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何种晶体管技术将领跑22nm时代?

上网日期: 2011年07月26日 ?? 我来评论 字号:放大 | 缩小 分享到:sina weibo tencent weibo tencent weibo


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关键字:晶体管? 22nm? FinFET?

在22nm,或许是16nm节点,我们将需要全新的晶体管。而在这其中,争论的焦点在于究竟该采用哪一种技术。这场比赛将关乎到晶体管的重新定义。在22/20nm逻辑制程的开发中,业界都争先恐后地推出各种新的晶体管技术。英特尔三栅极(tri-gate)元件已取得重大进展。许多研究人员也正努力推动FinFET元件的研究工作。而包括ARM在内的多个主要的欧洲组织,以及美国的Globalfoundries则专注于研发完全耗尽型SOI (fully-depleted SOI, FDSOI)技术。不过,最近新创业者SuVolta和富士通也提出了另外一种崭新的选择。

晶体管设计会对所有下游的设计工作带来深远影响──从制程设计到物理设计都包括在内,其涵盖领域甚至包含了逻辑设计师在功率和时序收敛方面的权衡。

问题在哪里?

为何制程工程师们痛下决心革新晶体管设计?最简单的回答是短沟道效应。不断追逐摩尔定律(Moore's Law)的结果是MOSFET沟道长度不断缩减。这种收缩提高了晶体管密度,以及其他的固定因素和开关速度等。但问题是,缩短这些沟道却也带来了诸多严重问题。针对这些问题,我们可以简单地归纳为:当漏极愈接近源极,栅极便愈来愈难以夹断(pinch off)沟道电流(图1)。这将导致亚阈值漏电流

何种晶体管技术将领跑22nm时代?(电子工程专辑)
图1:沟道上的栅极控制可消除短沟道效应

自90nm节点以来,这场对抗漏电流的战役已经持续许久。向全high-k/金属栅极(HKMG)的转移,让栅极能在不让漏电流失控的情况下更好地控制沟道电流。但到了22nm节点,许多人认为,平面MOSFET将输掉这场战役。目前还没有办法在足够的性能条件下提供良好的漏电流控制。“HKMG解决了栅极漏电流,”一位专家表示。“现在,我们必须解决沟道漏电流了。”

平面晶体管:又一次?

并非所有人都同意平面MOSFET将走入历史。其中最主要的代表是台积电,该公司2月起在20nm制程中采用平面晶体管。但此举召来了许多强烈反对,包括来自Globalfoundries的警告。设计人员对短沟道平面MOSFET的所有缺点都已经很熟悉了。看来,重新调整单元库和硬IP模组还比较干脆。漏电流和阈值的变异或许会比在28nm时更糟,但设计师们现在有了更多可用工具,包括改进过的电源管理、变异容错电路,以及统计时序分析等,都可协助他们应对这些问题。而当把所有问题端上台面时,代工厂必须知道,他们的主要客户──FPGA供应商、网络IC巨擘,甚至包括ARM在内,会提出什么样的问题。

不过,仍有许多人持怀疑态度。“台积电表示会在20nm节点使用替换性金属栅极(replacement-metal-gate)平面制程,”Novellus公司副总裁Girish Dixit观察道,“但这个决定可能已经改变。HKMG可以控制漏电流,但平面晶体管仍然具有I-on/I-off特征缺陷。”若台积电的早期采用者发现自己因为平面晶体管而处于竞争劣势,他们可能会逼迫这家代工巨擘改采FinFET半节点。而这种对峙态势也可能出现在移动市场,在这个领域,ARM的无晶圆硅晶伙伴们将面临来自英特尔采用最新22nm三栅极Atom处理器的竞争。

下一页:Fin的崛起以及其他选择


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