Закон Мура

Цифровая техника и логические вентили

Возможности, принципы и проблемы миниатюризации КМОП приборов

Современная цифровая схемотехника основана на бинарной логике и обработке сигналов двух уровней – логического нуля и логической единицы. Хорошо различимые устойчивые логические состояния должны быть соотнесены с хорошо различимыми устойчивыми физическими состояниями, в качестве которых можно использовать, например, степень зарядки конденсатора. Хранение, передача и обработка сигналов возможны только при наличии эффективной системы коммутации, т.е. возможности легко запирать конденсатор, заряжать и разряжать его с помощью управляющих сигналов.

Почти идеальным прибором, сочетающим в себе свойства конденсатора, способного хранить информацию, и коммутационного ключа с нелинейными характеристиками, является МОПТ.

По историческим причинам в цифровой технике вначале доминировали биполярные технологии. Разработка первого микропроцессора Intel 4004 в 1971г. ознаменовала начало эры доминирования цифровых МОП технологий. С начала 80-ых гг. ХХ в. доминирует технология, использующая комплементарные МОП транзисторы, известная как КМОП (CMOS) технология. Эта технология является основой современной микро- и наноэлектроники и, как предполагается, останется таковой в обозримой перспективе.

Анализ эмпирических тенденций первых 5 лет развития интегральной технологии позволил Гордону Муру (рис. 2.3) сформулировать в 1965г. некоторую закономерность, впоследствии получившую название закона Мура.

Рис. 2.3.

Первоначальная формулировка закона звучала следующим образом: «Количество транзисторов на чипе (интегральной схеме) удваивается каждые 12 месяцев». Несмотря на некоторый произвол в формулировке и обосновании, закон Мура имеет определенную физическую основу. Его физическое содержание состоит в идее возможности масштабного уменьшения геометрических размеров микроэлектронных компонентов с сохранением электрических и улучшением функциональных характеристик отдельных приборов и всей схемы в целом (масштабирование, или размерный скейлинг).

Рис. 2.4. Зависимость степени интеграции от времени (закон Мура)

Именно возможность масштабирования микроэлектронных структур явилась технологическим и экономическим основанием, обеспечившим победное шествие закона Мура на протяжении уже почти полувека (рис. 2.4).

Сложившиеся тенденции масштабирования ИС могут быть сформулированы (с определенной степенью точности) следующим образом:

- новое поколение технологии появляется через каждые три года;

- при этом уровень интеграции ИС памяти увеличивается в четыре раза, а логических ИС – в 2-3 раза;

- за каждые два поколения технологии (то есть за 6 лет) минимальный характеристический размер уменьшается в два раза, а плотность тока, быстродействие (тактовая частота), площадь кристалла и максимальное количество входов и выходов увеличиваются в два раза.

Выделяют две основные цели и два вида ограничений при масштабировании МОПТ.

Первая цель заключается в увеличении рабочего тока МОПТ для увеличения быстродействия, которое ограничивается временем заряда и разряда емкостной нагрузки. Увеличение тока стока требует уменьшения длины канала и увеличения электрического поля в подзатворном окисном слое, которое определяет плотность заряда в инверсионном слое.

Вторая цель – уменьшение размеров для увеличения плотности размещения элементов. Это требует уменьшения как длины, так и ширины канала МОПТ, то есть увеличения тока на единицу ширины канала для обеспечения необходимого рабочего тока.

Увеличение количества элементов на одном кристалле (чипе) (то есть повышение степени интеграции) достигается, главным образом, за счет уменьшения так называемой технологической нормы, и, в некоторой степени, за счет роста площади чипа.

Площадь одного чипа, на котором располагается схема памяти или микропроцессор, имеет тенденцию к росту, но в гораздо меньшей степени. В настоящее время типичные размеры чипа составляют <145 мм2 для устройств ДОЗУ и <310 мм2 для микропроцессоров. В настоящее время (2013г.) на одном чипе располагается более миллиарда транзисторов. Ожидается, что к 2016г. количество транзисторов на одном чипе будет составлять ~ 10 млрд.