Comprensione dei microprocessori Nanoscale

I microprocessori di nanoscala sono circuiti integrati costruiti con caratteristiche di transistor misurate in nanometri, miliardi di metri di un metro. La miniaturizzazione inesorabile predetto da La legge di Moore ha spinto dimensioni di caratteristiche da micrometri fino a sotto 10 nm nodi di velocità.

Le sfide principali in scala giù

1. Correnti di tunnel e di scherma quantica

Quando gli ossidi di cancello transistor sono solo pochi atomi di spessore, gli elettroni possono tunnel attraverso lo strato isolante anche quando il transistor è supposto di “off”. Questo tunnel quantistico crea correnti di dispersione indesiderabili che alimentano i rifiuti e generano calore.

2. Dissipazione del calore e densità di potenza

In nanoscala, la densità di potenza può superare quella di un nucleo di reattore nucleare. I metodi di raffreddamento tradizionali, i lavandini di calore e i ventilatori, stanno diventando inadeguati. I punti caldi sul die possono causare un'affidabilità ridotta, e l'eventuale guasto del grafo. Il problema è composto da correnti di fuga (descritto sopra) che generano calore anche quando il chip gestisce idle.

3. Precisione di fabbricazione e rendimento

La produzione di chip con caratteristiche di sub-10 nm richiede un controllo di processo estremo. Una singola particella di polvere può distruggere decine di transistor. Le tecniche di litografia avanzate come la litografia estrema ultravioletta (EUV) forniscono la risoluzione necessaria, ma i costi dell'apparecchiatura superano i 150 milioni di dollari per strumento.

4. Ritardi di interconnessione ed effetti parassitari

Mentre i transistor di scaling accelerano la logica, i fili che li collegano – chiamati interconnessioni – non si bilanciano come favorevolmente. Come si restringono le sezioni trasversali del filo, aumenta la resistenza e l'accoppiamento capacitivo cresce. Questo crea RC ritardi di esplorazione] che possono dominare le prestazioni complessive del circuito.

5. Variabilità del dispositivo e affidabilità

Le piccole differenze di livello atomico diventano significative. Le fluttuazioni di dopant casuali, la rugosità dei bordi delle linee e le variazioni di spessore dell'ossido causano le soglie di transistor a passare da un dispositivo all'altro. Questa variabilità rende difficile garantire margini di tempo e budget di potenza attraverso un chip.

6. Limitazioni dei materiali

Silicon è il cavallo di lavoro della microelettronica per decenni, ma al nanoscala le sue proprietà diventano limitanti. La mobilità degli elettroni si degrada nei sottili canali di silicio, e la bandgap restringe, aumentando la perdita. Dopo anni di ricerca, l'industria si è trasformata in diversi sistemi di silicio], canali di silicio-germanium (SiGe)

Soluzioni e direzioni di ricerca attuali

Tecniche di litografia avanzata

La litografia EUV a 13.5 nm ha permesso di spingere la risoluzione fino a 1 nm o inferiore. Nel frattempo, le tecniche di multi-patterning (autoallineato doppio patterning, quadruplo patterning) permettono di stampare gli strumenti attuali per le caratteristiche più sottili, anche se con maggiori costi e complessità [EEF Times]

Nuovi materiali del canale

Per i 3 nm e 2 nm nodi, i transistor a effetto effetto effetto effetto effetto effetto-campo (GAA)] utilizzando nanometri impilati di silicio stanno sostituendo i finFET. Le strutture GAA forniscono un migliore controllo elettrostatico e una minore perdita.

Integrazione 3D e disegni di chiplet

Invece di scalare i transistor sempre più piccoli, alcune aziende stanno impilando più stampi verticalmente –]3D integration – utilizzando attraverso-silicon vias (TSVs) e legamento ibrido. Questo approccio riduce le lunghezze di interconnessione, migliora la larghezza di banda e può mescolare diverse tecnologie di processo (ad esempio, Vecchio, digitale, memoria) in un processore più piccolo processore.

Computing quantistico e oltre i limiti di memoria

Mentre i tradizionali sistemi di scalamento sono in grado di ridurre i rendimenti, quantum computing] sfrutta la sovrapposizione e l'impigliamento per risolvere alcuni problemi in modo esponenziale più veloce. I processori quantistici richiedono qubits – tipicamente realizzati con circuiti di superconduzione, ioni intrappolati, o qubit di spin-si di silicio – che operano a temperature criogeniche.

Il futuro dei microprocessori di Nanoscale

La Roadmap internazionale per dispositivi e sistemi (IRDS) suggerisce che il sistema CMOS convenzionale si altificherà intorno al nodo 1 nm, forse entro il 2030. Dopo di che, i progressi si basano sull'innovazione dei materiali, sull'imballaggio avanzato e sui miglioramenti architettonici. Possiamo vedere l'integrazione eterogenea]] dove i chip integrati su diversi materiali – hardware per logica, III-V per filo di calcolo – possono essere assemblati

Una direzione promettente è l'uso di ]Negative capacitance FETs (NC‐FETs)] che utilizzano uno strato ferroelettrico per amplificare la tensione di cancello, permettendo tensioni di alimentazione inferiori e potenza ridotta.

Conclusioni

La crescita dei microprocessori di scalabilità verso la nanoscala ha portato guadagni straordinari in termini di prestazioni ed efficienza, ma il viaggio è pieno di ostacoli.