低温CMOS变冷

低温CMOS技术是一项新兴的技术，具有较高的性能和较低的功耗，且制造工艺没有任何变化。现在的问题是它是否可行并成为主流。

技术往往看起来就在地平线上，还没有完全实现，但也不会离我们太远。这通常是因为一些问题困扰着它，而动机又不够大，无法解决问题。如果找到了解决方案，可能来自另一个应用领域，它就会突然成为一种非常可行的技术。此外，从摩尔定律中获得可行的扩展越来越困难，对低温CMOS的兴趣开始上升，这可以从该技术的研究论文和资金的快速增长中看出。

圣母大学教授Suman Datta在DAC 2022上主持了一个小组会议，在那里他谈到了冷却CMOS的好处。“当晶体管从300开尔文冷却到77开尔文(-321°F/-196°C)时，晶体管几乎在所有方面都得到了改善(见图1)。泄漏下降，抑制斜率改善，迁移率增加，驱动电流增加。所以，真的没有负面的东西。”

图1所示。改进晶体管特性。资料来源:苏曼·达塔/圣母大学

Datta还指出了一些不太明显的好处，比如可靠性的提高，以及在电阻率降低而电容几乎没有变化的电线特性方面的类似好处。自20世纪80年代以来，所有这些都已为人所知，当时在液氮中冷却超级计算机被证明可以使其性能翻倍。最大的问题是，这些收益是否值得冷却的成本?达塔说:“冷却成本巨大，还有很多后勤问题。”

那么，为什么它受到越来越多的关注呢?简单的答案是，它的应用领域越来越多，包括量子计算。

第一个小组成员，来自IBM Research的Effendi Leobandung首先解释了Dennard的理论(见图2):“你可以将电压按某个因子缩放，称为‘a’，因为你用相同的因子缩放维度。这也降低了电容和晶体管扩散，所以你没有像以前一样多的短通道。然后你增加了掺杂剂这样到最后，你就能保持相同的功率密度。一切都很顺利，直到大约65nm。”

图2所示。Dennard的CMOS缩放理论。资料来源:Effendi Leobandung (IBM)

在这一点上，电压不能再缩放，因为阈值电压不能改变，它变得更加难以提高性能。“现在我们有一个短渠道的问题，”Leobandung说。“抑制斜率与温度(kT)成正比。当温度下降时，亚阈值下降。当它下降时，你可以降低电压，这样你就可以缩放栅极氧化物，然后缩放栅极长度。这使得先进技术可以继续扩展。”

这就是它变得更加技术性的地方，因为为了在低温下获得所需的特性，晶体管必须以不同的方式构建。Leobandung说:“首要要求是在室温下阈值电压必须为负。”“其中一种方法是添加更多的掺杂剂。而在先进器件如finfet或gate-全能器件中，基本不存在掺杂剂，对阈值电压的影响较小。还有其他的方法来修改阈值斜率涉及介电界面，这不是由温度调制。这是通过几何引起的变化。”

Leobandung接着谈到了finfet和全能门器件的一些发展，包括新材料。

英特尔高级设备工程师Ravi Pillarisetty谈到了一些正在进行的射频ic工作，其中pdk被修改以用于低温工作。一旦完成，芯片就可以为量子计算机中的量子比特提供控制和读取信号。他说:“我们正在努力降低冷却成本。”“在某种意义上，我们不必太在意冷却成本，因为这开启了一个全新的计算范式，解决了标准高性能计算无法解决的问题。但与此同时，我们在这些系统能够提供的原始冷却方面受到了限制。”

Pillarisetty提供了冷却成本的热力学分析，并表示虽然可以在小范围内构建相当高效的冷却系统，但当你考虑在数据中心中这样做时，问题就大得多了。英特尔计算出，为了实现收支平衡，设备需要在0.3V左右的电压下运行，但这样一来，新的问题就出现了。“你真的必须开始担心可变性、噪声裕度和净空等问题。变异会害死你吗?我们看到在低温下变异增加。并不是越来越好。基本上在我们所见过的每一个地方，情况都在变得更糟。”

这一路走来并不容易。Pillarisetty说:“随着我们开始扩大测试芯片的规模，只处理几百个这样的射频信号，这将成为一个非常复杂的EDA问题。”“事实上，我们扩大这些芯片的能力实际上是EDA有限的。EDA对CPU, GPU，标准数字设计的要求，和我们这里想要的非常不同。位置和路由需要工作在20 GHz的电路。我们还需要更新基于物理的模型，以了解设备元件的局部加热。”

接下来是Jamil Kawa，研究员和研发部门主管Synopsys对此。在过去的五年里，他一直致力于约瑟夫森结超导体电子的研究。“我一直在用7nm以下的CMOS技术进行低至77开尔文的硅物理测量，并得出了一些实用的结论。在77开尔文，液氮CMOS，从我们的TCAD重新设计的设备，有7X的功率优势在等频，或1.4倍的性能优势，与室温相比。如果你考虑冷却成本，你必须这样做，这个数字下降到4倍。最佳效率在100k到150k之间。”

为了获得所有的好处，Synopsys不得不重新设计设备，使同一技术节点的工作电压从0.8或0.9伏改为0.35至0.4伏。这些重新设计的设备不能在室温下工作，因为它们总是“开着”，而且非常漏。他们必须处理的另一个问题是，在200K以下，P器件变得比N器件强得多。这意味着需要重新设计单元库。

Kawa提供了一些图表，显示了当温度降低时可变性的影响(见图3)。他特别注意了非状态电流的可变性变化。在左下方，蓝色表示300k的泄漏，紫色表示77k的泄漏。

图3。温度变化对晶体管的影响。来源:Synopsys对此

Kawa谈到了测试芯片的结果，该芯片包含超Vt、标准Vt和低Vt器件，这些器件是专门为慢-慢和快-快弯道设计的。“在实际应用中，即使泄漏量的增加几乎是线性的，但性能仍然在200开尔文左右饱和。”

导言结束后，Datta问小组成员，我们是否应该将低温cmos视为一种性能助推器，还是一种新的计算范式的使能者?

Kawa声称对CMOS和基于约瑟夫森结的超导体技术有很大的偏见。“我们在Synopsys做了很多自动化工作，在那里我们能够验证我们的RTL-to-GDS流程，适用于具有6块内存的64位ARC处理器。它消耗的面积令人望而却步，使其无法生存。CMOS在密度方面远远领先于其他技术，而且还有几何缩放的空间。话虽如此，我坚信我们应该探索每一种可能的途径，特别是在量子计算应用方面。”

Leobandung认为，在短期内，不太可能考虑任何新技术。“我们的生计依赖于技术的规模化，”他说。“为了扩大市场规模，你需要有一个成功的流程，我没有看到任何其他设备可以在低温下运行。”

Pillarisetty有更长远的眼光。“我长期看好低温技术，主要着眼于CMOS以外的领域。我们将在两个领域都需要解决方案——一个是更传统的领域，但与此同时，我们已经在CMOS之外的领域工作了很长时间。没有比硅更好的了。我们需要不断寻找利用硅的新方法。但重要的是要真正理解变化问题。我们必须考虑生产技术中的帕累托变量。我们几乎必须做一个完整的过程运行，测量数百片晶圆的变化，才能真正看到所有的数据，看看发生了什么。这必须在硅技术中实现，并被充分理解。然后我们可以试着了解是什么增加了低温下的变化，并对此进行研究。”

许多新技术的出现是因为金钱的驱动。Datta询问该行业是否可以利用该技术，在性能水平上实现能量延迟产品的100倍改进。他认为这是一个改变游戏规则的水平。

Pillarisetty说，这将是一个非常艰难的目标。“在传统CMOS中，变化会对你不利。还有电磁效应。麦克斯韦方程中没有T。即使使用约瑟夫森结fet，或其他类型的新型超导类型的设备，它们仍然有一个Vt。仍然有一些阈值，仍然有变化。”

“我现在明白了吗?”达塔问。“你是说我不可能用传统的晶体管设备得到0.3伏特的低温cmos ?唯一能让能量延迟增加100倍的方法不是来自冷CMOS，而是来自一些外来的未知技术。”

Leobandung说，要实现这一目标，我们可能必须从不同的角度看待技术。“出现这种变化的一个可能原因是，技术没有针对变化进行优化。这是一种相对高压的技术。我在工厂工作了很长一段时间，有时我很惊讶我们能控制过去发生的事情。一旦发现了问题，就有可能控制你的面料。虽然我们可能无法做到这一点，但在某一点上，它可能已经足够好了。还有优化的空间。”

一位听众指出，虽然小组成员提到了晶体管级别的一些问题，但没有人评论开发流程的更高级别。他问“地点和路线”发生了什么，还有像“合成”这样的事情。

Kawa回应道:“当我们测试RTL到GDS的流程时，我们不需要对整个基础设施进行重大更改。“时间封闭性，时间驱动的地点和路线都具有挑战性。话虽如此，我还是直言不讳。如果你想在未来采用这样的技术并使其成为主流技术，你需要从头开始投资重新设计。你需要考虑到超导体的合成，而不是从现有的工具开始。”

Kawa解释说，虽然可能需要开发工具，但该行业仍然可以建立在35 - 40年CMOS经验的基础上，如果该行业转向一些外来技术，情况就不是这样了。他说:“如果你有一项基于多数逻辑的技术，你就不能使用一款针对CMOS逻辑(NAND, NOR)优化的引擎，并期望它为多数门提供最佳映射。”“正是在这些方面，引擎需要重新编写，致力于新技术。”

另一位观众质疑量子计算的方向是否会产生影响。

Pillarisetty说:“如果你考虑不同的量子位类型，无论是固态量子位，还是自旋量子位，还是基于量子点，甚至可能是光子集成电路，它们都将使用相同类型的CMOS控制芯片，并且它们必须在芯片上具有相同的射频工程和功率传输。”“如果你观察光子集成电路，它可以在更高的温度下工作，但还有其他问题。在离子阱系统中，一切都在室温下。”

最后一个问题回到了变异问题及其对记忆的影响。Pillarisetty说:“虽然25mV的晶体管看起来还可以，但当你用足够多的晶体管来做内存时，它就不能提供必要的西格玛。”“为了制造一个SRAM，我需要把它调到250mV到300mV，以满足噪声裕度。如果我要把电压调那么大，那就没有意义了。有没有更聪明的方法来做到这一点，在电路中保持相位一致性?这可能会让你绕过噪音边缘。你可能会问，这是量子计算吗?”

Kawa补充说，将DRAM冷却到40K以下有一些好处，因为较低的泄漏降低了刷新率。

结论
低温CMOS似乎仍在尖端。很明显，它可以提供巨大的利益，但要获得所有潜在的收益，还需要进一步的投资。到今天为止，没有人愿意成为领跑者。量子计算可能会导致更便宜的冷却，它可能会为低温cmos提供一个新的和独特的应用，可能会导致一些问题得到更好的理解，然后解决。但这一切都不会很快发生。