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CMOS后的是什么?

有超过20个可能的继任者;碳纳米管、石墨烯和3D设备在榜单上排名靠后。

受欢迎程度

芯片制造商继续将CMOS晶体管缩放到更精细的几何形状,但问题是有多长。目前的思维是CMOS晶体管可以在2021时间帧中至少扩展到3nm节点。然后,CMOS可以耗尽气体,提示需要新的开关技术。

那么基于CMOS的晶体管之后是什么?碳纳米管和石墨烯最受关注。随着时间的推移,该行业可以迁移到堆叠模具或单片3D设备上。总而言之,桌面上有几个可行的下一代晶体管候选候选人,尽管CMOS可以在长期内占上风。

令人惊讶的是,基于来自英特尔,碳纳米管,石墨烯或甚至3D器件的最新性能基准,未能降低。在实验室进行,英特尔的基准基于吞吐量,功耗和其他标准。简单来说,英特尔目前列表上最有前途的设备缩小到五种技术 - 旋转多数门;自旋波器件;III-V隧道场效应晶体管(TFET);异结合TFET;和石墨烯纳米(GNR)TFET。

TFETS是有吸引力的,因为它们是陡峭的子阈值斜率装置从今天的MOSFET开始的进化步骤。基于旋转的或纳米磁性技术是有趣的,因为它们是非易失性逻辑器件。

英特尔列表未在石头中设置,可以轻松改变。其他人可能有不同的想法。例如,在IMEC的最终下一代交换机的列表中,R&D组织目前目前立即识别两种技术 - 异质结TFET和GNR TFET。

在任何情况下,基准都提供了一个线索,如果CMOS击中墙壁,行业正在前往。“该行业有很多研究项目,”英特尔的过程架构和整合总监Mark Bohr说。“问题是这些项目中的许多项目都不适用严格的基准。”

Bohr表示,英特尔基准背后的想法是缩小了基于已知标准的潜在选择。“作为一个行业,我们只需有足够的资金来资助所有项目,”他补充道。

显然,下一代开关的开发需要新材料和Fab工具。但即使具有实质性的资金和新的突破,它仍然不清楚何时将出现下一代开关。“他们并不是那么沿着预测插入点,”纳米电子研究倡议(NRI),Semiconducts Corp.(SRC)的纳米电子研究倡议(NRI)执行董事Thomas Theis说。“它肯定太早挑选获奖者。但乐观地,我可以在10年内看到一些版本的隧道FET。但我还没准备好说关于纳米磁性设备。“

缩小选择
2005年,SRC推出了一组,该集团正在研究能够将CMOS晶体管更换2020的未来派设备。NRI包括GlobalFoundries,IBM,Intel,Micron,TI和几所大学。

一般而言,今天的MOSFET限于60毫升,每十年挥杆,使它们难以扩展到0.5伏以下。寻求一种将打破这一障碍的技术,NRI正在探索四个基本类别(CMOS,TFET)的技术;电偶极子(FEFET);磁性(旋转装置);和轨道状态(BISFET)。研究人员还探索了碳纳米管,石墨烯和其他技术。

大多数下一代技术都面临同样的问题。“这些原理不需要别人去发明,”接受IBM委派的泰斯说。“但是这些技术都没有作为电压开关设备存在于实验室中。这将是一个重大突破,当有人给这些技术之一通电,并使其切换。”

据一些专家称,这些挑战和成本可能会使下一代交换机的开发至少推迟几十年。“不是所有的改变都值得去做,”加州大学伯克利分校(University of California at Berkeley)教授胡晨鸣说。“至于超越CMOS的东西,我们真正谈论的是2030年或2040年左右。”

考虑到Finfet的父亲,胡认为,CMOS可能会持续得多,有充分的理由。芯片制造和设计成本正在变得天文学。为了得到回报,芯片制造商可以将CMOS节点扩展到传统的两年周期之外。“在28nm节点上出现了一种模式,”胡说。“很大的区别在于节点将持续更长时间。长期以来,28nm可能是甜蜜的地方。“

一些芯片制造商拥有或将很快从平面晶体管迁移到Finfets。今天的基于硅的FinFet将缩小到10nm。然后,在7nm处,FinFET可能需要新的且昂贵的III-V通道材料。“我认为行业不会迁移14米到10米,到7nm这么快,”胡说。“一旦FinFET成本下降,10nm节点将是甜蜜的地方,长时间很长一段时间。”

关于2.5D / 3D堆叠模具,胡锦涛表示,该技术对于主流应用仍然太昂贵。“它有助于表现和权力,但我们不要忘记成本,”他补充道。

下一步是什么?
其他人认为,该行业将在下一代开关中比以后更快。普遍的智慧是,未来派技术必须具有与今天的CMOS逻辑设备相同的特征。

仅根据这项标准,该行业已消除许多异国情调的候选域壁环;电子结构调制FET;兴趣的FET;和石墨烯热晶体管。然而,该行业仍然努力看看以下技术 - 所有旋转逻辑;BISFET;石墨烯Pn结;旋转FET;旋转多数门;旋转扭矩三合会; spin torque oscillators; spin wave devices; and the TFET.

基于IMEC和英特尔的基准,TFET呈现出最新的承诺。针对5nm节点,TFET是使用电子隧道技术的门控二极管。TFET可以在室温下打破每十年秋千屏障的60毫伏。“TFET的问题是它们具有比MOSFET更小的电流,”英特尔研究科学家Dmitri Nikonov说。

在其基准中,英特尔列出了三种类型的TFET。异质结TFET和III-V TFET有些类似,因为它们使用不同的材料用于PFET和NFET。最近,IMEC描述了一种使用锗 - 源硅技术的异质结垂直TFET。“垂直给了我们优势,”IMEC逻辑计划总监Aaron Thean说。“我们可以选择性地转换任何硅柱并使用此方法种植不同类型的设备。”

第三TFET,GNR TFET利用P掺杂的GNR作为源极和N掺杂的GNR作为漏极。GNR TFET承诺实现陡峭的子阈值斜率,但挑战包括GNR材料的制造。

“像石墨烯和碳纳米管一样的新材料看起来很吸引人,”全球技术人员的高级成员陈说。“但考虑与CMOS的整合挑战。对于真实的应用程序,我们需要查看系统而不是仅具有有趣的材料和结构的设备。因此,因此,我认为我们不会看到一个CMOS更换。该行业将建立一个基于CMOS平台的更好系统。这意味着您仍然具有CMOS,但您构建了更多的功能。“

陈更乐观宾夕法尼亚州立大学描述的潜在的TFET技术。在该工作中,Penn状态描述了一种32核结构,其将CMOS和TFET晶体管结合在同一设备中。“我认为看起来更有可能,”他说。“一个核心可以是基于TFET的。一个核心可以是基于CMOS的。CMOS正在进行更多的高性能。TFETS正在做低功率的事情。“

像英特尔,IBM,IMEC等,陈也看涨了基于旋转的逻辑,它落入了广泛的闪蒸或纳米磁性。该技术与MRAM相关联,但它可以扩展到逻辑。“在旋转中,您不需要移动电子。你只是翻转旋转。在这个想法中,闪光灯会消耗较低的力量,因为你没有像电子一样移动,“陈说。

基于旋转的逻辑也具有吸引力,因为它结合了逻辑的开关速度和内存的非波动性。“当你关闭电源时,您将其备份,逻辑电路中的每个设备仍处于状态,”NRI的THEIS说。“这也可能导致重新配置的新方法。现在,重新配置性意味着FPGA。通过基于旋转的设备,我们可以探索获得相同类型的功能的新方法。“

然而,也有一些挑战。“切换速度受到旋转动态的限制,这是非常基本的,”Theis说。“我相信你必须重新发明这些设备。”

有几种基于自旋的技术,但最有前途的一种是自旋多数栅器件。该技术包括一个基于磁性材料的栅极。位于栅极顶部的垂直纳米柱,将底层的磁性转换。

“这个想法是你使用自旋扭矩。所有的输入都进来了。磁力加入,然后大多数胜利。陈说,这给了你一个多数职能,“Globalfoundries”说。旋转多数门提供陡峭的子阈值斜率,但问题是它具有相对较小的当前性能。

相关技术,自旋波装置,在铁电材料内使用旋转波以传送信息。交流电流使输入磁化为振荡,振荡传播旋转波。“这是不可挥发性的,但我们准备好没有探索我们需要这种逻辑所需的赛道架构和应用程序,”NRI的Theis说。

另一种技术,所有自旋逻辑,也是感兴趣的主题。“所有自旋逻辑都有收益,”泰斯说。这意味着输入和输出之间是隔离的。这意味着你要在常规逻辑电路设计者能够理解的范围内设计逻辑。”

基于旋转的设备,TFET和其他下一代技术显然是令人着迷的。But based on the challenges, it’s unclear if the industry will meet its stated goal of developing a viable next-generation switch by 2020. By then, it might be too expensive to design and make devices based on the new technologies, leaving many to believe that CMOS will rule the roost for the foreseeable future.



3评论

[...]收益牵引闪蒸的领域正在获得兴趣。该技术可以启用新的基于自旋的基于旋转的设备,它结合了开关速度[...]

săptămâna#invatfpga pe scurt«电子înlimbaromână 说:

[...] opredicţiedesprece tehnologie va succeda cmos-ul;[...]

[...] CMOS后什么?该链接提供了一个很好的,及时的晶体管缩放世界越来越简单的世界。我制作的第一个点或至少与之同意的点是在查看所有这些潜在的晶体管技术时需要进行严格的基准。这意味着将候选晶体管逼真(下面的10nm节点)水平和垂直尺寸,具有现实寄生的尺寸,构成它们的现实电路,然后才能测量它们的相对效果。点案例:高移动性通道。他们收到了大量的注意力,但散装移动性不会直接转化为微处理器性能。服用锗,似乎与RRAM进行了争斗,以便完全统治IEDM会议。我们在ARM的小组最近对PFET进行了一些详细的预测性建模,在我们的研究中,我们已经提交了出版物,我们发现,对于现实的栅极长度,栅极氧化物等,大部分移动性增益丢失。然后,增加了较小的带隙的效果,包括增加泄漏和变异性,我们没有提出非常令人鼓舞的结论。许多相同的问题适用于将化合物半导体的大尺寸好处转换为纳米制度。 TFETs are another hot topic, but they not only need to find a lot more drive current, they need to be realistically de-rated for what will almost certainly be increased variation. A possible interesting scenario for TFETs would be if they could be integrated in a low cost manner alongside other higher performance FETs. That doesn’t seem entirely out of the question. […]

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