Vuotovirtojen hallinta mikropiirien skaalautuessa

Abstract

Vuotovirtojen lisääntyminen on keskeinen ongelma teknologian skaalautuessa pienempiin kokoluokkiin. Etenkin lyhytkanavailmiöistä ja mikropiirikomponenttien korkeista lämpöti-loista johtuneet vuotovirrat vaativat jatkuvaa innovaatiota ja kehitystä puolijohdeteollisuu-delta, jotta teknologian skaalautumista voitaisiin jatkaa. Tässä tutkielmassa perehdytään vuotovirtojen aiheuttajiin nykyaikaisissa, uuden sukupolven mikropiireissä, etenkin lyhyt-kanavailmiöihin ja lämpöongelmiin, ja niihin keksittyihin ratkaisuihin etenkin 2 nm-prosessisolmussa. Lisäksi erilaisia komponentteja ja arkkitehtuureja vertaillaan toisiinsa vuotovirtojen, lyhytkanavailmiöiden sekä lämmöntuotannon suhteen. Työ on toteutettu kirjallisuuskatsauksena, perehtymällä aihetta käsitteleviin, lähivuosina julkaistuihin tutkimuksiin ja artikkeleihin. Ensin käsitellään erilaisia lyhytkanavailmiöitä, sekä esitellään transistoriarkkitehtuurit GAAFET ja CFET. Seuraavaksi käsitellään lämmön vaikutusta vuotovirtoihin sekä FETin itselämpenemisilmiötä, ja esitellään etenkin TSMC:n 2 nm-prosessin tehonsyötössä esiintyviä lämpöongelmia. Lopuksi pohditaan puolijohdete-ollisuuden tulevaisuuden kehityssuuntia. Tutkielma osoittaa kuinka verrattuna aikaisemmissa prosessisolmuissa yleisesti käytössä olevaan FinFETiin, GAAFET vähentää lyhytkanavailmiöitä jopa 50 %. CFET-rakenteen todetaan mahdollistavan kaksinkertainen vähennys transistorien pinta-alassa, lisäämättä vuotovirtoja. Tehonsyöttöjärjestelmät ovat lämmöntuotannon kannalta ongelmallisia hyvin skaalautuneissa piireissä. Etenkin TSMC:n 2 nm-prosessisolmussa käytössä oleva piikie-kon takapuolen tehonsyöttö, mikä voi nostaa piirin lämpötilan 100 celsiusasteeseen. Tule-vaisuuden kehityssuuntana alan tulisi keskittyä viilennysjärjestelmiin, sekä vaihtoehtoisten puolijohdemateriaalien käyttöönottoon.