Наноэлектромеханическое реле
Наноэлектромеханическое , ( NEM ) реле с электрическим приводом — это переключатель созданный в нанометровом масштабе с использованием технологий изготовления полупроводников . Они предназначены для замены традиционной полупроводниковой логики или в сочетании с ней. Хотя механическая природа реле NEM заставляет их переключаться гораздо медленнее, чем твердотельные реле , они обладают множеством преимуществ, таких как нулевая утечка тока и низкое энергопотребление , что делает их потенциально полезными в вычислениях следующего поколения.
Типичному реле NEM требуется потенциал порядка десятков вольт для «втягивания» и контактного сопротивления порядка гигаом. Покрытие контактных поверхностей платиной может снизить достижимое контактное сопротивление до 3 кОм. [1] По сравнению с транзисторами реле NEM переключаются относительно медленно, порядка наносекунд. [2]
Операция
[ редактировать ]
Реле NEM может быть изготовлено в конфигурации с двумя, тремя или четырьмя клеммами. Трехконтактное реле состоит из истока (вход), стока (выход) и затвора (терминал срабатывания). К источнику прикреплена консольная балка, которую можно согнуть, чтобы она соприкоснулась со стоком, чтобы обеспечить электрическое соединение. значительная разница напряжений Когда между балкой и затвором прикладывается и электростатическая сила преодолевает силу упругости балки, достаточную для того, чтобы согнуть ее до контакта со стоком, устройство «втягивается» и образует электрическое соединение. В выключенном положении исток и сток разделены воздушным зазором. Такое физическое разделение позволяет реле NEM иметь нулевую утечку тока и очень резкие переходы включения/выключения. [3]
Нелинейный характер электрического поля и адгезия между пучком и стоком заставляют устройство «выдергиваться» и терять соединение при более низком напряжении, чем напряжение, при котором оно втягивается. Этот эффект гистерезиса означает, что между притяжением существует напряжение. по напряжению и напряжению срабатывания, которое не изменит состояние реле, независимо от его исходного состояния. Это свойство очень полезно в приложениях, где информацию необходимо хранить в схеме, например, в статической оперативной памяти . [1]
Изготовление
[ редактировать ]Реле NEM обычно изготавливаются с использованием методов поверхностной микрообработки, типичных для микроэлектромеханических систем (МЭМС). [4] Реле с боковым управлением изготавливаются путем предварительного нанесения двух или более слоев материала на кремниевую пластину . На верхний структурный слой нанесен фотолитографический рисунок с целью формирования изолированных блоков самого верхнего материала. Затем нижний слой выборочно вытравливается, в результате чего тонкие структуры, такие как балка реле, консольно располагаются над пластиной и могут свободно изгибаться вбок. [1] Обычным набором материалов, используемых в этом процессе, является поликремний в качестве верхнего структурного слоя и диоксид кремния в качестве жертвенного нижнего слоя.
Реле NEM могут быть изготовлены с использованием процесса, совместимого с серверной частью линии , что позволяет создавать их поверх CMOS . [1] Это свойство позволяет использовать реле НЭМ для существенного уменьшения площади отдельных цепей. Например, гибридный релейный инвертор CMOS-NEM занимает 0,03 мкм. 2 , что составляет одну треть площади 45-нм инвертора КМОП. [5]
История
[ редактировать ]Первый переключатель, изготовленный с использованием методов микрообработки кремния, был изготовлен в 1978 году. [6] Эти переключатели были изготовлены с использованием массовой микрообработки процессов и гальваники . [7] В 1980-х годах были разработаны методы поверхностной микрообработки. [8] и эта технология была применена при изготовлении переключателей, что позволило создавать более мелкие и более эффективные реле. [9]
Основным ранним применением реле MEMS было переключение радиочастотных сигналов, при которых твердотельные реле имели низкую производительность. [10] Время переключения этих ранних реле превышало 1 мкс. Уменьшив размеры ниже одного микрометра, [11] а переходя на наномасштаб, МЭМС-переключатели достигли времени переключения в диапазоне сотен наносекунд. [5]
Приложения
[ редактировать ]Механические вычисления
[ редактировать ]Из-за утечки транзисторов существует предел теоретической эффективности КМОП-логики. Этот барьер эффективности в конечном итоге препятствует дальнейшему увеличению вычислительной мощности в приложениях с ограниченным энергопотреблением. [12] Хотя реле NEM имеют значительные задержки переключения, их небольшой размер и высокая скорость переключения по сравнению с другими реле означают, что механические вычисления с использованием реле NEM могут оказаться жизнеспособной заменой типичных КМОП на основе интегральных схем и преодолеть этот барьер эффективности КМОП. [3] [2]
Реле NEM переключается механически примерно в 1000 раз медленнее, чем твердотельный транзистор переключается электрически. Хотя это делает использование реле NEM для вычислений серьезной проблемой, их низкое сопротивление позволит соединить вместе множество реле NEM и переключаться все одновременно, выполняя один большой расчет. [2] С другой стороны, транзисторную логику приходится реализовывать в небольших циклах вычислений, поскольку их высокое сопротивление не позволяет соединить в цепочку множество транзисторов с сохранением целостности сигнала. Следовательно, можно было бы создать механический компьютер с использованием реле NEM, который работал бы на гораздо более низкой тактовой частоте, чем логика CMOS, но выполнял бы более крупные и сложные вычисления в течение каждого цикла. Это позволит логике на основе реле NEM работать в соответствии со стандартами, сопоставимыми с современной логикой CMOS. [2]
Существует множество приложений, например, в автомобильной , аэрокосмической или геотермальной промышленности, в которых было бы полезно иметь микроконтроллер, способный работать при очень высоких температурах. Однако при высоких температурах полупроводники, используемые в типичных микроконтроллерах, начинают выходить из строя, поскольку электрические свойства материалов, из которых они изготовлены, ухудшаются, и транзисторы перестают функционировать. Реле NEM не полагаются на электрические свойства материалов для срабатывания, поэтому механический компьютер, использующий реле NEM, сможет работать в таких условиях. Реле NEM успешно прошли испытания при температуре до 500 °C, но теоретически могут выдерживать гораздо более высокие температуры. [13]
Программируемые пользователем вентильные матрицы
[ редактировать ]Нулевой ток утечки, низкое энергопотребление и возможность наложения поверх свойств КМОП реле NEM делают их многообещающим кандидатом для использования в качестве маршрутизирующих переключателей в программируемых вентильных матрицах (FPGA). FPGA, использующая реле NEM для замены каждого маршрутизирующего переключателя и соответствующего статического блока памяти с произвольным доступом, может обеспечить значительное сокращение задержки программирования, утечки мощности и площади кристалла по сравнению с типичной 22-нм FPGA на базе CMOS. [14] Это уменьшение площади главным образом связано с тем, что уровень маршрутизации реле NEM может быть построен поверх уровня CMOS FPGA.
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Перейти обратно: а б с д Парса, Рузбех; Ли, В. Скотт; Шавезипур, Мохаммед; Провин, Дж; Митра, Субхашиш; Вонг, Х.-С. Филипп; Хоу, Роджер Т. (7 марта 2013 г.). «Поликремниевые реле NEM с платиновым покрытием и боковым срабатыванием». Журнал микроэлектромеханических систем . 22 (3): 768–778. дои : 10.1109/JMEMS.2013.2244779 . S2CID 24310991 .
- ^ Перейти обратно: а б с д Чен, Фред; Кам, привет; Маркович, Деян; Лю, Цу-Дже Кинг; Стоянович, Владимир; Алон, Элад (10 ноября 2008 г.). «Проектирование интегральных схем с реле NEM» . ICCAD '08 Материалы Международной конференции IEEE/ACM по компьютерному проектированию 2008 г. стр. 750–757. ISBN 9781424428205 . Проверено 29 октября 2014 г.
- ^ Перейти обратно: а б Чен, Ф; Спенсер, М; Натанаэль, Р; ЧенгЧэн, Ван; Фариборзи, Х; Гупта, А; Привет, Кэм; Потт, В.; Кэсок, Чон; Цу-Джэ, король Лю; Маркович, Д.; Стоянович, В.; Алон, Э. (февраль 2010 г.). «Демонстрация интегральных микроэлектромеханических переключающих схем для приложений СБИС». 2010 Международная конференция IEEE по твердотельным схемам — (ISSCC) . стр. 150–151. CiteSeerX 10.1.1.460.2411 . дои : 10.1109/ISSCC.2010.5434010 . ISBN 978-1-4244-6033-5 . S2CID 8905826 .
- ^ Кам, привет; Потт, В.; Натанаэль, Р; Чон, Джесок; Один; Лю, Цу-Джэ Кинг (декабрь 2009 г.). «Проектирование и надежность микрорелейной технологии для приложений цифровой логики с нулевым энергопотреблением». 2009 Международная конференция IEEE по электронным устройствам (IEDM) . стр. 1–4. дои : 10.1109/IEDM.2009.5424218 . ISBN 978-1-4244-5639-0 . S2CID 41011570 .
- ^ Перейти обратно: а б Акарвардар, К; Элата, Д; Парса, Р; Ван, GC; Йоу, К; Провин, Дж; Пеуманс, П; Хау, RT; Вонг, Х.-СП (10 декабря 2007 г.). «Аспекты проектирования дополнительных наноэлектромеханических логических вентилей». 2007 Международная конференция IEEE по электронным устройствам . стр. 299–302. дои : 10.1109/IEDM.2007.4418930 . ISBN 978-1-4244-1507-6 . S2CID 41342836 .
- ^ Петерсен, Курт (октябрь 1978 г.). «Динамическая микромеханика на кремнии: методы и устройства». Транзакции IEEE на электронных устройствах . 25 (10): 1241–1250. Бибкод : 1978ITED...25.1241P . дои : 10.1109/T-ED.1978.19259 . S2CID 31025130 .
- ^ Петерсен, Курт (май 1982 г.). «Кремний как механический материал». Труды IEEE . 70 (5): 420–457. Бибкод : 1982IEEEP..70..420P . дои : 10.1109/PROC.1982.12331 . S2CID 15378788 .
- ^ Бустильо, Дж. М.; Хау, RT; Мюллер, Р.С. (август 1998 г.). «Поверхностная микрообработка микроэлектромеханических систем». Труды IEEE . 86 (8): 1552–1574. CiteSeerX 10.1.1.120.4059 . дои : 10.1109/5.704260 .
- ^ Саката, М. (февраль 1989 г.). «Электростатический микроактюатор для электромеханического реле». Исследование микроструктур, датчиков, приводов, машин и роботов . IEEE Micro Electro Mechanical Systems, Труды. стр. 149–151. дои : 10.1109/MEMSYS.1989.77980 . S2CID 111117216 .
- ^ Яо, Джей-Джей; Чанг, МФ (июнь 1995 г.). «Миниатюрный поверхностный микромеханический коммутатор для телекоммуникационных приложений с частотами сигналов от постоянного тока до 4 ГГц». Материалы Международной конференции по твердотельным датчикам и исполнительным устройствам - TRANSDUCERS '95 . Том. 2. С. 384–387. дои : 10.1109/SENSOR.1995.721827 . S2CID 110197804 .
- ^ Чан, Веон Ви; Ли, Чон Оэн; Юн, Джун-Бо; Ким, Мин-Санг; Ли, Джи-Мён; Ким, Сон Мин; Чо, Гын-Хви; Ким, Дон Вон; Пак, Дунгун; Ли, Вон Сон (март 2008 г.). «Изготовление и определение характеристик наноэлектромеханического переключателя с подвесным воздушным зазором толщиной 15 нм». Письма по прикладной физике . 92 (10): 103110–103110–3. Бибкод : 2008ApPhL..92j3110J . дои : 10.1063/1.2892659 .
- ^ Калхун, Бентон, Х.; Ван, Алиса; Чандракасан, Ананта (сентябрь 2005 г.). «Моделирование и определение параметров работы с минимальным энергопотреблением в подпороговых цепях» (PDF) . Журнал IEEE твердотельных схем . 40 (9): 1778. Бибкод : 2005IJSSC..40.1778C . дои : 10.1109/JSSC.2005.852162 . S2CID 15037515 . Проверено 29 октября 2014 г.
{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) - ^ Ли, Те-Хао; Бхуния, Сваруп; Мехрегани, Мехран (10 сентября 2010 г.). «Электромеханические вычисления при 500 ° C с карбидом кремния». Наука . 329 (5997): 1316–1318. Бибкод : 2010Sci...329.1316L . дои : 10.1126/science.1192511 . ПМИД 20829479 . S2CID 206527731 .
- ^ Чен, Чен; Парса, Рузбех; Патил, Нишант; Чонг, Сугин; Акарвардар, Керем; Провин, Дж; Льюис, Дэвид; Ватт, Джефф; Хау, Роджер Т.; Вонг, Х.-С. Филипп; Митра, Субхашиш (21 февраля 2010 г.). «Эффективные ПЛИС с использованием наноэлектромеханических реле». Материалы 18-го ежегодного международного симпозиума ACM/SIGDA по программируемым вентильным матрицам - FPGA '10 . стр. 273–282. дои : 10.1145/1723112.1723158 . ISBN 9781605589114 . S2CID 1081387 .