Nye små halvledere blir raskere utslitt av varme og stress

Hvor lenge kan jeg regne med at prosessorer kan sørge for datakraft? Det spørsmålet får ekspeditørene sjeldent i butikken når forbrukere handler smarttelefoner, bærbare pc-er eller kanskje en ny elbil.

Men det kan raskt bli et mer vanlig stilt spørsmål hvis ikke halvlederprodusentene begynner å ta levetidsproblemer alvorlig for de nye små halvlederne som utgjør de sentrale komponentene i mikroprosessorene som driver de fleste elektronikkproduktene i dag.

Problemet har oppstått i takt med at antallet transistorer i en integrert krets øker samtidig med at størrelsen på kretsene blir mindre. Det er spesielt halvledere på fem nanometer og under som begynner å vise tegn på raskere nedbrytning.

Men nå ser det ut til at halvlederprodusentene er i ferd med å møte veggen for størrelsen til de transistorene som er kjernen i moderne prosessorer. Det kommer meldinger om reduserte levetider og raskere nedbrytning på brikker som er produsert etter fem nanometer-prosesser – de minste som er tilgjengelig på markedet i dag.

Dette forteller en rekke eksperter og analytikere til mediet Semiengineering. For når størrelsen på halvlederne blir så liten, blir de raskere degenerert av høy varme og elektromigrasjon.

– Når du prøver å følge Moores Lov vil du støte på problemer, fordi små enheter ikke oppfører seg på samme måte som større, sier Francesco Iannuzzo, som er professor på Institut for Energiteknik ved Aalborg Universitet.

I dag er Samsung og TSMC i gang med produksjon av halvledere på fem nanometer med finFET i år, mens de samtidig har lagt planer om å sette gang i produksjon av tre nanometer-prosesser i løpet av 2021 eller 2022.

Håret vokser en nanometer i sekundet

En nanometer er 0,000000001 eller 10^-9 meter. Til sammenligning vokser et menneskehår på hodet omkring én nanometer i sekundet.

Når vi snakker om halvlederproduksjon, brukes begrepet en nanometer (nm)-prosess til å beskrive bredden på transistor-gaten. Jo mindre gaten er, desto mer prosessorkraft kan pakkes på et gitt område. Nanometerprosessen har i mange år fungert som den internasjonale rettesnoren for om produsentene kan holde tritt med med Moores Lov, som sier at antallet transistorer i en integrert krets fordobles hver 18–24 måneder.

Det er særlig varme som bryter ned halvledernes evne til å koble sammen integrerte kretser.

«Høyere hastigheter har en tendens til å generere høyere temperaturer, og temperatur er den største dreperen. Den forventede levetiden kan eksponentielt forandres med en liten delta-endring i temperaturen», sier senior product marketing manager for 3D-IC Rita Horner hos Synopsys til Semiengineering.

Fra fabrikk- til forbrukerproblem

«How low can you go». Dette har vært mantraet hos verdens halvlederprodusenter siden Intels grunnlegger Gordon Moore la fram sin forutsigelse om halvledere, og som ble til Moores Lov.

Fram til i dag har kappløpet etter å holde tritt med Moores lov primært gitt rynker i pannene hos halvlederprodusenter, mens vi forbrukere har kunnet nyte godt av raskere, kraftigere og mindre prosessorer i elektronikkprodukter, uten å måtte bekymre oss spesielt mye om ustabile prosessorer eller kort levetid.

De nye små nanometer-prosessene har primært gitt utfordringer i selve produksjonsprosessen, og derfor er gruppen av bedrifter som faktisk er i stand til å produsere så små halvledere i dag blitt redusert til en liten håndfull globale bedrifter, for eksempel TSMC, Samsung og Intel. Når en halvlederprodusent først har fått taket på en gitt nanometer-prosess, er brikkens levetid mye lengre enn forbrukerne har behov for.

Men nå ser det altså ut til at sluttproduktet også blir påvirket negativt av ønsket om økt datakraft på mindre plass.

Denne utviklingen har blitt forsterket av den måten som man i dag pakker transistorer på i en integrert krets. Her har man gått fra flate CMOS-prosesser til finFET, hvor en konvensjonell transistor legges over på siden, slik at den ikke lenger er flat, men har tre dimensjoner med et større overflateareal. Og når varmen er pakket mer inn, har den større vansker med å forlate transistoren på naturlig måte.

Tidligere har man løst utfordringen med levetid med konservative konstruksjoner hvor det er lagt inn plass til å la varmen slippe vekk. Man har altså overdimensjonert brikkedesignet for å unngå overopphetning. Men det er ikke nødvendigvis en mulighet når dimensjonene er nede i 5–10 nanometer.

I tillegg til temperatur er elektromigrasjon en annen viktig årsak til at halvlederne blir raskt slitt. Samtidig blir de nye små mikroprosessorene også utsatt for mye røffere behandling enn den vi har vært vant til i for eksempel biler, hvor temperaturen raskt kommer over 150 grader, noe som også presser påliteligheten og gir en raskere slitasje på de små brikkene.

Denne saken ble først publisert på danske Ingeniøren, og gjøres tilgjengelig på norsk gjennom vår samarbeidsavtale med Teknologiens mediehus/Ingeniøren.