Trots kondigt Intel aan dat ze een chip met nog kleinere structuren en bovendien 3D-transistoren in massaproductie gaat nemen. Die derde dimensie is wat oppervlakkig, maar de wet van Moore blijft nog even geldig.
In de tweede helft van dit jaar wil Intel chips met 22-nanometer-technologie gaan produceren. Voor een geringer energieverbruik en betere prestaties hebben ingenieurs van het bedrijf de 3D-Tri-Gate-transistor ontworpen, die sneller schakelt en minder energie gebruikt. Een belangrijke stap, zegt prof dr Jurriaan Schmitz van de Universiteit Twente. Geld voor de investering had Intel – er is sprake van acht miljard dollar – en nu vertrouwt Intel blijkbaar ook op de reproduceerbaarheid. Bij massaproductie op siliciumwafers, met een diameter van dertig centimeter, kunnen ze in ieder hoekje deze kleine driedimensionale structuren bouwen.
Een driedimensionale chip is het nieuwe ontwerp niet. Dat zou ook leiden tot veel te veel problemen met de afvoer van warmte. Een tegel heeft meer oppervlak per inhoud dan een kubus, en staat dus gemakkelijker warmte af. De derde dimensie die Intel noemt, heeft vooral betrekking op het geleidende kanaal tussen source en drain, dat als een vin in de gate-elektrode steekt. Drie van dergelijke vinnen liggen parallel naast elkaar.
‘Ik probeer robots te ontwikkelen die ook echt een nieuwe stap maken’
Hoe werkt vliegen? Dat lijkt een simpele vraag, maar voor luchtvaarttechnicus en bioloog David Lentink is het een levenslange zoektocht.
In de huidige generatie chips met structuren van 32 nanometer bevindt zich tussen source en drain een vlak plaatje silicium waarvan de weerstand regelbaar is. Daar bovenop ligt de vlakke gate-elektrode. Die schakelt in dat plaatje de geleiding tussen source en drain. In de nieuwe 22-nanometer-transistor is het plaatje vervangen door een richel, waardoor nu aan drie kanten geleiding kan optreden. ‘Met invloed van drie kanten valt nu veel beter het gedrag van de transistor te beïnvloeden’, legt Schmitz uit. ‘De transistor gaat beter aan én beter uit.’
Het is lastig om met lithografie verticale structuren te maken, al snel ontstaan er taps lopende structuren en verschillen in hoogte. Die technische uitdaging lijkt Intel te hebben overwonnen. Het idee stamde al uit de jaren tachtig, vertelt Schmitz, maar er was toen nog geen aanleiding voor inpassing daarvan. De ’platte‘ transistoren miniaturiseren was in die tijd een eenvoudigere manier om de prestaties (zoals de klokfrequentie van de chip) te verbeteren. Aan die wedloop is enkele jaren geleden vrij geruisloos een eind gekomen, de grenzen waren bereikt en in plaats van hogere klokfrequenties gingen chipmakers over op meerdere processorkernen in een chip.
Stroomlekkage
De laatste grote doorbraak bij Intel was in 2007 het vervangen van de materialen van de gate-elektrode. De nu driedimensionale vinnen vormen de volgende stap. ‘Die leveren meer pep in het circuit’, aldus Schmitz. Grafieken die het gemeten gedrag van de transistoren beschrijven, tonen aan dat als de transistor uit staat, er nauwelijks meer stroomlekkage is. Minder benodigde spanning, geringer energieverbruik, snellere schakelsnelheid – de 22-nanometer-microprocessoren herbergen met het nieuwe transistor-ontwerp drie belangrijke verbeteringen. En met meer vinnen per transistor, kan die transistor ook meer stroom schakelen en beter presteren.
Dergelijke transistoren kunnen in principe ook zeer interessant zijn voor toepassing in allerlei mobiele toepassingen, waar noodgedwongen met weinig vermogen moet worden gewerkt en de gebruiker steeds grotere prestaties verwacht. Vermoedelijk zijn de rekenkernen in desktops, notebooks en krachtige computers het eerst aan de beurt. Die zijn immers core business voor Intel. Dit najaar moet de massaproductie van de 22-nanometer-processoren van start gaan. Ondertussen werkt Intel al aan de volgende stap, met structuren die 14 nanometer breed zijn.
Erick Vermeulen
