Введение. 
Наноэлектроника и схемотехника

Данный учебник предназначен для формирования нового взгляда на возможное проектирование трехмерных сверхбольших интегральных схем (3D СБИС) на базе оптимальной переходной схемотехники в отличие от существующей в настоящее время избыточной транзисторной схемотехники.

Предметная область может быть обозначена как.

• • нанотехнологии и наносхемотехника для 3D СБИС;
• • наноструктуры и наносистемы.

Нанонаука и нанотехнология — направления науки и технологии, активно развивающиеся с конца XX века. Термин нанотехнология (nanotechnology) введен в 1974 году профессором-материаловедом из Токийского университета Норио Танигучи [1], который определил его как «технологию производства, позволяющую достигать сверхвысокую точность и ультрамалые размеры … порядка 1−100 нм…». Необходимо отличать нанонауку (nanoscience, или nanoscale science) от нанотехнологии (nanotechnology). Нанонаука занимается изучением и созданием материалов и объектов, реализуемых с использованием нанотехнологий.

Структуру или объект, линейный размер которого не превышает 100 нм, называют наноструктурой или нанообъектом соответственно, а систему, состоящую из наноструктур или нанообъектов, — наносистемой.

Наноиндустрия представляет собой совокупность направлений бизнеса и производства, работающих с нанообъектами и наносистемами.

Представленная книга будет полезна всем, кто работает в области наноиндустрии, нуждающейся в новой элементной базе для суперкомпьютеров и схем управления, а также обладающей рядом преимуществ перед существующей кремниевой транзисторной базой.

Целями проведенных фундаментальных исследований являлись:

• • поиск и решение задач развития в области создания новых интеллектуальных технических систем, их элементной базы, технологий и материалов для нее;
• • преодоление проблем развития планарной транзисторной кремниевой микрои наноэлектроники.

Перед наноиндустрией, нанонаукой и нанотехнологией стоит ряд задач:

• • создание и использование материалов, устройств и технических систем, функционирование которых определяется наноструктурой, то есть ее упорядоченными фрагментами размером от 1 до 100 нм;
• • разработка теории, элементной базы и программного обеспечения для создания компьютеров (интеллектуальных систем) различного типа (нанокомпьютеры на базе нескольких компонентов, в том числе квантовый компьютер, ДНК-компьютер, нанороботы и пр.).

Для облегчения понимания изложенного в книге материала определим основные (ключевые) термины.

Нанокомпьютер — вычислительное устройство на основе электронных (механических, биохимических, квантовых) технологий с размерами логических элементов порядка нескольких нанометров.

ДН К-компьютер — вычислительная система, использующая вычислительные возможности молекул ДНК.

Биомолекулярные вычисления — собирательное название различных техник, так или иначе связанных с ДНК или РНК. При ДНК-вычислениях данные представляются не в форме нулей и единиц, а в виде молекулярной структуры, построенной на основе спирали ДНК. Роль программного обеспечения для чтения, копирования и управления данными выполняют особые ферменты.

Нанороботы — устройства, состоящие из наноматериалов, размер которых сопоставим с размерами молекул, эти устройства наделены функциями движения, обработки и передачи информации, исполнения программ. Нанороботы, способные создавать свои копий, то есть самовоспроизводиться, называются репликаторами. В настоящее время уже созданы электромеханические наноразмерные устройства, ограниченно способные к передвижению, которые можно считать прототипами нанороботов.

Схемотехника изучает элементы и блоки интегральных схем электронных вычислительных машин (ЭВМ), а также различные методы их проектирования.

Наносхемотехника — раздел схемотехники, изучающий объекты (элементы СБИС), размеры которых не превышают 100 нм.

Задачи, которые автор поставил перед собой в данной работе, заключаются в:

• • разработке новой концепции элементной базы твердотельной наноэлектроники;
• • разработке качественно новой теории оптимальной схемотехники для 3D СБИС;
• • разработке и моделировании элементной базы;
• • 3D визуализации переходных элементов и физических процессов, протекающих в них;
• • разработке программного обеспечения (ПО) для элементов 3D СБИС, созданных на основе новой концепции синтеза трехмерных интегральных схем (ПО для решения задач синтеза, анализа и компьютерной визуализации объектов и процессов в 3D интеллектуальных наноструктурах кремниевой наноэлектроники).

Из-за сложности решаемых задач необходимо математическое и компьютерное моделирование, так как оно позволяет определять технические характеристики и работоспособность создаваемых переходных твердотельных элементов для 3D СБИС, построенных на основе новой концепции без организации отдельного дорогостоящего производства.

Книга «Наноэлектроника и схемотехника» предназначена для изучения.

• • принципов современных методов синтеза элементов и устройств ЭВМ и вычислительных систем;
• • методов построения схем ЭВМ и вычислительных систем;
• • принципов совместной работы устройств ЭВМ и вычислительных систем;
• • методов проектирования устройств различной степени сложности с учетом новейших разработок в области математического моделирования, схемотехники и технологии создания ЭВМ и вычислительных систем.

Помимо описания новой теории переходной схемотехники, особое внимание уделено математическому моделированию элементов и устройств, которые предназначены для разработки схем нового поколения, в частности 3D СБИС. Материал представлен с позиции обучения синтезу и практической реализации схем для компьютеров нового поколения. Рассмотрены синтез и моделирование схем в переходной, транзисторной, вентильной и матричной реализациях.