目前,制造先進芯片離不開晶體管,其核心在于垂直型柵極硅,原理是當設備開關開啟時,電流就會通過該部位,然后讓晶體管運轉起來。但業界的共識認為,這種設計不可能永遠用下去,一招包打天下,總會到了終結的那天。IBM 就開始著手探索新的設計,并把它命名為 Nanosheets,可能會在未來幾年投入使用。而高通則似乎有著不同的想法。
聯合芯片制造行業的大佬 Applied Meterials、Synopsys,高通針對5種下一代技術的設計候選方案進行了模擬與分析,探討的核心問題是,獨立晶體管和完整的邏輯門(包含獨立晶體管在內)的性能表現有何不同。
結果發現,最后的“贏家”并非這5個候選方案中的任何一個,而是一款由高通工程師新設計的方案,叫做 NanoRings。
“設備工程師或工藝工程師,只是對某些非常有限的特征進行了優化”,高通公司首席工程師 S.C.Song 解釋說。舉例而言,在設備這一維度上,重點在于晶體管的柵極能很好地控制電流通過它的通道。然而,當轉變成完整的邏輯門而不是單個的晶體管時,其他方面變得更加重要。值得一提的是,Song 和他的團隊發現,設備的寄生電容——在轉換過程中由于存在非預期的電容器結構而丟失——是真正的問題。
這就是為什么高通團隊選擇他們的納米設計,而不是 IBM 的 Nanosheets。記者了解到,高通將之稱為 Nanoslabs。從側面看, Nanoslabs 看起來像一堆兩到三個長方形的硅板,每個平板被一個高k介電和一個金屬柵極包圍,柵極電壓在硅中產生電場,從而使電流流過。
用柵極電極完全包圍著每個硅板,可以很好地控制電流的流動,但同時也引入了寄生電容,因為硅、絕緣子、金屬、絕緣體、硅片之間的結構基本上是一對電容。 記者注意到,Nanorings 通過改變硅的形狀來解決這一問題,并且不完全填充金屬板之間的空隙。在氫中烘烤設備會使矩形板拉長為橢圓形。這樣就把它們之間的空間掐住了,所以只有高k介電完全包圍著它們。金屬門不能完全繞著,所以電容就少了。然而,門的電場強度仍然足以抑制電流的流動。
高通公司工藝技術團隊的副總裁 Chidi Chidambaram 表示,如果要把制程工藝降至7納米及以下,電容縮放是最具挑戰性的問題。盡管在這一模擬中取得了明顯的勝利,但在未來的芯片中,晶體管的問題還遠未解決。Song 和他的合作者計劃用納米材料繼續測試電路和設備,他們還計劃模擬更復雜的電路、系統,直到做出一部完整的手機。
記者了解到,最后測試的結果或許是消費者最關心——如果智能手機在納米技術上運行,那么它將準確計算出智能手機在正常使用一天后的剩余電量。