FinFET比例达到热极限

在1974年,罗伯特·h·Dennard是一个IBM的研究员。他介绍了mosfet的想法将继续作为压控开关与收缩功能,提供掺杂水平,芯片的几何形状和电压缩放以及那些规模减少。这被称为Dennard定律虽然,摩尔定律一样,这是一项法律。

他的想法有两个问题。首先,它完全忽略了泄漏电流。第一的几十年里,这不是一个严重的问题因为泄漏继续小相对于开关电源。今天,泄漏可以主宰总功率,除非重要电源管理内置逻辑不被使用的设备。

第二个问题是由于试图控制第一。为了减少电压,更薄的闸极介电层是必需的,但泄漏要求相反。进步如high-k电介质材料的引入帮助但是没有启用观察的延续。

的一个重要方面Dennard定律的电力消耗吗晶体管按比例缩小,这是必要的,因为设备大小也相差无几。这意味着功率密度保持不变,因此加热并不是一个主要问题。

所有这一切在2005年开始成为一个问题当阈值电压开始变平,功率密度也开始增加。现在这个行业已经担心泄漏控制的权力,和活动来控制热。这两个都是紧密耦合等消极的方式,增加热量导致泄漏增加,产生热量。

表1。来源:“与设计约束扩展:预测未来的大芯片”

直到现在,这个问题解决了通过添加多个核心,任务可以移动芯片的寒冷地区,但我们可能接近的点这将不起作用。

一些业内人士开始意识到这个问题。一篇论文的IBM和弗吉尼亚大学的国家”,而增加并行性,而不是频率power-friendly方法性能增长,严格要求从芯片功率仍然部队处理器供应商保持芯片功率以恒定的热设计电力(TDP)为了降低冷却成本。”

IBM表示,到目前为止,问题已经处理通过增加模具的大小。但公司质疑这是“可持续的方法来实现预期的性能增长能力约束下,当替代方法可能是必要的。”

结论:“控制芯片面积和多核的趋势都无法控制芯片电源本身寻求2 x芯片性能增长时每个节点技术。如果曾经有一段时间对新建筑的创新提高芯片效率在恒功率(性能),现在。”

的引入finFET对漏电流有显著影响,从而减少总能耗,但finFET获得行业重回正轨Dennard定律?如果功率密度持续增加,它意味着当设备变得越来越小,单位面积上的总功率消耗将增加。在某种程度上,没有更多的活动将是可能的。

22纳米finFet优势32 nm平面(来源:英特尔、波尔& Mistry)

到目前为止,英特尔是唯一一家两代人的记录finFET的设备。与第一代公司在平面显示功率密度的增加,尽管每晶体管功率下降。

在2014年末,英特尔宣布14 nm第二代过程。它设法达到0.7密度减少,减少还声称一个平等权力。密度和功率降低的改进来自一个重新设计的鳍结构和鳍/晶体管的数量的减少。英特尔还认为,比例将持续到10纳米,但在这一点上似乎没有提到什么力量减少每个晶体管可以预期。

前方的道路
从finFET路线图可以预期什么?“新技术给我少泄漏,更快的延迟和较小的密度,“说Vassilios Gerousis,杰出的工程师节奏。“这是路线图。真正的问题是有多少,你会得到理想的?肯定有漏改善,人们正试图添加新材料或添加特殊过程,如压力来提高性能,以及使用不同的材料来帮助泄漏和性能”。

但技术继续对这些改进工作。“限制供应电压阈值电压和转下来,泄漏上升,最终我们在一个糟糕的地方,”说,首席技术官超音速。“finFET的变化是他们有更好的控制通道能够实现低阈值电压与泄漏少。几乎没有一个数量级减少泄漏的名义gate-sized晶体管在给定的阈值电压。小盖茨,泄漏开始再次回升,这是一个一次性的收获。我们已经搬到一个不同的曲线,但曲线仍有相同的形状。摩尔定律的其他试图推动向10和7海里,我们回来的厚。”

有额外的因素也开始担心。“当我们从10 - 7海里有额外热副作用,”说,副总裁和高级产品策略师有限元分析软件。“finFET结构是低效率在散热方面,和更容易积累热量的手指。这是比平面架构。”

张还指出另一个新因素。“电线也有双重加热效果。热诱导的电线,电线之间的热耦合。如果许多电线和彼此挨得很近,他们都携带大量的电流,他们会互相影响。这热的问题越来越严重。”

Wingard看到额外的问题。“相同的电路复杂性中实现一个更小的几何、电容变小,因为事情变得之间的距离近了。但这一优势在很大程度上已经消失了,因为如此多的电容术语是由边墙组件而不是区域的组件。这意味着我们不再有这个比例从收缩过程中受益。我们曾经得到一个平方的关系因为导体的长度和宽度下降,所以线性下降了的平方的面积缩小。现在只有长度下降。”

设计热
行业不得不处理设计测试,设计制造、设计能力和现在可以添加一个新的列表:热设计。“这可能会导致一个新类的设计规则,”Chang说。“可能说你不能用如此高的包晶体管密度在某些地区,或你的频率不能太高,和晶体管无法投入与高功率运行如此靠近的。”

但我们不能直接测量热。“首先你运行功能,从那可以计算的力量,从权力你可以热,使判断如果温度增加是可以忍受的,”张解释道。

行业仍然能拥抱实力分析。”公司正艰难应对如何把大量的数据产生在RTL和注入,权力评估工具,可以用它做一些有意义的事情,”克里希纳Balachandran说,低功率产品管理主管解决方案在节奏。“有生理效应考虑,如时钟,是很重要的,即使在早期阶段。你需要得到一个好的估计的力量。”

Balachandran说需要一个收敛估计和热。“你可以装更多的核心芯片,但您将无法使用所有的因为你有一个热的问题。必须预先了解和计划,以便优化可以把芯片上的核心数量而不是增加核的希望获取必需的吞吐量和性能,这可能不会实现,如果你不得不节流下来。电能和热能流将变得更加紧密和主流和更深层次的节点更重要。”

同时详细分析热是必需的,其他人正在进行架构更改,。“每次它变得有点困难,它驱使你去做分析的设计,因为你容忍的程度一个惊喜或者意外的大小增长,“Wingard说。“变得重要的是能够模型事物的意义,它驱使你向需要动态控制电源和电源管理的体系结构的发展阶段不可分割的一部分。”

Wingard声称拥有软件控制能力可能不是最好的方法。“现代操作系统倾向于做一个好工作在理解中央处理器子系统的吞吐量需求但不擅长电台译码器或一个I / O子系统。设备驱动程序的操作系统让它找出从电源管理的角度。这些司机通常没有必要的上下文信息来做出正确的选择。我们认为情报必须搬到硬件,我们有一个当事情已经闲置的早期迹象,如果我们让权力转换的硬件,我们能做的如此之快,我们甚至不需要告诉的软件,只要我们可以推动恢复所需时间和冲击响应目标应用程序。”

长期影响
但是哪里有热,可能会有火。在这种情况下,它被称为压力。“热诱导应力是一个新问题,以前只是分析设备利用TCAD工具,”Chang说。“现在的问题是加上设计因为热温度是电力依赖、根据不同功能模式你操作。”

常解释说,当电线薄窄,电流密度的增加,这意味着更多的压力比前一代的过程。“电力、热力和新兴市场都是耦合的,他们都影响压力和可靠性,”Chang说。

市场的影响
热与每一个新的节点,增加了额外的难度和成本,有可能减少吞吐量和性能可以达到增加。“人们构建高性能计算元素显然将新节点,“Wingard说。“他们会增加性能和较低的密度,因为他们可以得到的东西靠近延迟,二阶效应对性能。”

但是其他行业呢?“成本参数只如果你得到一个地区储蓄,“继续Wingard。“如果您正在执行的函数是pad-limited ?如果垫环定义你的区域,缩小可能不会拯救你任何东西。”

事实上很可能决定可能以市场为导向的。“有些公司大胆地设计接近阈值或亚阈值电压,“Balachandran说。“我希望看到更多的发生在较低的流程节点,尽管变化的挑战。亚阈值可以帮你节省50或100 x,但你放弃了很多速度。这并不适用于所有类型的应用程序,特别是高性能应用程序,但有一个类的应用程序,它是有意义的,特别是在物联网。在这里,有很多模拟交互和处理速度不需要很高,你不想改变电池的10年或20年了。根据这些需求,亚阈值技术将发挥至关重要的作用。”

另一个重要的市场是汽车。“汽车,如果他们想在finFET运行,处理供应商将不得不调整他们的过程,使之更可靠,以便它可以存活10到20年,“常指出。“他们正在和渴望是合格的汽车行业。这是芯片的需求增长最快的地区之一。这几乎肯定会影响密度。”

Wingard指向另一个设计更改,可能是必要的。“如果我在cost-constrained世界,也许我应该看把稳压器芯片上,这样我就可以产生足够的不同供应保持控制它而不是让一个外部电源管理芯片,给我两个或三个或四个供应电压。”

结论
还为时过早与finFETs功率密度会发生什么,但初始数据表明,它将上升,并开始限制活动的总量,可以发生在芯片上。这将会改变的唯一方法就是如果芯片本身的热时间常数可以改变,如通过添加材料,更快地降温。热将成为新的限制因素和热分析仍处于起步阶段。这意味着它可能是早期的芯片可能面临意想不到的挑战,和一些可能无法操作在指定的水平。

简而言之,我们不再流血的边缘的设计。我们已经搬到燃烧的边缘。

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