9.5. Масштабирование размеров транзисторов

С годами, размеры транзисторов сократились приблизительно от 50 мкм в начале 1960-х годов до наноразмерных размеров в современных технологиях. Основными движущими силами для уменьшения размеров были увеличение плотности микросхем на единицу площади чипа, увеличение скорости работы, а также более уменьшнеие стоимости функции. В результате, системы на чипе (SOC) стали реальностью при помощи современных технологий.¹⁷ При уменьшении размеров транзисторов нужно убедиться, что характеристики не изменяются и что надежность не станет проблемой. Это было достигнуто с помощью ряда принципов, называемых масштабированием. Масштабирование означает уменьшение горизонтальных и вертикальных размеров на одну и ту же величину. Будем считать, что коэффициент масштабирования называется α. Помимо масштабирования длины и ширины затвора, мы также должны масштабировать вертикальные размеры, такие как толщина окисла и ширина истощенной области . Для масштабирования можно увеличить уровень легирования подложки и/или уменьшить напряжение.

ТАБЛИЦА 9.1. Масштабирование длинноканального транзистора.

Предположим, что напряжение масштабируется с тем же коэффициентом, что и размеры. Назовём этот процесс масштабированием с постоянным полем Согласно выражению (9.13) уровень легирования должен увеличиться в α раз, для того, чтобы держать ширину зоны истощения постоянной, предполагая, что напряжения изменяются с тем же коэффициентом. Теперь мы можем найти, как действует масштабирование на ток, задержку распространения и потребление энергии. Ток уменьшится в α раз по формуле (9.24). Емкость также уменьшается в α раз. Это означает, что задержка, которая пропорциональна CV/I, будет уменьшена в α² раз. Общая потребляемая мощность, которая пропорциональна произведению тока и напряжения, снизится с коэффициентом α². С другой стороны, мощность на единицу площади будет оставаться постоянным. Результат масштабирования устройства приведен в таблице 9.1.

Другим методом масштабирования является масштабирование с постоянным напряжением, при котором напряжение сохраняется постоянным. Преимуществом масштабирования с постоянным напряжением является уменьшение задержки, которая масштабируется квадратом коэффициента масштабирования. Основным недостатком являются большие электрические поля, которые могут привести к проблемам с надежностью устройств. На самом деле, часто применяется подход между масштабированием с постоянным напряженем и постоянным полем, называемый обобщенным масштабированием. Это делается для оптимизации скорости, рассеивания мощности и надежности устройства. Правила масштабирования для различных подходов масштабирования приведены в таблице 9.1, при условии, что транзистор не страдает от насыщения скорости и работает в режиме сильной инверсии.

Тенденция масштабирования номинального размера элемента и физической длины затвора транзисторов в высокопроизводительных схемах показано на рисунке 9.4. Как видно из рисунка, масштабирование длины затвора транзистора стало более интенсивным с середины 1990-х годов, чем масштабирование функций, используемых в DRAM, указывая на то, что микропроцессоры были движущей силой технологии. Рисунок 9.19a иллюстрирует тенденции масштабирования задержки, удельной мощности и управляющего тока на единицу ширины затвора, как найденные в промышленности, так и предсказанные масштабированием с постоянным полем (пунктирными линиями).¹⁸ Задержка приблизительно подчиняется закону масштабирования с постоянным полем, но удельная мощность увеличилась значительно быстрее, в основном потому что источник питания не масштабируются с тем же коэффициентом, что и длина затвора. Кроме того, управляющий ток увеличился на большую величину, чем предсказывалось масштабированием с постоянным полем, в то время как емкость затвора снизилась более, чем прогнозировалось. Отчасти это произошло из-за того, что длина затвора масштабировалась более интенсивно, чем толщина оксида, а также в связи с субмасштабированием источника питания.

Рис 9.19. Тенденции масштабирования на производстве (точки данных) в сравнении с тендецияями для масштабирования с постоянным полем. (пунктирыне линии) (a) ток на единицу длины затвора, задержка, удельная мощность и сопротивление затвора; (b) действующая и подпороговая удельные мощности против длины затвора (из ссылки 18, предоставлено компанией International Business Machines (IBM). Несанкционированное использование не допускается.)

С появлением мобильных вычислительных приложений и увеличенной плотности интеграции, необходимость в маломощных приборов и энергоэффективной конструкции схемы значительно вырос. Таблица 9.1 показывает, что удельная мощность возрастает как для масштабирования с постоянным напряжением и как для обобщенного метода масштабирования. Эта проблема является основной в высокопроизводительных микропроцессорах, которые потребляют примерно до 100 Ватт.¹⁹ Если данная тенденция масштабирования будет продолжать действовать, потребляемая мощность микропроцессоров должна будет становиться чрезмерно большой, приближаясь к плотности мощности, аналогичной плотности энерговыделения в ядерном реакторе! Очевидно, рассеяние мощности станет основным ограничением, которому следует обратиться. Сокращение и активной мощности, и подпорогового рассеяния энергии за счет улучшения технологии, интенсивного сниижения питания, динамической регулировки порогового напряжения, отключения частей цепей, когда они не используются, новых структур устройств, более эффективных архитектур, и т.д., становятся активно исследуемыми темами.