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CMOS技术被判了死刑 你怎能还不知道它是啥

2017-03-28 15:25:53 「诺聚机电设备」 阅读

我们常常会听到晶体管的制程已经快达到极限、半导体行业已经不行了等传言,但是一般都会把半导体等同视作CPU,毕竟大家经常会看到骁龙835采用了10nm制程、台积电即将试产7nm制程这样的新闻。但是近日一则新闻却让人有些颇为意外,IRDS日前发布的一份报告则给CMOS电路判了死刑——2024年它就会遇到天花板了。

CMOS技术被判了死刑 你怎能还不知道它是啥

IRDS发文称CMOS将在2024年终结

作为相机上的图像传感器,CMOS这才商用不到20年吧,怎么就突然要走到头了呢?小编一开始看到这篇报告也是摸不着头脑,所以去好好地补了补课,这才发现,原来CMOS可不止图像传感器这么简单!所以今天,就和大家来讲讲CMOS究竟是个什么东西。

CMOS意为互补金属氧化物半导体,其实本质是组成数字集成电路的基本单元,看到这里相信大家都是一头雾水,CMOS不是传感器么,集成电路是什么鬼?大家听说过CPU中与门、或门、非门这些概念吧?计算机二进制的0和1就是由这些“门”输出的,而CMOS正是这些门的基本单位。所以CMOS一开始压根就不是图像传感器,而是一种低功耗、高集成度的集成电路的基本单位,被广泛用运用CPU等芯片中。

而我们常常说的相机CMOS传感器,其实是在图像传感器的读取电路(将光信号转变为电信号)部分使用了CMOS电路,所以才这么叫的。

而在IRDS的报告中,提到的CMOS技术到头了就是指的CMOS电路的大小已经到头了,而不是CMOS传感器。这也是最近业内人士说的摩尔定律失效问题:过小的栅长会使电子移动的距离过短,容易导致晶体管内部电子发生跃迁,通俗地说就是漏电,不仅降低了效率,并且反而会增加功耗,所以在7nm制程之后,芯片的CMOS电路性能就无法提升了。

CMOS技术被判了死刑 你怎能还不知道它是啥

5nm之后栅极距等指标是没有变化的

所以根据IRDS的报告,未来虽然半导体工艺虽然甚至可以达到1nm,但是新工艺的栅极距等指标是没有变化的,也就是说晶体管并不会一直缩小,在5nm节点就已经没啥变化了,而“没有变化”的时间节点就是2024年,2024年之后,CMOS电路的潜力就被正式榨干了。

这里可能会有些人产生这样的疑问:制程都是越小越好,而CMOS传感器的像素都是要越大越好,怎么会制程走到头了CMOS传感器就走到头了呢?

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从上图可以看到,一个CMOS传感器的像素中感光部分(绿色部分)占到了绝大多数面积,其他就是CMOS电路部分,所以制程减小可以有效缩小电路部分的面积,从而增大感光部分的比例,提升画质。

然而在继续查阅资料之后,笔者发现我们也完全不用担心相机传感器的性能会在2024年走到尽头。

其实图像传感器的CMOS工艺和普通芯片上的CMOS工艺可是完全不可同日而语的,CMOS传感器使用的工艺因为某些我们吃瓜群众完全搞不懂的原因,无法用现有理论模型去推演,这也意味着每次使用新制程都相当于从零开始,需要无数次的流片、推演和测试,成本巨大,导致CMOS传感器的CMOS电路工艺进步很慢,远落后于其他芯片上CMOS电路的工艺,所以CPU上的CMOS电路到头了又如何,相机传感器上的CMOS电路可能还停留在上个世纪呢!

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但是CMOS电路走到头了终究也不是一件好事,毕竟用到CMOS电路的可不止有相机,CPU甚至是内存都用到了,在量子计算机、生物计算机等技术尚未成熟的时候,CMOS电路无法进步也意味着人类的计算能力停滞了,所以最后,我们来看看CMOS电路未来还有哪些“自救”的办法。

存储芯片行业的3D NAND技术或许就是答案之一,也就是把CMOS电路用3D堆栈工艺给堆叠起来,直接在同一面积上使CMOS数量翻倍,而因为CMOS电路体积极小,所以几层甚至几十层地堆起来也不会使厚度增加多少。

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未来多层CMOS和Ge(锗)半导体会登场

其次就是新的半导体材料,比如使用Ge(锗)取代硅基半导体,它的电子迁移率比硅更高,电气性能更好,产生电子跃迁的距离更小,所以可以使栅极距等指标还能够继续压缩,突破5nm的极限。

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注释:摩尔定律是一个即使没有学习过半导体知识的人都可能略有耳闻的知识,Intel联合创始人戈登·摩尔于1965年在《电子学杂志》发表了一篇文章,预言半导体芯片上的晶体管数量会以每年翻倍的速度增长,后来被修正为每18个月,而现在Intel官方认可的摩尔定律是“每24个月晶体管数量翻倍”。



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