Un nuevo método para fabricar el “reloj” fundamental para todos los microprocesadores a partir de una matriz especializada de transistores en un troquel de chip estándar aborda los problemas de seguridad y de la cadena de suministro. Crédito: Second Bay Studios
Los fabricantes de microchips de EE. UU. pueden meter miles de millones de transistores de procesamiento de datos en un pequeño chip de silicio, pero el dispositivo fundamental es, en esencia, un “reloj”, porque el tiempo de ejecución de esos transistores debe realizarse por separado, lo que crea una vulnerabilidad en el chip y en la línea de suministro. seguridad. Un nuevo enfoque utiliza materiales de chips comerciales y técnicas de fabricación para fabricar transistores especializados que actúan como un bloque de construcción para este dispositivo de tiempo, abordando una debilidad y permitiendo una nueva funcionalidad a través de una integración mejorada.
dijo Dana Weinstein, profesora de ingeniería eléctrica e informática de la Universidad de Purdue que está desarrollando resonadores acústicos con los procesos utilizados para producir transistores de efecto de campo estándar de la industria (FinFET). “Estados Unidos necesita reforzar sus capacidades de fabricación de chips, y los avances de esta naturaleza abordan múltiples preocupaciones en la cadena de suministro, la seguridad nacional y la seguridad del hardware. Al mover todo el reloj dentro de un procesador, puede fortalecer un dispositivo contra ataques de fallas”. y habilitar nuevas funciones como la huella digital sónica de un chip empaquetado para detectar la manipulación.
Como todos los transistores, los dispositivos que sustentan la microelectrónica moderna, los FinFET son puertas de encendido/apagado activadas por voltaje. Como sugiere su nombre, FinFET pasa corriente a lo largo de una aleta de material semiconductor que pasa a través de la puerta. En el estado cerrado o apagado, la aleta no conduce electricidad. El voltaje aplicado a la parte superior de la compuerta genera una carga eléctrica en la aleta, lo que permite que la electricidad fluya en estado abierto o abierto.
Pero los transistores deben sincronizarse para realizar las operaciones de los microprocesadores, sensores y radios utilizados en todos los dispositivos electrónicos. Los dispositivos que hacen esto se basan en la sonicación, la frecuencia de resonancia en la que ciertas estructuras, como un recipiente de vidrio, pueden emitir un sonido específico cuando se presionan. La onda repetitiva regular del llamado resonador acústico actúa como una percusión que se incorpora a un pequeño sistema electromecánico más grande y se usa para decir la hora. Los resonadores microelectromecánicos comerciales de hoy en día no pueden fabricarse en un proceso de fabricación de chips estándar y deben fabricarse por separado y luego ensamblarse con microchips para su uso.
La innovación de Weinstein es construir un resonador acústico con el repertorio de materiales y técnicas de fabricación disponibles en un Fab estándar de un chip semiconductor de óxido de metal complementario. En un artículo de investigación reciente en la revista Electrónica de la naturaleza, su equipo de investigación informa sobre su diseño más avanzado hasta el momento. Usando un proceso comercial operado en las instalaciones de GlobalFoundries Fab 8 en Nueva York y descrito en la Guía de diseño de tecnología FinFET 14LPP de GlobalFoundries, los miembros del equipo fabricaron un lote especializado de FinFET capaces de producir una frecuencia en el rango de 8-12 GHz, que supera las frecuencias de reloj nativas típicas. para microprocesadores.
La solución elegante esencialmente reutiliza los transistores de procesamiento de datos en un temporizador.
“Con nuestro enfoque, el fabricante de chips ejecuta este dispositivo a través del mismo proceso que usaría para la CPU de una computadora u otra aplicación”, dijo Jackson Anderson, estudiante graduado de Purdue en ingeniería eléctrica e informática y primer autor del artículo de Nature Electronics. . “Cuando el microprocesador y otros componentes están terminados, también lo está el resonador. No tiene que someterse a más fabricación ni enviarse a otro lugar para integrarse con un chip de microprocesador separado”.
Aunque el estado de encendido o apagado de un transistor normalmente dirige la corriente para que actúe como los 0 y los 1 del código binario, todos los transistores también se pueden usar como capacitores para almacenar y liberar carga. El equipo de Weinstein hace exactamente eso con conjuntos de transistores de “accionamiento”, apretando y liberando una fina capa de material dieléctrico entre la aleta y la puerta.
“Estamos comprimiendo esas capas entre la puerta y el semiconductor, empujando y tirando de esa área delgada entre la puerta y la aleta”, dijo Jackson. “Hacemos esto alternando transistores adyacentes, uno apretando, el otro estirando, construyendo las vibraciones lateralmente en el dispositivo”.
Los transistores de excitación están dimensionados para dirigir y amplificar las vibraciones del edificio sobre sí mismos a una frecuencia resonante específica. Esto, a su vez, estira y comprime el material semiconductor en un grupo adyacente de transistores “sensoriales”, cambiando las propiedades de la corriente a través de esos transistores, traduciendo la vibración en una señal eléctrica.
“Cada pieza de su pieza electrónica de alto rendimiento utiliza FinFET”, dijo Weinstein. “La integración de estas funciones hace avanzar nuestras capacidades microelectrónicas más allá de los microprocesadores digitales. Si la tecnología cambia, podemos adaptarnos, pero avanzaremos con un sistema de microprocesador integrado”.
Referencia: “Resonadores acústicos integrados en la tecnología de transistores de efecto de campo de aleta comercial” por Jackson Anderson, Yanbo He, Pichoi Bar y Dana Weinstein, 23 de septiembre de 2022, disponible aquí. Electrónica de la naturaleza.
DOI: 10.1038/s41928-022-00827-6
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