Esta es una publicación de invitado en reconocimiento al 75 aniversario de la invención del transistor. Está adaptado de un ensayo del boletín de julio de 2022 de la IEEE Electron Device Society. Las opiniones expresadas aquí son únicamente del autor y no representan posiciones de Espectro IEEE o el IEEE.
En el 75 aniversario de la invención del transistor, un dispositivo al que he dedicado toda mi carrera, me gustaría responder dos preguntas: ¿Necesita el mundo mejores transistores? Y si es así, ¿cómo serán?
Yo diría que sí, vamos a necesitar nuevos transistores, y creo que hoy tenemos algunos indicios de cómo serán. La cuestión es si tendremos la voluntad y la capacidad económica para hacerlos.
Creo que el transistor es y seguirá siendo clave para lidiar con los impactos del calentamiento global. Con su potencial para la agitación social, económica y personal, el cambio climático requiere herramientas que nos den a los humanos más capacidad en órdenes de magnitud.
Los semiconductores pueden aumentar las capacidades de la humanidad como ninguna otra tecnología. Casi por definición, todas las tecnologías aumentan las habilidades humanas. Pero para la mayoría de ellos, los recursos naturales y las limitaciones energéticas hacen que las mejoras de órdenes de magnitud sean cuestionables. La tecnología habilitada por transistores es una excepción única por las siguientes razones.
- A medida que los transistores mejoran, permiten nuevas habilidades como la informática y la comunicación de alta velocidad, Internet, los teléfonos inteligentes, la memoria y el almacenamiento, la robótica, la inteligencia artificial y otras cosas en las que nadie ha pensado todavía.
- Estas habilidades tienen amplias aplicaciones y transforman todas las tecnologías, industrias y ciencias.
una. La tecnología de semiconductores no tiene un crecimiento tan limitado por sus usos de materiales y energía como otras tecnologías. Los circuitos integrados utilizan cantidades relativamente pequeñas de materiales. Como resultado, se están haciendo más pequeños, y cuantos menos materiales utilicen, más rápidos, más eficientes energéticamente y más capaces se vuelven. - Teóricamente, la energía requerida para el procesamiento de la información aún puede reducirse a menos de una milésima parte de lo que se requiere hoy. Aunque todavía no sabemos exactamente cómo abordar tal eficiencia teórica, sabemos que aumentar la eficiencia energética mil veces no violaría las leyes físicas. Por el contrario, las eficiencias energéticas de la mayoría de las demás tecnologías, como los motores y la iluminación, ya se encuentran entre el 30 y el 80 por ciento de sus límites teóricos.
Transistores: pasado, presente y futuro
La forma en que continuaremos mejorando la tecnología de transistores es relativamente clara a corto plazo, pero se vuelve más turbia a medida que avanzamos a partir de hoy. A corto plazo, puede vislumbrar el futuro del transistor mirando su pasado reciente.
La estructura básica del MOSFET planar (2D) se mantuvo sin cambios desde 1960 hasta alrededor de 2010, cuando se hizo imposible aumentar aún más la densidad del transistor y disminuir el consumo de energía del dispositivo. Mi laboratorio en la Universidad de California, Berkeley, vio venir ese punto más de una década antes. Informamos sobre la invención del FinFET, el sucesor del transistor plano, en 1999. FinFET, el primer MOSFET 3D, cambió la estructura plana y ancha del transistor por una alta y estrecha. El beneficio es un mejor rendimiento en un espacio más pequeño, muy parecido al beneficio de los edificios de varios pisos sobre los de un solo piso en una ciudad poblada.
El FinFET también es lo que se llama un MOSFET de cuerpo delgado, un concepto que continúa guiando el desarrollo de nuevos dispositivos. Surgió de la idea de que la corriente no se filtrará a través de un transistor dentro de varios nanómetros de la superficie de silicio porque el potencial de la superficie está bien controlado por el voltaje de la puerta. Los FinFET se toman muy en serio este concepto de cuerpo delgado. El cuerpo del dispositivo es la aleta de silicio vertical, que está cubierta por un aislante de óxido y una compuerta metálica, sin dejar silicio fuera del rango de control de la compuerta fuerte. Los FinFET redujeron la corriente de fuga en órdenes de magnitud y redujeron el voltaje operativo del transistor. También señaló el camino para seguir mejorando: reducir aún más el grosor del cuerpo.
La aleta del FinFET se ha vuelto más delgada y más alta con cada nuevo nodo tecnológico. Pero este progreso ahora se ha vuelto demasiado difícil de mantener. Por lo tanto, la industria está adoptando una nueva estructura CMOS de cuerpo delgado 3D, llamada gate-all-around (GAA). Aquí, una pila de cintas de semiconductores forman el cuerpo delgado.
Cada evolución de la estructura MOSFET ha tenido como objetivo producir un mejor control sobre la carga en el silicio por la puerta. [pink]. Dieléctrico [yellow] evita que la carga se mueva desde la compuerta hacia el cuerpo de silicio [blue].
La tendencia de cuerpo delgado 3D continuará de estos transistores 3D a transistores apilados 3D, circuitos monolíticos 3D y empaques multichip. En algunos casos, esta tendencia 3D ya ha alcanzado grandes alturas. Por ejemplo, la regularidad de la matriz de transistores de memoria con trampa de carga permitió que la memoria flash NAND fuera el primer circuito integrado en la transición de circuitos 2D a circuitos 3D. Desde el primer informe de 3D NAND de Toshiba en 2007, la cantidad de capas apiladas ha aumentado de 4 a más de 200.
Es probable que los circuitos integrados lógicos 3D monolíticos comiencen de manera modesta, con el apilamiento de los dos transistores de un inversor CMOS para reducir las huellas de todas las puertas lógicas. [see “3D-Stacked CMOS Takes Moore’s Law to New Heights”]. Pero el número de pilas puede crecer. Otros caminos hacia los circuitos integrados 3D pueden emplear la transferencia o deposición de capas adicionales de películas semiconductoras, como silicio, germanio de silicio o arseniuro de indio y galio en una oblea de silicio.
La tendencia de los cuerpos delgados podría alcanzar su punto final final en los semiconductores 2D, cuyo grosor se mide en átomos. Las moléculas de disulfuro de molibdeno, por ejemplo, son naturalmente delgadas y relativamente grandes, y forman un semiconductor 2D que puede tener no más de tres átomos de ancho pero que tiene muy buenas propiedades semiconductoras. En 2016, ingenieros en California y Texas utilizaron una película de disulfuro de molibdeno de molécula de semiconductor 2D y un nanotubo de carbono para demostrar un MOSFET con una dimensión crítica: una longitud de puerta de solo 1 nanómetro de ancho. Incluso con una puerta tan corta como 1 nm, la corriente de fuga del transistor fue de solo 10 nanoamperios por milímetro, comparable con el mejor transistor de producción actual.
Uno puede imaginar que en un futuro distante, todo el transistor puede ser prefabricado como una sola molécula. Estos bloques de construcción prefabricados pueden llevarse a sus ubicaciones precisas en un IC a través de un proceso llamado autoensamblaje dirigido (DSA). Para comprender el DSA, puede ser útil recordar que un virus COVID usa sus picos para encontrar y acoplarse químicamente en un lugar exacto en la superficie de células humanas particulares. En DSA, los puntos de acoplamiento, los “picos” y la carga de transistores están cuidadosamente diseñados y fabricados. Los puntos de acoplamiento iniciales se pueden crear con litografía sobre un sustrato, pero se pueden incorporar puntos de acoplamiento adicionales como carga en pasos posteriores. Parte de la carga puede eliminarse por calor u otros medios si solo se necesita durante el proceso de fabricación pero no en el producto final.
Además de hacer los transistores más pequeños, tendremos que seguir reduciendo su consumo de energía. Aquí podríamos ver una reducción de orden de magnitud mediante el uso de los llamados transistores de efecto de campo de capacitancia negativa (NCFET). Estos requieren la inserción de una capa nanométrica de material ferroeléctrico, como el óxido de circonio de hafnio, en la pila de compuertas del MOSFET. Debido a que el ferroeléctrico contiene su propio campo eléctrico interno, se necesita menos energía para encender o apagar el dispositivo. Una ventaja adicional del ferroeléctrico delgado es el posible uso de la capacidad del ferroeléctrico para almacenar un bit como el estado de su campo eléctrico, integrando así memoria y computación en el mismo dispositivo.
Hasta cierto punto, los dispositivos que he descrito surgieron de las tendencias existentes. Pero los transistores futuros pueden tener materiales, estructuras y mecanismos operativos muy diferentes a los del transistor actual. Por ejemplo, el interruptor nanoelectromecánico es un regreso a los relés mecánicos de décadas pasadas en lugar de una extensión del transistor. En lugar de confiar en la física de los semiconductores, utiliza solo metales, dieléctricos y la fuerza entre conductores muy próximos a los que se les aplican diferentes voltajes.
Todos estos ejemplos han sido demostrados con experimentos hace años. Sin embargo, llevarlos a la producción requerirá mucho más tiempo y esfuerzo que los avances anteriores en la tecnología de semiconductores.
llegar al futuro
¿Seremos capaces de lograr estas hazañas? Algunas lecciones del pasado indican que pudimos.
La primera lección es que el progreso de la tecnología de transistores no ha sido parejo ni fluido. Alrededor de 1980, el creciente consumo de energía por chip alcanzó un nivel doloroso. La adopción de CMOS, que reemplazó a las tecnologías NMOS y bipolar, y más tarde, la reducción gradual del voltaje de operación de 5 voltios a 1, le dio a la industria 30 años de progreso más o menos directo. Pero nuevamente, el poder se convirtió en un problema. Entre 2000 y 2010, investigadores reflexivos proyectaron que el calor generado por centímetro cuadrado de IC pronto alcanzaría el del núcleo del reactor nuclear. La adopción de arquitecturas de procesador multinúcleo y FinFET de cuerpo delgado 3D evitó la crisis y marcó el comienzo de otro período de progreso relativamente suave.
La historia de la tecnología de transistores puede describirse como escalar una montaña tras otra. Solo cuando llegamos a la cima de uno pudimos ver la vista más allá y trazar una ruta para escalar la siguiente montaña más alta y empinada.
La segunda lección es que la fuerza central de la industria de los semiconductores, la nanofabricación, es formidable. La historia demuestra que, con el tiempo suficiente y los incentivos económicos, la industria ha sido capaz de convertir cualquier idea en realidad, siempre que esa idea no viole las leyes científicas.
Pero, ¿tendrá la industria suficiente tiempo e incentivos económicos para continuar escalando montañas más altas y empinadas y seguir elevando las capacidades de la humanidad?
Es una pregunta justa. Incluso a medida que crecen los recursos de la industria fabril, las montañas de desarrollo tecnológico crecen aún más rápido. Puede llegar un momento en que ninguna compañía fabulosa pueda llegar a la cima de la montaña para ver el camino por delante. ¿Qué pasa entonces?
Los ingresos de todas las fábricas de semiconductores (tanto las independientes como las que, como Intel, son empresas integradas) representan aproximadamente un tercio de los ingresos de la industria de los semiconductores. Pero las fábricas representan solo el 2 por ciento de los ingresos combinados de las industrias de TI, telecomunicaciones y electrónica de consumo que permite la tecnología de semiconductores. Sin embargo, la industria fabril soporta la mayor parte de la carga creciente de descubrir, producir y comercializar nuevos transistores y tecnologías de nanofabricación. Eso necesita cambiar.
Para que la industria sobreviva, los recursos relativamente escasos de la industria fabulosa deben priorizarse a favor de la construcción fabulosa y las necesidades de los accionistas sobre la exploración científica. Si bien la industria fabulosa está alargando su horizonte temporal de investigación, necesita que otros también asuman la carga. Las capacidades de resolución de problemas a largo plazo de la humanidad merecen un apoyo público específico. La industria necesita la ayuda de una investigación exploratoria a muy largo plazo, financiada con fondos públicos, en un entorno similar a los laboratorios Bell o por investigadores universitarios con plazos de larga duración y un conocimiento más amplio y profundo en física, química, biología y algoritmos que la investigación corporativa. permite actualmente. De esta manera, la humanidad continuará encontrando nuevos transistores y adquiriendo las habilidades que necesitará para enfrentar los desafíos de los siglos venideros.
Sobre el Autor
Chenming Hu recibió la Medalla de Honor IEEE 2020, la Medalla Nacional de Tecnología e Innovación de EE. UU. 2014 y otros honores. Hu, miembro vitalicio de IEEE, lideró el desarrollo de FinFET, el dispositivo utilizado por los procesadores informáticos más avanzados en la actualidad. Ha sido profesor en la Universidad de California, Berkeley, desde 1976.