上周，IEDM 迎來了 70 周年。這為大家?guī)砹嗽S多特別慶?；顒?dòng)。其中一個(gè)活動(dòng)是周二下午英特爾的 Tahir Ghani（又名“晶體管先生”）發(fā)表的一篇特別邀請論文。Tahir 長期以來一直在推動(dòng)英特爾的創(chuàng)新。他見證了摩爾定律指數(shù)級(jí)增長的驚人影響，他的工作對該指數(shù)的增長產(chǎn)生了可衡量的影響。

Tahir 向觀眾生動(dòng)地介紹了我們?nèi)绾芜_(dá)到當(dāng)前的密度和縮放水平。普及的人工智能將要求大幅提高能源效率，Tahir 借此機(jī)會(huì)呼吁業(yè)界采取行動(dòng)，應(yīng)對這些挑戰(zhàn)和其他挑戰(zhàn)，因?yàn)槲覀冋f億晶體管系統(tǒng)級(jí)封裝邁進(jìn)。以下是英特爾先生在 IDEM 上受邀演講的一些評論，他介紹了令人難以置信的縮小晶體管 - 打破了感知障礙并向前邁進(jìn)。

Tahir 首先討論了即將出現(xiàn)的一個(gè)重大里程碑——到本世紀(jì)末，一個(gè)封裝內(nèi)將有 1 萬億個(gè)晶體管。他全面回顧了過去六十年推動(dòng)晶體管微縮的多次創(chuàng)新浪潮。本文上面的圖表展示了從片上系統(tǒng)到封裝系統(tǒng)微縮的歷程。然后，Tahir 介紹了這一歷程中的關(guān)鍵創(chuàng)新——過去、現(xiàn)在和未來。

摩爾定律的前四十年見證了晶體管數(shù)量的指數(shù)增長，并開啟了多個(gè)計(jì)算時(shí)代，從大型機(jī)開始，到個(gè)人電腦達(dá)到頂峰。在此期間，第二個(gè)效應(yīng)，即登納德縮放效應(yīng)，與摩爾定律一樣重要。

1974 年，羅伯特·H·丹納德 (Robert H. Dennard) 與他人合作撰寫了一篇如今已聲名遠(yuǎn)揚(yáng)的論文，論文刊登在 IEEE 固態(tài)電路雜志上。丹納德和他的同事觀察到，隨著晶體管尺寸的減小，其功率密度保持不變。這意味著，給定面積大小的芯片總功率在工藝的演化過程中始終保持不變?？紤]到摩爾定律預(yù)測的晶體管密度呈指數(shù)級(jí)增長，這一額外觀察結(jié)果為更快、更便宜、更低功耗的設(shè)備帶來了巨大希望。

Tahir 解釋說，摩爾定律和 Dennard 縮放定律的完美結(jié)合開創(chuàng)了他所謂的計(jì)算黃金時(shí)代。這一時(shí)代的到來得益于材料和工藝工程領(lǐng)域的眾多創(chuàng)新，其中最重要的是柵極介電厚度 (Tox) 的持續(xù)縮小和越來越淺的源極/漏極 (S/D) 擴(kuò)展的發(fā)展，這使得柵極長度從微米級(jí)縮小到納米級(jí)，同時(shí)降低了晶體管閾值電壓 (Vt)。

從我的角度來看，當(dāng)時(shí)半導(dǎo)體創(chuàng)新來自工藝團(tuán)隊(duì)。如果你能進(jìn)入下一個(gè)節(jié)點(diǎn)，你就會(huì)擁有更快、更小、更低功耗的產(chǎn)品，從而大賣。塔希爾解釋說，到 2005 年，功率密度挑戰(zhàn)和 Dennard 縮放定律的失效意味著是時(shí)候采用新方法了，這也將我們帶到了今天。

Tahir 解釋說，在過去 20 年中，技術(shù)人員已經(jīng)打破了晶體管微縮的多個(gè)看似無法逾越的障礙，包括尺寸微縮的已知限制、晶體管性能的限制以及 Vdd 降低的限制。這個(gè)時(shí)代標(biāo)志著移動(dòng)計(jì)算的出現(xiàn)，它將晶體管開發(fā)的重點(diǎn)從原始性能（頻率）轉(zhuǎn)移到在固定功率范圍內(nèi)最大化性能（每瓦性能）。

這個(gè)時(shí)代的材料和架構(gòu)創(chuàng)新很多都來自英特爾。事實(shí)上，塔希爾多年來一直致力于這項(xiàng)工作。這項(xiàng)工作加速了突破性想法從研究到開發(fā)再到大批量生產(chǎn)的進(jìn)程。塔希爾解釋說，這些創(chuàng)新開啟了晶體管技術(shù)在二十年內(nèi)取得驚人進(jìn)步的時(shí)代。他討論了這個(gè)時(shí)代的三項(xiàng)重要?jiǎng)?chuàng)新。

1、遷移率增強(qiáng)導(dǎo)致單軸應(yīng)變硅的出現(xiàn)。

2004年，英特爾在 90nm 節(jié)點(diǎn)上推出了一種新型晶體管結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)結(jié)合了壓縮應(yīng)變來增強(qiáng) PMOS 遷移率。英特爾的單軸應(yīng)變方法與研究界追求的雙軸應(yīng)變方法形成了鮮明對比，結(jié)果證明其在性能和可制造性方面更勝一籌。此外，這種架構(gòu)被證明具有可擴(kuò)展性，并且多年來逐漸實(shí)現(xiàn)了更高的應(yīng)變和性能。

2、Tox limit 限制導(dǎo)致采用高 K 電介質(zhì)和金屬柵極電極。

英特爾探索了多種方法來引入與金屬柵極電極相結(jié)合的高 K 柵極電介質(zhì)，包括“柵極優(yōu)先”、“替代柵極”甚至全硅化柵極電極。英特爾在 2007 年 45nm 節(jié)點(diǎn)采用的替代金屬柵極流程至今仍在所有先進(jìn)節(jié)點(diǎn)工藝中使用。

3、平面晶體管的限制導(dǎo)致了 FinFET 的出現(xiàn)。

經(jīng)過五十年的發(fā)展，平面晶體管的縮小最終失去了動(dòng)力，迫使人們轉(zhuǎn)向 3D FinFET 英特爾結(jié)構(gòu)。英特爾于 2011 年率先在 22nm 節(jié)點(diǎn)將 FinFET 投入生產(chǎn)。納米級(jí)鰭片寬度實(shí)現(xiàn)了卓越的短溝道效應(yīng)，因此在較低 Vdd 下實(shí)現(xiàn)了更高的性能。右圖展示了過去 15 年來鰭片輪廓的演變。鰭片的 3D 結(jié)構(gòu)導(dǎo)致給定占位面積內(nèi)有效晶體管寬度 (Zeff) 急劇增加，從而導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)電流大幅提升。

英特爾的鰭片輪廓改進(jìn)

Tahir 指出，摩爾定律的第七個(gè)十年恰逢又一個(gè)計(jì)算時(shí)代的到來。他指出，人工智能將重新定義計(jì)算，并且已經(jīng)導(dǎo)致支持硅片平臺(tái)從通用處理器 (CPU) 向領(lǐng)域?qū)Ｓ眉铀倨鳎℅PU 和 ASIC）發(fā)生重大轉(zhuǎn)變。

他接著說，計(jì)算平臺(tái)的這種轉(zhuǎn)變也與晶體管架構(gòu)的另一個(gè)轉(zhuǎn)折相吻合。通過將柵極完全包裹在通道周圍，全柵 (GAA) 晶體管有望取代 FinFET。GAA 晶體管在給定的占位面積內(nèi)提供增強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)電流和/或更低的電容、卓越的短通道效應(yīng)和更高的封裝密度。右圖顯示了 GAA 設(shè)備在硅中的樣子。

展望未來，他表示 GAA 架構(gòu)很可能會(huì)被堆疊式 GAA 架構(gòu)所取代，其中 N/P 晶體管相互堆疊，以創(chuàng)建更緊湊、單片式 3D 計(jì)算單元。展望未來，他解釋說，2D 過渡金屬硫族化物 (TMD) 薄膜正在被研究作為進(jìn)一步縮小 Leff 的通道材料，但仍有許多問題有待解決。

Tahir 以一個(gè)發(fā)人深省的觀察結(jié)束了他的演講——全球?qū)θ斯ぶ悄苡?jì)算的能源需求正在以不可持續(xù)的速度增長。過渡到基于芯片的系統(tǒng)級(jí)封裝 (SiP) 設(shè)計(jì)，采用 3D 堆疊芯片，每個(gè)封裝有數(shù)千億個(gè)晶體管，這將使散熱量超出當(dāng)前一流材料和架構(gòu)的極限。突破這一迫在眉睫的“能源墻”需要協(xié)調(diào)和集中研究，以降低晶體管的能耗并提高散熱能力。需要集中精力開發(fā)一種能夠在超低 Vdd（< 300mV）下工作的新型晶體管，以提高能源效率。

他接著指出，超低 Vdd 操作會(huì)導(dǎo)致性能大幅下降，對變化的敏感度也會(huì)增加，因此需要電路和系統(tǒng)解決方案對變化和噪聲具有更強(qiáng)的彈性。這表明，需要設(shè)備、電路和系統(tǒng)社區(qū)之間進(jìn)行強(qiáng)有力的合作，才能實(shí)現(xiàn)這一重要目標(biāo)。有很多方法可以解決這個(gè)問題。

Tahir 回顧了一些，包括隧道場效應(yīng)晶體管 (TFET)、負(fù)電容場效應(yīng)晶體管 (NC-FET) 和鐵電場效應(yīng)晶體管 (FE-FET)。所有這些都有重大障礙需要克服。需要探索新材料和新結(jié)構(gòu)。

環(huán)繞柵極 (GAA) 晶體管

Tahir Ghani 博士在這篇關(guān)于半導(dǎo)體規(guī)?；^去、現(xiàn)在和未來挑戰(zhàn)的精彩評論中涵蓋了很多內(nèi)容。結(jié)束這場討論的最佳方式是引用 Tahir 的一句勵(lì)志名言。

“在過去的每一個(gè)重大轉(zhuǎn)折點(diǎn)上，當(dāng)繼續(xù)縮小晶體管尺寸的挑戰(zhàn)看起來過于艱巨時(shí)，整個(gè)行業(yè)和學(xué)術(shù)界的技術(shù)人員都會(huì)開辟新的道路，使指數(shù)級(jí)進(jìn)步的弧線繼續(xù)不減。沒有理由相信這種趨勢不會(huì)持續(xù)到未來。底部仍有足夠的空間?！?/p>