2014. március 17.MTA FKNSZ MB - TTK ¿„A ‘Moore’ megtette a kötelességét...”? Gyulai József Instituti, MTA TTK MFA Professor Emeritus { BME VIK Elektronikus.

Az előadások a következő témára: "2014. március 17.MTA FKNSZ MB - TTK ¿„A ‘Moore’ megtette a kötelességét...”? Gyulai József Instituti, MTA TTK MFA Professor Emeritus { BME VIK Elektronikus."— Előadás másolata:

1 2014. március 17.MTA FKNSZ MB - TTK ¿„A ‘Moore’ megtette a kötelességét...”? Gyulai József Instituti, MTA TTK MFA Professor Emeritus { BME VIK Elektronikus Eszközök Tsz.

2 2014. március 17.MTA FKNSZ MB - TTK Technológiai anyagkutatóként elfogult vagyok: a 20. század legnagyobb hatású találmánya a tranzisztor, majd abból az integrált áramkör Lilienfeld MOS szabadalma (1925!), megvalósulás: Sah és Atalla (1960) Mataré (1944) Bardeen-Brattain, tűs (1949), Shockley – pnp (1950) Integrált áramkör, Kilby (1959), Noyce (1961) CCD, Boyle, Smith (1969)

3 2014. március 17.MTA FKNSZ MB - TTK A legszebb találmány, nekem, talán a lézer, mert csak elméleti meggondolás (populáció inverzió létezése) előzte meg Tranzisztornak ugyanis volt előzménye, a vákuum rádiócső, de sokan gondolkodtak arról, hogy a kristályatomok által kifeszített „vákuumtér” ugyanúgy viselkedik-e – ez lett a mai „electronic materials science” egyik elindítója... Egy hetvenes évekbeli vízió-rajzomon az unipoláris tranzisztor folyamatai olyanok, mint „autóverseny a cseppkőbarlangban”; –A – akadálytalanul repülő „ballisztikus” elektron; –B – a defekteken ‘gellert’ kapó, azaz a kristályt ‘melegítő’ töltéshordozó S – forrás, source G – kapu – gate D - nyelő (drain) hátul van,, nem látható

4 2014. március 17.MTA FKNSZ MB - TTK A ”Moore törvény” A „legjobbkor, legjobb helyen” Caltech utamat (1969) egy évvel előzte meg az Intel (Moore, Noyce,...) kiválása a Fairchildból – ez utóbbi cég látott el bennünket, a formálódó Mayer-csapatot, benne engem, egy év alatt tizenegy cikket eredményező fejlesztési feladatokkal Az Intel kezdeti sikerének „titka” pimaszul egyszerű volt: a technológiai higiéne, (a kemence samott-nátrium – kvarccső szilícium bélelés) Ezzel elsőként tudtak –egyetlen chipen alaphelyzetben nyitott (növekményes), ill. feszültségre záró (kiürítéses) tranzisztorpárt, ezzel „kaput” gyártani. –Több magyar emigráns is része volt a Bruce Deal vezette technológus- csapatnak: Andrew Grove, Leslie Vadasz... –A gyors siker lehetett az oka, hogy az implantációt elutasították 1976-ig, amikor is R.D. Pashley Caltech-doktoranduszunk írt nekem, hogy felvette az Intel. Dick Pashley – az eddig legnagyobb karriert futó diákom – ő találta fel a „flash memory”-t, CEOhelyettesként ment nemrég „egyetemi” nyugdíjba... „Évente kétszer annyi elem egyetlen chipen”... „Talán a hetvenes évek végéig sikerül…” – mondta, írta Gordon Moore (Electronics, 38(8), apr.19,1965) Generikus törvény született, ami – és ezt ritkán hangsúlyozzák – inkább üzleti, semmint technológiai – a technológia csak eleget tesz a piacnak! International Technology Roadmap for Semiconductors, ITRS: http://public.itrs.net/ négy évenkénti tanulmány, kétévenként korrekció

5 2014. március 17.MTA FKNSZ MB - TTK Miniatürizálás A mikroelektronika sikerének titka lett, hogy működik az arányos kicsinyítés, a „scale down”: az arányosan kicsinyített tranzisztor elektromosan ugyanúgy viselkedik, kivéve a hődisszipációt... Nem csak a kis méret, hordozhatóság, vagy kis fogyasztás miatt fontos méretcsökkentés, hanem a megbízhatóság legalább annyira fontos elem: ami nő, ha több intelligenciát zsúfolunk a tokba – belül dolgozik, nem „kérdez” külső adatokat, nem kér hibaforrásként szereplő beavatkozást... Elérhető 10 10 lépésre egyetlen tévesztés, ami ún. redundáns szervezéssel tovább növelhető

6 2014. március 17.MTA FKNSZ MB - TTK Az ITRS-ből példa: a nehéz technológiai feladatok, 2011: „az ipar tudja” fehér, „kell némi fejlesztés” sárga, „red brick wall”, „no known solution” piros – eddig megoldódott... ( P ROCESS I NTEGRATION, D EVICES, AND S TRUCTURES

7 2014. március 17.MTA FKNSZ MB - TTK ITRS változások, 2010, http://public.itrs.net/ Eddig sikerrel és bőven megoldódtak a „red brick wall” feladatok Vajjon meddig maradhat így?

8 2014. március 17.MTA FKNSZ MB - TTK Az ionimplantáció – mint kikerülhetelen eljárás 1.Shockley 1957-ban már szabadalmaztatta – naiv formában, de még az ionok által roncsolt kristálynak hőkezeléssel való rendbe tételét is belefoglalta! 2.Ez a korai szabadalom lett a világ szerencséje: mire nélkülözhetetlenné kezdett válni, letelt a 17 éves védelem... 3.1970: egy Intel-es mérnök teljesen leszólta nekem: „legfeljebb arra lesz jó, hogy két elem között amorfizálva, szigeteljen...” 4.A Mayer-Gyulai csapat hitt az ionimplantációban – igaz, az implantációt technológiává emelő eredményeik 1974-76-ban születtek 5.Három eredményünkről (Caltech-KFKI csereprogram, NSF) mondható el ui., hogy hozzájárult a Moore-törvény teljesüléséhez is

9 2014. március 17.MTA FKNSZ MB - TTK A három eredményünk (Caltech-KFKI csereprogram, NSF, 1974-80) 1.Két felismerés miatt tért át ui. a világ szilíciumipara az (100) orientációjú Si gyártására az addigi (111)-esről – 1.ezen jobb minőségű oxid nő – Intel felismerés, ez talán a fontosabb, bár... 2.az implantáció okozta rácshibák is jobban hőkezelődnek, – erre mi jöttünk rá (1974 egy nyári estéjén, és én igazoltam azon az éjszakán). 2.Ezt kombinálva a „pre-amorfizáció” ötlettel, tette az implantációt „technológiává” : mivel amorfból jobb kristály nő, mint a defektesből: amorfizáltuk a szilíciumot Si-ionokkal, ebbe az amorf rétegbe lőttük be az adalék B, P, As ionokat. Ezzel elkerülhető a kristályatomoknak az ionokat irányító hatása, ami a pn-átmenet helyét tette addig bizonytalanná, 1975; Az első KFKI-cserekutató munkatársam, Csepregi László végezte a döntő kísérleteket. 3.A preamorfizációt alkalmaztuk Silicon-On-Sapphire-ra, SOS, a mai SOI ősére – így gyártották az USA-ban (Hughes Aircraft) évtizedig a sugárzásálló katonai IC-ket (1985, R.W. látogatása)…

10 2014. március 17.MTA FKNSZ MB - TTK A Moore ”törvény” ma "Der Mohr hat seine Arbeit getan, der Mohr kann gehen." Kann er wirklich? (F. Schiller: A genovai Fiesco összeesküvése) A mai csúcs az Intelnél – kisebb, mint egy vírus! Az arányos kicsinyítés működhetik 2020-ig, de már nem csak a memóriáról és a processzorról van szó, hanem telekommunikációról, stb. is A szilíciumon ül egy átok: Nem lehet belőle könnyen lézert készíteni De igyexik a szakma… A nanokristályok képesek ilyen fénykibocsátásra

11 2014. március 17.MTA FKNSZ MB - TTK

12 2014. március 17.MTA FKNSZ MB - TTK SCM: Storage Class Memory MLC Multi/level Cell, STT Spin-transfer torque... PC Phase change... Storage Class Memory

13 2014. március 17.MTA FKNSZ MB - TTK A digitalizálás-miniatürizálás útjáról Emlékszem, talán 1977 táján, amikor (szomorúan: a néhai) Zámori Zoltán (KFKI) hazahozott egy Zilog mikrogépet és a bemutatón azt mondta: „Ha egy bit processzálása 1/1000 cent alá esik, mindent digitálisan végeznek...” Ez következett be a Moore-törvény vezérelte életben. A fizikai elveken nyugvó előrejelzések sorozatosan rövidebbre jósolták a Moore-korszakot – és az (üzleti) világ rácáfolt. A hődisszipáció kezelése mindeddig sikeres volt... A digitális miniatürizálás sok „köztes” megoldással hozott sikereket. Pl. az analóg jelek felhasználása. Ebben hazai kutató is fontos szerepet játszott: Cellular Neural Network, CNN (Chua-Roska). De azért tudva, látva, hogy az útnak mindenképpen van vége, más megoldások is szóba kerültek, mint pl. az előbbi STT.

14 2014. március 17.MTA FKNSZ MB - TTK A nanoelektronika gondjai Scale down korlátai miatt új megoldások (<14 nm node): Smart cut © - „hámozni” tömbi anyagokat, mint a csillámot... Új anyagok a csatornának: Si-ban a töltéshordozó mozgékonyság korlát: –Si x Ge 1-x –InGaAs –(L.Czornomaz: Comp. Semicond, 1/2014, 32) –Grafén? A Biró csapat litográfiás eredményei

15 2014. március 17.MTA FKNSZ MB - TTK A nanoelektronika gondjai Scale down korlátai miatt további új elemek: –Nem elektronvezetés, más bináris rendszerek: spin, ~tronika ( D. Jamieson, Melbourne ) –A chipen optikai információtovábbítás a fémezés helyett – elkerülhetetlen –Optika: plazmonika? –Analóg vs digitális rendszerek –Biomimetikus megoldások De: esélyes csak az, ami elfogadható költséggel megvalósítható egy foundry-ban

16 2014. március 17.MTA FKNSZ MB - TTK A kvantumkomputer A „qubit” kvantummechanikai fogalom, amely összekapcsolt részecskéket jelöl. Az öt fluor és a két szén hét qubitje képes 15-öt faktorizálni: 3.5=15 Rádióhullámok indítják a gépet, NMR olvassa ki az eredményt 2012: Szupravezető qubit stabilizálás (10 μ s), Si- technológiával! IBM Research Dicarbonylcyclopenta dienyl (perfluorobutadien-2- yl) iron (C11H5F5O2Fe ) (ill. pentafluorobutadienyl cyclopentadienyldicar bonyl-iron complex)

17 2014. március 17.MTA FKNSZ MB - TTK A nanotechnológia – gondjaim Minőségellenőrzés –Ma: az ún. Total Quality Management, TQM, a cél, –A biorendszerek "minőségellenőrzése" az evolúció: 1.a ön-reprodukció, 2.a véletlen mutációk (ez a "majdnem selejt"), 3.a 'minőség' a természetes kiválogatódás révén A nanotechnológiai analóg nincs kitalálva –Lehet-e a minőségellenőrzés valamiféle 'gyorsított evolúció'? A mai, pl. gyógyszergyártási minőségellenőrzése nem lehet elég pl. a kvantumkomputer "gyártásához": –nem maradhatnak inaktív, nem szenzibilizált molekulák, –térben szervezetten kell létrejönniük (megtalálható – címezhető) Összeér-e a nanoelektronikának a mikroelektronikából eredeztetett „megbízhatósága” a biomolekulákéval? Mi egy virus „megbízhatósága”?

18 2014. március 17.MTA FKNSZ MB - TTK A ”Moore törvény” jövője – szerintem Remélem azonban, ha már pl. biokomputereink lesznek, akad mérnök, aki elkészítteti ennek tranzisztor-szintű helyettesítő kapcsolását és azt várom, hogy kiderül, akkor is igaz az exponenciális törvény...

19 2014. március 17.MTA FKNSZ MB - TTK A ”Moore vs Wright törvény” Tehát generikus törvény született 1965-ben, amit inkább üzleti, semmint technológiainak tartottam. Nincsen új a nap alatt – ez a sorsa Moore-nak is: A Theodore Wright’s Law (1936) megjelent újfent az irodalomban: A termelési költség exponenciálisan csökken a „kumulatív” gyártás szempontjainak függvényében („cost decreases as a power law of cumulative production”) Santa Fe Institute (SFI) working paper Statistical Basis for Predicting Technological Progress, Bela Nagy, J. Doyne Farmer, Quan M. Bui, and Jessika E. Trancik) 62 ipari termékre vizsgálta meg, hat esetében teljes analízist végeztek.Statistical Basis for Predicting Technological Progress Állítják, hogy a Wright’s Law a legjobb közelítés, de a Moore’s Law is közel áll ehhez, mind „low” és „high tech” termékekre egyaránt Én nem látom az egzakt voltát egyiknek sem, sőt, üzleti stratégiát se alapoznék ekkora eltérésre.

20 2014. március 17.MTA FKNSZ MB - TTK A mai tudománynak egyetlen küldetése és két súlypontja lehet – ez valahol megfelel az ön- és fajfenntartás ösztönének is: 1. megkeresni annak a módozatait, hogy élhet-e, ill. ha igen, hogyan 6-10 G ember a Földön – úgy is, hogy a többi élőlény is megmaradjon?… 2. emellett az egyén élettartam-növelése domináns érdeklődést vonz – a biotudományok súlya, érdekessége, 3. amely eredmények hatással vannak az első súlypontra is. Képes lesz-e a társadalom ezt az életforma receptet idejében magáévá tenni? Én az „elviselhetővé” tételt a humanióráktól, ill. kiknek-kiknek a vallástól remélem … „Ceterum censeo...”:

21 2014. március 17.MTA FKNSZ MB - TTK Buckminster Fuller: Operating Manual for Spaceship Earth - (1969) Biosphere, Montreal, 1967 “…One outstandingly important fact regarding Spaceship Earth, and that is that no instruction book came with it…„ …, hogy nem kaptunk hozzá Használati utasítást… Recyling economy – mikor? Fullerének

22 2014. március 17.MTA FKNSZ MB - TTK Köszönöm a figyelmet!