Imec toont transistortechnieken voor 7nm

Het Belgische onderzoeksinstituut Imec heeft tijdens een bijeenkomst over chipontwikkeling in Kyoto transistors getoond die op 7nm geproduceerd kunnen worden. De transistors zijn een doorontwikkeling van de finfet-technologie die bij 22nm debuteerde.

Tijdens het VLSI 2015 Symposium in de Japanse stad Kyoto liet Imec twee transistortypen zien die voor de 7nm-node ingezet kunnen worden. Onderzoekers toonden transistors met channels van siliciumgermanium, waarbij de gates gevormd worden door een proces dat RMG-HK genoemd wordt. Ze produceerden ook transistors die niet met finfets, maar met channels van nanodraden met de gate eromheen gewikkeld werken. Daarbij wordt een laagje silicium opgeofferd om plaats te maken voor een gate die rondom de channels ligt. Dat moet, net als bij finfet-gates, voor een groter oppervlak van gates zorgen om zo snellere, kleinere en zuiniger transistors te realiseren.

De GAA-techniek werd zowel op een cmos-proces als op een soi-proces gedemonstreerd. Daarnaast lieten de Imec-onderzoekers finfets zien waarvan de gate-vinnen gevormd werden door een combinatie van self-alignment en double patterning. Deze waren voorzien van quantum wells van strained germanium. Dat zou leiden tot betere prestaties: in het lab zouden die transistors 40 procent meer stroom kunnen schakelen dan eerdere strained germanium-transistors.

De nieuwste transistors van dit moment worden op 14nm geproduceerd, terwijl rond 2016 de 10nm-node moet volgen. Transistors die volgens een 7nm-procedé gemaakt worden zouden daar weer op moeten volgen. Huidige technieken kunnen echter niet zonder meer verkleind worden, reden voor onder andere het Imec om naar alternatieven te zoeken. Het Belgische onderzoeksinstituut doet dat niet alleen: diverse chipfabrikanten en ontwerpers werken samen met het in Leuven gevestigde instituut. Het internationale onderzoeksinstituut heeft ook Taiwanese, Chinese en Nederlandse takken: die laatste is onderdeel van het Holst Centre.

Reacties (34)

[Pwuts]

Ik weet zo niet uit m'n hoofd hoe groot germanium- en siliciumatomen zijn, maar deze verkleining kan natuurlijk niet eeuwig doorgaan. Er werd eerst bij 14, vervolgens bij 11 en daarna weer bij 10nm al geroepen dat het niet meer kleiner kon. Dit bleek niet te kloppen, maar dit houdt toch een keer op. Zullen we dan eindelijk tevreden zijn en het zo laten? Natuurlijk niet, we zullen alleen de computer opnieuw uit moeten vinden.. (quantumcomputers?)

[witeken]

Op dit moment hoef je je nog lang geen zorgen te maken. Het grootste probleem op dit moment zijn niet de atomaire beperkingen, maar het kunnen produceren van zulke kleine feature sizes. Hiervoor is EUV lithography van ASML nodig. Intel zegt 7nm zonder te kunnen doen op economische schaal, maar zonder EUV is het veel moeilijker. Dat zie je nu ook: GPU's zijn nog steeds op 28nm, en Intel had meer dan een half jaar vertraging met 14nm. Tsmc en Samsung hebben naar verluidt ook moeite met yields.

In ieder geval, Mark Bohr van Intel zegt dat Intel nog steeds, zoals gewoonlijk, een uitzicht heeft van 10 jaar. Aangezien Intel qua feature sizes en transistor technieken een paar jaar op Tsmc en SS voorop ligt, zal het voor hen nog langer duren. En evengoed kan er na die 10 jaar nog steeds 10 jaar verder gegaan worden. Daarnaast zegt Bohr dat er geen vast einde is. Eerst zal het vertragen, maar tegelijk zal de vindingrijke industrie met nieuwe technieken blijven komen, denk bv. aan 3D.

Ik moet ook nog dit zeggen: op dit moment is een transistor nog lang geen 14 of 10 of 7nm. De kleinste transistor is Intel 14nm die ongeveer 42 bij 60nm meet. Tegen een heel optimistisch tempo van elke 2 jaar een nieuwe node wordt low single digit nanometer feature sizes in 2028 bereikt volgens de ITRS roadmap.

Tot slot, over de transistor. De transistor die Imec hier toont voor 7nm (die Tsmc en Samsung hoogstwaarschijnlijk zullen gebruiken) is ongeveer net wat Intel naar alle waarschijnlijkheid voor 10nm gaat aankondigen (zie http://www.realworldtech.com/intel-10nm-qwfet/). Intel gaat dus niet alleen eerst zijn met 10nm, maar ze gaan dus ook al over zijn naar het post-silicon tijdperk terwijl Tsmc en Samsung nog met Finfets bezig zijn. Om maar aan te geven wat voor voorsprong Intel heeft. (Bv. Intel was ook 3 jaar voor Samsung met Finfets, terwijl Tsmc ze nog niet heeft.)

Overigens is er nog steeds genoeg concurrentie want zowel Tsmc als Samsung zijn met een zware concurrentiestrijd bezig voor 10nm.

Edit: Overigens is vooral de interconnect die de transistors verbindt een uitdaging omdat die de neiging heeft slechter te worden bij miniaturisatie. (Al is het opnieuw geen onoverkomelijk probleem, zo heeft Intel bv. bij 14nm (als eerste) air gaps geïntroduceerd die de IC heeft verbeterd.)

[Reactie gewijzigd door witeken op 28 juli 2024 14:54]

[cHoc]

Dat zie je nu ook: GPU's zijn nog steeds op 28nm

Dat heeft er niets mee te maken voor GPU's
Dat heeft mee te maken met dat TSMC en GlobalFoundries voor Nvidia en AMD geen 20/22nm high performance chips gaan bakken, daarom zijn die nu nog steeds op 28nm, TSMC en GlobalF gaan voor Nvidia en AMD met 16/14nm pas weer High performance chips bakken, dat heeft niets met de techniek van doen, maar eerder met de investeringen die TSMC en GlobalF er niet in willen steken voor Nvidia en AMD.
Want TSMC en Global F hebben al wel 22nm lijn waar ze chips bakken, maar alleen voor Low Power toepassingen, eg ARM en dergelijke.

[SteroiD]

De Van Der Waals radius (de grootte van een vrij atoom) voor silicium is 210pm. Dan zet je dus nog wel even vanaf met 7nm. Voor Germanium is dat 211pm. In een covalente binding zitten ze uiteraard dichter op een (respectievelijk 110 en 120pm).

Je kan er dus inderdaad zeker van zijn dat het ooit gaat stoppen. Dan moeten ze de overstap maar maken naar andere vormen.

[Qaatloz]

De effecten van de Quantum Mechanica zijn en worden ook een steeds grotere uitdaging. De electrische eigenschappen gaan op die schaal zodanig veranderen dat in waarschijnlijk toenemende mate ook meer exotische materialen nodig gaan zijn om het gewenste gedrag te krijgen uit een <7 nm grootte transistor.

[CaptainKlaas]

Een silicumatoom is ongeveer 0,3-0,5 nm. dus het zal inderdaad niet eeuwig door kunnen gaan. Bij de 2nm kunnen er zelfs nog maar 4-6 silicumatomen in een transistor. En dat lijkt me een hele klus...

[johnbetonschaar]

De nm getallen die vaak genoemd worden in de context van transistors gaan over de kritische dimensie van de onderdelen van de transistor, Bij traditionele (dus niet finFET's/3D transistors) houdt die wel enig verband met de 'breedte' van de gate als je hem in een 2D vlak bekijkt, maar het is niet hetzelfde, de gate is in de praktijk breder dan de kritische dimensie. Voor 3D transistors is het idee dat de gate een 'fin' is, waarbij zowel de breedte als de hoogte (het volume) van de gate en rol speelt.

Zonder al te veel in detail te gaan (zo veel weet ik er ook weer niet van af) is het dus niet zo dat de kritische dimensie veel zegt over het 'aantal atomen' van eender welk materiaal er 'in een transistor passen'. Ten eerste omdat de transistor uit verschillende onderdelen (gate, source, drain, p/n well, substrate) bestaat, en ten tweede omdat je in 3 dimensies moet denken. In theorie zou je met een kritische dimensie van 1 nm ook nog wel een transistor moeten kunnen maken, zo lang je de gate maar zo kunt bouwen dat je er voldoende spanning op kunt zetten dat de transistor kan schakelen (de verbinding tussen de source en drain blokkeren).

[Sissors]

Probleem is vooral dat het vooral een marketingterm is geworden. Oorspronkelijk ging het over iets wat in ieder geval nagenoeg gelijk was aan de lengte van de gate, tegenwoordig wordt daar wat meer vrijheid bij gehouden.

Sommige zaken zijn in principe niet het probleem bij het kleiner maken, zoals drain/source juncties (bij traditionele planaire transistor), maar als je die niet ook kleiner maakt levert het maar beperkt voordeel op van de dichtheid waarmee je transistoren kan maken. En uiteindelijk zegt het natuurlijk wel wat: Als je gate een lengte heeft van 1nm, dan moeten ze toch echt eerst nog wat verzinnen dat elektronen er niet doodleuk doorheen lekken/tunnelen, wat nu al een enorm probleem is bij kleine technologiën.

De spanning om op de gate te zetten zou ik me niet heel druk over maken, dat is meer gerelateerd aan de dikte van de gates, die weer niet direct gerelateerd is aan de lengte.

[kidde]

Ter info: Bij FinFET is een breedte van de vin het kleinste van alle afmetingen. Alleen van Intel zijn getallen bekend. Voor 14nm is de pitch (tussen afstand tussen twee linker zijden van twee vinnen) 42nm en de dikte van de vin varieert, gemiddeld 8nm. Bij 7nm zijn er twee mogelijkheden, bij 1 van de 2 wordt de vin slechts 5nm dun. Overigens, bij UTBB FD SOI (zonder vinnen) wordt bij het 28nm proces gewerkt met zeer dunne lagen, zo uit mijn hoofd van minder dan 15nm.

Mijn conclusie zou zijn, dat als het proces x nm heet, er details zijn die minder dan x nm dik zijn.

Op zich nog wel te maken, alleen moet de variatie klein gehouden worden. Bij een vin van 50 atomen dik maakt 3 atomen meer of minder relatief veel uit, en dat aantal van 50 atomen dik wel je nauwkeurig halen over miljarden vinnen per chip.

Bron: oa Sang Kim op EETimes en http://semiengineering.com/re-engineering-the-finfet/

[Reactie gewijzigd door kidde op 28 juli 2024 14:54]

[WhizzKid-Eddy]

Als je op atoomniveau kunt schakelen, dan heb je toch minimaal 2 atomen nodig. 1 voor de status "aan" en 1 voor de status "uit". Of zeg ik nu iets doms?

[CaptainKlaas]

Dat wordt wel een beetje TE gek denk ik, want hoe houdt je dan de electron op zijn plaats die bepaald of het 0 of 1 is? Maar we kunnen ook nog gewoon doorgaan met processoren van grafiet, of kwantumpc's.

[Verwijderd]

Het blijft kleiner worden, naarmate we meer ontdekken. Nieuwe stoffen met nieuwe eigenschappend of hetzelfde doen, op een andere manier. Misschien gaat het wat langzamer dalijk. Doorbraken komen niet continue.

[klonic]

Een nieuwe stof is altijd groter. Stoffen zijn atomen, moleculen, zouten. Atomen zijn natuurlijk het kleinst, dat zijn namelijk ook bouwstoffen van die andere twee. Je kan niet kleinere dingen maken dan de bouwstenen die je daarvoor gebruikt. Silicium zelf heeft een atoomstraal van 0,1176 nm. Wellicht kan van Boor ook een halfgeleider gemaakt worden die heeft een atoomstraal van 0,085 nm. Als je dan de boel efficiënter of sneller wilt maken dan moet je van electronen af stappen, de boel gaan koelen (wat thermodynamisch gezien altijd inefficient is) of naar kleinere atomen: Beryllium, Lithium, Helium (dat krijg je nooit vast ), waterstof (dat krijg je ook nooit vast).

Wat je wel kan doen is overgaan op optische data en transistoren. Dat mag dan weer een stuk groter zijn vanwege de lichtsnelheid (overigens moet dat ook want de optische onderdelen kunnen nog niet zo klein gemaakt worden. Er zijn nog zat mogelijkheden, maar vroeg of laat lopen we tegen de beperkingen van de natuur aan.

[Reactie gewijzigd door klonic op 28 juli 2024 14:54]

[Sissors]

Waarom zouden optische transistoren een stuk groter mogen zijn vanwege de lichtsnelheid? Uit mijn hoofd gaat het rond 2/3de van de lichtsnelheid door een silicium optische waveguide meestal, wat ruwweg hetzelfde is als de snelheid van elektronen door je metaalspoortjes op een chip.

En gezien optische transistoren nu allemaal op resonantie zijn gebaseerd (wat ze extreem gevoelig voor hun omgeving maakt), zijn ze fundamenteel veel groter dan silicium transistoren. Vooralsnog lijkt het er dan dus ook op dat je weinig daarmee opschiet, behalve voor interfacing, en mogelijk kan je nog voor je klokdistributie er iets mee. Maar op dit moment is er nog niks zover ik weet wat erop wijst dat we ooit elektrische transistoren gaan verslaan met optische.

[klonic]

Je zegt zelf al: 'vooralsnog'. We hebben nog even voor de huidige techniek (waarbij we werken met halfgeleiders) ons in de steek laat. Om silicium als waveguide te namen is natuurlijk een beetje flauw. Met een brekingsindex van ongeveer 3,4(2) wordt de lichtsnelheid n=c/v->v=c/n=0,9*10^8 m/s (dat is natuurlijk ook die 3,42 keer lager dan de lichtsnelheid in vacuum: 3,0*10^8 m/s). De metaalspoortjes kan je dus beter niet vervangen door silicium, beter is een holle silicium buis. Het licht gaat dan door de lucht waarbij v = 0,999 c. Optische transistoren heb ik geen kaas van gegeten, maar als ik jou mag geloven moet daar nog flink aan gewerkt worden.

[Reactie gewijzigd door klonic op 28 juli 2024 14:54]

[Sissors]

Uiteraard, ik heb genoeg foute voorspellingen gezien om me niet aan harde uitspraken te branden . Wie weet wat voor een ontwikkelingen er nog komen op het gebied van optische transistoren. Maar vooralsnog dus ( ), lijkt het er niet op dat dat een oplossing gaat vormen als we niet meer verder met de huidige richting komen.

[roebfromthebloc]

Dit soort vergelijkingen zijn alleen interessant voor het 'what-if' scenario.

Nieuwe ontwikkelingen waarbij we ons nog niets kunnen voorstellen zullen deze mogelijke beperking teniet doen.

In de 19e eeuw was men bang dat een verdere toename in vervoer met paard en wagen in steden een enorme problematiek zou veroorzaken met stront.

En toen kwam de verbrandingsmotor, welke op zijn beurt door een (echt) alternatief vervangen zal worden.

Technologische innovaties zijn niet altijd lineair.

[The Third Man]

Die vlieger gaat niet helemaal op, dat de massa niet verwachtte dat de paard en wagen zouden verdwijnen, wilde niet zeggen dat niemand het verwachtte. De massa volgt altijd de pioniers en die hebben juist wel vaak door wat er komen gaat (niet zo gek want die vinden het uit). De ruimtevaart in de boeken van Jules Verne is een goed voorbeeld van wat je al aan je klompen aan kunt voelen komen maar er nog lang niet is. Dat Jan met de Pet je bij zo'n verhaal voor gek verklaart zegt meer over hem dan over de toekomst.

[Soldaatje]

Er zijn nou eenmaal natuurwetten die grenzen hebben, zoals lichtsnelheid.
Quantumcomputers zijn natuurlijk een oplossing, of gewoon wat meer multithreaden met meerdere cores/cpu's. Of slimmere core's.

[Pwuts]

Multithreaden (hyperthreading) is al uitgevonden en in gebruik, dus dat is geen innovatief idee meer. Meer is daarnaast niet per sé beter.

[nj93]

maar er is een zee van ruimte voor betere (softwarematige) implementatie voor multithreaden

[Titan_Fox]

Het kleiner maken van transistors is wellicht niet eens het grootste probleem. Wat veel dringender lijkt is het gegeven dat bepaalde grondstoffen schaars beginnen te worden.

nieuws: Onderzoek: onvoldoende alternatieven voor schaarser wordende metalen

Zolang het de mensheid niet lukt om elektronisch afval fatsoenlijk te recycleren zullen we vroeg of laat tegen problemen aan gaan lopen. Om je een idee te geven; zo hoort het dus niet :

http://www.cinaoggi.it/im...aste/china-ewaste-010.jpg

[Iblies]

Producten zijn niet schaars en het idee dat China een grote boze agressor is, is onzin.

Een groot deel van de de 'schaarse' producten zijn bijproducten en daar wordt niet echt specifiek naar gedelfd.
China is de grootste kolenproducent ter wereld en ook nog eens de grootste metaalproducent.
https://en.wikipedia.org/wiki/List_of_steel_producers
6 Uit de top 10 komt uit China.

We kunnen een groot deel van die stoffen hier in Europa ook gaan delven alleen is niet betaalbaar. Alleen naar de stoffen zoeken is niet rendabel, kolen willen we hier niet hebben of anders kunnen we het vanwege de prijs ook niet kwijt.


En vergeet even niet dat we de smerige truc ook uithalen met olie. Die wordt vrijwel zonder uitzondering geraffineerd in het westen, en dat we vervolgens brandstof terugsturen naar de landen waar het vandaan komt. En dat we gebruik maken van die pressiemiddel wordt aangetoond in Iran. Olie zat, maar de techniek niet, en ze krijgen de techniek ook niet geïmporteerd.

[goarilla]

Olie zat, maar de techniek niet, en ze krijgen de techniek ook niet geïmporteerd.

Dus ze krijgen supernauwkeurige gascentrifuges wel geimporteerd maar geen destillatiekolommen ?

[Iblies]

Techniek is niet alleen het apparatuur,
de kennis ontbreekt.

En geen bedrijf of persoon die daar zijn vingers aan zal branden want er zijn veel te veel restricties.

De kennis die ze nu hebben zijn met de groeten van Nederland https://en.wikipedia.org/wiki/Abdul_Qadeer_Khan

[goarilla]

De kennis die ze nu hebben zijn met de groeten van Nederland https://en.wikipedia.org/wiki/Abdul_Qadeer_Khan

En toevallig ook van de plek waar ik werk in Belgie (voetnoot 15). Als je wilt stuur ik je een foto van zijn doctoraatsplaquette.

[Reactie gewijzigd door goarilla op 28 juli 2024 14:54]

[Twam]

Op een gegeven moment zal je inderdaad voorbij de traditionele computer moeten gaan kijken.

Ik zou eerlijk gezegd gokken dat tegen die tijd dataoverdracht ook weer x aantal keer sneller en betrouwbaarder (zowel stabieler als veilig) is, dat het kleiner produceren van grotere rekenkracht niet meer nodig is: dan produceer je (extreem) kleine clients die al hun processing outsourcen naar centrale computers/datacenters. Dan heb je in de praktijk geen eigen computer, maar een uplink met een interface, met je eigen VM op een mainframe ergens. Als het qua privacy wat minder rooskleurig verloopt (of als alternatieve budget-variant) zou dat ook een gedeeld systeem kunnen zijn (een soort Sharepoint+Dropbox+PlayOn+MMO-hub+[Social Media of Choice]-combinatie).

Maar dat blijft inderdaad nog wilde speculatie, vooralsnog Ik ben wel nu al reuze benieuwd, moet ik toegeven.

[Verwijderd]

We hebben nog heel wat rek hoor, niet alleen op vlak van verkleinen van transistors, maar ook: schakelsnelheid, 3D structuren waarbij de gate oppervlakte bevoordeeld wordt, optische interconnects en ga maar door.

Als we een holodeck hebben, zullen de meeste misschien al tevreden zijn ? Dat lijkt me een opschaling van de huidige grafische kaart, dus in die richting: meer parallellisatie (meer CUDA's bvb), bredere en snellere bussen/interfaces, groter geheugen, ...

Maar buiten het holodeck heeft software nog heel wat bij te benen om al die hardware mogelijkheden uit te buiten, daar denk ik dat de bottleneck voor vooruitgang ligt.

[twmichel]

Die 7nm geldt maar voor een onderdeel van de transistor. De hele transistor op 7nm techniek heeft iets van 100 bij 100 nm aan totaal chipoppervlakte nodig. Er is nog wel wat ruimte voor verbetering.

[Sissors]

Er werd eerst bij 14, vervolgens bij 11 en daarna weer bij 10nm al geroepen dat het niet meer kleiner kon.

Heb je hier een bron voor? Want dat heb ik nog nooit gehoord. Oh er zullen vast weleens mensen zijn geweest die betwijfelde of we verder zouden komen, maar dat die eerst bij 14, toen 11, etc zou liggen, heb ik nog nooit ergens gehoord of gelezen. Dan zou ik eerder denken aan 1um, 100nm, 10nm, etc: Oftewel grote stappen waarbij specifieke problemen moesten worden opgelost.

Overigens zijn er meer vragen dan hoe klein we kunnen komen: Zoals hoe klein is het economisch zinvol. Nu zie je in de industrie al dat veel ervan uitgaan dat de 28nm node, of misschien 14nm, voor een hele tijd het eindstation gaat worden voor alles wat niet heel hoog performance is, simpelweg omdat de kosten per transistor nauwelijks nog lager worden, als ze al lager worden, en de kosten per masker wel steeds duurder worden.

[Lau1406]

Mooi om te zien dat Moore's law nog een paar jaartjes langer mee gaat

[Barsonax]

Wat mensen denk ik ook onderschatten is dat er met software ook flinke winsten kunnen worden gehaald. Bijvoorbeeld multithreading en hsa. De snelheidsgroei blijft nog wel even doorzetten maar mischien straks niet meer qua hardware.

Mooier zou natuurlijk zijn als ze een nieuw materiaal kunnen gebruiken dat gewoon hogere kloksnelheden aankan. Vooralsnog heb ik alleen experimentele artikels hiervan gezien en niks praktisch.

[DaBeast.net]

Hier is overigs ook de eerste generatie Intel quadcore (Q6600 etc) en gedeeltelijk de Snapdragon ontwikkeld. Goed bezig zou ik zeggen .

Ontopic: zal nog wel een tijdje duren voordat het stabiel en rendabel genoeg wordt voor productie, maar kan wel een flinke winst opleveren op alle vlakken.

[Yerroon]

Nerdgasm!