【「AI芯片：科技探索与AGI愿景」阅读体验】+工艺创新将继续维持着摩尔神话

有人认为摩尔神话会在2028年破灭，也有人在修正着不同的时间点，当目前它还依然在发挥着作用。不过它的持续有效性，并不意为着半导体技术的发展没遇到挑战，伴随着半导体设备的微型化，其物理极限已开始呈现。那该如何延续摩尔神话呢？

工艺创新将是其途径之一，芯片中的晶体管结构正沿着摩尔定律指出的方向一代代演进，本段加速半导体的微型化和进一步集成，以满足AI技术及高性能计算飞速发展的需求。

CMOS工艺从传统的平面场效应晶体管开始，经鳍式场效应晶体管、纳米片全环绕栅极场效应晶体管，向下一代叉形片和互补场效应晶体管发展，见图1和图2所示。

图1 晶体管架构演进方向

图2 晶体管架构演进路线图

那在这个演进过程中都发生了怎样的变化和启示呢？

之所以出现传统工艺平面场效应晶体管到鳍式场效应晶体管及纳米片全环绕栅极场效应晶体管的变化，主要是解决在关闭状态下也会出现的漏电流问题，它会导致电池供电情况下电量快速地被消耗。处理的方法是在FinFET中，作为源极和漏极之间的电流路径的沟道中控制平面的数量被增加到3个，以抑制漏电流。

而到了GAA纳米片的结构则有了4个控制平面，因而其漏电流问题会进一步减少。

FinFET是在22nm之后的工艺中使用，而GAA纳米片将会在3nm及下一代工艺中使用。

在叉形片中，先前独立的两个晶体管NFET和PFET被连接和集成在两边，从而进一步提升了集成度。同时，在它们之间还放置一层不到10nm的绝缘膜，以防止缺陷的出现。比利时微电子研究中心曾预计叉形片将在2028年得到采用，当然也可能会直接跳跃到CFET技术。

CFET是先在叉形片上将NFET和PFET的两个晶体管按左右摆放被集成在一起后，在被上下堆叠在一起，这种设计将进一步提高器件的集成度，从而占有面积和密度方面的优势。

图3 两个晶体管的堆叠示意图

CFET的概念源于CMOS逻辑的互补性，即NFET和PFET由同一个栅极控制，其结构如图4所示。

此配置既可以采用鳍片对鳍片结构，也可采用其他的结构。

图4 CFET结构示意图

长期以来，芯片上的信号线和电源供电线都是放在硅晶圆的正面，见图5所示。

随着制造工艺节点进入5nm、3nm，这些连接用的金属线的间距也在缩小，这就会导致金属表面散射和晶界散射等效应，并使金属的电阻率显著增加。

为确保更低的直流电压降，便提出了使用晶背供电技术的新型芯片电源供电网络。

晶背供电网络不仅缓解了逻辑芯片正面在后端工艺所面临的瓶颈，也能通过设计工艺协同优化，在标准单元实现更有效率的连线设计，进而协助缩小逻辑标准单元的尺寸。

图5 芯片横截面

晶背供电技术为电路开了一个先例，其变化形式如图6所示。

晶背供电技术已被证明，它可以很好地解决5nm以下芯片的电源完整性问题，同样也证明

它是优化特定版图设计任务的用力工具。

图6 功能性晶

随着工艺创新的层出不穷，相信摩尔神话还能持续，AI芯片也将为我们带来更好的明天。