4 Микро- и нанопроцессоры ивпкм

Система анализа данных, полученных от сенсоров, передача команд актюаторам (система управления), работа которых обеспечивает адаптацию ИВПКМ к изменяющимся внешним воздействиям основана на использовании микро- и нанопроцессоров элементной базы микро- и наноэлектроники.

4.1 Микропроцессоры ивпкм

Микропроцессоры ИВПКМ содержат функциональный комплект, включающий логический и арифметический процессор со встроенной памятью и цифро-аналоговый преобразователь и представляют собой интегральные микросхемы (ИМС), конформно встраевыемые в структуру ИВПКМ. В состав ИМС интегрированы десятки датчиков на один базовый кремниевый кристалл. Внутренняя разводка ИМС (микрочипа) объединяет миллионы транзисторов в единую логическую схему. Работа процессора, хранение данных в памяти, их использование сводится к упорядоченному движению электронов (электрическому току). Переключение между состояниями транзисторов (включен – пропускает ток, выключен – не пропускает ток) осуществляется с помощью отделенного слоем диэлектрика затвора, на который подается управляющий электрический сигнал. Процессоры, использующие достижения наукоемких технологий, содержат до 200 млн. транзисторов, на микросхемах размещается до 2 млрд. элементов, оперативная память имеет объем до 4 Гб, на логическую или арифметическую операцию затрачивается менее миллиардной доли секунды. На 1 см² располагается не менее 100 млн. ячеек и бит информации. Производительность (быстродействие) процессоров зависит от параметров элементов ИМС (транзисторов, конденсатаров, токопроводов), архитектуры, принципов управления, программного обеспечения (до миллиона миллиардов операция, флопсов, в сек, 1 петафлопс, 2010 г), размера элементов (определяет габариты и энергопотребление микросхем, повышает быстродействие ; чем меньше транзисторы, соединяющие их токопроводы, толщина диэлектрических слоев, тем меньше токи и напряжение, необходимые для передачи информации от одного логического элемента к другому), тактовый частоты (использование терагерцевых транзисторов с затвором из диоксида циркония с частотой переключения 1 ТГц, триллиона раз в сек).

Размеры элементов ИМС, которые можно воспроизвести на кремниевой подложке, зависят от технологии, использованной при их изготовлении.

4.2 Нанопроцессоры ивпкм

Предельная миниатюризация компонентов ИМС реализуется при переходе от микроэлектроники к наноэлектронике и нанооптоэлектронике с использованием наноразмерных молекулярных, оптических, электрических, магнитных носителей информации. Такими носителями являются углеродные наноразмерные структуры (нанотрубки, фуллерены, плоские графеновые кристаллы, см. главу 3), органические и неорганические молекулы и кристаллы (полимерные монокристаллы), интерполимерные (компленарные, как в ДНК, РНК) комплексы (хранение и передача информации за счет химических реакций), электропроводящие полимеры (основа молекулярной электроники и молекулярной оптоэлектроники). Переход к наноэлектронике реализуется при использовании нанотехнологий с учетом специфической физики твердого тела систем пониженной размерности (теоретической основы субмикроэлектроники и наноэлектроники), которая рассматривает эффекты размерного квантования в твердотельных образцах малых размеров, квантовый размерный эффект-зависимость свойств от размеров, сопоставимых с длиной волны де Бройля носителей заряда, изменение электронных свойств тела из-за ограничения свободного движения электронов в микро(нано)объёме. Теория ограничивает предельные размеры активных элементов интегральных схем, ИС и их межсоединений на уровне 0,01 мкм для литографических линий, размеры менее 0,1 для транзисторов некоторых типов (предел для элементов ИС-4 нм), длину логических вентилей до 18 нм, ширину нанопроводников (например, полосок из лантаноидов, напыленных на кремниевую подложку) - 10 атомов, плотность упаковки активных элементов ИС 10⁷-10⁸ элементов/см², быстродействие – 10⁸-10⁹ элементов· Гц. Использование фуллеренов и нанотрубок позволяет максимально миниатюризировать изделия молекулярной электроники: микровыпрямители на основе вилкообразных нанотрубок (дефекты в структуре вилки пропускают ток только в одну сторону); электрические цепи для молекулярных ИС (из нанотрубок длиной в несколько тысяч нм);элементы памяти ИС (сети из проводящих полупроводниковых углеродных нанотрубок, в которых каждый узел, сформированный нанопроводами под прямым углом, работает как диод, каждое перекрестие соответствует одному биту информации, включается и выключается без воздействия на остальные, повышение плотности информации в 100000 раз).

Фуллерены, нанотрубки, кластеры в виде полых трубок - капилляров, металлокарбогедрены (клеткообразные молекулы, содержащие атомы металлов и углерода, высокие значения электросопротивления и магнитного момента) перспективны для создания микроконденсаторов.

Вакуумная микро- и наноэлектроника – самая быстродействующая, поскольку предельная скорость электронов в вакууме сравнима со скоростью света 3·10⁸м/с, в то время как предельная скорость носителей заряда в самых быстродействующих полупроводниках составляет (2 - 3)·10⁵ м / с . Перспективный эмиссионный материал вакуумной наноэлектроники - тонкие нанокластерные углеродные плёнки на основе нанотрубок, обеспечивающие стабильную автоэлектронную эмиссию в условиях технического вакуума. Покрытия и пленки из фуллеренов и нанотрубок толщиной в десятки нм служат в качестве токопроводящих слоев в наноэлектронике. Освоено несколько технологий получения керамических плёнок толщиной 20-30нм из наноматериалов испарением в газовой фазе (в том числе с использованием лазерного излучения) ; вакуумным испарением с образованием кластеров и нанокристаллов диаметром 0,5-2нм; испарением в среде инертного газа; ионнолучевым напылением. Использование лазерных импульсов большой интенсивности позволяет проводить напыление тонких плёнок в воздухе, а не в вакууме. Нанопроцессоры и ИС на основе транзисторов размером 20нм с затворами из оксидных пленок толщиной в три атомных слоя (около 1 нм) содержат миллиард транзисторов, работающих на частоте 20 ГГц при напряжении менее одного вольта (повышения быстродействия, включение и выключение более триллиона раз в секунду, снижение размеров на 30%).

Транзисторы размером с молекулу (2002г, Hewlett-Puckard Co.), туннельные транзисторы с переключателями из одиночных атомов (Hitaci, Япония), наноразмерные диоды и другие виды элементной базы используют в трехмерных многослойных ИС нанопроцессоров.

Уровень электронных технологий определяется минимальным размером элементов, которые можно воспроизвести на кристалле (США, Япония, 2010г, менее 30 нм, использование в технологии нанесения на кремниевые пластины токопроводящих линий УФ – вакуумного излучения с длиной волны 13,4 нм, микропроцессоры с 40 млн. транзисторов с тактовой частотой 10 ГГц ; завод «Микрон», Зеленоград, совместно с Meissner + Wurst Zander, Германия – 90 нм).

При уменьшении размеров интегральных схем с 1мкм до 10нм плотность записи информации (при сохранении других показателей) увеличивается в 10000 раз, что стимулирует предельную миниатюризацию компонентов интегральных схем, процессоров (транзисторов, конденсаторов, токопроводов и др.) для конформного их размещения в ИВПКМ.

Миниатюризация компонентов ИВПКМ приводит к уменьшению времени отклика более высоким резонансным частотам, благодаря чему удается достичь более высокого быстродействия при генерировании и обработке сигнала, самоорганизации в сети (накопление информации, анализ, обработка, сброс на головной сервер) Тенденция развития миниатюризации переходит в область нанотехнологий. Предельная миниатюризация компонентов ИВПКМ (сенсоров, процессоров, актюаторов, линий связи и управления), перевод их на наноуровень достигается использованием нанотехнологий, наносенсорики, наномеханики молекулярного и атомного уровня.

Замена неорганических полупроводников и металлов на органические, полимерные (и даже биологические) материалы привела к развитию «молекулярной» электроники. Она способна значительно ускорить быстродействие электронных устройств, создание устройств из сложных молекулярных структур с контролем электрических и оптических свойств органическими молекулами требуемой структуры. Достоинства молекулярной электроники заключаются в минимизации размеров, доступности, разнообразии, простоте изготовления, потенциально низкой стоимости.

Молекулярная электроника развивается в двух направлениях с использованием материалов с проводимостью от 10^-9 до 100 Ом^-1· см^-1:

1) использование электропроводящих ( с собственной электропроводностью) полимеров («пластические» металлы, синметаллы, синтетические металлы) с сопряжёнными связями, проявляющих полупроводниковые свойства в результате перекрывания П-орбиталей вдоль ненасыщенной полимерной цепи (политиофен, полеацетелены, поливинилкарбазол и др.)

2) молекулярные кристаллы, включающие мономерные соединения и органические комплексы с переносом заряда (КПЗ), в которых катионы (ионы металлов), анионы (например, I^-3 , трииодид-ион,), органические электроно - акцепторы (например, тетрацианхинодиметан, тринитрофлуорен и другие) взаимодействуют с основной цепью полимера через электронное взаимодействие. Для достижения полупроводниковых свойств проводящие полимеры допируют окислительно - восстановительными агентами: допанты р-типа (иод, AsF₅), допанты п-типа (нафталин-натрий).

В электропроводящих полимерах переход в проводящее состояние происходит за счёт образования донорно-акцепторных комплексов или комплексов с переносом заряда. Они используются в качестве проводников (волокна, покрытия) и полупроводников (светоизлучающие диоды - переход электронов на уровни с другой энергией позволяет получить излучение с различной длиной волны). Разработаны также молекулярные системы с р-п переходами. В зависимости от приложенного напряжения происходит запирание электрической цепи или имеет место транзисторный эффект (перенос заряда). Основные направления использования электропроводящих полимеров, легко поддающихся формованию и обработке - миниатюризация в микронаноэлектронике с использованием в электронных твёрдотельных схемах компонентов нужной конфигурации с размерами молекулярного уровня.

Молекулярные электронные материалы на основе электропроводящих полимеров используются для изготовления:

1) токопроводов, токопроводящих покрытий, пьезоэлектрических преобразователей;

2) диодов,конденсаторов, выпрямителей, элементах памяти (микрочип может хранить 1 см³ до 1 Гб информации, 1000 высококачественных изображений), транзисторов.

Полупроводниковые транзисторы при размерах порядка 1000нм перестают действовать из-за нехватки электронов (предел миниатюризации схем). В биполярных спиновых переключателях (металлические, трёхслойные, из 2-х слоев ферромагнитных сплавов, между которыми находится слой парамагнитного золота), когда поток электронов от источника тока проходит через первый магнитный слой, все электроны поляризуются в соответствии с направлением его намагниченности (значение его спинов становятся одинаковым). Слой из золота обогащается поляризованными электронами. Пройти через вторую магнитную пластинку электроны смогут только в том случае, если она намагничена также, как первая (если же её намагниченность другая, то тока не будет -вентиль закрыт). Направление намагниченности второй пластины изменяют слабым электрическим импульсом. Оно сохранится и после его снятия, поэтому этот переключатель может служить элементом памяти, и способен усиливать сигнал. Разработаны униполярные (полевые) транзисторы с затвором. Электрическим током в них между входом и выходом управляет специальный электрод - затвор. Они позволяют перейти от металлосодержащих транзисторов с золотыми электродами (сложная вакуумная технология для нанесения металлического слоя) к полностью полимерным, с использованием метода трафаретной печати.

На изоляционный слой из полиэтилентерефталата наносят полоску проводящего полимера - она служит затвором и этот бислой закрепляют на гибкой ленте-матрице. Затем сверху изолятора из того же проводящего полимера делают входной и выходной электроды. Между этими электродами напыляют при 350°С органический полупроводник, дигексилсекситиофен.

В логических элементах могут быть использованы органические молекулы -выпрямители. Многослойная пленка из молекул с 3-мя группами -С≡N, заключенная между металлическими электродами, пропускают ток только в одном направлении (молекулярный диод, аналог р-п-перехода в полупроводниках).

В нанооптоэлектронике используют достижения фотоники, изучающей компоненты и средства приема, усиления, преобразования и индикация сигналов, несущих информацию в световом диапазоне.

Альтернативой процессорам на электронной основе являются процессоры с оптическими аналогами электрических проводников и логических элементов на основе фотонных кристаллов, способных пропускать или задерживать свет с определённой длиной волны. Из фотонных кристаллов можно создавать световоды произвольной формы, модули памяти, логические элементы.

Разработаны различные структуры фотонных кристаллов: одномерные кристаллы (мосты) с резонансными полостями, позволяющими выделить из пучка световых лучей с разными длинами волн какой-либо один; двухмерные кристаллы (системы параллельных наностержней), поворачивающие луч света на 90°; трёхмерные кристаллы (блоки из нанополос и наносфер), используемые в логических схемах и ячейках памяти ; фотонные кристаллы с дефектами (волновод изгибает световой луч на гораздо более коротком отрезке, чем обычное оптоволокно, уменьшение оптических компонентов, основа миниатюризации оптического компьютера). Один из примеров фотонного кристалла - решётки из кремниевых стержней (при ширине 1,2мкм задерживает излучение с λ 10 мкм, разработка фирмы Sandia), в которых размер стержней и длина поглощаемых волн взаимосвязаны. Разработаны гибридные оптоэлектронные платы, в которых для передачи информации используют оптические волноводы из полимерных полос шириной 0,001мм (Siemens, ФРГ) со скоростью передачи информации более высокой, чем по электронным соединениям традиционных микросхем. На основе электрооптического эффекта в полупроводниковых плёнках разработаны принципы оптической памяти и системы оптической обработки информации. На основе структуры плёнка-диэлектрик можно создать оптическую память чувствительностью 10^-7Дж/см², ёмкостью 10⁷бит/см² и быстродействием записи 10^-7 с.

На базе кристаллов необата-бария-стронция и оптической памяти разработаны элементы с перестраиваемым функционированием и перестраиваемыми связями и системы параллельной обработки информации с использованием принципов эволюционного моделирования.

Уникальными свойствами, отсутствующими у массивных материалов, обладают нанокристаллы (размер менее 100 нм) и нанокомпозитные слои, содержащие нанокристаллы полупроводников (Si, GaAs и др.) в матрицах прозрачных диэлектриков (SiO₂,Si₃N₄). Кремниевые источники света (за счёт фотолюминисценции) необходимы для организации оптических межсоединений в ультрабольших ИС (УБИС) и между УБИС, создания матричных дисплеев и других оптоэлектронных систем. Ионно-плазменным и ВЧ-магнетронным осаждением получены люминисцирующие слои SiO_x(Si) и SiN_x(Si), содержащие нанокристаллы Si (3-30 нм) в матрицах SiO_x и SiN_x, и кремниевые светодиоды.

Молекулярные оптические материалы на основе электропроводящих полимеров используют для изготовления:

1)оптических дисплейных устройств (комплексы политиофена, поли-З-бром-Ы-винилкарбазол, тетратиофульвален, пиризолин, допированный LiClO₄). Полимеры дают окрашенные изображения с быстрым переключением (быстрые фотохромные изменения) и улучшенной геометрией изображения.Плёнка люминесцирующего полимера (аналог люминистирующих кристаллов, используемых в светодиодах, боковые группы С₆Н₁₃ повышают растворимость, облегчая изготовление пленок и покрытий, группы СN облегчают движение зарядов), помещенная между электродами, испускает жёлто-зелёный свет (анод забирает от полимера электроны, катод инжектирует их в образовавшиеся «дырки», электроны и «дырки» идут навстречу друг другу через сопряжённые двойные связи, рекомбинируют и излучают фотоны), что используется при изготовлении плоских дисплеев ;

2) систем оптической записи и хранения информации в оптоэлектронных компьютерах (полиацетилен, допированный ZnS, поли-N-винилкарбазол, электрохимически допированный мероцианиновыми красителями; политриацетилены).

Голографическую внешнюю память, основанную на фоторефрактивном эффекте (изменение физических свойств под действием света), обеспечивает фоторефрактивный поли-N-винилкарбазол. Получена трехслойная полимерная пленка, которая удваивает частоту излучения, идущего от полупроводникового лазера, и переводит свет из ближнего ИК-диапазона в видимый (голубой), что позволяет более плотно записывать информацию на компакт-диски.

Политриацетилены (легче синтезируются, чем полиацетилен, полидиацетилен, растворимы, устойчивы к окислению) за счет изменения состава боковых групп могут быть полупроводниками, жидкокристаллическими, фоторефрактивными, излучающими свет под действием напряжения и используются в качестве фотодиодов;

3) фотонных устройств, твердых оптических переключающих элементов, световых клапанов в оптических логических цепях, оптических волноводов и интегральной оптике (электрохимически допированный политиофен, полиметилнитроанилин, сополимеры (1:1) диацетилена и метакрилатов, ММА, глицидилди- ММА, диметилеилоксана). Оптоэлектронные переключения обеспечиваются процессами допирования (оптически индуцируется) и дедопирования (протекает электрохимически).

В электронно-оптических компьютерах логические и арифметические операции реализуются на электрических сигналах, а передача информации - на оптических. Это требует стыковки сигналов друг с другом. Звено политиофена, работающее как оптический выключатель тока, содержит два тиофеновых цикла. При освещении полимера УФ (λ = 400 нм) между двумя циклами образуется химическая связь (мостик из 6-ти звенного цикла) и полимер становится электропроводным. После воздействия ИК (λ = 600 нм) звено полимера возвращается в исходное положение, дополнительный цикл не образуется.

Большая разница в частотах поглощения двух состояний звеньев политиофена объясняется тем, что в первом состоянии электроны локализованы между тиофеновыми циклами, а во втором - распределены по макромолекуле политиофена, благодаря чему она становится электропроводящей. Мостики из 6-ти -звенных циклов способствуют распределению электронов по макромолекуле и замыкают молекулярную электрическую сеть. Политиофен является эффективным молекулярным оптическим переключателем тока для электронно-оптических компьютеров с обработкой информации на молекулярном уровне. Рост производительности процессоров достигается размещением нескольких процессоров на одном кристалле (многоядерная архитектура, уменьшение времени взаимодействия до долей наносекунды).

Искусственные нейронные сети (ИНС) основаны на использовании результатов исследований автоволновых сред и автоволновых процессов (нервные волокна - нейроны, типичные автоволновые среды, открытые нелинейные системы, процессы в которых реализуются в виде разнообразных нелинейных волн, стационарных и пульсирующих пространственных структур). ИНС лежат в основе разработки компьютеров с параллельными принципами обработки больших массивов информации (технология на стыке физики, информатики, микро- и наноэлектроники, биологии).

Нейросетевая архитектура с параллельной обработкой информации с нейрочипами на основе арсенида галлия с числом связей 10⁸-10¹⁰, со скоростями переключений до 10¹⁵ в секунду создает условия для перехода к интеллектуализации (в мозге человека 1,5·10¹⁰ клеток, 3-4 млрд. нейронов) вычислительных био- и бионейросистем. Импульсный характер сигналов в ИНС приближает такие сети к биологическим.