Введение. Видение будущего. Какая наноэлектроника будет востребована? Информационные управляющие наносхемы встраиваемые в функциональные наносистемы

       С начала XXI века интенсивно развивается разнообразная малогабаритная беспилотная и автономная техника: мобильные платформы, действующие в различных физических средах. Это различные умные машины от сверхмалых космических аппаратов (СМКА) [1—4], малогабаритных беспилотных летательных аппаратов (МБЛА) [5], подводных микроаппаратов (МБПЛ) [6], микророботов (МР) и нанороботов (НР) до бытовых носимых устройств – многофункциональные сотовые телефоны-коммуникаторы, индивидуальные медицинские приборы и т.п. Поэтому, актуальной становиться разработка бортовой радиоэлектронной аппаратуры (БРЭА), адекватной СМКА, МБПЛ, МБПЛ, МР, НР и носимым бытовым устройствам («гаджетам») по массогабаритным, энергетическим и термодинамическим (снижение генерации тепла, которое некуда отводить) характеристикам. Для разработки ультрабольших интегральной схемы (УБИС) и систем-на-кристалле (СнК) [7—10], аппаратно реализующих на основе нанотехнологии «сжатые» ячейки БРЭА для мобильных платформ, логично воспользоваться опытом разработки и реализации бестранзисторных вычислительных устройств (БТВУ) на основе шаблонов квантовых точек (ШКТ) в качестве перспективной элементо-компонентной базы (ЭКБ).

       Иначе БТВУ называют термином квантовые клеточные автоматы (ККА – quantum cellular automate – QCA). ШКТ-УБИС (QCA-ULSI) рассматривают как альтернативу КМОП-СБИС (CMOS-VLSI) на основе кремния (Si), которые исчерпали физический ресурс развития путём простого линейного уменьшения масштабов элементов. Исследования БТВУ выполняются по проекту европейскому QUADRANT [11—25; 90; 98—133] (Quantum Devices for Advanced Nano - electronic Technology: Квантовые приборы для улучшенной наноэлектронной технологии, Проект ESPRIT по MEL-ARI #23362, http://cordis.europa.eu/esprit/src/melari.htm, www.nd.edu/~qcahome/, www.qcadesigner.ca/). 

       Глядя на проблему наноэлектроники шире можно заметить, что нанотехнология – зондовое химическое осаждение из газовой фазы (ХОГФ – CVD – Chemical Vapor Deposition) наноструктур в микрореакторе НТУ [55; 60], позволит эффективно создавать гибридные наносхемы. Гибридные 2D/3D наносхемы как перспективная ЭКБ, будут сочетать вместе с аналоговыми энергическими и аналоговыми сенсорными наноэлементами, цифровые логические вентильные схемы на бестранзисторной основе для обработки информации в месте её получения. Возможно создание 2D НЭ и 3D НЭ – квантовых полевых и резонансно-туннельных транзисторов на квантовых проводниках (КП), а также наносхем для БТВУ – цифровых микропроцессоров на базе ШКТ. Очень выгодна реализация встроенных контуров управления – добавление к устройствам на базе массивных ансамблей наноустройств встроенного интеллекта.

       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, самоадаптации и самообучению с накоплением полезного опыта.  

При размерах топологических элементов менее 50—100 нм, достигнутых к 2000—2008 годам, сильно проявляется размерное квантование – квантовые размерные эффекты – КРЭ [7; 16; 26—30; 55; 89; 160]. 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 свехрешётках (S - SEED), туннельным диодам и туннельным транзисторам, использованию баллистического переноса электронов в сверхтонкой базе биполярных транзисторов и 2 D электронного газа (2 DEG) в сверхтонких подзатворных каналах МОП-транзисторов.

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 макроэлектронных, аналогов. Наноэлектроника – это электроника одноэлектронных приборов (ОЭП).

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, МБЛА и им подобные автономные мобильные платформы, содержащие порядка 10000—10000000 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 (2008 год) создано, например, многокластерные НаноФабы, НТУ «Алмаз-М» и другие [43—54; 57; 161]. 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 и другие (www.ntmtd.ru, www.niitm.ru, www.niivt.ru, www.niifp.ru, www.elanpraktik.ru), 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 [156—158] 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), обеспечивающий сквозное проектирование распределённых информационных управляющих наносхем и функциональных наносистем. 

Встраиваемые интеллектуальные системы на основе распределённых функциональных наносистем и управляющих информационных наносхем – моделируются, проектируются, изготавливаются и функционируют в течение всего жизненного цикла целевого изделия 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. 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 [7; 16; 26—30; 55; 89; 160].

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), потребителями продукции которой являлись другие высокотехнологические отрасли (МРП, МАП, МСМ, МОМ, МСП и т.п.), то в эпоху нанотехнологии это теряет остатки смысла.

Итак, соединив дизайн-центр (нанокомпилятор – САПР НЭ) и нанофабрику (НТУ) 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.