Nanoskaalamikroprosessorien ymmärtäminen

Nanoskaala mikroprosessorit ovat integroituja piirejä rakennettu transistori ominaisuuksia mitattuna nanometrejä. Miljardeja metrin. Hillitön miniatyyristyminen ennustaa [Moore.S Law[] on ajanut ominaisuuskoot mikrometreistä alas alle-10 nm solmut. Näissä ulottuvuuksissa klassisen fysiikan oletukset ohjattu aikaisemmat siru murtaa, ja kvantti mekaaniset vaikutukset tulevat hallitsevaksi. Tänään state-of-the-art-sirut, kuten Apple.SM3 tai Intel.s 7 nm prosessorit, sisältää kymmeniä miljardeja transistoreita toimivat sivuttaisasteikoilla muutaman atomin. Tämä äärimmäinen tiheys mahdollistaa korkeampi kellon nopeuden, alempi teho transistori, ja ennennäkemätön laskentateho, mutta se ottaa käyttöön myös perustason fyysiset rajat, jotka vaativat täysin uusia teknisiä strategioita.

Tärkeimmät haasteet skaalautumisessa alas

1. Kvanttitunnelit ja vuotovirrat

Kun transistoriporttioksidit ovat vain muutaman atomin paksuja, elektronit voivat tunnelia eristyskerroksen läpi silloinkin, kun transistorin oletetaan olevan ...off........................................................................................................................................................................................................................

2. Lämpöhäviö ja tehotiheys

Koska transistorit pack tiheämmin, lämpöä syntyy yksikköalueella kasvaa jyrkästi. Nanomittareissa tehotiheys voi ylittää ydinreaktorin ytimen. Perinteiset jäähdytysmenetelmät. Lämpönielujen ja tuulettimien käyttö on riittämätöntä. Kuumat kohdat voivat aiheuttaa suorituskyvyn kuristamista, heikentynyttä luotettavuutta ja mahdollista vikaa. Ongelmaa pahentavat vuotovirrat (edellä kuvatut), jotka tuottavat lämpöä myös silloin, kun siru on tyhjä. Innovaatiot, kuten [, upotettu mikronestejäähdytys[], grafeenipohjaiset lämmönlevittimet ja on-sirulämpöanturit auttavat, mutta jokainen ratkaisu lisää kustannuksia ja monimutkaisuutta. MIT Technology Review[] korostaa, että lämmön hallinta nanomittauksessa edellyttää kooptimointipiirisuunnittelua, pakkausta ja järjestelmä-tason jäähdytystä.

3. Valmistustarkkuus ja -tuottavuus

Yksi pölyhiukkas voi tuhota kymmeniä transistoreita. Edistyneet litografiatekniikat kuten äärimmäinen ultravioletti (EUV) litografia tarjoavat tarvittavan erottelukyvyn, mutta laitteiden kustannukset ylittävät 150 miljoonaa dollaria työkalua kohti. Etsykointi, depositio ja dopingin vaihtelut johtavat vikoihin, jotka vähentävät toiminnallisen sirun osuutta piikkiä kohti. Suurelle kuolemiselle kuten AI-kiihdytin tuottaa alle 80%:n. Insinöörit käyttävät []design-for-manufacturing (DFM)[[] -sääntöjä ja tilastollista prosessinohjausta, mutta solmujen kutistuessa kriittisten kerrosten määrä voi moninkertaistua ja virhemarginaali lähestyy nollaa.

4. Viivästykset ja loisvaikutukset

Vaikka skaalaustransistorit nopeuttaa logiikkaa, johdot, jotka yhdistävät ne .Nanomittauksissa ns. interconnects. eivät skaalata niin suotuisasti. Koska kaapelin poikkileikkaukset kutistuvat, vastus kasvaa ja kapasitiivinen kytkentä kasvaa. Tämä luo []RC viiveitä[[]], jotka voivat hallita yleistä piirin suorituskykyä. Nanomittaisissa solmuissa pitkät yhteydet voivat olla suurempia kuin transistorien kytkentäaika. Lisäksi, ristitörmäys vierekkäisten johdot voivat aiheuttaa signaalin eheys ongelmia. Ala tutkii matala-resistenssiivisyys metalleja, kuten koboltti ja rutenium, ilma-aukko dielektriitit, ja optisia interconnectations, mutta nämä pysyvät kokeellisia tai kalliita integroida.

5. Laitevaihto ja luotettavuus

Nanomittakaavassa pienet atomitason erot tulevat merkittäviksi. Satunnaiset dopanttivaihtelut, reunan karheus ja oksidin paksuuden vaihtelut aiheuttavat transistorien kynnysten siirtymisen laitteesta toiseen. Tämä vaihtelu vaikeuttaa ajoitusmarginaalien ja tehobudjetin takaamista sirulle. Ajan myötä lämpötilan vaihtelu (BTI) ja kuumakantaja-injektion hajoaminen transistorisuoritukseen, sirujen keston lyhentäminen. Suunnittelijoiden on sisällettävä suojanauhat ja virhekorjaavat koodit, mutta nämä tekniikat ovat jätealueita ja energiaa. []Ajan myötä luotettavuus kehittyneissä solmuissa[] on kasvava huolenaihe autoteollisuudelle, ilmailulle ja lääketieteellisille sovelluksille, joissa vika ei ole vaihtoehto.

6. Aineelliset rajoitukset

Pii on ollut mikroelektroniikan työhevonen vuosikymmeniä, mutta nanoskaalassa sen ominaisuudet tulevat rajallisiksi. Elektronin liikkuvuus heikkenee ohut piikanavissa ja hihna kapenee, mikä lisää vuotoja. Vuosien tutkimuksen jälkeen ala on kääntynyt -silikaatti[]-kanaviin p-tyypin transistoreissa ja III-V-yhdistepuolijohteisiin (kuten indiumgalliumarsenidiin) n-tyypin transistoreissa. Monien materiaalien integrointi yhteen siruun on kuitenkin kallista ja ottaa käyttöön uusia vikamekanismeja. 1 nm:n lisäksi edes nämä eksoottiset materiaalit eivät ehkä riitä, mikä kannustaa tutkimaan 2D-materiaaleja kuten -piirroksia ja -transitition metalisia modhalkogenideja (TMDs)].].

Nykyiset ratkaisut ja tutkimusohjeet

Edistyneet litografiatekniikat

EUV:n litografia 13,5 nm:n aallonpituudella on mahdollistanut 7 nm:n ja 5 nm:n solmujen. Seuraavan sukupolven korkean NA-akselin (numeerisen aukon) EUV-työkalut lupaavat työntää resoluution alas 1 nm:iin tai sen alapuolelle. Samalla moniportainen tekniikka (itsesuuntautunut kaksoiskuvio, nelinkertainen kuvio) mahdollistaa nykyisten työkalujen hienontamisen, vaikkakin kalliimmat ja monimutkaisemmat. EE Times toteaa, että EUV:n käyttöönotto kiihtyy, mutta läpivienti ja naamion vaurio ovat edelleen haastavia.

Uudet kanavamateriaalit

3 nm:n ja 2 nm:n solmujen osalta [portti-kaikkinainen (GAA) kenttä-efektitransistorit (FET)[[], joissa käytetään pinottuja piin nanoarkkia, korvaavat finFET-laitteet. GAA-rakenteet tarjoavat paremman sähköstaattisen hallinnan ja pienen vuodon. Jatkossa hiilinanoputket (CNT) tarjoavat lähes ballistisen kuljetuksen ja voivat ylittää piin sub-10 nm:n portin pituudet. ]Nature Electronicsin (MOS) kaltaisia materiaaleja tutkitaan myös ultra-thin-kanavissa, jotka vaimentavat lyhytvaikutteisia vaikutuksia.

3D-integrointi ja Chiplet Designs

Sen sijaan, että transistorit olisivat yhä pienempiä, jotkin yritykset pinoavat useita kappaleita pystysuunnassa.[[]3D-integraatio[[]].Käyttäen läpi-pii kautta (TSV) ja hybridisidonta. Tätä lähestymistapaa käytetään nyt tuotteissa, kuten AMD... EPYC ja Intel.s Ponte Vecchio. Tämä sivuliike tekee joitain litografia- ja tuotto-ongelmia yhdistämällä monia pienempiä, korkeampia prosessoriosia. Pinossa olevien kuolemien lämmönhallinta on kuitenkin monimutkaisempaa ja toimitusketjun standardit kehittyvät edelleen.

Kvanttilaskenta ja CMOS-järjestelmän ulkopuolinen

Vaikka perinteinen skaalaus kasvot vähenevät, []kvanttilaskenta[ hyödyntää superpositiota ja sotkeutumista tiettyjen ongelmien ratkaisemiseksi eksponentiaalisesti nopeammin. Kvanttiprosessorit vaativat kvanttien tyypillisesti suprajohtavista piireistä, loukkuun jääneistä ioneista tai piin spin qubitistä. Ne toimivat kryogeenisissä lämpötiloissa. Ne eivät ole suoria korvaavia klassisia mikroprosessorien osalta, mutta saattavat nopeuttaa tiettyjä työmääriä, kuten salausta ja huumeiden löytämistä. Samaan aikaan, CMO-laitteiden kuten spin-transfer-torque RM:n, vastusmuistien (RRAM) ja analogisten neuromorfisten piirien avulla voidaan käsitellä datainintensiivisiä tekoälyjä tehokkaammin.

Nanoskaalamikroprosessorien tulevaisuus

Kansainvälinen laite- ja järjestelmäkartta (IRDS) viittaa siihen, että perinteinen piin CMOS-skaalautuminen tasaantuu 1 nm:n solmun ympärille, mahdollisesti vuoteen 2030 mennessä. Sen jälkeen kehitys perustuu materiaaliinnovaatioihin, edistyneisiin pakkauksiin ja arkkitehtonisiin parannuksiin. Saatamme nähdä [[] heterogeneous-integroinnin[]], jossa eri materiaaleille rakennetut sirut ovat loogisia ja III-V RF-levyjä, jotka ovat muistissa muistissa ja jotka on koottu yhdeksi paketiksi. Fotoniset yhteydet voisivat korvata kuparijohdot siru-siru-kommunikointiin, mikä vähentää huomattavasti tehoa. Upotetut koneoppimislaitteet, kuten in-muistilaskenta, optimoivat edelleen suorituskykyä wattia kohti.

Yksi lupaava suunta on []negatiivisten kapasitanssin FET-laitteiden (NC-FET-laitteiden) [ käyttö, jossa käytetään ferrosähköistä kerrosta portin jännitteen vahvistamiseksi, jolloin syöttöjännite on pienempi ja teho pienempi. Toinen on piikki-mittakaavaltaan paketoitujen moottoreiden"entiirikiekkojen käyttöönotto yhtenä siruna (esim. Cerebras) .

Päätelmät

Mikroprosessorien skaalaaminen nanomittakaavaan on tuonut erinomaisia tuloksia suorituskykyyn ja tehokkuuteen, mutta matka on täynnä esteitä. Kvanttitunnelien, lämmön hajaantuminen, valmistustarkkuus, yhteenliittäminen viivästykset, laitteiden vaihtelu ja materiaalirajoitukset ovat kaikki voimistuneet, kun mitat kutistuvat muutamaan miljardiin metriin. Ala reagoi rikkaalla työkalusarjalla: EUV-litografia, GAA-transistorit, 3D-integraatio, sirut ja uudet laskentatavat, kuten kvantti- ja neuromorfinen laskenta. Vaikka puhtaan geometrisen skaalauksen aikakausi saattaa loppua, [-toiminnallisen skaalauksen aikakausi on juuri alkamassa.