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电动汽车驱动 ★ 4.0

超堆叠叉片场效应晶体管在埃节点下的功耗、性能与面积分析

Power, Performance, and Area Analysis of Ultra-Stacked Forksheet-FET for Angstrom Nodes

作者
期刊 IEEE Transactions on Electron Devices
出版日期 2025年7月
技术分类 电动汽车驱动
相关度评分 ★★★★ 4.0 / 5.0
关键词 五堆叠叉片场效应晶体管 标准单元 芯片 面积 功耗
语言:

中文摘要

本研究首次探究了适用于埃米级节点的具有五个沟道的超堆叠叉片式场效应晶体管(FSFET)在标准单元和芯片层面的功耗、性能和面积(PPA)优势。在相同驱动电流条件下,五堆叠FSFET的沟道宽度比传统的四堆叠FSFET更小,从而实现了进一步的尺寸缩小。在传统的纳米片场效应晶体管(NSFET)中,大量的沟道会增加寄生电阻和电容,进而降低器件性能。然而,FSFET的侧壁、环绕式接触、金属源/漏以及沟道较小的垂直间距可以缓解寄生参数的增加。因此,五堆叠FSFET可以在不降低频率的情况下实现较小的占位面积。我们分别为四堆叠FSFET和五堆叠FSFET开发了高度为76纳米和68纳米的4T标准单元。在相同的器件性能条件下,基于五堆叠FSFET的单元由于电容较小,具有更小的能量延迟积。对于所有基准测试,基于五堆叠FSFET的芯片面积缩小了10.5% - 10.7%,线长缩短了7.0% - 7.5%。更短的线长降低了线路电容,因此基于五堆叠FSFET的芯片功耗更低。另一方面,五堆叠FSFET的金属宽度更小,线路电阻更大。然而,由于电路以栅极为主导、采用缓冲器插入进行了优化以及使用了背面供电网络(BS - PDN),基于五堆叠FSFET的芯片的功耗延迟积(PDP)仅略有增加。总体而言,基于五堆叠FSFET的芯片面积缩小了10.5% - 10.7%,而PDP仅略有下降。在采用互补场效应晶体管(CFET)之前,超堆叠FSFET仅通过增加沟道数量就实现了进一步的尺寸缩小。

English Abstract

For the first time, this study investigated the standard cell and chip-level power, performance, and area (PPA) benefit of ultra-stacked forksheet-FET (FSFET) with five channels for Angstrom nodes. Five-stack FSFET shows a smaller channel width than conventional four-stack FSFET at the same drive current condition, enabling additional scaling. In conventional nanosheet-FET (NSFET), a large number of channels increases parasitic resistance and capacitance, which degrades device performance. However, the wall of FSFET, the wrap-around contact, the metal source/drain, and the small vertical spacing of the channel can mitigate the increases in parasitics. Therefore, a five-stack FSFET can achieve a small footprint without frequency degradation. We developed 4T standard cells with heights of 76 and 68 nm for four-stack FSFET and five-stack FSFET, respectively. In the same device performance condition, the five-stack FSFET-based cells show a smaller energy-delay product due to the small capacitance. Five-stack FSFET-based chip shows a 10.5%~10.7% smaller area and 7.0%~7.5% shorter wire length for all benchmarks. The shorter wire length reduces wire capacitance; thus, the five-stack FSFET-based chip shows a smaller power consumption. On the other hand, the five-stack FSFET has a smaller metal width and a larger wire resistance. However, the five-stack FSFET-based chip shows only a slight increase in power-delay product (PDP) due to the gate-dominated circuit, great optimization using buffer insertion, and a backside power delivery network (BS-PDN). Overall, the five-stack FSFET-based chip shows only a slightly degraded PDP with 10.5%~10.7% smaller area. Ultra-stacked FSFET enables additional scaling, with only an increase in channel number before adopting complementary-FET (CFET).
S

SunView 深度解读

从阳光电源的业务视角来看,这项超堆叠叉片场效应晶体管(FSFET)技术代表了半导体工艺在埃米级节点的重要突破,对我们的核心产品具有战略意义。

在光伏逆变器和储能变流器领域,功率半导体芯片是决定系统效率、功率密度和可靠性的关键要素。该技术通过五层通道堆叠实现了10.5%-10.7%的芯片面积缩减和7.0%-7.5%的线长优化,这直接转化为更高的集成度和更低的寄生电容。对于我们的大功率IGBT驱动芯片、DSP控制芯片以及电源管理IC而言,更小的芯片尺寸意味着单晶圆产出提升,可有效降低制造成本,增强产品价格竞争力。

技术亮点在于通过环绕接触和金属源漏极设计,有效抑制了传统纳米片晶体管多通道堆叠带来的寄生效应问题。这使得在保持频率性能的同时实现面积缩减,特别适合我们储能系统中对实时响应要求严苛的电池管理系统(BMS)芯片。更低的能量延迟积(EDP)意味着在相同计算任务下功耗更低,这对延长储能系统待机时间、提升整体能效比具有实际价值。

然而需要客观评估的是,该技术目前处于学术研究阶段,距离量产应用仍有距离。埃米级工艺的制造成本、良率控制以及与现有供应链的兼容性都是挑战。对阳光电源而言,短期内应密切跟踪该技术的产业化进程,评估与台积电、三星等代工厂的合作可能性;中长期则可考虑将此类先进工艺应用于旗舰级逆变器和储能产品,在高端市场建立技术代差优势,支撑公司在全球新能源装备领域的领先地位。