摩尔定律何去何从之三:Beyond CMOS

这是“摩尔定律何去何从”系列的最后一篇,接下来我们会推出摩尔定律系列的番外篇,详细介绍先进互联技术如何在半导体行业引发了一场“升维革命”,敬请关注!

在《摩尔定律何去何从之一》(公众号回复IC1可见)中我们讨论了目前摩尔定律在集成电路特征尺寸接近5nm时遇到的困境。在《摩尔定律何去何从之二》(公众号回复IC2可见)中,我们提到了业界和学界对于未来集成电路的长期演进有三种方案,即More Moore, More than Moore 以及Beyond CMOS。More Moore使用创新半导体制造工艺更激进地缩小数字集成电路的特征尺寸。More than Moore则在系统集成方式上创新,系统性能提升不再靠单纯的暴力晶体管特征尺寸缩小,而是更多地靠电路设计以及系统算法优化。而在这篇文章中我们将讨论Beyond CMOS方案,即使用CMOS以外的新器件提升集成电路性能。

Beyond CMOS的主要思路就是发明制造一种或几种“新型的开关”来处理信息,以此来继续CMOS未能完成之事。因此理想的这类器件需要具有高功能密度、更高的性能提升、更低的能耗、可接受的制造成本、足够稳定以及适合大规模制造等等的特性。

目前对于Beyond CMOS的研究是学界和业界的热点之一,提出的方案也可谓百花齐放。下面的综述表格适合想深入了解或是做这方面研究的同学(友情提示,以下部分适合吹水,(有些方向)毕业&找工&投资有风险,跳坑需谨慎):

1.Tunneling FET (TFET)

TFET 主要应用量子力学的隧穿原理,直接穿越source和drain间的屏障而不是扩散过去。优势:

  • 实现低Vdd(电源电压)、低功耗以及更好的次临界摆幅
  • 与CMOS工艺兼容

挑战:

  • 低饱和电流 
  • 提高对内部电场的栅极电压控制度有难度 
  • 界面态的问题(在传送和接收端都需要足够高界面密度来为载子提供能量充足的位置)

2.Nano-electro-mechanical Switch (NEMS)

MEMS的进阶版,用上图所示的悬梁臂来做为机械开关。优势:

  • 理论上可以做到为零的泄漏电流和亚阈值摆幅
  • 对温度的敏感度低
  • 对电磁冲击免疫
  • 与CMOS工艺兼容

挑战:

  • 由于悬梁臂的机械动作带来较低的开启关闭速度 
  • 纳米级接触的可靠性
  • 表面力产生的突刺
  • 受到隧穿效应限制的比例缩放
  • 高吸和电压

3.Single Electron Transistor (SET)

栅端电压控制稳定状态间的调谐,实现“岛”上单一电子的增或减。优势:

  • 高速
  • 高器件密度
  • 高能效
  • 可能带来新奇的功能和应用
  • 与CMOS工艺兼容

挑战:

  • 尺寸与温度的权衡
  • 低增益
  • 较大的阈值电压变化
  • 寄生电容
  • 低输出电流、高输出阻抗
  • 有限的扇出数
  • 较低的抗噪声能力
  • 尚未完全成熟的制造工艺

4.Quantum Cellular Automata (QCA)量子元胞自动机

通过改变元胞编排结构来表示二进制。相邻的元胞由于库仑耦合效应趋向于对齐一致,从而实现信息的传递。

已有通过实验演示的半导体、分子、磁性点类型的量子元胞自动机提供了低功耗,新型信息处理方式、传输机制,以及多数决操作。

QCA 量子电路是未来实现量子计算机的技术之一。

挑战:

  • 工作温度的限制
  • 在极端尺寸下的图形构造

5.Atomic Switch

原子开关基于两电极间的金属原子桥的形成与湮灭,从而形成门(相当于栅极)控开关模式。优势:

  • 高扩展性
  • 低操作电压和能耗
  • 作为记忆体的双端器件应用时,与conductive-bridge RAM (CBRAM)类似
  • 相对来说存在低制造成本的可能性
  • 3D堆叠结构

挑战:

  • 需要提高三端器件所具有的性能(速度、耐久度、均匀度) 
  • 稳定性和高可变性需要被考量
  • 速度由电极活性表面的离子输运和电化学反应决定
  • 需要对工作机制有更深入的了解

6.SpinFET

利用电子的自旋方向来携带信息。相关技术也是未来实现量子计算机的技术之一。优势:

  • 旋转的自由度使额外的信号调制和控制成为可能
  • 具有场效应晶体管的结构且与CMOS工艺兼容
  • 理论上有更小的传输耗散
  • 无挥发性
  • 可编程性

挑战:

  • 磁性材料及其制造工艺
  • 需要高效率的自旋注入和侦测来实现足够多的开/关比例
  • 自旋轨道间的栅极调制的强度
  • 自旋弛豫及其寿命

7.Graphene FET 石墨烯FET

2D材料,蜂窝状的单原子碳结构。优势:

  • 高迁移率(有构造更快速FET的潜力)

挑战:

  • 现有的研究都没有实现电流饱和gds高内在的电压增益<0.4带有电压增益的电路结构难以实现
  • 石墨烯没有带隙(band gap)
  • 开/关电流比欠佳不理想的开关

石墨烯材料的最重要的缺陷就是缺少带隙,所以这方面也有各种各样的研究尝试。

8.Carbon Nanotube FET 碳纳米管FET

CNT是由石墨烯薄片卷起来的纳米级直径的圆管。优势:

  • 在RF电路中的应用较有前景
  • 在表面的一维输运 可实现极佳的沟道控制和高线性度(Id ~ Vgs)
  • 由于较大的平均自由程CNT有地热噪声以及操作在THz频率的潜力

挑战:

  • 现有实现的高性能CNT内是有金属喷镀的,需要设法摆脱
  • 一个碳纳米管只能承载10至30 μA的电流,因此需要几百个碳纳米管来达到mA级别的漏端电流
  • 已有的CNT FET amplifier with 11 dB gain at 1.3 GHz
  • 大规模制造工艺仍有待发展

9.Nanowire FET

优势:

  • 相比CMOS,对载子/沟道有更好的控制
  • 当直径很小(几个纳米)时,有一维(弹道)的传输效果
  • 相比CMOS有大约4倍的速度提升
  • 环形栅在高速器件中很有前景

挑战:

  • 可靠度和器件的可复制性
  • 达到mA级别的电流需要很多单一器件的排列
  • 仍未有RF应用的实现

Beyond CMOS部分引用前文提到的华人科学家An Chen已发表的论文结论做一个小结:根据时间上的状态变量和开关装置做的分类:

ERD组基于评价和调查,对上述三大类新型逻辑器件在比例缩小能力、速度、能效、开关(1/0)比、操作可靠性、室温下性能、CMOS工艺兼容性等方面的归一化评估:简单地说单一射线上的数值越大越好,最终所包围的面积越大越好。

另外,C. Carta等人在论文"Review of Advanced and Beyond CMOS FET Technologies for Radio Frequency Circuit Design"中给出了一些常见Beyond CMOS器件与经典CMOS器件的比较,摘录如下:

最后用ITRS(国际半导体技术蓝图)公布的一份报告中的图片作为总结。注意看左右两条长直线和中间的五个大层面。偏左边是已有的成熟技术,偏右边是新型的信息制程技术。

  • 最下层的状态变量有从电子电荷向分子、极化、强电子相关态、自旋方向等方向发展的趋势。
  • 第二层材料方面有从硅、碳、宏观分子材料、纳米结构、复合金属氧化物等方向发展的趋势。
  • 第三层的器件结构层级有从CMOS向分子器件、自旋器件、铁磁性器件、量子器件等方向发展的趋势。
  • 第四层的数据载体有从模拟量、数字量像模式量、量子位等方向发展的趋势。
  • 第五层的计算机架构有从冯-诺依曼架构、多核架构向可重构、量子、形态学计算机等方向发展的趋势。

可见随着新器件的涌现,新的更有效率的算法和系统结构也将随之诞生。例如,在量子计算机可以高效率地使用量子退火算法来解机器学习训练中最关键的最优化问题。又例如,在忆阻器(memoristor)真正成熟后,可以在存储器中直接对数据进行操作,这样新的计算机架构就可以替代旧的冯-诺依曼架构实现更有效率的计算。Beyond CMOS带来的不仅仅是电路性能的提升,还可能是整体系统架构的更新并带动新的应用,从而开创一个崭新的信息时代。


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