Тепловые ограничения. Одним из физических факторов, ограничивающих плотность размещения транзисторов на поверхности кристалла, является отвод теплоты, выделяемой при работе ИС. Из-за энергетических ограничений предельные значения уровня интеграции и быстродействия не могут быть реализованы одновременно.
Быстродействие транзистора определяется временем переключения транзисторных ключей, или вентилей, , которое обратно пропорционально потребляемой мощности Р: =А/Р. Здесь А - работа ключа на одно переключение. Повышение мощности в целях ускорения переключения, как правило, требует увеличения расстояния между отдельными элементами схемы для соблюдения необходимого теплового режима, что приводит к уменьшению плотности размещения элементов и увеличению задержки на распространение сигнала по линиям.
Мощность, рассеиваемая в кристалле в виде теплоты, должна быть меньше тепловой мощности, которая может быть отведена.
При воздушном обдуве с площади 1 см2 относительно легко отводится мощность порядка 2 Вт (в охлаждающей жидкости — окоо 20 Вт). Если один транзистор занимает на поверхности пластины площадь порядка 100 мкм2, то на площади 1 см2 разместится 106 транзисторов, причем каждый из них может выделить при работе мощность не более 2 мкВт. Допустим, что А=10-12 Дж, т=1 нс; при таком быстродействии на каждом вентиле в схеме мощность потерь достигнет 10 мВт. Степень интеграции ИС такого высокого быстродействия будет ограничена 200 вентилями.
Легко видеть, как сильно снижает предельную степень интеграции сверхскоростных ИС ограниченность отвода теплоты и насколько важны поиски путей снижения потребляемой мощности в ИС.
Масштабирование (скейлинг параметров). В настоящее время наиболее распространенным методом уменьшения элементов и кристаллов ИС является масштабирование. Существует достаточно большая область геометрических размеров, где возможны преобразования при миниатюризации с использованием простых масштабных преобразователей, или скейлинга. Суть масштабирования в определении масштабных множителей F(K), с помощью которых параметры прибора, будучи уменьшены в К раз, выражаются через соответствующие параметры исходного прибора. Это позволяет, не изменяя технологических процессов и топологии ИС, улучшить параметры ИС пропорционально масштабу этого уменьшения.
При уменьшении размеров активных элементов их параметры улучшаются, а такое же масштабирование межсоединений приводит к ухудшению параметров: все значительнее проявляются такие нежелательные явления, как электромиграция вещества (процесс перемещения атомов проводника), увеличение волнового сопротивления, возрастает роль краевых емкостей межсоединений.
Таким образом, стратегия одинакового уменьшения всех линейных размеров ИС не является оптимальной. В практически важных случаях различным величинам придают различные масштабные коэффициенты. Масштабирование удачно применяется при уменьшении размеров элементов от 10 до единиц микрометра. Однако при переходе к длинам менее 1 мкм масштабирование неэффективно, необходимо учитывать ограничения, связанные с физическими эффектами, возникающими при малых геометрических размерах.
При заданном напряжении питания с уменьшением размеров растут электрические поля в диэлектрике и в обедненных областях полупроводника, что может привести к пробою р-n-переходов и диэлектрика, появлению “горячих” электронов и туннелированию их в диэлектрический слой.
Существует минимальная толщина диэлектрика или обедненного слоя, при которой электрическое поле еще не превышает поля пробоя или не является причиной других нежелательных эффектов. Эта минимальная толщина определяет минимум всех других размеров прибора и, таким образом, ставит предел миниатюризации приборов такого типа.
Трехмерные интегральные схемы. Общая тенденция неограниченного роста степени интеграции ИС диктует поиски конструктивных решений, альтернативных возрастанию площади кристалла ИС и уменьшению размеров элементов в двухмерных ИС. Начиная с некоторой степени интеграции может оказаться более выгодным переход к трехмерным ИС, в которых активные элементы располагаются в несколько слоев.
Трехмерные ИС имеют многослойную структуру с диэлектрической изоляцией. Такая многоэтажная конструкция может эффективно использоваться для изготовления на разных этажах схемы приборов различных типов и их интеграции в составе ИС. Такое объединение, как правило, дает выигрыш в качестве ИС.
Существенные преимущества могут быть получены при использовании трехмерной конструкции ИС и за счет упрощения схемы соединений. Число соединений может уменьшиться, и длина их будет меньше, что приведет к экономии полезной площади кристалла, уменьшению потребляемой мощности, а также позволит уменьшить задержки на соединениях и увеличит быстродействие ИС.
Идея создания трехмерных структур возникла сравнительно недавно и в настоящее время активно разрабатывается. Одним из шагов в этом направлении является создание схемы ЗУ, выполненной по технологии трехмерной поперечной инжекции с формированием двух электродов. Эта схема имеет сходство со схемами, включающими элементы с плавающим затвором, которые используются в ППЗУ, но имеет дополнительный транзистор в тонком слое поликремния. Этот транзистор предназначен для управления процессом подачи заряда записи на накопительное устройство - протяженный затвор.
Перспективы и преимущества трехмерных структур несомненны. Однако здесь еще много нерешенных проблем. Можно ожидать, что в относительно близком будущем такие ИС станут реальностью, что откроет новые возможности для увеличения степени интеграции и совершенствования функции ИС.
ОПТИЧЕСКИЕ УСТРОЙСТВА ПАМЯТИ
Принципы оптической памяти
В последнее время использование оптических методов хранения и обработки информации рассматривается как одна из привлекательных альтернатив обычным запоминающим устройствам. Принципиальное преимущество оптической памяти заключается в том, что оптика делает возможным создание ЗУ большой емкости с плотно “упакованными” данными. Плотность представления информации в оптических ЗУ, по существу, ограничена только дифракционным пределом.
Преимуществом оптической памяти является также возможность параллельной обработки информации и быстрый доступ к массивам. Все это в сочетании с потенциально высокой надежностью и приемлемыми энергетическими характеристиками делает оптическую память одной из перспективных замен полупроводниковой и магнитной памяти.
Два типа оптической памяти. Принципиально возможны два способа записи информации в оптическом ЗУ: побитовый и голографический. В первом случае любому элементарному участку информационного носителя соответствует один бит информации, во втором — вся поверхность некоторого участка носителя равномерно обеспечивает хранение массива информации, т.е. любая область, входящая в этот участок, хранит с той или иной достоверностью информацию обо всем массиве сразу.
Для побитовой записи информации можно использовать любой источник излучения. Однако более предпочтительны источники когерентного света - лазеры, плотность потока энергии и возможности фокусировки излучения которых многократно превосходят соответствующие параметры всех других источников.
Голографическая запись - представление информации в интерференционной форме. Здесь обязательно требуется использование когерентного источника излучения и предъявляются определенные требования к степени его пространственной и временной когерентности. Информационную нагрузку при голографической записи несет один из двух световых пучков, на которые делится световой поток источника излучения, - его называют сигнальным или объектным. Пространственная структура сигнального излучения, т. е. характер распределения энергии в плоскости поперечного сечения пучка, однозначно связана с емкостью массива, записываемого на носитель, и распределением в нем информации. Оба пучка - информационный (сигнальный) и вспомогательный (опорный) - интерферируют в плоскости носителя информации.
Обобщенная структурная схема оптической памяти. Характерная особенность оптических ЗУ — большое число оптических элементов и блоков, часть которых обязательно используется во всех разновидностях оптической памяти, а другие специфичны лишь для некоторых ее типов. В частности, любая оптическая система содержит три основных блока: модулятор, процессор и приемное устройство.
В модуляторе световая волна “нагружается” информацией. Здесь в результате пространственной модуляции волны формируется пространственный оптический сигнал, называемый обычно входным оптическим сигналом. Процессор, представляющий собой набор различных транспарантов и оптических элементов, осуществляет заданную обработку входного оптического сигнала, преобразуя его в выходной сигнал. В приемном устройстве производится извлечение информации, которая может быть либо преобразована в электрические сигналы, либо подвергнута хранению.
Структурная схема оптической памяти с побитовой записью информации показана на рис. 6. Основными компонентами системы являются лазерный источник излучения, модулятор, дефлектор для адресации луча, формирующая и фокусирующая оптика и запоминающая среда.
Рис. 6. Структурная схема оптического ЗУ с побитовой записью информации
Помимо более сложной оптики в голографической системе памяти требуется два существенных дополнительных элемента - устройство формирования массивов (страниц) информации, называемое управляемым транспарантом (УТ), и фотоприемная матрица. В голографическом ЗУ с постраничной записью лазерный луч расщепляется на два пучка - опорный и сигнальный. Сигнальный луч, проходя через управляемый транспарант, поступает на носитель информации, где взаимодействует с опорным пучком, образуя интерференционную картину, которая фиксируется в регистрирующей среде. Каждое положение отклоняемого луча используется для адресации целой страницы.
При считывании сигнальный луч блокируется затвором; опорный пучок становится считывающим и проецирует восстановленное изображение страницы информации на матрицу приемников. В результате при считывании целая страница информации сразу же оказывается доступной для электронной выборки. Оптическая система обеспечивает совпадение опорного и сигнального лучей в записывающей среде и поворот сигнального луча относительно УТ при записи по разным адресам.
Оптоэлектронные устройства памяти
Оптоэлектроника основана на применении как электрических, так и оптических методов обработки информации и рассматривает методы и устройства преобразования электрических сигналов в световые и обратно, исследует процессы получения, передачи, обработки и хранения информации, переносимой светом.
Существенная особенность оптоэлектронных устройств состоит в том, что элементы в них оптически связаны, а электрически - изолированы.
В цепях с обычными приборами вакуумной и полупроводниковой электроники невозможна эффективная развязка между входом и выходом, что связано с наличием у электрона электрического заряда. Оптическая же связь, осуществляемая с помощью фотонов, может быть реализована между участками схемы со значительно различающимися потенциалами; в оптоэлектронных устройствах осуществляется эффективная развязка между входом и выходом. Кроме того, оптоэлектронным устройствам присущи и другие достоинства: возможность пространственной модуляции световых пучков и значительного ветвления и пересечения световых пучков в отсутствие гальванической связи между каналами; большая функциональная нагрузка световых пучков, обусловленная большой вариабельностью их параметров (амплитуды, направления, частоты, фазы, поляризации).
Оптоэлектронные приборы. В состав оптоэлектронных устройств входит несколько видов приборов, которые связаны между собой и обеспечивают хранение и выдачу информации в зависимости от потребностей.
Основным структурным элементом оптоэлектронных устройств является оптрон - прибор, состоящий из источника и приемника света, связанных оптически. Поскольку схемотехнические возможности оптрона определяются главным образом характеристиками фотоприемника, этот элемент и дает название оптрона в целом. К важнейшим разновидностям элементарных оптронов относятся: транзисторные, диодные, резисторные и тиристорные (рис. 7).
Функциональные возможности оптрона могут быть существенно расширены при введении обратных связей (электрических или оптических). Наиболее известен оптрон, в котором приемник и излучатель соединены электрически, а также имеется оптическая положительная обратная связь. Такое устройство, получившее название регенеративного оптрона, пригодно для использования в качестве переключателя, усилителя, генератора как электрических, так и световых сигналов.
Рис. 7. Элементарные оптроны:
а — резисторный: б—диодный; в—транзисторный; г — тирис-торный; д — резисторный с электролюминесцентным конденсатором
Для осуществления в оптоэлектронных устройствах широкой и гибкой системы оптических связей часто применяют волоконную оптику.
Оптические волокна представляют собой эффективные световоды, обеспечивающие передачу излучения по заданному пути; их можно группировать в пучки любой формы и изгибать под любыми углами.
Волокнистые световоды исключают необходимость в фокусирующих и отклоняющих системах. Поэтому оптоэлектронные ЗУ могут иметь многоплатную конструкцию, причем каждая плата имеет свои источники света и свои фотоприемники, число которых равно количеству битов хранимой информации.
Оптоэлектроника предъявляет к источникам света такие требования, как миниатюрность, малая потребляемая мощность, высокие эффективность и надежность, большой срок службы, технологичность. Они должны обладать высоким быстродействием, допускать возможность изготовления в виде интегральных устройств. Планарная технология интегральных схем позволяет создавать миниатюрные устройства с расщеплением излучения, сформированные вместе с электронными схемами управления. Ячейки матриц излучателей и фотоприемников могут обладать памятью.
Наиболее распространенными элементами матриц некогерентных источников света являются инжекционные светодиоды, в которых испускание света определяется механизмом рекомбинации электронов и дырок. В качестве материалов для светодиодов используют арсенид и фосфид галлия, карбид кремния, твердые растворы арсенида галлия—алюминия и т.д.
Перспективными источниками света являются инжекционные лазеры, позволяющие получать высокую плотность энергии в узкой спектральной области при высоких КПД и быстродействии (десятки пикосекунд). Заметим, что быстродействие светодиодов ~0,5 мкс. Инжекционные лазеры можно изготовлять в виде матриц на одном базовом кристалле по той же технологии, что и интегральные микросхемы.
Для преобразования световых сигналов в электрические используют фотодиоды, фоторезисторы, фототранзисторы и другие приборы. Их можно использовать и для изготовления интегральных матриц, которые могут иметь координатную организацию, позволяющую выбирать любой, но только один, фотоприемник в определенный момент времени, могут быть организованы построчно (по словам), в несколько регистров или с самосканированием.
Матрицы фотоприемника кроме светочувствительных элементов содержат коммутирующие элементы, а в некоторых случаях и элементы памяти. Простейшая ячейка содержит фотодиод и последовательно включенную емкость. Запоминание информации в матрице фотодиодов реализуется в виде накопления зарядов на емкостях фотодиодов.
ПАМЯТЬ НА УСТРОЙСТВАХ ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ
Функциональная электроника - новое направление в микроэлектронике
Современная электроника твердого тела в значительной степени является интегральной электроникой; в основе ее лежит принцип элементной (технологической) интеграции—изготовление на одном кристалле большого количества электронных приборов, соединенных между собой в электрическую схему.
Схемотехнический путь развития интегральной электроники неизбежно связан с ростом числа элементов и межэлементных соединений по мере усложнения выполняемых интегральной схемой функций. Однако чисто количественное наращивание степени интеграции и связанное с этим уменьшение размеров элементов имеет определенные пределы. Анализ традиционных путей развития интегральной электроники показывает, что в настоящее время достигнут настолько высокий уровень интеграции, что приходится считаться с рядом физических и технологических ограничений при его дальнейшем повышении. Только интегрализация элементов на определенном этапе уже не обеспечивает достижения положительных результатов.
Функциональная электроника предлагает качественно новый подход. В основе лежит принцип физической интеграции, позволяющий реализовать определенную функцию аппаратуры без применения стандартных базовых элементов, основываясь непосредственно на физических явлениях в твердом теле. В этом случае локальному объему твердого тела придаются такие свойства, которые требуются для выполнения данной функции, так что промежуточный этап представления желаемой функции в виде эквивалентной схемы не требуется.
При физической интеграции носителем информации является не состояние некоторой схемы, созданной на основе традиционных элементов (транзисторов, диодов, резисторов и т. д.), а состояние локального объема в однородной активной среде с динамически изменяемыми параметрами. Изменения состояния локального объема однородного материала достигаются не технологическими, а физическими способами, например инжекцией зарядов в локальный объем с помощью светового излучения либо воздействием электрических или магнитных полей, возбуждением поверхностных волн и т. д.
Таким образом, основной чертой физической интеграции является отсутствие или значительное снижение удельного веса схемотехники и использование динамических неоднородностей для выполнения определенных функций. Запись и обработку информации выполняет не схема, включающая в себя множество приборов и элементов, а сама активная среда, в которой накапливается подвергаемая обработке информация.
Любой прибор традиционной электроники сам по себе накапливать информацию не может. Так, в элементе памяти на триггере запись информации осуществляется не самим транзистором, входящим в состав схемы, а всей схемой триггера, содержащей как минимум два транзистора. Запись и обработка сигнала непосредственно в приборах традиционной электроники не осуществляются — эти функции выполняет схема, включающая в себя множество приборов. Активная среда устройств функциональной электроники обладает двумя характерными свойствами: в ней может храниться и обрабатываться большой объем информации; управление ею обеспечивает изменения алгоритма обработки сигнала. С этой точки зрения устройства функциональной электроники по своим отличительным признакам близки к процессору ЭВМ, реализуемому в виде интегральных схем на традиционных транзисторных структурах. Заметим, что во многих случаях устройства функциональной электроники могут хорошо сочетаться с цифровыми ИС, дополняя и расширяя их возможности.
В настоящее время существует несколько направлений исследований, основанных на непосредственном использовании физических явлений, потенциально пригодных для создания функциональных устройств. В качестве носителей информации используются сгустки заряда, цилиндрические магнитные домены, пакеты волн различной природы и т. п. Данный перечень может быть расширен и дополнен в ходе проведения исследований. Цель всех этих исследований — создание принципов конструирования и производства достаточно экономичных устройств с высокой степенью интеграции. Внутри этой проблемы можно выделить наиболее актуальную проблему—создание интегральных устройств памяти большого объема, энергонезависимых, малогабаритных и малопотребляющих, с достаточно высоким быстродействием.
Рассмотрим некоторые примеры реализации функциональных устройств, в основу которых положены существенно различные физические явления.
Память ПЗС и ЦМД. Активной средой в ПЗС служит полупроводниковая пластина с системой электродов на ней (см. 3.4), под каждый из которых может быть введен объемный заряд, образованный сгустками носителей. Приложение электрических потенциалов, изменяющихся во времени в определенной последовательности, заставляет перемещать такие зарядовые пакеты. Наличие или отсутствие заряда означает 1 или 0 в системе записи информации.
Отметим, что устройства памяти, выполненные на принципах функциональной электроники с использованием зарядовых пакетов в качестве динамической неоднородности - носителей информации, обладают значительными возможностями для повышения плотности их упаковки и повышения доли выхода годных. Они, например, занимают на 60—70% меньшую площадь, чем однотранзисторные МДП-элементы. Схемы, выполненные на ПЗС-структурах, требуют меньшего количества обслуживающих схем, чем МДП ЗУ.
Создание приборов на ЦМД, как направление функциональной электроники, основано на непосредственном использовании доменной структуры ферромагнетиков. Фактически доменные устройства представляют собой однородную активную среду, в которой носителями информации являются цилиндрические (или плоские) магнитные домены, а ее переработка и хранение осуществляются за счет перемещения и взаимодействия этих доменов (см. 2.4).
ЦМД обладают важным комплексом свойств: их можно контролируемо создавать и уничтожать, осуществляя ввод и вывод информации, а перемещая с высокой скоростью, производить сдвиг информации. Именно способность ЦМД к перемещению, а также к устойчивому сохранению размера, формы и положения в среде является основной предпосылкой к технической реализации ЗУ. Малые размеры доменов и большая их подвижность дают возможность создавать на их основе устройства большой функциональной гибкости с исключительно высокими параметрами. При этом функции логики, запоминания и коммутации реализуются без нарушения однородности структуры материала носителя.
Память на поверхностных акустических волнах. Направление функциональной электроники, которое охватывает устройства и приборы, использующие явления возбуждения, распространения и взаимодействия акустических волн с электронами проводимости в металлах и полупроводниках, получило название акустоэлектроники.
В устройствах акустоэлектроники используются звуковые волны высокой частоты (1 МГц—10 ГГц), как объемные, так и поверхностные. Преимущества поверхностных акустических волн (ПАВ)—малые потери на преобразование при их возбуждении и приеме, доступность волнового фронта, что позволяет снимать сигнал и управлять распространением волны в любых точках звукопровода, а также управлять характеристиками устройств. Именно эти преимущества и обусловили то, что большинство устройств выполняется на ПАВ.
ПАВ представляет собой волну механической деформации (упругую волну), распространяющуюся вдоль поверхности твердого тела или вдоль границы раздела твердого тела с другими средами. Благодаря сравнительно низкой скорости распространения волны возможно на ограниченном по длине пространстве ее распространения обеспечить существенную задержку сигнала во времени или осуществить динамическую запись информации значительного объема.
Особый класс нелинейных акустоэлектронных устройств составляют устройства, основанные на принципе запоминания и хранения сигнальной информации. В качестве носителей информации используется заряд объемных или поверхностных ловушек в полупроводниках, создание и запоминание зарядовых пакетов с помощью электронного пучка. Операции записи и считывания осуществляются с помощью ПАВ. Время хранения информации зависит от конкретного механизма запоминания и достигает нескольких недель.
Устройства на основе спиновых волн. Устройства обработки информации на ПАВ, работающие в диапазоне 10—1500 МГц, отличаются рядом достоинств: малыми размерами и незначительной массой, возможностью синтеза заданных характеристик, удобством сопряжения с интегральными схемами и др.
Однако для обработки информации этими устройствами в диапазоне частот выше 1 ГГц требуется понижение частоты, что приводит к дополнительному искажению сигнала и усложнению конструкции системы.
Переход к частотам 1—20 ГГц осуществляется в устройствах на спиновых волнах, которые представляют собой волновой процесс ориентации спиновых магнитных моментов электронов, ответственных за ферромагнитные свойства вещества. Обусловлены спиновые волны обменным взаимодействием, благодаря которому изменение магнитного момента одного атома передается соседнему, и т. д. Возбуждение спиновых волн обычно осуществляется в тонких пленках железоиттриевого граната (ЖИГ) на неферромагнитной подложке. Пленка находится в статическом магнитном поле, приводящем вещество в состояние магнитного насыщения, благодаря чему обеспечивается исходная ориентация спинов.
Линии задержки на спиновых волнах характеризуются малыми потерями, возможностью осуществить несколько выводов информации.
Функционально ПАВ и спиновые волны равноценны, но последние могут быть использованы на более высоких частотах.
Большими функциональными возможностями обладают устройства, основанные на явлении ядерного магнитного резонанса (ЯМР). Действие этих устройств основано на использовании метода спинового эха—импульсного метода наблюдения ЯМР.
СВЕРХПРОВОДНИКОВЫЕ УСТРОЙСТВА ПАМЯТИ
Для всех наиболее важных элементов традиционной электроники имеются сегодня сверхпроводящие аналоги. Поэтому можно думать, что практически любое электронное оборудование может быть сконструировано на основе сверхпроводящих интегральных схем.
Не ставя перед собой задачи сколько-нибудь подробного рассмотрения этой новой захватывающей области электроники, остановимся кратко лишь на описании физических принципов работы некоторых устройств хранения и обработки информации на сверхпроводниках.
Криотронные переключатели и элементы памяти
Принципиальная возможность использования сверхпроводимости для создания переключающих элементов известна довольно давно. Еще в середине пятидесятых годов был создан сверхпроводящий прибор — криотрон, в котором используется возможность управления состоянием сверхпроводимости с помощью магнитного поля.
Как известно, явление сверхпроводимости состоит в том, что сопротивление многих металлов и сплавов при охлаждении их до некоторой критической температуры, присущей данному материалу, становится равным нулю. Это состояние может быть разрушено не только повышением температуры выше Тк, но и внешним магнитным полем Нц или самим протекающим по сверхпроводнику током, если он превышает некоторое критическое значение.
До последнего времени все известные сверхпроводники переходили в состояние сверхпроводимости при чрезвычайно низких температурах—как правило, от 1 до 20 К, т. е. вблизи абсолютного нуля. Эти сверхпроводники приходилось охлаждать жидким гелием. Прорыв в область “азотных” температур состоялся совсем недавно, в начале 1987 г. Был обнаружен новый класс материалов (керамики на основе редких металлов, меди и кислорода), температура перехода в сверхпроводящее состояние которых 100 К и выше.
Джозефсоновские туннельные контакты
Активными элементами сверхпроводниковой микроэлектроники являются так называемые джозефсоновские приборы: туннельные и мастиковые контакты или переходы. Свойства их были предсказаны в теоретической работе Джозефсона еще в 1962 г. С тех пор был выполнен большой объем экспериментальных исследований, в том числе по отработке технологии изготовления джозефсоновских приборов, однако решающего успеха, который бы поставил сверхпроводниковую микроэлектронику на один уровень с полупроводниковой (кремниевой), до последнего времени добиться не удалось.
Существует два основных типа джозефсоновских контактов — типа сэндвич и типа мостик (рис. 8. а, б). Классический джо-зефсоновский контакт представляет собой туннельный переход с толщиной диэлектрического слоя менее 5 нм, разделяющего два сверхпроводника. В такой структуре ток может протекать через переход даже при нулевом напряжении на нем за счет квантово-механического туннельного эффекта, хотя в классической физике диэлектрик не может проводить ток.
Открытие Джозефсона состояло в том, что он предсказал возможность туннелирования сверхпроводящего тока через диэлектрический барьер.
Рис 8 а - типа сэндвич; б - типа мостик
При больших токах или при действии на контакт хотя бы слабого магнитного поля на переходе возникает разность потенциалов, что означает появление у перехода определенного сопротивления. На этом принципе могут быть построены туннельные джозефсоновские криотроны.
ПРОБЛЕМЫ И ПЕРСПЕКТИВЫ МАШИННОЙ ПАМЯТИ
(Заключение)
В настоящее время существует очень много всевозможных технических средств записи и хранения информации, причем их число уже настолько велико, что сказать о каждом не представляется возможным. ЗУ, удовлетворяющее современным требованиям, может быть реализовано при использовании различных физических эффектов. В рассмотренных примерах это были эффекты магнетизма, физики полупроводников, оптики.
Возможность использования электронных лучей для записи и считывания информации всегда привлекала внимание разработчиков ЗУ. Такие свойства электронных потоков, как относительная простота управления траекториями движения электронов (вследствие наличия у них заряда), малая длина волны де Бройля и возможность получения высокой плотности энергии, обусловливают перспективность их применения в ЗУ. Поэтому переход к использованию электронных лучей в накопителях при увеличении плотности записи информации представляется закономерным.
Принципы электронно-лучевой памяти. Электронно-лучевые накопители информации достаточно конкурентоспособны при условии хранения больших массивов информации более 107—109 бит. Для накопления больших массивов информации в электронно-лучевых ЗУ необходимо разрабатывать специальные электронно-оптические системы, совершенствовать методы адресации лучей и способы записи (считывания) информации.
Информация в электронно-лучевых ЗУ представляется в виде локальных изменений свойств поверхности информационного носителя. Наиболее распространены способы записи, основанные на изменении прозрачности носителя, его отражательной способности, геометрии поверхности, намагниченности и накопленного заряда. Рассмотрим их подробнее.
Запись изменением прозрачности или отражательной способности носителя информации. При этом способе записи на информационном носителе необходимо получить заданный точечный рисунок в соответствии с записанной информацией. Носитель информации - тонкая пленка или фольга - условно поделен на элементарные участки, каждый из которых используют для записи одного бита информации.
При записи информации прозрачностью элементарных участков можно управлять с помощью перфораций отверстий или изменением толщины носителя информации. Для считывания информации электронный луч в соответствии с кодом адреса устанавливают в заданную область носителя. Параметры луча изменяются в зависимости от записанной информации. При считывании 1 электроны проходят через отверстие в носителе и попадают на регистратор. Таким образом, сигнал, снимаемый с регистратора электронных потоков, соответствует считываемой информации. При этом ток электронного луча, попадающего на регистратор, достаточно мал и его необходимо усиливать.
Запись изменением геометрии поверхности носителя. В электронно-лучевой памяти широко применяют и термопластическую запись информации. Запись на термопластиках осуществляют методом деформации поверхности носителя. Под действием сил притяжения, вызванных электрическими зарядами в размягченном слое диэлектрика, на поверхности носителя образуется рельеф, который служит изображением записанной информации. Для стирания записи достаточно нагреть термопластик до температуры, большей температуры проявления. При этом рельеф сглаживается и поверхность его выравнивается.
Для записи информации на термопластическом диэлектрике служит электронная пушка, развертка которой осуществляется только вдоль строки. Носитель информации со слоем термопластика обычно выполняют в виде ленты, которая хранится в кассетах. После записи информации соответствующий участок ленты, прежде чем попасть в приемную кассету, проходит зону проявления, в которой с помощью высокочастотного нагревателя его доводят до размягчения. Для сохранения записанной информации ленту охлаждают и наматывают на приемную кассету. Считывание информации происходит при движении электронного луча по строке с записанной информацией в виде точечных лунок. Плотность записи 107—108 бит/см2; минимальное время запись—считывание составляет 0,01—0,02 с.
Запись с изменением намагниченности носителя. При этом способе запись информации осуществляют нагревом магнитного материала до точки Кюри. Для записи нуля электронный луч направляют на один из изолированных участков намагниченной пленки, вызывая нагрев его до температуры выше точки Кюри. При этом пленка на указанном участке (число которых должно быть, по крайней мере, не меньше количества бит запоминаемой информации) размагничивается. Таким образом, носитель с записанной информацией состоит из намагниченных и размагниченных участков пленки.
Носителем информации может служить и сплошная пленка из сплава марганец-висмут. Если при записи нагреть участок пленки выше точки Кюри, то после охлаждения вектор намагниченности в нем изменит свое направление. Плотность записи информации, допускаемая магнитной структурой пленки, составляет 109 бит/см2. Для считывания информации можно регистрировать вторичные электроны, испускаемые магнитным носителем. Для увеличения сигнала считывания на носитель целесообразно наносить тонкую пленку из материала с высоким коэффициентом вторичной электронной эмиссии.
Запись при помощи накопленного заряда. Известно, что взаимодействие ускоренных заряженных частиц с полупроводниками приводит не только к нагреву, но также к ионизации их атомов и к генерации электронно-дырочных пар. Такую память называют электронно-оптической. Если облучать полупроводник электронами с энергией 10—15 кэВ, то в мишени образуется несколько тысяч электронно-дырочных пар, представляющих собой динамические неоднородности. Если образовавшиеся пары быстро и эффективно разделить, то можно получить соответствующий импульс тока (при импульсном облучении) и соответствующие заряды на обкладках мишени.
ЗУ с использованием .металл—оксид—полупроводниковых мишеней с лучевой адресацией (МОПЛА-трубки памяти) позволяет хранить информацию в течение некоторого отрезка времени. Срок хранения при отключенном питании превышает один месяц при не менее чем двадцатикратном считывании. Изменение сигнала при изменении температуры от -40 до +70°С не превышает 10%. Одна из основных проблем в таких ЗУ - борьба с повреждением слоя кремния под действием электронного луча, который изменяет структуру оксида кремния, вследствие чего она теряет способность приобретать и сохранять электрический заряд.
Таким образом, в отличие от полупроводниковых ЗУ и ЗУ на ЦМД предел поверхностной плотности записи в электронно-лучевых ЗУ не определяются технологическими параметрами, в частности, параметрами литографии. По расходуемой мощности (10 мкВт/бит) ЗУ на электронно-лучевых трубках ЗУ на ПЗС и на ЦМД равноценны. Вместе с тем электронно-лучевые ЗУ обладают тем преимуществом по сравнению с ЗУ на ПЗС, что они способны хранить информацию и в отсутствие напряжения, а по сравнению с ЗУ на ЦМД обладают большей скоростью обработки информации. Однако они чувствительны к паразитному облучению, что требует в отдельных случаях специальных мер по экранировке.
Различные направления машинной памяти развиваются неравномерно. Связано это как с наличием необходимой элементной базы, так и с недостаточностью традиционных средств реализации. Если весь путь развития того или иного направления условно представить в виде цепочки: физические принципы - нахождение и создание необходимых материалов - разработка конструкций - создание технологии - промышленное производство, то на сегодняшний день представляется справедливой следующая картина. Магнитная память на лентах, дисках и т. п. и полупроводниковая память на БИС и СБИС достигли стадии развитого производства; память на ЦМД, ПЗС, оптические дисковые накопители, электронно-оптические, акустические ЗУ начинают выходить постепенно в опытное производство, а в некоторых случаях и в стадию промышленного освоения; голографические, оптоэлектронные, сверхпроводниковые устройства памяти находятся в стадии лабораторных исследований, а разработки молекулярных и биохимических носителей - все еще в стадии отыскания физических принципов. Очевидно, перспективы развития искусственных систем хранения информации должны быть связаны и с использованием новых физических принципов и явлений.
В последнее десятилетие в развитии ряда направлений оптоэлектроники достигнуты очень значительные успехи, которые косвенно, а иногда и прямо способствуют решению проблемы оптической памяти. Созданы полупроводниковые лазеры с высокой степенью когерентности излучения, позволяющие записывать качественные голограммы. Развивается интегральная оптика, в рамках которой традиционные объемные оптические элементы заменяют тонкопленочными.
Тонкопленочные оптические затворы могут переключаться напряжением всего в несколько вольт, при этом время переключения может быть менее наносекунды.
Интересны соображения, касающиеся возможности использования в оптических ЗУ принципа фотовыжигания спектральных провалов в спектрах примесных молекул в низкотемпературных матрицах. Физическая сущность явления сводится к высокоселективному фотопреобразованию неоднородно расширенных (10 нм) примесных спектров при воздействии монохроматического излучения на фотоактивные примесные молекулы через узкие (10-5—10-3 нм) линии поглощения. Плотность записи на таком носителе может достигнуть фантастической цифры—1012 бит/см2, однако кроме подходящих носителей для реализации ЗУ нужны еще и перестраиваемые лазеры, и системы обеспечения сверхнизких (вплоть до 0,05 К) температур.
При низких (гелиевых) температурах может проявляться также другой замечательный эффект оптической памяти—фотонное (или световое) эхо. Если на специальную среду с резонансными свойствами воздействовать одним или двумя оптическими импульсами, то они вызывают перестройку ее электронной структуры. Если после этого приходит третий—информационный—импульс, то он средой “запоминается”: спустя длительное время после его прохождения (вплоть до десятков секунд) среда генерирует четвертый импульс, импульс—эхо. Используя этот эффект в кристалле, можно записывать и цифровые данные (наличие или отсутствие вспышки), и двумерные картины. Запись производится во всем объеме, при этом плотность размещения информации может достигнуть 1012 бит/см3! Важно, что во время хранения “сгустков света” в кристалле можно проводить еще и их обработку.
Рассматривается и возможность реализации волоконно-оптического ЗУ. Принцип действия такой памяти основан на том, что в кольцевой световод (длиной до 50—100 км) вводят последовательность оптических импульсов, которые достаточно долго циркулируют в нем, “подпитываясь” оптоэлектронными или оптическими регенераторами. В определенных точках световода с помощью направленных ответвителей информация может быть выведена из кольца и преобразована к электрической форме. В такой системе можно, например, на несколько часов запомнить кадр цветного ТВ.
При создании машинной памяти нужно еще многому учиться у мозга, хотя и не следует его слепо копировать. Чисто технический потенциал, например, у голографических ЗУ намного богаче, чем возможности мозга.
Взять лучшее у обоих видов памяти человеческой и машинной - таково стремление разработчиков. Высокая плотность записи, большая емкость памяти высокое быстродействие, способность восприятия и аналоговой, и цифровой информации, сочетание адресного и ассоциативного поиска, объединение последовательного и параллельного принципов ввода/вывода информации, высокая долговечность и надежность хранения - вот основное, чем хотелось бы наделить ЗУ будущего.
ЛИТЕРАТУРА
Абакумова В.И. Запоминающие устройства ЦВМ.Учебное пособие М. 1970.
Гуральник А.К. Устройства памяти ЦВМ, М.: Сов. Радио, 1976.
Мнеян М.Г. физика машинной памяти, М.: Высшая школа, 1990.
Министерство высшего и среднего
специального образования Российской
Федерации
Липецкий Государственный Технический
Университет
Кафедра электропривода и автоматизации промышленных установок.
|
