Ter ere van Robert Dennard, de vader van dram

Inhoud

• Ter ere van Robert Dennard, de vader van DRAM
• Van DRAM naar MOSFET Scaling

Niet iedereen heeft de mogelijkheid om onsterfelijkheid te bereiken door één prestatie in zijn carrière. Dr. Robert Dennard heeft twee kansen gehad - en daarom is de technologiewereld de juggernaut geworden die het vandaag is.

Naast het bedenken van het onderliggende proces voor dynamisch willekeurig toegankelijk geheugen, beter bekend als DRAM, heeft Dennard ook de schalingstheorie voorgesteld die het mogelijk heeft gemaakt om de kanaallengtes van veldeffecttransistors van metaaloxide-halfgeleider of MOSFET's te verkleinen tot nooit tevoren voorheen mogelijk - nu slechts enkele nanometers.

Voor beide prestaties, die plaatsvonden in ongeveer het eerste decennium van een carrière die zo'n 50 jaar omspant, werd Dennard afgelopen november uitgeroepen tot de Kyoto-prijslaureaat in geavanceerde technologie, een eer die gepaard gaat met een gouden medaille van 20 karaat, een contant geschenk van 50 miljoen yen (ongeveer $ 500.000) en een diploma "als erkenning voor levenslange bijdragen aan de samenleving." Maar Dennard, die eerder deze week met mij sprak vanuit San Diego, waar hij werd uitgezonden en een lezing gaf als onderdeel van het Kyoto Prize Symposium, begon niet met zulke verheven ambities.

Engineering van de ingenieur

Na zijn geboorte in Terrell, Texas, in 1932 en het behalen van zijn BS en MS in Elektrotechniek aan de Southern Methodist University in het midden van de jaren 50, en zijn doctoraat in hetzelfde veld aan het Carnegie Technical Institute (nu Carnegie Mellon University) in 1958, trad hij toe IBM als stafingenieur bij IBM's Research Division, waar hij toegeeft dat zijn begin bescheiden was.

"Ik leerde alleen de basisprincipes en kreeg een brede opleiding, maar niet veel", zei hij. "Vacuümbuizen, dat is wat ons werd geleerd. De dingen die ons werden geleerd, werden gewoon volledig vervangen. Het was een prachtige overgang die ik aan de andere kant kon krijgen."

Maar het werd al snel duidelijk dat er veel kansen waren voor mensen die voorop liepen in deze technologie. "We begonnen meteen te dromen over wat computers konden bereiken, " zei hij. "Daarom hebben ze ons ingehuurd. Computers waren gestart, maar we waren net voorbij vacuümbuizen gekomen - de allereerste transistorinstrumenten werden ontworpen. Er was iets nieuws, de tunneldiode of de Esaki-diode, die was uitgevonden. We hebben veel verschillende alternatieven nagestreefd, met enkele heel rare, computeren met magnetrons. Maar uiteindelijk kreeg ik de kans om in het micro-elektronica-programma te komen en de MOS-technologie te ontwikkelen die CMOS zou worden, wat de dominante technologie van vandaag is."

DRAM OPLOPEN

Eerst een korte samenvatting: normaal gesproken komen MOSFET's in twee verschillende transistortypen, ofwel NMOS (n-kanaal), dat een geleidend kanaal vormt en de transistor inschakelt wanneer positieve spanning op de poortelektrode wordt geplaatst, of PMOS (p-kanaal)), die het tegenovergestelde doet. In 1963 paste Frank Wanlass van Fairchild Semiconductor dit werk aan in de CMOS (complementaire MOS), een geïntegreerd circuitontwerp dat beide soorten transistors gebruikt om een ​​poort te vormen die helemaal geen stroom gebruikt totdat de transistors schakelen.

Hoewel de vorderingen van Wanlass (hij ontwikkelde ook de eerste commerciële geïntegreerde MOS-circuits in 1963) uiteindelijk instrumentaal zouden blijken in het herdefiniërende systeemgeheugen van Dennard, heeft Dennard geen eenvoudige weg naar dat punt genomen. RAM, dat dient als tijdelijke opslagruimte voor gegevens in het rekenproces, werd halverwege de jaren zestig in gebruik, maar het was in een omslachtig, stroomverslindend systeem van draden en magneten dat het moeilijk maakte om te gebruiken in de meeste toepassingen. Toen Dennard zich in december 1966 op het probleem richtte, duurde het niet lang voordat dit veranderde.

"Ik had meer achtergrond in magnetisme dan in halfgeleiders", zei hij. "Ik hoorde een toespraak over wat de jongens van de magnetica probeerden te doen om de technologie uit te breiden. Deze jongens gingen een heel goedkope fabricage over dit hele ding doen door naar een gelamineerde technologie te gaan… Ik was verbaasd over hoe eenvoudig was dit, vergeleken met de zes MOS-apparaten die we gebruikten om hetzelfde te doen. Ik bleef op die manier denken terwijl ik die avond naar huis ging. Hun hadden een paar draden en de onze had vier, vijf of misschien zes draden met elkaar verbinden. Is er een meer eenvoudige manier om het te doen?"

"Een MOS-transistor is in feite zijn optreden als een condensator, " vervolgde Dennard. "De poort van de transistor zelf kan lading opslaan, en als je hem niet laat weglekken, kan hij daar heel lang blijven." Daarom, redeneerde Dennard, zou het mogelijk moeten zijn om binaire gegevens op te slaan als een positieve of een negatieve lading op een condensator. "Ik heb in wezen die avond de DRAM-cel voor twee of drie transistor ontwikkeld. Maar ik was niet blij om van zes transistors naar slechts drie transistors te knippen. Waarom kan ik niet iets eenvoudiger krijgen? Ik wilde niet eens om een ​​derde transistor aan te brengen."

"Ik heb een paar maanden besteed om dit echt te analyseren, en hoe het werkt en om een ​​betere manier te vinden. En op een dag ontdekte ik dat ik deze geheugencel via deze eerste transistor, die echt basic was, in de condensator kon schrijven - maar toen kon ik deze transistor weer inschakelen en ontladen in de oorspronkelijke datalijn waar hij vandaan kwam. Dat was voorheen niet mogelijk, maar het werkte met MOS-transistors. Ik was blij met dat resultaat."