Одноэлектроника – одна из новых концепций построения НЭБИ

Одноэлектронные элементы и матрицы памяти

Если в двоичном элементе, изображенном на рис. 4.8.а, островок сделать настолько малым, чтобы он превратился на "квантовую точку" и сформировать под ним металлический затвор З и металлическую шину Ш ( рис. 4.12 слева), то его можно использовать как элемент памяти.

Рис. 4.12. Два возможных варианта реализации логической операции отрицания

В самом деле, в этом случае, как мы объяснили выше с помощью рис. 4.4, туннельные переходы электронов через островок могут свободно происходить лишь в случае подачи на затвор З через металлическую шину Ш определенного напряжения открывания , при котором имеет место резонансное туннелирование электронов. Когда этого напряжения на затворе нет, электроны не могут переходить с одного островка на другой, и состояние двоичного элемента фиксируется, надолго запоминается и сохраняется даже при отсутствии питания. Двоичный элемент описанной структуры становится элементом энергонезависимой памяти.

Справа на рис. 4.12 показан пример организации на таких элементах матрицы так называемой "магазинной" памяти. Вертикальные металлические шины используют в качестве адресных. Для записи информации сначала на все эти шины подают напряжение открывания , при котором электроны получают возможность свободно перемещаться между наноостровками каждого элемента. Затем на крайние справа островки матрицы каждой строки параллельно подают многоразрядный двоичный код, который должен быть записан по адресу "1". Поданное состояние поляризации быстро распространяется вдоль каждой строки, и все элементы вдоль вертикальной адресной шины 1 приходят в состояние, соответствующее поданному коду. Когда с металлической шины 1 напряжение открывания снимается, установленное состояние во всех ячейках памяти, расположенных над этой шиной, запоминается.

Затем на конечные справа островки каждой строки параллельно подают многоразрядный двоичный код, который должен быть записан по адресу "2". Поданное состояние поляризации быстро распространяется вдоль каждой строки, и все элементы вдоль вертикальной адресной шины 2 приходят в состояние, соответствующее поданному коду. Когда с адресной шины 2 напряжение открывания снимается, установленное состояние во всех ячейках памяти, расположенных над этой шиной, запоминается. Состояние элементов вдоль вертикальных шин 1 и 2 уже не может быть изменено. Далее на конечные справа островки каждой строки такт за тактом параллельно подают многоразрядные двоичные коды, которые должны быть записаны по адресам "3", "4", ... "". После снятия напряжения открывания последовательно со всех соответствующих адресных шин, записанные состояния элементов запоминаются.

Считывание информации по адресу "1" можно осуществить в любой момент. Для считывания информации по адресу "2" на металлическую адресную шину 1 надо подать напряжение открывания. Тогда состояние элементов столбика 2 передается на первую вертикальную строку, откуда легко считывается. Для считывания информации по адресу "3" напряжение открывания надо подать на металлические адресные шины 1 и 2. Состояние элементов столбика 3 передается на первую вертикальную строку, откуда считывается. И т.д., пока не будет считана вся информация.

Таким образом, на основе одноэлектронных клеточных автоматов можно построить и довольно сложные логические сети, и оперативную магазинную память, т.е. быстродействующие завершенные многоразрядные одноэлектронные процессоры с минимальным энергопотреблением.

Основные положения лекции 4

Качественные изменения свойств элементов при переходе к нанометровым размерам, многочисленные новые эффекты, наблюдаемые в таких элементах, породили и ряд новых концепций построения наноэлектронной элементной базы информатики. Одна из таких новых концепций – одноэлектроника – базируется на явлениях кулоновской блокады при одноэлектронных туннельных переходах и кулоновского взаимодействия подвижных электрических зарядов.

В одноэлектронном транзисторе (ОЭТ) двойной туннельный переход между истоком и стоком через наноостровок управляется потенциалом на затворе, расположенном рядом с наноостровком. Если на затвор закрытого ОЭТ подавать короткие импульсы напряжения открывания, то можно поштучно пропускать с истока на сток транзистора по одному, по два и т.д. электронов. Физические законы позволяют уменьшить размеры ОЭТ до значений порядка 1 нм и менее, а время переключения из открытого состояния в закрытое и наоборот может быть очень коротким (~10^-11 с). На основе таких транзисторов можно строить разнообразные быстродействующие одноэлектронные схемы.

Когда наноостровок в ОЭТ становится "квантовой точкой", и энергия электронов в нем квантуется, то благодаря резонансному туннелированию транзистор открывается лишь при определенном напряжении на затворе.

Для построения логических схем используют ОЭТ с двумя затворами. Один из них используют как функциональный вход, а на другой подают такое управляющее напряжение, чтобы ОЭТ имитировал поведение КМДП транзистора р-типа или п-типа. На основе таких ОЭТ можно реализовать функционально полную систему логических элементов, подобную логике на КМДП транзисторах. Плотность компоновки таких элементов может достигать свыше миллиарда транзисторов на 1 мм² при суммарном потреблении мощности порядка 10 мВт.

Структура из 5 металлических наноостровков, размещенных так, что электроны могут относительно легко мигрировать через центральный наноостровок на любой из 4 других, ведет себя как элементарный клеточный автомат с двумя устойчивыми состояниями. Такие элементарные автоматы могут переходить из одного состояния в другое под влиянием внешнего электрического поля или благодаря кулоновскому взаимодействию с соседними элементарными автоматами. Это позволяет строить на таких элементарных автоматах линии передачи информации и быстродействующие логические сети одноэлектронных клеточных автоматов. Процессоры из таких элементов тоже могут иметь сверхвысокую плотность компоновки, высокое быстродействие при незначительной потребляемой мощности. Мажоритарный логический элемент на клеточных автоматах перспективен для построения и имитирования поведения нейронных сетей.

Если центральный металлический наноостровок выполнить в виде квантовой точки, то получим миниатюрный быстродействующий элемент памяти. На таких элементах можно строить быстродействующие матричные блоки энергонезависимой магазинной памяти.

Если размеры всех наноостровков становятся настолько малыми, что они превращаются в "квантовые точки", то такие клеточные автоматы демонстрируют уже "квантовое" поведение и описываются волновыми функциями. Квантовые клеточные автоматы могут находиться не только в базовых состояниях "0" и "1", но и во многих других "смешанных" состояниях. Их уже нельзя рассматривать как классический "бит", а надо рассматривать как "кубит". Подробнее об этом будет рассказано в цикле лекций "Наноэлектронная элементная база информатики. Качественно новые направления".

Набор для практики

Вопросы для самоконтроля

• О каких новых концепциях построения наноэлектронной элементной базы информатики Вы уже слышали? Назовите их.
• Из чего состоит одноэлектронный транзистор? Какова его эквивалентная электрическая схема?
• Чем определяется электрический потенциал наноостровка? Напишите соответствующую расчетную формулу.
• Что такое потенциал открывания одноэлектронного транзистора?
• Почему такой транзистор назван "одноэлектронным"?
• Как выглядит топологическая схема одноэлектронного транзистора с двумя затворами? Напишите формулу для расчета электрического потенциала наноостровка в этом случае.
• Как изменяется функционирование одноэлектронного транзистора, когда его центральный наноостровок является квантовой точкой?
• Нарисуйте принципиальную электрическую схему одноэлектронного инвертора и опишите его работу.
• Какие еще логические схемы можно построить на одноэлектронных транзисторах? Приведите принципиальную электрическую схему одного из них и опишите его работу.
• Назовите приблизительные характеристики логики на одноэлектронных транзисторах.
• Что такое "одноэлектронные клеточные автоматы"?
• Из чего состоит элементарный одноэлектронный двоичный автомат?
• Как происходит передача сигнала через линейку одноэлектронных клеточных автоматов?
• Можете ли Вы нарисовать топологию сети одноэлектронных клеточных автоматов, выполняющей работу мажоритарного логического элемента на 3 входа? Нарисуйте и опишите ее работу.
• Какие варианты реализации логического отрицания сетью одноэлектронных клеточных автоматов Вы знаете?
• Какие положительные качества имеет сеть одноэлектронных клеточных автоматов?
• Можно ли построить память из одноэлектронных клеточных автоматов? Расскажите как.