دیوار فیزیکی ترانزیستورهای تخت
در معماری کلاسیک MOSFET، منبع و تخلیه در زیر سطح کریستال سیلیکون قرار میگرفتند و یک گیت تخت بر روی کانال سایه میانداخت. این طراحی برای گرههای 130 تا 65 نانومتر عالی عمل کرد، اما با نزدیک شدن به 22 نانومتر، اثرات کانال کوتاه (SCE) کنترل ولتاژ آستانه را مختل کردند. کاهش سد پتانسیل ناشی از درین (DIBL) و اشباع سرعت حاملها باعث شدند مهندسان نتوانند همزمان فرکانس بالا، کنترل کانال عالی و مصرف بهینه را تضمین کنند. استفاده از دیالکتریک با k بالا و سیلیکون تحت فشار تنها مسکنهای موقتی بودند، زیرا مشکل اصلی همیشه یکسان باقی ماند: یک گیت تخت نمیتوانست از تمام جهات کانال را تحت کنترل نگه دارد و کاهش ابعاد به معنای افزایش وحشتناک جریان نشتی و افت توان بود.
نقطه عطف 22 نانومتری و ظهور FinFET
راه حل اینتل در سال 2011 با معرفی معماری Tri-Gate به صورت رسمی جهان را متحول کرد. در این طراحی، کانال سیلیکونی به جای خوابیدن روی زیرلایه، به صورت یک ساختار عمودی بالا میآید و گیت مانند یک قفس دور آن میپیچد. این حالت سه طرفه کنترل الکترواستاتیک را به شدت افزایش داد. اینتل مسیر را هموار کرد و تا سال 2014 و 2015، تولیدکنندگان لیتوگرافی مانند TSMC و سامسونگ در گرههای 16 و 14 نانومتر به سرعت این استاندارد جدید را تصویب کردند. تفاوت عملکرد در ولتاژ کاری مشابه، به وضوح خود را نشان داد: سرعت سوئیچینگ بالاتر و نشتی بسیار کمتر.
مقایسه فنی: دو روی سکه معماری
تفاوتهای کلیدی بین این دو نسل معماری را میتوان در پارامترهای زیر مشاهده کرد:
| ویژگی | FinFET | MOSFET تخت |
|---|---|---|
| ساختار | سهبعدی چندگِیته با کانال بالهای عمودی | دوبعدی تخت با یک گیت در بالای کانال |
| قابلیت مقیاسگذاری | بهتر برای گرههای زیر 20 نانومتر به دلیل کنترل الکترواستاتیک بهبودیافته | محدود زیر 20 نانومتر به دلیل اثرات کانال کوتاه و نشتی |
| کنترل الکترواستاتیک | کنترل برتر گیت در اطراف کانال و کاهش اثرات کانال کوتاه | کنترل ضعیفتر گیت که منجر به افزایش نشتی و تغییرات ولتاژ آستانه میشود |
| جریان نشتی | نشتی حالت خاموش کمتر به دلیل کنترل الکترواستاتیک تقویتشده | جریان نشتی بیشتر، بهویژه در گرههای پیشرفته |
| جریان درایو | جریان بار بیشتری برای عملکرد سریعتر به لطف سطح تماس گستردهتر | ظرفیت هدایت محدود به دلیل سطح کانال باریک و تخت |
جزئیات بیشتری درباره مقایسه عملکرد و تاریخچه مهندسی این تراشهها را میتوان در مستندات رسمی IEEE و مقالات مرجع Wikipedia درباره ترانزیستورهای بالهای مشاهده کرد. این پل فیزیکی بین نسلهای مختلف پردازنده، امکان ساخت سیستمهای چند هستهای با کارایی بالا و مصرف بهینه را برای نسل جدید موبایل و لپتاپ فراهم کرد.
چرا این گذار معمار آینده را شکل داد؟
گذار به FinFET تنها یک بهینهسازی مهندسی نبود، بلکه زنگ بیداری برای مهندسان مواد و ساختارهای کوانتومی جدید شد. با رسیدن به محدوده 10 نانومتر، خود ساختارهای بالهای نیز به چالشهای جدید مقیاسگذاری مواجه شدند که منجر به ظهور معماریهای GAA و ترانزیستورهای نانوریبانی گردید. اما جایگاه 22 نانومتر و معماری FinFET به عنوان نقطه عطف تاریخ نیمههادیها هرگز پاک نمیشود. این تغییر نشان داد که وقتی فیزیک سنتی به بنبست میرسد، بازطراحی معماری میتواند راههای جدیدی برای پیشرفت تکنولوژی باز کند و چشمانداز قطعات الکترونیکی نسل بعد را ترسیم نماید.
