ЖУРНАЛ «СТА» №2/2016

клатурыЭВМс ростом степени интегра- ции (однокристальные, микроЭВМ, ми- ни-ЭВМ, среднего класса, большие, су- перЭВМ, многомашинные комплексы, распределённые сети), рост аппаратной сложности ЭВМ, относительная стои- мость аппаратных и программных средств, относительная стоимость рас- чёта сложных моделей на различных ЭВМс сохранением алгоритма и при со- вершенствовании алгоритма на одной и той же ЭВМ. Обратное утверждение столь же справедливо: класс машины формально определяется её стоимостью. Номенклатура ЭВМ многократно рас- ширилась благодаря росту интеграции. По мере роста надёжности и снижения габаритных размеров элементов, усовер- шенствования методов монтажа верхнее предельное число кристаллов в системе увеличилось на два порядка. Обратимся теперь к собственным по- казателям производительности ЭВМ: τ т – время такта суперЭВМи микропро- цессоров; В – быстродействие супер- ЭВМ, максимальное быстродействие микропроцессоров и однопроцессорных ЭВМ по [2]; N – ёмкость оперативной памяти суперЭВМи однопроцессорных ЭВМ максимальной производительно- сти; R – рост разрядности микропроцес- соров. При этом будем по возможности сопоставлять две предельные ветви вы- числительной техники – суперЭВМ, ко- торые проектируются на предельно быстрых для своего времени элементах и содержат максимально возможное чис- ло таких элементов сравнительно невы- сокой степени интеграции, и микропро- цессор – один кристалл максимальной степени интеграции. К сказанному следует добавить, что асинхронно с формальными показателя- ми прогресса микроэлектроники – ро- стом быстродействия и степени интегра- ции элементов – имеется скрытая тен- денция функциональной интеграции – перевода в кристалл цифроаналоговых, аналого-цифровых и множества специа- лизированных функций и постепенной «вторичной» интеграции гетерогенных по своим функциям устройств в одном кристалле сверхбольших ИС. Можно заключить, что основные тен- денции развития ЭВМ сохраняются не только в качественном, но и в количе- ственном отношении, однако механизм эволюции претерпевает серьёзные изме- нения. Если её начало было связано ис- ключительно с уменьшением линейных размеров приборов, то продолжение сложившихся тенденций в будущем пол- ностью определится развитием согласо- ванного системного подхода к техноло- гии и проектированию элементной базы и аппаратных средств ЭВМ в целом. Г РАНИЦЫ ПРОПОРЦИОНАЛЬНОЙ МИНИАТЮРИЗАЦИИ Действие любой вычислительной си- стемы основано на трёх видах функций: хранение, преобразование и обмен ин- формацией. Для их реализации необхо- димы элементы памяти, активные пре- образующие элементы (в цифровых устройствах – логические вентили) и каналы связи. Очевидно, что для реали- зации всех трёх функций требуется внутрисхемная изоляция. В течение 20 лет, примерно до 1980 года развитие микроэлектроники происходило в со- ответствии с принципом пропорцио- нальной миниатюризации [3]. Однако уже к концу 1960-х годов на- чали сказываться, а в 1970-х стали всё более существенными многочисленные нелинейные эффекты: «шнурование» тока в р–n -переходах, локальный про- бой тонких слоёв диэлектрика, поверх- ностные процессы рассеяния носите- лей заряда, электромиграция, явления, вызываемые «горячими» электронами, и т.д. На протяжении двух-трёх первых поколений ИС эти нежелательные яв- ления удавалось компенсировать совер- шенствованием технологии материалов и приборов, что и обеспечило жизне- способность принципа пропорцио- нальной миниатюризации. По мере приближения к микронному рубежу ли- нейных размеров активной области транзисторов нелинейные эффекты, а также краевые явления рассеяния но- сителей, «короткий» и «узкий» каналы, насыщение скорости и изменение под- вижности носителей и другие эффекты сильного поля приобрели принципи- альный характер. Последовали ради- кальные изменения методики расчёта и оптимизации приборов: линейные мо- дели заменены двумерными, частично начинается переход к трёхмерным мо- делям, аналитические методы решения уравнений заменяются численным мо- делированием на ЭВМ. Нелинейные эффекты ограничивают миниатюризацию всех структурных элементов вычислительных систем. Од- нако если в пассивных элементах нели- нейные явления – лишь нежелательное побочное следствие миниатюризации, в активных они играют фундаменталь- ную роль. Действительно, любая логи- ческая функция нелинейна и её реали- зация основана на нелинейных физиче- ских явлениях, которые возникают на границах раздела полупроводник–по- лупроводник ( p–n - и гетеропереходы), металл–полупроводник, металл–полу- проводник–диэлектрик и т.д. Реальные функции прибора определяются неко- торой протяжённой областью в окрест- ности границы того или иного типа, и принцип пропорциональной миниатю- ризации оправдывается до тех пор, пока ширина активной пограничной области мала по сравнению с абсолютными раз- мерами прибора. Отсюда ясно, что ха- рактер ограничений размеров пассив- ных и активных элементов различен, и их надо рассматривать отдельно. В той же степени, в какой физические явления обеспечивают реализацию ин- формационных функций, технология обеспечивает реализацию необходимых физических структур и протекающих в них явлений. С точки зрения техноло- гии существует принципиальное разли- чие между топологическими размерами (то есть геометрическими размерами элементов в плоскости интегральной схемы) и толщиной отдельных слоёв структуры. Минимальный размер эле- ментов топологического рисунка (ми- нимальная ширина линий) служит аб- солютным показателем уровня разви- тия технологии и называется проектной нормой. Далее будем обозначать про- ектную норму символом l 0 , а мини- мальную толщину функциональных слоёв (например, подзатворного ди- электрика, наиболее мелких p–n -пере- ходов) – d 0 . Эти параметры связаны соотношением l 0 ≈ 10 d 0 , которое хоро- шо сохраняется с течением времени, несмотря на то что проблемы миними- зации топологических размеров и тол- щин существенно различны. Однако при любом подходе (с позиций нели- нейных эффектов в приборах, принци- пов их проектирования или производ- ства) развитие микроэлектроники мож- но разбить на следующие этапы. ● 1960-е годы: l 0 ≥ 5–7 мкм; конструк- торский подход к проектированию приборов; традиционные оптические методы фотолитографии и гидрохи- мические процессы формирования топологии. ● 1970-е годы: 7 ≥ l 0 ≥ 3 мкм; учёт от- дельных пассивных (ухудшение пара- метров) и активных (взаимное влия- ние приборов) нелинейных эффектов при проектировании приборов и схем; разработка новых проекцион- РАЗ РА БОТ КИ / НАУ ЧНЫЕ ИССЛ Е ДОВ АНИЯ 85 СТА 2/2016 www.cta.ru