Проблема энергопотребления

В начале первого десятилетия этого века современные интегральные схемы достигли предела по тепловым характеристикам. Было невозможно одновременно увеличить рабочую частоту и количество транзисторов. Было решено продолжать увеличивать количество ядер и ограничить частоту в диапазоне нескольких ГГц. За прошедшие 5-10 лет были предложены новые материалы и архитектуры устройств, позволяющие решить эту проблему. Также были разработаны сложные программные алгоритмы для повышения производительности, одновременно с изменением архитектуры процессора с одноядерной на многоядерную. Комбинация выходных данных с нескольких ядер, при этом каждое ядро работает на более низкой частоте, позволяет повысить производительность. Однако в некоторых задачах использование параллельных вычислений невозможно, и поэтому эта стратегия не является универсальным решением

Тем не менее, эти ограничения по частоте и мощности до сих пор не влияли мобильные устройства, использующими Wi-Fi доступ к сетям, из-за их умеренной частоты и энергопотребления. Однако развитие 5G существенно изменит эти соображения, и эти ограничения придется пересмотреть по причине повышенной скорости доступа к сети, и соответственно, их частоты.

Интернет вещей, интернет всего

За последние 25 лет Интернет оказал революционное влияние на многие сферы, включая распространение электронной почты, мгновенных сообщений, телефонных звонков с передачей голоса по интернет-протоколу (VoIP) и Всемирной паутины. За последние 25 лет Интернет значительно расширил возможности подключения по всему миру благодаря множеству новых функций, включая передачу данных со скоростью передачи выше 40 Гбит/с. В 1993 году по Интернету передавался в общей сложности 1% телекоммуникационной информации, а в 2007 году - до 97%!

Интернет вещей (IoT) и интернет всего (IoE) в настоящее время ведет к повсеместному распространению коммуникаций с помощью инновационных функциональных возможностей по доступным ценам, что обусловлено прогрессом полупроводниковой промышленности. В будущем инновационные материалы, устройства, схемотехника, функциональные возможности, включая повсеместно распространенные автономные наносистемы, 3D-интеграцию, системные архитектуры приведут к новой революции в области компьютеров и электронных продуктов.

3 Эпохи масштабирования

Самосовмещенный планарный кремниевый МОП-транзистор был изобретен в конце 1960-х годов. С того дня, геометрическое масштабирование было доминирующим до 1990-х годов, когда для новых систем применялся подход "снизу вверх", основанный на постоянном повышении производительности транзисторов, что приводило к созданию более совершенных микропроцессоров и продуктов памяти. Однако в 1998 году была проведена полная реструктуризация МОП-транзистора для устранения выявленных основных недостатков.

Таким образом, началась новая эра “эквивалентного масштабирования”, основанная на следующих технологиях:

1. «Деформированный кремний». Деформированный кремний — это слой кремния, в котором атомы кремния растянуты за пределы их нормального межатомного расстояния.

Рисунок 2. Деформированный кремний

Этого можно достичь, наложив слой кремния на подложку из кремния и германия (SiGe). Когда атомы в слое кремния выравниваются с атомами нижележащего слоя кремния-германия (которые расположены немного дальше друг от друга по сравнению с атомами в объемном кристалле кремния), связи между атомами кремния растягиваются, что приводит к образованию деформированного кремния. Удаление атомов кремния друг от друга уменьшает взаимодействие атомов, препятствующее движению электронов через транзисторы, и, следовательно, повышает мобильность, что приводит к повышению производительности чипа и снижению энергопотребления. Эти электроны могут перемещаться на 70% быстрее, что позволяет напряженным кремниевым транзисторам переключаться на 35% быстрее на «деформированном» кремнии

2. Затвор с высокой диэлектрической постоянной (high-k). Оксид кремния долго был универсален при создании МОп транзисторов. Он позволял получить монолитную структуру и выполнял несколько функций в простом технологическом процессе. Но в связи с дальнейшей миниатюризацией компонентов токи утечки, туннельный эффект и прочие эффекты стали сильно вилять на работу затвора в МОП-транзисторов, фактически уже добравшись до предела возможностей оксида кремния. Возможным решением этой проблемы является использование материалов с высокой диэлектрической постоянной. Вместо простого и понятного окисления сухим или влажным кислородом, для нанесения таких пленок используется Атомно-слоевое осаждение. Материалами, к которым обращено сейчас внимание для использования в технологии high-k являются силикат Хафния, диоксид Хафния, диоксид циркония.

3. Рельефный сток/исток. Рельефная структура истока/стока (RSD) — это одна из конструкций тонкопленочных транзисторов, которая часто используется для улучшения характеристик устройств. Во многих исследованиях отмечалось, что высокая ударная ионизация, возникающая на стороне стока, может быть снижена благодаря увеличенной площади источника/стока, которая может рассеивать электрическое поле стока.

Рисунок 3. Рельефный сток-исток

4. Многозатворный МОП. Многозатворные МОП, как понятно из названия, представляют из себя МОП с несколькими затворами, которые могут контролироваться как одним электродом и работать как один затвор, или контролироваться каждым электродом по отдельности. У многозатворных МОП транзисторов канал окружен несколькими затворами на нескольких поверхностях. Таким образом, обеспечивается лучший электрический контроль над каналом, что позволяет более эффективно подавлять ток утечки в выключенном состоянии. Несколько затворов также обеспечивают повышенный ток во включенном состоянии. Многозатворные транзисторы также обеспечивают лучшую аналоговую производительность благодаря более высокому внутреннему усилению и меньшей длине канала модуляции/ Эти преимущества приводят к снижению энергопотребления и повышению производительности устройства. Непланарные устройства также более компактны, чем обычные планарные транзисторы, что обеспечивает более высокую плотность транзисторов, что приводит к уменьшению общей площади микроэлектроники.

Новая стратегия разработки МОП-транзисторов позволяет сократить историческое время разработки основных транзисторных инноваций, составляющее ~ 25 лет, менее чем наполовину и сохранить полупроводниковую промышленность, которая к 2011 году внедрила эти инновации в массовое производство.

Рисунок 4. Идеальный МОП

Самый большой вклад в эти инновации был внесен в первую очередь сфокусированной разработкой и исследованием ранних изобретений, которое позволяет внедрить эти разработки в производство в течение 5-10 лет. Это подразумевает большие и постоянные финансовые вложения в разработку.

Еще в 2013 году ITRS спрогнозировала пределы 2D-интеграции с размером в несколько нм, запланированным на 2020-е год. Флэш-память была первым продуктом, столкнувшимся с этой проблемой, и в 2014 году несколько компаний объявили о том, что они планируют использовать третье измерение, запустив третье поколение транзисторного масштабирования (рис. 5).

Рисунок 5. 3D флэш-память

Термин «3D масштабирование» был предложен IRDS, чтобы подчеркнуть будущие задачи полупроводниковой и электронной промышленности в ближайшие десятилетия. На данный момент разделяют три эры масштабирования: