Moores lag – vid vägs ände efter 50 år?people.isy.liu.se/eks/ted/Ted...

Mooreslag–vidvägsändeefter50år?Docentföreläsning2015-12-14

TedJohansson,EKS,ISY

Mooreslag–vidvägsändeefter50år?2

• Tedskort-CV• Mooreslag

• Dennard-skalning• Skalningbortom130nm:nyakoncept• Skalningbortom7nm:nyamaterialochkomponenter

• Mooreslagochradiokretsar• EffektförstärkarkonstruktioniskaladCMOSförradio• FinFETochradio

TedJohansson:kort-CV3

• 1985:M.Sc.(Y,LiU+RWTH,Germany)• 1985-1989:InstituteofMicroelectronics,Kista• 1989-2002:EricssonMicroelectronics,Kista• 1992-1998:IndustrialPhD(LiU)• 2002-2007:InfineonTechnologies,Kista• 2008-2011:HuaweiR&DCenter,Kista• Owncompany/consulting2008-• Adjunctprofessor(external,part-time):2009-

ResearchonPAdesigninCMOS PhDsupervision2015/VT1:undergraduatecourseTSEK03”RFIC” 2015/VT2:PhDcourse"State-of-the-artElectronDevices"2015/HT2:undergraduatecourseTSEK02”radioelectronics”

Metro2000-09-21

Metro2000-09-21

2015!35 nm!

Metro2000-09-21

Mooreslaghandlarinteomskalningutanomekonomi!7

G.E.Moore,Electronics1965

Moore1965:fördubblingvarjeår

65000transistorertioårsenare!

50transistorer!

9

Dennard-skalningavMOS-komponenter

Komponent/kretsparameter Skalfaktor*Komponentdimension/tjocklek 1/λDopkoncentration λStyroxidtjocklek 1/λSpänning 1/λStröm 1/λKapacitans 1/λFördröjningstid(1/hastighet) 1/λTransistoreffekt 1/λ2Energieffektivitet(”MIPS/W”) 1/λ3Effektdensitet 1

*förkonstantelektrisktfält

RobertDennard

Dennardetal.,JSSC,pp.256-268,Oct1974Dennard,SSCMag,pp.29-38,No.2,2015

Dennard&Moore1975-2000:Detvinnandelaget!10

Dennard-skalningnärtransistorernablirmindre:

• snabbarekomponenterochkretsar,

• lägretotaleffekt(konstanteffektdensitet),

• elektronikkangörasmindre,lättare,bättre.

Mooreslag:

• sammakostnadperytanärkomponenternakrymps,

• mertransistorerperchipochlägrekostnadpertransistor.

ProblemmedDennardskalningen11

• Matningsspänningenharinteskalatslikahårt,mersom1/√λ.• Matningsspänningenslutadeipraktikenskalasförtioårsedan.

• Termisktbrus(kT/q=25mVvidrumstemperatur)

• Subtröskelläckning(effektförbrukning,termiskaproblem)

ProblemmedDennardskalningen12

• Effektförbrukningenbegränsarmöjlighetentillskalningned/upp

• Ökadklockhastighetledertillökadeffektförbrukning

BortomDennard,2005-13

• Krympningidag:

• flertransistorer/chipellerlägrekostnad/funktion,

• tillverkningskostnadensammaperytenhet,

• ej(nödvändigtvis)högreprestandaperkomponent.

• Fokuspåprocessorermedmultiplakärnormenmedmindreeffektivskalning.

• Ingenytterligarehöjningavklockfrekvenser;runt4GHzärvadsomrealistisktkanklarasavpga.termiskabegränsningar.

• Konstruktionslösningarförattsparaström:dynamiskskalningavklockfrekvens,delaravchipstängsavnärdeintebehövs,”Darksilicon”(helachippetkaninteköraspåengångpga.termiskarestriktioner).

15Skalningförbi130nm:nyakoncept

90nm:mekaniskspänningikanalen(högremobilitet,men

olikateckenpåspänningbehövsförNMOSochPMOS).

16Skalningförbi130nm:nyakoncept

90nm:mekaniskspänningikanalen(högremobilitet,men

olikateckenpåspänningbehövsförNMOSochPMOS).

90nm:PD-SOI(minskadeomslagstidermotsvarandeen

processnodmendyraresubstrat).

17Skalningförbi130nm:nyakoncept

45nm:Materialmedhögredielektricitetstalbörjarersätta

SiO2somisolatoristyret(minskadeläckströmmar)

19Skalningförbi130nm:nyakoncept

28nm:FD-SOIFråndopningskontrolleradekomponentertillentunn

odopadkanalvarsegenskapergesavtjocklekarochbaksidesspänning

28nm:Metallstyre(mindretröskelspänningsvariationer)

20

22nm:Tri-GateellerFinFET

Firstdescription?Hisamotoetal.,TED1991

Intel22nmmedutvidgningarförSoCdesign(Janetal.,IEDM2012)

21

Dennadator:14nmFinFET(2*i7@3.1GHz)!

22

Intel2015:10nmförsenastill2017

• Intelharskjutitpåintroduktionenavnyaprocessoreri10nmtill2017.Manserinteökadprestanda.

• AndraföretaghardemonstreratFinFET:arvid10nmoch7nm,meninteiproduktion.

• FråganärfortfarandeöppenhurlångtnedidimensionerFinFET:enfungerarochnärmanbehöverersättadenmednyakoncept.

Nyakanalmaterialochkomponenter23

• Krav

• Skallpassaininuvarandefab-infrastruktur

• Arbetamedmindreän500mVmatning

• Hapotentialförfortsattprestandaökningar

• På”hetalistan”:

• Kolnanotrådar

• Grafén

• Spinnkomponenter

Kolnanotrådar24

• Demonstreratnedtill7nm

• Trosgåattskalanedtill1.8nm(IBM)

• CMOS-kompatibelt

• Bandgapberorbl.a.pådiameter

• Ingenkantspridning(kvasi-1Dmaterial)

• Kemisktinert

• Kanhanterahögaströmmar

• Godvärmeledare

• Lågomslagsenergiienomkopplare

Enkolnanotrådärväsentligenenrullegrafén

25

Kontakterochstyret:utmaningar!

35 nm! 2015!35 nm! (radio)

Metro2000-09-21

2015:Mooreslagfungerarfortfarande!28

1965:GordonMooreförutsägeratthansobservationkannoghållaitioår,till1975.

2015:GordonMooreförutsägeratthansobservationkannoghållaytterligaretioår,till2025!

29

AntaltransistorerperchipISSCC1970-2015:fördubblingpå1,5år

2013 Overall Roadmap Technology Characteristics (ORTC) Table30

www.itrs.net

31

Mooreslagifleradimensioner

Mooreslagochradiokretskonstruktion32

• Processnodfördeflestaradiokretsar2015är32/28nmpåbulkellerFD-SOI.

• Processermeräntillräckligtsnabbaförtrådlöskommunikationuppto6GHz(mobil,trådlösanätverk,etc.),menävenför60och100+GHz.

• Kravpåhögintegrationgörattprocessermindrelämpadeförradio(förlitenprocessnod)ändåmåsteanvändas.

• UtmaningarmedradiokretskonstruktioniskaladCMOS:

• kortkanalsbeteende,

• parametervariationer,

• parasiter,

• 1/f-brus,

• begränsadematnings-ochgenombrottsspänningar.

EffektförstärkarkonstruktioniskaladCMOSförradio33

• LinjäraPA(klassA,AB,…)ärdevanligastförekommandeföreffektförstärkningavradiosignaler.

• Nackdel:2*matningenövertransistorn.

• Uteffekteröver30dBm(1W)intressanta.

• Höguteffektkannåsmedstorakomponenter(obs.impedansen)ochhögmatningsspänning.

LDMOS structure with no additional process steps or masks*

34

Hurhanterarvihögmatningsspänning?

Kretslösningar:staplingavkomponenter

Kaskodkopplingenvanligast:

Spänningendockintejämntdeladmellantransistorerna(förbättradevarianterfinns).

Komponentlösningar/nyastrukturer

UtformadiGlobalFoundrys65nmCMOS-process,avseddförWLAN.Skalbarttill45nmoch32nm.>32dBm@2.45GHz.

T.Johanssonetal.,EuMIC2013

• Transistorswith2=5.6mmmountedonPCB

DifferentialPA,Vdd=3V,f=2412MHzP-1dB=32,5dBm(1,8W).ClassAB,efficiencyover50%forunmodulatedsignal.

WLANPA

36

Transistorstapling

C2, C3, C4 set Zs2, Zs3, Zs4

IpraktikenbegränsattillfyrastapladetransistorerChenetal.,JSSC2013

Last=4Ropt

Begränsningarförmaximalmatningsspänning37

• Konventionellbulk-CMOS:mångadiodgenombrotttillfickor(well)ochsubstrat.

• Skaladbulk-CMOS:genombrottnedmot4-5V.

• Stapladebulk-komponenter(PA):begränsadeavgenombrottetdrain-substratavkomponentenhögstuppistaplingen.

• MedSOI-komponentersåfinnsingagenombrottmotsubstratet.Möjligtattstaplakomponenterutanatttahänsyntillgenombrott.

38

28nmFD-SOI(UTBB)(STMicroelectronics)

Lg=24nm,Tox=1.8nm,Vsup=1.0Vultra-thinsilicon:7nmultra-thinburiedoxide:25nm

High-kdielectricMetal-gateelectrodeS/D:epitaxyraisedUndopedchannelBulk/SOIintegration

FörstapladPA-konstruktion:Lg=150nm,Tox=2.8nm,Vsup=1.8V(+10%)

3-stapladPAmedhöguteffekti28nmFD-SOI41

W = 6000 um (10 um * 10 * 60 cells) Vdd=3.0 V Class-AB f=1900 MHz Zin = 0.49 + j*7.1 Ω RL=7 Ohm C2=4 pF, C3=1 pF P-1dB= 28.9 dBm

3-stapladPAmedhöguteffekti28nmFD-SOI42

• MedAcreoNorrköping• Yta1.5x2.2mm• Kostnad45k€• Underutvärdering

PA1 PA2

DC test DC

testGSG calibration

43

T. Johansson and J. Fritzin, "A Review of Watt-level CMOS RF power amplifiers”, IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, Vol. 62, Issue 1, pp. 111-124, 2014.

UTBBbodybiasing:dynamiskändringavVT

44

• PAmedvalbarhögförstärkning/höglinjaritet

• 28nmFD-SOI(STM)

• DohertyPA@60GHz

• 1Vmatning

• Förstärkning:35/15dB

• Maxlinjäruteffekt:15/18.8dBm

• 21%verkningsgrad

Larieetal.,ISSCC2015

FinFETochradio45

• HarejhittatexempelilitteraturenpåradiokretsdemonstrationeriFinFET,förutomrunt45nm.

• Komponentsimuleringspapper• Parasiterkapacitanserviktiga!• ”similarcharacteristicsintermsof

transconductance,Earlyvoltage,voltagegain,self-heatingissuebutUTBBoutperformsFinFETintermsofcutofffrequenciesthankstotheirrelativelylowerfringingparasiticcapacitances.” (Raskin,”FinFETversusUTBBSOI-aRFperspective”,ESSDERC2015)

www.liu.se

Tackföreruppmärksamhetochtid!Frågor?