В течение десятилетий транзисторы — сердце компьютерных микросхем — становились все меньше и меньше. В результате электронные компоненты многих устройств можно сделать еще компактнее, быстрее и мощнее. Но останавливается ли это развитие естественным путем? Чем меньше компоненты, тем больше опасность того, что отдельные дефекты в атомарной структуре существенно изменят поведение компонента. Это относится как к устоявшейся кремниевой технологии, так и к новым нанотехнологиям, основанным на двумерных материалах.

В Венском технологическом университете (TU Wien) была проделана интенсивная работа по физическому описанию этой проблемы на транзисторном уровне. Теперь исследователи идут еще дальше и рассматривают влияние дефектов на уровне электронных схем, которые иногда состоят из нескольких, а иногда и миллиардов транзисторов. В некоторых случаях отдельные транзисторы могут работать за пределами желаемой спецификации, но при этом хорошо работать в составе схемы, состоящей из нескольких транзисторов. С этим новым подходом на уровне схемы все еще возможен значительный прогресс в миниатюризации.

Исследование опубликовано в журнале Advanced Materials.

Меньшие компоненты, большие ошибки

«Сегодня самые маленькие транзисторы имеют размер всего несколько нанометров, — говорит Майкл Уолтл из Института микроэлектроники Технического университета Вены. «Итак, человек продвинулся до атомного масштаба». Но транзисторы никогда не бывают идеальными на атомном уровне: иногда атом может находиться не в том месте, а иногда связь между двумя разными кристаллами не совсем точна.

«В более крупных компонентах такие ошибки не играют такой доминирующей [роли]. Но с крошечными транзисторами порядка нескольких нанометров даже один дефект может привести к тому, что характеристические кривые транзистора будут далеко за пределами указанного диапазона допустимых значений. Таким образом, он считается непригодным для использования», — продолжает Уолтл.

Влияние дефектов материалов в электронных компонентах обычно регистрируется в промышленности статистически: производятся и измеряются десятки тысяч транзисторов. Основываясь на определенной таким образом изменчивости, можно затем рассчитать, пригодны ли эти транзисторы к использованию или необходимо скорректировать геометрию или производственный процесс и уменьшить количество дефектов. В худшем случае пришлось бы, например, увеличить площадь чипа. Это может повредить производительности чипа и увеличить его цену.

«Просто искать транзисторы со свойствами за пределами желаемого диапазона параметров — слишком упрощенное представление», — говорит Уолтл. «Ведь транзисторы соединены в электронную схему — например, инвертор, инвертирующий сигнал, или память, состоящая из шести транзисторов. Интересен вопрос не в том, соответствует ли отдельный транзистор определенным абстрактным критериям, когда неисправности возникают на атомном уровне , но правильно ли ведет себя вся схема.»

Группа специалистов по микроэлектронике Технического университета Вены подошла к этому вопросу, сочетая эксперименты и компьютерное моделирование . Были исследованы многочисленные электронные компоненты, и на основе результатов были созданы сложные компьютерные модели.

Точные компьютерные модели позволяют проектировать надежные схемы

Оказывается, даже транзисторы с ошибками не обязательно бесполезны. « Отказоустойчивость зависит от схемы, что следует учитывать при проектировании схем», — говорит Уолтл. «Может быть, например, что транзистор должен иметь особенно малую неисправность в определенной точке электронной схемы, но допуски больше для другого транзистора в той же схеме». В таком случае можно использовать два разных типа транзисторов, чтобы схема надежно выполняла свою задачу.

«Наши результаты применимы к кремниевым транзисторам и новым двумерным полупроводникам», — поясняет Уолтл. «Какую бы технологию вы ни хотели использовать для создания следующего поколения микросхем с еще меньшими компонентами: в любом случае эффект неизбежных ошибок следует не только описывать эмпирически, как это было до сих пор, но следует прибегать к передовым физические вычислительные модели для имитации отдельных цепей или целых цепей, чтобы максимально использовать новые возможности».