• Thứ Ba, 13/11/2007 13:48 (GMT+7)

    Giải mã công nghệ 45 nm

    Khi bạn đọc bài viết này thì hai trong số những nhà máy sản xuất chip (fabs) tiên tiến nhất của Intel đang sản xuất thương mại các bộ vi xử lý Core 2 mới nhất với công nghệ 45nm, có tên mã là Penryn, dự kiến sẽ đưa ra thị trường vào dịp cuối năm.

    Những con chip Penryn dựa trên công nghệ xử lý CMOS 45 nm chạy nhanh hơn nhưng lại mát hơn so với các bộ vi xử lý (BVXL) được sản xuất bằng công nghệ xử lý 65nm trước đây. Đối với các ứng dụng âm nhạc, video và chơi game cần nhiều năng lực tính toán, người dùng sẽ cảm nhận được sự gia tăng đáng kể về hiệu năng so với những con chip khác.

    Để có được bước tiến này, hơn một thập niên trước, các nhà nghiên cứu của Intel và nhiều nhà sản xuất chip lớn khác đã phải thực hiện rất nhiều thí nghiệm để tìm lời giải cho việc thu nhỏ kích thước các bóng bán dẫn, thành phần chính trên các BVXL.

    Giảm bề dày của... 5 nguyên tử

    Để duy trì đường cong định luật Moore, mỗi 24 tháng, kích thước các transitors trên con chip lại phải giảm đi một nửa. Nhưng có một phần quan trọng không thể thu nhỏ hơn nữa, chính là lớp cách điện mỏng bằng Điôxít Silic (SiO2), đóng vai trò ngăn cách điện cực cổng của transistor khỏi cực máng, nơi sẽ có dòng điện chạy qua khi transistor được bật lên. Trong hai thế hệ chip trước Penryn, lớp cách điện đó chỉ còn độ dày tương đương với kích thước của 5 nguyên tử, không thể cắt gọt một chục nm nào nữa vì một nguyên tử silic chỉ có đường kính 0.25 nm.

    Ông Patrick Gelsingler, phó chủ tịch Intel giới thiệu về
    công nghệ 45nm tại Diễn Ðàn Phát Triển Intel - IDF.Mùa
    Thu 2007, tháng 9/2007, tại Mỹ.
    Với bề dày của 5 nguyên tử, miếng cách điện SiO2 đó mỏng đến nỗi chính nó đánh mất khả năng cách điện của mình. Bắt đầu từ thế hệ chip năm 2001, điện tử đã bắt đầu rò rỉ qua lớp cách điện này. Trong những bộ vi xử lý (BVXL) được sản xuất từ 2 năm về trước, cường độ của sự rò rỉ đó đã tăng thêm 100 lần. Máy tính xách tay do đó bị nóng quá mức và nhanh chóng hết pin. Những chiếc máy chủ thì làm tăng hóa đơn tiền điện và làm quá tải máy điều hòa. Nếu không ngăn chặn luồng điện tử không mong muốn đi xuyên qua miếng cách điện đó, mong muốn tạo ra BVXL mạnh mẽ hơn sẽ sớm thất bại.

    Từ giữa những năm 90, Intel và nhiều nhà sản xuất chip lớn khác đã nghiên cứu để tìm giải pháp tốt hơn. Mục tiêu là tìm kiếm một loại vật liệu điện môi cổng thay thế SiO2 và đưa được transistor có dòng rò thấp hơn nhưng lại truyền tải được nhiều dòng điện hơn. Điều này đồng nghĩa với việc cần có loại vật liệu đủ dày về mặt vật lý và đủ mỏng về mặt điện.

    Thuật ngữ kỹ thuật dùng cho loại vật liệu như vậy là chất điện môi có hằng số điện môi cao (“high-k”); trong đó k là hằng số điện môi.

    Thay silicon bằng kim loại

    Nhiều loại điện môi có hằng số điện môi cao khác nhau đã được nghiên cứu nhưng trong suốt hai năm đầu tiên, tất cả các thử nghiệm đều cho kết quả đáng thất vọng. Song cuối cùng, nhóm nghiên cứu cũng có được một đột phá quan trọng. Có hai loại vật liệu thay thế được xác định và các transistors NMOS và PMOS bắt đầu được sản xuất từ những loại vật liệu này. Tuy nhiên, lại xuất hiện vướng mắc mới: cần một điện áp cao hơn để có thể bật chúng lên (được gọi là phá vỡ mức Fermi (Fermi - level pinning)), và sau khi transistor đã được bật lên thì các điện tích di chuyển qua nó rất chậm chạp, làm giảm tốc độ chuyển mạch của thiết bị.

       

    Những con chip 45nm sẽ không trở thành hiện thực nếu không có bước đột phá trong cách tạo ra những thành phần chính của các transistors vô cùng nhỏ trên những con chip đó, được gọi là những ngăn xếp cực cổng (gate stack).

     

    Những nghiên cứu lý thuyết và mô phỏng máy tính mà Intel và các nhà nghiên cứu khác thực hiện đã mở ra một con đường thoát. Mô phỏng cho thấy ảnh hưởng của rung động các lưỡng cực của các điện tử trên kênh dẫn có thể được lọc bỏ bằng cách gia tăng đáng kể mật độ điện tử tại điện cực của cực cổng. Một trong những cách để thực hiện điều đó là chuyển từ cổng polysilicon sang cổng kim loại. Là chất dẫn điện, kim loại có chứa lượng điện tử nhiều gấp trăm lần so với silicon, do đó cho phép dòng điện chảy thông suốt qua kênh dẫn của transistor. Liên kết giữa chất điện môi high-k và cực cổng bằng kim loại tốt hơn rất nhiều so với liên kết giữa điện môi và cực cổng silicon.

    Cuối cùng, nhóm nghiên cứu đã xác định được những kim loại dùng cho NMOS và PMOS bằng cách trước hết tạo ra những tụ điện từ những kim loại đó, sau đó mới tạo ra các transistors. Không thể tiết lộ sự sắp xếp chính xác của các lớp kim loại, bởi vì ngành công nghiệp chế tạo mạch tích hợp (IC) có mức độ cạnh tranh rất cao. Tuy nhiên, ngăn xếp cực cổng mới đó hoạt động tuyệt vời trong việc chống lại dòng rò qua cực cổng, cắt giảm dòng rò tới 10 lần.

    Con chip SRAM thử nghiệm đầy đủ chức năng đầu tiên với những transistors mới đã được sản xuất tháng 1/2006. Chúng có thiết kế 253 megabit, bao gồm hơn 1 triệu transistors. Con chip thử nghiệm này có tất cả các tính năng cần thiết để tạo nên một BVXL 45 nm. Trong các BVXL Penryn mới chế tạo gần đây, phần lớn kích thước các thành phần của transistor ở vào khoảng 45 nm, cá biệt có những thành phần nhỏ tới 35 nm. Đó là BVXL thương mại đầu tiên có kích thước nhỏ như vậy bởi vì tất cả các BVXL khác đang được sản xuất hiện nay đều theo công nghệ 65 nm. Nói một cách khác, Penryn là thế hệ vi xử lý 45 nm đầu tiên.

    Việc phát minh ra các transistors có cực cổng kim loại và chất điện môi high-k là một bước đột phá quan trọng. Mặc dù vẫn có thể thu gọn kích thước các transistors cho thế hệ 45 nm mà không cần đến sự đột phá này, nhưng những transistors đó có thể sẽ chẳng làm việc tốt hơn so với các BVXL trước chúng và chúng có thể tiêu thụ nhiều điện năng hơn.

    Những nghiên cứu nhằm thu nhỏ transitor vẫn đang được tiến hành với những transistors 32 nm thế hệ mới sử dụng phiên bản được cải tiến của công nghệ high-k cùng cực cổng kim loại. Liệu kiểu cấu trúc transistor này có tiếp tục được thu nhỏ ở hai thế hệ kế tiếp là 22 nm và 16 nm hay không thì vẫn còn là một câu hỏi ngỏ của tương lai. Các nhà nghiên cứu sẽ lại cần đến những vật liệu mới và cấu trúc mới.

    Nhưng đó lại chính là những gì biến công việc nghiên cứu và phát triển mạch tích hợp trở nên thú vị!

    Thanh Ngọc (tổng hợp)

    ID: B0711_71