轉(zhuǎn)向納米晶體管是SRAM的福音

上周在 IEEE 國(guó)際固態(tài)電路會(huì)議 （ISSCC） 上，先進(jìn)芯片制造領(lǐng)域最大的兩個(gè)競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手 Intel 和 TSMC 詳細(xì)介紹了使用其最新技術(shù) Intel 18a 和 TSMC N2 構(gòu)建的關(guān)鍵內(nèi)存電路 SRAM 的功能.多年來(lái)，芯片制造商不斷縮小電路規(guī)模的能力有所放緩，但縮小 SRAM 尤其困難，因?yàn)?nbsp;SRAM 由大型存儲(chǔ)單元陣列和支持電路組成。

兩家公司最密集封裝的 SRAM 模塊使用 0.021 平方微米的存儲(chǔ)單元，每平方毫米 38.1 兆比特。該密度相當(dāng)于 Intel 的 23% 和 TSMC 的 12% 的提升。有點(diǎn)令人驚訝的是，同一天早上，Synopsys 推出了一種 SRAM 設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)使用上一代晶體管實(shí)現(xiàn)了相同的密度，但運(yùn)行速度不到一半。

英特爾和臺(tái)積電的技術(shù)是兩家公司首次使用一種稱(chēng)為納米片的新型晶體管架構(gòu)。（三星在上一代人之前就過(guò)渡到納米片。在前幾代產(chǎn)品中，電流通過(guò)鰭狀通道區(qū)域流過(guò)晶體管。該設(shè)計(jì)意味著，增加晶體管可以驅(qū)動(dòng)的電流（以便電路可以更快地運(yùn)行或涉及更長(zhǎng)的互連）需要向器件添加更多的鰭片。納米片器件去掉了鰭片，將它們換成一堆硅帶。重要的是，這些納米片的寬度因器件而異，因此可以以更靈活的方式增加電流。

“納米片似乎使 SRAM 比其他幾代產(chǎn)品具有更好的擴(kuò)展性，”內(nèi)存咨詢(xún)公司 Objective Analysis 的首席分析師 Jim Handy 說(shuō)。

靈活的晶體管制造更小、更好的 SRAM

SRAM 單元在 6 晶體管電路中存儲(chǔ)一個(gè)位。但是晶體管并不相同，因?yàn)樗鼈儗?duì)它們有不同的要求。在基于 FinFET 的單元中，這可能意味著構(gòu)建兩對(duì)器件，每對(duì)器件有兩個(gè)鰭片，其余兩個(gè)晶體管各有一個(gè)鰭片。

納米片器件“在 SRAM 單元的大小上提供了更大的靈活性，”臺(tái)積電高級(jí)總監(jiān)兼 IEEE 院士 Tsung-Yung Jonathan Chang 說(shuō)。他說(shuō)，帶有納米片的晶體管之間的意外變化較少，這一質(zhì)量提高了 SRAM 的低電壓性能。

兩家公司的工程師都利用了納米片晶體管的靈活性。對(duì)于以前稱(chēng)為下拉和通柵晶體管的雙鰭器件，納米片器件在物理上可能比它們所取代的兩個(gè)獨(dú)立鰭片更窄。但是由于納米片堆棧的總硅面積更大，因此它可以驅(qū)動(dòng)更多的電流。對(duì)于 Intel 來(lái)說(shuō)，這意味著單元面積減少了 23%。

“通常，位線(xiàn)已經(jīng)卡在 256 位一段時(shí)間了。對(duì)于 N2...我們可以將其擴(kuò)展到 512。它將密度提高了近 10%?！猅sung-Yung Jonathan Chang，臺(tái)積電

英特爾詳細(xì)介紹了內(nèi)存電路的兩個(gè)版本，高密度和高電流版本，后者更多地利用了納米片的柔韌性。在 FinFET 設(shè)計(jì)中，通柵和下拉晶體管具有相同的鰭片數(shù)量，但納米片允許英特爾使下拉晶體管比通柵器件更寬，從而降低了最低工作電壓。

除了納米片晶體管，Intel 18a 也是第一個(gè)包含背面供電網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)。直到 18a，通常很厚的輸電互連和更精細(xì)的信號(hào)傳輸互連都構(gòu)建在硅之上。背面電源將電源互連移動(dòng)到硅下方，在那里它們可以更大、電阻更小，通過(guò)穿過(guò)硅的垂直連接為電路供電。該方案還為信號(hào)互連釋放了空間。

對(duì)于 FinFET 器件，SRAM 的傳輸柵極 （PG） 和下拉 （PD） 晶體管需要比其他晶體管驅(qū)動(dòng)更多的電流，因此它們由兩個(gè)鰭片制成。使用納米片晶體管，SRAM 可以具有更靈活的設(shè)計(jì)。在 Intel 的大電流設(shè)計(jì)中，PG 器件比其他器件更寬，但 PD 晶體管甚至比這更寬，以驅(qū)動(dòng)更大的電流。英特爾

然而，英特爾技術(shù)主管兼經(jīng)理 Xiaofei Wang 告訴 ISSCC 的工程師，背面電源對(duì)縮小 SRAM 位單元本身沒(méi)有幫助。他說(shuō)，事實(shí)上，在電池內(nèi)使用背面電源可以將其面積擴(kuò)大 10%。因此，英特爾的團(tuán)隊(duì)將其限制在外圍電路和位元陣列的周邊。在前者中，它有助于縮小電路，因?yàn)楣こ處熌軌蛟?SRAM 單元下方構(gòu)建一個(gè)關(guān)鍵電容器。

臺(tái)積電尚未轉(zhuǎn)向反向電源。但它能夠僅從納米片晶體管中提取有用的電路級(jí)改進(jìn)。由于晶體管的靈活性，TSMC 工程師能夠延長(zhǎng)位線(xiàn)的長(zhǎng)度，即單元寫(xiě)入和讀取的連接。較長(zhǎng)的位線(xiàn)連接更多的 SRAM 單元，意味著存儲(chǔ)器需要更少的外圍電路，從而縮小了整體面積。

“通常，位線(xiàn)會(huì)卡在 256 位一段時(shí)間，”Chang 說(shuō)?！皩?duì)于 N2......我們可以將其擴(kuò)展到 512。它將密度提高了近 10%。

新思科技擠壓 SRAM 電路

Synopsys 銷(xiāo)售電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化工具和電路設(shè)計(jì)，工程師可以購(gòu)買(mǎi)這些工具并將其集成到他們的系統(tǒng)中，其密度與臺(tái)積電和英特爾大致相同，但使用的是當(dāng)今最先進(jìn)的 FinFET 技術(shù) 3 納米。該公司的密度增益主要來(lái)自控制 SRAM 陣列本身的外圍電路，特別是所謂的接口雙軌架構(gòu)與擴(kuò)展范圍電平轉(zhuǎn)換器相結(jié)合。

Synopsys 產(chǎn)品管理高級(jí)總監(jiān) Rahul Thukral 解釋說(shuō)，為了節(jié)省功耗，尤其是在移動(dòng)處理器中，設(shè)計(jì)人員已經(jīng)開(kāi)始以不同的電壓驅(qū)動(dòng) SRAM 陣列和外圍電路。稱(chēng)為雙軌，這意味著外設(shè)可以在需要時(shí)以低電壓運(yùn)行，而 SRAM 位單元以較高電壓運(yùn)行，因此它們丟失位的可能性較小。

但這意味著 SRAM 單元中代表 1 和 0 的電壓與外圍的電壓不匹配。因此，設(shè)計(jì)人員采用了稱(chēng)為電平轉(zhuǎn)換器的電路來(lái)進(jìn)行補(bǔ)償。

新的 Synopsys SRAM 通過(guò)將電平轉(zhuǎn)換器電路放置在與外設(shè)的接口處而不是單元陣列的深處，并使電路更小，從而提高了存儲(chǔ)器的密度。該公司所謂的“擴(kuò)展范圍電平轉(zhuǎn)換器”將更多功能集成到電路中，同時(shí)使用具有更少鰭片的 FinFET，從而使 SRAM 整體更加緊湊。

但根據(jù) Thukral 的說(shuō)法，密度并不是對(duì)其有利的唯一點(diǎn)?！八试S兩個(gè)電源軌相距非常遠(yuǎn)，”他說(shuō)，指的是位單元電壓和外圍電壓。位單元的電壓可以在 540 毫伏到 1.4 伏之間運(yùn)行，而外圍的電壓可以低至 380 mV。他說(shuō)，這種電壓差使 SRAM 能夠很好地工作，同時(shí)最大限度地降低功耗?！爱?dāng)你把它降到非常非常低的電壓時(shí)......它大大降低了功率，而這正是當(dāng)今 AI 世界所喜歡的，“他說(shuō)。

當(dāng)被問(wèn)及類(lèi)似的電路設(shè)計(jì)是否有助于在未來(lái)的納米片技術(shù)中縮小 SRAM 時(shí)，Thukral 說(shuō)：“答案是 100% 是的。

盡管 Synopsys 設(shè)法在密度上與 TSMC 和 Intel 相媲美，但其產(chǎn)品的運(yùn)行速度要慢得多。Synopsys SRAM 的最大頻率為 2.3 GHz，而臺(tái)積電 SRAM 的最快版本為 4.2 GHz，英特爾的 SRAM 為 5.6 GHz。

“令人印象深刻的是，Synopsys 可以在 3 nm 上達(dá)到相同的密度，而且從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，它的頻率將與該節(jié)點(diǎn)的大眾市場(chǎng)硅相關(guān)，”More Than Moore 首席分析師 Ian Cutress 說(shuō)?！八€展示了工藝節(jié)點(diǎn)很少是靜態(tài)的，像 SRAM 這樣新的、密集的設(shè)計(jì)仍在出現(xiàn)?！?/p>