מלך המתגים – על עקרון הפעולה של טרנזיסטור MOSFET

בחודש הבא יחגוג הבלוג 5 שנים להיווסדו. במילים אחרות, אני כותב פה כבר 5 שנים. פיסת חיים.

איור 1: עוגת יומולדת עם 5 נרות. המקור לאיור: clip art מה-powerpoint.

העובדה הזאת גרמה לי לשאול את עצמי האם אני זוכר את כל מה שכתבתי כאן. האם אני אעבור בחינה על החומר שכתוב בבלוג. רמז  לסיכויי ההצלחה שלי במבחן כזה קיבלתי לא מזמן.

תהיתי לעצמי האם כתבתי בעבר הסבר על עקרון הפעולה של טרנזיסטורים. חשבתי שכן, אבל לא הייתי בטוח. האמת המביכה היא שכדי להחליט הייתי צריך לעשות חיפוש באתר של עצמי. גיליתי להפתעתי שמעולם לא כתבתי עליהם, אלא רק כנושא צדדי קצר כדי להסביר משהו אחר, למשל כשסיפרתי על זיכרון פלאש או על מימוש של שערים לוגיים. המצב קשה.

אז כמו שכבר הבנתם הנושא הפעם הוא עיקרון הפעולה של טרנזיסטורים, כאשר אתמקד בסוג שנקרא MOSFET שזה קיצור נפלא לזוועה הבאה: 'Metal-oxide-semiconductor field-effect transistor'. כמו כן אתמקד בפעולה שלו כמתג, מכיוון לדעתי אלה הן הדוגמאות החשובות והפשוטות ביותר.

הרשימה הפעם מעט ארוכה מהרגיל. הסיבה לכך היא הרצון שלי לתת רקע איתן שיאפשר הבנה ללא קשר לידע מוקדם. מהסיבה הזאת הקפדתי להפריד את הרשימה למקטעים שכל אחד מהם מתחיל בשאלה שמתארת היטב מה מטרתו. הקורא יכול לרפרף בנוחות ולבחור לדלג על מקטע שדן בשאלה שאותה הוא כבר מכיר.

***

מהו טרנזיסטור?

לעניינינו, טרנזיסטור הוא מתג חשמלי שביכולתו לווסת זרימת מטענים חשמליים. הטרנזיסטור הוא אבן הבסיס לבניית שערים לוגיים ומכאן לכל יחידות המחשב (מעבד, זיכרון וכולי). מדובר ברכיב חשמלי בעל שלושה חיבורים חיצוניים שאותם נסמן באותיות S,D ו-G שהם קיצור ל-source, drain ו-gate בהתאמה.

נוח לחשוב על הטרנזיסטור כעל ברז ששולט על זרימת מים בצינור, כאשר המים מסמלים זרם חשמלי. בצינור יש לחץ ולכן מים יזרמו דרכו אלא אם כן שמנו מחסום, למשל ברז שחוסם את המעבר. כלומר, פתיחת הברז תשחרר את החסימה ותאפשר את זרימת המים. הטרנזיסטור מחובר במעגל חשמלי כך שבין הרגליים S ו-D ישנו מתח חשמלי כך שאם הוא פתוח, זרם חשמלי יזרום דרכו ללא הפרעה (משול ללחץ בצינור). חיבור ה-G משמש כידית הברז. מתח חיובי על רגל ה-G (בד"כ ביחס ל-S) תגרום לפתיחת הברז ולזרימה חשמלית.

כיצד הפעלת מתח חשמלי על רגל G גורמת לפתיחת מחסום לזרם?

לפני שאענה על השאלה הזאת, אעבור דרך מספר תחנות ביניים. הסבלנות תשתלם.

***

מהו מוליך למחצה?

כמו שכתבתי בעבר, מוליך למחצה אינו מוליך ואינו חצי של שום דבר.

ההבדל העיקרי בין מוליכים למבודדים הוא שבחומרים מוליכים (למשל מתכות) ישנם תמיד כמות עצומה של אלקטרונים זמינים להולכה חשמלית. אין צורך להשקיע אנרגיה כדי לשחרר אותם מהאטומים. לעומת זאת, במבודדים האלקטרונים קשורים לאטומים ואינם זמינים. דמיינו את האלקטרונים לכודים בתוך בור שהוא האטום. ניתן לשחרר אותם אבל צריך להשקיע אנרגיה להרים אותם אל מחוץ לבור. ברוב המבודדים כמות האנרגיה שיש להשקיע היא כל כך גדולה כך שאם למשל נחמם אותו כדי להעניק לאלקטרונים אנרגיה כך שיוכלו לברוח מהבור, החומר עצמו יתפרק.

ישנם מספר חומרים מיוחדים שבהם המחסום שעליו אלקטרונים צריכים להתגבר כדי לצאת לחופשי הוא כל כך קטן כך שהאנרגיה התרמית שיש להם בטמפרטורת החדר מספיקה כדי לשחרר כמות גדולה מהם כך שניתן להעביר זרם חשמלי דרך החומר. חומרים אלה נקראים 'מוליכים-למחצה'. שימו לב שהמוליכים למחצה הם למעשה מבודדים. בטמפרטורות נמוכות הם אינם מוליכים כלל, ובטמפרטורת החדר יש להם מוליכות קטנה ביחס למתכות אך גדולה מאפס. הדוגמה הידועה ביותר למוליך למחצה הוא היסוד סיליקון (צורן), מספר 14 בטבלה המחזורית. הסיליקון הוא החומר העיקרי שמשמש את תעשיית השבבים לייצור מעגלים מודפסים ולכן לייצור טרנזיסטורים.

תמונה 2: גוש סיליקון. המקור לתמונה: ויקיפדיה, לשם הועלתה על ידי המשתמש Enricoros.

אחת מהתכונות החשובות של המוליכים למחצה בכלל ושל הסיליקון בפרט הוא היכולת לשלוט במוליכות החשמלית שלו ולקבע אותה כרצוננו. המוליכות החשמלית של מתכת, למשל, תמיד גבוהה ותלויה חזק בטמפרטורה. שתי תכונות אלה אינן רצויות אם ברצוננו לבנות רכיב חשמלי שיפעל בטווח רחב של מצבים.

***

כיצד שולטים במוליכות הסיליקון?

גביש הסיליקון מורכב מרשת מחזורית של קשרים קוולנטיים. לפי מיקומו בטבלה המחזורית הוא מייצר 4 קשרים עם 4 אטומים קרובים אליו. קשר קוולנטי הוא בעצם שיתוף של אלקטרונים עם אטום אחר.

ניתן להשתיל אטומים זרים לתוך המבנה הגבישי המסודר של הסיליקון בכמות נמוכה כך שהמבנה עצמו לא ישתנה, כלומר תכונות החומר יישארו זהות. אם נבחר לזהם את הסיליקון למשל בזרחן, מספר 15 בטבלה המחזורית, האטומים הבודדים של הזרחן ישתבצו לתוך הסידור המחזורי של אטומי הסיליקון. אבל לזרחן יש אלקטרון אחד עודף בקליפת האנרגיה החיצונית ולכן לאחר היווצרות הקשר הקוולנטי יישאר אלקטרון אחד עודף שיהיה חופשי להולכה חשמלית. זיהום הסיליקון בסדר גדול של אטום אחד לאלף מספיק כדי להעלות את המוליכות באופן דרסטי מבלי לשנות את תכונות החומר. למעשה האלקטרונים החדשים נהיים הגורם הדומיננטי לכמות האלקטרונים הזמינים להולכה. בנוסף, עבור האלקטרונים שנוספו מספיקה טמפרטורה נמוכה מאוד ביחס לטמפרטורת החדר כדי לנתק אותם מהאטום ולכן כמות האלקטרונים הזמינים להולכה בחומר אינה מושפעת חזק משינויי טמפרטורה. אם כך, קיבלנו חומר שבו אנחנו קבענו את רמת ההולכה על ידי רמת הזיהום והיא אינה תלויה בטמפרטורה. בדיוק מה שנדרש לאלקטרוניקה.

ניתן לזהם סיליקון גם בחומר עם אלקטרון אחד פחות בקליפה החיצונית (למשל בורון, מספר 5 בטבלה, טור אחד שמאלה ביחס לסיליקון) כך שלאחר היווצרות הקשרים יהיה חוסר באלקטרון אחד. מבלי להיכנס יותר מדי לפרטים, החוסר מאפשר זרם מכיוון שהאלקטרונים יכולים לזוז דרך המקום הפנוי (כמו פאזל הזזה). נהוג לקרוא למקום הפנוי 'חור' ולהתייחס אליו כחלקיק בעל מטען חשמלי חיובי (או קווזי-חלקיק). מוליכים למחצה שזוהמו בחומרים 'מימין' ולהם אלקטרונים זמינים להולכה נקראים n-type וחומרים מזוהמים 'משמאל' ולהם חורים נקראים p-type. הזרם החשמלי במוליכים למחצה מורכב, אם כן, משני סוגים: זרם אלקטרונים וזרם חורים.

***

מהו קבל?

אחד הרכיבים הבסיסיים במעגלים חשמליים נקרא קבל. זהו רכיב בעל שני חיבורים למעגל וביכולתו לאגור אנרגיה חשמלית. בצורתו הפשוטה ביותר להסבר מדובר בשני לוחות מתכת שביניהם יש חומר מבודד כלשהו (ראו איור 3). כאשר נפעיל מתח חשמלי בין הלוחות, יצטבר מטען שווה בגודלו והפוך בסימנו על כל לוח כך שנוצר ביניהם שדה חשמלי. כמות המטען על הלוחות תלויה במתח החשמלי על הלוחות ובצורתו של הקבל ותכונותיו של החומר המבודד (האחרון מכונה בעגה 'קיבול').

איור 3: סכמה של קבל לוחות.

ההנחה שלנו בניתוח הקבל הוא ששני הלוחות הם מתכתיים ובעצם, במובן מסוים, מהווים המשך של החוטים במעגל. מתכות יכולות לספק כמות בלתי מוגבלת של אלקטרונים.

מה יקרה אם נחליף את אחד הלוחות המתכתיים לחומר שאינו מתכתי, לדוגמה מוליך למחצה?

***

מהו קבל MOS?

נניח והחלפנו את אחד מלוחות המתכת של קבל לוחות בלוח שעשוי מוליך למחצה. מה יקרה?

הקבל כמכלול יתנהג פחות או יותר אותו הדבר. מטען שווה והפוך יצטבר על הלוחות. אבל המוליך למחצה אינו מתכת והוא מתקשה לספק את האלקטרונים הדרושים. דבר זה מוביל לשינויים מעניינים בתוכו שאותם אנחנו נוכל לנצל.

הקיצור MOS בא במקום metal-oxide-semiconductor. הקבל הוא חומר מבודד (אוקסיד, תחמוצת סיליקון, בעצם זכוכית) בסנדוויץ' בין מתכת למוליך למחצה (ראו איור 4). כמובן שעל הסיליקון יש חיבור מתכתי למעגל החשמלי, אבל זה לא משנה לעקרון הפעולה.

איור 4: סכמה של קבל MOS..

נניח ששכבת הסיליקון היא p-type, כלומר המטענים החופשיים בה הם 'חורים' בעלי מטען חשמלי חיובי. הפעלת מתח חיובי דורשת הצטברות מטען שלילי במוליך למחצה. מה שיקרה הוא שהחורים, שהם בעלי מטען חשמלי חיובי, ידחו ויעזבו את המקום. הם ישאירו אחריהם שכבה של אטומים מיוננים בעלי מטען שלילי שנקראת שכבת המיחסור (depletion), והיא זאת שתורמת את המטען הדרוש.

ככל שנגדיל את המתח, כך ידרשו עוד מטענים שליליים במוליך למחצה ושכבת המיחסור תתרחב. אם המתח המופעל מספיק גבוה (בעגה: מתח הסף) תהליך זה כבר אינו יעיל בגלל רוחבה הגדול של שכבת המיחסור ובמקום זאת יחלו להופיע אלקטרונים (ראו איור 5). כלומר, הפעלת מתח בעוצמה מספיקה יכולה לשנות את אופי המוליך למחצה. החומר כבר לא p-type אלא n-type, כלומר שינוי מחומר שמוליך חורים לחומר שמוליך אלקטרונים. תופעה זאת נקראת אינברסיה (inversion). הפוטנציאל החשמלי משתנה לעומק הרכיב וככל שמתרחקים מהאלקטרודה הוא קטן. לכן האינברסיה תופיע כשכבה דקה קרוב לאלקטרודה (רק באזורים בהם הפוטנציאל גבוה מספיק).

איור 5: הפעלת מתח גבוה ממתח הסף על קבל ה-MOS גורמת להיווצרות שכבת אינברסיה..

כעת יש לנו כבר את כל מה שאנחנו צריכים כדי לקבל את הטרנזיסטור.

***

מהו טרנזיסטור MOSFET?

היזכרו שכאשר הצגתי את טרנזיסטור ה-MOSFET כתבתי שיש לו 3 חיבורים: S,D ו-G. כדי לקבלו נוסיף למוליך למחצה בקבל ה-MOS פיסת סיליקון n-type משני צדדיו ונחבר כל אחת מהן למתח חיצוני. אחת הפיסות תסומן ב-S, אחת ב-D והמתכת מעל האוקסיד תכונה G (ראו איור 6).

איור 6: סכמה של טרנזיסטור MOSFET.

ללא הפעלת מתח על G לא ניתן להעביר זרם בין S ל-D גם אם נפעיל מתח ביניהן מכיוון שנקודות S ו-D מחוברות לסיליקון מסוג n-type שבו יעבור רק זרם אלקטרונים ופיסת הסיליקון המקורית מהקבל היא p-type ובה יעבור רק זרם חורים. הפעלת מתח מספיק גבוה על נקודה G תגרום להופעת שכבה דקה של n-type קרוב לקצה החיצוני של המוליך למחצה, תחבר בין S ו-D, ותשמש כתעלת הולכה של אלקטרונים (ראו איור 7). דעו כי האפקט הוא דרמטי. כאשר המתח על נקודה G נמוך ממתח הסף אין זרם, ומעל מתח הסף הזרם גדל באופן משמעותי כך שהטרנזיסטור יכול להיחשב כקצר, כלומר כחוט מתכתי מוליך זרם.

איור 7: הפעלת מתח גבוה ממתח הסף על ב-G גורמת להיווצרות שכבת אינברסיה ולפתיחת הטרנזיסטור לזרם חשמלי.

אם כך, על ידי הפעלת מתחים מתאימים על נקודה G ניתן למתג את הזרם דרך הטרנזיסטור בין מצבים 'פתוח' ו-'סגור'. ברז אלקטרונים מושלם ונוח לתפעול.

הערה לסיום: שימו לב שהמעבר שעשיתי בין קבל MOS לטרנזיסטור MOS הוא קונספטואלי לשם הסבר ברור. לא כך בונים טרנזיסטור MOSFET.

הדרך הטובה לבנות טרנזיסטור MOSFET מהסוג שתואר כאן הוא להתחיל מגוש סיליקון מסוג p ועל פני השטח לזהם שתי בארות קטנות של n. את החיבורים לאזורים השונים יש ליצור כלפי מעלה.

אבל אסיים כאן. ייצור טרנזיסטורים ותפעולם הוא נושא לרשימה אחרת.

רק פוני אחד לטריק – על מימוש שערים לוגיים

בשתי רשימות קודמות סיפרתי על האלגברה הבוליאנית ועל איך ניתן לעשות בה שימוש באלקטרוניקה דיגיטלית. ערכי המשתנים באלגברה בוליאנית, 'שקר' או 'אמת', 'אפס' או 'אחד', מתורגמים באלקטרוניקה למתח גבוה או מתח נמוך. בעזרת הפעולות הבוליאניות 'וגם' ו-'או' ניתן לתכנן מעגל שיקבל החלטות נכונות לפי חוקים ידועים מראש, למשל ידליק נורה אך ורק אם התנאים הנכונים מתקיימים.

הפעם אני רוצה לספר על איך זה קורה באמת. כיצד ניתן לממש את השערים הלוגיים, כלומר את הפעולות 'וגם' ו-'או' ופעולות נוספות.

***

הרכיב הבסיסי שעומד מאחורי כל השערים הלוגיים 'בעולם האמיתי' הוא המתג.

חישבו על מתג כעל ברז במרכז צינור מים. בהנחה שאני דוחף בלחץ מים דרך הצינור, המים נשפכים החוצה אם הברז פתוח ולא נשפכים אם הברז סגור. המתג עובד באופן דומה. אם המתג פתוח, זרם חשמלי יעבור דרכו ללא הפרעה ואם הוא סגור הזרם אינו עובר. בעגה נאמר שבאופן אידיאלי כאשר המתג פתוח הרכיב הוא 'קצר' במעגל וכאשר הוא סגור הרכיב הוא 'נתק' במעגל.

ישנן מספר דרכים לבנות מתג עבור מעגלים חשמליים בזרם נמוך (למשל בשבבים למחשבים). בעבר היו משתמשים בשפופרות ואקום והיום אנחנו משתמשים בטרנזיסטורים שהם רכיבים שבנויים מחומרים שנקראים 'מוליכים למחצה' ועל המצאתם הוענק פרס נובל בפיזיקה בשנת 1956.

כדי לא להאריך היכן שיש לקצר ולא לקצר היכן שיש להאריך לא אעסוק ברשימה זאת בבפנוכו של הטרנזיסטור. אני רק אציין שלרכיב יש שלושה טרמינלים, כלומר שלוש נקודות חיבור למעגל. נקודה אחת נקראת 'gate' והיא הברז. שתי הנקודות האחרות נקראות 'source' ו-'drain' והן שני צדדי הצינור. מתח מתאים בחיבור ה-gate יפתח את הרכיב לזרם חשמלי.

מכאן ואילך אני פשוט אניח שיש ברשותי את הרכיב הדרוש.

איור 1: סימון במעגל חשמלי לטרנזיסטור. G מסמן את כניסת ה-Gate, S את כניסת ה-Source ו-D את כניסת ה-Drain. אם נחבר מתח חשמלי בין S ל-D ונדאג למתח ב-G שמספיק לפתיחתו של הטרנזיסטור אז זרם חשמלי יזרום מ-S ל-D.

***

כעת, כשיש לנו את אבן הבסיס, המתג, נשתמש בו כדי לממש את השער הפשוט ביותר: 'המהפך' (inverter). ברשימה הקודמת הראיתי שבתכנון המעגלים הדיגיטליים יש צורך ברכיב שהופך גבוה לנמוך ונמוך לגבוה. השער הלוגי הזה גורם להיפוך של האות החשמלי ומכאן שמו.

כיצד, אם כן, נשתמש במתג כדי לקבל מהפך? נבחן את החיבור הבא:

איור 2: מעגל מהפך. המקור לאיור: ויקיפדיה (עם תוספות שלי), לשם הועלה על יד המשתמש Fresheneesz.

כאשר המתח גבוה ב-gate של הטרנזיסטור הוא פתוח ולכן מהווה קצר, כלומר אפשר להחליף אותו בחוט מתכת. אם כן, המתח בנקודת היציאה מוכתב ישירות על ידי נקודת ההארקה שהיא בהגדרה אפס. כלומר, נכנס גבוה יוצא נמוך. לחלופין, אם מתח הכניסה נמוך אז הטרנזיסטור סגור ולכן אין זרם. כתוצאה מכך אין נפילת מתח על הנגד וניתן להחליף את הטרנזיסטור בחוט מנותק. המתח ביציאה מוכתב כעת על ידי מקור המתח העליון שערכו הלוגי הוא '1'. כלומר, נכנס נמוך יצא גבוה.

אז יש לנו מהפך.

לפני שאני עובר הלאה, אני אתעכב מעט כדי להצביע על בעיה פרקטית במהפך הזה ועל פתרון אפשרי. נניח שבאופן ממוצע בחצי מזמן פעולתו של המעגל נכנס למהפך אות גבוה ולכן הטרנזיסטור פתוח. כתוצאה, בחצי מהזמן זורם זרם במעגל דרך הנגד כך שנשלם לחברת החשמל על חימום. זאת תוצאת לוואי מאוד לא רצויה מכיוון שישנם מעגלים שבהם יש מיליוני טרנזיסטורים, ונהיה שם חם. מאוד.

בואו ונניח שיש טרנזיסטור מאוד דומה לזה שהוצג, אך הוא עובד הפוך. הוא נפתח רק אם מתח ה-gate שלו נמוך. נסמן אותו בסימון דומה אך עם נקודה ב-gate. נבחן את החיבור הבא:

איור 3: מעגל מהפך בטכנולוגית CMOS. המקור לאיור: ויקיפדיה (עם תוספות שלי), לשם הועלה על ידי המשתמש inductiveload.

מתח גבוה יגרום לפתיחת הטרנזיסטור התחתון וסגירת העליון, כך שהיציאה נמוכה. מתח נמוך יגרום לפתיחת הטרנזיסטור העליון וסגירת התחתון ולכן היציאה גבוהה. היתרון במעגל זה הוא שברוב זמן פעולתו לא זורם בו זרם, בזבוז ההספק עליו נמוך באופן משמעותי ולכן הוא מתחמם פחות. החיסרון הוא שיש בו צורך בעוד טרנזיסטור ובעוד שטח על גבי המעגל המודפס, וזה עולה כסף. צורת המהפך הזאת היא חלק מטכנולוגיה בסיסית של מעגלים שנקראת CMOS.

***

בואו וננסה שער יותר מורכב.

ה-'nand' הוא שער שמורכב מ-'וגם' שאחריו מהפך (not-and). טבלת האמת שלו היא:

נבחן את המעגל הבא:

איור 4: מעגל nand. המקור לאיור: ויקיפדיה (עם תוספות שלי), לשם הועלה על יד המשתמש Fresheneesz.

נבחין שזרם במעגל יזרום רק אם שני המתגים פתוחים ובמקרה הזה היציאה נקבעת על ידי ההארקה, כלומר יציאה נמוכה. כל מקרה אחר נקבל יציאה גבוהה וזה בדיוק מה שנדרש לפי הטבלה.

ניתן לממש את ה-nand, כמובן, גם בטכנולוגית CMOS. אני ממליץ לכם לנסות לשרטט את הפתרון בעצמכם.

אז יש לנו nand.

וזהו, סיימנו.

מה? למה?

***

להלן שלושה תרגילים קצרים באלגברה בוליאנית. מי שלא מכיר או לא זוכר יכול לעיין ברשימה קודמת בנושא.

התרגיל הראשון מראה שניתן ליצר מהפך משער nand. התרגיל השני מראה שניתן לייצר שער 'וגם' באמצעות שערי nand ומהפך. התרגיל השלישי מראה שניתן לייצר שער 'או' באמצעות שער nand ושני מהפכים.

מסקנה: ניתן לממש את כל השערים הלוגיים באמצעות צירופים של שערי nand בלבד.

זה נקרא בעגה Functional completeness.

היתרון: צריך רק פוני אחד לטריק, רק חותמת אחת, רק ראש אחד במדפסת וכולי.

החיסרון: יש צורך בהרבה יותר טרנזיסטורים.

סוף.

היש נביא בעירו? על חוק מוּר ומה שהוא באמת חוזה

ב-19 באפריל 1965 פרסם במגזין 'electronics' דוקטור לכימיה-פיזיקלית בשם גורדון אי. מוּר (Moore) מאמר מעניין. המאמר דן בכמות הרכיבים החשמליים שניתן לשים על מעגל משולב אחד ומציע תחזית לעלייה בכמות הזאת בעשר השנים הבאות (קישור למאמר המקורי בגרסת פד"ף): הכפלה של כמות הרכיבים בכל שנה. כיום, 46 שנים לאחר מכן, התחזית עדיין תקפה. מספר הטרנזיסטורים המרכיבים את המעבד במחשב גדל פי 2 כל 18 חודשים לערך (ראו איור 1). תחזית זאת קיבלה בסביבות 1970 את השם 'חוק מור' והיא אחד הרעיונות המצוטטים ביותר בתוך הקהילה הטכנולוגית. אך מה באמת חוזה חוק מור? האם הוא באמת חוזה את העתיד? האם התגלה חוק בסיסי בהתקדמות טכנולוגית-כלכלית?

איור 1: חוק מור. מספר הטרנזיסטורים על מעבד משנות ה-70 ועד שנת 2008. ניתן למתוח קו ישר דרך התוצאות כאשר מציגים אותם בסקלה לוגריתמית. המקור לתמונה: ויקיפדיה לשם הועלתה ע"י המשתמש Wgsimon.

לא זוכרים מה זה טרנזיסטור? אפשר לעיין כאן (עברית, באמצע) או כאן (אנגלית).

מדוע יש עניין במספר רב של טרנזיסטורים על גבי המעגל המשולב? ככל שנוכל להדפיס טרנזיסטורים בצפיפות גדולה יותר כך נוכל לבנות את אותם המעגלים בשימוש בשטח קטן יותר על פרוסת הסיליקון, שטח ששווה כסף. כמו כן, ככל שהטרנזיסטורים קטנים יותר כך מהירות המיתוג של השערים הלוגיים גבוהה יותר והמעבד מהיר יותר (זה לא לגמרי נכון בטרנזיסטורים החדישים ביותר, אבל זה לא חשוב לדיון). באופן מסורתי, גודלו של טרנזיסטור נמדד לפי רוחב השער שלו (gate). השער הוא האלקטרודה שעליה מופעל מתח חשמלי שקובע האם הטרנזיסטור יהיה פתוח או סגור. רוחב השער במעבדים של אינטל בשנת 2009 היה 32 ננומטר! (ננומטר הוא מיליונית המילימטר – כלומר השער קטן פי 2000 בערך מקוטר שערה).

כעת נחזור לחוק מור. התחזית שלו הסתמכה על אקסטרפולציה של המגמה שנחזתה בשלוש שנים שקדמו לכתיבת המאמר. בנוסף, דן המאמר בהשלכות הכלכליות החיובית של מגמה זאת – מחשב בזול לכל דורש. בעת כתיבת המאמר היה מור ראש מעבדות פיירצ'יילד לפיתוח ומחקר בתחום המוליכים למחצה שיצרה את המעגל המודפס המסחרי הראשון, בשיתוף עם חברת טקסס-אינסטרומנטס, ארבע שנים קודם לכן. שלוש שנים לאחר פרסום המאמר היה שותף מוּר בהקמת חברת הענק (דהיום) אינטל.

תמונה 2: המפעל של אינטל בקריית גת כפי שצולם ב-2008 על ידי ארכיון קריית גת והועלה לויקיפדיה.

יש לשים לב שחוק זה אינו חוק מדעי שמנסה להסביר את התנהגות הטבע (כחוקי ניוטון למשל), אלא תצפית על התקדמות הטכנולוגיה באווירה הכלכלית השלטת בתחום שנים מסוים. בזמן ניסוח הטענה לא היה כל הגיון שעמד מאחוריה. כמו כן, הניסוח של החוק עבר כמה שינויים במשך השנים כדי להתאים למציאות. במאמר המקורי דובר על הכפלה כל שנה אך 10 שנים לאחר מכן עודכן המספר ע"י מור לשנתיים ולבסוף נקבע על 18 חודשים.

אם כן, מדוע הוא עובד כל השנים הללו? לאחר קריאה בנושא ושיחות שניהלתי עם אנשים העובדים בתחום, דעתי היא שחוק מור מתפקד כנבואה שמגשימה את עצמה. החוק מנוסח בצורה כה פשוטה וזכה לפופולאריות כה גדולה מתחילתה של תעשיית המיקרואלקטרוניקה, עד כי הוא שימש למהנדסים (או למנהלים האוחזים בשוט) כיעד לכוון אליו. החוק אולי גם שימש כסוג של מנגנון בקרה הדואג להנציח את עצמו. אם אנחנו עומדים ביעד, הלחץ לפיתוחים חדשים נמוך ואם אנחנו רחוקים מהיעד, הלחץ לפיתוחים חדשים גבוה. עלי לסייג דברים אלה מכיוון שאיני מביא סימוכין היסטוריים התומכים ברעיון, אך אוסיף שאיני היחיד שחושב כך.

האם החוק יחזיק לנצח? ובכן, הדעות חלוקות. מצד אחד החוק כבר הוספד פעמים רבות בעבר והבדיחה היא שהתחזית שהחוק ישבר תוך 10 שנים רצה חזק כבר 30 שנים. יש להבין שבמשך השנים נתקלו המדענים והמהנדסים באינספור בעיות שנראו בזמנו כבלתי פתירות, אך תמיד נמצאו פתרונות גאוניים ויצירתיים: אם בשימוש בחומרים חדשים, ארכיטקטורות שונות של הטרנזיסטורים והמעגלים או המצאת שיטות ייצור פורצות דרך. קצרה היריעה מלהכיל את הסיפור כולו. אך עם זאת, יש גם לשים לב שהטרנזיסטורים כבר מגיעים לגדלים בלתי נתפסים (קטנים מ-32 ננומטר). גדלים שיגיעו בקרוב לגבול הקוונטי שבו התנהגות החומר שונה. לדוגמא, בעתיד יתעורר הצורך להתמודד עם תופעות של מנהור קוונטי של אלקטרונים שיפגמו בפעולת הטרנזיסטורים. לדעת רבים (כולל מור עצמו) זהו גבול שלא ניתן לעבור אותו והחוק יישבר.

בין אם חוק מור יישבר או בין אם יישאר אתנו עוד שנים רבות אני רואה בו דבר מבורך. בדומה לסופרי המדע הבדיוני שרעיונותיהם שימשו השראה להמצאות טכנולוגיות, כך במשך השנים שימש חוק מור כמגדלור שסימן למהנדסים יעד ומשך אותם להישגים אדירים. ובדומה לנאומו המפורסם של הנשיא האמריקאי ג'ון פ. קנדי שבו הכריז על תאריך יעד שבו תנחית ארה"ב אדם על הירח והיה בין הגורמים לכך שזה באמת קרה, כך גם תעשיית המיקרואלקטרוניקה מתעקשת שלא לאכזב את נביאה מור.

לקריאה נוספת:

The Mythology of Moore's Law – Tom R. Halfhill

עובדות משעשעות על גודלם הזעיר של טרנזיסטורים מהאתר של אינטל (גרסת פד"ף).

Fun facts: exactly how small (and cool) is 22 nanometers?

————————————————————————

הרשימה פורסמה במקור באתר שפינוזה זצ"ל לפני כשנתיים-שלוש. העלתי אותה לכאן לאחר עריכה קלה.

אז מה עושים שם באוניברסיטה? פרק 5: אפשר יותר מהר בבקשה? – על תכנון מעגלים בתדרי רדיו גבוהים

נפגשתי עם בסאם חמאיסי כדי לשאול אותו מה עושים שם באוניברסיטה.

בסאם, במקור מכפר כנא שליד נצרת, מתגורר כיום בתל-אביב. את השכלתו האקדמית רכש באוניברסיטת תל-אביב בתחום הנדסת החשמל. בימים אלה הוא מבצע את עבודת הדוקטורט במעבדתו של דר' ערן סוחר בפקולטה להנדסה באוניברסיטת תל-אביב. עיקר עניינו הוא בתכנון מעגלים משולבים לעבודה בתחום תדרי הרדיו גבוהים מאוד.

בסאם, אז מה אתם עושים שם?

אצלנו במעבדה אנחנו מפתחים מעגלים משולבים לתדרי עבודה בתחום הרדיו, שהם תדרי עבודה גבוהים במיוחד. מדובר בגלים באורכי גל מילימטריים ותת-מילימטריים, שהם הגלים הקצרים ביותר הנמצאים בשימוש בתקשורת אלחוטית כיום.

על מה בעצם מדובר? מי משתמש בזה?

המטרה היא להעביר מידע בצורה אלחוטית. כיום למשל בטכנולוגית WiFi קצב השידור הוא 2.4GHz. אם רוצים להעביר כמות גדולה יותר של מידע בזמן נתון, למשל לשלוח סרט בקצב של 5Gbyte לשניה, רצוי לפתח טכנולוגיות יותר מהירות. הבעיה היא שהמעגלים הרגילים והרכיבים מהם הם מורכבים לא מותאמים לעבוד בקצבים כל כך גבוהים ולא יוכלו לתת את ההספק הנדרש.

ישנם לא מעט יישומים מעניינים למעגלים המהירים שאנו מפתחים. למשל להורדה מהירה של סרטים או קבצים מהאינטרנט למכשירים ניידים. דוגמא נוספת היא בתחום ההדמיה לשימושי אבטחה – לגילוי כלי נשק מוסתרים, או ליישומים רפואיים כמו אבחון סרטן. על נושא ההדמיה אני ארחיב בהמשך.

איור 1: ספקטרום הקרינה האלקטרומגנטית. המקור לתמונה: ויקיפדיה.

אז מה מיוחד בגישה שלכם לפיתוח המעגלים?

ראשית, כדאי להזכיר בקצרה מהו טרנזיסטור. רכיב חשמלי זה הוא אחד מאבני הבסיס החשובות המשמשות למשל לבניית מחשב. הטרנזיסטור הוא מעיין מתג חשמלי בעל שני מצבים – מעביר או לא מעביר זרם חשמלי. בעזרת רכיבים אלה ניתן לממש את כל הפונקציות הלוגיות ('וגם', 'או', וכדומה) שנדרשות לתכנון המעבד או יחידות הזיכרון של המחשב. הטכנולוגיה המקובלת כיום לתכנון מעגלים משולבים נקראת CMOS ומבוססת (בד"כ) על טרנזיסטורים מסיליקון המחוברים בצורה מיוחדת.

הגישה הנפוצה כיום לפיתוח מעגלים חשמליים לעבודה בתדרים גבוהים היא שימוש בטרנזיסטורים מיוחדים ומאוד מהירים. טרנזיסטורים אלה בדרך כלל אינם עשויים מסיליקון (אלא לדוגמא מ-GaAs), והם בעלי מבנה מיוחד ויקרים למדי. המטרה שלנו היא להשתמש דווקא בטכנולוגיה הפופולארית CMOS לפיתוח אותם מעגלים. היתרונות בגישה זאת הם המחיר הזול יותר, ההתאמה לטכנולוגיה הקיימת (לכן קל יותר לשלב אותה במעגלים אחרים) והעובדה שרוב המפעלים מותאמים לייצור מעגלים בטכנולוגיה הזאת.

יש לזכור שאחד מול אחד, לטרנזיסטורים המהירים יהיו ביצועים יותר טובים. המטרה שלנו היא למצוא דרכים להוציא ממעגלי ה-CMOS את הביצועים הטובים ביותר האפשריים עבור עבודה בתדרים גבוהים, כך שנוכל להתחרות בעלות אל מול תועלת בטרנזיסטורים היקרים.

ספר לי על מה אתה עובד.

אחד הפרויקטים שאני עובד עליו הוא הדמיה בתדר גבוה. משדר שולח גלים על גוף מסוים והגלים המוחזרים נאספים על ידי המקלט. בהמשך המידע מעובד לכדי תמונה של הגוף שעליו נשלחו הגלים (בדומה להדמיה באמצעות גלים אקוסטיים או באמצעות קרני X). כל פיקסל ברכיב שלנו הוא משדר-מקלט ששולח גל שחלקו נבלע וחלקו מוחזר מהגוף הנסרק. עוצמת הגל שחזרה אל המקלט מנקודה מסוימת מעידה על תכונותיו (הדיאלקטריות) של החומר בנקודה זאת. בצורה זאת ניתן לקבל מיפוי של תכונות החומר בכל נקודה. שימוש עתידי של הטכנולוגיה הוא למשל אבחון לא פולשני, בטוח (קרינה לא מייננת) ומהיר של סרטן העור או של עששת בשן.

היתרון של שימוש בגל בתדר גבוה הוא שככל שהתדר גבוה יותר, כך האנטנות בתוך השבב יוכלו לפלוט אלומת קרן שרוחבה קטן יותר. עובדה זאת תאפשר לנו להשתמש בפיקסלים קטנים יותר ולקבל רזולוציה גבוהה יותר עבור מכשיר ההדמיה.

האתגר הוא לתכנן את אותו מעגל פיקסל משדר-מקלט בטכנולוגית CMOS, שאינה בהכרח אופטימלית לעבודה בתדרים גבוהים, בצורה חכמה כך שהביצועים של המעגל יהיו מספיק טובים לשימושים מסחריים.

תמונה 2: דוגמא למקור אות חשמלי (לאו דווקא זה המוזכר בראיון). מגעי הכניסה הם משמאל באפור, והמוצא מימין. המידות של השבב הם 400 על 250 מיקרומטר (10^-6 מטר). המקור לתמונה: בסאם.

גלה לי את אחד הטריקים. איך אתם עושים את זה?

אני אתן לך דוגמא: כדי לשדר בתדר גבוה אנו צריכים מקור אות חשמלי שהאות שהוא מיצר מתנדנד בתדר הרצוי. נניח, לדוגמא, שאנו רוצים לתכנן מקור ב-300GHz. אפשרות אחת היא לבנות מעגל עם טרנזיסטור מהיר ויקר שיכול לעמוד בתדרים האלה. אפשרות שניה היא לבנות מעגל בעזרת טרנזיסטורים פחות טובים, אבל לעורר את המעגל בתנודות איטיות יותר, למשל ב-100GHz.

הסוד הוא, שבטרנזיסטורים האלה יש אפקטים לא ליניאריים, כלומר אם אני מעורר אותם באות בעל תדירות מסוימת, אות המוצא שלהם משתנה בתדירות המקורית אך גם בתדירויות גבוהות יותר (ראו איור 3). אחת התדירויות הגבוהות יותר שיתעוררו היא אותה 300GHz שבה אנו מעוניינים. אנו צריכים לדאוג שהעוצמה של התנודות בתדרים הגבוהים שהתעוררו תהיה מספיק חזקה עבור האפליקציות שלנו. לכן האתגר הוא לבנות את המעגל כך שהוא יביא לניצול אופטימלי של התדר המשני שבו אנו מעוניינים. כך נוכל לשחזר את הביצועים של הטרנזיסטורים היקרים.

איור 3: הסבר סכמטי לתוצא של רכיבים לא-ליניאריים.

מה אופי העבודה? איך הגעתם לביצועים טובים?

הצעד הראשון הוא לקחת את המעגל המתוכנן על הנייר ואז לבדוק ולשפר אותו תוך שימוש בתוכנות סימולציה. לאחר שמקבלים ביצועים טובים בסימולציה, עוברים לתוכנה אחרת ששם כבר מתכננים על המחשב את המעגל המשולב, עד לפרטים הקטנים כולל מבנה וחומרים (בעגה layout). לאחר סיום השלב הזה שולחים את המעגל לייצור, וכשהוא חוזר מאפיינים אותו בעזרת מכשור הבדיקה המתקדם שיש לנו במעבדה כדי לראות אם הוא אכן עומד בציפיות.

אחת הבעיות היא שהמודלים הקיימים בתוכנות הסימולציה לא מדויקים מספיק לחישוב פעולת הטרנזיסטורים בתדרים כל כך גבוהים. כך למשל, קרה לי ששלחתי מעגל שתוכנן לפעול בתדר 240GHz, אך שקיבלנו אותו הסתבר שהוא מייצר תנודות ב-230GHz בלבד. בשלב זה, אם יש צורך, ניתן לעשות מקצה שיפורים, כלומר לתכנן ולייצר מעגל חדש ומדויק יותר.

בסוף תהליך העבודה אנו מקבלים מעגל עם ביצועים טובים יותר מהמעגלים של קבוצות מחקר אחרות. אז אנו מפרסמים את הממצאים בדגש על צורת התכנון והיתרונות, וכל מי שמעוניין יכול להשתמש במעגל שלנו לעבודה שלו.

מה הצעד הבא?

כפי שסיפרתי, המטרה ארוכת הטווח של הפרויקט היא לבנות משדר-מקלט למטרות הדמיה. בינתיים הספקנו לבנות את המשדר, וכדי לבדוק אותו שיתפנו פעולה עם קבוצת מחקר אחרת מגרמניה שבנתה מקלט. אמנם המקלט שלהם מבוסס על רעיון אחר, אך המעגל מיוצר גם הוא בטכנולוגית CMOS. הצלחנו להראות תוצאות הדמיה יפות (ראו תמונה 4). השלב הבא בפרויקט הזה הוא לבנות מקלט בטכנולוגיה שלנו.

תמונה 4: הדמיה של חפצים מתכתיים. המקור לתמונה: בסאם.

————————————————————

אני אשמח להפגש ולשוחח עם כל תלמיד מחקר (אולי אתם?) שמוכן להשתתף ולספר לי קצת על מה הוא עושה (והכול במחיר של שיחה לא יותר מידי ארוכה). תוכלו ליצור איתי קשר דרך טופס יצירת קשר.

זה הזמן לספר לכולם מה אתם עושים, אולי הפעם הם גם יבינו 

איך אומרים אופס ביפנית*? על זיכרון הפלאש

יש לי חלום

כבר בשנות עבודתו הראשונות בחברת טושיבה היו לפוג'יו מאסואוקה (Fujio Masuoka), אז דוקטור צעיר להנדסת-חשמל, הצלחות מרשימות בפיתוח מעגלי זיכרון, והוא מצא את עצמו מתקדם בסולם הדרגות. בסוף שנות ה-70 הוא מונה לתפקיד מנהל זוטר במחלקה שעבדה על שיפור הטכנולוגיה המקובלת של רכיבי הזיכרון באותה תקופה. מאסואוקה המשיך להצטיין בעבודתו, אך בלילות הוא חלם על זיכרון מסוג אחר.

מאסואוקה רצה לבנות רכיב זיכרון אלקטרוני שהמידע עליו ישמר גם כאשר מפסיקים את אספקת החשמל, והיה לו רעיון טוב איך לעשות את זה. ללא רשות החברה הוא החל לעבוד עליו בלילות ובסופי שבוע עד שב-1984 הוא הציג אבטיפוס בכנס בארה"ב וכינה אותו: 'זיכרון פלאש'. הרעיון לא זכה לאמון המנהלים הבכירים בטושיבה שהעדיפו להמשיך ולהשקיע את עיקר המאמצים ברכיבי הזיכרון המוכרים.

אנשי אינטל, לעומת זאת, התלהבו עד כדי כך שהם שילחו 300 מהנדסים לפתח את הרעיון, וב-1988 שיחררו מוצר מוצלח לשוק. בעקבות היוזמה תשיג אינטל דומיננטיות מוחלטת בתחום לשנים רבות. כיום רכיבים אלה נמצאים כמעט בכל מקום (מחשבים, מצלמות, מכוניות, דיסק-און-קי ועוד) ומגלגלים המון כסף. אופס, כבר אמרנו?

כיצד עובד זיכרון הפלאש, מה יתרונותיו ומה עלה בגורלו של מאסואוקה?

דיסק-און-קי אל מול דיסקט פרהיסטורי (כולל איזכור ל-SanDisk בעלת הקשר הישראלי ). המקור: וויקיפדיה.

טרנזיסטור? למה זה טוב?

רכיבי הזיכרון עליהם עבד מאסואוקה לפני ובמקביל לעבודתו על זיכרון הפלאש דומים באופן כללי לאלה הנמצאים במחשב שלנו היום – RAM (קיצור של Random access memory). כל ביט ('0' או '1') נשמר ברכיב זה על ידי תת-מעגל חשמלי המורכב ממספר טרנזיסטורים. טרנזיסטור בודד דומה בפעולתו לברז מים: לחץ מים קיים כל הזמן אך הברז קובע אם מים יזרמו בצינור או לא. במידה וכלל אין מים בצינורות אין משמעות לפעולת הברז. בדומה,  הבעיה עם זיכרון ה-RAM היא שכאשר מנתקים אותו מהחשמל הטרנזיסטורים מפסיקים את פעולתם והזיכרון נמחק. מאסואוקה רצה לפתח רכיב זיכרון אלקטרוני שאינו נמחק בעקבות הפסקת החשמל, בדומה לדיסק קשיח – אך ללא הרכיבים המגנטיים המגבילים את צפיפות המידע וללא זרוע מכאנית המאטה את המהירות.

למעשה, רכיבי זיכרון אלקטרוניים שאינם נמחקים כבר היו קיימים אז ונקראו EEPROM (ראשי-תיבות, קטע כזה של מהנדסים). רכיבים אלה, שמהם פיתח מאסואוקה את זיכרון הפלאש, מבוססים גם הם על טרנזיסטורים ולכן נתחיל להתיר את הסבך בלהסביר קצת יותר על פעולת טרנזיסטור.

הטרנזיסטור הוא מתג אלקטרוני המופעל על ידי אותות חשמליים דרך שלוש נקודות מגע המסומנות באיור כ: Source, Drain ו-Gate. לטרנזיסטור שני מצבי פעולה עיקריים (אשר יסמלו '0' או '1'): מצב שבו זרם חשמלי עובר מה-Source ל-Drain ומצב שלא (בדומה לזרם המים). השליטה במצבים מושגת על ידי מתן מתח חשמלי בנקודת ה- Gate (הברז), המופרדת מאזור ההולכה על ידי שכבת מבודד (ראו איור). בדרך כלל, ללא הפעלת מתח ה- Gate אין זרם בטרנזיסטור מכיוון שהדרך חסומה על ידי חומר בעל הולכה מסוג שונה. בהפעלת מתח ה-Gate נפתחת 'תעלה' המאפשרת לזרם לעבור. מתח ה-Gate המינימלי שיאפשר זרם בטרנזיסטור נקרא 'מתח הסף'.

איור סכמטי (ביותר) של טרנזיסטור.

אחת התופעות שגורמות לפגיעה בתפקודם של הטרנזיסטורים היא 'אלקטרונים חמים'. חלק מהאלקטרונים העוברים בתעלה יהיו בעלי אנרגיה גבוהה במיוחד וחלקם עלול לצאת מהתעלה ולפרוץ לשכבת המבודד, שם הם יאבדו את האנרגיה ויתקעו לזמן כמעט בלתי מוגבל. האלקטרונים התקועים בשכבת המבודד גורמים למיסוך חלק מהשפעת הפעלת מתח ה-Gate ובשל כך יגרמו לשינוי במתח הסף ולשיבוש בפעולת המעגל.

חזרה לזיכרון

למרבה הפלא, אותה תופעה של אלקטרונים חמים הנתקעים בשכבת המבודד משמשת להפעלת רכיב הזיכרון המכונה EEPROM. תהליך הכתיבה לזיכרון מתבצע על ידי פתיחת הטרנזיסטור והפעלת זרם חזק הגורם ללכידת אלקטרונים במבודד בכמות מבוקרת, כך שמתח הסף משתנה. קריאה מתבצעת על ידי בדיקת ההולכה של הטרנזיסטור (בעצם בדיקה האם יש או אין אלקטרונים במבודד). מחיקה מתבצעת על ידי הפעלת מתח חשמלי הפוך בין ה-Gate ל-Source. בהפעלת מתח חזק מספיק מתרחש תהליך מינהור והאלקטרונים יעזבו את המבודד.

כתיבה לזיכרון על ידי אלקטרונים חמים.

התרומה הגדולה של מאסואוקה היתה בכך שהוא הבין שתפעול נפרד של כל ביט וביט גורם לפעולת הרכיב להיות איטית מאוד. הוא הסיק שעדיף לאפשר גישה אל המידע בקבוצות גדולות יותר וכך יתאפשר לתכנן מעגלים קומפקטיים יותר המצריכים פחות חיווט ופחות מקום על פרוסת הסיליקון (שטח על הפרוסה שווה כסף). במהלך שנות ה-80 תכנן מאסואוקה שני סוגי זיכרון פלאש. הראשון מכונה NOR ומאפשר קריאה וכתיבה של מילים (בייטים) בודדות. הקריאה ממנו מאוד מהירה אך הכתיבה מעט איטית. הסוג השני מכונה NAND ומאפשר קריאה וכתיבה רק בקבוצות של אלפי בייטים. הסוג הזה של פלאש חסכוני יותר בשטח על הסיליקון. בשני הסוגים מחיקת מידע מתבצעת בבת-אחת בבלוקים המכילים בין עשרות למאות קילובייטים ומכאן כנראה נובע השם 'פלאש'. רכיב ה-NOR מיועד לשימושי ROM ואת רכיב ה-NAND תוכלו למצוא בדיסק-און-קי שלכם.

סוף דבר

מה עלה בגורלו של מאסואוקה? ובכן, מכיוון שהפטנטים לא היו רשומים על שמו הוא לא בדיוק התעשר מכל ההצלחה של זיכרון הפלאש. בשנת 1994 הגיעה ההתקשרות בינו לבין טושיבה לסיום בטונים צורמים והוא עבר לעבוד כפרופסור באוניברסיטה בה ביצע את עבודת הדוקטורט שלו. טושיבה מצידה נבוכה מאוד מכל הסיפור עד כדי כך שב-2002 טענו בפני כתב העיתון פורבס שאינטל היא זאת שהמציאה את זיכרון הפלאש ולא הם. מאסואוקה בינתיים כבר עובד על הדבר הגדול הבא מבחינתו: טרנזיסטורים תלת ממדיים, והפעם הפטנטים רשומים על שמו.

לקריאה נוספת:

'Unsung hero' by Benjamin Fulford (Forbes)

* אחת המילים שמשמעותן 'אופס' ביפנית היא: おっと, ובהגייה באנגלית: O-tto (למרות שאות-לאות בעצם רשום O-tsu-to). זה אינו הביטוי השגור ביותר אלא זה שאני מצאתי הקל ביותר לתעתק.