А. Щука

Электроника четвертого поколения — функциональная электроника?

    Микроэлектроника представляет собой область электроники, связанную с исследованиями поведения заряженных частиц в твёрдом теле под воздействием электрических, магнитных, электромагнитных и тепловых полей, а также с созданием приборов и устройств в микроминиатюрном исполнении с использованием групповой технологии изготовления. В микроэлектронике предполагается интеграция элементарных электронных приборов (резисторов, конденсаторов, диодов, транзисторов). Поэтому синонимом микроэлектроники является понятие “интегральная электроника”.

    Говоря о микроэлектронике, имеют в виду микрометровые размеры элементов, под интегральной электроникой подразумевают интеграцию этих элементов на кристалле микросхемы. Дальнейшее развитие микроэлектронных приборов связано с уменьшением размеров элементарных приборов до субмикронных и переход в нанометровый масштаб измерений. Таким образом, микроэлектронные приборы превращаются в наноэлектронные. При этом утрачивается групповая технология их изготовления.

    Физические пределы в развитии приборов и устройств схемотехнической микроэлектроники достигнут своих критических значений в первом десятилетии двадцать первого века.

    К этому времени ожидается появление интегральных схем с топологическими нормами порядка 0,1 мкм, выполненных с помощью литографических установок неоптического экспонирования. При этом произойдёт переход на пластины большого диаметра и размерами поля литографирования в пределах 25x52 мм. Проблема межсоединений, характерная для схемотехнической микроэлектроники, ограничит скорость внешнего обмена информацией величиной 3 ГГц, хотя транзисторы будут работать с частотой не менее 10 ГГц. Ожидается рост ёмкости ДОЗУ до 64 Гбит при плотности размещения ячеек 1010 см–2, а для микропроцессоров — 2x108 см–2. При этом с ростом диаметра обрабатываемых пластин резко возрастут издержки при производстве сверхбольших интегральных схем.

    После достижения технологической зрелости будет достигнут физический предел значений степени интеграции и ожидается инерционное развитие рынков приборов схемотехнической микроэлектроники ещё в течение 5–10 лет. К этому времени быстродействие интегральных схем (ИС) будет уже недостаточным для решения задач обработки больших массивов информации по нескольким причинам.

    Предельные показатели достижений микроэлектроники уже не смогут соответствовать набирающему силу научно-техническому прогрессу. Уже сейчас существует целый ряд задач, ждущих своего решения. Среди них — создание систем оперативного распознавания образов, искусственного интеллекта, синтеза конструкций и систем, разработка устройств параллельной обработки информации, устройств управления базой знаний и т. п.

    Идут интенсивные поиски методов, разрабатываются устройства, предназначенные для обработки больших массивов информации в реальном масштабе времени. Анализ схем цифровой обработки изображений показывает, например, что рост их быстродействия приближается к насыщению. При этом ряд упомянутых задач принципиально не может быть решён в рамках современных методов обработки больших информационных массивов, в частности, фон-неймановской схемы построения вычислительных систем.

    Даже достигнув предельных значений быстродействия и степени интеграции в изделиях схемотехнической микроэлектроники, нельзя будет на их основе создать устройства, способные решать перспективные задачи обработки больших информационных массивов.

    В этом случае возникает альтернатива: или искать пути сохранения тенденции экспоненциального роста степени интеграции интегральных схем и тем самым расширить возможности схемотехнической микроэлектроники, или искать принципиально новый подход при создании систем обработки больших информационных массивов.

    Можно ли удержать тенденцию экспоненциального роста степени интеграции и, соответственно, экспоненциальное снижение стоимости обработки информации? Вот в чём основной вопрос перспективного развития схемотехнической микроэлектроники.

    Разработчики ИС активно ищут способы преодоления “тирании межсоединений”, пути обхода технологических и физических барьеров. С этой целью разрабатываются вертикальные структуры, в которых стараются разместить максимум элементов в минимальном пространстве. Активные и пассивные элементы схемы размещаются в объёме, и интегральная схема становится трёхмерной. Технология “кремний на диэлектрике” открывает определённые перспективы вертикальной интеграции и позволяет получать многоярусные транзисторные структуры. Предполагается, что трёхмерные ИС будут иметь высокие быстродействие и плотность упаковки элементов, обладать возможностью параллельной обработки информации и станут многофункциональными. Придётся преодолеть много препятствий, прежде чем в трёхмерных ИС удастся решить проблему взаимных помех элементов, разработать методы проектирования схем с комплексными параметрами и сложной топологией и сделать их конкурентоспособными по цене. Переход в трёхмерную электронику отнюдь не решит проблемы межсоединений, напротив, резко усложнит конструкции межуровневых соединений. Надёжность таких схем вызывает сомнение, а доказательств обратного пока нет. Переход в трёхмерную электронику сулит увеличение степени интеграции лишь вдвое, а не экспоненциальный рост в соответствии с законом Мура. Могут ли “спасти” схемотехническую электронику метод интеграции на пластине или создание “суперкристаллов”? Проблема межсоединений в этих случаях тоже принципиально не решается, а значит и достижение успеха сомнительно. По этой же причине сомнительны перспективы использования в схемотехнической электронике различных эффективных и сверхминиатюрных транзисторных структур.

    Значительный интерес представляют круглые полупроводниковые интегральные схемы. В них используется 95% объёма кремния против 5% в обычных ИС. Выводы располагаются по всей сфере, что позволяет обеспечить простоту компоновки сферических ИС. В производстве таких “маковых” схем осуществлен принципиальный переход от групповой технологии обработки пластин к гибкой штучной производственной системе с предполагаемой производительностью до 2500 сферических интегральных схем в секунду. В этом технологическом процессе среди слабых мест следует отметить трудоёмкую сферическую литографию, высокую индуктивность получаемых схем, ненадёжность процесса наматывания линий межсоединений на поверхность сферы, последующая их коммутация и т. п.

    Можно ли уйти от проблемы “тирании межсоединений”? Видимо, да, но для этого нужно уйти от традиционного принципа обработки информации, отказаться от схемотехнической ячейки как основного преобразователя и хранителя информации.

    Традиционная схемотехническая ячейка, будь это логическая ячейка или ячейка памяти, состоит из большого количества статических неоднородностей. Под статической неоднородностью понимается локальная область на поверхности или в объёме среды с отличными от её окружения свойствами, создаваемая в результате строго определённых технологических процессов. Свойства таких статических неоднородностей позволяют генерировать, управлять или хранить информацию. Это и есть схемотехническая микроэлектроника, или электроника статических неоднородностей. В этом случае устройства обработки и хранения информации реализуются на определённых схемотехнических решениях.

    В конце семидесятых годов возникла идея использовать динамические неоднородности в процессах обработки и хранения информации, а также физические принципы интеграции не только числа элементов, но и числа функций, выполняемых микроэлектронным прибором.

    Пионерские работы в этой области принадлежат Гуляеву Ю.В., Валиеву К.А., Стафееву В.И., Федотову Я.А., Сретенскому В.Н., Пустовойту В.И., Борисову Б.С., Лаврищеву В.П., Носову Ю.Р., Попкову А.Ф., Ракитину В.В., Новикову В.В., Ерофееву А.А., Васенкову А.А. и другим отечественным ученым и их школам.

    Изучение свойств и характеристик динамических неоднородностей как носителей информационного сигнала, основных физических процессов и принципов обработки и хранения информационных массивов с помощью динамических неоднородностей, разработка приборов и устройств являются основополагающими в процессе формирования нового направления в микроэлектронике — функциональной электроники.

    При интеграции на одном кристалле не только элементов, но и физических явлений и эффектов увеличиваются функциональные возможности приборов и устройств интегральной электроники. При этом используются уже не только схемотехнические решения для обработки и хранения информации, но и физические носители информационного сигнала — динамические неоднородности различной физической природы. Это ещё одна особенность функциональной электроники.

    Следует ещё раз подчеркнуть, что если с переходом в субмикронный диапазон размеров в наноэлектронике утрачивается принцип групповой технологии производства элементарных электронных приборов, то в функциональной электронике — сохраненяется групповая технология.

    Именно идея использования динамической неоднородности в качестве носителя информации привела к появлению альтернативного пути — функциональной электронике.

    Динамическая неоднородность представляет собой локальный объём на поверхности или внутри среды с отличными от её окружения свойствами, которая не имеет внутри себя статических неоднородностей и генерируется в результате определённых физико-химических процессов. Динамическая неоднородность может быть локализирована или перемещаться по рабочему объёму континуальной среды в результате взаимодействия с различными физическими полями или динамическими неоднородностями такой же или другой физической природы. В процессе перемещения динамической неоднородности может осуществляться, например, перенос информации. Деградация динамической неоднородности не приводит, как правило, к потерям или сбоям в процессах обработки информации.

    Известно большое количество динамических неоднородностей различной физической природы. Это ансамбли заряженных частиц и квазичастиц (зарядовые пакеты, флуксоны и т. п.), домены (электрические домены, домены Ганна, цилиндрические магнитные домены и т. п.), динамические неоднородности волновой природы (поверхностные акустические волны, магнитные статические волны)… Идея использования динамических неоднородностей в приборах обработки и хранения информации является основополагающей, её развитие привело к становлению функциональной электроники. Это несхемотехническое направление в микроэлектронике, использующее в качестве носителей информации динамические неоднородности, основной тенденцией развития которого является интеграция функциональных возможностей приборов и устройств.

    Таким образом, функциональная электроника представляет собой область интегральной электроники, в которой изучается возникновение и взаимодействие динамических неоднородностей в континуальных средах в совокупности с физическими полями, а также создаются приборы и устройства на основе динамических неоднородностей для обработки, генерации и хранения информации.

    В зависимости от типа используемой динамической неоднородности, континуальной среды, той или иной комбинации физических полей или явлений различают направления в функциональной электронике, например, функциональная акустоэлектроника, функциональная магнитоэлектроника, функциональная оптоэлектроника, функциональная диэлектрическая электроника, молекулярная электроника и т. п. Объединяющим их признаком является динамическая неоднородность как носитель, транслятор или хранитель информации. Например, традиционная полупроводниковая схемотехническая электроника отличается от полупроводниковой функциональной электроники носителем информационного сигнала. В приборах схемотехнической микроэлектроники — аналоговых или цифровых ИС — информация хранится или обрабатывается в ячейках в виде заряда, потенциала или тока определённого уровня на определённой статической неоднородности.

    Напротив, в ПЗС-матрицах, относящихся по своей физической природе к изделиям функциональной полупроводниковой электроники, информация хранится (либо обрабатывается) в виде динамической не-однородности — зарядового пакета, состоящего из электронов или дырок. Статические же неоднородности и различные схемы обрамления в этих изделиях играют вспомогательную роль.

    В функциональной электронике пока не существует принципиальных ограничений, связанных с размерами статических или динамических неоднородностей. Сравним изделия традиционной схемотехнической и функциональной электроники по быстродействию.

    В изделиях схемотехнической электроники перенос информационного сигнала происходит побитово по линиям межсоединений, что снижает помехоустойчивость и надёжность изделий. В изделиях функциональной электроники массив информационных сигналов может быть обработан одномоментно весь, целиком, не обязательно в виде отдельных битов информации. Возможно создание устройства, позволяющего производить обработку информации в аналоговом и цифровом видах одновременно, поэтому в устройствах об-работки информации на принципах функциональной электроники достигается производительность более 1015 оп./с.

    В схемотехнической электронике с ростом степени интеграции и уменьшением топологической нормы возникает проблема “тирании межсоединений”. Она связана с резким увеличением площади, занимаемой на кристалле межсоединениями (более 60%), деградацией электрических параметров линий межсоединений, ростом энергии на перерезарядку линий межсоединений, влиянием погонной ёмкости линий межсоединений и волнового сопротивления на частотные характеристики схемы, с необходимостью многоуровневой разводки при большом числе линий межсоединений.

    В изделиях функциональной электроники перенос информации, как правило, осуществляется в континуальной среде, а не в линиях межсоединений. Они выполняют функции вспомогательных связей и проблема “тирании межсоединений” в этом случае не является ключевой.

    Замечательным свойством приборов функциональной электроники является использование в процессах обработки информации функций высшего порядка в качестве элементарных, например, Фурье-преобразования; интегрального преобразования Лапласа, операции свертки; операции корреляции; автокорреляции; управляемой задержки информационного сигнала; хранения информации, в том числе в виде многобитовых носителей; фильтрации информационного сигнала; когерентного сложения сигналов; ответвления информационных сигналов; комбинированной обработки информационных сигналов и т. д. В то же время в изделиях функциональной электроники могут быть реализованы и традиционные элементарные функции типа И, ИЛИ, НЕ и их различные комбинации.

    В активной среде прибора функциональной электроники может храниться и одновременно обрабатываться большой объём информации. Поэтому изделие функциональной электроники может рассматриваться как процессор, выполняющий элементарные функции высшего порядка (рисунок).

Рисунок. Схемы процессоров, реализованных на различного типа динамических неоднородностях: 1 - динамическая неоднородность; 2 - континуальная среда; 3 - генератор динамических неоднородностей; 4 - устройство управления; 5 - детектор динамических неоднородностей

    Важно отметить, что обработка информации в такого типа процессорах происходит в аналоговом виде, без перевода аналогового сигнала в цифровой и обратно. При такой обработке передача информации может осуществляться без проводников или линий межсоединений.

    Устройства памяти реализуются путём упорядоченного сохранения в континуальной среде динамических неоднородностей, каждая из которых несёт бит информации. Возможно создание запоминающих устройств и на основе многобитовых динамиче-ских неоднородностей.

    В приборах и устройствах функциональной электроники информационный массив может быть обработан весь и сразу в одномоментном процессе. При этом не обязательно использовать последовательную побитовую обработку двоичной информации. Это эквивалентно случаю предельного распараллеливания процесса обработки массива информации. Таков принципиально новый путь, способный обеспечить производительность порядка 10¹⁵ оп./с. Так, акустооптический процессор обеспечивает производительность 10¹⁰–10¹² оп./с, в то время как специальные микросхемы быстрого преобразования Фурье — не более 2,5·10⁸ оп./с. Выигрыш на несколько порядков в производительности вполне существенен.

    Рассмотренные процессоры относятся к изделиям функциональной электроники первого поколения. В них используется один вид динамических неоднородностей в одной континуальной среде. Если используются два или более вида динамических неоднородностей в равных средах, то такие изделия относятся ко второму поколению.

    Анализируя устройства функциональной электроники, можно выделить некоторые элементы, характерные для всех конструкций.

    Во всех приборах и изделиях функциональной электроники используются динамические неоднородности различного вида и различной физической природы. Это первый элемент в предложенной модели прибора функциональной электроники. Так, в акустоэлектронных устройствах используются динамические неоднородности в виде поверхностной акустической волны (ПАВ); в полупроводниковых приборах с зарядовой связью — зарядовые пакеты электронов или дырок; в приборах магнитоэлектроники — магнитостатические волны (МСВ) и т. д.

    Все виды динамических неоднородностей генерируют, обрабатывают или хранят информацию в континуальных средах, как правило, в твёрдом теле. Континуальная среда является вторым элементом модели. Вообще говоря, она может иметь любое агрегатное состояние. Наши интересы в области микроэлектроники сосредоточены на использовании твёрдого тела. По своим физико-химическим свойствам среда должна быть достаточно однородной на всём тракте распространения информационного сигнала. Статические неоднородности, имеющиеся на поверхности или внутри континуальной среды, служат только для управления динамическими неоднородностями и не используются для обработки и хранения информации. Динамические неоднородности, обрабатывая информационный сигнал в континуальных средах, не меняют их физико-химических свойств в условиях термодинамического равновесия. В противном случае, динамическая неоднородность может образовать статическую неоднородность, представляющую собой “замороженный” бит информации.

    Третьим элементом модели является генератор динамических неоднородностей, предназначенный для их ввода в канал распространения, расположенный в континуальной среде. Динамическая неоднородность может быть введена в информационный канал в континуальной среде и из-за её пределов или сгенерирована в этом канале.

    Устройство управления динамическими неоднородностями в тракте переноса информационного сигнала или в области его хранения является четвёртым элементом в модели прибора.

    Вывод или считывание информации осуществляется с помощью детектора. Это устройство позволяет преобразовать информационный массив, созданный динамическими неоднородностями, в массив двоичной информации. В этом случае можно использовать хорошо развитые устройства и методы цифровой обработки информации. Детектор является пятым элементом типовой модели.
Предложенная модель прибора функциональной электроники позволяет развить системный подход к анализу известных конструктивных решений-прототипов приборов, раскрыть физическую сущность явлений, лежащих в основе работы приборов, оптимизировать известные конструкции по технико-экономическим параметрам, а также разработать прогнотип — новое, ранее неизвестное конструктивное решение с заданными технико-экономическими показателями. Такого рода таксонометрические исследования имеют вполне самостоятельное значение как интеллектуальные исследования высокого уровня.

    Итак, общепризнанно, что электронные устройства на дискретных элементах относили к устройствам первого поколения, первые интегральные схемы в электронике сформировали приборы и устройства второго поколения, а нынешнее третье поколение микроэлектронных средств вычислительной техники и обработки информации базируется на больших и сверхбольших интегральных схемах.

    Вполне корректно отнести приборы и устройства, использующие динамические неоднородности в качестве носителей информационного сигнала, к электронике четвёртого поколения.