ARMから見た7nm CMOS時代のCPU設計（11）〜回路の遅延時間を変動させるさまざまな要因：福田昭のデバイス通信（22）（1/2 ページ）

今回は、回路の遅延時間を左右する要因について紹介する。例えば、コンタクト抵抗、しきい電圧、電源電圧、温度などがある。しきい電圧と温度、電源電圧と温度が遅延時間に与える影響はかなり複雑だが、その対処法として、DVFS（Dynamic Voltage and Frequency Scaling）技術が挙げられる。

[福田昭，EE Times Japan]

微細化によってコンタクト抵抗の影響が増加

　トランジスタやコンタクト、金属配線などの寄生素子である「抵抗（R）」と「静電容量（C）」は、回路の遅延時間を大きく左右する。微細化が進むと、これらRとCの変化が遅延時間に与える影響が変化する。

　例えばコンタクト抵抗である。28nm世代の回路では、コンタクト抵抗が2倍に増えたときに遅延時間は4％ほど長くなった。これが7nm世代の回路になると、コンタクト抵抗が2倍に増えたときの遅延時間の増大は、約9％に悪化する。遅延時間の増加を4％に抑えるためには、コンタクト抵抗の増大を1.5倍にとどめておかなければならない。

コンタクト抵抗の増加と遅延時間の増大（クリックで拡大） 出典：ARM

　コンタクト抵抗の影響は、物理的なレイアウトによっても変わる。例えばインバータ回路である。最も小さなレイアウトの場合、1個のトランジスタの電流を1個のコンタクトが引き受ける。ところがゲートピッチを増やして電流駆動能力を高めたレイアウトだと、1個のコンタクトが2個のトランジスタの電流を受け持つことになる。コンタクト抵抗が増加することによる信号電圧への影響は、2倍に増える。

セルの幅とコンタクトの関係。セルの幅が最小単位（左端のレイアウト）のときは、1個のコンタクトが1個のトランジスタ電流を引き受ける。しかしセルの幅を広く確保すると、1個のコンタクトは2個のトランジスタによる電流を受け持つようになる（クリックで拡大） 出典：ARM

しきい電圧と電源電圧、温度が遅延時間に与える影響

　トランジスタのしきい電圧（VTH）と温度が遅延時間に与える影響と、電源電圧（VDD）と温度が遅延時間に与える影響は、かなり複雑な様相を呈する。第1世代のFinFETの事例を、ARMはスライドで見せていた。

　電源電圧（VDD）を一定にしてしきい電圧（VTH）を変えると、遅延時間の温度依存性が大きく変化する。あるしきい電圧だと、低温では遅延時間が長く、高温では遅延時間が短くなる。ところが別のしきい電圧だと、低温では遅延時間が短く、高温では遅延時間が長くなる。しきい電圧の違いにより、逆の温度特性を示すようになる。

　しきい電圧（VTH）を一定にして電源電圧（VDD）を変えると、この場合も遅延時間の温度依存性が大きく変化する。温度上昇によって遅延時間が短くなるVDDと、逆に温度上昇によって遅延時間が長くなるVDDがある。4通りのVDDで温度特性を調べると、遅延時間が最大になる温度は−40℃、＋25℃、＋65℃、＋125℃と4通りになる。

プロセス（しきい電圧）（P）、電源電圧（V）、温度（T）によって遅延時間が変化する（PVTコーナー）。第1世代のFinFETの例。遅延時間は25℃の値を100％とする相対値（クリックで拡大） 出典：ARM