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.
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.
500
400
300
200
100
1970 1980 1990
2000 2010 2020
Год
Рис.
1.13. Тенденция
увеличения диаметра кристаллической
подложки СБИС
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, утверждающий, что каждые 12 месяцев число транзисторов на кристалле микросхемы удваивается. 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.