按比例缩小理论.pptVIP

电源电压变化的趋势 微处理器特征尺寸、电压、功耗的变化 参 数 CE规则 CV规则 QCE规则 器件尺寸 1/α 1/α 1/α 电 压 1/α 1 ε/α 掺杂浓度 α α2 εα 耗尽层宽度 1/α 1/α 1/α 阈值电压 1/α 1 ε/α 电 流 1/α α ε2/α 负载电容 1/α 1/α 1/α 电场强度 1 α ε 电路门延迟 1/α 1/α2 1/εα 功 耗 1/α2 α ε3/α2 功耗密度 1 α3 ε3 功耗-延时乘积 1/α3 1/α ε2/α3 CMOS按比例缩小规则总结 Scaling-down is not forever But “forever” can be delayed 不断缩小器件尺寸、提高集成密度，一直是MOSIC发展的动力和趋势。 器件尺寸的缩小会对器件性能和电路性能带来影响，特别是MOS晶体管沟道长度的缩小会引起各种短沟效应。为了在提高集成度的同时，使电路性能也不断改善，器件尺寸的缩小不能是任意的，必须遵从一定的规则。 1974年R. H. Dennard等人首先提出了MOS器件“按比例缩小”的理论。 第一章 器件按比例缩小 VLSI分析与设计 甘学温教授 CE规则按比例缩小理论 CV规则按比例缩小理论 QCE规则按比例缩小理论 §1 按比例缩小理论 器件的横向尺寸和纵向尺寸缩小α倍 外加电压按同样比例缩小 衬底掺杂浓度按同样比例增大 1.1 CE规则按比例缩小 MOS器件按比例缩小 按CE规则缩小后的器件性能1. 耗尽层厚度的变化 2. 阈值电压的变化 3. 工作电流的变化 MOS器件缩小前后的输入特性 MOS器件缩小前后的输出特性 4. 延迟时间和功耗的变化 5. 按CE规则缩小的影响 集成密度 α2 倍提高; 电路速度α倍提高; 电路功耗α2 倍减小。 问题：电压按比例减小给使用带来不便； 电压减小使噪声容限减小； 阈值电压减小使亚阈值电流增大。 器件的横向尺寸和纵向尺寸缩小a倍 外加电压保持不变 衬底掺杂浓度按a2倍增大 1.2 CV规则按比例缩小 按CV规则缩小后的器件性能1. 耗尽层厚度的变化 2. 阈值电压的变化 3. 工作电流的变化 4. 延迟时间和功耗的变化 集成密度 α2 倍提高; 电路速度α2倍提高； 系统的电源电压不用改变。 问题：电路功耗α倍增大； 功耗密度α3 倍增大； 器件内部电场增强。 5. 按CV规则缩小的影响 在MOSIC发展中实际上采用的是不完全等比例的缩小规则，或叫作优化的按比例缩小规则。 当特征尺寸缩小到深亚微米，采用的是准恒定电场（QCE-Quasi CE）的不等比例缩小规则。 1.3 CMOS实际按比例缩小规则 QCE缩小规则 参 数 缩小的比例系数 器件尺寸 1/α 电 压 ε/α 掺杂浓度 εα 电场强度 ε 按QCE规则缩小后的器件性能 提高性能希望ε大，要降低功耗希望ε小。 CMOS按比例缩小实例 表1-1-2 CMOS按比例缩小的发展趋势 ? Late 1980’s 1992 1995 1998 2001 2004 SupplyVoltage (V) ? ? ? ? ? ? HighPerformance 5 5/3.3 3.3/2.5 2.5/1.8 1.5 1.2 Low Power - 3.3/2.5 2.5/1.5 1.5/1.2 1.0 1.0 Lithography Resolution (μm) ? ? ? ? ? ? General 1.25 0.8 0.5 0.35 0.25 0.18 Gate Level for Short L - 0.6 0.35 0.25 0.18 0.13 Channel Length (μm) 0.9 0.6/0.45 0.35/0.25 0.2/0.15 0.1 0.07 Gate Insulator Thickness (nm) 23 15/12 9/7