ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЦИФРОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ

ВЛАСОВ В.П. к.т.н.

Прогресс современной электроники в определяющей степени связан с увеличением количества и быстродействия транзисторов на кристаллах интегральных схем (ИС). Именно от этого, в первую очередь, зависят скорость обработки информации в цифровых электронных устройствах и их потребительские качества. Не менее важной оказывается сходная проблема увеличения количества и качества ячеек памяти в ИС памяти, без которых ни одно мало-мальски сложное цифровое устройство тоже не обходится. Все это хорошо известно любому пользователю персонального компьютера – наиболее характерного и массового цифрового электронного устройства нашего времени.

 

Что же препятствует созданию высокоинтегрированных цифровых ИС? И хотя прогресс здесь налицо – уже несколько десятков лет количество элементов в ИС каждый год примерно удваивается (так называемый закон Мура), усилия, которые предпринимаются в этой области такими гигантами, как INTEL, AMD, другими крупными и мелкими компаниями просто колоссальны – общие затраты на разработку и производство новых поколений ИС исчисляются десятками миллиардов (!) долларов.

Как это ни странно, буквально все самое главное можно понять, рассмотрев простую цепь — ключ на комплементарных МДП–транзисторах (КМДП – ключ), рис.1. МДП — транзисторы (другое название — транзисторы с изолированным затвором) известны каждому радиолюбителю, как один из основных  типов транзисторов, в котором использутся полевой эффект – управление состоянием полупроводника электрическим полем металлического электрода (затвора), расположенного над полупроводником, рис.2. В зависимости от знака и величины напряжения на затворе полупроводник под затвором может обогащаться или обедняться подвижными носителями заряда. При напряжении больше порогового Uо тип проводимости изменяется на противоположный и образуется канал – слой полупроводника, по которому может протекать  ток от  истока к стоку. Комлементарной называют такую пару МДП-транзисторов, в одном из которых образуется канал n–типа при положительном , а в другом – канал  р–типа при отрицательном напряжении на затворе.

Рис. 1                                                    Рис. 2, а, б

Затвор изолирован от полупроводника  диэлектрическим слоем, благодаря чему у такого транзистора на низких частотах входного тока практически нет и, следовательно, входная мощность ничтожна, а коэффициент усиления велик. С ростом частоты входного сигнала возникает  и растет емкостная составляющая входного тока, определяющаяся емкостью  затвор – канал. Происходит уменьшение усиления, вплоть до полной потери усилительных свойств на очень высоких частотах. Здесь стоит заметить, что емкость эта имеет весьма сложную структуру, является нелинейной и распределенной, и представление ее в виде емкостей затвор–исток и затвор–сток является очень грубым приближением.

Изображенный на рисунке 1 ключ стал основным типом ключей для современных цифровых ИС. Достаточно сказать, что другие типы ключей в высокоинтегрированных ИС распространения не получили. Это связано с уникальным свойством КМДП–ключа – непотреблением тока и энергии от источника питания в статическом состоянии.

Пусть, например, входное напряжение ключа близко к  + Епит , т.е. соответствует информационной единице. В этом случае напряжение  Uзи  n–канального транзистора – положительное, отпирающее и в нем существует канал (открытое состояние). Это же входное напряжение для р–канального транзистора – запирающее, канала в нем нет и ключ ток не пропускает. Аналогичная картина наблюдается при информационном нуле на входе, когда открыт р–канальный, но закрыт n–канальный транзистор. Вот почему на основе КМДП ключей можно построить  ИС  с уникально низким энергопотреблением ( вспомним, хотя бы, электронные часы). И даже вообще не потребляющие энергию ИС – например, перепрограммируемые ПЗУ, помнящие записанную информацию сколь угодно долго, пока к ним подключена «питающая» батарея, энергия от которой при этом не потребляется.

AA020469

Однако, ИС с неизменным электрическим состоянием (ПЗУ) или с небольшим темпом его изменения (часы) – лишь немногие, хотя и важные области их применения. Чтобы понять, почему КМДП ключи стали основой быстродействующих процессоров, следует рассмотреть их работу в процессе переключения  в условиях реальной нагрузки.

Так как в цифровых ИС ключи соединены с другими такими же ключами, их нагрузкой будет входное сопротивление таких же ключей. Достаточно взглянуть на рисунки 1 и 2, чтобы понять, что нагрузка будет иметь емкостный характер, определяющийся, главным образом, емкостью затвор–канал. При этом Собщ на рис.3 – это не только суммарная входная емкость подключенных к выходу ключей, но и его собственная выходная емкость, что и позволяет с некоторой долей условности назвать эту емкость общей емкостью ключа. Кроме того, при упрощенном анализе будем считать эту емкость неизменной и сосредоточенной, а транзисторы – безинерционными.

На рис.4 представлены упрощенные временные диаграммы КМДП–ключа в процессе переключений. При t < t1 открыт верхний р–канальный транзистор, через канал которого заряжена Собщ. При этом в ней накоплена энергия

W = CU2/2 = Собщ пит)2/2

При t1<t<t2 происходит разряд Собщ через открывшийся n–канальный транзистор, в канале которого электрическая энергия превращается в тепловую.

Рис. 3                                                                 Рис. 4

 

При t > t2 вновь отпирается р–канальный транзистор, в канале которого также выделяется тепловая энергия W, связанная с протеканием тока заряда Собщ. Таким образом, каждое переключение сопровождается выделением  тепловой энергии

2W  = Собщпит)2,

 

которую принято называть средней энергией переключения. Предположив, что на каждом такте тактовой частоты fc происходит переключение всех m ключей ИС,  получаем формулу для оценки максимальной выделяемой в КМДП ИС тепловой мощности:

Pрасс =  fc m Cобщпит)2

 

Рассеиваемая наиболее совершенными цифровыми ИС–процессорами мощность уже давно достигает десятков Ватт, что делает даже принудительный отвод тепла проблематичным. Поэтому дальнейшее совершенствование таких ИС – увеличение тактовой частоты и количества транзисторов возможно практически только за счет уменьшения размеров транзисторов, что уменьшает их емкость, а также за счет уменьшения напряжения источника питания. И то, и другое требует колоссальных технологических усилий. Новый завод, обеспечивающий менее чем двухкратное уменьшение размеров, обходится компаниям в несколько миллиардов долларов. Напомню, что окупаемость таких проектов возможна только благодаря массовому выпуску таких ИС, как процессоры и ИС памяти.

Но и простое уменьшение размеров транзисторов уже не гарантирует дальнейшего прогресса электроники. Так, толщина изолирующего диэлектрического слоя уже исчисляется несколькими межатомными расстояниями, что катастрофически ухудшает качество изоляции и порождает недопустимые токи утечки и тепловые потери. Утолщение же диэлектрического слоя приводит к повышению порогового напряжения и невозможности уменьшения Епит (при Епит < Uo транзисторы уже не способны открываться).          Значительной проблемой уже давно являются задержки распространения сигналов в соединительных дорожках ИС, которые превышают задержки, связанные с переключением самих транзисторов. Последнее также заставляет переходить к новым материалам, например к меди для проводников и диэлектрикам с малой диэлектрической проницаемостью, что уменьшает погонную емкость соединительных дорожек.

Тем не менее, в лабораторных условиях уже решены основные проблемы

создания так называемых терагерцовых МДП транзисторов, способных переключаться с частотой 1012 Гц. Их основными особенностями являются размеры, исчисляемые 10 – 20 нм, использованием новых  материалов,  а также охват области канала не с одной, а с трех сторон. Последнее обстоятельство может означать конец эпохи планарной интегральной технологии.

Заявления ведущих компаний позволяют прогнозировать появление к  2010 году нового поколения процессоров с сотнями миллионов транзисторов, работающих при тактовых частотах до сотен ГГц, при напряжении питания основной части КМДП–ключей менее вольта. Интересно, что и в этом случае темп развития цифровой электроники примерно соответствует закону Мура.

Как hard так и soft электронного интеллекта развиваются такими темпами, которые не оставляют сомнения в том, что человеческий интеллект будет во всем превзойден уже в обозримом будущем. Собственно, это уже произошло в счетно-аналитических способностях, в способностях к запоминанию и обучению, в способности к обмену информацией, других особенностях интеллекта. Уже разработаны алгоритмы, моделирующие и эвристические способности мозга человека. Пессимистические прогнозы относительно приближающейся «смерти» полупроводниковой электроники из-за принципиальных ограничений на размеры транзисторов представляются скорее смешными. Ведь уже началась новая эпоха – наноэлектроники, которая сразу же, минуя фазу «подгузников», поражает такими достижениями, как реально существующий прототип квантового компьютера, используюший способность атомов изменять свои квантовые состояния.


 

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *