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摩尔定律还能走多远?(二)

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晶体管本质, 就是用"开"和"关"的状态,表示二进制里的 1 和 0.

集成电路里的所谓场效应管 (Field-Effect Transistor), 主要是三个部分: 源极 (Source), 栅极 (Gate) ,漏极 (Drain). 栅极本质上是一个电容, 对其施加电压时,栅极下面的沟道 (Channel) 联通源极和漏极,晶体管开启,代表"1"的状态. 电压取消时,电流降为零,晶体管关闭, 代表"0"的状态.

人们通常说的 CPU 的时钟频率, 就是晶体管开关的速度. 1 Ghz 就是 1秒钟内可以开关十亿次.

为什么人类的计算革命,选择了晶体管?

因为晶体管的持续小型化,使得单位生产成本的计算能力, 不断指数型的迅速增长.

与之相比,古老的算盘,算珠拨弄的速度 (类似晶体管开关的速度),和数据的容量,两千多年来没有实质的提高.

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随着晶体管不断小型化,各种漏电问题成为摩尔定律发展的重大障碍.漏电意味着能量消耗的大大增加, 芯片过热甚至失效.

一类比较典型的漏电是所谓的 "栅氧化层泄露" (Gate Oxide Leakage).

传统的场效应管的栅极 (Gate) 底下是一层二氧化硅 (Silicon Oxide) 的材料, 其厚度随着晶体管小型化也相应减少 (否则会影响栅极的电容和晶体管的性能). 当栅极长度缩减到 45 纳米量级时, 二氧化硅的有效厚度只有一纳米左右, 由于量子隧穿的效应,会导致栅极的严重漏电现象.

最终英特尔经过千万次实验后推出的解决方案, 是使用一种 "高介电常数" (high dielectric) 的材料, 以金属铪(Hafnium) 氧化物为基础的材料,取代二氧化硅, 其物理厚度没有减小, 但不会影响栅极的电容量.

2007年英特尔推出的 45纳米的芯片,栅极漏电比上一代技术减少了90%以上.

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另一类漏电,来自所谓的"短沟道效应" (Short Channel Effect)的问题.简言之,就是晶体管栅极长度不断缩小,晶体管导电的阈值电压不断下降,零电压时的还有微弱的电流经过.

这个问题的本质, 是在栅极很短的时候,漏极本身也成了一个电容,和栅极竞争了.栅极越小,在离栅极较远的地方,源极和漏极之间的漏电无法控制. 如下图.

1996 年, 当工业界还在生产250纳米的芯片时, 大众的观点是晶体管小型化到 100纳米以下几乎不可能. 但是美国国防先进研究项目总署 (DARPA)已经在思考小型化到 25 纳米时,短沟道效应导致的漏电挑战了.

加州大学伯克利分校的胡正明教授, 1997年获得 DARPA 资助, 提出了 FinFET 的设计概念. 其思路本质,是在三个侧面用栅极把晶体管包住,这样源极和漏极的任何通道,离栅极都不会太远,短沟道效应带来的漏电现象大大减弱.

这个设计,因为形状像鱼鳍 (Fin), 所以也被称为 FinFET. (FET 是"场效应管"的英文缩写)

十几年后, 在克服各种生产技术挑战后, 2011年英特尔在 22 纳米芯片中第一次使用了 FinFET 的技术. 这个技术被戈登*摩尔称为是"四十年来半导体行业中最激进的改动".

曾撰文提到的 Nvidia 2016年最新的 GPU? 它采用的是台积电最新的16纳米的FinFET 生产技术.

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如果以史为鉴,突破晶体管小型化的物理极限,并没有观察者现在那么悲观. 原来看似无法逾越的问题,换个不同的角度会有意向不到的解决方案.

摩尔定律最初说的是晶体管的密度.

密度增加, 意味着晶体管小型化, 意味着单位成本的集成电路,在能耗不变的情况下, 其计算能力会不断提高.

小型化只是表象,在生产成本和能耗不变的情况下,提高计算能力,才是摩尔定律的精髓. 按照这个思路, 推动摩尔定律前进的路径实际上还有很多.

(未完待续)

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