Принято считать, что соблюдение закона Мура неразрывно связано с уменьшением размеров транзисторов. До поры до времени всё шло хорошо, что позволило привычной практике обрести статус того самого закона. Но к сегодняшнему дню оказалось, что по мере уменьшения размеров транзисторов всё больше и больше проблем доставляют элементарные схемы подвода питания к этим самым транзисторам. Иными словами, на пути у закона Мура грудью встали потери в линиях питания, и технологический барьер в виде измельчавшего техпроцесса стал лишь частным препятствием на пути дальнейшего развития электроники.
iStockphoto/IEEE Spectrum
Как объяснили на недавней тематической конференции IEEE представители компании ARM, обычно на потери в линиях питания отводится до 10 %. Скажем, при подаче на вход цепи регуляции питания напряжения номиналом 1 В, на транзисторах в цепи будет до 0,9 В, что вполне приемлемо. С уменьшением масштаба техпроцесса этого становится достичь всё труднее и труднее. Критически возросла плотность размещения элементов и линий распределения питания. Это значит, что шины питания становятся менее широкими, что ведёт к росту их сопротивления и к недопустимо высокому падению напряжения.
Чтобы оценить потери по питанию в случае дальнейшего снижения технологических норм и найти варианты смягчить негативный эффект, разработчики из ARM и учёные из бельгийского центра Imec создали опытный 3-нм процессор на архитектуре Cortex-A53 с тремя разными способами подвода питания к транзисторам.
В первом случае питание подавалось классическим способом: через шины, разведённые поверх транзисторов на кристалле с вертикальными отводками вниз на уровень транзисторов. Увы, этот подход не смог обеспечить 10-процентный запас по питанию. На уровне транзисторов падение напряжения оказалось намного больше, чем при подаче на вход регулятора шины питания.
Второй опытный 3-нм кристалл использовал несколько иную схему подвода питания. Верхняя разводка оставалась всё той же, но кремний под транзисторами был исполосован утопленными в него сравнительно толстыми «рельсами» ещё одной шины по разводке питания. Питание с верхнего уровня над транзисторами через регулярные промежутки по толстым каналам металлизации передавалось на утопленную шину и дальше на транзисторы. Такое решение вписывалось в допустимую 10-процентную потерю номинала от входного напряжения питания, но не позволяло повысить производительность транзисторов ― всё ушло в свистокв потерю мощности.
Наконец, третий вариант предусматривал «рельсы», утопленные в кремниевую подложку под транзисторами, и подвод питания к этой шине с обратной стороны пластины. Казалось бы, очевидное решение, но технологически оно довольно сложно. Чтобы его реализовать, надо сначала изготовить сеть «рельсов» с рабочей стороны кристалла, затем перевернуть пластину тыльной стороной и снять с неё «стружку» ― истончить до 500 нм и отполировать. После этого нужно создать сквозные отверстия вертикальной металлизации диаметром около 1 мкм к «рельсам» на обратной стороне и соединить отверстия с сетью каналов разводки питания на тыльной стороне пластины. Затем всё это снова перевернуть и дальше обрабатывать кристалл привычным способом: травлением, внесение примесей, осаждением в вакууме, отжигом и так далее.
Радует, что результат себя оправдывает, потому что питание с нижней стороны пластины обеспечивает в семь раз меньшее падение напряжения, чем в двух предыдущих случаях. И этот запас можно конвертировать в повышение производительности транзисторов и процессоров в целом.
