8 Заключение

В проектировании микросхем актуальным остаётся преодоление следующих проблем:

• сокращения числа и повышения надёжности выводов внешних подключений;

• повышения степени функциональной интеграции.

Современные технологии позволяют создавать корпуса микросхем с коэффициентами использования их габаритной площади платами и кристаллами до 0,7–0,9 (при линейных размерах основания корпуса не менее 4–6 мм на сторону). Толщина корпуса от превышения толщины кристалла в 20–30 раз снизилась до 7–10 раз. При этом снижаются массогабаритные показатели, материалоемкость ИМС, улучшается тепловой режим микросхемы. Размеры и зазоры выводов внешних подключений микросхем приближаются к размерам зазоров и контактов плат и кристаллов. Вместе с тем для средств защиты кристаллов и плат от влияния дестабилизирующих воздействий имеются резервы повышения механической прочности и качества теплоотвода, включая принудительное охлаждение.

Сокращение числа выводов внешних подключений кристаллов и плат в первую очередь достигается структурными решениями по преобразованию сигналов на платах и кристаллах. Классическим способом снижения числа соединений при цифровой форме представления сигналов, как известно, является переход от параллельного ввода-вывода информации к последовательному вводу-выводу. В свою очередь, повышение точности представления сигнала в цифровой форме сопровождается увеличением размерности параллельной формы представления и увеличением времени ввода-вывода сигнала в последовательном представлении. Для преодоления недостатков параллельного и последовательного представления сигналов стратегическим направлением следует считать интеграцию функций в пределах конструктивных единиц, какими являются микросхемы.

Чем меньше конструктивных единиц требуется для построения микроэлектронных устройств в работе с внешним сигналом, тем меньше требуется промежуточных акций обмена между конструктивными единицами и тем меньше будут затраты места, времени, материальных и энергетических ресурсов на их проведение. Идеальным случаем организации следовало бы считать такой вариант, в котором микросхема содержала бы источник энергии (или бесконтактный преобразователь внешней энергии) и бесконтактные средства ввода внешнего сигнала и вывода сигнала в форме конечного для потребителя сообщения. Функционально в этих условиях микросхема должна быть интегрирована до уровня устройства, выполняющего необходимое преобразование внешнего сигнала.

Формы сигналов в природе разнообразны, но для человека они доступны в виде сигналов для его органов чувств. Расширение сферы восприятия сигналов связано с взаимными преобразованиями сигналов механической, химической природы, постоянных и переменных электрических и магнитных полей в область сигналов органов чувств.

Исследования механизмов взаимодействия и поведения материальных объектов природы в электрических и магнитных полях на современном этапе развития науки и техники продолжаются и расширяют спектр технических возможностей для применения в проектировании микросхем. Хотя, в зависимости от физической природы сигналов, микросхемы, выполняющие преобразование, обработку сигналов и представление выходных результатов, могут быть исполнены на разных физических явлениях и принципах, наиболее отработаны и распространены принципы электрических преобразований и представлений.

Функциональные преобразования электрических сигналов обычно связаны с измерением, численным представлением и хранением промежуточных и конечных значений сигнальных сообщений. Поэтому применение преобразования сигналов в цифровое представление и цифровая обработка по вычислительным алгоритмам являются сопутствующей чертой функционально интегрированных микросхем при погрешностях представления менее 0,5–1 %. Перспективы развития цифровых микросхем определяются уровнем конструктивной интеграции базовых вентилей с учётом преодоления проблем создания БИС и БИГС, рассматриваемых в пятом разделе пособия.

Как основа цифровых БИС в пособии рассматривались базовые цифровые вентили электрического (электронного) типа на БПТ и МДП структурах. Однако уже в структурах ПЗС (см. п. 3.3 разд. 1) рабочая среда переноса зарядового пакета отделялась от преобразователей ввода-вывода и могла подвергаться модуляции внешним облучением. При этом создавались широко используемые в современной технике возможности цифровой обработки изображений.

В 50–70 годах 20-го века наряду с транзисторными (электронными) элементами для обработки и хранения цифровой информации широко использовались магнитные элементы (феррит-диодные и феррит-транзисторные ячейки). Переход к плёночным исполнениям магнитных элементов открыл новые возможности в этой сфере техники. В 60–70 годах 20-го века были обнаружены, исследованы условия образования, предложены технические решения пространственного перемещения локальных намагниченных областей (доменов) плоской (ПМД) и цилиндрической (ЦМД) форм. Совершенствование технологии формирования магнитных плёнок, техники управления генерацией и перемещением ЦМД позволило на магнитных плёнках аморфной структуры снизить устойчивые значения диаметра ЦМД до 0,2–0,3 мкм. Каждый ЦМД, в зависимости от направления намагничивания, рассматривается как элемент хранения бита информации. Плотность размещения ЦМД на магнитной плёнке составляет 10⁸–10⁹ 1/см². Как и для элементов управляемых электрическим полем (БПТ, МДП), для управления ЦМД требуются топологические элементы магнитных направляющих и проводящих формирующих плёнок. Поэтому совершенствование технологии формирования размеров топологических фигур является весьма актуальной проблемой для микросхем с электрическим и магнитным управлением.

Линейные размеры (мкм) топологических фигур в слоях структур кристаллов и плат хронологически снижаются по закону [Колед]

Lmin ≈ 8∙10^{–(T–1970)/20},

где Т — хронологический год отсчёта. Аналогично допустимый размер (мкм) межэлементного технологического зазора между топологическими фрагментами хронологически снижается по закону [Колед]

Lз ≈ ±2,5∙10^{–(T–1970)/20}.

Уменьшение размеров топологических фигур, размеров вентилей и переключателей в рамках традиционных числовых алгоритмов обработки неизбежно сопровождается увеличением числа требуемых вентилей по мере повышения функциональной сложности вычислений.

Определённые перспективы развития микросхем связаны с применением принципов так называемой функциональной микроэлектроники. Функциональная микроэлектроника основывается на таком подходе, при котором локальному объёму твёрдого тела придаются необходимые свойства для выполнения требуемой функции преобразования сигналов. Применение декомпозиции преобразователя до элементарных базовых вентилей и построение принципиальной схемы в базисе вентилей для таких исполнений не требуется. Следовательно, возможно сокращение числа конструктивных элементов и массогабаритных параметров микросхем. Физические явления в твёрдых телах, которые могут быть положены в основу функциональных преобразователей, достаточно многообразны. Среди этих явлений выделяются:

• оптические, фотоэлектрические, электрооптические явления;

• акустоэлектронные явления (взаимодействие акустических поверхностных или объёмных волн с потоком электронов или потоком оптического облучения);

• магнитные, магнитооптические, термомагнитные явления и эффекты;

• тепловые и термоэлектрические явления и эффекты;

• эффекты Ганна, Джозефсона и явления, связанные с «неподвижными» и «подвижными» доменами и зарядами в однородных кристаллических и аморфных полупроводниках, магнитных и диэлектрических плёнках (приборы на криотроны, ПМД и ЦМД);

• явления накопления, модуляции и переноса зарядов структур ПЗС;

• явления режимного изменения состояния электропроводности в аморфных диэлектрических плёнках.

Спектр природных явлений, которые могут быть применены при построении микросхем, продолжает расширяться, как и спектр приложений известных явлений. Физические явления в твёрдых телах выступают в качестве основы для построения функциональных преобразователей электрических и неэлектрических величин в электрические и обратно.

Как отмечалось ранее, численное измерение и визуализация связываемых преобразованием величин требует, в свою очередь, преобразования их из непрерывной формы представления в дискретную и из дискретной формы в непрерывную. При этом вносятся погрешности форм представления, повышая общую погрешность числовой обработки сигналов. Вместе с тем применение функциональных элементов микроэлектроники в ряде случаев позволяет снижать число конструктивных объектов состава кристаллов и плат микросхем при повышении степени интеграции функций, повышать надёжность микросхем, решать проблемы автономного динамического и статического электропитания, снижать влияние внешних помех на работу микросхем.

В связи с многообразием возможностей прогнозирование перспектив развития конструкций микросхем представляется проблематичным, так же как это было и 20 и 40 лет назад. Прогнозируемые степени интеграции и размеры кристаллов и плат к началу 21-века превышены. Число элементов современных микросхем процессорной техники превосходит 10⁶, а микросхем памяти, где более высока регулярность структур и допустимы многослойные структуры плат, поднялось до (0,5–1)∙10⁹.