科研前線(xiàn) | 深度學(xué)習助力GAA器件設計，臺灣NYCU新成果發(fā)布

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盡在芯片揭秘●科研前線(xiàn)

近期落幕的2022 VLSI-TSA上，臺灣陽(yáng)明交通大學(xué)李義明團隊發(fā)表了應用于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)習技術(shù)開(kāi)發(fā)的，可針對功函數漲落、隨機摻雜波動(dòng)和界面陷阱波動(dòng)等影響器件結構的隨機參數進(jìn)行預測。

隨著(zhù)器件技術(shù)節點(diǎn)的發(fā)展，縮小晶體管尺寸的技術(shù)進(jìn)程面臨著(zhù)越來(lái)越大的挑戰。產(chǎn)業(yè)現狀表明，對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)現更低的成本、提供更好的性能以及降低功率的傳統技術(shù)演進(jìn)路徑會(huì )變得越發(fā)困難，晶體管的結構到了改變的時(shí)候。

四面環(huán)柵的GAA晶體管結構應運而生，其柵極從對溝道實(shí)現了360°的包裹。在不同的GAA衍生結構中，硅基nanosheet被認為是構建未來(lái)晶體管的最佳結構。但像nanosheet這樣的器件通常會(huì )受到各種波動(dòng)的影響，如功函數波動(dòng)(WKF)、隨機摻雜波動(dòng)(RDF)、界面陷阱波動(dòng)(ITF)、線(xiàn)邊緣粗糙度(LER)等?？紤]和研究這些波動(dòng)在對于納米器件的影響具有十分重要的意義。

臺灣陽(yáng)明交通大學(xué)平行與科學(xué)計算實(shí)驗室研究團隊提出將深度學(xué)習技術(shù)應用于函數漲落等影響晶體管建模的隨機變化計算，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)研究團隊為了分析前述這些波動(dòng)對GAA器件的影響，引入了基于深度學(xué)習的神經(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3nm節點(diǎn)技術(shù)電特性的綜合影響。深度學(xué)習模型的訓練（train）是通過(guò)給模型喂數據以學(xué)習隱藏參數，而測試（test）指的是對訓練后的模型中新出現的數據進(jìn)行預測；通過(guò)將每個(gè)源數據變化的波動(dòng)次數作為輸入特征，定性和定量地研究了它們對器件的影響。

具體過(guò)程包括：

· 在配置深度學(xué)習模型之前執行數據預處理；

· WKF、RDF和ITF三種波動(dòng)的數據輸入到深度學(xué)習模型中；

· 訓練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )模型時(shí)，在每個(gè)epoch*內優(yōu)化隱藏層的權重和偏差值；

· 通過(guò)對比模擬和預測的ID-Vg曲線(xiàn)，預測值與模擬值相一致，證明該模型具有較好的預測性。

*epoch，所有的數據送入網(wǎng)絡(luò )中, 完成一次前向計算 + 反向傳播的過(guò)程。

GAA器件的三種波動(dòng)示意圖(a)， 以及器件模擬參數表(b)

器件模擬仿真流程

圖 (a)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )模型結構； (b)調制超參數及其對應值； (c)損失函數隨Epoch的衰減曲線(xiàn)

對GAA器件的線(xiàn)性坐標模擬， ANN模型預測其傳輸特性，具有較好一致性

從模擬/算法預測的ID-VG曲線(xiàn)中提取關(guān)鍵數據對比： ION、IOFF和gm

陽(yáng)明交通大學(xué)團隊首次利用深度學(xué)習算法，通過(guò)分析WK、RD等類(lèi)型的函數波動(dòng)的變化來(lái)預測和確定GAA器件的電學(xué)特性，其實(shí)驗結果被證明是有效且低成本的研究不同源參數變化和傳輸特性之間關(guān)系的變化。目前，該團隊正開(kāi)發(fā)多種深度學(xué)習技術(shù)以應用于更多場(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，臺灣陽(yáng)明交通大學(xué)電機系教授、平行與科學(xué)計算實(shí)驗室負責人、納米元件實(shí)驗室組長(cháng)及副研究員，2001年博士畢業(yè)于國立交通大學(xué)電子研究所。目前研究方向為半導體組件模式與仿真、電路仿真與設計優(yōu)化、顯示、生醫與能源電子。

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

平行與科學(xué)計算實(shí)驗室，由國立交通大學(xué)發(fā)起成立于公元2001年，從事基礎學(xué)術(shù)研究以及電機信息領(lǐng)域實(shí)務(wù)問(wèn)題，該實(shí)驗室與新竹科學(xué)園區半導體、面板顯示器、與太陽(yáng)能電池大廠(chǎng)密切合作，實(shí)驗室所研究的結果，皆與業(yè)界進(jìn)行樣品實(shí)作與實(shí)驗量測驗證，是世界上少數能落實(shí)學(xué)以致用，縮小理論與實(shí)務(wù)差距之專(zhuān)業(yè)實(shí)驗室。