Първите компютри са изградени с помощта на електромеханични компоненти, за разлика от днешните модерни електронни системи. Умножителят за криптоанализ на Алън Тюринг и Z2 на Конрад Цузе са изобретени и създадени през първата половина на 20-ти век и са сред първите компютри, конструирани някога. Електромеханични превключватели и релета извършват логически операции в тези машини. Дори след като компютрите за първи път бяха конструирани с помощта на вакуумни тръби и електронни транзистори, някои от по-ранните електромеханични (базирани на релета) компютри останаха в експлоатация, тъй като по-ниската им скорост беше компенсирана от превъзходна надеждност. Сега повечето компютри включват логика и устройства с памет, които работят с помощта на наномащабна технология, базирана на транзистори.
Фиг. 1: Реплика на електромеханичния компютър на Тюринг [1]
MEMS (микро-електро-механични системи) са нови миниатюризирани устройства, които съчетават механични и електрически функции. Тези устройства се използват в мобилни телефони, автомобили и много други съвременни електронни технологии и масово са променили живота ни и начина, по който работим и живеем. MEMS също се произвеждат върху силициеви пластини. Те използват същите или подобни производствени процеси като базирани на транзистори логика и чипове памет за отлагане, ецване и стъпки на почистване. И така, можем ли да използваме технологията MEMS, за да създадем компютри, базирани на микро-мащабна електромеханична логика и памет, подобно на ранните дни на компютрите?
MEMS продуктите могат да бъдат директно интегрирани в конвенционални комплементарни металооксидни полупроводникови (CMOS) логика и устройства с памет. По-голямата част от днешните MEMS продукти обаче се основават на подход с двоен чип, при който има един производствен процес за MEMS устройството и друг процес за създаване на компоненти на свързания електронен интерфейс (CMOS). Въпреки това има голям брой успешни примери за MEMS устройства, които се произвеждат директно и интегрират с CMOS електроника. DLP огледалната матрица на Texas Instruments, повърхностният микромашинен акселерометър на Analog Devices за приложения на автомобилни въздушни възглавници и RF MEMS превключвателят на AAC-Wispry са няколко примера за MEMS устройства, които са монолитно интегрирани в CMOS пластини с голям успех.
Развитие на нано-електро-механични системи (NEMS) в логиката и паметта
През последните няколко десетилетия CMOS електрониката следва закона на Мур чрез намаляване на размера и експоненциално увеличаване на плътността на транзисторите. Този процес на мащабиране продължава, докато говорим, с измислянето на все по-сложни структури за транзисторни архитектури. Една алтернатива на тази транзисторна архитектура е да се използват съществуващи CMOS технологии и монолитно интегриране на миниатюрни електромеханични превключватели в логически устройства и устройства с памет. Тези миниатюризирани превключватели често се наричат нано-електро-механични системи (NEMS).
Една мотивация за разработване на базирана на NEMS логика или памет е консумацията на енергия. Консумацията на енергия се е превърнала в основно пречка в най-съвременните компютърни технологии. Това е особено проблем за нововъзникващите нискоенергийни изчислителни приложения, като автономни сензорни възли, използвани в Интернет на нещата (IoT), безжични комуникационни устройства и нови мобилни компютри, използвани в крайните изчисления. Всички тези приложения изискват логически схеми с драматично подобрена енергийна ефективност. Базираните на NEMS превключватели предлагат практически нулев ток на утечка по време на изключено състояние, резки характеристики на превключване и висока производителност при включен ток (ниско съпротивление в състояние включен ток). Потенциалните ползи от тази технология включват порядък на подобрение на енергийната ефективност. Освен това, електростатично задействаните NEMS са показали, че работят ефективно при ниски и високи температури (-150 C до 300 C), което им позволява да работят в трудни условия на околната среда.
Фиг. 2: Схематичен изглед на стандартен CMOS, включително електромеханичен превключвател, монолитно интегриран в BEOL [2]. С любезното съдействие: Калифорнийски университет, Бъркли
NEMS може да бъде произведен с помощта на металните слоеве на стандартните CMOS процеси за взаимно свързване в края на линията (BEOL). Процесите BEOL могат да бъдат интегрирани с частта Front-End-Of-Line (FEOL) на устройството. Секцията FEOL включва активната (транзисторна) секция на устройството и включва основния градивен блок на процеса на всеки компютърен чип. Произведеният от BEOL стек се състои от множество метални и диелектрични слоеве за образуване на свързващи проводници и отвори (структури за взаимно свързване). С намаляването на мащаба на електронните устройства минималният размер на характеристиките и разстоянието на тези шарени структури (така наречената стъпка) става все по-малък и по-малък, докато броят на металните слоеве расте. Тези малки размери на функции представляват потенциално технологично предизвикателство, но също така и чудесна възможност за ново поколение базирани на NEMS устройства. Досега логическите схеми, базирани на NEMS, са експериментално демонстрирани с помощта на 0,35 um, 0,18 um, 65 nm и 16 nm CMOS производствени процеси.
Пример за превключвател NEMS BEOL
Фигура 3 показва реле BEOL NEMS, проектирано в университета Бъркли, използващо стандартен 65nm CMOS процес [3]. Превключвателят се задейства електростатично и се състои от подвижен лъч, два програмиращи електрода (обозначени Програма 0 и Програма 1) и два контактни електрода (означени D0 и D1). Превключвателят е показан в изглед отгоре (a) и в изглед на напречно сечение по линията на изрязване a-a', подчертавайки металните/през слоевете (b). Резултатите от симулацията на фигура 3 показват позицията на превключвателя NEMS, когато той е програмиран в състояние „0“ (c) и състояние „1“ (d). Цветната скала в (c) и (d) показва големината на изместването, дължащо се на електростатично задействане. Симулираният преходен отговор (e) показва вълновите форми на програмното напрежение (горна графика) и съответната позиция на върха на лъча във времето (долна графика). Множество NEMS превключватели могат да бъдат поставени заедно в масиви, за да изпълняват логически функции или функции на паметта.
Фиг. 3: Coventor MEMS+ модел на преконфигурируем превключвател BEOL NEM (вляво), симулирано преходно поведение (в средата) и симулирана минимална (пре)програмираща енергийна контурна графика като функция на ефективната твърдост и контактна адхезивна сила (вдясно) [3]. С любезното съдействие: Калифорнийски университет, Бъркли
Оптимизиране на дизайна и мащабиране
Превключвателите NEMS на BEOL са в състояние да задоволят изискванията за проектиране за ниско енергийно работно напрежение, енергонезависимост и програмируемост. Трябва да се обърне внимание на различни физически аспекти на дизайна на NEMS, за да се оптимизира производителността на устройството. Наличните конструктивни параметри за превключвател, базиран на NEMS, включват дължината на гредата, дебелината и ширината на гредата, както и междината на контакта за задействане и контактната площ. Някои от тези параметри могат да бъдат избрани от дизайнера, други зависят от технологията на производство и намаляват с всяко ново поколение на процеса. Използвайки прогнозен модел в MEMS+, минималното програмно напрежение може да бъде изчислено за оптимизирани проекти в различни технологични възли. По-малко напрежение и капацитет на електрода ще намалят програмната енергия. Закъснението на механичната програма ще намалее с мащабиране, тъй като контактната междина изисква по-малко изместване на лъча, а намалената маса на лъча води до по-бързо електростатично задействане. С всеки нов възел на CMOS технологията минималният размер на функцията се намалява, позволявайки по-малки пропуски. Следователно се очаква плътността, енергията на превключване и забавянето на превключването на превключвателите BEOL NEMS да се подобрят с технологично мащабиране [4, 5].
Заключение
Няколко изследователски групи излязоха с различни проекти за миниатюризирани електромеханични устройства, които могат да се използват в логически и паметови приложения. Тези конструкции включват меандърови окачвания [6], различни конфигурации за странични или вертикални електроди [7, 8] и базирани на резонатор програмируеми логически портове [9]. Много полупроводникови инженери си спомнят прочутата лекция на Фейнман, където той предложи да изследваме „стаята на дъното“ [10] на физическата манипулация чрез намаляване на размера на транзисторните архитектури до наноразмери. Днес това се случва с днешната обработка на полупроводници FEOL. Не трябва да забравяме, че има и огромни възможности за изследване на „стая на върха“ в частта BEOL на полупроводниковите устройства. За определени специализирани приложения с ниска мощност базираните на NEMS устройства могат да бъдат много ценни по време на развитието на логиката и паметта, поради тяхната енергийна ефективност и способността да работят в неблагоприятни среди. Архитектурите, базирани на NEMS, могат да ни върнат към най-ранните дни на електромеханичните изчисления, но го направете с помощта на базирани на силиций устройства в изчислителни приложения с ниска мощност.
Препратки и допълнителна литература
[1] https://en.wikipedia.org/wiki/Alan_Turing
[2] U. Sikder ea., 3D Integrated CMOS-NEM Systems: Enabling Next-Generation Computing Technology, 2021 IEEE International Meeting for Future of Electron Devices, Kansai (IMFEDK)
[3] U. Sikder ea., Към монолитно интегрирана хибридна CMOS-NEM схема, IEEE Transactions on Electron Devices, VOL. 68, БР. 12 декември 2021 г
[4] T. K. Liu, J. Jeon, R. Nathanael, H. Kam, V. Pott и E. Alon, „Перспективи за технологията за логически превключватели MEM“, в IEDM Tech. Dig., декември 2010 г., стр. 18.3.1–18.3.4.
[5] T.-J. K. Liu, U. Sikder, K. Kato и V. Stojanovic, „There’s plenty of room at the top,“ в Proc. IEEE 30th Int. конф. Микро електромех. Syst. (MEMS), януари 2017 г., стр. 1–4
[6] Sumit Saha ea., Въздействие на топлинните ефекти върху производителността на захранващите вериги с използване на NEMS, FinFET и NWFET, IEEE Transactions on Electron Devices, VOL. 68, БР. 6 юни 2021 г
[7] Lars Prospero Tatum, Urmita Sikder, Tsu-Jae King Liu, Съвместна оптимизация на технологията на проектиране за енергонезависими NEM комутационни масиви в края на линията, IEEE Transactions on Electron Devices, VOL. 68, БР. 4 април 2021 г
[8] Li, R., Azhigulov, D., Allehyani, A., & Фариборзи, Х. (2020). BEOL NEM Релейни безиндукторни DC-DC преобразуватели. 2020 Международен симпозиум на IEEE по схеми и системи (ISCAS)
[9] Ahmed, S., Li, R., Zou, X., Al Hafiz, M.A., & Фариборзи, Х. (2019). Моделиране и симулация на препрограмируема логическа врата, базирана на MEMS резонатор, използваща частични електроди. 2019 Симпозиум за проектиране, тестване, интеграция и усилвател; Опаковка на MEMS и MOEMS (DTIP)
[10] https://en.wikipedia.org/wiki/There%27s_Plenty_of_Room_at_the_Bottom
