Grafeeniga kaetud vask võib protsessori tulevast jõudlust dramaatiliselt suurendada

Vasktraat

Enamasti räägime järgmise põlvkonna tehnoloogiate potentsiaalsest mõjust tulevastele arvutitele transistori jõudlusest. See on mõttekas - Moore'i seadus hõlmab transistori skaleerimist ning transistori tiheduse ja disaini parandamine on see, mis ajas 'paremat, kiiremat, odavamat' mantrat ligi 40 aastat. Kuid transistorid pole ainus protsessori disaini valdkond, mis võiks aluseks oleva tehnoloogia dramaatilistest täiustustest kasu saada - ja a teadlaste meeskond Stanford usub, et see suudab lahendada veel ühe kriitilise probleemi, mis hoiab tagasi tänapäevaseid kiipe, ehitades sidekonstruktsioone mitte ainult vase, vaid vase ja grafeeni koostöös.

Iga tänapäevane protsessor on ühendatud juhtmetega laialdase vasktraatide võrgu kaudu, mida nimetatakse 'ühenduseks'. Need pisikesed vasktraadid kannavad andmeid üle protsessori ja kogu SoC. IBM ja Motorola võtsid vaskühendused kasutusele 1997. aastal, millele järgnes Intel 2000. aastal. 2000. aastal sisaldasid Inteli protsessorid umbes 1 km vaseühendusi ruutsentimeetri kohta. Aastal 2017 sisaldavad 14nm kiibid umbes 10km juhtmeid samas ruumis.



Ainult vaskjuhtmetele tuginemise probleem on see, et te ei saa ühendada juhtmeid nii, nagu saate transistori suurust. Juhtmete kokkutõmbumisel suureneb vooluhulk traadi pindala kohta (aka selle voolutihedus). Suurenenud voolutihedus tähendab suurenenud takistust ja suurenenud takistus suurendab soojust. Selle täpne mõju varieerub vastavalt protsessori kujundusele, paigutusele ja juhtmete pikkusele. Kohalikud ühendused ei kannata eriti, sest vahemaa on nii lühike, kuid see võib mõjutada nn ülemaailmseid ühendusi, mis ühendavad kiibi erinevaid piirkondi.

Traadi väiksemaks muutmine tähendab, et vähendate metallide hulka, mis on elektronide voolamiseks saadaval. Kujutage ette kahte toru - üks ühe jala läbimõõduga ja teine ​​10 jala läbimõõduga. Mis tahes voolukiirusel (mõõdetuna gallonites minutis) peate vett liikuma läbi väiksema toru suurema kiirusega kui suurem. See suurendab nii toru hõõrdumist kui ka läbi selle voolava vee turbulentsi. Traadis suurendab sama voolu koguse väikese traadi vajutamine takistust (ja liigset kuumust) võrreldes suurema traadiga.

RC viivituse mõju kasvab, kui tabame väiksemaid sõlme



See suurenenud takistuse-mahtuvuse viivitus (RC viivitus) on kasvav probleem. Semiengineering.com teatab, et keskmine RC viivitus kasvas 7,6% 45 nm pealt 22 nm-ni. 22 nm-lt 11 nm-le on vastupanu suurenenud 21,8% ja 48% 11 nm-lt 7 nm-le. (11nm nomenklatuur on Georgia Tehnilise Instituudi nomenklatuur, mitte minu oma). Ülaltoodud diagramm näitab eeldatavat RC-viivituste kasvu uute pooljuhtide sõlmede võrku viimisel. Vahepeal on vasktraadid juba nii õhukeseks muutunud, et elektromigratsioon võib nüüd põhjustada traadi purunemist, koputades vase aatomid paigast, nagu allpool näidatud:

Elektromigratsioon

Pilt autor IEEE spekter

Oleme selle probleemiga tegelemiseks varem rääkinud uuest tehnoloogiast, mille Applied Materials turule tõi lisades koobaltit olemasoleva vaskühendustehnoloogiaga ja see on kindlasti üks potentsiaalne meetod probleemi lahendamiseks - kuid grafeeni kohandamine võib samuti töötada. Stanfordis H.-S Philip Wongi juhitud uurimisrühma sõnul võib vasktraatide ümbris grafeeniga nende jõudlust oluliselt parandada. Esmalt kajastasime seda uudist mitu aastat tagasi, kuid sama meeskond Stanfordis on oma tulemusi parandanud. Mida nad on leidnud, on 2015. aastal meie tollal kirjutatud loo edasiarendus - grafeenil on palju erinevaid kasutusviise ja see sobib 3 nm CoWP kihiga (tööstuse standard), et vältida kahjulikku elektromigratsiooni ja sellega seotud kahjustusi.



Grafeeniga kaetud vask võib takistada ka vase tungimist läbi dielektriku (isoleerkihi) ja purunemise põhjustamist. Selle viimase artikli juhtiva autori Ling Li üks peamisi järeldusi on see, et grafeeni saab otse integreerida mustriliste Cu kihtidega temperatuuril alla 400 ° C. See on märkimisväärne samm edasi, sest senised meetodid grafeeni Cu juhtmetele kandmiseks ei olnud kooskõlas traditsioonilise valukoja BEOL (Back End Of Line) töötlemisega. Täiendav grafeeni side aitab ära hoida elektromigratsiooni, luues grafeeni ja Cu vahel puutumatu liidese, võimaldades lisaks vasktraadile voolata voolu ka grafeenist allapoole.

Grafeen on kihi kohta vaid 0,3 mm, võrreldes tööstuse standardiga tantaalnitriidist koosnevate 2nm seinte kasutamisel. On näidatud, et komposiitjuhtmetel on vaid pool mitte-grafeeni analoogide takistusest, mis tähendab, et selle tehnoloogia kasutuselevõtu korral võime märgatavalt suurendada jõudlust ja vähendada energiatarbimist.

Ütlematagi selge, et jah, grafeen seisab endiselt vastutuult. Hulgi tootmine on endiselt äärmiselt keeruline ja sellega on üldiselt raske töötada. Kui sõlmede suurus väheneb ja RC viivitusest saab probleemi üha suurem komponent, peab tööstusel olema lahendusi, mis on valmis 5nm sõlmes või allpool. Selline tehnoloogia võiks pakkuda tõhusat edasiliikumist ja võimaldada kiibitootjatel tänu vähendatud energiatarbimisele ja paranenud soojusenergia jõudlusele gaasi veidi avada. Oleme kaugel kaubanduslikust kättesaadavusest, kuid sellised avastused viivad meid õigele teele.

Copyright © Kõik Õigused Kaitstud | 2007es.com