Redian新闻
>
小连接中的大难题

小连接中的大难题

公众号新闻

随着不断迫近摩尔定律的极限,元件的连接越发复杂。

随着不断迫近摩尔定律的极限,互连,也就是连接集成电路上晶体管的超薄金属线,正在成为行业的一大瓶颈。

“大约20到25年来,铜一直是互连的首选金属。然而,我们正在接近铜缩放尺度放慢的临界点。”IBM的高级互连缩放尺度首席工程师克里斯•彭尼(Chris Penny)在2022年12月的IEEE国际电子器件大会(IEDM)上说,“这为替代导体提供了机会。”

钌是一种领先的候选者,因为,作为横截面最小的互连,它可以提供比铜更好的导电性。但将一种金属换成另一种金属并不简单,这些新的互连需要不同的形状和更高的密度,还需要更好的绝缘,以免信号削弱电容带走所有优势;甚至是互连的走向也会发生变化。

用于构建铜互连的旧规则不适用于钌。铜互连使用的是所谓镶嵌工艺。首先,芯片制造商使用光刻技术将互连的形状刻蚀到晶体管上方的绝缘层中。然后,沉积一个衬垫和一种防潮材料,防止铜原子漂移到芯片的其他部分,避免损毁整个芯片。然后,用电镀到晶圆上的铜填充沟槽。实际上,可能会填充太满,因此必须擦去多余的铜。

彭尼说,所有额外的材料,包括衬垫和防潮材料,占据了高达50%的互连体积。因此如果导电部分变窄,电阻会增加。不过,IBM和三星的研究人员已经找到了一种方法,构建紧密间隔、低电阻钌互连,这种互连不需要衬垫或防潮材料。这种工艺被称为间隔辅助双重光刻(SALELE),顾名思义,它依赖于极紫外的双重光刻。它不是填充电介质中的沟槽,而是在金属层上刻蚀出钌互连,然后用电介质填充缝隙。

研究人员采用高而薄的水平互连实现了最佳电阻。不过,由此增加了太多的电容。幸运的是,由于SALELE在水平互连的顶部而非下面构建过孔垂直互连,因此细长的钌线缝隙空间很容易被空气填充,而空气是最好的绝缘体。对于这些又高又窄的互连而言,“增加气隙的潜在益处是巨大的……可以减少30%的线路电容。”彭尼说。

SALELE工艺“为实现1纳米及以下的工艺提供了路线图”,他说。

英特尔计划最早于2024年将电源互连从硅表面转移到硅底面,从下面接入晶体管。这种背面电源输入有两个主要优点。首先,它让电流通过更宽、电阻更小的互连,可减少功率损耗。此外,它在晶体管上方为传送信号互连腾出了空间,这意味着逻辑单元可以更小。(详情请参阅《来自下方的电源》)。

在2022年的IEEE国际电子器件大会上,微电子研究中心(Imec)的研究人员宣布了一些方法,可以将电源网络的端点更靠近晶体管,而且不会破坏这些晶体管的电子特性。不过他们也报告了一个有点麻烦的问题,即用在3D芯片堆叠时,背面电源可能会导致热量聚集。

首先是好消息,微电子研究中心的研究人员发现,即使在晶体管沟道区域右侧(尽管仍在其下方几十纳米)构建了功率传输轨道,晶体管也能正常工作。这可能意味着能实现更小的逻辑单元。

而坏消息是,在另一项研究中,微电子研究中心的工程师模拟了同一款未来CPU的几个版本,发现了一些令人不安的问题。有些模拟采用了目前的正面电源网络,其中数据和电源的互连都建立在硅上方的层面中。有一些则采用了背面电源网络。其中一个是由两个CPU面对面粘合而成的3D堆叠,底部是背面电源,顶部是正面电源。

2D CPU模拟证实了背面电源的优势。与正面电源相比,它能够将电源功率的损失减少一半。瞬态电压下降也不明显。更重要的是,CPU面积缩小了8%。然而,背面芯片最热部分与其边缘的温差比正面芯片最热部分与其边缘的温差增加了约45%。可能的原因是,为了保持稳定,背面电源要求将芯片削薄到需要与单独硅片粘合。这种粘合起到了绝缘体的作用,从而将热量困在了芯片内部。

真正的问题出现在3D集成电路上。顶部CPU必须从底部CPU获得电源,但到达顶部的长连线产生了不良的后果。虽然底部CPU的电压仍比正面芯片稳定,但顶部CPU的表现要差得多。而且3D集成电路的电源网络消耗的功率超过了单个正面芯片的电源网络所消耗功率的2倍。更糟糕的是,热量无法很好地从3D堆叠中排出,底部最热部分的温度几乎是单个正面CPU的2.5倍。虽然顶部CPU的温度低一些,但也没有低很多。

微电子研究中心的背面电源网络项目负责人兼高级研究科学家陈荣梅在IEEE国际电子器件大会上告诉工程师,应当承认3D集成电路模拟有些不切实际。将两个完全相同的CPU堆叠在一起的情形不太可能发生。(更常见的是将内存与CPU堆叠在一起。)“这并不是一种很公平的比较。”他说,但却指出了一些潜在的问题。

作者:Samuel K. Moore

微信扫码关注该文公众号作者

戳这里提交新闻线索和高质量文章给我们。
相关阅读
双林奇案录第三部之长命锁: 第十二节中国无人机被禁用,美国将面临重大难题!刘元春:中国经济面临七大难题81人死亡,数百人失踪:希腊近年最大难民沉船事件营销数字化步入“深水区”,破解车企营销“四大难题”大难不死必有后福!重庆殡仪馆9岁男孩在火化前被人救出警报!未来数年,加拿大人面临几大难题,事关每个人的生活...杨奎松:我在台北看档案(离奇,但事实如此)大难不死的孩子,如何回报世界?微软停止俄罗斯服务,灾难性打击,俄罗斯面临巨大难题咨询行业的大变革时代即将到来?麦肯锡&埃森哲的大裁员只是一个开端 | 人工智能 X 咨询行业宾州长木公园,春的气息纽约人注意!加大难度!粮食券重大改革,必须有这个证明!!2年产品,还是把握不好用户需求!这5大难题你能应对吗?女儿要上小学了才知道,娃在幼儿园无所谓的三件事,入学后可能会变成大难题....为什么体检时,接尿一定要接中间那一段?加大难度!纽约粮食券重大改革,必须有这个证明做了2年产品,需求分析却险象环生!5大难题你能应对吗?特价机票:全线6折!西南航空庆典再来~ 除了度假和通勤,衔接中美航班也能用。太快了!集束炸弹已到货,俄罗斯的大麻烦,乌克兰的大灾难!“毒舌”尔冬升,点出香港电影的大难题大难不死!美女子遇恐怖雷击 遭9.5亿伏特击中身体 手表瞬间融化面试官:什么是 TCP 长连接、短连接?问倒一大片。。。难得一见的三星堆立体书,可解决了家长的大难题PubMed检索加上CNKI,搞定文献阅读与检索过程中的99%的难题德州妇在家遭「毒蛇、猎鹰」夹攻 大难不死自称最幸运的人高通中国区董事长孟樸:技术乐观主义者眼中的连接、智能、革新财报周热潮继续:苹果股价料「更上一层楼」?辉瑞「大难临头」?回国:进关被叫进了小屋大难不死!美13岁男童坠落30m山崖,脊椎9处骨折捡回一命这三类精英职业,居然是移民老大难恐怖!悉尼男子走在街上遭人枪击!大难不死逃过一劫!周围屋主“躺枪”!惨被射伤!开启庆祝生日模式:小龙虾宴鸡胚,竟然解决了流感病毒培养大难题 | 医学有故事 13震撼来了!欧洲汽车市场如何迎接中国新能源冲击? | 陈经
logo
联系我们隐私协议©2024 redian.news
Redian新闻
Redian.news刊载任何文章,不代表同意其说法或描述,仅为提供更多信息,也不构成任何建议。文章信息的合法性及真实性由其作者负责,与Redian.news及其运营公司无关。欢迎投稿,如发现稿件侵权,或作者不愿在本网发表文章,请版权拥有者通知本网处理。