Электроника XXI века через призму нанотехнологии
Юрий Иванович Головин, доктор физико-математических наук, профессор, директор Научно-образовательного центра «Наноматериалы и нанотехнологии» Тамбовского государственного университета. Заслуженный деятель науки РФ. Область научных интересов — динамика структурных дефектов в различных материалах, влияние магнитных и микроволновых полей на структуру и свойства твердых тел, нанотехнологии.
Ю.И.Головин
Пришествие эры нанотехнологии как всеобщего и системного подхода к решению самых трудных технических задач в громадной степени было стимулировано беспрецедентными темпами развития микроэлектроники. Она и остается одной из важнейших и крупнейших сфер приложения нанопарадигмы. Поэтому большинство достижений в нанона-уке сначала оцениваются с точки зрения перспективности их использования в компьютерной технике, средствах связи, электронике промышленного и бытового назначения.
Наследие и новизна
Планарная технология, позволяющая создавать интегральные схемы (ИС) на поверхности очень чистого кремния, была изобретена в 1959 г. и быстро внедрена в промышленность. Темпы совершенствования элементной базы твердотельной электроники с самого начала были исключительно высокими: в течение более чем четырех десятков лет динамика улучшения всех существенных параметров ИС укладывается на экспоненту. Так, количество элементов в микропроцессорах и блоках динамической памяти (DRAM) удваивается каждые полтора года (закон Мура — одного из осно-
© Головин Ю.И., 2008
вателей компании «Intel»). Этому соответствует неуклонное уменьшение характерных размеров отдельных элементов R, увеличение быстродействия, снижение энергопотребления и стоимости (рис.1). Экспоненциальный рост числа элементов, из которых состоит микросхема (в первую очередь транзисторов), привел к тому, что суммарно в 2005 г. было произведено около 1019 транзисторов (примерно по 1 млрд штук на каждого жителя Земли), что на три порядка превышает число зерен пшеницы, выращиваемых в мире ежегодно. Причем масштабы финансовых затрат сопоставимы: за каждое из этих зерен сейчас можно купить как раз 1 тыс. транзисторов. Мощность, рассеиваемая на затворах транзисторов за одно переключение, уменьшилась за последние 40 лет более чем в 105 раз.
Быть может, эти электроны — Миры, где пять материков, Искусства, знанья, войны, троны И память сорока веков! Еще, быть может, каждый атом — Вселенная, где сто планет. Там все, что здесь, в объеме сжатом, Но также то, чего здесь нет.
Валерий Брюсов
Таким образом, последние пять десятков лет электроника стремительно развивалась под лозунгом: компактнее, быстрее, лучше, дешевле (имеются в виду характерные размеры отдельных элементов, быстродействие, соотношение цена/качество). Законы скейлинга обеспечивают одновременное улучшение всех характеристик ИС при уменьшении R (табл.1). Чтобы поддерживать эти беспрецедентные в истории цивилизации темпы роста ключевых параметров выпускаемой продукции и в дальнейшем, необходимо к 2012 — 2015 гг. уменьшить технологический шаг при производстве ИС до ~10 нм (против ~ 100 нм, достигнутых в настоящее время). Некоторого прогресса можно ожидать на пути совершенствования существующих подходов. Однако, по общему мнению специалистов, имеющиеся в промышленности
технологии не смогут обеспечить такой рывок даже после существенного улучшения, поскольку в значительной мере они уже исчерпали свои возможности эволюционного развития. Освоение 10-нанометро-вого диапазона потребует разработки принципиально новых физических основ и технологий производства элементной базы, которые в общих чертах просматриваются уже сейчас. Интервал от 1 до 10 нм — пока поле деятельности для фундаментальных исследований, которые только нащупывают возможные маршруты продвижения массовых технологий в электронику нового типа — квантовую нано-электронику.
Основные функции устройств наноэлектроники можно свести к следующему (рис.2):
обработка информации и выдача решений и управляющих команд с помощью микропроцессоров, работающих во взаимодействии с устройствами оперативной памяти;
долговременное энергонезависимое сохранение информации, к которой время от времени может обращаться информационная система;
передача информации внутри микросхемы, внутри компьютера, между различными технологическими и информационными модулями, по локальным и глобальным сетям;
преобразование информации, полученной из внешней среды, и трансформация ее в электрический сигнал различными сенсорами, а также обратное преобразование из электрической формы в другую — силовую, тепловую, звуковую, визуальную (актуаторы);
защита информации от несанкционированного доступа, использования, стирания и т.п.
Несмотря на различие в содержании этих задач, к их реализации можно предъявить и некоторые общие требования: повышение функциональности и интеллектуальности изделий, технологичности производства, на-
Рис.1. Динамика некоторых показателей развития твердотельной микроэлектроники. Представлены следующие характеристики: число транзисторов в одной микросхеме и минимальные размеры элементов в плоскости чипа; тактовая частота процессоров (различные типы выпускавшихся процессоров обозначены разными точками) и суммарное количество транзисторов, произведенное в мире за год; стоимость одной ячейки оперативной памяти (уточек указан объем памяти микросхемы DRAM).
Таблица 1
Характер изменения параметров МОП-структур при уменьшении их размеров в а раз (законы скейлинга при неизменной величине напряженности электрического поля)
Параметры Зависимость от а
Размеры прибора 1/а
Концентрация лигатуры а
Прикладываемое напряжение 1/а
Электрическое поле 1
Емкость 1/а
Подвижность носителей 1
Токовый дрейф 1/а
Время переключения 1/а
Мощность, рассеиваемая в одном цикле 1/а2
Энергия, рассеиваемая в одном цикле 1/а3
Плотность монтажа 1/а2
Плотность тепловыделения 1
дежности, быстродействия, емкости памяти при одновременном снижении материалоемкости, энергопотребления, себестоимости, сложности пользования. По-видимому, самый перспективный путь состоит в объедине-
нии всех перечисленных функций в одном гибридном устройстве, выполненном методами планарной технологии на одном чипе, что позволяет ему «чувствовать, думать, принимать решения, действовать и общаться». В
Рис.2. Основные функции и узлы компьютерно-ориентированной электроники.
последние годы разработаны и освоены в массовом производстве десятки типов микроэлектромеханических систем (МЭМС). Так, несколько миллионов гибридных чипов установлены в современных легковых автомобилях, которые управляют срабатыванием подушек безопасности при аварии. На повестке дня стоит освоение наноаналогов таких систем.
С точки зрения новизны и радикальности подходов (а следовательно, и необходимых материально-экономических ресурсов, и затрат времени) можно обозначить три основных направления работ:
— совершенствование нано-электроники путем эволюционного улучшения существующих «кремниевых» планарных технологий;
— более глубокое модифицирование планарной технологии и распространение ее на другие материалы и ситуации;
— создание принципиально новой электроники следующих поколений на основе «некремниевых» устройств и иных физических принципов.
Революционные идеи последнего пункта предполагают использование нанотрубок, фулле-ренов и их производных, квантовых сверхпроводящих компонентов, устройств оптотроники, биоэлектроники, одноэлектро-ники, спинтроники, переход к квантовым распределенным вычислениям и т.д.
В англоязычной литературе три упомянутых направления для краткости иногда называют: «В будущее вместе с кремнием», «рядом с кремнием» и «за пределами кремния» (рис.3). В настоящее время возможности кремниевых технологий до конца еще не исчерпаны, и при наличии специалистов, больших производственных мощностей, отлаженного производства, инфраструктуры, разогретых рынков сбыта этот сегмент еще долго будет занимать на рынке доминирующие позиции. Однако серьезные принципиальные ог-
раничения, с которыми здесь приходится сталкиваться, заставляют думать и над альтернативами. Более близким и прогнозируемым экспертам представляется второе направление. Но скорее всего — это паллиатив, и революционные преобразования информационной техники нас ждут за пределами «кремниевой» идеологии.
Камни преткновения для миниатюризации
Можно выделить три группы принципиальных причин, обусловливающих фундаментальные пределы для дальнейшего уменьшения размеров отдельных элементов в ИС (рис.4): термодинамические, электродинамические, квантовомеханичес-кие. Первая из них порождена конечной температурой объектов, хаотическим тепловым движением атомов и электронов, нагревом вследствие протекания тока, действием первого и второго начала термодинамики (в частности, стремлением к росту энтропии и потере информации в системе), особенностями обратимых и необратимых процессов в нанообъектах. Электродинамические ограничения вызваны инерционностью емкостей и индуктивностей в схеме, что препятствует быстрому изменению напряжений и токов при переходе от одного состояния к другому (например, при работе логических ключей в микропроцессоре или ячеек динамической памяти). Конечная скорость распространения электромагнитных волн (особенно в присутствии проводников, ферромагнетиков, ферро-электриков), движения носителей заряда, перемагничивания ферромагнетиков или переполяризации диэлектриков накладывает дополнительные ограничения на быстродействие. Третья группа причин подключается при уменьшении характерных размеров объекта R до атомарных масштабов. При этом
Рис.3. Три возможных сценария развития микро-, наноэлектроники в ближайшем и отдаленном будущем.
Рис.4. Фундаментальные пределы миниатюризации электроники. R — характерный размер элемента, Ш — энергия, рассеиваемая при одном переключении. Для сравнения показаны характеристики нейрона и синапса человека.
становится заметной атомная и электронная дискретность в явлениях переноса, взаимодействия частиц и т.п. Приближение К к длине волны де Брой-ля для электронов приводит к деформ
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.