1 Моделирование 3-d наносхемотехники Россия, Москва Московский институт электроники и математики (МИЭМ) Руководитель научного направления д.т.н., профессор Трубочкина Надежда Константиновна

2 Проект «Моделирование 3-d наносхемотехники» Предметная область - нанонауки и нанотехнологии Предметная область - нанонауки и нанотехнологии Цель проекта: Цель проекта: –разработка оптимальной схемотехники для 3-d СБИС, –синтез, анализ и компьютерная визуализация объектов и процессов в 3-d интеллектуальных наноструктурах кремниевой наноэлектроники

3 Актуальность Нанотехнологии и нанонауки, многофункциональные материалы, основанные на новых знаниях и предназначенные для новых производственных процессов и устройств. Нанотехнологии и нанонауки, многофункциональные материалы, основанные на новых знаниях и предназначенные для новых производственных процессов и устройств. Промышленность и общество могут извлечь пользу из новых знаний посредством разработки новых продуктов и технологических процессов. Промышленность и общество могут извлечь пользу из новых знаний посредством разработки новых продуктов и технологических процессов. Необходима согласованность национальных исследовательских программ и инвестиций. Это должно гарантировать обеспечение страны командами и соответствующей инфраструктурой, нацеленными на решение актуальных задач. Необходима согласованность национальных исследовательских программ и инвестиций. Это должно гарантировать обеспечение страны командами и соответствующей инфраструктурой, нацеленными на решение актуальных задач.

4 Предлагается концепция и новый подход В проекте предлагается концепция и новый подход к пониманию и освоению свойств трехмерных интегральных схем (3-d СБИС). В проекте предлагается концепция и новый подход к пониманию и освоению свойств трехмерных интегральных схем (3-d СБИС). В качестве минимального объекта для синтеза элементов логической 3-d наносхемотехники предлагается рассматривать не транзистор, а физический переход между материалами с различными свойствами (кремний n и p типа, углерод, окислы, металлы, полимеры и т.д.). В качестве минимального объекта для синтеза элементов логической 3-d наносхемотехники предлагается рассматривать не транзистор, а физический переход между материалами с различными свойствами (кремний n и p типа, углерод, окислы, металлы, полимеры и т.д.). Разработаны графический и семантический стандарты описания математических моделей. Разработаны графический и семантический стандарты описания математических моделей.

5 Прошлое и настоящее схемотехники

6 Настоящее и будущее схемотехники

7 Новизна Представлен новый подход к пониманию и освоению свойств трехмерных интегральных схем. Представлен новый подход к пониманию и освоению свойств трехмерных интегральных схем. Разработана соответствующая подходу схемотехника. Разработана соответствующая подходу схемотехника. Разработано программное обеспечение, позволяющее синтезировать новые интегральные структуры, а также «совершать экскурсию» внутрь интеллектуального кристалла и «гулять» там. Разработано программное обеспечение, позволяющее синтезировать новые интегральные структуры, а также «совершать экскурсию» внутрь интеллектуального кристалла и «гулять» там.

8 Теория Разработана переходная схемотехника для 3- d СБИС. Разработана переходная схемотехника для 3- d СБИС. Компонент схемотехники - физический переход между материалами с различными свойствами. Компонент схемотехники - физический переход между материалами с различными свойствами. Математические модели интеллектуальных элементов содержат минимальное количество переходов и физических областей с различными свойствами. Математические модели интеллектуальных элементов содержат минимальное количество переходов и физических областей с различными свойствами. Некоторые модели «совпадают» по структуре с органическими молекулами, имеющими те же логические функции. Некоторые модели «совпадают» по структуре с органическими молекулами, имеющими те же логические функции.

9 Теоретические основы переходной схемотехники (ТОПС 1) Математической моделью функционально- интегрированного элемента (ФИЭ) является неориентированный граф G (X, А, Г), где: X = (х1, х2, …хN) – множество вершин, А = (а1,а2,…аМ) – множество ребер. А = (а1,а2,…аМ) – множество ребер. Предикат Г является трехместным предикатом и описывается логическим высказыванием Г (xi, ak, xj), которое означает, что ребро aк соединяет вершины хi и xj.

10 ТОПС 2 Элементу множества вершин хi соответствует часть интегральной структуры Fi Fi Тi, Тi, в которой Тi определяет качественный состав части интегральной структуры, Тi определяет качественный состав части интегральной структуры, Fi – элемент функционального множества. Fi – элемент функционального множества. Т = {Ti}(i=1,n) = (p,n,p+,n+,…SiO2, Al, Ga…) = П U Д U М – множество элементов типа частей структуры (р – полупроводниковая область р-типа, n – полупроводниковая область n-типа, SiO2 – область двуокиси кремния, Аl – область алюминия, Ga – область галия и т.д.), П – подмножество областей полупроводников, Д – подмножество областей диэлектриков, М – подмножество проводников.

11 ТОПС 3 Функциональное множество F = Fy U FH состоит из двух подмножеств: Fy = {Fyi} = (E1,…,Ek1,I1,…,Ik2,φ1,…,φk3…) подмножества управляющих воздействий в виде напряжения Еi, тока Ij, света φк и 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. N – число областей интегральной структуры, размерность элемента. Элементам множества ребер ак, аi соответствуют переходы между различными частями интегральной структуры, выполняющие определенные функции, причем существуют xi, xj ( хi xj & Г (xi, ак, xj ) & Г (xj, ак, xi).

12 ТОПС 4 Примерами переходов – компонентов переходной схемотехники – являются: Пi – Пj переход - Пi – Пj переход - переход между полупроводниками, например, р – n переход, переход между полупроводниками р и n типа, выполняющий диодную функцию, Пi – Дj переход - Пi – Дj переход - переход между полупроводником и диэлектриком, Пi – Мj переход - Пi – Мj переход - переход между полупроводником и металлом (диод Шоттки), переходы между прозрачными и непрозрачными слоями в оптоэлектронных элементах, переходы между прозрачными и непрозрачными слоями в оптоэлектронных элементах, мембраны в биологических элементах и т.д, мембраны в биологических элементах и т.д,

13 ТОПС 5 Графовые модели интегральных элементов могут представлять собой деревья, а могут содержать и циклы. цепь открытий и изобретений, давших три последних поколения вычислительных машин, всего лишь начальные элементы таблицы оптимальных математических моделей элементов переходной (p-n) схемотехники.

14 ТОПС 6. Генерация структур Процедура генерации структурных формул интегральных структур по математической модели элемента переходной схемотехники: а)– структурная формула элемента И-НЕ, б) – структура элемента с окисной изоляцией, в) – структурная формула элемента И-НЕ, г) – структура элемента с локальными эпитаксиальными областями

15 Пример проектирования ФИЭ а) – математическая модель (объединение двух n-p-n транзисторов по эмиттерам и коллекторам), б) – вертикальная оптимальная интегральная структура, в) – вертикальная структура с разбиением вершины n вых, г) – горизонтальная структура на изоляторе Уравнение синтеза

16 RS-триггер в переходной схемотехнике Уравнение синтеза RS-триггер в переходной схемотехнике: а) – структура, б) – топология

17 N-разрядный регистр на RS-триггерах в переходной схемотехнике а) – уравнение синтеза, б) – ДНК, в) – интегральная структура, г) – топология одного разряда г) – топология одного разряда

18 Программное обеспечение (ПО 1) SGenerator – генерация 2-d интегральной структуры по математической модели ФИЭ SGenerator – генерация 2-d интегральной структуры по математической модели ФИЭ

19 Программное обеспечение (ПО 2) – Perspective – 3-d визуализация (пример 1)

20 Программное обеспечение (ПО 2) – Perspective – 3-d визуализация (пример 2)

21 Программное обеспечение (ПО 2) – Perspective – 3-d визуализация (пример 3)

22 Программное обеспечение (ПО 2) – Perspective – 3-d визуализация (пример 4)

23 Программное обеспечение (ПО 2) – Perspective – 3-d визуализация (пример 5)

24 Программное обеспечение (ПО 2) – Perspective – 3-d визуализация (пример 6)

25 Программное обеспечение (ПО 2) – Perspective – 3-d визуализация (пример 7)

26 Программное обеспечение (ПО 2) – Perspective – 3-d визуализация (пример 8)

27 Обучение (наносхемотехника) Разработан учебный курс, включающий: –курс лекций («Схемотехника ЭВМ»), –практикум по компьютерному моделированию, –тестирование на сайте –методические материалы: учебное пособие 2008 г., учебное пособие 2008 г., методички по компьютерному моделированию, методички по компьютерному моделированию, база вопросов для тестирования в Интернете база вопросов для тестирования в Интернете

28 Виртуальная лаборатория N3D Проект N3D предназначен в помощь разработчикам и ведущим специалистам наноиндустрии, студентам соответствующих специальностей, а также для развития научного направления по математическому синтезу и моделированию новых элементных баз СБИС и компьютеров: Проект N3D предназначен в помощь разработчикам и ведущим специалистам наноиндустрии, студентам соответствующих специальностей, а также для развития научного направления по математическому синтезу и моделированию новых элементных баз СБИС и компьютеров: 3-d СБИС, 3-d СБИС, переходные схемы (основанные на переходной схемотехнике), переходные схемы (основанные на переходной схемотехнике), биочипы, биочипы, углеродные нанотрубки, углеродные нанотрубки, квантовый компьютер квантовый компьютер и пр. и пр. Разработчики могут обмениваться материалами (статьями, ссылками, файлами), публикуя их на сайте N3D, и обсуждать интересующие их вопросы. Разработчики могут обмениваться материалами (статьями, ссылками, файлами), публикуя их на сайте N3D, и обсуждать интересующие их вопросы. Руководитель лаборатории – проф. Трубочкина Н.К. Руководитель лаборатории – проф. Трубочкина Н.К.

29 Разработана база моделей 3-d наноструктур различной размерности

30 Проводится их компьютерное моделирование (анализ работоспособности) * Описание схемы Q1 N7 N5 In1 NPN area=1 Q2 N7 N5 In2 NPN area=1 Q3 out N7 Gnd NPN area=1 Q4 N1 out Gnd NPN area=1 Q5 N5 Gnd N4 PNP area=1 Q6 N7 Gnd N3 PNP area=1 Q7 out N1 N6 PNP area=1 R8 N4 N3 50 TC=0.0, 0.0 R9 N8 N3 50 TC=0.0, 0.0 R10 N8 N6 50 TC=0.0, 0.0 R11 N8 N6 50 TC=0.0, 0.0 R12 N8 N6 50 TC=0.0, 0.0 R13 N8 N1 50 TC=0.0, 0.0 v14 N8 Gnd 3.0 * Модели, тип моделирования и перечень рассчитываемых величин.model NPN NPN(Cje=10pF Cjc=20pF Rb=60).model PNP PNP(Cje=10pF Cjc=20pF Rb=100 Rc=50) VIN1 In1 Gnd 0 Vin2 In2 Gnd 1.8 *.dc VIN print V(In1) V(Out).end

31 3-d визуализация и моделирование Динамическая 3-d визуализация наноструктуры Планируется 3-d визуализация распределения потенциалов и температуры

32 Результаты. Информационные технологии - наноиндустрии Предлагается методология проведения научного эксперимента по созданию новой элементной базы 3-d СБИС Предлагается методология проведения научного эксперимента по созданию новой элементной базы 3-d СБИС Разработан математический аппарат для синтеза математических моделей переходной схемотехники и их визуализации Разработан математический аппарат для синтеза математических моделей переходной схемотехники и их визуализации Разработана новая теория синтеза элементов интеллектуальной 3-d наносхемотехники Разработана новая теория синтеза элементов интеллектуальной 3-d наносхемотехники Предполагается разработка Системы Оптимальных Математических Моделей интеллектуальных элементов различной степени сложности для 3-d СБИС. Часть Системы создана Предполагается разработка Системы Оптимальных Математических Моделей интеллектуальных элементов различной степени сложности для 3-d СБИС. Часть Системы создана Создается база данных 3-d интеллектуальных наноструктур. Основное требование – структурная минимизация, т.е. реализация заданных функций 3-d элемента минимальным количеством полупроводниковых областей и соединений Создается база данных 3-d интеллектуальных наноструктур. Основное требование – структурная минимизация, т.е. реализация заданных функций 3-d элемента минимальным количеством полупроводниковых областей и соединений Разработано программное обеспечение для разработки 3-d структур переходных элементов Разработано программное обеспечение для разработки 3-d структур переходных элементов

33 Сопутствующие результаты В Интернете создана виртуальная учебно- научная лаборатория разработчиков новой элементной базы 3-d СБИС В Интернете создана виртуальная учебно- научная лаборатория разработчиков новой элементной базы 3-d СБИС Получен побочный культурологический эффект: Получен побочный культурологический эффект: –3-d технологии в интернете (3-d сайты) Пример: Пример:

34 О руководителе проекта и научного направления Трубочкина Надежда Константиновна - доктор технических наук, профессор, Россия, Москва, МИЭМ, кафедра вычислительных систем и сетей. Трубочкина Надежда Константиновна - доктор технических наук, профессор, Россия, Москва, МИЭМ, кафедра вычислительных систем и сетей. Работает в области информационных, компьютерных и интернет-технологий, занимается теоретическими разработками в области переходной схемотехники для 3-d СБИС. Работает в области информационных, компьютерных и интернет-технологий, занимается теоретическими разработками в области переходной схемотехники для 3-d СБИС. Автор более 80 научных работ и изобретений в области создания элементной базы и программного обеспечения для проектирования компьютерных систем. Автор более 80 научных работ и изобретений в области создания элементной базы и программного обеспечения для проектирования компьютерных систем. Читает лекции в Московском институте электроники и математики по компьютерной схемотехнике и Web-дизайну. Ведет курс в интернете по Flash-технологиям. Читает лекции в Московском институте электроники и математики по компьютерной схемотехнике и Web-дизайну. Ведет курс в интернете по Flash-технологиям. Имеет сайты: Имеет сайты: В 2008 году ее работа "Моделирование 3-d наносхемотехники" получила Золотую медаль и Почетный Диплом на V Международной выcтавке NTMEX'08 (Россия, Москва) В 2008 году ее работа "Моделирование 3-d наносхемотехники" получила Золотую медаль и Почетный Диплом на V Международной выcтавке NTMEX'08 (Россия, Москва)

35 Контакты: Адрес: Россия, , Москва, Московский институт электроники и математики (МИЭМ), Б.Трехсвятительский пер., 3/12, кафедра «Вычислительные системы и сети» (ВСиС) Адрес: Россия, , Москва, Московский институт электроники и математики (МИЭМ), Б.Трехсвятительский пер., 3/12, кафедра «Вычислительные системы и сети» (ВСиС) Проф. Трубочкина Надежда Константиновна Проф. Трубочкина Надежда Константиновна Тел.: 7 (495) Тел.: 7 (495) Сайт: Сайт:

36 Спасибо за внимание! МЫ БУДЕМ РАДЫ СОТРУДНИЧЕСТВУ С ВАМИ!