Моделирование 3-d наносхемотехники

CEBIT'2009 Моделирование 3-d наносхемотехники Россия, Москва Московский институт электроники и математики (МИЭМ) Руководитель научного направления д.т.н., профессор Трубочкина Надежда Константиновна nadin@miem.edu.ru http://nadin.miem.edu.ru

Проект «Моделирование 3-d наносхемотехники» • Предметная область - нанонауки и нанотехнологии • Цель проекта: • разработка оптимальной схемотехники для 3-d СБИС, • синтез, анализ и компьютерная визуализация объектов и процессов в 3-d интеллектуальных наноструктурах кремниевой наноэлектроники

Актуальность • Нанотехнологии и нанонауки, многофункциональные материалы, основанные на новых знаниях и предназначенные для новых производственных процессов и устройств. • Промышленность и общество могут извлечь пользу из новых знаний посредством разработки новых продуктов и технологических процессов. • Необходима согласованность национальных исследовательских программ и инвестиций. Это должно гарантировать обеспечение страны командами и соответствующей инфраструктурой, нацеленными на решение актуальных задач.

Предлагается концепция и новый подход • В проекте предлагается концепция и новый подход к пониманию и освоению свойств трехмерных интегральных схем (3-d СБИС). • В качестве минимального объекта для синтеза элементов логической 3-d наносхемотехники предлагается рассматривать не транзистор, а физический переход между материалами с различными свойствами (кремний n и p типа, углерод, окислы, металлы, полимеры и т.д.). • Разработаны графический и семантический стандарты описания математических моделей.

Прошлое и настоящее схемотехники

Настоящее и будущеесхемотехники

Новизна • Представлен новый подход к пониманию и освоению свойств трехмерных интегральных схем. • Разработана соответствующая подходу схемотехника. • Разработано программное обеспечение, позволяющее синтезировать новые интегральные структуры, а также «совершать экскурсию» внутрь интеллектуального кристалла и «гулять» там.

Теория • Разработана переходная схемотехника для 3-d СБИС. • Компонент схемотехники - физический переход между материалами с различными свойствами. • Математические модели интеллектуальных элементов содержат минимальное количество переходови физических областей с различными свойствами. • Некоторые модели «совпадают» по структуре с органическими молекулами, имеющими те же логические функции.

Теоретические основы переходной схемотехники (ТОПС 1) Математической моделью функционально-интегрированного элемента (ФИЭ) является неориентированный граф G (X, А, Г), где: X = (х1, х2, …хN) – множество вершин, А = (а1,а2,…аМ) – множество ребер. Предикат Г является трехместным предикатом и описывается логическим высказыванием Г (xi, ak, xj), которое означает, что ребро aк соединяет вершины хi и xj.

ТОПС 2 Элементу множества вершин хi соответствует часть интегральной структуры Fi Тi , в которой Тi определяет качественный состав части интегральной структуры, Fi – элемент функционального множества. Т = {Ti}(i=1,n) = (p,n,p+,n+,…SiO2, Al, Ga…) = П U Д U М – множество элементов типа частей структуры (р – полупроводниковая область р-типа, n – полупроводниковая область n-типа, SiO2 – область двуокиси кремния, Аl – область алюминия, Ga – область галия и т.д.), П – подмножество областей полупроводников, Д – подмножество областей диэлектриков, М – подмножество проводников.

ТОПС 3 Функциональное множество F = Fy U FH состоит из двух подмножеств: Fy = {Fyi} = (E1,…,Ek1,I1,…,Ik2,φ1,…,φk3…) подмножества управляющих воздействий в виде напряжения Еi, тока Ij, света φк и FH = {FHi} = (вх1,…,вхm,вых1,…,выхn) подмножества назначения, задающего входные и выходные функции областям из подмножества Т, по отношению к которым определяются передаточные характеристики элементов. N – число областей интегральной структуры, размерность элемента. Элементам множества ребер ак, аi соответствуют переходы между различными частями интегральной структуры, выполняющие определенные функции, причем существуют xi, xj ( хi ≠ xj & Г (xi , ак , xj ) & Г (xj , ак , xi).

ТОПС 4 Примерами переходов – компонентов переходной схемотехники – являются: • Пi – Пj переход - переход между полупроводниками, например, р – n переход, переход между полупроводниками р и n типа, выполняющий диодную функцию, • Пi – Дj переход - переход между полупроводником и диэлектриком, • Пi – Мj переход - переход между полупроводником и металлом (диод Шоттки), • переходы между прозрачными и непрозрачными слоями в оптоэлектронных элементах, • мембраны в биологических элементах и т.д,

ТОПС 5 Графовые модели интегральных элементов могут представлять собой деревья, а могут содержать и циклы. цепь открытий и изобретений, давших три последних поколения вычислительных машин, всего лишь начальные элементы таблицы оптимальных математических моделей элементов переходной (p-n) схемотехники.

ТОПС 6. Генерация структур Процедура генерации структурных формул интегральных структур по математической модели элемента переходной схемотехники: а)– структурная формулаэлемента И-НЕ, б) – структура элемента с окисной изоляцией, в) – структурная формулаэлемента И-НЕ, г) – структура элемента с локальными эпитаксиальными областями

Пример проектирования ФИЭ а) – математическая модель (объединение двух n-p-n транзисторов по эмиттерам и коллекторам), б) – вертикальнаяоптимальная интегральная структура, в) – вертикальнаяструктура с разбиениемвершины nвых , г) – горизонтальнаяструктура на изоляторе Уравнение синтеза

RS-триггер в переходной схемотехнике Уравнение синтеза RS-триггер в переходной схемотехнике:а) – структура, б) – топология

N-разрядный регистр на RS-триггерах в переходной схемотехнике а) – уравнение синтеза, б) – ДНК, в) – интегральная структура, г) – топология одного разряда

Программное обеспечение (ПО 1) • SGenerator –генерация 2-d интегральной структуры по математической модели ФИЭ

Программное обеспечение (ПО 2) –Perspective –3-d визуализация (пример 1)

Обучение (наносхемотехника) Разработан учебный курс, включающий: • курс лекций («Схемотехника ЭВМ»), • практикум по компьютерному моделированию, • тестирование на сайте http://testing.miem.edu.ru • методические материалы: • учебное пособие 2008 г., • методички по компьютерному моделированию, • база вопросов для тестирования в Интернете

Виртуальная лаборатория N3Dhttp://n3d.miem.edu.ru • Проект N3D предназначен в помощь разработчикам и ведущим специалистам наноиндустрии, студентам соответствующих специальностей, а также для развития научного направления по математическому синтезу и моделированию новых элементных баз СБИС и компьютеров: • 3-d СБИС, • переходные схемы (основанные на переходной схемотехнике), • биочипы, • углеродные нанотрубки, • квантовый компьютер • и пр. • Разработчики могут обмениваться материалами (статьями, ссылками, файлами), публикуя их на сайте N3D, и обсуждать интересующие их вопросы. • Руководитель лаборатории – проф. Трубочкина Н.К.

Разработана базамоделей 3-d наноструктур различной размерности

Проводится их компьютерное моделирование (анализ работоспособности) *Описание схемы Q1 N7 N5 In1 NPN area=1 Q2 N7 N5 In2 NPN area=1 Q3 out N7 Gnd NPN area=1 Q4 N1 out Gnd NPN area=1 Q5 N5 Gnd N4 PNP area=1 Q6 N7 Gnd N3 PNP area=1 Q7 out N1 N6 PNP area=1 R8 N4 N3 50 TC=0.0, 0.0 R9 N8 N3 50 TC=0.0, 0.0 R10 N8 N6 50 TC=0.0, 0.0 R11 N8 N6 50 TC=0.0, 0.0 R12 N8 N6 50 TC=0.0, 0.0 R13 N8 N1 50 TC=0.0, 0.0 v14 N8 Gnd 3.0 * Модели, тип моделирования и перечень рассчитываемых величин .model NPN NPN(Cje=10pF Cjc=20pF Rb=60) .model PNP PNP(Cje=10pF Cjc=20pF Rb=100 Rc=50) VIN1 In1 Gnd 0 Vin2 In2 Gnd 1.8 *.dc VIN1 0 1.8 0.01 .print V(In1) V(Out) .end

3-d визуализация и моделирование • Динамическая 3-d визуализация наноструктуры • Планируется 3-d визуализация распределения потенциалов и температуры

Результаты. Информационные технологии - наноиндустрии • Предлагается методология проведения научного эксперимента по созданию новой элементной базы 3-d СБИС • Разработан математический аппарат для синтеза математических моделей переходной схемотехники и их визуализации • Разработана новая теория синтеза элементов интеллектуальной 3-d наносхемотехники • Предполагается разработка Системы Оптимальных Математических Моделей интеллектуальных элементов различной степени сложности для 3-d СБИС. Часть Системы создана • Создается база данных3-d интеллектуальных наноструктур. Основное требование – структурная минимизация, т.е. реализация заданных функций 3-d элемента минимальным количеством полупроводниковых областей и соединений • Разработано программное обеспечение для разработки 3-d структур переходных элементов

Сопутствующие результаты • В Интернете создана виртуальная учебно-научная лаборатория разработчиков новой элементной базы 3-d СБИС http://n3d.miem.edu.ru • Получен побочный культурологический эффект: • 3-d технологии в интернете (3-d сайты) Пример: http://nadin.miem.edu.ru/my_img/3d_room/3d_p_1_1.html

О руководителе проекта инаучного направления • Трубочкина Надежда Константиновна - доктор технических наук, профессор, Россия, Москва, МИЭМ, кафедра вычислительных систем и сетей. • Работает в области информационных, компьютерных и интернет-технологий, занимается теоретическими разработками в области переходной схемотехники для 3-d СБИС. • Автор более 80 научных работ и изобретений в области создания элементной базы и программного обеспечения для проектирования компьютерных систем. • Читает лекции в Московском институте электроники и математики по компьютерной схемотехнике и Web-дизайну. Ведет курс в интернете по Flash-технологиям. • Имеет сайты: http://nadin.miem.edu.ru http://distant.miem.edu.ru http://testing.miem.edu.ru http://n3d.miem.edu.ru • В 2008 году ее работа "Моделирование 3-d наносхемотехники" получила Золотую медаль и Почетный Диплом на V Международной выcтавкеNTMEX'08 (Россия, Москва)

Контакты: • Адрес: Россия, 121109, Москва, Московский институт электроники и математики (МИЭМ), Б.Трехсвятительский пер., 3/12, кафедра «Вычислительные системы и сети» (ВСиС) • Проф. Трубочкина Надежда Константиновна • Тел.: 7 (495) 916-8909 • Сайт: http://nadin.miem.edu.ru • E-mail: nadin@miem.edu.ru flash@miem.edu.ru

Спасибо за внимание!МЫ БУДЕМ РАДЫ СОТРУДНИЧЕСТВУ С ВАМИ!

Моделирование 3-d наносхемотехники

Моделирование 3-d наносхемотехники

Presentation Transcript