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PHYSIQUE DES MATERIAUXET DES MICROSTRUCTURES
Yann-Michel Niquet
Froggy simule déjà la prochaine machine !
Y.M. Niquet,1 F. Triozon,2 I. Duchemin1, D. Rideau3
1 CEA Grenoble, INAC, SP2M/L_Sim, France2 CEA Grenoble, LETI-MINATEC, France
3 ST Microelectronics, Crolles, France
Yann-Michel Niquet
Le transistor MOS
• Principe :
– Contrôler le courant I entre le contact « source » et le contact « drain » à l’aide de l’électrode de « grille ».
– La grille attire ou repousse les électrons dans le « canal » entre la source et le drain, agissant ainsi sur le courant.
• Le transistor MOS transistor fonctionne comme un interrupteur contrôlé par la grille Bit 0/1.
• La taille du transistor MOS transistor est caractérisée par sa longueur de grille Lg.
I
Lg
Yann-Michel Niquet
Anatomie de la grenouille
• Froggy est une grenouille… pas comme les autres…
Yann-Michel Niquet
Intel E5-2670 (Sandybridge) 2.6 Ghz
64 GB RAM
Infiniband FDR
Refroidissement par eau
Rack
Système de fichiersLUSTRE
GPU Nvidia K20
+
Alimentationélectrique
Anatomie de la grenouille
• Froggy est une grenouille… pas comme les autres…
Yann-Michel Niquet
Anatomie de la grenouille
Yann-Michel Niquet
Anatomie de la grenouille
• 136 processeurs Intel Xeon E5-2670 @ 2.26 GHz (Sandy Bridge).
Yann-Michel Niquet
Anatomie de la grenouille
• 8 cœurs (unités de calcul) par processeur.
Yann-Michel Niquet
Anatomie de la grenouille
• Environ 2 500 000 000 transistors/processeur.
Yann-Michel Niquet
Contexte
• Loi de Moore : Le nombre de transistors sur un processeur double tous les ~1.5 ans.
• Longueur de grille de la technologie Sandy Bridge d’INTEL (Froggy) : 32 nm.
• Longueur de grille de la technologie Ivy Bridge d’INTEL : 22 nm.
• Et après ? (16 nm ? 10 nm ? 5 nm ?)
Source : IMEC
Yann-Michel Niquet
Un vrai challenge pour les matériaux et la technologie
• Introduction de nouveau matériaux : Silicium contraint, « High- », …
• Vers le transistor 3D !
Source : Intel
Yann-Michel Niquet
Vers les architectures 3D
Transistor 2D Transistor « Tri-gate » 3D
• Meilleur contrôle par la grille (meilleur interrupteur !)
• Le contrôle du courant par la grille devient difficile lorsque Lg <20 nm.
Lg
Yann-Michel Niquet
Et à Grenoble ?
• ST Microelectronics est lui aussi engagé dans cette course, en particulier sur le segment de la téléphonie mobile (processeurs ARM basse consommation & RF).
Yann-Michel Niquet
Pour résumer…
• Tendances CMOS : Améliorer performances et intégration des dispositifs en diminuant la longueur de grille Lg (~20 nm aujourd’hui).
Changement de dimensionnalité :Transistor « Bulk » FDSOI (films) Trigate (fils)
Corrections quantiques Introduction de nouveaux matériaux :
– Oxydes « high- » HfO2…
– Canaux SiGe, III-V, MoS2…
• Nouveaux paradigmes : Electronique de spin, électronique moléculaire…
Transistor « Tri gate »
10nm
Transistor 2D
Lg
I
Yann-Michel Niquet
Défis
• Défis :
Technologiques : Synthèse et procédés matériaux.Caractérisation.
Conceptuels : Physique de plus en plus complexe, non classique.
Beaucoup de questions restent ouvertes.
Transistor « Tri gate »
10nm
Transistor 2D
Lg
I
Yann-Michel Niquet
Enjeux pour la simulation
• Enjeux : La modélisation doit permettre de :
Comprendre/anticiper la physique des dispositifs.
Faire le tri parmi les options architectures/matériaux.
Optimiser les dispositifs.
• « Caractérisation par la simulation »…
Transistor « Tri gate »
10nm
Transistor 2D
Lg
I
Yann-Michel Niquet
Problématiques
• La simulation n’est plus suffisamment quantitative pour être emmenée sur des terrains peu ou pas explorés.
Yann-Michel Niquet
Problématiques
• La simulation n’est plus suffisamment quantitative pour être emmenée sur des terrains peu ou pas explorés.
Si
SiO2
SiO2
Vg
Vds
dsVI
ISi
SiO2
SiO2
Vg
Vds
dsVI
I
Vg
Vds
I
Yann-Michel Niquet
Problématiques
• La simulation n’est plus suffisamment quantitative pour être emmenée sur des terrains peu ou pas explorés.
Si
SiO2
SiO2
Vg
Vds
dsVI
ISi
SiO2
SiO2
Vg
Vds
dsVI
I
––– Exp. (Uchida 2002)
Yann-Michel Niquet
Problématiques
• La simulation n’est plus suffisamment quantitative pour être emmenée sur des terrains peu ou pas explorés.
• Les méthodes « semi-classiques », calibrées à t = 7 nm, sont incapables de rendre compte des tendances pour t = 4 nm et t = 2.6 nm.
Si
SiO2
SiO2
Vg
Vds
dsVI
ISi
SiO2
SiO2
Vg
Vds
dsVI
I
––– Exp. (Uchida 2002) « Kubo Greenwood »
Yann-Michel Niquet
Solutions
• Développer un code :
– Basé sur la mécanique quantique.
– Capable de décrire des matériaux complexes.
– « Multi-échelles » : Description milieux continus/atomistique.
Yann-Michel Niquet
Le code
• Code liaisons fortes/k.p développé au CEA Grenoble.
• Couplé aux codes ab initio ( ).
• Adapté aux infrastructures de calcul hautes performances.
Structural properties(geometry optimization,
symmetries...)
Tight-binding and k.phamiltonians
3D Poisson solvers
Optical properties(oscillator strengths,
polarizations, ...)
Transport properties(Kubo, Landauer, NEGF)
Ab-initio data
Self-consistency
Yann-Michel Niquet
Prix Bull Fourier 2012
Simulation des propriétés électriques des transistors de prochaine génération sur GPU (code « TB_Sim »)
Source Drain
Grille
Nanofil Si
Ids
Y.M. Niquet (CEA/INAC), F. Triozon (CEA/LETI) & C. Delerue (CNRS/IEMN Dept ISEN)
QUASANOVA
Yann-Michel Niquet
• « Fonctions de Green hors-équilibre » pour le transport quantique.
Mobilité dans les films de Si
Si
SiO2
SiO2
Vg
Vds
dsVI
ISi
SiO2
SiO2
Vg
Vds
dsVI
I
––– Exp. (Uchida 2002) « Kubo Greenwood »
Yann-Michel Niquet
• « Fonctions de Green hors-équilibre » pour le transport quantique.
• Les fonctions de Green reproduisent les tendances pour t arbitraire, à l’inverse des méthodes semi-classiques.
Mobilité dans les films de Si
––– Exp. (Uchida 2002) « Kubo Greenwood »
– – NEGF
Si
SiO2
SiO2
Vg
Vds
dsVI
ISi
SiO2
SiO2
Vg
Vds
dsVI
I
Yann-Michel Niquet
Mobilité dans les films de Si
• « Fonctions de Green hors-équilibre » pour le transport quantique.
SiO2
Oxyde SiO2
Yann-Michel Niquet
Mobilité dans les films de Si
• « Fonctions de Green hors-équilibre » pour le transport quantique.
• Physique encore largement controversée…
Modélisation en cours avec ST Microelectronics (ANR Quasanova)… et des résultats probants!
HfO2
SiO2
Oxyde SiO2/HfO2
-20/30% mobilité !
Yann-Michel Niquet
Conclusions
• Les outils type TB_Sim ont montré leur potentiel et sont destinés à intégrer la chaîne de simulation en microélectronique :
• Ils nécessitent des moyens de calculs adaptés tels que ceux de la plateforme CIMENT. L’accès à des moyens de calcul hautes performances représente un enjeu stratégique pour la recherche scientifique.
– Environ 850 000 h de calcul sur Froggy (1024 à 2048 cœurs).
– Accès GENCI/PRACE.
Simulation matériauxab initio
Simulation transportquantique
Simulation semi-classique
TCAD
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