Если рассматривать тенденции развития электроники именно с физико-технологической точки зрения, то фокус смещается с потребительских применений на фундаментальные ограничения и инженерные методы их преодоления. Здесь ключевыми становятся три аспекта: масштабирование, материалы и архитектура.
1. Преодоление физических пределов кремниевой CMOS-технологии
Классическое масштабирование транзисторов по закону Мура упирается в фундаментальные физические барьеры:
Туннелирование носителей
При толщине затвора в несколько атомов возникает квантовое туннелирование электронов через закрытый транзистор, что приводит к утечкам тока и росту энергопотребления.
Пробой диэлектриков
Ультратонкие слои оксида кремния (SiO₂) не выдерживают высоких напряжений и разрушаются.
Квантовые ограничения
В наномасштабах электроны ведут себя как волны, а не как частицы, что нарушает работу классических моделей транзисторов.
Технологические ответы на эти вызовы:
High-κ/Metal Gate (HKMG)
Замена диэлектрика SiO₂ (с низкой диэлектрической проницаемостью κ) на материалы с высокой κ (например, гафний (HfO₂)). Это позволяет использовать физически более толстый слой диэлектрика с теми же электрическими характеристиками, резко снижая токи утечки.
FinFET (3D-транзистор) и Fully Depleted Silicon on Insulator (FD-SOI)
FinFET: Замена плоского затвора на трехмерную структуру ("плавник"), которая окружает канал с трех сторон. Это обеспечивает лучший контроль над каналом, подавляя короткоканальные эффекты.
FD-SOI: Использование ультратонкого слоя кремния на изолирующей подложке (как правило, из сапфира или кремния с диоксидом кремния). Это также улучшает контроль над каналом и drastically снижает утечки.
Нанолистые транзисторы (Nanosheet / GAA-FET)
Следующий эволюционный шаг после FinFET. Канал транзистора формируется в виде нескольких stacked silicon nanosheets, окруженных затвором со всех четырех сторон (Gate-All-Around). Это максимально возможный контроль над каналом на сегодня, что позволяет масштабировать технологию до 2 нм и ниже.
2. Новые архитектуры и парадигмы вычислений
Когда увеличение тактовой частоты и числа транзисторов стало энергетически невыгодным, акцент сместился на специализацию.
Гетерогенная интеграция (Chiplets)
Вместо создания одного гигантского кристалла ("монолита") несколько небольших чипов (чиплетов), изготовленных по оптимальным для их задач технологическим процессам, соединяются в единой подложке (интерпозере) с помощью технологий Si-Interposer, Foveros (Intel), CoWoS (TSMC), X-Cube (Samsung). Это решает проблемы стоимости, выхода годных кристаллов и позволяет комбинировать, например, логику 5 нм с памятью 7 нм и аналоговыми блоками 28 нм.
Фотоника (Silicon Photonics)
Использование фотонов вместо электронов для передачи данных внутри и между чипами. Медные соединения становятся "бутылочным горлышком" с точки зрения скорости и энергопотребления. Интеграция оптических модуляторов, детекторов и волноводов на кремниевую подложку сулит колоссальный рост пропускной способности (например, для ИИ-ускорителей и центров обработки данных) при резком снижении энергозатрат.
Нейроморфные вычисления
Отказ от архитектуры фон Неймана. Создание чипов, архитектура которых имитирует структуру мозга (нейроны и синапсы). Это позволяет drastically повысить энергоэффективность для задач распознавания образов и работы с нечеткими данными. Пример: чип Loihi от Intel.
Квантовые вычисления
Хотя это отдельная область, ее развитие напрямую зависит от прогресса в "классической" электронике. Управление кубитами требует создания специализированных криогенных CMOS-чипов (cryo-CMOS), работающих при температурах, близких к абсолютному нулю, для считывания и контроля состояний кубитов.
3. Расширение номенклатуры материалов (More than Moore)
Развитие идет не только по пути уменьшения размеров ("More Moore"), но и по пути добавления новых функций на чип ("More than Moore").
Соединения A³B⁵ (например, GaAs, GaN, InP)
Используются в ВЧ-электронике (5G, радары) и для мощных силовых приборов благодаря высокой скорости электронов и широкой запрещенной зоне.
Карбид кремния (SiC) и нитрид галлия (GaN)
Материалы с широкой запрещенной зоной (WBG), которые революционизируют силовую электронику. Позволяют создавать преобразователи энергии с КПД >99%, работающие на высоких частотах и температурах (электромобили, зарядные устройства, промышленные инверторы).
2D-материалы
Графен и особенно дихалькогениды переходных металлов (например, MoS₂). Это ультратонкие (монослойные) материалы с превосходными электронными свойствами. Рассматриваются как потенциальная замена кремнию в канале транзистора в пост-кремниевую эру, так как они позволяют создавать сверхтонкие каналы без ухудшения характеристик.
Сегнетоэлектрикие материалы (например, HfZrO₂)
Обладают спонтанной поляризацией, которую можно переключать электрическим полем. Интеграция этих материалов в затвор транзистора позволяет создавать энергонезависимую память (FeRAM) и транзисторы с отрицательной дифференциальной емкостью (Negative Capacitance FET), которые могут преодолеть фундаментальный предел 60 мВ/дек на подделку напряжения.
4. Передовые методы литографии
Без прогресса в литографии ни одно из вышеперечисленного было бы невозможно.
EUV-литография (Extreme Ultraviolet Lithography)
Использование излучения с длиной волны 13.5 нм. Это ключевая технология для создания структур размером менее 7 нм. Процесс невероятно сложен: для генерации излучения используется лазерная плазма, а вся оптическая система работает в вакууме и использует multilayer зеркала (а не линзы).
Наноимпринтная литография и Directed Self-Assembly (DSA)
Альтернативные, потенциально более дешевые методы создания наноструктур для специфических применений.
Итог
Современная электроника — это не просто "уменьшение транзисторов". Это комплексная революция, включающая:
1. Переход к 3D-структурам
Транзисторы, чиплеты.
2. Введение новых материалов
High-κ, SiC, GaN, 2D-материалы.
3. Использование новых физических принципов
Фотоника, сегнетоэлектричество.
4. Разработка радикально новых архитектур
Нейроморфные, квантовые системы.
5. Овладение экстремальными технологиями
EUV-литография.
