Ở cấp độ hiển vi, chính xác điều gì đã buộc chúng ta vào vấn đề silicon tối đen (tức là sự không phù hợp giữa thang đo bóng bán dẫn và thang đo điện áp)?

Tôi đã đọc rằng nếu bạn sửa TDP của chip, bạn không thể sử dụng đồng thời tất cả các bóng bán dẫn nữa. Điều này khiến tôi tin rằng mỗi bóng bán dẫn đòi hỏi sức mạnh như trong các nút trước đó mặc dù chúng nhỏ hơn; tức là, chúng ta không thể sử dụng ít năng lượng hơn để bật hoặc tắt một bóng bán dẫn nhỏ hơn.

Tại sao điều này là trường hợp? Điều gì xảy ra ở quy mô bóng bán dẫn gây ra hiện tượng này khi chúng ta yêu cầu mức năng lượng cố định để chuyển đổi tại cổng bóng bán dẫn (ngay cả khi bóng bán dẫn trở nên nhỏ hơn)?

transistors device power-dissipation

— Wuschelbeutel Kartoffelhuhn
nguồn

Tóm lại, tất cả đều liên quan đến việc nhân rộng, cùng một lý do chúng ta không thấy những con kiến khổng lồ có kích thước của những ngôi nhà. Số lượng transistor bạn có thể phù hợp trong một khu vực đi lên với các hình vuông của yếu tố rộng, trong khi tiêu thụ điện năng mỗi transistor giảm hơn như tuyến tính. Có một đọc của ce-publications.et.tudelft.nl/publications/...

— pjc50

Cũng theo ie.itcr.ac.cr/pvega/Introd.%20al%20dise%F1o%20de%20CIs/... - như các cổng transistor được nhỏ hơn, rò rỉ dòng điện qua nó tăng .

— pjc50

Tôi sẽ bắt đầu câu trả lời của mình bằng cách quay lại những gì tôi đã được dạy tại Uni - về cơ bản từng thông số của thang đo bóng bán dẫn - một cách tiếp cận gọi là "Thang đo điện trường không đổi".

Hãy nói rằng chúng ta có một bóng bán dẫn và muốn mở rộng chiều dài của nó $L$ và chiều rộng $W$ bởi, $\alpha$ (cả hai đều được thu nhỏ để giữ tỷ lệ khung hình như nhau). $\alpha$ Có thể là $2$ , $4$ , $1.23$ , cái gì đó thật sự. Chuyện gì xảy ra

Vật liệu không thay đổi, vì vậy để tránh sự cố, chúng tôi muốn giữ cho điện trường trên toàn bộ bóng bán dẫn.

E = = \frac{V_{d S}}{L} = = \frac{V_{d S}^{'}}{(L / α)} \Rightarrow V_{d S}^{'} = = \frac{V_{d S}}{α}

$E=\frac{V_{ds}}{L}=\frac{V_{ds}'}{(L/\alpha)} \Rightarrow V_{ds}'=\frac{V_{ds}}{\alpha}$

Điện áp nguồn của bóng bán dẫn phải mở rộng - do đó điện áp đi xuống. Bạn cũng có thể nói tương tự cho điện áp ngưỡng của bóng bán dẫn ( $V_t$ ) và điện áp nguồn cổng, ( $V_{gs}$ ).

Một lần nữa, đối với các điện trường vẫn giữ nguyên cường độ, cụ thể là qua cổng oxit. $E=\frac{V}{m}$ vì thế:

T_{o x}^{'} = \frac{T_{o x}}{α}

$T_{ox}'=\frac{T_{ox}}{\alpha}$

Vì vậy, cổng trở nên mỏng hơn! Điều này lần lượt thay đổi điện dung của oxit:

\begin{aligned} C_{o x} & = ϵ \frac{W L}{T_{o x}} \\ C_{o x}^{'} & = C_{o x} \times \frac{α}{α^{2}} = \frac{C_{o x}}{α} \end{aligned}

$\begin{align} C_{ox}&=\epsilon \frac{WL}{T_{ox}} \\ C_{ox}'&=C_{ox}\times\frac{\alpha}{\alpha^2}=\frac{C_{ox}}{\alpha}\\ \end{align}$

Tại sao điện dung quan trọng? Chà, chúng ta có thể ước chừng dòng bão hòa $I_{d(sat)}$ . Chúng ta có thể nói:

I_{d (s a t)} \approx (\frac{V_{s a t} C_{o x}}{L}) (V_{g s} - V_{t})

$I_{d(sat)}\approx(\frac{V_{sat}C_{ox}}{L})(V_{gs}-V_t)$

Điều này có nghĩa là chúng ta có thể giả định một cách hợp lý rằng:

I_{d (s a t)}^{'} = I_{d (s a t)} \frac{α}{α} \frac{1}{α} = \frac{I_{d (s a t)}}{α}

$I_{d(sat)}'=I_{d(sat)}\frac{\alpha}{\alpha}\frac{1}{\alpha}=\frac{I_{d(sat)}}{\alpha}$

Tôi sẽ không đi sâu vào nó, nhưng bạn cũng có thể tìm ra tần suất đó $f'=\alpha f$ , do đó mọi thứ có thể tăng tốc khi chúng tôi giảm quy mô.

Bây giờ, công suất tiêu tán của mỗi bóng bán dẫn có thể được xấp xỉ là:

P = I V = I_{d} V_{d s}

$P=IV=I_d V_{ds}$

Vì vậy, khi các bóng bán dẫn quy mô:

P^{'} = I_{d (s a t)}^{'} \times V_{d s}^{'} = \frac{I_{d (s a t)}}{α} \times \frac{V_{d s}}{α} = \frac{P}{α^{2}}

$P'=I_{d(sat)}'\times V_{ds}'=\frac{I_{d(sat)}}{\alpha}\times \frac{V_{ds}}{\alpha} = \frac{P}{\alpha^2}$

Lưu ý cách tiêu hao năng lượng đã đi xuống bởi hình vuông của $\alpha$ !

Mật độ năng lượng $U=P/A$ , sẽ không đổi:

U^{'} = U \frac{α^{2}}{α^{2}} = U

$U'=U\frac{\alpha^2}{\alpha^2}=U$

Tất cả điều này có vẻ tuyệt vời, điều đó có nghĩa là chúng ta có thể tiếp tục mở rộng quy mô và tăng số lượng bóng bán dẫn cho cùng một công suất, trong khi ngày càng nhanh hơn. Hay không?

Điều này là, có một xem xét quan trọng khác. Để tương tác với thế giới bên ngoài và để chống ồn, chúng ta không thể tiếp tục giảm điện áp của quá trình - chú ý làm thế nào ở trên, tất cả các điện trường đều được giữ nguyên bằng cách điều chỉnh điện áp. Trong thực tế, điều này không được thực hiện trực tiếp - các điện áp được điều chỉnh chậm hơn nhiều so với kích thước của các bóng bán dẫn. Nếu họ không có, thì bây giờ CPU có thể sẽ chạy ở mức logic 0,1V thay vì 0,65V hoặc hơn. Lượng nhiễu nhỏ nhất trên tín hiệu hoặc đường ray công suất sẽ là thảm họa.

Trong thực tế, hai yếu tố tỷ lệ khác nhau được sử dụng, một cho kích thước ( $\alpha$ ) và một cho điện áp ( $\kappa$ ). Tỷ lệ là một cái gì đó như thế này:

\begin{array}{cc} D i m e n s i o n & S c a l e F a c t o r \\ L, W, T_{o x} & 1 / α \\ A & 1 / α^{2} \\ V_{d s}, V_{g s} & 1 / κ \\ E_{d S}, E_{o x} & α / κ \\ C_{d S}, C_{o x} & 1 / α \\ {Tôi}_{d (S một t)} & 1 / κ \\ P & 1 / κ^{2} \\ Bạn & α^{2} / κ^{2} \\ f & α \end{array}

$\begin{array}{c|c} Dimension & Scale Factor \\ \hline L, W, T_{ox} & 1/\alpha\\ A & 1/\alpha^2\\ V_{ds}, V_{gs} & 1/\kappa\\ E_{ds}, E_{ox} & \alpha/\kappa\\ C_{ds}, C_{ox} & 1/\alpha\\ I_{d(sat)} & 1/\kappa\\ P & 1/\kappa^2\\ U & \alpha^2/\kappa^2\\ f & \alpha\\ \end{array}$

Từ đó chúng ta có thể thấy rằng do hai yếu tố quy mô khác nhau, mật độ công suất, $U$ , sẽ đi lên nếu $\alpha$ được thu nhỏ nhanh hơn $\kappa$ là, đó là những gì đang xảy ra trong thực tế.

Hơn nữa, đây là một tổng quan rất đơn giản. Nó giữ khá tốt nếu bạn có các bóng bán dẫn rất lớn, nhưng khi chúng càng ngày càng nhỏ hơn, nó không giữ được tốt như bạn có thể hy vọng. Chú ý hai yếu tố chính $T_{ox}$ và $L$ nhỏ hơn?

Về cơ bản, điều này có nghĩa là rào cản giữa kênh và cổng ngày càng nhỏ hơn, cũng như khoảng cách giữa cống và nguồn. Độ dày oxit cổng hiện đang trở nên rất mỏng, bạn có thể thoải mái đo nó theo số lượng nguyên tử dày! Khoảng cách giữa cống và nguồn ngày càng nhỏ hơn cũng có nghĩa là điện trường giữa cống và nguồn khi bóng bán dẫn tắt bắt đầu tương tác với hàng rào được tạo bởi điện trường của cổng.

Cả hai yếu tố này có nghĩa là lượng rò rỉ trong bóng bán dẫn - dòng điện không mong muốn chảy từ cống sang nguồn, hoặc thoát ra cổng, tăng lên. Nếu rò rỉ đi lên, tiêu tán điện tăng lên (và tại một số điểm các bóng bán dẫn ngừng hoạt động đúng cách). Sự rò rỉ này không được tính đến trong các dẫn xuất trên.

— Thợ mộc Tom
nguồn