«Основы информационных и сетевых технологий» для образовательной программы 09. 04. 01. Информатика и вычислительная техника Лектор Трубочкина Надежда Константиновна, д. т. н. , профессор, ntrubochkina@hse. ru
• Направления тематики ВКР (выпускных квалификационных работ - магистерских диссертаций) • темы междисциплинарных курсовых проектов (МКР) (ВКР и МКР на русском, можно на английском)
А. Компьютерное моделирование наносхемотехники современных вычислительных систем. • Разработка и моделирование наноструктуры логики для кремниевых суперкомпьютеров. • Разработка и моделирование наноструктуры памяти для кремниевых суперкомпьютеров. • Разработка и моделирование матриц памяти на нанопроводах. • Разработка и моделирование наноструктуры солнечного элемента для автономных вычислительных систем. • Разработка и моделирование наноструктуры сенсорного элемента (медицина, интеллектуальные системы).
B. Разработка веб-приложений • 1 -20. Разработка веб-приложения предприятия или научного исследования online (направление бизнеса или научного исследования выбирается магистрантом).
С. Фрактальные исследования (FR) (математика+программирование) • • • FR в изобразительном искусстве. FR в музыке. FR в дизайне. FR в архитектуре. FR в киноиндустрии и телевидении. FR в лингвистике. FR в экономике. FR в социологии. и пр. (приложения можно добавлять)…
D. Информационные и мультимедийные технологии. Приложения. • Разработка графического алгоритмического языка в английской лингвистике. • Информационные и мультимедийные технологии (IT&MT) в изобразительном искусстве. • IT&MT в музыке. • IT в дизайне. • IT в архитектуре. • IT&MT в киноиндустрии и телевидении. • IT в лингвистике. • IT в экономике. • IT в социологии. • и пр. (приложения можно добавлять)…
… • • Сети Суперкомпьютеры (разработка и софт) Распределенные вычисления Альтернативная энергетика (солнечный город) IT в медицине IT в биологии IT в строительстве • И т. д.
Блок А. Цели и задачи освоения дисциплины Раздел моделирования Целью раздела моделирования – подготовительного этапа конструкторско-технологического обеспечения компьютерного и сетевого производства является изучение – принципов построения, – совместной работы и – методов проектирования различных наноструктур и наносистем в качестве современной элементной базы вычислительных и сетевых систем. • Основной задачей является формирование у студента инженерного мышления разработчика и исследователя современной элементной базы вычислительных систем и схем специального назначения.
Перечень дисциплин, усвоение которых студентами необходимо для изучения данной дисциплины • • • Математика. Общий курс Математика. Спец. главы Физика Математическая логика и теория алгоритмов Теория информации и кодирования Электротехника и электроника Схемотехника Информатика Программирование Компьютерная графика Цифровая обработка сигналов
В результате изучения блока А студент должен • Знать: • принципы синтеза цифровых наноструктур и наносистем различного назначения для вычислительных систем нового типа • номенклатуру, характеристики и функциональное назначение интегральных цифровых наноструктур и наносистем различного назначения; • знать и практически овладеть основными методами проектирования цифровых наноструктур и наносистем различного назначения для вычислительных систем;
• Уметь: • выбирать схемотехническую базу цифровых наноструктур и наносистем различного назначения при проектировании различных устройств вычислительных систем нового типа; • Владеть: • навыками экспериментального исследования спроектированных цифровых наноструктур и наносистем различного назначения для вычислительных систем нового типа; • владеть навыками моделирования и оптимизации параметров цифровых наноструктур и наносистем различного назначения для вычислительных систем нового типа при их проектировании •
Разделы блока А № п/п 1 Наименование раздела дисциплины 2 Основные этапы развития элементной базы ЭВМ Обзор и анализ состояния элементной базы для наноиндустрии. Перспективы развития 3 Переходная 3 D наносхемотехника – новая концепция и новое качество в создании трехмерных интегральных схем 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 Теоретические основы переходной схемотехники Элементы переходной схемотехники Система простейших логических элементов Переходная схемотехника. Синтез математических моделей Реализация функции И-НЕ в транзисторной и переходной схемотехниках Реализация функции ИЛИ-НЕ в транзисторной и переходной схемотехниках Транзисторная и переходная МОП схемотехники Транзисторная и переходная КМОП схемотехники Транзисторная и переходная Би-МОП схемотехники Методика проектирования СБИС в переходной схемотехнике Наноструктуры триггерных схем Наноструктуры последовательностных цифровых функциональных устройства вычислительных систем Наносистемы регистров Наносистемы счетчиков Наносистемы генераторов чисел Наносистемы комбинационных устройств Наносистемы памяти. Схемотехника матриц. Матричное проектирование Автоматизация этапов проектирования СБИС в переходной схемотехнике Система математических моделей и наноструктур логических элементов и элементов памяти переходной схемотехники различной размерности для полупроводниковой наноэлектроники Сравнительный анализ транзисторной и переходной полупроводниковых схемотехник Наноструктуры, наносистемы и их модели. 4 типа переходной схемотехники 23 24
Самостоятельная работа по дисциплине Самостоятельная работа студентов предусматривает следующие виды работ: • самостоятельное изучение лекционного материала; • поиск информационных ресурсов по пройденной теме в интернете; • подготовка к практическим занятиям; • самостоятельное изучение информационных источников по отдельным темам (эссе, рефераты);
Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины • а) основная литература • Алакоз Г. М. , Котов А. В. , Курак М. В. , Попов А. А. , Сериков А. П. Вычислительные наноструктуры, Ч. 1. Задачи, модели, структуры. Издательство: Интуит. РУ, БИНОМ. ЛЗ 2010 487 с. • Алакоз Г. М. , Котов А. В. , Курак М. В. , Попов А. А. , Сериков А. П. Вычислительные наноструктуры, Ч. 2. — Программноаппаратные платформы. Издательство: Интуит. РУ, БИНОМ. ЛЗ. 2010. 399 с. • Гусев А. И. Наноматериалы, наноструктуры, нанотехнологии. Издательство : ФИЗМАТЛИТ. 2009. 416 с. • Трубочкина Н. К. Моделирование 3 D наносхемотехники. Учебное пособие. М. Бином. Лаборатория знаний. 2012, 499 с. • Трубочкина Н. К. Наноэлектроника и схемотехника, в 2 томах, Юрайт, М. , 2016
б) литература для практических занятий • TCAD Synopsys / Sentaurus Structure Editor
Компьютерное моделирование наноструктур и наносистем
Развитие наук (история в образах) Сначала появились люди…
Развитие наук (история в образах) Им необходимо стало считать – появилась математика.
Развитие наук (история в образах) Чтобы объяснить как устроен мир, понадобилась физика. Она базировалась на математике.
Развитие наук (история в образах) Для того, что бы понять, как взаимодействуют вещества, уже нужна была химия.
Развитие наук (история в образах) А для того, что бы понять, что такое жизнь, просто необходима была биология.
Развитие наук (история в образах) Потом у всей этой конструкции появился мощнейший фундамент – информационные технологии.
Развитие наук (история в образах) Что же дальше?
Развитие наук (история в образах) Нанотехнологии, вбирающие в себя знания всех естественных наук и информационных технологий?
Что такое нанотехнологии? • Нанонауки и нанотехнологии – направления науки и технологии, активно развивающиеся с конца ХХ века. • Термин «нанотехнология» (nanotechnology) введен в 1974 году профессором материаловедом из Токийского университета Норио Танигучи (Norio Taniguchi), который определил его как «технологию производства, позволяющую достигать сверхвысокую точность и ультрамалые размеры …порядка 1 нм …» . • Необходимо отличать нанонауку (nanoscience или nanoscale science (наноразмерная наука)) от нанотехнологий (nanotechnology). Она занимается изучением и созданием материалов и объектов, реализуемых с использованием нанотехнологий. • «Наноиндустрия» представляет собой направления бизнеса и производства, где используются нанотехнологии и нанонауки.
Примеры использования нанотехнологий Научно-практический эффект от использования нанотехнологий в настоящее время и в будущем
Мембраны очищают воду • • • Используют, например, для поглощения нефти. Многоразовые. Химические свойства могут быть изменены заменой веществ, тем самым расширяя область их применения.
Нановолокна как фильтр • Очень прочные • В будущем они будут в состоянии эффективно очищать разлившуюся нефть на большой площади.
Полимерные наночастицы PEG для доставки лекарств через слизистые Полимерные наночастицы показали себя эффективными носителями, поскольку обладают хорошей проходимостью через некоторые органические мембраны (Майкл Джонс, Филипп Келлер, Криста Мелиш, Джеймс Канцевич). Можно использовать для доставки лекарственных препаратов. http: //science-hub. com/2009/06/platinum-particles-inthe-form-of-japanese-sweets/ http: //dipc. ehu. es/nano 2006/Nanoparticles. jpg Кайл-Демель, Брайан Холикамп, Rachael. Хоек
Нанотехнологии в биомедицине. Биосенсоры
Нанороботы - лекари и диагносты Кайл Демел, Китон Хамм, Брайан Холкамр, Рихал Хук
Структура кровяного наноробота -Микрокамера - доставляемое вещество - емкость - плавники
3 D визуализация работы наноробота Искусственные нанообъекты (нанороботы) в живых системах
«Наноеда» . Нанотехнологии в сельском хозяйстве Нанотрубки помогают выращивать с/х продукцию в условиях малого количества воды Нанотрубки, имплантированные в растения томатов, усиливают водную адсорбцию и соответственно их рост + =
Другие возможные применения в будущем http: //www 3. interscience. wiley. com/journal/118859 172/issue http: //gtresearchnews. gatech. edu/ newsrelease/power-shirt. htm http: //i. ytimg. com/vi/bt-lv 6 IJPxc/0. jpg Герметичные, противоаллергенные покрытия (спецодежда ( «наноодежда» )), «Дышащие» покрытия ( «кожа» ), Покрытия с микро и нано-генераторами энергии (гибкие солнечные батареи) Бумага с видео-изображением на коже Использование в строительстве http: //www. treehugger. com/files/2008/05/ nano-vent-skin. php
Твердотельная химия http: //www. crystal. unito. it/ascs 2006 /logo_rdx. JPG http: //www. indigo. com/models/gphmodel/solid-state-model-W. html Создание структур с различными свойствами
Особенно о графене Углеродные материалы в кремнииевых схемах – новые приборы наноэлектроники
Нанотехнологии в компьютерной схемотехнике Компьютерное моделирование наноструктур и наносистем
Прошлое и настоящее схемотехники Ближайшее прошлое и настоящее – это эра кремниевой транзисторной схемотехники и планарных СБИС. В качестве дальнейшего развития полупроводников распространяется технологическое течение под названием «Beyond CMOS (После КМОП)» , которое предполагает поиск других технологий, отличных от существующей на данный момент КМОПтехнологии, а также течение под названием «more than moore (больше, чем Мур)» , которое предлагает разнообразить полупроводниковые технологии благодаря слиянию их с технологиями биочипов и микросенсоров.
Законы Мура 1 закон Емкость микросхем удваивается каждые полтора года 2 закон Уменьшение размеров структур влечет за собой увеличение стоимости производственного процесса
Настоящее и будущее схемотехники Считается, что даже если действие закона Мура будет продлено, приблизительно в 2020 году он достигнет своего предела, и потребуются новые подходы и новый взгляд на проектирование вычислительных (интеллектуальных) систем. Выходом их тупика, куда нас завела планарная транзисторная схемотехника, может стать изменение философии проектирования, переход к иной, альтернативной схемотехнике.
Направления научного поиска ПОИСК ОПТИМАЛЬНОГО КОМПОНЕНТА ПОИСК АЛЬТЕРНАТИВНЫХ МАКРОСХЕМ ПОИСК АЛЬТЕРНАТИВНОГО КОМПЬЮТЕРА Новый суперкомпьютер (интеллектуальная система)
3 D транзистор • Одним из важнейших путей решения проблем планарной микроэлектроники является переход к 3 D реализации компонентов схем. High-k – технология подавляет утечки тока, благодаря изменению материала транзисторов. Но существует стремление разрешить имеющиеся у транзисторов проблемы более радикальным способом. Это транзисторы, у которых структура полностью отличается от существующих транзисторов, и их название – « 3 D транзисторы» [1]. На Рис. представлены модификации 3 D полевого транзистора, разработанного японскими учеными. Основная проблема таких транзисторов – технологическая сложность реализации СБИС на их базе, требующая новых подходов к проектированию и новых технологий.
Fin. FET-транзистор Использование Fin. FET-транзисторов – вертикальных полевых транзисторов «плавникового» типа с нелегированными (не содержащими добавок) кремниевыми каналами – является альтернативным подходом, позволяющим добиться уменьшения площади элементов памяти с минимальным изменением характеристик. В ходе экспериментов было установлено, что стабильность характеристик Fin. FETтранзисторов без легирования каналов улучшается на 28%. При моделировании ячеек SRAM с площадью 0, 063 квадратных микрона, что эквивалентно 22 -нанометровым электронным цепям, полученные результаты показали, что элементы памяти Fin. FET SRAM потенциально обладают значительным преимуществом с точки зрения стабильности работы по сравнению с существующими элементами SRAM на базе планарных FET-транзисторов.
Пьезотранзистор К примеру, в пьезотранзисторе из одномерной оксид-цинковой наноструктуры, путем ее некоторой деформации, можно изменить распределение электрического заряда, с тем чтобы контролировать проходящий через транзистор ток. В полевом пьезоэлектрическом транзисторе действие затвора заменяется внешней силой. Измеряя проходящий ток, нанопьезодатчики могут обнаружить силы величиной в несколько нано- или пиконьютонов. Другие нанопьезосенсоры определяют давление крови внутри тела, которая течет через наноструктуры, создавая в них давление. Также электрический контакт, подсоединенный к нанонити из оксида цинка, представляет собой пьезодиод, ограничивающий движение тока в одном направлении. Нанокомпонент логических схем и схем памяти с сенсорными свойствами, каким является пьезотранзистор, может стать основой многих интересных технических, химических и биологических проектов.
Полевой транзистор на основе графеновой наноленты • Еще одна модификация полевого транзистора, полученная изменением механизма получения проводящего канала. • Учёным удалось создать графеновые наноленты шириной всего 10 нм. Такое ограничение важнейшим образом сказалось на рабочей температуре транзистора — перед нами первый пример полевых транзисторов на основе графена, работающих при комнатной температуре. Ранние модели, представленные рядом лабораторий, работали только при температурах жидкого гелия (4 К, или -268 С). Палладиевые контакты (S, D) размещены на изолирующей поверхности диоксида кремния толщиной 10 нм. Под слоем Si 02 расположен высоко проводящий кварцевый слой G.
Полевой транзистор на основе графена • • Повышение быстродействия компонентов СБИС – одна из важнейших задач их создания. Графен – удивительный материал, который постоянно преподносит учёным сюрпризы. Монослои графита обладают такой же подвижностью носителей зарядов при комнатной температуре, как и нанотрубки, что крайне важно при создании различных электронных устройств. При этом, однако, из графена можно собирать микрочипы по обычной, отработанной годами планарной технологии, ныне применяемой при создании микросхем на основе кремния. К тому же, благодаря двумерной структуре графена, управляющий ток может быть легко увеличен за счёт изменения ширины проводящего канала. Для LG = 150 нм критическая частота составляет 26 ГГц
Органический светоизлучающий полевой транзистор Органические полупроводники широко применяются в различных приборах (элементах), содержащих органические тонкопленочные транзисторы (OTFTS), органические солнечные элементы, органические долговременные блоки памяти и органические светоизлучающие диоды (OLEDS). Структура амбиполярного органического тонкопленочного транзистора (OTFTS) показана на рисунке. Толщина окиси — 100 nm, и активный слой толщиной 60 nm. Исток и сток размещены в границах x < 1 µм и x > 9 µм, соответственно.
ДНК-транзистор • • • Новый подход в схемотехнике – сочетание в компоненте неживой и живой форм. ДНК-транзистор — это новое наноустройство способно контролировать положение молекулы ДНК в нанопоре с точностью до одного нуклеотида, способное совершить революцию в современной технологии секвенирования. Секвенирование биополимеров (белков и нуклеиновых кислот — ДНК и РНК) — определение их первичной аминокислотной или нуклеотидной последовательности (от англ. sequence — последовательность). В результате получается линейное символьное описание, которое cжато резюмирует атомную структуру молекулы. Ученые из IBM Research и их коллеги из TJ Watson Research Center предложили понятие ДНКтранзистора, с помощью которого будет производиться более эффективное секвенирование генома. ДНК-транзистор – это достаточно длинная нанопора с рядом полупроводниковых и металлических добавок, внутри которой находится длинная молекула ДНК
ПОИСК АЛЬТЕРНАТИВНЫХ МАКРОСХЕМ • Философий построения интеллектуальных макросхем, порожденных новыми исходными материалами, физическими эффектами и строящими их компонентами, может быть бесконечное множество. • Критериями жизнеспособности этих философий являются: 1. Способность компонентов интегрироваться в макросхемы (технологическая реализуемость макросистем). 2. Безошибочная работа макросхем на новых компонентах в системе заданных ограничений (надежность).
Углеродные наносети: новые возможности электроники • • • Растворяя нанотрубки в жидкости и напыляя полученный раствор, инженеры могут формировать тонкие слои, скажем, на гибких листах пластмассы или же накладывать и печатать данные материалы поверх других слоев, имеющих иные электронные функции, например на вещества, которые приложении напряжения испускают свет. Случайные сети из углеродных нанотрубок (наносети), могут выполнять разнообразные элементарные функции, лежащие в основе электронных цепей. Устройства на основе углерода достаточно просты в изготовлении.
Создание наноструктуры с помощью ДНК • Команда ученых под руководством Олега Ганга (Oleg Gang) из Национальной Лаборатории Брукхэвена (Brookhaven National Laboratory) прикрепили к молекуле ДНК наночастицы золота. • В проведенном ими эксперименте была сформирована трехмерная наноструктура с кристаллической симметрией из золотых наночастиц. При этом молекулы ДНК играли роль лесов. На которых располагались строительные блоки-наночастицы. Наночастицы размером 10 нанометров присоединялись к цепям ДНК, и как только молекула встречала комплиментарный участок с такой же наночастицей на конце, формировалась пара строительных блоков. Была сформирована трехмерная сетка из наночастиц. После формирования структуры ее нагрели для того, чтобы удалить фрагменты ДНК и получить завершенную золотую наноструктуру.
Нейроны + кремниевая электроника В рамках проекта NACHIP исследователи планомерно идут к удивительной цели – взаимодействию компьютера с набором живых клеток (индивидуально), с возможностью не только получать от них информацию, но и влиять на работу генов в этих клетках. С точки зрения физики, взаимодействие нейронов и схемы происходит благодаря перемещению ионов натрия через клеточную мембрану, что меняет её локальный заряд, на который реагирует транзистор. В свою очередь, управляемый электроникой заряд на конденсаторе влияет на ионный ток через мембрану, заставляя нейрон реагировать на «запрос» извне. Ионный поток в клетке превращает её в составную часть полевого транзистора, позволяя клетке влиять на работу электроники.
Самособирающийся чип Чтобы создать устройство, достаточно взять стандартную кремниевую пластину, покрыть её слоем диэлектрика (оксидом кремния) и разметить золотые электроды для каждого элемента цепи стандартными литографическими методами. После этого пластину поместили в раствор органических молекул, которые сами выстроились на поверхности диэлектрика в плотный слой толщиной всего в одну молекулу и постепенно «прилипли» к поверхности за счет поликонденсации. Молекулы полупроводников, представляющие собой полигетероароматические цепочки, должны сцепляться за счет так называемого π -π-связывания – межмолекулярного взаимодействия электронов, «распределённых» между различными атомами, образующими ароматическое кольцо.
Биочипы Использование биочипов перспективно в разных направлениях и, прежде всего, для выявления генов, реагирующих на негативное (стрессовое) воздействие окружающей среды и осуществляющих защитные функции в организме. Применение биочипов позволяет оперативно выявлять бактерии и вирусы, выяснять индивидуальные генетические особенности пациента, определяющие предрасположенность к наследственным и онкологическим заболеваниям. Как только вирус попадает на соответствующее ему антитело, то проводимость отдельной наноструны изменяется, и, соответственно, изменяется состояние транзистора
Квантовый компьютер • • D-Wave Orion: первый квантовый компьютер В 2007 году компания D-Wave Orion собрала 16 -кубитовый квантовый компьютер, который основатель и генеральный технический директор Джорджи Роуз (Geordie Rose) назвал самым мощным квантовым компьютером, когда-либо построенным, и первым, который может запускать коммерчески значимые приложения. В 2008 году компьютер стал 28 -кубитовым, он умеет распознавать фотографии известных достопримечательностей.
Элементная база квантового компьютера Основная ячейка квантового компьютера — квантовый бит, или, сокращенно, кубит (q-бит). Это квантовая частица, имеющая два базовых состояния, которые обозначаются 0 и 1. Двум значениям кубита могут соответствовать, например, основное и возбужденное состояния атома, направления вверх и вниз спина атомного ядра, направление тока в сверхпроводящем кольце, два возможных положения электрона в полупроводнике и т. п. Ниобий расположен в виде колец, через которые ток может протекать по часовой стрелке, против неё или смешанно, в обоих направлениях — соответствуя, « 0» и « 1» или в суперпозиции двух значений в квантовом бите информации (кубите), на которых базируются квантовые вычисления. Чип представляет собой последовательность металлических дорожек на кремниевой подложке; подложка здесь та же самая, что используется для любого полупроводникового процесса, но сверху расположены слои металла, разделённые изолятором. Это полностью металлическое магнитное устройство, в котором вся информация хранится в виде направлений течения тока по металлическим петлям и переходам.
Фуллерены – как компоненты квантового компьютера Новая идея принадлежит профессору химии Гарри Дорну (Harry Dorn), предложившему идею использования фуллерена C 80, внутри которого находится два иона иттрия, редкоземельного металла. При замене одного атома углеродного каркаса на заряженный атом азота, заряд может переходить к атомам иттрия. В данном случае образуется пара с одноэлектронной связью, обладающей уникальными спиновыми свойствами, которыми ученые могут относительно легко манипулировать. На данный момент учеными предложен целый ряд путей реализации квантовых компьютеров, в том числе и путем манипуляции электронных спинов, среди которых появился очередной компонент – фуллерены, каркасные молекулы из атомов углерода, наиболее распространенным из которых является фуллерен C 60 – сфера, составленная из шестидесяти атомов углерода.
Молекулярный биокомпьютер • • • В таблице истинности стрелки вверх указывают на присутствие м. РНК. Пока еще очень простой молекулярный биокомпьютер способен, тем не менее, оперировать пятью логическими переменными булевой логики. Состояние молекулярного входа кодируется наличием или отсутствием посредников – малых интерферирующих РНК (si. RNA). «Механизм» биокомпьютера представляет собой генную сеть, дающую на выходе однозначный ответ – наличие флуоресцентного белка (ИСТИНА) или его отсутствие (ЛОЖЬ). Применение биокомпьютеров в перспективе может быть самым широким – в фундаментальных науках, в фармакологии (для оценки влияния потенциальных лекарственных препаратов на человеческие клетки в культуре) и в медицине – для диагностики различных болезней
Необходимость математического и компьютерного моделирования • Поиски элементной базы, основного компонента, типов компьютеров происходят на стыке различных наук, физики, химии, биологии. • Происходит это подчас интуитивно. Необходимо объединяющее эти науки начало – математика, способная находить оптимальные решения, выявлять скрытые возможности и недостатки существующих и новых проектов. А в связи с большой размерностью решаемых задач нам не обойтись без компьютерного моделирования.
Поиск оптимальной схемотехники • Новая концепция проектирования вычислительных 3 D наносистем – переход от транзисторной схемотехники к переходной • Появляющиеся новые компоненты и эксперименты в области компьютерного синтеза показывают, что транзисторная схемотехника, являющаяся основой современных компьютеров и схем управления не является оптимальной. • От матричного, вентильного и транзисторного подхода к проектированию необходимо перейти к более близкой физической и химической структурам – переходной схемотехнике.
Моделирование. Транзисторы – схемы переходной схемотехники • На рисунке представлены интегральные структуры и математические модели • биполярного а), б), в) и • МОП г), д), е) транзисторов в переходной схемотехнике. • Из моделей видно, что компоненты (минимальные элементы синтеза схем) транзисторной схемотехники - транзисторы, по сути, являются схемами более подробной и точной переходной схемотехники.
Структура проекта N 3 D по созданию наноструктур переходных элементов – модель виртуальной нанофабрики Разработка технологий Моделирование Генерация Синтез для наноструктур математических моделей Разработка новой элементной базы – непрерывный процесс принятия решений по следующему циклу разработки
Теория. Компонент новой схемотехники – материал (N=1) F T i i • Тi определяет качественный состав части интегральной структуры (материал), • Т = {Ti}(i=1, . . n) = (p, n, p+, n+, …Si. O 2, Al, Ga…) = П U Д U М – множество элементов типа частей структуры (р – полупроводниковая область р-типа, n – полупроводниковая область n-типа, Si. O 2 – область двуокиси кремния, Аl – область алюминия, Ga – область галия и т. д. ), П – подмножество областей полупроводников, Д – подмножество областей диэлектриков, М – подмножество проводников • Компонент структуры Ti. Fi управляем или находится под воздействием Fi – элемента функционального множества. • Функциональное множество F = Fy U FH состоит из двух подмножеств: Fy = {Fyi} = (E 1, …, Ek 1, I 1, …, Ik 2, φ1, …, φk 3…) подмножества управляющих воздействий в виде напряжения Еi, тока Ij, света φк, давления и пр. , а также FH = {FHi} = (вх1, …, вхm, вых1, …, выхn) подмножества назначения, задающего входные и выходные функции областям из подмножества Т, по отношению к которым определяются передаточные характеристики элементов.
Основы теории переходной схемотехники. N=1. Материал (модели)
N=2. Внутренний переход Основной компонент переходной схемотехники
N=2. Поверхностный переход Основной компонент переходной схемотехники
Примеры переходов Задача: найти переходы с • Проводящими (в), • Барьерными (а) и • Изолирующими (б) функциями.
Примеры переходов Задача: найти переходы с • проводящими (в), • барьерными (а) и • изолирующими (б) функциями.
Визуализация 3 D модели p-n перехода
Физическое 2 D моделирование наноструктуры p-n перехода. Исходные данные
Результаты моделирования
Результаты моделирования
Физическое 3 D моделирование наноструктуры p-n перехода. Исходные данные
Результаты моделирования
3 D моделирование пространственного заряда в наноструктуре p-n перехода. Сканирование по оси Z
3 D моделирование плотности тока электронов в наноструктуре p-n перехода. Сканирование по оси Y
3 D моделирование электростатического потенциала в наноструктуре p-n перехода. Сканирование по оси Z
3 D моделирование скорости электронов в наноструктуре p-n перехода. Сканирование по оси Y
3 D моделирование плотности тока дырок в наноструктуре p-n перехода. Сканирование по оси Y
3 D моделирование плотности тока дырок в области контакта катода в наноструктуре p-n перехода. Сканирование по оси X
Обобщенные модели, структурные формулы и структуры переходной p-n схемотехники N=1, 2, 3 Материал – компонент - схема
Уравнение синтеза модели транзистора. N=3
3 D модель p-n-p транзистора
Графовый и семантический стандарт описания моделей
Алгоритм синтеза структур математической модели N=3
2 D моделирование биполярного нанотранзистора. Исходные данные Задание 2 D конструкции ступенчатого биполярного транзистора: сечение, размеры, материалы, контакты Назначение параметров материалов (концентрации и типа носителей) и задание расчетной сетки для 2 D моделирования сечения ступенчатого биполярного транзистора Чертеж – расчетная сетка для моделирования физических и схемотехнических характеристик биполярного нанотранзистора (толщина базы – 3 нм
3 D смешанное моделирование биполярного нанотранзистора Передаточная характеристика ступенчатой структуры биполярного транзистора, полученная в результате смешанного моделирования Физическая структура моделируется в составе электрической схемы
Обобщенные модели, структурные формулы и структуры переходной p-n схемотехники N=4, 5, 6 Логические элементы
Модель n-канального МОП транзистора в переходной схемотехнике. N=4 Модель компонента твердотельной транзисторной наноэлектроники является схемой переходной схемотехники… И уже напоминает по структуре некоторые органические молекулы! in ox out n p Grd n
3 D моделирование пространственного заряда в наноструктуре МОП транзистора. Сканирование по оси X
Уравнение синтеза математических моделей "ИЛИ", "НЕ-И", "И" N=4
Схема – модель I 2 L инвертора в переходной схемотехнике Первая схема переходной схемотехники - инвертор Gnd E p in n p out n Модели органической химии
3 D моделирование скорости электронов в I 2 L наноструктуре N=4. Сканирование по оси Y
3 D моделирование скорости электронов в I 2 L наноструктуре. Сканирование по оси Z
Уравнение синтеза математической модели схемы AB+CД+. . . N=13
Синтез 3 -D структуры "И-ИЛИ-НЕ" N=13
Компьютерное моделирование и анализ работоспособности Для 3 D структур проводится анализ работоспособности, • рассчитываются передаточные характеристики и • переходные процессы, подтверждающие переключение и для логических элементов выполнение логической функции
Уравнение синтеза математической модели схемы переноса
Уравнение синтеза математической модели RS-триггера N=8 (ДБЯвх)
Уравнение синтеза математической модели регистра
Различные разделы переходной схемотехники Система оптимальных интеллектуальных наноструктур для суперкомпьютера ДНК, белки, вирусы. . . Фуллерены, углеродные трубки… Лед, вода Si схемотехника C схемотехника (живая) С схемотехника (неживая) Прочее Разработка новой элементной базы суперкомпьютера на основе нанотехнологий и теории переходной схемотехники
Что такое ДНК?
Что такое ДНК? Схема переходной схемотехники!
Биология и схемотехника v v Фрагмент дезоксирибонуклеиновой кислоты Бистабильная ячейка памяти в кремниевой переходной схемотехнике
Бактерия Chlorophyll Живой организм -
Бактерия Chlorophyll схема переходной схемотехники!
Лед Схема переходной схемотехники!
Сравнение переходной и транзисторной схемотехник по количеству областей на реализацию логической функции
Сравнение переходной и транзисторной схемотехник по количеству внутренних соединений простого вентиля
Сравнение по техническим параметрам переходной и транзисторной схемотехник (Места в рейтинге)
Общая сумма мест по мощности (P), быстродействию (Т) и информационной плотности (1 место – лучшее)
Результаты (система Si наноструктур) 1. Принципиально новые переходные наноструктуры логические и памяти 2. Обладают патентной новизной 3. На их основе можно создавать схемы нового поколения для суперкомпьютеров 4. Частота работы - 100 ГГц 5. Информационная плотность - 15, 3*Гбит на квадратный сантиметр полупроводникового кристалла.
Система наноструктур интеллектуальных элементов переходной кремниевой схемотехники для суперкомпьютера Потребовались компьютеры и сети, чтобы промоделировать работоспособность новых элементов для суперкомпьютеров на базе переходной схемотехники. А чтобы их создать потребовались знания: -математики, -физики, -химии, -биологии -информатики…
Спасибо за внимание!
Скачать презентацию «Основы информационных и сетевых технологий» для образовательной
!!!_основы_01.ppt