英特尔推动芯片性能提升的新技术
自帕特·基辛格 (Pat Gelsinger)于 2021 年初重返英特尔担任首席执行官以来，该公司在加强其制造工艺和代工业务方面下了很大赌注，扩大了其在美国的晶圆厂足迹，并倡导扩大该国的芯片制造能力。
英特尔在其晶圆代工厂以及其自己的 CPU 和 GPU 业务中的成功或失败，取决于在公司组件研究小组中远离聚光灯的科学家和工程师，他们的工作在推动英特尔的发展中发挥着关键作用。每年都有几次他们的努力成果被展示出来，例如在 8 月的 Hot Chips 展上和本周在旧金山举行的 IEEE 国际电子设备会议 (IEDM) 上。
在展会上，该小组将发表九篇**，概述正在开发的技术，这些技术将推动英特尔芯片的性能改进和能效，芯片制造商执行副总裁兼技术开发总经理 Ann Kelleher 将主持 12 月 5 日的全体会议。
这些**还将强调英特尔继续努力推动业内关于摩尔定律的辩论，自 1965 年以来引领科技行业发展方向的长达数十年的观察是否正在失去动力。
从 Components Research 到硅的一些技术包括应变硅（减少热量）、高 k 金属栅极（功耗）、FinFET（性能），以及去年的 RibbonFET（功耗）和 PowerVia （电源效率）。
“这些都是在 Components Research 的围墙内第一次呼吸，”Components Research 的主管兼高级首席工程师 Paul Fischer 在 IEDM 前的简报中告诉记者和分析师。“还有封装创新，例如 EMIB，以及最近的 Foveros Direct。”
Fischer 将**中将要讨论的技术分为三类：推动小芯片集成的3D 封装、缩放晶体管的 2D 材料，以及提高性能的能效和内存进步。
在第一个阶段中，英特尔将讨论准单片芯片，Fischer 将其描述为“利用新材料和新工艺，它们以令人兴奋的方式开始模糊硅处理结束和封装开始之间的界限”，这推动了 10 倍的改进英特尔在去年的 IEDM 上推出的互连密度。他说，英特尔在 2021 年展示了其在混合键合缩放方面的首次工作成果，达到 10 微米。准单片芯片将其驱动到 3 微米。
Fischer 说：“如果将其分解为两个维度，密度将提高 10 倍。”“这是我们去年谈到的密度提高 10 倍的全部内容。因此，在短短几年内，我们谈论的是互连密度总累积改进 100 倍。这是一个非常快的变化速度。”
准单片芯片设计还为小芯片提供了更大的灵活性，包括它们可以去哪里、可能的尺寸以及可以合并多少叠小芯片。“它为我们创造了一个非常灵活的机会，然后将这些小芯片与互连**度拼接在一起，这些互连**度与我们可以获得的互连**度相当，就好像它们是......在芯片上整体制造一样，”他说。“因此，这就是团队称这些为准单片芯片的原因。”
Component Research 小组还在研究 2D 材料，Fischer表示这将使英特尔能够将更多晶体管安装到单个芯片上并保持摩尔定律向前发展。大多数半导体材料——例如硅、氮化镓和碳化硅——都依赖于三维晶体，原子在所有三个维度上都结合在一起。使用 2D 材料，所有键合都在一个地方完成。
英特尔展示了一种环栅 (GAA) 堆叠纳米片结构，使用 3 个原子厚的 2D 通道材料。同时，该公司在室温下以低漏电流实现了双栅极结构晶体管近乎理想的开关。英特尔表示，这两种能力对于堆叠 GAA 晶体管都是必不可少的，这将推动该行业超越硅强加的**。
“当我们考虑晶体管的缩放时，这很关键，”他说。“通道厚度也必须与 X 和 Y 相称。您需要所有这些尺寸来缩放这些材料。这就是为什么它们对行业如此有吸引力，当然对英特尔也如此。”
二维材料的另一个挑战是实现电接触，因为它们很薄。英特尔正在开发模型，以帮助理解与二维材料进行电接触所需的物理学。研究人员创建了一个二维材料电接触拓扑的综合分析器，这可能会导致高性能和更具可扩展性的晶体管通道。
为了更好的电源效率和内存，英特尔在两年前推出了 3D 堆叠铁电内存的概念。
“我们相信这是可能的，”Fischer说。“铁电材料的一个独特属性是电荷是固定的。在一个沟槽或一个通孔中，我们实际上可以创建许多不同的可单独识别的可寻址电容器，这非常棒，因为它是一种通向密度缩放的途径，使用一个小部件并从中创建四个存储元件。这是一个非常令人兴奋的概念。”
英特尔表示，今年，该公司将展示这一技术，展示可提供与传统铁电沟槽电容器相同性能的堆叠铁电电容器，并使用它们在逻辑芯片上构建 FeRAM。
研究人员还开发了一种器件级模型，通过显示状态和**的混合相来改进铁电氧化铪器件，这可能有助于开发新的存储器和铁电晶体管。他们还着眼于 5G 以外的领域，同时通过致力于 300 毫米硅基氮化镓 (GaN) 技术解决能效问题，该技术可提供比行业标准 GaN 高 20 倍的增益。
英特尔正在晶体管设计中添加一个源极连接的钢板，这“使我们能够展示 20 倍的增益和功率传输的关键品质因数，”他说。“因此，一流的设备在功率传输的关键品质因数上获得了 20 倍的增益。同样的晶体管架构使我们能够演示和测量记录截止频率，这是通信的关键品质因数。这对于 5G 及以后的应用来说非常棒。”
此外，研究人员正在努力降低工作电压以提高电源效率。Fischer 说，由于开关半导体的物理特性，如今的设备通常在 0.6 伏特范围内工作。组件研究小组正在展示磁电设备的低压和高速开关。
“他们使用镧掺杂的氧化铁铋作为无菌电材料，”他说。“通过在其上施加电场，他们能够将磁矩切换到材料上，并且它处于永久状态，直到施加另一个电势。你只需施加 150 毫伏的电压即可将其切换回来。他们能够切换该状态，这将是降低工作电压的关键机会。想象一个工作在 150 毫伏而不是 0.6 伏的开关。”
根据 Fischer 的说法，这很重要，因为设备的能量与电压的平方成正比。此外，这些材料能够高速切换也是关键。对于相对较大的设备（大约 4 平方微米），研究人员展示了 2 纳秒的开关速度。
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