2011-01-17
1
Podstawy elektroniki
Podstawy elektroniki
i energoelektroniki
i energoelektroniki
Wykład 12
Wykład 12
Nanotechnologie
Nanotechnologie
dr in
ż
. Andrzej Kociubi
ń
ski
dr in
ż
. Andrzej Kociubi
ń
ski
stycze
ń
2011
stycze
ń
2011
• 1 cm
• 1 cm
3
3
ciała stałego
ciała stałego –
– 10
10
21
21
--10
10
22
22
• drobina pyłu (
φ
= 0,1 mm)
• drobina pyłu (
φ
= 0,1 mm) –
– 10
10
16
16
• krystalit (
φ
= 10
µ
m)
• krystalit (
φ
= 10
µ
m) –
– 10
10
13
13
• typowych rozmiarów bakteryjne DNA
• typowych rozmiarów bakteryjne DNA –
–10
10
8
8
--10
10
9
9
• typowa samoorganizuj
ą
ca si
ę
kropka kwantowa (z blokad
ą
• typowa samoorganizuj
ą
ca si
ę
kropka kwantowa (z blokad
ą
kulombowsk
ą
)
kulombowsk
ą
) –
– 10
10
6
6
--10
10
8
8
• mała jedno
ś
cienna nanorurka
• mała jedno
ś
cienna nanorurka –
– 10
10
3
3
--10
10
4
4
• mała kropka kwantowa (ze skwantowanymi poziomami
• mała kropka kwantowa (ze skwantowanymi poziomami
energetycznymi)
energetycznymi) –
– 10
10
2
2
--10
10
3
3
Ile atomów?
Ile atomów?
Technologie wykorzystywane w wielu podstawowych
Technologie wykorzystywane w wielu podstawowych
dziedzinach aktywno
ś
ci technicznej człowieka w celu:
dziedzinach aktywno
ś
ci technicznej człowieka w celu:
• wytwarzania klasycznych urz
ą
dze
ń
o nanometrowych
• wytwarzania klasycznych urz
ą
dze
ń
o nanometrowych
rozmiarach z charakterystycznymi dla nich efektami,
rozmiarach z charakterystycznymi dla nich efektami,
• wytwarzania nanomateriałów,
• wytwarzania nanomateriałów,
• wytwarzania nowych struktur o nieznanych jeszcze cechach,
• wytwarzania nowych struktur o nieznanych jeszcze cechach,
• modelowania i badania tych
ż
e.
• modelowania i badania tych
ż
e.
Nanotechnologie
Nanotechnologie
(na przykładzie elektroniki)
(na przykładzie elektroniki)
Oszcz
ę
dno
ść
materiału, energii,
Oszcz
ę
dno
ść
materiału, energii, --> mniejszy jednostkowy koszt działania
> mniejszy jednostkowy koszt działania
elementu i jego wytworzenia,
elementu i jego wytworzenia,
Wi
ę
ksza szybko
ść
działania i zysk,
Wi
ę
ksza szybko
ść
działania i zysk,
Wi
ę
ksze upakowanie
Wi
ę
ksze upakowanie --> wi
ę
kszy potencjał i wi
ę
ksza pojemno
ść
> wi
ę
kszy potencjał i wi
ę
ksza pojemno
ść
informacyjna
informacyjna
PONADTO
PONADTO
Struktury w małej skali mog
ą
mie
ć
lepsze własno
ś
ci elektryczne, chemiczne,
Struktury w małej skali mog
ą
mie
ć
lepsze własno
ś
ci elektryczne, chemiczne,
mechaniczne lub optyczne,
mechaniczne lub optyczne,
Mo
ż
liwo
ść
modyfikacji materii na poziomie, na którym definiowane
Mo
ż
liwo
ść
modyfikacji materii na poziomie, na którym definiowane
s
ą
jej makroskopowe własno
ś
ci,
s
ą
jej makroskopowe własno
ś
ci,
Mo
ż
liwo
ść
manipulowania materi
ą
na tym poziomie.
Mo
ż
liwo
ść
manipulowania materi
ą
na tym poziomie.
Zalety redukcji rozmiarów
Zalety redukcji rozmiarów
Potencjalne obszary zastosowa
ń
Potencjalne obszary zastosowa
ń
Nanoelektronika
Nanoelektronika
Dziedzina
Dziedzina elektroniki
elektroniki realizowana
realizowana przez
przez przyrz
ą
dy
przyrz
ą
dy o
o
wymiarach
wymiarach rz
ę
du
rz
ę
du nanometrów
nanometrów (<
(< 100
100 nm),
nm), w
w których
których
manifestuj
ą
manifestuj
ą
si
ę
si
ę
zjawiska
zjawiska zwi
ą
zane
zwi
ą
zane z
z kwantow
ą
kwantow
ą
natur
ą
natur
ą
elektronów
elektronów..
S
ą
S
ą
to
to
zjawiska
zjawiska::
elektrofalowe,
elektrofalowe,
jednoelektronowe
jednoelektronowe ii spinowe
spinowe..
2011-01-17
2
Nanoelektronika molekularna
Nanoelektronika molekularna
Dziedzina
Dziedzina nanoelektroniki,
nanoelektroniki, w
w której
której wykorzystuje
wykorzystuje si
ę
si
ę
wła
ś
ciwo
ś
ci
wła
ś
ciwo
ś
ci elektronowe
elektronowe pojedynczych
pojedynczych cz
ą
stek,
cz
ą
stek, a
a
tak
ż
e
tak
ż
e zale
ż
no
ść
zale
ż
no
ść
tych
tych wła
ś
ciwo
ś
ci
wła
ś
ciwo
ś
ci od
od czynników
czynników
chemicznych,
chemicznych, elektromechanicznych
elektromechanicznych lub
lub optycznych
optycznych..
Spintronika
Spintronika
tak
ż
e:
tak
ż
e:
elektronika spinowa, magnetoelektronika
elektronika spinowa, magnetoelektronika
Dział
Dział
elektroniki
elektroniki
zajmuj
ą
cy
zajmuj
ą
cy
si
ę
si
ę
modelowaniem,
modelowaniem,
wytwarzaniem
wytwarzaniem ii badaniem
badaniem urz
ą
dze
ń
urz
ą
dze
ń
wykorzystuj
ą
cych
wykorzystuj
ą
cych
zjawiska
zjawiska fizyczne
fizyczne zwi
ą
zane
zwi
ą
zane ze
ze spinem
spinem elektronu
elektronu..
Spin
Spin elektronu
elektronu
mo
ż
na
mo
ż
na traktowa
ć
traktowa
ć
jako
jako jego
jego własny
własny
moment
moment p
ę
du
p
ę
du
,,
a
a
jego
jego
połówkowa
połówkowa
warto
ść
warto
ść
oznacza,
oznacza,
ż
e
ż
e pojedynczy
pojedynczy elektron
elektron
mo
ż
e
mo
ż
e znajdowa
ć
znajdowa
ć
sie
sie w
w dwóch
dwóch
ró
ż
nych
ró
ż
nych
stanach
stanach
kwantowych,
kwantowych,
odpowiadaj
ą
cych
odpowiadaj
ą
cych dwóm
dwóm ro
ż
nym
ro
ż
nym
rzutom
rzutom spinu
spinu..
1970 1980 1990 2000 2010
10
3
10
4
10
5
10
6
10
7
10
8
10
9
10
1
0
4004
8086
80386
PentiumPro
Pentium 4
Itanium 2
Montecito
Prawo Moore’a
L
ic
z
b
a
tr
a
n
z
y
s
to
ró
w
n
a
c
h
ip
ie
Mo
ż
liwo
ś
ci przetwarzania informacji
Mo
ż
liwo
ś
ci przetwarzania informacji
M
o
ż
li
w
o
śc
i
p
rz
et
w
a
rz
a
n
ia
i
p
rz
es
y
ła
n
ia
i
n
fo
rm
a
cj
i
Lata
LAMPY
LAMPY
?
TRANZYSTORY
TRANZYSTORY
MIKROELEKTRONIKA
MIKROELEKTRONIKA
LASERY
LASERY
NANO
NANO--
ELEKTRONIKA
ELEKTRONIKA
NANO
NANO--FOTONIKA
FOTONIKA
Przyczyny nasycenia si
ę
krzywej
Przyczyny nasycenia si
ę
krzywej
„logistycznej”
„logistycznej”
Brak wiedzy
Brak wiedzy
Ograniczenia techniczne
Ograniczenia techniczne
Ograniczenia ekonomiczne
Ograniczenia ekonomiczne
Zmiana zainteresowa
ń
Zmiana zainteresowa
ń
nano-CMOS wchodzi do
produkcji
Wymiar
charakterystyczny
Nanotechnologia
100
0
100
Wymiar
bramki
10
m
ik
ro
m
et
ry
n
a
n
o
n
o
m
et
ry
10
1
0.1
0.01
1970
1980
1990
2000
2010
2020
130nm
100nm
70nm
50nm
2011-01-17
3
Silnie napr
ęż
ona warstwa
ś
ciskani
e
rozci
ą
gani
e
wzrost
wzrost
T.Ghani i in. Proc.IEDM Dec. 2003
Technologia
90 nm
zastosowana w masowej
produkcji mikroprocesorów
INTELA
L
g
= 45 nm
t
ox
= 1.2 nm
Napr
ęż
ony kanał Si
Ź
ródło:
Nanoelektronika
Nanoelektronika
CMOS 2018
CMOS 2018
• koszt
• koszt
< 10
< 10
--11
11
$ / bramka
$ / bramka
• rozmiar
• rozmiar
< 8 nm / przyrz
ą
d
< 8 nm / przyrz
ą
d
• szybko
ść
• szybko
ść
< 0.2 ps / operacj
ę
< 0.2 ps / operacj
ę
• energia
• energia
< 10
< 10
--18
18
J / operacj
ę
J / operacj
ę
Richard Feynman (1918
Richard Feynman (1918--1988)
1988)
••
praca przy projekcie Manhattan,
praca przy projekcie Manhattan,
••
najpełniejsza wersja elektrodynamiki kwantowej (
najpełniejsza wersja elektrodynamiki kwantowej (
Nobel
Nobel
1965
1965
),
),
••
teoria nadciekło
ś
ci,
teoria nadciekło
ś
ci,
••
ilo
ś
ciowe uj
ę
cie teorii oddziaływa
ń
słabych,
ilo
ś
ciowe uj
ę
cie teorii oddziaływa
ń
słabych,
••
teoria partonów (główny wkład do teorii oddziaływa
ń
teoria partonów (główny wkład do teorii oddziaływa
ń
silnych),
silnych),
••
podwaliny pod rozwój kwantowej teorii grawitacji.
podwaliny pod rozwój kwantowej teorii grawitacji.
Troch
ę
historii...
Troch
ę
historii...
1959
1959 –
– wizja Feynmana
wizja Feynmana
What
What II want
want to
to talk
talk about
about is
is the
the problem
problem of
of
manipulating
manipulating and
and controlling
controlling things
things on
on a
a small
small
scale
scale.. ((…
…)) It
It is
is a
a staggeringly
staggeringly small
small world
world that
that is
is
below
below.. In
In the
the year
year 2000
2000,, when
when they
they look
look back
back at
at
this
this age,
age, they
they will
will wonder
wonder why
why it
it is
is not
not until
until the
the
year
year 1960
1960 that
that anybody
anybody began
began seriously
seriously to
to move
move
in
in this
this direction
direction..
Richard Feynman (1918
Richard Feynman (1918--1988)
1988)
There's Plenty of Room at the Bottom
There's Plenty of Room at the Bottom
Annual Meeting of the American Physical Society, California Institute
Annual Meeting of the American Physical Society, California Institute
of Technology, Pasadena, December 29, 1959
of Technology, Pasadena, December 29, 1959
http://www.zyvex.com/nanotech/feynman.html
http://www.zyvex.com/nanotech/feynman.html
Nagrody Feynmana
Nagrody Feynmana
Za wykonanie silnika mieszcz
ą
cego si
ę
w sze
ś
cianie o boku
Za wykonanie silnika mieszcz
ą
cego si
ę
w sze
ś
cianie o boku
nie wi
ę
kszym ni
ż
1/64 cala
nie wi
ę
kszym ni
ż
1/64 cala
–
– w 1960r William H. McLellan
w 1960r William H. McLellan
zbudował silnik, który wa
ż
ył 250
zbudował silnik, który wa
ż
ył 250
µ
g
µ
g i miał moc 1 mW
i miał moc 1 mW
Za zmniejszenie strony z ksi
ąż
ki do rozmiaru w skali 1/25000
Za zmniejszenie strony z ksi
ąż
ki do rozmiaru w skali 1/25000
--
w 1985r na Uniwersytecie Stanford Thomas Newman
w 1985r na Uniwersytecie Stanford Thomas Newman
odtworzył pierwszy akapit
odtworzył pierwszy akapit Opowie
ś
ci o dwóch miastach
Opowie
ś
ci o dwóch miastach
Karola Dickensa
Karola Dickensa
Fabryki na poziomie atomowym
Fabryki na poziomie atomowym
K. Eric Drexler
K. Eric Drexler
Doktorat:
Engines of Creation: The Coming Era of Nanotechnology.
Nanotechnologia to manipulowanie
Nanotechnologia to manipulowanie
atomami i cz
ą
steczkami w "nanoskali"
atomami i cz
ą
steczkami w "nanoskali"
www.e
www.e--drexler.com
drexler.com
2011-01-17
4
Micro
Micro-- nano
nano--
Na dzi
ś
mamy wi
ę
c dwa nowe paradygmaty:
Na dzi
ś
mamy wi
ę
c dwa nowe paradygmaty:
„W
„W mikrotechnologii
mikrotechnologii wyzwaniem
wyzwaniem jest
jest budowanie
budowanie rzeczy
rzeczy coraz
coraz
mniejszych
mniejszych
,, w
w nanotechnologii
nanotechnologii za
ś
za
ś
-- coraz
coraz
wi
ę
kszych
wi
ę
kszych
..”
”
--
-- Eric Drexler
Eric Drexler
Mikrotechnologia
Mikrotechnologia
Nanotechnologia
Nanotechnologia
Je
ż
eli tak, to reguły skalowania dla mikro
ś
wiata
Je
ż
eli tak, to reguły skalowania dla mikro
ś
wiata
nie maj
ą
zastosowania w nano
ś
wiecie.
nie maj
ą
zastosowania w nano
ś
wiecie.
Maszyna jedzeniowa Drexlera
Maszyna jedzeniowa Drexlera
trawa
trawa
powietrze
powietrze
woda
woda
ś
wiatło słoneczne
ś
wiatło słoneczne
+
+
=
=
Maszyna jedzeniowa Drexlera
Maszyna jedzeniowa Drexlera
trawa
trawa
li
ś
cie
li
ś
cie
opona rowerowa
opona rowerowa
...
...
+
+
=
=
http://www.youtube.com/watch?v=vEYN18d7gHg
http://www.youtube.com/watch?v=vEYN18d7gHg
Modelowanie nanomaszyn
Modelowanie nanomaszyn
MarkIII(k) Planetary Gear
MarkIII(k) Planetary Gear
Liczba komponentów: 12
Liczba komponentów: 12
Liczba atomów: 3853
Liczba atomów: 3853
Wielko
ść
: 4,2 x 4,2 x 4,2 nm
Wielko
ść
: 4,2 x 4,2 x 4,2 nm
www.nanoengineer-1.com
SRG
SRG--I Speed Reducer Gear
I Speed Reducer Gear
Liczba komponentów: 4
Liczba komponentów: 4
Liczba atomów: 2924
Liczba atomów: 2924
Wielko
ść
: 4,7 x 2,8 x 3,6 nm
Wielko
ść
: 4,7 x 2,8 x 3,6 nm
Universal Joint
Universal Joint
Liczba komponentów: 4
Liczba komponentów: 4
Liczba atomów: 3846
Liczba atomów: 3846
Wielko
ść
: 3,8 x 3,8 x 6,4 nm
Wielko
ść
: 3,8 x 3,8 x 6,4 nm
1981
1981 –
– skaningowy mikroskop tunelowy
skaningowy mikroskop tunelowy
--
Gerd Binnig i Heinrich Rohrer (Nobel 1986) konstruuj
ą
Gerd Binnig i Heinrich Rohrer (Nobel 1986) konstruuj
ą
skaningowy mikroskop tunelowy (STM)
skaningowy mikroskop tunelowy (STM)
Skaningowy mikroskop tunelowy
Skaningowy mikroskop tunelowy
STM
STM od
od ang
ang.. Scanning
Scanning Tunneling
Tunneling Microscope
Microscope
Mikroskopu
Mikroskopu ze
ze skanuj
ą
c
ą
skanuj
ą
c
ą
sond
ą
,
sond
ą
, który
który umo
ż
liwia
umo
ż
liwia uzyskanie
uzyskanie
obrazu
obrazu powierzchni
powierzchni materiałów
materiałów przewodz
ą
cych
przewodz
ą
cych ze
ze zdolno
ś
ci
ą
zdolno
ś
ci
ą
rozdzielcz
ą
rozdzielcz
ą
rz
ę
dy
rz
ę
dy pojedynczych
pojedynczych atomów
atomów dzi
ę
ki
dzi
ę
ki wykorzystaniu
wykorzystaniu
zjawiska
zjawiska tunelowego
tunelowego..
Wynalazek skaningowego
Wynalazek skaningowego
mikroskopu tunelowego
mikroskopu tunelowego
(STM), za który Gerd Binning
(STM), za który Gerd Binning
i Heinrich Röhrer dostali
i Heinrich Röhrer dostali
Nagrod
ę
Nobla w dziedzinie
Nagrod
ę
Nobla w dziedzinie
fizyki w 1986 roku
fizyki w 1986 roku
2011-01-17
5
Mikroskop sił atomowych (AFM)
Mikroskop sił atomowych (AFM)
1985
1985 –
– odkrycie fullerenów
odkrycie fullerenów
--
1985
1985 –
– R.F. Curl Jr., H.R. Kroto i R.E. Smalley odkrywaj
ą
fullereny
R.F. Curl Jr., H.R. Kroto i R.E. Smalley odkrywaj
ą
fullereny
(Nobel w 1996r)
(Nobel w 1996r)
diament
grafit
fulleren
nanorurka
--
1991
1991 –
– Sumio Ijima (NEC) odkrywa nanorurki w
ę
glowe
Sumio Ijima (NEC) odkrywa nanorurki w
ę
glowe
1991
1991 –
– odkrycie nanorurek
odkrycie nanorurek
Własno
ś
ci:
Własno
ś
ci:
mechaniczne
mechaniczne
–
– wytrzymało
ść
na rozci
ą
ganie 63GPa (hartowana
wytrzymało
ść
na rozci
ą
ganie 63GPa (hartowana
stal 1,2 GPa)
stal 1,2 GPa)
kinetyczne
kinetyczne
–
– wew. warstwy
ś
lizgaj
ą
si
ę
prawie bez tarcie
wew. warstwy
ś
lizgaj
ą
si
ę
prawie bez tarcie
elektryczne
elektryczne
–
– przewodniki lub półprzewodniki (mog
ą
przewodzi
ć
przewodniki lub półprzewodniki (mog
ą
przewodzi
ć
pr
ą
d o 1000 razy wi
ę
kszym nat
ęż
eniu ni
ż
przewody metalowe)
pr
ą
d o 1000 razy wi
ę
kszym nat
ęż
eniu ni
ż
przewody metalowe)
termiczne
termiczne
–
– bardzo dobre przewodniki ciepła (wzdłu
ż
)
bardzo dobre przewodniki ciepła (wzdłu
ż
)
Nanorurki w
ę
glowe
Nanorurki w
ę
glowe
Nanorurki w
ę
glowe
Nanorurki w
ę
glowe
1998
1998 –
– pierwszy tranzystor z nanorurk
ą
pierwszy tranzystor z nanorurk
ą
--
Cees Dekker
Cees Dekker et al.
et al. (Politechnika Delft) tworz
ą
tranzystor
(Politechnika Delft) tworz
ą
tranzystor
wykorzystuj
ą
cy nanorurk
ę
w
ę
glow
ą
wykorzystuj
ą
cy nanorurk
ę
w
ę
glow
ą
2011-01-17
6
1989
1989 –
– napis wykonany z pojedynczych
napis wykonany z pojedynczych
atomów (IBM)
atomów (IBM)
1989
1989 –
– D.M. Eigler (IBM) układa z pojedynczych atomów Xe napis
D.M. Eigler (IBM) układa z pojedynczych atomów Xe napis
„IBM”
„IBM”
Inne napisy atomami
Inne napisy atomami
Quantum Coral
56 iron atoms forming a ring on copper surface
Carbon Monoxide Man
CO on Platininum Surface
Wave-like nature of an electron!
podło
ż
e p-Si
ź
ródło
dren
tlenek polowy
x
j
L
W
kontakt do
ź
ródła
bramka
kontakt do drenu
t
o
x
n
+
n
+
S
×
×
×
×
(L, W, t
ox
, x
j
)
S
××××
(U
T
, U
G
, U
D
)
S
2
××××
(UI)
S
3
××××
(CU
2
)
S = 0.2
S
U
G
U
D
U
S
U
B
podło
ż
e p-Si
ź
ródło
dren
n
+
n
+
Skalowanie
Skalowanie
Skalowanie
Skalowanie
Zachowanie podobnych warto
ś
ci pól elektrycznych w kolejnych
generacjach przyrz
ą
dów,
Minimalizacja tzw. efektów „krótkiego kanału” (zale
ż
no
ść
U
T
od
U
DS
, spłaszczenie ch-k I-V w zakresie podprogowym itd.)
Redukcja wymiarów pionowych struktur (np. t
i
, x
j
)
N
D
, N
A
, U
DD
Problemy z redukcj
ą
wymiarów
Problemy z redukcj
ą
wymiarów
Klasyczne, wynikaj
ą
ce z reguł skalowania (przyrz
ą
dowe,
materiałowe, układowe, systemowe – dotycz
ą
w głównej mierze
przyrz
ą
dów elektronicznych);
Fundamentalne
- manifestacja zjawisk i oddziaływa
ń
nie obserwowanych
w wi
ę
kszych skalach),
- efekty kwantowe (ziarnisto
ść
materii, termodynamika),
- efekty mezoskopowe.
Klasyczne problemy z redukcj
ą
Klasyczne problemy z redukcj
ą
wymiarów (tranzystor MOS)
wymiarów (tranzystor MOS)
Redukcja grubo
ś
ci dielektryka,
Redukcja grubo
ś
ci dielektryka,
Zubo
ż
enie bramki,
Zubo
ż
enie bramki,
Rezystancja szeregowa,
Rezystancja szeregowa,
Efekty silnego domieszkowania,
Efekty silnego domieszkowania,
Obni
ż
anie napi
ę
cia zasilania.
Obni
ż
anie napi
ę
cia zasilania.
2011-01-17
7
Problemy skalowania tranzystora MOS
Problemy skalowania tranzystora MOS
Upływno
ść
(pr
ą
d w stanie wył
ą
czenia I
Upływno
ść
(pr
ą
d w stanie wył
ą
czenia I
OFF
OFF
):
):
* pr
ą
d drenu
* pr
ą
d drenu
* pr
ą
d bramki
* pr
ą
d bramki
Niewspółmierny do skalowania wzrost pr
ą
du I
Niewspółmierny do skalowania wzrost pr
ą
du I
Dsat
Dsat
::
* małe ruchliwo
ś
ci no
ś
ników
* małe ruchliwo
ś
ci no
ś
ników
* rezystancje szeregowe
* rezystancje szeregowe
Rozrzut warto
ś
ci V
Rozrzut warto
ś
ci V
T
T
Niewspółmierny do skalowania wzrost szybko
ś
ci:
Niewspółmierny do skalowania wzrost szybko
ś
ci:
* pojemno
ś
ci paso
ż
ytnicze
* pojemno
ś
ci paso
ż
ytnicze
* rezystancje paso
ż
ytnicze
* rezystancje paso
ż
ytnicze
* parametry transportu no
ś
ników
* parametry transportu no
ś
ników
Idealny tranzystor MOS
Idealny tranzystor MOS
Metal
Źródło
Dren
Izolator bramki
Niska rezystancja dren-źródło
Dielektryk o wysokiej
przenikalności
Otaczająca elektroda
metalowa
W pełni otoczony, zubożony
półprzewodnik
Inżynieria pasm
Tranzystor trójbramkowy
Tranzystor trójbramkowy
Boczna bramka
Boczna bramka
Górna bramka
61stDevice Research Conference, Salt Lake City,
Utah,June 2004
Tranzystor trójbramkowy
Tranzystor trójbramkowy
T - Elektroda bramki
Źródło
Dren
n
+
GaN
n AlGaN
i GaN
SiC
Specjalna elektroda bramki w
kształcie T obniża rezystancję
doprowadzeń.
Transkonduktancja 500mS/mm,
częstotliwość odcięcia f
T
67GHz,
maksymalna częstotliwosć
generacji f
max
126GHz
(f-my Oki Electric Industry Co)
Tranzystor z bramk
ą
typu T
Tranzystor z bramk
ą
typu T
Pentium 4:
55
⋅
10
6
tranzystorów
x
char
130 nm
długo
ść
poł
ą
cze
ń
ok. 4,8 km na 1 cm
2
dla x
char
90 nm
długo
ść
poł
ą
cze
ń
ok. 6,9 km na 1 cm
2
Problemy skalowania tranzystora MOS
Problemy skalowania tranzystora MOS
2011-01-17
8
Nowe przyrz
ą
dy
Nowe przyrz
ą
dy
Generacja
Bramka
L
G
µ
m
Ewolucja CMOS
Rewolucja
CMOS
egzotyka
Rozsądnie
podobne
nanorurki
nanodruty
nowe
przyrządy
Najbardziej fundamentalne ograniczenia
Najbardziej fundamentalne ograniczenia
φφφφφφφφ
protonu
protonu
≈≈≈≈≈≈≈≈
10
10
--15
15
m
m
φφφφφφφφ
atomu
atomu
≈≈≈≈≈≈≈≈
10
10
--10
10
m
m
1) Minimalna odległo
ść
dwóch rozró
ż
nialnych stanów
(Heisenberg)
2) Minimalny czas przeł
ą
czania stanów (Heisenberg)
3) Maksymalna g
ę
sto
ść
elementów
)
300
(
5
.
1
2
ln
2
min
K
nm
mkT
a
x
====
====
====
h
)
300
(
10
2
.
1
2
ln
2
13
K
s
kT
t
st
−−−−
××××
====
====
h
2
13
2
min
10
6
.
4
1
cm
gate
x
n
××××
====
====
śródło:J.Hutchby i in. VLSI Technology,Hononulu, June 2004
Ograniczenia kwantowe
Ograniczenia kwantowe
2011-01-17
9
Całkowite zu
ż
ycie mocy
Całkowite zu
ż
ycie mocy
przy minimalnej energii bitu
przy minimalnej energii bitu
Układ wyparowałby po wł
ą
czeniu!
Układ wyparowałby po wł
ą
czeniu!
A. Jakubowski, L. Łukasiak, Z. Pióro, KST’2004
bit
chip
sc
sc
b
bit
nP
P
kT
t
kT
t
E
P
====
====
====
====
2
)
2
ln
(
2
2
ln
h
K
T
cm
W
P
chip
300
10
74
.
4
2
6
====
××××
====
Ograniczenia fundamentalne
Ograniczenia fundamentalne
rozwa
ż
my
rozwa
ż
my 3.2 GHz procesor
3.2 GHz procesor
•• w
w 1 cy
1 cyklu
klu s
sy
ygna
gnałł mo
ż
e przeby
ć
drog
ę
:
mo
ż
e przeby
ć
drog
ę
:
•• c
c/(3.2 GHz) = 9.4 cm
/(3.2 GHz) = 9.4 cm
•• w
w 1
1--cy
cyk
kllu sygnał odbywa podró
ż
do pami
ę
ci
u sygnał odbywa podró
ż
do pami
ę
ci
podr
ę
cznej(cache)
podr
ę
cznej(cache) i z powrotem
i z powrotem::
•• Lokalizacja pami
ę
ci powinna by
ć
bli
ż
sza ni
ż
Lokalizacja pami
ę
ci powinna by
ć
bli
ż
sza ni
ż
4.7 cm!
4.7 cm!
•• w typowych materiałach sygnały elektryczne
w typowych materiałach sygnały elektryczne
„podró
ż
uj
ą
” z pr
ę
dko
ś
ci
ą
mniejsz
ą
od
„podró
ż
uj
ą
” z pr
ę
dko
ś
ci
ą
mniejsz
ą
od
~0.5
~0.5 c
c
•• W praktyce pami
ęć
powinna by
ć
nie dalej ni
ż
W praktyce pami
ęć
powinna by
ć
nie dalej ni
ż
2.34 cm!
2.34 cm!
c=2.9979 x 10
c=2.9979 x 10
8
8
m/sekundę
m/sekundę
••••
Ograniczenia fundamentalne
Ograniczenia fundamentalne
Aktualnie laboratoryjne układy logiczne pracuj
ą
przy
Aktualnie laboratoryjne układy logiczne pracuj
ą
przy
szybko
ś
ciach wi
ę
kszych od 100GHz
szybko
ś
ciach wi
ę
kszych od 100GHz!!
•• Przyjmuj
ą
c
Przyjmuj
ą
c
f=150GHz
f=150GHz
i powtarzaj
ą
c poprzednie
i powtarzaj
ą
c poprzednie
rozumowanie otrzymujemy odległo
ść
od pami
ę
ci nie
rozumowanie otrzymujemy odległo
ść
od pami
ę
ci nie
wi
ę
ksz
ą
od
wi
ę
ksz
ą
od
~0
~0.5 mm!
.5 mm!
•• S
ą
to rozmiary znacznie mniejsze od rozmiaru
S
ą
to rozmiary znacznie mniejsze od rozmiaru
chipu
chipu!!
Wniosek:
Wniosek:
gdy
gdy
ff
↑↑↑↑↑↑↑↑
,archite
,architek
ktur
tury układów (mikroprocesorów) musz
ą
y układów (mikroprocesorów) musz
ą
mie
ć
charakter coraz bardziej lokalny
mie
ć
charakter coraz bardziej lokalny
śródło:-V. De and S. Borkar, 1999 ISLPED, pp. 163-168, August 1999
C
a
łk
o
w
it
a
m
o
c
(W
a
ty
)
Moc w stanie wyłączenia
Moc w stanie aktywnym
Moc wynikaj
ą
ca z upływno
ś
ci stanowi coraz wi
ę
kszy
Moc wynikaj
ą
ca z upływno
ś
ci stanowi coraz wi
ę
kszy
procent całkowitej mocy układu
procent całkowitej mocy układu
Moc wynikaj
ą
ca z upływno
ś
ci
Moc wynikaj
ą
ca z upływno
ś
ci
Prognoza ITRS przewiduje 93 W/cm
Prognoza ITRS przewiduje 93 W/cm
2
2
dla
dla
mikroprocesorów w roku 2016
mikroprocesorów w roku 2016
Kilkaset W/cm
2
jest bliskie fizycznym ograniczeniom
odprowadzania ciepła dwu-wymiarowych struktur na ciele
stałym przy T
max
= 125°C
Szacunki teoretyczne ok.1000W/cm
Szacunki teoretyczne ok.1000W/cm
2
2
;
;
eksperyment ok.790W/cm
eksperyment ok.790W/cm
2
2
Jak
ą
moc mog
ą
wytrzyma
ć
Jak
ą
moc mog
ą
wytrzyma
ć
systemy półprzewodnikowe?
systemy półprzewodnikowe?
ITRS(International Technology Roadmap for Semiconductors)
Skalowanie do rozmiarów molekularnych mo
ż
e nie zaowocowa
ć
popraw
ą
parametrów u
ż
ytkowych
musimy pój
ść
na kompromis mi
ę
dzy szybko
ś
ci
ą
a g
ę
sto
ś
ci
ą
upakowania
Optymalne rozmiary (zale
ż
ne od kompromisu szybko
ść
/g
ę
sto
ść
)
przeł
ą
czników elektronicznych b
ę
d
ą
si
ę
prawdopodobnie zawiera
ć
mi
ę
dzy 5 a 50 nm, a to jest osi
ą
galne w technologii krzemowej
Prognoza ITRS do 2018 r. wydaje si
ę
by
ć
realizowalna w ramach
technologii MOS
Implikacje dla nanoelektroniki
Implikacje dla nanoelektroniki
2011-01-17
10
Liczba atomów domieszki
Liczba atomów domieszki
w obszarze zubo
ż
enia tranzystora MOS
w obszarze zubo
ż
enia tranzystora MOS
n
n
b
b
= N
= N
B
B
[cm
[cm
--3
3
]
]
⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅
W
W
⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅
L
L
⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅
X
X
d
d
WCZORAJ
WCZORAJ
n
n
b
b
= 10
= 10
16
16
cm
cm
--3
3
⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅
10
10
µµµµµµµµ
m
m
⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅
10
10
µµµµµµµµ
m
m
⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅
0,3
0,3
µµµµµµµµ
m
m
≈≈≈≈≈≈≈≈
3
3
××××××××
10
10
5
5
atomów
atomów
DZISIAJ
DZISIAJ
n
n
b
b
= 10
= 10
1
18
8
cm
cm
--3
3
⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅
0,
0,2
2
µµµµµµµµ
m
m
⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅
0,
0,05
05
µµµµµµµµ
m
m
⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅
0,
0,03
03
µµµµµµµµ
m
m
≈≈≈≈≈≈≈≈
300
300 atomów
atomów
JUTRO
JUTRO (SOI)
(SOI)
n
n
b
b
= 10
= 10
1
19
9
cm
cm
--3
3
⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅
0,0
0,01
1
µµµµµµµµ
m
m
⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅
0,0
0,01
1
µµµµµµµµ
m
m
⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅
0,0
0,002
02
µµµµµµµµ
m
m
≈≈≈≈≈≈≈≈
2
2 atom
atomy
y
!!
!!
Wpływ nanotechnologii na nasze
ż
ycie b
ę
dzie znacznie wi
ę
kszy ni
ż
ten, który wywarła na nie technologia krzemowych układów
scalonych,
Dotyczył b
ę
dzie on wszystkich aspektów naszej rzeczywisto
ś
ci i
spowoduje now
ą
rewolucj
ę
przemysłow
ą
,
Stanie si
ę
tak, poniewa
ż
nanotechnologia oferuje mo
ż
liwo
ść
manipulowania wła
ś
ciwo
ś
ciami materii na poziomie na którym
definiowane
s
ą
jej
rzeczywiste
elektroniczne,
chemiczne
i
biologiczne wła
ś
ciwo
ś
ci,
Strona etyczna tego wszystkiego nie mo
ż
e by
ć
pomijana.
M. Bugajski, ELTE’2004
Nanotechnologie
Nanotechnologie
„
„
Fizyka jest jak seks
Fizyka jest jak seks
:
:
pewnie,
ż
e mo
ż
e dawa
ć
jakie
ś
praktyczne
pewnie,
ż
e mo
ż
e dawa
ć
jakie
ś
praktyczne
rezultaty, ale nie dlatego to robimy. ”
rezultaty, ale nie dlatego to robimy. ”
Richard Feynman
Richard Feynman
(1918
(1918--1988)
1988)
fizyk,
fizyk,
laureat Nagrody Nobla (1965)
laureat Nagrody Nobla (1965)