40 лет прошло со дня обнаружения транзисторного эффекта. За этот период электроника совершила мощный рывок вперед, равного которому нет, пожалуй, ни в одной области техники.
"Если оценивать прогресс электроники в количественных показателях, то такие показатели, как надежность, объемы производства в натуральном исчислении (и в пересчете к числу активных элементов), массогабаритные показатели, энергопотребление улучшились в десятки, сотни тысяч, а иногда и в миллионы раз.
Появление транзистора сделало возможным быстрое развитие средств вычислительной техники, открыло дорогу к освоению космоса.
Особо мощный толчок развитию электроники Дало появление интегральных схем, причем главным образом монолитных интегральных микросхем.
Групповые процессы обработки, изготовление сотен, тысяч и десятков тысяч активных элементов и соединений между ними и сотен схем на одной пластине в едином технологическом процессе позволили год за годом существенно снижать стоимость одного бита информации. В настоящее время средняя цена одной ИС на мировом рынке составляет около одного доллара при среднем уровне интеграции около 10 ООО транзисторов на кристалл.
Этот процесс обеспечивается постоянным и интенсивным процессом повышения уровня (или степени) интеграции. Повышение степени интеграции стимулируется как техническими, так и экономическими факторами.
Главным экономическим фактором является снижение удельного веса наиболее трудоемких и дорогостоящих сборочных операций в себестоимости одного бита информации. При этом в данном случае следует учитывать как операции сборки ИС — установки кристалла в корпус, так и операции установки ИС на плату, а также стоимость корпусов. Важным техническим фактором является низкая надежность паяных соединений при установке ИС на плату и паразитные параметры соединений между ИС на плате, ограничивающие быстродействие.
Первые годы степень интеграции ежегодно удваивалась (закон Мура), однако за последнюю декаду наблюдалось заметное отклонение от этого закона. Степень интеграции повышалась в этот период по 50 % в год. Показательна в этом плане программа министерства обороны США по созданию сверхскоростных сверхбольших интегральных схем (С2ИС).
О начале работ по этой программе министерство обороны США объявило в 1978 г. па международной конференции по электронным приборам. Программа разделялась на две фазы:
По фазе 1 (МТР = 1,25 мкм) ряд фирм, получив долларовый допинг, исчисляемый в сотнях миллионов долларов, пришел к весьма скромным показателям. В основном это менее 100 000 транзисторов на кристалле при проценте выхода годных 1 % и менее. Потребовались еще десятки миллионов долларов, выделенных на повышение процента выхода и снижение стоимости И С до 10 % по выходу годных и, соответственно, на снижение стоимости в 10 раз, доведя ее приблизительно до 500 дол. за одну ИС. Площадь кристалла при этом составляла не более 60—70 мм2. Наибольших успехов достигла фирма «Тексас Инструментc», создавшая ИС памяти на 440000 транзисторов на кристалле (9Х8К=72К). Таким образом, затратив за 10 лет более 1,5 млрд. дол. на проведение программы С2ИС, электронным фирмам США не удалось резко повысить уровень развития интегральных схем по степени интеграции и быстродействия [ 1].
Основные пути повышения степени интеграции следующие.
Увеличение площади кристалла. Однако этот путь связан с резким повышением вероятности поражения кристалла дефектами — как «врожденными» дефектами кристалла, так и дефектами, вносимыми в ходе многочисленных технологических процессов. В результате резко, по экспоненте снижается процент выхода годных кристаллов. Следует учесть при этом, что с ростом площади кристалла не происходит пропорционального увеличения степени интеграции. С ростом числа вентилей на кристалле резко увеличивается доля площади кристалла, занятая межсоединениями, которая доходит в настоящее время до 80—85 %. По программе С2ИС министерства обороны США ставится, например, задача добиться, чтобы активная площадь кристалла (т. е. занятая транзисторами) составляла бы не менее 30 % полной площади кристалла, а занятая под межсоединения соответственно не более 70 %.
Особенно сложной эта проблема становится при использовании базовых матричных кристаллов (БМК.) для изготовления полузаказных ИС. Невозможность оптимизировать расположение вентилей заставляет увеличивать площадь, отводимую под межсоединения.
При проектировании заказных ИС появляется возможность некоторого повышения степени интеграции за счет рационального расположения вентилей. В результате в мировой практике площадь кристалла достигла 50—60 мм2 и серьезной тенденции к ее повышению пока не наблюдается.
Уменьшение топологических норм (минимального топологического размера — МТР). Этот путь оказывается пока основным, вносящим существенный вклад в повышение степени интеграции. Однако, как можно себе представить, и этот путь подходит к пределу своих физических и технологических возможностей.
В массовом производстве в мировой практике распространен МТР в 2— 3 мкм. Первая фаза программы С2ИС ориентируется на МТР = 1,25 мкм. Первые разработки первой фазы показали весьма низкий процент выхода годных и соответственно высокую стоимость. Для повышения процента выхода годных с 1 до 10 % и снижения стоимости одной ИС с 5000 дол. до 500 дол. министерство обороны США вынуждено ассигновать 180 млн. дол.
В результате снижения процента выхода годных, усложнения технологических процессов и оборудования с уменьшением МТР, существенного увеличения затрат на проектирование при высоких и сверхвысоких степенях интеграции экспоненциальный закон снижения стоимости одного бита информации в микроэлектронике переходит в линейный с тенденцией к постоянному уменьшению наклона. Применять одну ИС высокой степени интеграции вместо нескольких И С, выполняющих те же функции, становится экономически невыгодно.
Что же касается второй фазы, то ожидается весьма ограниченное применение схем с МТР=0,5 мкм, а при выпуске массовой продукции будет использоваться МТР не менее 1 мкм. Таким о0разом, традиционный схемотехнический путь развития интегральной электроники не пойдет дальше использования МТР = 0,5 мкм.
Серьезные опасения внушает на этом пути и проблема надежности. При плотности тока порядка 10 А/см2 и выше начинает существенно проявляться процесс электропереноса, приводящий к разрушению межсоединений. Требование высокого быстродействия приводит к сокращению времени перезаряда емкостей, а следовательно, к повышенным значениям плотности тока. В результате приходится считаться с возможностью разрушения токоведущих дорожек.
Положение усугубляется за счет возможности существенного уменьшения сечения токоведущих дорожек в отдельных местах за счет попадания частиц на фоторезист или неоднородности процесса травления. Эти виды скрытых дефектов практически невозможно выявить ни в ходе контроля технологических процессов, ни в ходе финишного контроля. Появляется снова забытое в твердотельной электронике понятие срока службы как ресурсного периода, после которого наблюдается скачкообразное резкое увеличение интенсивности отказов на пятьшесть порядков.
Начинает «отказывать» и механизм повышения степени интеграции в качестве средства повышения быстродействия. При малых геометрических размерах и высоком быстродействии межсоединения работают уже не как гальванические связи, а как микрополосковые линии. В то же время полная длина межсоединений БИС или СБИС приблизительно в 1 ООО раз превосходит размер стороны кристалла, т. е. составляет около 5—7 м. Возрастает затухание в этих линиях, что требует увеличения мощности, передаваемой от вентиля к вентилю. Задержка в межсоединениях начинает превосходить задержку за счет активных элементов схемы. С некоторого момента повышение быстродействия активных элементов при высоких уровнях интеграции теряет смысл.
Все эти эффекты, вместе взятые, получили название «тирании межсоединений» и заставляют серьезно задуматься над перспективами дальнейшего развития интегральной электроники.
Массивы обрабатываемой информации непрерывно возрастают, что требует повышения быстродействия при одновременном увеличении числа вентилей, «занятых» этой обработкой.
Более того, уже можно назвать проблемы из области идентификации и опознавания образов, обработки полей и изображений, которые практически невозможно решить существующими средствами: слишком сложной, ненадежной и «медленной» оказывается аппаратура. С учетом сказанного, нет оснований предполагать также, что эти задачи могут быть решены в ходе развития микроэлектроники по существующему схемотехническому пути с последовательной передачей информации от вентиля к вентилю.
По некоторым американским прогнозам, к 1995 г. будет полностью исчерпан арсенал технических средств схемотехнической микроэлектроники [ 2].
Встает вопрос о создании иных, несхемотехнических принципов обработки информации, об использовании новых видов носителя информации.
Правда, в американской печати были обозначены два возможных направления дальнейшего развития схемотехнической микроэлектроники — сверхкристалл (суперчип) и трехмерные ИС.
Оба эти направления можно считать весьма проблематичными.
Что касается трехмерных интегральных схем, то можно предположить, что техническое осуществление многослойной разводки много проще, чем реализация трехмерных ИС. Увеличение числа уровней разводки позволило бы более эффективно использовать площадь кристалла при тех же топологических нормах (правда, выигрыш при этом был бы не столь велик, так как с увеличением числа вентилей возрастает и площадь, занимаемая межсоединениями).
В то же время при проектировании БИС и СБИС в качестве непременного условия закладывается выбор минимального числа уровней разводки и минимального числа межуровневых переходов. Практически стараются ограничиваться двумя уровнями разводки, значительно реже прибегая к трем уровням.
Но здесь идет речь о металлизации, тогда как в трехмерных ИС необходимо вырастить пленку полупроводникового материала на диэлектрике (например, на двуокиси кремния), причем поверхность эта может иметь, несмотря на «выравнивающие» способы нанесения диэлектрика, сложный профиль. Более того, изготовление ИС «второго уровня» не должно повредить ИС первого уровня. Можно предположить также и усложненные задачи обеспечения нужного теплоотвода.
Особый интерес вызывает анонс фирмы TRW, ксторая «прошла первую милю на пути к сверхкристаллу». Если еще два года назад при топологическом размере в 1,25 мкм н площади кристалла в 60 мм2, при числе транзисторов на кристалле, не превышавшем 500 ООО (а в основном до 100 ООО), фирмы ценой серьезных затрат пытались довести процент выхода годных, до 10 %, то в этом сообщении фирма TRW обещает:
В основе реализации этой идеи — некий таинственный «алгоритм», который, является главным секретом фирмы.
Можно допустить, что этой фирмой действительно найдено решение проблемы самодиагностики и самозалечивания, проблемы давно известной, но пока не нашедшей своего решения. Можно допустить также, что этот путь позволяет преодолевать все физические и технологические проблемы, хотя это и представляется весьма сомнительным.
Но в этом сообщении указывается также, что в настоящее время фирмой разрабатываются и изготовляются тестовые кристаллы по двум технологическим вариантам — биполярный и МОП на 13—15 тыс. транзисторов, на которых должна пройти проверку основная концепция. Результатов испытаний на время данной публикации еще не было. Так что же привело в такой восторг официальных представителей Пентагона?' Не проверенная экспериментально, но всем давно и хорошо известная идея о том, что хорошо бы ввести в аппаратуру принципы самодиагностики и самозалечивания? Или идея повышения надежности за счет трехкратного резервирования? Этот вопрос, как и многие другие, остается неясным [3].
В числе прочих вопросов и следующие:
В последнее время в связи с открытием эффекта высокотемпературной сверхпроводимости (ВТСП) встает вопрос: не изменится ли ситуация, если применять для изготовления межсоединений керамику, обладающую ВТСП. Действительно, малые значения сопротивления снизят задержку на межсоединениях. Однако здесь возникает ряд вопросов получения тонких (десятые доли микрона) пленок, травления этих пленок в фотолитографических процессах, однородности состава ВТСПкерамики как с точки зрения получения ровного края при травлении, так и с точки зрения получения необходимых электрических характеристик и т. п.
Кроме того, работа при температуре жидкого азота не допускает массового применения таких схем и серьезно ограничивает возможности их использования в специальной аппаратуре.
Таким образом, на повестку дня встала проблема замены носителя информации — схемотехнической ячейки на другой тип носителя информации.
Именно поэтому в декабре 1984 г. международная конференция в СанФранциско открылась докладом вицепрезидента фирмы «Тексас Инструменте» Джорджа Хейльмейера под названием: «Микроэлектроника: начало конца или конец начала»? [4].
Название это довольно символично. Его задача — отразить тот факт, что схемотехническая микроэлектроника на пути развития исчерпывает свои технические возможности, что необходимы новые принципы, которые должны стать основой нового этапа в развитии микроэлектроники. При этом можно понять так, что Дж. Хейльмейер считает этот новый этап основным в процессе развития микроэлектроники, тогда как предшествовавший этап был всего лишь «сильно уменьшенной» копией схемотехнических устройств, «впечатанной» в кристалл.
Итак, можно ли обогнать, не догоняя?
Эксперты, как правило, избегают конкретизации того, что все же будет после этого этапа схемотехники, Они ограничиваются намеком на использование квантовомеханических эффектов, на «устройства с квантовыми связями». При этом они делают упор на то, что какое бы техническое решение не предлагалось в качестве выхода из существующего положения, оно в первую очередь должно решать проблему межсоединений.
Аналогичную позицию занимали и мы, в том числе за несколько лет до доклада Хейлинейера в СанФранциско. Эта мысль была, в частности, сформулирована в январе? 1981 г. на заседании Президиума АН СССР, на котором было положено «юридическое начало» координации в области функциональной электроники. (Работа эта фактически была начата значительно раньше, так, например, Всесоюзный постояннодействующий семинар по функциональной электронике начал работу в апреле 1980 г.)
Мы высказывались в этой части более определенно:
1. Новый этап в развитии микроэлектроники — функциональная электроника— основывается на использовании в качестве носителя информации динамических неоднородностей (ДН).
2. В настоящее время известно много физических эффектов, много видов динамических неоднородностей. Как правило, в существующих устройствах
функциональной электроники используется один какойлибо физический эффект и один вид динамических неоднородностей. Будущее функциональной электроники в использовании в многослойных (трехмерных) структурах взаимодействующих между собой динамических неоднородностей — в интеграции физических эффектов в одном устройстве функциональной электроники (УФЭ).
3. Новый тип носителя информации предполагает и новые способы обработки информации. На смену последовательному способу обработки информации (распараллеливание на несколько каналов не рассматриваем) в функциональной электронике должен прийти параллельный перенос и сравнение больших массивов информации в «одномоментном» процессе, что должно обеспечить высокую скорость обработки больших массивов информации.
4. Развитие функциональной электроники является по отношению к схемотехнической электронике альтернативным, параллельным путем. Это ни в коей мере не снимает с повестки дня работ в области традиционнойсхемотехнической электроники в рамках ее возможностей, в том числе не лишает это актуальности и проблему субмикронной технологии, которая в равной мере необходима И для схемотехнической, и для функциональной микроэлектроники.
5. Устройства функциональной электроники будут работать совместно с БИС и СБИС, однако на разных уровнях. В устройствах функциональной электроники, вероятнее всего, большие массивы информации будут преобразовываться в несколько подмассивов существенно меньшего объема. Эти подмассивы резко уменьшившегося объема и преобразованные к двоичному коду будут последовательно (побитно) вводиться в соответствующие БИС и СБИС для дальнейшей обработки.
6. В таких системах (УФЭ) будут преобладать не технологические гальванические связи в виде токоведущих дорожек, а физические связи в виде электрических и магнитных полей, световых потоков и т. п.
Это не только дает возможность избавиться от «тирании межсоединений», но и за счет большей гибкости физических связей приближает нас к решению проблем синергетики в устройствах обработки информатики.
Проиллюстрируем эти положения некоторыми примерами.
С позиций вычислительной техники и информатики актуальной проблемой является обработка больших массивов информации в реальном масштабе времени. В круг задач этой проблемы войдут в первую очередь идентификация и обработка образов. Известно, что задачи этого типа с большими сложностями решаются традиционными методами схемотехнической электроники, а в ряде случаев оказываются практически неразрешимыми. В конечном счете все определяется объемами информации. Одним из основных препятствий на этом пути становится последовательная передача информации от ячейки к ячейке, что при больших объемах информации требует значительного времени даже при распараллеливаний на большое, но конечное число каналов.
Выходом из этого положения может быть переход к вводу, переносу и обработке информации массивами в параллельном «одномоментальном» процессе. Практически это представляет собой предельное распределение с числом каналов, равным числу элементов в обрабатываемом массиве.
Схемотехническими методами такую задачу вряд ли удастся решить, так как принципы схемотехнической обработки информации базируются на последовательной передаче информации от одной ячейки к другой. Другими словами, ограничивающим фактором здесь является сам носитель информации — электрическое состояние некоторой схемотехнической ячейки типа И, ИЛИ, НЕ, И-НЕ, ИЛИ НЕ и т. п.
Для новых принципов информации необходим новый вид носителя информации. И, наоборот, использование новых видов носителя информации приведет нас так или иначе к необходимости создания новых принципов ее обработки.
Такой, отличный от схемотехнической ячейки вид носителя информации уже известен, и имеется достаточное количество его разновидностей. Все они объединяются общим названием «динамические неоднородности». К числу таких ДН могут быть отнесены цилиндрические магнитные домены (ЦМД); «карманы» (потенциальные ямы) и пакеты зарядов в приборах с зарядовой связью (ПЭС), смещение атомов в решетке пьезоэлектрика и сопровождающие их волны электрического потенциала в устройствах на поверхностных акустических волнах (ПАВ) и др., включая акустооптические эффекты, магнитостатические волны (МСВ), эффекты в сегнетоэлектронике и др.
Динамические неоднородности могут быть подвижными, могут взаимодействовать между собой и с ДН другого вида без многократных преобразований типа «потенциал — ток — заряд — ток — потенциал», как это имеет место при взаимодействии цепочки схемотехнических ячеек, для их взаимодействия нет необходимости в обязательной гальванической связи между ними.
Другими словами, если мы хотим освободиться от тирании межсоединений, то мы должны сменить тип носителя информации. Другого варианта, кроме ДН, пока нет, более того, нет оснований считать, что использование ДН не приведет нас к решению проблемы. В то же время ДН уже представляют широкие возможности для введения и переноса информации массивами, однако использование этих возможностей требует существенных усилий.
Введение, перенос и обработка информации массивами в принципе не представляют собой ничего нового и необычного. Аналогию этому мы можем видеть в технике зрения. Кстати, именно зрения сегодня недостает современным устройствам обработки информации.
В общем виде техническую реализацию такой системы можно было бы представить в виде многослойной структуры, верхний слой которой может быть назван сенсорным слоем. В этот слой оптическим способом вводится массив информации — образ и запоминается в этом же слое или же «одномоментное» переносится в следующий слой, играющий роль оперативной памяти. Назовем этот образ «образом-оригиналом». В одном из ниже расположенных слоев хранится «образ-эталон», с которым должно быть произведено сопоставление оригинала.
Разностная информация в виде признаков выводится по ряду каналов для обработки традиционным способом с помощью БИС и СБИС.
Итак, разделение информации на ряд признаков и резкое уменьшение объема информации после сравнения оригинала с эталоном делает реальной обработку признаков последовательным методом с помощью схемотехнических устройств.
Конкретная информация (образы) обрабатывается параллельным одномоментным сравнением двух больших массивов, разностная информация (признаки), разделенная на каналы, обрабатывается последовательно. Признаки — это уже абстрактная информация.
Можно себе представить перепрограммирование признаков в образе-эталоне по результатам первого шага обработки и повторное сопоставление образов. Смысл этой идеи может быть .проиллюстрирован принципом фоторобота, где лицо разбито на полосы-признаки: волосы, лоб, глаза, нос, рот, подбородок... Замена признака осуществляется по результатам предшествующего сравнения.
Нет необходимости, вероятно, обращать внимание, что набор признаков потребует значительно меньшего объема памяти, чем набор всех возможных вариантов образов, которые можно было бы сформировать из этих признаков.
Обратим внимание на следующие моменты.
Параллельное сравнение двух массивов информации резко снижает объем информации, подлежащей дальнейшей обработке.
При этом осуществляется разделение этой информации на конечное, но, возможно, достаточно большое количество каналов.
Обработка каждого из признаков (в своем канале) осуществляется отдельным процессором.
Возможна и целесообразна организация взаимозависимой обработки признаков в соответствующих каналах.
При первичной обработке массива информации можно рассчитывать на исключение избыточной информации на принципах самоорганизации за счет гибкости связей между носителями информации в этой системе — между динамическими неоднородностями.
Таким образом, в этой системе при использовании динамических неоднородностей в качестве носителя информации можно рассчитывать на одновременную реализацию следующих принципов:
Параллельная (одномоментная) обработка больших массивов информации и исключение избыточной информации;
распределение разностной информации на большое число каналовраспараллеливание;
многопроцессорная обработка информации;
использование принципов самоорганизации (синергетики) в обработке больших массивов информации.
Отметим, что как бы ни осуществлялась обработка информации с помощью ДН, на выходе устройства функциональной электроники мы должны иметь информацию в двоичном коде и выводить ее последовательно бит за битом для обработки с помощью БИС и СБИС.
Так может быть представлена для наглядности одна из возможных задач и в общих чертах принципы ее решения. Можно добавить, что вероятнее всего в одном устройстве такого вида будут использоваться различные физические эффекты, т. е. различные по природе виды динамических неоднородностей.
Электроника динамических неоднородностей сформировалась в самостоятельное направление в микроэлектронике — в функциональную микроэлектронику.
На первом этапе устройства функциональной электроники (УФЭ) использовали один физический эффект и один вид ДН. Примером могут быть линии задержки на ПАВ или память на ЦМД.
Функциональная электроника вступает уже в фазу интеграции различных физических эффектов в одном устройстве. Этот факт явствует хотя бы из названий некоторых направлений в функциональной электронике: «акустооптика» или «магнитооптоакустика». Однако смысл целенаправленной деятельности по развитию функциональной электроники заключается не в том, чтобы, исследуя тот или иной физический эффект, тот или иной вид динамической неоднородности, искать ему практическое применение. Арсенал физических эффектов представляет широкие возможности для выбора средств [ 5].
Необходима постановка целевой комплексной задачи, которую в общем виде можно сформулировать так:
«Обработка больших массивов информации в реальном масштабе времени средствами функциональной электроники».
Эта задача может быть разбита на ряд конкретных направлений, в каждом из них в арсенале средств надо искать необходимый набор физических эффектов и динамических неоднородностей, ведущий кратчайшим путем к поставленной цели.
«Обгонять не догоняя» — вот что должно стать здесь нашим лозунгом. Не ожидая, пока будут исчерпаны возможности традиционного направления схемотехнической электроники, необходимо выходить на параллельную линию развития и постараться не уступить здесь пальму первенства, ориентируясь на перспективу. Решение текущих задач и работа на перспективу могут и должны в данном случае осуществляться параллельно.
Литература
1. Экспрессинформация. Вып. 162/163 от 21/22 авг. 1989 г. М.: ЦНИИ "Электроника".
2. С. У э б е р. Перспективы новых покрлений ИСприборов на квантовых эффектах. Электроника, 1987, № 16, с. 8389.
3. Б. К о у л. На пути к созданию кристалла, содержащего 1 млрд. транзисторов. Электроника, 1987, № 7, с. 4451.
4. Б. К о у л. ИС со сверхвысокой плотностью упаковки: проблемы и перспективы. Электроника, 1986, № 9, с. 3645.
5. Я. А. Федотов, А. А. Щука. Альтернативы развития микроэлектроники. В кн.: Микроэлектроника и полупроводниковые приборы. М.: Радио и связь, 1989, с. 2241.
© Информационное общество, 1990, вып. 5, с. 57-66.