培风图南企业命题设置
企业命题赛道是初赛赛道的其中一种。企业命题额外设立专项奖，由企业专家评出。选择企业命题的队伍将按照大赛各子赛道（赛题）统一比例晋级线下决赛，入围决赛的企业命题队伍继续参加大赛决赛各项奖项评比，与初赛奖项互不冲突。
培风图南企业命题专项奖设：
- 一等奖1队，每队奖金1万元
- 二等奖3队，每队奖金5000元
企业命题文档下载链接
https://cpipc.acge.org.cn/sysFile/downFile.do?fileId=d574bd01661648caa3c2d5da72a2f547
赛题：低温高性能计算场景下的最优晶体管架构
背景知识
在现代高性能计算领域，性能、能效比和成本是核心指标。当芯片在低温下工作时，有望实现更高性能和能效比。下面我们分步阐述这个优势。
① 在低温下，CMOS晶体管亚阈值斜率更陡，在给定的阈值电压（Vth）下，器件的关态电流（Ioff）可以近似地用下式计算：
其中，Cd和Ci分别为MOS晶体管耗尽层电容和栅氧电容，T为工作温度。由此可见，在低温下，若保持同等关态电流（Ioff）时，阈值电压（Vth）可以降低。
② 低温下，声子散射减弱，库伦散射增强。综合多种因素后，在77-120K温度区域，CMOS晶体管中低电场下载流子迁移率较室温时高出数倍，高电场下的载流子饱和速度较室温时显著提高。
数据来源：M. Sze, Physics of Semiconductor Devices, 2nd Ed., p.31.， p.46.
当迁移率提高时，保持同等Vth时，驱动电流更大。
③ 综合以上两点，在低温下可以适当调低Vth、大幅降低Vdd，仍可以保持同等于室温下Ion/Ioff，
④ 高性能计算场景下，CMOS数字电路的功耗主要是动态功耗。动态功耗分为两部分，开关充放电功耗和同时导通（短路）功耗。选取适当的Vdd和Vth后，可以基本消除短路功耗，开关充放电成为动态功耗的主要组成部分。逻辑门开关充放电功耗可以写作
其中，C是逻辑门的负载电容，f为开关频率。在最简化的讨论中，对于负载电容我们忽略金属互联的寄生电容，仅考虑下一级逻辑门中晶体管的栅极电容Cg；假设开关频率等于时钟频率。因此，同等时钟频率时，动态功耗可以大幅降低。
1986年面世的超级计算机ETA-10，采用1.25微米CMOS工艺，是首个采用CMOS的超算，拥有142MHz的时钟频率，有气冷和液液氮冷却两个型号1。其中，液氮冷却型号，比室温气冷型号的性能高出一倍。但是由于制冷手段昂贵，这种制冷超算并没有获得大规模应用。
随着风能等可再生能源的蓬勃发展与日益成熟，液化空气的大规模、低成本制取已经成为可能。与ETA-10采用的液氮冷却方式类似，可以采用液化空气直接冷却芯片，将芯片的温度降低到77K附近。
一种更高效的利用液化空气的方式，是在液化空气储能系统的释能环节，液化空气蒸发成高压空气，经加热后推动轮机发电2。高压液化空气蒸发时吸收的热量，可以将芯片的温度降低到110K附近。
考虑上述两种制冷方式，77K-110K是低温芯片最有潜力的工作温度区间。然而，现代CMOS逻辑工艺并没有为低温工作的高性能计算场景优化。直接采用标准CMOS工艺，可能难以发挥出低温计算在性能和能效比方面的潜力。互联网上有网友设想将建议液化空气储能系统和超级计算机联系起来3，并建议为低温高性能计算场景定制器件和工艺。
MOSFET晶体管是现代逻辑工艺平台的核心器件。本课题旨在探索适合低温高性能计算场景的最优晶体管架构。
赛题描述
待解决问题
在低温（77K-110K）下进行高性能计算，在性能、能效比和成本等方面可能有显著优势，而现代CMOS逻辑工艺并没有为低温工作的场景优化。本课题旨在探索适合低温高性能计算场景的最优晶体管架构。
项目目标
利用TCAD工艺和器件仿真软件，搭建一种晶体管架构的仿真环境，定量衡量其性能、能效比。在低温高性能计算场景下，从性能、能效比等方面优化该晶体管架构。对比室温和低温环境下的高性能计算，在性能、能效比等方面的优劣。
衡量方法
考虑室温(300K)和低温(77K-110K)工作条件，不考虑散热和制冷的能耗和成本。考虑反相器构成、扇出3（FO3）的环形振荡器，以其延迟 τ=CV/Ieff(ps)衡量性能，其中Ieff为晶体管的等效电流4，C为反相器输入电容；以开关能量 E = CV2 (fj/switch)衡量能效比。
工艺条件约束：
- 采用Si、SiGe等硅基半导体作为沟道材料，可以采用任意晶面的晶圆，任意的沟道指向；
- 可以采用的晶体管架构包括但不限于：FinFET、GAAFET、NanoSheet、ForkSheet、CFET；
- 考虑下面约束条件：
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工艺参数 |
限制 |
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有接触孔栅间距Contacted Gate Pitch |
CPP≥60nm |
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鳍间距Fin Pitch |
FP≥30nm |
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栅长 Lg |
Lg ≥12nm |
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鳍的高宽比Fin Aspect Ratio |
FAR ≤ 8.5 |
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金属栅功函数 WF |
4.1eV ≤ WF ≤ 5.0eV |
技术要求
参考IRDS路线图和近年的公开文献，在工艺和器件仿真中，选用合理的模型和参数；考虑逻辑电路和存储电路正常稳定工作对器件特性的要求；考虑LER、WFV、RDF等工艺涨落效应对器件特性的影响；考虑寄生电容、电阻对逻辑电路性能和功耗的影响。
TCAD工具：比赛所用TCAD工具为培风图南公司提供的MozzTCAD工具，报名成功后，由队长向tcad2024@163.com发申请获取领取正版授权的比赛专用TCAD工具包（包括虚拟机、ISO安装文件、安装说明，以及许可证文件）。申请邮件命名规则：创芯大赛培风图南赛题TCAD申请-（学校）-（队伍名称）；邮件申请要求参考数据包申请表，数据包申请表下载链接：
https://cpipc.acge.org.cn/sysFile/downFile.do?fileId=798f6a35a2df41e097077c06bcad973d
赛题将建立答疑群，在比赛期间，定期为参赛选手解答软件使用问题，答疑群入群方式详见大赛官网赛题页面。
评分方式
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考察内容 |
比例 |
基础要求 |
加分点 |
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利用TCAD完成工艺和器件仿真 |
30% |
仿真得到三维器件结构、直流电学特性 |
- |
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工艺和器件参数设置合理 |
10% |
仿真中所选取的工艺和器件参数不超出赛题中给出的工艺条件约束 |
参考近年公开论文和IRDS路线图，论证并选取其他工艺、器件参数的合理数值 |
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物理模型选取合理 |
20% |
参考软件附带FinFET和NanoSheet应用范例，在工艺仿真、器件仿真中选择合理的物理模型 |
根据晶体管架构、材料、尺寸、工艺步骤等，论证并选取合理的物理模型 |
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室温和低温下，定量衡量晶体管架构的性能、能效比 |
20% |
以FO3延迟衡量性能；以FO3开关能量衡量能效比 |
电路稳定工作对器件特性的要求；工艺涨落效应对器件特性的影响；寄生阻、容对性能和功耗的影响 |
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工艺、器件优化 |
20% |
以性能和能效比为优化目标，在选定的晶体管架构下，寻找最优的工艺和器件参数 |
发挥想象力，从材料、器件、工艺、电路、系统等多个维度，探索优化方向；采用新颖的算法进行工艺、器件优化 |
参考文献
- Saligram, R., A. Raychowdhury, and Suman Datta. "The future is frozen: cryogenic CMOS for high-performance computing." Chip 3.1 (2024): 100082.
- Bao, Ruqiang, et al. "High Performance Nanosheet Technology Optimized for 77 K." 2023 International Electron Devices Meeting (IEDM). IEEE, 2023.
- Yu, X-R., et al. "First Demonstration of Defect Elimination for Cryogenic Ge FinFET CMOS Inverter Showing Steep Subthreshold Slope by Using Ge-on-Insulator Structure." 2023 International Electron Devices Meeting (IEDM). IEEE, 2023.
- Mochizuki, Shogo, et al. "Evaluation of (110) versus (001) Channel Orientation for Improved nFET/pFET Device Performance Trade-Off in Gate-All-Around Nanosheet Technology." 2023 International Electron Devices Meeting (IEDM). IEEE, 2023.
- Bao, Ruqiang, et al. "Selective enablement of dual dipoles for near bandedge multi-Vt solution in high performance FinFET and nanosheet technologies." 2020 IEEE Symposium on VLSI Technology. IEEE, 2020.
- Kelly, Tim, et al. "Some like it cold: Initial testing results for cryogenic computing components." Journal of Physics: Conference Series. Vol. 1182. No. 1. IOP Publishing, 2019.
注释
「1」Carlson, DOUGLAS M., et al. "The ETA 10 liquid-nitrogen-cooled supercomputer system." IEEE transactions on electron devices 36.8 (1989): 1404-1413.
https://ethw.org/First-Hand:The_First_CMOS_And_The_Only_Cryogenically_Cooled_Supercomputer
「2」Liang, T., He, W., Ahmad, A., Li, Y., & Ding, Y. (2024). Integration of liquid air energy storage with wind power – A dynamic study. APPLIED THERMAL ENGINEERING, 242, [122415].
「3」见网页：https://www.linkedin.com/posts/tanj-bennett-879aa313_storing-energy-from-fresh-air-is-it-an-actual-activity-7172705774404657152-rNKy
「4」M. H. Na, E. J. Nowak, W. Haensch, and J. Cai, “The effective drive current in CMOS inverters,” in Digest. International Electron Devices Meeting, San Francisco, CA, USA, 2002, pp. 121–124.