Elektrotechnický ústav SAV

Elektronika včera, dnes a zajtra V. Cambel

Obsah

Úvod – elektronika v IT a ďalších oblastiach

Princíp a história súčiastok: dióda, tranzistor, IO, CMOS, ...

Mooreov zákon a výroba súčiastok

Nanotechnológie, kvantové efekty, 2D materiály,...

Umelá inteligencia

Záver

Test pozornosti počas prednášky - otázky

Elektronika v IT Súčasný stav

vysiela prijíma

Elektronika v ďalších oblastiach

Energetika Bezpečnost

Medicína Mobilita

Životné prostredie

Senzory Detektory Aktuátory

Dióda 1874 50- tranzistor 60- IO

90- iNET 80- PC 70- CPU

2000- Cloud 2010- PC- konzola 2020- kvantový počítač ?

X X

X X X

História elektronických súčiastok

p-Si

kov

senzory a detektory

Dióda – 1874 Karl Ferdinand Braun

Prvý rádioprijímač - G. W. Pickard, patent -Si kryštálkový detektor 1906

p-Si

kov Diódový usmerňovač

Tranzistor – 1947 – objav 20. storočia Polovodičová súčiastka na zosilňovanie /spínanie elektronického signálu

• W. Shockley, J. Bardeen a W. Brattain, AT&T Bell Labs – Nobelova cena 1956

• Shockley zakladá - Shockley Semicond. Lab. (CA, Silicon Valley)

- z nich vzniká Fairchild Semicond. Corp. – zaniká 1968

- vznik Intel a AMD (Advanced Micro Devices)

Zľava Brattain, Shockley a Bardeen

Integrovaný obvod – zosilňovač, procesor, pamäť

1949 - W. Jacobi patentuje IO- podobný polovodičový zosilňovač

1958 - IO objavený J. Kilbym a R. Noyceom (Fairchild, Si)

1959 – patent – K. Lehovec - p-n prechodová izolácia - 1$, Sprague El.

2000 - J. Kilby – NC za objav IO, hoci jeho koncepcia sa nepresadila Poznáš ďalšie významné IO ?

IO Kilby IO Lehovec IMEC 2010

diferenciálny zosilňovač

ADC, DAC, filtre, mixéry, násobiče...

Od IO až k mikroprocesoru a počítaču

1937 – C. Shannon – digitálna elektronika, Booleova algebra

1962 - F. Wanlass, Fairchild - CMOS - n a p MOSFET, ~ 0 W – dodnes

1965 – H. Moore predvída rozvoj CMOS technológie

1966 - R. Dennard (IBM) - DRAM pamäť - kondenzátor, obnova náboja

1971 – Intel - prvý µprocesor 4004. 2 300 tr., 10-µm CMOS

1981 - IBM - prvý PC, µ-procesor Intel 8086, 29 000 tr., 64 kB RAM

2000 - µproc. Pentium IV, Intel, 42 mil. tranzistorov, 0.13-µm CMOS

2014- najviac tranzistorov - 15 jadrový Xeon Ivy Bridge-EX - 4.3 x 109

Ako dlho by pracoval súčasný procesor bez CMOS technológie ?

Počítač - stroj narábajúci s dátami podľa zoznamu inštrukcii

• Analógové počítače priamo modelujú riešenú úlohu - v 60. r. 20. st.

• Digitálne poč. (C.E. Shannon)- info - do dvojkovej číselnej sústavy

• booleovská algebra vykonávaná hradlami elektronických obvodov

• Výsledok výpočtu sa zobrazí na výstupných zariadeníiach - monitor,...

• Alan Turing definoval problémy riešiteľné na počítači, čím položil základy teor. informatiky

Jadrom súčiastok sú polovodiče. Prečo polovodiče a nie napr. kovy ?

Digitálny asistent od firmy Acer PC- IBM PC 5150

Rozdelenie látok podľa vodivosti

Kovy Polovodiče Izolátory

< 3 - 4 eV

Odpor ~ mΩ 1 Ω – 1 MΩ ~ GΩ - TΩ

Odpor Dióda Tranzistor

E B C

- 10 V

FET Tranzistor

Čaro polovodičov – zmena vodivosti vonkajšími podmienkami

• výberom polovodiča

• dotáciami – p, n • svetlom • elektrickým poľom • teplotou, tlakom

Nastavenie vodivosti polovodičov

Načo je dobré, keď sa vodivosť mení s podmienkami ?

Si 1.1 eV GaAs 1.4 eV GaN 3.4 eV

Conduction

Valence

EG

Senzory, detektory !

Vplyv prímesových prvkov – polovodič typu i, p, n

Intrinzický Si

Fermi

level

Conduction

Valence

Dióda

Vonkajší a vnútorný fotoefekt

Fotoelektrický jav (vonkajší fotoefekt) A. Einstein 1905, Nobelova cena 1921

hν ≥ Evýst

hν = EG

Žiarivá rekombinácia

GaAs InN AlAs GaN

Prečo NC za takú „maličkosť“ ?

Vnútorný fotoefekt – páry elektrón-diera, ak:

hν ≥ EG

Fermi level

Conduction

Valence

EG

Ako zabrániť rekombinácii ?

Slnečný článok, LED dióda a laser

Zabudovanie elektrického poľa Oddelenie elektrónov a dier

Slnečný článok

LED

Svietiaca dióda Prúd v priepustnom smere

hν = EG

Kvantová jama v oblasti p-n prechodu !

Laser

Ako zvýšiť žiarivú rekombináciu ?

Charakteristika diódy a jej základné aplikácie

LED, LASER

Slnečný článok

Zenerov stabilizátor

Usmerňovač/demodulátor

vysiela prijíma

Dióda

Elektronika v IT Súčasný stav

Tranzistor a CMOS – logické obvody bez odporov

+

1962 - F. Wanlass, Fairchild - CMOS - n a p MOSFET tranzistor, spotreba ~ 0 – dodnes

100 mW 1 µW

NAND CMOS IO Zhora

Ak viem spraviť NAND hradlo, spravím aj procesor ?

CCD obvody – analogová pamäť - Boyle, Smith, okt. 1969

+10 V +10 V 0 V 0 V

0 V +10 V 0 V 0 V

0 V +10 V +10 V 0 V

0 V 0 V +10 V 0 V

• Rozdelením hradla FET tr. • analogový posuvný register • presadili sa ako snímače svetla • Nobelova cena 2009

Kde sa využívajú analogové registre ?

Pamäte typu DRAM

PIS (polysilicon/SiO2/Si)

• Cez FET tranzistor nabíjame/vybíjame kondenzátor

• Nabitý = log 1, vybitý = log 0

• Periodická obnova stavu, inak sa kond. vybije - dynamická pamäť

1966 - R. Dennard (IBM) - DRAM pamäť - kondenzátor, obnova náboja

Súčasný stav Elektronika a IKT

vysiela prijíma

Tranzistor IO

Proces výroby elektronických obvodov

Proces výroby elektronických obvodov

Prečo práve Si technológia ? Cena – prirodzený oxid - MOS (Si/ SiO2 /poly Si) – málo defektov - na cm2 1015 atómov, chýba jeden !

Mooreov zákon (1965) Počet tranzistorov na jednotku plochy IC bez zvýšenia ceny sa zdvojnásobí každých 18 - 24 mesiacov. Výkon počítačov a ich spotreba sa zdvojnásobuje podobne.

2004

1961 2010

Nod

Nod 10 µm – 1971 6 µm – 1974 3 µm – 1977 1.5 µm – 1982 1 µm – 1985 800 nm – 1989 600 nm – 1994 350 nm – 1995 250 nm – 1997 180 nm – 1999 130 nm – 2001 90 nm – 2004 65 nm – 2006 45 nm – 2008 32 nm – 2010 22 nm – 2012 14 nm – 2014 10 nm – 2016–2017 7 nm – 2018–2019 5 nm – 2020–2021

Procesné kroky a návrhové pravidlá

Rozmer najmenšieho detailu súčiastky

Problémy Si technológie Riešenie

1. Oxid ≤ 3 nm – tunelovanie elektrónov HfO2 od r. 2007

2. Malá vodivosť prepojení – zmeniť poly-Si kov

3. Koncentrácia nosičov v p a n oblastiach GaAs/AlGaAs, SiGe, MoS2, grafén,...

Inovácia technológie tranzistora

- 10 V

Aké sú problémy bioprocesorov ?

Nanotechnológie – tenké vrstvy a ich kombinácie, 2D materiály, znížená dimenzionalita, kvantové efekty

Zmena vlastností materiálu

• Aktívne vrstvy súčiastok už nemusia byť z polovodiča – odporové prepínanie

• Nové súčiastky využívajúce neštandardné efekty – skyrmiónové pamäte

• Význam lokálnych vlastností na atomárnej úrovni - pomocou skenovacích techník

Kryštál – objem polovodiča Vrstva - povrch

NC 2010 - A. Geim, K.Novoselov

Kvantové efekty – tunelovanie a kontrola povrchov

R. Feynman, 1965: „There is plenty room at the bottom“ - experiment, tool

1981 STM, Binning a Rӧhrer, IBM Zürich – 1986 Nobelova cena

STM Využíva kvantový efekt – tunelovanie – častica ako vlna

Princíp Skenovacích sondových mikroskopov

SPM - atomárna presnosť, obrovské polia – elektrické ~ GV/m, magnetické ~ 5 T

Atómy uhlíka HDD SPM litografia HD pamäť

Dimenzionalita – kvantový Hallov jav

QHE odmeraný na FET-e s 2D elektrónmi Nobelova cena – 1985 Klaus von Klitzing

h/e2

Míľniky vývoja umelej inteligencie

• 1952 – A. Samuel (IBM) - prvý šachový program • 1956 – J. McCarthy – pojem „umelá inteligencia“ • 60. r – Program rozumie ľudskej reči a odpovedá • 1961 – V GM – prvý robot

• 1986 – Honda – dvojnohý robot Asimo • 1997 – Deep Blue (IBM) porazil G. Kasparova • 2009 – Google vyvíja samoriadené auto • 2016 – Superpočítač Google AlphaGo porazil majstra sveta I So-dola v hre go

Počítač nerobí vlastnú analýzu a syntézu, nemá stratégiu, intuíciu, empatiu,... !!!

Prenosové rýchlosti 10 MB/s/os

Využitie nových materiálov a ich komb., kvantových efektov, atómov a molekúl

Vývoj kvantového počítača

Obvody z 2D materiálov, nové pamäte, senzory, detektory, MEMS-y,...

Teda: kam kráčaš, elektronika ?

Znalosť fyziky a chémie nutná

Význam SW bude rásť !

Problémy, ktoré vyvoláva elektronizácia

1. Energetika – v r. 2050 pôjde všetka energia na IT

2. Priemysel – do 10 rokov - 4. priemyselná revolúcia

3. Vzdelávanie – čo a ako učiť na školách ?

Elektronika dnes a zajtra – ElÚ SAV Energia Bezpečnost

Medicína Mobilita

Životné prostredie Supravodivé motory Termojadrová fúzia

Fotovoltika

Grafénový senzor rakoviny Rtg detektory žiarenia

Superkapacitory MEMS senzory tlaku, teploty

Pamäte pre IT: - rezistívne - skyrmiónové

Detektor vodíka Detektor THz vĺn

Ďakujem za pozornosť !