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技术博客

实现更优化,才能更优秀!第二章

- 通过三星电子晶圆代工事业部的 DTCO 来优化 GAA MBCFET™ PPA

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1. 介绍 4 月 26 日,三星电子晶圆代工事业部在 IEEE(Institute of Electrical and Electronics Engineers,电气与电子工程师协会)举办的 CICC(Custom Integrated Circuits Conference,定制集成电路会议)中发表了论文“3nm Gate-All-Around (GAA) Design-Technology Co-Optimization (DTCO) for succeeding PPA by Technology GAA,应用GAA结构的3纳米晶体管工艺来实现PPA更优化”。为了加深大家对论文的理解,我们特地写了这篇文章,主要介绍通过DTCO将 3nm GAA MBCFET™ 的 PPA 优势发挥到更大限度。 2. MBCFET™ 的 PPA 更优化:DTCO 在上一篇文章中,我们介绍了 DTCO(设计工艺协同优化,Design-Technology Co-Optimization)这一通用术语,它是对实现 PPA (Power(功耗)、Performance(性能)、Area(面积))更优化活动的统称。从 PPA 的角度来看,三星的 GAA MBCFET™ 具有许多优势,而 DTCO 的核心目标便是通过更优化将这些 PPA 优势发挥到更大。那么,在正式讲解 MBCFET™ 的 DTCO 之前,我们先来详细了解一下 DTCO 到底是什么。 3.三星的 DTCO 是什么 - 研制优质融合食谱的大厨! DTCO 是一项去寻找兼顾工艺和设计最优点的活动,从而将我们拥有的技术力量以更佳的组合形式提供给客户。让我们分别从 Power(功耗)、Performance(性能)和 Area(面积)这几个方面来了解一下它的具体活动。

A. 实现优化后更小的面积 我们首先从 Area(面积)的角度来探讨 DTCO。字面意思不难理解,这项活动的核心是减小面积。也就是寻找一种方案,在将 Power(功耗)或 Performance(性能)受到的不良影响降到更低的同时减小面积。
我们来借助图[1], 图[2], 图[3]进行说明。.

图[1] 连接两个晶体管的 Inverter(逆变器)电路图
图[1] 连接两个晶体管的 Inverter(逆变器)电路图
图[1] 连接两个晶体管的 Inverter(逆变器)电路图
图[2] 将电路图制成 FinFET 结构晶体管的实际效果
图[2] 将电路图制成 FinFET 结构晶体管的实际效果
图[2] 将电路图制成 FinFET 结构晶体管的实际效果
图[3]前一实际效果的上方俯视图 (Layout)
图[3]前一实际效果的上方俯视图 (Layout)
图[3]前一实际效果的上方俯视图 (Layout)

将图[3] 中的 1~8 因素全部更小化是减小区域大小的最简单方法。但是,考虑到用途和工艺能力,每个结构的大小都有最低限制,而它们的大小变化也会引起性能影响因素(Resistance 或 Capacitance)的变化。鉴于此,DTCO 将在同时考虑工艺和设计的前提下来确定更优的大小和距离。 即,DTCO 通过更优化确保了更小的区域。 B. 实现更优化后的低功耗 我们在上一篇文章中提到过,Power(功耗)是电压和电流的乘积。这里的功耗与 Performance(性能)有着非常紧密的关系。优良的性能是指,可以流过大量电流并提高电路运行速度的状态。 然而,性能与功耗往往是成反比的。这是因为,若要允许大量电流流过或是进行更优的控制,通常需要大电压来支持。就像我们打开渡槽比打开水龙头所需的力更多一样。尽管如此,我们仍需要寻找在相同性能标准下降低功耗的方案。来看图[4] (a) 的水龙头,我们应该需要耗费很大的力气才能打开和关闭它。怎样才能用很小的力气就打开它呢?图[4] (b) 中给出了答案,那就是借助手柄这种工具。

图[4] 需要 (b) 图的手柄等辅助器具来打开水龙头 (a)。
图[4] 需要 (b) 图的手柄等辅助器具来打开水龙头 (a)。
图[4] 需要 (b) 图的手柄等辅助器具来打开水龙头 (a)。

芯片的设计也是同理。为了保证每个晶体管都能正常工作,且芯片在低电压下也执行相应的功能,就需要辅助器件。就如同手柄也因外形和材质的不同而五花八门一样,不同形态的器件也分别拥有不同的 PPA 优势。 我们通过 DTCO 寻找到了其中相对具有更优 PPA 的辅助器件,并将其应用到我们的产品中。实现了更优的低功耗。图[5]

图[5] 各辅助设备 (Assist) 的 PPA 分析
图[5] 各辅助设备 (Assist) 的 PPA 分析
图[5] 各辅助设备 (Assist) 的 PPA 分析

C. 实现更优化的高性能 最后,我们从 Performance(性能)的角度来了解一下 DTCO。若要实现 高性能,需要通过 DTCO 在芯片设计过程中尽量减少影响性能的意外因素(Resistance 或 Capacitance 等)。我们通过一个例子来对电阻 (Resistance) 进行说明。 电阻随着沟道的变长和变窄而增加,从而导致性能的降低。就如同在水量相同的前提下,水道越窄或是越长,流过水道所需的时间就越多。

图[6] 以水道为例比较电阻(b 的电阻最小,c 最大)
图[6] 以水道为例比较电阻(b 的电阻最小,c 最大)
图[6] 以水道为例比较电阻(b 的电阻最小,c 最大)

图[7]为电流流过的沟道,即配线。如上例所示,当电流从 ⓐ 流向 ⓑ 时,缩短沟道会降低电阻,从而提升性能。再来看图[7]的 (a),蓝色层 (Layer1) 和绿色层 (Layer2) 只能分别提供横向和纵向的沟道,这在设置最短沟道时是不合理的。但是,(b) 中的蓝色层 (Layer1) 可同时提供横向和纵向的沟道,因此可以通过短沟道来降低电阻。

图[7] (a) 各层只能提供一个方向的沟道 (b) 可提供两个方向的沟道
图[7] (a) 各层只能提供一个方向的沟道 (b) 可提供两个方向的沟道
图[7] (a) 各层只能提供一个方向的沟道 (b) 可提供两个方向的沟道

随着晶体管越来越小,这种 DTCO 活动的重要性也日益凸显。这是因为,对于小而灵敏的晶体管而言,很小的变化也会产生较大的影响。于是,DTCO 在 MBCFET 中的地位也越来越重要。那么,现在就让我们来正式了解一下 MBCFET 所具备的 DTCO 优势。

4. 在优秀的基础上继续实现更优化的三星 GAA MBCFET™ 首先,概括来讲,MBCFET 的优势在于为 DTCO 提供了更多的可能性。之前在原有晶体管活动中存在的局限性得到了改善。让我们来分别看一下具体是哪些部分。

A. 变化导致的性能损耗。 以前,当沟道加宽或工作电压降低时,原有晶体管的部分性能不得不随之下降。如前文所说,因为他们之间是呈反比的。而在 MBCFET 中,减少了这种性能下降的幅度并加宽了 DTCO 活动区域。

i. 将沟道加宽导致的性能损耗降到更低 在加宽沟道提高性能时,会出现意外的性能损耗。也就是说,加宽沟道并不能带来与之相应的性能提升结果,即实际结果无法达到理论预期。这是器件之间产生的性能干扰因素(Resistance 和 Capacitance 等)导致的。简单来说,这是结构变化导致的必然现象。这种现象的严重程度取决于结构,如果结构有差异,性能损耗量也会有所不同。由于 FinFET 和 MBCFET 在结构上存在很大差异,其损耗量也有所不同。如前所述,FinFET 必须额外制作一个 Fin 才能增加沟道宽度,与 MBCFET 相比,该操作所带来的结构性变化更大。如图[8]所示,与加宽水道相比,多开凿一个水道会产生不必要的结构(黄色区域),即使他们总宽度相同。FinFET 就是因为这种结构变化而导致更多的性能损耗。而 MBCFET 则在不额外添加 Fin 等结构的情况下调节宽度,打破了这一限制。

图[8] 宽度相同的两种水道
图[8] 宽度相同的两种水道
图[8] 宽度相同的两种水道

ii. 更大限度地减少低功耗导致的性能下降 在上一篇文章中,我们提到了通过降低工作电压来实现低功耗 (Low-power) 这一目标。并且以水闸和水龙头为例,对于较低工作电压也会降低电流流量这一点进行了说明。但是,相比 FinFET,MBCFET 其中的一个优势就是沟道更宽。因此,即使使用较低的工作电压,也可流过大量的电流。就比如,即使是水龙头相同,但由于水管本身更宽,所以即使稍微拧开开关也会流过较多的水。MBCFET 与该原理相同,它在低作业电压下也允许大量的电流流过,在更大程度上减少了性能下降。

B. 定制晶体管 - Flexibility(易于设计) 我们在上一篇文章中已经做了阐述,MBCFET™ 支持连续地增减沟道宽度。它不仅可以提供更符合设计要求的沟道宽度,也更容易调节沟道宽度来实现更优化。

在上述优势的加持下,DTCO 便拥有了更多的可能性。그림如图[9]所示,MBCFET™ 与 FinFET 不同,它可通过 DTCO 前往到更广的 PPA 区域。不难发现,也可以通过降低工作电压来降低功耗。
图[9] 不同设计目的下的 (HD(High Density) HP (High Performance)) PPA 级别
图[9] 不同设计目的下的 (HD(High Density) HP (High Performance)) PPA 级别
图[9] 不同设计目的下的 (HD(High Density) HP (High Performance)) PPA 级别
图[10] 提供多种通道宽度和性能选择的全环绕栅极
图[10] 提供多种通道宽度和性能选择的全环绕栅极
图[10] 提供多种通道宽度和性能选择的全环绕栅极
5. 结语 三星电子的 GAA MBCFET™ 为上述 DTCO 活动创造了巨大的可能性,我们当前正在落实 DTCO,以便客户能够更大限度地利用 MBCFET™ 的 PPA 优势。MBCFET™ 的发展将会为客户提供更佳的工艺,我们也将通过提供更多的服务支持来更优化工艺。为了让客户通过我们的工艺创造更优秀的成果,三星电子晶圆代工事业部在工艺和设计方面均付出了巨大的努力并提供了大力的支持,而且,我们的这些努力和支持没有终点。 *本文中的产品图片以及型号、数据、功能、性能、规格参数等仅供参考,三星有可能对上述内容进行改进,具体信息请参照产品实物、产品说明书或三星官网(www.samsung.com/cn)。除非经特殊说明,本网站中所涉及的数据均为三星内部测试结果,涉及的对比均为与三星产品相比较。
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