נחושת מצופה גרפן עשויה לשפר באופן דרמטי את ביצועי המעבד העתידי

חוט נחושת

לרוב, כאשר אנו מדברים על ההשפעה האפשרית של טכנולוגיות הדור הבא על מחשבים עתידיים, אנו מדברים על ביצועי טרנזיסטור. זה הגיוני - קנה המידה של הטרנזיסטור מכסה חוק מור, ושיפור צפיפות ועיצוב הטרנזיסטור הוא שהניע את המנטרה 'הטובה, המהירה, הזולה יותר' במשך כמעט 40 שנה. אך טרנזיסטורים אינם האזור היחיד בתכנון המעבד שיכול להפיק תועלת משיפורים דרמטיים בטכנולוגיה הבסיסית - ו צוות חוקרים בסטנפורד מאמינה שהיא יכולה לטפל בבעיה קריטית נוספת שמאחזרת שבבים מודרניים, על ידי בניית מבני חיבור באמצעות נחושת וגרפן בשילוב ולא רק נחושת.

כל מעבד מודרני מחובר יחד באמצעות רשת נרחבת של חוטי נחושת, המכונה 'חיבורים אינטראקטיביים'. חוטי נחושת זעירים אלה נושאים נתונים על פני המעבד ובמהלך כל SoC. יבמ ומוטורולה הציגו חיבורי נחושת בשנת 1997, ואחריהם אינטל בשנת 2000. בשנת 2000, מעבדי אינטל הכילו כקילומטר אחד של חיבורי נחושת לסנטימטר מרובע. בשנת 2017, שבבי 14nm מכילים כ -10 ק'מ של חיווט באותו חלל.



הבעיה להסתמך אך ורק על חיווט נחושת היא שאינך יכול להגדיל את חוטי הקישור באופן שבו ניתן לשנות את גודל הטרנזיסטור. כאשר החוטים מצטמצמים, כמות הזרם לאזור חוט (כלומר, צפיפות הזרם שלו) עולה. צפיפות זרם מוגברת פירושה התנגדות מוגברת, והתנגדות מוגברת פירושה חום מוגבר. ההשפעות המדויקות של זה משתנות בהתאם לעיצוב המעבד, לפריסתו ולכמה ארוכים החוטים. חיבורי רשת מקומיים אינם סובלים הרבה מכיוון שהמרחק כה כה קצר, אך מה שמכונה קשרים גלובליים המחברים אזורים שונים בשבב יחד יכולים להיות מושפעים באופן מהותי.



הקטנת חוט פירושה שאתה מצמצם את כמות המתכת הזמינה לזרימת האלקטרונים. דמיין שני צינורות - אחד בקוטר של רגל אחת, ואחד בקוטר של 10 מטר. בכל קצב זרימה (שנמדד בגלונים לדקה), עליכם להעביר מים דרך הצינור הקטן במהירות גבוהה יותר בהשוואה לגדולה יותר. זה מגדיל הן את החיכוך בתוך הצינור והן את מערבולת המים הזורמים דרכו. בחוט, דחיפת אותה כמות זרם חוט קטן מגדילה את ההתנגדות (ואת עודף החום) בהשוואה לחוט גדול יותר.

ההשפעה של עיכוב RC הולכת וגוברת ככל שאנו פוגעים בצמתים קטנים יותר



עיכוב מוגבר של קיבול התנגדות (עיכוב RC) הוא בעיה הולכת וגוברת. Semiengineering.com מדווח כי העיכוב הממוצע של RC גדל ב -7.6% מ -45 ננומטר ל -22 ננומטר. מ- 22nm ל- 11nm, אומרים כי ההתנגדות גדלה ב -21.8% וב- 48% מ- 11 nm ל- 7 nm. (המינוח של 11 ננומטר הוא המינוח של המכון הטכני בג'ורג'יה, לא שלי). התרשים שלמעלה מציג את הצמיחה המשוערת בעיכובים של RC כאשר צמתים של מוליכים למחצה חדשים מועברים לרשת. בינתיים, חוטי נחושת כבר הפכו לדקים כל כך, עד כי ייתכן שעכשיו אלקטרומגירה תגרום להפסקות חוטים על ידי הוצאת אטומי נחושת מהמקום, כמוצג להלן:

אלקטרומגירה

תמונה מאת ספקטרום IEEE

דיברנו בעבר על טכנולוגיה חדשה שהוציאה לשוק Applied Materials כדי להתמודד עם בעיה זו על ידי הוספת קובלט לטכנולוגיית הקישוריות הנחושתית הקיימת, וזו בהחלט שיטה פוטנציאלית אחת להתמודדות עם הבעיה - אך התאמת גרפן עשויה לעבוד גם כן. על פי צוות מחקר שהוביל H.-S פיליפ וונג בסטנפורד, לעטוף חוטי נחושת עם גרפן יכול לשפר באופן דרסטי את ביצועיהם. לראשונה סקרנו את החדשות האלה לפני מספר שנים, אך אותו צוות בסטנפורד שיפר את תוצאותיו. מה שהם מצאו הוא הרחבה נוספת של סיפור שכתבנו באותה תקופה משנת 2015 - לגרפן יש מגוון רחב של שימושים, והוא יכול להתאים לשכבת CoWP 3nm (תקן תעשייתי) למניעת הגירה מזיקה ונזק נלווה.



נחושת מצופה גרפן יכולה גם למנוע חדירת נחושת דרך הדיאלקטרי (שכבת הבידוד) ולגרום להתמוטטות. אחד הממצאים העיקריים של לינג לי, המחבר הראשי בעיתון האחרון, הוא שניתן לשלב ישירות גרפן בשכבות Cu מעוצבות בטמפרטורות מתחת ל -400 צלזיוס. זהו צעד משמעותי קדימה מכיוון שהשיטות הקודמות להחלת הגרפן על חוטי ה- Cu לא היו תואמות לעיבוד BEOL (Back End Of Line) של היציקה המסורתית. הקשר הגרפי הנוסף מסייע במניעת אלקטרומגירה על ידי יצירת ממשק 'בתולי' בין גרפן ו- Cu, ומאפשר לזרם לזרום במורד הגרפן בנוסף לחוט הנחושת.

הגרפן הוא רק 0.3 מ'מ לשכבה, בהשוואה לסטנדרט התעשייתי של שימוש בקירות 2 נ'מ המורכבים מנטריד טנטלום. הוכח כי חוטים מרוכבים בעלי מחצית התנגדותם של עמיתיהם שאינם גרפיים, כלומר אנו יכולים לראות עליות משמעותיות בביצועים וצריכת החשמל תפחת במידה והטכנולוגיה הזו תמריא.

למותר לציין, כן, גרפן עדיין עומד בפני כמה רוח. זה נשאר קשה מאוד לייצר בכמויות גדולות, ובדרך כלל קשה לעבוד איתו. כאשר גדלי הצומת צונחים ועיכוב ה- RC הופך למרכיב גדול וגדול יותר של הבעיה, התעשייה תצטרך שיהיו לו פתרונות מוכנים לשימוש בצומת 5nm ומטה. טכנולוגיה כזו יכולה לספק דרך יעילה קדימה ולאפשר ליצרני שבבים לפתוח מעט את המצערת בזכות צריכת חשמל מופחתת ושיפור ביצועי SoC. אנחנו רחוקים מאוד מהזמינות המסחרית, אך תגליות מסוג זה מביאות אותנו לדרך הנכונה.

Copyright © כל הזכויות שמורות | 2007es.com