2.4. Основные проблемы миниатюризации

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

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

. (2.4.1)

Формула (2.4.1) учитывает только мощность, рассеиваемую в активном режиме (динамическая мощность), но нужно также учитывать и мощность, рассеиваемую в статическом режиме, когда отсутствуют переключения (статическая мощность ). Тогда полная рассеиваемая мощность

,

где - ток утечки в выключенном состоянии.

К статическому энергопотреблению относятся: подпороговые токи утечки из истока в сток за счет надбарьерного активационного переноса носителей между стоком и истоком; туннельные токи утечки через ультратонкий (~ 1нм) подзатворный окисел; межзонные туннельные токи утечки через р-n-переход стока в подложку.

Рис.2.7 Зависимость пассивной и активной удельной мощности от длины затвора.

На рис. 2.7 показано как при изменении размеров меняется мощность, выделяющаяся как в активном, так и в пассивном режиме работы транзистора. Вплоть до проектной нормы 100 нм пассивная мощность составляет лишь малую долю от общего энергопотребления и ее влиянием на работу прибора можно пренебречь. Однако при меньших размерах вклад этой мощности стремительно возрастает и, начиная с 50 – 25 нм, становится доминирующим. В результате более половины выделяющейся при работе ИС мощности приходится на непроизводительные затраты, что снижает производительность компьютера и существенно осложняет проблемы теплоотвода.

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:

2017 год: L = 10 нм, Z = 30 нм, N_G = МДП транзисторов

Р_ст = 10^-9 А/мкм (30 10^-3 мкм) 1В 5 10⁹ = 150 мВт.

2020 год: L = 5 нм, Z = 15 нм, N_G = 5 10¹⁰ транзисторов

Р_ст = 10^-6 А/мкм (15 10^-3мкм) 1В 5 10¹⁰ = 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.2.8).

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.2.8 Мощность теплового потока с поверхности микропроцессора

В 2016г. прогноз ITRS дает поток тепла ~100 Вт/см² с поверхности микросхемы. Оценки показывают, что максимально возможный отвод тепла соответствует нескольким сотням Вт/см² (при водяном охлаждении).