Nanómetro

El nanómetro es la unidad de longitud del Sistema Internacional de Unidades (SI) que equivale a una mil millonésima parte de un metro.

El símbolo del nanómetro es nm. El nombre combina el prefijo nano con la unidad metro.

Puede escribirse en notación científica como 1 nm = 10−9 m y es simplemente 1 1000000000 metros.

Un nanómetro equivale a 10 ángstroms.

Recientemente la unidad ha cobrado notoriedad en el estudio de la nanotecnología, área que estudia materiales que poseen dimensiones de unos pocos nanómetro El nanómetro se usa para expresar dimensiones en la escala atómica:

El diámetro de un átomo de helio es de 0,1 nm
El diámetro de un ribosoma es de unos 20 nm.
el diámetro de la gravedad para este caso es entonces π/2

También se utiliza para medir la longitud de onda de la radiación ultravioleta, radiación infrarroja y la luz. La luz visible va desde 400 a 700 nm.1

Los pulmones humanos solo pueden retirar partículas superiores a 200 nanómetros. Las partículas de tamaño inferior pueden llegar a cualquier parte del cuerpo y producir daños y tumores.2

El diámetro del cabello humano va de 70 µm (70 000 nm) a 80 µm (80 000 nm).

14 nanómetros

Visión general

Actualmente, su uso está planificado para ser destinado sobre todo, a la fabricación microprocesadores CMOS, siguiendo de acuerdo al ITRS (En Inglés International Technology Roadmap for Semiconductors).

Proyección del escalado CMOS de acuerdo al International Technology Roadmap for Semiconductors (ITRS).

Microprocesadores

Familia Intel

Broadwell
Intel Atom Z25804
Skylake (microarquitectura)

Familia AMD

Zen (microarquitectura)
AMD Radeon 400 series
AMD Radeon 500 series

Nvidia

Nvidia Geforce 10 series (GT 1030, GTX 1050, GTX 1050Ti)

Historia

En el año 2005, Toshiba demuestra una longitud de puerta de 15 a 10 nm, usando un proceso espaciador lateral.5

Predecesor

Artículo principal: 22 nanómetros

22 nanómetros (22nm) era la anterior tecnología de fabricación de semiconductores.

Sucesor

Artículo principal: 10 nanómetros

10 nanómetros (10nm) será la tecnología que sustituya a los 14nm como la tecnología de fabricación de semiconductores.

10 nanómetros

El nodo de 10 nanómetros (10 nm) es el nodo de tecnología que sigue al nodo de 14 nm, y categoría 10 nm quiere decir chips fabricados usando tecnologías de proceso entre 10 y 20 nanómetros.

La nomenclatura original de este nodo de tecnología como “11 nm” viene de la Hoja de Ruta Internacional de Tecnología para Semiconductores (ITRS). Según la edición de 2007 de esta hoja de ruta, en el año 2022, el half-pitch (paso medio) (es decir, la mitad de la distancia entre celdas idénticas en una matriz) para una DRAM debería ser de 11 nm, aunque la Arquitectura y Modelo de Cadencia de Silicio de Intel coloca su nodo de 10 nm más cerca del año 2015.

Pat Gelsinger, en ese momento ejerciendo como Director Tecnológico de Intel, reivindicó en 2008 que Intel ve un “camino claro” hacia el nodo de 10 nm.12 En el nodo de 11 nm en 2015, Intel espera utilizar un half-pitch de alrededor de 21 nm.3 El jefe científico de Nvidia, William Dally, afirma que ellos también llegarán a semiconductores de 11 nm en 2015, una transición que afirma será facilitada principalmente a través de las nuevas herramientas de automatización de diseño electrónico. Esta regla de diseño es probable que se obtenga por patrones múltiples,456 dada la dificultad de aplicar la litografía EUV en 2015.7

Mientras que el plan de trabajo se ha basado en la extensión continua de la tecnología CMOS, aunque este plan no garantiza que los CMOS basados en silicio lleguen tan lejos. Esto es de esperar, ya que la longitud de la puerta de este nodo puede ser menor que 6 nm, y el correspondiente espesor del dieléctrico de la puerta sea monocapa o incluso menos.

Las estimaciones indican que los transistores de estas dimensiones se ven afectados de manera significativa por el efecto túnel.8 Como resultado de ello, se han propuesto extensiones no-silicio de CMOS, utilizando materiales III-V o nanotubos/nanohilos, así como plataformas no-CMOS, incluyendo la electrónica molecular, la electrónica basada en el spin (espintrónica), y los dispositivos de un solo electrón. Por lo tanto, en este nodo empieza el principio práctico de la nanoelectrónica.

Debida a la amplia utilización de los dieléctricos ultra-low-k como polímeros spin-on u otros materiales porosos, la litografía convencional, el grabado, o incluso procesos de pulido mecánico-químicos es poco probable que sean usados ya que estos materiales contienen una alta densidad de huecos. En escalas de ~ 10 nm el efecto túnel, especialmente a través de los huecos, se convierte en un fenómeno importante.9 El control de los huecos en estas escalas por medio de electromigración puede producir propiedades eléctricas interesantes en sí mismas.10

El efecto túnel puede no ser una desventaja cuando su efecto sobre el comportamiento del dispositivo es completamente conocido y usado en el diseño. En los transistores futuros puede haber canales aislantes. Una función de onda del electrón decae exponencialmente en una región “clásicamente prohibida” a una velocidad que puede ser controlada por el voltaje de la puerta. Los efectos de interferencia también son posibles.11 Una opción alternativa es canales más pesados en semiconductores de masas.12

Datos de microscopía de emisión fotoelectrónica (PEEM) se han utilizado para demostrar que los electrones de baja energía ~ 1.35 eV podrían viajar hasta ~ 15 nm en SiO2, a pesar de la longitud de atenuación medida promedio de 1,18 nm.13

Pruebas de tecnología

El 15 de noviembre de 2012, Samsung Electronics dio a conocer una tarjeta multimedia (eMMC) integrada de 64 GB basada en la tecnología de proceso de 10 nm.14

El 11 de abril de 2013, Samsung comenzó la producción masiva de alto rendimiento de memorias flash NAND de 128 GB con alguna tecnología entre 10 nm y 20 nm.15

7 nanómetros

El nodo de 7 nanómetros (7 nm) es el nodo de tecnología que sucede al nodo de 10 nm. La denominación exacta de este nodo de tecnología tiene su origen en el modo en que Intel plantea la tecnología.

Demostraciones tecnológicas

En 2002, IBM fabricó un transistor de 6 nm.

En 2003, NEC fabricó un transistor de 5 nm.

En 2012, IBM fabricó un transistor de nanotubos de carbono de menos de 10 nm que superó el rendimiento del silicio en cuanto a velocidad y potencia. “El mayor rendimiento a baja tensión del transistor CNT de menos de 10 nm demuestra la viabilidad de los nanotubos para las tecnologías de fabricación de transistores a gran escala”, de acuerdo con el resumen del artículo de Nano Letters.

5 nanómetros

En la fabricación de semiconductores, la Hoja de ruta internacional para dispositivos y sistemas define el proceso de 5 nm como el nodo de tecnología MOSFET que sigue al nodo de 7 nm. En 2020, Samsung y TSMC iniciaron la producción en volumen de chips de 5 nm, fabricados para empresas como Apple, Marvell, Huawei y Qualcomm.

El nodo comercial de 5 nm se basa en la tecnología MOSFET de múltiples puertas (MuGFET), con FinFETs (transistores de efecto de campo de aletas). También se habían demostrado, pero no comercializados, nodos GAAFET (transistor de efecto de campo de puerta-todo alrededor) de 5 nm.12

Evolución de la tecnología

En 2006 un equipo de investigadores de Corea del Instituto Coreano Avanzado de Ciencia y Tecnología (KAIST) y National Nano Feb Center co-desarrollaron un transistor de 3 nm, el dispositivo de nano-electrónica más pequeño del mundo sobre la base de la tecnología convencional, llamado transistor de efecto campo fin (FinFET). Es el transistor más pequeño jamás producido.

En 2010, un equipo australiano anunció que fabricaron un solo transistor funcional de 7 átomos que medía 4 nm de longitud.

En 2012 un transistor de un solo átomo fue fabricado utilizando un átomo de fósforo unido a una superficie de silicio (entre dos electrodos significativamente más grandes). Este transistor podría decirse que es un transistor de 180 pm (el radio de Van der Waals de un átomo de fósforo); aunque su radio covalente unido a silicio es probablemente menor.6 Hacer transistores más pequeños que estos requerirá usar elementos con un radio atómico más pequeño, o el uso de partículas subatómicas (como electrones o protones) como transistores.

El 15 de septiembre del año 2020 Apple lanzó el procesador A14 Bionic, el primer procesador con tecnología de 5 nanómetros en ser lanzado para su venta al público.

En el futuro

Continuando con el patrón de reducir a la mitad el área de superficie de cada nodo (o la reducción de los lados cuadrados por 1,4) cada dos años, se puede esperar que la tecnología de 3 nm aparezca en más o menos 2023, y por último de 1 nm en 2029, que puede ser el límite para la tecnología litográfica de semiconductores de silicio tal como se aplica actualmente.8 Como resultado a partir de 2024 puede haber un cambio en la tecnología para permitir componentes más pequeños en forma de siliceno o nanotubos de silicio.

En 2008, han sido realizados transistores de un átomo de grosor y diez átomos de ancho por investigadores del Reino Unido. Fueron tallados en grafeno, material que se espera que sustituya al silicio como base de la futura computación. El grafeno es un material hecho a partir de láminas planas de carbono en una disposición de panal. Un equipo de la Universidad de Mánchester, Reino Unido, ahora lo han utilizado para hacer algunos de los más pequeños transistores del mundo. Dispositivos que solo tienen 1 nm de diámetro y contienen solo unos pocos anillos de carbono.9

3 nanómetros

TSMC y Samsung ya producen chip en la actualidad.

Procesos de fabricación de semiconductores
10.000 nm – 1971 3.000 nm – 1975 1.500 nm – 1982 1.000 nm – 1985 800 nm – 1989 600 nm – 1994 350 nm – 1995 250 nm – 1997 180 nm – 1999 130 nm – 2002 90 nm – 2004 65 nm – 2006 45 nm – 2008 32 nm – 2010 22 nm – 2012 14 nm – 2014 10 nm – 2016 7 nm – 2018 5 nm – 2020