moores lag – vid vägs ände efter 50 år?people.isy.liu.se/eks/ted/ted...
TRANSCRIPT
Mooreslag–vidvägsändeefter50år?Docentföreläsning2015-12-14
TedJohansson,EKS,ISY
Mooreslag–vidvägsändeefter50år?2
• Tedskort-CV• Mooreslag
• Dennard-skalning• Skalningbortom130nm:nyakoncept• Skalningbortom7nm:nyamaterialochkomponenter
• Mooreslagochradiokretsar• EffektförstärkarkonstruktioniskaladCMOSförradio• FinFETochradio
TedJohansson:kort-CV3
• 1985:M.Sc.(Y,LiU+RWTH,Germany)• 1985-1989:InstituteofMicroelectronics,Kista• 1989-2002:EricssonMicroelectronics,Kista• 1992-1998:IndustrialPhD(LiU)• 2002-2007:InfineonTechnologies,Kista• 2008-2011:HuaweiR&DCenter,Kista• Owncompany/consulting2008-• Adjunctprofessor(external,part-time):2009-
ResearchonPAdesigninCMOS PhDsupervision2015/VT1:undergraduatecourseTSEK03”RFIC” 2015/VT2:PhDcourse"State-of-the-artElectronDevices"2015/HT2:undergraduatecourseTSEK02”radioelectronics”
Metro2000-09-21
Metro2000-09-21
2015!35 nm!
Metro2000-09-21
Mooreslaghandlarinteomskalningutanomekonomi!7
G.E.Moore,Electronics1965
Moore1965:fördubblingvarjeår
65000transistorertioårsenare!
50transistorer!
9
Dennard-skalningavMOS-komponenter
Komponent/kretsparameter Skalfaktor*Komponentdimension/tjocklek 1/λDopkoncentration λStyroxidtjocklek 1/λSpänning 1/λStröm 1/λKapacitans 1/λFördröjningstid(1/hastighet) 1/λTransistoreffekt 1/λ2Energieffektivitet(”MIPS/W”) 1/λ3Effektdensitet 1
*förkonstantelektrisktfält
RobertDennard
Dennardetal.,JSSC,pp.256-268,Oct1974Dennard,SSCMag,pp.29-38,No.2,2015
Dennard&Moore1975-2000:Detvinnandelaget!10
Dennard-skalningnärtransistorernablirmindre:
• snabbarekomponenterochkretsar,
• lägretotaleffekt(konstanteffektdensitet),
• elektronikkangörasmindre,lättare,bättre.
Mooreslag:
• sammakostnadperytanärkomponenternakrymps,
• mertransistorerperchipochlägrekostnadpertransistor.
ProblemmedDennardskalningen11
• Matningsspänningenharinteskalatslikahårt,mersom1/√λ.• Matningsspänningenslutadeipraktikenskalasförtioårsedan.
• Termisktbrus(kT/q=25mVvidrumstemperatur)
• Subtröskelläckning(effektförbrukning,termiskaproblem)
ProblemmedDennardskalningen12
• Effektförbrukningenbegränsarmöjlighetentillskalningned/upp
• Ökadklockhastighetledertillökadeffektförbrukning
BortomDennard,2005-13
• Krympningidag:
• flertransistorer/chipellerlägrekostnad/funktion,
• tillverkningskostnadensammaperytenhet,
• ej(nödvändigtvis)högreprestandaperkomponent.
• Fokuspåprocessorermedmultiplakärnormenmedmindreeffektivskalning.
• Ingenytterligarehöjningavklockfrekvenser;runt4GHzärvadsomrealistisktkanklarasavpga.termiskabegränsningar.
• Konstruktionslösningarförattsparaström:dynamiskskalningavklockfrekvens,delaravchipstängsavnärdeintebehövs,”Darksilicon”(helachippetkaninteköraspåengångpga.termiskarestriktioner).
15Skalningförbi130nm:nyakoncept
90nm:mekaniskspänningikanalen(högremobilitet,men
olikateckenpåspänningbehövsförNMOSochPMOS).
16Skalningförbi130nm:nyakoncept
90nm:mekaniskspänningikanalen(högremobilitet,men
olikateckenpåspänningbehövsförNMOSochPMOS).
90nm:PD-SOI(minskadeomslagstidermotsvarandeen
processnodmendyraresubstrat).
17Skalningförbi130nm:nyakoncept
45nm:Materialmedhögredielektricitetstalbörjarersätta
SiO2somisolatoristyret(minskadeläckströmmar)
19Skalningförbi130nm:nyakoncept
28nm:FD-SOIFråndopningskontrolleradekomponentertillentunn
odopadkanalvarsegenskapergesavtjocklekarochbaksidesspänning
28nm:Metallstyre(mindretröskelspänningsvariationer)
20
22nm:Tri-GateellerFinFET
Firstdescription?Hisamotoetal.,TED1991
Intel22nmmedutvidgningarförSoCdesign(Janetal.,IEDM2012)
22
Intel2015:10nmförsenastill2017
• Intelharskjutitpåintroduktionenavnyaprocessoreri10nmtill2017.Manserinteökadprestanda.
• AndraföretaghardemonstreratFinFET:arvid10nmoch7nm,meninteiproduktion.
• FråganärfortfarandeöppenhurlångtnedidimensionerFinFET:enfungerarochnärmanbehöverersättadenmednyakoncept.
Nyakanalmaterialochkomponenter23
• Krav
• Skallpassaininuvarandefab-infrastruktur
• Arbetamedmindreän500mVmatning
• Hapotentialförfortsattprestandaökningar
• På”hetalistan”:
• Kolnanotrådar
• Grafén
• Spinnkomponenter
Kolnanotrådar24
• Demonstreratnedtill7nm
• Trosgåattskalanedtill1.8nm(IBM)
• CMOS-kompatibelt
• Bandgapberorbl.a.pådiameter
• Ingenkantspridning(kvasi-1Dmaterial)
• Kemisktinert
• Kanhanterahögaströmmar
• Godvärmeledare
• Lågomslagsenergiienomkopplare
Enkolnanotrådärväsentligenenrullegrafén
25
Kontakterochstyret:utmaningar!
35 nm! 2015!35 nm! (radio)
Metro2000-09-21
2015:Mooreslagfungerarfortfarande!28
1965:GordonMooreförutsägeratthansobservationkannoghållaitioår,till1975.
2015:GordonMooreförutsägeratthansobservationkannoghållaytterligaretioår,till2025!
29
AntaltransistorerperchipISSCC1970-2015:fördubblingpå1,5år
31
Mooreslagifleradimensioner
Mooreslagochradiokretskonstruktion32
• Processnodfördeflestaradiokretsar2015är32/28nmpåbulkellerFD-SOI.
• Processermeräntillräckligtsnabbaförtrådlöskommunikationuppto6GHz(mobil,trådlösanätverk,etc.),menävenför60och100+GHz.
• Kravpåhögintegrationgörattprocessermindrelämpadeförradio(förlitenprocessnod)ändåmåsteanvändas.
• UtmaningarmedradiokretskonstruktioniskaladCMOS:
• kortkanalsbeteende,
• parametervariationer,
• parasiter,
• 1/f-brus,
• begränsadematnings-ochgenombrottsspänningar.
EffektförstärkarkonstruktioniskaladCMOSförradio33
• LinjäraPA(klassA,AB,…)ärdevanligastförekommandeföreffektförstärkningavradiosignaler.
• Nackdel:2*matningenövertransistorn.
• Uteffekteröver30dBm(1W)intressanta.
• Höguteffektkannåsmedstorakomponenter(obs.impedansen)ochhögmatningsspänning.
LDMOS structure with no additional process steps or masks*
34
Hurhanterarvihögmatningsspänning?
Kretslösningar:staplingavkomponenter
Kaskodkopplingenvanligast:
Spänningendockintejämntdeladmellantransistorerna(förbättradevarianterfinns).
Komponentlösningar/nyastrukturer
UtformadiGlobalFoundrys65nmCMOS-process,avseddförWLAN.Skalbarttill45nmoch32nm.>[email protected].
T.Johanssonetal.,EuMIC2013
• Transistorswith2=5.6mmmountedonPCB
DifferentialPA,Vdd=3V,f=2412MHzP-1dB=32,5dBm(1,8W).ClassAB,efficiencyover50%forunmodulatedsignal.
WLANPA
36
Transistorstapling
C2, C3, C4 set Zs2, Zs3, Zs4
IpraktikenbegränsattillfyrastapladetransistorerChenetal.,JSSC2013
Last=4Ropt
Begränsningarförmaximalmatningsspänning37
• Konventionellbulk-CMOS:mångadiodgenombrotttillfickor(well)ochsubstrat.
• Skaladbulk-CMOS:genombrottnedmot4-5V.
• Stapladebulk-komponenter(PA):begränsadeavgenombrottetdrain-substratavkomponentenhögstuppistaplingen.
• MedSOI-komponentersåfinnsingagenombrottmotsubstratet.Möjligtattstaplakomponenterutanatttahänsyntillgenombrott.
38
28nmFD-SOI(UTBB)(STMicroelectronics)
Lg=24nm,Tox=1.8nm,Vsup=1.0Vultra-thinsilicon:7nmultra-thinburiedoxide:25nm
High-kdielectricMetal-gateelectrodeS/D:epitaxyraisedUndopedchannelBulk/SOIintegration
FörstapladPA-konstruktion:Lg=150nm,Tox=2.8nm,Vsup=1.8V(+10%)
3-stapladPAmedhöguteffekti28nmFD-SOI41
W = 6000 um (10 um * 10 * 60 cells) Vdd=3.0 V Class-AB f=1900 MHz Zin = 0.49 + j*7.1 Ω RL=7 Ohm C2=4 pF, C3=1 pF P-1dB= 28.9 dBm
3-stapladPAmedhöguteffekti28nmFD-SOI42
• MedAcreoNorrköping• Yta1.5x2.2mm• Kostnad45k€• Underutvärdering
PA1 PA2
DC test DC
testGSG calibration
43
T. Johansson and J. Fritzin, "A Review of Watt-level CMOS RF power amplifiers”, IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, Vol. 62, Issue 1, pp. 111-124, 2014.
UTBBbodybiasing:dynamiskändringavVT
44
• PAmedvalbarhögförstärkning/höglinjaritet
• 28nmFD-SOI(STM)
• DohertyPA@60GHz
• 1Vmatning
• Förstärkning:35/15dB
• Maxlinjäruteffekt:15/18.8dBm
• 21%verkningsgrad
Larieetal.,ISSCC2015
FinFETochradio45
• HarejhittatexempelilitteraturenpåradiokretsdemonstrationeriFinFET,förutomrunt45nm.
• Komponentsimuleringspapper• Parasiterkapacitanserviktiga!• ”similarcharacteristicsintermsof
transconductance,Earlyvoltage,voltagegain,self-heatingissuebutUTBBoutperformsFinFETintermsofcutofffrequenciesthankstotheirrelativelylowerfringingparasiticcapacitances.” (Raskin,”FinFETversusUTBBSOI-aRFperspective”,ESSDERC2015)
www.liu.se
Tackföreruppmärksamhetochtid!Frågor?