Микроминиатюризация и приборы наноэлектроники

Микроминиатюризация и
приборы
наноэлектроники
Миниатюризация.
В последнее время в связи с приближением к пределам миниатюризации
классических микроэлектронных приборов усилился интерес к приборам,
могущим обеспечить дальнейший прогресс электроники. Одним из возможных
путей такого прогресса является создание приборов, в которых контролируется
перемещение определенного количества электронов, в частности, одного
электрона, а также миниатюризация привела к переходу полупроводниковой
промышленности к производству на наноуровне. Лидирующее место в этой
области принадлежит производству микросхем, где разрабатывается 32 нм
процесс изготовления процессоров (ожидается к 2009 году). У создателей
микросхем впереди ещё много серьёзных проблем, которые связаны в основном с
тем, что им придётся все глубже «погружаться» в наномир, где по некоторым
параметрам в ближайшем будущем они достигнут физических пределов для
традиционных логических MOSFET (полевой МОП-транзистор).
Цитата Джина Хьюстона: «Миниатюризация оказывает важное воздействие на
личность и культуру, ведь если машины малы и не портят окружающий пейзаж, то
можно вновь прислушаться к словам ветра и читать великий замысел
Единосущего, запечатленный в коре деревьев, ощутить ритмы, пробуждающиеся в
кончиках собственных пальцев...". Остается слабая надежда, что миниатюризация
даст возможность человеку перейти от потребительских ценностей к творческим.»
Закон Мура
В 1965 году Гордон Мур обнаружил, что емкость каждой новой
микросхемы памяти удваивается по сравнению с ее
предшественницей, а сама новая микросхема появляется каждые
18-24 месяца.
Отсюда следовал вывод, что производительность компьютеров
будет увеличиваться экспоненциально по времени (и так оно и
происходит до сих пор).
Этот закон описывает не только рост емкости оперативной
памяти, он часто используется для определения степени роста
быстродействия процессоров и емкости жестких дисков.
За 26 лет количество транзисторов процессора увеличилось в 18
тыс. раз: от 2,3 тыс. в процессоре 4004 до 140 млн. в Pentium III
Xeon. В 2007 году Intel выпустил процессоры с рабочей частотой
свыше 20 ГГц, содержащие более миллиарда транзисторов.
Эволюция размеров и микроминиатюризация параметров
МДП-приборов
Параметр прибора
Длина канала L, мкм
n-МОП с
обогащенной
нагрузкой
1972
Высококачественный
МОП
1979
МОП
МОП
МОП
1980
1989
2000
1–0.6
0.13
Коэффициент
изменения
M –1
6
3,5
2
Поперечная диффузия LD, мкм
1,4
0,6
0,4
Глубина p-n переходов x, мкм
2,0
0,8
0,8
Толщина затворного окисла dox, нм
120
70
40
Напряжение питания Vпит, В
4–15
3–7
2–4
M –1
Минимальная задержка вентиля τ,
нс
12-15
1
0,5
M –1
Мощность на вентиль P, мВт
1,5
1
0,4
M -2
Произведение быстродействия на
мощность, пДж
18
1
0,2
M –3
M –1
20
0.07–0.13
M –1
10
M –1
Уменьшение размеров транзистора
10
Длина
канала,
мкм
1
0,1
65nm
35nm
0,01
1970
1980
1990
2000
2010
2020
Микроминиатюризация процессоров Intel
Модель
4004
8008
8080
8086
286
386
486DX
Pentium
Pentium II
Pentium III
Pentium 4
Pentium D
Год выпуска
Транзисторы
Тех.процесс
Тактовая частота
1971
2 250
10 мкм
108 kHz
1972
2 500
10 мкм
200 kHz
1974
5 000
6 мкм
2 MHz
1978
29 000
3 мкм
5 – 10 MHz
1982
120 000
1,5 мкм
6 – 12,5 MHz
1985
275 000
1,5 – 1 мкм
16 – 33 MHz
1989
1 180 000
1 – 0,6 мкм
25 – 100 MHz
1993
3 100 000
0,8 – 0,35 мкм
60 – 200 MHz
1997
7 500 000
0,35 – 0,25 мкм
233 – 450 MHz
1999
24 000 000
0,25 – 0,13 мкм
450 – 1300 MHz
2000
42 000 000
0,18 – 0,13 мкм
>1400 MHz
2005
250 000 000
0,09 мкм
3800 MHz
Физические ограничения микроминиатюризации
Уменьшение толщины подзатворного диэлектрика
Подзатворным диэлектриком является диоксид кремния, уменьшение
толщины которого приводит к увеличению электрического поля
(поперечного, что создает инверсионный слой в канале) через оксид.
По мнению представителей корпорации Intel, существует теоретическая
возможность создать работающий транзистор с толщиной подзавторного
диэлектрика, равной размерам одного атома.
1,2 нм SiO2
Транзистор,
изготовленный Intel
по технологии 90 нм
Транзисторы, созданные в лабораториях Intel
30 нм
20 нм
Декабрь 2000
Июнь 2001
15 нм
Декабрь 2001
Размеры современного МОП транзистора
сравнимы с размерами молекулы ДНК
Ген 198984-226
Поперечный размер – 10 нм
МОП транзистор с длиной
канала L=30 нм
Наноматериал-материалы, созданные с использованием наночастиц
и/или посредством нанотехнологий, обладающие какими-либо
уникальными свойствами, обусловленными присутствием этих
частиц в материале. К наноматериалам относят объекты, один из
характерных размеров которых лежит в интервале от 1 до 100 нм.
Согласно 7-ой Международной конференции по нанотехнологиям
(Висбаден, 2004) выделяют следующие типы наноматериалов:
• нанопористые структуры
• наночастицы
• нанотрубки и нановолокна
• нанодисперсии (коллоиды)
• нанокристаллы и нанокластеры.
Материалы, разработанные на основе наночастиц с
уникальными характеристиками, вытекающими из
микроскопических размеров их составляющих.
•
•
•
•
•
•
Углеродные нанотрубки
Фуллерены
Графен
Нанокристаллы
Аэрогель
Наноаккумуляторы
Биомолекулярная электроника
Биомолекулярная электроника - раздел электроники и
нанотехнологий, в которых используются биоматериалы и
принципы переработки информации биологическими объектами в
вычислительной технике для создания электронных устройств. В
1974 году А. Авирам и М. Ратнер предложили использовать
отдельные молекулы в качестве элементарной базы электронных
устройств. Затем М. Конрад предложил концепцию
ферментативного нейрона, основанную на непрерывных
распределенных средах, обрабатывающих информацию. Эти идеи
дали начало квазибиологической парадигме, которая, базируясь
на идеях нейронных сетей Мак Каллоха и Питтса, позволила
практически реализовать молекулярные нейросетевые устройства,
например, на основе белка бактериородопсина.
Компьютеры и микроэлектроника
Центральные процессоры - уже существуют рабочие образцы процессоров с
транзисторами размером 32 нм и опытные образцы на 22 нм.
Жёсткие диски - в 2007 году Питер Грюнберг и Альберт Ферт получили
Нобелевскую премию по физике за открытие GMR-эффекта,
позволяющего производить запись данных на жестких дисках с
атомарной плотностью информации.
Сканирующий зондовый микроскоп - микроскоп высокого разрешения,
основанный на взаимодействии иглы кантилевера (зонда) с
поверхностью исследуемого образца.
Антенна-осциллятор - 9 февраля 2005 года в лаборатории Бостонского
университета была получена антенна-осциллятор размерами порядка 1
мкм. Это устройство насчитывает 5000 миллионов атомов и способно
осциллировать с частотой 1,49 гигагерц, что позволяет передавать с её
помощью огромные объёмы информации.
Плазмоны - коллективные колебания свободных электронов в металле.
Характерной особенностью возбуждения плазмонов можно считать так
называемый плазмонный резонанс, впервые предсказанный Ми в начале
XX века.
Робототехника
•
•
•
•
Молекулярные роторы — синтетические наноразмерные двигатели,
способные генерировать крутящий момент при приложении к ним
достаточного количества энергии.
Нанороботы — роботы, созданные из наноматериалов и размером
сопоставимые с молекулой, обладающие функциями движения,
обработки и передачи информации, исполнения программ. Нанороботы,
способные к созданию своих копий, то есть самовоспроизводству,
называются репликаторами. Возможность создания нанороботов
рассмотрел в своей книге «Машины создания» американский учёный
Эрик Дрекслер. Вопросы разработки нанороботов и их компонентов
рассматриваются на профильных международных конференциях[7][8].
Молекулярные пропеллеры — наноразмерные молекулы в форме винта,
способные совершать вращательные движения благодаря своей
специальной форме, аналогичной форме макроскопического винта.
С 2006 года в рамках проекта RoboCup (чемпионат по футболу среди
роботов) появилась номинация «Nanogram Competition», в которой
игровое поле представляет из себя квадрат со стороной 2,5 мм.
Максимальный размер игрока ограничен 300 мкм.
Спасибо за внимание.