lection 14 (Презентации лекций)

Лекция 14. Перспективы развития ЭВМПерспективы развития ЭВМ и квантовые компьютерыПроблемы развития ЭВМ, нанотехнологии и новые материалы:«напряженный» кремний и «high-k» диэлектрики,GaAs, InP и другие перспективные полупроводники,углеродные нанотрубки, графен и наноструктуры,молекулярные кристаллы.Реализация устойчивых одно- и многоэлектронных состояний в различных системах.Когерентность состояний.

Предельные размеры, быстродействие и энергозатраты.Вычисления в классической и квантовой физике:биты и кубиты,квантовые алгоритмы,области применения.Как построить квантовый компьютер:ионные ловушки, ЯМР, поверхностные наноструктурыразрушение когерентности как источник ошибок при квантовых вычислениях и ихкоррекция.Перспективы реализации квантовых компьютеровФизические основы современных ЭВМ. ВМиК.

http://comp.ilc.edu.ruЛекция 14. Перспективы развития ЭВМИстория1947 - У. Шокли, Bell Labs, точечный транзистор1951 - У. Шокли, Bell Labs, биполярный транзистор1956 - У. Шокли, Нобелевская премия за открытиетранзисторного эффектаТочечный транзистор (1947)1952 - Bell Labs, продажа лицензий на выпускбиполярных транзисторов ($ 25000, 26 фирм)Планарный транзистор (1951)Физические основы современных ЭВМ. ВМиК.

http://comp.ilc.edu.ruЛекция 14. Перспективы развития ЭВМИстория1954 - Bell Labs, транзистор с толщиной базы1 мкм (частота 170 МГц)1955 - Bell Labs, первый полевой транзисторСхема из патента Эрни напланарный транзистор1955 - Bell Labs, в производстве уже используются всеосновные технологические операции микроэлектроники:осаждение изолятора, фотолитография с масками (200мкм), травление и диффузияРучная нарезка маски дляфотолитографииФизические основы современных ЭВМ. ВМиК. http://comp.ilc.edu.ruЛекция 14.

Перспективы развития ЭВМИсторияКристалл интегральной схемы(триггер, 1960)Патент Нойса на планарнуюинтегральную схему (1959)1952 - Джэффри Даммер, идея интегральной схемы («брусок без проводов»)1958 - Джэк Килби, первая интегральная схема (пять элементов, генератор)2000 - Джэк Килби, Нобелевская премия за создание интегральной схемыФизические основы современных ЭВМ. ВМиК. http://comp.ilc.edu.ruЛекция 14.

Перспективы развития ЭВМИстория1959 - Джон Аталла и Дэвон Канг, Bell Labs,полевой транзистор с изолированнымзатвором (МОП)Патент на полевойтранзистор (1960)1963 - транзисторно-транзисторная логика (ТТЛ)1963 - Фрэнк Уанласс, Fairchild, использованиекомплементарных МОП (КМОП) структуруменьшает энергопотребление в статике~1.000.000 раз4-битный ЦП Intel i4004Физические основы современных ЭВМ. ВМиК. http://comp.ilc.edu.ruЛекция 14. Перспективы развития ЭВМЗакон Мура1965 - Гордон Мур, доклад «Будущее интегральнойэлектроники», график (5 точек, период 1959–1964),связывающий число компонентов на чип (и ихминимальную цену) и времяЭти чипы - источник закона МураОсновной вывод Мура: «Число компонентов начипе удваивается каждый год»На базе экстраполяции этой (экспоненциальной)зависимости был сделан прогноз развитиямикроэлектроники на следующие 10 лет, и этотпрогноз оправдался (!!!).19 апреля 1965 - отредактированная версиядоклада публикуется в журнале «Electronics»Закон Мура (биполярная и полеваялогика, память, 1975)Физические основы современных ЭВМ.

ВМиК. http://comp.ilc.edu.ruЛекция 14. Перспективы развития ЭВМКремний на изоляторе1998 - IBM, технология «кремний наизоляторе» (КНИ, SOI): на кремниевойпластине формируется слой SiO2(изолятор), а поверх него - тонкий слой SiКремний на изоляторе (IBM, 1998)Строго говоря, «кремний на сапфире»(КНС) - это тоже КНИ, т.к. сапфир (Al2O3)также является изолятором, но технологияIBM дешевле и лучше приспособлена кимеющемуся оборудованию. Однако за 13лет лидер полупроводниковойпромышленности, Intel, так это и незаметил и продолжает использовать «bulksilicon», т.е.

чистые кремниевые пластины,поскольку они дешевлеФизические основы современных ЭВМ. ВМиК. http://comp.ilc.edu.ruЛекция 14. Перспективы развития ЭВМФотолитография1982 - IBM, внедрение в фотолитографиюэксимерных лазеров с длинами волн 248(KrF) и 193 (ArF) нм.Поскольку воздух поглощает излучение надлинах волн короче 186 нм, в самыхсовременных техпроцессах с нормамименее 30 нм по-прежнему используются ArFлазеры.Рано или поздно состоится переход наэкстремальный ультрафиолет (ЭУФ, EUV) сдлинами волн 13,5 нм (и менее), чтозаставит использовать вакуумные камерыСовременный литографическийсканер ASML TwinScan 1950iФизические основы современных ЭВМ. ВМиК. http://comp.ilc.edu.ruЛекция 14. Перспективы развития ЭВМИммерсионная литография2006 - иммерсионная литография:пространство между последней линзой иэкспонируемой пластиной заполняется невоздухом, а жидкостью (на сегодня водой).

Из-за большего показателяпреломления жидкости (1 для воздуха и1,33 для воды) и соответствующего ростачисловой апертуры (NA) это улучшаетразрешение на 30–40%.Иммерсионная литографияIntel использует иммерсионнуюлитографию, начиная с техпроцесса 32-нм,а AMD - уже с техпроцесса 45-нм.Физические основы современных ЭВМ.

ВМиК. http://comp.ilc.edu.ruЛекция 14. Перспективы развития ЭВМЗакон МураТехнологические нормысложных микросхем. Падаети их цена - правда, не вдвое,а примерно в 1,5 раза прикаждом переходе наочередной техпроцессФизические основы современных ЭВМ. ВМиК. http://comp.ilc.edu.ruЛекция 14. Перспективы развития ЭВМЗакон МураТехнологические нормы дляпроцессоров Intel.По мнению компании, 15-нмтехпроцесс должен статьпервым, где будет примененэкстремальныйультрафиолет (EUV)Физические основы современных ЭВМ. ВМиК. http://comp.ilc.edu.ruЛекция 14. Перспективы развития ЭВМЗакон МураПлощадь кристалла длянаиболее сложныхмикросхем (процессоры ипамять) на указанный по осиабсцисс год.Тенденция до 90-х годов увеличение площади на 14%в год (прямая линия) остановлена, но площадьсамых сложных кристалловдостигает 400-500 мм²Физические основы современных ЭВМ.

ВМиК. http://comp.ilc.edu.ruЛекция 14. Перспективы развития ЭВМЗакон МураЭкспоненциальный ростчисла транзисторов накристалле интегральнойсхемы.Начиная с 70-х годов этотрост для микросхем памятии процессоров идетменьшими темпами - 58 % и38 % в годФизические основы современных ЭВМ. ВМиК. http://comp.ilc.edu.ruЛекция 14. Перспективы развития ЭВМЗакон МураЧисло дефектов на 1 см² площадикристалла для самых продвинутыхфабрик при финишномтестировании. Жирные цифры –технологические нормы в мкм, вскобках - диаметр пластинПлотность дефектов для чиповIntel, произведенных по разнымтехнологическим нормам. По осиординат также используетсялогарифмический масштабФизические основы современных ЭВМ.

ВМиК. http://comp.ilc.edu.ruЛекция 14. Перспективы развития ЭВМЗакон МураСтоимость современного завода (илиего стоимость после обновления)выросла в 70 раз за 30 лет, а ценакаждого транзистора упала в 2000 разУдельные цены пластины и микросхемза единицу характеристики.

Линиясоответствует ежегодному падениюцены на 35% (в 1,54 раза)Физические основы современных ЭВМ. ВМиК. http://comp.ilc.edu.ruЛекция 14. Перспективы развития ЭВМКристаллические решетки Si и SiO2Кристаллическая решетка a-кварца(SiO2) ромбоэдрическая. На однуячейку с параметрами а = 0,490 нми с = 0,539 нм приходится тримолекулы SiO2Кристаллическая решетка кремниякубическая гранецентрированнаятипа алмаза, параметр решеткиа = 0,543 нмФизические основы современных ЭВМ. ВМиК. http://comp.ilc.edu.ruЛекция 14.

Перспективы развития ЭВМТуннельный эффектТуннельный эффект - преодоление частицейпотенциального барьера в том случае, когда ее энергия(останется неизменной) меньше высоты барьера.В классической механике это невозможно. Аналог вволновой оптике - проникновение света внутрьотражающей среды на расстояния порядка длины волныпри полном внутреннем отраженииЭффект является следствием соотношениянеопределенностейОграничения по координате (рост определенности по x)делают импульс p менее определенным. Это«добавляет» недостающую энергию и с некоторойвероятностью частица проникает через барьер, причемее средняя энергия остается неизменнойТуннельный диодФизические основы современных ЭВМ. ВМиК.

http://comp.ilc.edu.ruЛекция 14. Перспективы развития ЭВМКвантово-размерный эффектКвантово-размерный эффект - перенормировка иквантование энергии частиц, движение которыхограничено в каких-то направлениях.Пример - гетероструктура AlGaAs / GaAs / AlGaAs, гдедвижение электронов в слое (GaAs, толщина ~10 нм)ограничено потенциальными барьерами (AlGaAs) ивозникают дискретные уровни En, соответствующиедвижению электронов поперек слоя GaAsКвантовая ямаПеренормировка является следствиемсоотношения неопределенностейЦвет свечения квантовых точекзависит от их размераЕсли ограничить частицу по x в пределах L,возникнет неопределенность px ~. Этоизменит кинетическую энергию наФизические основы современных ЭВМ.

ВМиК. http://comp.ilc.edu.ruЛекция 14. Перспективы развития ЭВМ«Напряженный» кремнийВ 2004 технологию «напряженный»кремний» Intel и AMD применили длятехпроцесса 90 нм. Для 65 нм былавнедрена ионная имплантация германия иуглерода в исток и сток. Германий«раздувает» концы транзистора и сжимаетканал, что увеличивает скорость дырок(основных носителей заряда в pканальных транзисторах). Углеродсжимает исток и сток, что растягивает nканал, увеличивая подвижностьэлектронов.

Также весь p-канальныйтранзистор покрывается сжимающимслоем нитрида кремния«Напряженный» кремний (IBM, 2001)Физические основы современных ЭВМ. ВМиК. http://comp.ilc.edu.ruЛекция 14. Перспективы развития ЭВМ«High-k» диэлектрикиДля 90-нм техпроцесса толщина затворауменьшилась до 1,2 (Intel) - 1,9 (Fujitsu) нмпри периоде решетки кремния - 0,543 нм. Втаких условиях электроны начинаюттуннелировать через диэлектрик, чтоприводит к утечке тока.

Поэтому для 65-нмтехпроцесса уменьшились все параметрытранзистора, кроме толщины затвораТолщина подзатворного изолятора вSiO2-эквиваленте и относительнаяутечка токаФизические основы современных ЭВМ. ВМиК. http://comp.ilc.edu.ruЛекция 14. Перспективы развития ЭВМ«High-k» диэлектрики2007 (45-нм техпроцесс) - появлениетехнологии HKMG (high-k metal gate,изолятор с высокой диэлектрическойпроницаемостью и металлический затвор).Толщина подзатворного изолятора вSiO2-эквиваленте и относительнаяутечка токаk - относительная диэлектрическаяпроницаемость.