0,5 Мкм..0,35..0,25..0,18..0,13 ..(130 нм)..90..60..45..32 22 16 нм...

Переход к следующему поколению соответствует приблизительно увеличению степени интеграции в 2 раза. Очевидно, что закон, декларирующий экспоненциальный рост количества транзисторов на одной интегральной схеме, не может быть справедливым в течение неограниченного времени. Ожидается, что конец «эры закона Мура», т.е. когда технологическая норма современной кремниевой технологии достигнет своего минимума, определяемого возможностями литографии и фундаментальными физическими ограничениями, наступит не ранее 2020-2030 гг.

Все основные геометрические параметры технологии уменьшаются вместе с технологической нормой. Это касается длины, ширины канала транзистора, а также толщины подзатворного окисла.

Важнейшей характеристикой микропроцессора является его быстродействие. Максимальное быстродействие интегральных схем определяется системной, так называемой тактовой частотой (clock). Тактовая частота определяется скоростью переключения отдельных цифровых элементов и, в конечном итоге, в очень сильной степени зависит от геометрического фактора и, следовательно, от технологической нормы (Рис. 2.6).

Рис.2.6 Зависимость тактовой частоты от технологической нормы

До настоящего времени тактовая частота процессора приблизительно удваивается в каждом следующем поколении. При технологической норме ~ 10 нм тактовая частота ожидается на уровне 100 ГГц (10¹¹ Гц).

Геометрический ресурс для дальнейшего увеличения тактовой частоты практически исчерпан, поскольку существует фундаментальное ограничение, связанное с конечностью скорости распространения электрического сигнала. Например, для металлической линии на диэлектрической подложке с проницаемостью (4 дляSiO₂) скорость распространения сигнала не может превышать см/с − скорость света в вакууме.

2.4. Основные проблемы миниатюризации

Основными проблемами при увеличении степени интеграции и уменьшении размеров активных областей приборов являются увеличение токов утечек и проблема тепловыделения.

В табл. 2.1 представлен прогноз ITRS 1999г (International Roadmap for Semiconductors). Из этого прогноза видно, что роль токов утечки резко возрастает с уменьшением технологической нормы.

Таблица 2.1 Эволюция параметров микропроцессоров

Год	1999	2001	2004	2008	2011	2014
Технологическая норма, нм	180	130	90	60	40	32
Длина затвора LG (нм)	120	90	70	45	32	22
Толщина окисла dох (ангстремы)	9-25	5-19	2-15	8-12*	6-8*	5-6*
Ток утечки при 100°С (нА/мкм)	7	10	16	40*	80*	160*

* - прогнозируемые размеры и величины

2.5. Анализ проблемы тепловыделения

Фундаментальной проблемой при увеличении степени интеграции является проблема тепловыделения. Переключение цифровых элементов – это в конечном итоге зарядка и разрядка эффективных конденсаторов, при которых, как правило, выделяется тепло. Конденсатор заряжается через сопротивление R. При записи часть энергии теряется в сопротивлении; такая же энергия накапливается в форме потенциальной энергии конденсатора. При считывании потенциальная энергия переходит в тепло. Таким образом, за один полный активный такт затрачивается и уходит в теплоэнергии. На практике перезарядка элементов происходит не каждый такт, т.е. не каждый такт является активным. Определим активность схемы 0 < <1 как среднюю долю элементов, перезаряженных за один такт (нет активности − нет потребления).

Тогда, если тактовая частота f [Гц], то [Вт] − мощность, рассеиваемая в одном элементе. ЕслиN_G - плотность интеграции, т.е. количество затворов на см² чипа, то тепловую мощность теплового потока динамического энергопотребления (т.е. происходящего при переключениях) можно грубо оценить по формуле

.(2.8.4)

Формула (2.8.4) учитывает только мощность, рассеиваемую в активном режиме (динамическая мощность), но нужно также учитывать и мощность, рассеиваемую в холостом режиме, когда отсутствуют переключения (статическая мощность ). Тогда полная рассеиваемая мощность

,

где - ток утечки в выключенном состоянии.

В настоящее время основной вклад дает динамическая мощность, однако с ростом степени интеграции статическая мощность начинает преобладать. Согласно оценкам с учетом тока на единицу ширины канала:

2015 год: L = 10 нм, Z = 30 нм, N_G = МДП транзисторов

Р_ст = 10^-9 А/мкм (3010^-3 мкм)1В510⁹ = 150 мВт.

2020 год: L = 5 нм, Z = 30 нм, N_G = 510¹⁰ транзисторов

Р_ст = 10^-6 А/мкм (1510^-3мкм) 1В510¹⁰ = 750 Вт.

Рост степени интеграции и тактовой частоты привел к тому, что мощность теплового потока от поверхности микропроцессора современного компьютера угрожающе растет) (Табл.2.2, рис.2.7).

Характерные мощности тепловых потоков Таблица 2.2

Intel 486	P = 5…8 Вт/см2
Сковородка (1 кВт, площадь 1 дм2)	P ≅ 10 Вт/см2
Поверхность Intel Pentium 4	P ≅ 30 Вт/см2
Поверхность ядерного реактора АЭС	P ≅ 300 Вт/см2
Поверхность Солнца	P = 104 Вт/см2

Рис.2.7 Мощность теплового потока с поверхности микропроцессора

В 2016г. прогноз ITRS дает поток тепла 93 Вт/см² с поверхности микросхемы. Оценки показывают, что максимально возможный отвод тепла соответствует нескольким сотням Вт/см² (при водяном охлаждении).