Главная Промышленная автоматика.

но полученной для реализации наперед заданных свойств. Это можно сравнить с подобными достижениями в физике полимеров и химии, молекулярной и генной инженерии, открывшими перспективы созрлния совершенно новых сверхмалых элементов цепей на молекулярном уровне: вентилей и проводящих цепочек [16, 17].

Третья проблема связана с появившимися в последнее время отступлениями от традиционных методов построения логических систем на основе последовательной "случайной" архитектуры. Это происходит из-за ограничений, которые налагаются пределами рассеиваемой мощности и планарной технологией на схемы с высокой степенью интеграции, вьшолняющие функции запоминания или логической обработки информации, а также возникающими задержками и сложностями синхронизации в соединяющих цепях. Кроме того, оптимальность проектирования СБИС требует, чтобы их архитектура бьша более регулярной и повторяющейся, а существующие для этого методы очень слабо теоретически обоснованы.

В-четвертых, при сверхбольшой степени интеграции появились проблемы, связанные с возможностью возникновения в работе схем сбоев из-за естественной и искусственной радиации, а также из-за наличия внутренних дефектов и явлений флуктуации [19]. Уже используется схемная избыточность в однокристальных ИС, но очень может быть, что понадобятся радикальные изменения в принципах построения таких систем обработки информации [9]. В данном случае можно напомнить, что такие естественные сложные обрабатывающие системы, которыми являются мозг и глаза человека, демонстрируют потрясающую стабильность и способность противостоять локальным изменениям. Это объясняется тем, что естественные системы организованы совсем по другому принципу, чем искусственно созданные [20, 21].

Перечень проблем можно значительно продолжить. Однако ограничимся в данном случае определением области их существования. Поскольку миниатюризация элементов привела к появлению структур с размерами менее 1 мкм на основе полупроводников, изоляторов, металлов, а при определении их характеристик необходимо учитывать явления, связанные с неравновесными процессами, то возникшие проблемы относятся к области, лежащей между макроскопической физикой твердого тела и атомно-молекулярной физикой [5-9]. Это положение можно проиллюстрировать диаграммой, представленной на рис. 18.1, где показана физическая шкала возможной технологической реализации интегральных схем на кремнии с учетом ограничений современной литографни. Ее анализ с очевидностью показывает, что полупроводниковые приборы с размерами, сравнимыми с длиной свободного пробега в объеме, классической длиной экранирования или длиной волны де Бройля, будут иметь различные свойства или, возможно, не будут работать вообще. Недостаток фундаментальных знаний при рассмотрении такой физической шкалы приводит к сложностям при оценке ограничений отдельных приборов и, что более важно, затрудняет определение предельных возможностей интегральных систем на их основе [5 - 9].

С практической точки зрения развитие современной электроники находится на перепутье. Конечно, некоторые направления развития можно прог-

14 - 6517



Физическая шкала

область дидимого

сЗета Дойна сЬободного пробега электрона

Длина баллы электрона -

ЮОмкм

Шмкм

1мкм

•ЮОнм

-/Онм

Размеры молекрлы-*-

белка лротеина

Внутриатомные г.,,

размеры -

область размерод атомов или малых молекул



Электронно-лучевая, молекулярно-лучевая и ренг.- новская литография

!нм 10нм ЮОнм !мкм Юмкм ЮОмкм Минимальные размеры элементов, достижимые При использовании методов литографии

Рис, 18.1. Физическая шкала реализаций приборов на кремнии с учетом ограничений

литографии

нозировать, но в данном случае очень сложно определить, какие материалы, электронные процессы, системы и т. д. будут наиболее важными в конце ближайшего десятилетия. Действительно, трудно оценить возможности, например, только возникшей, но не развитой биоэлектроники по сравнению с обширной областью применения микропроцессорных систем. Появление некоторых радикальных путей развития возможно, и мы обсудим их в следующих разделах данной главы.

18.3. МАЛОГАБАРИТНЫЕ И СВЕРХБЫСТРОДЕЙСТВУЮЩИЕ СИСТЕМЫ

Основной подход к созданию сверхбыстродействующих систем вычислительной техники и обработки информации связан с повышением быстродействия и уменьшением потребляемой мощности активными приборами и соединяющими цепями. При этом для получения высокого быстродействия можно использовать следующие методы: выбор полупроводниковых материалов с высокой подвижностью носителей заряда, с охлаждением или без него; применение приборов с очень короткой длиной канала; использование логических элементов на основе эффекта сверхпроводимости и, наконец, параллельных и иных методов организации обработки, позволяющих существенно повысить общую скорость обработки информации. Во всех случаях наибольший выигрыш в быстродействии получается при применении приборов с очень маленькими размерами активных областей и короткими соединениями, что обеспечивает уменьшение времени задержки распространения сигналов и снижение рассеиваемой мощности.

Существуют вполне конкретные физические ограничения, позволяющие определить минимальные размеры, при которых любые конкретные струк-



туры приборов могут еще функционировать [5, 6, 9]. В данном случае можно найти абсолютный предел геометрических размеров [9], который лежит в диапазоне 5-20нм, если, конечно, не учитывать возможности молекулярных приборов [17]. Эта величина очень близка к тем размерам элементов, которые могут быть получены с использованием электроннолучевого, рентгеновского или ионно-лучевого метода литографии. Реальные проблемы связаны с определением конкретных структур приборов, которые должны быть использованы для получения вьюокого быстродействия и малых потребляемых мощностей, и оценкой того, могут ли быть задержки сигналов, возникающие в межсоединениях таких приборов, уменьшены до требуемых пределов. Решение этих проблем в значительной степени будет зависеть от того, какие материалы и технологические методы изготовления приборов будут использованы в данном случае. В качестве примера, подтверждающего сказанное, можно отметить, что если оценить производительность вычислительной техники произведением быстродействия прибора на число таких приборов в одном кристалле, то цифровые ИС на GaAs ПТШ, несмотря на их более высокое быстродействие, в ближайшие десять лет не будут конкурировать с кремниевыми ИС на МДП-транзисторах.

Основная сложность, возникающая при проектировании быстродействующих приборов с размерами, составляющими доли микрометра, связана с невозможностью предсказания их характеристик с уменьшением геометрических размеров. Это объясняется прежде всего тем, что в настоящее время отсутствует теория такого предсказания, которая позволила бы одновременно прогнозировать воздействие всех физических эффектов на характеристики прибора. Например, пренебрежение действием температуры означает, что существующие потенциалы в приборе не могут быть предсказаны с точностью выше, чем kTjq (более высокая точность необходима для определения надежности [5]), так что напряженность электрического поля при этом будет расти с увеличением температуры (для Г=300К, U=kTlq и длины канала к.~0>25мкм получим минимальную напряженность электрического поля 1- ЮкВ/см.) В структурах кремниевых МДП-транзисторов может существовать неоднородное самосогласованное электрическое поле с максимальной напряженностью около 100кВ/см [8]. Следовательно, можно ожидать проявления таких эффектов большого поля, как разогрев электронов с соответствующими проблемами надежности прибора и изменениями характера процессов переноса носителей заряда [8].

Вторая проблема связана с тем, что время пролета носителей заряда через прибор зависит в первом приближении от его длины. Предположив, например, что средняя скорость дрейфа носителей заряда равна Ю см/с, а длина канала =0,1 мкм, получим время пролета sal пс, сравнимое (во многих случаях меньшее) со средним временем пробега между двумя актами рассеяния тис постоянной времени т описывающей определенный процесс рассеяния. Условия, при которых т<т, (длина свободного пробега превосходит длину канала или какой-либо другой размер прибора) , соответствуют тому случаю нестационарной динамики носителей заряда, который не описывается классическими уравнениями, используемыми ранее. Нестацио-





0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 127 128 129 130 131 132 133 134 135 136 137 138 139 [140] 141 142 143 144 145 146 147 148 149 150 151 152 153 154 155 156 157 158 159 160 161 162 163 164 165

0.0039