проф., д.т.н. Трубочкина Н.К. 8-903-738-13-52 nadin@miem.ru

1. (Поиск инвесторов) Проект N3D (Nano-3D) «Моделирование переходной3D-наносхемотехники -элементной базы вычислительных систем нового типа» проф., д.т.н. Трубочкина Н.К. 8-903-738-13-52 nadin@miem.edu.ru Россия, г. Москва, МИЭМ, кафедра «Вычислительные системы и сети», НОЦ N3D (Nano-3D) 2010 г.

2. Предметная область Синтез и компьютерное моделирование интеллектуальных слоистых наноструктур и наносистем нового типа

3. Определения • Схемотехника (вычислительных систем, суперкомпьютеров, интеллектуальных систем) – схемы и методы их создания (синтез, анализ, оптимизация, конструирование). • Наносхемотехника – схемотехника с компонентами нанодиапазона (до 100 нм), дающая новое качество создаваемых объектов

4. Цели и задачи проекта N3D Цели: Задачи: разработка концепции, теории, методов, алгоритмов, программного обеспечения для создания новой элементной базы компьютеров (интеллектуальных систем) и самой элементной базы; создание элементов, устройств и технических систем, функционирование которых определяется наноструктурой, то есть ее упорядоченными фрагментами размером от 1 до 100 нанометров; • поиск и решение задач развития в области создания новых интеллектуальных технических систем, их элементной базы и технологий; • преодоление проблем развития кремниевой микроэлектроники.

5. Компонент-макросхема-система наносхемотехники Чип (элементная база) Интеллектуальная система

6. Прошлое и настоящее элементной базы компьютеров Этапы развития элементной базы компьютеров: от механического ключа до 3D интегральных схем

7. Законы Мура 1-й 1 закон Емкость микросхем удваивается каждые полтора года 2 закон Уменьшение размеров структур влечет за собой увеличение стоимости производственного процесса

8. Настоящее и будущеесхемотехники Направления научных исследований и разработок

9. Направления научного поиска N3D ПОИСК ОПТИМАЛЬНОГО КОМПОНЕНТА Новый суперкомпьютер (интеллектуальная система) ПОИСК АЛЬТЕРНАТИВНЫХ МАКРОСХЕМ ПОИСК АЛЬТЕРНАТИВНОГО КОМПЬЮТЕРА

10. Поиск оптимального компонента (1) FinFET-транзистор 3D МОП транзистор Использование третьего измерения. Уход от планарных схем

11. Поиск оптимального компонента (2) Полевой транзистор на основе графеновой наноленты. S – исток, D - сток, G – затвор. Обычный МОП- транзистор Пьезотранзистор – использует не электрическое управление на затворе

12. Поиск оптимального компонента (3) ДНК- транзистор Органический светоизлучающий полевой транзистор Новый подход в схемотехнике – сочетание в компоненте неживой и живой форм Толщина слоя оксида кремния — 100 нм, и активный слой толщиной 60 нм. Исток и сток размещены в границах x < 1 мкм и x > 9 мкм, соответственно.

13. Поиск альтернативных макросхем Углеродные наносети Нейроны + кремниевая электроника Биочипы

14. Поиск альтернативных компьютеров (1) D-Wave Orion: первый квантовый компьютер Чип квантового компьютера

15. Поиск альтернативных компьютеров (2) Схема вентиля логического сложения (OR) для молекулярного биокомпьютера Таблица истинности False – «Ложь» True – «Истина» Output - выход В таблице истинности стрелки вверх указывают на присутствие мРНК (mRNA). Применение : оценка влияния потенциальных лекарственных препаратов на человеческие клетки в культуре и в медицине – для диагностики различных болезней

16. Пример использования системы наук – поиск оптимальной схемотехники для компьютеров • Интегральные структуры и математические модели • биполярного а), б), в) и • МОП г), д), е) транзисторов в переходной схемотехнике. Транзисторы – схемы переходной схемотехники

17. Структура проекта по созданию кремниевой переходной наносхемотехники – модель виртуальной нанофабрики Математика, физика, химия, информатика Разработка технологий для наноструктур Математика, физика, химия, информатика Моделирование наноструктур Генерация Математика, информатика наноструктур Математика, физика, схемотехника, информатика Синтез математических моделей

18. F = Fy U FH Fy = {Fyi} = (E1,…,Ek1,I1,…,Ik2,φ1,…,φk3…) FH = {FHi} = (вх1,…, вхm, вых1,…, выхn) Еi - напряжение, Ij - ток, φк - свет, давление и пр., вхi – область, на которую подается входной сигнал, выхi - область, с которой снимается выходной сигнал (реакция) Теория. Компонент новой схемотехники – материал (N=1) Т = {Ti}(i=1,..n) = (p, n, p+, n+,…SiO2, Al, Ga…) = П U Д U М 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 F i T i

19. N=1. Материал

20. N=2. Внутренний переход Основной компонент переходной схемотехники

21. N=2. Поверхностный переход Основной компонент переходной схемотехники

22. Примеры переходов Полупроводник- Полупроводник Полупроводник- Диэлектрик Полупроводник- Металл Атом-Атом Атомарный транзистор

23. n p 3D-моделирование наноструктуры p-n-перехода. Исходные данные СИНТЕЗ ГЕНЕРАЦИЯ СТРУКТУРЫ p n n p Структурная формула внутреннего перехода Каркас Абстрактная модель Расчетная сетка Назначение материалов

24. Результаты моделирования По характеристикам определяется работоспособна разрабатываемая наноструктура или нет

25. 3D-анимация пространственного заряда в наноструктуре p-n-перехода по оси Z

26. 3D-анимация электростатического потенциала в наноструктуре p-n-перехода по оси Z

27. 3D-анимация плотности тока дырок в области контакта катода в наноструктуре p-n-перехода по оси X

28. n p n Смешанное 3D-моделирование биполярного нанотранзистора F0 модель вх вых Передаточная характеристика ступенчатой структуры биполярного транзистора, полученная в результате смешанного моделирования

29. Алгоритм синтеза структур математическоймодели биполярноготранзистора N=3

30. База данных. Слоистые наноструктуры - от транзистора (N=3) до 3D-вентиляИ-НЕ (N=8) Биполярный нанотранзистор 3D вентильИ-НЕ

31. ox p n n Проектирование МОП-транзистора. N=4 вх F0 вых Модель n-канального МОП транзистора в переходной схемотехнике. N=4 F0 3D-моделирование пространственного заряда в наноструктуре МОП транзистора. Сканирование по оси X

32. Уравнение синтеза математических моделей "ИЛИ", "НЕ-И","И" N=4

33. вх p F0 n E p вых n Схема – модель И2Линвертора в переходной схемотехнике. N=4 Модель инжекционного инвертора – первой логической схемы кремниевой переходной полупроводниковой схемотехники Модели органической химии

34. 3D-моделирование скорости электронов в И2Л наноструктуре N=4. Сканирование по оси Y

35. 3D-моделирование плотности дырок в И-НЕ наноструктуре N=8. Сканирование по оси Z. Проектная норма 10 нм

36. Уравнение синтезаматематической модели схемы И-ИЛИ-НЕ N=13 Исходные модели – 2 модели И-НЕ

37. Генерация 3-D структуры И-ИЛИ-НЕ N=13

38. Уравнение синтеза математической моделисхемы переноса одноразрядного сумматора в базисе ЭСЛ (модели устройств в переходной схемотехнике) – проектирование комбинационных устройств

39. Схемы памяти.Уравнение синтеза математической модели RS-триггера N=8 (ДБЯвх)

40. 3D-моделирование плотности дырок в RS-наноструктуре N=8. Сканирование по оси Z. Проектная норма 10 нм

41. Уравнение синтеза математической модели регистра – проектирование схем памяти

42. Научные результаты применения переходной схемотехники в кремниевой наноэлектронике Получены принципиально новые переходные слоистые логические наноструктуры и наноструктуры памяти. Наноструктуры обладают патентной новизной. На их основе можно создавать чипы нового поколения для суперкомпьютеров.

43. Научно-технический уровень (на примере 4 слойной наноструктуры И-НЕ) Использование теории переходной схемотехники дает количественный выигрыш: • уменьшено количество полупроводниковых областей с 11 (в транзисторном аналоге) до 8 (в переходном), выигрыш по областям составляет 37,5%; • уменьшено количество внутренних соединений с 3 (в транзисторном аналоге) до 1 (в переходном), выигрыш по соединениям составляет 200%.

44. Общая сумма мест по мощности (P), быстродействию (Т) и информационной плотности (1 место – лучшее)

45. Практические результаты применения переходной схемотехники в кремниевой наноэлектронике При 10-нм проектной норме и минимальной толщине базовых слоев в 3 нм, например, 4-слойная наноструктура И-НЕ обладает следующими техническими параметрами: • площадь самой структуры (нм2) - 50х50 ; • площадь структуры на базовом кристалле (нм2) - 70х70; • информационная плотность (вентилей/см2) 2*1010 • частота (Гц) 1*1010 in – вход out – выход E – питание F0 - «земля» 4-слойная наноструктура И-НЕ Переходная модель 4-слойной наноструктуры И-НЕ

46. Структура проекта N3D МИЭМ (реализованы 3 этапа) Необходима Описано в монографии Реализовано

47. Спасибо за внимание!Проекту N3D Необходима эффективная поддержка