но полученной для реализации наперед заданных свойств. Это можно сравнить с подобными достижениями в физике полимеров и химии, молекулярной и генной инженерии, открывшими перспективы созрлния совершенно новых сверхмалых элементов цепей на молекулярном уровне: вентилей и проводящих цепочек [16, 17].

Третья проблема связана с появившимися в последнее время отступлениями от традиционных методов построения логических систем на основе последовательной "случайной" архитектуры. Это происходит из-за ограничений, которые налагаются пределами рассеиваемой мощности и планарной технологией на схемы с высокой степенью интеграции, вьшолняющие функции запоминания или логической обработки информации, а также возникающими задержками и сложностями синхронизации в соединяющих цепях. Кроме того, оптимальность проектирования СБИС требует, чтобы их архитектура бьша более регулярной и повторяющейся, а существующие для этого методы очень слабо теоретически обоснованы.

В-четвертых, при сверхбольшой степени интеграции появились проблемы, связанные с возможностью возникновения в работе схем сбоев из-за естественной и искусственной радиации, а также из-за наличия внутренних дефектов и явлений флуктуации [19]. Уже используется схемная избыточность в однокристальных ИС, но очень может быть, что понадобятся радикальные изменения в принципах построения таких систем обработки информации [9]. В данном случае можно напомнить, что такие естественные сложные обрабатывающие системы, которыми являются мозг и глаза человека, демонстрируют потрясающую стабильность и способность противостоять локальным изменениям. Это объясняется тем, что естественные системы организованы совсем по другому принципу, чем искусственно созданные [20, 21].

Перечень проблем можно значительно продолжить. Однако ограничимся в данном случае определением области их существования. Поскольку миниатюризация элементов привела к появлению структур с размерами менее 1 мкм на основе полупроводников, изоляторов, металлов, а при определении их характеристик необходимо учитывать явления, связанные с неравновесными процессами, то возникшие проблемы относятся к области, лежащей между макроскопической физикой твердого тела и атомно-молекулярной физикой [5-9]. Это положение можно проиллюстрировать диаграммой, представленной на рис. 18.1, где показана физическая шкала возможной технологической реализации интегральных схем на кремнии с учетом ограничений современной литографни. Ее анализ с очевидностью показывает, что полупроводниковые приборы с размерами, сравнимыми с длиной свободного пробега в объеме, классической длиной экранирования или длиной волны де Бройля, будут иметь различные свойства или, возможно, не будут работать вообще. Недостаток фундаментальных знаний при рассмотрении такой физической шкалы приводит к сложностям при оценке ограничений отдельных приборов и, что более важно, затрудняет определение предельных возможностей интегральных систем на их основе [5 - 9].

С практической точки зрения развитие современной электроники находится на перепутье. Конечно, некоторые направления развития можно прог-

14 - 6517

Физическая шкала

область дидимого

сЗета Дойна сЬободного пробега электрона

Длина баллы электрона -

ЮОмкм

Шмкм

1мкм

•ЮОнм

-/Онм

Размеры молекрлы-*-

белка лротеина

Внутриатомные г.,,

размеры -

область размерод атомов или малых молекул

Электронно-лучевая, молекулярно-лучевая и ренг.- новская литография

!нм 10нм ЮОнм !мкм Юмкм ЮОмкм Минимальные размеры элементов, достижимые При использовании методов литографии

Рис, 18.1. Физическая шкала реализаций приборов на кремнии с учетом ограничений

литографии

нозировать, но в данном случае очень сложно определить, какие материалы, электронные процессы, системы и т. д. будут наиболее важными в конце ближайшего десятилетия. Действительно, трудно оценить возможности, например, только возникшей, но не развитой биоэлектроники по сравнению с обширной областью применения микропроцессорных систем. Появление некоторых радикальных путей развития возможно, и мы обсудим их в следующих разделах данной главы.

18.3. МАЛОГАБАРИТНЫЕ И СВЕРХБЫСТРОДЕЙСТВУЮЩИЕ СИСТЕМЫ

Основной подход к созданию сверхбыстродействующих систем вычислительной техники и обработки информации связан с повышением быстродействия и уменьшением потребляемой мощности активными приборами и соединяющими цепями. При этом для получения высокого быстродействия можно использовать следующие методы: выбор полупроводниковых материалов с высокой подвижностью носителей заряда, с охлаждением или без него; применение приборов с очень короткой длиной канала; использование логических элементов на основе эффекта сверхпроводимости и, наконец, параллельных и иных методов организации обработки, позволяющих существенно повысить общую скорость обработки информации. Во всех случаях наибольший выигрыш в быстродействии получается при применении приборов с очень маленькими размерами активных областей и короткими соединениями, что обеспечивает уменьшение времени задержки распространения сигналов и снижение рассеиваемой мощности.

Существуют вполне конкретные физические ограничения, позволяющие определить минимальные размеры, при которых любые конкретные струк-

туры приборов могут еще функционировать [5, 6, 9]. В данном случае можно найти абсолютный предел геометрических размеров [9], который лежит в диапазоне 5-20нм, если, конечно, не учитывать возможности молекулярных приборов [17]. Эта величина очень близка к тем размерам элементов, которые могут быть получены с использованием электроннолучевого, рентгеновского или ионно-лучевого метода литографии. Реальные проблемы связаны с определением конкретных структур приборов, которые должны быть использованы для получения вьюокого быстродействия и малых потребляемых мощностей, и оценкой того, могут ли быть задержки сигналов, возникающие в межсоединениях таких приборов, уменьшены до требуемых пределов. Решение этих проблем в значительной степени будет зависеть от того, какие материалы и технологические методы изготовления приборов будут использованы в данном случае. В качестве примера, подтверждающего сказанное, можно отметить, что если оценить производительность вычислительной техники произведением быстродействия прибора на число таких приборов в одном кристалле, то цифровые ИС на GaAs ПТШ, несмотря на их более высокое быстродействие, в ближайшие десять лет не будут конкурировать с кремниевыми ИС на МДП-транзисторах.

Основная сложность, возникающая при проектировании быстродействующих приборов с размерами, составляющими доли микрометра, связана с невозможностью предсказания их характеристик с уменьшением геометрических размеров. Это объясняется прежде всего тем, что в настоящее время отсутствует теория такого предсказания, которая позволила бы одновременно прогнозировать воздействие всех физических эффектов на характеристики прибора. Например, пренебрежение действием температуры означает, что существующие потенциалы в приборе не могут быть предсказаны с точностью выше, чем kTjq (более высокая точность необходима для определения надежности [5]), так что напряженность электрического поля при этом будет расти с увеличением температуры (для Г=300К, U=kTlq и длины канала к.~0>25мкм получим минимальную напряженность электрического поля 1- ЮкВ/см.) В структурах кремниевых МДП-транзисторов может существовать неоднородное самосогласованное электрическое поле с максимальной напряженностью около 100кВ/см [8]. Следовательно, можно ожидать проявления таких эффектов большого поля, как разогрев электронов с соответствующими проблемами надежности прибора и изменениями характера процессов переноса носителей заряда [8].

Вторая проблема связана с тем, что время пролета носителей заряда через прибор зависит в первом приближении от его длины. Предположив, например, что средняя скорость дрейфа носителей заряда равна Ю см/с, а длина канала =0,1 мкм, получим время пролета sal пс, сравнимое (во многих случаях меньшее) со средним временем пробега между двумя актами рассеяния тис постоянной времени т описывающей определенный процесс рассеяния. Условия, при которых т<т, (длина свободного пробега превосходит длину канала или какой-либо другой размер прибора) , соответствуют тому случаю нестационарной динамики носителей заряда, который не описывается классическими уравнениями, используемыми ранее. Нестацио-