CMOS mastelio keitimas ir miniatiūrizavimas: našumas, galia ir patikimumas

CMOS technologija veikia kaip dinamiškas katalizatorius greitai besikeičiančiame šiuolaikinės elektronikos pasaulyje, kvėpuodamas gyvybingumu į tokius įrenginius kaip išmanieji telefonai ir nešiojamieji kompiuteriai.Jos sugebėjimas užtikrinti išskirtinį našumą kartu su energiją taupančiais sprendimais pratęsė šių puoselėjamų įrankių malonumą ir funkcionalumą.Tačiau šie technologiniai pasiekimai neatsiranda be savo kliūčių.Nuolatinis siekis sumažinti tranzistoriaus dydį kelia sunkumų palaikant našumą ir patikimumą.Šis miniatiūrizavimas suteikia papildomą įrenginių sudėtingumą, reikalaujantį išradingumo ir įgudusių įgūdžių iš tų, kurie kuria ir kuria šias sudėtingas sistemas.

Katalogas

Rafinavimo įrenginių modeliai

Išskirtinių projektavimo rezultatų pasiekimas priklauso nuo įrenginių modelių tikslumo ir pločio, kuris sudaro daugybę procesų ir sąlygų.Integruojant novatoriškas medžiagas, tokias kaip aukšto K dielektrikos ir metalo vartai, į įprastas CMOS struktūras praturtina šiuos modelius, siūlydama patobulintas elektrines savybes.Ši integracija skatina išradimo projektavimo metodus.Perėjimas prie šių naujų medžiagų naudojimo vaidina formuojamąjį vaidmenį vystosi prietaisų modeliuose, parodant pažadą sumažinti nuotėkio sroves ir didesnį potencialą padidinti pavaros srovę.Tokie pasiekimai skatina konkurencinio dizaino augimą šiuolaikinių technologijų peizažuose.Pramonės veteranai pripažįsta, kad gilus šių medžiagų supratimas apima išsamius bandymo ir modelio kalibravimo ciklus, kad būtų patikimai atspindėtas sudėtingas elgesys ir sąveika prietaisuose.

Technologijų mastelio raida

CMOS mastelio pertvarka paskatino sudėtingas naujoves elektronikos pramonėje, palengvindamas vientisą ir judrų integracijos pažangą.Pagreitinto našumo siekimas kartu su padidėjusiu integracijos tankiu intensyviai daugiausia dėmesio skiria mastelio įrenginio parametrų tikslumui.Šis išsamus sureguliavimas apima tokius elementus kaip litografijos skiriamoji geba, efektyvus kanalo ilgis, vartų dielektrinis storis, maitinimo įtampos ir įrenginio nuotėkio elgesys.Mažėjant CMOS įrenginio kanalo ilgiui, mažėja našumo viršįtampiai ir energijos suvartojimas pereinamąjį perėjimą žymiai mažėja, todėl padidėja efektyvumas ir kompaktiškumas.

1 paveikslas. Maitinimo įtampos tendencijos VDD, slenksčio įtampos Vth ir vartų oksido storio Tox, palyginti su CMOS įrenginio kanalo ilgiu

Mastelio poveikis grandinės efektyvumui

Siekdami aukštesnių mikroprocesorių ir atminties našumo, sustiprina reikšminga tranzistoriaus mastelio keitimas:

- CMOS IC mazgai sumažina 30% mastelio keitimą, mažinant vartų vėlavimą maždaug 30%, todėl padidėja maksimalus laikrodžio dažnis 43%.

- Įrenginio tankis patiria dvigubinantį efektą.

- Dėl mastelio keitimo metodikų parazitinė talpa sumažėja 30%.

- Energija ir aktyvioji galia vienam perėjimui sumažėja atitinkamai 65% ir 50%.

2 paveikslas. CMOS našumo, galios tankio ir grandinės tankio tendencijos

Mastelio įtaka galios išsklaidymui

CMOS įrenginiuose dinaminės galios ir nuotėkio srovės išryškėja kaip reikšmingi energijos suvartojimo šaltiniai.Sumažėjus slenksčio įtampai, kurią lemia pažengusio technologijos mastelio keitimas, pabrėžia nuotėkio energijos suvartojimo svarbą.Temperatūra vaidina reikšmingesnį vaidmenį veikiant nuotėkio galiai, palyginti su aktyviosios galios sunaudojimu, todėl žymiai padidėja nuotėkio galia.

Žemiau esančioje iliustracijoje aprašoma dinaminio ir nuotėkio galios suvartojimo dinamika, kai paktas simbolizuoja dinaminę galią ir plokštę, reiškiančią nuotėkio galią.

3 paveikslas. Aktyvi ir nuotėkio galios dinamika pastoviam štampo dydžiui

Mastelio keitimas ir jo poveikis patikimumui

Impultas mažinant maitinimo įtampą mastelio technologijose apima poreikį palengvinti vidinius elektrinius laukus įrenginiuose, kartu sumažinant aktyvią energijos suvartojimą.Dėl santykio, kai aktyvioji galia yra proporcinga VDD², VDD sumažėjimas reiškia būtinus VTH koregavimus, kad būtų užtikrinta norima kanalizacijos srovė, kad būtų galima optimaliai funkcionuoti.Tačiau sumažinta V ir padidėja nuotėkio nuotėkio srovė, pateikdama kliūtis nanometrų masteliams.

Ryškūs ilgalaikio patikimumo problemos apima nuo laiko priklausomą dielektrinį skilimą (TDDB) vartų dielektriką, karšto nešiklio injekciją (HCI), neigiamą šališkumo temperatūros nestabilumą (NBTI), elektromigraciją (EM) ir streso sukeltą tuštumą (SIV).Tris dešimtmečius sudėtinga fizika, apibūdinimas ir išsamus šių reiškinių modeliavimas buvo pagrindinis tyrimų pastangas.

Padidinančios tiekimo įtampos būdus

Tyrinėjant tiekimo įtampos patikslinimo metodus, atskleidžiama žavi strategija, kuri padidina efektyvumą, darant didelę įtaką energijos suvartojimui.Sąmoningai mažinant tiekimo įtampą, pastebimas pastebimas kvadratinis perjungimo galios sumažėjimas, kuris suteikia strateginį pranašumą energijos optimizavime.Šis požiūris taip pat sprendžia nuotėkio aktualijas, veiksmingai sumažinant kanalizacijos sukeltų barjerų mažinimo (DIBL) efektą-fokusavimo sritį šiuolaikinėje elektronikoje.

4 paveikslas. Vartų oksido nuotėkio srovė, palyginti su maitinimo šaltiniu

Tiekimo įtampos mastelio pokyčiai

Pritaikyti statiniai koregavimai

Statinio tiekimo įtampos mastelio keitimas apima iš anksto nustatytus pakeitimus, pritaikytus konkrečioms grandinės keliams ar komponentams.Ši technika pasirodo naudinga užduotims, turintiems nuolatinių galios poreikių, nes tai leidžia tiksliai suderinti įtampos tiekimą, kad atitiktų įvairius energijos poreikius.Naudojant iš anksto nustatytus įtampos parametrus, energijos suvartojimas yra optimizuotas išlaikant sistemos patikimumą, ypač patrauklūs inžinieriams, orientuoti į stabilų našumą, tačiau trokštant padidėjusio energijos vartojimo efektyvumo.Šis pakeitimų apskaičiavimas suteikia subtilų pasitenkinimą, panašų į tiksliai apibrėžtus energijos tikslus.

Reaguojantys dinaminiai pakeitimai

Dinaminio tiekimo įtampos mastelio keitimas (DVFS) siūlo universalų požiūrį, leidžiantį realaus laiko įtampos pokyčiams, reaguojant į keičiantis našumo poreikius.Ši lanksti strategija išstumia puikų pusiausvyrą tarp našumo ir energijos efektyvumo, o energijos suvartojimas pritaikytas užduoties intensyvumui.Ypač susiję su procesoriais su greitai besikeičiančiais darbo krūviais, DVF reikalauja sudėtingo grįžtamojo ryšio mechanizmo, skirto stebėti sistemos veikimą ir energijos sunaudojimą, suteikiant vertingų įžvalgų būsimoms patobulinimams.Harmonijos pusiausvyra, suderinant našumą su galios taupymu, gali sukelti pasitenkinimo jausmą, panašų į pusiausvyros ieškojimą daugelyje gyvenimo reikalavimų.

Praktinių pritaikymų svėrimas

Įdiegus šiuos įtampos mastelio keitimo metodus, būtina įvertinti kompromisus.Pavyzdžiui, tiekimo įtampos sumažinimas pagerina energijos efektyvumą, tačiau taip pat gali sulėtinti veikimo greitį.Taigi energijos taupymo subalansavimas su našumu atliekant kruopštų sistemos testavimą ir pakartojimo patobulinimus tampa svarbiausia.Be to, pritaikant adaptyviosios įtampos mastelio keitimo technologijas, sustiprina šiuos metodus, pritaikant realaus pasaulio sąlygas.Ši visa apimanti strategija pabrėžia adaptacijos svarbą optimizuojant elektronines sistemas, pabrėžiant, kad efektyvumo radimas yra sudėtingas teorinės įžvalgos ir praktinio pritaikymo susiliejimas.Kadangi kelias į efektyvumą naršomas, galima pajusti, kad sudėtingumas atspindi subtilų šokį tarp technologijos ir gamtos pagrindinių ritmų.

Tranzistoriaus kaupimo įtaka

Atidengdamas krovimo reiškinį

Tranzistorių sukravimo požiūris efektyviai sumažina potraukio nutekėjimą tranzistorių serijoje.Ši koncepcija tampa labiau intriguojanti, kai keli tranzistoriai yra išjungti vienu metu, patraukdami mūsų dėmesį ir įtikinant tolesnius tyrinėjimus.

Suprasti mechanizmą ir jo poveikį

Sukrovimo įtaka atsiranda dėl teigiamos įtampos tarpiniame mazge, kuris riboja srovės srautą ir padidina slenksčio įtampą dėl susidarančios neigiamos didelio didelio iki šaltinio įtampos.Įspūdinga pastebėti, kad pridedant daugiau tranzistorių prie krūvos dar labiau padidėja nuotėkio sumažinimas.Mažos galios dizaino kontekste ši konfigūracija yra neįkainojama, ypač kai vykdomas energijos vartojimo efektyvumas kartu, išlaikant tvirtą našumą.

Praktinis įgyvendinimas realaus pasaulio scenarijuose

Inžineriniai sprendimai dažnai panaudoja sukravimo efektą projektuojant grandines su tranzistoriais nuosekliai, visapusiškai pasinaudojant jo pranašumais sumažinant nuotėkį.Tai ypač naudinga tokiose srityse kaip nešiojama elektronika ir nuotolinio jutikliai.Šiose srityse baterijos veikimo laikas ir užtikrinimas, kad įrenginio patikimumas būtų vertinamas dideliu vertinimu dėl didelio poveikio vartotojo pasitenkinimui.

5 paveikslas. Du NMOS ne tranzistoriaus kaminas

Vartų oksido storio reguliavimas

Mastelio tikslai ir iššūkiai

Sumažinus vartų oksido storio, yra užduotis, kurią motyvuoja siekis sustiprinti esamą pavaros galimybes, tuo pačiu sumažinant tiekimo įtampą.Be to, šia strategija siekiama sušvelninti trumpojo kanalo efektus, įskaitant kanalizacijos sukeltą barjerą, kuris gali subtiliai paveikti įrenginio elgesį ir našumą.

Mastelio poveikis

Kai oksido sluoksnis tampa plonesnis, per jį atsiranda patobulintas elektrinis laukas.Šis sustiprintas laukas kartu su sumažėjusiu oksido storiu gali sukelti vartų tuneliavimo nuotėkio srovę, kuri gali judėti dviNusausinkite persidengimo regioną prie vartų.

Vaizdinis vaizdavimas

Žemiau esanti diagrama iliustruoja vartų oksido nuotėkio srovės kelius, parodant jo srautą iš vartų į kanalą ir šaltinio ar nutekėjimo sutapimo plotą (a) ir jo judėjimą nuo šaltinio ar nutekėjimo sutapimo srities į B) vartus.

6 paveikslas. Vartų oksido nuotėkio srovė iš vartų iki kanalo ir šaltinio ar nutekėjimo sutapimo srities (A) ir ROM šaltinio arba nutekėjimo sutapimo srityje iki vartų (B)

Tyrinėti aukštą k dielektriką, kad padidintumėte tranzistoriaus našumą

Nuotėkio srovė sumažėja pakeičiant SiO2 su dielektriniais alternatyviais vartais, kritiniu inovacijų žingsniu.Įtemptas SI pasiekiamas sudėtingu metu aktyviai pabrėžiant silicio grotelę.Šis padermė žymiai sustiprina tranzistoriaus efektyvumą, padidindamas kanalo mobilumą, pasiekiamas sumažinant elektronų NMOS svorio ir intervalų dispersijos greitį.Tuo pačiu metu jis padidina skylių PMOS svorio ir juostos dispersijos greitį.Tokie pažanga uždega susidomėjimą dėl jų įtakos gerinant įrenginio funkciją.

7 paveikslas: parodytas įprasto silicio ir įtempto silicio palyginimas.

Kūno šališkumas

Elektronikos srityje nuotėkio srovės valdymas yra užduotis, kuriai reikia niuansuotų supratimo apie subtilias jėgas, žaidžiančias tranzistoriuose.Tai sudėtingas šokis, šis atvirkštinio kūno paklaidos (RBB) taikymo veiksmas, pakeičiantis ramaus, tačiau sudėtingo budėjimo režimo kraštovaizdžio keitimą.Ši praktika puoselėja komponentų harmoniją, optimizuodama jų slenkstinę įtampą ir šnabždantis efektyvumo pažadus.

Atvirkštinis kūno paklaida, apimanti integruotų grandinių (ICS) dizainą, yra ieškoma dėl savo galios mažinančių galimybių.Taikant šį metodą, sąmoningai pasirenkama naudoti didelę neigiamą įtampą per krūvio siurblį NMOS kiekiui.Tuo pačiu metu „PMOS“ ir n šulinys suranda ryšį su VDD geležinkeliu - tiltu, užtikrinančiu atitikimą norimai elektrinei būsenai.Čia kiekvienas pasirinkimas atspindi gilesnę strategiją, kuri, atsižvelgiant į dažnai nemandagų energijos šokį, yra vienas.

Laikrodžio paskirstymas

Vielos padidėjimas kartu su padidėjusiu talpos teritorijos teritorijos padidėjimu, sustiprina iššūkius, susijusius su laikrodžio latenimu ir laikrodžio tinklų padidėjimu.Tai dar labiau apsunkina gamybos procesų, temperatūros svyravimų ir įtampos pokyčių pokyčiai, dėl kurių jis yra gana sudėtingas efektyviai valdyti pasvirusį ir driešimą.

Apsvarstykite, pavyzdžiui, kai laikrodis rodo keturių ciklo latencijas su 10% vėlavimo kitimu, jis sukelia iškrypimą ir neryžtingumą sudaro 40% laikrodžio ciklo laiko.Dėl maitinimo šaltinio triukšmo sukeltas kintamumas gali paveikti skirtingas lusto sritis.

Yra keturi aptarti laikrodžio paskirstymo metodai:

- rezonansinis laikrodžio pasiskirstymas: Šis metodas pateikia alternatyvų metodą, potencialiai mažinantį laiko nepatikimumą ir sumažinant energijos suvartojimą.

-Nuolatinio bangų laikrodžio paskirstymas: įgyvendintas tiek lentos, tiek lustų lygiuose, šis dizainas pasiekia žemą ir žemą džiaugsmą, o taupo galią dėl rezonanso tarp laikrodžio talpos ir vielos induktyvumo.

- Kelionės bangų laikrodžio paskirstymas: Naudojant sujungtų perdavimo linijų žiedus, ši strategija sukuria laikrodį su minimaliu iškreipimu ir virpėjimu, taip pat pasinaudojant „Resonance“ teikiama galios nauda.

- rezonansinis apkrovos globalus laikrodžio pasiskirstymas: Ši technika apima nuoseklios laikrodžio bangos formos fazės ir amplitudės kūrimą, padidinant tinklelį induktoriais, rezonuojančiais laikrodžio apkrovos talpa.Sumažėjęs trūkumų ir energijos suvartojimo sumažėjimas pasiekiamas sumažinant laikrodžių buferių, sukeliančių rezonansinę apkrovą, stiprumą.