Beyond CMOS的一种选择
2022-01-16
14:00:18
来源: 半导体行业观察
在2021年的IEEE国际电子器件会议(IEDM)上，英特尔首次展示了一种功能性的MESO(磁电自旋轨道)晶体管。MESO是所谓的“超越CMOS”器件，也就是说，它代表了一种制造晶体管(以及计算机)的基本新方法，并使用了室温量子材料。MESO的效率可能比现有的晶体管高10到30倍，有助于推动多个行业的人工智能研究。
虽然仍处于研究阶段，但MESO将是自晶体管问世以来计算领域最大的进步，如果它实现商业化，可能会导致电气工程课程和教科书的修订。英特尔之前的理论研究表明，MESO可以在能耗和芯片领域比传统晶体管提供显著的进步。MESO可以使电路以仅100毫伏的电压运行，在人工智能芯片上的应用尤其有希望。
2021年，英特尔制定了到2025年的流程路线图，该路线图也将用于建立新的英特尔代工服务业务。在这一路线图中，最值得注意的是，在2024年，英特尔将通过引入RibbonFET和PowerVia对晶体管进行另一个重大革新。
虽然MESO仍是一项未来的技术，但它的意义重大，因为它是第一个(在已经研究的数十种替代物中)有可能取代——或至少是增强——传统半导体的晶体管。接下来的几节将深入探究MESO背后的物理学。
尽管计算在晶体管发明之前就已经存在了(通过诸如真空管之类的设计)，但直到晶体管发明之后，计算才开始呈指数级发展。这些设备的持续小型化导致了一种被称为摩尔定律的趋势。除了晶体管可以实现缩放之外，晶体管之所以如此成功的根本原因是，它们为电路设计师提供了一个开关，同时也提供了一个增益。此外，晶体管的制造是基于硅，硅是一种半导体，其性质可以通过掺杂来控制。也就是说，它的电导率可以通过在硅中插入(掺杂)杂质来精确测定。
这些年来，特别是当晶体管开始进入纳米尺度时，它已经看到了许多提高速度、减少功耗或泄漏的改进。其中最大的改进之一是将晶体管从平面器件转变为3D FinFET。在未来的几年里，这种结构将进一步得到改进，即栅极全方位晶体管，它的名字多种多样，如RibbonFET（英特尔）或MCBFET（三星）。
然而，尽管有这些变化，MOSFET的结构从根本上保持不变：通过晶体管通道的电流是通过施加电压到栅极来控制的。栅极本身与传导通道绝缘，因此电流只从输入流到输出。输入和输出触点称为源和漏点。
随着时间的推移，人们提出了各种替代结构。它们寻求实现与MOSFET相同的开关特性，但基于其他物理特性和机制。
从这个观点来看，MOSFET可以被归类为基于电荷的电子器件：它的工作是基于电子(静电)特性。同样在基于电荷的类别中，另一个已经被研究的器件是隧道场效应晶体管，它利用了隧穿的量子力学性质。其他设备类型包括轨道电子学、磁电子学和自旋电子学。
这些设备是物理学家和工程师的好奇之物，其中一些是否能够在大批量生产中取代硅。答案取决于半导体的基本工作原理，这就产生了一个基本的限制。
请记住，作为一个开关功能正常，一个需要获得一个显著的电流差异之间的通断状态。如上所述，这是通过对栅极施加电压来控制的。然而，当施加电压时，通过晶体管的电流不会任意变化。归根结底，半导体受到统计和热力学定律的限制：考虑到电子在室温下可用的热能，随着电压的降低，通过晶体管的电流可以减少多少有一个基本限制。
更具体地说，热力学定律对给定温度下电子可用的能量进行了分配(因为根据定义，温度仅指它们的平均能量)。这种分布的“尾部”呈指数衰减。所以当晶体管关闭时(将电压降低到阈值以下)，电流将随着电压的降低呈指数下降。至关重要的是，这种衰变的确切速率也取决于温度。
这一特性被称为阈下斜率（亚阈值斜率），它用增加或减少10倍电流需要多少毫伏来表示。(事实证明，准确的极限是~60mV/dec。)正是这个斜率决定了晶体管的最小工作电压。一个坡度更陡的晶体管将能够在更低的电压下工作，这将减少它的功耗，从而导致更高的能源效率和速度。但是因为这个斜率完全是由热力学决定的，唯一让斜率变陡的方法就是降低温度，这当然是不可行的。这种限制也被称为玻尔兹曼暴政。
因为传统CMOS器件的开关特性是由基础物理决定的(并受其限制)，唯一可能绕过这一障碍的方法是寻找基于不同物理机制运行的器件。这就是对非CMOS器件的吸引力所在。
尽管已经提出了大量传统晶体管的替代品，但硅几十年的研发已经使硅成为一种难以超越的材料。在2017年的一篇里程碑式的研究论文中，英特尔对大约24种非CMOS设备进行了基准测试。从总结图中可以看出，几乎没有什么设备比HP CMOS更快，只有少数设备比LP CMOS更低功耗。但总的来说，似乎没有任何一个候选品的速度更快，功率更低。如果没有对CMOS的实质性改进，花费数十亿美元研发这种适合大规模生产的新开关是否值得，这是值得怀疑的，因为成本等其他问题也可能会产生影响。
因此，考虑到CMOS和普通半导体的通用性，从低功耗到高性能，从模拟到射频，从高压到数字，目前的CMOS技术不太可能被完全取代。更确切地说，一种新技术可能会与CMOS相结合，这样一来，它就只能用于能够带来真正好处的系统中的电路。
最近，Intel发明了一种新型器件（MESO），并在2018年的一篇论文中提出。英特尔声称，与CMOS相比，它有潜力带来实质性的好处。因为它的工作电压仅为100mV，所以它的效率可以提高10到30倍。英特尔进一步宣称它可以将逻辑密度提高5倍。MESO设备还具有非易失性(这意味着当电源关闭时，它的状态是守恒的)，并具有自旋电子特性，这意味着可以实现适用于人工智能的新型电路。
“MESO就像一个晶体管，输入电压控制输出电流(所以它像MOSFET一样是电压输入和电流输出，但它的开关电压大约比MOSFET低10倍，”英特尔表示。“因此，电线的上摆幅电压只有MOSFET的10倍——这节省了电力。”
然而，虽然类似于晶体管，MESO晶体管的结构和物理与传统半导体完全不同，因为它大量使用了量子效应和材料。根据上面的beyond-CMOS分类，MESO使用了不少于三种类型的信息载体：电子学、磁电子学和自旋电子学。
然而，MESO最精妙之处在于，所有的复杂性都局限于器件本身：信息通过传统的基于电荷的互连方式进入器件，最后以电流的形式再次离开器件。在器件内部，电荷首先利用磁电效应转化为磁性，然后利用自旋轨道效应转化为电荷。设备和信息流如下图所示。
具体来说，设备架构的工作原理如下。输入是一个铁电电容器，连接到一个常规的基于电荷的互连。铁电材料是可以通过电流控制磁性的材料，这解释了电荷如何转化为磁性。(类似地，在电动机中，铁电材料可以通过磁性将电流转化为运动。)这种铁电材料反过来控制一个纳米或铁磁体，根据输入的不同，纳米或铁磁体会指向北方或南方。
虽然这个纳米磁铁代表了晶体管的输出状态，但它仍然需要转换回电流。这是通过一种叫做自旋轨道相互作用的量子效应实现的，或者更具体地说，逆Rashba-Edelstein效应。一般来说，自旋轨道相互作用指的是电子与磁场的相互作用(回想一下量子物理学，电子有一个称为自旋的内在磁矩)。更专业的描述是，它是“一个粒子的自旋与它在一个势域中的运动的相对论性相互作用”。Rashba-Edelstein效应是一种将电荷转化为自旋的机制，因此反向效应实现了从自旋到电荷的预期转换。当电流(上图中的issupply)通过纳米磁铁时，由于反向的Rashba-Edelstein效应，输出将是正电流或负电流，这取决于纳米磁铁的方向。
由于纳米磁铁具有阈值特性，因此获得了开关特性：输入电压控制纳米磁铁(通过铁电材料)，它将指向北方或南方，然后将导致正或负的输出电流。
要用这些设备制作电路，只需将一个设备的输出连接到下一个设备的输入即可。例如，第一个装置中的正输出电流将对第二个装置的铁电输入电容器充电，而负电流将使其放电。有趣的是，阈值特性还可以通过使用多个电压作为输入来构建“多数门”。顾名思义，如果多数输入为1，多数门将输出1。这可能是英特尔声称密度提高5倍的原因：从自旋电子学更广泛领域的研究中，我们已经知道，使用多数门的电路可以比传统CMOS电路更小(需要更少的晶体管)。
综上所述，输入电荷通过铁电材料转化为磁性“信号”，铁电材料控制纳米磁铁。这种纳米磁铁将根据量子效应决定输出电荷，这种量子效应将自旋(由纳米磁铁诱导)转化为电荷。在与电动机的类比中，就像输入电流控制电动机一样，这是在同一时间被用作一个发电机，将运动转换回电力(就像在一个风力涡轮机)。
英特尔在2018年强调，室温量子材料的相关氧化物”和“物质的拓扑状态”是实现这一设备的主要障碍“。
在更广泛的超越CMOS的设备环境中，由于传统的电子器件是基于电荷而不是自旋/磁性，MESO解决了设备读取的基本问题，因为它可以在输出端转换回电荷。2018年的论文中写道:“通过Rashba-Edelstein或拓扑二维电子气体在拓扑物质中发现了强自旋-电荷耦合，这使得电荷驱动、可扩展逻辑计算设备的提议成为可能。”相比之下，在传统的自旋电子学中，自旋通过互连以指数方式衰减。
在更专业的术语中，晶体管自旋的使用被称为“集体状态开关”，其输出依赖于一个“集体顺序参数”，该参数可以有两个值(±)，在实践中，这只是指自旋向上或向下。由于有两种可能的输出，这确实是一个开关，但它使用的不同机制(基于顺序参数)克服了困扰传统电子设备的玻尔兹曼暴政。
上图显示了英特尔2018年32位ALU的基准测试结果(基于模拟)。MESO在比CMOS高压和低压更低的功率密度下获得了更高的吞吐量密度(TOPS/平方厘米)。
除了更低的工作电压，英特尔表示，不同的晶体管结构还允许在互连方面的改进，电阻和电容要求比传统互连低100倍，这反过来又将互连功率减少10倍。这也可能有助于提高MESO的效率，因为现代芯片的互连可能会消耗总功率的50%以上。此外，英特尔已经证明，MESO器件的特性随着设备进一步缩小(遵循立方趋势)而改善，而且MESO还承诺与CMOS的集成和兼容性。
英特尔的原始文件包括各种目标规格，以达到1aJ/bit的设备。英特尔声称这比CMOS低30倍，这似乎在一个大致的范围内，因为在旧的45nm工艺技术中，另一个源提供了~144aJ/bit的下限。虽然提供了1aJ/bit作为目标，但在论文中也进一步提到了从0.1到10aj /bit的估计值。
这些设备规格如何转化为芯片规格，使电路运行在GHz级频率(如果这在MESO上可行的话)，还有待观察。相比之下，目前最先进的商用NPUs(神经处理单元)在INT8精度下可达到10 TOPS/W，即100 fJ/指令或大约10 fJ/bit。这意味着在其最有效的电压-频率工作点上，电路级别比单个逆变器的效率低~100倍。
在2019年接受VentureBeat采访时，英特尔特别指出，人工智能是MESO设备的一个有前途的应用，而不是CPU。这是基于几个原因。
首先，考虑到MESO器件的低工作电压，它可能与CMOS电路的高频不匹配。相反，MESO可能最适合AI和图形等依赖于高度并行操作的应用程序，这些操作单独运行的速度比CPU要低。
其次，人工智能可以利用MESO的不同开关特性。特别是，深度学习适用于大多数可以用MESO制作的门。因此，通过设计利用多数门的电路，神经网络可以用更少的晶体管实现:“多数门是神经元的近邻。深度神经网络是关于神经元和权重的。我们已经发现这种MESO技术和可以做多数门的东西在人工智能领域非常有吸引力。”“使用MESO磁铁，可以通过‘多数门’或阈值门引入多个输入。这类似于神经网络如何使用权重来表示节点的影响。”
英特尔副总裁阿米尔·科斯罗萨西(Amir Khosrowshahi)在接受VentureBeat采访时表示，这可能还有一个更实际的原因:“在制造硅芯片时，CPU是最常见的东西，但奇怪的是，它却是最难制造的东西。”“但在人工智能中，它的架构更简单。人工智能有规律的模式，主要是计算、互联和记忆。此外，神经网络对基体本身的不均匀性非常宽容。所以我觉得这种技术在人工智能领域的应用将比预期的更快。到2025年，它将成为最重要的事情。”
至于MESO的商业化，考虑到将一项全新技术投入生产所涉及的诸多挑战，2025年的时间可能是雄心勃勃的。例如，即使是对标准晶体管的改进，也常常需要10年以上的时间才能投入生产。
根据上面的讨论，有两个选择。MESO既可以作为传统CMOS电路的替代制造技术，也可以成为完全取代CMOS的目标，就像FinFET在前沿完全取代传统平面晶体管一样。值得注意的是，据英特尔称，MESO取代CMOS的一个关键原因是其功率效率的大幅提升。因为MESO需要MOSFET的时钟和功率门控其驱动电流，它不需要直流电流运行。因此，与CMOS相比，MESO具有更低的功率电压，功耗更低，英特尔声称。
在前一种情况下，英特尔可以使用MESO晶体管制造芯片，并将其连接到常规的CMOS芯片上。这类似于英特尔在硅光子学(使用旧工艺技术)或3D XPoint存储器方面也有独特的晶圆厂。
在后一种情况下，英特尔已经在今年早些时候制定了它的多年路线图，这使得MESO不太可能在这十年实现商业化。根据该路线图，英特尔将在2025年推出18A节点，这将是第一个使用ASML的下一代(超过3亿美元)高NA EUV光刻工具。它将是20A的继承者，英特尔计划在20A上引入RibbonFET和PowerVia。
RibbonFET代表了自2012年3D FinFET以来晶体管的最大变化，但它仍将是一个渐进的变化。RibbonFET扩展了FinFET，它将栅极完全包裹在晶体管周围，而不是仅仅在三个侧面有一个鳍。此外，多个色带(一起组成一个晶体管)可以垂直堆叠，减少每个晶体管的面积(从而推进了摩尔定律)。其次，PowerVia代表了Intel对后端电力传输网络的实现。这意味着晶体管的功率传输将从芯片下方进行，而晶体管之间的常规互连将保持在晶体管上方。
因此，如果FinFET使用的长度有任何迹象的话，英特尔很可能会在RibbonFET被要求引进新技术以跟上摩尔定律之前，进一步开发几代RibbonFET。例如，Intel已经演示了将PMO和NMOS带状FET堆叠在彼此的顶部。这本身几乎可以使晶体管密度加倍。
然而，随着MESO目前的迭代，英特尔似乎打算让MESO和CMOS“共存于同一块芯片上”。在这种互补关系中，MESO旨在监督和提高高能耗工作负载的效率，而CMOS将专注于支持需要高速的操作，如时钟和模拟电路。英特尔表示，到目前为止，“MESO是CMOS工艺流程的附加组件，不包括在标准CMOS一代的定义中。”“它可以添加到任何CMOS一代，并提供可扩展的能效提升。”
在2021年的IEDM大会上，英特尔与几个学术界合作，展示了第一个MESO设备的实验实现，这使它离商业化又近了一步。
它还提供了一些更深入的材料使用。作为输入，磁电层由铋铁氧体(BiFeO3)组成，这是一种钙钛矿氧化物。磁铁是一种“纳米结构的CoFe元素”，输出是一个Pt元件。
使MESO设备成为现实的最大挑战是转换回充电。为了使电路工作，读出的电压必须与写入的电压相同。然而，正如在2020年的一篇论文中详细描述的那样，该读数器只能在10nV时工作，但后来已经改进到100uV。
在未来，英特尔打算继续改进这个电压读数。在IEDM上，该公司声称已经找到了一种试验性的方法，可以实现“100mV输入电压切换(使用更薄的多铁氧化物BiFeO3及其掺杂)和100mV输出电压驱动容性负载(使用更好的量子材料，如拓扑材料、二维电子气体和功能氧化物)”。
英特尔表示:“随后，MESO设备将进一步扩展到10纳米级，并使用MESO制造电路。”
EDM作为一个以研究为导向的工程会议，让人们对未来有了一个大致的了解，英特尔还发表了几篇论文。
除了MESO之外，最重要的一项是一种名为混合键合的芯片封装技术:英特尔已经宣布将继续使用这种技术，并将其命名为Foveros Direct。Foveros是英特尔3D封装技术家族的名字。英特尔常规的Foveros使用35-45微米的铜凸起。相比之下，杂化键将其缩小到10um，甚至更低。例如，台积电也开发了混合键合技术(将用于未来的AMD CPU)，并表示未来几十年该技术可能会继续缩小。这样做的好处是互连密度更高。
在纳米技术中，有两种方法来改进电子技术。首先，大多数研发都用于开发下一代传统电子产品，这使得摩尔定律得以延续。由于摩尔定律是一个指数趋势，这是成功的。另外，研究人员已经并正在研究一系列所谓的超越CMOS器件，这些器件基于其他物理机制，具有不同的性能。考虑这些替代设备架构的主要原因是为了绕过传统电子学瓶颈的“玻尔兹曼暴政”，从而大幅提高计算的能源效率。
在过去的几年里，MESO已经成为这一研究的领跑者。它的吸引力来自于它的结构，它使用传统的电子输入和输出，但要转换成磁性，然后再充电，这是在设备本身进行的。此外，作为一种自旋电子器件，MESO可用于构建多数门。这使得它特别适合于人工智能的应用，因为与标准CMOS相比，制造这种电路所需的晶体管更少。再加上它的低工作电压可能只有100mV, MESO可以在能源效率上实现步进式的提升。
为此，英特尔最近展示了该器件的首次实验性实现，这表明它正在继续取得进展，将其转变为一种技术，有一天可能取代或至少增强CMOS，成为最先进的工艺技术。
*免责声明：本文由作者原创。文章内容系作者个人观点，半导体行业观察转载仅为了传达一种不同的观点，不代表半导体行业观察对该观点赞同或支持，如果有任何异议，欢迎联系半导体行业观察。
今天是《半导体行业观察》为您分享的第2922内容，欢迎关注。
『
半导体第一垂直媒体
』
实时 专业 原创 深度
识别二维码
，回复下方关键词，阅读更多
晶圆｜集成电路｜设备
｜汽车芯片｜存储｜台积电｜AI｜封装
回复
投稿
，看《如何成为“半导体行业观察”的一员 》
回复
搜索
，还能轻松找到其他你感兴趣的文章！
责任编辑：Sophie
