1. Появление тепловых транзисторов

Революционный тепловой транзистор, разработанный исследовательской группой Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе (UCLA), достиг прорывных технологических достижений. Он обладает беспрецедентным потенциалом в области проектирования на атомном уровне и молекулярной инженерии для управления температурным режимом компьютерных чипов.

Этот новый тип твердотельного теплового транзистора использует эффекты электрического поля для точного управления движением тепла внутри полупроводниковых компонентов. Он обладает беспрецедентным потенциалом в области проектирования на атомном уровне и молекулярной инженерии для управления температурным режимом компьютерных чипов, а также демонстрирует отличную совместимость с современными процессами производства полупроводников.

Этот транзистор достиг рекордной скорости переключения, превышающей 1 терагерц, и обеспечивает регулировку теплопроводности на 1300%, превосходя предыдущие ограничения в модуляции теплопроводности.

Для проверки этой технологии использовались самоорганизующиеся молекулярные интерфейсы для точной регулировки теплового сопротивления с помощью электрического поля, демонстрируя контроль над движением тепла.

Эта масштабируемая технологическая инновация не только знаменует собой значительный скачок в производстве и производительности чипов, но также обещает улучшить управление температурным режимом на молекулярном уровне, потенциально распространяясь на сферу живых клеток.

Техническую поддержку оказывают Исследовательский центр наноэлектроники Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе и CNSI, а также информационные ресурсы из отдела цифровых исследований и образования библиотеки Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе и экосистемы координации передовой сетевой инфраструктуры Института цифровых исследований и образования.

2. Модернизация машин EUV-литографии ASML.

В 2023 году ASML поставила Intel свой первый EUV-сканер с высокой числовой апертурой Twinscan EXE:5000. Совместная разработка этой машины началась в 2018 году. Intel планирует внедрить Twinscan EXE:5200 коммерческого уровня для крупносерийного производства в 2025 году.

Объектив с числовой апертурой 0.55 EUV-сканера с высокой числовой апертурой обеспечивает разрешение 8 нм, что имеет решающее значение для производства передовых чипов по техпроцессу 3 нм и выше. Будучи первой компанией, внедрившей это передовое оборудование, Intel получает стратегическое преимущество в установлении отраслевых стандартов, потенциально превосходя конкурентов Samsung и TSMC в будущем.

Сканер с высокой числовой апертурой обладает уникальными возможностями: размер луча уменьшен вдвое, что требует значительных инвестиций в инфраструктуру. Раннее внедрение этой новейшей технологии корпорацией Intel является важным подготовительным шагом к внедрению более передовых производственных технологий. ASML взяла на себя обязательство производить 20 EUV-сканеров с высокой числовой апертурой ежегодно к 2027–2028 годам, позиционируя эту технологию как краеугольный камень для будущих достижений. Intel стремится утвердиться в качестве лидера отрасли.

3. Чипы, разработанные искусственным интеллектом

В спорном исследовательском документе, опубликованном Google, говорится о значительных достижениях в области искусственного интеллекта для проектирования чипов, что вызвало шок в отрасли.

Google утверждает, что ее технология искусственного интеллекта ускорила планирование компоновки основных процессоров ее ИИ-чипа, выполнив задачу менее чем за шесть часов, что намного превосходит возможности экспертов-людей.

Чип TPU v5 вызвал споры. Google утверждает, что его цель — не заменить дизайнеров-людей, а продемонстрировать, что ИИ может сотрудничать в процессе проектирования чипов. (Американцы также обеспокоены тем, что ИИ отнимет у них рабочие места, а Google говорит, что они просто экспериментируют и на самом деле не будут его использовать. Вы им верите?)

Несмотря на скептицизм со стороны коллег-исследователей по поводу достоверности этого исследования и остающихся проблем, оно играет решающую роль в стимулировании технологических инноваций. Как только технология станет зрелой, индустрия проектирования микросхем будет подвергнута серьезной трансформации.

4. Технология обратного питания микросхем.

Intel осторожно представляет новую технологию PowerVia одновременно с запуском RibbonFET. PowerVia использует обратную подачу питания путем размещения силовых межсоединений в нижней части кристалла, что приводит к увеличению частоты на 6%, более компактной конструкции и снижению рассеиваемой мощности на 30%.

Испытания показывают, что увеличения стоимости и снижения надежности не происходит. Производственный процесс включает в себя наномасштабное сверление (TSV), соединение несущих пластин и установку силовых межсоединений в нижней части чипа. Несмотря на дополнительную сложность, Intel добилась экономии средств за счет оптимизации уровня M0 без межсоединений питания.

PowerVia была успешно интегрирована в производственный процесс Intel, открыв путь для узла 20 А с транзисторами RibbonFET в 2024 году. Это достижение позволит Intel потенциально превзойти конкурентов, таких как TSMC и Samsung, в нанолистовых транзисторах и подаче питания на обратной стороне.

5. Интегрированный лазерный чип

Интегральные схемы фотоники (PIC) нашли широкое применение в высокоскоростных оптических трансиверах и таких приложениях, как LIDAR. Однако интеграция лазеров в кремниевые фотонные чипы остается серьезной проблемой из-за ограниченной эффективности излучения кремния. Этими исследованиями руководит бельгийский исследовательский центр наноэлектроники Imec. В процессе, называемом соединением перевернутых кристаллов, лазерные кристаллы точно выравниваются с субмикронной точностью, переносятся и прикрепляются к пластинам кремниевой фотоники.

Процесс кремниевой фотоники на уровне пластины позволил достичь эффективности связи до 80%, а в некоторых примерах применения достиг удовлетворительных 60%. Это демонстрирует эффективность такого подхода.

Существуют различные методы переноса лазерных штампов. Одним из подходов является микротрансферная печать, при которой для быстрой сборки и соединения используются клеи или молекулярные связи. Этот метод очень ценен в сценариях с высокой пропускной способностью, когда необходимо интегрировать большое количество компонентов III-V. Соединение пластин — это еще один метод соединения материалов III-V с кремниевыми пластинами, позволяющий параллельно обрабатывать несколько устройств и обеспечивающий более высокую эффективность оптических интерфейсов.

Технология Imec представляет собой монолитную интеграцию, также известную как Nano Ridge Engineering (NRE), и представляет собой передовой подход. В этом методе используется ограничение траншей для ограничения дефектов с целью достижения бездефектного роста материалов III-V на кремнии.

Технология NRE компании Imec позволяет производить высококачественные фотодиоды на основе GaAs на линии по производству кремния длиной 300 мм.

Обработка Flip-chip обеспечивает простоту и гибкость, но ее последовательный характер ограничивает эффективность производства. Напротив, микротрансферная печать и соединение пластин, несмотря на более высокие затраты, демонстрируют более высокую пропускную способность и потенциал более низкой стоимости в приложениях, требующих нескольких лазеров на фотонную ИС. Монолитная интеграция, в частности NRE, представляет собой многообещающее направление, решая фундаментальную проблему бездефектного выращивания базовых компонентов непосредственно на кремнии. С распространением и развитием этого процесса он сможет лучше удовлетворять различные потребности приложений в области кремниевой фотоники.

6. Фотонный синтез

Исследователи из лаборатории Конгрива Стэнфордского университета разрабатывают фотохромную технологию, фокусируясь на преобразовании частоты с повышением частоты, которое преобразует два фотона с низкой энергией в один фотон с высокой энергией. Используя метод триплет-триплетной аннигиляции и используя триплетные сенсибилизирующие свойства тяжелых металлов, таких как палладий, иридий или платина, а также возбудимых материалов, таких как рубрен, команда успешно добилась эффективного излучения фотонов высокой энергии.

Этот процесс преобразует длину волны света в длину волны, которая может быть поглощена кремниевыми солнечными элементами, существенно изменяя цвет света (технология изменения цвета). Этот метод был применен для повышения эффективности солнечной энергии, потенциально увеличивая ее на 15-20%.

Кроме того, исследовательские эксперименты продемонстрировали возможности 3D-печати с технологией ап-конверсии, позволяющей точно отверждать смолу в определенных точках с помощью лазеров малой мощности. Это открывает новые возможности для аддитивного производства. Эти маломощные лазеры могут быстро и параллельно печатать объекты на наноуровне, преодолевая текущие ограничения точности печати.

Эта революционная технология не только решает проблемы в области солнечной энергии и 3D-печати, но также перспективна для различных приложений, включая визуализацию глубоких тканей, оптогенетику, системы ночного видения и решения для борьбы с подделками. Исследователи изучили возможность применения технологии преобразования частоты ближнего инфракрасного света с повышением частоты для визуализации глубоких тканей, оптогенетики и применения локализованных химических реакций в живых тканях.

Работа Лаборатории Конгрива демонстрирует разнообразный и преобразующий потенциал технологии повышения частоты в различных отраслях, отмечая только начало ее потенциального применения.

7. Микросхемный ускоритель электронов.

Физики из Университета Эрланген-Нюрнберг добились значительных успехов в создании электронных ускорителей размером с чип. Команда изготовила ускоритель на чипе с использованием диэлектрических материалов, создав канал шириной 225 нанометров и длиной 0.5 миллиметра. Используя точно синхронизированные импульсы инфракрасного лазера и 733 кремниевых столбика высотой 2 микрометра каждый, они смогли увеличить энергию электронов на впечатляющие 43%.

Это представляет собой значительный шаг вперед в области физики ускорителей. Нанофотонные ускорители электронов могут быть созданы с использованием стандартных методов чистых помещений, таких как электронно-лучевая литография. Исследователи стремятся разработать компактные ускорители для изучения их применения в синхротронных источниках света, лазерах на свободных электронах и поиске легкой темной материи.

8. Новые материалы для быстродействующих полупроводников.

Ученые обнаружили, как утверждается, самый быстрый и эффективный полупроводниковый материал на сегодняшний день — Re6Se8Cl2. Этот материал состоит из рения, селена и хлора, образующих кластеры, известные как «суператомы». Эти суператомы создают уникальную структуру, в которой связанные экситоны (пары электрон-дырка) взаимодействуют с фононами, а не с состояниями рассеяния, в результате чего образуются новые квазичастицы, называемые акустическими экситон-поляронами.

Вот некоторые ключевые характеристики этого нового суперполупроводника:

★ Re6Se8Cl2 демонстрирует устойчивое баллистическое движение экситонов при комнатной температуре, причем скорость движения акустических экситон-поляронов в два раза превышает скорость движения электронов в кремнии.

★ В отличие от традиционных полупроводников, в которых электроны рассеиваются на короткие расстояния, экситон-поляроны в Re6Se8Cl2 преодолевают расстояние в несколько микрометров за наносекунды, демонстрируя исключительную скорость.

★ Этот полупроводник работает на основе управления светом, а не электрическим током, достигая скорости обработки в фемтосекундном диапазоне, что значительно быстрее, чем доступные в настоящее время электронные устройства гигагерцового диапазона.

★ Re6Se8Cl2 — материал Ван-дер-Ваальса, принадлежащий к семейству сверхатомных полупроводников. Однако рений — редкий элемент, поэтому исследователи ищут альтернативные материалы с аналогичными свойствами.

★ Акустические экситон-поляроны предлагают новый метод достижения передачи энергии на большие расстояния в нетрадиционных материалах, расширяя их применение за пределы традиционного использования полупроводников.

★ Использование экситонов вместо электронов может служить эффективными фотодетекторами или найти применение в вычислительной технике для повышения энергоэффективности и производительности. Потенциальные устройства включают в себя «баллистические транзисторы».

Исследователи подчеркивают, что, хотя экситоны переносят информацию и энергию, как электроны, они могут быть несовместимы напрямую с современным оборудованием полупроводниковой промышленности. Эти открытия открывают новые возможности для разработки современных полупроводниковых устройств с уникальными функциональными возможностями.

Здесь много новых концепций, поэтому давайте добавим некоторые пояснения:

Экситоны

Экситон — это квазичастица, используемая в физике твердого тела для описания системы, в которой электрон и дырка (положительно заряженная вакансия) взаимодействуют посредством кулоновских сил внутри кристаллического материала.

фононы

Фонон — это квантованная единица колебаний решетки, представляющая наименьший квант энергии, связанный с нормальной модой колебаний кристаллической решетки, как описано в квантовой механике.

Суператомы

Суператомы — это стабильные структурные единицы, состоящие из нескольких атомов, обладающие свойствами, аналогичными свойствам отдельных атомов. Их физические и химические свойства изменяются в зависимости от количества составляющих их атомов, их структуры и состава.

Квазичастицы

Квазичастица — это новое состояние, подобное частице, которое временно формируется при определенных условиях в результате взаимодействий и проявляет коллективные свойства, отличные от обычных фундаментальных частиц. Например, в сверхпроводниках взаимодействие между электронами и фононами может образовывать куперовские пары, которые представляют собой заряженные бозоны, действующие аналогично обычным электронам внутри сверхпроводника. Таким образом, куперовские пары можно считать квазичастицами.

9. Проблемы устойчивого развития в полупроводниках: нитрид галлия против карбида кремния.

Благодаря преимуществам полупроводников из нитрида галлия (GaN) и карбида кремния (SiC) по сравнению с традиционной кремниевой технологией, область силовой электроники претерпевает значительную трансформацию. Примерно в 2001 году составные полупроводники на основе GaN вызвали революционные изменения в светотехнической промышленности, быстро захватив более 50% мирового рынка светодиодного освещения на основе GaN. Этот сдвиг не только снизил потребление электроэнергии для освещения на 30–40 %, но и заложил основу для более широких революционных изменений в силовой электронике. GaN и SiC вносят значительный вклад в замену кремния в критически важных приложениях силовой электроники благодаря своей превосходной эффективности и функциональности. Эти материалы сокращают потери энергии и приносят существенную пользу для окружающей среды.

Эти новые технологические достижения, формируя полупроводниковую промышленность, также определяют траекторию ее развития на ближайшие годы. Поскольку границы технологий постоянно расширяются, единственной константой являются неустанные инновации.