imec: חקר התקלות בטרנזיסטורים הביא לפיתוח שבב מסתגל

20 פברואר, 2018

קבוצת האמינות בחברת imec פיתחה טכנולוגיות שבבים בעלי יכולת לימוד עצמית ובעלי כושר התגוננות בפני פריצות, אשר מבוססות על ניצול גורמי התקלות הנפוצים בתוך הטרנזיסטור עצמו

IMEC CHIP

מאת: גידו גרוסנקן (Guido Grosenken), עמית בחברת imec ומומחה באיפיון חשמלי של טרנזיסטורים

בקבוצת האמינות של חברת imec, אנחנו חוקרים מספר שנים את גורמי התקלות של טרנזיסטורים. אנו מנהלים את המחקר במונחים של מעגלים, התקנים וחומרים, ולעתים מעמיקים עד לרמת האטומים. התובנות שאנו אוספים מעבודה זו עוזרות לנו לספק את המשוב שיאפשר לייצר טרנזיסטורים אמינים יותר. אלא שבמקביל גילינו שהידש משמש לא רק כדי לפתור בעיות אמינות – אלא גם לספק בסיס לפתרונות חדשניים ומפתיעים, דוגמת פיתוח שבבים בעלי יכולת למידה עצמית, חיישנים ביולוגיים מבוססי FinFET ומערכות מיחשוב שיכולות לתקן את עצמן.

שבבים בעלי יכולת למידה עצמית

גידו גרוסנקן
גידו גרוסנקן

בשנת 2017 הצגנו שבב המממש תבנית של מורפולוגיה עצבית (neuromorphic chip) שהוא בעל יכולת למידה עצמית (בתמונה למעלה). הפיתוח שלו התבסס בין השאר, על הידע שלנו בנושא הזיכרון ההתנגדותי (Resistive RAM), אשר משתמש בפריצה של שכבת התחמוצת כדי להעביר סיבית של זיכרון ממצב למצב (0 או 1). פריצת תחמוצת הזו הנחשבת בדרך-כלל לבעיית אמינות מתרחשת מפני שנוצר נתיב מוליך דרך שכבת התחמוצת, המכונה בשם "נימה" (filament).

קבוצת האמינות ב-imec הראתה שלא רק שניתן ליצור נימה או להעלים אותה, אלא שיש גם רמות ביניים המאפשרות לשלוט בעוצמה של הנימה. זה בדיוק מה שקורה במוח: הקשרים בין הנוירונים יכולים להפוך להיות חזקים יותר או חלשים יותר בהתאם למידע שאותו המוח מעבד. המסקנה היתה שאפשר להשתמש בנימות של זיכרון RRAM כדי לייצר בשבבים הפועלים בדומה למוח. זו התובנה שעליה התבסס הפיתוח של השבב הנוירומורפי.

"טביעת אצבע" ואבטחת נתונים

במחקר שביצענו עם COSIC, שהיא קבוצת מחקר של imec באוניברסיטת KU Leuven שהתמחתה באבטחת מחשבים והצפנה השתמשנו בידע שלנו בנושא מנגנוני הפריצה בטרנזיסטורים (transistor breakdown mechanism). ניתן להשתמש בהם כדי ליצור "טביעת אצבע" ייחודית לכל שבב, שקיבלה את הכינוי "פונקציות שלא ניתנות לשיבוט באופן פיסי" (physically unclonable functions). טביעת אצבע ייחודית מאפשרת אימות של זיהוי השבבים ועל-ידי כך למנוע פריצה באמצעות שבבים נוכלים (rogue).

ניתן גם להשתמש בתופעת הרעשים האקראיים (Random Telegraph Noise) המוכרת בתחום האמינות של טרנזיסטורים, כטביעת אצבע לצורך אבטחה. הרעש הזה נובע מקפיצות פתאומיות במתח או ברמות הזרם כתוצאה מהילכדות אקראית של מטענים במלכודות הנמצאות בתוך הבידוד של שכבת ה-gate בצומת הטרנזיסטור. תופעה זו אינה ניתנת לחיזוי והיא אקראית. פריצת שכבת התחמוצת או הרעש האקראי שנחשבו בעבר לבעיה מבחינתנו – הפכו כעת לבסיס של פתרונות אבטחה חדשים.

חיישנים ביולוגיים

דוגמה נוספת מגיעה מהעולם של מדעי החיים. בקבוצה שלנו אספנו מידע רב לגבי הדרך שבה טרנזיסטורי FinFET פועלים ומה הם מנגנוני התקלות שלהם, עד כדי כך שאפשר לחקור את האפשרות להשתמש בהם כבחיישנים ביולוגיים. במולקולות ביולוגיות יש מטענים אשר יכולים להשפיע על הזרם בטרנזיסטורי FinFET המצויים בקרבתן. יכול להיות שבעתיד נוכל להבחין בנוכחות של מולקולה ביולוגית יחידה באמצעות טרנזיסטור FinFET.

שבבים עם יכולת שיקום עצמית

אנו פועלים עם מתכנני מערכות על מנת לייצר שבבים אמינים מטרנזיסטורים שאינם אמינים. טרנזיסטורים קטנים מ-5 ננומטר יכולים להיות שונים זה מזה במידה רבה מאוד והתנהגותם קשה לחיזוי. לכן אנו חוקרים פתרונות כמו למשל שבבים עם יכולת שיקום עצמי (self healing), שמתבססים בין השאר על מודלים קיימים של מנגנוני תקלות. שבבים אלו יצויידו בהתקני ניטור שיאבחנו שגיאות מקומיות. בקר חכם יפרש את המידע הזה, ויקבל החלטה לגבי פתרון הבעיה.

מעבר לחוק מור

כיום נחקרות כמה שיטות כדי לוודא שעדיין אפשר למזער את הטרנזיסטורים ולשפר אותם עד כמה שאפשר, כפי שהוצע בחוק מור. לשם כך, ארכיטקטורת הטרנזיסטור הקלאסית הוחלפה כבר על ידי ארכיטקטורה של FinFET, ובעתיד, התהליך יתפתח עוד לכדי משטחי ננו (nanosheet) או חוטי ננו (nanowire). חומרים אחרים שאינם סיליקון, עם ניידות רבה יותר נבחנים אף הם, כגון חומרי III-V (גרמניום עבור pMOS, ואינדיום גאליום ארסנייד – InGaAs עבור nMOS).

בבחירה שתתקבל עבור ארכיטקטורה עתידית זו, חשוב ביותר להתייחס כבר מההתחלה למנגנוני התקלות ולאמינות המסופקת על ידי פתרונות החדשים. כדוגמה, בשנה שעברה, צוות האמינות שלנו התמקד במידה רבה בטרנזיסטורי III-V. על אף שתוצאות הטרנזיסטורים האלו הייתה טובה במונחים של ניידות, היציבות שלהם נותרה אחד האתגרים העיקריים שנשארו בטרם נוכל לעבור לצעד הבא ולהתחיל בייצור. שכבות הבידוד בטרנזיסטורי III-V מכילות מלכודות רבות שגורמות לחוסר יציבות זו במאפייני הטרנזיסטורים. הבנת התופעה הזו חשובה אם עלינו למצוא לה פתרון.

קשה מאוד לראות רחוק יותר לעתיד, מאחר שככל שסיומו של חוק מור מתקרב, גדל מספר הטכנולוגיות הנמצאות "על המכ"ם", כמו מחשבים קוונטיים, חומרים דו-ממדיים, מחשבים במורפולוגיה עצבית, לוגיקת גל ספין (spin wave) ועוד. עם זאת, באף לא אחת מבין תפישות אלו התרחשה פריצת דרך.

למידע נוסף: www.imec-int.com

Share via Whatsapp

פורסם בקטגוריות: חדשות , סמיקונדקטורס