2.5. Проблема отвода тепла

Таким образом, энергия переключения является фундаментальным параметром технологии, определяющим энергопотребление. Очевидным путем решения проблемы минимизации энергии переключения является (а) снижение полной емкости С_tot, что в конечном итоге достигается за счет уменьшения размеров элемента; (б) снижение напряжения питания V_DD.

В результате энергия переключения непрерывно уменьшается (табл. 2.3)

Таблица 2.3

Энергия переключения в единицах kT

1995 г.	5 105 kТ
2005 г.	~104 kТ
2015 г.	~103 kT

Вместе с тем, уменьшение размеров элементов приводит к повышению степени интеграции, и мощность потока тепла при этом только увеличивается. При этом температура микросхемы при функционировании все время должна оставаться постоянной (пусть и повышенной), тепло нужно отводить (в подложку, в поток воздуха или даже воды). В настоящее время используется воздушное охлаждение с помощью вентиляторов (кулеров). В перспективе необходимым будет использование водяного охлаждения.

2.6. Максимальное быстродействие и проблемы при миниатюризации межсоединений

Важнейшей характеристикой микропроцессора является его быстродействие. Максимальное быстродействие интегральных схем определяется системной, так называемой тактовой частотой (clock). Тактовая частота определяется скоростью переключения отдельных цифровых элементов и, в конечном итоге, в очень сильной степени зависит от геометрического фактора и, следовательно, от технологической нормы (рис. 2.4).

До недавнего времени тактовая частота процессора приблизительно удваивалась в каждом следующем поколении. Однако геометрический ресурс для дальнейшего увеличения тактовой частоты практически исчерпан, и как следует из рис.2.4, рост частоты затормозился на уровне 2-3 ГГц.

Максимальная тактовая частота и быстродействие определяются минимальной временной задержкой функционирования (временем переключения) одного транзистора. Для увеличения частоты необходимо:

уменьшение длины канала (увеличивает рабочий ток транзистора и уменьшает время для перезарядки конденсатора);

уменьшение порогового напряжения (увеличивает превышение напряжения питания над пороговым напряжением – так называемый овердрайв (overdrive); приводит к увеличению подпороговых токов утечек);

уменьшение паразитных емкостей (емкость межсоединений трудно уменьшить).

Проблема межсоединений в настоящее время, а особенно в перспективе, является одной из самых острых. В современных схемах общая длина линий металлизации 5-7км (до 10км) на кристалл (≤ 1мм на один транзистор). Для обеспечения коммутации всех элементов необходимо 5-8 и более уровней металлизации (вплоть до 10, в перспективе до 17).

Типичная площадь сечения межсоединений ~ 1 мкм² и меньше. Типичная плотность тока в проводе ~10⁵А/см² (при большей плотности тока возможна электромиграция). Межсоединения вводят паразитные сопротивления и емкости. Их роль возрастает при миниатюризации активных областей. Поэтому временные задержки распространения сигнала в современных схемах определяются не столько активными транзисторами, сколько линиями межсоединений.

Характерное время перезарядки проводника длиной l можно оценить через геометрические размеры и удельное электрическое сопротивление материала провода :

(2.6.1)

где - Максвелловское время релаксации. Для увеличения скорости передачи сигнала по межсоединению необходимо уменьшать его удельное сопротивление. Именно по этой причине, а также по причине более высокой теплопроводности, на смену алюминию в качестве основного материала для межсоединений приходит медь.

Из формулы (2.6.1) видно, что миниатюризация линии межсоединения приводит только к уменьшению ее быстродействия. Длина линий не может быть уменьшена, а при уменьшении толщины проводника и изолятора в k раз время перезарядки линии увеличится в k² раз! Емкость линии на единицу длины составляет ~ 100…300 фФ/см (фемтофарада = 10^-15 Фарады) и увеличивается с уменьшением технологической нормы.

По этой причине, роль задержки в линиях разводки неуклонно растет:

до 90-х гг. доминировали задержки в самом транзисторе;

при технологической норме 60…90 нм времена задержки в приборах составляют ~ 1пс; на 1 мм линии ~ 6 пс;

в 2015 (22 нм) ожидаются значения 0,1 пс в приборе и ~ 30 пс на 1 мм линии межсоединения.

Очевидным способом уменьшения RC задержки является использование изоляторов с низким значением диэлектрической проницаемости (low-k insulators) - изолирующих слоев, на которые положена линия, - что позволяет увеличить эффективную скорость распространения сигнала по линии.

Следует также помнить, что существует фундаментальное ограничение, связанное с конечностью скорости распространения электрического сигнала. Например, для металлической линии на диэлектрической подложке с проницаемостью ( 4 для SiO₂) скорость распространения сигнала не может превышать см/с − скорость света в вакууме.