下一代晶體管王牌：何種技術(shù)領(lǐng)跑22nm時(shí)代？

在22nm，或許是16nm節(jié)點(diǎn)，我們將需要全新的晶體管。而在這其中，爭(zhēng)論的焦點(diǎn)在于究竟該采用哪一種技術(shù)。這場(chǎng)比賽將關(guān)乎到晶體管的重新定義。在22/20nm邏輯制程的開(kāi)發(fā)中，業(yè)界都爭(zhēng)先恐后地推出各種新的晶體管技術(shù)。英特爾三柵極（tri-gate）元件已取得重大進(jìn)展。許多研究人員也正努力推動(dòng)FinFET元件的研究工作。而包括ARM在內(nèi)的多個(gè)主要的歐洲組織，以及美國(guó)的Globalfoundries則專(zhuān)注于研發(fā)完全耗盡型SOI（fully-depletedSOI，F(xiàn)DSOI）技術(shù)。不過(guò)，最近新創(chuàng)業(yè)者SuVolta和富士通也提出了另外一種嶄新的選擇。

晶體管設(shè)計(jì)會(huì)對(duì)所有下游的設(shè)計(jì)工作帶來(lái)深遠(yuǎn)影響──從制程設(shè)計(jì)到物理設(shè)計(jì)都包括在內(nèi)，其涵蓋領(lǐng)域甚至包含了邏輯設(shè)計(jì)師在功率和時(shí)序收斂方面的權(quán)衡。

問(wèn)題在哪里？

為何制程工程師們痛下決心革新晶體管設(shè)計(jì)？最簡(jiǎn)單的回答是短溝道效應(yīng)。不斷追逐摩爾定律（Moore‘sLaw）的結(jié)果是MOSFET溝道長(zhǎng)度不斷縮減。這種收縮提高了晶體管密度，以及其他的固定因素和開(kāi)關(guān)速度等。但問(wèn)題是，縮短這些溝道卻也帶來(lái)了諸多嚴(yán)重問(wèn)題。針對(duì)這些問(wèn)題，我們可以簡(jiǎn)單地歸納為：當(dāng)漏極愈接近源極，柵極便愈來(lái)愈難以?shī)A斷（pinchoff）溝道電流（圖1）。這將導(dǎo)致亞閾值漏電流。

自90nm節(jié)點(diǎn)以來(lái)，這場(chǎng)對(duì)抗漏電流的戰(zhàn)役已經(jīng)持續(xù)許久。向全high-k/金屬柵極（HKMG）的轉(zhuǎn)移，讓柵極能在不讓漏電流失控的情況下更好地控制溝道電流。但到了22nm節(jié)點(diǎn)，許多人認(rèn)為，平面MOSFET將輸?shù)暨@場(chǎng)戰(zhàn)役。目前還沒(méi)有辦法在足夠的性能條件下提供良好的漏電流控制。“HKMG解決了柵極漏電流，”一位專(zhuān)家表示?！艾F(xiàn)在，我們必須解決溝道漏電流了?！?BR>
平面晶體管：又一次？

并非所有人都同意平面MOSFET將走入歷史。其中最主要的代表是臺(tái)積電，該公司2月起在20nm制程中采用平面晶體管。但此舉召來(lái)了許多強(qiáng)烈反對(duì)，包括來(lái)自Globalfoundries的警告。設(shè)計(jì)人員對(duì)短溝道平面MOSFET的所有缺點(diǎn)都已經(jīng)很熟悉了?？磥?lái)，重新調(diào)整單元庫(kù)和硬IP模組還比較干脆。漏電流和閾值的變異或許會(huì)比在28nm時(shí)更糟，但設(shè)計(jì)師們現(xiàn)在有了更多可用工具，包括改進(jìn)過(guò)的電源管理、變異容錯(cuò)電路，以及統(tǒng)計(jì)時(shí)序分析等，都可協(xié)助他們應(yīng)對(duì)這些問(wèn)題。而當(dāng)把所有問(wèn)題端上臺(tái)面時(shí)，代工廠必須知道，他們的主要客戶──FPGA供應(yīng)商、網(wǎng)絡(luò)IC巨擘，甚至包括ARM在內(nèi)，會(huì)提出什么樣的問(wèn)題。

不過(guò)，仍有許多人持懷疑態(tài)度。“臺(tái)積電表示會(huì)在20nm節(jié)點(diǎn)使用替換性金屬柵極（replacement-metal-gate）平面制程，”Novellus公司副總裁GirishDixit觀察道，“但這個(gè)決定可能已經(jīng)改變。HKMG可以控制漏電流，但平面晶體管仍然具有I-on/I-off特征缺陷?！比襞_(tái)積電的早期采用者發(fā)現(xiàn)自己因?yàn)槠矫婢w管而處于競(jìng)爭(zhēng)劣勢(shì)，他們可能會(huì)逼迫這家代工巨擘改采FinFET半節(jié)點(diǎn)。而這種對(duì)峙態(tài)勢(shì)也可能出現(xiàn)在移動(dòng)市場(chǎng)，在這個(gè)領(lǐng)域，ARM的無(wú)晶圓硅晶伙伴們將面臨來(lái)自英特爾采用最新22nm三柵極Atom處理器的競(jìng)爭(zhēng)。

Fin的崛起

有關(guān)下一代晶體管的爭(zhēng)論已經(jīng)持續(xù)了10年之久，但英特爾在五月宣布的22nm三柵極制程象征著新晶體管技術(shù)的一大進(jìn)展。不過(guò)，英特爾的大動(dòng)作或許是為了回應(yīng)ARM在移動(dòng)領(lǐng)域的快速擴(kuò)張態(tài)勢(shì)，而非完全著重在原先對(duì)新晶體管技術(shù)的電路設(shè)計(jì)、大幅降低訊號(hào)雜訊的討論范疇之中。