научная статья по теме ЭЛЕКТРОНИКА XXI ВЕКА ЧЕРЕЗ ПРИЗМУ НАНОТЕХНОЛОГИИ Физика

Текст научной статьи на тему «ЭЛЕКТРОНИКА XXI ВЕКА ЧЕРЕЗ ПРИЗМУ НАНОТЕХНОЛОГИИ»

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.

Показать целиком