prúdu a šírky >celej wafle (oplátky) momentálne nerealistické.
To nemyslis vazne s tym, ze je to nerealisticke, v case zverejnenia clanku to uz 5 dni AMD malo: (vid. http://www.amd.com, alebo koniec prispevku) a to spolu s aplikaciou kovovych hradiel..
>Pri bežných CMOS- Silikonových technológiách je vždy použitý >p-substrát, v ktorom je bezprostredne realizovaný NMOS- >tranzistor. Pre PMOS- tranzistor sa implantuje ešte prídavná >vanička.
Uzasne "silkonove technologie", hadam kremikove po slovensky alebo cesky. Podla teba je teda bezna kremikova technologia praca v obohacovacom rezime, co je sice castejsie pouzivany rezim, ale oznacit ho za bezny to je trufalost.
AMD Researchers First to Achieve Key Transistor Developments
Milestones Serve as Building Blocks for Chip Designs at the Forefront of Performance, Functionality and Low Power
SUNNYVALE, CA -- April 2, 2003 --AMD (NYSE: AMD) researchers have become the first in the semiconductor industry to achieve critical research milestones for next-generation transistor development.
In lab work to be fully unveiled in June, AMD researchers have created and demonstrated a high-performance transistor that is up to 30% faster than the best published PMOS (P-channel metal-oxide semiconductor) transistor today. The transistor employs proprietary AMD technologies involving what is commonly referred to as Fully Depleted Silicon-on-Insulator.
In related research, AMD researchers have also become the first in the industry to demonstrate a strained silicon transistor achieving 20-25% higher performance than conventional strained silicon devices through the successful use of metal gates.
These achievements are key milestones in AMDs aggressive process technology roadmap, enabling the design of future microprocessors that can meet customers top requirements.
By staying at the forefront of research on transistors that operate with higher performance, less current leakage and lower voltage requirements, we are providing AMD design teams with the building blocks they need to create the solutions customers want, said Craig Sander, vice president of process technology development at AMD.
Good design starts with having the right tools and materials, added Fred Weber, vice president and chief technical officer for AMDs Computation Products Group. Advanced research such as this is what ultimately enables AMD to deliver the leading-edge functionality and architectural elegance that customers have come to expect from us.
These latest research achievements are expected to play a critical role in semiconductor manufacturing in the second half of this decade. Both will be presented in detail at this years VLSI Symposium June 11 and 12 in Kyoto, Japan, where AMD will publish the research for the first time. For further information, see the VLSI web site at http://www.vlsisymposium.org.
TTL - tranzistor-tranzitor logic
DTL - diode-tranzistor logic
RTL - rezistor-tranzistor logic
jsou LOGIKY!!! na bipolárních tranzistorech a né technologie tranzisotru - tudíž realizace různých funkcí (od jednodušších AND,OR... přes klopné obvody J-K,R-S.. až po sčítačky,násobičky atd...). Říká to pouze,jak jsou funkce realizovány.
kdežto MOS-FET a J-FET jsou technologie tranzistoru (jakým způsobem probíhá průchod nosičů). Na této technlogi (MOS) je třeba CMOS, což je teprve logika, takže nevím, co jste myslel větou "Keby sa hovorilo o bipolaroch bolo by tam RTL, DTL, TTL ", protože to je blbost. Kdyby se hovořilo o Bipolárech, tak by se hovořilo o bipolárech a to je tak všecko.