晶片變小會有漏電問題,台積電如何克服?用水管的比喻,帶你看懂電晶體微縮技術

2024-04-17 10:40

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到了2nm世代,就需要能更為提高閘極控制力的構造。因此研究開發出了閘極圍繞著通道的構造。這就是GAA(Gate All Around)(圖3-3右)。給予被閘極包圍住的薄通道以足夠大的電流時,電流一定要是能流動的。因此就進行了材料物性的研究。

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為了讓大家能有個具體的想像,我們果斷地使用以下的比喻吧。我想停下軟管的水。以前都是用食指壓住軟管上方來停止(平面型)。但那樣做會有水漏出來,所以接下來,我使用了拇指與食指,從兩側夾住軟管(FinFET)。最後則是用五根手指抓住了軟管(GAA)。

圖3-3:電晶體的構造改革(圖/時報出版)
圖3-3:電晶體的構造改革(圖/時報出版)

配線的構造改革

一旦增加了電路的集積度,晶片的消耗電力就會增加,發熱量也會增加。為了不讓溫度上升的晶片故障,就要決定好電力的容許範圍。

要能不增加電力地提高集積度,降低電源電壓是很有效的。只要把電源電壓降到一半,就能減低CMOS電路消耗的電力到四分之一,所以就能提高集積度到4倍。1980年代的電源電壓是5伏特,而現在則是0.5伏特。就理論上來說,處在室溫下時,能將電源電壓降低到0.036伏特。

但是,在這之前有個很大的問題,那就是電源的配線。

電力是由電壓以及電流的乘積來決定。若要提升集積度又不增加電力而降低電壓,電流就會增加。例如電力是50瓦特時,若電壓是5伏特,電流就會是10安倍,但若將電壓降低0.5瓦特,電流就變大到100安倍。

微波爐以及電熱鍋是10安倍。那麼我們要如何將那十倍大的電流供給給1cm四方形的小晶片呢?

為此,就要將電源配線做得又大又厚不可。結果晶片的電源配置就與微細化背道而馳,變得又厚又多層。在1980年代,半導體基板上所形成的配線層就有2~3層,而最近則是超過了15層。

低層是用短距離配線、中層用遠距離配線,至於上層則使用電源配線。如同人體微血管到大動脈那樣,有各種配線覆蓋住整個晶片。

愈是將電晶體微細化,電源配線就愈是要又粗又厚不可。要解決這樣的兩難,就要著手進行構造改革,將電源配線埋在半導體基板中,並從晶片的內側供給電源。

界限說的趨勢

微細化差不多要到極限了。很久之前就有這樣的說法。

其實自1980年代起就不斷重複出現這樣的說法。可是,實際上,我們已經克服了那樣的說法,至今仍持續在進行微細化。

也有人把這件事揶揄為界限說的趨勢。也就是說是在諷刺「10年後就是極限」的主張已經頻繁持續了超過40年。可是從別的觀點來看,如果就這樣發展下去,我們很清楚10年後會出現什麼樣的極限,所以可以說是已經跨越了那樣的界限。

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