Телевизоры, автомобили, радиоприемники, медицинские и бытовые приборы, компьютеры, космические «челноки» и даже программируемые дверные замки в гостиницах – наверное, сложно себе представить хоть один мало-мальски сложный электронный прибор из тех, что нас окружают, который не использовал бы транзисторы. Изобретение транзистора 60 лет назад сотрудниками научно-исследовательского центра Bell Labs стало важнейшим фактором, стимулировавшим внедрение многих замечательных инноваций и развитие технологий. Фактически, без транзистора было бы невозможно существование практически всей современной электронно-цифровой индустрии. Именно транзистор – крошечное устройство, элемент микросхемы, действующий подобно миниатюрному выключателю и тем самым позволяющий реализовывать алгоритмы обработки информации – обеспечил феноменальный триумф компьютеров.
В чем же секрет успеха? Микроэлектроника неуклонно развивается, постоянно обогащая инновациями научно-техническое сообщество. Транзисторы с каждым новым поколением технологических процессов их изготовления становятся все более компактными, быстродействующими, все более экономно расходуют энергию. В ноябре 2007 г. инженеры Intel – впервые за многолетнюю историю существования полупроводниковых интегральных микросхем – нарушили кремниевую «монополию» при производстве транзисторов и ввели новые материалы в структуру полупроводниковых компонентов. Это позволило создать микропроцессоры на базе микроархитектуры Intel Core, использующие революционную 45-нанометровую производственную технологию с применением подзатворного изолятора (диэлектрика) на основе гафния с высоким коэффициентом диэлектрической проницаемости – high-k, а также металлического затвора, что обеспечивает рекордную производительность и эффективное энергопотребление.
Что же дальше? Корпорация Intel намерена и впредь раздвигать границы возможного за счет технологических инноваций, чтобы создавать новые виды продукции, способные качественным образом изменить нашу жизнь – то, как мы работаем, отдыхаем, обмениваемся информацией.
«Вкл» / «Выкл»
Ну а само название – «транзистор» придумал их коллега Джон Пирс (John R. Pierce). В мае 1948 года он победил во внутреннем конкурсе, организованном среди сотрудников лаборатории, на самое удачное название изобретения, которому на тот момент исполнилось всего несколько месяцев. Слово «transistor» образовано путем соединения двух терминов: «transconductance» (активная межэлектродная проводимость) и «variable resistor» или «varistor» (переменное сопротивление, варистор).
Первыми, кто стал активно применять транзисторы, были радиолюбители, использовавшие эти элементарные приборы для усиления сигнала. Именно поэтому первые портативные беспроводные радиоприемники пятидесятых годов назывались транзисторными, или даже просто – «транзисторами». Однако со временем они стали использоваться в основном как элементы интегральных микросхем, что обеспечило транзистору важнейшую роль в технических достижениях человечества на протяжении последних сорока лет.
Первый транзистор, ток в котором тек вдоль поверхности полупроводника, использовался для усиления проходившего через него электрического сигнала – транзисторы справлялись с этой задачей эффективнее, чем популярные в то время, но более громоздкие и хрупкие электронные лампы.
Чтобы максимально ускорить популяризацию транзисторов, в научно-исследовательском центре Bell Labs было принято решение продать лицензию на транзисторные технологии. Лицензию стоимостью 25000 долларов США приобрели двадцать шесть компаний. Однако для коммерческого успеха транзисторных технологий нужно было привлечь внимание массовой аудитории. Это стало возможным благодаря транзисторным радиоприемникам. Первая модель такого устройства, содержавшая аж четыре транзистора, была представлена в октябре 1954 года. С появлением портативного радиоприемника радиоманы обрели возможность слушать музыку и получать информацию в любом месте – этим сразу же воспользовалась молодежь, получившая возможность вырваться из-под родительской опеки и самоутвердиться с помощью новой субкультуры. Так портативное радио стимулировало новую революцию... и в музыке – в эфире повсеместно зазвучал рок-н-ролл!
Интегральная микросхема
В 1958 году Джек Килби (Jack Kilby) из компании Texas Instruments и Роберт Нойс (Robert Noyce) из компании Fairchild Semiconductor, ставший впоследствии одним из отцов-основателей корпорации Intel, изобрели способ объединения большого числа полупроводниковых транзисторов в одну интегральную схему, или микросхему. Это был гигантский шаг вперед – ведь прежде отдельные компоненты электрической схемы приходилось соединять вручную.
У микросхем было два преимущества: более низкая стоимость и более высокая производительность. Оба преимущества явились следствием миниатюризации, которая обеспечивала экспоненциальное сокращение размеров устройств и необычайную динамичность производственного процесса. Гордон Мур (Gordon Moore), который в 1968 году вместе с Нойсом основал процессорный гигант Intel, в одной из журнальных статей сформулировал прогноз, опубликованный в 1965 году и получивший название «закон Мура». Согласно этому закону число транзисторов в микросхеме должно было удваиваться каждые полтора-два года, что в свою очередь обеспечивало бы повышение вычислительной мощности и снижение конечной стоимости продукта при его массовом производстве. Возможность размещения множества компактных элементов на поверхности малого размера оказалась решающим фактором для успешного продвижения микросхем.
Производителям микросхем удается поддерживать этот экспоненциальный рост плотности размещения транзисторов в микросхеме на протяжении десятков лет. Первый компьютерный микропроцессор корпорации Intel 4004, выпущенный в 1971 году, содержал 2300 транзисторов. В 1989 году в процессоре Intel 486 их было уже 1 200 000, а в 2000 году процессор Intel Pentium 4 преодолел рубеж в 42 миллиона. Новый четырехъядерный процессор Intel Core 2 Extreme, созданный на базе 45-нанометровой производственной технологии, содержит 820 миллионов транзисторов.
%%%
Игры атомов
Битва за миниатюризацию исчерпала возможности одного из наиболее критических компонентов транзистора: прослойки из диоксида кремния (SiO2), служившей изолирующим слоем между затвором транзистора и его каналом, по которому течет ток, когда транзистор включен. С каждым новым поколением процессоров этот изолирующий слой становился все более тонким – пока два поколения назад его толщина не достигла значения 1,2 нм (нанометр (нм) – это миллиардная доля метра), или 5 атомов. Инженеры Intel уже не смогли сделать этот слой тоньше хотя бы еще на один атом.
По мере уменьшения толщины изолирующего слоя рос ток утечки. Изолирующий слой начал пропускать ток внутрь транзистора, поведение устройства изменилось, оно стало рассеивать все большее количество энергии. В результате выросло потребление тока процессором, при его работе выделялось дополнительное количество теплоты.
Фундаментальный предел
Утечка тока в транзисторе стала серьезнейшей проблемой полупроводниковой отрасли: без прорыва в этой области давно предсказанный фундаментальный предел становился непреодолимым. Причем, это означало не только конец закона Мура – цифровая революция последних десятилетий внезапно бы прекратилась. Компьютерные процессоры, практически удваивавшие свою производительность каждые 24 месяца, могли кануть в Лету.
Однако данный прорыв решал проблему лишь наполовину. Новый материал оказался несовместимым с важным компонентом транзистора – с затвором. Еще хуже то, что транзисторы с новым изолирующим материалом работали менее эффективно, чем со старым. Тогда было предложено заменить и материал затвора: корпорация Intel открыла уникальное сочетание металлов, состав которого держится в строгом секрете.
12 ноября 2007 года корпорация Intel представила новое поколение процессоров на основе этих материалов и 45-нанометровой производственной технологии. Новая производственная технология, более тонкая, чем предыдущая 65-нанометровая, позволила Intel почти вдвое увеличить число транзисторов, размещаемых на той же площади кристалла – теперь можно было выбирать между увеличением общего числа транзисторов и уменьшением размеров процессора. Новым транзисторам требуется на 30% меньше энергии для включения и выключения. В итоге новое поколение процессоров Intel, изготовленных по 45-нанометровой производственной технологии, не только демонстрирует рекордную производительность, но и знаменует прорыв в области энергопотребления.
• Первый портативный радиоприемник располагал всего четырьмя транзисторами, первый микропроцессор Intel содержал 2300 транзисторов, а в новейших четырехъядерных процессорах Intel на базе 45-нанометровой производственной технологии, выпущенных на рынок в ноябре 2007 года, насчитывается до 820 миллионов транзисторов.
• Размер 45-нанометрового транзистора в 2000 раз меньше диаметра человеческого волоса.
• Более 30 миллионов 45-нанометровых транзисторов можно разместить на булавочной головке.
• Первый транзистор, созданный сотрудниками научно-исследовательского центра Bell Labs в 1947 году, можно было взять в руки, тогда как сотни новейших 45-нанометровых транзисторов Intel способны разместиться на поверхности одной красной кровяной клетки человека.
• Стоимость транзистора, интегрированного на кристалле новейшего процессора Intel, примерно в миллион раз ниже средней стоимости полупроводникового транзистора, ставшего основой интегральных микросхем в 1968 году. Если бы цены на автомобили снижались столь же стремительно, сегодня новый автомобиль стоил бы около 1 цента.
• По оценкам аналитиков, ежегодно на планете отгружается такое количество процессоров, которое содержит примерно 1019 транзисторов, что примерно в 100 раз больше всей популяции муравьев, живущих на Земле.
Для справки
Количество транзисторов в процессоре:
1971 – Intel 4004...................................2300
1978 – Intel 8086.................................29000
1989 – Intel 486...............................1200000
1999 – Intel Pentium III...................9500000
2000 – Intel Pentium 4.................42000000
2007 – Intel Core 2 Duo............410000000
Процессоры и производственная технология:
1993 – Intel Pentium.........................800 нм
1999 – Intel Pentium III.....................250 нм
2002 – Intel Pentium 4......................130 нм
2005 – Intel Pentium D........................90 нм
2006 – Intel Core 2 Duo......................65 нм
2007 – Intel Core 2 Duo......................45 нм