Закон Мура и другие тенденции

Одна из основных тенденций развития микроэлектронной промышленности была впервые сформулирована ещё в 1965 году сотрудником компании Intel Гордоном Муром (Gordon Moore). На основе анализа имевшихся в его распоряжении данных он констатировал, что количество транзисторов в ИС за год увеличивается примерно в два раза. Это формулировка получила названия закона Мура. В несколько изменённой форме закон Мура и сегодня определяет развитие микроэлектроники, а ITRS составляется таким образом, чтобы отвечать его положениям. На рис.2.1 приведены зависимости количества транзисторов на одном кристалле от года изготовления ИС. Видно, что до 1970 года закон Мура исполнялся в точности так, как его сформулировал автор. Однако затем произошло снижение темпов интеграции и в настоящее время закон Мура обычно формулируют в следующем виде: «Количество транзисторов на кристалле удваивается каждые 1,5–2 года». Данные, приведённые на рис.2.1, свидетельствуют о том, что интеграция схем памяти происходит с несколько большими темпами, чем развитие микропроцессорных ИС. Прогноз на будущее предполагает возможность некоторого снижения темпов интеграции ИС памяти, что связано с трудностями, возникающими при масштабировании. Вторая тенденция развития микроэлектроники напрямую связана с первой и заключается в непрерывном и пропорциональном уменьшении характерных размеров элементов ИС (см. рис. 1.1.). В настоящее время на лабораторных образцах ИС показано, что закон Мура может сохранить своё действие вплоть до 2020 г., когда топологическая норма для схем памяти достигнет величины 14 нм, а физическая длина затвора для микропроцессорных ИС составит 6 нм.

Непрерывное уменьшение характерных размеров элементов и рост числа транзисторов на кристалле обуславливают ещё одну достаточно очевидную тенденцию – уменьшение стоимости изготовления одного транзистора. Так за 30 лет, начиная с 1970 года, стоимость изготовления одного транзистора упала на 5 порядков величины, и в настоящее время составляет менее 10-7 доллара.

Ещё одна чрезвычайно важная тенденция – это увеличение диаметра полупроводниковых пластин, используемых для изготовления ИС. При этом площадь растёт пропорционально увеличению квадрата диаметра и, следуя аналогичной закономерности, увеличивается количество кристаллов ИС (чипов), снимаемых с пластины. Последнее обстоятельство существенно уменьшает себестоимость изготовления одного чипа, что экономически оправдывает переход

на больший диаметр пластин, сопровождаемый сменой технологического оборудования. За сравнительно короткий период времени полупроводниковая промышленность освоила технологию изготовления ИС на пластинах диаметром 100 мм (начало выпуска пластин 1975 г.), 150 мм (начало выпуска пластин 1983 г.), 200 мм (1987 г.) и в настоящее время работает на пластинах с максимальным диаметром 300 мм (1995 г.). Согласно ITRS переход на пластины кремния диаметром 450 мм начнётся в 2012 году, и пластины данного диаметра будут использоваться вплоть до 2020 года.

Рис.2.1 - Степень интеграции ИС (количество транзисторов в одной ИС) в зависимости от года их выпуска: 1 – ранняя стадия выпуска ИС (удвоение количества транзисторов каждые 12 месяцев); 2 – микропроцессоры компании Intel (удвоение каждые 24 месяца); 3 – схемы оперативной памяти (удвоение каждые 18 месяцев)

Новая тенденция в микроэлектронике, которую необходимо отметить, касается конструирования ИС и заключается в объединении нескольких функционально различных ИС на одном кристалле, что приводит к созданию, так называемых «систем на кристалле» (system-on-chip, SoC). Другой вариант интеграции заключается в объединении нескольких различных кристаллов ИС в одном корпусе и создание, так называемых «систем в корпусе» (system-in-package, SiP). Такая интеграция позволяет с помощью одного устройства микроэлектроники решать целый комплекс задач. Например, микропроцессоры общего назначения могут соединяться с системами обработки сигналов для приложений беспроводной связи.

Прогресс в микроэлектронной промышленности происходит на фоне непрерывного усложнения технологии производства, удорожания разработки ИС, а также увеличения стоимости технологического оборудования и фабрики в целом. Так, например, если в 1979 году при производстве схем динамической памяти емкостью 64 Кбит с минимальным размером элементов 3,0 мкм проводилось 100 технологических операций и семь операций литографии, то производство 1-Гбит схем с минимальным размером элементов 0,13 мкм в 2001 году потребовало 440 технологических операций и 21 операцию литографии. За 30 лет, начиная с 1970 года, стоимость литографического оборудования выросла на 3 порядка величины. Чуть меньшими темпами происходит рост стоимости создания новой фабрики. Начиная с 1970 года, стоимость фабрики возросла на 2 порядка величины и в настоящее время составляет около 2,5 млрд. долларов. Ожидается, что в ближайшем будущем эта цифра может возрасти до 5–10 млрд. долларов. Рассмотренные экономические тенденции свидетельствуют о том, что прогресс микроэлектроники лимитируется не только темпами внедрения новых технических решений или технологий, но и в значительной мере экономикой производства.

Дата добавления: 2014-01-15