Инновационный проект и результаты научно-технической экспертизы, организованной ГУНИД Минобороны в целях определения необходимости и возможного порядка реализации разработки в интересах Вооруженных Сил Российской Федерации.
Описание проекта представлено в авторской редакции.
Проект 15
Элементная база на основе мемристоров и синаптических транзисторов на КНИ структурах для высоконадежной электроники.
Цель проекта:
Провести поисковые исследования механизмов переноса электронов в гетероструктурах с оксидными high-k диэлектриками, ключевых параметров ловушек, ответственных за проводимость в наиболее перспективных high-k диэлектриках; по разработке резистивных элементов и КНИ нанопроволочных транзисторов с диэлектриками из оксидов металлов с функцией синаптической пластичности, а также создать матрицы для параллельной адаптивной обработки больших объёмов визуальной информации.
Из описания проекта:
Развитие технологии интегральных схем (ИС) в микроэлектронике привело в настоящее время к возможности создания транзисторов с длиной канала около 10 нм. Применение нанотранзисторов ведет к уменьшению напряжения питания и, как следствие, к снижению потребляемой мощности, являющейся сегодня основным ограничителем увеличения степени интеграции. Кроме того, наноразмеры позволяют резко сократить величины паразитных емкостей как транзисторов, так и линий связи на кристалле, что скажется положительным образом на быстродействии интегральных схем за счет увеличения скорости переключений логических элементов (теоретически до 10-15 ТГц). В США все крупные фирмы (Intel, IBM, GlobalFoundries и др.) проводят исследования по разработке 7 нм технологии транзисторов с полным обеднением (Fully Depleted – FD) или с трёхмерной структурой затвора (FinFET) и созданию схемотехники для работы при напряжении питания 0,5 В и менее, расходуя на это десятки миллиардов долларов ежегодно. При этом единственным решением для отечественных производителей, не вызывающим сомнений у экспертов из ЦНИИ «Электроника» [Авдонин Б.Н., Макушин М.В., Мартынов В.В., Орлов О.М., Стяжкин А.Н., Фомина А.В. Перспективные направления дальнейшего развития отечественной микроэлектроники с учетом зарубежного опыта. Радиопром. №3, с.131-142, 2016; DOI:10.21778/2413-9599-2016-3-131-142], является переход на тонкопленочные нанотранзисторы в структурах кремния-на-изоляторе (КНИ).
ИФП СО РАН обладает экспериментальной линейкой и запатентованной технологией изготовления пластин кремния-на-изоляторе (КНИ) и кремния-на-сапфире (КНС), известной в России и за рубежом под названием DeleCut. Отличительной особенностью технологии явилось получение и исследование транспортных и квантово-размерных эффектов сверхтонкого слоя кремния до единиц нанометров, что особенно важно при переходе к 10 нм проектным нормам и к частотам переключений до единиц терагерц. Результаты опубликованы в ~100 статьях и приглашенных докладах в ведущих изданиях. На основе метода DeleCut разработана технология получения сверхтонких гетероструктур-на-изоляторе (ГНИ). В качестве гетероструктур могут быть гетеропары алмаз/кремний, германий/кремний, полупроводниковые соединения III-V/кремний и другие. На технологию получено более полутора десятков российских патентов.
ИФП СО РАН обладает также опытом, технологической линией и запатентованной технологией изготовления КНИ нанотранзисторов с полным обеднением, активно применяемых в электронных биохимических сенсорах с субфемтомольной чувствительностью, благодаря возможности динамической регулировки порогов нанопроволочных КНИ транзисторов. Эти транзисторы объединяют лучшие свойства FD и FinFET конструкций. В 2013 г. компания IBM сообщила о выпуске 12-ядерных процессоров Power8 на основе 22 нм двухзатворных КНИ транзисторов с полным обеднением, пригодных для использования в изделиях ВВСТ, а также 4096-ядерных процессоров для нейроморфных сетей. СБИС на основе КНИ FD транзисторов считаются наиболее перспективными для создания высоконадежных радиационно-стойких ИС благодаря структурному совершенству, иммунитету к электромагнитному импульсу и защелкиванию при воздействии ионизирующего излучения или облучения тяжелыми частицами за счет меньшего, чем у FinFET транзисторов активного объёма и возможности динамической регулировки порогов.
Благодаря прогрессу в области нанотехнологий и материаловедения конденсированных сред физики смогли недавно продемонстрировать ряд новых интеллектуальных устройств с расширенными функциональными возможностями, характерными для нейронных и нейроморфных сетей. Они могут быть чрезвычайно полезными для биоподобных вычислений и симуляции логики обучающихся систем. Нейронные и нейроморфные сети, имитирующие функции мозга, используются в различных областях науки и техники и в настоящее время выполнены в виде программного кода, исполняемого на множестве бинарных процессоров с распараллеливанием по возможности информации.
В связи с перспективностью применения в нейроморфной электронике резистивной памяти (Resistive Random Access Memory - RRAM) её разработкой занимаются все мировые лидеры в производстве кремниевых чипов памяти: Samsung, Hynix, Toshiba, Sony, Fujitsa, Sharp, Elpida, Hewlett Packard, Micron. Только Hewlett Packard имеет более 500 патентов по RRAM. Исследованиями и разработками RRAM занимаются также в некоммерческой компании SEMATECH (Semiconductor Manufacturing Technology), США. SEMATECH – это некоммерческое объединение, созданное для разработки новых технологий и приборов для ведущих полупроводниковых фирм Intel, IBM, Texas Instrument, Hewlett Packard, Micron, Samsung, Toshiba, Global Foundries, TSMS и др. Исследования RRAM, включая их синаптические свойства, интенсивно осуществляются университетами по всему миру: США, Япония, Корея, Китай, Тайвань, Германия, Франция, Великобритания, Италия, Бельгия.
Основными, наиболее значимыми, зарубежными проектами, направленными на исследования и реализацию искусственных когнитивных систем (ИКС) являются:
- программа создания систем нейроморфной электроники SyNAPSE под эгидой DARPA;
- европейский проект моделирования мозга человека «Human Brain Project», реализуемый на базе проекта моделирования кортикальной колонки «Blue Brain Project»;
- проекты разработки вопросно-ответной системы DeepQA «Watson» и проект C2S2 – создания когнитивного компьютера корпорации IBM;
- программа агентства проектов разведки США IARPA «Интеграция когнитивных и нейроархитектур для самостоятельного машинного понимания» («ICARUS»);
- канадский проект «Spaun»;
- проект BICA (Biologically Inspired Cognitive Architectures), проект “Liquid silicon” (DARPA).
Синаптические нанотранзисторы СНТ разрабатываются и исследуются в Стенфордском, Гарвардском и Калифорнийском университетах США, Токийском университете и институтах Тсукубы, германских университете Гётингена и институтах Юлиха, институтах Китайской академии наук, Корейском институте науки и технологий, а также фирмами IBM, Hewlett Packard (США) и Thales, STMicroelectronics (Франция). Задел, накопленный в ИФП СО РАН по изучению проводимости в high-k диэлектриках и созданию ионно-чувствительных КНИ нанотранзисторов, а также по системам обработки визуальной информации на основе мемристров подтвержден публикациями в рейтинговых журналах и выступлениями с приглашенными докладами на российских и международных конференциях.
Этот задел позволяет при условии получения финансирования обеспечить лидирующее положение в мире по исследованиям и разработке нейроморфных вычислительных систем на основе мемристоров и синаптических КНИ транзисторов. В ИФП СО РАН изготовлено свыше 15 тыс. КНИ и КНС пластин диаметром 100 и 150 мм. Они использовались при выполнении как фундаментальных исследований свойств носителей заряда в сверхтонких полупроводниках и гетерограниц неизоструктурных материалов, так и ряда работ по гособоронзаказу для разработки КМОП ИС ВВТ, устойчивых к специальным ВВФ.
Показана их применимость для создания высоконадежных и радиационно-стойких КМОП ИС, сохраняющих работоспособность после доз облучения свыше 10 Мрад и температурах до 300оС. Экспорт технологии DeleCut ограничен, она была внесена в список технологий двойного назначения (Указ Президента от 05.05.04, пункт 11.5.7 «Технологии изготовления посредством сращивания кремниевых пластин со сколом внедрения водородом (технология DeleCut) структур кремний-на-изоляторе (КНИ), разработанных для производства радиационностойких СБИС»).
Конкурирующей технологии Smart Cut французской фирмы SOITEC принадлежит до 80 % мирового рынка производства и продаж КНИ и КНС пластин, который составил в 2015 г. ~0.7 млрд. долл. США при средней цене пластины ~500 долл. США.
Smart Cut технология не позволяет получать нанометровые пленки кремния с разбросом толщины менее чем 5-10%, что неприемлемо для изготовления транзисторов с полным обеднением. Хотя технологические процессы для FD транзисторов c 5-10 нм проектными нормами активно разрабатываются, проблема их применения в системах ВВСТ требует проведения упреждающих исследований по стойкости к внешним воздействующим факторам (ВВФ). Для более эффективных реализаций нейронных сетей требуются новая элементная комплектная база (ЭКБ) с эффектом памяти. Таким свойством обладает мемристор – пассивное устройство, сопротивление которого изменяется при протекании электрического тока (элемент RRAM).
Функционально мемристоры можно разделить на двухуровневые (однобитовые) и многоуровневые (многобитовые).
Одноуровневые устройства могут быть использованы в качестве ячейки быстрой энергонезависимой памяти с большим временем хранения и высокой радиационной стойкостью. Многоуровневые мемристоры позволяют увеличить плотность интеграции энергонезависимой памяти, а также проектировать и создавать системы с параллельным механизмом вычислений, которые необходимы для создания элементной базы адаптивных нейроморфных (когнитивных) сетей. Объединение в одной ячейке, обладающей синаптической пластичностью – подстройкой пиковой временной зависимости (spike-temporal-depending plasticity – STDP) проводимости и возможностью ассоциативного (весового) голосования, пассивного мемристора на основе оксидных плёнок металлов с высокой диэлектрической проницаемостью (high-k диэлектрики) с жидким или твердым электролитом (источником подвижных ионов) в качестве затвора двухзатворного полевого транзистора, позволит в проекте перейти от простых кросс-бар матриц к сложнофункциональным логическим элементам, в которых запоминание и обработка информации происходит не только в одной и той же физической ячейке, как мемристорной матрице, но и одновременно во всей перепрограммируемой матрице с распознаванием и самовосстановлением поврежденных участков, что особенно важно для устройств ВВСТ.
Научная значимость данного проекта обусловлена фундаментальными исследованиями свойств новых материалов и гетероструктур с несогласованными решетками, а также развитием методов анализа и обработки больших объёмов информации. Она заключается в решении фундаментальных задач физики твёрдого тела: о свойствах гетерограниц неизоструктурных материалов; о механизме перехода диэлектрических плёнок с высокой диэлектрической проницаемостью (high-k), таких как ZrO2, VO2, Al2O3, HfO2 из высокоомного в низкокоомное состояние и обратно под действием импульса электрического тока и/или подвижных ионов. Данное явление лежит в основе принципа работы приборов нового поколения: энергонезависимой памяти с произвольным доступом – мемристора (или резистивной ФЛЭШ памяти) и синаптического нанотранзистора (СНТ).
Одна из наиболее вероятных моделей резистивного переключения плёнок основывается на (обратимой) структурной перестройке под действием импульса тока, в результате которой происходит формирование проводящего филамента (металлической нанопроволоки диаметром около 10 нм) с переходом из высокоомного состояния в низкоомное (и обратно).
Ключевую роль в данном процессе играют кислородные вакансии и поливакансии в матрице диэлектрика. Однако эта модель не объясняет механизмы формирования промежуточных состояний (то есть состояний с сопротивлением между крайними значениями) в многоуровневых мемристорах, которые наблюдаются в экспериментальных исследованиях структур металл-диэлектрик металл (МДМ) или плавного изменения проводимости в электрохимических ячеек памяти (electrochemical memory - ECM) с ростом поля. Установление природы многоуровнего переключения принципиально важно для разработки нейроморфных систем на основе мемристоров и СНТ.
РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРТИЗЫ
В результате проведенной ведомственной и вневедомственной научно-технической экспертизы определено, что:
- проект является актуальным и соответствует мировым научным трендам и задачам технологического развития;
- уровень проработки представленных материалов не удовлетворительный. В материалах пояснительной записки не приведены ожидаемые количественные характеристики (по рабочим температурам, напряжению, току, быстродействию).
Экспертами рекомендовано развитие проекта вести в рамках программ Минпромторга России при поддержке Минобороны России.
7 июня 2019г.
Источник: ГУНИД Минобороны РФ
Справка
Проработка проектов для достижения целей экспертизы проводилась несколькими методами, а именно эвристическим (заключения экспертов, организаций и заинтересованных органов военного управления), измерительным и регистрационным (проведение апробации или оценочных испытаний).
Перспективные инновационные разработки и технологии предварительно были отобраны специалистами органов военного управления, научно-исследовательских организаций и военно-учебных заведений Минобороны России в период проведения форума "АРМИЯ".
Посмотреть подборку проектов можно в блоге ГУНИД Минобороны на нашем сайте.
