Техпроцессы

в разделе "Процессор и .." на сайте

electrosad.narod.ru

 Часть 1.

История развития процессоров фирмы Intel, это постоянное стремление снизить нормы техпроцессов.

Зачем это надо и как это влияет на производительность вычислительных систем.

Небольшой экскурс в электронику.

Не вдаваясь в сложные формулы описывающие физические процессы в полупроводниковых структурах процессоров и упростив но не исказив суть процессов можно сказать: задержка переключения элементарного ключа, организованное в узлы множество которых образует структуру процессора, определяется его емкостью нагрузки Сн. Ее величина определяется суммой емкостей выходных Т0 и Т1, всех водных емкостей последующих ключей и емкостей соединительных линий. Известно, емкость пропорциональна площади электродов, диэлектрической проницаемости диэлектрика в зазором между ними и  обратно пропорциональна зазору между ними.

История борьбы за скорость компании Intel.

 Скорость это частота переключения, История борьбы отражена в таблице 1.

Вы наверное обратили внимание на столбцы  6 и 7.  Если нет, посмотрите. В столбце 6 относительное снижение напряжения питания, поскольку тепловыделение пропорционально квадрату напряжения питания (это текущая проблема).

А вот в столбце 7 отражена проблема будущая. С уменьшением технологических норм, уменьшаются зазоры и повышаются требования к изоляции, поскольку напряженность электрического поля уже сейчас достигает примерно 10 В/мкм, а далее стремится к 20-30 В/мкм. На первый взгляд это небольшая величина, но 20-30 кВ/мм предел электрической прочности большинства диэлектриков. Значит придется увеличивать расстояния. В перспективе на это будут вынуждены обратить внимание.

Предел снижения напряжения питания.

Ячейка Рис.1 работает с переходом в режим насыщения Т1 или Т0, в зависимости от состояния. Поэтому минимальное напряжение питания может быть определено из способности транзистора переходить в режим насыщения. Понятно что напряжение питания не может приближаться к нулю.

Где его предел?

Физический предел это потенциал Ферми, который определяет потенциал на затворе КМОП транзистора способный возбудить канал (зависит от параметров полупроводника канала  и характеристик затвора - порядка 0,3В). Напряжения питания при этом не может быть ниже 2-3 потенциалов Ферми (0,6-0,9 В).

Зависимость от температуры уровней Ферми такова, что Ge -германий как полупроводниковый материал просто неприменим.

Пока самые современные технологии high-k диэлентрик + металлический затвор не позволяют снизить напряжение на затворе (значит и напряжение питания) ниже 0,9 - 1,1 В.

"... ВСМОП-структура с d=0,1 мкм, W=0,02–2 мкм и l=0,05–0,5 мкм, VS=0,5–0,6 В, показало, что они обладают высокими рабочими характеристиками: технологическим быстродействием в режиме кольцевого генератора – менее 100 пс, минимальными геометрическими размерами, приемлемой высокой плотностью тока, ослаблением короткоканальных эффектов. Статическая ячейка памяти на ВСМОП в виде RS-триггера может быть выполнена на площади в 8–10 литографических квадратов. Использование во внутренней структуре процессорных УБИС и СП плотноупакованных ВСМОП-элементов логики и памяти позволяет снизить размеры и потребляемую мощность.
ВСМОП с минимальными топологическими размерами от 100 до 50 нм позволят на мини- и спейсфабах будущего получить плотность упаковки процессорных УБИС (Ультра Больших ИС) и СП (систем на пластине ) от 10⁹ до 10¹¹ логических элементов/см2, соответственно. При толщине подзатворного диэлектрика 3–5 нм, симметричном пороговом напряжении 0,2–0,3 В, напряжении питания 0,5 В, разнице между логическими уровнями 0,5 В задержка вентиля в режиме кольцевого генератора составляет от 10 до 80 пс"

Пока это предел!

Предел конструктивный.

В статье "Будущее технологии КМОП" http://text.marsu.ru/osp/os/2000/10/008.htm так определены границы снижения технологических норм с позиций конца 2000 года. В пересказе они выглядят так:

Срок, в течение которого сохранятся закономерности уменьшения транзисторов, зависит, в основном, от туннельного эффекта и от способности справляться с эффектом «короткого канала» без понижения температуры, необходимого для уменьшения тока выключения. Напряжение питания, пороговое напряжение и профиль распределения легирующей примеси необходимо подбирать так, чтобы сохранять достаточно большое отношение тока включения к току выключения.

Предел толщины затвора, определяемый туннельным эффектом, находится примерно на уровне 1-1,5 нм. Подзатворный оксид в таком транзисторе будет иметь толщину всего в пять-шесть слоев атомов (уже имеет на 2006 г). Для исключения туннельного эффекта в диэлектрике затвора, толщину подзатворного оксида приходится ограничивать 1,5-2 нм. Для повышения производительности без дальнейшего утончения подзатворного оксида придется разрабатывать новые подзатворные оксиды с более высокой диэлектрической проницаемостью (уже есть! 2006 г). Но при этом растет емкость затвор - (исток, сток).

 Независимо от конкретной структуры транзистора предельное минимальное расстояние между стоком и истоком с отношением тока включения к току выключения, равным 1000, за счет одного только туннельного перехода оказывается равным более 5 нм.

С учетом флуктуаций концентрации примесей и эффекта экранирования, этот предел достигает 10 нм. или по еще более пессимистичным мнениям предел составляет порядка 25 нм.  То есть уже 0,045-0,032 мкм техпроцессы находятся на грани достижимого!     

Смотрите далее - часть 2.

<<Назад>> <<в начало>> <<на главную>>

 Copyright Sorokin A.D.