Mosfet e scaling: la miniaturizzazione è il futuro?

L’elettronica, sia essa digitale o analogica, ha visto nel corso degli ultimi trent’anni, una corsa allo “scaling” dei circuiti, e un aumento smisurato di densità di devices per area. Gordon Moore, cofondatore di Intel, ne aveva previsto l’andamento, stilando una legge empirica, conosciuta ai più come “prima legge di Moore”:
« Le prestazioni dei processori, e il numero di transistor ad esso relativo, raddoppiano ogni 18 mesi. » Legge che, effettivamente, ha fedelmente rappresentato l'evoluzione tecnologica fino a questi ultimi anni; questa spinta al microscopico però, è generata da più motivi che si legano fra loro. Il costo, inevitabilmente, è fra le prime cause; costa infatti "pensare" un circuito, costa progettarlo, e costa produrlo. Un circuito sarà prodotto con una certa tecnologia, sia essa moderna e avanzatissima, o vecchia ma ormai testata e conosciuta; in entrambi i casi, ci saranno sempre delle problematiche da affrontare, e  trade-off da ottimizzare. Inoltre, con il rimpicciolirsi delle dimensioni, il transistor stesso comincia a diventare fonte di problemi, e risolverli significa di solito usare altra circuiteria, e quindi usare area aggiuntiva per risolvere i problemi di una tecnologia che, principalmente, mira a ridurre l'area stessa! Questi i principali problemi con cui si scontra chi progetta, esaminiamoli da vicino!

I costi

Molte sono le variabili che entrano in gioco quando si parla di ridurre le dimensioni dei componenti, ma inevitabilmente quella principale riguarda i costi!

Produrre un circuito integrato comporta dei costi sia fissi che variabili:
Costi fissi: sono dei costi che non hanno nulla a che vedere con la quantità di integrati prodotti, ma riguarda piuttosto il capitale speso per generare le maschere (progettisti, ingegneri), per mandare avanti l’azienda (energia, costi d’ufficio), per la ricerca. Aumentare il numero di quantità prodotte non farà aumentare i costi fissi!

Costi variabili: sono i costi imputabili direttamente al volume di produzione (parti utilizzate, assemblaggio, test e debug). Questi costi invece, aumenteranno all’aumentare dei pezzi prodotti.

Dunque perché le maggiori aziende di produzione hardware mirano a produrre sempre più pezzi e sempre più piccoli?
Quando un’azienda ha pensato, progettato, simulato e testato il circuito, si prepara per produrne un elevato numero di pezzi; lo fa mandando delle maschere alla fab (le “fonderie di silicio”), e copie di questo circuito verranno fisicamente realizzate su un wafer di silicio, ognuna sulla propria sezione, detta anche die.

Il costo di un singolo IC (Integrated Circuit) può dunque essere calcolato come:
costo variabile per IC + (costi fissi/volume di produzione)
Dunque è meglio aumentare notevolmente il numero di pezzi prodotti, per diminuire i costi fissi. Il prezzo di un singolo wafer di silicio si aggira sui 1000$, e non dipende dai circuiti integrati in esso: è dunque logico pensare di sfruttarlo al massimo, riducendo le dimensioni dei circuiti! Da queste ed alcune altre considerazioni, si segue la legge per cui il costo di un die è proporzionale alla sua area elevato alla potenza di 4! Una variabile molto importante, che ci suggerisce di usare meno area possibile.
Un altro motivo che porta allo scaling è la necessità, per i circuiti moderni, di funzionare a frequenze elevate. Il contributo principale che ostacola questo obiettivo, è il transistor stesso! Per esaminare come, partiamo dalla struttura di un transistor MOSFET, vediamo come viene fabbricato e infine, perché questo limita la velocità del sistema.

Struttura di un mos

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In alto, un NMOSFET, con in verde source e drain, in blu l'ossido, in rosso il substrato. In basso, un PMOSFET con i drogaggi duali

Cominciamo con il descrivere la struttura di quello che è il componente principale che governa l’elettronica digitale odierna: Il transistor MOSFET.
La sigla (Metal Oxide Semiconductor FET) esprime la differenza principale rispetto ad altri transistor, quella di avere un ossido fra metallo (l’elettrodo di gate) e semiconduttore (il substrato di silicio).
Un MOSFET presenta un substrato (silicio drogato p per gli NMOS, drogato n per i PMOS), due “tasche” (materiali drogati n per un NMOS, drogati p per un PMOS), che conosciamo come source e drain, e l’ossido, che separa il substrato dal contatto di gate.
Esaminiamo il funzionamento attraverso 3 casi chiave, in cui modificheremo i potenziali applicati agli elettrodi di Gate, Source e Drain di un NMOS (esiste un quarto contatto, detto Body, ma possiamo considerarlo connesso a massa, non influenza la generalità del discorso).

1.Transistor off

In questa condizione, collego sia il source che il drain a massa, modificando solo il potenziale del contatto di gate Vg. (figura 1)

2

Creazione di un canale di conduzione all'aumentare della Vg

Il gate e il substrato formano i piatti di un condensatore che ha come dielettrico l’ossido; incrementare Vg farà si che cariche positive si accumulino sul piatto di gate, e altrettante cariche positive vengano allontanate verso il substrato (figura 2). Una volta spinte tutte le cariche positive lontano dall’ossido, l’aumento ulteriore di potenziale attira delle cariche negative (figura 3); continuando ad aumentare Vg si raggiunge una condizione critica, dove la superficie del substrato prossima all’ossido ha praticamente solo elettroni (figura 4); si è creato il cosiddetto canale di conduzione del transistor, che collegando source e drain, permette il passaggio di corrente.
Aumentando ulteriormente Vg oltre questo limite la zona spaziale smette di crescere, e cambia solo il numero di elettroni in essa.
Tale condizione si ha per una tensione Vgs = (Vg – Vs) che viene definita tensione di soglia (Vt):

Se Vgs < Vt non ho abbastanza elettroni sotto l ‘ossido per condurre corrente – Transistor off

Se Vgs > Vt ho un canale adatto a condurre – Transistor on.

Quando il transistor è on, abbiamo dunque della corrente che scorre nel canale; questa però dipende adesso anche dalla tensione che troviamo fra drain e source. Esaminiamo i due casi chiave:

1.1 Comportamento resistivo (regione ohmica)

3

NMOSFET in funzionamento ohmico. La corrente è convenzionalmente contraria all'andamento degli elettroni.

Con il transistor acceso (Vgs > Vt), applichiamo adesso una piccola Vds = (Vd - Vs): una corrente I inizierà a scorrere dentro il canale. Se questa Vds è < (Vgs – Vt), allora il canale mantiene le proprietà di [...]

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Una risposta

  1. PrimoS 4 Aprile 2015

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