Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Наноэлектромеханический ( NEM ) Реле является электрическим приводом переключателя , который построен на нанометровом масштабе с использованием полупроводникового производства техники. Они предназначены для работы вместо традиционной полупроводниковой логики или в сочетании с ней . Хотя механическая природа реле NEM заставляет их переключаться намного медленнее, чем твердотельные реле , они обладают многими полезными свойствами, такими как утечка нулевого тока и низкое энергопотребление , что делает их потенциально полезными в вычислениях следующего поколения.

Типичное реле NEM требует напряжения порядка десятков вольт, чтобы «втягиваться» и иметь контактное сопротивление порядка гигаомов. Покрытие контактных поверхностей платиной может снизить достижимое контактное сопротивление до 3 кОм. [1] По сравнению с транзисторами, реле NEM переключаются относительно медленно, порядка наносекунд. [2]

Операция [ править ]

Схема трехконтактного электромеханического реле

Реле NEM может иметь двух-, трех- или четырехконтактную конфигурацию. Трехконтактное реле состоит из истока (вход), стока (выход) и затвора (клемма срабатывания). К источнику прикреплена консольная балка, которую можно согнуть так, чтобы она соприкасалась со стоком, чтобы выполнить электрическое соединение. Когда между балкой и затвором прикладывается значительный перепад напряжения , и электростатическая сила преодолевает силу упругости балки, достаточную для того, чтобы согнуть ее и привести в контакт со стоком, устройство «втягивается» и образует электрическое соединение. В выключенном состоянии исток и сток разделены воздушной прослойкой. Это физическое разделение позволяет реле NEM иметь нулевой ток.утечки и очень резкие переходы включения / выключения. [3]

Нелинейный характер электрического поля и адгезия между лучом и стоком заставляют устройство «вытягиваться» и терять соединение при более низком напряжении, чем напряжение, при котором оно втягивается. Этот эффект гистерезиса означает, что существует напряжение между натяжением по напряжению и отрывному напряжению, которое не изменит состояние реле, независимо от его начального состояния. Это свойство очень полезно в приложениях, где информация должна храниться в схеме, например, в статической памяти с произвольным доступом . [1]

Изготовление [ править ]

Реле NEM обычно изготавливаются с использованием методов поверхностной микрообработки , типичных для микроэлектромеханических систем (MEMS). [4] Реле с боковым срабатыванием создаются путем нанесения двух или более слоев материала на кремниевую пластину . На верхний структурный слой нанесен фотолитографический рисунок, чтобы сформировать изолированные блоки самого верхнего материала. Затем нижний слой выборочно вытравливается, оставляя тонкие структуры, такие как луч реле, консольно выступающие над пластиной и свободно изгибающиеся в боковом направлении. [1] Обычным набором материалов, используемых в этом процессе, является поликремний в качестве верхнего структурного слоя и диоксид кремния в качестве жертвенного нижнего слоя.

Реле NEM могут быть изготовлены с использованием процесса, совместимого с серверной частью линии , что позволяет создавать их на основе CMOS . [1] Это свойство позволяет использовать реле NEM для значительного уменьшения площади определенных цепей. Например, гибридный инвертор CMOS-NEM с реле занимает 0,03 мкм 2 , что составляет одну треть площади инвертора CMOS 45 нм. [5]

История [ править ]

Первый переключатель, изготовленный с использованием технологии микрообработки кремния, был изготовлен в 1978 году. [6] Эти переключатели были изготовлены с использованием процессов объемной микрообработки и гальваники . [7] В 1980-х годах были разработаны методы поверхностной микрообработки [8], и эта технология была применена для изготовления переключателей, позволяющих создавать более компактные и более эффективные реле. [9]

Основным ранним применением MEMS-реле было переключение радиочастотных сигналов, при которых твердотельные реле имели низкую производительность. [10] Время переключения для этих ранних реле было более 1 мкс. За счет уменьшения размеров менее одного микрометра [11] и перехода к наномасштабу, МЭМС-переключатели достигли времени переключения в диапазоне сотен наносекунд. [5]

Приложения [ править ]

Механические вычисления [ править ]

Из-за утечки транзисторов теоретическая эффективность КМОП логики ограничена. Этот барьер эффективности в конечном итоге предотвращает дальнейшее увеличение вычислительной мощности в приложениях с ограниченным энергопотреблением. [12] Хотя реле NEM имеют значительные задержки переключения, их небольшой размер и высокая скорость переключения по сравнению с другими реле означает, что механические вычисления с использованием реле NEM могут оказаться жизнеспособной заменой типичных интегральных схем на основе КМОП и преодолеть этот барьер эффективности КМОП. [3] [2]

Реле NEM переключается механически примерно в 1000 раз медленнее, чем электрическое переключение твердотельного транзистора. Хотя это делает использование реле NEM для вычислений серьезной проблемой, их низкое сопротивление позволяет объединить множество реле NEM в цепочку и переключать все одновременно, выполняя один большой расчет. [2] С другой стороны, транзисторная логика должна реализовываться небольшими циклами.расчетов, потому что их высокое сопротивление не позволяет соединить много транзисторов в цепочку, сохраняя целостность сигнала. Следовательно, можно было бы создать механический компьютер с использованием реле NEM, который работает с гораздо более низкой тактовой частотой, чем логика CMOS, но выполняет более крупные и сложные вычисления в течение каждого цикла. Это позволит логике на основе реле NEM работать в соответствии со стандартами, сопоставимыми с современной логикой CMOS. [2]

Существует множество приложений, например, в автомобильной , аэрокосмической или геотермальной разведке , в которых было бы полезно иметь микроконтроллер, который мог бы работать при очень высоких температурах. Однако при высоких температурах полупроводники, используемые в типичных микроконтроллерах, начинают выходить из строя, поскольку электрические свойства материалов, из которых они сделаны, ухудшаются, и транзисторы перестают функционировать. Приведение в действие реле NEM не зависит от электрических свойств материалов, поэтому механический компьютер, использующий реле NEM, сможет работать в таких условиях. Реле NEM успешно прошли испытания при температуре до 500 ° C, но теоретически могут выдерживать гораздо более высокие температуры. [13]

Программируемые пользователем вентильные матрицы [ править ]

Нулевой ток утечки, низкое энергопотребление и возможность наложения слоев поверх свойств CMOS реле NEM делают их многообещающим кандидатом для использования в качестве коммутаторов маршрутизации в программируемых пользователем вентильных массивах (FPGA). ПЛИС, использующая реле NEM для замены каждого переключателя маршрутизации и соответствующего ему статического блока памяти с произвольным доступом, может позволить значительно сократить время программирования, утечку мощности и площадь кристалла по сравнению с типичной 22-нм ПЛИС на основе КМОП. [14] Такое сокращение площади в основном происходит из-за того, что уровень маршрутизации ретрансляции NEM может быть построен поверх уровня CMOS ПЛИС.

Ссылки [ править ]

  1. ^ a b c d Парса, Рузбех; Ли, В. Скотт; Шавезипур, Мохаммад; Provine, Дж; Митра, Субхашиш; Вонг, Х.-С. Филипп; Хау, Роджер Т. (7 марта 2013 г.). «Реле NEM с платиновым покрытием из поликремния с боковым срабатыванием». Журнал микроэлектромеханических систем . 22 (3): 768–778. DOI : 10.1109 / JMEMS.2013.2244779 . S2CID  24310991 .
  2. ^ a b c d Чен, Фред; Кам, Хей; Маркович, Деян; Лю, Цу-Джэ Кинг; Стоянович, Владимир; Алон, Элад (10 ноября 2008 г.). «Проектирование интегральных схем с реле NEM» . ICCAD '08 Труды Международной конференции IEEE / ACM 2008 года по автоматизированному проектированию . С. 750–757. ISBN 9781424428205. Проверено 29 октября 2014 года .
  3. ^ а б Чен, Ф; Спенсер, М; Нафанаил, Р. Чэнчэн, Ван; Fariborzi, H; Гупта, А; Хей, Кам; Pott, V; Кэсок, Чон; Цу-Чжэ, король Лю; Маркович, Д .; Стоянович, В .; Алон, Э. (февраль 2010 г.). «Демонстрация интегральных схем микро-электромеханического переключателя для приложений СБИС». Международная конференция по твердотельным схемам IEEE 2010 - (ISSCC) . С. 150–151. CiteSeerX 10.1.1.460.2411 . DOI : 10.1109 / ISSCC.2010.5434010 . ISBN  978-1-4244-6033-5. S2CID  8905826 .
  4. ^ Кам, Хей; Pott, V; Нафанаил, Р. Чон, Чэсок; Один; Лю, Цу-Джэ Кинг (декабрь 2009 г.). «Дизайн и надежность микрорелейной технологии для приложений цифровой логики с нулевым резервным питанием». 2009 г. Международная конференция по электронным устройствам IEEE (IEDM) . С. 1–4. DOI : 10.1109 / IEDM.2009.5424218 . ISBN 978-1-4244-5639-0. S2CID  41011570 .
  5. ^ а б Акарвардар, К; Элата, Д; Парса, R; Ван, GC; Ю, К; Provine, Дж; Peumans, P; Хау, RT; Вонг, Х.-СП (10 декабря 2007 г.). «Соображения по проектированию дополнительных наноэлектромеханических логических вентилей». 2007 г. Международная конференция по электронным устройствам IEEE . С. 299–302. DOI : 10.1109 / IEDM.2007.4418930 . ISBN 978-1-4244-1507-6. S2CID  41342836 .
  6. ↑ Петерсен, Курт (октябрь 1978 г.). «Динамическая микромеханика на кремнии: методы и устройства». Транзакции IEEE на электронных устройствах . 25 (10): 1241–1250. Bibcode : 1978ITED ... 25.1241P . DOI : 10,1109 / Т-ED.1978.19259 . S2CID 31025130 . 
  7. ^ Петерсен, Курт (май 1982). «Кремний как механический материал». Труды IEEE . 70 (5): 420–457. Bibcode : 1982IEEEP..70..420P . DOI : 10,1109 / PROC.1982.12331 . S2CID 15378788 . 
  8. ^ Bustillo, JM; Хау, RT; Мюллер, RS (август 1998 г.). «Микрообработка поверхности для микроэлектромеханических систем». Труды IEEE . 86 (8): 1552–1574. CiteSeerX 10.1.1.120.4059 . DOI : 10.1109 / 5.704260 . 
  9. Перейти ↑ Sakata, M (февраль 1989 г.). «Электростатический микропривод для электромеханического реле». Исследование микроструктур, датчиков, исполнительных механизмов, машин и роботов . IEEE Micro Electro Mechanical Systems, Proceedings. С. 149–151. DOI : 10.1109 / MEMSYS.1989.77980 . S2CID 111117216 . 
  10. ^ Яо, JJ; Чанг, MF (июнь 1995 г.). «Миниатюрный микропереключатель с поверхностной обработкой для телекоммуникационных приложений с частотами сигнала от постоянного тока до 4 ГГц». Труды Международной конференции по твердотельным датчикам и исполнительным элементам - TRANSDUCERS '95 . 2 . С. 384–387. DOI : 10.1109 / SENSOR.1995.721827 . S2CID 110197804 . 
  11. ^ Jang, Weon Wi; Ли, Чон Оэн; Юн, Чун-Бо; Ким, Мин-Санг; Ли, Джи-Мён; Ким, Сон Мин; Чо, Кын-Хви; Ким, Донг-Вон; Парк, Донгун; Ли, Вон-Сон (март 2008 г.). «Изготовление и определение характеристик наноэлектромеханического переключателя с подвесным воздушным зазором толщиной 15 нм». Письма по прикладной физике . 92 (10): 103110–103110–3. Bibcode : 2008ApPhL..92j3110J . DOI : 10.1063 / 1.2892659 .
  12. ^ Calhoun, Benton, H .; Ван, Алиса; Чандракасан, Ананта (сентябрь 2005 г.). «Моделирование и определение размеров для работы с минимальной энергией в подпороговых схемах» (PDF) . Журнал IEEE по твердотельным схемам . 40 (9): 1778. Bibcode : 2005IJSSC..40.1778C . DOI : 10.1109 / JSSC.2005.852162 . S2CID 15037515 . Проверено 29 октября 2014 года .  
  13. ↑ Ли, Те-Хао; Бхуниа, Сваруп; Мехрегани, Мехран (10 сентября 2010 г.). «Электромеханические вычисления при 500 ° C с карбидом кремния». Наука . 329 (5997): 1316–1318. Bibcode : 2010Sci ... 329.1316L . DOI : 10.1126 / science.1192511 . PMID 20829479 . S2CID 206527731 .  
  14. ^ Чен, Чен; Парса, Рузбех; Патил, Нишант; Чонг, Сугин; Акарвардар, Керем; Provine, Дж; Льюис, Дэвид; Ватт, Джефф; Хау, Роджер Т .; Вонг, Х.-С. Филипп; Митра, Субхашиш (21 февраля 2010 г.). «Эффективные ПЛИС с использованием наноэлектромеханических реле». Материалы 18-го ежегодного международного симпозиума ACM / SIGDA по программируемым вентильным матрицам - FPGA '10 . С. 273–282. DOI : 10.1145 / 1723112.1723158 . ISBN 9781605589114. S2CID  1081387 .