Главная Промышленная автоматика.

формационного состояния системы. Эти эффекты неоднородны и являются существенно нелинейными. Только некоторые из них могут моделироваться паразитными нелинейными элементами в виде цепей положительной и отрицательной обратной связи.

Рассмотренные проблемы потребуют детального изучения, если станет актуальной разработка интегральных схем квантового уровня.

18.5.3. СЛОЖНОСТЬ

Некоторые трудности проектирования уже были обнаружены при создании БИС арифметических устройств с плотностью затворов на кристалле, незначительно превышающей аналогичный параметр для более простых структур БИС запоминающих устройств. Должно быть ясно, что при создании истинной СБИС нужно отказаться от обычной "случайной" архитектуры построения подобных устройств и направить усилия на разработку более регулярной системотехники с более простой методикой проектирования, ориентированной на достижение высокой степени интеграции. Например, в будущих сверхбыстродействующих вычислительных машинах с временем выполнения логической операции, измеряемым наносекундами, размеры центрального процессора должны быть минимальными и составлять около нескольких десятых долей сантиметра для обеспечения когерентности сигналов. Существуют также и другие области применения (матричные процессоры, робототехника и искусственный интеллект), которые требуют перехода от последовательного принципа построения к иному принципу построения таких систем. С точки зрения ностроения системы уменьшение размеров элементов не всегда полезно для "неструктурных" СБИС [37]. В частности, при уменьшении размеров элементов будет расти паразитное сопротивление соединений, что приведет к увеличению времени задержки и рассеиваемой мощности. Действительно, основные затраты времени, объема и энергии будут приходиться на управление передаваемыми данными.

Следовательно, при разработке таких систем необходимо минимизировать цепь соединений, а не число логических элементов, как при обычной оптимизации схем. Более перспективными будут принципы построения, основанные на применении параллельных, магистральных или трехпроцессорных структур [10, 15, 37]. Бьшо также доказано [37], что проблемы, связанные с обеспечением управления сложными системами во времени, должны решаться не путем внешней синхронизации, а использованием принципов внутреннего самотактирования структуры.

Ведется также полемика о том [37], какие логические схемы должны ис-поль.зоваться и следует ли переходить к более просто управляемым логическим структурам. Одной из интересных возможнос1ей в данном случае является использование ИС с расширенными логическими функциями на логических элементах Фредкина, которые обладают определенными достоинствами, связанными с минимальной энергией переключения в системе. Появление дефектов (внутренних, производственных или радиационных) будет иметь более серьезные последствия в последовательных структурах. Поэ-



тому в будущем вероятно появление систем, в которых будет реализована возможность "отключения" дефектных областей за счет, например, простой избыточности элементов или использования более сложной архитектуры.

Рассмотренные в данном случае вопросы связаны со стремлением получить топологию системы с большими плотностью и регулярностью структуры. Их реализация может привести к новым физическим ограничениям, которые необходимо учитывать при создании БИС. Как уже обсуждалось ранее, в системе с чрезвычайно малой шириной линий, соединений и изоли-руюпщх областей возможно появление дополнительных составляющих токов утечки, которые будут зависеть от токов и напряжений в системе, т.е. от информационного состояния системы. Такие паразитные связи зависят от выбранного построения системы и потока информации. Наличие сети паразитных связей в нерегулярных системах необязательно ухудшает их функционирование, хотя и приводит к возникновению дополнительных источников шума. Однако в регулярных системах или в присутствии дестабилизирующих цепей обратной связи между элементами и их соединениями в нерегулярных системах наличие различных процессов передачи информации и паразитных связей может дестабилизировать систему до такой степени, что изменится ее функционирование. В настоящее время очень мало изученными являются вопросы устойчивости нетшиейных систем, хотя некоторые аналоги могут быть найдены в естественных природных системах [38, 39], в которых проявляются сложные функциональные переходы (например, неравновесный "фазовый" переход, характеризующийся пространственной и временной неоднородностью появления новых типов колебаний в системе [39]). Нелинейность внутренних параметрических связей может привести к возникновению режима хаотических колебаний [39], что было отмечено при ншшчии паразитных связей в устройствах на электровакуумных приборах [40]. Паразитные связи в системе сильно обусловлены их физическими особенностями и зависят от конкретной гетероструктуры кристалла и способов управления токами и напряжениями. Поэтому не существует просто абстрактных проблем нелинейных систем, они всегда конкретны. В регулярных структурах, даже если межэлементные паразитные связи ограничены взаимодействием только соседних элементов, возможно возникновение широкодиапазонных когерентных парных связей, что уже было отмечено при исследовании сверхрешеток [41] и хорошо известно для случаев проявления согласованно действующих эффектов в многоэлементных системах теоретической физики и химии [39, 42].

Эти проблемы сложных систем могут рассматриваться либо как серьезные недостатки, либо как возможности новых вариантов для пересмотра структур обработки информации.

18.5.4. ДВУХ- И ТРЕХМЕРНЫЕ СВЕРХРЕШЕТКИ

Как мы видим, основные направления проектирования интегральных схем связаны с повышением степени интеграции и переходом к регулярным (во многих случаях кристаллическим) структурам, особенно в случае разработки запоминающих и арифметических устройств. При малости геометри-



ческих размеров каждого элемента и взаимной близости его границ логично предположить, что могут проявиться эффекты сверхрешетки, аналогичные эффектам в многослойных структурах [30]. Если эти эффекты могут присутствовать, то как они повлияют на работу отдельных элементов и системы в целом?

Концепция двухмерных решеток [41, 44] была впервые развита в работе [30], где высказано предположение о возможности создания одномерной сверхрешетки в многослойных структурах. При этом такую одномерную сверхрешетку можно представить в следующем виде. Предположим, что существуют две изолированные потенциальные ямы конечной глубины с шириной, гораздо большей постоянной кристаллической решетки, но меньшей длины свободного пробега и длины волны де Бройля. Такая система будет описывать квантовый баллистический прибор. Если потенциальные ямы широко разнесены, то электроны будут занимать определенные дискретные квантовые уровни, определяемые их эффективной массой в такой структуре, Сближение потен1щальных ям приведет к перекрытию волновых функций электронов и увеличению возможности их туннелирования. Таким образом, будет усиливаться вырождение и будут расщепляться квантовые уровни в каждой потенциальной яме. Совокупность таких потенциальных ям в форме периодической структуры дает реализацию так называемого одномерного твердого тела. Исходная зонная структура полупроводника теперь преобразуется в структуру, в которой чередуются запрещенные зоны и зоны проводимости, характеристики которых будут определяться высотой барьера, расстоянием между потенциальными ямами и эффективной массой электрона.

Базовой идеей, положенной в основу элемента на сверхрешетке, является предположение, что электроны в каждом элементе занимают двумерную потенциальную яму. Если такие элементы расположить регулярно в пространстве на расстоянии того же порядка, что и их размеры и характеристическая длина волны, то будет возможно туннелировапие электронов наравне с другимим эффектами сверхрешетки, проявляемыми внутри каждого элемента. Ранее отмечалось, что туннелированием можно пренебречь, если 2кд:„>1, где к - волновой вектор; - ширина барьера, через который возможно туннелировапие. С учетом связи между энергией (в данном случае высотой барьера) , волновым вектором к и эффективной массой электрона т* [\к\ = {2m*<pg/h-y/] можно получить х„ >Х„ = (й/2т*(д)1/2, где h - постоянная Планка. Для высоты барьера, составляющей около 1 эВ, можно оценить предельную ширину барьера для свободных электронов {Х\ нм) и для m*«iO,01mo, где Шд - масса свободного электрона (Х «=10нм). Эти грубью оценки показывают, что проявление эффектов сверхрешетки можно ожидать в элементах, выполненных на пределе разрешающей способности современной литографии, причем в материалах, электроны которых имеют меньшую эффективную массу, они будут возникать при больших размерах областей.

Необходимо отметить, что эффективность туннелирования через барьер очень чувствительна к управляющим сигналам (напряжению, току, плот-434





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

0.0038