Nečekané potíže při výrobě příliš malých čipů

Karel Javůrek  |  Technika

Zmenšování velikosti tranzistorů a snižování jejich spotřeby nebude za několik let tak jednoduché jako dnes.

Moorův zákon platí již od vynálezu prvního procesoru. Poměrně přesně určuje, že složitost integrovaných obvodů se zdvojnásobuje přibližně každých 18 měsíců. S tím souvisí nejen vyšší výkon takových čipů, ale současně také jejich menší velikost, menší spotřeba a nižší cena.

Ve výhledu jsou už nové technologie optických čipů a tranzistory pracující pouze se samotnými elektrony a podobně. Je to ale zcela něco jiného, než známe u současných čipů. Nové výzvy jsou mnohem náročnější než kdy dříve. Už nebude stačit relativně jednoduché zmenšení a tedy spíše evoluce, ale nové cesty a technologie.

Elektrický náboj a příliš malé tranzistory

Tranzistory v čipech se dnes vyrábí technologií 22 nm (složitější procesory) nebo 20 nm (paměťové čipy). Během následujících tří generací se technologie přiblíží k hranici 10 nm, což už bude znamenat problém pro tranzistory pracující s elektrickým nábojem.

U takové velikosti už začne docházet k výrazným únikům, což je samozřejmě neslučitelné se správným fungováním čipu. Tuto oblast zkoumal tým fyziků z univerzity McGill s inženýry General Motors. Zjistili, že ve zmíněných rozměrech dochází ke skokovému zhoršení odporu, který se začne chovat podivně dle kvantové mechaniky.

Podobný efekt si lze představit jako vodní hadici. Pokud udržujeme stejný tlak vody a ztenčujeme průměr hadice, vytéká stále méně vody. Když ale průměr dosáhne k hranici dvou či tří atomů, odpor přestane být v poměru jako předtím, začne se chovat zvláštně.

Nanotechnologické problémy

Vědci k výzkumu použili pokročilou mikroskopickou techniku, pomocí které sledovali chování dvou desek – wolframu a zlata. Byly k sobě umístěny extrémně blízko na vzdálenost pouhých několika atomů. Výsledky průchodu elektřiny byly zcela jiné, než se předpokládalo.

Hodnoty elektrického napětí se však nelišily jen drobně, aby se to dalo svést na nepřesnost měření. Byly desetinásobně nižší, než se očekávalo dle výpočtů.

Ilustrační foto

Právě tento výrazný rozdíl je důvodem, proč se vědci rozhodli tento problém i nadále zkoumat. Pro tvorbu čipů budoucnosti je totiž nutné znát všechny problémy a vlastnosti materiálů v rozměrech v rámci několika atomů. Jak je vidět, i neuvěřitelně malá nepřesnost či nesouměrnost materiálu může způsobovat výrazně odlišné chování, než inženýři přepokládají.

Dokonalost je žádoucí

Současné čipy nejsou z pohledu čistoty křemíku dokonalé. Křemík je sice obvykle výrazně čistší než surový materiál při jeho těžbě, u waferů ale dochází k rozložení nečistot do krajů. Ze středu waferu se proto vyrábějí ty nejlepší, nejvýkonnější a nejdražší modely čipů, které zvládají vysoké frekvence s udržením potřebné spotřeby.

U budoucích materiálů, ze kterých budou čipy vyrobeny, však již nestačí pouze udržet čistotu, ale i samotnou atomovou strukturu. Jak totiž ukázal tento výzkum, i mírná rozdílnost v uspořádání může vést k několikanásobně jiným hodnotám odporu, což je z hlediska fungování čipu s velkou pravděpodobností neřešitelný problém.

Výroba čipů pod hranicí 10 nanometrů bude mnohem náročnější než v případě současné technologie. Tranzistory se i u ní neustále zmenšují, ale fungují relativně stále stejně.

Otázkou také zůstává, zda kvůli těmto problémům nebude nutné tranzistory vyměnit za něco jiného. Dle Intelu je nejjednodušší cestou stavba trojrozměrných čipů, které budou mít několik vrstev. I to má však své limity a například také nutnost nových technik pro chlazení vnitřních částí čipu.

Nejčtenější