台积电低功耗芯片蹊径图
（原标题：台积电低功耗芯片蹊径图）
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编者按
最近，先进材料畛域的好多协作家和研究东说念主员撰写一篇研究低功耗技艺发展得蹊径图。他们在低功耗计较这个大畛域握住鼓动和开展前沿研究。从基础科学和应用的角度来看，我所先容的内容都相应时东说念主振作，何况有可能澈底改变咱们的天下，尤其是从可握续发展的角度来看。要已毕这一后劲，需要在基础科学畛域以及将这些科学发现调动为骨子应用方面进行大都新的立异。
撰文者清楚，但愿这篇著述（以及这份蹊径图）将有助于鼓动广宽材料界开展更多的基础研究和调动研究。
小序
从广义的宏不雅系统角度动手商榷。微电子元件和系统是咱们社会日益增长的扶助。计较诱导一经浸透到咱们日常糊口的好多方面，举例，通过大都的消费电子系统，提供传感、驱动、通讯、信息处理和存储。扫数这些都配置在一个每年高达 5,700 亿好意思元的环球市集基础之上，而这个市集正以每年 15% 的速率稳步增长。一些新的环球气象的出现将极地面改变这一形式。领先是 “物联网”（IoT）3的见地，“物联网是由物理诱导、车辆、家用电器和其他物品组成的集聚，其中镶嵌了电子诱导、软件、传感器、推行器和招引功能，可将物理天下径直整合到基于计较机的系统中，从而提高效果，带来经济效益，并减少东说念主力销耗 ”。雷同，当代汽车也镶嵌了好多传感和通讯组件。举例，无东说念主驾驶汽车诚然仍处于起步阶段，但有可能在二十年后成为咱们糊口中的日常用品。
第二个主要气象是机器学习（ML）/东说念主工智能（AI）畛域，它正在科技界掀翻一场风暴。它诈欺大都的统计数据进行分析，反过来又为计较系统提供了 “学习 ”的才略，并在学习经过中把事情作念得更好，这少许与平时东说念主相差无几。诚然有多个科学学科在施展作用，但与咱们干系的是，微电子元件是这一畛域的关节基础。
咱们现在不错问这么一个问题：这些环球气象与微电子学，更紧要的是与新材料有什么关系？或者换一种说法，材料物理学能为行将到来的范式篡改作念些什么？从这个角度来看，咱们现在需要疑望一下五十多年来一直鼓动微电子畛域发展的基本技艺经济框架。这等于家喻户晓的 “摩尔定律”，它通过基于 CMOS 的晶体管的彭胀来支握微电子畛域（图 1）。空洞地说，该定律轨则晶体管的临界尺寸每 18-24 个月放松 50%。CMOS 晶体管在出生之初是 “宏不雅 ”的，临界尺寸远远卓越 1 μm。
1974 年，东说念主们建议了在恒定功率密度下放松这种晶体管的步履 ，并在随后的 30 多年中一直沿用。然则，咫尺这种所谓的 “戴纳缩放 ”已不再具有可握续性，而当代晶体管的临界尺寸正赶紧接近 10 纳米以下的标准，在这少许上，基础科学（即经典电子能源学）已不及以充分鸠合晶体管的运行，而日益复杂的制造问题也必须得到处置。在以前的 5-8 年中，越来越多的东说念主相识到，必须在计较能效方面奋发向上。
图1：摩尔定律的一种发达时势，导致芯片上的晶体管数目每 2 年翻一番。
在当代技艺大家必须处置的浩繁问题中，咱们在此强调的问题有可能从可握续发展的角度来看影响最大，即能源问题。在现在的 CMOS 晶体管中，每次逻辑运算所销耗的能量大要为 50-100 pJ/逻辑运算（珍藏，这个骨子数字可能会有争议，但销耗的能量仍然大要为 pJ/运算）。为了便于商榷，咱们假定这一数字不会很快发生变化，但与此同期，物联网和东说念主工智能/移动结尾对微电子元件的需乞降销耗将呈指数级增长。
因此，不错想象，到 2030 年，扫数微电子畛域的总能耗可能会增长到一次能源的 25%。咫尺，这一比例约为 5%-7%，因此并不值得高度热心，尤其是与建筑等畛域比较，这些畛域的能耗占总能耗的 38%，或与交通畛域比较，这些畛域的能耗占总能耗的 24%（此处提到的分数是好意思国的分数）。如果微电子销耗的能源占一次能源的 25%，那么它将成为环球能源销耗的一个紧要组成部分，因此也值得从能源效果的角度加以热心。因此，这三个环球气象，即物联网和东说念主工智能/移动结尾的出现以及摩尔定律的终结（包括微电子的尺寸为止和总能耗等方面），进而组成了咱们商榷的布景，咱们要问：咱们能用新材料物理学作念些什么？
图2：三种不厄运况下的微电子一次能源销耗量图。红色图为保管近况，红色下图为超越 CMOS @ 1 fJ/logic 操作。绿色图为超越 CMOS 的 1 aJ/逻辑运算。
CMOS 晶体管中电子电荷的微不雅步履受波尔兹曼散布的垄断图 3(a) 和 3(b)15。快速分析标明，电流随电压呈指数变化，其斜率为 60 mV/decade，称为 “波尔兹曼暴政 ”，因为波尔兹曼物理学是强加在骨子器件功能上的。在骨子晶体管中，这一电压斜率往往更大。这一基本步履是晶体管性能的中枢，包括晶体监责任经过中所需的电压和销耗的能量。比年来，东说念主们相识到需要处置玻尔兹曼僭主气象，因此需要新的材料和材料气象。
一种建议的途径是使用发达出金属到绝缘体篡改的材料，如干系电子系统中的材料。在盼望条目下，金属到绝缘体的篡改不错很是短暂。另一种关节的已毕步履主如果通过在波尔兹曼散布（图 3(c) 和 3(d)）中插入非凡的里面互相作用能量，将大都量子材料坚信为克服这一过失的可能候选材料。举例，这可能是铁磁体中的交换互相作用或铁电体中的偶极互相作用。在最肤浅的时势中，这种互相作用不错用哈密顿中的一个附加项来清楚，它代表了磁体的交换互相作用能，即 Eex = -J - S1 - S2，其中 J 是交换积分，S1 和 S2 是两个相邻的自旋（或者在铁电体中是相应的偶极能）。这个项等于玻尔兹曼散布函数的关节因素，它改变了能量散布。肤浅地说，交换能（或铁电中的偶极能）使自旋（或偶极子）集体对皆，而无需外部能量源。因此，如果能将自旋或自愿偶极子当作 CMOS 器件的主要阶次参数，而不单是是电子电荷，就不错诈欺这种里面集体阶次来降顽劣耗。
事实上，这恰是最近建议的两项建议的前提，其中商榷了一种可能的磁电自旋轨说念（MESO）耦合存储-逻辑器件的基容许趣。诚然这种诱导的好多部分都需要进一步细心研究和立异，但咱们将要点热心先进材料和电场限度磁性的一个方面。
图3：(a) Si-CMOS 沟说念清楚图，底部为 “玻尔兹曼暴君 ”方程。(b) 范例 CMOS 沟说念（绿色）与铁电栅极（红色）的 Id-Vg 图。(c) 加入自旋解放度（铁磁性）、冲破时刻回转对称性、冲破空间回转对称性（铁电性）、自愿应变（铁弹性）以及自愿冲破时刻和回转对称性（铁电性）的可能途径。
台积电的低功耗蹊径图念念考
1
概述
要已毕计较性能的可握续增长和信息技艺与通讯（ICT）产物功能的彭胀，就必须提高器件、系统、架构、算法和软件以及信息清楚和处理方面的基础技艺的能效。要放松现存硅纳米技艺与将来超大限度集成电路之间的差距，就必须在器件和互承接构方面进行立异，从而以更低的功耗已毕更高的集成密度、更高的性能和跨代的功能。如图 4 所示，计较才略的握续增长需要大幅提高能效，智力已毕可握续发展，该图改编自 SRC-SIA 的半导体十年筹算。提高知道才略是下一代东说念主工智能的关节；如图 5 所示，无论在哪个应用畛域，在斥责功耗的同期提高知道才略都至关紧要。要想已毕必要的能效，就必须在各个层面进行立异，从基本技艺结构和构件到系统架构和算法，包括新的信息清楚和处理时势。硅基 CMOS 技艺的研发责任握住提高能效、性能、密度、可靠性和资本的范例，探索性器件、互连和新式集成见地必须知足这些范例，智力产生有影响力的技艺价值。本节商榷新兴晶体管、存储器和互承接构。它强调了洞开的研究畛域、研究中必要的方针完好意思性以及干系的建模挑战，以坚信起先进技艺瞻望发展旅途除外的可行替代有筹画。
图4：要已毕计较才略的可握续增长，就必须握住进行技艺立异，以知足必要的能效要求。
图5：提妙手工智能才略，使其达到东说念主类知道水平，取决于信息清楚和处理以及半导体技艺方面的高能效立异。
2
晶体管
电源彭胀是提高各代产物能效的关节因素，电容则是另一个关节因素。如图 6 所示，给定速率想法的最好额定责任电压（最小值）左侧受漏功率为止，右侧受有功功率为止。如图 7 所示，为了在斥责功耗的同期保握或提高开关速率，需要传输性能昭彰优于硅的材料。锗等于这么一种候选材料，在处置诸如可靠和可彭胀的 CMOS 栅极电介质和 n 型掺杂等关节挑战方面的研究责任取得了紧要进展。与咫尺的鳍式场效应晶体管比较，叠层全栅极沟说念等晶体管结构将已毕更好的静电限度/更笔陡的次阈值斜率，从而权贵斥责最低责任电压，如图 8 所示。
图6：电源彭胀是已毕跨代功率彭胀和能效晋升的关节因素
图7：传输特色昭彰改善的沟说念材料是提高驱动强度和电路速率的关节，同期还能彭胀电源。
图8：堆叠式全栅极沟说念结构，使 VDD 彭胀才略卓越 Fin-FET 。
对过渡金属二钙钛矿 (TMD)、扶手石墨烯纳米带 (aGNR)4041 或半导体碳纳米管 (CNT)等低维材料的探索责任，旨在讲授它们在较低责任电压下具有比硅基起先进逻辑晶体管更高性能的后劲，以及它们的预期发展旅途；关节方针包括 CMOS 才略、单元面积驱动电流、离态走电、寄生电容减小和可靠性等。
器件级沟说念材料的合成赓续取得紧要的根人道进展。Wang 等东说念主通过铁催化 CVD 滋长碳纳米管，并通过电场息争半导体碳纳米管的成核能量（电再成核），为合成高纯度半导体碳纳米管阵列开辟了一条可行的说念路，如图 9 所示，该图改编自文件 。还需要进一步的责任来讲授高纯度阵列（金属 CNT 含量?1 ppm 的阵列），同期支握阵列内的高密度（5 nm 以下间距）半导体 CNT。与此同期，从单体先行者体从下到上合成石墨烯纳米带的 GNR 技艺也在握住越过，如参考文件所示，该技艺不仅展示了沿滋长想法均匀宽度的带状石墨烯，何况还讲授了不错产生纳米带异质结构的见地，如图 10 所示。从下到上合成 a-GNR 为获取具有原子级平滑旯旮的单分散带提供了途径，而这是支握基于 a-GNR 的逻辑晶体管的高性能后劲所必需的特色。尽管咫尺的步履足以考证单个晶体管级的传输特色，但仍需进一步开展基础研究，以握续分娩豪阔长的色带（>100 nm），防备色带旯旮过失，并构念念和考证色带在基底阵列中的司法抛弃和取向。
图9：通过引入电再成核见地，铁催化的碳纳米管化学气相千里积滋长在合成高纯度定向半导体碳纳米管阵列方面取得了紧要进展。
图10：从单体先行者体从下到上合成石墨烯纳米带，为探索其在逻辑高性能低压晶体管中的应用开辟了说念路。
低电阻触点关于施展基于这些新式沟说念材料的新式晶体管的性能后劲至关紧要。图 11 和图 12 折柳展示了迄今为止二维 TMD 和 CNT 沟说念战争的一些最好终结。低电阻触点（尤其是 n 型）以及在范例 CMOS 加工热预算和范例责任条目要求下的热结实性，仍然是这些和其他新式沟说念材料触点需要处置的杰出基础研究挑战。
图11：图表改编自参考文件。尽管有报说念称二维 TMD 沟说念的战争电阻有所改善，但结实且与 CMOS 兼容的低电阻战争仍有待充分考证。
图12：图表改编自参考文件。尽管有报说念称二维 TMD 沟说念的战争电阻有所改善，但结实且与 CMOS 兼容的低电阻战争仍有待充分考证。
器件级 CNT、a-GNR 或二维 TMD 沟说念材料名义的非响应性为止了相应栅极电介质或中间层的物理吸附的造成。这一工艺要求似乎是保握载流子传输特色的关节，这些特色使这些材料成为硅基沟说念除外的潜在替代品。以这种形式分娩的带有 ALD 层间电介质的顶栅 CNT 已讲授在栅极长度达到 15 nm 时能支握约 65 mV/dec 的致密次阈值斜率42。
尽管晶体管探索责任取得了进展，但要坚信硅基 CMOS 晶体管的果然平台可行替代品，仍然需要在晶体管关节方针方面开展全面的表面和实验基础责任。全面、具有预测性的基本传输模子仍是当务之急，这些模子好像真实地预测导通和非导通才略，包括热结实和机械结实的低电阻触点。此外，关节是通过多标准建模，裁减新材料合成和加工见地的基本筛选盘活时刻（TAT）。
3
存储器元件
图 13 露馅了计较系统中具有代表性的计较存储器档次结构。存储器档次结构中每一级的新兴存储器件都必须在关节方针上优于现存技艺，智力被视为有出路的替代品。这些关节方针包括密度、能效、速率、耐用性、保握性、环境鲁棒性、可控性以及当作资本/位代理的复杂性。自旋-轨说念力矩 MRAM（SOT-MRAM）具有豪阔快的写入速率和固有的耐用性，使其成为范例 6T-SRAM 存储单元的潜在替代品。图 14 所示的面内（磁化）Y 型 SOT-MRAM 单元诈欺磁精真金不怕火结栈的体式各向异性，在相对较低的写入电流下已毕无磁场写入操作。然则，Y 型 SOT-MRAM 单元尺寸的可彭胀性是一个基本挑战，主要与体式各向异性的要求研究。因此，积极的研究想法仍然是已毕垂直 SOT-MRAM 单元的无磁场和低写入电流操作，尽头是坚信和展示具有高自旋产生和自旋注入干系 MTJ 单元堆栈效果的材料，这关于已毕权贵低于起先进的高密度 SRAM 单元的写入电流，同期支握严格的写入造作率和磁抗扰度要求至关紧要。铁电存储器因其高密度和高能效后劲亦然积极研究的对象；如图 15 所示，最近有报说念称在鸠合和处置耐用性问题方面取得了进展。
图13：存储器档次结构和关节研究方针。
图14 ：SOT-MRAM Y 型和 Z 型单元可支握快速无磁场操作。低写入电流密度、磁抗扰度、写入速率和误码率仍具有挑战性。
图15：对高永远性铁电存储单元的基本相识和步履已取得进展。
新兴的存储器研究和开发需要握住提高建模才略，以便对想象空间进行准确、预测性和快速的 TAT 映射，包括工艺变异性、误码率、保握率和耐用性方针，这些方针与功耗-性能-面积（PPA）方针通盘，是在存储器档次结构中坚信替代存储器单元的关节。
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互承接构
通孔、通孔线接口和清楚的电阻是对先进节点中可已毕的芯片级性能和能效的握续挑战。如图 16（左图）所示，寻找能将电阻斥责 2 倍或更多的材料是一项紧要的技艺挑战，但一朝告捷，就有望在相应的肇端节点上已毕权贵的功耗性能上风。芯片间数据移动（如外部存储器和处理单元之间的数据移动）亦然晋升系统级性能和能效的一个紧要机遇畛域。如图 17 所示，可彭胀的三维互承接构可已毕越来越高的片内和跨片招引密度，将有助于更密集的 VLSI 系统支握极高的存储器带宽。
图 16：除了元素互连处置有筹画除外，咱们还在赓续寻找新材料，想法是将通孔和清楚电阻斥责 2 倍或更多，从而在开动节点上已毕权贵的芯片级功豪恣能上风。
图 17：三维芯片堆叠集成到 2D/2.5D 高档封装中，已毕了系统级性能、功耗、外形尺寸和功能的综合上风。
5
收尾语
性能、功能和密度握住提高的系统，需要从软件到工艺技艺进行越来越多的节能立异。探索性器件和互连技艺握住取得紧要进展。然则，要已毕见地考证，达到一整套关节方针，讲授自后劲卓越起先进的硅基演进途径，仍然存在挑战。为此，实验责任与执意的计较建模框架相得益彰，通过在干系想象空间映射全面的关节方针集，仍然是高效和有用的研究和寻路确当务之急。
图 18：MESO 逻辑有筹画：（左）单端67 和（右）差分70。
图 19：COMET 逻辑器件和非易失性触发器的有筹画。
图 20：AFSOR 逻辑器件有筹画。
图 21：SOTFET 逻辑器件清楚图。
图 22：ME 驱动的自旋波器件清楚图......
图 23：经 C. Pan 和 A. Naeemi 授权转载，IEEE J. Explor. Solid-State Comput. Devices Circuits 3, 101-110 (2017). 2017 IEEE 版权扫数。多样基于电荷和自旋器件的 32 位 ALU 的能量与蔓延。器件标签请参见谅始论文。红星清楚首选角。
图 24：基于 CMOS（蓝色）、TFET（红色）、FEFET（橙色）和 MESO（绿色）器件的 ALU 在一系列电压下单次运行的能量与蔓延基准（标注在相应点的支配）。
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