W elektronice, podobnie jak w świecie Disneya, wszystko co małe jest piękne.Mówić zatem na tym wykładzie będziemy o mikroelektronice, a ściślej o układach scalonych. Tendencjach ich rozwoju i niektórych tego rozwoju skutkach.
Z trudem chyba przyszłoby szukać w historii i dniu dzisiejszym rozwoju techniki przykładów dziedzin w których intensywność prac badawczych, dynamika i rozmach produkcji przemysłowej byłyby porównywalne z rozwojem produkcji układów scalonych. Nie będąc tutaj zmuszonym do ścisłości można przytoczyć dla poparcia tego stwierdzenia następujące porównanie .....Gdyby technika samochodowa rozwijała się tak szybko jak mikroelektronika, to przeciętny samochód dnia dzisiejszego powinien ważyć mniej niż 1 gram, mieścić kilkuset pasażerów, osiągać szybkość większą od 10.000 km/godz. przy zużyciu 0.1 l. benzyny i kosztować kilkaset złotych". Rozwój technologii półprzewodnikowej pokazuje, że wiele je| wskaźników (np. liczba elementów czy bitów na strukturę, energia niezbędna dla wykonania elementarnej operacji logicznej, koszt 1 bitu rośnie (bądź maleje) wykładniczo w funkcji czasu w stałym tempie począwszy od pojawienia się na rynku pierwszych układów scalonych. Najbardziej znanym tutaj przykładem jest tzw. prawo Moore'a. Gordon Moore, współtwórca czołowych firm półprzewodnikowych Fairchild i Intel zauważył, że liczba elementów (tranzystorów, diod ...) w największych dla danego roku układach scalonych podwaja się corocznie. Prawo to dobrze się sprawdziło do połowy lat 70-tych. W chwili obecnej liczba elementów w układach rośnie nieco wolniei i podwaja się co dwa lata.
Posłużmy się tutaj przykładem pamięci dynamicznych o swobodnym dostępie (pamięci DRAM) wytwarzanych zdecydowanie dominującą w układach wielkiej i bardzo wielkiej skali intergracji — technologią MOS POPR. (metal — tlenek — półprzewodnik). Pamięci te stanowią aktualnie, obok mikroprocesorów, jedną z bardziej spektakularnych wizytówek czołowych firm półprzewodnikowych. Wzrost ich produkcji miał w ostatnim 15-leciu charakter niemalże eksplozji. Stanowią one, z racji względnej prostoty rozwiązań, także "poligon doświadczalny" dla wprowadzenia nowych rozwiązań technologicznych i bardziej zaawansowanych reguł projektowania.
W 1971 roku pojawiła się na rynku pamięć 1 Kb. Od tego momentu, systematycznie co trzy lata pojawiają się pamięci nowej generacji o 4-krotnie większej od poprzedniej pojemności. Zapotrzebowanie rynku na coraz to większą pamięć o coraz to mniejszym koszcie jednostkowym — cenie 1 bitu — wydaje się być nienasycone. I tak w roku 1986 kilka już firm japońskich produkuje pamięć 1 Mb,a dominującą na rynku staje się pamięć 256 Kb Przewiduje się, że w bieżącym roku wyprodukowane zostanie 7 x 1014 bitów pamięci dynamicznych o swobodnym dostępie, a prognoza na rok 2000 to: około 1020 bitów. Jeśli możliwe będzie wówczas wytwarzanie struktur o pojemności 64 Mb to będziemy mieli na świecie ponad 10^12 takich struktur a na głowę ludności naszej planety wypadnie ok. 100 takich struktur. Jeśli przyjąć, że jedna strona książki to około 105 bitów to każdy z nas stanie się posiadaczem wielotomowej biblioteki. Można zatem porównywać krzem z papierem, wynalazek druku przez Gutenberga z wynalazkiem tranzystora, piasek z drzewem, wyspecjalizowane układy robione na zamówienie z albumami reprodukcji zaś układy realizowane masowo z gazetami czy popularnymi książkami
Jakie są to czynniki, które powodowały i powodują, że liczba elementów w układach scalonych systematycznie wzrasta.
Są nimi:
- A. Wzrost powierzchni struktur
- 1 Kb (1971) — 12 mm^2
- 1 Mb (1986) — 70 mm^2
- Średnio powierzchnia nia struktur pamięci rośnie w tempie ok. 14 razy na generację
- B. Malenie rozmairów poszczególnych elementów spowodowane zmniejszaniem tzw. minimalnego wymiaru charakterystycznego. Jest to średnia wartość minimalnej szerokości linii i odstępu między liniami uzyskiwana w danej technologii. Wymiar ten ulega około dwukrotnemu zmniejszeniu co 6 lat. Oczywiście proces ten zachodzi stopniowo. W pamięci 1 Mb ten wymiar wynosi ok. 1 μm. Stąd też pojęcia technologii 5 μm, 3 μm, 1 μm. Zawdzięcza się to postępowi w dziedzinie litografii a więc odtwarzaniu coraz to subtelniejszych wzorów na powierzchni krzemu. W ostatnich latach trawienie chemiczne zostało zastąpione technikami trawienia plazmowego a naświetlanie struktur przeniosło się w obszar głębokiego ultrafioletu. Dalszy postęp będzie wymagał w latach 90-tych nowych technik litografii wykorzystujących wiązkę elektronów, promieniowanie X, a nawet wiązkę jonów.
- C. Efektywność upakowania elementów to nowe pomysły konstruktorów i technologów, nowe idee i nowe procesy.
Przykładem może tutaj być zastąpienie 3 T komórki pamięci dynamicznych typowej dla pamięci 1 Kb i 4 Kb komórką 1 T dominującą w następnych generacjach pamięci. Ten współczynnik udoskonaleń dał w dekadzie lat 70-tych mnożnik 2 we wzroście liczby elementów w strukturach. Podobnie zapowiada się to w dekadzie lat 80-tych. Podyskutujemy teraz o granicach do których możemy dojść z technologią krzemową.
... Czy warto taki problem dyskutować? Czy nie stanowi taka dyskusja li tylko intelektualnej rozrywki? Odpowiedzieć trzeba, że warto. Znajomość bowiem — nawet nieprecyzyjna — ograniczeń, stanowić może istotną wskazówkę jak się do nich najefektywniej zbliżać. Działają one, i te wynikające ze znanych nam praw fizyki, i te ze znajomości zasad działania dyskutowanych przyrządów, i wreszcie te, które wynikają z ograniczeń materiałowo-konstrukcyjnych, z różną siłą w różnych kierunkach.
Zmniejszenie się tempa rozwoju i wchodzenie w fazę stabilizacji może wynikać z faktu, że któryś z następujących czynników zacznie działać ograniczająco, a mianowicie
- (I) braki wiedzy,
- (II) zmiana zainteresowań
- (III) ograniczenia techniczne lub ekonomiczne.
W przypadku przez nas analizowanym dwa pierwsze czynniki nie są krytyczne. Mamy zatem, jeśli tempo wzrostu wyrażone np. corocznym przyrostem liczby elementów w strukturze zaczyna maleć, działanie trzeciego czynnika. Co się zatem na te ograniczenia techniczne składa. Są one, w dużym skrócie i uproszczeniu, następujące:
- — ograniczenia (bariery) technologczne: niedoskonałość materiałów i procesów technologicznych, ograniczenie wynikające ze stosowanej aparatury itp.;
- — ograniczenia fizyczne wynikające ze znanych praw fizyki bądź też zasad działania aktualnie znanych przyrządów. Stają się one coraz ważniejsze w miarę pokonywania barier technologicznych;
- — ograniczenia wynikające ze złożoności układów — problemy ich projektowania i testowania;
- — ograniczenia wynikające z trudności zdefiniowania pola zastosowań dla układów logicznych o wielkiej liczbie elementów (nie dotyczy to pamięci). (...)
Jeśliby przyjąć, że pod koniec tego wieku możliwa będzie realizacja struktur na powierzchni ok. 5-10 cm2, to wizja produkcji pamięci o pojemności 16 Mb - 64 Mb nie wydaje się być tak nierealistyczna. Z pewnością układy systemy o bardziej złożonei organizacji i architekturze — będą tych elementów zawierały mniej, ale tutaj trzeba sobie odpowiedzieć wcześniej na pytanie o pole ich zastosowań?
Jeśli już pomarzyliśmy o tym, co teoretycznie da się zrobić to spróbujmy również odpowiedzieć na pytanie jak to zrobić. Nie będę tutaj wyliczał wszystkich barier które trzeba pokonać — wielu o podstawowym znaczeniu poznawczym. Sformułuję natomiast tezę, że fabryka półprzewodnikowa przyszłości to fabryka w pełni zautomatyzowana. Fabryka, która za pomocą komputerów poprzedniej ge neracji tworzy bazę dla budowy komputerów nowej generacji. Wielu osobom automatyzacja kojarzy się przede wszystkim z automatycznym (a więc bez, lub z ograniczonym udziałem człowieka), przenoszeniem i manipulowaniem przedmiotami. Należy jednak pamiętać,że równie ważnym — jeśli nie ważniejszym — składnikiem automatyzacji jest ograniczenie lub wyeliminowanie roli człowieka w procesach przepływu informacji.
Automatyzacja fabryk układów scalonych znajduje się jak to twierdzą Japończycy — przodujący zresztą w tej dziedzinie — w wieku niemowlęcym bowiem jest to zadanie skrajnie trudne. System musi panować nad stanem linii produkcyjnej, która przetwarza w ciągu roku ok. 5 tys. płytek na których wytwarza się 20 różnych typów wyrobów, z których każdy podlega ok. 200 różnym operacjom technologicznym wykonywanym za pomocą 200 różnych urządzeń, z których każde wymaga nastawienia 10 różnych parametrów itp.
Fabryka zautomatyzowana to wielopoziomowa hierarchiczna struktura komputerów i gniazd robotów. Fabryka zatrudnia — informatyków, projektantów wielkich systemów, automatyków, specjalistów od robotów, diagnostyków, projektantów układów na zamówienie. Na najwyższym poziomie tej pozornie bezdusznej hierarchicznej struktury jednak po zostaje człowiek. Przykład najdoskonalszej w tej chwili fabryki to zakłady koncernu Mitsubishi. Jest to fabryka zautomatyzowana — w takim sensie, że nie występuje w niej ani transport ani manipulowanie płytkami. Fabryka ta produkuje obecnie miesięcznie 10 mln szt. pamięci DRAM 64 Kb, oraz 7 min sztuk pamięci DRAM 256 Kb. Prawdopodobnie obecnie również pamięci 1 Mb.
Skutki:
Na początku 1985 r. w jednym z najpoważniejszych światowych magazynów popularyzujących wiedzę z dziedziny mikroelektroniki ukazała się praca dwóch wybitnych naukowców amerykańskich pt. "Reguła π w pamięciach DRAM". Tytuł był tajemniczy a więc pracę przeczytałem.
Autorzy prześledzili ceny kolejnych generacji pamięci od pamięci 1 Kb do pamięci 64 Kb stwierdzając, że po początkowym okresie wysokiej ceny, nowego produktu, cena — w momencie dominacji danej pamięci na rynku osiąga wartość około π dolarów czyli ok. 3 dolarów (tu wyjaśnia się tajemnicze π) by następnie ustabilizować się na poziomie ok. π/2 czyli 1.5 dolara, gdy następna generacja pamięci zaczyna dominować na rynku.
I tak to rzeczywiście było tylko Japończycy nie zechcieli tej reguły uszanować. Obecnie pamięci 64 Kb można kupić za cenę poniżej 0.5 dolara Wynika to z faktu, że uzysk a więc liczba dobrych struktur w firmach japońskich jest znacznie wyższy. Szefowie wspomnianej fabryki koncernu Mitsubishi twierdzili, ze dzięki automatyzacji osiągają uzysk dwukrotnie wyższy niż firmy amerykańskie.
Coraz większa skala integracji układów scalonych to konieczność większej integracji specjalistów różnych dziedzin elektroniki, budujących wspólną wiedzą i umiejętnościami złożone systemy na płytce krzemowej
doc. dr hab inż. Andrzej Jakubowski kierownik Zakładu Mikroelektroniki Wydziału Elektroniki PW