Молекулярная электроника: от устройств и соединений до схем и архитектуры

Молекулярная электроника: от устройств и соединений                       до схем и архитектуры

Вводная статья.

В связи с тем, что доминирующая технология КМОП быстро приближается к “непреодолимой стене” возникают новые возможности для конкурирующих решений. Наноэлектроника достигла нескольких прорывов в последнее время и обещала преодолеть многие из ограничений, существенных для непосредственного применения полупроводников. Большинство результатов в этой области сообщаемых до сих пор освещает устройства и соединения; данная работа идет немного дальше и представляет проблемы, связанные со схемами и архитектурой. Основываясь на предложенных наносоединениях и структуре устройства, мы исследуем производственную среду (пространство), доступную для наноэлектронного проектировщика схем и системного архитектора.

Ключевые слова – перекрестная архитектура, допуск на дефект, молекулярная электроника, наносхемы, наноустройства, нанонаука, нанотехнология, нанотрубки.

Рукопись, получена 10 октября 2002; пересмотрена 18 мая 2003. Работа М. R. Стэн и М. М. Ziegler был поддержан частично Национальным Фондом Науки (ННФ) под Грантом 0210585 и UVa FEST вознаграждение. Работа P. D. Franzon был поддержан Защитой Передовое Агентство Научно-исследовательских работ и Office Военно-морского Исследования согласно Контрактам N00014-01-1-0657 и F29601-00-D-0244. Работа S. C. Goldstein был поддержан частично грантами от Управления перспективных исследовательских программ. Работа J. C. Lach был поддержан ННФ под Грантом CCR-0105626. М. R. Стэн, J. C. Lach, и М. М. Ziegler с Электрическим и Компьютерным Отделом Разработки, Университетом Вирджинии, Charlottesville, Вирджинии 22904-4743 США (электронная почта: mircea@virginia.edu; jlach@virginia.edu; ziegler@virginia.edu). P. D. Franzon - с государством Северной Каролины Univeristy, Отдел Электрических и Компьютерная Разработка, Роли, Северная Каролина 27695-7911 США (электронная почта: paulf@ncsu.edu). S. C. Goldstein со Школой Информатики, Carnegie Mellon Университет, Питсбург, Пенсильвания 15213-3891 США (электронная почта: seth@cs.cmu.edu). Цифровой Идентификатор Объекта 10.1109/JPROC.2003.818327.

I. Введение

В то время как традиционная кремниевая электроника продолжала доминировать в промышленном производстве в течение следующего десятилетия, новейшие решения наноэлектроники будут необходимы, чтобы преодолеть физические и экономические препятствия текущей технологии полупроводников и уже в одиночку продолжить качественную реализацию Законов Мура. Хотя даже самые последние решения наноэлектроники находятся на начальном этапе, они представляют потенциал в качестве беспрецедентной велечины плотности устройства, низкого потребления энергии при вычислении, и плотного слияния с другими биологическими и химическими функциями, такими как сенсоры. Недавнее продвижение молекулярной наноэлектроники дает надежду на то, что функциональные крупномасштабные наносхемы будут доступны в не слишком отдаленном будущем. Общее предложение для многих из этих появляющихся нанотехнологий – некоторая форма самоорганизации, которая будет требоваться для изготовления нано схем. До недавнего времени, основное внимание отводилось материалам, научным устройствам и разработке, но последняя работа показала, что (рабочая) область готова принять опыт интегрирования многочисленных устройств в функциональные схемы. Начали возникать жизнеспособные концепции молекулярных интегральных схем [1] – [3].

Так как проект современных схем КМОП сильно полагается на абстракцию из-за увеличенной сложности проекта, следовательно, схемы должны производиться на основе наноэлектроники. Абстракция используется для того, чтобы позволять создавать вход на шлюзовом (техническом) уровне, логическом уровне, вплоть до архтектурного уровня. Эта, основанная на абстракции, методология проектирования была успешна прежде всего из-за точного моделирования, которое учитывает моделирование на различных уровнях. Проектирование высокого уровня может быть организовано без прохождения процесса долгого автоматизированного проектирования (САПР) работающего на физическом уровне проекта. Для этой методологии, эффективной для схем, созданных на основе нанотехнологии и системном проектировании, точные модели должны быть развиты через абстрактную иерархию. Должны быть смоделированы не только индивидуальные храктеристики устройства, но также и его поведение, при взаимодействии с другими устройствами, чтобы сформировать вентили и всю остальную иерархию.

Такие модели необходимы не только, чтобы гарантировать надлежащую функциональность посредствам надежного моделирования высокого уровня, но также чтобы установливать точную функцию стоимости для всех соответствующих позиций фарактеристики. Область, работа, мощность, надежность и другие характеристики должны быть точно смоделированы, чтобы позволить синтез, расположение, и физические алгоритмы для поддержения схемы минимальной стоимости, которая расчитывается функцией стоимости. Эти модели необходимы для проектировщиков, чтобы установить надлежащую функцию стоимости, основанную на характеристиках самой большой важности целей проектирования.