Las computadoras y los teléfonos inteligentes modernos siguen creciendo en capacidad, volviéndose más rápidos y eficientes con cada modelo, y en gran parte, eso se debe a que los diminutos microchips que los alimentan han estado evolucionando a un ritmo sin precedentes. Como predice la ley de Moore, se supone que la cantidad de transistores que puede contener un chip de alimentación electrónica se duplica más o menos cada dos años. Más transistores significa chips más rápidos capaces de realizar más cálculos, pero lograr eso sin cambiar el tamaño de los chips tiene a los ingenieros informáticos preocupados por quedarse sin espacio.
Pero IBM tiene un nuevo enfoque: al rotar los transistores individuales, los bloques de construcción básicos de chips que controlan o amplifican las señales eléctricas, para que se coloquen verticalmente en un chip en lugar de horizontalmente, los ingenieros podrían empaquetar muchos más en un espacio dado.
“Históricamente, los transistores se han construido para que queden planos sobre la superficie de un semiconductor, con la corriente eléctrica fluyendo lateralmente, o de lado a lado, a través de ellos”, dijo IBM en un presione soltar
Para comprender por qué esto es potencialmente un gran problema para la tecnología de semiconductores, tiene sentido enfocarse primero en transistores individuales por un momento. “El ADN de cualquier tecnología de hardware es el transistor”, dice Hemanth Jagannathan, investigador de IBM. Miles de millones de transistores pueden cubrir la superficie de una oblea de silicio, y estas obleas se colocan en capas para hacer un chip.
Un transistor estándar típico que se encuentra comúnmente en la electrónica tiene tres terminales: fuente, compuerta, drenaje. La corriente (que es una corriente de electrones) fluye de la fuente al drenaje. Las puertas controlan el flujo de corrientes y dictan el estado del transistor. Cuando se aplica voltaje a la puerta, el transistor se enciende y está en el estado 1. Cuando no fluye corriente entre la fuente y el drenaje, el estado es 0. Además, dos transistores separados necesitan una región intermedia para aislarlos y evitarlos. de interferir entre sí, y esto se hace con puertas falsas.
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Luego, existe un concepto llamado “paso de puerta contactada”, que es la distancia física requerida para adaptarse a todos los componentes del transistor. “Estos son requisitos estructurales muy básicos, y uno puede pensar en dos paredes duras y tiene que ajustar la puerta, el espaciador y la región para el contacto dentro de eso”, dice Jagannathan. Las paredes siguen cerrándose, pero en algún momento, no pueden acercarse sin sacrificar la funcionalidad.
Innovaciones anteriores de transistores como FinFETs y nanohojas, tenga la compuerta, la fuente y el desagüe en el mismo plano. Con un diseño vertical, estas estructuras esencialmente se apilan una encima de la otra, en la oblea. Además, los transistores verticales no necesitan una puerta falsa, sino que utilizan algo llamado aislamiento de zanja poco profunda, que conserva el espacio.
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También cambian la orientación del flujo de corriente, que todavía fluye desde la fuente al drenaje, pero ahora es perpendicular a la superficie de la oblea en lugar de en paralelo.
“Al hacer este cambio, ahora puede cambiar de forma independiente la longitud de la puerta, el grosor del espaciador y los contactos”, dice Jagannathan. “Debido a que puede ir verticalmente y empaquetar estos transistores aún más cerca, ahora puede obtener más transistores en un área determinada”.
Huiming Bu, vicepresidente de investigación de tecnología de nube híbrida en IBM, estimó que, en comparación con la mejor tecnología de transistores 3D actual (como FinFET), el VTFET puede permitirles comprimir hasta cinco veces más transistores en un chip del mismo tamaño. Esto es útil en aplicaciones donde el tamaño del chip es fijo.
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En las pruebas, en comparación con un dispositivo FinFET de la misma escala, IBM afirma haber observado una reducción del 50 por ciento en la capacitancia y la resistencia, lo que redujo el uso de energía en un 85 por ciento. El equipo continuará observando métricas de rendimiento como la resistencia en el dispositivo que determina la facilidad con la que entran y salen las corrientes, así como la rapidez con la que el transistor se puede apagar y encender, y el aislamiento entre la fuente y el drenaje.
El diseño del transistor se ha revisado una y otra vez durante los últimos 80 años. El modelo FinFET mejoró un diseño llamado MOSFET de la década de 1960. Hace unos años, una arquitectura llamada nanoplaca con una puerta alrededor del transistor hizo que los dispositivos tuvieran menos fugas.
“La innovación en semiconductores es muy difícil”, dice Bu. “Se necesitan muchos años”.
Por ejemplo, señala que las puertas metálicas High-K tardaron 16 años en llegar a la etapa de fabricación. FinFET, como otro ejemplo, le tomó a la industria alrededor de 14 años para llegar a la fabricación. Nanosheet, con lo que muchos grupos todavía están jugando, aún no ha alcanzado la etapa de fabricación, pero se espera que lo haga en los próximos dos años. Después de eso, pasarán unos 14 años más hasta que se introduzca en los dispositivos electrónicos cotidianos.
“Estamos hablando acerca de [VTFET] hoy, no dentro de dos años, porque esta innovación es un avance muy importante ”, dice Bu. “Estamos pidiendo a la industria que observe esta nueva oferta de tecnología y habilite mejores procesos, mejores herramientas de diseño en torno a esta innovación, para que nuestra comunidad pueda realmente utilizar esta característica de tecnología en cinco a ocho años”.