Использование передовых материалов для снижения потребления энергии в высокоскоростных устройствах

Power Challenge в высокоскоростных АЦП

Высокоскоростные аналого-цифровые преобразователи (АЦП) являются основой современных систем сбора данных, позволяющих оцифровывать сигналы со скоростью, превышающей сотни мегасхем в секунду (Мспс) и в гигагерцовый диапазон. Эти устройства имеют решающее значение в телекоммуникационной инфраструктуре (5G/6G базовых станций), радиолокационных системах, радиоэлектронной борьбе, медицинской визуализации и научных приборах. По мере расширения полосы пропускания системы и увеличения требований к разрешению, рассеивание мощности АЦП стало основным ограничением проектирования. Снижение потребления энергии без ущерба для скорости или линейности является постоянной инженерной задачей.

Обычная кремниевая технология CMOS приводила к производительности ADC в течение десятилетий, но по мере того, как узлы процессов уменьшаются и шкала напряжения питания, возникают фундаментальные физические ограничения. Токи утечки, паразитные емкости и потери межсоединений становятся доминирующими, превращая бюджет мощности в узкое место. Промышленность отреагировала на изучение передовых материалов, которые могут преодолеть эти ограничения. Интегрируя материалы с превосходными электрическими, тепловыми и диэлектрическими свойствами в конструкции ADC, инженеры могут резко сократить потребление энергии при сохранении или даже повышении производительности.

В этой статье рассматриваются конкретные передовые материалы, которые меняют высокоскоростную конструкцию ADC, подробно о том, как они снижают потребление энергии, улучшают целостность сигнала и позволяют системы следующего поколения. Мы рассмотрим диэлектрики с низкими потерями, полупроводники с широким диапазоном и новые наноразмерные материалы, а также практические задачи интеграции и будущие направления исследований.

Основные драйверы потребления энергии в высокоскоростных АЦП

Перед изучением материальных решений важно понять, где потребляется мощность в высокоскоростном ADC. Большинство современных высокоскоростных ADC используют конвейерную, последовательный аппроксимацию-регистр (SAR) или архитектуру с временным интервалом. Ключевые энергоемкие блоки включают в себя переднюю цепь трек-и-холдинг (T/H), массив компаратора, эталонную лестницу и цифровую логику коррекции.

В ADC с коммутируемым конденсатором мощность, необходимая для зарядки и разряда конденсаторов во время каждого цикла преобразования, задается P = f * C * V2, где f — частота отбора проб, C — общая переключаемая емкость, а V — качание напряжения. Для снижения мощности конструкторы могут уменьшить C, более низкий V или использовать материалы, которые обеспечивают более высокую эффективность переключения. Снижение напряжения, однако, ухудшает отношение сигнал-шум (SNR), если шумовые полы не будут одновременно понижены. Именно здесь передовые диэлектрики и полупроводниковые материалы становятся необходимыми: они позволяют меньшие значения емкости с более низкой утечкой, и они позволяют быстрее переключаться транзисторам с более низкой динамической и статической мощностью.

Диэлектрические материалы с низкими потерями

Диэлектрические материалы используются в конденсаторах сети отбора проб АЦП, а также в межуровневых диэлектриках для межсоединений. В традиционных процессах КМОП стандартными диэлектриками служат диоксид кремния (SiO2) и нитрид кремния (Si3N4), однако их диэлектрический тангенс потерь (tan δ) и относительная проницаемость приводят к значительному рассеиванию энергии на высоких частотах.

Диэлектрики High-K с низкими потерями

Replacing SiO₂ with high-κ (high dielectric constant) materials such as hafnium dioxide (HfO₂) or zirconium dioxide (ZrO₂) allows designers to achieve the same capacitance density with a physically thicker layer, reducing tunnel leakage currents. More importantly, certain formulations of these materials exhibit extremely low loss tangents (tan δ < 0.01) up to microwave frequencies. This directly reduces the energy dissipated per switching event in the ADC’s sampling capacitor bank.

Еще один класс низкопотери диэлектриков, набирающих внимание, - это органически-неорганические гибридные полимеры (например, бензоциклобутен, BCB). Эти материалы имеют очень низкие диэлектрические константы (κ ≈ 2,5-2,7) и низкие потери, что делает их идеальными для высокочастотных межсоединений и пассивных компонентов. При использовании в опорной сети ADC или в подложке многочипового модуля они минимизируют паразитную емкость и ослабление сигнала, позволяя ADC работать на полной скорости с меньшей мощностью.

Например, 12-битный 10-гигабитный ADC с использованием пользовательского конденсатора металл-изолятор-металл (MIM), построенный с диэлектриком с высоким κ / низким уровнем потерь, может снизить мощность на канал на 15-20% по сравнению со стандартной конструкцией на основе SiO2, сохраняя при этом тот же шумовой пол. Это преимущество особенно важно в ADC с временными интервалами со многими параллельными срезами, где совокупная емкость может быть большой.

Полупроводники с широким разрывом: GaN и SiC

В то время как CMOS остается доминирующей технологией для логики и управления ADC, аналоговые фронтальные и буферные усилители все чаще используют составные полупроводники. Нитрид галлия (GaN) и карбид кремния (SiC) являются широкополосными материалами, которые обеспечивают превосходную подвижность электронов, более высокое напряжение пробоя и лучшую теплопроводность, чем кремний.

GaN для высокочастотных аналоговых фронтов с низким энергопотреблением

Транзисторы с высокой электронно-мобильностью GaN (HEMT) могут работать на частотах значительно выше 100 ГГц с высокой транспроводностью и низкой выходной емкостью. При использовании в усилителе трека и удержания или входном буфере ADC устройства GaN обеспечивают очень быстрое переключение с минимальным зарядом затвора, что приводит к снижению динамической мощности. Буфер на основе GaN может приводить в движение конденсатор отбора проб с высокой скоростью разряда при рассеивании половины мощности сопоставимого биполярного буфера SiGe. Несколько недавних работ продемонстрировали схемы на основе GaN, работающие на 20 ГСп с потреблением мощности менее 100 мВт, тогда как решение SiGe может потребовать 200-300 мВт.

Кроме того, широкий диапазон GaN (3,4 эВ) позволяет работать при более высоких температурах перехода без чрезмерной утечки, уменьшая необходимость активного охлаждения. Это имеет преимущество на системном уровне, поскольку вентиляторы охлаждения и радиаторы потребляют дополнительную энергию и пространство.

SiC для высоковольтных, низкошумных ссылок

Устройства SiC превосходят в высоковольтных, низкопотериальных приложениях. В ADC эталонная сеть напряжения должна быть стабильной и бесшумной. Диоды SiC Schottky и JFET могут использоваться в высокоточных ссылках на напряжение и регуляторах, которые поставляют ADC, обеспечивая низкое выходное сопротивление и высокую термостойкость. Снижение сопротивления (Rds(on)) SiC MOSFETs по сравнению с кремниевыми устройствами означает меньшее падение ИК и более низкие омические потери. Это напрямую приводит к более эффективной сети доставки мощности для ADC.

Кроме того, подложки SiC имеют теплопроводность около 4,9 Вт/см·К, что примерно в три раза больше, чем у кремния. При использовании в качестве подложки для интегральных схем ADC (монолитических или гибридных), SiC помогает равномерно распределять тепло, позволяя ADC работать с более высокими скоростями отбора проб без теплового бегства. Некоторые недавние конструкции имеют монолитно интегрированные GaN HEMT на подложках SiC для сочетания высокочастотных характеристик GaN с термическим управлением SiC.

Наноматериалы и новые проводники

Помимо уже существующих полупроводников, исследователи изучают углеродные наноматериалы и металлические сплавы, чтобы уменьшить мощность в межсоединениях и пассивных компонентах.

Графен и углеродные нанотрубки

Графен обладает исключительно высокой подвижностью несущих (до 200 000 см2/В·с) и может нести высокую плотность тока без электромиграции. При использовании в качестве соединительного материала в критических сигнальных путях ADC графен уменьшает резистивные потери и паразитную индуктивность. Это позволяет меньшие колебания напряжения с той же точностью оседания, снижая динамическую мощность. Однако интеграция графена в процесс, совместимый с кремнием, остается сложной из-за отсутствия нативного разрыва полосы и трудностей в крупномасштабном росте.

Углеродные нанотрубки (УНТ) являются еще одним перспективным материалом для межсоединений. УНТ имеют высокие пропорции сторон и могут выращиваться вертикально для сквозных кремниевых сквозных соединений (ТСВ) или горизонтально для локальных межсоединений. В условиях временного переключения ADC маршрутизация нескольких тактовых фаз и аналоговых сигналов между срезами может быть значительным источником потери мощности. УНТ-соединения снижают сопротивление и емкость на единицу длины, позволяя быстрее передавать данные в пределах АЦП и снижая мощность, необходимую для проезда длинных линий.

Сверхпроводящие материалы для криогенных АЦП

Для высокопроизводительных АЦП, используемых в радиоастрономии и квантовых вычислениях, работа при криогенных температурах (4-20 К) позволяет использовать сверхпроводящие материалы, такие как ниобий (Nb) и нитрид ниобия (NbN). Эти материалы имеют нулевое сопротивление постоянного тока и могут обрабатывать чрезвычайно высокие частоты. Хотя они непрактичны для приложений общего назначения, сверхпроводящие АЦП потребляют на порядки меньше мощности, чем их аналоги с комнатной температурой. Например, 12-битный 40 ГСп АЦП, построенный в быстром однопоточном квантовом (RSFQ) логическом семействе, использующем ниобийовые соединения, может рассеиваться менее 1 мВт по сравнению с несколькими ваттами для эквивалента CMOS. Компромиссом является необходимость дорогостоящего криоолинга, но в некоторых научных контекстах общая мощность системы (включая охлаждение) все еще ниже.

Синергия материаловедения и архитектуры ADC

Преимущества передовых материалов максимизируются в сочетании с архитектурными инновациями. Например, диэлектрики с низкими потерями позволяют использовать меньшие блок-конденсаторы в SAR ADC, что позволяет больше бит на ступень или быстрее оседать. Полупроводники с широким разрывом диапазона позволяют много-ГГц-наблюдение без необходимости сложных распределительных сетей с часами, которые сжигают энергию.

Гибридная связь и 3D-интеграция

Передовые методы упаковки, такие как гибридное склеивание и укладка 3D-чипов, могут объединять различные материалы. Смартфон ADC, изготовленный в высокопроизводительном процессе CMOS, может быть уложен вертикально с помощью фронтального чипа GaN или регулятора напряжения SiC, подключенного через микро-накачки тонкого уровня. Это уменьшает длину высокоскоростных межсоединений, сокращая паразитную емкость и индуктивность. Потребление энергии может снизиться на 10-30% из-за более коротких путей сигнала. Такие компании, как Xilinx (теперь AMD) и Intel продемонстрировали 3D FPGA с интегрированными высокоскоростными ADC, использующими такое укладывание, и тенденция ускоряется.

Монолитная интеграция на инженерных подстрах

Другой путь использует инженерные подложки, такие как кремний-на-изоляторе (SOI) с высокой резистентностью кремния или кварцевых обрабатывающих слоев. SOI уменьшает потери подложки и позволяет интегрировать высокий Q пассивных компонентов. Комбинирование SOI с GaN слой на том же чипе (через эпитаксиальный рост или вафельное связывание) может дать ADC, который выигрывает как от низкой мощности цифровой логики SOI CMOS и высокоскоростной аналоговой производительности GaN. Некоторые исследовательские группы сообщили 8-бит 20 GSps ADC на таких гетерогенных подложек с общей мощностью менее 500 мВт.

Количественное влияние на показатели производительности ADC

Чтобы оценить практические улучшения, он помогает изучить конкретные показатели, измеренные в опубликованных ADC, которые используют передовые материалы:

Эти улучшения приводят к реальным преимуществам: более низким затратам на охлаждение центров обработки данных, более длительному сроку службы батареи в портативных радиолокационных системах и повышению надежности в аэрокосмической электронике.

Тематические исследования и приложения

5G/6G Базовая станция ADC

В массивных радиоблоках MIMO каждый антенный элемент требует ADC, работающего на 100-200 Мсп с разрешением не менее 12 бит. Общая мощность сотен ADC может доминировать в бюджете радио. Приняв на основе GaN входные буферы и высоко-k диэлектрические конденсаторы, такие компании, как Analog Devices и Texas Instruments, разработали ADC, которые потребляют только 50 мВт на канал при достижении 75 дБк SFDR. Это снижает общую мощность радио на 30% по сравнению с кремниевыми биполярными решениями предыдущего поколения.

Радарная и электронная война

Военные системы требуют мгновенной полосы пропускания в несколько гигагерц. ADC с входной частотой 10 ГГц и 8-битным разрешением обычно может рассеивать 5-10 Вт. Используя гибридные технологии GaN-on-SiC, недавние прототипы ADC от таких фирм, как Raytheon и Northrop Grumman, продемонстрировали 6 GSps выборки с мощностью менее 2 Вт, сохраняя при этом показатель шума ниже 3 дБ.

Научные приборы

В физике элементарных частиц и радиоастрономии используются массивы тысяч АЦП. Телескоп Square Kilometre Array (SKA) требует, например, маломощных АЦП для снижения стоимости своих удаленных станций. Сверхпроводящие АЦП, работающие на 4 К, рассеивают только микроватты на канал, что делает возможным развертывание массивных каналов. Хотя криогенная система добавляет сложность, общий бюджет мощности ниже, чем альтернативы комнатной температуры.

Проблемы и торговые связи

Несмотря на явные преимущества, интеграция передовых материалов в высокоскоростные АЦП сопряжена с препятствиями. Стоимость пластин GaN и SiC значительно выше, чем у кремния, ограничивая внедрение на чувствительных к цене рынках. Не-КМОП-материалы часто требуют специализированных этапов обработки, увеличивая сложность фабов и снижая урожайность. Например, выращивание высококачественного GaN на кремниевых пластинах с низкой плотностью дислокации по-прежнему является активной областью исследований.

Кроме того, передовые материалы могут вводить новые режимы отказа: GaN HEMTs восприимчивы к воздействию тока и захвата, что может ухудшить линейность ADC. Необходима надлежащая пассивация устройства и обработка поверхности, добавляя дополнительные затраты на обработку. Несоответствия теплового расширения между непохожими материалами могут вызывать механическое напряжение во время циклического изменения температуры, что потенциально приводит к трещинам в микро-насосов или отмирать прикрепленные слои.

Также отстают инструменты проектирования: стандартные PDK (наборы для проектирования процессов) для моделирования смешанного сигнала могут не точно моделировать устройства GaN или SiC, требуя обширной характеристики и извлечения модели.

Будущие направления исследований

Заглядывая вперед, несколько новых семейств материалов обещают еще более низкие АЦП. Двумерные материалы, такие как дисульфид молибдена (MoS2) и черный фосфор, изучаются для сверхтонких канальных транзисторов, которые могут работать с напряжением питания ниже 0,5 В, сокращая мощность квадратично. Ферроэлектрические материалы (например, оксид циркония гафния) могут обеспечить отрицательные эффекты емкости, которые теоретически могут уменьшить подпороговый качель ниже 60 мВ/десятилетие, что позволяет очень низковольтное переключение.

В области диэлектриков разрабатываются ламинированные композиты, смешивающие керамику с высоким содержанием керамики с полимерами с низким уровнем потерь, для достижения как высокой диэлектрической постоянной, так и тангенса с низкими потерями, что может позволить АЦП использовать большие емкости (для лучшего шума кТ/С) без пропорционального увеличения мощности.

Наконец, достижения в аддитивном производстве и наноимпринтной литографии могут снизить стоимость интеграции экзотических материалов, позволяя напрямую записывать сложные диэлектрические и металлические узоры на кремниевых пластинах.

Заключение

Неустанный спрос на более высокие скорости передачи данных и точность в коммуникациях, обороне и науке приводит к изменению парадигмы в конструкции ADC. Передовые материалы - диэлектрики с низкими потерями, полупроводники с широким диапазоном пропускания, углеродные наноматериалы и сверхпроводники - играют ключевую роль в снижении энергопотребления при раздвигании границ скорости и разрешения. Путем предоставления меньших конденсаторов, более быстрых транзисторов и более эффективных соединений эти материалы напрямую атакуют условия напряжения и емкости в уравнении мощности. Результатом является новое поколение высокоскоростных ADC, которые потребляют часть мощности традиционных конструкций.

Хотя проблемы интеграции и стоимость остаются, траектория ясна: будущие высокоскоростные ADC будут построены на платформах гетерогенных материалов, адаптированных для оптимизации производительности для конкретных приложений. Инженеры и системные архитекторы должны быть проинформированы об этих материальных инновациях, поскольку они будут разблокировать возможности, которые ранее были непрактичными из-за ограничений мощности. Для подробных технических данных обратитесь к недавним исследовательским публикациям из журнала Solid-State Circuits IEEE Journal of Solid-State Circuits и заметкам приложений от поставщиков, таких как Analog Devices и Texas Instruments , которые предоставляют примеры проектирования с использованием этих передовых материалов.