Ensimmäiset tietokoneet rakennettiin käyttämällä sähkömekaanisia komponentteja, toisin kuin nykyaikaiset elektroniikkajärjestelmät. Alan Turingin krypta-analyysikerroin ja Konrad Zusen Z2 keksittiin ja rakennettiin 1900-luvun ensimmäisellä puoliskolla, ja ne olivat ensimmäisiä koskaan rakennettuja tietokoneita. Sähkömekaaniset kytkimet ja releet suorittivat logiikkatoimintoja näissä koneissa. Jopa sen jälkeen, kun tietokoneet rakennettiin ensimmäisen kerran tyhjiöputkilla ja elektronisilla transistoreilla, osa aikaisemmista sähkömekaanisista (relepohjaisista) tietokoneista pysyi käytössä, koska niiden hitaampi nopeus kompensoitiin erinomaisella luotettavuudella. Nykyään useimmissa tietokoneissa on logiikka- ja muistilaitteita, jotka toimivat nanomittakaavan transistoripohjaisen tekniikan avulla.
Kuva 1: Turingin sähkömekaanisen tietokoneen kopio [1]
MEMS (Micro-Electro-Mechanical-Systems) ovat uusia pienoislaitteita, joissa yhdistyvät mekaaniset ja sähköiset toiminnot. Näitä laitteita käytetään matkapuhelimissa, autoissa ja monissa muissa nykyaikaisissa elektroniikkatekniikoissa, ja ne ovat muuttaneet valtavasti elämäämme ja tapaamme työskennellä ja elää. MEMS on myös valmistettu piikiekkoja. Ne käyttävät samoja tai samankaltaisia valmistusprosesseja kuin transistoripohjainen logiikka ja muistisirut pinnoitus-, syövytys- ja puhdistusvaiheissa. Voisimmeko siis käyttää MEMS-teknologiaa luodaksemme tietokoneita, jotka perustuvat mikromittakaavaiseen sähkömekaaniseen logiikkaan ja muistiin, kuten tietojenkäsittelyn alkuaikoina?
MEMS-tuotteet voidaan integroida suoraan perinteisiin komplementaarisiin metallioksidipuolijohteisiin (CMOS) logiikka- ja muistilaitteisiin. Suurin osa tämän päivän MEMS-tuotteista perustuu kuitenkin kaksisiruiseen lähestymistapaan, jossa on yksi valmistusprosessi MEMS-laitteelle ja toinen prosessi siihen liittyvien elektronisten rajapintojen (CMOS) komponenttien luomiseksi. Siitä huolimatta on olemassa lukuisia menestyneitä esimerkkejä MEMS-laitteista, jotka on valmistettu suoraan ja integroitu CMOS-elektroniikkaan. Texas Instrumentin DLP-peilijärjestelmä, Analog Devices -pinnan mikrokoneistettu kiihtyvyysanturi autojen turvatyynysovelluksiin ja AAC-Wispryn RF MEMS -kytkin ovat muutamia esimerkkejä MEMS-laitteista, jotka on integroitu monoliittisesti CMOS-kiekoihin suurella menestyksellä.
Nano-elektromekaanisten järjestelmien (NEMS) kehitys logiikassa ja muistissa
Viime vuosikymmeninä CMOS-elektroniikka on noudattanut Mooren lakia pienentämällä kokoa ja lisäämällä eksponentiaalisesti transistorin tiheyttä. Tämä skaalausprosessi jatkuu, kun puhumme, ja transistoriarkkitehtuureille keksitään yhä monimutkaisempia rakenteita. Yksi vaihtoehto tälle transistoriarkkitehtuurille on käyttää olemassa olevia CMOS-tekniikoita ja integroida monoliittisesti miniatyrisoidut sähkömekaaniset kytkimet logiikka- ja muistilaitteisiin. Näitä pienikokoisia kytkimiä kutsutaan usein nano-sähkömekaanisiksi järjestelmiksi (NEMS).
Yksi motiivi NEMS-pohjaisen logiikan tai muistin kehittämiseen on virrankulutus. Virrankulutuksesta on tullut uusimman tietotekniikan suuri pullonkaula. Tämä on erityisen ongelmallinen kehittyville vähän energiaa kuluttaville laskentasovelluksille, kuten esineiden internetissä (IoT) käytettävissä autonomisissa anturisolmuissa, langattomissa viestintälaitteissa ja uusissa reunalaskennassa käytettävissä mobiilitietokoneissa. Kaikki nämä sovellukset vaativat logiikkapiirejä, joiden energiatehokkuus on parantunut huomattavasti. NEMS-pohjaiset kytkimet tarjoavat käytännöllisesti katsoen nollavuotovirran off-tilan aikana, terävät kytkentäominaisuudet ja korkean virransyötön suorituskyvyn (pieni resistanssi päällä-virtatilassa). Tämän tekniikan mahdollisia etuja ovat energiatehokkuuden suuruusluokan paraneminen. Lisäksi sähköstaattisesti toimivat NEMS:t ovat osoittaneet, että ne toimivat tehokkaasti matalissa ja korkeissa lämpötiloissa (-150 C - 300 C), mikä mahdollistaa niiden toiminnan vaikeissa ympäristöolosuhteissa.
Kuva 2: Kaaviokuva standardista CMOS:sta, joka sisältää BEOLiin monoliittisesti integroidun sähkömekaanisen kytkimen [2]. Lupa: Kalifornian yliopisto, Berkeley
NEMS voidaan valmistaa käyttämällä standardien CMOS Back-End-Of-Line (BEOL) -yhdyskytkentäprosessien metallikerroksia. BEOL-prosessit voidaan integroida laitteen Front-End-Of-Line (FEOL) -osaan. FEOL-osio sisältää laitteen aktiivisen (transistori) osan ja sisältää minkä tahansa tietokonesirun pääprosessin rakennuspalikka. BEOLin valmistama pino koostuu useista metalli- ja dielektrisistä kerroksista, jotka muodostavat liitäntäjohtoja ja läpivientejä (yhdysrakenteita). Elektronisten laitteiden pienentyessä näiden kuvioitujen rakenteiden vähimmäiskoko ja -väli (ns. pitch) pienenee ja pienenee samalla kun metallikerrosten määrä kasvaa. Nämä pienet ominaisuuskoot ovat potentiaalinen teknologiahaaste, mutta myös loistava mahdollisuus uuden sukupolven NEMS-pohjaisille laitteille. Tähän mennessä NEMS-pohjaisia logiikkapiirejä on kokeellisesti osoitettu käyttämällä 0,35 um, 0,18 um, 65 nm ja 16 nm CMOS-valmistusprosesseja.
Esimerkki NEMS BEOL -kytkimestä
Kuvassa 3 on BEOL NEMS -rele, joka on suunniteltu Berkeleyn yliopistossa käyttämällä tavallista 65 nm:n CMOS-prosessia [3]. Kytkin toimii sähköstaattisesti ja koostuu liikkuvasta säteestä, kahdesta ohjelmointielektrodista (merkitty Ohjelma 0 ja Ohjelma 1) ja kahdesta kontaktielektrodista (merkitty D0 ja D1). Kytkin näkyy tasonäkymässä (a) ja poikkileikkauskuvassa leikkausviivaa a-a' pitkin korostaen metalli-/läpivientikerroksia (b). Simulaatiotulokset kuvassa 3 näyttävät NEMS-kytkimen asennon, kun se on ohjelmoitu tilaan "0" (c) ja tilaan "1" (d). Väriasteikko kohdissa (c) ja (d) näyttää sähköstaattisen aktivoitumisen aiheuttaman siirtymän suuruuden. Simuloitu transienttivaste (e) näyttää ohjelman jännitteen aaltomuodot (ylempi kuvaaja) ja vastaavan säteen kärjen sijainnin ajan kuluessa (alempi kaavio). Useita NEMS-kytkimiä voidaan sijoittaa yhteen matriiseiksi suorittamaan loogisia tai muistitoimintoja.
Kuva 3: Coventor MEMS+ -malli uudelleen konfiguroitavasta BEOL NEM -kytkimestä (vasemmalla), simuloitu transienttikäyttäytyminen (keskellä) ja simuloitu (uudelleen) ohjelmoitu energian ääriviivakaavio tehokkaan jäykkyyden ja koskettimen tarttumisvoiman funktiona (oikealla) [3]. Lupa: Kalifornian yliopisto, Berkeley
Suunnittelun optimointi ja skaalaus
BEOL NEMS -kytkimet pystyvät täyttämään suunnitteluvaatimukset alhaisen tehon käyttöjännitteen, haihtumattomuuden ja ohjelmoitavuuden osalta. NEMS-suunnittelun eri fyysiset näkökohdat on otettava huomioon laitteen suorituskyvyn optimoimiseksi. NEMS-pohjaisen kytkimen käytettävissä olevat suunnitteluparametrit sisältävät säteen pituus, paksuus ja leveys sekä käyttökosketinväli ja kosketuspinta-ala. Jotkut näistä parametreista voi valita suunnittelija, toiset riippuvat valmistustekniikasta ja pienennetään jokaisen uuden prosessisukupolven myötä. MEMS+:n ennakoivaa mallia käyttämällä voidaan laskea ohjelman minimijännite optimoiduille suunnitelmille eri teknologiasolmuissa. Pienempi jännite ja elektrodikapasitanssi vähentävät ohjelman energiaa. Mekaaninen ohjelman viive pienenee skaalautumisen myötä, koska kosketusväli vaatii pienemmän säteen siirtymän ja säteen pienentynyt massa johtaa nopeampaan sähköstaattiseen aktivoitumiseen. Jokaisen uuden CMOS-teknologian solmun myötä ominaisuuden vähimmäiskoko pienenee, mikä mahdollistaa pienemmät aukot. Siksi BEOL NEMS -kytkimien tiheyden, kytkentäenergian ja kytkentäviiveen odotetaan paranevan teknologian skaalauksen myötä [4, 5].
Johtopäätös
Useat tutkimusryhmät ovat keksineet erilaisia malleja pienikokoisille sähkömekaanisille laitteille, joita voidaan käyttää logiikka- ja muistisovelluksissa. Näihin malleihin kuuluvat meanderin muotoiset ripustukset [6], erilaiset konfiguraatiot lateraalisille tai pystysuuntaisille elektrodeille [7, 8] ja resonaattoripohjaiset ohjelmoitavat logiikkaportit [9]. Monet puolijohdeinsinöörit muistavat Feynmanin kuuluisan luennon, jossa hän ehdotti, että tutkisimme fyysisen manipuloinnin "alahuonetta" [10] skaalaamalla transistoriarkkitehtuurit nanomittakaavaisiin. Nykyään tämä tapahtuu nykypäivän FEOL-puolijohdekäsittelyssä. Emme saa unohtaa, että puolijohdelaitteiden BEOL-osassa on myös valtavia mahdollisuuksia tutkia "huonetta huipulla". Tietyissä erikoissovelluksissa, vähän virtaa käytettäessä NEMS-pohjaiset laitteet voivat olla erittäin arvokkaita logiikan ja muistin kehittämisen aikana, koska ne toimivat energiatehokkuudessa ja kyvyssään toimia epäsuotuisissa ympäristöissä. NEMS-pohjaiset arkkitehtuurit saattavat tuoda meidät takaisin sähkömekaanisen laskennan alkuaikaan, mutta tehdä niin käyttämällä piipohjaisia laitteita pienitehoisissa laskentasovelluksissa.
Referenssit ja lisätietoa
[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., Towards monolithically Integrated Hybrid CMOS-NEM Circuit, IEEE Transactions on Electron Devices, VOL. 68, NO. 12. joulukuuta 2021
[4] T. K. Liu, J. Jeon, R. Nathanael, H. Kam, V. Pott ja E. Alon, Prospects for MEM logic switch technology, IEDM Tech. Dig., joulukuu 2010, s. 18.3.1–18.3.4.
[5] T.-J. K. Liu, U. Sikder, K. Kato ja V. Stojanovic, "There's runsaasti tilaa ylhäällä", julkaisussa Proc. IEEE 30th Int. Conf. Micro Electro Mech. Syst. (MEMS), tammikuu 2017, s. 1–4
[6] Sumit Saha ea., Lämpövaikutusten vaikutus NEMS-, FinFET- ja NWFET-liitäntöjen käyttävien tehon suojauspiirien suorituskykyyn, IEEE Transactions on Electron Devices, VOL. 68, NO. 6. kesäkuuta 2021
[7] Lars Prospero Tatum, Urmita Sikder, Tsu-Jae King Liu, Suunnitteluteknologian yhteisoptimointi linjan pään haihtumattomia NEM-kytkimiä varten, IEEE-tapahtumat elektronilaitteiden kanssa, VOL. 68, NO. 4, huhtikuuta 2021
[8] Li, R., Azhigulov, D., Allehyani, A., & Fariborzi, H. (2020). BEOL NEM -relepohjaiset induktorittomat DC-DC-muuntimet. 2020 IEEE International Symposium on Circuits and Systems (ISCAS)
[9] Ahmed, S., Li, R., Zou, X., Al Hafiz, M. A., & Fariborzi, H. (2019). MEMS-resonaattoriin perustuvan uudelleenohjelmoitavan logiikkaportin mallintaminen ja simulointi osittaisilla elektrodeilla. 2019 Symposium suunnittelusta, testauksesta, integroinnista & MEMS- ja MOEMS-pakkaus (DTIP)
[10] https://en.wikipedia.org/wiki/There%27s_Plenty_of_Room_at_the_Bottom
