Анализ проблемы тепловыделения

Основные проблемы миниатюризации

Основными проблемами при увеличении степени интеграции и уменьшении размеров активных областей приборов являются увеличение токов утечек и проблема тепловыделения.

В табл. 2.1 представлен прогноз ITRS 1999г (International Roadmap for Semiconductors). Из этого прогноза видно, что роль токов утечки резко возрастает с уменьшением технологической нормы.

Таблица 2.1 Эволюция параметров микропроцессоров

Год
Технологическая норма, нм
Длина затвора LG (нм)
Толщина окисла dох (ангстремы)	9-25	5-19	2-15	8-12*	6-8*	5-6*
Ток утечки при 100°С (нА/мкм)				40*	80*	160*

* - прогнозируемые размеры и величины

Фундаментальной проблемой при увеличении степени интеграции является проблема тепловыделения. Переключение цифровых элементов – это в конечном итоге зарядка и разрядка эффективных конденсаторов, при которых, как правило, выделяется тепло. Конденсатор заряжается через сопротивление R. При записи часть энергии теряется в сопротивлении; такая же энергия накапливается в форме потенциальной энергии конденсатора. При считывании потенциальная энергия переходит в тепло. Таким образом, за один полный активный такт затрачивается и уходит в тепло энергии. На практике перезарядка элементов происходит не каждый такт, т.е. не каждый такт является активным. Определим активность схемы 0 < <1 как среднюю долю элементов, перезаряженных за один такт (нет активности − нет потребления).

Тогда, если тактовая частота f [Гц], то [Вт] − мощность, рассеиваемая в одном элементе. Если N_G - плотность интеграции, т.е. количество затворов на см² чипа, то тепловую мощность теплового потока динамического энергопотребления (т.е. происходящего при переключениях) можно грубо оценить по формуле

. (2.8.4)

Формула (2.8.4) учитывает только мощность, рассеиваемую в активном режиме (динамическая мощность), но нужно также учитывать и мощность, рассеиваемую в холостом режиме, когда отсутствуют переключения (статическая мощность ). Тогда полная рассеиваемая мощность

,

где - ток утечки в выключенном состоянии.

В настоящее время основной вклад дает динамическая мощность, однако с ростом степени интеграции статическая мощность начинает преобладать. Согласно оценкам с учетом тока на единицу ширины канала:

2015 год: L = 10 нм, Z = 30 нм, N_G = МДП транзисторов

Р _ст = 10^-9 А/мкм (3010^-3 мкм)1В510⁹ = 150 мВт.

2020 год: L = 5 нм, Z = 30 нм, N_G = 510¹⁰ транзисторов

Р _ст = 10^-6 А/мкм (1510^-3мкм) 1В510¹⁰ = 750 Вт.

Рост степени интеграции и тактовой частоты привел к тому, что мощность теплового потока от поверхности микропроцессора современного компьютера угрожающе растет) (Табл.2.2, рис.2.7).

Характерные мощности тепловых потоков Таблица 2.2

Intel 486	P = 5…8 Вт/см2
Сковородка (1 кВт, площадь 1 дм2)	P ≅ 10 Вт/см2
Поверхность Intel Pentium 4	P ≅ 30 Вт/см2
Поверхность ядерного реактора АЭС	P ≅ 300 Вт/см2
Поверхность Солнца	P = 104 Вт/см2

	Рис.2.7 Мощность теплового потока с поверхности микропроцессора

В 2016г. прогноз ITRS дает поток тепла 93 Вт/см² с поверхности микросхемы. Оценки показывают, что максимально возможный отвод тепла соответствует нескольким сотням Вт/см² (при водяном охлаждении).