Zak

ad Przyrz

w Mikroelektroniki i Nanoelektroniki,

Instytut Mikroelektroniki i Optoelektroniki Politechniki Warszaw

skiej

NANOTECHNOLOGIE

–

rys historyczny, perspektywy,

ograniczenia

dr in

. Aleksander Werbowy

materiały do wykładu –

TYLKO DO UŻYTKU WEWNĘTRZNEGO,

NA PRAWACH RĘKOPISU !

Zak

ad Przyrz

w Mikroelektroniki i Nanoelektroniki,

Instytut Mikroelektroniki i Optoelektroniki Politechniki Warszaw

skiej

-35

-15

-10

-5

[metry]

Długość

Plancka

Średnica

protonu

Nić DNA,

promieniowanie widzialne

Żywa

komórka

Średnica

atomu

Człowiek

Odległość

Ziemii od

Słońca

Promień

Ziemii

Odległość do

najbliższej

gwiazdy

Odległość do

najbliższej

galaktyki

Odległość do

środka galaktyki

Wielkość

obserwowalnego

Wszechświata

Wielkość

Wszechświata

(?)

(teorie inflacyjne)

Skala wielkości we Wszechświecie

Zak

ad Przyrz

w Mikroelektroniki i Nanoelektroniki,

Instytut Mikroelektroniki i Optoelektroniki Politechniki Warszaw

skiej

NANOMETR:

1/1 000 000 000 metra
1/1 000 000 średnicy łebka od szpilki
1/1 000 długości bakterii
1/10 wielkości najmniejszego wirusa
10 atomów wodoru ułożonych jeden za drugim

Zak

ad Przyrz

w Mikroelektroniki i Nanoelektroniki,

Instytut Mikroelektroniki i Optoelektroniki Politechniki Warszaw

skiej

ILE ATOMÓW ?

•1 cm

ciała stałego – 10

- 10

•drobina pyłu (

= 0,1 mm) – 10

•krystalit (

= 10

μm) – 10

•typowych rozmiarów bakteryjne DNA – 10

-10

•typowa samoorganizująca się kropka kwantowa (z blokadą
kulombowską) – 10

-10

•mała jednościenna nanorurka – 10

-10

•mała kropka kwantowa (ze skwantowanymi poziomami
energetycznymi); serotonina (rodzaj neurotransmitera) – 10

-10

Zak

ad Przyrz

w Mikroelektroniki i Nanoelektroniki,

Instytut Mikroelektroniki i Optoelektroniki Politechniki Warszaw

skiej

NANOTECHNOLOGIE

Technologie wykorzystywane w wielu podstawowych
dziedzinach aktywności technicznej człowieka w celu:

•

wytwarzania klasycznych urządzeń o nanometrowych

rozmiarach z charakterystycznymi dla nich efektami,

• wytwarzania nanomateriałów,
• wytwarzania nowych struktur o nieznanych jeszcze

cechach,

• modelowania i badania tychże.

Zak

ad Przyrz

w Mikroelektroniki i Nanoelektroniki,

Instytut Mikroelektroniki i Optoelektroniki Politechniki Warszaw

skiej

MIKROELEKTRONIKA

Dziedzina nauki i techniki zajmuj

ca si

zminiaturyzowanymi uk

adami elektronicznymi

realizowanymi ca

kowicie w postaci scalonej,

niekiedy r

wnie

z udzia

em element

dyskretnych, kt

rych dzia

anie opiera si

wykorzystaniu zjawisk zwi

zanych z ruchem

elektron

w swobodnych w cia

ach sta

ych

. p

przewodnikach).

Zak

ad Przyrz

w Mikroelektroniki i Nanoelektroniki,

Instytut Mikroelektroniki i Optoelektroniki Politechniki Warszaw

skiej

OPTOELEKTRONIKA

Dzia

elektroniki zajmuj

cy si

adami,

rych dzia

anie opiera si

na wykorzystaniu

proces

w przetwarzania sygna

elektrycznych na optyczne, jak i optycznych

na elektryczne. Uk

ady te s

przeznaczone do

przesy

ania, przetwarzania i ewentualnie

magazynowania informacji niesionej przez

wiat

Zak

ad Przyrz

w Mikroelektroniki i Nanoelektroniki,

Instytut Mikroelektroniki i Optoelektroniki Politechniki Warszaw

skiej

NANOELEKTRONIKA

Dziedzina elektroniki realizowana przez

przyrz

dy o wymiarach rz

du nanometr

(< 100 nm), wskutek czego manifestuj

w nich zjawiska zwi

zane z kwantow

natur

elektron

w. S

to zjawiska:

elektrofalowe, jednoelektronowe i spinowe.

Zak

ad Przyrz

w Mikroelektroniki i Nanoelektroniki,

Instytut Mikroelektroniki i Optoelektroniki Politechniki Warszaw

skiej

NANOELEKTRONIKA

Miniaturyzacja

klasycznych przyrządów/struktur

elektronicznych

Zupełnie nowe

przyrządy o nieznanych

jeszcze własnościach

Nowa generacja przyrządów

wykorzystujących zjawiska

bądź cechy materii (głównie

elektronów), które w większych

skalach nie manifestują się lub

nie odgrywają roli

Zak

ad Przyrz

w Mikroelektroniki i Nanoelektroniki,

Instytut Mikroelektroniki i Optoelektroniki Politechniki Warszaw

skiej

NANOELEKTRONIKA

MOLEKULARNA

Dziedzina

nano

elektroniki

w kt

rej

wykorzystuje si

ciwo

ci elektronowe

pojedynczych cz

stek, a tak

e zale

ść

tych w

ciwo

ci od czynnik

chemicznych, elektromechanicznych lub

optycznych.

Zak

ad Przyrz

w Mikroelektroniki i Nanoelektroniki,

Instytut Mikroelektroniki i Optoelektroniki Politechniki Warszaw

skiej

SPINTRONIKA

tak

elektronika spinowa, magnetoelektronika

Interdyscyplinarna dziedzina wiedzy zajmuj

badaniem zjawisk fizycznych wynikaj

cych

z posiadania przez elektron (lub inn

stk

)

spinu i zwi

zanego z nim momentu

magnetycz

nego

, a tak

e modelowanie, projektowanie,

wytwarzanie i badanie urz

dze

wykorzystuj

cych

te zjawiska.

Zak

ad Przyrz

w Mikroelektroniki i Nanoelektroniki,

Instytut Mikroelektroniki i Optoelektroniki Politechniki Warszaw

skiej

INTERDYSCYPLINARNOŚĆ !!!

- fizyka (kwantowa, ciała stałego, …),

- chemia,

- biologia molekularna,

- inżynieria materiałowa,

- …

Zak

ad Przyrz

w Mikroelektroniki i Nanoelektroniki,

Instytut Mikroelektroniki i Optoelektroniki Politechniki Warszaw

skiej

What I want to talk about is the problem of
manipulating and controlling things on a small
scale. (…) It is a staggeringly small world that is
below. In the year 2000, when they look back at
this age, they will wonder why it is not until the
year 1960 that anybody began seriously to
move in this direction.

Richard Feynman (1918-1988)

There's Plenty of Room at the Bottom

Annual Meeting of the American Physical Society, California
Institute of Technology, Pasadena, December 29, 1959

Zak

ad Przyrz

w Mikroelektroniki i Nanoelektroniki,

Instytut Mikroelektroniki i Optoelektroniki Politechniki Warszaw

skiej

Richard Feynman (1918-1988)

A biological system can be exceedingly small.
Many of the cells are very tiny, but they are very
active; they manufacture various substances;
they walk around; they wiggle; and they do all
kinds of marvelous things – all on a very small
scale. Also, they store information. Consider the
possibility that we too can make a thing very
small which does what we want – that we can
manufacture an object that maneuvers at that
level!

Zak

ad Przyrz

w Mikroelektroniki i Nanoelektroniki,

Instytut Mikroelektroniki i Optoelektroniki Politechniki Warszaw

skiej

DWIE FILOZOFIE:

„

Top

down

”

(klasyczne)

„

Bottom

”

(przyroda)

Proces fizyczny a chemiczny

Synkretyzm

wiata nieo

ywionego i o

ywionego

Zak

ad Przyrz

w Mikroelektroniki i Nanoelektroniki,

Instytut Mikroelektroniki i Optoelektroniki Politechniki Warszaw

skiej

ZALETY REDUKCJI ROZMIAR

W (na przyk

adzie elektroniki)

Oszcz

dno

ść

materia

u, energii

mniejszy jednostkowy koszt

dzia

ania elementu i jego wytworzenia

ksza szybko

ść

dzia

ania i zysk,

ksze upakowanie

kszy potencja

i wi

ksza pojemno

ść

informacyjna

PONADTO

Struktury w ma

ej skali mog

mie

lepsze w

asno

ci elektryczne,

chemiczne, mechaniczne lub optyczne,

liwo

ść

modyfikacji materii na poziomie, na kt

rym definiowane

jej makroskopowe w

asno

ci,

liwo

ść

manipulowania materi

na tym poziomie

Zak

ad Przyrz

w Mikroelektroniki i Nanoelektroniki,

Instytut Mikroelektroniki i Optoelektroniki Politechniki Warszaw

skiej

POTENCJALNE OBSZARY ZASTOSOWA

NANOTECHNOLOGII

Techniki informacyjne (struktury elektroniczne i fotoniczne,

wietlacze, komputery kwantowe);

Systemy rozprowadzania lek

w (po

łą

czenia lek

polimer,

nanocz

stki, liposomy i polimerowe micele, dendrymery

organiczne);

ynieria tkankowa, implanty i urz

dzenia medyczne (w tym

zewn

trzne implanty tkankowe, urz

dzenia do test

vivo

itp.);

Szeroko pojmowana in

ynieria materia

owa (

nanomateria

nanokompozyty

, warstwy

bioczu

);

Instrumenty i oprzyrz

dowanie do realizacji nanotechnologii (np.

nego rodzaju mierniki wielko

ci nano

);

Sensory i

aktuatory

(w tym diagnostyka medyczna i implanty).

C. Hayter, Mat. Sci. Eng. C, 23 (2003) 703

Zak

ad Przyrz

w Mikroelektroniki i Nanoelektroniki,

Instytut Mikroelektroniki i Optoelektroniki Politechniki Warszaw

skiej

Dzi

i jutro nanotechnologii

„Small Wonders, Endless Frontiers”; A Review of the National Nanotechnology Initiative 2002

branża chemiczna,

materiałowa

i farmaceutyczna

biosensoryka,

nanofluidyka,

lecznictwo

nano(opto)elektronika,

nanomechanika,

nanobiomateriały

Zak

ad Przyrz

w Mikroelektroniki i Nanoelektroniki,

Instytut Mikroelektroniki i Optoelektroniki Politechniki Warszaw

skiej

Firma:

Nazwa produktu

Zastosowanie

Opis

IBM:

Warstwy niemagnetyczne

o grubo

ci < 1nm

Przechowywanie

danych

owice twardych dysk

(efekt GMR)

Nantero

(we wsp

pracy z

LSI

Logic

Corp

Pami

ęć

trwa

a oparta na

nanorurkach

glowych

Przechowywanie

danych

Chipy NRAM

(

nanotube

nonvolatile

RAM

)

zachowuj

ce si

łą

czeniu zasilania jak

pami

ci SRAM i

flash

(wykorzystanie si

van

der

Waalsa

i faktu,

nanorurki

odkszta

caj

pod

ywem pola elektrycznego)

JUŻ W PRODUKCJI !

Zak

ad Przyrz

w Mikroelektroniki i Nanoelektroniki,

Instytut Mikroelektroniki i Optoelektroniki Politechniki Warszaw

skiej

Firma:

Nazwa produktu

Zastosowanie

Opis

ExxonMobil

Zeolity

Kataliza

Katalizatory rozrywania

ych cz

stek

glowodor

w (wytwarzanie

benzyny)

Gilead

Sciences

cherzyki lipidowe

Rozprowadzanie

lek

Lekarstwa zawarte w

lipidowych p

cherzykach

(100nm) kr

ążą

ej w

krwiobiegu

Nanophase

Technol

Nanoproszki

Modyfikacja

asno

materia

Twardsze ceramiki,

prze

roczyste filtry s

oneczne

blokuj

ce UV i IR,

katalizatory

Zak

ad Przyrz

w Mikroelektroniki i Nanoelektroniki,

Instytut Mikroelektroniki i Optoelektroniki Politechniki Warszaw

skiej

Firma:

Nazwa produktu

Zastosowanie

Opis

Schott

Conturan

Multiwarstwy

Warstwy

antyrefleksyjne

Warstwy nanoszone na szk

ytkownicy:

Audi,

DaimlerChrysler

)

Saint

Gobain

(

Sekurit

Thermocontrol

nanowarstwy

Warstwy

przeciws

oneczne

i blokuj

ce IR

Cienkie warstwy wtapiane

dzy warstwy szk

ytkownicy:

Evobus

)

Basel

TPO

Nano

nanop

atki

Modyfikacja

asno

materia

Termoplastyczny nano

kompozyt u

ywany do

produkcji sztywnych i lekkich

zewn. element

samoch

ytkownicy:

General

Motors

)

Zak

ad Przyrz

w Mikroelektroniki i Nanoelektroniki,

Instytut Mikroelektroniki i Optoelektroniki Politechniki Warszaw

skiej

10 dziedzin jutra wed

Technology

Review

(2005)

1. Kwantowe kable (

nanorurki

)

energetyka

3. Bakteryjne fabryki

–

farmaceutyka (leki na

malari

, AIDS,

…

)

(42,6

mln

USD

od Fundacji

Gates

)

Zak

ad Przyrz

w Mikroelektroniki i Nanoelektroniki,

Instytut Mikroelektroniki i Optoelektroniki Politechniki Warszaw

skiej

10 dziedzin jutra wed

Technology

Review

(2005)

4. Mikroskopia si

rezonansu magnetycznego

(MRFM)

–

D obrazowanie

wiata na

poziomie molekularnym (z

one

steczki, bia

ka,

…

)

7. Pami

ci uniwersalne (

nanorurki

)

–

nanoelektronika

(potencjalnie

max

. pojemno

ść

> 10

bit

w/cm

pami

ęć

laptopa pomie

aby zawarto

ść

wszystkich kiedykolwiek wyprodukowanych

yt DVD;

yta DVD

–

pojemno

ść

du 5

bit

Zak

ad Przyrz

w Mikroelektroniki i Nanoelektroniki,

Instytut Mikroelektroniki i Optoelektroniki Politechniki Warszaw

skiej

Koszty rozwoju nanotechnologii

Koszty bada

Koszty wykszta

cenia nowej kadry technicznej,

Koszty zakupu nowych urz

dze

Koszty budowy nowych fabryk.

Zak

ad Przyrz

w Mikroelektroniki i Nanoelektroniki,

Instytut Mikroelektroniki i Optoelektroniki Politechniki Warszaw

skiej

NAK

ADY NA NANOTECHNOLOGIE

„Small Wonders, Endless Frontiers”; A Review of

the National Nanotechnology Initiative 2002

Zak

ad Przyrz

w Mikroelektroniki i Nanoelektroniki,

Instytut Mikroelektroniki i Optoelektroniki Politechniki Warszaw

skiej

WSP

PRACA

…

rodk

w akademickich (badania podstawowe!),

np. sieci badawcze,

producent

w (alianse koncern

łą

czenie wielu

przedsi

biorstw o r

nych profilach

przemys

–

uczelnie,

agend rz

dowych,

wsparcie finansowe ze strony rz

Zak

ad Przyrz

w Mikroelektroniki i Nanoelektroniki,

Instytut Mikroelektroniki i Optoelektroniki Politechniki Warszaw

skiej

PROBLEMATYKA REDUKCJI

ROZMIAR

W STRUKTUR

ELEKTRONICZNYCH

(i nie tylko)

Zak

ad Przyrz

w Mikroelektroniki i Nanoelektroniki,

Instytut Mikroelektroniki i Optoelektroniki Politechniki Warszaw

skiej

Problem: jak zapewni

utrzymanie tempa rozwoju elektroniki

(prawo

Moore

’

–

moc obliczeniowa podwaja si

rednio co

24 miesi

ce)

Rozwi

zanie: zwi

ksza

upakowanie element

(szybko

ść

dzia

ania

(koszt jednostkowy elementu

)

MINIATURYZACJA NA PRZYK

ADZIE ELEKTRONIKI

Zak

ad Przyrz

w Mikroelektroniki i Nanoelektroniki,

Instytut Mikroelektroniki i Optoelektroniki Politechniki Warszaw

skiej

Wzrost mocy obliczeniowej komputer

(szybko

ść

dzia

ania

…

)

„Small Wonders, Endless Frontiers”; A Review of the National Nanotechnology Initiative 2002

Zak

ad Przyrz

w Mikroelektroniki i Nanoelektroniki,

Instytut Mikroelektroniki i Optoelektroniki Politechniki Warszaw

skiej

Wzrost mocy obliczeniowej komputer

(

…

koszt jednostkowy elementu

)

Zak

ad Przyrz

w Mikroelektroniki i Nanoelektroniki,

Instytut Mikroelektroniki i Optoelektroniki Politechniki Warszaw

skiej

SKALOWANIE

Zachowanie podobnych warto

ci p

l elektrycznych

w kolejnych generacjach przyrz

Minimalizacja tzw. efekt

„

tkiego kana

”

(zale

ść

, sp

aszczenie

w zakresie podprogowym itd.)

Redukcja wymiar

w pionowych struktur (np.

)

Zak

ad Przyrz

w Mikroelektroniki i Nanoelektroniki,

Instytut Mikroelektroniki i Optoelektroniki Politechniki Warszaw

skiej

(

)

(

)

diel

msat

diel

Dsat

−

∂

−

SKALOWANIE

(tranzystor MOS)

Zak

ad Przyrz

w Mikroelektroniki i Nanoelektroniki,

Instytut Mikroelektroniki i Optoelektroniki Politechniki Warszaw

skiej

-1

× (N

, N

)

A. Jakubowski, L. Łukasiak, Z. Pióro, KST’2004

SKALOWANIE

Zak

ad Przyrz

w Mikroelektroniki i Nanoelektroniki,

Instytut Mikroelektroniki i Optoelektroniki Politechniki Warszaw

skiej

PROBLEMY I OGRANICZENIA

ZWI

ZANE Z REDUKCJ

WYMIAR

Klasyczne, wynikaj

ce z regu

skalowania (przyrz

dowe,

materia

owe, uk

adowe, systemowe

–

dotycz

w g

wnej mierze

przyrz

w elektronicznych).

Fundamentalne

ziarnisto

ść

materii,

manifestacja zjawisk i oddzia

ywa

nie obserwowanych

w wi

kszych skalach (efekty kwantowe, termodynamika,

efekty

mezoskopowe

…

Etyczne.

Zak

ad Przyrz

w Mikroelektroniki i Nanoelektroniki,

Instytut Mikroelektroniki i Optoelektroniki Politechniki Warszaw

skiej

Problemy klasyczne

(technologiczno

konstrukcyjne)

zmiana technologii

nasilenie si

zjawisk paso

ytniczych,

pomijalnych w strukturach o wi

kszych

rozmiarach

Zak

ad Przyrz

w Mikroelektroniki i Nanoelektroniki,

Instytut Mikroelektroniki i Optoelektroniki Politechniki Warszaw

skiej

Zmiana technologii

(fotolitografia)

Koszty !!!

Rok

Urz

dzenie(

)

Cena

(USD)

1970

wietlarka do

fotolitografii kontaktowej

100 tys.

1986

Linia technologiczna

Intela do produkcji

scal. na pod

ach 6

”

(150 mm)

mln

2002

wietlarka do

technologii 193

(DUV)

mln

P.J.Silverman, „The Intel Technology Roadmap”; Intel Technology J., vol. 6 (2002)

Zak

ad Przyrz

w Mikroelektroniki i Nanoelektroniki,

Instytut Mikroelektroniki i Optoelektroniki Politechniki Warszaw

skiej

Nasilenie si

zjawisk

paso

ytniczych (

…

)

S.Thompson, P.Packan, M.Bohr, „MOS Scaling: Transistor Challenges for the 21st Century”;

Intel Technology J., Q3 (1998)

Zak

ad Przyrz

w Mikroelektroniki i Nanoelektroniki,

Instytut Mikroelektroniki i Optoelektroniki Politechniki Warszaw

skiej

Nasilenie si

zjawisk

paso

ytniczych (

…

)

rozwi

zania

nowe materia

dielektryczne

high

. HfO

low

SiOF

przewodnikowe

. napr

ęż

ony Si,

przewodz

(Cu)

K.David, „Silicon Nanotechnology”; Intel Developer Forum, 18.02.2004

Zak

ad Przyrz

w Mikroelektroniki i Nanoelektroniki,

Instytut Mikroelektroniki i Optoelektroniki Politechniki Warszaw

skiej

Nasilenie si

zjawisk

paso

ytniczych (

…

)

rozwi

zania

nowe rozwi

zania konstrukcyjne:

modyfikacje klasycznych struktur

tranzystorowych

tj. CMOS

(min. wymiar krytyczny

≅

)

nieklasyczne struktury

tranz

. (SOI,

tranzystory z podw

potr

bramk

, z

„

ynieri

przerwy

zabronionej

”

, z

nanorurkami

glowymi,

…

)

50 nm

Drain

Source

K.David, „Silicon Nanotechnology”; Intel Developer Forum, 18.02.2004

30 nm

Zak

ad Przyrz

w Mikroelektroniki i Nanoelektroniki,

Instytut Mikroelektroniki i Optoelektroniki Politechniki Warszaw

skiej

Prognoza rozwoju technologii

CMOS

K.David, „Silicon Nanotechnology”; Intel Developer Forum, 18.02.2004

Zak

ad Przyrz

w Mikroelektroniki i Nanoelektroniki,

Instytut Mikroelektroniki i Optoelektroniki Politechniki Warszaw

skiej

Redukcja grubo

ci dielektryka,

Zubo

enie bramki,

Rezystancja szeregowa,

Efekty silnego domieszkowania,

Obni

anie napi

cia zasilania.

KLASYCZNE PROBLEMY Z

REDUKCJ

WYMIAR

(tranzystor MOS)

Zak

ad Przyrz

w Mikroelektroniki i Nanoelektroniki,

Instytut Mikroelektroniki i Optoelektroniki Politechniki Warszaw

skiej

ZALETY:

Wzrost

transkonduktancji

(czyli

(

)

korzy

ść

przy

zas

)

Redukcja tzw. efekt

w kr

tkiego kana

u oraz wp

ywu

eff

parametry tranzystora (np.

Wzrost pojemno

ci bramki:

zbyt ma

uniemo

liwi

aby w ko

cu indukowanie

kana

(o ile

leak

const

) mo

w elementach pami

ciowych (np. EEPROM)

zwi

ksza skuteczno

ść

wstrzykiwania

apkowanego

adunku, redukuj

c czas programowania uk

adu

KLASYCZNE PROBLEMY (

…

)

REDUKCJA GRUBO

CI DIELEKTRYKA

Zak

ad Przyrz

w Mikroelektroniki i Nanoelektroniki,

Instytut Mikroelektroniki i Optoelektroniki Politechniki Warszaw

skiej

KLASYCZNE PROBLEMY (

…

)

REDUKCJA GRUBO

CI DIELEKTRYKA

WADY:

opoty technologiczne:

Si bardzo kr

tko pozostaje czysty (przy cienkich dielektrykach

nie wi

c wp

yw zanieczyszcze

powierzchniowych na ich

parametry),

tszy czas utleniania

trudniej utrzyma

powtarzalno

ść

procesu

opoty z pomiarem charakterystyk HF C

V w stanie akumulacji

(potrzebne zbyt du

przebicie)

Zak

ad Przyrz

w Mikroelektroniki i Nanoelektroniki,

Instytut Mikroelektroniki i Optoelektroniki Politechniki Warszaw

skiej

KLASYCZNE PROBLEMY (

…

)

REDUKCJA GRUBO

CI DIELEKTRYKA

WADY c.d.:

Wzrost pr

du up

ywu:

mniejsza wytrzyma

ść

elektryczna (bo niejednorodna

grubo

ść

) i szybsza degradacja dielektryka

~ exp(1/

wzrost poboru mocy (szczeg

lnie istotne w stanie

„

stand

”

)

i konieczno

ść

stszego od

wie

ania,

opoty z charakteryzacj

przyrz

w (LF C

–

pomiar

)

Zak

ad Przyrz

w Mikroelektroniki i Nanoelektroniki,

Instytut Mikroelektroniki i Optoelektroniki Politechniki Warszaw

skiej

ROZWI

ZANIE ?

DIELEKTRYKI O WY

SZYM

Ale:

• technologia

•

Ê Ö

• i tak wkrótce
znów dojdziemy
do małych t

A. Jakubowski, L.

Łukasiak, Z. Pióro, KST’2004

Zak

ad Przyrz

w Mikroelektroniki i Nanoelektroniki,

Instytut Mikroelektroniki i Optoelektroniki Politechniki Warszaw

skiej

LICZBA ATOMÓW DOMIESZKI

W OBSZARZE ZUBOŻENIA TRANZYSTORA MOS

= N

[cm

-3

]

⋅ W ⋅ L ⋅ X

WCZORAJ

= 10

-3

⋅ 10μm ⋅ 10μm ⋅ 0,3μm ≈ 3×10

atomów

DZISIAJ

= 10

-3

⋅ 0,25μm ⋅ 0,1μm ⋅ 0,03μm ≈ 750 atomów

JUTRO (SOI)

= 10

-3

⋅ 0,01μm ⋅ 0,01μm ⋅ 0,002μm ≈

2 atomy !!

A. Jakubowski, L. Łukasiak, Z. Pióro, ELTE’2004

Zak

ad Przyrz

w Mikroelektroniki i Nanoelektroniki,

Instytut Mikroelektroniki i Optoelektroniki Politechniki Warszaw

skiej

Np. dla elektronu efekty te ujawniaj

, gdy wielko

ść

przyrz

du staje si

por

wnywalna z:

–

redni

drog

swobodn

elektronu (~

)

–

. fali de

Broglie

’

reprezentuj

elektron

w p

przewodnikach

–

tzw. termiczna d

. fali de

Broglie

’

/(2

)

1/2

)

w metalach

–

/(2

))

1/2

0,1

)

–

drog

koherencji fazowej (

ale

w niskich temp.

nawet ~

100

)

EFEKTY MEZOSKOPOWE

(ujawnienie si

falowej natury materii przy odpowiednio ma

skali przyrz

du)

Zak

ad Przyrz

w Mikroelektroniki i Nanoelektroniki,

Instytut Mikroelektroniki i Optoelektroniki Politechniki Warszaw

skiej

Zjawiska falowe:

transport balistyczny, interferencja,

kwantowanie energii, tunelowanie,

tunelowanie

rezonansowe, powstawanie

minipasm

, oscylacje Blocha

Zjawiska

jednoelektronowe

blokada kulombowska

Zjawiska spinowe:

gigantyczny

magnetoop

(GMR),

magnetorezystancja

tunelowa (TMR)

EFEKTY MEZOSKOPOWE

Zak

ad Przyrz

w Mikroelektroniki i Nanoelektroniki,

Instytut Mikroelektroniki i Optoelektroniki Politechniki Warszaw

skiej

M. Bugajski, ELTE’2004

EFEKTY MEZOSKOPOWE

(kwantyzacja energii kinetycznej elektronu)

Zak

ad Przyrz

w Mikroelektroniki i Nanoelektroniki,

Instytut Mikroelektroniki i Optoelektroniki Politechniki Warszaw

skiej

EFEKTY MEZOSKOPOWE

(rozszczepienie struktury pasmowej na poziomy dyskretne)

M. Bugajski, ELTE’2004

Zak

ad Przyrz

w Mikroelektroniki i Nanoelektroniki,

Instytut Mikroelektroniki i Optoelektroniki Politechniki Warszaw

skiej

Fluktuacje statystyczne

Casimira

ruchy Browna (cz

stka H

O o

rednicy

rednio raz na sekund

otrzymuje

termiczny

knock

out

wny jej ci

ęż

arowi!)

(Wady

–

pomiar oddzia

ywa

czy masy;

zalety

–

liwo

ść

separacji cz

stek czy

kom

rek wedle rozmiar

)

Fluktuacje termiczne (

rednia zmiana

obj

ci 200

atomowej kropki kwantowej

w temp. pokojowej wynosi ok. 1%)

…

OGRANICZENIA

TERMODYNAMICZNE

Zak

ad Przyrz

w Mikroelektroniki i Nanoelektroniki,

Instytut Mikroelektroniki i Optoelektroniki Politechniki Warszaw

skiej

maksymalna g

sto

ść

upakowania element

w uk

adu,

maksymalna pojemno

ść

informacyjna uk

adu,

maksymalna szybko

ść

wykonywania operacji,

minimalna energia potrzebna do wykonania jednej

operacji.

OGRANICZENIA FUNDAMENTALNE,

ALBO JAK MAKSYMALNIE MO

ZMNIEJSZY

KLASYCZNY PRZYRZ

PRZEWODNIKOWY

Zak

ad Przyrz

w Mikroelektroniki i Nanoelektroniki,

Instytut Mikroelektroniki i Optoelektroniki Politechniki Warszaw

skiej

OGRANICZENIA FUNDAMENTALNE,

ALBO JAK MAKSYMALNIE MO

ZMNIEJSZY

KLASYCZNY PRZYRZ

PRZEWODNIKOWY

Najwa

niejsze parametry uk

w logicznych:

czas prze

łą

czania

[s],

sto

ść

upakowania przyrz

[1/cm

]

wydajno

ść

informacyjna uk

adu (maksymalna liczba

prze

łą

cze

w jednostce czasu)

V.V.Zhirnov et al. „Limits to Binary Logic Switch Scaling – A Gedanken Model”; Proc.IEEE, 91 (2003) 1934

Zak

ad Przyrz

w Mikroelektroniki i Nanoelektroniki,

Instytut Mikroelektroniki i Optoelektroniki Politechniki Warszaw

skiej

OGRANICZENIA FUNDAMENTALNE (

…

)

ALE

da elementarna operacja logiczna (zmiana stanu,

prze

łą

czenie) wymaga pewnej energii

bit

kowita moc pobierana (i rozpraszana) przez urz

dzenie

jest proporcjonalna do

, tj.

bit

(

const

)

bit

(redukcja P bez obni

ania B wymaga zmniejszenia

bit

)

V.V.Zhirnov et al. „Limits to Binary Logic Switch Scaling – A Gedanken Model”; Proc.IEEE, 91 (2003) 1934

Zak

ad Przyrz

w Mikroelektroniki i Nanoelektroniki,

Instytut Mikroelektroniki i Optoelektroniki Politechniki Warszaw

skiej

OGRANICZENIA FUNDAMENTALNE (

…

)

Minimalna warto

ść

energii potrzebnej do wykonania

elementarnej operacji logicznej:

bit

≥

ln2 =

0,017

≅

J (

= 300 K)

tzw. ograniczenie

Shannona

von

Neumanna

Landauera

(SNL)

V.V.Zhirnov et al. „Limits to Binary Logic Switch Scaling – A Gedanken Model”; Proc.IEEE, 91 (2003) 1934

Zak

ad Przyrz

w Mikroelektroniki i Nanoelektroniki,

Instytut Mikroelektroniki i Optoelektroniki Politechniki Warszaw

skiej

OGRANICZENIA FUNDAMENTALNE (

…

)

dy obiekt, r

wnie

komputer dzia

cy na granicy SNL,

podlega zasadzie nieoznaczono

Heisenberga

x p
E t

Δ Δ ≥
Δ Δ ≥

V.V.Zhirnov et al. „Limits to Binary Logic Switch Scaling – A Gedanken Model”; Proc.IEEE, 91 (2003) 1934

Zak

ad Przyrz

w Mikroelektroniki i Nanoelektroniki,

Instytut Mikroelektroniki i Optoelektroniki Politechniki Warszaw

skiej

OGRANICZENIA FUNDAMENTALNE (

…

)

min

1,5nm

ln 2

bit

m E

m kT

≅

min

0,04ps

ln 2

≅

V.V.Zhirnov et al. „Limits to Binary Logic Switch Scaling – A Gedanken Model”; Proc.IEEE, 91 (2003) 1934

(T = 300 K)

max

min

4,7 10 ukł.element./cm

oraz:

Zak

ad Przyrz

w Mikroelektroniki i Nanoelektroniki,

Instytut Mikroelektroniki i Optoelektroniki Politechniki Warszaw

skiej

OGRANICZENIA FUNDAMENTALNE (

…

)

max

min

3,7 10 W/cm !!!

bit

n E

≅

V.V.Zhirnov et al. „Limits to Binary Logic Switch Scaling – A Gedanken Model”; Proc.IEEE, 91 (2003) 1934

min

, n

max

oraz t

min

tylko poprzez E

bit

’

= K·E

SNL

i K >1

min

, n

max

, t

min

ale przecież:

bit

Ê Ö

PÊ (a dokładniej PÊ ~

lecz nawet dla K = 1:

Zak

ad Przyrz

w Mikroelektroniki i Nanoelektroniki,

Instytut Mikroelektroniki i Optoelektroniki Politechniki Warszaw

skiej

Rozróżnialność

D oznacza niskie

prawdopodobieństwo

err

samoistnych

(tj. spontanicznych)

przejść między obiema

studniami potencjału (prawdopodobieństwo
błędu), gdy układ jest „wyłączony”

V.V.Zhirnov et al. „Limits to Binary Logic Switch Scaling – A Gedanken Model”; Proc.IEEE, 91 (2003) 1934

OGRANICZENIA FUNDAMENTALNE (

…

)

ad fizyczny (SNL) jako komputer

w sytuacji idealnej:

D = max,

err

= 0

w rzeczywistości:

D < max,

err

> 0

minimalna bariera rozróżnialności:

D = 0,

err

≥ 0,5 (50%)

(Gdy układ jest „włączony”,

err

przejścia

= 1 (100%))

Jakie są minimalne wymiary struktur (reżim SNL) z punktu

widzenia rozróżnialności stanów logicznych?

Zak

ad Przyrz

w Mikroelektroniki i Nanoelektroniki,

Instytut Mikroelektroniki i Optoelektroniki Politechniki Warszaw

skiej

OGRANICZENIA FUNDAMENTALNE (

…

)

ad fizyczny (SNL) jako komputer

exp

;

0,5

ln 2 !!!

klas

⎛

⎞

−

⇒

⎜

⎟

⎝

⎠

V.V.Zhirnov et al. „Limits to Binary Logic Switch Scaling – A Gedanken Model”; Proc.IEEE, 91 (2003) 1934

Szerokość bariery

(czyli wielkość elementu) bardzo mała -

- przejścia tunelowe:

Szerokość bariery

(czyli wielkość elementu) duża -

- tylko przejścia klasyczne (ponadbarierowe):

2 2

exp

quant

a E

⎛

⎞

−

⎜

⎟

⎜

⎟

⎝

⎠

(ograniczenie SNL !!!)

(tzw. przybliżenie Wentzela-Kramersa-Brillouina)

przy czym

musi ≥

min

!!!

Zak

ad Przyrz

w Mikroelektroniki i Nanoelektroniki,

Instytut Mikroelektroniki i Optoelektroniki Politechniki Warszaw

skiej

OGRANICZENIA FUNDAMENTALNE (

…

)

ad fizyczny (SNL) jako komputer

err

klas

quant

klas

quant

Π = Π

+ Π

− Π Π

2 2

exp

err

akT

m E

a E

⎛

⎞

⎛

⎞

⎛

⎞

Π =

−

⎜

⎟

⎜

⎟

⎜

⎟

⎜

⎟

⎜

⎟

⎝

⎠

⎝

⎠

⎝

⎠

V.V.Zhirnov et al. „Limits to Binary Logic Switch Scaling – A Gedanken Model”; Proc.IEEE, 91 (2003) 1934

( )

min

ln 2

0,5

ln 2

err

m a

Π =

⇒

Zak

ad Przyrz

w Mikroelektroniki i Nanoelektroniki,

Instytut Mikroelektroniki i Optoelektroniki Politechniki Warszaw

skiej

OGRANICZENIA FUNDAMENTALNE (

…

)

ad fizyczny (SNL) jako komputer

V.V.Zhirnov et al. „Limits to Binary Logic Switch Scaling – A Gedanken Model”; Proc.IEEE, 91 (2003) 1934

[

]

[

]

max

err

[W/cm

]

ln2

1,5

0,04

3,7

0,9

0,025

1,1

0,13

0,0025

9,1

Minimalna energia przypadająca na

elementarną operację logiczną (przełączenie)

w funkcji wielkości elementu logicznego

Niedoszacowanie E

b min

wynikające

z nieuwzględnienia tunelowania:

b min

= kTln2 Ö

err

zawsze > 50%

Zak

ad Przyrz

w Mikroelektroniki i Nanoelektroniki,

Instytut Mikroelektroniki i Optoelektroniki Politechniki Warszaw

skiej

OGRANICZENIA FUNDAMENTALNE (

…

)

ad fizyczny (SNL) jako komputer:

problem ch

odzenia

(

)

−

dev

amb

Q hA T

V.V.Zhirnov et al. „Limits to Binary Logic Switch Scaling – A Gedanken Model”; Proc.IEEE, 91 (2003) 1934

total

amb

dev

amb

dev

amb

chłodz

dev

−

⇒

(prawo Carnota)

•

dev

amb

•

dev

amb

(prawo ch

odzenia Newtona)

gdzie

–

wsp

czynnik odprowadzania ciep

–

powierzchnia

Zak

ad Przyrz

w Mikroelektroniki i Nanoelektroniki,

Instytut Mikroelektroniki i Optoelektroniki Politechniki Warszaw

skiej

max

dev

= 125

C = 400 K

max (

dev

–

amb

) = 100 K

OGRANICZENIA FUNDAMENTALNE (

…

)

ad fizyczny (SNL) jako komputer:

problem ch

odzenia (

dev

amb

)

h [ W/cm

K ]

max

≤ ~ 1000 W/cm

Zak

ad Przyrz

w Mikroelektroniki i Nanoelektroniki,

Instytut Mikroelektroniki i Optoelektroniki Politechniki Warszaw

skiej

OGRANICZENIA FUNDAMENTALNE (

…

)

ad fizyczny (SNL) jako komputer:

problem ch

odzenia (

dev

amb

)

V.V.Zhirnov et al. „Limits to Binary Logic Switch Scaling – A Gedanken Model”; Proc.IEEE, 91 (2003) 1934

Całkowita energia na bit (jednostkową operację)
w funkcji rozmiaru przyrządu w temperaturach
pokojowej i kriogenicznej

( )

ln 2

total

amb

dev

amb

bit

dev

amb

dev

m a

−

≠ f(T)

Zak

ad Przyrz

w Mikroelektroniki i Nanoelektroniki,

Instytut Mikroelektroniki i Optoelektroniki Politechniki Warszaw

skiej

min

total

do zasilania 100 W

chipa

dev

= 77 K

390 W

dev

= 4,2 K

7,1

OGRANICZENIA FUNDAMENTALNE (

…

)

ad fizyczny (SNL) jako komputer:

problem ch

odzenia (

dev

amb

)

Zak

ad Przyrz

w Mikroelektroniki i Nanoelektroniki,

Instytut Mikroelektroniki i Optoelektroniki Politechniki Warszaw

skiej

OGRANICZENIA FUNDAMENTALNE (

…

)

ad fizyczny (SNL) jako komputer:

inne rozwi

zania ?

przyrz

jednoelektronowe

przyrz

spintroniczne

komputery kwantowe ?

komputery

neuromorficzne

Zak

ad Przyrz

w Mikroelektroniki i Nanoelektroniki,

Instytut Mikroelektroniki i Optoelektroniki Politechniki Warszaw

skiej

OGRANICZENIA FUNDAMENTALNE (

…

)

przyrz

jednoelektronowe

Energia elektrostatyczna wymagana do dodania

ad.

do obiektu (kuli) o rozmiarze

πεε

niech f = 10 GHz

bit

E f

P E fn

X, nm

Na podstawie prezent

acji V.V.Zhirnova

dost

ępnej na stronach

www

Purdue

Univ.

Zak

ad Przyrz

w Mikroelektroniki i Nanoelektroniki,

Instytut Mikroelektroniki i Optoelektroniki Politechniki Warszaw

skiej

Cytat:

„

Spintronika

dzie wymaga

o wiele mniejszych

mocy ni

elektronika konwencjonalna, gdy

reorientacja spinu wymaga energii b

cych jedynie

drobnym u

amkiem tych, jakie s

potrzebne do

przemieszczania

adunk

w elektrycznych.

”

Oczekiwania:

bardzo ma

a energia ?

bardzo du

a g

sto

ść

upakowania ?

OGRANICZENIA FUNDAMENTALNE (

…

)

przyrz

dy spinowe ?

Zak

ad Przyrz

w Mikroelektroniki i Nanoelektroniki,

Instytut Mikroelektroniki i Optoelektroniki Politechniki Warszaw

skiej

OGRANICZENIA FUNDAMENTALNE (

…

)

przyrz

dy spinowe ?

Niech:

= 1,5 T (

atwo osi

galne),

= 300 K

exp

0,99 !!!

err

⎛

⎞

Π =

−

⎜

⎟

⎝

⎠

Na podstawie prezentacji V.V.Zhirnova dostępnej na stronach www Purdue University

[ ]

2 9, 27 10

1,5

2,78 1

1,74 0

−

⎡ ⎤

Δ =

= ×

⋅

⎢ ⎥

⎣ ⎦

0,99!!

exp

err

⎛

⎞

Π =

−

⎜

⎟

⎝

⎠

ale:

Zak

ad Przyrz

w Mikroelektroniki i Nanoelektroniki,

Instytut Mikroelektroniki i Optoelektroniki Politechniki Warszaw

skiej

Gdy

„

klasyczne

”

bity/stany staj

nierozr

nialne

…

emy uciec si

do oblicze

kwantowych, kt

rych

podstaw

jest wykorzystanie

superpozycji

nie

nierozr

nialnych stan

Kwantowy bit

(

tzw.

qbit

), jest uk

adem fizycznym

znajduj

cym si

2 stanach kwantowych jednocze

nie

(

vide

: kot

Schr

dingera

OGRANICZENIA FUNDAMENTALNE (

…

)

komputery kwantowe ?

Zak

ad Przyrz

w Mikroelektroniki i Nanoelektroniki,

Instytut Mikroelektroniki i Optoelektroniki Politechniki Warszaw

skiej

OGRANICZENIA FUNDAMENTALNE (

…

)

komputery kwantowe ?

Pojemno

ść

pami

ci komputera kwantowego:

qbit

przechowuje 2

liczb zespolonych

Ilo

ść

informacji przechowywanej przez

300

spl

tanych

qbit

300

!!!

(ca

kowita liczba atom

w we wszech

wiecie

≅

)

ale:

trudno utrzyma

koherencj

/stabilno

ść

takiego uk

adu,

efektywne algorytmy tylko dla pewnej klasy problem

w (faktoryzacja

kryptografia kwantowa, obliczanie zagadnie

fizyki kwantowej)

Zak

ad Przyrz

w Mikroelektroniki i Nanoelektroniki,

Instytut Mikroelektroniki i Optoelektroniki Politechniki Warszaw

skiej

OGRANICZENIA FUNDAMENTALNE (

…

)

komputery

neuromorficzne

ady pr

buj

ce na

ladowa

struktur

i spos

b dzia

ania

ludzkiego m

zgu

Masa

–

1,5 kg

Obj

ść

–

1,5 l

Pob

r mocy

–

~10 W

Pojemno

ść

–

bit

Wydajno

ść

informacyjna

–

bit/s

ale:

nie rozumiemy jeszcze w pe

ni (i mo

e nigdy si

to nie uda), jak

nasz m

zg dzia

do pewnych operacji i tak si

nie nadaje.

sztuczna

inteligencja ?

Zak

ad Przyrz

w Mikroelektroniki i Nanoelektroniki,

Instytut Mikroelektroniki i Optoelektroniki Politechniki Warszaw

skiej

V.V.Zhirnov – prezentacja dostępna na stronach www Purdue University

OGRANICZENIA FUNDAMENTALNE (

…

)

…

z powrotem na ziemi

–

wydzielana moc ;

(

Zak

ad Przyrz

w Mikroelektroniki i Nanoelektroniki,

Instytut Mikroelektroniki i Optoelektroniki Politechniki Warszaw

skiej

OGRANICZENIA FUNDAMENTALNE (

…

)

problem ch

odzenia

dzisiaj (2005 r.) !!!

Procesory

Itanium

Pentium

w stanie

wydzieli

cej ciep

mog

wypromieniowa

wsp

czesne radiatory !

Zak

ad Przyrz

w Mikroelektroniki i Nanoelektroniki,

Instytut Mikroelektroniki i Optoelektroniki Politechniki Warszaw

skiej

procesory wielordzeniowe,

stosowanie nowych termicznych materia

w mi

dzy

warstwowych (

„

rednik

”

pomi

dzy procesorem a radiatorem),

tworzenie kana

w powietrznych (

Apple

odzenie ciecz

praca w warunkach kriogenicznych,

obliczenia odwracalne (logika rewersyjna), procesory

adiaba

tyczne

OGRANICZENIA FUNDAMENTALNE (

…

)

problem ch

odzenia: proponowane

rozwi

zania

Zak

ad Przyrz

w Mikroelektroniki i Nanoelektroniki,

Instytut Mikroelektroniki i Optoelektroniki Politechniki Warszaw

skiej

OGRANICZENIA FUNDAMENTALNE (

…

)

problem ch

odzenia: proponowane

rozwi

zania

Power Mac G5:

tunele powietrzne

(9 wentylatorów

w 4 niezależnie

chłodzonych strefach

IEEE Spectrum, vol.41, no.5 (2004)

Zak

ad Przyrz

w Mikroelektroniki i Nanoelektroniki,

Instytut Mikroelektroniki i Optoelektroniki Politechniki Warszaw

skiej

OGRANICZENIA FUNDAMENTALNE (

…

)

problem ch

odzenia: proponowane

rozwi

zania

IEEE Spectrum, vol.41, no.5 (2004)

Specjalna warstwa

przej

ciowa

ciowa na

granicy

procesor/heat sink

Zak

ad Przyrz

w Mikroelektroniki i Nanoelektroniki,

Instytut Mikroelektroniki i Optoelektroniki Politechniki Warszaw

skiej

IEEE Spectrum, vol.41, no.5 (2004)

OGRANICZENIA FUNDAMENTALNE (

…

)

problem ch

odzenia: proponowane

rozwi

zania

odzenie ciecz

(

Carnegie

Mellon

Univ

prototyp

Zak

ad Przyrz

w Mikroelektroniki i Nanoelektroniki,

Instytut Mikroelektroniki i Optoelektroniki Politechniki Warszaw

skiej

oraz:

(

= 300 K)

≈

niech

= 20

= 4

SiO2

≈

niech

= 0,5 V

≈

J !

OGRANICZENIA FUNDAMENTALNE (

…

)

jak daleko od nich jeste

V.V.Zhirnov

et al. „

Limits

to Binary

…

”;

Proc.IEEE, 91 (2003) 1934

= 2 nm)

Zak

ad Przyrz

w Mikroelektroniki i Nanoelektroniki,

Instytut Mikroelektroniki i Optoelektroniki Politechniki Warszaw

skiej

OGRANICZENIA FUNDAMENTALNE

–

ady nieklasyczne i obliczenia

ekstremalne

„

Wszystko jest informacj

”

–

obiegowa opinia

dy uk

ad fizyczny przechowuje informacj

; mo

na j

okre

w bitach. Informacja ta zakodowana jest w

stanach (albo: stanowi

stany) tworz

cych go cz

stek

elementarnych (po

enia, p

dy, spiny, energia

…

de oddzia

ywanie pomi

dzy cz

stkami zmienia te

stany (

„

bity

”

), jest to wi

c forma przetwarzania informacji,

czyli prowadzenia oblicze

„

Byt z bitu (

from

bit)

”

–

J.A.Wheeler

, Princeton

University

Zak

ad Przyrz

w Mikroelektroniki i Nanoelektroniki,

Instytut Mikroelektroniki i Optoelektroniki Politechniki Warszaw

skiej

Wszech

wiat podlega prawom mechaniki kwantowej,

„

bity

”

(czyli stany), kt

re go tworz

, s

„

bitami

”

(stanami) kwantowymi

–

qubitami

. W

asno

qubit

znacznie

„

bogatsze

”

od w

asno

ci zwyk

ych bit

w, przez

co oferuj

znacznie wi

ksze mo

liwo

ci w przetwarzaniu

informacji.

„

Byt z

qubitu

(

from

qubit

)

”

–

P.Zizzi

Universita

Padova

OGRANICZENIA FUNDAMENTALNE

–

ady nieklasyczne i obliczenia

ekstremalne

Zak

ad Przyrz

w Mikroelektroniki i Nanoelektroniki,

Instytut Mikroelektroniki i Optoelektroniki Politechniki Warszaw

skiej

OGRANICZENIA FUNDAMENTALNE

–

liwo

ci obliczeniowe uk

nieklasycznych; obliczenia ekstremalne

idealny laptop (

ultimate

laptop

komputer Avogadro

czarna dziura,

wszech

wiat.

Zak

ad Przyrz

w Mikroelektroniki i Nanoelektroniki,

Instytut Mikroelektroniki i Optoelektroniki Politechniki Warszaw

skiej

Heisenberg + Margolus & Levitin:

S.Lloyd, „Ultimate physical limits to computation”, Nature, 406 (2000) 1047

Idealny laptop: 1kg zwykłej materii o objętości 1l

E = mc

= 8,9874 ×10

OGRANICZENIA FUNDAMENTALNE (

…

)

–

idealny laptop (

ultimate

laptop

)

Einstein:

t E

Δ Δ ≥

⇒ Δ ≥

(

M-L

!!!)

Ale: T

≅ 10

K !!!

(synteza helu, czyli jądro słońca

lub wybuch termojądrowy 20 Mt)

Zak

ad Przyrz

w Mikroelektroniki i Nanoelektroniki,

Instytut Mikroelektroniki i Optoelektroniki Politechniki Warszaw

skiej

Entropia max. (termodynamika !)

OGRANICZENIA FUNDAMENTALNE (

…

)

–

idealny laptop (

ultimate

laptop

)

S.Lloyd, „Ultimate physical limits to computation”, Nature, 406 (2000) 1047

Maksymalna liczba operacji na sekundę

(wykonywanych

przez cały

układ)

2 10

V E

⎛

⎞

⎡ ⎤

≅ ×

⎜

⎟

⎢ ⎥

⎝

⎠

⎣ ⎦

max

całk.

M-L

5,4 10

≅

10 [b]

ln 2

≅

Pojemność

informacyjna

Zak

ad Przyrz

w Mikroelektroniki i Nanoelektroniki,

Instytut Mikroelektroniki i Optoelektroniki Politechniki Warszaw

skiej

OGRANICZENIA FUNDAMENTALNE (

…

)

–

idealny laptop (

ultimate

laptop

)

Energia przypadająca na zmianę pojedynczego bitu (stanu)

S.Lloyd, „Ultimate physical limits to computation”, Nature, 406 (2000) 1047

Maksymalna liczba operacji na sekundę wykonywanych

przez pojedynczy bit

(1 układ logiczny)

czyli

częstotliwość zegara

taktującego idealny laptop

max

całk.

max/ bit

10 [Hz]

≅

Zak

ad Przyrz

w Mikroelektroniki i Nanoelektroniki,

Instytut Mikroelektroniki i Optoelektroniki Politechniki Warszaw

skiej

OGRANICZENIA FUNDAMENTALNE (

…

)

–

idealny laptop (

ultimate

laptop

)

-1

flip

max/bit

10 [s]

−

≅

3,4 10 [s]

com

−

= ≅

Jak działa idealny laptop ?

V = 1l = 10

×10×10 cm Ö l = 10 cm

com

flip

10 !!!

≅

Komputer

równoległy!

Zak

ad Przyrz

w Mikroelektroniki i Nanoelektroniki,

Instytut Mikroelektroniki i Optoelektroniki Politechniki Warszaw

skiej

OGRANICZENIA FUNDAMENTALNE (

…

)

–

idealny laptop (

ultimate

laptop

)

Operacje we/wy w układzie szeregowym

(np. zapis/odczyt

całej

pamięci)

(przy taktowaniu własnym zegarem f

max/bit

)

S.Lloyd, „Ultimate physical limits to computation”, Nature, 406 (2000) 1047

mem

flip

10 [

10 000lat!!!

≅

Zak

ad Przyrz

w Mikroelektroniki i Nanoelektroniki,

Instytut Mikroelektroniki i Optoelektroniki Politechniki Warszaw

skiej

OGRANICZENIA FUNDAMENTALNE (

…

)

–

komputer Avogadro

S.Lloyd, „Ultimate physical limits to computation”, Nature, 406 (2000) 1047

Komputer Avogadro:

1kg zwykłej materii o objętości 1l

liczba (n) bramek logicznych (bitów) = liczba atomów

≅ 10

operacje logiczne – oddziaływania elektromagnetyczne

między atomami i elektronami

max

całk.

flip

10 [s]

10 [Hz]

flip

−

≅

⇒

≅

Zak

ad Przyrz

w Mikroelektroniki i Nanoelektroniki,

Instytut Mikroelektroniki i Optoelektroniki Politechniki Warszaw

skiej

OGRANICZENIA FUNDAMENTALNE (

…

)

–

komputer Avogadro

Operacje we/wy w układzie szeregowym

(np. zapis/odczyt

całej

pamięci)

S.Lloyd, „Ultimate physical limits to computation”, Nature, 406 (2000) 1047

niech:

n’ = 1%n

≅ 10

clock ukł we/wy

= 10

[Hz] = 1 [THz]

mem

clock

10000lat

10 [s]

≅

Zak

ad Przyrz

w Mikroelektroniki i Nanoelektroniki,

Instytut Mikroelektroniki i Optoelektroniki Politechniki Warszaw

skiej

OGRANICZENIA FUNDAMENTALNE (

…

)

–

idealny laptop i komputer Avogadro

PROBLEMY

rozpraszana moc,

praca r

wnoleg

Zak

ad Przyrz

w Mikroelektroniki i Nanoelektroniki,

Instytut Mikroelektroniki i Optoelektroniki Politechniki Warszaw

skiej

OGRANICZENIA FUNDAMENTALNE (

…

)

–

czarna dziura

Jak przekszta

komputery ekstremalne

w maszyny szeregowe ?

Zmniejszy

(

)

com

flip

⇒

Zak

ad Przyrz

w Mikroelektroniki i Nanoelektroniki,

Instytut Mikroelektroniki i Optoelektroniki Politechniki Warszaw

skiej

OGRANICZENIA FUNDAMENTALNE (

…

)

–

czarna dziura

∝

⇓

⇒

Co wi

cej,

nawet przy

const

(ze wzgl. na silne powiązanie

grawitacyjne cząstek), ale za to t

flip

bo przypada więcej E / 1oper.

(ponadto w

wczas, V

sto

ść

i zaczynaj

dost

pne

kolejne, wysokoenergetyczne stopnie swobody sk

adnik

w materii)

Jak zmienia si

pojemno

ść

informacyjna

adu ?

Zak

ad Przyrz

w Mikroelektroniki i Nanoelektroniki,

Instytut Mikroelektroniki i Optoelektroniki Politechniki Warszaw

skiej

OGRANICZENIA FUNDAMENTALNE (

…

)

–

czarna dziura

min

, gdzie

–

promie

Schwarzschilda

= 1 kg

≅

1,5

Jak bardzo mo

na zmniejszy

ad ?

Jaka jest w

wczas jego pojemno

ść

informacyjna ?

ograniczenie

holograficzne

J.D.Bekenstein, „Black hole thermodynamics”, Physics Today, 33 (1980) 24

(

;

ln 2

A w jedn pow Plancka

)

Zak

ad Przyrz

w Mikroelektroniki i Nanoelektroniki,

Instytut Mikroelektroniki i Optoelektroniki Politechniki Warszaw

skiej

OGRANICZENIA FUNDAMENTALNE (

…

)

–

czarna dziura

ln 2

...

= =

−

∂

⎛

⎞

⎜

⎟

∂

⎝

⎠

Y.J.Ng, „From computation to black holes and space-time foam”, Phys. Rev. Lett., 86 (2001) 2946

m = 1 kg Ö I

≅ 3,8×10

[b]

, gdzie:

temp. Hawkinga

Komputer

szeregowy !

com

flip(M-L)

ln 2

Zak

ad Przyrz

w Mikroelektroniki i Nanoelektroniki,

Instytut Mikroelektroniki i Optoelektroniki Politechniki Warszaw

skiej

OGRANICZENIA FUNDAMENTALNE (

…

)

–

czarna dziura

max.ca

= 1/

≅

[Hz]

max

/bit

max.ca

≅

[Hz]

Jak szybko liczy czarna dziura ?

Ale dla m = 1 kg

lifeBH

5,2 10 [s]

liczba operacji 2,8 10

G m

−

≅

⇒

≅

Zak

ad Przyrz

w Mikroelektroniki i Nanoelektroniki,

Instytut Mikroelektroniki i Optoelektroniki Politechniki Warszaw

skiej

sto

ść

energii we wszech

wiecie

(zwyk

a materia + ciemna materia/energia + pole grawitacyjne)

~10

[J/m

]

wszech

wiata

≅

(gdzie

≅

lat) zawiera

≅

Liczba operacji na sek.

sek

)

≅

102

max.

(

≅

lat

≅

3,15

sek.)

≅

119

≅

[b] (zwyk

a materia) lub

≅

120

[b] (wszystko razem)

OGRANICZENIA FUNDAMENTALNE (

…

)

–

wszech

wiat

S.Lloyd, „Computational capacity of the universe”, Phys. Rev. Lett., 88 (2002) 237901Z

Zak

ad Przyrz

w Mikroelektroniki i Nanoelektroniki,

Instytut Mikroelektroniki i Optoelektroniki Politechniki Warszaw

skiej

Liczba elementarnych operacji

el.op

≅

/cykl

zeg

sto

ść

zegara

≅

[Hz]

Liczba komputer

w na

wiecie

komp

≅

Łą

czny czas dzia

ania

tot

≅

[s]

Liczba wszystkich operacji

tot

el.op

komp

tot

≅

(w ci

gu 2 minionych lat)

max

. 2

od pocz. rewolucji komputerowej

= 3

!!!

OGRANICZENIA FUNDAMENTALNE (

…

)

–

wszech

wiat a ludzka komputeryzacja

S.Lloyd, „Computational capacity of the universe”, Phys. Rev. Lett., 88 (2002) 237901Z

Zak

ad Przyrz

w Mikroelektroniki i Nanoelektroniki,

Instytut Mikroelektroniki i Optoelektroniki Politechniki Warszaw

skiej

OGRANICZENIA FUNDAMENTALNE (

…

)

–

wszech

wiat a ludzka komputeryzacja

Pami

ęć

, czyli liczba uk

w log (bit

w).

≅

[b]/komputer

Liczba komputer

w na

wiecie

komp

≅

Łą

czna pojemno

ść

pami

ci wszystkich komputer

tot

komp

≅

[b]

S.Lloyd, „Computational capacity of the universe”, Phys. Rev. Lett., 88 (2002) 237901Z

Zak

ad Przyrz

w Mikroelektroniki i Nanoelektroniki,

Instytut Mikroelektroniki i Optoelektroniki Politechniki Warszaw

skiej

OGRANICZENIA POJEMNO

CI INFORMACYJNEJ

Litr wody
(entropia termodynamiczna)

Płyta CD

Internet

Biblioteka
Kongresu

Ludzki
chromosom

Uniwersalne ograniczenie entropii
(dla ciała o gęstości wody)

Ograniczenie
holograficzne

-4

-2

Rozmiary [cm]

Pojemno

ść

informacyjna [bity]

Zak

ad Przyrz

w Mikroelektroniki i Nanoelektroniki,

Instytut Mikroelektroniki i Optoelektroniki Politechniki Warszaw

skiej

NANOTECHNOLOGIE

Wpływ nanotechnologii na nasze życie będzie znacznie
większy niż ten, który wywarła na nie technologia
krzemowych układów scalonych,

Dotyczył

będzie on wszystkich aspektów naszej

rzeczywistości i spowoduje nową rewolucję przemysłową,

Stanie się tak, ponieważ nanotechnologia oferuje
możliwość manipulowania właściwościami materii na
poziomie na którym definiowane są jej rzeczywiste
elektroniczne, chemiczne i biologiczne właściwości,

Strona etyczna tego wszystkiego nie może być pomijana.

M. Bugajski, ELTE’2004

Document Outline

NANOTECHNOLOGIE – rys historyczny, perspektywy, ograniczenia
NANOTECHNOLOGIE
MIKROELEKTRONIKA
OPTOELEKTRONIKA
NANOELEKTRONIKA
Dziś i jutro nanotechnologii
10 dziedzin jutra według Technology Review (2005)
10 dziedzin jutra według Technology Review (2005)
Koszty rozwoju nanotechnologii
NAKŁADY NA NANOTECHNOLOGIE
PROBLEMATYKA REDUKCJI ROZMIARÓW STRUKTUR ELEKTRONICZNYCH (i nie tylko)
Wzrost mocy obliczeniowej komputerów(szybkość działania …)
Wzrost mocy obliczeniowej komputerów(… koszt jednostkowy elementu )
SKALOWANIE
PROBLEMY I OGRANICZENIA ZWIĄZANE Z REDUKCJĄ WYMIARÓW
Problemy klasyczne (technologiczno-konstrukcyjne)
Zmiana technologii(fotolitografia)
Nasilenie się zjawisk pasożytniczych (…)
Nasilenie się zjawisk pasożytniczych (…) - rozwiązania
Nasilenie się zjawisk pasożytniczych (…) - rozwiązania
Prognoza rozwoju technologii CMOS
KLASYCZNE PROBLEMY Z REDUKCJĄ WYMIARÓW (tranzystor MOS)
KLASYCZNE PROBLEMY (…)- REDUKCJA GRUBOŚCI DIELEKTRYKA
KLASYCZNE PROBLEMY (…)- REDUKCJA GRUBOŚCI DIELEKTRYKA
KLASYCZNE PROBLEMY (…)- REDUKCJA GRUBOŚCI DIELEKTRYKA
ROZWIĄZANIE ?DIELEKTRYKI O WYŻSZYM er
EFEKTY MEZOSKOPOWE (ujawnienie się falowej natury materii przy odpowiednio małej skali przyrządu)
EFEKTY MEZOSKOPOWE
EFEKTY MEZOSKOPOWE (kwantyzacja energii kinetycznej elektronu)
OGRANICZENIA - TERMODYNAMICZNE
OGRANICZENIA FUNDAMENTALNE, ALBO JAK MAKSYMALNIE MOŻNA ZMNIEJSZYĆ KLASYCZNY PRZYRZĄD PÓŁPRZEWODNIKOWY
OGRANICZENIA FUNDAMENTALNE, ALBO JAK MAKSYMALNIE MOŻNA ZMNIEJSZYĆ KLASYCZNY PRZYRZĄD PÓŁPRZEWODNIKOWY
OGRANICZENIA FUNDAMENTALNE (…)
OGRANICZENIA FUNDAMENTALNE (…)
OGRANICZENIA FUNDAMENTALNE (…)
OGRANICZENIA FUNDAMENTALNE (…)
OGRANICZENIA FUNDAMENTALNE (…)
OGRANICZENIA FUNDAMENTALNE (…)- układ fizyczny (SNL) jako komputer
OGRANICZENIA FUNDAMENTALNE (…)- układ fizyczny (SNL) jako komputer
OGRANICZENIA FUNDAMENTALNE (…)- układ fizyczny (SNL) jako komputer
OGRANICZENIA FUNDAMENTALNE (…)- układ fizyczny (SNL) jako komputer
OGRANICZENIA FUNDAMENTALNE (…)- układ fizyczny (SNL) jako komputer:problem chłodzenia
OGRANICZENIA FUNDAMENTALNE (…)- układ fizyczny (SNL) jako komputer:problem chłodzenia (Tdev > Tamb)
OGRANICZENIA FUNDAMENTALNE (…)- układ fizyczny (SNL) jako komputer:problem chłodzenia (Tdev < Tamb)
OGRANICZENIA FUNDAMENTALNE (…)- układ fizyczny (SNL) jako komputer:problem chłodzenia (Tdev < Tamb)
OGRANICZENIA FUNDAMENTALNE (…)- układ fizyczny (SNL) jako komputer:inne rozwiązania ?
OGRANICZENIA FUNDAMENTALNE (…)przyrządy jednoelektronowe ?
OGRANICZENIA FUNDAMENTALNE (…)przyrządy spinowe ?
OGRANICZENIA FUNDAMENTALNE (…)przyrządy spinowe ?
OGRANICZENIA FUNDAMENTALNE (…)komputery kwantowe ?
OGRANICZENIA FUNDAMENTALNE (…)komputery kwantowe ?
OGRANICZENIA FUNDAMENTALNE (…)komputery neuromorficzne ?
OGRANICZENIA FUNDAMENTALNE (…)… z powrotem na ziemię – wydzielana moc ;-(
OGRANICZENIA FUNDAMENTALNE (…)- problem chłodzenia
OGRANICZENIA FUNDAMENTALNE (…)- problem chłodzenia: proponowane rozwiązania
OGRANICZENIA FUNDAMENTALNE (…)- problem chłodzenia: proponowane rozwiązania
OGRANICZENIA FUNDAMENTALNE (…)- problem chłodzenia: proponowane rozwiązania
OGRANICZENIA FUNDAMENTALNE (…)- problem chłodzenia: proponowane rozwiązania
OGRANICZENIA FUNDAMENTALNE (…)- jak daleko od nich jesteśmy
OGRANICZENIA FUNDAMENTALNE – układy nieklasyczne i obliczenia ekstremalne
OGRANICZENIA FUNDAMENTALNE – układy nieklasyczne i obliczenia ekstremalne
OGRANICZENIA FUNDAMENTALNE – możliwości obliczeniowe układów nieklasycznych; obliczenia ekstremalne
OGRANICZENIA FUNDAMENTALNE (…)– idealny laptop (ultimate laptop)
OGRANICZENIA FUNDAMENTALNE (…)– idealny laptop (ultimate laptop)
OGRANICZENIA FUNDAMENTALNE (…)– idealny laptop (ultimate laptop)
OGRANICZENIA FUNDAMENTALNE (…)– komputer Avogadro
OGRANICZENIA FUNDAMENTALNE (…)– komputer Avogadro
OGRANICZENIA FUNDAMENTALNE (…)– idealny laptop i komputer Avogadro
OGRANICZENIA FUNDAMENTALNE (…)– czarna dziura
OGRANICZENIA FUNDAMENTALNE (…)– czarna dziura
OGRANICZENIA FUNDAMENTALNE (…)– czarna dziura
OGRANICZENIA FUNDAMENTALNE (…)– czarna dziura
OGRANICZENIA FUNDAMENTALNE (…)– czarna dziura
OGRANICZENIA FUNDAMENTALNE (…)– wszechświat
OGRANICZENIA FUNDAMENTALNE (…)– wszechświat a ludzka komputeryzacja
OGRANICZENIA FUNDAMENTALNE (…)– wszechświat a ludzka komputeryzacja
NANOTECHNOLOGIE

Wyszukiwarka

Podobne podstrony:
market part1
ARTICLE TRANNY AUTO REASSEMBLE PART1
redoksy part1, Polibuda, II semestr, fizyka, FIZA, lab, Chemia laborki, chemia ogolna nie organiczna
pieprzone hydro part1
part1 (1)
808D OPT Part1 Operation 1212 pol pl PL
jak sie mieszka w warszawie part1
Pytania do kolokwium sem II part1
Eurocode 2 Design of concrete structures part1 2
Part1
Analiza matematyczna, zadania part1
C102012 F W0064 TGA Part1
PART1 (4)
Crane Operator stage 2 part1
Eurocode 4 Part1 2 (ENG) prEN 1994 1 2 (2003 Mai)
OCIMF MEG part1
Part1 (2)
budownictwo part1, Podstawy Budownictwa

więcej podobnych podstron

Part1 (5)

Document Outline