3D-transistorer kommer för att rädda Moores lag

Snabblänkar

• Hur har datorer fortsatt att bli snabbare ?

• Varför kan inte transistorer fortsätta att bli mindre?

• 3D-transistorer kommer för att rädda Moores lag

Under decennier har krympande transistorer drivit på explosiva ökningar av datorkraft, men de dagarna går mot sitt slut. Frågan är: vart är vi på väg nu? 3D-designen är en stor del av svaret.

Hur har datorer Fortsatt att bli snabbare?

Datorprocessorer är alla uppbyggda av transistorer—de’r det som gör det möjligt för datorer att utföra “logiska operationer” vilket innebär att jämföra och manipulera siffror. Om du kombinerar tillräckligt många av dem kommer du så småningom dit vi är idag: datorer som kan spela in ljud, ta och bearbeta foton, göra matematik, rendera videospel och till och med prata med oss.

Generellt sett gäller att ju fler transistorer du har, desto “smartare” och din dator blir mer kapabel.

När transistorer först uppfanns (cirka 1950) var en enskild transistor cirka 2 centimeter (nästan 1 tum) i diameter och såg mer ut som en rekvisita från en sci-fi-skräckfilm än en funktionell teknik. Idag är det annorlunda. Moderna transistorer är i allmänhet mindre än 60 nanometer (en nanometer är en miljarddels meter) tvärs över, vilket är en storleksminskning ungefär lika med att krympa månen till storleken av en citron. Transistorer har krympt på ett tillförlitligt sätt sedan de först uppfanns, så att antalet transistorer vi kan stoppa in i ett visst område fördubblas ungefär var 18–24:e månad, ett fenomen som vanligtvis kallas Moores lag.

Vi kan nu packa in miljarder transistorer i en mikroprocessor lika stor som ett mynt, och det har gjort det möjligt för datorer att byta från enorma maskiner som ockuperade hela byggnader till enheter som är tillräckligt små för att bäras runt i fickan. Men det finns ett problem: transistorer blir för små.

Varför kan inte transistorer fortsätta att bli mindre?

När transistorer blir mindre blir de allt svårare att tillverka pålitligt. Även de bästa tillgängliga metoderna resulterar i avfall, även om det inte alltid är en hemsk sak. Till exempel, om du försöker tillverka en 16-kärnig CPU och bara hälften av kärnorna slutar fungera, kan du bara inaktivera de defekta kärnorna och sälja den som en 8-kärnig CPU – ingen skada skedd.

Men ibland påverkar defekterna något kritiskt, och hela saken måste kastas ut. Eftersom transistorer har blivit mindre har detta problem blivit allvarligare.

strong>

Utöver bara tillverkningsproblem, blir en märklig effekt från kvantmekanik—kvanttunnelering— problematiskt vanlig när du pratar om nanoskala kretsar. Kvanttunnelering resulterar i att elektroner ibland går till platser de normalt inte skulle kunna, och det gör det svårt att skapa processorer som fungerar tillförlitligt.

Chips kan bli bredare för att rymma fler transistorer, men det förvärrar allvarligt tillverkningsutmaningen och gör utformningen av mikrochips desto mer komplicerad.

Kombinationen av ökad tillverkningssvårighet och fysikens grundläggande gränser har nästan tagit oss till slutet av Moores lag, men med den ständigt närvarande efterfrågan på bättre, smartare och snabbare datorer, var gör vi vi går?

3D-transistorer kommer för att rädda Moores lag

Transistorer på ett chip är lite som en östad med envåningsbyggnader. Du kan bara göra byggnaderna så små innan de är oanvändbara, och eftersom du är på en ö kan du inte sprida utåt för alltid. Precis som östäder designas moderna transistorer för att dra fördel av vertikalt utrymme. Istället för att fästa dem i ett plant plan kan de arrangeras vertikalt tillsammans för att tillåta “prylar” ordnas i samma fotavtryck.

CFET är en 3D-design som vi sannolikt kommer att se i början av 2030-talet eller så.

Artikel 29.6, “Komplementärt fält- Effekttransistor (CFET) demonstration vid 48nm Gate Pitch för framtida logikteknik
Skalning,” S. Liao et al, TSMC)

Hur smarta vi än är med konstruktionen av transistorer framöver, går det inte att undvika det faktum att slutet av Moores lag närmar sig tidigare än någon skulle vilja. 3D-transistorer är ett sätt vi måste tillfälligt övervinna problemet, men de är bara en del av bilden. Det ligger en större tonvikt på att designa processorer som utmärker sig vid specifika uppgifter—som neurala bearbetningsenheter (NPU) med AI-applikationer—för att maximera prestanda. Det finns också möjligheten att nya material kommer att ha bättre egenskaper som gör att nästa generations transistorer kan krympa ytterligare, eller att ett genombrott inom kvantberäkning kommer att göra dem mer användbara för vardagliga applikationer, men det finns inga garantier. Det är alternativ som i slutändan kan begränsas av fysikens lagar.