微細化に必要なトランジスタ構造の革新

微細化には、リソグラフィの革新と同時に、トランジスタアーキテクチャの革新も必要になる。現在、ほぼすべてのチップメーカーが、FinFETトランジスタを使用したマイクロチップを製造している。しかし、3nm世代に入ると、FinFETは量子干渉に悩まされ、マイクロチップの動作に混乱を引き起こす。

  • サブ1nmに向けたトランジスタ構造の進化

    図2 サブ1nmに向けたトランジスタ構造の進化 (出所:imec)

そのためFinFETの次は、ゲートオールアラウンド(GAA)またはナノシートトランジスタと呼ばれる構造で、ナノシートのスタックとして構築され、パフォーマンスが向上し、短チャネル効果が改善される。このアーキテクチャは、2nm以降では不可欠になる。Samsung、Intel、TSMCなどの主要チップメーカーは、3nmプロセス(Samsungのみ)や2nm(TSMCやIntel)にGAAトランジスタを導入することをすでに発表している。その次に来るであろうフォークシートトランジスタはimecの発明であり、ナノシートトランジスタよりも高密度であり、ゲートオールアラウンドの概念を1nm世代にまで拡張できる。フォークシートアーキテクチャは、N型チャネルとP型チャネルの間にバリアを導入し、チャネルを近づけることができる。このアーキテクチャにより、セルサイズを20％縮小できるとimecは予想している。

さらなるスケーリングは、GAAの複雑な垂直後継であるComplementary FET(CFET)トランジスタと呼ばれる、N型チャネルとP型チャネルを互いの上に配置することによって実現できると考えられている。これは密度を大幅に向上させるが、特にトランジスタのソースとドレインに接続するために、プロセスの複雑さが増すという犠牲を払っている。

また、将来のCFETトランジスタには、二硫化タングステン(WS2)やモリブデンなど、原子の厚さを持つ新しい極薄2D単層材料が組み込まれるようになる。このデバイスロードマップは、リソグラフィロードマップと組み合わされて、オングストロームの時代に突入することを示すものである。

サブ2nmのロードマップの課題

これらのサブ2nmトランジスタは、システムレベルで他に2つの課題がある。

まず、メモリ帯域幅がCPUのパフォーマンスに追いついていない点。プロセッサは、データと命令がメモリから送られ、利用可能になるペースよりも速く実行できない。この「メモリの壁」を打ち破るには、メモリをチップに近づける必要がある。メモリの壁を取り壊すための興味深いアプローチは、3D SoCの集積であり、これは現在一般的なチップレットアプローチを超えている。この異種集積アプローチに従って、システムは別々のチップに分割され、これらのチップは同時に設計され、3次元で相互接続される。たとえば、レベル1キャッシュ用のSRAMメモリレイヤをコアロジックデバイスのすぐ上にスタックして、メモリとロジックの高速な相互作用を可能にする。

システム関連のもう1つの課題として、チップに十分な電力を供給し、熱を逃がすことがより困難になることが挙げられる。しかし、解決策が見えてきたとimecは指摘している。現在、電力分配はウェハの上部から10を超える金属層を通ってトランジスタまで実行されている。imecは現在、ウェハの裏側からのソリューションに取り組んでいる。パワーレールをウェハに埋め込み、幅が広く抵抗の少ない材料のナノ・スルーシリコンビア(TSV)を使用して裏面に接続する。このアプローチは、電力供給ネットワークを信号ネットワークから切り離し、全体的な電力供給パフォーマンスを改善し、配線の混雑を減らし、最終的には標準セルの高さのスケーリングをさらに可能にする。

持続可能な半導体製造のためには

半導体製造には大量のエネルギーと水を必要とし、有害廃棄物を生み出すことを課題として指摘する必要がある。サプライチェーン全体がこの問題への取り組みに取り組む必要があり、エコシステムアプローチが不可欠になる。昨年、imecは持続可能な半導体技術とシステム(SSTS)研究プログラムを開始した。これは、Amazon、Apple、Microsoftなどの大規模なシステム企業から、ASM、ASML、SCREEN、栗田工業、そして東京エレクトロンなどが初期メンバーとして参画している。目標は、業界全体の二酸化炭素排出量を削減することである。このプログラムは、新技術の環境への影響を評価し、影響の大きい問題を特定し、技術開発の早い段階でより環境に優しい半導体製造ソリューションを生み出すことである。

協業が生み出すパラダイムシフト

長期的には、フォン・ノイマンアーキテクチャはオーバーホールが必要である。フォン・ノイマン教授は、デジタルコンピュータを、入力、中央処理装置、および出力を備えたシステムと見なした。しかし、このシステムは、人間の脳の働きに匹敵する大規模な並列化を備えた、ドメイン固有およびアプリケーション依存のアーキテクチャに向けて進化する必要がある。これは、特定のワークロード用にカスタムメイドの回路を優先して、CPUの役割が小さくなることを意味している。

このパラダイムシフトは、前途に立ちはだかる壁に加えて、半導体業界における興味深い時代の始まりを示している。ファウンドリ、IDM、ファブレス、ファブライト、製造装置、付帯設備および材料のサプライヤなど、半導体エコシステム全体にわたる共同イノベーションとコラボレーションが必要になっている。ムーアの法則を満たすためだけでなく、半導体は、気候変動、持続可能なモビリティ、大気汚染、食糧不足などの現代の課題に取り組む上で影響力のある進歩を遂げることができる高性能なディープテクノロジーアプリケーションの中核であるためである。