ОСНОВНІ ФУНКЦІЇ НАНОЕЛЕКТРОНІКИ

ls

Зміст

ВСТУП............................................................................................................ 2

Контрольні завдання до вступу ……………………………………………12

1. ОСНОВНІ ФУНКЦІЇ НАНОЕЛЕКТРОНІКИ......................................... 13

2. ФУНДАМЕНТАЛЬНІ МЕЖІ МІНІАТЮРИЗАЦІЇ.................................. 16

Контрольні завдання до глави 2 ............................................................... 21

3. СХЕМОТЕХНІКА ОДНОЕЛЕКТРОНІКИ.............................................. 22

3.1. Параметри одноелектронних переходів................................ 22

3.2. Одноелектронні транзистори ............................................... 25

3.3. Схеми на одноелектронних транзисторах ............................ 30

Контрольні завдання до глави 3 ............................................................... 40

4. СХЕМИ НАНОЕЛЕКТРОНІКИ НА КОМПЛЕМЕНТАРНИХ ТРАНЗИСТОРАХ................................................................................................... 42

Контрольні завдання до глави 4 ............................................................... 53

5. СХЕМОТЕХНІКА МАЖОРИТАРНОЇ НАНОЕЛЕКТРОНІКИ............. 55

5.1. Інтегральний мажоритарний елемент.................................... 55

5.2. Схеми на одноелектронних мажоритарних елементах........... 57

5.3. Схеми на комплементарних одноелектронних мажоритарних елементах 59

5.4. Схеми на мажоритарних елементах з нереверсивними тунельними переходами................................................................................. 64

Контрольні завдання до глави 5 ............................................................... 74

6. СХЕМОТЕХНІКА КВАНТОВИХ АВТОМАТІВ.................................... 77

6.1. Формування та передача логічних сигналів у квантових автоматах... 77

6.2. Схеми на квантових автоматах ............................................................. 81

Контрольні завдання до глави 6 ............................................................... 90

7. Схемотехніка нанопристроїв з програмованими характеристиками............................................................................. 93

7.1. Квантові елементи пам'яті ..................................................................... 93

7.2. Програмовані логічні схеми ................................................................. 95

7.3. Схеми запам’ятовуючих пристроїв....................................................... 97

Контрольні завдання до глави 7 ............................................................. 101

8. Схемотехніка двоканальних наноприладів.................. 102

8.1. Структура деревоподібних графів переходів .................................... 102

8.2. Двоканальні одноелектронні прилади................................................. 103

8.3. Схеми на двоканальних одноелектронних приладах......................... 105

Контрольні завдання до глави 8 ............................................................. 112

9. СХЕМОТЕХНІКА ГІБРИДНИХ НАНОЕЛЕМЕНТІВ.......................... 114

Контрольні завдання до глави 9 ............................................................. 119

Підсумки................................................................................................. 121

ЛІТЕРАТУРА.............................................................................................. 122

 

ВСТУП

 

Прихід ери нанотехнології найбільшою мірою був стимульований високими темпами розвитку мікроелектроніки. Тому більшість досягнень у нанонауці спочатку оцінюється на предмет перспектив їх використання в електроніці, комп'ютерній техніці та засобах зв'язку. Число елементів в мікропроцесорах і блоках динамічної пам'яті протягом майже півстоліття подвоюється кожні півтора року. Цьому відповідає неухильне зменшення функціональних розмірів елементів, збільшення швидкодії, зниження енергоспоживання і вартості. Простежимо ймовірні шляхи розвитку наноприладів методом екстраполяції на найближче десятиріччя.

Для побудови прогнозів щодо зменшення розмірів елементів наноприладів і збільшення тактової частоти в першу чергу звернемося до емпіричного спостереження, зробленого в 1965 році в процесі підготовки до виступу одним із засновників корпорації Intel, Гордоном Муром. Він припустив, що кількість транзисторів на кристалі буде подвоюватися кожні 18-24 місяці.

Зауважимо, що закон Мура базується на економіці. Для створення нових процесорів необхідні гроші на проведення досліджень і організацію виробництва. На те, щоб витрати окупилися і почали приносити прибуток, з якого відбуватиметься фінансування нових розробок, потрібно якраз півтора-два роки.

Ще в 2005 році один із топ-менеджерів Intel Паоло Джарджині стверджував, що до 2020 року розміри транзисторів досягнуть атомарних (діаметр атома кремнію становить ≈0,2 нм), після чого подальше зменшення стане неможливим. У свою чергу, Пет Гелсінджер, голова технологічного підрозділу Intel у 2009 році сказав: «Були часи, коли Intel та її колеги задавалися питанням, чи вдастся досягнути технологічного процесу в 100 нм. Ми зробили це тоді, і сьогодні ясно бачимо, що нам вдастся подолати і 10 нм границю. Із законом Мура у нас завжди є розрахунки на 10-річну перспективу, а що ми робитимемо за межею 10 нм, поки що точно невідомо».

Нагадаємо, що в 2009 році й сам пан Мур признав, що його закон перестає діяти вже через атомарні обмеження й вплив швидкості світла, а перехід на більш тонкі норми техпроцесу дається комп`ютерній індустрії все з більшими затратами сил і часу.

Проведемо прогнози на підставі інформації про розвиток мікропроцесорів фірми Intel, оскільки вони представляють приблизно 80 % світового ринку мікропроцесорів (дані на 2008 рік). До таблиці В.1 зведено найвідоміші мікропроцесори цієї фірми.

 

Таблиця В.1

Процесор	Рік випуску	Розмір елементів,нм	Частота, МГц
Intel 4004			0,74
Intel 8080			0,8
Intel 8085
Intel 8086
Intel 80286			12,5
Intel 80386DX
Intel 80386SX
Intel 80486DX
Intel 80386SL
Intel 80486SX
Intel 80486SL
Intel Pentium
Intel Pentium II
Intel Pentium III
Intel Celeron M
Intel Core
Intel Core 2 Duo
Intel Core i3
Intel Core i7

 

Побудуємо криву зменшення розміру технологічного процесу – від першого процесору, реалізованого в 1971 році в одній мікросхемі – Intel 4004, до найновішого, представленого 4 січня 2010 року процесору Intel Core i7 (рис.В.1).

Intel 4004

Роки

Intel 80286

Intel 80386DX

Intel Core і7

Intel Core 2 Duo

Intel Core i3

Intel Pentium I

Intel Pentium II

Intel Core

Intel Pentium III

Intel Celeron M

Intel 8085

Intel 8086

Intel 8080

Розмір, нм

Рис.В.1. Зменшення розмірів елементів мікропроцесорів з часом

Бачимо, що залежність носить експоненційний характер (апроксимовану експоненту показано на рис.в.1). Для побудови адекватної екстраполяції отриманого графіку застосуємо логарифмічний масштаб осі абсис і, вважаючи, що закон Мура працюватиме ще десятиріччя, побудуємо прогноз зменшення розмірів наноприладів на базі мікропроцесорів Intel до 2020 року (рис.В.2).

Intel 8086

Intel 80486DX

Intel 80486SX

Intel 80386SL

Intel 80486SL

Intel Pentium I

Intel Pentium III

Intel Pentium II

Intel Celeron M

Intel Core

Intel Core 2 Duo

Intel Core i7

Intel Core i3

Intel 80386SX

Intel 80386DX

Intel 80286

Intel 8085

Intel 8080

Intel 4004

Роки

Розмір, нм

Рис.В.2. Зменшення розмірів елементів мікропроцесорів з часом

у логарифмічному масштабі

Прогнози щодо зменшення масштабів елементів мікропроцесорів показано пунктирною лінією.

Отже, виходячи з даного графіку, і якщо мікропроцесори розвиватимуться такими ж темпами, як і сьогодні, то до 2020 року, поки розробники не досягнуть межі в 10 нм, за якою можна передбачити 2 найголовніші шляхи розвитку:

а) подальший розвиток виключно за рахунок збільшення кількості ядер у процесорі;

б) подальший розвиток за рахунок переходу з кремнію на матеріали з меншими розмірами атомів.

На підставі даних табл.в.1 будуємо криву збільшення тактової частоти тих самих процесорів Intel за останні 40 років (рис.В.3).

Роки

Частота, МГц

Рис. В.3. Зростання тактової частоти за останні 40 років (апроксимовано експонентою)

Застосувавши логарифмічний масштаб і продовживши отриману апроксимовану пряму до 2020го року, отримаємо орієнтовне значення тактової частоти (рис.В.4).

МГц

Частота, МГц

Роки

Рис.В.4. Зростання тактової частоти за останні 40 років у логарифмічному масштабі

Отже, якби зростання тактової частоти процесорів і надалі залишалося експоненційним, то до 2020 року ми мали б отримати процесор з майже фантастичною тактовою частотою – 35 ГГц. Але насправді темпи збільшення тактової частоти суттєво сповільнилися за останні 10 років. Це наглядно видно на графіку на рис.в.3: між 1990 і 1999 роками спостерігаємо різке заломлення кривої догори, але на інтервалі між 2000 і 2010 роками зростання проходить майже за лінійним законом. Побудувавши графік за останні 10 років і продовживши його ще на десятиріччя, отримаємо більш реальний прогноз – ненабагато більший за 6 ГГц (рис. В.5).

 

Роки

Частота, МГц

Рис.В.5. Зростання тактової частоти, апроксимоване прямою

Отже, якщо швидкість збільшення тактової частоти залишатиметься незмінною ще 10 років, мікропроцесори наступного десятиріччя матимуть тактову частоту, не більшу за 6 ГГц.

Найвірогідніше те, що процес зростання тактової частоти сповільнюватиметься з кожним роком, а розвиток комп`ютерної техніки відбуватиметься за рахунок створення процесорів з більшою кількістю ядер.

Експоненціальне зростання виробництва транзисторних елементів на планеті, з яких складається мікросхема, протягом декількох десятків років призвело до того, що сумарно в 2008 р. було вироблено ~ 10¹⁹ транзисторів (приблизно по 1 млрд. шт. на кожного жителя Землі), що на три порядки перевищує число зерен пшениці, які виробляються в світі щорічно. При цьому за кожне з цих зерен зараз можна купити 1000 транзисторів. Потужність, розсіювана на транзисторах за одне перемикання, зменшилася за останні 40 років більш ніж у 10⁵ разів.

Обсяг світового виробництва транзисторів у 2000 році склав 10¹⁸ штук/рік. У 2003 році цей показник набув значення 10¹⁹ штук/рік. На сьогоднішній день на планеті за рік створюється близько 10²¹ штук транзисторів. Покажемо це на графіку (рис.В.6).

Виробництво транзисторів, шт

Роки

1019

1020

1021

1022

1023

1024

1018

69 %/рік

 

 

Рис.В.6. Зростання виробництва транзисторних елементів на планеті

Таким чином, за збереження темпів розвитку виробництва транзисторних елементів у світі, у 2020му році за рік вироблятиметься приблизно 10²⁴ штук транзисторів. Збільшення ємності оперативних запам`ятовуючих приладів та зменшення собівартості комірки пам`яті.

Вважатимемо, що темпи розвитку ОЗП найближчі 10 років не надто сильно відрізнятимуться від тих, що панують в цій галузі останнє десятиріччя. На початку 2000х найбільш поширеними були модулі об`ємом 128 МБ, за декілька років – 256 МБ, до 2005 року активно почали використовуватися модулі об`ємом 512 МБ, а згодом – 1024 МБ. На сьогоднішній день активно використовуються модулі ємністю 2,4 ГБ. Відобразимо це на графіку в логарифмічному масштабі (круглі маркери та штрихова пряма на рис. В.7).

Ємність, МБ

Відомо, що в 2000му році ціна однієї комірки пам`яті в середньому становила ~ $10<sup>-7</sup>. На сьогоднішній день цей показник опустився до порядку $10<sup>-9</sup>. Припустимо, що ціна пристроїв пам`яті зменшуватиметься такими ж темпами і побудуємо графік екстраполяційних прогнозів (квадратні маркери та суцільна пряма на рис.В.7).

Вартість, $

10-7

Роки

Рис. В.7. Збільшення ємності ОЗП та зменшення цін на комірки пам`яті.

Отже, можна очікувати, що об`єм ОЗП до кінця наступного десятиліття зросте до порядку 30 – 40 ГБ, а вартість однієї комірки пам`яті становитиме ~ $10^-10.

Відомо, що від 2000р. до 2005р. було зростання ринку реалізації флеш-пам`яті від 10,5 до 25,2 млрд. дол. США (рис. В.8).

Роки

Обсяг ринку млрд. дол. США

Рис.В.8. Зростання ринку флеш-пам`яті

Таким чином, за збереження темпів розвитку ринку флеш-пам`яті, його обсяг на 2020 рік становитиме 250-300 млрд. доларів США.

Для того щоб підтримувати високі темпи зростання ключових параметрів продукції, що випускається і надалі, необхідно до 2015-2020 рр. зменшити технологічний крок при виробництві ВІС до 10 нм.

Освоєння 10-нанометрового діапазону потребує створення принципово нових фізичних основ і технологій виробництва елементної бази, які в загальних рисах проглядаються вже зараз. Інтервал 1 ... 10 нм – поки поле діяльності для фундаментальних досліджень, які тільки шукають можливі шляхи просування масових технологій в цю галузь.

Контрольні завдання до вступу

Використовуючи закон Мура (рис.В.1), зробити екстраполяційні десятирічні прогнози:

В.1. Зростання тактової частоти виконання операції комп’ютерами.

В.2. Зростання ємності оперативних запам’ятовуючих пристроїв .

В.3. Зменшення собівартості однієї комірки оперативних запам’я-товуючих пристроїв.

В.4. Щорічного зростання виробництва транзисторних елементів на планеті.

В.5. Зменшення основних розмірів наноприладів.

В.6. Динаміки розвитку ринку флеш-пам’яті, якщо від 2000р. до 2005р. було зростання від 10,5 до 25,2 млрд. дол. США.

 

ОСНОВНІ ФУНКЦІЇ НАНОЕЛЕКТРОНІКИ

1. Обробка інформації. Одне з центральних завдань будь-якої інформаційної системи є швидка обробка інформації, що надходить, видача рішень і… 2. Зберігання інформації. Відповідні пристрої не зобов'язані бути такими ж… 3. Передача інформації. Вже зараз велика частина комп'ютерів, телефонів, телевізорів, технічної електроніки працює в…

ФУНДАМЕНТАЛЬНІ МЕЖІ МІНІАТЮРИЗАЦІЇ

1) термодинамічні; 2) електродинамічні; 3) квантово-механічні.

СХЕМОТЕХНІКА ОДНОЕЛЕКТРОНІКИ

  3.1. Параметри одноелектронних переходів Одноелектронний прилад створюють на поверхні напівпровідникової або діелектричної підкладки (рис.3.1 а, б).

СХЕМИ НАНОЕЛЕКТРОНІКИ НА КОМПЛЕМЕНТАРНИХ ТРАНЗИСТОРАХ

На рис.4.1 наведені схеми інверторів, що виконують операцію логічного заперечення НІ на базі КМОНТ (а) та КОЕТ (б).   Рис.4.1. Схеми логічних інверторів на базі КМОНТ (а), КОЕТ (б) та їх умовне позначення (в)

СХЕМОТЕХНІКА МАЖОРИТАРНОЇ НАНОЕЛЕКТРОНІКИ

  Рис.5.1. Мажоританий елемент  

СХЕМОТЕХНІКА КВАНТОВИХ АВТОМАТІВ

Визначальною властивістю цього класу приладів є гуртова поведінка комірок. Стан та функції , які реалізує комірка , залежать не тільки від…   на відміну від приладів з індивідуальною поведінкою:

Схеми на квантових автоматах

  Рис.6.4. Схема виконання логічної операції заперечення НІ на КА (а) та умовне… Таке підключення КА забезпечує інверсію сигналу за рахунок кулонівського відштовхування електронів між кутовими…

Контрольні завдання до глави 6

6.2. Побудувати лінію передачі на КА з відгалуженнями вниз та вгору (рис 6.3,б). 6.3. Навести схему розташування електронів на КА для інвертора, коли на вході… 6.4. Побудувати схему розташування електронів в мажоритарному елементі на КА (рис.6.5), коли на вході діють сигнали…

Схемотехніка нанопристроїв з програмованими характеристиками

Для усунення протиріч між універсальністю та спеціалізацією при проектуванні схем наноелектроніки існує шлях створення пристроїв з програмованими характеристиками. Під програмованістю розуміється можливість зміни внутрішньої структури схеми таким чином, щоб вона забезпечувала реалізацію технічного завдання на апаратному рівні.

На технічному рівні при цьому залишається єдиний набір операції, тому такий пристрій універсальний. А спеціальне налаштування виготовленої ІС виконує вже виробник апаратури. В результаті програмування ІС вносяться зворотні або незворотні зміни структури, які призводять до отримання необхідних експлуатаційних характеристик.

У якості найпростіших програмованих універсальних логічних ІС можуть використовуватися електронні мультиплексори (рис.3.14).

 

Квантові елементи пам'яті

  Рис.7.1. Ряд квантових приладів Ці прилади схожі на звичайні МОН-транзистори (а). Шар під затвором є нанокристалічна плівка полікремнію. Сформовані…

Схеми запам’ятовуючих пристроїв

  Рис.7.6. Схема однотранзисторного ЕЗЕ з нанорозмірним конденсатором пам'яті Сп… Для збільшення часу саморозряду конденсатора Сп в динамічному ОЗП використовують виключно МОН-транзистори (рис.7.1,…

Контрольні завдання до глави 7

7.1. . 7.2. . 7.3. .

Схемотехніка двоканальних наноприладів

  8.1. Структура деревоподібних графів переходів Дерево розв’язків (рис. 8.1) характеризується рядом параметрів.

Контрольні завдання до глави 8

8.2. Побудувати таблицю дійсності функції графа на рис.8.2. Побудувати графи функцій і таблиці дійсності: 8.3. .

СХЕМОТЕХНІКА ГІБРИДНИХ НАНОЕЛЕМЕНТІВ

(9.1) Доведено, що цей коефіцієнт приблизно дорівнює відношенню величин вихідної… (9.2)

Контрольні завдання до глави 9

Створити гібридні схеми на елементах ОЕТ-КМОН та записати повні таблиці дійсності для реалізації: 9.2. 2 АБО. 9.3. 3І.

Підсумки

Тенденція до зростання ступеня інтеграції залишиться назавжди, проте це вже буде в іншому вимірі – в наносвіті. В наносвіті можуть здійснюватись відомі ідеї схемотехнічної електроніки, в… Разом з тим, наносвіт сприяє народженню нових ідей, пов’язаних з хвильовими властивостями електронів, з новими…

ЛІТЕРАТУРА

1. Драгунов В. П. и др. Основы наноэлектроники: Учебн. Пособие — М.: Логос, 2006. — 496с.

2. Находкін М. Г. Фізичні основи мікро- та наноелектроніки: Підручник.-К. — Видавничо-поліграфічний центр «Київський університет», 2005. — 431с.

3. Борисенко В. Е. и др. Наноэлектроника: Учебн. Пособие. — Минск: Бином. 2009, — 224с.

4. Головин Ю. Ч. Введение в наноэлектронику. — М.: Машиностроение, 2009, — 496с.

5. Мальцев П. П. Нано- и микросистемная техника. — М.: Техносфера. 2005, — 592с.

6. Пул. Ч. Нанотехнологии. — М.: Техносфера, 2006. — 336с.

7. Мальцев П. П. Наноматериалы. Нанотехнологии. Наносистемная техника. — М.: Техносфера, 2006 — 152с.

8. Чаплыгин Ю. А. Нанотехнологии в электроники. — М.: Техносфера. 2005. — 448с.

9. Reith M. Theoretical and Computational Nanotechnology. V. 10, Nanodevice Modeling and Nanoelectronics. — N.4.:ASP.2008 — 840p.