「不必擔心『摩爾定律』(Moore’s law)走到盡頭,因為在整個半導體發展藍圖上還有許多好辦法。」被譽為「FinFET教父」的中研院院士胡正明在日前於美國舉行的「新思科技產品使用者研討會」(Synopsys Users Group;SNUG)上指出,新的電晶體概念能夠為晶片產業點燃持續發展數十年的動力。

在新思科技執行長發表同樣樂觀的看法後,胡正明也引用軟體設計工具進展,分享了他的想法。

他對現場的數百名晶片設計人員表示,「我說半導體產業將再持續發展100年時可是認真的,一部份的原因在於目前沒有其他替代方案,而且這個世界也需要我們。」

「所有的人都知道但卻不願意說出口的是,電晶體尺寸微縮是一場終將邁向盡頭的競賽,而我們正朝著終點衝刺,」但是,胡正明指出,這並不表示半導體產業和以其為基礎的高科技領域也將劃下句點。

20160511 FinFET NT31P1 圖1:胡正明認為像FinFET和FD-SOI等薄膜電晶體還有很長遠的未來。 (來源:Synopsys)

負電容電晶體(NC-FET)是來自加州大學柏克萊分校(UC Berkeley)實驗室最新也最重要的概念之一。在該校擔任教授的胡正明與同事們展示以氧化鉿鋯和創新5nm鐵電層製作的30nm NC-FET研究成果。胡正明解釋,「基本上是將一個電壓放大器嵌入電介質……其想法在於以更低的Vdd獲得相同的性能。」

這種設計可以協助工程師將Vdd電壓降低到0.3V以下,從而克服多方面的極限,為新元件未來數十年的發展鋪路。

「NC-FET一直不被看好,因為我們一直是以「小本經營」的方式進行開發,但現在我們認為它很有前途,因而正積極尋求支持。」胡正明表示,「對於自旋電子領域的投資比NC-FET更多幾十倍, 我認為我們是這個產業中唯一在研究NC-FET的團隊。」

最近,柏克萊分校成立了一座新的研究中心專注於研發NC-FET。英特爾(Intel)和台積電(TSMC)都參加了,也分別投資了14萬美元。「如果我們能吸引更多成員,就能實現偉大的成果,目前的規模仍小於一般的政府合約。」

此外,包括Globalfoundries、三星(Samsung)、Synopsys和台積電等公司都加入了柏克萊元件建模中心,該中心創建的BSIM模型可以為軟體設計工具解讀晶圓廠的實體資料。

「我們正為免授權的新元件準備精簡模型,不過沒有什麼東西是真正免費的。」他指出,FinFET模型就讓至少12位研究人員花了11年的時間。

20160511 FinFET NT31P2 圖2:NC-FET在傳統電晶體上增加了創新的鐵電層

與NC-FET並駕齊驅的是,研究人員正使用十多種備選材料層來開發2D半導體,這些材料層能以分子或原子厚度進行沈積。胡正明透露,「其中一種材料層可以製造出完美的晶體,最終成為理想的薄體材料,讓我們無需擔心量子效應。」

「2D半導體著實令人振奮,因為不管是用於記憶體還是邏輯單晶片多層整合……以氧化物分隔的電路層……使用像鉬原子等原子自組裝……這真的令人相當興奮,可說是讓我們得以繼續進行研究的理想介面。」

胡正明並展示了在於去年12月首次提出的2D NMOS和PMOS元件成果,這些元件被沈積於單矽層上,「並自行堆疊。」這種技術可使電晶體尺寸縮小45%。

20160511 FinFET NT31P3 圖3:僅以一個分子或原子厚的分層即可搭建2D半導體元件

這種新設計基本上是目前FinFET和完全耗盡型絕緣矽(FD-SOI)製程中使用的各種薄體元件變異。他預測這些使用各種新材料的設計將具有很長的壽命。

鰭高電晶體由於具有性能方面的優勢,可望繼續流行。未來的製程將混合不同高度的鰭片,以便針對特定用途最佳化製程,胡正明指出,「我可以預見薄體設計將一直延用到微影技術。」

當今的FinFET和FD-SOI結構「可以一直發展到全包覆式電晶體(GAA)或柱或導線,取決於哪一種製造起來最經濟實惠……一切都和成本與性能密不可分。」

胡正明對於穿隧電晶體和自旋電子的看法就沒那麼樂觀。穿隧電晶體的導通電流較當今元件的更低,使其僅適用於物聯網節點。

自旋電子必須使用全新的邏輯工具組,因而並不實用。他指出,「我們的設計基礎設施非常昂貴……真的難以用於導入一種使用完全不同概念的電晶體。」

20160511 FinFET NT31P4 圖4:de Geus表示,在產業成熟期之後將迎來第二春。

現在正是晶片設計業的艱難時期。隨著半導體公司持續整併以因應不斷攀升的晶片製造成本,新的設計案和EDA工具銷售情況都「很平淡」,Synopsys執行長Aart de Geus引用資料指出,晶片業營收的複合年成長率(CAGR)為4.4%,而「去年和今年的成長率更趨近於零。」

儘管如此,就像胡正明一樣,de Geus在大會開幕時對於該公司在EDA方面的進展仍顯得樂觀。

de Geus表示:「我瞭解這個產業正承受經濟的壓力和變化,但我們正處於再次改變世界的浪潮中……讓每樣事物實現智慧化的機會十分巨大,並將徹底改變這個世界。」。

de Geus並打趣地說,IoT正象徵‘無限樂觀思維’(Immensely Optimistic Thinking),因為,「它雖不足以驅動半導體量,但十分適於將我們與真實世界的實體特性連接在一起。無論如何,如果我們能將性能功耗比再提高10至100倍,那麼IoT將出現令人意料不到的爆炸式成長。」

儘管FinFET還有諸多早期的問題,但Synopsys已經以14/16nm製程投片超過50種測試晶片了。例如,瑞薩電子(Renesas Electronics)有一款高階車載資訊娛樂SoC就在台積電16FF+製程中導入Synopsys的完整工具流程。

de Geus並引用一些其它進展:

今年夏天推出的測試演算法將加快運作時間,並減少25%的測試向量

  • 一款14nm的網路SoC使用IC Compiler II使導線長度縮短了17%
  • 一款7nm測試晶片以ICC II在1%的PTSI內完成了99%的端點佈線
  • 使用Prime Time系統,讓包含5,000萬個實例和20個場景的設計在8小時內完成ECO收斂

一款名為Cheetah的最新驗證演算法可自動適應處理器上的CPU和GPU核心,使RTL級的工作速度快上5倍。De Geus還介紹了Synopsys透過收購包括Coverity等公司,建立了日益 成長中的安全業務。

「對於我們來說,這已經是一個1億美元的業務了,因此,它不再只是業餘愛好,而是一個極其關鍵的方向,」De Geus表示,「每個物聯網裝置相當於銀行中的一扇窗戶……事實上,世界上的所有軟體中都有這樣的窗子。」De Geus指出。

(參考原文:FinFET's Father Forecasts Future,by Rick Merritt)