
- •Лекция 1. Основные тенденции, проблемы и перспективы развития кремниевой наноэлектроники
- •1.2. Пространственные масштабы наноэлектроники
- •2. Возможности, принципы и проблемы миниатюризации кмоп приборов
- •2.1. Цифровая техника и логические вентили
- •2.2. Закон Мура
- •2.3. Технологическая (проектная) норма
- •0,5 Мкм..0,35..0,25..0,18..0,13 ..(130 нм)..90..60..45..32 22 16 нм...
- •2.4. Основные проблемы миниатюризации
- •2.5. Анализ проблемы тепловыделения
- •2.6. Проблема отвода тепла
- •2.7. Максимальное быстродействие и проблемы при миниатюризации межсоединений
- •2.8. Принципы масштабирования
- •2.9. Компромиссы миниатюризации
- •2.10. Ограничения масштабирования
- •Литература:
- •Задание для срс
- •Вопросы для самопроверки
2.6. Проблема отвода тепла
Таким
образом, энергия переключения
является фундаментальным параметром
технологии, определяющим энергопотребление.
Очевидным
путем решения проблемы минимизации ES
является
(а) снижение полной емкости Сtot,
что в конечном итоге достигается за
счет уменьшения размеров элемента; (б)
снижение напряжения питания VDD.
В результате энергия переключения непрерывно уменьшается (табл. 2.3)
Таблица 2.3
Энергия переключения в единицах kT
-
1995 г.
5
105 kТ
2005 г.
~104 kТ
2015 г.
~103 kT (прогноз)
Вместе с тем, уменьшение размеров элементов приводит к повышению степени интеграции, и мощность потока тепла при этом только увеличивается. При этом температура микросхемы при функционировании все время должна оставаться постоянной (пусть и повышенной), тепло нужно отводить (в подложку, в поток воздуха или даже воды). В настоящее время используется воздушное охлаждение с помощью вентиляторов (кулеров). В перспективе необходимым будет использование водяного охлаждения.
2.7. Максимальное быстродействие и проблемы при миниатюризации межсоединений
Максимальная тактовая частота и быстродействие определяются минимальной временной задержкой функционирования (временем переключения) одного транзистора. Для увеличения частоты необходимо
уменьшение длины канала;
уменьшение порогового напряжения (приводит к увеличению подпороговых токов утечек);
уменьшение паразитных емкостей (емкость межсоединений трудно уменьшить).
Проблема межсоединений в настоящее время, а особенно в перспективе, является одной из самых острых. В современных схемах общая длина линий металлизации 5-7 км (до 10 км) на кристалл (≤ 1мм на один транзистор). Для обеспечения коммутации всех элементов необходимо 5-8 уровней металлизации (вплоть до 10).
Типичная площадь сечения межсоединений ~ 1 мкм2 и меньше. Типичная плотность тока в проводе ~105 А/см2. Межсоединения вводят паразитные сопротивления и емкости. Их роль возрастает при миниатюризации активных областей. Поэтому временные задержки распространения сигнала в современных схемах определяются не столько активными транзисторами, сколько линиями межсоединений.
Характерное
время перезарядки проводника длиной l
можно
оценить через геометрические размеры
и удельное электрическое сопротивление
материала провода:
(2.13.1)
где
-
Максвелловское
время релаксации. Для увеличения
скорости передачи сигнала по межсоединению
необходимо уменьшать его удельное
сопротивление. Именно по этой причине,
а также по причине более высокой
теплопроводности,
на смену алюминию в качестве основного
материала для межсоединений приходит
медь.
Из формулы (2.13.1) видно, что миниатюризация линии межсоединения приводит только к уменьшению ее быстродействия. Длина линий не может быть уменьшена, а при уменьшении толщины проводника и изолятора в k раз время перезарядки линии увеличится в k2 раз! Емкость линии на единицу длины составляет ~ 100…300 фФ/см (фемтофарада = 10-15 Фарады) и увеличивается с уменьшением технологической нормы.
По этой причине, роль задержки в линиях разводки неуклонно растет:
до 90-х гг. доминировали задержки в самом транзисторе;
при технологической норме 60…90 нм времена задержки в приборах составляют ~ 1пс; на 1 мм линии ~ 6 пс;
в 2015 (22 нм) ожидаются значения 0,1 пс в приборе и ~ 30 пс на 1 мм линии межсоединения.
Очевидным способом уменьшения RC задержки является использование изоляторов с низким значением диэлектрической проницаемости (low-K insulators) изолирующих слоев, на которую положена линия, что позволяет увеличить эффективную скорость распространения сигнала по линии.