Тенденции развития больших интегральных схем

Подавляющее большинство устройств вычислительных машин и систем реализуются на базе полупроводниковых технологий в виде сверхбольших интегральных микросхем (СБИС). Каждое нововведение в области архитектуры вычислительных машин и систем требует усложнение схемы процессора или его составляющих и, следовательно, размещения на кристалле СБИС все большего количества логических или запоминающих элементов.

Решение подобной задачи возможно двумя путями:

• увеличение размеров кристалла;
• уменьшение площади, занимаемой на кристалле элементарным транзистором, с одновременным повышением плотности упаковки транзисторов на кристалле.

Рис. 1.13. Тенденция увеличения диаметра кристаллической подложки СБИС

Увеличение размера кристалла связано с технологическими трудностями выращивания кристаллов особо чистых веществ. Кристаллической подложкой микросхемы служит тонкая пластина, являющаяся срезом цилиндрического бруска полупроводникового материала. Полезная площадь подложки ограничена вписанным в окружность квадратом или прямоугольником. Увеличение диаметра кристаллической подложки на 10% на практике позволяет получить до 60% прироста количества транзисторов на кристалле. Изготовление кристалла большего размера без ухудшения однородности его свойств во всем объеме связано с большими технологическими трудностями, с достижениями физической химии. Тенденции увеличения размеров кристаллической подложки иллюстрируются на рис.1.13.

Точки излома на графике соответствует годам, в которые изменение размера кристалла было повсеместно. Каждому переходу обычно предшествуют исследования (2 – 3 года), переход на пластины увеличенного диаметра происходит в среднем один раз в 9 лет. Увеличение емкости СБИС связано с уменьшением размеров элементарных транзисторов и, следовательно, с увеличением плотности их размещения на кристалле. Эту тенденцию эволюции СБИС описывает эмпирический закон Мура. В 1995 году Мур уточнил свои предсказания, заметив, что начиная с 80-х темп спадает и удвоение числа транзисторов далее будет происходить каждые 24 месяца.

Создание интегральных микросхем начинается с изготовления методом литографии маски, определяющей структуру будущей микросхемы. Далее маска накладывается на полупроводниковую пластину и облучается, в результате чего и формируется микросхема. Технология литографии позволяет получить размер элемента, не превышающего 0,13 мкм. Новая тенденция в технологии - переход от алюминиевых соединительных линий на кристалле на медные позволяет повысить быстродействие СБИС примерно на 10% с одновременным снижением потребляемой мощности. Медные проводники обладают меньшим электрическим сопротивлением, могут быть изготовлены меньшей ширины и, следовательно, можно увеличить плотность упаковки логических элементов в СБИС.