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.

Год	Технология	Напр. питания	Число тр-в (млн)	Отн. изменение технология%	Отн. изменение напр.пит.%	Отн.напр. эл.поля в/мкм
Год	мкм	В	Число тр-в (млн)	Отн. изменение технология%	Отн. изменение напр.пит.%	Отн.напр. эл.поля в/мкм
1	2	3	4	5	6	7
1981	3	5	0,029	1	1	1,66
1982	1,5	5	0,134	2	1	3,33
1989	1	5	1,2-1,8	3	1	5
1992	0,8	5	1,8	3,75	1	6,25
1993	0,5	3,3	3,1-3,3	6	1,5	6,6
1995	0,35	3,3	3,3	8,57	1,5	9,42
1996	0,35	2,8	5,5	8,57	1,78	8
1997	0,25	2	7,5	12	2,5	8
1998	0,25	1,65	10	12	3	6,6
1999	0,18	1,5	18	16,6	3,3	8,33
2000	0,18	1,7	25	16,6	2,9	9,44
2001	0,13	1,5	42	23	3,3	11,5
2003	0,09	1,3	80	33	3,8	14
2005	0,065	1,2	160	46	4,16	18,46
2007	0,045	1	300	66	5	22,2
2009	0,032	0,9	>400	93	5,5	28

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

<<Назад>> <<в начало>> <<на главную>>

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

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

2002 - 2020