1 Termikus-elektromos eszköz a nanoelektronikában Áttekintés VO 2 háttérismeretek Termikus-elektromos eszköz a nanoelektronikában elmélet gyakorlat neuron analógia Erősségek, gyengeségek

2 VO 2 vékonyrétegek Fém – szigetelő – átmenet (Metal-insulator-transition MIT) VO 2 anyagban Technológia: - XeCl-excimer laser abláció - hőkezelés

3 A MIT hatás felhasználása Termikusan vezérelt kapcsoló mátrix Új, funkcionális eszköz: A fonzisztor tulajdonságai: - aktív eszköz - ohmikus bemeneti, - tirisztorhoz hasonló kimeneti karakterisztikák, - a kimenet megőrzi a logikai állapotát (memória) I in I out V out I in

4 V out I out A MIT hatás felhasználása Új funkcionális eszköz termikus csatolásban levő MIT ellenállásokkal (reciprok fonzisztor) „Thermally coupled logic” (TCL), termikusan csatolt logika  a következő lapokon Tulajdonságok: - aktív eszköz, tirisztorszerű karakterisztikákkal - megőrzi a kimeneti és a bemeneti logikai állapotokat - szimmetrikus, illetve a geometriai aszimmetria mértékében aszimmetrikus - reciprok (a kimenet és a bement fölcserélhető) - a kimenet állapota a bemeneti oldalról is lekérdezhető VO 2 Input (?) Output (?) I in I out V out V in Új funkcionális eszköz termikus csatolásban levő ellenállások és MIT ellenállások kombinálásával VO 2 Független bemenetek Kimenet(ek), állapotukat a bemenetek határozzák meg VO 2 V in I in

5 A Termikus Elektromos Integrált Áramkör (TELINÁR) alapötlete (VO 2 ) VO 2 Bemenet(ek) Kimenet „vagy” kapu: (három bemenettel) „és” kapu: A AB B komplex („és–vagy”) kapu: A B AC+B C VO 2 Termikus diffúziós hossz

6 Elektro – termikus eszköz: működése tömbi elektromos és hővezetési jelenségeken alapul CMOS: felületi és határfelületi jelenségeken alapuló eszköz (min. 6 határfelület)

Szabadalom: benyújtva, PCT eljárás megindítás alatt 7

8 Termikus diffúziós állandó  a hővezetés és a hőkapacitás hányadosa : hővezetés (SI egység: W/(m K) ) : hőkapacitás (SI egység: J/(m 3 K) ) : sűrűség (SI units : kg/(m 3 ) ) : fajhő (SI egység: J/(kg K) ) Termikus diffúziós hossz (a hőterjedés jellemző távolsága adott idő alatt)    m 2 /s (SiO 2 ), sec, L th =10 -8 m (10nm)  x   m 2 /s (Si), sec, L th =7x10 -8 m (70nm)

9 termikus diffúziós hossz, kb. ~10 -8 m 10 GHz-re a környezet (SiO 2 ) és a MIT anyag sűrűsége, 2650, 4600 kg/(m 3 ) a környezet (SiO 2 ) és a MIT anyag fajlagos hőkapacitása, 703, 340-> 770 J/(kg K) a fázisváltozáshoz szükséges hő, J/kg, characteristic size of the MIT device, value: m (10 nm) szorzat a termikus elektromos kapu esetében Hőenergia = hő a környezet felé + az eszköz saját fűtése + a fázisváltozáshoz szükséges hő

10 szorzat (aJ) a termikus elektromos kapu esetében aJ szén nanocsőre (CNT): ~400aJ CMOS kapura: aJ

11 Termikus Elektromos Integrált Áramkör (TELINÁR), kicsit több VO 2 Bemenet(ek) Kimenet VO 2 Elektromos csatolás: „nem-vagy” Termikus csatolás: „vagy” Tápfeszültség 1 0 (alacsony elektromos logikai szint) 1 1 (magas termikus logikai szint) Gyakorlati alkalmazás: háromdimenziós termikus elektromos integrált áramkör, rétegezett szerkezettel. Terhelőellenállás I out V in I in Két stabil munkapont A terhelőellenállás munkaegyenese

12 Néhány ötlet a gyakorlati alkalmazáshoz A háromdimenziós termikus elektromos integrált áramkör: Silicone (with conventional CMOS integrated circuit) SiO 2, termikus és elektromos szigetelés Réz, vagy szén nanocső termikus elválasztásra és termikus földelésre Réz, vagy szén nanocső termikus csatolásra VO2 vagyés vagy VO2 vagy Termikus diffúziós hossz

13 CMOS technológiai illeszkedés (kompatibilitás) Háromdimenziós elrendezés: CMOS IC Alacsony dielektromos állandójú szigetelés Réz vezetékezés és átvezetések Termikus- elektromos kapcsolóeszközök CMOS áramkör

14 Termikus-elektromos logika

15 Az emberi agy hatalmas teljesítő képességének eredete Neumann János szerint: analóg: nagyobb inger, nagyobb válasz digitális: ingerek bizonyos kombinációja -> válasz párhuzamos: ingerek bizonyos kombinációja -> válasz soros: két, vagy több, küszöb alatti inger a feléledési időn belül -> válasz (soros „és” működés) …az adott feladattól függően!

16 A Termikus Elektromos Integrált Áramkör : analóg: nagyobb inger, nagyobb válasz digitális: ingerek bizonyos kombinációja -> válasz párhuzamos: ingerek bizonyos kombinációja -> válasz soros: két, vagy több, küszöb alatti inger a feléledési időn belül -> válasz (soros „és” működés) kombinációs „és-vagy” hálózat soros „és” kapu I in I out V out V in I in …az adott feladattól függően!

17 Termikus Elektromos Integrált Áramkör (TELINÁR), kicsit még több elektromos csatolás (nagyobb távolságra is) termikus diffúziós csatolás: „vagy” (csak a szomszédos kapuig) kapcsolódási lehetőségek a rendszer többi részével való kommunikációra (elektromos, termikus és optikai csatolás) 1 0 (alacsony feszültségszint) 1 1 (magas termikus szint) Elektromos csatolás, nagyobb távolságra is Kémiai információ továbbítás ionok diffúziójával

18 Termikus Elektromos Integrált Áramkör (TELINÁR), kicsit még több Elektromos csatolás, nagyobb távolságra is Kémiai információ továbbítás ionok diffúziójával Termikus adatvonal becsatlakozó bemenettel

Nanoméretű VO 2 réteg bekapcsolása: 19 U1U2 U1 U2

Termikus elektromos integrált kapu: 20 V1, in1 V2, in2 V3, out V4, clk V1 in1 V2 in2 V3 out V4 OR AND CLK

21 „Strength”- erősségek - nagyon egyszerű felépítés (ellenállások közös alsó elektródával), összesen két határfelülettel - kisebb fizikai korlátok a méretcsökkentéssel szemben (10nm) -a jelenlegi integrált áramköri technológiával való kompatibilitás „Weaknesses”- gyengeségek - hőfejlődés - hűtés és hőmérséklet stabilizálás (thermal management) - nagyon pontos termikus-elektromos-logikai szimuláció, - valamint új tervezési elvek kidolgozása szükséges „Opportunities”- lehetőségek -megnövelt kapcsolódási lehetőségek a rendszer többi részével való kommunikációra (elektromos, termikus és optikai csatolás) -technológiai hajlékonyság (vertikális és laterális elrendezési lehetőségek) -tervezési hajlékonyság (jelutak minden irányban -> analógia az agyműködéssel) „Threats”- veszélyek - nincsenek adatok a termikus-elektromos számítástechnika megbízhatóságáról