Mikrochip-Fabrikanlagen in den Vereinigten Staaten können Milliarden von Datenverarbeitungstransistoren auf einen winzigen Siliziumchip stopfen, aber ein kritisches Gerät, im Wesentlichen eine „Uhr“, um den Betrieb dieser Transistoren zeitlich zu steuern, muss separat hergestellt werden – was eine Schwachstelle im Chip schafft Sicherheit und Versorgungsleitung. Ein neuer Ansatz verwendet kommerzielle Chip-Fab-Materialien und -Techniken, um spezialisierte Transistoren herzustellen, die als Baustein dieses Zeitgebers dienen, um die Schwachstelle zu adressieren und neue Funktionen durch verbesserte Integration zu ermöglichen.
„Sie hätten einen Chip, der alles erledigt, anstatt mehrerer Chips, mehrerer Herstellungsmethoden und mehrerer Materialsätze, die integriert werden müssen – oft im Ausland“, sagte Dana Weinstein, Professorin für Elektro- und Computertechnik an der Purdue University, die akustische Resonatoren mit entwickelt die Prozesse, die zur Herstellung von Fin-Feldeffekttransistoren (FinFETs) nach Industriestandard verwendet werden.
„Amerika muss seine Fähigkeiten in der Chipherstellung verbessern, und ein Fortschritt dieser Art geht auf mehrere Bedenken in Bezug auf die Lieferkette, die nationale Sicherheit und die Hardwaresicherheit ein. Indem Sie die gesamte Uhr im Prozessor verschieben, schützen Sie das Gerät vor Taktstörungen Angriffe, und Sie aktivieren neue Funktionen wie akustisches Fingerprinting des verpackten Chips zur Manipulationserkennung.“
Wie alle Transistoren – die Bausteine, die der modernen Mikroelektronik zugrunde liegen – sind FinFETs ein spannungsaktiviertes Ein/Aus-Gate. Wie der Name schon sagt, leitet ein FinFET einen Strom entlang einer Rippe aus halbleitendem Material, die durch das Gate verläuft. Im geschlossenen oder ausgeschalteten Zustand leitet die Flosse keinen Strom. Eine Spannung, die an die Oberseite des Gates angelegt wird, baut eine elektrische Ladung in der Finne auf, wodurch Strom in einem offenen oder eingeschalteten Zustand fließen kann.
Transistoren müssen jedoch synchronisiert werden, um Operationen für Mikroprozessoren, Sensoren und Funkgeräte auszuführen, die in allen elektronischen Geräten verwendet werden. Die Geräte, die dies tun, basieren auf Schall, der Resonanzfrequenz, die einige Strukturen aussenden, ähnlich wie eine Glasschale beim Ping eine bestimmte Note ertönen lässt.
Die sich regelmäßig wiederholende Welle dieses sogenannten akustischen Resonators dient als Kadenz, die in ein größeres mikroelektromechanisches System eingebaut und zur Zeitangabe verwendet wird. Gegenwärtige kommerzielle mikroelektromechanische Resonatoren können nicht in einem standardmäßigen Chipherstellungsprozess hergestellt werden und müssen separat hergestellt und später zur Verwendung mit Mikrochips gebündelt werden.
Weinsteins Innovation besteht darin, einen akustischen Resonator mit dem bestehenden Repertoire an Materialien und Herstellungstechniken zu bauen, die in einer Standardfabrik für komplementäre Metalloxid-Halbleiterchips verfügbar sind. In einem kürzlich erschienenen Artikel in Natur-Elektronikberichtet ihr Forschungsteam von seinem bisher fortschrittlichsten Design.
Unter Verwendung eines kommerziellen Prozesses, der in der GlobalFoundries Fab 8-Anlage in New York durchgeführt und im Designhandbuch für die GlobalFoundries 14LPP FinFET-Technologie beschrieben wurde, stellten die Teammitglieder einen speziellen Satz von FinFETs her, die in der Lage sind, eine Frequenz im Bereich von 8 bis 12 Gigahertz zu erzeugen, was die übersteigt typische native Taktraten von Mikroprozessoren.
Die elegante Lösung dient im Wesentlichen dazu, Datenverarbeitungstransistoren in ein Zeitmessgerät umzufunktionieren.
„Bei unserem Ansatz lässt die Chipfabrik dieses Gerät den gleichen Prozess durchlaufen, den sie für die Zentraleinheit eines Computers oder eine andere Anwendung verwenden würden“, sagte Jackson Anderson, ein Purdue-Student in Elektro- und Computertechnik und Erstautor des Artikels von Nature Electronics . „Wenn der Mikroprozessor und andere Komponenten fertig sind, ist es auch der Resonator. Er muss nicht weiter hergestellt oder zur Integration mit einem separaten Mikroprozessorchip an einen anderen Ort geschickt werden.“
Obwohl der Ein- oder Aus-Zustand eines Transistors normalerweise Strom leitet, um als Nullen und Einsen des Binärcodes zu dienen, können alle Transistoren auch als Kondensatoren verwendet werden, um eine Ladung zu speichern und freizugeben. Weinsteins Team tut genau das mit Arrays von „Antriebs“-Transistoren, die eine dünne Schicht aus dielektrischem Material zwischen der Finne und dem Gate zusammendrücken und freigeben.
„Wir quetschen diese Schichten zwischen Gate und Halbleiter, drücken und ziehen an diesem dünnen Bereich zwischen Gate und Finne“, sagte Jackson. „Wir machen das abwechselnd an benachbarten Transistoren – einer komprimiert, einer dehnt sich – und erzeugt so seitlich im Gerät Vibrationen.“
Die Antriebstransistoren sind so bemessen, dass sie die Schwingungen so leiten und verstärken, dass sie sich zu einer bestimmten Resonanzfrequenz aufbauen. Dies wiederum dehnt und komprimiert das Halbleitermaterial in einer benachbarten Gruppe von „Erfassungs“-Transistoren, was die Eigenschaften eines Stroms durch diese Transistoren verändert und die Schwingung in ein elektrisches Signal umwandelt.
„Jedes einzelne Stück Hochleistungselektronik, das Sie haben, verwendet FinFETs“, sagte Weinstein. „Die Integration dieser Funktionen erweitert unsere mikroelektronischen Fähigkeiten über reine digitale Mikroprozessoren hinaus. Wenn sich die Technologie ändert, können wir uns anpassen, aber wir würden mit einem integrierten Mikroprozessorsystem vorankommen.“
Mehr Informationen:
Jackson Anderson et al, Integrierte akustische Resonatoren in kommerzieller Flossen-Feldeffekttransistor-Technologie, Natur-Elektronik (2022). DOI: 10.1038/s41928-022-00827-6