Введение к работе
Актуальность работы
В настоящее время большинство цифровых устройств, выпускаемых по всему миру, использует в качестве элементной базы КМОП схемотехнику. Это проверенное годами решение имеет много преимуществ. Однако, с развитием техники КМОП технология все более усложнялась, а энергопотребление конечных устройств росло. При переходе к технологиям с характерным размером 90 нанометров и менее стало очевидно, что простое уменьшение топологических норм уже не в состоянии адекватно увеличивать рабочие характеристики устройств, для этого требуется еще и усложнение технологии, что неизбежно приводит к удорожанию электронной продукции. Да и само уменьшение минимальных топологических норм становится проблемой при приближении к фундаментальным физическим ограничениям.
С другой стороны, проблема отвода тепла от приборов давно перешла из разряда второстепенных. Мощность становится одним из решающим факторов, сдерживающих дальнейшее увеличение плотности компоновки элементов на кристалле. Данная задача становится более актуальной с расширением рынка мобильных устройств, поскольку технологии изготовления портативных элементов питания также близки к достижению фундаментальных физических ограничений.
Задача уменьшения мощности, потребляемой цифровыми устройствами, в настоящее время решается разнообразными способами, например введение нескольких уровней питания, отключения питания от простаивающих блоков, использование транзисторов с различными
пороговыми напряжениями и прочее. Все эти решения реализуются в рамках КМОП технологии, они требуют дополнительных аппаратных затрат и совершенно игнорируют другую задачу - упрощение технологии изготовления и, соответственно, уменьшение стоимости цифровых устройств.
Поэтому задача разработки альтернативного элементного базиса на сегодняшний день является востребованной и актуальной. Цель работы.
Цель работы заключается в исследовании и разработке нового типа квазиадиабатической логики на основе конденсаторно-транзисторных элементов, имеющей преимущества по энергопотреблению и аппаратным затратам по отношению к адиабатической и традиционной КМОП логике.
Для достижения данной цели необходимо было решить следующие задачи:
Разработать конфигурацию и принципы функционирования логического элемента.
Обнаружить и исследовать возможные побочные эффекты (слабые стороны), возникающие при работе базового элемента, разработать методологию устранения влияния данных эффектов на функциональные возможности логики.
Исследовать все возможные типы взаимодействий между элементами в составе сложного логического блока, обнаружить возможные проблемы и разработать методику их устранения. Разработать общую методологию построения цифровых устройств произвольной сложности на элементах конденсаторно-транзисторного
типа.
Проанализировать разработанные методики на наборе типовых цифровых устройств с различными нормами проектирования (180 и 45 нм). На основе анализа выявить преимущества и недостатки разрабатываемых схем.
Разработать маршрут физической реализации приборов, провести сравнительный анализ их функциональности относительно КМОП устройств, по результатам анализа, возможно, внести изменения в базовую конструкцию.
Получить и исследовать экспериментальный образец устройства разрабатьшаемой логики, провести экспериментальную апробацию основных результатов моделирования.
Научная новизна работы заключается в следующем:
1)Предложен новый тип элемента конденсаторно-транзисторной логики, имеющей преимущества по отношению к традиционным КМОП и квазиадиабатическим схемам по уровню энергетической эффективности и занимаемой площади.
2)Впервые показано, что энергоэффективная элементная база может иметь выигрыш по площади, занимаемой на кристалле.
3)Установлен режим работы базового элемента в составе цифровых устройств и предложен способ их схемотехнической организации на элементах данного типа.
4) Создана трехмерная численная модель, позволившая исследовать на физическом уровне особенности функционирования разработанной элементной базы.
5)Обнаружена и исследована зависимость энергоэффективности
разработанного элемента от его физической реализации и предложен технологический маршрут создания элементов подобного типа.
Практическая значимость работы заключается в следующем:
Предложенный в работе новый тип логического элемента позволяет реализовывать цифровые блоки с квазиреверсивным способом производства информации, содержащие только n-канальные МОП транзисторы.
Разработана методика и маршрут проектирования сложных цифровых устройств на основе элементов конденсаторно-транзисторного типа.
Результаты работы создают основу для последующих разработок семейства логических базисов на основе конденсаторно-транзисторного элемента, которые могут быть использованы в цифровых устройствах с повышенными требованиями к энергоэффективности и стоимости конечных изделий, что особенно актуально с развитием рынка мобильных устройств.
Результаты работы внедрены при выполнении трёх НИР, выполненных на кафедре интегральной электроники и микросистем МИЭТ, а также в учебный процесс МИЭТ.
На защиту выносятся следующие положения:
Разработанная с использованием средств моделирования конструкция базового элемента конденсаторно-транзисторного типа.
Методика построения сложных цифровых устройств на основе элементов конденсаторно-транзисторного типа.
Результаты сравнительного анализа набора цифровых
устройств, построенных на элементах конденсаторно-транзисторного типа.
4. Разработанный маршрут проектирования устройств конденсаторно-транзисторного типа и результаты физико-технологического сравнительного анализа этих элементов.
Апробация результатов работы.
Результаты работы докладывались на всероссийском
молодежном научно-инновационном конкурсе-конференции
"Электроника - 2006", тринадцатой международной научно-технической конференции студентов и аспирантов "Радиоэлектроника, электротехника и энергетика", 2007 год, МЭИ, четырнадцатой всероссийской межвузовской научно-технической конференция студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика - 2007», МИЭТ, международной научно-технической школе-конференции "Молодые ученые - науке, технологиям и профессиональному образованию", 2008 год, МИРЭА, конференции «Физические проблемы наноэлектроники, нанотехнологии и микросистем (ФПННиМ - 2009)», 10-ой юбилейной конференции-семинаре по микро/нанотехнологиям и электронным приборам EDM-2009, конференции MB-JASS 2009 и 18-ой всероссийской межвузовской научно-технической конференции студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика 2011» .
Публикации.
По материалам диссертации опубликовано 10 работ, включая 2 статьи в изданиях, входящих в перечень ВАК, 8 - в специализированном сборнике научных трудов, в материалах,
сборниках научных трудов и тезисах докладов научно-технических конференций.
Структура и объем диссертации.
