Động lực phát triển của mạch tích hợp và hệ thống trong tương lai: Giảm tiêu thụ năng lượng và cải thiện tỷ lệ hiệu suất so với năng lượng tiêu thụ

Springer Science and Business Media LLC - Tập 54 - Trang 915-935 - 2011
YangYuan Wang1
1Institute of Microelectronics, Peking University, Beijing, China

Tóm tắt

Với sự phát triển của công nghệ thông tin, các mạch tích hợp (IC) và hệ thống có mục tiêu là hiệu suất cao và tiêu thụ năng lượng thấp đã thâm nhập rộng rãi vào mọi khía cạnh của nền kinh tế quốc dân, xây dựng quốc phòng và cuộc sống của con người. Với sự gia tăng không ngừng về mật độ tích hợp IC, tiêu thụ năng lượng đang trở thành yếu tố hạn chế. Thực tế cho thấy động lực cho sự phát triển của IC và hệ thống trong tương lai là giảm thiểu tiêu thụ năng lượng và nâng cao tỷ lệ hiệu suất/năng lượng. Định luật Moore vốn dĩ là định luật cho sự phát triển công nghệ và kinh tế, và đã phục vụ như một hướng dẫn cho sự phát triển của IC trong nửa thế kỷ qua. Tuy nhiên, với việc thu nhỏ kích thước đặc trưng của IC và mật độ tích hợp tương ứng ngày càng gia tăng, nó đang dần tiến sát tới giới hạn vật lý. Định luật Moore sẽ dần hoàn thành nhiệm vụ lịch sử của nó và sẽ được thay thế bằng một định luật về việc giảm tiêu thụ năng lượng trong khi đảm bảo yêu cầu về hiệu suất cho IC, SoC và SiP, định luật cải thiện tỷ lệ hiệu suất/năng lượng. Bài báo này sẽ thảo luận về các chủ đề nghiên cứu liên quan đến điện tử vi mô/nhỏ xanh, bao gồm thiết kế tiêu thụ năng lượng thấp, các thiết bị tiêu thụ năng lượng thấp mới, quy trình sản xuất cho các ứng dụng tiêu thụ năng lượng thấp và các hệ thống cơ điện vi mô/nhỏ liên quan.

Từ khóa

#mạch tích hợp #tiêu thụ năng lượng #định luật Moore #điện tử vi mô #điện tử nhỏ #thiết kế tiêu thụ năng lượng thấp #thiết bị tiêu thụ năng lượng thấp mới #quy trình sản xuất năng lượng thấp

Tài liệu tham khảo

Pollack F. Intel 1999. In: ITRS 2005 Scalise G. SIA, Semiconductor Industry Challenges 2007–2010. In: IC China 2007 http://msn.chinabyte.com/a/8834814.shtml Wang Y Y. Collected Works of Wang Yangyuan (II). Beijing: Science Press, 2005 BP Statistical Review of World Energy, June 2008 American Council for an Energy-Efficient Economy, John A. “Skip” Laitner, Chris Poland Knight, Vanessa L. McKinney, Karen Ehrhardt-Martinez, Semiconductor Technologies: The Potential to Revolutionize U.S. Energy Productivity. Environmental Quality Management, 2009, 19, 29 Wang Y Y, ed., Wu H M, Ji M H, Xiao D Y. Green Micro/Nano Electronics. Chap. 3. Beijing: Science Press, 2010. 163–220 Wang Y Y, Wang Y W. The Road of Development for Integrated Circuits in Mainland China. Beijing: Science Press, 2008. 244 Wang Y Y, ed., Wei S J, Yin S Y, Yan X L. Green Micro/Nano Electronics. Chap. 2. Beijing: Science Press, 2010. 102, 126 Private Communication between Prof. Wang Yangyuan and Cheng Yuhua Nagaraj N S, Hunter W R, Chidambaram P R, et al. Impact of interconnect technology scaling on SOC design methodologies. In: Proceedings of the IEEE International Interconnect Technology Conference, 2005. 71–73 Wang Y Y, ed., Li S W, Cheng Y H, Song F B, et al. Green Micro/Nano Electronics. Chap. 4. Beijing: Science Press. 2010. 250 Assaderaghi F, Sinitsky D, Parke S, et al. A dynamic threshold voltage MOSFET (DTMOS) for ultra-low voltage operation. In: International Electron Devices Meeting (IEDM’ 94), 1994. 809–812 Tian Y, Huang R, Zhang X, et al. A novel nanoscaled device concept: quasi-SOI MOSFET to eliminate the potential weaknesses of UTB SOI MOSFET. IEEE Trans Electr Dev, 2005, 52: 561 Zhou F L, Huang R, Wu D K, et al. Fabrication of 32 nm vertical nMOSFETs with asymmetric graded lightly doped drain structure. J Electrochem Soc, 2008, 155: H202–H204 Xu X Y, Wang R S, Huang R, et al. High-performance BOI FinFETs based on bulk-silicon substrate. IEEE Trans Electr Dev, 2008, 55: 3246 Tian Y, Huang R, Wang Y Q, et al. New self-aligned silicon nanowire transistors on bulk substrate fabricated by epi-free compatible CMOS technology: Process integration, experimental characterization of carrier transport and low frequency noise. In: IEEE International Electron Devices Meeting, 2007. 895 Wang Y Y, ed., Huang R, Zhang X, Liu J H. Green Micro/Nano Electronics. Chap. 5. Beijing: Science Press, 2010. 311–349 Reddick W M, Amaratunga G A J. Silicon surface tunnel transistor. Appl Phys Lett, 1995, 67: 494 Liu H C, Huang R, Wang Z H. Investigation into the output characteristics and improvement of operation margin of IMOS (impact ionization MOS) devices. In: ECS Transactions, 2009. 21 Kam H, Lee D T, Howe R T, et al. A new nano-electro-mechanical field effect transistor (NEMFET) design for low-power electronics. In: IEEE International Electron Devices Meeting, 2008. 463 CSIA Report of the Development of Semiconductor Industry in Mainland China, 2009 Hickmott T W. Low-frequency negative resistance in thin anodic oxide films. J Appl Phys 1962, 33: 2669 Chua L O. Memristor—The missing circuit element. IEEE Trans Circ Theory, 1971, CT-18: 507 Wang Y Y, ed., Kang J F, Wang Y. Green Micro/Nano Electronics. Chap. 6. Beijing: Science Press, 2010. 367–370 Gao B, Zhang H W, Yu S, et al. Oxide-based RRAM: Uniformity improvement using a new material-oriented methodology. In: Symposium on VLSI Technology, Tech. Dig., 2009. 30 Zhang L J, Huang R, Gao D J, et al. Unipolar resistive switch based on silicon monoxide realized by CMOS technology. IEEE Electr Dev Lett, 2009, 30: 870 Gao D J, Zhang L J, Huang R, et al. A novel nitrogen-doped SiOx resistive switching memory with low switching voltages. In: 2010 Silicon Nanoelectronics Workshop, 2010. 51 http://www.nlc.gov.cn/index.htm Private Communication between Prof. Wang Yangyuan and Wu Hanming Yu H Y, Kang J F, Chen J D, et al. Thermally robust high quality HfN/HfO2 gate stack for advanced CMOS devices. In: IEEE International Electron Devices Meeting, 2003. 99 Liu X Y, Kang J F, Han R Q. Direct tunneling current model for MOS devices with ultra-thin gate oxide including quantization effect and polysilicon depletion effect. Solid State Commun, 2003, 125: 219–223 Wang Y Y, Wang Y W. The Road of Development for Integrated Circuits in Mainland China. Beijing: Science Press, 2008. 194 Wang Y Y, ed., Wu H M, Ji M H, Xiao D Y. Green Micro/Nano Electronics. Chap. 3. Beijing: Science Press, 2010. 216 Kang J F, Ren C, Yu H Y, et al. A novel dual-metal gate integration process for sub-1nm EOT HfO2 CMOS devices. In: 2004 International Conference on Solid State Devices and Materials (SSDM 2004), Tokyo, Japan, 2004. 15–17 Kang J F, Yu H Y, Ren C, et al. Scalability and reliability characteristics of CVD HfO2 gate dielectrics with HfN electrodes for advanced CMOS applications. J Electrochem Soc, 2007, 154: H927–H932 Loke A L S, Wetzel J T, Ryu C, et al. Copper drift in low-k polymer dielectries for ULSI metallization. In: 1998 Symp. on VLSI Technology Dig. of Tech. Papers, 1988. 26 Kawahara J, Shiba K, Tagami M, et al. Highly thermal-stable, plasma-polymerrized BCB polymer film (k=2.6) for Cu dual-damascene interconnects. In: 2000 Symposium on VLSI Technology Digest of Technical Papers, 2000. 20 Wang Y Y, Kang J F. Development of ULSI interconnect integration technology-copper interconnect with low-k dielectrics. Chinese J Semiconduct, 2002, 23: 1121 Tomioka K, Nakahira J, Kondo S, et al. Plasma cure process for porous SiOCH films using CF4 gas. In: SSDM, 2007. 266 Ponoth S, Horak D, Nitta S, et al. Self-assembly based air-gap integration. http://www.electrochem.org/meetings/scheduler/abstracts/214/2074.pdf, 214th ECS meeting, 2008 Nakamura N, Matsunaga N, Kaminatsui T, et al. Cost effective air-gap interconnects by all-in-one post-removing process. In: IITC, 2008. 193 The International Technology Roadmap for Semiconductors (ITRS) Roadmap. ITRS Roadmap 2009, http://public.itrs.net/ Vanleenhove A, Steenwinckel D V. A litho-only approach to double patterning. In: Proc of SPIE, San Jose, 2007. 6520, 65202F01-65202F10 Wang Y Y, ed., Li Z H, Wu W G. Green Micro/Nano Electronics. Chap.7. Beijing: Science Press, 2010. 435, 458 Geim A K, Novoselov K S. The rise of grapheme. Nat Mater, 2007, 6: 183 Geim A. Graphene: status and prospects. Science, 2009. 1530 Lin Y M, Dimitrakopoulos C, Jenkins K A, et al. 100-GHz transistors from wafer-scale epitaxial grapheme. Science, 2010, 327: 662