تحلیل تطبیقی فناوری های نانومقیاس نوظهور در طراحی مدارهای دیجیتال کم مصرف

کاهش ابعاد ترانزیستورهای مبتنی بر فناوری CMOS طی چند دهه گذشته نقش مهمی در افزایش تراکم و بهبود عملکرد مدارهای مجتمع داشته است. با این حال ادامه کاهش مقیاس CMOS در ابعاد نانومتری با چالش هایی نظیر تشدید اثرات کانال کوتاه، افزایش جریان های نشتی، محدودیت کاهش ولتاژ تغذیه و پیچیدگی های ساخت همراه شده است. از این رو، فناوری های نانومقیاس نوظهور به عنوان گزینه هایی مکمل یا جایگزین برای توسعه مدارهای دیجیتال کم مصرف مورد توجه قرار گرفته اند. در این مقاله، چهار فناوری شامل ترانزیستور تک الکترونی (SET)، ترانزیستور FinFET، ترانزیستور اثر میدان مبتنی بر نانولوله کربنی (CNTFET) و ترانزیستور اثر میدان تونلی (TFET) به صورت تطبیقی بررسی می شوند. معیارهای ارزیابی شامل توان مصرفی استاتیک و دینامیک، تاخیر انتشار، انرژی مصرفی، حاصل ضرب توان - تاخیر (PDP)، حاصل ضرب انرژی - تاخیر (EDP)، ولتاژ تغذیه، مقیاس پذیری، تغییرپذیری و میزان توسعه یافتگی فناوری است. بررسی مطالعات پیشین نشان می دهد که هیچ یک از فناوری های مورد بررسی در تمامی معیارها برتری مطلق ندارند. FinFET به دلیل کنترل الکترواستاتیکی مناسب، قابلیت ساخت و سازگاری بیشتر با زیرساخت های CMOS مزیت قابل توجهی دارد. CNTFET به دلیل ویژگی های مطلوب انتقال حامل و ماهیت شبه یک بعدی کانال انتقال پتانسیل بالایی برای استفاده در مدارهای دیجیتال نسل آینده دارد. TFET با بهره گیری از مکانیزم تونل زنی باند به باند، گزینه جذاب برای کاربردهای با ولتاژ تغذیه بسیار پایین و محدودیت انرژی است. با این حال، پایین بودن جریان حالت روشن (Ion) در برخی ساختارها و شرایط کاری می تواند موجب افزایش تاخیر و ایجاد مصالحه میان سرعت و مصرف انرژی شود. SET نیز به دلیل امکان کنترل انتقال بار در مقیاس تک الکترونی و پتانسیل دستیابی به انرژی سوئیچینگ پایین برای کاربردهای تخصصی فوق کم مصرف مورد توجه قرار گرفته است، اما حساسیت عملکرد SET به تغییرات پارامترهای فیزیکی و دشواری یکپارچه سازی آن با فرآیندهای متداول ساخت مدارهای مجتمع از چالش های مهم این فناوری محسوب می شوند و مانع استفاده گسترده از آن شده است. در نهایت نتایج نشان می دهد که انتخاب فناوری مناسب باید بر اساس مجموعه ای از معیارها و متناسب با نیازهای هر کاربرد انجام شود. همچنین بهره گیری از معماری های هیبریدی می تواند یکی از مسیرهای مهم برای توسعه مدارهای دیجیتال نسل آینده باشد.

کلیدواژه ها:

مدارهای دیجیتال کم مصرف ، فناوری نانومقیاس ، TFET ، CNTFET ، FinFET ، SET ، طراحی دستگاه و مدار ، فناوری های فراتر از CMOS