About / Advertise
Ända sedan halvledarnas barndom har forskarna sagt att tekniken kan utvecklas i högst 10-15 år framöver. Det tror forskarna fortfarande, men skillnaden är att det nu är fysikaliska lagar snarare än tillverkningstekniska eller ekonomiska aspekter som sätter gränser.
Egentligen finns bara tre fysikaliska begränsningar för hur långt elektroniken kan utvecklas. Termodynamiska, kvantmekaniska och elektromagnetiska grundlagar sätter obönhörliga stopp för hur låg matningsspänningen kan bli, hur stor effekttäthet som kan uppnås, och hur små kretsarna kan göras.
Professor James Meindl, som leder ett forskningscentrum för mikroelektronik vid Georgia Institute of Technology, konstaterar dock att de fysikaliska begränsningarna är tämligen ointressanta. För långt innan de tar vid så kommer rent praktiska begränsningar att bromsa utvecklingen.
Exempelvis, säger han, kan oxidskiktet i halvledare svårligen göras tunnare än 1 nm. Därunder blir tunneleffekterna alltför stora. Det ger en kanallängd kring 10-11 nm, alltså ungefär tiondelen av dagens absoluta frontteknik. En synnerligen hypotetisk switch med denna teknik - i princip en Mosfet där en enda elektron utgör den aktiva delen - skulle få en fördröjningstid kring 1 ps.
Men om ledningarna på chipset också görs i samma storleksordning, alltså med ett tvärsnitt kring 10 nm, så utgör fördröjningarna i ledarna ett avsevärt större problem. Förr, då CMOS gjordes i 1 µm-teknik, var fördröjningen i varje switch runt 20 ps, vilket var avsevärt längre än den enda ps som fördröjningen i en 1 mm lång ledare tog. Redan med dagens teknik, där geometrierna ligger kring 0,1 µm, tar det 5-10 gånger längre tid för en signal att färdas 1 mm i en ledare än det tar för en switch att växla. Och om tekniken når 10 nm så utgör latenstiden i switchen någon enstaka picosekund, medan signalen kräver flera tusen picosekunder för att färdas en millimeter i en ledare.
kylning och kapsling
Om utvecklingen går vidare i samma takt som hittills kommer också andra nyckeltal att på tio års sikt nå nivåer som är svåra att tänka sig idag. Fortsätter kurvorna kommer vi år 2010 att se kretsar med en miljard grindar, tillverkade i 50 nm CMOS, klockade med 10 GHz. Det intressanta är att utvecklingen faktiskt kan nå dit, utan några egentliga problem, menar Meindl och får stöd av halvledarföretagens samarbetsorganisation SIA.
Hur dessa kretsar ska kylas och kapslas är dock två stora praktiska stötestenar. Effektutvecklingen hamnar i storleksordningen 5 W/cm2, och antalet in- och utgångar troligen över 10 000. Meindl pekar på möjligheten att använda tredimensionell byggteknik och så kallade Sea of Leads, en förpackning där det går att få in flera tusen tryckkänsliga anslutningar per kvadratcentimeter. Poängen är att den går att tillverka i samma process som halvledarna. Lyckas industrin med detta så tar man ett stort steg på vägen mot Meindls vision, som han kallar Terascale Integration.
Professor James Meindl, som leder ett forskningscentrum för mikroelektronik vid Georgia Institute of Technology, konstaterar dock att de fysikaliska begränsningarna är tämligen ointressanta. För långt innan de tar vid så kommer rent praktiska begränsningar att bromsa utvecklingen.
Exempelvis, säger han, kan oxidskiktet i halvledare svårligen göras tunnare än 1 nm. Därunder blir tunneleffekterna alltför stora. Det ger en kanallängd kring 10-11 nm, alltså ungefär tiondelen av dagens absoluta frontteknik. En synnerligen hypotetisk switch med denna teknik - i princip en Mosfet där en enda elektron utgör den aktiva delen - skulle få en fördröjningstid kring 1 ps.
Men om ledningarna på chipset också görs i samma storleksordning, alltså med ett tvärsnitt kring 10 nm, så utgör fördröjningarna i ledarna ett avsevärt större problem. Förr, då CMOS gjordes i 1 µm-teknik, var fördröjningen i varje switch runt 20 ps, vilket var avsevärt längre än den enda ps som fördröjningen i en 1 mm lång ledare tog. Redan med dagens teknik, där geometrierna ligger kring 0,1 µm, tar det 5-10 gånger längre tid för en signal att färdas 1 mm i en ledare än det tar för en switch att växla. Och om tekniken når 10 nm så utgör latenstiden i switchen någon enstaka picosekund, medan signalen kräver flera tusen picosekunder för att färdas en millimeter i en ledare.
kylning och kapsling
Om utvecklingen går vidare i samma takt som hittills kommer också andra nyckeltal att på tio års sikt nå nivåer som är svåra att tänka sig idag. Fortsätter kurvorna kommer vi år 2010 att se kretsar med en miljard grindar, tillverkade i 50 nm CMOS, klockade med 10 GHz. Det intressanta är att utvecklingen faktiskt kan nå dit, utan några egentliga problem, menar Meindl och får stöd av halvledarföretagens samarbetsorganisation SIA.
Hur dessa kretsar ska kylas och kapslas är dock två stora praktiska stötestenar. Effektutvecklingen hamnar i storleksordningen 5 W/cm2, och antalet in- och utgångar troligen över 10 000. Meindl pekar på möjligheten att använda tredimensionell byggteknik och så kallade Sea of Leads, en förpackning där det går att få in flera tusen tryckkänsliga anslutningar per kvadratcentimeter. Poängen är att den går att tillverka i samma process som halvledarna. Lyckas industrin med detta så tar man ett stort steg på vägen mot Meindls vision, som han kallar Terascale Integration.
Adam Edström
