MESO技术为摩尔定律续航 CMOS方案或将被取代?

来源:华强电子网 作者:黄山明 时间:2019-01-22 09:40

cmos 制程 工艺

  近日,著名科技杂志《自然》刊登了一则关于下一代逻辑器件的研究论文。这篇论文中,来自英特尔、加州大学伯克利分校和劳伦斯伯克利国家实验室的研究人员描述了一种磁电自旋轨道(MESO)逻辑器件,结合超低休眠特性状态功率,MESO有望将电压降低5倍,功耗降低10~30倍。

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在摩尔定律逐渐接近极限的今天,如何延续甚至打破摩尔定律一直是行业内的焦点话题,而摩尔定律日渐收紧的主因便是CMOS工艺趋近于极限所致。如今,芯片制程工艺已经到达7nm,未来还会有5nm、3nm的制程,但现在的7nm工艺已经成为了硅材料制作的极限。

  实际上,这些工艺制程单位其实指的是CPU上形成的互补氧化物金属半导体场效应晶体管栅极的宽度,也被称为栅长。栅长越短,就能够在更小的地方集成更多的晶体管。因此才有制程工艺越小、功耗越低,性能越好的说法。但在硅材料制程工艺低于7nm时,晶体管中的电子便容易产生隧穿效应,极大地增加芯片制作的难度。虽然后来又找到一些方式如新材料等,可以突破7nm工艺制程限制,但每一步都走的不轻松,这也让摩尔定律逐渐来到了极限的边缘。

  此次刊登在《自然》杂志上的研究论文,显然让打破摩尔定律成为了可能。这篇由英特尔主导的论文中所描述的MESO主要由铋,铁和氧(BiFeO3)组成,这种多铁材料既拥有铁磁性又拥有铁电性,同时两种状态也具有耦合性,只要改变其中一种特性便能致使另一种特性改变,即改变电场就能相应的改变磁场,因此这种多铁材料也可以被认为是一种量子材料。

  相比CMOS,MESO的优势非常明显。在论文中,MESO逻辑器件的开关电压可以降至目前CMOS最低十分之一左右,而从0到1的切换能量消耗仅为CMOS的三十分之一。因此,MESO在功耗上具有极强的优势,除此使用MESO制作的器件在运算速度上将达到CMOS工艺的5倍。

  目前,英特尔已经制作出了MESO器件的原型,采用了在室温下呈现新兴量子行为的量子材料。而通常的量子计算机在设计时必须保证在0开尔文(-273.15摄氏度)左右,否则将有可能出现微小的电压误差,导致量子位错误的在量子态间转换。简单来说,就是如果无法把温度保持在绝对零度附近,对于量子计算机的性能将会产生极大的影响。而这次论文中刊登的MESO器件,不仅能够满足未来量子计算机对内存、逻辑与互联的需求,同时不需要保持超低温度。

  低功耗、高运算力加上量子材料的特性,让MESO成为了未来计算设备至关重要的技术之一。但目前而言,MESO逻辑器件还处于早期开发的状态,想要真正进行商用取代CMOS工艺按英特尔的说法还需要十年左右的时间。

  编者认为,MESO逻辑器件的出现无疑极大地振奋了半导体行业,如果其性能真如刊物上所说,摩尔定律必然还会继续延长,这意味着半导体制程的发展速度也将继续保持。以目前的尖端7nm制程工艺来看,想要继续推进制程的下探需要付出巨大的成本,这也是为何许多厂商已经放弃了7nm制程工艺。而依靠MESO的低功耗、高算力以及可在常温中工作的量子材料等特性,可以为芯片的制作换一种新的思路,甚至可以在未来对芯片进行3D堆叠设计,届时芯片的性能必然将得到爆炸式的增长。当然,目前MESO技术距离商用还有一段距离,但其真正能够为半导体行业带来的改变也着实令人期待。



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