Проектно-исследовательская работа "Производство процессоров. Есть ли у кремния конкуренты?"

Проектно-исследовательская работа

Производство процессоров

Есть ли  у «кремния» конкуренты?

Сидоров Олег 9 класс

МБОУ СОШ № 95

г. Воронеж

Руководитель Тютина Т.В.

учитель информатики

Воронеж 201

Цель и задачи

Цель работы – выяснить, почему для производства современных процессоров используется кремний и есть ли другие материалы, способные заменить кремний, или новые технологии для создания компьютера будущего.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

• провести исследование характеристик химического элемента кремния, которые позволили применить его как основной элемент современной электроники;
• сравнить химические свойства «конкурентов» кремния, сопоставить преимущества и недостатки;
• познакомиться с технологиями, которые предлагаются сегодня для создания компьютеров будущего.
• Сделать вывод о перспективных направлениях разработок в      области производства процессоров.

Актуальность темы

Современный процессор – продукт самых совершенных технологий. Его можно встретить и в компьютерах, и в автомобилях, и в различных гаджетах. Процессоры имеют очень сложное устройство, а производители стремятся постоянно улучшать их характеристики.

Как производятся процессоры и скоро ли потребуются совершенно новые материалы и технологии?

Во всём мире научные центры ищут новые решения. В  каком направлении необходимо  проводить исследования в России для достижения конкурентного преимущества в будущем?

Процесс производства процессоров

Этот процесс состоит из пяти основных шагов:

1)        Очистка кремния. На предприятиях в дуговых печах песок восстанавливают коксом, но для начала производства процессоров этого не достаточно. После путём сложных химических реакций, получается “Электронный” кремний именно он нужен для производства процессоров.

2)        Следующий шаг – формирование монокристалла и разрезание его алмазной пилой. Его вес примерно 100кг, а высота примерно 2м, при этом толщина пластины 1мм        . Пластины полируют до зеркального блеска.

3)        После следует процесс фотолитографии, состоящий из трёх стадий. Первая стадия – на кремниевую пластину наносят слой материала, из которого нужно сформировать рисунок и на этот материал наносят фоторезист – вещество, меняющее свои химические свойства при облучении светом. Во второй стадии производиться облучение светом, причём в течении точно установленного промежутка времени через фотошаблон (пластина из оптического стекла, на которую нанесены не прозрачные области). Третья – удаление отработавшего фоторезиста.

4)        Позже при помощи прибора под названием имплантёр в необходимых местах внедряются донорные (n- типа) и акцепторной (p-типа) примеси для создания полупроводниковых структур, тип примеси зависит от того, отдаёт ли атом примеси электрон (фосфор) или забирает его (Бор).

5)        В последнем шаге собираются транзисторы и сами процессоры.

Немного о транзисторе. Транзистор – крошечное устройство, элемент микросхемы, действующий подобно миниатюрному выключателю, и тем самым позволяющий реализовывать алгоритмы обработки информации. Официальной датой появления на свет первого транзистора считается 23 декабря 1947 года. Авторами стали американские физики Уильям Шокли, Джон Бардин, Уолтер Браттейн.  

Транзистор, по существу, делает то же, что и обычный выключатель: включает и выключает ток. Положение “включено” для транзистора означает “1″, положение выключено – “0″. Огромное количество транзисторов интегральной микросхемы генерирует единицы и нули, которые складываются в понятный компьютеру бинарный код, который компьютер использует в процессе вычислений, обработки текста, воспроизведения фильмов и аудио. Современные транзисторы могут включаться-выключаться 300 миллиардов раз в секунду. Прежде, чем появился транзистор, его роль выполняла вакуумная трубка. Когда она гасла, это означало «0», когда включалась – «1».

В 1958 году Джек Килби (Jack Kilby) из компании Texas Instruments и Роберт Нойс (Robert Noyce) из компании Fairchild Semiconductor, ставший впоследствии одним из отцов-основателей корпорации Intel, изобрели способ объединения большого числа полупроводниковых транзисторов в одну интегральную схему. Это был гигантский шаг вперед – ведь прежде отдельные компоненты электрической схемы приходилось соединять вручную. У микросхем было два преимущества: более низкая стоимость и более высокая производительность. Оба преимущества явились следствием миниатюризации, которая обеспечивала сокращение размеров устройств и необычайную динамичность производственного процесса.

Как устроен транзистор?

Такие вещества, как кремний или германий, имеют по четыре электрона на внешнем энергетическом уровне. Они образуют красивые кристаллы, похожие на металл. Но, в отличие от металла, они не проводят электрический ток: все их электроны задействованы в мощных ковалентных связях и не могут двигаться. Однако все меняется, если добавить к ним немного донорной примеси из вещества с пятью электронами на внешнем уровне (фосфора или мышьяка). Четыре электрона вступают в связь с кремнием, а один остается свободным. Кремний с донорной примесью (n-типа) — неплохой проводник. Если добавить к кремнию акцепторную примесь из вещества с тремя электронами на внешнем уровне (бор, индий), аналогичным образом образуются «дырки», виртуальный аналог положительного заряда. В таком случае речь идет о полупроводнике p-типа.

Соединив проводники p- и n-типа, мы получим диод — полупроводниковый прибор, пропускающий ток только в одном направлении. Комбинация p-n-p или n-p-n дает нам транзистор — через него ток протекает только в том случае, если на центральный проводник подается определенное напряжение.

полупроводник n – типа

полупроводник p-типа

Почему в качестве основы для транзистора был взят кремний?

При выборе материала для основы компьютерных транзисторов ключевым фактором являлось сопротивление. Проводники имеют низкое сопротивление и проводят ток очень легко, в то время как изоляторы блокируют ток благодаря высокому сопротивлению. Транзистор же должен сочетать в себе оба свойства.  Значит для производства транзисторов необходимо полупроводниковое вещество, а кремний как раз является полупроводником.

Химические свойства кремния.

Кремний – элемент, чётвёртая группа, третий период в таблице элементов. Атомный номер 14. Формула кремния — [Si] 3s2 3p2. Определён как элемент, в 1811 г, а в 1834 г получил русское название «кремний», взамен прежнего «сицилий». Плавится при 1414º С, закипает при 2349º С. Молекулярным строением он напоминает алмаз, но уступает ему по твёрдости. Довольно хрупок, в нагретом состоянии (не менее 800º С) приобретает пластичность. Просвечивается инфракрасным излучением. Монокристаллический тип кремния обладает полупроводниковыми свойствами. По некоторым характеристикам атом кремния схож с атомарным строением углерода. Электроны кремния имеют такое же валентное число, как и при углеродном строении.

  Кристаллическая структура кремния

Шариками изображены атомы кремния, а трубки, их соединяющие, — это каналы ковалентной связи между атомами.

Ковалентные связи изображены парами линий, соединяющих атомы; на этих линиях находятся общие электронные пары. Каждый валентный электрон, расположенный на такой линии, большую часть времени проводит в пространстве между двумя соседними атомами.

Кремний не единственное полупроводниковое  на Земле – он даже не самый лучший полупроводник. Тем не менее, он широко доступен. После кислорода кремний наиболее распространённый в земной коре элемент. Однако он почти никогда не встречается в чистом виде. Наиболее часто в природе бывает силикат SiO4 или диоксид кремния SiO2. Но учёные нашли надёжный способ выводить из него упорядоченные кристаллы. Для кремния эти кристаллы являются тем же, чем бриллиант для алмаза.  Как раз построение идеальных кристаллов является одним их основных аспектов производства компьютерных чипов.

Есть ли у кремния «конкуренты»?

Полупроводники́ — материалы, по своей удельной проводимости занимающие промежуточное место между проводниками и диэлектриками, и отличающиеся от проводников сильной зависимостью удельной проводимости от концентрации примесей, температуры и воздействия различных видов излучения. Основным свойством полупроводников является увеличение электрической проводимости с ростом температуры.

Для создания полупроводниковых приборов часто используют кристаллы с примесной проводимостью. Такие кристаллы изготавливаются с помощью внесения примесей с атомами трехвалентного или пятивалентного химического элемента.

Почему нужны новые материалы и новые технологии?

Первый транзистор, созданный в 1947 году, едва умещался на ладони. Сейчас размер такого полупроводникового устройства в сотни раз меньше, чем кровяная клетка. Всё это время электронная промышленность развивалась по эмпирическому закону, сформулированному в 1965 году одним из основателей Intel Гордоном Муром. Согласно этому закону, число транзисторов в микросхеме должно было удваиваться каждые полтора-два года, что в свою очередь, обеспечивало бы повышение вычислительной мощности и снижение стоимости продукта при его массовом производстве. Возможность размещения множества компактных элементов на поверхности малого раз мера, оказалась решающим фактором для успешного продвижения микросхем. Производителям микросхем удается поддерживать этот рост плотности размещения транзисторов в микросхеме на протяжении десятков лет. Первый компьютерный микропроцессор корпорации Intel 4004, выпущенный в 1971 году, содержал 2300 транзисторов. В 1989 году в процессоре Intel 486 их было уже 1 200 000, а в 2000 году процессор Intel Pentium 4-преодолел рубеж в 42 миллиона. Новый четырехъядерный процессор Intel Core 2 Extreme, созданный на базе 45-нанометровой производственной технологии, содержит 320 миллионов транзисторов. 

Но вечно двигаться вперед такими темпами электронная промышленность не сможет. Уже сегодня толщина отдельных элементов транзистора сравнима с толщиной нескольких атомов. На этом уровне начинают действовать иные физические законы, поэтому в ближайшие годы разработчики кремниевых чипов на базе транзисторов столкнутся с серьезными проблемами.

Сейчас на элементы в кремниевом чипе еще действуют законы классической механики, но через несколько лет эти полупроводниковые устройства уменьшатся настолько, что происходящие в них процессы станут подчиняться законам квантовой механики. При этом начнет наблюдаться так называемый туннельный эффект: электроны будут неконтролируемо преодолевать слой затвора (изолятора, регулирующего поток электронов в транзисторе). На практике это означает возникновение вычислительных ошибок, превращения «О» в «1». Работа процессора станет невозможной.

Если рост быстродействия полупроводниковых микросхем прекратится, то покупатели будут менять технику только в случае ее поломки, а не морального устаревания. Производство новых моделей компьютеров, смартфонов, планшетов и других гаджетов в таких количествах, как сейчас, полностью утратит смысл. Это приведет к масштабному экономическому кризису, который затронет многие смежные отрасли. Вся сложившаяся за последние десятилетия культура непрерывной модернизации вычислительной техники быстро сойдет на нет.

Значит, переход на альтернативные материалы или принципиально новые технологии будет необходим.

Компьютеры будущего.

1.Использование технологии электролитографии  вместо обычной фотолитографии: требуемый рисунок чипа экспонируют не светом, а электронами на электрорезист. Электронный пучок фокусируется в точку минимального размера вплоть до 1 нм, но сегодня пока данный метод имеет низкую скорость.

3. Квантовый компьютер: действие основано на законах квантовой механики, поскольку имеет дело с мельчайшими частицами вещества – атомами, которые выполняют в нём функции ячеек памяти. Но сегодня прототипы очень дороги и громоздки.

4. Биокомпьютер (электронные устройства на основе органических материалов)

Сегодня органические транзисторы являются объектом ряда международных исследовательских программ и потенциально могут иметь широкое коммерческое применение. По сравнению с традиционными кремниевыми устройствами они стоят дешевле, многие процессы их изготовления выполняются при комнатных температурах, а используемая технология становится все проще. Низкая стоимость органических устройств также вызвана дешевизной используемых материалов, так как синтез полимеров в больших масштабах является менее затратным, чем выращивание кристаллов неорганических веществ. К тому же, органические вещества могут быть существенно проще в обработке и создании конечных устройств. Неоспоримым преимуществом является возможность создания прозрачных и гибких устройств.

Начиная с первого постулирования существования органических проводников в 1911 г. и со времени их открытия в 1954 г. успехи в их исследовании достигли того уровня, когда органические устройства все чаще появляются в коммерческих продуктах. В связи с низкой производительностью органические транзисторы пока не могут полностью заменить кремниевые, однако есть множество приложений.

Для того чтобы сделать органические полупроводники конкурентоспособными по отношению к неорганическим, должна быть, в частности, разработана быстрая, эффективная и точная технология их производства.

Вывод.

Необходимость изучения альтернативных кремнию материалов, разработки технологий промышленного производства процессоров на новой основе неоспорима. Считаю, что очень перспективно для обеспечения конкурентных преимуществ для нашей страны является дальнейшее развитие технологии углеродных трубок (перспективные характеристики, относительная простота производства). Особенно интересным считаю изучение электронных устройств на основе органических материалов.

Решение: углеродные трубки

На сегодня существуют два кандидата на роль материала для новых некремниевых транзисторов: углеродные нанотрубки. Углеродные нанотрубки — это большие молекулы, состоящие только из атомов углерода. В 1991 г. были открыты новые фуллерены, напоминающие длинные цилиндрические каркасные формы, — их назвали нанотрубками. В поперечном сечении их размер обычно составляет несколько нм, в то время как по длине они могут достигать гигантских размеров — вплоть до нескольких мм.
Структуру таких нанотрубок можно представить как графитовую плоскость (т.е. плоскость, в которой атомы углерода упакованы по типу графита), из которой вырезана длинная полоска, свернутая в цилиндр. Этот цилиндр и представляет собой углеродную нанотрубку. При определенной скрученности нанотрубка будет обладать электронной проводимостью по типу металлов. Во всех остальных случаях нанотрубки являются полупроводниками

Нанотрубки сушественно меньше, также производство нанотрубок химическим способом существенно дешевле современных технологий производства кремниевых микросхем. Первой компанией, изготовившей в 2001 г. транзистор на нанотрубках, стала IBM. С тех пор было разработано множество альтернативных схем транзисторов с нанотрубками. К примеру, в компании Samsung была создана схема транзистора с вертикальным расположением нанотрубок.

Решение: графен

Другим материалом, который исследуется в настоящее время, является графен. Графен — это, по сути, пленка углерода толщиной в один атом, имеющая строго упорядоченную гексагональную кристаллическую структуру. Таким образом, графен можно считать развернутой в плоскость одностенной нанотрубкой, или двумерным фуллереном, или же отдельно взятым атомарным слоем из множества таких слоев, составляющих кристалл графита.
Графен был открыт всего 4 года назад. Слой графита толщиной в один атом обладает рядом ценных свойств. Графен отличается высокой стабильностью, в т.ч. и при комнатной температуре, а также высокой тепло- и электропроводностью. Подвижность электронов в графене в 10—20 раз выше, чем в арсениде галлия. Графен позволит создать чипы, пригодные для работы на терагерцовых частотах. Хотя монослои графита обладают такой же подвижностью носителей зарядов при комнатной температуре, как и нанотрубки, однако из графена можно изготавливать чипы по обычной, отработанной годами планарной технологии. К тому же, благодаря двумерной структуре графена, управляющий ток может быть легко увеличен за счет изменения ширины проводящего канала.

Решение: биокомпьютер

Сегодня органические транзисторы являются объектом ряда международных исследовательских программ и потенциально могут иметь широкое коммерческое применение. По сравнению с традиционными кремниевыми устройствами они стоят дешевле, многие процессы их изготовления выполняются при комнатных температурах, а используемая технология становится все проще. Низкая стоимость органических устройств также вызвана дешевизной используемых материалов, так как синтез полимеров в больших масштабах является менее затратным, чем выращивание кристаллов неорганических веществ. К тому же, органические вещества могут быть существенно проще в обработке и создании конечных устройств. Неоспоримым преимуществом является возможность создания прозрачных и гибких устройств.

Начиная с первого постулирования существования органических проводников в 1911 г. и со времени их открытия в 1954 г. успехи в их исследовании достигли того уровня, когда органические устройства все чаще появляются в коммерческих продуктах. В связи с низкой производительностью органические транзисторы пока не могут полностью заменить кремниевые, однако есть множество приложений.

Для того чтобы сделать органические полупроводники конкурентоспособными по отношению к неорганическим,  должна быть, в частности,  разработана быстрая, эффективная и точная технология их производства.

Источники

http://vido.com.ua/article/12514/chto-takoie-kriemnii..

https://habrahabr.ru/company/intel/blog/110234/

http://www.popmech.ru/technologies/235636-pochemu-sam..

http://vse-o-kompyutere.ru/posle-kremniya-elektronika..

http://ichip.ru/kakoe-budushhee-zhdet-industriyu-proc..