科研前線 | 深度學(xué)習(xí)助力GAA器件設(shè)計(jì)，臺(tái)灣NYCU新成果發(fā)布

直擊前線科研動(dòng)態(tài)

盡在芯片揭秘●科研前線

近期落幕的2022 VLSI-TSA上，臺(tái)灣陽(yáng)明交通大學(xué)李義明團(tuán)隊(duì)發(fā)表了應(yīng)用于GAA晶體管器件的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，該模型基于深度學(xué)習(xí)技術(shù)開(kāi)發(fā)的，可針對(duì)功函數(shù)漲落、隨機(jī)摻雜波動(dòng)和界面陷阱波動(dòng)等影響器件結(jié)構(gòu)的隨機(jī)參數(shù)進(jìn)行預(yù)測(cè)。

隨著器件技術(shù)節(jié)點(diǎn)的發(fā)展，縮小晶體管尺寸的技術(shù)進(jìn)程面臨著越來(lái)越大的挑戰(zhàn)。產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀表明，對(duì)集成電路制造商而言，通過(guò)制造面積更小的晶體管器件以實(shí)現(xiàn)更低的成本、提供更好的性能以及降低功率的傳統(tǒng)技術(shù)演進(jìn)路徑會(huì)變得越發(fā)困難，晶體管的結(jié)構(gòu)到了改變的時(shí)候。

四面環(huán)柵的GAA晶體管結(jié)構(gòu)應(yīng)運(yùn)而生，其柵極從對(duì)溝道實(shí)現(xiàn)了360°的包裹。在不同的GAA衍生結(jié)構(gòu)中，硅基nanosheet被認(rèn)為是構(gòu)建未來(lái)晶體管的最佳結(jié)構(gòu)。但像nanosheet這樣的器件通常會(huì)受到各種波動(dòng)的影響，如功函數(shù)波動(dòng)(WKF)、隨機(jī)摻雜波動(dòng)(RDF)、界面陷阱波動(dòng)(ITF)、線邊緣粗糙度(LER)等?？紤]和研究這些波動(dòng)在對(duì)于納米器件的影響具有十分重要的意義。

臺(tái)灣陽(yáng)明交通大學(xué)平行與科學(xué)計(jì)算實(shí)驗(yàn)室研究團(tuán)隊(duì)提出將深度學(xué)習(xí)技術(shù)應(yīng)用于函數(shù)漲落等影響晶體管建模的隨機(jī)變化計(jì)算，其成果以Deep Learning Approach to Modeling and Exploring Random Sources of Gate-All-Around Silicon Nanosheet MOSFETs為題發(fā)表于臺(tái)灣新竹舉行的2022年VLSI-TSA會(huì)議，Rajat Butola為第一作者，李義明教授為通訊作者。

陽(yáng)明交通大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)為了分析前述這些波動(dòng)對(duì)GAA器件的影響，引入了基于深度學(xué)習(xí)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，同時(shí)考慮了WKF、RDF和ITF三種不同的波動(dòng)，并共同研究了它們對(duì)3nm節(jié)點(diǎn)技術(shù)電特性的綜合影響。深度學(xué)習(xí)模型的訓(xùn)練（train）是通過(guò)給模型喂數(shù)據(jù)以學(xué)習(xí)隱藏參數(shù)，而測(cè)試（test）指的是對(duì)訓(xùn)練后的模型中新出現(xiàn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測(cè)；通過(guò)將每個(gè)源數(shù)據(jù)變化的波動(dòng)次數(shù)作為輸入特征，定性和定量地研究了它們對(duì)器件的影響。

具體過(guò)程包括：

· 在配置深度學(xué)習(xí)模型之前執(zhí)行數(shù)據(jù)預(yù)處理；

· WKF、RDF和ITF三種波動(dòng)的數(shù)據(jù)輸入到深度學(xué)習(xí)模型中；

· 訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型時(shí)，在每個(gè)epoch*內(nèi)優(yōu)化隱藏層的權(quán)重和偏差值；

· 通過(guò)對(duì)比模擬和預(yù)測(cè)的ID-Vg曲線，預(yù)測(cè)值與模擬值相一致，證明該模型具有較好的預(yù)測(cè)性。

*epoch，所有的數(shù)據(jù)送入網(wǎng)絡(luò)中, 完成一次前向計(jì)算 + 反向傳播的過(guò)程。

GAA器件的三種波動(dòng)示意圖(a)， 以及器件模擬參數(shù)表(b)

器件模擬仿真流程

圖 (a)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型結(jié)構(gòu)； (b)調(diào)制超參數(shù)及其對(duì)應(yīng)值； (c)損失函數(shù)隨Epoch的衰減曲線

對(duì)GAA器件的線性坐標(biāo)模擬， ANN模型預(yù)測(cè)其傳輸特性，具有較好一致性

從模擬/算法預(yù)測(cè)的ID-VG曲線中提取關(guān)鍵數(shù)據(jù)對(duì)比： ION、IOFF和gm

陽(yáng)明交通大學(xué)團(tuán)隊(duì)首次利用深度學(xué)習(xí)算法，通過(guò)分析WK、RD等類(lèi)型的函數(shù)波動(dòng)的變化來(lái)預(yù)測(cè)和確定GAA器件的電學(xué)特性，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果被證明是有效且低成本的研究不同源參數(shù)變化和傳輸特性之間關(guān)系的變化。目前，該團(tuán)隊(duì)正開(kāi)發(fā)多種深度學(xué)習(xí)技術(shù)以應(yīng)用于更多場(chǎng)景下的先進(jìn)納米器件仿真，助力先進(jìn)信息技術(shù)落地集成電路器件領(lǐng)域，推動(dòng)先進(jìn)制程前沿技術(shù)的快速發(fā)展。

李義明教授，臺(tái)灣陽(yáng)明交通大學(xué)電機(jī)系教授、平行與科學(xué)計(jì)算實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)人、納米元件實(shí)驗(yàn)室組長(zhǎng)及副研究員，2001年博士畢業(yè)于國(guó)立交通大學(xué)電子研究所。目前研究方向?yàn)榘雽?dǎo)體組件模式與仿真、電路仿真與設(shè)計(jì)優(yōu)化、顯示、生醫(yī)與能源電子。

臺(tái)灣陽(yáng)明交通大學(xué)，原臺(tái)灣交通大學(xué)與陽(yáng)明大學(xué)于2021年正式合并改組完成，兩校皆為臺(tái)灣一流學(xué)府，分別專(zhuān)長(zhǎng)于電子信息領(lǐng)域和生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域；其中，臺(tái)交大在電子、通信和光電等學(xué)科研究水平居世界前列。

平行與科學(xué)計(jì)算實(shí)驗(yàn)室，由國(guó)立交通大學(xué)發(fā)起成立于公元2001年，從事基礎(chǔ)學(xué)術(shù)研究以及電機(jī)信息領(lǐng)域?qū)崉?wù)問(wèn)題，該實(shí)驗(yàn)室與新竹科學(xué)園區(qū)半導(dǎo)體、面板顯示器、與太陽(yáng)能電池大廠密切合作，實(shí)驗(yàn)室所研究的結(jié)果，皆與業(yè)界進(jìn)行樣品實(shí)作與實(shí)驗(yàn)量測(cè)驗(yàn)證，是世界上少數(shù)能落實(shí)學(xué)以致用，縮小理論與實(shí)務(wù)差距之專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)室。