Это был 1995 год. Развитие технологии микросхем продолжалось быстрыми темпами с появлением закона Мура , согласно которому количество транзисторов на кристалле удваивается примерно каждые два года, как правило, из-за уменьшения размера этих транзисторов.

Но горизонт больше не казался безграничным. Действительно, впервые в полупроводниковой промышленности шепот предсказал смерть закона Мура. Золотые дни подходили к концу, предсказывали, когда размер критического транзистора, составлявший тогда около 350 нанометров, достигал менее 100 нм. Даже правительство США было обеспокоено - настолько обеспокоено, что DARPA подняло тревогу, запустив программу поиска новых чиповых технологий, которые могли бы продвинуть вперед прогресс.

Ченмин Ху, в то время профессор электротехники и информатики в Калифорнийском университете в Беркли , принял вызов. Он сразу же придумал решение - точнее, два решения - и несколько дней спустя, летя на самолете, набросал эти конструкции. Одной из таких идей, направленной на расширение канала, по которому течет ток, чтобы он выступал над поверхностью чипа, стал FinFET, технология, которая в этом году была удостоена Почетной медали IEEE Ху «за выдающуюся карьеру в разработке и применении на практике». модели полупроводников, особенно трехмерные структуры устройств, которые помогали соблюдать закон Мура на протяжении многих десятилетий ».

История FinFET , конечно же, началась не с того, что Ху положил карандаш на бумагу на столик на подносе авиакомпании.

Все началось на Тайване, где Ху был любопытным ребенком, проводя эксперименты с морской водой и разбирая и собирая будильники. Ближе к концу школы он все еще интересовался наукой, в основном химией. Но вместо того, чтобы получить степень по химии, он подал заявку на программу по электротехнике в Тайваньском национальном университете , хотя на самом деле он не знал, что на самом деле делает ЭЭ. Это была просто проблема - программа по электротехнике требовала наивысших результатов тестов.

На последнем году учебы в колледже Ху открыл для себя отрасль, которую он позже встряхнул, благодаря Фрэнку Фангу , тогда приглашенному профессору из Соединенных Штатов.

«Это был 1968 год, - вспоминает Ху, - и он сказал нам, что полупроводники станут материалом для будущих телевизоров, а телевизоры будут похожи на фотографии, которые мы можем повесить на стену».

Это в эпоху громоздких ламповых телевизоров привлекло внимание Ху. Он решил, что полупроводники будут его областью применения, и подал заявку на поступление в аспирантуру в Соединенных Штатах. В 1969 году он прибыл в Беркли, где присоединился к исследовательской группе, работающей над металл-оксидными полупроводниковыми (МОП) транзисторами.

Вскоре его карьера пошла в обход, потому что полупроводники, как он вспоминает, казались слишком легкими. Он переключился на исследования оптических схем, защитил кандидатскую диссертацию. защитил диссертацию по интегрированной оптике и отправился в Массачусетский технологический институт, чтобы продолжить свою работу в этой области.

Но затем в 1973 году было введено нефтяное эмбарго. «Я чувствовал, что должен что-то сделать, - сказал он, - что-то полезное, важное; это было не просто написание бумаг ».

Поэтому он переключил свои усилия на разработку недорогих солнечных элементов для наземных применений - в то время солнечные элементы использовались только на спутниках. В 1976 году он вернулся в Беркли, на этот раз в качестве профессора, планируя проводить исследования в области энергетики, в том числе гибридных автомобилей, области, которая перенесла его обратно в полупроводники. «Электромобили, - объясняет Ху, - нуждались в высоковольтных и сильноточных полупроводниковых устройствах».

В начале 1980-х возвращение к исследованиям полупроводников оказалось хорошим делом. Государственное финансирование исследований в области энергетики иссякло, но множество компаний в районе залива Сан-Франциско поддерживали исследования в области полупроводников, и переход на корпоративное финансирование «не был очень сложным», - говорит Ху. Он начал проводить время в Кремниевой долине, недалеко от Беркли, которого компании приглашали читать короткие курсы по полупроводниковым устройствам. А в 1982 году он провел творческий отпуск в самом сердце Кремниевой долины, в компании National Semiconductor в Санта-Кларе.

«Работа в индустрии в конечном итоге оказала на меня долгое влияние, - говорит Ху. «В академических кругах мы узнаем друг от друга о том, что важно, поэтому то, что я считал интересным, на самом деле пришло только потому, что я читал другую статью и думал:« Эй, я могу сделать лучше, чем это ». Но как только я открыл глаза на промышленность, я обнаружил, что именно в этом и заключаются интересные проблемы ». И это прозрение заставило Ху пристальнее присмотреться к трехмерной структуре транзисторов.

графический
Иллюстрация: Эмили Купер
Особенности FinFET: Каждый транзистор имеет исток, сток, проводящий канал, который их соединяет, и затвор для управления потоком тока по каналу. В FinFET поднятие канала так, чтобы он выступал над поверхностью чипа - как плавник акулы - позволяет воротам обернуть его с трех сторон, что дает воротам больший контроль.
Полевой транзистор состоит из четырех основных частей: истока, стока, проводящего канала, соединяющего эти две части, и затвора для управления потоком тока по каналу. По мере того, как эти компоненты уменьшались, люди начали замечать, что поведение транзисторов меняется при длительном использовании. Эти изменения не отображались при краткосрочном тестировании, и компаниям было трудно их предсказать.

В 1983 году Ху прочитал статью, опубликованную исследователями IBM, в которой описывалась эта проблема. Проработав некоторое время в National Semiconductor, он понял, к каким проблемам может привести отсутствие долгосрочной надежности в отрасли. По его словам, если бы он не работал в окопах, «я бы не знал, насколько важна эта проблема, и поэтому я не был бы готов потратить почти 10 лет на ее решение».

Ху решил принять вызов и вместе с группой студентов разработал то, что он назвал теорией инжекции горячих носителей для предсказания надежности МОП-полупроводников. Это количественная модель деградации устройства по мере прохождения через него электронов. Затем он обратился к исследованию другой проблемы надежности: способов разрушения оксидов с течением времени, что вызывает растущую озабоченность, поскольку производители делают оксидные слои полупроводников все тоньше и тоньше.

Эти исследовательские усилия, по словам Ху, потребовали от него глубокого понимания того, что происходит внутри транзисторов, работы, которая превратилась в то, что стало называться Berkeley Reliability Tool (BERT) и BSIM , набором моделей транзисторов. BSIM стал отраслевым стандартом и используется по сей день; Ху по-прежнему старается регулярно обновлять свои модели.

Ху продолжал работать со своими учениками над изучением основных характеристик транзисторов - как они работают, как они выходят из строя и как они меняются с течением времени - вплоть до 1990-х годов. Тем временем коммерческие чипы продолжали развиваться по пути, предсказанному законом Мура. Но к середине 1990-х годов, когда средний размер элемента составлял около 350 нм, перспективы дальнейшего сжатия транзисторов стали вызывать беспокойство.

«Был близок конец закона Мура», - вспоминает Льюис Терман, работавший в то время в IBM Research.

Основная проблема была в мощности. По мере того, как элементы становились меньше, ток, который просачивался, когда транзистор был в выключенном состоянии, становился более серьезной проблемой. Эта утечка настолько велика, что увеличивает - или даже доминирует - энергопотребление чипа.

«В статьях начали прогнозироваться, что закон Мура для CMOS подойдет к концу ниже 100 нм, потому что в какой-то момент вы рассеиваете больше ватт на квадратный сантиметр, чем сопло ракеты», - вспоминал Ху. «И промышленность объявила эту битву проигрышной».

imgimgimg
Фото: Ченмин Ху
Путь к FinFET: Ченмин Ху поступил на факультет Калифорнийского университета в Беркли в 1976 году [вверху]. Его ранние исследования в Беркли касались гибридных автомобилей, таких как газо-электрический автомобиль, который он представил на заседании Попечительского совета Калифорнийского университета в 1980 году [в середине]. В своей лаборатории в 1997 году [внизу] Ху глубоко погрузился в разработку FinFET с помощью гранта DARPA.
Не готовое отказаться от закона Мура, DARPA (Агентство перспективных оборонных исследовательских проектов) попыталось профинансировать исследования, которые обещали преодолеть этот барьер, и в середине 1995 года предприняли попытку разработать так называемый 25-нм коммутатор.

«Мне понравилась идея 25 нм - это было достаточно далеко за пределами того, что отрасль считала возможным», - говорит Ху.

Ху видел фундаментальную проблему совершенно очевидной - сделать канал очень тонким, чтобы электроны не могли проскользнуть через ворота. На сегодняшний день решения включают утончение оксидного слоя затвора. Это давало затвору лучший контроль над каналом, уменьшая ток утечки. Но работа Ху над надежностью показала ему, что этот подход близок к пределу: сделайте оксидный слой достаточно тонким, чтобы электроны могли перепрыгивать через него в кремниевую подложку, образуя еще один источник утечки.

На ум сразу пришли два других подхода. Один из них заключался в том, чтобы затруднить прохождение зарядов вокруг затвора, добавив слой изоляции, скрытый в кремнии под транзистором. Эта конструкция стала называться полностью обедненным кремнием на изоляторе или FDSOI. Другой заключался в предоставлении воротам большего контроля над потоком заряда за счет расширения тонкого канала вертикально над субстратом, как плавник акулы, чтобы ворота могли обертываться вокруг канала с трех сторон, а не просто сидеть сверху. Эта структура получила название FinFET, и у нее было дополнительное преимущество, заключающееся в том, что использование пространства по вертикали снимало некоторые перегрузки в 2D-плоскости, открывая эру 3D-транзисторов.

Однако на то, чтобы подать предложение в DARPA, было не так много времени. Ху слышал о финансировании DARPA от одного из преподавателей Беркли, Джеффри Бокора, который, в свою очередь, услышал об этом, занимаясь виндсерфингом с директором программы DARPA. Поэтому Ху быстро встретился с Бокором и другим коллегой, Цу Джэ Кингом, и подтвердил, что команда подготовит предложение в течение недели. Через день или два в самолете в Японию он набросал два эскиза, отправив по факсу свои эскизы и описание своего технического подхода в Беркли, когда он прибыл в свой отель в Японии. Команда представила предложение, и DARPA позже предоставило им четырехлетний исследовательский грант.

Идеи, подобные FinFET, уже описывались ранее в теоретических работах. Однако Ху и его команда на самом деле создали производимые устройства и показали, как их конструкция сделает возможными транзисторы размером 25 нм и меньше. «Другие, кто читал газеты, не видели в этом решения, потому что это было бы трудно построить, и оно может сработать, а может и не сработать. Даже люди, написавшие статьи, не преследовали этого », - говорит Ху. «Я думаю, разница заключалась в том, что мы посмотрели на это и сказали, что хотим сделать это не потому, что хотим написать еще одну статью или получить еще один грант, а потому, что мы хотим помочь отрасли. Мы чувствовали, что должны соблюдать [закон Мура].

Ченмин Ху
Ченмин Ху
Фото: Питер Адамс
Дата рождения: 12 июля 1947 г.

Место рождения: Пекин

Рост: 5'11 "

Семья: жена Маргарет; сыновья, Раймонд и Джейсон

Образование: бакалавр, Тайваньский национальный университет , 1968 г .; Магистр наук, 1970 г., доктор философии, 1973 г., Калифорнийский университет, Беркли , все в области электротехники.

Первая работа: Репетитор старшеклассников.

Первая технологическая работа: доцент Массачусетского технологического института.

Текущая работа: Заслуженный профессор TSMC, Калифорнийский университет в Беркли.

Патенты: более 100

Самый большой сюрприз в карьере: насколько далеко продвинулись полупроводниковые технологии

Корпоративные членство платы: ACM исследования , Ambarella , Inphi

Герой: Моррис Чанг

Любимое издание: Психология сегодня.

Любимый вид музыки: Классическая.

Любимый фильм: Парк Юрского периода (1993).

Досуг: Живопись, походы

Здесь говорят на этих языках: английский и китайский.

Автомобиль: Tesla S

В центре внимания благотворительности: друзья детей с особыми потребностями , Фремонт, Калифорния; Служба азиатского здравоохранения , Окленд, Калифорния.

Организационное членство: IEEE , Национальная инженерная академия, Китайская академия наук.

Основные награды: почетная медаль IEEE «За выдающуюся карьеру в разработке и применении на практике полупроводниковых моделей, особенно трехмерных структур устройств, которые помогали соблюдать закон Мура на протяжении многих десятилетий», Национальная медаль за технологии и инновации от президента Барака Обамы

«Как технологи, - продолжает Ху, - мы несем ответственность за то, чтобы это не остановилось, потому что, как только оно остановится, мы теряем самую большую надежду на то, что у нас будет больше возможностей для решения сложных мировых проблем».

Ху и его команда «были готовы к разработке FinFET из-за того, как он обучает своих студентов думать об устройствах», - говорит Элис Розенбаум, бывшая его студентка, а теперь профессор Университета Иллинойса в Урбана-Шампейн . «Он подчеркивает общую картину, качественное понимание. Изучая полупроводниковое устройство, некоторые люди сосредотачиваются на создании модели, а затем численном решении всех точек в ее трехмерной сетке. Он научил нас отступать, чтобы попытаться визуализировать, где электрическое поле распределяется в устройстве, где расположены потенциальные барьеры и как изменяется ток, когда мы изменяем размер определенной детали ».

Ху чувствовал, что визуализация поведения полупроводниковых устройств настолько важна, вспоминает Розенбаум, что однажды, пытаясь научить своих учеников своему процессу, он «построил нам модель поведения МОП-транзистора, используя пластилин своих детей».

«Эти вещи выглядели как молниеносное изобретение», - сказал Фари Ассадераги, бывший студент, который сейчас является старшим вице-президентом по инновациям и передовым технологиям в NXP Semiconductors . «Но его команда работала над фундаментальными концепциями того, каким должно быть идеальное устройство, с самого начала работая с первыми принципами физики; как построить структуру, исходит из этого ».

К 2000 году, по истечении четырехлетнего срока действия гранта, Ху и его команда создали рабочие устройства и опубликовали свои исследования, что сразу вызвало всеобщий интерес в отрасли. Однако прошло еще десять лет, прежде чем микросхемы, использующие FinFET, начали сходить с производственных линий, причем первая из них была произведена Intel в 2011 году . Почему так долго?

«Он еще не сломан», - объясняет Ху, имея в виду способность отрасли делать полупроводниковые схемы все более и более компактными. «Люди думали, что он сломается, но нельзя исправить ничего, что не сломалось».

Оказалось, что руководители программы DARPA были дальновидными - они назвали проект 25-нм коммутатором, и FinFET вступили в игру, когда полупроводниковая промышленность перешла на геометрию менее 25 нм.

Тем временем FDSOI также прогрессирует и сегодня также используется в промышленности. В частности, они используются в оптических и радиочастотных устройствах, но в настоящее время FinFET доминируют в индустрии процессоров. Ху говорит, что он никогда не ставил один подход выше другого.

В годы бездействия FinFET Ху взял трехлетний перерыв в Беркли, чтобы работать главным техническим директором производителя полупроводников TSMC на Тайване. Он видел в этом шанс отплатить стране, где получил начальное образование. Он вернулся в Беркли в 2004 году, продолжая свое обучение, исследования в области новых энергоэффективных полупроводниковых устройств и усилия по поддержке BSIM. В 2009 году Ху перестал вести обычные занятия, но как почетный профессор он по-прежнему работает с аспирантами.

С тех пор, как Ху вернулся в Беркли, технология FinFET охватила отрасль. И закон Мура не закончился на 25 морских милях, хотя его исчезновение все еще регулярно предсказывается.

«Он будет постепенно замедляться, но у нас не будет замены МОП-полупроводникам в течение ста лет», - говорит Ху. Однако это не делает его пессимистом. «Есть еще способы улучшить плотность схем, энергопотребление и скорость, и мы можем ожидать, что полупроводниковая промышленность будет продолжать предоставлять людям все больше и больше полезных, удобных и портативных устройств.