Техпроцессы

в разделе "Процессор и .." на сайте

www.electrosad.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.

 

КМОП

n-МОП

Рис.1

Отсюда и вытекает необходимость снижения емкости, а значит площади электродов (технологических норм).

Если принять площадь элемента в техпроцессе 0,13 мкм за 1 то:

 

Тех.процесс мкм 0,13 0,09 0,065 0,045 0,032
Относительная площадь 1 0,5 0,25 0,12 0,06

 

Получается ряд тех.процессов определен именно ориентируясь на снижение площади элемента в два раза при переходе к более тонкой технологии. Такой шаг приведет к двойному выигрышу по быстродействию и мощности тепловыделения.

 

История борьбы за скорость компании Intel

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

 

Таблица 1.

ГодТехнологияНапр.
питания
Число тр-в
 (млн
)
Отн.
изменение
технология%
Отн.
изменение
напр.пит.
%
Отн.напр.
эл.поля в/мкм
мкмВ
1234567
1981350,029111,66
19821,550,134213,33
1989151,2-1,8315
19920,851,83,7516,25
19930,53,33,1-3,361,56,6
19950,353,33,38,571,59,42
19960,352,85,58,571,788
19970,2527,5122,58
19980,251,65101236,6
19990,181,51816,63,38,33
20000,181,72516,62,99,44
20010,131,542233,311,5
20030,091,380333,814
20050,0651,2160464,1618,46
20070,045130066522,2
20090,0320,9>400935,528

 

Последние 4 строчки прогноз Intel.

В столбце 3 показана тенденция снижения напряжения питания, которая определяет основное снижение мощности тепловыделения на структуре. Формула *****. Эта мощность пропорциональна квадрату напряжения питания.

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.

В статье "Наноэлектроника уровня 100–50 нм. Техноэкономическая перспектива", А.Н. Бубенников, А.А. Бубенников, А.В. Зыков, А.В. Ракитин,  Электроника НТБ, 25 мая 2005  http://www.electronics.ru/pdf/1_2000/14.pdf описана структура на вертикальных совмещённых МОП - элементах (ВСМОП). Она позволяет использовать низковольтное питание (0,4–0,6 В). ВСМОП представляет собой вертикальный МОП - транзистор со специальной конструкцией стока и истока. Он может работать и как n-канальный, и как p-канальный в зависимости от управляющих сигналов на затворе

Цитата из статьи указанной выше:

"... 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 коротко канальных 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"

Исходя из сказанного, можно прогнозировать возможность рост числа транзисторов на кристалле в районе 1,2 миллиарда за счет снижения напряжения питания до уровня 0,6 - 0,8 В. И еще в два раза за счет применения более тонких технологических процессов.

Пока это предел!

Рост частоты, повышение плотности транзисторов на кристалле и рост числа транзисторов еще больше обострят проблемы помех, описанные в ***** и потребуют пересмотреть принципы проектирования чипов на принципах описанных в патенте №2231899

 

Предел конструктивный

В статье "Будущее технологии КМОП"  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!

 

P.S.

Вот уже наступил 2011 год, 32 нм тех. процесс пошел в производство.

Правда он не смотря на все свои преимущества, этот тех. процесс не стал повсеместным. Уже сказываются дороговизна и его технологическая сложность.

 

Смотрите далее - часть 2.

2002-2003 год 

  Яндекс.Метрика

<<Назад>> <<в начало>> <<на главную>>

/Неизвестный процессор/Охлаждение ПК/Электроника для ПК/Linux/Проекты, идеи/Полезные советы/Разное/
/
Карта сайта/Скачать/Ссылки/Обои/Форум/Каталог/

При полном или частичном использовании материалов ссылка на "www.electrosad.ru" обязательна.
Ваши замечания, предложения, вопросы можно отправить автору через 
гостевую книгу или
почтой.

 Copyright © Sorokin A.D.©

AS 2002-2012