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【IC设计】加大柏克莱分校发现新晶体管设计,以帮助芯片降低运算功耗

来源:科技新报       

根据外电报道,近期在《自然》期刊上所发表的一项研究中,加州大学柏克莱分校的研究人员表示,对芯片的晶体管设计有了重大突破。也就是藉由改良其在晶体管的开关中作为关键作用,而被称为栅极氧化层的情况下,可以在不牺牲运算速度、芯片尺寸的情况下大大降低其耗能。

根据晶圆代工龙头台积电特聘教授,也是加州大学柏克莱分校电气工程和计算机科学教授,并为该项由就论文作者的Sayeef Salahuddin指出,当前要透过价值数以兆计美元的半导体产业才能做到的进步,基本上我们的研究已经可以进行突破。据了解,这样的能耗状况的提升,是通过一种叫做负电容效应所达成的,它有助于减少在材料中储存电荷所需的电压。过去,Sayeef Salahuddin在2008年的理论研究上就预测了负电容的存在,而且还在2011年的一次铁晶体体中展示了这种效应。

报道指出,这项新的研究显示了如何在一种由氧化铪和氧化锆的分层堆叠组成工程晶体中产生负电容效应。而因为这种晶体非常容易跟先进的硅晶体兼容,所以透过将这种材料,可以将其纳入晶体管模型当中。而该研究也展示了负电容效应如何能大大降低控制晶体管所需的电压,并且因此降低芯片所消耗的电能。Salahuddin对此表示,在过去的10年里用于运算的耗能呈现倍数增长,当前已经占世界能源生产的个位数百分比。而且,这个庞大的数字只会成长,并且没有尽头。因此,我们的目标就是在于减少运算的这一基本的能源需求,因为这将降低整个系统的能源使用量。

就现阶段来说,最先进的笔记本电脑和智能手机都包含数以百亿计的微小硅晶体管,而每个晶体管都必须通过施加电压来控制。其中,栅极氧化物是一层薄薄的材料,透过将施加的电压转化为电荷,然后开关晶体管以达到控制的目的。在此情况下,负电容效应可以藉由减少特定电荷所需的电压量,进而提高栅极氧化物的性能,但这种效果不能在任何材料中达成。所以,创造负电容效应需要仔细操纵一种叫做铁电性的材料特性,当一种材料表现出自发的电场时就会出现这种情况。以前,这种效果只在过氧化物的铁电材料中实现,但过氧化物的晶体结构跟硅不兼容,难以应用在当前芯片所采用的硅晶体管上。

另外,研究小组还指出,藉由将氧化锈和氧化锆结合在一个被称为超晶格的工程晶体结构中,实验也证实可以实现负电容效应,并且还能使得铁电性和反铁电性同时存在。研究小组成员之一的加州大学伯克利分校的博士后研究员Suraj Cheema表示,这种组合实际上给我们带来了更好的负电容效应,这代表这种负电容效应现象比原来想象的要广泛得多,而不只是仅仅发生在铁电体跟电介质的传统基础中。实际上,还可以通过设计这些晶体结构来利用反铁电性和铁电性,从而使其效果更强。

报导进一步指出,研究人员还发现,由三个氧化锆原子层夹在两个氧化铪单原子层之间组成的超晶格结构总厚度不到两纳米,这提供了最佳的负电容效应环境。由于大多数最先进的硅晶体管已经使用了由二氧化硅上面氧化铪所组成的两纳米二氧化锆,并且氧化锆也被用于硅技术,这使得超晶格结构可以很容易地被整合到先进的晶体管当中。而为了测试超晶格结构作为二氧化锆的性能表现,研究团队还制作了短通道晶体管,并进一步测试了其中的能力。结果显示,跟现有的晶体管相比,这些晶体管需要的电压将减少约30%,以此同时还能保持半导体产业的基准,且不损失的可靠性。

封面图片来源:拍信网