本文是 摩尔定律还能走多远? (一) 的续篇。
晶体管本质, 就是用"开"和"关"的状态,表示二进制里的 1 和 0。
集成电路里的所谓场效应管 (Field-Effect Transistor), 主要是三个部分: 源极 (Source), 栅极 (Gate) ,漏极 (Drain)。栅极本质上是一个电容, 对其施加电压时,栅极下面的沟道 (Channel) 联通源极和漏极,晶体管开启,代表"1"的状态。电压取消时,电流降为零,晶体管关闭, 代表"0"的状态。
人们通常说的 CPU 的时钟频率, 就是晶体管开关的速度。1 Ghz 就是 1秒钟内可以开关十亿次。
为什么人类的计算革命,选择了晶体管?
因为晶体管的持续小型化,使得单位生产成本的计算能力, 不断指数型的迅速增长。
与之相比,古老的算盘,算珠拨弄的速度 (类似晶体管开关的速度),和数据的容量,两千多年来没有实质的提高。
随着晶体管不断小型化，各种漏电问题成为摩尔定律发展的重大障碍。漏电意味着能量消耗的大大增加, 芯片过热甚至失效。
一类比较典型的漏电是所谓的 "栅氧化层泄露" (Gate Oxide Leakage)。
传统的场效应管的栅极 (Gate) 底下是一层二氧化硅 (Silicon Oxide) 的材料, 其厚度随着晶体管小型化也相应减少 (否则会影响栅极的电容和晶体管的性能)。当栅极长度缩减到 45 纳米量级时, 二氧化硅的有效厚度只有一纳米左右, 由于量子隧穿的效应,会导致栅极的严重漏电现象。
最终英特尔经过千万次实验后推出的解决方案, 是使用一种 "高介电常数" (high dielectric) 的材料, 以金属铪(Hafnium) 氧化物为基础的材料,取代二氧化硅, 其物理厚度没有减小, 但不会影响栅极的电容量。
2007年英特尔推出的 45纳米的芯片,栅极漏电比上一代技术减少了90%以上。
另一类漏电,来自所谓的"短沟道效应" (Short Channel Effect)的问题。简言之,就是晶体管栅极长度不断缩小,晶体管导电的阈值电压不断下降,零电压时的还有微弱的电流经过。
这个问题的本质, 是在栅极很短的时候,漏极本身也成了一个电容,和栅极竞争了。栅极越小,在离栅极较远的地方,源极和漏极之间的漏电无法控制。如下图。