“精确到千兆亿分之一秒”……超精密半导体用时钟研发成功

Published 09 May.2023 10:02(KST)

KAIST研究团队将功耗与发热降至原来的1%

韩国国内研究团队发明了一种用于超高密度半导体制造的时钟（clock·同步信号）技术。该技术能够精确到千分之一万亿分之一秒（10^-15秒）发送信号，使芯片内电路同步运行，有望帮助降低功耗和发热等，从而提升性能。

韩国科学技术院（KAIST）9日表示，机械工程系教授 Kim Jeongun 研究团队开发出一项技术，可利用激光在半导体芯片内生成并分配超低噪声时钟信号。

近期随着半导体芯片性能的急剧提升，以更精确的时序向芯片内各类电路模块提供用于同步（synchronization）其动作的时钟（clock）信号的技术变得愈发重要。以往时钟信号的精确度通常在皮秒（1万亿分之一秒）量级，但利用此次开发的技术，可以在芯片内生成并分配远优于既有方式、精度达到飞秒（femtosecond，千分之一万亿分之一秒）量级的时钟信号，并且能大幅降低时钟分配过程中在芯片内产生的发热。

此次研究成果已于上月24日发表于国际学术期刊《自然·通讯》（Nature Communications）。

在高性能半导体芯片内分配时钟信号时，需要在时钟分配网络（clock distribution network，CDN）中使用大量时钟驱动器（clock driver），这不仅会大幅增加发热和功耗，还会恶化时钟时序。芯片内的时钟时序由随机快速变化的抖动（jitter）以及芯片内不同位置之间的时钟到达时间差，即偏移（skew）共同决定；随着时钟驱动器数量增加，抖动和偏移一般都会增大到数皮秒以上。

光学基础时钟分配网络的构成示意图及原理、性能比较。图片由KAIST提供

为解决这一问题，研究团队提出了一种以具有亚飞秒级抖动的光频梳（optical frequency comb）激光为主时钟的新型时钟分配网络技术。其原理是将光频梳激光产生的光脉冲通过高速光二极管转换为光电流脉冲（photocurrent pulse），再通过对半导体芯片内金属结构形式的时钟分配网络进行充电和放电的过程，生成方波形式的时钟信号。

尤其是，采用该技术后，可仅通过去除了时钟驱动器、只保留金属结构的时钟分配网络在芯片内分配时钟，不仅能够提升时序性能，还能大幅降低芯片内发热。结果显示，其将抖动和偏移降至原来的百分之一水平，即20飞秒以下，展现出优异的时序性能；芯片内时钟分配过程中的功耗和发热同样可降至传统方式的百分之一左右。