I gamle dage - for nogle få chipgenerationer siden - indeholdt en transistorkanal titusindvis af doteringsatomer. I dag produceres der transistorer med højst nogle få hundrede. Det betyder, at et enkelt atom fra eller til kan have en mærkbar effekt på den spænding, der skal til for at tænde og slukke for strømmen i en transistor.

Det har store konsekvenser for chipfabrikanterne, skriver Miguel Miranda fra chipproducenten Qualcomm i juli-udgaven af IEEE Spectrum. Miguel Miranda arbejdede, før han fik ansættelse ved Qualcomm, ved analysevirksomheden Imec i Belgien, blandt andet med at løse problemer i halvlederindustrien.

Forskelligheden af de producerede chips er et af halvlederindustriens helt store problemer i dag, og problemet vil kun blive større i de kommende år. Miranda bemærker, at halvdelen af alle producerede chips i en batch kan have en hastighed, der er 30 procent mindre og forbruge ti gange så megen energi på standby som specificeret.

I visse tilfælde kan man sælge de dårlige chips som en form for andensortering, men for mange anvendelser, inden for bl.a. mobiltelefonindustrien og til kodning af videosignaler, er der ikke andet at gøre end at smide de dårlige chips i skraldespanden.

Traditionelt har chipproducenterne søgt at tage højde for den uundgåelige variation ved at designe efter worst case-situationer.

Den metode fører dog til et design, der gør chips langsommere og forbruger megen mere energi, end det er strengt nødvendigt.

En måde at forbedre designet og udbyttet på er at anvende teknikker, der ikke alene gøre brug af worst case-scenarier, men også tager højde for den sandsynlighed, hvormed de opstår. Miranda skriver, at visse producenter af highend-mikroprocessorer som IBM og Taiwan Semiconductor Manufacturing Co. allerede gør brug af sådanne teknikker:

'Hvis vi kan forbedre disse værktøjer, kan det hjælpe os til at producere chips til overkommelige priser med en hastighed og effektivitet, som halvlederindustriens Road Map lægger op til,' hedder det i artiklen.

Småting har stor betydning

Den vigtigste årsag til variabilitet har været årsager, der påvirker alle chips på samme wafer på samme vis. Eksempelvis vil småforandringer i optikken på de litografiske processer kunne gøre transistorer større og dermed langsommere end ønsket. Og temperaturvariationer i deponeringskammeret kan påvirke væksten af det isolerende oxid-lag og dermed give anledning til større lækstrømme.

Disse globale forandringer er dog efterhånden minimeret ganske betragteligt, og i forbindelse med overgangen til transistorkanaler, der er mindre end 90 nanometer for en halv snes år siden, er det nu de lokale procesvariationer, der er hovedproblemet.

Det kan være småting, der har stor betydning for de elektriske egenskaber af en transistor. Det gælder bl.a. ruheden af transistorens kanter og størrelsen af krystalkorn i metalelektroderne, der bruges til at tænde og slukke for transistoren.

På den måde kan en transistor på en chip ende med at være langsommere end naboen, som så til gengæld måske har en større lækstrøm.

Ikke mindst tilføring af doteringsatomer, der styrer de elektriske egenskaber, er blevet en vigtig størrelse. De tilføres almindeligvis ved, at ioner accelereres til høje hastigheder, hvorefter de skydes mod waferen.

'Men denne metode er ikke designet til at virke på atomar skala. Det er vanskeligt at kontrollere, hvor mange atomer der rammer transistoren, og ikke mindst hvor de præcist havner,' påpeger Miranda.

Statistiske værktøjer

Static timing analysis (STA) er en metode, som traditionelt anvendes til at beregne, hvor lang tid det tager for et signal at udbrede sig gennem en halvlederkreds, og dermed den højeste frekvens for chippen.

En statistisk udgave (SSTA) kan ikke kun bruges til at beregne den teoretiske driftsfrekvens, men også til at finde den sandsynlighed for, at færdigfremstillede kredse vil virke korrekt ved denne frekvens. Det er en forholdsvis simpel beregning, men det kræver kendskab til statistiske oplysninger om variabiliteten af transistorerne, som ikke altid foreligger.

Mirandas analyse viser, at chipfabrikanter meget ofte vil overestimere bredden af transistoren med brug af sådanne teknikker. Det betyder, at processorer vil køre 10-20 pct. hurtigere end forventet, men de vil også have større lækstrømme.

Såkaldte Monte Carlo-analyser kan også anvendes som et statistisk værktøj, men sådanne er meget tidskrævende og derfor i praksis uanvendelige i mange situationer.

Løsningen er svær at finde

EU-projektet Reality, der blev lanceret i 2008, havde til hensigt at lave en komplet statistisk analyse af et system-on-a-chip (processor og memory), der findes i de fleste tavlecomputere og smartphones. Projektet gav anledning til flere overraskelser.

Projektdeltagerne havde forventet, at SRAM på chippen kun vil give anledning til mellem 10 og 20 procent af forskellen i signalbehandlingshastighed fra chip til chip. SRAM viste sig i praksis at udgøre tæt på 70 pct. af problemet.

'Hvis chipfabrikanterne bruger en SSTA-model, der ikke tager højde for denne variation i memory, kan de overestimere den maksimale hastighed for chippen med op til 10 pct. Det forøger risikoen for at lave dårlige chip,' skriver Miguel Miranda.

Reality-projektet har udviklet forskellige værktøjer til at analysere SRAM, som er overført til chipproducenter, men værktøjerne gør det ikke alene, de skal integreres i en større rammemodel. Det er vanskeligt.

Der findes derfor endnu ingen kommercielle softwareprodukter, der kan foretage en analyse af et komplet system-on-a-chip - og det vides ikke engang, om det vil blive muligt at foretage en sådan analyse i 2026, som er det fjerneste punkt i det nuværende roadmap for halvlederindustrien.

De fleste bestræbelser inden for halvlederbranchen søger at undgå problemet.

Et amerikansk projekt, Variability Expeditions, støttet af National Science Foundation søger at håndtere problemet ved at udvikle metoder, så hardware og software kan overvåge og dynamisk tilpasse sig uperfekte chips.

Det kan være et udvej til at håndtere variationer, men designerne kan ikke løse problemet alene, vurderer Miranda.

Nye komponenter og kredsløb vil sandsynligvis være afgørende for at mindske konsekvenserne af tilfældige variationer.

'På den ene eller anden måde vil variabilitet forblive at være en plage, i takt med at vi nærmer os kontakter, der fungerer på atomarskala,' konkluderer Miguel Miranda.