Проблема мощности КМОП

Лекция 12 Приборы с резким переключением

Уменьшение мощности КМОП с помощью приборов резкого переключения

Проблема мощности КМОП

Снижение мощности с помощью приборов резкого переключения

Приборы крутого нарастания

Туннельные полевые транзисторы (ТFETs)

Полевой транзистор с ударной ионизацией ( Impact Ionization MOS ( I - MOS ))

Электро-механические полевые транзисторы

Пьезоэлектрический транзистор

Сегнетоэлектрические полевые транзисторы

Полевые транзисторы с обратной связью

Сравнение приборов резкого переключения

Уменьшение мощности КМОП с помощью приборов резкого переключения

Проблема мощности КМОП

Следуя закону Мура, масштабирование ИС происходит с неустанным успехом уже более полувека. Однако масштабирование сопровождается огромным увеличением плотности мощности ИС (мощность на единицу площади чипа). Исторические данные показывают, что плотность мощности микропроцессоров (CPU) от Intel увеличилась почти экспоненциально от примерно 2 Вт/см² в i386 с технологической нормой 1,5 мкм, до почти 100Вт/см² в Pentium IV с нормой 0,13мкм, как показано на рисунке 1.1. Если следовать тем же трендом, можно предсказать, что плотность мощности ЦП на основе КМОП может достигнуть плотности энергия ядерного реактора, потом ракетного сопла. Статья в журнале Forbes в 1999 году сообщила, что на электронную связь и обработку информации приходится 10% потребления электроэнергии в США. Это огромное потребление энергии чипами ИС называют энергетическим кризисом КМОП.

Рис.1.1 Рост плотности мощности микропроцессоров Intel c уменьшением технологической нормы

Рис.1.2 Переключение КМОП инвертора.

Для снижения плотности мощности КМОП необходимо знать, чем вызвано резкое увеличение плотности мощности на чипе КМОП при масштабировании технологии. Фактически, энергетический кризис КМОП – это результат непрерывного сокращения размеров МОПТ. В качестве примера возьмем инвертор КМОП на рисунке 1.2. Рассмотрим, как потребление мощности зависит от размера транзисторов, рабочего напряжения и частоты.

В исходном состоянии входное напряжение , рМОПТ закрыт, пМОПТ открыт, и напряжение на емкости нагрузки . При падении напряжения на входе от V_dd
до 0 рМОПТ открывается, и емкость нагрузки C заряжается током от источника питания V_dd. Потенциальная энергия, накопленная в емкости нагрузки, вычисляется в виде интеграла

.                 (1.1)

Энергия, теряемая на сопротивлении открытого рMOПТ, пропорциональна падению напряжения на нем, то есть разности потенциалов между его стоком и истоком, . Тогда энергия, перешедшая в тепло при повышении потенциала на емкости нагрузки от 0 до V_dd , равна

.                 (1.2)

При последующем нарастании напряжения на входе энергия, запасенная в емкости E_load, аналогично теряется на сопротивлении открытого пMOПТ. Таким образом, общее потребление энергии за период переключения . Если переключение происходит с частотой f, то потребляемая мощность, которая определяется как динамическая мощность, составляет .

В стационарном состоянии ток утечки I_leak от источника питания к земле приводит к второй компоненте потребляемой мощности P_leak = I_leakV_dd, которая определяется как статическая мощность, или мощность утечки. Суммарная потребляемая мощность инвертора тогда составляет

                                                                                    (1.3)

Рассмотрим, как изменяется формула (1.3), при масштабировании, то есть с меньшим размером транзистора ( ),  - коэффициент масштабирования. При масштабировании с постоянным электрическим полем (см. семинар 3) изменение мощности КМОП-чипа происходит по закону ( ), тактовая частота изменяется как ( ), подзатворная емкость как ( ), рабочее напряжение как
( ):

                                         

или

                                                                           (1.4)

Сравнивая (1.3) и (1.4), мы видим, что динамический степенной член сохраняется постоянным. Однако на практике масштабирование с постоянным полем не выполняется, и рабочее напряжение масштабируется меньше, чем размер прибора, поэтому динамическая мощность увеличивается. В то же время статическая мощность растет из-за увеличения подпорогового тока утечки , который экспоненциально возрастает с масштабированием порогового напряжения V _th.

       На рисунке 1.3 показано масштабирование напряжения питания, порогового напряжения и так называемого овердрайва (превышение напряжения питания над пороговым напряжением) в нескольких поколениях КМОП-технологий. Из рис. 1.3 видно, что масштабирование напряжения питания V_dd практически прекратилось после достижения 1,0В при технологической норме 0,13 мкм.

Рис.1.3 Масштабирование напряжения питания и порогового напряжения по технологическим поколениям

 

Рис.1.4 Динамическая и статическая мощности КМОП при масштабировании.

Таким образом, из-за отклонений от масштабирования с постоянным полем как динамическая мощность, так и мощность утечки увеличиваются. На рис. 1.4 приведены изменения динамической и статической мощности в соответствии с масштабированием, что фактически объясняет тренд роста плотности мощности на рисунке 1.1.

 

 

 

      

Рис.1.5 Проходная ВАХ традиционного МОПТ.

На рисунке 1.5 показана проходная ВАХ традиционного МОПТ. Подпороговая и надпороговая области разделяются пороговым напряжением V_{t h} . Вместо идеального включения (скачком) в подпороговой области ток транзистора постепенно растет с увеличением напряжения затвора. Крутизна проходной ВАХ в подпороговой области  определяется подпороговым размахом S (напряжение затвора, необходимое для изменения тока транзистора на порядок величины):

 Предполагая, что пороговый ток равен I_th (ток при нулевом напряжении затвора), ток в закрытом состоянии, который является именно током утечки I_leak в уравнении (1.3), равен:

                                                 (1.5)           Чтобы контролировать ток утечки в уравнении (1.3), пороговое напряжение V_th нельзя уменьшать слишком агрессивно, если S фиксирован. На практике при масштабировании S фактически увеличивался для нескольких поколений технологий, а затем поддерживался около 100 мВ/дек в течение некоторого времени, как показано на рисунке 1.6. Требование ограничения тока утечки на определенном целевом уровне устанавливает ограничение для масштабирования V_th. Из уравнения (1.5) также очевидно, что при меньшем S можно использовать меньшее V_th для сохранения того же тока утечки I_leak. В современной технологии FinFET при 10нм норме S уменьшается до около 65мВ/дек при комнатной температуре. Это значительное снижение S позволяет дополнительно уменьшить пороговое напряжение.

Рис.1.6 Эволюция подпорогового размаха по поколениям КМОП технологии.

       В надпороговой области рабочий ток на рис. 1.5 равен

                              ,                                    (1.6)

где I₀ определяется материалами и структурой транзисторов. Рабочий ток  влияет на продолжительность зарядки/разрядки емкости на рисунке 1.2, следовательно, на быстродействие цепи. Частоту работы схемы можно определить как

                   .                         (1.7)

Чтобы увеличить частоту работы схемы (быстродействие), нужно увеличить либо первый, либо второй сомножитель в правой части уравнения (1.7). Очевидно, что увеличение V_dd при фиксированном V_th приводит к монотонному увеличению второго сомножителя. Однако требования к V_dd, предъявляемые мощностью и быстродействием, противоречат друг другу. Увеличение первого сомножителя в правой части уравнения (1.7) (уменьшение длины канала и увеличение подвижности) является одним из способов разрешить конфликт мощность-быстродействие. В то же время масштабирование V_dd должно контролироваться для обеспечения общей оптимизации характеристик прибора. Исторически V_th составляет примерно 1/3 от V_dd в оптимизированных кремниевых МОП-транзисторах для обеспечения как достаточного рабочего тока I_on, так и приемлемого тока утечки I_off . Конкурентные соображения о мощности утечки, динамической мощности и быстродействии прибора/схемы приводят в результате к масштабированию напряжения, представленному на рис. 1.3.

Из сказанного следует, что S следует масштабировать как можно более агрессивно, поскольку тогда малое V_th обеспечивает поддержание приемлемо малого тока утечки в (1.5) и высокое быстродействие за счет увеличения рабочего тока . Приборы, которые имеют малое S, обозначаются как приборы резкого переключения или крутого нарастания.