Моделирование 3D наносхемотехники.

526 Pages·2015·12.249 MB·Russian

by  Трубочкина Н.К.

(cid:501). (cid:498). (cid:506)(cid:536)(cid:539)(cid:521)(cid:534)(cid:543)(cid:530)(cid:528)(cid:533)(cid:520)
(cid:500)
(cid:534)
(cid:524)
(cid:525)
(cid:531)
(cid:528)
(cid:536)
(cid:534)
(cid:522)
(cid:520)
(cid:533)
(cid:528)
(cid:525)

3
D

(cid:533)
(cid:520)
(cid:533)
(cid:534)
(cid:537)
(cid:541)
(cid:525)
(cid:532)
(cid:534)
(cid:538)
(cid:525)
(cid:541)
(cid:533)
(cid:528)
(cid:530)
(cid:528)
Н. К. Трубочкина
ММооддееллииррооввааннииее
33DD ннааннооссххееммооттееххннииккии
2-е издание (электронное)
Москва
БИНОМ. Лаборатория знаний
2015
УДК 681.3
ББК 32.844
Т77
ТрубочкинаН.К.
Т77 Моделирование 3D наносхемотехники [Электрон-
ный ресурс] / Н.К.Трубочкина.—2-е изд. (эл.).—
Электрон. текстовые дан. (1 файл pdf : 526с.).—
М. : БИНОМ. Лаборатория знаний, 2015.—Систем.
требования: Adobe Reader XI ; экран 10".
ISBN 978-5-9963-2633-4
В книге представлены базовые понятия теории пере-
ходной схемотехники, необходимые для разработки новой
элементной базы суперкомпьютеров различных типов. Тео-
рию переходной схемотехники отличает новая компонентная
концепция синтеза наноструктур, в которой минимальным
компонентом для синтеза схем является не транзистор,
а материал и переход (связь) между материалами. При-
водятся данные экспериментального 2D и 3D моделирования
физических и электрических процессов в кремниевых пе-
реходных наноструктурах с минимальным топологическим
размером 10–20 нм и сравнительный анализ четырех типов
схемотехник.
Книга может быть рекомендована научным работникам,
аспирантам и инженерам, специализирующимся в области
разработки элементной базы суперкомпьютеров и альтерна-
тивных вычислительных систем, а также бакалаврам и ма-
гистрам, обучающимся по специальностям «Нанотехнология
и микросистемная техника», «Электроника и наноэлектро-
ника», «Вычислительные системы, комплексы и сети».
УДК 681.3
ББК 32.844
Деривативное электронное издание на основе печатного
аналога: Моделирование 3D наносхемотехники / Н.К.Тру-
бочкина.—М. : БИНОМ. Лаборатория знаний, 2012.—
499с. : ил., [24]с. цв. вкл.—ISBN 978-5-9963-0291-8.
В соответствии со ст.1299 и 1301 ГК РФ при устранении ограничений,
установленных техническими средствами защиты авторских прав,
правообладатель вправе требовать от нарушителя возмещения убытков
или выплаты компенсации
ISBN 978-5-9963-2633-4 ○c БИНОМ. Лаборатория знаний, 2012
2
Предисловие автора
Научный поиск можно сравнить с прогулкой по лабиринту. Для того
чтобынайтивыход(решение),нужнопо-новомувзглянутьнапроисхо-
дящее: изменить систему координат или даже размерность простран-
ства, в котором ведется поиск. Введите новое измерение, поднимитесь
надлабиринтом,ивынайдетевыход.
Другой алгоритм научного поиска связан с заимствованием идей у
природыилиусамогочеловека.Позавидовалчеловекптице—сконстру-
ировал самолет, рыбе — подводную лодку. Решил уподобиться Богу
(Природе,Космосу)—сконструировалробота(подобиечеловека),создал
компьютер(слабенький,ноаналогмозга),Интернет(опятьжеаналог,но
ужегораздобольшейинтеллектуальнойсистемы).Надеюсь,чтоименно
неистребимаялюбознательность,анежаждазавоевыватьтянетчелове-
какаквкосмос,такивнаномир.Существуютдревниенауки,такиекак
математика,исовсеммолодые,возникающиеизпотребностейразвития
человечества. Зачастую новые знания появляются на стыках несколь-
кихнауктогда,когданаблюдаетсякризисвкакой-либоизнаучныхили
научно-технических областей. Так, например, переходная наносхемо-
техникапоявиласьнастыкематематики,физики,химии,биологии,ин-
форматики и компьютерной схемотехники именно в то время, когда
компьютерные науки и микроэлектроника, создававшие элементную
базу для компьютеров, зашли в тупик. Наносхемотехника и есть та но-
вая философия и то новое измерение, которые помогут найти выход из
тупика,предрекаемогозакономМура1.
Любые новые теоретические системы обладают аксиоматическим
(предположительным) характером. Достоверность той или иной теории
должна быть подтверждена большим количеством экспериментов раз-
нойразмерности.Поэтомувмонографииприведеномножестворезульта-
1 ПонаблюдениямодногоизоснователейфирмыIntelГордонаМура(1965),коли-
чествотранзисторов,которыеудаетсяразместитьнаповерхностикристаллафикси-
рованныхразмеров,растетпоэкспоненте,аточнее,удваиваетсяпримернокаждые
полтора-двагода.Однакоэтотпрогрессдойдетдонасыщения,кактолькоразмеры
отдельновзятоготранзисторасравняютсясразмерамимолекулкристалла.Другой
тормозпрогрессавразработкесверхплотныхмикросхем—ограниченностьскорости
света.
4 Предисловиеавтора
товмоделированиятвердотельныхнанообъектовсогласноновойтеории
переходнойсхемотехники.Онибылиполученынезаодингод,икконцу
2009годаработанадрукописьюбылазакончена.
Однаиззадач,поставленныхпринаписанииэтойкниги,состоит
визложениинапрофессиональномивтожевремянадоступномдля
неспециалистов уровне идей и экспериментальных данных теории
переходной схемотехники. Эта теория не только описывает и позво-
ляет создавать новую элементную базу для суперкомпьютеров, но и
позволяеттрактоватьживыеинеживыеструктурированныесистемы
как схемы переходной схемотехники с едиными законами функцио-
нирования.
Другой,болеесложнойзадачейкнигиявляетсяизложениедляспе-
циалистов других областей знаний основ переходной схемотехники,
чтобыонисмогливзглянутьнасвоиизучаемыеобъектыкакнасхемы,
построенныепозаконампереходнойсхемотехники.Притакомпонима-
нии логики работы объектов будет легче ими управлять (изменять их
свойства,совершенствовать).
Биологи, например,увидят,чтоДНК—этопоследовательностная
схема,содержащаякаксхемыпамяти,такилогическиеуправляющие
и проводящие цепи, а вирусы — это программирующие устройства с
внутренней памятью, изменяющие структуру ДНК. При изменении
схем-программ, «записанных» в структуре РНК, можно менять коди-
ровку программы вирусов, а также делать их недееспособными, «ло-
мая»схемуихвнедренияилиразмножения.
Специалисты в области нанотехнологии узнают, что нанотрубки и
фуллерены можно использовать не только как проводящие элементы
илиматериалы,ноикакуправляемыеструктурыспамятью.Афизики
увидят,чтообычныйлед—этонетолькоодноизагрегатныхсостояний
воды,ноисистема,котораяприопределенныхусловияхспособнахра-
нитьогромноеколичествоинформации.
Принаписанииэтойкнигибылииспользованыматериалылекций,
читаемыхмнойвМосковскомгосударственноминститутеэлектроники
иматематики(МИЭМ),атакжематериалыболеераннихкниг(Машин-
ное моделирование функционально-интегрированных элементов,
М.: МИЭМ, 1989; Схемотехника ЭВМ, М.: МИЭМ, 2008) с существен-
нымдобавлениембольшогоколичествановогоматериалаирезультатов
различныхкомпьютерныхэкспериментов.Хочупоблагодаритьстуден-
товсвоейнаучнойгруппы:В.В.Воробьева,А.А.Соснина,А.В.Белого,
П.В. Орлова, И.П. Поповича, Н.И. Лукьянчикова, В.В Сазонтьева и
Э.С.Игнатову,которыепомоглимневпроведениичастиэкспериментов
помоделированиюнаноструктур,приведенныхвэтойкниге.
Предисловиеавтора 5
Хотелось бы надеяться, что специалисты разных областей науки,
критически воспринимая те или иные идеи, найдут для себя полезные
сведения, способствующие развитию их научных или научно-техничес-
кихдисциплин.Несомненно,какие-тоидеиизэтойкнигиещедолгобу-
дут оставаться предметом дискуссий, какие-то будут забыты, но
некоторые оставят свой след в развитии наносхемотехники и научном
поиске.Еслиэтопроизойдет,будусчитатьсвоюзадачунаданномэтапе
выполненной.
ТрубочкинаН.К.
Введение
Данная монография предназначена для формирования нового взгляда
на возможное проектирование трехмерных сверхбольших интеграль-
ных схем (3D СБИС) на базе оптимальной переходной схемотехники
вотличиеотсуществующейвнастоящеевремяизбыточнойтранзистор-
нойсхемотехники.
Предметнаяобластьможетбытьобозначенакак
(cid:2) нанотехнологииинаносхемотехникадля3DСБИС;
(cid:2) наноструктурыинаносистемы.
Нанонаука и нанотехнология — направления науки и технологии,
активно развивающиеся с конца ХХ века. Термин нанотехнология
(nanotechnology)введенв1974годупрофессором-материаловедомизТо-
кийскогоуниверситетаНориоТанигучи[1],которыйопределилегокак
«технологиюпроизводства,позволяющуюдостигатьсверхвысокуюточ-
ностьиультрамалыеразмеры…порядка1–100нм…».Необходимоотли-
чать нанонауку (nanoscience, или nanoscale science) от нанотехнологии
(nanotechnology).Нанонауказанимаетсяизучениемисозданиемматери-
аловиобъектов,реализуемыхсиспользованиемнанотехнологий.
Структуру или объект, линейный размер которого не превышает
100 нм, называют наноструктурой или нанообъектом соответственно,
асистему,состоящуюизнаноструктурилинанообъектов,—наносисте-
мой.
Наноиндустрия представляет собой совокупность направлений
бизнеса и производства, работающих с нанообъектами и наносисте-
мами.
Представленнаямонографиябудетполезнавсем,ктоработаетвоблас-
тинаноиндустрии,нуждающейсявновойэлементнойбазедлясуперком-
пьютеров и схем управления, а также обладающей рядом преимуществ
передсуществующейкремниевойтранзисторнойбазой.
Целямипроведенныхфундаментальныхисследованийявлялись:
(cid:2) поискирешениезадачразвитиявобластисозданияновыхинтел-
лектуальныхтехническихсистем,ихэлементнойбазы,техноло-
гийиматериаловдлянее;
(cid:2) преодоление проблем развития планарной транзисторной крем-
ниевоймикро-инаноэлектроники.
Введение 7
Перед наноиндустрией, нанонаукой и нанотехнологией стоит ряд
задач:
(cid:2) созданиеи использование материалов, устройстви технических
систем, функционирование которых определяется нанострукту-
рой, то есть ее упорядоченными фрагментами размером от 1 до
100нм;
(cid:2) разработкатеории,элементнойбазыипрограммногообеспечения
длясозданиякомпьютеров(интеллектуальныхсистем)различно-
готипа(нанокомпьютерынабазенесколькихкомпонентов,втом
числеквантовыйкомпьютер,ДНК-компьютер,нанороботыипр.).
Дляоблегченияпониманияизложенноговкнигематериалаопреде-
лимосновные(ключевые)термины.
Нанокомпьютер—вычислительноеустройствонаосновеэлектро-
нных(механических,биохимических,квантовых)технологийсразме-
рамилогическихэлементовпорядканесколькихнанометров.
ДНК-компьютер — вычислительная система, использующая вы-
числительныевозможностимолекулДНК.
Биомолекулярные вычисления — собирательное название различ-
ныхтехник,такилииначесвязанныхсДНКилиРНК.ПриДНК-вычис-
лениях данные представляются не в форме нулей и единиц, а в виде
молекулярной структуры, построенной на основе спирали ДНК. Роль
программногообеспечениядлячтения,копированияиуправлениядан-
нымивыполняютособыеферменты.
Нанороботы—устройства,состоящиеизнаноматериалов,размер
которых сопоставим с размерами молекул, эти устройства наделены
функциямидвижения,обработкиипередачиинформации,исполнения
программ. Нанороботы, способныесоздавать свои копий, то естьсамо-
воспроизводиться, называются репликаторами. В настоящее время
ужесозданыэлектромеханическиенаноразмерныеустройства,ограни-
ченно способныекпередвижению,которые можно считать прототипа-
минанороботов.
Схемотехникаизучаетэлементыиблокиинтегральныхсхемэлек-
тронныхвычислительныхмашин(ЭВМ),атакжеразличныеметодыих
проектирования.
Наносхемотехника—разделсхемотехники,изучающийобъекты
(элементыСБИС),размерыкоторыхнепревышают100нм.
Задачи, которые автор поставил перед собой в данной работе, за-
ключаютсяв:
(cid:2) разработкеновойконцепцииэлементнойбазытвердотельнойна-
ноэлектроники;
(cid:2) разработке качественно новой теории оптимальной схемотехни-
кидля3DСБИС;
8 Введение
(cid:2) разработкеимоделированииэлементнойбазы;
(cid:2) 3D визуализации переходных элементов и физических процес-
сов,протекающихвних;
(cid:2) разработке программного обеспечения (ПО) для элементов
3DСБИС,созданныхнаосновеновойконцепциисинтезатрехмер-
ныхинтегральныхсхем(ПОдлярешениязадачсинтеза,анализа
и компьютерной визуализации объектови процессовв3D интел-
лектуальныхнаноструктурахкремниевойнаноэлектроники).
Из-за сложности решаемых задач необходимо математическое
икомпьютерноемоделирование,таккаконопозволяетопределятьтех-
нические характеристики и работоспособность создаваемых переход-
ных твердотельных элементов для 3D СБИС, построенных на основе
новойконцепциибезорганизацииотдельногодорогостоящегопроизвод-
ства.
Книга«Моделирование3Dнаносхемотехники»предназначенадля
изучения
(cid:2) принципов современныхметодов синтеза элементов и устройств
ЭВМивычислительныхсистем;
(cid:2) методовпостроениясхемЭВМивычислительныхсистем;
(cid:2) принциповсовместнойработыустройствЭВМивычислительных
систем;
(cid:2) методовпроектирования устройствразличной степенисложнос-
тисучетомновейшихразработоквобластиматематическогомо-
делирования, схемотехники и технологии создания ЭВМ и
вычислительныхсистем.
Помимо описания новой теории переходной схемотехники, особое
внимание уделено математическому моделированию элементов и уст-
ройств, которые предназначены для разработки схем нового поколе-
ния,вчастности 3DСБИС.Материал представленспозиции обучения
синтезу и практической реализации схем для компьютеров нового по-
коления. Рассмотрены синтез и моделирование схем в переходной,
транзисторной,вентильнойиматричнойреализациях.
Глава 1
ОСНОВНЫЕ ЭТАПЫ РАЗВИТИЯ
ЭЛЕМЕНТНОЙ БАЗЫ ЭВМ
ЭлементЭВМ—функциональноминимальнаячастькомпьютера,ко-
тораяможетбытьвыделенавнемприлогическомпроектировании(на-
пример,элементыИ–НЕ,ИЛИ–НЕ).
Блок ЭВМ — функционально законченная схема, которая выпол-
няет сложную функцию (например, арифметико-логическое устрой-
ствоилипамятьЭВМ).
1.1.ЭлементнаябазаипоколенияЭВМ
Определяющим фактором развития микроэлектроники и вычисли-
тельнойтехникиявляетсяэлементнаябаза,котораязанесколькодеся-
тилетий своего существования неоднократно качественно менялась.
Каждой новой элементной базе соответствовало свое поколение ком-
пьютеровсулучшеннымифункциональнымиитехническимихаракте-
ристиками.Длякаждойпринципиальноновойэлементнойбазынужна
своясхемотехника.
Поколениясхемотехникопределялисьиопределяютсяпоколения-
миЭВМ,которыепоочередностроилисьна:
(cid:2) электромеханическихреле;
(cid:2) электронныхлампах;
(cid:2) дискретных транзисторах (в 1947 году был изобретен биполяр-
ныйтранзистор,определившийвсепоследующиетранзисторные
схемотехники вплоть до 1971 года, когда был представлен ин-
жекционный инвертор — первый логический элемент переход-
нойсхемотехники);
(cid:2) интегральныхсхемах(до10элементовнакристалле);
(cid:2) БИС(103–(cid:3)(cid:4)4элементов);
(cid:2) СБИС(105–106элементов).
Несмотрянавесьмасущественныеразличия,всеэлементныебазы,
за исключением первой из перечисленных выше, объединяет триод-
но-транзисторнаяконцепцияпостроенияэлектронныхсхем.