Read the book: «Наноэлектроника, наноэнергетика, наносхемы, наносистемы — технологии атомарных размеров (без чубайсятины)..»

Font::

Содержание

Михаил Валерьевич Степанов, Жанна Валерьевна Соколова

МОСКВА, 2026.

Степанов М.В., Соколова Ж.В., Сквозное проектирование и изготовление 3D наносхем и 3D наносистем, как законченных изделий, на цифровых нанофабриках. Применение нейронных сетей для расчёта и оптимизации 2D/3D топологий наносхем на базе квантовых клеточных автоматов. — Москва, 2026 — 300 с.

Описывается современное состояние некоторых разработок в области нанотехнологий. Ключевой особенностью будущих 3D функциональных наносистем, вероятно, будет проектирование и изготовление в одном нанотехнологическом цикле законченного изделия. Это значит совмещение на одной подложке не только логических цифровых наносхем (на базе квантовых клеточных автоматов — Quantum Cellular Automata — QCA), но сенсоров разного рода, например, искусственных сетчаток, реализующих первичную обработку видеосигнала (инвариантность к уровню освещения), а также генераторов и аккумуляторов электроэнергии — выпрямителей электромагнитных волн на базе ректенн, 2D/3D массивов наноразмерных магнитогазодинамических генераторов (МГД) генерирующих электричество на основе силы Ампера при механическом движении от ветра заряженных частиц (диполей O₂, O₃, H₂O, CO, CO₂, N₂ и прочих составляющих атмосферы), а также суперконденсаторов на базе 2D/3D массивов вертикально ориентированных массивов углеродных нанотрубок (УНТ), распределённых по поверхности 2D/3D массивов инжекционных нанодвижителей для БПЛА, НПЛ, БЭК, НРТК. Сквозное проектирование и изготовление в едином нанотехнологическом цикле на одной подложке 3D функциональных наносистем возможно в многокластерных нанотехнологических установках (МКНТУ) — цифровых нанофабриках.

Михаил Валерьевич Степанов, Жанна Валерьевна Соколова.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

Глава 1. ФИЗИЧЕСКИЕ КВАНТОВЫЕ ОСНОВЫ НАНОТЕХНОЛОГИИ

Глава 2. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ СХЕМОТЕХНИЧЕСКИХ И 2D/3D ТОПОЛОГИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ УПРАВЛЯЮЩИХ ИНФОРМАЦИОННЫХ НАНОСХЕМ НА ОСНОВЕ КВАНТОВО-РАЗМЕРНЫХ ЭФФЕКТОВ

Глава 3. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ НАНОСИСТЕМ НА ОСНОВЕ КВАНТОВО-РАЗМЕРНЫХ ЭФФЕКТОВ

Глава 4. СТРУКТУРА НАНОКОМПИЛЯТОРА (САПР НЭ) ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ И СКВОЗНОЙ РАЗРАБОТКИ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ НАНОСИСТЕМ, УПРАВЛЯЮЩИХ ИНФОРМАЦИОННЫХ НАНОСХЕМ И СИСТЕМ НА ИХ ОСНОВЕ СОПРЯЖЁННОГО С МКНТУ

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ЛИТЕРАТУРА

ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

Глава 1. ФИЗИЧЕСКИЕ КВАНТОВЫЕ ОСНОВЫ НАНОТЕХНОЛОГИИ

1.1. Актуальные направления исследований. Предметная область нанотехнологии.

1.1.1. Актуальные направления исследований

1.1.2. Физические основы наноэлементов с квантовыми размерными эффектами (КРЭ). Фундаментальные отличия наноэлементов от микроэлементов. Необходимость учёта и использования КРЭ.

1.1.2.1. Преимущества одноэлектронных бестранзисторных мажоритарных вентилей..

1.1.2.2. Аппаратная реализация булевской схемотехники СБИС на основе одноэлектронных бестранзисторных мажоритарных вентилей..

1.1.3. Классификация наноэлектронных приборов.

1.2. Цель нанотехнологии и задачи исследований.

1.2.1. Концепция «Система-на-Кристалле» и нанотехнология. Замкнутая нанотехнологическая линия (дизайн-центр и фабрика) для проектирования и производства БРЭА..

1.2.2. Актуальность и научная новизна нанотехнологии. Как избежать внешнего недружественного технологического контроля над разработками малых серий СБИС

1.3. Многокластерная нанотехнологическая установка для исследования и изготовления наносхем и функциональных наносистем.

1.3.1. ГПС и ГАП: принципы построения открытой архитектуры МКНТУ как «цифровой фабрики».

1.3.2. Программное обеспечение АСУТП МКНТУ.

1.3.3. Инновационная продукция МКНТУ.

1.3.4. Выводы по МКНТУ.

1.4. Математические модели нанолокальных операций формирования и тестирования наноструктур. Нанолокальное зондовое химическое осаждение и травление в газовой фазе (NLZCVD, NLZPE)

1.4.1. Физические основы зондовой нанотехнологии. Осаждение и травление наноструктур в газовой фазе. Массоперенос с помощью газовой среды.

1.4.2. Нанолокальное зондовое химическое осаждение и травление в газовой или жидкой фазе (NLZCVD, NLZCLD)

1.4.2.1. Нанолокальная фиксация и нанолокальное перемещение..

1.4.2.2. Нанолокальное осаждение.

1.4.2.3. Нанолокальное травление.

1.4.2.4.Нанолокальные операции в вакууме, газе и жидкости.

1.4.3. Эксперименты по нанолокальному зондовому формированию нанотопологических объектов

1.4.3.1. Результаты нанолокального формирования полевого нанотранзистора, проводившегося зондовым методом в 1995 году в НИИ МЭ и НТ «Дельта»..

1.4.3.2. Формирование 2D/3D топологии наноструктур на отечественном СТМ СММ-2000Т, ЗАО «Завод ПРОТОН-МИЭТ».

2.1. Физические основы 2D/3D топологий управляющих наносхем на бестранзисторных вычислительных устройствах

2.1.1. Свойства предлагаемых бестранзисторных вычислительных устройств. Квантовый клеточный автомат. Бинарные состояния поляризации ККА

2.1.2. Четыре фазы переключения ККА.

2.1.3. Физические основы генератора 2D/3D топологий управляющих информационных наносхем на основе библиотечных вентилей и вентильных групп на базе ККА.

2.1.4. Термодинамическое рассмотрение работоспособности ККА. Работа БВТУ на базе ККА при криогенной и комнатной температуре..

2.1.5. Модель Гамильтониана для ККА.

2.1.6. Вычисление функции отклика ККА—ККА..

2.1.7. Отклик ККА—ККА при температуре T>0K.

2.1.8. Физические основы и математический формализм описания переключения ККА.

2.1.9. Описание вычисления состояний поляризации ККА на базе математического аппарата нейронных сетей.

2.1.10. Описание самоорганизации наносхем на основе ККА на базе математического аппарата нейронных сетей.

2.1.11. Математическая модель для оценки плотности интеграции 2D топологии наносхем БТВУ и ОЗУ на основе ККА-вентилей

2.1.11.1. Фундаментальные физические и квантовомеханические пределы для наносхем БТВУ и ОЗУ на основе ККА-вентилей на основе теории одноэлектронного туннелирования К.К.Лихарева..

2.1.11.2. Оценка параметров наносхем БТВУ на основе ККА-вентилей..

2.1.11.3. Оценка параметров наносхем ОЗУ на основе ККА-вентилей

2.1.12. Оценка производительности ККА, сравнение с аналогичными устройствами, изготовленными по современной КМОП-технологии

Глава 3. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ НАНОСИСТЕМ НА ОСНОВЕ КВАНТОВО-РАЗМЕРНЫХ ЭФФЕКТОВ

2.2. Физические основы функциональных наносистем..

2.2.1. Термоэлектрические генераторы (ТЭГ).

2.2.1.1. Типы энергетических наноэлементов для ТЭГ.

2.2.1.2. Топливные.

2.2.1.3. Термоэмиссионные..

2.2.1.4. Физические основы генерации энергии в 2D ГК. Монолитные 2D/3D матрицы 2D ГК..

2.2.1.5. Решение уравнения Шрёдингера для граничных условий, задаваемых топологией 2D ГК..

2.2.1.6. Расчёт генерируемой электрической мощности...

2.2.1.7. Качественные характеристики, определяющие энергетические показатели 2D ГК..

2.2.1.8. Расчётные параметры 2D ГК.

2.2.1.9. Выводы по 2D ГК

2.2.2. 2D/3D матрицы широкополосных фотоприёмников и солнечных батарей..

2.2.2.1. Принцип работы..

2.2.2.2. Топологии матриц фотоприёмников..

2.2.2.3. Влияние кривизны контактов на туннелирование электронов

2.2.3. Наноантенные солнечные коллекторы Национальной лаборатории Айдахо Министерства энергетики США..

2.2.4. 2D матрицы широкополосных излучателей.

2.2.5. Расчёт параметров 2D ГК (градиентного концентратора) с целью генерации ВЦШ для изготовления массивов 2D ГК на МКНТУ

2.2.5.1. Оптимизация топологии 2D/3D матриц 2D ГК выпрямительных диодных элементов НАК. Математический формализм для вычислительных экспериментов..

2.2.5.1.1. Зонные диаграммы систем МДМ на базе 2D/3D матриц 2D ГК.

2.2.5.1.2. Блок-схема вычислительных экспериментов.

2.2.5.1.3. Нестационарное уравнение Шрёдингера. Состав оператора Гамильтона для топологии 2D ГК.

2.2.5.1.4. Начальные условия: 2D Гауссов волновой пакет для 2D ГК.

2.2.5.1.5. Граничные условия: топология 2D ГК

2.2.5.1.6. Методы решения систем уравнений.

2.2.5.1.6.1. Итерационный алгоритм поиска численных решений для разностных схем мнимой и вещественной частей.

2.2.5.1.6.2. Алгоритм определения положения движущегося волнового пакета на основе значения энергии/импульса

2.2.5.1.7. Обработка и обобщение результатов вычислений, приведение полученных результатов к удельным характеристикам, относительно площадей областей A, B, C, годным для объективного сравнения..

2.2.6. 2D/3D матрицы инжекционных магнитогазодинамических и магнитогидродинамических наногенераторов электроэнергии.

2.2.7. Силовая система на основе инжекционных нанодвижителей – распределённые матрицы функциональных наноэлементов...

2.2.7.1. Анализ возможных типов наноструктур инжекционных нанодвижителей (ИНД)..

2.2.7.2. ИНД на статических электрических полях – тип 2A..

2.2.7.3. ИНД на статических электрических полях и статических магнитных полях – тип 2B

2.2.7.3.1. Конструкции ИНД типа 2B.

2.2.7.3.2. Анализ различных топологий ИНД на статических электромагнитных полях.

2.2.7.4. ИНД на динамических электромагнитных полях – тип 3С

2.2.7.4.1. ИНД на динамических электромагнитных полях с 90^⁰ фазовым сдвигом

2.2.7.4.2. ИНД на основе динамических электромагнитных полей с 0^⁰ фазовым сдвигом.

2.2.7.5. Оценка предельных возможностей ИНД на базе статистической механики и электротехники.

2.2.7.6. Качественные характеристики, определяющие граничные условия применимости нанодвижителей

2.2.7.7. Расчетные параметры нанодвижителей

2.2.8. Суперконденсаторы на базе массивов вертикально ориентированных УНТ (наногазона, нанотравы)..

2.2.8.1. Ёмкость, энергия, мощность конденсаторов.

2.2.8.2. Математическая модель суперконденсатора на базе массивов вертикально ориентированных углеродных нанотрубок

3.1. Блок-схема замкнутой нанотехнологической линии.

3.2. Технические требования к нанокомпилятору.

3.2.1. Целевые нанотехнологические платформы, поддерживаемые типы наноструктур, поддерживаемые нанотехнологии.

3.2.2. Типы формируемых управляющих информационных наносхем и функциональных наносхем

3.2.3. Входные данные – формы: графическая, текстовая, параметрическая

3.2.4. Внутренняя обработка

3.2.5. Выходные данные – формы: 2D виртуальные цифровые шаблоны, нанотехнологические маршрутные карты, библиотеки верифицированных наноэлементов и синтезабельных фрагментов наносхем

3.2.6. Поддерживаемые стандарты SEMI и нанокомпиляторы-прототипы: Q-BART, QCADesigner

3.2.7. Методы расчётов, внешние пакеты программ, параллельное программирование.

3.2.8. Методы визуализации на основе виртуальной реальности.

3.2.9. Требования к языкам и стилям кроссплатформенного программирования для создания и отладки переносимых исходных тексов нанокомпилятора

3.2.10. Требования к ОС, ЛВС, оборудованию рабочих мест.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ЛИТЕРАТУРА

ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ

Введение

В настоящее время в отечественной и зарубежной литературе уделяется всё большее внимание методам построения аппаратно-программных комплексов (АПК) для разработки и изготовления технических средств на базе достижений нанотехнологии. Вместе с тем, остаются недостаточно освещёнными вопросы создания АПК для обеспечения работы «цифровых фабрик» — гибких производственных систем (ГПС), содержащих в единой системе дизайн-центр и нанофабрику. Такой АПК должен содержать распределённые программные средства, работающие в локальной вычислительной сети (ЛВС) соединяющей модуль суперкомпьютера с нанокомпилятором (САПР наноэлементов и наносистем) с модулем АСУТП, на котором формируются (хранятся в базе данных и редактируются) нанотехнологические маршрутные карты (НТМК). Далее, такая ЛВС соединяет модуль АСУТП с управляющими компьютерами транспортных, технологических, аналитических модулей открытой системы ГПС цифровой фабрики. В качестве цифровой фабрики выступает многокластерная нанотехнологическая установка (МКНТУ). За счёт сопряжения на одной технологической площадке АПК для автоматизированной разработки наносхем и СБИС на их основе и ГПС МКНТУ можно резко и существенно снизить издержки производства, добиться рентабельности мелких серий, получить возможность на одном месте разрабатывать, проектировать и изготавливать на базе групповых и нанолокальных технологий плазмохимического осаждения и травления функциональные наносистемы целиком.

Такие наносистемы, как малогабаритные беспилотные летательные аппараты (МБЛА), сверхмалые космические аппараты (СМКА), малогабаритные необитаемые подводные лодки (МНПЛ), микророботы и нанороботы, в том числе, обладающие распределённым коллективным управлением, будут иметь в своём составе, и получать сразу в процессе изготовления:

1. подсистемы сенсоров на основе 2D/3D матриц 2D градиентных концентраторов и наноантенн;

2. подсистемы генераторов и аккумуляторов энергии на основе 2D/3D матриц 2D градиентных концентраторов и наноантенн и суперконденсаторов на базе вертикально ориентированных массивов углеродных нанотрубок;

3. подсистемы аналого-цифровых наносхем для логической, арифметической обработки информации, хранения в оперативной и долговременной памяти и операций ввода-вывода на основе квантовых клеточных автоматов;

4. подсистемы интегральных распределённых исполнительных устройств – нанодвижителей (распределённых электрореактивных двигателей типа молекулярного рельсотрона), нанонасосов, наноизлучателей излучателей электромагнитных волн (ЭМВ) на базе 2D/3D матриц 2D градиентных концентраторов и наноантенн и т.п.

· разведывательный МБЛА «чёрная вдова», запускаемый с руки;

· МНПЛ (НАСА США) – позиционируется НАСА для поиска жизни на спутнике Юпитера – Европе, где есть океан с водой и условия для жизни. Очевидно, что на планете Земля будет использоваться скорее, чем на спутнике Юпитера;

· модельная система для наноробототехники. Самособирающиеся роботы (диаметр: 7,5 см) отмечают место, где под землёй находится неразорвавшаяся мина. Такие роботы дёшевы, питаются от солнечных батарей и не имеют процессора, что облегчает их применение и миниатюризацию;

· МБЛА (НАСА США, Калифорнийский Университет в Беркли), использующий принципы полёта насекомых и имеющий размеры насекомых.

Рис.0.1. Микророботы-дроны [370—373].

В перспективных цифровых фабриках, основанных на ГПС, основная стоимость создаётся не на тиражировании образцов, как в индустриальную эпоху, тиражирование теперь рентабельно выполняется автоматически сериями любых объёмов, в том числе крайне мелких, и гибко перестраивается. Именно в процессе разработки нового образца теперь создаётся новая стоимость. Стоимость гибко настраиваемого автоматического тиражирования образцов стремиться к минимальным близким к нулю значениям. Сделать на цифровой фабрике можно любой образец. Важно его разработать. В этом суть постиндустриальной экономики. Подавляющая часть стоимости создаётся на этапе разработки новых образцов.

Поэтому ключевое значение имеет дизайн-центр, сопряжённый с нанофабрикой. Основой такого дизайн-центра является суперкомпьютер, обеспечивающий массивный параллелизм вычислений, необходимый для моделирования наноэлементов и наносистем. На этом суперкомпьютере должно быть установлено программное обеспечение, выполняющие функции САПР наноструктур и наносистем. Функции дизайн-центра состоят в обеспечении возможности провести математическое моделирование параметров наноструктур и функциональных наносистем и выдать информацию для управления формированием этих наноструктур и наносистем на цифровой фабрике.

Поэтому имеется озабоченность, что остаются недостаточно освещёнными вопросы создания математических моделей гибридных структур бестранзисторных СБИС и 2D/3D матриц функциональных наноэлементов и наносистем с распределёнными параметрами для аналоговой, цифровой, арифметической, логической, специальной обработки данных, хранения и ввода-вывода информации. Практически не рассмотрены в современной литературе методы и алгоритмы организации массивно параллельной обработки информации для численного решения дифференциальных уравнений в частных производных в интересах АПК для разработки наноструктур и наносистем. Например, массивно параллельного решения системы уравнений на базе нестационарного уравнения Шрёдингера для оптимизации наноструктур 2D градиентных концентраторов. Недостаточно публикаций, посвящённых разработке АПК, выполняющих анализ исходных текстов (кодов) на языках описания SystemC, C, для синтеза структур бестранзисторных СБИС.

В монографии описывается современное состояние некоторых разработок в области нанотехнологии. Ключевой особенностью будущих функциональных наносистем, вероятно, будет проектирование и изготовление в одном нанотехнологическом цикле законченного изделия. Это значит совмещение на одной подложке не только логических цифровых наносхем (на базе квантовых клеточных автоматов — QCA), но и сенсоров разного рода, например, искусственных сетчаток, реализующих первичную обработку видеосигнала (инвариантность к уровню освещения), а также генераторов и аккумуляторов электроэнергии (суперконденсаторов на базе массивов вертикально ориентированных углеродных нанотрубок), распределённых по поверхности исполнительных устройств, например, инжекционных нанодвижителей. Такое сквозное проектирование и изготовление в едином нанотехнологическом цикле на одной подложке 3D функциональных наноструктур, являющихся законченными изделиями (малогабаритными беспилотными летательными аппаратами и т.п.), возможно в многокластерных нанотехнологических установках (МКНТУ) — цифровых нанофабриках, включающих 3D-нанопринтер на базе сканирующего туннельного микроскопа (СТМ) и суперкомпьютера с нанокомпилятором (САПР наносистем).

Изложены физические основы схемотехнических и 2D/3D топологических решений управляющих информационных наносхем и функциональных наносистем на основе квантово-размерных эффектов. Показаны свойства предлагаемых бестранзисторных вычислительных устройств (БТВУ) на основе квантовых клеточных автоматов (ККА): бинарные состояния поляризации ККА, четыре фазы переключения ККА. Приведены физические и алгоритмические основы генератора 2D/3D топологий управляющих наносхем на основе библиотечных вентилей и вентильных групп на базе ККА.

Изложены физические основы функциональных наносистем: термоэлектрических генераторов (ТЭГ) на базе плоских градиентных концентраторов (2D ГК), физические основы генерации энергии в 2D ГК.

Описаны монолитные 2D/3D матрицы 2D ГК. Приведён расчёт генерируемой электрической мощности, качественные характеристики, определяющие энергетические показатели 2D ГК, расчетные параметры 2D ГК. Описаны 2D/3D матрицы широкополосных фотоприёмников, солнечных батарей и 2D матрицы широкополосных излучателей. Приведены топологии матриц фотоприёмников и влияние кривизны контактов на туннелирование электронов. Показан расчёт параметров 2D ГК с целью генерации виртуальных цифровых шаблонов (ВЦШ) для изготовления массивов 2D ГК на МКНТУ. Приведен алгоритм оптимизации топологии 2D/3D матриц 2D ГК выпрямительных диодных элементов наноантенных солнечных коллекторов (НАК). Сформулирован математический формализм для вычислительных экспериментов на базе зонных диаграмм систем МДМ для 2D ГК.

Описаны физические основы и оценены технические характеристики силовой системы на основе инжекционных нанодвижителей – распределённые матрицы функциональных наноэлементов электрореактивных движителей, использующих в качестве рабочего тела дипольные молекулы окружающей газообразной и жидкой среды. Инжекционные нанодвижители позволят создать ЛА, БЛА, МБЛА, надводные корабли и ПЛ, НПЛ, МНПЛ, НРТК со сверхнадёжными распределёнными по поверхности движителями, которые обеспечат сверхманёвренность. КПД инжекционных нанодвижителей потенциально намного выше других типов движителей за счёт отсутствия потерь мощности в редукторах и других вращающихся частях, которые им не нужны. Электрическая энергия напрямую преобразуется в кинетическую энергию механического движения.

Описаны физические основы и оценены технические характер 2D/3D матриц магнитогазодинамических и магнитогидродинамических наногенераторов электроэнергии. Такие наногенераторы позволят напрямую преобразовывать кинетическую энергию механического движения потоков газообразной и жидкой среды в электрическую энергию с высоким КПД за счёт отсутствия потерь в редукторах, которые им не нужны.

Комбинация в единой интегральной структуре сенсорных, энергогенерирующих, энергозапасающих, вычислительных логических и исполнительных элементов позволит в едином технологическом цикле проектировать и изготавливать законченные изделия на базе МЭМС и НЭМС, например: медицинские носимые приборы, сверхмалые БЛА, НПЛ, СМКА, НРТК и т.п.

Оригинальная монография развивает научное направление наноэлементов, наносхем, функциональных наносистем, нанотехнологий и даёт представление об облике производства и промышленной продукции 6-го технологического уклада, который по прогнозам аналитикой будет основан на принципах и сочетании нано-, био-, инфо-, когнитивных технологий. Разработанные принципиально новые методы могут быть реализованы на основе элементов континуальной и квазиконтинуальной электроники в системах решающих задачи распознавания, диагностики и управления.

Глава 1. ФИЗИЧЕСКИЕ КВАНТОВЫЕ ОСНОВЫ НАНОТЕХНОЛОГИИ

1.1. Актуальные направления исследований.

Предметная область нанотехнологии

1.1.1. Актуальные направления исследований

С начала XXI века интенсивно развивается разнообразная малогабаритная носимая, встраиваемая, медицинская, беспилотная и автономная техника: мобильные платформы, действующие в различных физических средах, типа сверхмалых космических аппаратов (СМКА), малогабаритных беспилотных летательных аппаратов (МБЛА), необитаемых подводных лодок (НПЛ), микророботов (МР) и нанороботов (НР) [1—6; 74—81, 370—373]. Поэтому, актуальной становиться разработка бортовой радиоэлектронной аппаратуры (БРЭА), адекватной СМКА, МБПЛ, НПЛ, МР, НР по массогабаритным, энергетическим и термодинамическим (снижение генерации тепла, которое некуда отводить) характеристикам. Для разработки ультрабольших интегральной схемы (УБИС) [7] и систем-на-кристалле (СнК) [8—10], аппаратно реализующих на основе нанотехнологии «сжатые» ячейки БРЭА для мобильных платформ, логично воспользоваться опытом разработки и реализации бестранзисторных вычислительных устройств (БТВУ) на основе квантовых клеточных автоматов (ККА, иначе: квантовых клеточных автоматов – Quantum Cellular Automata – QCA) [11—23, 25, 63—66, 84, 90, 98—133] в качестве перспективной элементо-компонентной базы (ЭКБ). ККА-УБИС (QCA-ULSI) рассматривают как альтернативу КМОП-СБИС (CMOS-VLSI) на основе кремния (Si), которые исчерпали физический ресурс развития путём простого линейного уменьшения масштабов традиционных КМОП элементов. Исследования БТВУ, которые должны составить альтернативу современным КМОП-СБИС, выполняются по проекту европейскому QUADRANT (Quantum Devices for Advanced Nano-electronic Technology: Квантовые приборы для улучшенной наноэлектронной технологии, Проект ESPRIT по MEL-ARI #23362, www.qcadesigner.ca/, www.nd.edu/~qcahome/, http://cordis.europa.eu/esprit/src/melari.htm).

Глядя на проблему наноэлектроники шире можно заметить, что нанотехнология – нанолокальное зондовое химическое осаждение из газовой фазы (NLZCVD) наноструктур в МКНТУ [43—45, 55, 63—66, 90, 200—225, 294—299, 305—355], позволит эффективно создавать гибридные наносхемы. Гибридные 2D/3D наносхемы как перспективная ЭКБ, будут сочетать вместе с аналоговыми энергетическими и аналоговыми сенсорными наноэлементами, цифровые логические вентильные схемы на бестранзисторной основе для обработки информации в месте её получения. Очень выгодна реализация встроенных контуров управления – добавление к устройствам на базе массивных ансамблей наноустройств встроенного интеллекта.

Такие встроенные цифровые логические вентильные наносхемы [90] могут быть использованы для параллельной обработки элементов видеосигнала, для коррекции процесса генерации энергии, для подстройки принимаемой частоты – для селекции определённых частот из общего спектра, а также для многих других подобных служебных задач. Встроенная способность обрабатывать информацию на месте её возникновения наделяет прибор – гибридную наносхему – встроенным интеллектом и, очевидно, резко повышает его потребительские качества за счёт способности к самонастройке и самоадаптации.

При размерах топологических элементов менее 50—100 нм, достигнутых к 2000—2013 годам, сильно проявляется размерное квантование – квантовые размерные эффекты (КРЭ). Из-за проявлений КРЭ обычные методы расчета и проектирования КМОП-СБИС использовать нельзя, так как они не адекватны квантовому миру и никак не учитывают КРЭ. При бездумном лобовом линейном масштабировании в наноразмерную область, где ярко проявляются КРЭ, микроэлектронные транзисторы (МОП, биполярные, полевые) перестают быть собственно транзисторами и превращаются в бессмысленные топологические образования с бестолковыми нелинейными характеристиками. КРЭ имеют фундаментальный физический характер. Потому с КРЭ бессмысленно бороться, КРЭ надо широко использовать. С 60-х годов XX века известны работы по оптическим бистабильным элементам на сверхрешётках (S-SEED) [162—167], туннельным диодам и туннельным транзисторам, использованию баллистического переноса электронов в сверхтонкой базе биполярных транзисторов и 2D электронного газа (2DEG) в сверхтонких подзатворных каналах МОП-транзисторов [26—30, 82, 83].

Логическим продолжением этого движения является переход от использования КРЭ для совершенствования старых микроэлектронных приборов к созданию принципиально новых наноэлектронных приборов. Такие наноэлектронные приборы концептуально полностью основаны на КРЭ и не имеют микроэлектронных, а тем более микроэлектронных, аналогов. Наноэлектроника – это электроника одноэлектронных приборов (ОЭП) [73, 82, 83, 111—133].

Актуальность и научная новизна разработок заключается в соединении в единой замкнутой нанотехнологической линии технологий моделирования, проектирования, разработки и изготовления функциональных и управляющих информационных наносхем, в том числе для встраиваемых интеллектуальных распределённых управляющих информационных систем.

Единичные образцы наноэлементов (НЭ) – нанотранзисторов, функциональных элементов НЭМС и т.п., имеют только экспериментальный исследовательский интерес. Промышленного и коммерческого интереса они представлять не могут. Промышленный и коммерческий интерес могут представлять устройства на основе интегральных систем функциональных наноэлементов, например, инжекционных нанодвижителей, квантовых энергетических элементов, наносенсоров движения, освещённости, и тесно связанных с ними управляющих информационных наносхем – «умные» устройства со встроенным интеллектом – микророботы и нанороботы. Такие высокоинтегрированные системы, например, МБЛА, СМКА и им подобные автономные мобильные платформы [1—6], содержащие порядка 10^⁴—10^⁷ НЭ, невозможно спроектировать, а тем более изготовить вручную.

Нанотехнологическое оборудование для зондового формирования единичных НЭ и экспериментальных наноструктур и вспомогательное технологическое оборудование на текущий момент (2016 год) создано, например, многокластерные НаноФаб-100, НаноФаб-25 [49—55] и их комплектующие типа серии установок для PECVD «Каролина PECVD15» (www.esto-vacuum.ru) [168], НТУ «Алмаз-М» [43—48] и другие [56, 57]. Необходимо замкнуть нанотехнологическую цепочку – достроить недостающее звено – разработать нанокомпилятор (САПР НЭ – NanoCompiler [63—66], по аналогии с кремниевым компилятором – SiliconCompiler, как называли микроэлектронные САПР СБИС) [31—42, 59, 87—89, 156—158].

Современные и перспективные нанофабрики, типа многокластерной платформы НаноФаб-100, НаноФаб-25 и другие [43—57, 168] (www.ntmtd.ru, www.niitm.ru, www.niivk.ru, www.niifp.ru, www.elanpraktik.ru, www.esto-vakuum.ru, www.semiteq.ru, www.actan.ru, www.magnetron.ru, www.spec.de, www.oxfordplasma.de), это, по сути, станки с числовым программным управление (ЧПУ) с ангстремной (0,1 нм) точностью обработки материала – гибкие производственные системы (ГАП), только на новом – наноразмерном уровне. Станки с ЧПУ и ГАП без соответствующей САПР не работают! Ведь где-то должна быть сформирована программа управления нанолитографией. Для этого и нужен нанокомпилятор (САПР НЭ), учитывающий фундаментальные свойства наноструктур и нанотехнологий для их формирования и контроля (тестирования) [63—66].

Встраиваемые интеллектуальные системы перспективных мобильных платформ [1—6] на основе распределённых функциональных и управляющих информационных наносхем – моделируются, проектируются, изготавливаются и функционируют в течение всего жизненного цикла как единое целое. В этом проявляется принципиальное новшество нанотехнологии как нового технологического уклада.

Нанотехнология на основе массированного использования КРЭ позволяет резко, до физически предельно возможного субмолекулярного уровня уменьшить массогабаритные характеристики встраиваемых систем [26—30, 82, 83]. При этом из-за подавления электрон-фононного взаимодействия, КРЭ приводят к дискретному энергетическому спектру в НЭ, подавляется электрическое сопротивление – причина тепловых потерь энергии – рассеяния. Поэтому резко уменьшаются энергетические затраты на функционирование НЭ и наносхем – не нужно разогревать окружающую среду, как это делает современная аналоговая и цифровая электроника.

Вследствие этого нет смысла разносить по разным ведомствам и отраслям промышленности разработку и производство различных компонентов встраиваемых интеллектуальных систем на основе распределённых функциональных и управляющих информационных наносхем. Новый технологический уклад неизбежно порождает новую структуру промышленности. Если в эпоху микроэлектроники ещё можно было с натяжкой выделять её в отдельную самостоятельную отрасль (МЭП СССР), потребителями продукции которой являлись другие высокотехнологические отрасли (МРП, МАП, МСМ, МОМ, МСП и т.п. в СССР), то в эпоху нанотехнологии это теряет смысл. Нанопроизводство становиться высокоинтегрированным и гибким мелкосерийным [43—57, 168].

Итак, соединив дизайн-центр (нанокомпилятор – САПР НЭ) и нанофабрику (МКНТУ) в замкнутую нанотехнологическую линию можно получить кумулятивный синергетический эффект – резко снизить финансовые, временные, транспортные и политические издержки разработки и производства функциональных и управляющих наносистем, а также малых серий наносхем специального назначения для узлов и блоков БРЭА, сосредоточив в одном месте все силы и ресурсы, как материальные, так и интеллектуальные.

1.1.2.1. Преимущества одноэлектронных бестранзисторных мажоритарных вентилей

Высокопроизводительные БТВУ должны будут иметь следующие свойства.

1. Состоят из одномерных (1D), двумерных (2D) или трехмерных (3D) массивов простейших топологических образований – квантовых точек (КТ) [11—23; 25; 65; 66; 98—133]. КТ – НЭ, которые можно получить с помощью нанотехнологии. КТ это субмолекулярные объекты, диаметром от 200 нм до 2 нм, которые позволят, в соответствии с законами квантовой механики, образовать квантовую яму (КЯ) с одним или двумя дискретными энергетическими уровнями. На одном энергетическом уровне, согласно принципу Паули, может находиться не боле двух электронов (фермионов), причём только с разнонаправленными спинами (s_₁=+1/2 и s_₂=–1/2). Текущее квантовое состояние (есть электрон или нет) позволяет кодировать один бит информации – квантовый бит (кубит).

2. Электроны, находящиеся в КЯ близко расположенных (от 20—40 нм до 2—4 нм) КТ, могут взаимодействовать друг с другом через зарядовый (Кулоновский) или спиновый механизмы.

3. Используя различные топологические решения на основе 5-ти или 4-х точечных шаблонов КТ (с двумя взаимно отталкивающимися электронами в четырёх угловых квантовых ямах шаблона), можно построить полный набор логических вентилей (И, ИЛИ, НЕ) на основе мажоритарной логики. А следом – полноценное бестранзисторное вычислительное устройство для БРЭА (управления МБЛА, СМКА и обработки информации) [5; 6], в том числе, с помощью адаптивно обучаемых и самообучающихся многослойных нейронных сетей (МНС) однородных вычислительных структур – волновых и систолических процессорных матриц [152—155; 159].

4. Зарядовый (Кулоновский) механизм взаимодействия электронов исключает диффузионный и дрейфовый электрический ток и электрическую ёмкость, ограничивающую тактовую частоту и быстродействие, из физической реализации вычислительного процесса. Сигналы передаются и обрабатываются внутри протяжённых топологических образований из 5-ти или 4-х точечных ККА с помощью туннелирования одиночных электронов в соседние КЯ внутри ККА, а диффузионный и/или дрейфовый электрический ток вдоль ККА – не течёт и тепло – не выделяется. Электроны туннелируют через потенциальные барьеры между квантовыми ямами внутри ККА – поперёк. При туннелировании энергия электрона не меняется и квантам колебаний кристаллической решётки (фононам) не передаётся – тепло не выделяется. При поперечном внутри ККА туннельном одноэлектронном токе, вызванном кулоновским отталкиванием электронов, электрон-фононного взаимодействия нет. Поэтому тактовые частоты могут достигать от 25ГГц (10^⁹) до 25ТГц (10^¹²) (www.nd.edu/~qcahome/).

5. 5-ти или 4-х точечные ККА и наносхемы на их основе можно формировать с помощью современных и перспективных МКНТУ.

6. 5-ти или 4-х точечные ККА и наносхемы на их основе могут на основе мажоритарной логики полностью воспроизводить традиционную булевскую логику, построенную на комбинациях вентилей «И», «ИЛИ», «НЕ». Поэтому для проектирования вычислительных устройств на основе этих ККА необходимо использовать перспективные САПР, наследующие основные принципы современных САПР при схемотехническом проектировании и основанные на массированном использовании КРЭ при топологическом проектировании. В современных САПР (Compass, Cadence, Altera MAX+plus II, Xilinx ISE и т.п.) для описания проектируемых СБИС используются объектно-ориентированные языки HDL-описания: VHDL, Verilog, SystemVerilog, SystemC, C, C++ [58—62]. На основе автоматического анализа текста на языке HDL-описания, написанного разработчиком СБИС, на 1-м этапе САПР генерирует файл с описанием оптимизированной принципиальной электронной схемы СБИС – электрические цепи вентилей. Проектирование 2D и 3D топологии СБИС выполняется на 2-м этапе с использованием, так называемой, технологической библиотеки. Технологическая библиотека (файл или группа файлов, подключаемых к САПР и описывающая технологические параметры робота, который будет изготавливать и тестировать кристалл СБИС из Si) поставляется владельцем фабрики, на которой планируется производство СБИС. Вот во 2-й этап и можно войти с топологиями, построенными не на КМОП-транзисторах, а на ККА (QCA). Для этого необходимо разработать технологические библиотеки для современных и перспективных МКНТУ. Таким образом, можно избавившись от тормозящих быстродействие СБИС транзисторных схем, заменив их быстродействующими наносхемами на основе ККА (QCA), сохранить ранее сделанные инвестиции в разработку архитектур СБИС. Это сохранит инвестиции на уровне HDL-описания на VHDL, Verilog, SystemVerilog, SystemC, C, C++ и частично на уровне принципиальных электрических схем. Очевидно, что 2D и 3D топологии ККА-СБИС будут другие, по сравнению с 2D и 3D топологиями КМОП-СБИС.

7. Наносхемы на основе ККА [11—23; 25; 65; 66; 98—133] считаются смешанными классическими—квантово-механическими системами, так как не никак не используют суперпозицию чистых квантовых состояний, обязательную для подлинно квантовых компьютеров, построенных на основе квантового регистра (КР) [67—72]. С одной стороны, это недостаток, так как ККА не позволят добраться до фантастической производительности квантовых вычислителей. С другой стороны, не велика потеря, ведь для реализации подлинно квантовых компьютеров необходимо каким-то образом физически изолировать квантовый регистр (КР) от окружающего мира, любой контакт с которым ведёт к декогерентизации – разрушает когерентность квантовых состояний КР. Технически сделать это очень сложно, ведь волновые функции квантовых частиц , электронов и атомов – пространственно бесконечны (хотя и существуют в конфигурационном пространстве). Даже если пагубное влияние внешнего мира свести к минимуму с помощью термостатов, подвешивающего магнитного поля и лазерного охлаждения, с КР необходимо поддерживать связь: вводить исходные данные и команды, выводить результаты вычислений [67—72]. Как разместить термостаты для КР на мобильной базе [5; 6], например на СМКА или МБЛА? В настоящее время, КР это или цепочки из 5—10 ионов кальция (Ca^⁺), подвешенных в вакууме с помощью магнитного поля и охлаждённых лазером примерно до T->0K. Другой вариант: строго одиночные атомы фосфора (P) внедрённые в кристаллическую решётку кремния (Si) и образующие такие же цепочки ионов, только в твёрдом теле. Как, строго по одному-то, при современных групповых микроэлектронных технологиях? Без нанотехнологии манипулирования одиночными атомами не обойтись. 2D и 3D топологии на основе ККА ближе к практической реализации, так как для организации локализованной КЯ с одним разрешённым уровнем энергии для локализации одного электрона не требуют физически локализовывать отдельные ионы. Субмолекулярный кластер, полученный методами CVD/CLD и состоящий из нескольких десятков атомов, способен реализовать такую одноуровневую КЯ. Пример: самособирающиеся кластеры Ge на Si подложке. Технологически работать с субмолекулярными кластерами из десятков атомов гораздо проще, чем работать с отдельными атомами. Кластеру из нескольких десятков атомов, вероятней сохранить стабильное состояние с образованием химических связей с атомами подложки, чем сохранить такое стабильное положение одиночному атому. Кластер энергетически выгодней одиночного атома, поэтому стабильней и надёжней.

1.1.2.2. Аппаратная реализация булевской схемотехники СБИС на основе одноэлектронных бестранзисторных мажоритарных вентилей

Структура квантовых точек представлена на рис.1.1.1—1.1.8.

Квантовые точки (КТ) позволяют, в соответствии с законами квантовой механики, образовать квантовую яму (с точки зрения проводимости) с одним или двумя энергетическими уровнями. Технология изготовления КТ – квантовых ям (КЯ) представлена на рис.1.1.6—1.1.8.

Здесь КТ – с точки зрения топологии, КЯ – с точки зрения проводимости, с одним дискретным разрешенным энергетическим уровнем. Аналогично в МКНТУ: КТ на подложке – с точки зрения топологии, КЯ – с точки зрения проводимости.

На одном уровне, согласно принципу Паули, может находиться не более двух электронов с разнонаправленными спинами. Электроны близкорасположенных квантовых точек могут взаимодействовать друг с другом через зарядовый (Кулоновский) или спиновый механизмы. Используя различные топологические решения на основе ККА (с двумя взаимно отталкивающимися электронами в четырех угловых квантовых ямах) можно построить структурно полный набор логических элементов И, ИЛИ, НЕ.

Традиционная микроэлектронная технология не учитывает характерные для наноразмерных топологических объектов квантовые размерные эффекты (КРЭ), вызванные дискретным энергетическим спектром для носителей заряда. Дискретный энергетический спектр в наноразмерных топологических элементах обусловлен малым количеством атомов (десятки, максимум сотни) в НЭ (рис.1.1.1—1.1.5).

· 3 D Bulk Semiconductor – 3 D массивный полупроводник,

· 2 D Quantum Well – 2 D квантовая яма,

· 1 D Quantum Wire – 1 D квантовый провод,

· 0 D Quantum Dot – 0 D квантовая точка.

Рис.1.1.1. Плотность электронных состояний как функция размера полупроводниковой структуры МЭ или НЭ.

Рис.1.1.2. Схематичная диаграмма полупроводниковой сэндвич-структуры (гетероструктуры), выращенная с помощью молекулярно-лучевой эпитаксии, которая создаёт слой с «квантовой ямой» («Quantum Well»), где локализован 2DEG (квази-двумерный электронный газ).

Рис.1.1.3. Схематическая диаграмма 1D квантовых проводов («Quantum Wire»). Травление AlGaAs/GaAs гетероструктуры.

Рис.1.1.4. Схематическая диаграмма 0D квантовых точек («Quantum Dot»). Травление AlGaAs/GaAs гетероструктуры.

Физические механизмы взаимодействия:

· Туннелирование электронов между квантовыми точками.

· Кулоновское взаимодействие между электронами.

Рис.1.1.5 Схематическая диаграмма, показывающая принцип взаимодействия ячеек ККА – каждая ячейка ККА (Quantum Dot Cell) взаимодействует со своим ближайшим окружением с помощью Кулоновского отталкивания одноимённых зарядов.

При расчёте топологии микроэлементов (МЭ) никак не учитываются КРЭ. КРЭ являются фундаментальной основой электрофизических характеристик наноэлементов (НЭ): одноэлектронных переключателей и элементов памяти, квантовых проводов и квантовых точек.

В НЭ полупроводники являются вырожденными, то есть энергетический спектр для электронов f_n(E,T) и дырок f_p(E,T) из-за наличия КРЭ становиться дискретным и поведение носителей заряда описывается квантовой статистикой Ферми—Дирака, токи одноэлектронные туннельные, без электрон-фононного взаимодействия:

(1.1.1)

В МЭ полупроводники являются невырожденными, то есть энергетический спектр для электронов f_n(E,T) и дырок f_p(E,T) из-за отсутствия КРЭ становиться квазинепрерывным и поведение носителей заряда описывается классической статистикой Максвелла—Больцмана, токи многоэлектронные диффузионные и/или дрейфовые, всегда с электрон-фононным взаимодействием (при большом количестве разрешенных энергетических уровней предельный переход: в знаменателе (1.1.1) отбрасывается 1, так как аргумент экспоненты намного больше 1):

для электронов

(1.1.2)

для дырок

Именно из этого предельного перехода в (1.1.2) возникает экспонента в описании тока диода в прямом смещении, которая затем мигрирует в расчётные формулы для транзисторов. Вырожденное состояние полупроводника с дискретным энергетическим спектром в НЭ порождает фундаментальное отличие НЭ от МЭ, с невырожденным состоянием полупроводника и квазинепрерывным энергетическим спектром. Поэтому расчётные формулы и математические модели для МЭ невозможно корректно использовать для НЭ. При движении вниз по шкале размерности (масштабировании) на уровне наноразмеров происходит качественный скачёк электрофизических свойств из-за проявления ярко выраженных КРЭ. Самым важным проявлением КРЭ в НЭ является резкое снижение рассеяния носителей заряда за счёт исключения электрон-фононного взаимодействия – физической причины электрического сопротивления и закона Ома (заметим, что классическая физика никак не объясняет причину электрического сопротивления, объяснение есть только в квантовой физике твёрдого тела):

· в дифференциальной форме:

(1.1.3)

где j – вектор плотности тока, y – проводимость, E – вектор напряжённости электрического поля;

· для участка цепи постоянного тока:

(1.1.4)

где U – разность потенциалов на участке цепи постоянного тока, I – значение постоянного тока, R – сопротивление участка цепи постоянного тока.

Если закон Ома, (1.1.3) и (1.1.4), действует, горячие электроны и дырки передают энергию фононам – квантам колебаний кристаллической решётки. Чем больше порождается фононов, тем выше температура СБИС (ЭСЛ, ИИЛ, ТТЛ, КМОП). За счёт использования для передачи и логической обработки сигнала только туннельных токов (dE=0) возможно полное исключение электрического сопротивления (R=0): закон Ома, (1.1.3) и (1.1.4), перестаёт работать. В этом случае, теоретически возможно потенциальное повышение тактовых частот ККА-СБИС до значений .

Существующие САПР СБИС (Compass, Cadence, Altera MAX+plus II, Xilinx ISE и т.п.) не позволяют проектировать наносхемы на базе НЭ – расчётные формулы в этих микроэлектронных САПР не годятся для наноразмерных приборов с КРЭ. При уменьшении физических размеров топологических элементов до наноразмеров, КРЭ кардинально меняют физические процессы протекания токов. Топологии транзисторов уменьшить до наноразмеров можно, но из-за КРЭ это будут совсем другие физические образования – вовсе не прежние транзисторы, а что-то, скорее всего, физически бессмысленное.

Для разработки новых поколений СБИС, в том числе на бестранзисторной основе – на базе ККА, необходимо разработка новых поколений САПР СБИС – САПР НЭ. Необходима разработка новой специальной САПР НЭ – нанокомпилятора, учитывающей, с одной стороны, сложившиеся технологии HDL-описания и проектирования заказных микроэлектронных СБИС и ПЛИС (VHDL, Verilog, SystemVerilog, SystemC, C, C++), а с другой стороны, КРЭ в качестве основы физического функционирования НЭ.

1.1.3. Классификация наноэлектронных приборов

В обзоре наноэлектронных приборов, данном MITRE Corporation [82; 83], приводится классификация (таксономия), показанная на рис.1.1.6.

Видно, что «Alternatives for Nanometer-Scale Electronic Switches» – «Альтернативные наноразмерные электронные переключатели» можно разделить на два класса:

· «Aggressively Miniaturized Semiconductor Transistors» – «Агрессивно минимизированные полупроводниковые транзисторы»,

· «Quantum-Effect Nanoelectronic Devices» – «Наноэлектронные приборы с квантовыми эффектами».

«Агрессивная» минимизация кремниевых транзисторов – дело традиционной микроэлектроники, а нас интересует второй класс – наноэлектронные приборы с квантовыми эффектами или, точнее, квантово-размерными эффектами (КРЭ), так как, именно за счёт использования особенностей КРЭ можно превзойти по основным показателям кремниевые транзисторы. Наноэлектронные приборы с КРЭ можно разделить на два класса:

· «Molecular Electronics» – «Молекулярная электроника»,

· «Solid State Nanoelectronic Devices» – «Твёрдотельные наноэлектронные приборы».

Рис.1.1.6. Классификация наноэлектронных приборов [82; 83], www.mitre.org.

Последний класс делится на три подкласса, наноэлектронные приборы каждого из которых, могут быть использованы в «Hybrid Micro-Nano-Electronic Devices» – «Гибридных микро-наноэлектронных приборах»:

· «Quantum Dots (QD)» – Electron on island have zero classical d.o.f. – «Квантовые точки (КТ)» – изолированные электроны, имеющие 0 классических степеней свободы,

· «Resonant Tunneling Devices» – Electron on island have one or two classical d.o.f. – «Резонансно-туннельные приборы» – изолированные электроны, имеющие 1 или 2 классических степени свободы,

· «(SET)» – Electron on island have tree classical d.o.f. – «Одноэлектронные транзисторы (ОЭТ)» – изолированные электроны, имеющие 3 классических степени свободы.

Подкласс резонансно-туннельных приборов делится на два подподкласса:

· «Resonant Tunneling Diodes (RTD)» – «Резонансно-туннельные диоды (РТД)»,

· «Resonant Tunneling Transistors (RTT)» – «Резонансно-туннельные транзисторы (РТТ)».

1.2. Цель нанотехнологии и задачи исследований

1.2.1. Концепция «Система-на-Кристалле» и нанотехнология.

Замкнутая нанотехнологическая линия (дизайн-центр и фабрика)

для проектирования и производства БРЭА

Цель научного направления нанотехнологии и его уникальность – разработка нанокомпилятора для замкнутой нанотехнологической линии (САПР НЭ сопряжённой с МКНТУ: дизайн-центр + нанофабрика) для моделирования, сквозного проектирования и изготовления функциональных наносистем и информационных управляющих наносхем на базе наноэлементов (НЭ), в том числе для встраиваемых интеллектуальных распределённых систем управления, коммуникации и обработки информации. Замкнутая нанотехнологическая линия позволит изготавливать нанопродукцию коммерчески выгодными малыми сериями, гибко перестраивать производство в автоматическом режиме без остановки.

Замкнутая нанотехнологическая линия: дизайн-центр (нанокомпилятор – САПР НЭ) + нанофабрика, составит классическую триаду: разработка—производство—продукция и позволят разработку и изготовление перспективной инновационной нанотехнологической продукции (наноэлектроника, нанооптика, наноэнергетика, наносенсорика, наномеханика).

· Разработка и изготовление 2D/3D матриц неохлаждаемых широкополосных фотоприёмников (ШПФП) на основе 2D/3D матриц 2D градиентных концентраторов совмещённых с λ/2 вибраторами – функциональных наноструктур для радиотехнического детектирования электромагнитных волн оптического диапазона (УФ, В, ИК).

· Разработка и изготовление 2D/3D матриц неохлаждаемых широкополосных излучателей (ШПИ) на основе 2D/3D матриц 2D градиентных концентраторов совмещённых с λ/2 вибраторами – функциональных наноструктур для радиотехнического излучения электромагнитных волн оптического диапазона (УФ, В, ИК) для подсветки, локации, ориентации и целеуказания.

· Разработка и изготовление широкополосных (мультиспектральных) солнечных батарей (ШПСБ) с повышенным КПД для генерации электроэнергии на основе функциональных наноструктур – сверхрешёток, гетероструктур, массивов квантовых точек, 2D/3D матриц 2D градиентных концентраторов совмещённых с λ/2 вибраторами – функциональных наноструктур для радиотехнического детектирования электромагнитных волн оптического диапазона (УФ, В, ИК).

· Разработка и изготовление 2D/3D матриц инжекционных нанодвижителей (ИНД) для воздушной и водной среды.

· Разработка и изготовление 2D/3D матриц инжекционных магнитно-газодинамических наногенераторов и инжекционных магнитогидродинамических наногенераторов (НМГДНГ) электроэнергии.

· Разработка и изготовление функциональных наноструктур для утилизации паразитного тепла на основе 2D/3D матриц 2D градиентных концентраторов (ГК).

· Разработка и изготовление функциональных наноструктур для хранения электроэнергии в объёмных средах с развитой площадью внутренней поверхности на основе нанотрубок.

· Разработка и изготовление управляющих информационных наносхем на базе технологии система-на-кристалле (СнК) для встраиваемых компьютерных систем управления и контроля расходования электроэнергии в составе системы энергоснабжения и системы обеспечения теплового режима малогабаритных мобильных платформ и стационарного оборудования.

· Использование для формирования наноструктур и управляющих информационных наносхем нанотехнологии нанолокального зондового химического осаждения из газовой фазы в многокластерных нанотехнологических установок.

Разработка на базе масштабируемых кластеров СуперЭВМ средств физико-математического моделирования режимов работы и электрофизических и топологических параметров функциональных наноструктур и управляющих информационных наносхем с целью формирования нанотехнологических маршрутных карт (НТМК) для управления многокластерными нанотехнологическими установками (МКНТУ, CLR).

1.2.2. Актуальность и научная новизна нанотехнологии.

Как избежать внешнего недружественного технологического контроля над разработками малых серий СБИС специального назначения

Актуальность и научная новизна разработки заключается в соединении в единой замкнутой нанотехнологической линии технологий моделирования, проектирования, разработки и изготовления функциональных и управляющих информационных наносхем, в том числе для встраиваемых интеллектуальных распределённых управляющих информационных систем.

Единичные образцы наноэлементов (НЭ) – нанотранзисторов, функциональных элементов НЭМС и т.п., имеют только экспериментальный исследовательский интерес. Промышленного и коммерческого интереса они представлять не могут. Промышленный и коммерческий интерес могут представлять устройства на основе интегральных систем функциональных наноэлементов, например, инжекционных нанодвижителей, квантовых энергетических элементов, наносенсоров движения, освещённости, и тесно связанных с ними управляющих информационных наносхем – «умные» устройства со встроенным интеллектом – микророботы и нанороботы. Такие высокоинтегрированные системы, например, малогабаритные летательные аппараты (МБЛА) и им подобные автономные мобильные платформы, содержащие порядка 10^⁴—10^⁷ НЭ, невозможно спроектировать, а тем более изготовить вручную.

Нанотехнологическое оборудование для зондового формирования единичных НЭ и экспериментальных наноструктур и вспомогательное технологическое оборудование на текущий момент (2016 год) создано, например, многокластерные НаноФабы, НТУ «Алмаз-М» и другие. Необходимо замкнуть нанотехнологическую цепочку – достроить недостающее звено – разработать нанокомпилятор (САПР НЭ – NanoCompiler, по аналогии с кремниевым компилятором – SiliconCompiler, как называли микроэлектронные САПР СБИС).

Современные и перспективные нанофабрики, типа многокластерной НаноФаб-100 (www.ntmtd.ru) и другие, это, по сути, станки с числовым программным управление (ЧПУ) с ангстремной (0,1 нм) точностью обработки материала – гибкие производственные системы (ГАП), только на новом – наноразмерном уровне. Станки с ЧПУ и ГАП без соответствующей САПР не работают! Ведь где-то должна быть сформирована программа управления нанолитографией. Для этого и нужен нанокомпилятор (САПР НЭ), учитывающий фундаментальные свойства наноструктур и нанотехнологий для их формирования и контроля (тестирования).

Основой замкнутой нанотехнологической линии могут послужить следующие современные технологии.

· Нанотехнологий нанолокального зондового химического осаждения из газовой фазы (NLZCVD) для формирования в микрореакторе (МР) МКНТУ наноэлементов (НЭ) и 2D/3D топологий функциональных наноструктур на их основе.

· МКНТУ (CLR), позволяющих без разгерметизации выполнять как собственно нанотехнологические операции – формирование НЭ в МР МКНТУ с помощью нанолокального зондового химического осаждение из газовой фазы – NLZCVD, так и вспомогательные технологические операции для подготовки подложек и пассивации (защиты наращенными диэлектрическими плёнками) сформированных функциональных структур и схем на базе НЭ. Такие вспомогательные технологические операции (молекулярно-лучевая эпитаксия – MBE, фокусированные ионные пучки – FIB, ионное распыление (травление) IE, ионная имплантация, стимулированное плазмой химическое осаждение из газовой фазы – PECVD) как правило высокотемпературные (T900^⁰С>T_{_{КЮРИ-ПЬЕЗО}}170^⁰С), превышающие точку Кюри пьезокерамики пьезодивателей и потому несовместимые с СТМ, встроенным в МКНТУ для выполнения NLZCVD. Встроенная транспортная система позволяет перемещать подложки с законченными технологическими стадиями из одного кластера в другой без разгерметизации – из низкотемпературного кластера с СТМ (формирование НЭ с помощью NLZCVD) в высокотемпературный кластер с магнетроном (пассивация НЭ наращиванием диэлектрической плёнки с помощью PECVD)

· Математического моделирования нанотехнологических процессов NLZCVD и вспомогательных технологических процессов на основе методов конечных элементов, молекулярной динамики, квантовой химии.

· Математическое моделирование функциональных НЭ на основе описания квантово-размерных эффектов (КРЭ) и поведения пространственно ограниченного электронного газа (3DEG, 2DEG, 1DEG, 0DEG) в гетероструктурах, свехрешётках и квантовых точках (КТ).

· Математическое моделирование схемотехники и 2D/3D топологий встраиваемых интеллектуальных распределённых функциональных и управляющих информационных наносистем на базе HDL-описания компонентов, узлов и блоков бортовой радиоэлектронной аппаратуры (БРЭА), в том числе с помощью многократного вторичного использования отлаженных синтезабельных IP-ядер (HDL – Hardware Description Language – язык описания аппаратуры: VHDL, Verilog, SystemVerilog, SystemC; IP – Intellectual Private – интеллектуальная собственность).

· Использование для математического моделирования современных доступных наращиваемых кластерных СуперЭВМ на основе симметричных мультипроцессорных кластеров (SMP) или распределённых GRID-структур.

· Генерация нанотехнологических маршрутных карт для МКНТУ по результатам математического моделирования и натурных экспериментов.

В настоящее время все эти ветви наноиндустрии практически не пересекаются, находятся в разрозненном состоянии.

С одной стороны, нанотехнологи формируют и исследуют свои экспериментальные наноструктуры, которые абсолютно не привязаны к каким либо конкретным разработкам функциональных изделий и встраиваемых управляющих информационных наносистем БРЭА.

Глядя на проблему наноэлектроники шире можно заметить, что нанотехнология – формирование наноструктур в МКНТУ, позволит эффективно создавать гибридные наносхемы. Гибридные наносхемы будут сочетать вместе с аналоговыми энергическими и аналоговыми сенсорными наноэлементами, цифровые логические вентильные схемы на бестранзисторной основе. Такие встроенные цифровые логические вентильные наносхемы могут быть использованы для параллельной обработки элементов видеосигнала, для коррекции процесса генерации энергии, для подстройки принимаемой частоты – для селекции определённых частот из общего спектра, а также для многих других подобных служебных задач. Встроенная способность обрабатывать информацию на месте её возникновения наделяет прибор – гибридную наносхему – встроенным интеллектом и, очевидно, резко повышает его потребительские качества за счёт способности к самонастройке и самоадаптации.

2D/3D наносхемы, как перспективная элементокомпонентная база (ЭКБ), будут содержать не только аналоговые исполнительные, энергетические и сенсорные наноустройства, но и цифровые логические вентильные наноустройства для обработки информации в месте её получения. Очень выгодна реализация встроенных контуров управления – добавления к устройствам на базе массивных ансамблей наноустройств встроенного интеллекта.

В результате проведения различных нанотехнологических процессов возможно создание 2D НЭ и 3D НЭ – квантовых полевых и резонансно-туннельных транзисторов на квантовых проводниках (КП), а также наносхем для бестранзисторных вычислительных устройств (БТВУ) – цифровых микропроцессоров на базе квантовых клеточных автоматов (ККА – quantum cellular automate – QCA). ККА-УБИС (QCA-ULSI) рассматривают как альтернативу КМОП-СБИС (CMOS-VLSI) на основе Si, которые исчерпали физический ресурс развития путём простого линейного уменьшения масштабов элементов.

При размерах топологических элементов менее 50—100 нм, достигнутых к 2000—2016 годам, сильно проявляется размерное квантование – КРЭ. Из-за проявлений КРЭ обычные методы расчета и проектирования КМОП-СБИС использовать нельзя, так как они не адекватны квантовому миру и никак не учитывают КРЭ. При бездумном лобовом линейном масштабировании в наноразмерную область, где ярко проявляются КРЭ, микроэлектронные транзисторы (МОП, биполярные, полевые) перестают быть собственно транзисторами и превращаются в бессмысленные топологические образования с непредсказуемыми нелинейными характеристиками. КРЭ имеют фундаментальный физический характер. Потому с КРЭ бессмысленно бороться, КРЭ надо широко использовать. С 60-х годов XX века известны работы по оптическим бистабильным элементам на свехрешётках (S-SEED), туннельным диодам и туннельным транзисторам, использованию баллистического переноса электронов в сверхтонкой базе биполярных транзисторов и 2D электронного газа (2DEG) в сверхтонких подзатворных каналах МОП-транзисторов.