ݺߣ

ݺߣShare a Scribd company logo

84640 633554912394375000

•Download as PPT, PDF•
•
Nagaraj Varatharaj
Nagaraj Varatharaj
1 of 32
Download to read offline
VVLLSSII TTeecchhnnoollooggyy SSccaalliinngg MMoooorree’’ss LLaaww 33DD VVLLSSII
TThhee bbeeggiinnnniinngg MMiiccrroopprroocceessssoorrss aarree eesssseennttiiaall ttoo mmaannyy ooff tthhee pprroodduuccttss wwee uussee eevveerryy ddaayy ssuucchh aass TTVVss,, ccaarrss,, rraaddiiooss,, hhoommee aapppplliiaanncceess aanndd ooff ccoouurrssee,, ccoommppuutteerrss.. TTrraannssiissttoorrss aarree tthhee mmaaiinn ccoommppoonneennttss ooff mmiiccrroopprroocceessssoorrss.. AAtt tthheeiirr mmoosstt bbaassiicc lleevveell,, ttrraannssiissttoorrss mmaayy sseeeemm ssiimmppllee.. BBuutt tthheeiirr ddeevveellooppmmeenntt aaccttuuaallllyy rreeqquuiirreedd mmaannyy yyeeaarrss ooff ppaaiinnssttaakkiinngg rreesseeaarrcchh.. BBeeffoorree ttrraannssiissttoorrss,, ccoommppuutteerrss rreelliieedd oonn ssllooww,, iinneeffffiicciieenntt vvaaccuuuumm ttuubbeess aanndd mmeecchhaanniiccaall sswwiittcchheess ttoo pprroocceessss iinnffoorrmmaattiioonn.. IInn 11995588,, eennggiinneeeerrss mmaannaaggeedd ttoo ppuutt ttwwoo ttrraannssiissttoorrss oonnttoo aa SSiilliiccoonn ccrryyssttaall aanndd ccrreeaattee tthhee ffiirrsstt iinntteeggrraatteedd cciirrccuuiitt,, wwhhiicchh ssuubbsseeqquueennttllyy lleedd ttoo tthhee ffiirrsstt mmiiccrroopprroocceessssoorr..
TTrraannssiissttoorr SSiizzee SSccaalliinngg MOSFET performance improves as size is decreased: shorter switching time, lower power consumption. 2 orders of magnitude reduction in transistor size in 30 years.
SSiiggnniiffiiccaanntt BBrreeaakktthhrroouugghhss Transistor size: Intel’s research labs have recently shown the world’s smallest transistor, with a gate length of 15nm. We continue to build smaller and smaller transistors that are faster and faster. We've reduced the size from 70 nanometer to 30 nanometer to 20 nanometer, and now to 15 nanometer gates. Manufacturing process: A new manufacturing process called 130 nanometer process technology (a nanometer is a billionth of a meter) allows Intel today to manufacture chips with circuitry so small it would take almost 1,000 of these wires placed side-by- side to equal the width of a human hair. This new 130-nanometer process has 60nm gate-length transistors and six layers of copper interconnect. This process is producing microprocessors today with millions of transistors and running at multi-gigahertz clock speeds. Wafer size: Wafers, which are round polished disks made of silicon, provide the base on which chips are manufactured. Use a bigger wafer and you can reduce manufacturing costs. Intel has begun using a 300 millimeter (about 12 inches) diameter silicon wafer size, up from the previous wafer size of 200mm (about 8 inches).
MMaajjoorr DDeessiiggnn CChhaalllleennggeess MMiiccrroossccooppiicc iissssuueess – uullttrraa--hhiigghh ssppeeeeddss – ppoowweerr ddiissssiippaattiioonn aanndd ssuuppppllyy rraaiill ddrroopp – ggrroowwiinngg iimmppoorrttaannccee ooff iinntteerrccoonnnneecctt – nnooiissee,, ccrroossssttaallkk – rreelliiaabbiilliittyy,, mmaannuuffaaccttuurraabbiilliittyy – cclloocckk ddiissttrriibbuuttiioonn MMaaccrroossccooppiicc iissssuueess – ttiimmee--ttoo--mmaarrkkeett – ddeessiiggnn ccoommpplleexxiittyy ((mmiilllliioonnss ooff ggaatteess)) – hhiigghh lleevveellss ooff aabbssttrraaccttiioonnss – ddeessiiggnn ffoorr tteesstt – rreeuussee aanndd IIPP,, ppoorrttaabbiilliittyy – ssyysstteemmss oonn aa cchhiipp ((SSooCC)) – ttooooll iinntteerrooppeerraabbiilliittyy YYeeaarr TTeecchh.. CCoommpplleexxiittyy FFrreeqquueennccyy SSttaaffff SSiizzee SSttaaffff CCoossttss 11999977 00..3355 1133 MM TTrr.. 440000 MMHHzz 221100 $$9900 MM 11999988 00..2255 2200 MM TTrr.. 550000 MMHHzz 227700 $$112200 MM 11999999 00..1188 3322 MM TTrr.. 660000 MMHHzz 336600 $$116600 MM 22000022 00..1133 113300 MM TTrr.. 880000 MMHHzz 880000 $$336600 MM
IInntteeggrraatteedd CCiirrccuuiittss DDiiggiittaall llooggiicc iiss iimmpplleemmeenntteedd uussiinngg ttrraannssiissttoorrss iinn iinntteeggrraatteedd cciirrccuuiittss ccoonnttaaiinniinngg mmaannyy ggaatteess.. – ssmmaallll--ssccaallee iinntteeggrraatteedd cciirrccuuiittss ((SSSSII)) ccoonnttaaiinn 1100 ggaatteess oorr lleessss – mmeeddiiuumm--ssccaallee iinntteeggrraatteedd cciirrccuuiittss ((MMSSII)) ccoonnttaaiinn 1100--110000 ggaatteess – llaarrggee--ssccaallee iinntteeggrraatteedd cciirrccuuiittss ((LLSSII)) ccoonnttaaiinn uupp ttoo 110044 ggaatteess – vveerryy llaarrggee--ssccaallee iinntteeggrraatteedd cciirrccuuiittss ((VVLLSSII)) ccoonnttaaiinn 110044 ggaatteess IImmpprroovveemmeennttss iinn mmaannuuffaaccttuurriinngg lleeaadd ttoo eevveerr ssmmaalllleerr ttrraannssiissttoorrss aalllloowwiinngg mmoorree ppeerr cchhiipp.. – 110077 ggaatteess//cchhiipp nnooww ppoossssiibbllee;; ddoouubblleess eevveerryy 1188 mmoonntthhss oorr ssoo VVaarriieettyy ooff llooggiicc ffaammiilliieess – TTTTLL -- ttrraannssiissttoorr--ttrraannssiissttoorr llooggiicc – CCMMOOSS -- ccoommpplleemmeennttaarryy mmeettaall--ooxxiiddee sseemmiiccoonndduuccttoorr – ECCLL -- eemmiitttteerr--ccoouupplleedd llooggiicc – GGaaAAss -- ggaalllliiuumm aarrsseenniiddee
What are shown on previous diagrams cover only tthhee ssoo ccaalllleedd ffrroonntt‑‑eenndd pprroocceessssiinngg ‑‑ ffaabbrriiccaattiioonn sstteeppss tthhaatt ggoo ttoowwaarrddss ffoorrmmiinngg tthhee ddeevviicceess aanndd iinntteerr‑‑ccoonnnneeccttiioonnss bbeettwweeeenn tthheessee ddeevviicceess ttoo pprroodduuccee tthhee ffuunnccttiioonniinngg IICC''ss.. TThhee eenndd rreessuulltt aarree wwaaffeerrss eeaacchh ccoonnttaaiinniinngg aa rreegguullaarr aarrrraayy ooff tthhee ssaammee IICC cchhiipp oorr ddiiee.. TThhee wwaaffeerr tthheenn hhaass ttoo bbee tteesstteedd aanndd tthhee cchhiippss ddiicceedd uupp aanndd tthhee ggoooodd cchhiippss mmoouunntteedd aanndd wwiirree‑‑bboonnddeedd iinn ddiiffffeerreenntt ttyyppeess ooff IICC ppaacckkaaggee aanndd tteesstteedd aaggaaiinn bbeeffoorree bbeeiinngg sshhiippppeedd oouutt.. From Howe, Sodini: Microelectronics:An Integrated Approach, Prentice Hall
MMoooorree’’ss LLaaww GGoorrddoonn E.. MMoooorree -- CChhaaiirrmmaann Emmeerriittuuss ooff IInntteell CCoorrppoorraattiioonn 11996655 -- oobbsseerrvveedd ttrreennddss iinn iinndduussttrryy -- ## ooff ttrraannssiissttoorrss oonn IICCss vvss.. rreelleeaassee ddaatteess:: – NNoottiicceedd nnuummbbeerr ooff ttrraannssiissttoorrss ddoouubblliinngg wwiitthh rreelleeaassee ooff eeaacchh nneeww IICC ggeenneerraattiioonn – rreelleeaassee ddaatteess ((sseeppaarraattee ggeenneerraattiioonnss)) wweerree aallll 1188--2244 mmoonntthhss aappaarrtt MMoooorree’’ss LLaaww:: – TThhee nnuummbbeerr ooff ttrraannssiissttoorrss oonn aann iinntteeggrraatteedd cciirrccuuiitt wwiillll ddoouubbllee eevveerryy 1188 mmoonntthhss TThhee lleevveell ooff iinntteeggrraattiioonn ooff ssiilliiccoonn tteecchhnnoollooggyy aass mmeeaassuurreedd iinn tteerrmmss ooff nnuummbbeerr ooff ddeevviicceess ppeerr IICC TThhiiss ccoommeess aabboouutt iinn ttwwoo wwaayyss –– ssiizzee rreedduuccttiioonn ooff tthhee iinnddiivviidduuaall ddeevviicceess aanndd iinnccrreeaassee iinn tthhee cchhiipp oorr ddiiccee ssiizzee AAss aann iinnddiiccaattiioonn ooff ssiizzee rreedduuccttiioonn,, iitt iiss iinntteerreessttiinngg ttoo nnoottee tthhaatt ffeeaattuurree ssiizzee wwaass mmeeaassuurreedd iinn mmiillss ((11//11000000 iinncchh,, 11 mmiill == 2255 mmmm)) uupp ttoo eeaarrllyy 11997700’’ss,, wwhheerreeaass nnooww aallll ffeeaattuurreess aarree mmeeaassuurreedd iinn mmmm’’ss ((11 mmmm == 1100--66 mm oorr 1100--44 ccmm)) SSeemmiiccoonndduuccttoorr iinndduussttrryy hhaass ffoolllloowweedd tthhiiss pprreeddiiccttiioonn wwiitthh ssuurrpprriissiinngg aaccccuurraaccyy
MMoooorree’’ss LLaaww • In 1965, Gordon Moore predicted tthhaatt tthhee nnuummbbeerr ooff ttrraannssiissttoorrss tthhaatt ccaann bbee iinntteeggrraatteedd oonn aa ddiiee wwoouulldd ddoouubbllee eevveerryy 1188 ttoo 1144 mmoonntthhss • ii..ee..,, ggrrooww eexxppoonneennttiiaallllyy wwiitthh ttiimmee • AAmmaazziinngg vviissiioonnaarryy –– mmiilllliioonn ttrraannssiissttoorr//cchhiipp bbaarrrriieerr wwaass ccrroosssseedd iinn tthhee 11998800’’ss.. – 22330000 ttrraannssiissttoorrss,, 11 MMHHzz cclloocckk ((IInntteell 44000044)) -- 11997711 – 4422 MMiilllliioonn,, 22 GGHHzz cclloocckk ((IInntteell PP44)) -- 22000011 – 114400 MMiilllliioonn ttrraannssiissttoorr ((HHPP PPAA--88550000)) Source: Intel web page (www.intel.com)
MMoooorree’’ss LLaaww FFrroomm IInntteell’’ss 44004400 ((22330000 ttrraannssiissttoorrss)) ttoo PPeennttiiuumm IIII ((77,,550000,,000000 ttrraannssiissttoorrss)) aanndd bbeeyyoonndd Relative sizes of ICs in graph
t Ever since thhee iinnvveennttiioonn ooff iinntteeggrraatteedd cciirrccuuiitt,, tthhee ssmmaalllleesstt ffeeaattuurree ssiizzee hhaass bbeeeenn rreedduucciinngg eevveerryy yyeeaarr.. CCuurrrreennttllyy ((22000022)) tthhee ssmmaalllleesstt ffeeaattuurree ssiizzee iiss aabboouutt 00..1133 mmiiccrroonn.. AAtt tthhee ssaammee ttiimmee tthhee nnuummbbeerr ttrraannssiissttoorrss ppeerr cchhiipp iiss iinnccrreeaassiinngg dduuee ttoo ffeeaattuurree ssiizzee rreedduuccttiioonn aanndd iinnccrreeaassee iinn cchhiipp aarreeaa.. CCllaassssiicc eexxaammppllee iiss tthhee ccaassee ooff mmeemmoorryy cchhiippss:: GGoorrddoonn MMoooorree ooff IInntteell iinn eeaarrllyy 11997700ss ffoouunndd tthhaatt:: ““ddeennssiittyy”” ((bbiittss ppeerr cchhiipp)) ggrroowwiinngg aatt tthhee rraattee ooff ffoouurr ttiimmeess iinn 33 ttoo 44 yyeeaarrss - oofftteenn rreeffeerrrreedd ttoo aass MMoooorree’’ss LLaaww.. IInn ssuubbsseeqquueenntt yyeeaarrss,, tthhee ppaaccee sslloowweedd ddoowwnn aa bbiitt,, ddaattaa ddeennssiittyy hhaass ddoouubblleedd aapppprrooxxiimmaatteellyy eevveerryy 1188 mmoonntthhss –– ccuurrrreenntt ddeeffiinniittiioonn ooff MMoooorree’’ss LLaaww..
LLiimmiittss ooff MMoooorree’’ss LLaaww?? GGrroowwtthh eexxppeecctteedd uunnttiill 3300 nnmm ggaattee lleennggtthh ((ccuurrrreennttllyy:: 118800 nnmm)) – ssiizzee hhaallvveedd eevveerryy 1188 mmooss.. -- rreeaacchheedd iinn 2001 + 1.5 log2((180/30)2) = 2009 – wwhhaatt tthheenn?? PPaarraaddiiggmm sshhiifftt nneeeeddeedd iinn ffaabbrriiccaattiioonn pprroocceessss
Technological BBaacckkggrroouunndd ooff tthhee MMoooorree’’ss LLaaww TToo aaccccoommmmooddaattee tthhiiss cchhaannggee,, tthhee ssiizzee ooff tthhee ssiilliiccoonn wwaaffeerrss oonn wwhhiicchh tthhee iinntteeggrraatteedd cciirrccuuiittss aarree ffaabbrriiccaatteedd hhaavvee aallssoo iinnccrreeaasseedd bbyy aa vveerryy ssiiggnniiffiiccaanntt ffaaccttoorr –– ffrroomm tthhee 22 aanndd 33 iinn ddiiaammeetteerr wwaaffeerrss ttoo tthhee 88 iinn ((220000 mmmm)) aanndd 1122 iinn ((330000 mmmm)) ddiiaammeetteerr wwaaffeerrss TThhee llaatteesstt ccaattcchh pphhrraassee iinn sseemmiiccoonndduuccttoorr tteecchhnnoollooggyy ((aass wweellll aass iinn ootthheerr mmaatteerriiaall sscciieennccee)) iiss nnaannootteecchhnnoollooggyy –– uussuuaallllyy rreeffeerrrriinngg ttoo GGaaAAss ddeevviicceess bbaasseedd oonn qquuaannttuumm mmeecchhaanniiccaall pphheennoommeennaa TThheessee ddeevviicceess hhaavvee ffeeaattuurree ssiizzee ((ssuucchh aass ffiillmm tthhiicckknneessss,, lliinnee wwiiddtthh eettcc)) mmeeaassuurreedd iinn nnaannoommeettrreess oorr 1100--99 mmeettrreess
RReeccuurrrriinngg CCoossttss v a rr i aabbllee ccoosstt == ccoosstt ooff ddiiee ++ ccoosstt ooff ddiiee tteesstt ++ ccoosstt ooff ppaacckkaaggiinngg -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- ffiinnaall tteesstt yyiieelldd ccoosstt ooff ddiiee == ----------- - --cc--o-o---ss--tt-- --oo--ff-- --ww----aa--f-e-e---rr-------------------------- ddiieess ppeerr wwaaffeerr ×× ddiiee yyiieelldd d i e s pp ee r ww aa f ee rr == -- p---- --××--- - ((--ww----a-a---ff--ee--rr-- --dd--ii--aa---m-m----ee--tt--ee--rr--//--22----))--22- - -- -- - -- - p ×× wwaaffeerr ddiiaammeetteerr - -- -- - -- -- - -- -- - -- -- - -- -- - -- -- - -- -- - -- -- - dd----iiee aarreeaa Ö 22 ×× ddiiee aarreeaa ddiiee yyiieelldd == ((11 ++ ((ddeeffeeccttss ppeerr uunniitt aarreeaa ×× ddiiee aarreeaa))//a))--a
YYiieelldd EExxaammppllee  Example wafer size of 12 inches, die size of 2.5 cm2, 1 defects/cm2, a = 3 (measure of manufacturing process complexity) 252 dies/wafer (remember, wafers round dies square) die yield of 16% 252 x 16% = only 40 dies/wafer die yield !  Die cost is strong function of die area  proportional to the third or fourth power of the die area
IInntteell 44000044 MMiiccrroopprroocceessssoorr
P Intel Peennttiiuumm ((IIVV)) MMiiccrroopprroocceessssoorr
DDiiee SSiizzee GGrroowwtthh DDiiee ssiizzee ggrroowwss bbyy 1144%% ttoo ssaattiissffyy MMoooorree’’ss LLaaww 8080 8008 4004 8086 8085 286 386 P6 486 Pentium ® proc 100 10 1 1970 1980 1990 2000 2010 Year Die size (mm) ~7% growth per year ~2X growth in 10 years Courtesy, Intel
CClloocckk FFrreeqquueennccyy LLeeaadd mmiiccrroopprroocceessssoorrss ffrreeqquueennccyy ddoouubblleess eevveerryy 22 yyeeaarrss P6 Pentium ® proc 486 286 386 8085 8086 8080 8008 10000 1000 100 10 1 0.1 4004 1970 1980 1990 2000 2010 Year Frequency (Mhz) 2X every 2 years Courtesy, Intel
EExxaammpplleess ooff CCoosstt MMeettrriiccss ((11999944)) CChhiipp MMeettaall llaayyeerrss LLiinnee wwiiddtthh WWaaffeerr ccoosstt DDeeffeeccttss// ccmm22 AArreeaa ((mmmm22)) DDiieess// wwaaffeerr YYiieelldd DDiiee ccoosstt 338866DDXX 22 00..9900 $$990000 11..00 4433 336600 7711%% $$44 448866DDXX22 33 00..8800 $$11220000 11..00 8811 118811 5544%% $$1122 PPoowweerrPPCC 44 00..8800 $$11770000 11..33 112211 111155 2288%% $$5533 660011 HHPP PPAA 77110000 33 00..8800 $$11330000 11..00 119966 6666 2277%% $$7733 DDEECC AAllpphhaa 33 00..7700 $$11550000 11..22 223344 5533 1199%% $$114499 SSuuppeerr SSPPAARRCC 33 00..7700 $$11770000 11..66 225566 4488 1133%% $$227722 PPeennttiiuumm 33 00..8800 $$11550000 11..55 229966 4400 99%% $$441177
VVLLSSII VVeerryy LLaarrggee SSccaallee IInntteeggrraattiioonn – ddeessiiggnn//mmaannuuffaaccttuurriinngg ooff eexxttrreemmeellyy ssmmaallll,, ccoommpplleexx cciirrccuuiittrryy uussiinngg mmooddiiffiieedd sseemmiiccoonndduuccttoorr mmaatteerriiaall – iinntteeggrraatteedd cciirrccuuiitt ((IICC)) mmaayy ccoonnttaaiinn mmiilllliioonnss ooff ttrraannssiissttoorrss,, eeaacchh aa ffeeww mmm iinn ssiizzee – aapppplliiccaattiioonnss wwiiddee rraannggiinngg:: mmoosstt eelleeccttrroonniicc llooggiicc ddeevviicceess
OOrriiggiinnss ooff VVLLSSII MMuucchh ddeevveellooppmmeenntt mmoottiivvaatteedd bbyy WWWWIIII nneeeedd ffoorr iimmpprroovveedd eelleeccttrroonniiccss,, eessppeecciiaallllyy ffoorr rraaddaarr 11994400 -- RRuusssseellll OOhhll ((BBeellll LLaabboorraattoorriieess)) -- ffiirrsstt ppnn jjuunnccttiioonn 11994488 -- SShhoocckklleeyy,, BBaarrddeeeenn,, BBrraattttaaiinn ((BBeellll LLaabboorraattoorriieess)) -- ffiirrsstt ttrraannssiissttoorr – 11995566 NNoobbeell PPhhyyssiiccss PPrriizzee LLaattee 11995500ss -- ppuurriiffiiccaattiioonn ooff SSii aaddvvaanncceess ttoo aacccceeppttaabbllee lleevveellss ffoorr uussee iinn eelleeccttrroonniiccss 11995588 -- SSeeyymmoouurr CCrraayy ((CCoonnttrrooll DDaattaa CCoorrppoorraattiioonn)) -- ffiirrsstt ttrraannssiissttoorriizzeedd ccoommppuutteerr -- CCDDCC 11660044
OOrriiggiinnss ooff VVLLSSII ((CCoonntt..)) 11995599 -- JJaacckk SStt.. CCllaaiirree KKiillbbyy ((TTeexxaass IInnssttrruummeennttss)) -- ffiirrsstt iinntteeggrraatteedd cciirrccuuiitt -- 1100 ccoommppoonneennttss oonn 99 mmmm22 11995599 -- RRoobbeerrtt NNoorrttoonn NNooyyccee ((ffoouunnddeerr,, FFaaiirrcchhiilldd SSeemmiiccoonndduuccttoorr)) -- iimmpprroovveedd iinntteeggrraatteedd cciirrccuuiitt 11996688 -- NNooyyccee,, GGoorrddoonn EE.. MMoooorree ffoouunndd IInntteell 11997711 -- TTeedd HHooffff ((IInntteell)) -- ffiirrsstt mmiiccrroopprroocceessssoorr ((44000044)) -- 22330000 ttrraannssiissttoorrss oonn 99 mmmm22 SSiinnccee tthheenn -- ccoonnttiinnuueedd iimmpprroovveemmeenntt iinn tteecchhnnoollooggyy hhaass aalllloowweedd ffoorr iinnccrreeaasseedd ppeerrffoorrmmaannccee aass pprreeddiicctteedd bbyy MMoooorree’’ss LLaaww
TThhrreeee DDiimmeennssiioonnaall VVLLSSII TThhee ffaabbrriiccaattiioonn ooff aa ssiinnggllee iinntteeggrraatteedd cciirrccuuiitt wwhhoossee ffuunnccttiioonnaall ppaarrttss ((ttrraannssiissttoorrss,, eettcc)) eexxtteenndd iinn tthhrreeee ddiimmeennssiioonnss TThhee vveerrttiiccaall oorriieennttaattiioonn ooff sseevveerraall bbaarree iinntteeggrraatteedd cciirrccuuiittss iinn aa ssiinnggllee ppaacckkaaggee
AAddvvaannttaaggeess ooff 33DD VVLLSSII SSppeeeedd -- tthhee ttiimmee rreeqquuiirreedd ffoorr aa ssiiggnnaall ttoo ttrraavveell bbeettwweeeenn tthhee ffuunnccttiioonnaall cciirrccuuiitt bblloocckkss iinn aa ssyysstteemm ((ddeellaayy)) rreedduucceedd.. – DDeellaayy ddeeppeennddss oonn rreessiissttaannccee//ccaappaacciittaannccee ooff iinntteerrccoonnnneeccttiioonnss – rreessiissttaannccee pprrooppoorrttiioonnaall ttoo iinntteerrccoonnnneeccttiioonn lleennggtthh
AAddvvaannttaaggeess ooff 33DD VVLLSSII NNooiissee -- uunnwwaanntteedd ddiissttuurrbbaanncceess oonn aa uusseeffuull ssiiggnnaall – rreefflleeccttiioonn nnooiissee ((vvaarryyiinngg iimmppeeddaannccee aalloonngg iinntteerrccoonnnneecctt)) – ccrroossssttaallkk nnooiissee ((iinntteerrffeerreennccee bbeettwweeeenn iinntteerrccoonnnneeccttss)) – eelleeccttrroommaaggnneettiicc iinntteerrffeerreennccee ((EEMMII)) ((ccaauusseedd bbyy ccuurrrreenntt iinn ppiinnss)) 33DD cchhiippss – ffeewweerr,, sshhoorrtteerr iinntteerrccoonnnneeccttss – ffeewweerr ppiinnss
AAddvvaannttaaggeess ooff 33DD VVLLSSII PPoowweerr ccoonnssuummppttiioonn – ppoowweerr uusseedd cchhaarrggiinngg aann iinntteerrccoonnnneecctt ccaappaacciittaannccee » P = fCV2 – ppoowweerr ddiissssiippaatteedd tthhrroouugghh rreessiissttiivvee mmaatteerriiaall » P = V2/R – ccaappaacciittaannccee//rreessiissttaannccee pprrooppoorrttiioonnaall ttoo lleennggtthh – rreedduucceedd iinntteerrccoonnnneecctt lleennggtthhss wwiillll rreedduuccee ppoowweerr
AAddvvaannttaaggeess ooff 33DD VVLLSSII IInntteerrccoonnnneecctt ccaappaacciittyy ((ccoonnnneeccttiivviittyy)) – mmoorree ccoonnnneeccttiioonnss bbeettwweeeenn cchhiippss – iinnccrreeaasseedd ffuunnccttiioonnaalliittyy,, eeaassee ooff ddeessiiggnn
AAddvvaannttaaggeess ooff 33DD VVLLSSII PPrriinntteedd cciirrccuuiitt bbooaarrdd ssiizzee//wweeiigghhtt – ppllaannaarr ssiizzee ooff PPCCBB rreedduucceedd wwiitthh nneegglliiggiibbllee IICC hheeiigghhtt iinnccrreeaassee – wweeiigghhtt rreedduuccttiioonn dduuee ttoo mmoorree cciirrccuuiittrryy ppeerr ppaacckkaaggee//ssmmaalllleerr PPCCBBss – eessttiimmaatteedd 4400--5500 ttiimmeess rreedduuccttiioonn iinn ssiizzee//wweeiigghhtt
33DD VVLLSSII -- CChhaalllleennggeess aanndd SSoolluuttiioonnss CChhaalllleennggee:: TThheerrmmaall mmaannaaggeemmeenntt – ssmmaalllleerr ppaacckkaaggeess – iinnccrreeaasseedd cciirrccuuiitt ddeennssiittyy – iinnccrreeaasseedd ppoowweerr ddeennssiittyy SSoolluuttiioonnss:: – cciirrccuuiitt llaayyoouutt ((ddeessiiggnn ssttaaggee)) » high power sections uniformly distributed – aaddvvaanncceemmeenntt iinn ccoooolliinngg tteecchhnniiqquueess ((hheeaatt ppiippeess))
Influential PPaarrttiicciippaannttss -- IInndduussttrryy MMiittssuubbiisshhii,, TTII,, IInntteell,, CCTTSS MMiiccrrooeelleeccttrroonniiccss,, HHiittaacchhii,, IIrrvviinnee SSeennssoorrss,, ootthheerrss...... – hhiigghh ddeennssiittyy mmeemmoorriieess AATTTT – hhiigghh ddeennssiittyy ““mmuullttiipprroocceessssoorr”” MMaannyy ootthheerr aapppplliiccaattiioonnss//ppaarrttiicciippaannttss
TThhrreeee DDiimmeennssiioonnaall VVLLSSII MMoooorree’’ss LLaaww aapppprrooaacchhiinngg pphhyyssiiccaall lliimmiitt IInnccrreeaasseedd ppeerrffoorrmmaannccee eexxppeecctteedd bbyy mmaarrkkeett PPaarraaddiiggmm sshhiifftt nneeeeddeedd -- 33DD VVLLSSII – mmaannyy aaddvvaannttaaggeess oovveerr 22DD VVLLSSII – eeccoonnoommiicc lliimmiittaattiioonnss ooff ffaabbrriiccaattiioonn oovveerrhhaauull wwiillll bbee oovveerrccoommee bbyy mmaarrkkeett ddeemmaanndd TThhrreeee DDiimmeennssiioonnaall VVLLSSII mmaayy bbee tthhee ssaavviioorr ooff MMoooorree’’ss LLaaww

More Related Content

84640 633554912394375000

  • 1. VVLLSSII TTeecchhnnoollooggyy SSccaalliinngg MMoooorree’’ss LLaaww 33DD VVLLSSII
  • 2. TThhee bbeeggiinnnniinngg MMiiccrroopprroocceessssoorrss aarree eesssseennttiiaall ttoo mmaannyy ooff tthhee pprroodduuccttss wwee uussee eevveerryy ddaayy ssuucchh aass TTVVss,, ccaarrss,, rraaddiiooss,, hhoommee aapppplliiaanncceess aanndd ooff ccoouurrssee,, ccoommppuutteerrss.. TTrraannssiissttoorrss aarree tthhee mmaaiinn ccoommppoonneennttss ooff mmiiccrroopprroocceessssoorrss.. AAtt tthheeiirr mmoosstt bbaassiicc lleevveell,, ttrraannssiissttoorrss mmaayy sseeeemm ssiimmppllee.. BBuutt tthheeiirr ddeevveellooppmmeenntt aaccttuuaallllyy rreeqquuiirreedd mmaannyy yyeeaarrss ooff ppaaiinnssttaakkiinngg rreesseeaarrcchh.. BBeeffoorree ttrraannssiissttoorrss,, ccoommppuutteerrss rreelliieedd oonn ssllooww,, iinneeffffiicciieenntt vvaaccuuuumm ttuubbeess aanndd mmeecchhaanniiccaall sswwiittcchheess ttoo pprroocceessss iinnffoorrmmaattiioonn.. IInn 11995588,, eennggiinneeeerrss mmaannaaggeedd ttoo ppuutt ttwwoo ttrraannssiissttoorrss oonnttoo aa SSiilliiccoonn ccrryyssttaall aanndd ccrreeaattee tthhee ffiirrsstt iinntteeggrraatteedd cciirrccuuiitt,, wwhhiicchh ssuubbsseeqquueennttllyy lleedd ttoo tthhee ffiirrsstt mmiiccrroopprroocceessssoorr..
  • 3. TTrraannssiissttoorr SSiizzee SSccaalliinngg MOSFET performance improves as size is decreased: shorter switching time, lower power consumption. 2 orders of magnitude reduction in transistor size in 30 years.
  • 4. SSiiggnniiffiiccaanntt BBrreeaakktthhrroouugghhss Transistor size: Intel’s research labs have recently shown the world’s smallest transistor, with a gate length of 15nm. We continue to build smaller and smaller transistors that are faster and faster. We've reduced the size from 70 nanometer to 30 nanometer to 20 nanometer, and now to 15 nanometer gates. Manufacturing process: A new manufacturing process called 130 nanometer process technology (a nanometer is a billionth of a meter) allows Intel today to manufacture chips with circuitry so small it would take almost 1,000 of these wires placed side-by- side to equal the width of a human hair. This new 130-nanometer process has 60nm gate-length transistors and six layers of copper interconnect. This process is producing microprocessors today with millions of transistors and running at multi-gigahertz clock speeds. Wafer size: Wafers, which are round polished disks made of silicon, provide the base on which chips are manufactured. Use a bigger wafer and you can reduce manufacturing costs. Intel has begun using a 300 millimeter (about 12 inches) diameter silicon wafer size, up from the previous wafer size of 200mm (about 8 inches).
  • 5. MMaajjoorr DDeessiiggnn CChhaalllleennggeess MMiiccrroossccooppiicc iissssuueess – uullttrraa--hhiigghh ssppeeeeddss – ppoowweerr ddiissssiippaattiioonn aanndd ssuuppppllyy rraaiill ddrroopp – ggrroowwiinngg iimmppoorrttaannccee ooff iinntteerrccoonnnneecctt – nnooiissee,, ccrroossssttaallkk – rreelliiaabbiilliittyy,, mmaannuuffaaccttuurraabbiilliittyy – cclloocckk ddiissttrriibbuuttiioonn MMaaccrroossccooppiicc iissssuueess – ttiimmee--ttoo--mmaarrkkeett – ddeessiiggnn ccoommpplleexxiittyy ((mmiilllliioonnss ooff ggaatteess)) – hhiigghh lleevveellss ooff aabbssttrraaccttiioonnss – ddeessiiggnn ffoorr tteesstt – rreeuussee aanndd IIPP,, ppoorrttaabbiilliittyy – ssyysstteemmss oonn aa cchhiipp ((SSooCC)) – ttooooll iinntteerrooppeerraabbiilliittyy YYeeaarr TTeecchh.. CCoommpplleexxiittyy FFrreeqquueennccyy SSttaaffff SSiizzee SSttaaffff CCoossttss 11999977 00..3355 1133 MM TTrr.. 440000 MMHHzz 221100 $$9900 MM 11999988 00..2255 2200 MM TTrr.. 550000 MMHHzz 227700 $$112200 MM 11999999 00..1188 3322 MM TTrr.. 660000 MMHHzz 336600 $$116600 MM 22000022 00..1133 113300 MM TTrr.. 880000 MMHHzz 880000 $$336600 MM
  • 6. IInntteeggrraatteedd CCiirrccuuiittss DDiiggiittaall llooggiicc iiss iimmpplleemmeenntteedd uussiinngg ttrraannssiissttoorrss iinn iinntteeggrraatteedd cciirrccuuiittss ccoonnttaaiinniinngg mmaannyy ggaatteess.. – ssmmaallll--ssccaallee iinntteeggrraatteedd cciirrccuuiittss ((SSSSII)) ccoonnttaaiinn 1100 ggaatteess oorr lleessss – mmeeddiiuumm--ssccaallee iinntteeggrraatteedd cciirrccuuiittss ((MMSSII)) ccoonnttaaiinn 1100--110000 ggaatteess – llaarrggee--ssccaallee iinntteeggrraatteedd cciirrccuuiittss ((LLSSII)) ccoonnttaaiinn uupp ttoo 110044 ggaatteess – vveerryy llaarrggee--ssccaallee iinntteeggrraatteedd cciirrccuuiittss ((VVLLSSII)) ccoonnttaaiinn 110044 ggaatteess IImmpprroovveemmeennttss iinn mmaannuuffaaccttuurriinngg lleeaadd ttoo eevveerr ssmmaalllleerr ttrraannssiissttoorrss aalllloowwiinngg mmoorree ppeerr cchhiipp.. – 110077 ggaatteess//cchhiipp nnooww ppoossssiibbllee;; ddoouubblleess eevveerryy 1188 mmoonntthhss oorr ssoo VVaarriieettyy ooff llooggiicc ffaammiilliieess – TTTTLL -- ttrraannssiissttoorr--ttrraannssiissttoorr llooggiicc – CCMMOOSS -- ccoommpplleemmeennttaarryy mmeettaall--ooxxiiddee sseemmiiccoonndduuccttoorr – ECCLL -- eemmiitttteerr--ccoouupplleedd llooggiicc – GGaaAAss -- ggaalllliiuumm aarrsseenniiddee
  • 7. What are shown on previous diagrams cover only tthhee ssoo ccaalllleedd ffrroonntt‑‑eenndd pprroocceessssiinngg ‑‑ ffaabbrriiccaattiioonn sstteeppss tthhaatt ggoo ttoowwaarrddss ffoorrmmiinngg tthhee ddeevviicceess aanndd iinntteerr‑‑ccoonnnneeccttiioonnss bbeettwweeeenn tthheessee ddeevviicceess ttoo pprroodduuccee tthhee ffuunnccttiioonniinngg IICC''ss.. TThhee eenndd rreessuulltt aarree wwaaffeerrss eeaacchh ccoonnttaaiinniinngg aa rreegguullaarr aarrrraayy ooff tthhee ssaammee IICC cchhiipp oorr ddiiee.. TThhee wwaaffeerr tthheenn hhaass ttoo bbee tteesstteedd aanndd tthhee cchhiippss ddiicceedd uupp aanndd tthhee ggoooodd cchhiippss mmoouunntteedd aanndd wwiirree‑‑bboonnddeedd iinn ddiiffffeerreenntt ttyyppeess ooff IICC ppaacckkaaggee aanndd tteesstteedd aaggaaiinn bbeeffoorree bbeeiinngg sshhiippppeedd oouutt.. From Howe, Sodini: Microelectronics:An Integrated Approach, Prentice Hall
  • 8. MMoooorree’’ss LLaaww GGoorrddoonn E.. MMoooorree -- CChhaaiirrmmaann Emmeerriittuuss ooff IInntteell CCoorrppoorraattiioonn 11996655 -- oobbsseerrvveedd ttrreennddss iinn iinndduussttrryy -- ## ooff ttrraannssiissttoorrss oonn IICCss vvss.. rreelleeaassee ddaatteess:: – NNoottiicceedd nnuummbbeerr ooff ttrraannssiissttoorrss ddoouubblliinngg wwiitthh rreelleeaassee ooff eeaacchh nneeww IICC ggeenneerraattiioonn – rreelleeaassee ddaatteess ((sseeppaarraattee ggeenneerraattiioonnss)) wweerree aallll 1188--2244 mmoonntthhss aappaarrtt MMoooorree’’ss LLaaww:: – TThhee nnuummbbeerr ooff ttrraannssiissttoorrss oonn aann iinntteeggrraatteedd cciirrccuuiitt wwiillll ddoouubbllee eevveerryy 1188 mmoonntthhss TThhee lleevveell ooff iinntteeggrraattiioonn ooff ssiilliiccoonn tteecchhnnoollooggyy aass mmeeaassuurreedd iinn tteerrmmss ooff nnuummbbeerr ooff ddeevviicceess ppeerr IICC TThhiiss ccoommeess aabboouutt iinn ttwwoo wwaayyss –– ssiizzee rreedduuccttiioonn ooff tthhee iinnddiivviidduuaall ddeevviicceess aanndd iinnccrreeaassee iinn tthhee cchhiipp oorr ddiiccee ssiizzee AAss aann iinnddiiccaattiioonn ooff ssiizzee rreedduuccttiioonn,, iitt iiss iinntteerreessttiinngg ttoo nnoottee tthhaatt ffeeaattuurree ssiizzee wwaass mmeeaassuurreedd iinn mmiillss ((11//11000000 iinncchh,, 11 mmiill == 2255 mmmm)) uupp ttoo eeaarrllyy 11997700’’ss,, wwhheerreeaass nnooww aallll ffeeaattuurreess aarree mmeeaassuurreedd iinn mmmm’’ss ((11 mmmm == 1100--66 mm oorr 1100--44 ccmm)) SSeemmiiccoonndduuccttoorr iinndduussttrryy hhaass ffoolllloowweedd tthhiiss pprreeddiiccttiioonn wwiitthh ssuurrpprriissiinngg aaccccuurraaccyy
  • 9. MMoooorree’’ss LLaaww • In 1965, Gordon Moore predicted tthhaatt tthhee nnuummbbeerr ooff ttrraannssiissttoorrss tthhaatt ccaann bbee iinntteeggrraatteedd oonn aa ddiiee wwoouulldd ddoouubbllee eevveerryy 1188 ttoo 1144 mmoonntthhss • ii..ee..,, ggrrooww eexxppoonneennttiiaallllyy wwiitthh ttiimmee • AAmmaazziinngg vviissiioonnaarryy –– mmiilllliioonn ttrraannssiissttoorr//cchhiipp bbaarrrriieerr wwaass ccrroosssseedd iinn tthhee 11998800’’ss.. – 22330000 ttrraannssiissttoorrss,, 11 MMHHzz cclloocckk ((IInntteell 44000044)) -- 11997711 – 4422 MMiilllliioonn,, 22 GGHHzz cclloocckk ((IInntteell PP44)) -- 22000011 – 114400 MMiilllliioonn ttrraannssiissttoorr ((HHPP PPAA--88550000)) Source: Intel web page (www.intel.com)
  • 10. MMoooorree’’ss LLaaww FFrroomm IInntteell’’ss 44004400 ((22330000 ttrraannssiissttoorrss)) ttoo PPeennttiiuumm IIII ((77,,550000,,000000 ttrraannssiissttoorrss)) aanndd bbeeyyoonndd Relative sizes of ICs in graph
  • 11. t Ever since thhee iinnvveennttiioonn ooff iinntteeggrraatteedd cciirrccuuiitt,, tthhee ssmmaalllleesstt ffeeaattuurree ssiizzee hhaass bbeeeenn rreedduucciinngg eevveerryy yyeeaarr.. CCuurrrreennttllyy ((22000022)) tthhee ssmmaalllleesstt ffeeaattuurree ssiizzee iiss aabboouutt 00..1133 mmiiccrroonn.. AAtt tthhee ssaammee ttiimmee tthhee nnuummbbeerr ttrraannssiissttoorrss ppeerr cchhiipp iiss iinnccrreeaassiinngg dduuee ttoo ffeeaattuurree ssiizzee rreedduuccttiioonn aanndd iinnccrreeaassee iinn cchhiipp aarreeaa.. CCllaassssiicc eexxaammppllee iiss tthhee ccaassee ooff mmeemmoorryy cchhiippss:: GGoorrddoonn MMoooorree ooff IInntteell iinn eeaarrllyy 11997700ss ffoouunndd tthhaatt:: ““ddeennssiittyy”” ((bbiittss ppeerr cchhiipp)) ggrroowwiinngg aatt tthhee rraattee ooff ffoouurr ttiimmeess iinn 33 ttoo 44 yyeeaarrss - oofftteenn rreeffeerrrreedd ttoo aass MMoooorree’’ss LLaaww.. IInn ssuubbsseeqquueenntt yyeeaarrss,, tthhee ppaaccee sslloowweedd ddoowwnn aa bbiitt,, ddaattaa ddeennssiittyy hhaass ddoouubblleedd aapppprrooxxiimmaatteellyy eevveerryy 1188 mmoonntthhss –– ccuurrrreenntt ddeeffiinniittiioonn ooff MMoooorree’’ss LLaaww..
  • 12. LLiimmiittss ooff MMoooorree’’ss LLaaww?? GGrroowwtthh eexxppeecctteedd uunnttiill 3300 nnmm ggaattee lleennggtthh ((ccuurrrreennttllyy:: 118800 nnmm)) – ssiizzee hhaallvveedd eevveerryy 1188 mmooss.. -- rreeaacchheedd iinn 2001 + 1.5 log2((180/30)2) = 2009 – wwhhaatt tthheenn?? PPaarraaddiiggmm sshhiifftt nneeeeddeedd iinn ffaabbrriiccaattiioonn pprroocceessss
  • 13. Technological BBaacckkggrroouunndd ooff tthhee MMoooorree’’ss LLaaww TToo aaccccoommmmooddaattee tthhiiss cchhaannggee,, tthhee ssiizzee ooff tthhee ssiilliiccoonn wwaaffeerrss oonn wwhhiicchh tthhee iinntteeggrraatteedd cciirrccuuiittss aarree ffaabbrriiccaatteedd hhaavvee aallssoo iinnccrreeaasseedd bbyy aa vveerryy ssiiggnniiffiiccaanntt ffaaccttoorr –– ffrroomm tthhee 22 aanndd 33 iinn ddiiaammeetteerr wwaaffeerrss ttoo tthhee 88 iinn ((220000 mmmm)) aanndd 1122 iinn ((330000 mmmm)) ddiiaammeetteerr wwaaffeerrss TThhee llaatteesstt ccaattcchh pphhrraassee iinn sseemmiiccoonndduuccttoorr tteecchhnnoollooggyy ((aass wweellll aass iinn ootthheerr mmaatteerriiaall sscciieennccee)) iiss nnaannootteecchhnnoollooggyy –– uussuuaallllyy rreeffeerrrriinngg ttoo GGaaAAss ddeevviicceess bbaasseedd oonn qquuaannttuumm mmeecchhaanniiccaall pphheennoommeennaa TThheessee ddeevviicceess hhaavvee ffeeaattuurree ssiizzee ((ssuucchh aass ffiillmm tthhiicckknneessss,, lliinnee wwiiddtthh eettcc)) mmeeaassuurreedd iinn nnaannoommeettrreess oorr 1100--99 mmeettrreess
  • 14. RReeccuurrrriinngg CCoossttss v a rr i aabbllee ccoosstt == ccoosstt ooff ddiiee ++ ccoosstt ooff ddiiee tteesstt ++ ccoosstt ooff ppaacckkaaggiinngg -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- ffiinnaall tteesstt yyiieelldd ccoosstt ooff ddiiee == ----------- - --cc--o-o---ss--tt-- --oo--ff-- --ww----aa--f-e-e---rr-------------------------- ddiieess ppeerr wwaaffeerr ×× ddiiee yyiieelldd d i e s pp ee r ww aa f ee rr == -- p---- --××--- - ((--ww----a-a---ff--ee--rr-- --dd--ii--aa---m-m----ee--tt--ee--rr--//--22----))--22- - -- -- - -- - p ×× wwaaffeerr ddiiaammeetteerr - -- -- - -- -- - -- -- - -- -- - -- -- - -- -- - -- -- - -- -- - dd----iiee aarreeaa Ö 22 ×× ddiiee aarreeaa ddiiee yyiieelldd == ((11 ++ ((ddeeffeeccttss ppeerr uunniitt aarreeaa ×× ddiiee aarreeaa))//a))--a
  • 15. YYiieelldd EExxaammppllee  Example wafer size of 12 inches, die size of 2.5 cm2, 1 defects/cm2, a = 3 (measure of manufacturing process complexity) 252 dies/wafer (remember, wafers round dies square) die yield of 16% 252 x 16% = only 40 dies/wafer die yield !  Die cost is strong function of die area  proportional to the third or fourth power of the die area
  • 17. P Intel Peennttiiuumm ((IIVV)) MMiiccrroopprroocceessssoorr
  • 18. DDiiee SSiizzee GGrroowwtthh DDiiee ssiizzee ggrroowwss bbyy 1144%% ttoo ssaattiissffyy MMoooorree’’ss LLaaww 8080 8008 4004 8086 8085 286 386 P6 486 Pentium ® proc 100 10 1 1970 1980 1990 2000 2010 Year Die size (mm) ~7% growth per year ~2X growth in 10 years Courtesy, Intel
  • 19. CClloocckk FFrreeqquueennccyy LLeeaadd mmiiccrroopprroocceessssoorrss ffrreeqquueennccyy ddoouubblleess eevveerryy 22 yyeeaarrss P6 Pentium ® proc 486 286 386 8085 8086 8080 8008 10000 1000 100 10 1 0.1 4004 1970 1980 1990 2000 2010 Year Frequency (Mhz) 2X every 2 years Courtesy, Intel
  • 20. EExxaammpplleess ooff CCoosstt MMeettrriiccss ((11999944)) CChhiipp MMeettaall llaayyeerrss LLiinnee wwiiddtthh WWaaffeerr ccoosstt DDeeffeeccttss// ccmm22 AArreeaa ((mmmm22)) DDiieess// wwaaffeerr YYiieelldd DDiiee ccoosstt 338866DDXX 22 00..9900 $$990000 11..00 4433 336600 7711%% $$44 448866DDXX22 33 00..8800 $$11220000 11..00 8811 118811 5544%% $$1122 PPoowweerrPPCC 44 00..8800 $$11770000 11..33 112211 111155 2288%% $$5533 660011 HHPP PPAA 77110000 33 00..8800 $$11330000 11..00 119966 6666 2277%% $$7733 DDEECC AAllpphhaa 33 00..7700 $$11550000 11..22 223344 5533 1199%% $$114499 SSuuppeerr SSPPAARRCC 33 00..7700 $$11770000 11..66 225566 4488 1133%% $$227722 PPeennttiiuumm 33 00..8800 $$11550000 11..55 229966 4400 99%% $$441177
  • 21. VVLLSSII VVeerryy LLaarrggee SSccaallee IInntteeggrraattiioonn – ddeessiiggnn//mmaannuuffaaccttuurriinngg ooff eexxttrreemmeellyy ssmmaallll,, ccoommpplleexx cciirrccuuiittrryy uussiinngg mmooddiiffiieedd sseemmiiccoonndduuccttoorr mmaatteerriiaall – iinntteeggrraatteedd cciirrccuuiitt ((IICC)) mmaayy ccoonnttaaiinn mmiilllliioonnss ooff ttrraannssiissttoorrss,, eeaacchh aa ffeeww mmm iinn ssiizzee – aapppplliiccaattiioonnss wwiiddee rraannggiinngg:: mmoosstt eelleeccttrroonniicc llooggiicc ddeevviicceess
  • 22. OOrriiggiinnss ooff VVLLSSII MMuucchh ddeevveellooppmmeenntt mmoottiivvaatteedd bbyy WWWWIIII nneeeedd ffoorr iimmpprroovveedd eelleeccttrroonniiccss,, eessppeecciiaallllyy ffoorr rraaddaarr 11994400 -- RRuusssseellll OOhhll ((BBeellll LLaabboorraattoorriieess)) -- ffiirrsstt ppnn jjuunnccttiioonn 11994488 -- SShhoocckklleeyy,, BBaarrddeeeenn,, BBrraattttaaiinn ((BBeellll LLaabboorraattoorriieess)) -- ffiirrsstt ttrraannssiissttoorr – 11995566 NNoobbeell PPhhyyssiiccss PPrriizzee LLaattee 11995500ss -- ppuurriiffiiccaattiioonn ooff SSii aaddvvaanncceess ttoo aacccceeppttaabbllee lleevveellss ffoorr uussee iinn eelleeccttrroonniiccss 11995588 -- SSeeyymmoouurr CCrraayy ((CCoonnttrrooll DDaattaa CCoorrppoorraattiioonn)) -- ffiirrsstt ttrraannssiissttoorriizzeedd ccoommppuutteerr -- CCDDCC 11660044
  • 23. OOrriiggiinnss ooff VVLLSSII ((CCoonntt..)) 11995599 -- JJaacckk SStt.. CCllaaiirree KKiillbbyy ((TTeexxaass IInnssttrruummeennttss)) -- ffiirrsstt iinntteeggrraatteedd cciirrccuuiitt -- 1100 ccoommppoonneennttss oonn 99 mmmm22 11995599 -- RRoobbeerrtt NNoorrttoonn NNooyyccee ((ffoouunnddeerr,, FFaaiirrcchhiilldd SSeemmiiccoonndduuccttoorr)) -- iimmpprroovveedd iinntteeggrraatteedd cciirrccuuiitt 11996688 -- NNooyyccee,, GGoorrddoonn EE.. MMoooorree ffoouunndd IInntteell 11997711 -- TTeedd HHooffff ((IInntteell)) -- ffiirrsstt mmiiccrroopprroocceessssoorr ((44000044)) -- 22330000 ttrraannssiissttoorrss oonn 99 mmmm22 SSiinnccee tthheenn -- ccoonnttiinnuueedd iimmpprroovveemmeenntt iinn tteecchhnnoollooggyy hhaass aalllloowweedd ffoorr iinnccrreeaasseedd ppeerrffoorrmmaannccee aass pprreeddiicctteedd bbyy MMoooorree’’ss LLaaww
  • 24. TThhrreeee DDiimmeennssiioonnaall VVLLSSII TThhee ffaabbrriiccaattiioonn ooff aa ssiinnggllee iinntteeggrraatteedd cciirrccuuiitt wwhhoossee ffuunnccttiioonnaall ppaarrttss ((ttrraannssiissttoorrss,, eettcc)) eexxtteenndd iinn tthhrreeee ddiimmeennssiioonnss TThhee vveerrttiiccaall oorriieennttaattiioonn ooff sseevveerraall bbaarree iinntteeggrraatteedd cciirrccuuiittss iinn aa ssiinnggllee ppaacckkaaggee
  • 25. AAddvvaannttaaggeess ooff 33DD VVLLSSII SSppeeeedd -- tthhee ttiimmee rreeqquuiirreedd ffoorr aa ssiiggnnaall ttoo ttrraavveell bbeettwweeeenn tthhee ffuunnccttiioonnaall cciirrccuuiitt bblloocckkss iinn aa ssyysstteemm ((ddeellaayy)) rreedduucceedd.. – DDeellaayy ddeeppeennddss oonn rreessiissttaannccee//ccaappaacciittaannccee ooff iinntteerrccoonnnneeccttiioonnss – rreessiissttaannccee pprrooppoorrttiioonnaall ttoo iinntteerrccoonnnneeccttiioonn lleennggtthh
  • 26. AAddvvaannttaaggeess ooff 33DD VVLLSSII NNooiissee -- uunnwwaanntteedd ddiissttuurrbbaanncceess oonn aa uusseeffuull ssiiggnnaall – rreefflleeccttiioonn nnooiissee ((vvaarryyiinngg iimmppeeddaannccee aalloonngg iinntteerrccoonnnneecctt)) – ccrroossssttaallkk nnooiissee ((iinntteerrffeerreennccee bbeettwweeeenn iinntteerrccoonnnneeccttss)) – eelleeccttrroommaaggnneettiicc iinntteerrffeerreennccee ((EEMMII)) ((ccaauusseedd bbyy ccuurrrreenntt iinn ppiinnss)) 33DD cchhiippss – ffeewweerr,, sshhoorrtteerr iinntteerrccoonnnneeccttss – ffeewweerr ppiinnss
  • 27. AAddvvaannttaaggeess ooff 33DD VVLLSSII PPoowweerr ccoonnssuummppttiioonn – ppoowweerr uusseedd cchhaarrggiinngg aann iinntteerrccoonnnneecctt ccaappaacciittaannccee » P = fCV2 – ppoowweerr ddiissssiippaatteedd tthhrroouugghh rreessiissttiivvee mmaatteerriiaall » P = V2/R – ccaappaacciittaannccee//rreessiissttaannccee pprrooppoorrttiioonnaall ttoo lleennggtthh – rreedduucceedd iinntteerrccoonnnneecctt lleennggtthhss wwiillll rreedduuccee ppoowweerr
  • 28. AAddvvaannttaaggeess ooff 33DD VVLLSSII IInntteerrccoonnnneecctt ccaappaacciittyy ((ccoonnnneeccttiivviittyy)) – mmoorree ccoonnnneeccttiioonnss bbeettwweeeenn cchhiippss – iinnccrreeaasseedd ffuunnccttiioonnaalliittyy,, eeaassee ooff ddeessiiggnn
  • 29. AAddvvaannttaaggeess ooff 33DD VVLLSSII PPrriinntteedd cciirrccuuiitt bbooaarrdd ssiizzee//wweeiigghhtt – ppllaannaarr ssiizzee ooff PPCCBB rreedduucceedd wwiitthh nneegglliiggiibbllee IICC hheeiigghhtt iinnccrreeaassee – wweeiigghhtt rreedduuccttiioonn dduuee ttoo mmoorree cciirrccuuiittrryy ppeerr ppaacckkaaggee//ssmmaalllleerr PPCCBBss – eessttiimmaatteedd 4400--5500 ttiimmeess rreedduuccttiioonn iinn ssiizzee//wweeiigghhtt
  • 30. 33DD VVLLSSII -- CChhaalllleennggeess aanndd SSoolluuttiioonnss CChhaalllleennggee:: TThheerrmmaall mmaannaaggeemmeenntt – ssmmaalllleerr ppaacckkaaggeess – iinnccrreeaasseedd cciirrccuuiitt ddeennssiittyy – iinnccrreeaasseedd ppoowweerr ddeennssiittyy SSoolluuttiioonnss:: – cciirrccuuiitt llaayyoouutt ((ddeessiiggnn ssttaaggee)) » high power sections uniformly distributed – aaddvvaanncceemmeenntt iinn ccoooolliinngg tteecchhnniiqquueess ((hheeaatt ppiippeess))
  • 31. Influential PPaarrttiicciippaannttss -- IInndduussttrryy MMiittssuubbiisshhii,, TTII,, IInntteell,, CCTTSS MMiiccrrooeelleeccttrroonniiccss,, HHiittaacchhii,, IIrrvviinnee SSeennssoorrss,, ootthheerrss...... – hhiigghh ddeennssiittyy mmeemmoorriieess AATTTT – hhiigghh ddeennssiittyy ““mmuullttiipprroocceessssoorr”” MMaannyy ootthheerr aapppplliiccaattiioonnss//ppaarrttiicciippaannttss
  • 32. TThhrreeee DDiimmeennssiioonnaall VVLLSSII MMoooorree’’ss LLaaww aapppprrooaacchhiinngg pphhyyssiiccaall lliimmiitt IInnccrreeaasseedd ppeerrffoorrmmaannccee eexxppeecctteedd bbyy mmaarrkkeett PPaarraaddiiggmm sshhiifftt nneeeeddeedd -- 33DD VVLLSSII – mmaannyy aaddvvaannttaaggeess oovveerr 22DD VVLLSSII – eeccoonnoommiicc lliimmiittaattiioonnss ooff ffaabbrriiccaattiioonn oovveerrhhaauull wwiillll bbee oovveerrccoommee bbyy mmaarrkkeett ddeemmaanndd TThhrreeee DDiimmeennssiioonnaall VVLLSSII mmaayy bbee tthhee ssaavviioorr ooff MMoooorree’’ss LLaaww

Editor's Notes

  • #6: Staffing costs computed at $150K/staff year (in 1997 dollars)
  • #15: While the cost of producing a single transistor has dropped exponentially over the past few decades, the basic cost equation hasn’t changed. Cost of a circuit is dependent upon the chip area. Alpha depends upon the complexity of the manufacturing process (and is roughly proportional to the number of masks). A good estimate for today’s complex CMOS process is alpha = 3. Defects per unit area is a measure of the material and process-induced faults. A value between 0.5 and 1 defects/cm**2 is typical today but strongly depends upon the maturity of the process.
  • #16: While the cost of producing a single transistor has dropped exponentially over the past few decades, the basic cost equation hasn’t changed. Cost of a circuit is dependent upon the chip area. Alpha depends upon the complexity of the manufacturing process (and is roughly proportional to the number of masks). A good estimate for today’s complex CMOS process is alpha = 3. Defects per unit area is a measure of the material and process-induced faults. A value between 0.5 and 1 defects/cm**2 is typical today but strongly depends upon the maturity of the process.
  • #17: introduced in 1971 versus 8086 introduced in 1978 1 MHz clock rate 10 MHz clock rate 5volt VDD (?) 5volt VDD 10 micron (?) 3 micron 5K transistors (?) 29K transistors
  • #18: P5 introduced in 1994 versus P6 (Pentium Pro) in 1996 75 to 100 MHz clock rate 150 to 200 MHz clock rate 91 mm**2 196 mm**2 3.3M transistors 5.5M transistors (1M in cache) (external cache) 0.35 micron 0.35 micron 4 layers metal 4 layers metal 3.3volt VDD 3.3volt VDD >20W typical power dissipation 387 pins