211service.com
Superčip Motoroly
Když v roce 1999 ležel na pláži během dovolené na španělském pobřeží, měl fyzik Jamal Ramdani zjevení. Když se písek přizpůsobil obrysům jeho těla, Ramdani, výzkumník z Motorola Labs v Tempe, AZ, náhle představil řešení hádanky, která 30 let mátla polovodičový průmysl: jak zkombinovat levný křemík s vysokorychlostním, světlo emitující, ale mnohem dražší polovodivé materiály, jako je arsenid gallia, vše na jediném plátku.
Vzhledem k tomu, že materiály jsou fyzicky nesourodé, vrstvení jeden na druhý za účelem výroby čipu s optimálními elektronickými a optickými vlastnostmi bylo prakticky nemožné. Možná to byl písek na té španělské pláži, který je vyroben ze stejného minerálu, ze kterého jsou odvozeny křemíkové plátky, který poskytl Ramdani klíčovou nápovědu. V každém případě, vzpomíná Ramdani, jsem se vrátil do Phoenixu, půjčil jsem si stroj na pěstování složených polovodičů a ve dvou nebo třech dávkách jsme měli arsenid galia sedící na křemíku.
Vedení společnosti Motorola neztratilo výhody plynoucí z funkčnosti arsenidu galia – zejména jeho schopnosti zvládnout bezdrátovou komunikaci a vyzařovat světlo na levném křemíkovém čipu. Vysoce výkonné čipy vyrobené z arsenidu galia a dalších takzvaných složených polovodičů se široce používají ve všem, od mobilních telefonů po přepínače v optických komunikačních sítích. Přinejmenším by Ramdaniho vynález mohl znamenat nahrazení těchto drahých čipů mnohem levnějšími gallium-arsenid-na-křemíku. Během dvou let od průlomu Ramdani podala Motorola na tuto technologii více než 300 patentů; loni na podzim společnost použila Ramdaniho metodu k vytvoření prototypových čipů pro zesílení signálů v mobilních telefonech. Za účelem komercializace nového materiálu založila Motorola v Austinu ve státě Texas stoprocentně vlastněnou dceřinou společnost Thoughtbeam, která slibuje, že si nové materiály najdou cestu do elektronických a optických zařízení během příštích dvou let.
Dopad čipové technologie Motoroly by mohl jít daleko za levnější mobilní telefony nebo optická zařízení. Dnes, pokud chcete rychlý, levný mikroprocesor, potřebujete křemíkový čip; pokud chcete, aby čip zvládal optické funkce nebo vysokofrekvenční rádiové signály, potřebujete složené polovodiče jako arsenid galia nebo fosfid india. V důsledku toho zařízení, jako jsou mobilní telefony a přepínače komunikačních sítí, vyžadují více polovodičových zařízení. Někteří odborníci předpovídají, že technologie Motoroly by nakonec mohla umožnit integraci funkcí arsenidu galia a křemíku na jediném čipu s využitím každého z materiálů pro to, co umí nejlépe. Výsledkem by byl superčip. Místo toho, aby více čipů v DVD přehrávači provádělo různé úkoly – generování světla pro čtení disku, získávání vstupů od diváků, dekódování digitálních dat do obrazů a zvuku – to vše by zvládl jediný čip.
Polovodičový průmysl snil o takovém superčipu po celá desetiletí – a řada výzkumníků tento sen aktivně sleduje. Například Eugene Fitzgerald, materiálový vědec z MIT, na tomto problému pracuje více než deset let a publikoval popisy své vlastní techniky pro pěstování arsenidu galia na křemíku. On a mnoho dalších skeptiků si kladou otázku, zda se technologie Motoroly ukáže jako grandslam. Každých pár let existuje takzvané řešení, ale při bližším zkoumání zjistíte, že to vůbec není, říká Fitzgerald.
Jiní jsou však tak ohromeni potenciálem Ramdaniho průlomu, že se domnívají, že tato technologie by mohla zásadně změnit dynamiku podnikání v oblasti výroby čipů a konečně překlenout materiálovou propast mezi křemíkem a složenými polovodiči, která se v tomto odvětví stala základní skutečností. Podle Steva Cullena, ředitele a hlavního analytika služeb výzkumu polovodičů ve společnosti Cahners In-Stat Group, by se pokrok společnosti Motorola mohl zapsat do historie jako významný bod obratu pro polovodičový průmysl.
Silicon's Cousins
Křemík je materiálem volby pro velkou většinu čipů používaných v aplikacích mikroprocesoru; snadno se s ním manipuluje a výrobci se do něj naučili vyřezávat drobné obvody, které umožňují dnešní rychlé a levné počítače. Ale přes všechny své celebrity se křemík nemůže rovnat bezdrátovým a optickým schopnostem dražších polovodičů, jako je arsenid galia a fosfid india.
Tyto materiály se nazývají složené polovodiče, protože jejich krystaly – na rozdíl od křemíku – jsou složeny z více než jednoho prvku. Toto složitější složení jim často poskytuje žádoucí fyzické vlastnosti. Například, protože elektrony cestují rychleji v mnoha složených polovodičích, materiály mohou zpracovávat vysokofrekvenční rádiové signály, a tím i větší množství dat, což je přesně to, co potřebujete, pokud chcete, řekněme, ruční bezdrátová zařízení, která mohou přijímat plynulé toky videa. .
A na rozdíl od křemíku může mnoho z těchto složených polovodičů vyzařovat paprsky světla, když je přiváděno jen trochu elektrického proudu. To umožňuje pevnolátkové lasery, které dokážou číst malé kousky informací hustě zabalené na CD nebo DVD. Vysokorychlostní optické komunikační sítě také spoléhají na složené polovodiče pro konverzi optických informací na elektronické informace a naopak na tisících míst, kde se optická vlákna setkávají s elektronickými přepínači a počítači.
Avšak stejná složitost, díky které jsou složené polovodiče tak užitečné, je také činí křehkými, obtížně syntetizovatelnými, obtížně integrovatelnými s jinými materiály – a jsou velmi drahé. V současnosti stojí 15centimetrový plátek arsenidu galia asi 300 dolarů, zatímco 20centimetrový křemíkový plátek může stát asi desetinu. Ramdaniho průlom zahrnuje způsob, jak uložit patinu arsenidu galia na plátek standardního křemíku. Vrchní vrstva arsenidu galia poskytuje všechny jedinečné schopnosti tohoto materiálu, ale umístění na křemíkový substrát umožňuje mnohem snadnější manipulaci a levnější výrobu.
Na první pohled zní postup asi tak jednoduše, jako když nakrájíte arašídové máslo na krajíc chleba. V praxi je to ale mnohem složitější. Základní problém, říká Fitzgerald, spočívá v tom, že základní krystalické struktury křemíku a arsenidu galia jsou tak odlišné, že vrstvení jedné na druhé je jako skládání grapefruitů na lůžko z pomerančů. Dochází k chybám a místům navíc, říká Fitzgerald. Tyto defekty v krystalu mají tendenci zachycovat elektrony a narušovat tak funkce polovodičových součástek.
Problém nesouladu zatím porazil téměř každého, kdo se kdy pokusil vyrobit plátky galium-arsenid-na-křemíku. To pomáhá vysvětlit, proč mnoho výzkumných pracovníků ve společnostech jako IBM a start-up v oblasti polovodičových technologií AmberWave Systems ze Salemu, NH, usiluje o alternativní přístup k všestrannějším a výkonnějším polovodičům: upravují křemík tak, aby se choval více jako jeho oblíbení příbuzní. Tímto způsobem získají nákladové výhody plynoucí z používání 50 let staré infrastruktury technologie výroby křemíku, a přesto se přiblíží výkonu složených polovodičů.
Společnost AmberWave Systems, kterou spoluzaložil Fitzgerald z MIT, vyvinula formu napjatého křemíkového krystalu, ve kterém se elektrony pohybují rychleji než v běžném křemíku. Materiál umožňuje rychlejší tranzistory, a to znamená například procesory vysokofrekvenčních rádiových signálů. Vědci na křemíkové destičce pěstují vrstvu slitiny křemíku a germania a poté slitinu pokrývají tenkou vrstvou křemíku. Protože vzdálenosti mezi atomy v krystalu křemíku a germania jsou delší než v křemíku, atomy křemíku v horní vrstvě se musí roztáhnout, aby odpovídaly prostorům mezi atomy v křemíku a germaniu níže. Když jsou atomy křemíku dále od sebe, elektrony se pohybují volněji, tedy rychleji.
Ve skutečnosti tento malý kousek krystalového inženýrství poskytl vzorky, ve kterých se elektrony pohybují až o 80 procent rychleji než v běžných křemíkových plátcích. AmberWave doufá, že během příštího roku uvidí zařízení vyrobená z tohoto materiálu na trhu – například mikroprocesory nebo čipy zesilující signál v mobilních telefonech.
Superčip Ingredience
 | |||||||||||||||
| Výzkumníci Motoroly sní o tom, že jednoho dne vyrobí víceúčelové čipy (nahoře) s integrovanými optickými a bezdrátovými zařízeními vyrobenými z arsenidu galia a mikroprocesorem vyřezaným z odkrytého křemíkového substrátu. Firma doufá, že se jí tento sen s její novou technologií splní. Vnitřní vrstva složená z oxidu křemičitého a titaničitanu strontnatého poskytuje molekulární můstek mezi různými velikostmi krystalů křemíku a arsenidu galia. (Ilustrace od Slim Films) Prázdninové vize Vyladěním křemíku by to mohlo být rychlejší, ale pro optické schopnosti stále potřebujete složené polovodiče. Zatímco řada výzkumníků se snaží vypěstovat složené polovodiče na křemíku, Motorola věří, že má náskok v závodě o komercializaci technologie – díky Ramdani a dobře zavedené výrobní a marketingové infrastruktuře společnosti. Historie Ramdaniho průlomu ve skutečnosti začíná nejméně rok před jeho osudnou španělskou dovolenou. Ramdani byl součástí výzkumné skupiny Motorola, která se snažila vyrobit křemík rychleji, když učinil náhodný objev, který by vedl k projektu gallium-arsenid-on-silicon. V té době se on a jeho kolegové zaměřovali na tenkou skelnou vrstvu oxidu křemičitého, která se tvoří na křemíku, když je vystaven kyslíku během zpracování čipu. Tato vrstva, známá jako dielektrikum, je životně důležitou součástí čipu, protože umožňuje jednomu tranzistoru řídit elektrický stav druhého a zároveň zabraňuje úniku elektronů mezi nimi. Ale jak se tranzistory zmenšují a tato vrstva se ztenčuje, stává se náchylnější k úniku elektronů. Aby tento problém vyřešili, Ramdani a jeho kolegové Ravi Droopad a Jimmy Yu experimentovali s alternativou oxidu křemičitého a titaničitanu strontnatého, která by mohla zlepšit výkon čipů na bázi křemíku. Přesto, když výzkumníci Motoroly ukládali včelí dech titaničitanu strontnatého na křemíkový povrch, vytvořila se mezilehlá vrstva oxidu křemičitého. Bylo to, jako když nechtěně pokryjete okno vrstvou černé barvy, když jediné, co jste chtěli, bylo lehce zabarvit. A pak Ramdani navštívil španělskou pláž. Zatímco odpočíval na písku, uvědomil si, že vrstva oxidu křemičitého spolu s titaničitanem strontnatým by mohla sloužit mnohem většímu účelu, než si původně představoval: mezivrstvy, které, když jsou vloženy mezi křemík a arsenid galia, mohou urovnat krystalický nesoulad mezi ty dva polovodiče. Je to proto, že vzdálenosti mezi atomy v titaničitanu strontnatém, když jsou na povrchu vrstvy oxidu křemičitého, která se tvoří pod ním, jsou delší než v křemíku, ale kratší než v arsenidu galia. Ve skutečnosti je to oxid křemičitý, který způsobuje, že se atomy v titaničitanu strontnatém úplně uvolní a zaujmou konfiguraci více v souladu s konfigurací atomů arsenidu galia výše. Během několika dní po návratu z dovolené se Ramdanimu a jeho týmu inženýrů podařilo vypěstovat arsenid galia na křemíku pomocí těchto mezilehlých vrstev. (viz Složení superčipu) . Složený úrok Jak výzkumníci společnosti Motorola v nadcházejících letech zdokonalují svou technologii a učí se pěstovat další složené polovodiče na křemíku, potenciální aplikace tohoto materiálu by se měly nadále rozšiřovat. Jak to vidí Ramdani a jeho kolegové, stejný typ vnitřní vrstvy, kterou používají ke spojení arsenidu galia s křemíkem, by mohl být použit k pěstování fosfidu india nebo libovolného počtu dalších vysoce výkonných složených polovodičů na stejném levném křemíkovém substrátu. Každý z těchto složených polovodičů má svou vlastní osobnost – svou vlastní rychlost a vlastnosti vyzařující světlo. Taková technologie by také mohla vést k novým druhům zařízení nebo aplikací, které dříve nebyly nákladově efektivní. Levné zdroje výkonných čipů by například mohly konstruktérům usnadnit přidávání bezdrátové komunikace k domácím spotřebičům a jejich připojení k internetu. Vize praček, které přímo komunikují se servisními centry, když zapnou fritz nebo ledničky, které volají objednávky potravin do supermarketu, by mohly být levnější, ne-li více žádoucí. Cenově dostupnější čipy vyzařující světlo a detekující světlo by mohly změnit ekonomiku spojení z optických vláken pro přímé připojení domácích počítačů, videokamer a dalších domácích přístrojů k internetu. Kromě toho výrobci čipů jako Motorola a AmberWave Systems sdílejí stejný dlouhodobý techno-sen – wafer typu vše v jednom. V této vizi nejsou složené polovodiče pouze navrstveny na křemíkovém substrátu, ale různé polovodiče jsou integrovány dohromady na čipu. Pokud dokážeme vypěstovat tenký film arsenidu galia na křemíkových plátcích, pak možná dokážeme selektivně pěstovat ostrůvky arsenidu galia na křemíku, říká Charles Huang, spoluzakladatel a technický ředitel Anadigics, firmy na výrobu čipů se sídlem ve Warrenu, NJ. . Každý ostrov by měl svou vlastní funkci – řekněme, bezdrátové odesílání a přijímání zpráv nebo optický přenos dat do vnějšího světa. Přesto by většina křemíku byla k dispozici pro skutečné výpočty nebo ukládání dat. Takové multitalentované čipy by byly například schopny opticky přenášet data kolem mikroprocesoru. V počítači se data v současnosti elektronicky pohybují jak v čipech, tak mezi čipy – řekněme mezi mikroprocesorem a paměťovým čipem přes drobné drátky, které vše zpomalují. Dráty jsou skutečným úzkým hrdlem počítačů, říká Ramdani. Pokud by každý křemíkový čip přišel se svými vlastními palubními lasery vyrobenými ze složených polovodičů pro pohyb dat, takové čipy by fungovaly rychleji samy o sobě a byly by schopny rychleji obchodovat s větším množstvím dat s jinými čipy. Je příliš brzy na vyloučení možnosti, že nějaká číhá závada pošle rostoucí investice Motoroly do její nové technologie do obrovské hromady dobrých pokusů, které se pokazily. Určitě existuje řada skeptiků, kteří stále nejsou přesvědčeni, že superčip společnosti někdy dostojí svému humbuku. Nicméně během tří let od původního zjevení Ramdaniho se Motorola stále více zavazuje zajistit, aby technologie splnila své mnohé sliby, a uvrhla za ni svou podstatnou finanční a technickou váhu. Ramdaniho nadšení z průlomu skutečně ani zdaleka nepolevuje. Jak to vidím já, tato technologie způsobí revoluci v polovodičovém průmyslu, říká. Umožní nám dělat věci, o kterých jsme před 20 lety mohli jen snít. Čerpání křemíku Vzorek společností posouvajících limity polovodičových materiálů
|