Berta Sándor
Robusztusabb chipek készíthetők
Ha hibás egy tranzisztor, attól a teljes áramkör még nem feltétlenül használhatatlan.
A tranzisztorok évtizedek óta egyre kisebbek. Ennek eredményeképpen számos eszköz elektronikus alkatrészeit egyre kompaktabbá, gyorsabbá és erősebbé lehet tenni. De vajon ez a fejlődés természetes módon megáll? Minél kisebbek az alkatrészek, annál nagyobb a veszélye annak, hogy az egyes hibák jelentősen megváltoztatják a komponensek viselkedését. Ez vonatkozik a bevált szilíciumtechnológiára, de a 2D anyagokon alapuló új nanotechnológiákra is.
A Bécsi Műszaki Egyetem szakemberei a hibák hatását vizsgálják az elektronikus áramkörök szintjén, amelyek néha akár több milliárd tranzisztorból állnak. Egyes esetekben lehetséges, hogy az egyes tranzisztorok a kívánt specifikáción kívül működnek, de egy több tranzisztorból álló áramkör részeként mégis jól teljesítenek. Ezzel az új, áramköri szintű megközelítéssel a miniatürizálás terén még mindig nagy előrelépés lehetséges.
"A legkisebb tranzisztorok ma már csak néhány nanométeresek, tehát az ember eljutott az atomi léptékig. A tranzisztorok azonban atomi szinten sosem tökéletesek: néha egy atom rossz helyen van, néha két különböző kristály közötti kapcsolat nem egészen precíz. A nagyobb alkatrészeknél az ilyen hibák nem játszanak olyan meghatározó szerepet, amíg nem fordulnak elő túl gyakran. A néhány nanométeres nagyságrendű, apró tranzisztorok esetében azonban akár egyetlen hiba is azt okozhatja, hogy a tranzisztor jelleggörbéi messze kívül esnek a megadott tűréshatáron, ezért használhatatlannak minősülnek" - mondta Michael Waltl, a Bécsi Műszaki Egyetem Mikroelektronikai Intézetének munkatársa.
Az elektronikai alkatrészek anyaghibáinak hatását az iparban statisztikailag rögzítik: több tízezer tranzisztort gyártanak és mérnek. Az így meghatározott variabilitás alapján számítják ki, hogy a végtermék használható-e, vagy módosítani kell a geometriát vagy a gyártási folyamatot és csökkenteni kell a hibák számát. A legrosszabb esetben növelni kell a chip területét - ez negatív hatással lehet a teljesítményre és a chip árára.
"A kívánt paramétertartományon kívüli tulajdonságokkal rendelkező tranzisztorok kizárólagos keresése valójában egy túlságosan leegyszerűsített szemlélet. A tranzisztorok végülis egy elektronikus áramkört alkotnak, például egy jelet invertáló invertert vagy egy hat tranzisztorból álló memóriát. A döntő kérdés nem az, hogy egy-egy tranzisztor megfelel-e bizonyos absztrakt kritériumoknak, amikor a hibák atomi szinten jelentkeznek, hanem az, hogy az egész áramkör helyesen viselkedik-e" - mutatott rá a kutató.
A Bécsi Műszaki Egyetem mikroelektronikai csoportja a kérdést kísérletek és számítógépes szimulációk kombinációjával közelítette meg: a szakemberek számos elektronikus alkatrészt vizsgáltak meg és az eredmények alapján bonyolult számítógépes modelleket készítettek. Kiderült, hogy még a hibás tranzisztorok sem feltétlenül használhatatlanok.
"A hibatűrés az áramkörtől függ - és ezt mindenképpen figyelembe kell venni az áramkörök tervezésekor. Előfordulhat például, hogy a tranzisztornak az elektronikus áramkör egy nagyon speciális pontján különösen hibamentesen kell működnie, de ugyanabban az áramkörben egy másik tranzisztor esetében nagyobbak a tűréshatárok. Ilyen esetben két különböző típusú tranzisztort lehetne használni, hogy az áramkör végül megbízhatóan teljesítse feladatát. Az eredményeink a szilícium tranzisztorokra és az újszerű 2D félvezetőkre egyaránt vonatkoznak. Bármilyen technológiával is akarják megvalósítani a chipek következő generációját, még kisebb alkatrészekkel: az elkerülhetetlen hibák hatását nem csak empirikusan kellene leírni, mint eddig, hanem fizikai számítási modellekhez kellene folyamodni, hogy részleges áramköröket vagy teljes áramköröket szimuláljunk, hogy az új lehetőségekből a legjobbat hozzuk ki" - szögezte le végül Michael Waltl.
A tranzisztorok évtizedek óta egyre kisebbek. Ennek eredményeképpen számos eszköz elektronikus alkatrészeit egyre kompaktabbá, gyorsabbá és erősebbé lehet tenni. De vajon ez a fejlődés természetes módon megáll? Minél kisebbek az alkatrészek, annál nagyobb a veszélye annak, hogy az egyes hibák jelentősen megváltoztatják a komponensek viselkedését. Ez vonatkozik a bevált szilíciumtechnológiára, de a 2D anyagokon alapuló új nanotechnológiákra is.
A Bécsi Műszaki Egyetem szakemberei a hibák hatását vizsgálják az elektronikus áramkörök szintjén, amelyek néha akár több milliárd tranzisztorból állnak. Egyes esetekben lehetséges, hogy az egyes tranzisztorok a kívánt specifikáción kívül működnek, de egy több tranzisztorból álló áramkör részeként mégis jól teljesítenek. Ezzel az új, áramköri szintű megközelítéssel a miniatürizálás terén még mindig nagy előrelépés lehetséges.
"A legkisebb tranzisztorok ma már csak néhány nanométeresek, tehát az ember eljutott az atomi léptékig. A tranzisztorok azonban atomi szinten sosem tökéletesek: néha egy atom rossz helyen van, néha két különböző kristály közötti kapcsolat nem egészen precíz. A nagyobb alkatrészeknél az ilyen hibák nem játszanak olyan meghatározó szerepet, amíg nem fordulnak elő túl gyakran. A néhány nanométeres nagyságrendű, apró tranzisztorok esetében azonban akár egyetlen hiba is azt okozhatja, hogy a tranzisztor jelleggörbéi messze kívül esnek a megadott tűréshatáron, ezért használhatatlannak minősülnek" - mondta Michael Waltl, a Bécsi Műszaki Egyetem Mikroelektronikai Intézetének munkatársa.
Az elektronikai alkatrészek anyaghibáinak hatását az iparban statisztikailag rögzítik: több tízezer tranzisztort gyártanak és mérnek. Az így meghatározott variabilitás alapján számítják ki, hogy a végtermék használható-e, vagy módosítani kell a geometriát vagy a gyártási folyamatot és csökkenteni kell a hibák számát. A legrosszabb esetben növelni kell a chip területét - ez negatív hatással lehet a teljesítményre és a chip árára.
"A kívánt paramétertartományon kívüli tulajdonságokkal rendelkező tranzisztorok kizárólagos keresése valójában egy túlságosan leegyszerűsített szemlélet. A tranzisztorok végülis egy elektronikus áramkört alkotnak, például egy jelet invertáló invertert vagy egy hat tranzisztorból álló memóriát. A döntő kérdés nem az, hogy egy-egy tranzisztor megfelel-e bizonyos absztrakt kritériumoknak, amikor a hibák atomi szinten jelentkeznek, hanem az, hogy az egész áramkör helyesen viselkedik-e" - mutatott rá a kutató.
A Bécsi Műszaki Egyetem mikroelektronikai csoportja a kérdést kísérletek és számítógépes szimulációk kombinációjával közelítette meg: a szakemberek számos elektronikus alkatrészt vizsgáltak meg és az eredmények alapján bonyolult számítógépes modelleket készítettek. Kiderült, hogy még a hibás tranzisztorok sem feltétlenül használhatatlanok.
"A hibatűrés az áramkörtől függ - és ezt mindenképpen figyelembe kell venni az áramkörök tervezésekor. Előfordulhat például, hogy a tranzisztornak az elektronikus áramkör egy nagyon speciális pontján különösen hibamentesen kell működnie, de ugyanabban az áramkörben egy másik tranzisztor esetében nagyobbak a tűréshatárok. Ilyen esetben két különböző típusú tranzisztort lehetne használni, hogy az áramkör végül megbízhatóan teljesítse feladatát. Az eredményeink a szilícium tranzisztorokra és az újszerű 2D félvezetőkre egyaránt vonatkoznak. Bármilyen technológiával is akarják megvalósítani a chipek következő generációját, még kisebb alkatrészekkel: az elkerülhetetlen hibák hatását nem csak empirikusan kellene leírni, mint eddig, hanem fizikai számítási modellekhez kellene folyamodni, hogy részleges áramköröket vagy teljes áramköröket szimuláljunk, hogy az új lehetőségekből a legjobbat hozzuk ki" - szögezte le végül Michael Waltl.