První počítače byly na rozdíl od dnešních moderních elektronických systémů sestrojeny pomocí elektromechanických součástek. Multiplikátor kryptoanalýzy Alana Turinga a Z2 Konrada Zuse byly vynalezeny a vyrobeny v první polovině 20. století a patřily mezi první počítače, které kdy byly zkonstruovány. V těchto strojích prováděly logické operace elektromechanické spínače a relé. Dokonce i poté, co byly počítače poprvé zkonstruovány pomocí elektronek a elektronických tranzistorů, některé z dřívějších elektromechanických počítačů (založených na relé) zůstaly v provozu, protože jejich nižší rychlost byla kompenzována vynikající spolehlivostí. Nyní většina počítačů obsahuje logická a paměťová zařízení, která pracují na bázi nanotechnologií na bázi tranzistorů.
Obr. 1: Replika Turingova elektromechanického počítače [1]
MEMS (Micro-Electro-Mechanical-Systems) jsou nová miniaturizovaná zařízení, která kombinují mechanické a elektrické funkce. Tato zařízení se používají v mobilních telefonech, automobilech a mnoha dalších moderních elektronických technologiích a zásadně změnila naše životy a způsob, jakým pracujeme a žijeme. MEMS jsou také vyráběny na křemíkových destičkách. Používají stejné nebo podobné výrobní procesy jako tranzistorové logické a paměťové čipy pro kroky nanášení, leptání a čištění. Mohli bychom tedy použít technologii MEMS k vytvoření počítačů založených na elektromechanické logice a paměti v mikroměřítku, podobně jako v prvních dnech počítačů?
Produkty MEMS lze přímo integrovat do konvenčních logických a paměťových zařízení CMOS. Většina dnešních MEMS produktů je však založena na dvoučipovém přístupu, kde existuje jeden výrobní proces pro zařízení MEMS a další proces pro vytvoření souvisejících komponent elektronického rozhraní (CMOS). Přesto existuje velké množství úspěšných příkladů zařízení MEMS, která jsou přímo vyráběna a integrována s elektronikou CMOS. Zrcadlové pole DLP společnosti Texas Instrument, povrchový mikroobráběný akcelerometr Analog Devices pro aplikace automobilových airbagů a přepínač RF MEMS společnosti AAC-Wispry jsou několika příklady zařízení MEMS, která byla s velkým úspěchem monoliticky integrována do waferů CMOS.
Vývoj nano-elektro-mechanických systémů (NEMS) v logice a paměti
V posledních několika desetiletích se elektronika CMOS řídila Moorovým zákonem tím, že zmenšovala velikost a exponenciálně zvyšovala hustotu tranzistorů. Tento proces škálování pokračuje, když mluvíme, se stále složitějšími strukturami, které jsou vynalézány pro tranzistorové architektury. Jednou z alternativ k této tranzistorové architektuře je využití stávajících technologií CMOS a monolitická integrace miniaturizovaných elektromechanických spínačů do logických a paměťových zařízení. Tyto miniaturizované spínače jsou často označovány jako Nano-Electro-Mechanical-Systems (NEMS).
Jednou motivací pro vývoj logiky nebo paměti založené na NEMS je spotřeba energie. Spotřeba energie se stala hlavním úzkým hrdlem v nejmodernější počítačové technologii. To je zvláště problém pro vznikající nízkoenergetické výpočetní aplikace, jako jsou autonomní senzorové uzly používané v internetu věcí (IoT), bezdrátová komunikační zařízení a nové mobilní počítače používané v edge computingu. Všechny tyto aplikace vyžadují logické obvody s výrazně zlepšenou energetickou účinností. Spínače založené na NEMS nabízejí prakticky nulový svodový proud ve vypnutém stavu, ostré spínací charakteristiky a vysoký výkon při zapnutém proudu (nízký odpor ve stavu zapnuto). Mezi potenciální výhody této technologie patří řádové zlepšení energetické účinnosti. Kromě toho elektrostaticky ovládané NEMS prokázaly, že fungují efektivně při nízkých a vysokých teplotách (-150 C až 300 C), což jim umožňuje pracovat v obtížných podmínkách prostředí.
Obr. 2: Schématický pohled na standardní CMOS včetně elektromechanického spínače monoliticky integrovaného do BEOL [2]. S laskavým svolením: University of California, Berkeley
NEMS lze vyrobit pomocí kovových vrstev standardních propojovacích procesů CMOS Back-End-Of-Line (BEOL). Procesy BEOL lze integrovat s částí zařízení Front-End-Of-Line (FEOL). Sekce FEOL zahrnuje aktivní (tranzistorovou) část zařízení a obsahuje hlavní procesní stavební blok na libovolném počítačovém čipu. Stoh vyrobený BEOL se skládá z několika kovových a dielektrických vrstev, které tvoří propojovací vodiče a průchody (propojovací struktury). S downscalingem elektronických zařízení se minimální velikost a rozteč těchto vzorovaných struktur (tzv. pitch) zmenšuje a zmenšuje, zatímco počet kovových vrstev roste. Tyto malé velikosti funkcí představují potenciální technologickou výzvu, ale také velkou příležitost pro novou generaci zařízení na bázi NEMS. Logické obvody založené na NEMS byly dosud experimentálně demonstrovány pomocí výrobních procesů CMOS 0,35 um, 0,18 um, 65 nm a 16 nm.
Příklad přepínače NEMS BEOL
Obrázek 3 zobrazuje relé BEOL NEMS navržené na univerzitě v Berkeley pomocí standardního 65nm procesu CMOS [3]. Spínač je ovládán elektrostaticky a skládá se z pohyblivého paprsku, dvou programovacích elektrod (označených Program 0 a Program 1) a dvou kontaktních elektrod (označených D0 a D1). Spínač je zobrazen v půdorysu (a) a v pohledu v řezu podél linie řezu a-a' se zvýrazněním vrstev kovu/prokovu (b). Výsledky simulace na obrázku 3 zobrazují polohu přepínače NEMS, když je naprogramován do stavu „0“ (c) a stavu „1“ (d). Barevná škála v (c) a (d) zobrazuje velikost posunutí v důsledku elektrostatického ovládání. Simulovaná přechodová odezva (e) zobrazuje průběhy napětí programu (horní graf) a odpovídající polohu špičky paprsku v průběhu času (dolní graf). Více přepínačů NEMS může být umístěno společně v polích pro provádění logických nebo paměťových funkcí.
Obr. 3: Model Coventor MEMS+ rekonfigurovatelného spínače BEOL NEM (vlevo), simulované přechodové chování (uprostřed) a graf simulované minimální (re)programovací energie jako funkce efektivní tuhosti a kontaktní adhezní síly (vpravo) [3]. S laskavým svolením: University of California, Berkeley
Optimalizace návrhu a škálování
Přepínače BEOL NEMS jsou schopny uspokojit požadavky návrhu na nízké provozní napětí, stálost a programovatelnost. Pro optimalizaci výkonu zařízení je třeba řešit různé fyzické aspekty návrhu NEMS. Dostupné konstrukční parametry pro spínač založený na NEMS zahrnují délku paprsku, tloušťku a šířku paprsku, stejně jako mezeru mezi ovládacími kontakty a kontaktní plochu. Některé z těchto parametrů může zvolit konstruktér, jiné závisí na technologii výroby a s každou novou generací procesu se zmenšují. Pomocí prediktivního modelu v MEMS+ lze vypočítat minimální napětí programu pro optimalizované návrhy v různých technologických uzlech. Menší napětí a kapacita elektrody sníží energii programu. Zpoždění mechanického programu se se změnou měřítka zmenší, protože kontaktní mezera vyžaduje menší posun paprsku a snížená hmotnost paprsku vede k rychlejší elektrostatické aktivaci. S každým novým uzlem technologie CMOS se zmenšuje minimální velikost prvku, což umožňuje menší mezery. Očekává se proto, že hustota, spínací energie a zpoždění spínání přepínačů BEOL NEMS se zlepší s technologickým škálováním [4, 5].
Závěr
Několik výzkumných skupin přišlo s různými návrhy miniaturizovaných elektromechanických zařízení, která lze použít v logických a paměťových aplikacích. Tyto konstrukce zahrnují závěsy ve tvaru meandru [6], různé konfigurace pro laterální nebo vertikální elektrody [7, 8] a programovatelné logické hradla na bázi rezonátoru [9]. Mnoho polovodičových inženýrů si pamatuje Feynmanovu slavnou přednášku, kde navrhl, abychom prozkoumali „místnost na dně“ [10] fyzické manipulace zmenšením tranzistorových architektur na nanorozměry. Dnes se to děje se současným zpracováním polovodičů FEOL. Neměli bychom zapomínat, že existují také obrovské příležitosti k prozkoumání „místnosti nahoře“ v části BEOL polovodičových zařízení. Pro určité specializované aplikace s nízkou spotřebou energie by zařízení založená na NEMS mohla být velmi cenná během vývoje logiky a paměti kvůli jejich energetické účinnosti a schopnosti pracovat v nepříznivých prostředích. Architektury založené na NEMS by nás mohly vrátit do nejranějších dnů elektromechanických výpočtů, ale činí tak pomocí zařízení na bázi křemíku v aplikacích s nízkou spotřebou.
Odkazy a další informace
[1] https://en.wikipedia.org/wiki/Alan_Turing
[2] U. Sikder ea., 3D integrované systémy CMOS-NEM: Povolení výpočetní technologie nové generace, 2021 IEEE International Meeting for Future of Electron Devices, Kansai (IMFEDK)
[3] U. Sikder ea., Směrem k monoliticky integrovanému hybridnímu obvodu CMOS-NEM, IEEE Transactions on Electron Devices, VOL. 68, NO. 12, prosinec 2021
[4] T. K. Liu, J. Jeon, R. Nathanael, H. Kam, V. Pott a E. Alon, „Prospects for MEM logic switch technology“, v IEDM Tech. Dig., prosinec 2010, s. 18.3.1–18.3.4.
[5] T.-J. K. Liu, U. Sikder, K. Kato a V. Stojanovic, „Nahoře je spousta místa,“ v Proc. IEEE 30th Int. Conf. Micro Electro Mech. Syst. (MEMS), leden 2017, s. 1–4
[6] Sumit Saha ea., Vliv tepelných vlivů na výkon výkonových hradlových obvodů pomocí NEMS, FinFET a NWFET, IEEE Transactions on Electron Devices, VOL. 68, NO. 6. června 2021
[7] Lars Prospero Tatum, Urmita Sikder, Tsu-Jae King Liu, kooptimalizace technologie designu pro energeticky nezávislá pole NEM přepínačů back-end-of-line, transakce IEEE na elektronových zařízeních, VOL. 68, NO. 4. dubna 2021
[8] Li, R., Azhigulov, D., Allehyani, A., & Co. Fariborzi, H. (2020). Bezindukční DC-DC měniče na bázi relé BEOL NEM. 2020 IEEE International Symposium on Circuits and Systems (ISCAS)
[9] Ahmed, S., Li, R., Zou, X., Al Hafiz, M. A., & Co. Fariborzi, H. (2019). Modelování a simulace přeprogramovatelného logického hradla založeného na MEMS rezonátoru pomocí parciálních elektrod. 2019 Symposium on Design, Test, Integration & Balení MEMS a MOEMS (DTIP)
[10] https://en.wikipedia.org/wiki/There%27s_Plenty_of_Room_at_the_Bottom
