A Universal Temperature-Dependent Carrier Backscattering Model for Low-Temperature High-Performance CMOS Applications

Low-temperature CMOS technology for high-performance computing: development and challenges

“…低温逻辑芯片通常工作在 100 K 以下的低温环境中. 与室温工作环境相比, 低温下器件的 I off 降低, 且静态功耗近似为零, 能帮助超大规模的计算集群翻过 "功耗墙"; 另一方面, 低温下互连线 电阻率降低, 延时减小, 能帮助以互连线延迟占主导的高性能芯片越过 "存储墙"; 此外, 如图 2 [10] 所 示, 低温下的 CMOS 器件速度更高、SS 更低、抗噪声能力更强, 这对提升芯片性能有很大帮助. 低温逻辑芯片技术的探索始于 20 世纪 80∼90 年代 --将 MOS 晶体管放置在 77 K 液氮环境 中工作就被认为是在不缩小器件尺寸的情况下实现速度提升的一种有效方法 [11] .…”

“…(2) 2015 年, 美国 Microsoft 微软公司在位于苏格兰的 Orkney 群岛的海床上搭建了数据中心, 利 用环保低成本的水冷方式, 实现低温下的高性能数据处理. [10] (3) 自 2020 年开始, 美国官方先进智能研究机构 [12] . 美国麻省理工学院 (Massachusetts Institute of Technology) [13] 、 圣母大学 (University of Notre Dame) [14] 和浙江大学 [10] 均利用虚拟源 (virtual source, VS) 模型对超薄沟道器件开展提参工作, 结果均显示, 100∼150 K 是迁移率和温度依存性关系变化的 转折点.…”

“…[10] (3) 自 2020 年开始, 美国官方先进智能研究机构 [12] . 美国麻省理工学院 (Massachusetts Institute of Technology) [13] 、 圣母大学 (University of Notre Dame) [14] 和浙江大学 [10] 均利用虚拟源 (virtual source, VS) 模型对超薄沟道器件开展提参工作, 结果均显示, 100∼150 K 是迁移率和温度依存性关系变化的 转折点. 由于低温逻辑芯片技术的工作环境是液氮, 因此, 在这一环境温度条件下, 载流子迁移率相较 于室温是增加的, 可以利用这一特性改善器件工作速度, 这对高性能电路十分重要.…”

“…传统 SS 温度模型中 SS 与温度呈线性关系. SS 在低于 40 K 时趋于饱 和, 在 4 K 时实际测得的 SS 比起传统模型预测的数值大了一个数量级 [17] , 类似发现也在其他研究机 构中被报道 [10,12] . 尽管 4 K 下的 SS 高于理论外推值, 但其仍远远低于 300 K 情况下的 SS, 能够极大 地改善逻辑电路的静态功耗和开关速度.…”

“…此外, 随着晶体管温度的降低, 晶体管沟道中的声子散射逐渐减少, 载流子的平均自由程也随之 增加 [10] . 而部分可靠性退化, 如晶体管中的热载流子 (hot carrier injection, HCI) 效应, 会随着自由程 的增加而加剧.…”