Nyhet

Kjemper mot naturlovene for å lage nye prosessorer

Nå står bransjen foran tidenes utfordring.

Halvlederbransjen har hatt en fantastisk utvikling gjennom en rekke tiår, men det har hele tiden vært mørke skyer i horisonten, langt der fremme. Problemet er relatert til den evige kampen om å gjøre transistorene stadig mindre, for å holde tritt med Moores lov, og her har man innsett at fysikkens lover på sikt ville bli en skikkelig festbrems.

Går vi rundt 30 år tilbake var det vanlige en produksjonsteknikk på 1,5 mikrometer, altså 1500 nanometer, et tall som angir avstanden mellom transistorene i en krets. Det høres kanskje lite ut, men dette er rimelig stort når man snakker om halvlederelektronikk. Ti år senere, på begynnelsen av nittitallet, hadde industrien kommet seg ned på 600 nm. Dersom vi går enda ti år frem, eller ti år tilbake i forhold til i dag, så var det 130 og 90 nm som var gjeldende.

I dag er vi nede på 20-tallet, og etterfølgeren etter dagens Intel-prosessorer er planlagt produsert med 14 nm-teknologi. Vi har kommet ned på et nivå der ting er så smått at det kreves vanvittig mye av produksjonsutstyret, designen og råvarene som brukes, og enda vil IT-industrien lengre ned, noe som har skapt utfordringer.

Veggen prosessorindustrien snart vil møte er ikke at råmaterialet må ha en renhet på utrolige 99,999999 prosent, eller at hver transistor er usannsynlig liten, men snarere et spesielt UV-lys. Dette lyset spiller en sentral rolle i fabrikkasjonsprosessen for ulike former for databrikker og prosessorer.

Dette er et hinder som har vært kjent i lang tid, men som de fleste bare har regnet med at ville løse seg. I den siste tiden har det imidlertid blitt klart at dette ikke var så lett, og at det potensielt var en stor nøtt å knekke.

Midt i en produksjonsprosess

Før man står med en rykende varm prosessor i hånden, er det mange faser man må gjennom. Aller først må brikken designes, noe som gjøres av hele team med ingeniører, være seg hos AMD, Intel eller Nvidia. På dette punktet i prosessen er alt stort og oversiktlig, men det ferdige produktet har transistorer som er så små at de er klin umulige å se med det blotte øye. Flere milliarder transistorer skal klemmes inn i en liten brikke som bare er noen kvadratmillimeter stor.

Utsnitt av det som skal bli en enkel transistor. Det grå laget nederst er silisiumet, mens det blå laget er det lyssensitive materialet.Foto: Jørgen Elton Nilsen, Hardware.no

For å få designen til å bli et fysisk produkt må man aller først ha en wafer, som er en tynn plate av silisium. På denne platen påføres litt forskjellige materialer, som er nødvendige for at det skal kunne lages en halvledere på den. Øverst finner vi et lyssensitiv og fotoresistent materiale, det blå laget på bildet til høyre. Det er i forbindelse med dette laget at fysikkens lover har stukket kjepper i hjulene for prosessormakerne.

Waferen skal nemlig bli belyst med UV-stråler, via en maske der selve kretsen er tegnet. Selve masken er mange ganger større en selve kretsen, men det kjøres via en serie med linser som krymper det ned til elementer som er bare noen få nanometer store – en prosess som kjennes som fotolitografi.

Ved å fjerne restene av det lyssensitive laget sitter man igjen med den rene designen.Foto: Jørgen Elton Nilsen, Hardware.no
Først nå har det blitt en transistor.Foto: Jørgen Elton Nilsen, Hardware.no

Med UV-strålene er den intrikate kretsen nå «tegnet» på silisiumet. Når det har kommet en perfekt minikopi av den originale designen ned i det øverste fotoresistente laget, starter prosessen med å fjerne den delen av laget som ikke er en del av mønsteret. Dette blir vasket av, mens den delen som senere skal utgjøre kretsen vil sitte fast, som den lille blå stripen på bildet til høyre illustrerer. Produsenten, som Intel, har da en blåkopi av den originale kretsen «tegnet» på silisiummaterialet.

Bildene på høyre side har foruten det blå, lyssensitive laget, også to lag til. Det gule representerer Intels High-K-lag, mens det grønne laget er selve ione-laget. Ved en kjemisk prosess etser produsenten nå bort de delene av High-K-laget som ikke er dekket av det lyssensitive laget, samtidig som de fjerner siste rest av det lyssensitive laget. Resultatet er en ørliten transistor, som igjen er en del av en veldig mye større krets i en prosessorkjerne.

Hele denne prosessen er en imponerende skue:
Vi viser deg hvordan en prosessor lages »

Sliter med bølgelengder

Å lage prosessorer er en intrikat prosess som krever høy presisjon.Foto: ASML

UV-strålene som brukes for å overføre brikkedesignen til selve waferen har i dag en bølgelengde på 193 nm. Dette er langt høyere enn avstandene som brukes på selve waferen, som altså ligger på rundt 20 nm i dag.

Det er regnet med at en bølgelengde på 193 nm vil duge helt ned til en produksjonsteknikk på 10 nm. Det har fra prosessorprodusentenes side vært snakket om å gå ned til 10 nm allerede i 2015, og det betyr at det virkelig begynner å haste med å få en etterfølger.

Heldigvis har bransjen klart å peke ut noe som iallfall har potensialet til å ta over, i form av EUV, kort for «Extreme UV». Dette lyset har en bølgelengde helt nede på 13,5 nm. Produsentene regnet lenge med at utstyr som brukte en slike bølgelengde ville være på plass i god tid før det dagens utstyr ville skape problemer, men bransjen har hatt sine utfordringer.

Det er nemlig slettes ikke lett å produsere lys med en så lav bølgelengde. Dette er langt under det lyset som det menneskelige øyet kan se, som er begrenset til mellom 390 og 700 nm.

En reddende engel

Forskere hos ASML jobber med fremtidens produksjonsutstyr for prosessorer.Foto: ASML

I tolvte time kan det likevel se ut til at forskerne har funnet ut av problemet. Blant de som ser optimistisk på situasjonen er selskapet ASML. ASML utvikler produksjonsutstyr for hele bransjen, og har et helt kobbel av forskere i stallen. Ifølge dem er EUV særdeles innviklet, og så langt har de brukt enorme summer på utvikling, men insatsen har båret noen frukter.

De har nemlig allerede en prototype som greier EUV, med en effekt på 55 W. Problemet er bare at effekten må vesentlig høyere opp, til rundt 250 W, for at den skal være aktuell for produksjon av databrikker. Et slikt nivå regner ASML med at de kan greie innen 2015, og det er i grevens tid dersom bransjens ønsker om 10 nm-teknologi skal treffe markedet samtidig.

Utfordringer i kø

En av ASMLs fotolitografimaskiner, maskiner som tar unna prosessen der kretsen belyses.Foto: ASML

Ifølge ASML er det flere utfordringer med EUV, blant annet er fotonene i prosessen vanskelige å skape. Dagens prototype bruker to måter å skape de nødvendige fotonene på. Den første metoden er å fyre av en kraftig laser gjennom en ørliten dråpe med flytende tinn.

Alternativ nummer to er å sende en voldsom elektrisk lading gjennom en tinndamp. Begge deler skaper de nødvendige fotonene i EUV-prosessen, men spesielt energieffektive er de ikke.

De vanlige linsene som brukes i dagens maskiner kan heller ikke brukes, siden glassene i linsene er nok til å stoppe fotonene. For å løse det problemet har løsningen blitt å bruke speil, hele veien. Speilene må være ekstremt flate, ellers vil fotonene sendes avgårde i feil retning. For å sette det hele litt i perspektiv: Dersom et av speilene hadde vært så stort som Tyskland, kunne høydeforskjellen maksimalt vært på én millimeter.

Som om det ikke var nok har ASML andre utfordringer, nemlig luften vi puster og peser i hver dag. Helt vanlig luft vil nemlig stoppe fotonene, noe som gjør at ASML må montere hele maskineriet i vakum.

Selv om det er vel og bra med en fungerende prototype som gir en effekt på 55 W, så er ikke Intel helt fornøyde. Intel har uttalt at de trenger en effekt på én hel kW for at de skal ta i bruk EUV. ASML er på denne ballen, og jobber kontinuerlig med å få opp effekten – men veien er lang.

Intel har på sin side solide interesser i ASML, i fjor sommer kjøpte de seg tungt inn i teknologibedriften. I tillegg til en velvoksen aksjepost spyttet de også inn en milliard dollar til forskning og utvikling, for selskapet trenger virkelig at denne teknologien skal fungere.

Enn så lenge er altså Intel, og andre, nødt til å bruke det gamle UV-maskineriet. Det er likevel grep som kan gjøres for å bruke denne videre, men de er ikke optimale. Ved å bruke flere slike maskeringsmasker, og flere eksponeringer med UV-lys, vil man kunne få samme effekten som én kraftig eksponering. Utfordringen med flere masker er at disse må stå helt riktig i forhold til hverandre, ellers vil avbildningen bli feil, og det er ikke akkurat enkelt.

Hvorvidt Moores lov vil bestå for fremtiden gjenstår altså å se. For dette problemet er nemlig ikke den eneste utfordringen bransjen har. Når avstanden mellom transistorene går helt ned til og under 10 nm, står problemene på rekke og rad – som elektronlekkasje gjennom hver enkelt transistor. Akkurat dét problemet har de nye 3D-transistorene hjulpet på, men det er ikke sikkert at det alene vil være nok.

Men med det nye fremskrittet innen forskningen på UV-lys, er det iallfall ett lys i enden av tunnelen.

Transistorene som utvikles kan brukes til fantastiske ting:
Vi forklarer deg hvordan de mest avanserte skjermkortene fungerer »

Les også
Har laget ekstra rask brikke av «vidunderstoffet» grafén
Les også
Denne databrikken bruker «tenkende» transistorer
Les også
Nå er databrikker av grafén nærmere en realitet
Les også
Spår døden til prosessorenes viktigste lov
Les også
Googles kvante-datamaskin «godkjennes» av forskere
Les også
Intel Core i7 4770K «Haswell»: Vi tester Intels helt nye topprosessor – Haswell
Les også
Se Oculus Rift-spillbrillene bli plukket fra hverandre
Les også
Slik lages en prosessor
annonse