더 하이

왼쪽부터: 45나노미터 마이크로프로세서 웨이퍼를 들고 있는 Intel의 Ghani, Mistry, Chau, Bohr

이 글을 읽으면서, Intel의 가장 발전된 공장 중 두 곳은 올해가 가기 전에 라인 가동을 시작할 예정인 코드명 Penryn인 최신 Core 2 마이크로프로세서의 상업적 생산을 준비하고 있습니다. 최신 45나노미터 CMOS 프로세스 기술을 기반으로 하는 이 칩은 이전 65나노미터 프로세스 세대로 제작된 마이크로프로세서보다 더 많은 트랜지스터를 가지며 더 빠르고 발열이 적습니다. 컴퓨팅 집약적인 음악, 비디오 및 게임 애플리케이션의 경우 사용자는 현재 사용 중인 최고의 칩에 비해 성능이 크게 향상되는 것을 확인할 수 있습니다.

환영할 만한 발전이지만 큰 뉴스는 아닙니다. 그렇죠? 결국 칩의 트랜지스터 밀도는 무어의 법칙에 의해 예측된 것처럼 40년 이상 주기적으로 두 배로 증가해 왔습니다. 초기 Penryn 칩은 4억 개 이상의 트랜지스터를 갖춘 듀얼 코어 프로세서 또는 8억 개 이상의 트랜지스터를 갖춘 쿼드 코어 프로세서가 될 것입니다. 여러분은 이 칩이 무어의 법칙의 거침없는 행진에서 또 다른 체크포인트 외에는 아무것도 나타내지 않는다고 생각할 수도 있습니다.

하지만 당신은 틀렸을 것입니다. 칩은 게이트 스택이라고 불리는 칩에 극미량 트랜지스터의 핵심 구성 요소를 구성하는 방식에 큰 혁신이 없었다면 불가능했을 것입니다. 우리가 극복해야 했던 기본적인 문제는 몇 년 전에는 원자가 부족했다는 것이었습니다. 문자 그대로.

무어의 법칙 곡선을 유지하려면 24개월마다 트랜지스터 크기를 절반으로 줄여야 합니다. 물리학에서는 이러한 트랜지스터의 가장 작은 부분을 0.7배로 줄여야 한다고 규정합니다. 하지만 더 이상 축소할 수 없는 트랜지스터의 중요한 부분이 하나 있습니다. 트랜지스터가 켜져 있을 때 전류가 흐르는 채널로부터 트랜지스터의 게이트를 전기적으로 분리하는 이산화규소(SiO2) 절연체의 얇은 층입니다. 그 절연층은 새로운 세대가 나올 때마다 1990년대 중반 이후에만 약 10배 정도 얇아지고 줄어들었습니다. 펜린보다 2세대 앞서, 그 단열재의 두께는 원자 5개도 안 되는 두께였습니다.

우리는 10분의 1나노미터도 더 줄일 수 없었습니다. 단일 실리콘 원자의 직경은 0.26nm입니다. 더 중요한 것은 5개의 원자 두께에서는 절연이 이미 문제가 되어 전자가 비처럼 흐르게 함으로써 전력을 낭비한다는 것입니다. 획기적인 혁신이 없었다면 반도체 산업은 메모리, 마이크로프로세서 및 기타 칩에서 주기적으로 기하급수적인 성능 향상이 이루어지는 무어의 법칙 시대를 종식시키는 오랫동안 기다려온 극복할 수 없는 문제인 두려운 '쇼스토퍼'에 직면할 위험에 처해 있었습니다. 그것과 함께 갔다.

이 최신 위기에 대한 해결책은 더 나은 전기적 특성을 제공하기 위해 더 많은 원자를 사용하여 절연체를 두껍게 만드는 것이었습니다. 이 새로운 절연체는 지난 4년 동안 첨단 칩을 괴롭혔던 전력을 빨아들이는 전자의 우박을 멈출 만큼 충분히 잘 작동합니다. 가까운 미래에 무어의 법칙이 무너진다면 이는 부적절한 게이트 절연 때문이 아닐 것입니다. 무어의 법칙으로 유명한 Intel 공동 창립자 Gordon Moore는 이 최신 세대의 칩을 도입하면서 우리가 변경한 사항을 1960년대 후반 이후 "트랜지스터 기술의 가장 큰 변화"라고 불렀습니다.

새로운 절연체를 찾는 것이 어려웠지만 그것은 절반에 불과했습니다. 절연체의 핵심은 트랜지스터의 실리콘 게이트를 장치의 나머지 부분과 분리하는 것입니다. 문제는 실리콘 게이트가 새로운 절연체 재료와 작동하지 않았다는 것입니다. 이를 사용하여 만든 초기 트랜지스터는 기존 트랜지스터보다 성능이 나빴습니다. 대답은 혼합물에 또 다른 새로운 재료를 추가하여 실리콘 게이트를 금속으로 만든 게이트로 교체하는 것이었습니다.

트랜지스터에 사용되는 재료를 바꾸는 것은 그다지 큰 일처럼 보이지 않을 수도 있지만 실제로는 그랬습니다. 업계는 몇 년 전 알루미늄 인터커넥트에서 구리 인터커넥트로 전환하고 동시에 해당 인터커넥트의 SiO2 클래딩에서 화학적으로 유사한 "low-k" 유전체로 전환하면서 큰 격변을 겪었습니다. 그리고 그러한 변화는 트랜지스터 자체와는 아무런 관련이 없습니다. 트랜지스터 구성에 대한 근본적인 변화는 거의 들어본 적이 없습니다. 게이트와 절연체의 조합인 게이트 스택은 Moore, Andrew S. Grove 및 다른 사람들이 1969년 10월에 이 잡지에서 설명한 이후 크게 변하지 않았습니다!