Intel ontwikkelt terahertz transistor

De in een chip opgewekte warmte is recht evenredig met de frequentie waarop het onderdeel draait. De nieuwe chips zouden dus, als er geen maatregelen werden genomen, vijfhonderd keer zo heet worden als de snelste Pentium van vandaag. Een topmodel Pentium 4 loopt namelijk op een maximale frequentie van 2 gigahertz.
De voedingsspanning legt echter nog meer gewicht in de schaal, de opgewekte hitte in een schakeling is evenredig met het kwadraat van die spanning. Verlagen van de voedingsspanning had de hoogste prioriteit. In het afgelopen decennium is de spanning waarop chips werken steeds verder naar beneden gebracht. De allereerste processors liepen nog op een spanning van 5 volt, een waarde die zo’n beetje als standaard gold in ICT-land.
Door de opkomst van mobiele apparatuur werden chips gemaakt die op een lagere spanning konden werken. Intel zette hierbij de toon, door IC’s te ontwikkelen die op 3,3 volt konden werken. De voedingsspanning is momenteel 1,3 volt.

Tijdpad
“Uiteindelijk moet die nog verder naar beneden”, aldus Gerald Marcyk, director of components research van Intel Labs. “We hebben een tijdpad uitgezet dat in 2005 een spanning van 0,85 volt laat zien, om rond 2010 uit te komen op 0,6 volt. Zulke lage spanningen vereisen wel dat je productieproces heel nauwkeurig is, anders produceer je schakelingen die door interne ruis niet eens kunnen schakelen.”
Een combinatie van silicium met een ander halfgeleidermateriaal moet goed kunnen werken op dermate lage spanningen.“We moesten niet alleen die voedingsspanning naar beneden halen, maar ook rekening houden met het verschijnsel van de lekstromen”, zegt Marcyk. Daarbij doelt hij op het wegvloeien van hoogfrequente signalen via zogeheten capacitieve verbindingen. Twee draadjes die vlak tegen elkaar aan liggen, vormen een condensator waarlangs stroom kan weglekken. Bij relatief lage frequenties is ook sprake van relatief kleine stroompjes, maar hoe hoger de frequentie, des te eerder lekt vermogen weg. Marcyk: “Je hebt er dan niets meer aan, het genereert hooguit een beetje warmte op een plek die je niet wilt hebben. Het was dus zaak om de capaciteit tussen de onderdelen van een IC zo klein mogelijk te maken. We zijn daarom afgestapt van de vertrouwde CMos-techniek, ten gunste van Silicon on Insulator (SOI). Bij die techniek worden transistors niet ingebed in een substraat van silicium, maar worden ze afzonderlijk afgezet op isolerend materiaal.”

Succes
Deze techniek is overigens niet nieuw, Philips en IBM hebben er al eerder mee gewerkt, en met succes. Intel heeft de techniek overigens een stapje verbeterd en spreekt van Ultra Thin SOI. Bij deze werkwijze worden zeer dunne isolatielagen toegepast, die niet meer zijn vervaardigd uit siliciumdioxide. Welk materiaal dan wel wordt toegepast, houdt Intel voorlopig nog binnenskamers. Wel wil de onderneming kwijt dat gebruik wordt gemaakt van een ‘sandwich’, een aantal verschillende lagen op elkaar. Daarbij worden exotische chemische elementen zoals Zirkonium toegepast. Ingewikkelde chemische processen zorgen ervoor dat de gewenste lagen haast atoom voor atoom worden opgebouwd.
Het is een substantie die ook bij laagdikten van slechts een paar atomen haast ondoordringbaar is voor elektronen. De isolatielagen dienen ook voor het van elkaar gescheiden houden van de elektroden van een transistor. Volgens Intel-berekeningen is de lekstroom van de nieuwe transistor tienduizend maal zo klein als die van een transistor die nu voorkomt op een Pentium 4.

Integratiedichtheid
De nieuwe techniek moet het mogelijk maken om veel en veel meer transistorschakelingen op een enkele chip te persen dan de 42 miljoen die er nu op een Pentium 4 zitten. Doordat de integratiedichtheid zo hoog kan worden, is volgens de ingenieurs van Intel de Wet van Moore nog jaren langer geldig dan ooit werd aangenomen.
Er wordt wel gesproken van een Wet, maar Gordon Moore heeft in de jaren zestig niet meer opgeschreven dan een waarneming. Hij zag, dat het aantal onderdelen van een IC iedere anderhalf tot twee jaar een factor twee hoger werd. Die trend zette lang door en zo werd de schijn van een natuurwet gewekt.