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移动和无线通信中MM(更多摩尔)和MTM(超越摩尔)技术介绍

2020-11-25 80 11/25

本文的一个主要目的是介绍提供移动和无线通信系统中的硬件技术。 然而,在引入硬件技术之前,必须详细说明移动通信系统中的内容和范围。 当然,没有有线或其他通信网络支持,移动性通信是不可能的。 在这里,我们首先回顾一下通信的融合性(有线与无线,交换电路与分组电路,语音与数据,GERAN与UTRAN,无线广域网与无线局域网)。

通信的融合首先是在低层物理层(有线网络,包括铜双绞线和光缆)电路交换和分组交换网络,然后与无线网(俗称2G、3G和4G)和无线局域网(俗称wifi)进行空中接口交互。 这些任务是通过3GPP发布到3G的Rel7协议等来完成的。 目前,5G正在如火如荼的开发中,因此,我们也会讨论5G目标和实现5G目标需要的关键技术。

由于移动性实际上是通过有线和无线网络的结合来实现的,因此我们将回顾这两种网络中使用的关键产品。 我们发现通信产品包括不同的行业;例如,光纤行业,硅玻璃是用于光链路的主要材料,电缆行业,铜和塑料被大量用于形成连接器和电缆,半导体和PCB(印刷电路板)行业,硅和有机材料被用于器件和部件的小型化应用中。

在回顾了有线和无线网络中使用的产品之后,现在是时候看看硬件制造和集成技术,从这些技术中构建通信产品。 在本文中,我们要讨论最先进的MM(更多摩尔定理(more Moore)的方法,)和MTM(超越摩尔定理(more than Moore)的方法)的工艺过程。
这两者都是平面加工工艺技术,适合大规模生产,MM方法采用的是半导体技术,而MTM采用的是PCB(也包括LTCC)和封装技术。因此,MM多发生在晶圆厂,而 MTM则发生在OSAT(半导体组装和测试外包,outsourced semiconductor assembly and test)中。 MM和MTM传统上被称为集成电路制造和封装专业。

后面我们会简要回顾了MM和MTM硬件技术在实现晶体管和由A系列AP及其移动存储器组成的移动芯片组方面的现状,这是手机终端中最关键的设备和组件。

晶体管工程是近年来MM最重要的成就,可以用HKMG(高k金属栅极)和TriGate(三栅)半导体技术的发展来代表。 下图1显示了带有HKMG的器件结构。 这种器件高k材料(图1种较暗的层)和金属栅极的组合,由于降低了泄露以及增加了晶体管的稳定性,从而使晶体管的性能比传统的二氧化硅(介质)和多晶硅(非金属)栅极更好。

图1、HKMG,三个侧面是高k介质,栅极在顶部表面金属化

图2显示了一个由多个TriGates(Triple gates,三栅极)构造的3D FinFET晶体管器件。 它之所以这样命名是因为三个栅极的每个脊背都从三个侧面被覆盖。 该技术与英特尔的最新的栅极处理方法一起,将摩尔定律扩展到32nm(工艺技术节点)及以下;因此,被认为是一种重要的MM技术贡献。

图2、由多个三栅极(TriGates)构造的 FinFET;三栅极(TriGates)的在三个侧面每 个脊背都被覆盖

每年9月份,全世界,特别是电子行业和商业领域,都在关注一款新的iPhone手机的诞生,其中A系列AP(应用处理器)及其主要移动内存LPDDR是大家关注的重点。 这是因为A系列AP及其移动内存是许多苹果iPhone手机的核心,并且大规模生产它们(A系列AP器件或者AP和LPDDR内存的POP产品组合)代表了每年半导体器件工艺领域的最高成就。

苹果公司的A系列AP(A4,A5,...)及其移动内存LPDDR被封装在一个先进的封装中,即所谓的“POP(packaged on a package,封装加封装)”,如图3所示。 请注意,图3中的双芯片die的存储器不是相对于下面的AP对称放置的。 因为采用的是键合(Wirebonding)技术可能是其中一个因素。 双LPDDR位于封装的顶部,而AP(应用程序处理器)位于底部。
这种配置可以大大提高处理器的性能;然而,AP的散热是一个值得关注的问题。 在后来的AP(A7)/LPDDR3 POP中,iPhone5S有三行TMVs(成型通孔),而图3的设计中只有两行,如图3所示。 增加更多的TMVs(成型通孔)可以被设计来协助散热。

图3、用在iPhone4的POP中AP(A4)/LPDDR组合的横截面图, 两边都有两排TMVs。

根据芯片制造商三星(14nm)或台积电(16nm),A9采用14nm和/或16nm工艺制成。 各种来源已经表明,A10,由iPhone7使用,并在2016年9月提供,使用的是台积电的16nm技术制造;然而,当年最先进的10nm技术被三星用于生产高通的Snapdragon835 AP。

由于MM和MTM硬件都是在本文中介绍的,所以理解它们之间的区别是很重要的。 让我们使用下表1来说明它们之间的差异:

表1、MM和MTM比较

MTM硬件技术对于满足未来5G移动性的需求具有重要的现实意义。

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