ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΗΝ ΜΙΚΡΟ ΚΑΙ ΝΑΝΟ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗ: ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΣΤΑ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ Νίκος Κονοφάος, Επίκουρος Καθηγητής στην Σχολή Θετικών Επιστημών του Πανεπιστημίου Αιγαίου. ΕΙΣΑΓΩΓΗ: ΝΑΝΟΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ Τα τελευταία δεκαπέντε περίπου χρόνια, στην επιστημονική κοινότητα και όχι μόνο, βρίσκεται σε εξέλιξη και μάλιστα στα αρχικά της στάδια, μια από τις σημαντικότερες επαναστάσεις στον χώρο των επιστημών και της τεχνολογίας, που ακούει στο όνομα Νανοτεχνολογία. Με τον όρο αυτό αναφέρονται οι τεχνικές καθώς και η επιστημονική τους θεμελίωση, που αφορούν την μελέτη των ιδιοτήτων των υλικών στην κλίμακα των ατόμων και των μορίων (νανοκλίμακα). Η κλίμακα αυτή, αφορά διαστάσεις της τάξης μεγέθους του ενός δισεκατομμυριοστού του μέτρου (10-9 m), που επιστημονικά αναφέρεται ως νανόμετρο (nanometer, σύμβολο nm) και προέρχεται από την ελληνική λέξη νάνος, δηλαδή πολύ μικρός. Αν θέλουμε να αντιληφθούμε καλύτερα για το τι μεγέθη αντιπροσωπεύουν αυτές οι διαστάσεις, αξίζει να αναφερθεί ότι μια ανθρώπινη τρίχα έχει περίπου πλάτος ίσο με 80.000 nm ενώ ένα ερυθρό κύτταρο αίματος περίπου 7000 nm. Στο σχήμα 1, αποτυπώνεται ακριβώς η νανοκλίμακα, σε αντιδιαστολή με άλλες κλίμακας μεγέθους, ενώ στην εικόνα φαίνονται και οι διαστάσεις χαρακτηριστικών αντικειμένων για καλύτερη αντίληψη της σχέσης μεταξύ των μεγεθών. Ειδικότερα για τον σαφή προσδιορισμό της Νανοτεχνολογίας, έχει επικρατήσει ότι αυτή αφορά διαστάσεις από το ένα έως τα εκατό νανόμετρα (1-100 nm). Ο όρος Νανοεπιστήμες, αναφέρεται στις επιστημονικές αρχές καθώς και σε νέες ιδιότητες που μπορούμε να κατανοήσουμε και να γνωρίσουμε σε βάθος εργαζόμενοι στο πεδίο της Νανοκλίμακας. Τέτοιες ιδιότητες μπορούμε εν συνεχεία να τις εκμεταλλευόμαστε, με σκοπό την ανάπτυξη νέων υλικών, διατάξεων συστημάτων και συσκευών καθώς και εφαρμογών τους. Η Νανοεπιστήμη χαρακτηρίζεται συχνά ως οριζόντια, αφού ουσιαστικά μπορεί να εισχωρεί σε όλους τους τομείς της τεχνολογίας. Η ίδια η φύση της Νανοεπιστήμης συμβάλλει στην προσέγγιση διαφόρων πεδίων της επιστήμης, και οδηγεί συνεχώς σε καινοτομίες που συμβάλουν στην αντιμετώπιση πολλών από τα προβλήματα με τα οποία βρίσκεται σήμερα αντιμέτωπη η επιστημονική και όχι μόνο κοινότητα, με αποτέλεσμα την στενή και αποδοτική συνεργασία επιστημόνων από διαφορετικές περιοχές, που ακόμα και η συνεργασία μεταξύ τους πριν μερικά χρόνια φαινόταν ως αδιανόητη. Χαρακτηριστικά παραδείγματα η συνεργασία των επιστημονικών κλάδων της Βιολογίας, της Φυσικής και της Πληροφορικής κάτω από μία κοινή επιστημονική πλατφόρμα για την δημιουργία και ανάπτυξη νέων διαγνωστικών εργαλείων για πολλές ασθένειες, αλλά συνάμα και την συνεργασία των ίδιων επιστημονικών κλάδων για την ανάπτυξη προηγμένων υπολογιστικών συστημάτων! Άλλο χαρακτηριστικό παράδειγμα, η συνεργασία Φυσικής, Ιατρικής, Φαρμακευτικής, Πληροφορικής και Ηλεκτρονικής για την δημιουργία διατάξεων που θα μπορούν να αποδίδουν τα φάρμακα στο ακριβές σημείο που παρουσιάζεται η παθογένεια για να καταπολεμούν αποτελεσματικότερα τις ασθένειες (ο αγγλικός όρος είναι drug delivery). Ο κατάλογος αυτών των διεπιστημονικών συνεργασιών καθώς και των αποτελεσμάτων τους είναι ήδη μεγάλος και συνεχώς διευρύνεται, θα αποτελεί δε στο μέλλον τον κανόνα για την επιστημονική πρόοδο και ανάπτυξη.
ΣΧΗΜΑ 1. Η νανοκλίμακα. Μέχρι σήμερα, η Νανοτεχνολογία έχει καθιερωθεί να περιγράφεται ως χωρισμένη σε τρεις κύριους τομείς που δρουν είτε ανεξάρτητα μεταξύ τους είτε σε συνεργασία, ενώ φυσικά παρουσιάζουν και πολλές επικαλύψεις. Οι τρεις αυτοί τομείς είναι οι: Η Νανοηλεκτρονική, η οποία αποτελεί συνέχεια της Μικροηλεκτρονικής Τα Νανοϋλικά, η μελέτη των οποίων επιτρέπει την ανάπτυξη και αξιοποίηση νέων δομών με ποικίλες εφαρμογές. Η Νανοβιοτεχνολογία, η οποία αποτελεί συνδυασμό της μηχανικής με τη βιολογία. Η Νανοηλεκτρονική, είναι ο κλάδος της Νανοτεχνολογίας στον οποίο αυτή συναντά την πληροφορική και αναμένεται να αλλάξει ακόμα περισσότερο την ζωή μας ενώ θα τροφοδοτήσει την επιστημονική κοινότητα με πλήθος νέων ανακαλύψεων τα επόμενα χρόνια. Το πώς και το γιατί, παρουσιάζεται στις παρακάτω παραγράφους. Ο όρος «Νανοηλεκτρονική» περιλαμβάνει δύο συνθετικά, το πρόθεμα «νάνο» και την λέξη «ηλεκτρονική». Το τι σημαίνει τι πρόθεμα νανο αναλύθηκε στις προηγούμενες παραγράφους. Για να γίνει όμως κατανοητός ο όρος Νανοηλεκτρονική θα πρέπει να εξηγηθεί σωστά και όρος «Ηλεκτρονική». ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗ & ΜΙΚΡΟΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗ Η Ηλεκτρονική ορίζεται σωστά ως: «Το σύνολο των τεχνικών που χρησιμοποιούν τις μεταβολές ηλεκτρικών μεγεθών (π.χ. ηλεκτρομαγνητικών πεδίων, πληθυσμών φωτονίων, ηλεκτρικών φορέων κ.α.) για να συλλάβουν, να διαβιβάσουν και να εκμεταλλευτούν μια πληροφορία». Ο παραπάνω ορισμός βγάζει την ηλεκτρονική από τον περιορισμένο κόσμο των κυκλωμάτων, των ηλεκτρονικών διατάξεων, των καλωδίων και των αντιστάσεων, και την ανάγει στην τεχνολογία της πληροφορίας, κάνοντας ακριβώς την έννοια της πληροφορίας τον κεντρικό πυρήνα ανάπτυξης της ηλεκτρονικής τις τελευταίες δεκαετίες. Η πληροφορία ως έννοια, αποκτά φυσική σημασία και παύει να είναι μόνο μια μαθηματική οντότητα. Επίσης, η πληροφορία μπορεί να παρασταθεί είτε με έναν συνεχή τρόπο, τον «αναλογικό», είτε με έναν τρόπο που αποκαλείται «ψηφιακός» και που βασίζεται στην δυνατότητα χρήσης δύο μόνο αριθμών, ενός «μικρού» και ενός «μεγάλου». Συγκεκριμένα,
στον ψηφιακό τρόπο, η πληροφορία μπορεί να αναπαρίσταται με την βοήθεια δυο μόνο αριθμών, του λογικού «0» και του λογικού «1» (τα γνωστά μας bit). Με την βοήθειά τους και με χρήση ειδικής άλγεβρας, της λεγόμενης «άλγεβρας Boole» καθώς και κανόνων επεξεργασίας σήματος (όπως λ.χ. ο κανόνας δειγματοληψίας του Shannon) μπορούμε να «ψηφιοποιούμε» κάθε πληροφορία γύρω μας. Η πληροφορία ως φυσικό μέγεθος αναπαρίσταται ακριβώς με την μεταβολή ενός φυσικού ηλεκτρομαγνητικού μεγέθους, όπως μιας τάσης ή ενός ρεύματος, όπου η αντιστοίχηση με τον ψηφιακό κόσμο του 0 και το 1 γίνεται απλά με την αντιστοίχηση λ.χ. σε μία υψηλή (λογικό 1) και σε μία χαμηλή (λογικό 0) τιμή της τάσης. Γενικεύοντας, μπορούμε να απεικονίσουμε οποιαδήποτε πληροφορία κάνοντας χρήση δύο δυνατών καταστάσεων, που διαφέρουν με διακριτό τρόπο η μία ως προς την άλλη και που με την σειρά τους μπορούν να αντιστοιχηθούν με φυσικά ηλεκτρομαγνητικά μεγέθη. Χρησιμοποιώντας τις γνώσεις που μας παρέχει η επιστήμη της Φυσικής γύρω από τις ιδιότητες των ηλεκτρομαγνητικών αυτών μεγεθών, μαζί με την τεχνολογία που έχουμε αναπτύξει για να τα χρησιμοποιούμε σε πολλούς τομείς, κάνουμε πραγματικότητα ακριβώς αυτό που αναφέρεται στον ορισμό της ηλεκτρονικής, δηλαδή διαβιβάζουμε, συλλέγουμε και αποθηκεύουμε την πληροφορία. Η τεχνολογία μας έχει δώσει τα εργαλεία για να πραγματοποιούμε τα παραπάνω και αυτά είναι τα στοιχεία των κυκλωμάτων, που ονομάζονται είτε παθητικά (αντιστάσεις, πυκνωτές, πηνία) ή ενεργητικά (τρανζίστορ, δίοδοι, οπτοηλεκτρονικές διατάξεις). Τα ενεργητικά στοιχεία είναι διατάξεις που αποτελούνται από ημιαγωγούς. Οι ημιαγωγοί είναι στοιχεία ή ενώσεις στοιχείων του περιοδικού πίνακα, των οποίων η ειδική αντίσταση, είναι σημαντικά μικρότερη από αυτήν των μονωτών, αλλά υπολείπεται επίσης αρκετά από αυτήν των μετάλλων. Γνωστοί ημιαγωγοί είναι τα στοιχεία πυρίτιο (Si) και γερμάνιο (Ge) αλλά και οι ενώσεις Αρσενικούχο Γάλιο (GaAs), Φωσφίδιο του Ινδίου (InP) κ.α. Η πιο σημαντική ιδιότητα των ημιαγωγών είναι η ύπαρξη σε αυτούς δύο ειδών φορέων ηλεκτρικού ρεύματος, των ηλεκτρονίων και των ονομαζόμενων «οπών». Οι οπές, σε αντιδιαστολή με τα ηλεκτρόνια είναι φορείς θετικού φορτίου, με απόλυτη τιμή ίση με αυτή του φορτίου του ηλεκτρονίου. Οι ημιαγωγοί μπορούν με συγκεκριμένη διαδικασία να αποκτήσουν περίσσεια ηλεκτρικών φορέων είτε του ενός είτε του άλλου είδους και κατηγοριοποιούνται σε ημιαγωγούς τύπου n (n-type semiconductors), από το αγγλικό negative (αρνητικό), στους οποίους η συγκέντρωση των ηλεκτρονίων είναι μεγαλύτερη αυτής των οπών, και σε τύπου p (p-type semiconductors) από το αγγλικό positive (θετικό), στους οποίους η συγκέντρωση των οπών είναι μεγαλύτερη αυτής των ηλεκτρονίων. Είναι ακριβώς αυτή η ιδιότητα των ημιαγωγών που τους καθιστά χρήσιμους στην ηλεκτρονική τεχνολογία, αφού αυτός ο δυϊσμός επιτρέπει τον έλεγχο ρευμάτων σε διατάξεις που περιέχουν ημιαγωγούς με χρήση κατάλληλων τάσεων και γεωμετρικών χαρακτηριστικών των διατάξεων αυτών (δηλαδή των φυσικών τους διαστάσεων). Η πλήρης κατανόηση των ιδιοτήτων των ημιαγωγών μπορεί να γίνει μόνο με χρήση της κβαντικής Φυσικής και συνδέεται άμεσα με την δομή του υλικού και τις οπτικές και ηλεκτρικές του ιδιότητες. Με συνδυασμό των παθητικών και των ενεργητικών στοιχείων, μαζί και με πηγές τάσης ή ρεύματος, δημιουργούνται τα ηλεκτρονικά κυκλώματα, τα οποία με την σειρά τους, με κατάλληλους συνδυασμούς μας δίνουν τα ηλεκτρονικά συστήματα. Ειδικότερα, ο ψηφιακός κόσμος, δεν είναι τίποτε άλλο από το σύνολο των εργαλείων που μας παρέχονται για να πραγματοποιήσουμε την ηλεκτρονική τεχνολογία με ψηφιακό τρόπο. Αποτελείται από ένα σύνολο τέτοιων εργαλείων, που είναι γνωστά ως: λογικές πύλες, λογικά κυκλώματα και συστήματα. Βασικό δομικό στοιχείο αυτών μέχρι σήμερα είναι η πιο σημαντική ηλεκτρονική διάταξη ημιαγωγών που είναι γνωστή ως «τρανζίστορ» (transistor,
από τα αρχικά ακρωνύμια της φράσης transfer resistor). Κάθε τρανζίστορ, δρα ως ένας πολύ γρήγορος διακόπτης, που μπορεί να δίνει δύο δυνατές καταστάσεις που αντιστοιχούν στα λογικά bit, 1 και 0: Ανοικτός διακόπτης = 0, Κλειστός διακόπτης = 1. Άρα μια συνδεσμολογία τέτοιων διακοπτών μπορεί να δώσει πολλούς τέτοιους συνδυασμούς των 0 και 1 καθώς και πράξεις μεταξύ τους δημιουργώντας έτσι τα λογικά κυκλώματα. Τα τρανζίστορ χωρίζονται σε δύο μεγάλες κατηγορίες, τα διπολικά τρανζίστορ επαφής (Bipolar Junction Transistor BJT), και τα τρανζίστορ εκπομπής πεδίου (Field Effect Transistor FET), τα οποία με την σειρά τους χωρίζονται σε άλλες υποκατηγορίες, με σημαντικότερη αυτών τα FET Μετάλλου-Οξειδίου-Ημιαγωγού (Metal-Oxide- Semiconductor FET MOSFET). Τα τελευταία είναι τα βασικά δομικά στοιχεία των σύγχρονων Μικροεπεξεργαστών καθώς και των κυκλωμάτων μνήμης των προσωπικών υπολογιστών. Τα διπολικά τρανζίστορ χρησιμοποιούνται κυρίως σε αναλογικά κυκλώματα και σε εξεζητημένα λογικά. Αποτελούνται από ημιαγωγούς n-τύπου και p-τύπου ενωμένους μεταξύ τους σε δομή είτε npn είτε pnp και σε κάθε ημιαγωγό συνδέεται ένα μεταλλικό ηλεκτρόδιο, δημιουργώντας σε κάθε διάταξη τρανζίστορ τρεις διακριτές περιοχές που ονομάζονται Εκπομπός, Βάση και Συλλέκτης. Ηλεκτρικό ρεύμα μπορεί να ρέει διαμέσου της διάταξης αυτής υπό συγκεκριμένες συνθήκες πόλωσης και ο έλεγχος της ροής του ρεύματος αυτού μας επιτρέπει να χρησιμοποιούμε το διπολικό τρανζίστορ είτε ως ενισχυτή είτε ως διακόπτη σε αναλογικά ή και ψηφιακά κυκλώματα. Το πρώτο διπολικό τρανζίστορ κατασκευάστηκε στα Bell Telephone Laboratories των ΗΠΑ, το 1948 και οι εφευρέτες του, John Bardeen, Walter Brattain, William Shockley, πήραν το βραβείο Νόμπελ Φυσικής to 1956 για το επίτευγμά τους αυτό. Τα MOSFET αποτελούνται από διαδοχικά στρώματα μετάλλου, οξειδίου και ημιαγωγού, από εκεί δε αντλούν και την ονομασία τους όπως αναφέρθηκε παραπάνω. Δημιουργούνται σε ένα βασικό κομμάτι ημιαγωγού, συνήθως p-τύπου, που ονομάζεται υπόστρωμα και με χρήση μιας εξειδικευμένης τεχνικής δημιουργούνται δύο καθορισμένες περιοχές n-τύπου σε συγκεκριμένη απόσταση μεταξύ τους, ενώ επάνω από το διάκενο που σχηματίζουν εναποτίθεται ένα λεπτό στρώμα οξειδίου και στην συνέχεια, επάνω στις περιοχές n-τύπου και στο οξείδιο τοποθετούνται μεταλλικά ηλεκτρόδια δημιουργώντας τρεις ευδιάκριτες περιοχές που ονομάζονται Πηγή, Πύλη και Απαγωγός ή Υποδοχή. Τα πιο συνηθισμένα συστατικά είναι για μεν τον ημιαγωγό το πυρίτιο (Si), για το οξείδιο το διοξείδιο του πυριτίου (SiO 2 ) και για το μέταλλο είτε το Αλουμίνιο (Al) είτε μια μορφή εκφυλισμένου πυριτίου που ονομάζεται πολύ-πυρίτιο (polysilicon). Η χώρος μεταξύ της Πηγής και του Απαγωγού κάτω από το οξείδιο ονομάζεται κανάλι, και το μήκος του είναι χαρακτηριστικό μέγεθος που μετράται σε νανόμετρα (nm). Ηλεκτρικό ρεύμα μπορεί να ρέει διαμέσου της καναλιού υπό συγκεκριμένες συνθήκες πόλωσης και ο έλεγχος της ροής του ρεύματος αυτού γίνεται ελέγχοντας την τάση που εφαρμόζεται στο ηλεκτρόδιο της πύλης. Αυτή η ιδιότητα του τρανζίστορ μας επιτρέπει να χρησιμοποιούμε το MOSFET είτε ως ενισχυτή σε αναλογικά είτε ως διακόπτη στα ψηφιακά κυκλώματα. Πρέπει να τονιστεί εδώ ότι το MOSFET είναι μια διάταξη της οποίας οι ιδιότητες συνδέονται άμεσα με τις γεωμετρικές διαστάσεις της και κυρίως με το μήκος του καναλιού (σύμβολο L). Είναι ακριβώς το μέγεθος αυτού του καναλιού που χαρακτηρίζει τις διαφορετικές γενιές τεχνολογίας των κυκλωμάτων που αποτελούνται από MOSFET. Το ρεύμα που ρέει στο MOSFET είναι μονοπολικό, δηλαδή οφείλεται είτε σε ροή οπών είτε σε ροή ηλεκτρονίων, και αντίστοιχα υπάρχουν τα PMOS και τα NMOS τρανζίστορ. Η σύγχρονη ηλεκτρονική τεχνολογία χρησιμοποιεί κυκλώματα που αποτελούνται από «ζεύγη» NMOS-PMOS, που δρουν συμπληρωματικά το ένα ως προς το άλλο και ονομάζονται CMOS (Complementary MOS). Η τεχνολογία CMOS είναι σήμερα η βάση όλων των κυκλωμάτων της ψηφιακής λογικής.
Η βασική δομή ενός Διπολικού Τρανζίστορ Επαφής (BJT) και ενός Τρανζίστορ Επίδρασης πεδίου MOSFET παρουσιάζονται στο σχήμα 2. Επιπλέον, στο ίδιο σχήμα φαίνονται οι πραγματικές διαστάσεις αυτών, για την παρωχημένη τεχνολογία των 180 nm, από διατάξεις που «φωτογραφήθηκαν» το 2003. Σήμερα ο τελευταίος Pentium 4 είναι κατασκευασμένος στην τεχνολογία των 27 nm, δηλαδή το χαρακτηριστικό μέγεθος του MOSFET έχει μειωθεί στο 1/6 μέσα σε 8 περίπου χρόνια! BJT MOSFET ΣΧΗΜΑ 2. Οι δύο τύποι τρανζίστορ. Επιπλέον, εκτός των τρανζίστορ, υπάρχουν και οι ηλεκτρονικές δίοδοι, οι οποίες είναι απλές επαφές n-τύπου/p-τύπου ημιαγωγών μαζί με τα μεταλλικά ηλεκτρόδια, οι οποίες χρησιμοποιούνται σε διάφορες εφαρμογές (π.χ. σε κυκλώματα ανόρθωσης) καθώς και τα οπτοηλεκτρονικά στοιχεία. Τα τελευταία είναι διατάξεις ημιαγωγών που μπορούν να αλληλεπιδράσουν με το φως και να μας δώσουν είτε πομπούς φωτός (π.χ. laser ημιαγωγών, φωτο-εκπέμπουσες δίοδοι LED) είτε ανιχνευτές φωτός (π.χ. φωτοδίοδοι). Επίσης μερικά από αυτά τα στοιχεία μπορούν να μετατρέψουν το φως σε ηλεκτρικό ρεύμα, μια ιδιότητα που χρησιμοποιούμε στην κατασκευή των Φωτοβολταϊκών Στοιχείων. Ο κλάδος της Ηλεκτρονικής που ασχολείται με την αλληλεπίδραση του φωτός με τους ημιαγωγούς ονομάζεται «Οπτοηλεκτρονική». Για την επίτευξη υψηλής απόδοσης ηλεκτρονικών κυκλωμάτων, αναπτύχθηκαν τα τελευταία 40 χρόνια οι τεχνολογίες παρασκευής και κατεργασίας των ημιαγωγών, με αποτέλεσμα την δημιουργία κυκλωμάτων που αποτελούνται από εκατομμύρια τρανζίστορ τα οποία και τοποθετούνται σε έναν εξαιρετικά μικρό χώρο δημιουργώντας τα ολοκληρωμένα κυκλώματα (ΟΚ) (Integrated Circuits- IC) πιο γνωστά ως «τσιπ». Η πιο σημαντική ανακάλυψη σχετικά με την δυνατότητα κατασκευής των ΟΚ είναι αυτή της λεγόμενης «Ολοκλήρωσης», που προτάθηκε και διαμορφώθηκε αρχικά το διάστημα 1958-61, με πρωτεργάτη τον βραβευμένο με Νόμπελ Φυσικό Jack Kilby (1923-2005). Η ανακάλυψη αυτή, δίνει τεράστια ώθηση στην ηλεκτρονική τεχνολογία. Σύμφωνα με αυτήν την διαδικασία, τα τσιπ κατασκευάζονται με την τεχνική που είναι γνωστή ως επιπεδική τεχνολογία, η οποία με την σειρά της είναι μια παραλλαγή της τεχνολογίας των λεπτών υμενίων, προσαρμοσμένη στις ιδιαιτερότητες των ημιαγωγών. Βασικός παράγοντας για την επίτευξη καλύτερης, αποδοτικότερης και με αυξημένες επιδόσεις λειτουργίας των τσιπ είναι ο αριθμός των τρανζίστορ που μπορούν να αναπτυχθούν σε ένα τσιπ. Όσο μεγαλύτερος, τόσο πιο πολλές λογικές πράξεις μπορούν να εκτελεστούν στην μονάδα του χρόνου. Για παράδειγμα, όσον αφορά τον χώρο των ηλεκτρονικών υπολογιστών (Η/Υ), η ολοένα αυξανόμενες επιδόσεις των σύγχρονων Η/Υ οφείλονται κυρίως στην δυνατότητα της τεχνολογίας να αυξάνει τον αριθμό των τρανζίστορ στα τσιπ, επιτρέποντας έτσι την πραγματοποίηση περισσότερων λογικών πράξεων. Είναι πολύ γνωστός στην επιστημονική κοινότητα ο «Νόμος του Moore», ενός εκ των ιδρυτών της εταιρίας Intel, ο οποίος είπε ότι: «Ο αριθμός των τρανζίστορ στους μικροεπεξεργαστές θα διπλασιάζεται
κάθε 18 με 24 μήνες». Η φράση αυτή που καταχρηστικά ονομάζεται «νόμος», επαληθεύεται συνεχώς τις τελευταίες δεκαετίες, και το διάγραμμα στο Σχήμα 3 παριστάνει ακριβώς αυτήν την εξέλιξη. Η ορολογία που επικράτησε για την αποτύπωση της εξέλιξης της τεχνολογίας των ΟΚ, φαίνεται στον πίνακα 1. Δεκαετία 1960 Δεκαετία 1970 Δεκαετίες 1970-1980 Δεκαετίες 1980-1990 Δεκαετίες 1990-2000 Μέλλον Πίνακας 1. Ορολογία κατά την χρονολογική εξέλιξη της ολοκλήρωσης. Ολοκλήρωση μικρής κλίμακας (Small scale integration, SSI) Ολοκλήρωση μεσαίας κλίμακας (Medium scale integration, MSI): Ολοκλήρωση μεγάλης κλίμακας (Large scale integration, LSI): Ολοκλήρωση πολύ μεγάλης κλίμακας (Very large scale integration, VLSI): Ολοκλήρωση εξαιρετικά μεγάλης κλίμακας (Ultralarge scale integration, ULSΙ): Ολοκλήρωση γιγαντιαίας κλίμακας (Giga scale integration, GSI): Το τσιπ περιέχει έναν αριθμό τρανζίστορ αλλά όχι εκατοντάδες. Το τσιπ περιέχει εκατοντάδες τρανζίστορ αλλά όχι χιλιάδες. Το τσιπ αποτελείται από χιλιάδες τρανζίστορ αλλά λιγότερα από 100.000. Το τσιπ περιέχει 100.000 ή και περισσότερα τρανζίστορ αλλά όχι περισσότερα από 1.000.000. Το τσιπ έχει περισσότερο από 1.000.000 τρανζίστορ αλλά λιγότερο από 1.000.000.000. Το τσιπ περιέχει περισσότερα από 1.000.000.000. τρανζίστορ αλλά λιγότερο από 1.000.000.000.000. Η επιστημονική μεθοδολογία, η τεχνολογία με την οποία τα παραπάνω γίνονται εφικτά, καθώς και η μελέτη των διατάξεων, κυκλωμάτων και συστημάτων που δημιουργούνται, έχει καθιερωθεί τα τελευταία σαράντα περίπου χρόνια να αποδίδονται με τον όρο «Μικροηλεκτρονική». Το πρόθεμα «Μικρο», που στα ελληνικά είναι σχετικά αυτονόητο όσον αφορά την εξήγησή του, προέρχεται από το γεγονός ότι τα ηλεκτρονικά στοιχεία που αποτελούν τα κυκλώματα, ήταν δυνατόν να κατασκευαστούν σε πολύ μικρή κλίμακα, κάνοντας χρήση της επιπεδικής τεχνολογίας που εκμεταλλεύεται τις φυσικές ιδιότητες των ημιαγωγών. Άμεσο αποτέλεσμα της εξέλιξης της Μικροηλεκτρονικής, ήταν να μικρύνει εντυπωσιακά το μέγεθος των ηλεκτρονικών συσκευών και να αυξάνονται ραγδαία οι εφαρμογές με αντίκρισμα στην καθημερινή μας ζωή, με επιπλέον μια εντυπωσιακή μείωση του κόστους των συσκευών αυτών. Αν σκεφτούμε τον όγκο και τις δυνατότητες των ραδιοφώνων της δεκαετίας του 60 και τα συγκρίνουμε με τις δυνατότητες των κινητών τηλεφώνων που ενσωματώνουν δεκάδες λειτουργίες περιλαμβανομένης αυτής του ραδιοφώνου, μπορούμε εύκολα να συμπεράνουμε την πρόοδο που έχει γίνει τις τελευταίες δεκαετίες στον τομέα της ηλεκτρονικής τεχνολογίας. Επιπλέον των ψηφιακών εφαρμογών, η Μικροηλεκτρονική έχει προσφέρει σημαντικά και σε άλλους τομείς όπως αυτής των ήπιων μορφών ενέργειας με την δημιουργία των Φωτοβολταϊκών Συστημάτων αλλά και των αισθητήρων, με την δημιουργία βελτιωμένων αισθητήρων βλαβερών αερίων, βιο-αισθητήρων με δυνατότητες μέτρησης μεγεθών όπως της πίεσης του αίματος κλπ. Ειδικά την σημερινή εποχή, που η ανάγκη για την ανάπτυξη της πράσινης ενέργειας και της χρήσης ανανεώσιμων πηγών, η σημασία της χρήσης των Φωτοβολταϊκών Συστημάτων έχει αποκτήσει τεράστια σημασία και η έρευνα στον τομέα αυτό είναι αυτήν την στιγμή από τις πιο εντατικές στον χώρο της σημερινής Νανοηλεκτρονικής.
ΣΧΗΜΑ 3. Ο Νόμος του Moore. Αποτέλεσμα όλων των παραπάνω δεν ήταν μόνο η τεχνολογική εξέλιξη, αλλά και η ραγδαία ανάπτυξη των γνώσεών μας σχετικά με τους ημιαγωγούς, την κατανόηση των ιδιοτήτων τους και της συμπεριφοράς τους. Ήταν ακριβώς αυτή η νέα γνώση που έδωσε την ώθηση στην Φυσική των Ημιαγωγών, όπου συμβαδίζοντας με την αντίστοιχη τεχνολογία σε μία αρμονική αλληλεπίδραση, έδωσε και δίνει εντυπωσιακά αποτελέσματα ανοίγοντας νέους ορίζοντες στην έρευνα, και συμβάλλοντας σημαντικά στην δημιουργία της σημερινής Νανοηλεκτρονικής, που αποτελεί την φυσική συνέχεια της Μικροηλεκτρονικής. ΝΑΝΟΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗ Η Νανοηλεκτρονική είναι ο διάδοχος της Μικροηλεκτρονικής, όπου πλέον οι γνώσεις της Νανοτεχνολογίας συνδυάζονται με γνώσεις από την επιστήμη των Υλικών, την Φυσική της Συμπυκνωμένης Ύλης, την Χημεία και την Ηλεκτρονική, καθιστώντας τον χώρο της Νανοηλεκτρονικής έναν πολύ ελπιδοφόρο επιστημονικό τομέα, ο οποίος ακόμα βρίσκεται σε εμβρυακό στάδιο ανάπτυξης. Σημαντικό ρόλο στην ανάπτυξη της Νανοηλεκτρονικής παίζει η ολοένα αυξανόμενη απαίτηση για την δημιουργία συσκευών τηλεπικοινωνίας, υπολογιστών, οργάνων μετρήσεων διαφόρων ειδών αλλά ακόμα και συσκευών για πολεμική χρήση, οι οποίες θα έχουν δυνατότητες που συνεχώς θα βελτιώνονται και θα ανανεώνονται. Η παγκόσμια αγορά προϊόντων Νανοηλεκτρονικής εκτιμάται σε εκατοντάδες δισεκατομμύρια ευρώ και αποτελεί την κινητήριο δύναμη για την πρόσφατη ανάπτυξη της Νανοτεχνολογίας. Η ανάπτυξη της Νανοηλεκτρονικής, θα κάνει εφικτή την κατασκευή μικρότερων και γρηγορότερων ολοκληρωμένων κυκλωμάτων, οδηγεί στην δημιουργία νέων διατάξεων, (π.χ. τα Νανο-τρανζίστορ) καθώς και στα Νανο-κυκλώματα. Επίσης, θα συμβάλει αποφασιστικά στην δημιουργία φωτοβολταϊκών συστημάτων υψηλής απόδοσης και ηλεκτρονικών κυκλωμάτων χαμηλής κατανάλωσης ενέργειας. Όλα αυτά έχουν πολλαπλές εφαρμογές στην καθημερινή μας ζωή με αποτελέσματα όπως γρηγορότερες επικοινωνίες, νέα πολύ ισχυρά συστήματα αποθήκευσης πληροφορίας, μικρότερα μεγέθη υπολογιστικών συστημάτων, νέες συσκευές πολλαπλών λειτουργιών, συστήματα έξυπνων αισθητήρων, κ.α.. Από την καθαρά επιστημονική σκοπιά, αν και αρκετά νέος κλάδος, η Νανοηλεκτρονική έχει να επιδείξει μέχρι σήμερα μερικά πολύ σημαντικά επιστημονικά επιτεύγματα. Τα πιο σημαντικά, που προέρχονται κυρίως από την αλληλεπίδρασή της με τον χώρο των Νανοϋλικών, και της επιστήμης των μηχανικών Η/Υ είναι:
Η ανάπτυξη της μαγνητικής μνήμης RAM, που τα τελευταία χρόνια έχει αποκτήσει μεγάλο ενδιαφέρον, (MRAM -Magnetic Random Access Memory) που μπορεί να αποθηκεύει και να διατηρεί τα δεδομένα με μαγνητικό τρόπο αλλά και επιτρέπει την εκκίνηση του υπολογιστή άμεσα, όπως εκκινούν οι συσκευές τηλεόρασης.. Η βελτίωση των χαρακτηριστικών των ήδη γνωστών διατάξεων MOSFET είτε με χρήση νέων υλικών ή νέων τεχνολογιών κατασκευής ή νέων δομών των διατάξεων (π.χ. 3G FET, Metal gate FET κλπ) ή με συνδυασμό των παραπάνω. Η συστηματική και εντατική ανάπτυξη των Οργανικών Ηλεκτρονικών, των οποίων οι επιδόσεις έχουν αυξηθεί εντυπωσιακά τα τελευταία πέντε χρόνια, ενώ έχουν καταστήσει εφικτά και τα λεγόμενα «Πτυσσόμενα» Ηλεκτρονικά, όπου ακόμα και οθόνες μπορούν να μεταβάλουν σχήμα και μέγεθος και να διευκολύνεται ο χρήστης. ΣΧΗΜΑ 4. Ένα εύκαμπτο κύκλωμα από οργανικά ηλεκτρονικά. Η εξέλιξη και συνεχής βελτίωση των Μικροηλεκτρομηχανικών και Νανοηλεκτρομηχανικών συστημάτων (Micro-Electro-Mechanical Systems, or MEMS, Nano-Electro-Mechanical Systems, or NEMS). Χρησιμοποιώντας ένα συνδυασμό από μικροηλεκτρονικές τεχνολογίες ημιαγωγών και νανο-κατασκευαστικές διαδικασίες, μηχανικά στοιχεία όπως αισθητήρες και ενεργοποιητές που αντιλαμβάνονται το περιβάλλον χρήσης τους, συνδέονται με την κατάλληλη κυκλωματική διάταξη για να αποτελέσουν μια ολοκληρωμένη μικροσυσκευή. Οι μικροσκοπικές αυτές συσκευές, έχουν ήδη μεγάλη ποικιλία εφαρμογών όπως στους αισθητήρες των αερόσακων στα αυτοκίνητα, σε μικρο-γυροσκόπια (που υπάρχουν ακόμα και στα κινητά τηλέφωνα που έχουν ενσωματωμένο GPS), στα επιταχυνσιόμετρα κλπ.
ΣΧΗΜΑ 5. Μικροσκοπικά γρανάζια από MEMS. Η επιτυχημένη χρήση των ιδιοτήτων της της Γιγαντιαίας Μαγνητοαντίστασης (Giant Magnetoresistance - GMR) στην τεράστια αύξηση της χωρητικότητας των σκληρών δίσκων των Η/Υ. Σήμερα, οι σκληροί δίσκοι νέας γενιάς κατασκευάζονται έχοντας πολλαπλάσιες δυνατότητες αποθήκευσης δεδομένων από αυτούς της προηγούμενης γενιάς χάρη στην αύξηση της διακριτικής ικανότητας των κεφαλών ανάγνωσης/εγγραφής οι οποίες και χρησιμοποιούν έξυπνα τις ιδιότητες της γιγαντιαίας μαγνητοαντίστασης. ΣΧΗΜΑ 6. Βελτιωμένη σύγχρονη κεφαλή ανάγνωσης-εγγραφής μαγνητικού δίσκου που εκμεταλλεύεται την γιγαντιαία μαγνητοαντίσταση για να έχει αυξημένη διακριτική ικανότητα. ` ΤΟ ΜΕΛΛΟΝ Επιπλέον, νέες εφαρμογές και νέες ιδέες δοκιμάζονται καθημερινά στην εξέλιξη της Νανοηλεκτρονικής. Τα πιο σημαντικά από τα θέματα που μελετώνται είναι: Η μελέτη της χρήσης νέων υλικών στην κατασκευή των τρανζίστορ ώστε να εκμεταλλευτούν τις εξαιρετικές ηλεκτρικές ιδιότητες αυτών των προηγμένων υλικών. Τέτοια υλικά είναι σήμερα οι νανοσωλήνες άνθρακα και πιο πρόσφατα το γραφένιο. Οι νανοσωλήνες άνθρακα, που χρησιμοποιούν την δομή του άνθρακα-60, (C 60 ) μιας αλλοτροπικής μορφής του άνθρακα που ανακαλύφθηκε από αστρονομικές παρατηρήσεις το 1985, υπόσχονται πάρα πολλά ως αντικαταστάτες των κλασικών καλωδίων που συνδέουν τα τρανζίστορ στα τσιπ. Οι αγώγιμες ιδιότητές τους είναι τέτοιες που υπόσχονται εξαιρετικές επιδόσεις και ελάχιστη κατανάλωση ενέργειας στο κύκλωμα. Το γραφένιο,
είναι ένα δυσδιάστατο υλικό, που αποτελείται από άτομα άνθρακα σε εξαγωνική δυσδιάστατη συνδεσμολογία, και έχει σημαντικές ηλεκτρικές ιδιότητες που υπόσχονται την δημιουργία τρανζίστορ με εξαιρετικές δυνατότητες. Η ανακάλυψή του θεωρείται από τις σημαντικότερες στην Φυσική της Συμπυκνωμένης ύλης, και γι αυτό τιμήθηκαν με το βραβείο Νόμπελ Φυσικής το 2010 οι Andre Geim και Konstantin Novoselov. ΣΧΗΜΑ 7. Δομή νανοσωλήνων άνθρακα (αριστερά και κέντρο) και γραφένιου (δεξιά). Κοινό χαρακτηριστικό και των δύο, το εξαγωνικό σχήμα των ατόμων άνθρακα που συνθέτουν τα υλικά αυτά. Η μελέτη και ανάπτυξη νέων νανοδιατάξεων με ιδιότητες παραπλήσιες ή/και ανώτερες των σημερινών δομών τρανζίστορ, όπως τα τρανζίστορ μονού ηλεκτρονίου (Single Electron Transistors- SET). Αν και ακόμα αυτή η τεχνολογία έχει πάρα πολλά εμπόδια στην ανάπτυξή της, υπόσχεται πολλά, με κυριότερο την ελαχιστοποίηση της κατανάλωσης ενέργειας στα νανο-κυκλώματα ενώ και η ταχύτητα λειτουργίας θα αυξηθεί σημαντικά. Παραπλήσια αποτελέσματα δημιούργησαν και τα λεγόμενα spintronics, μια νέα γενιά ηλεκτρονικών κυκλωμάτων και διατάξεων, στα οποία οι λογικές πράξεις υλοποιούνται από μεταβολές στα σπιν ειδικά τοποθετημένων ατόμων τα οποία και παίζουν τον ρόλο των διατάξεων που εκτελούν τις λογικές πράξεις. Ο συνδυασμός πολλών από τα παραπάνω με την «κλασσική» Μικροηλεκτρονική, για την παραγωγή υβριδικών συστημάτων. Ήδη υπάρχουν εξελιγμένα κυκλώματα υβριδικών Nano-CMOS ανεπτυγμένα στα λεγόμενα Systems on a Chip, ενώ ήδη μελετώνται και υβριδικά CMOS-SET κυκλώματα με πολύ ενθαρρυντικά αποτελέσματα. Τα πιο εξελιγμένα μέχρι σήμερα είναι τα λεγόμενα υβριδικά CMOL (hybrid CMOS-Molecular), στα οποία οι δύσκολες διαδικασίες των λογικών πράξεων (αναστροφή, γινόμενο, κλπ) τις αναλαμβάνουν κλασσικά CMOS κυκλώματα, και νανο-σύρματα χρησιμοποιούνται μόνο για τις διασυνδέσεις και την δρομολόγηση σήματος. Η υλοποίηση των κβαντικών υπολογιστών που θα επεξεργάζονται δεδομένα με ταχύτητες ασύλληπτες για τα σημερινά δεδομένα. Οι κβαντικοί υπολογιστές είναι ένα μελλοντικό και πολύ επιθυμητό από όλο τον επιστημονικό κόσμο είδος υπολογιστών. Οι υπολογιστές αυτοί δεν θα λειτουργούν σύμφωνα με τους «κλασικούς» νόμους της ηλεκτρονικής, αλλά σύμφωνα με τους νόμους της κβαντικής μηχανικής. Αν χρησιμοποιήσουμε την κβαντομηχανική, τότε τα κλασσικά bit, το λογικό 1 και το λογικό 0 δηλαδή, αντικαθίστανται από τα λεγόμενα κβαντικά bit (quantum bit) ή για συντόμευση qubit, τα οποία, δεν αναπαριστούν την πληροφορία με τη μορφή 0 ή 1 αλλά με 0 και 1 ταυτόχρονα! Η δημιουργία των κβαντικών υπολογιστών είναι ένα όραμα των σημερινών επιστημόνων, και η Νανοηλεκτρονική είναι ένας πολύ ελπιδοφόρος δρόμος για την επίτευξη αυτού του στόχου. Οι κβαντικοί υπολογιστές θα έχουν πρωτοφανή ταχύτητα λειτουργίας, και θα μπορούν να επιλύσουν προβλήματα τα οποία είναι πρακτικά αδύνατον να τα λύσουν οι σημερινοί υπολογιστές. Η μελέτη ακόμα πιο.. εξωτικών και πολύ ισχυρών υπολογιστικών συστημάτων, όπως τα συστήματα που βασίζονται σε βιολογικές δομές (DNA computing). Στα συστήματα αυτά, η επεξεργασία και αποθήκευση πληροφορίας γίνεται σε µοριακό επίπεδο σε
αντίθεση µε τους κλασσικούς σημερινούς ηλεκτρονικούς υπολογιστές όπου το στοιχειώδες τμήμα τους είναι το τρανζίστορ. Τα 4 βασικά συστατικά του DNA (αδενίνη, γουανίνη, θυμίνη και κυτοσίνη, με σύμβολα Α, G, T και C αντίστοιχα), μπορούν να χρησιμοποιηθούν με κατάλληλο τρόπο για την κωδικοποίηση δεδομένων και την επίλυση πολύπλοκων αλγορίθμων και κάτι τέτοιο έχει επιδειχθεί με επιτυχία από τον Adleman το 1998. Οι υπολογιστές DNA σε αντίθεση με τους συμβατικούς έχουν τεράστιες δυνατότητες αποθήκευσης και παράλληλης επεξεργασίας. Η μελέτη της δυνατότητας ανάπτυξης βιοηλεκτρονικών συστημάτων και βιο-συμβατών ηλεκτρονικών διατάξεων. Από αυτά θα δημιουργηθούν βιοαισθητήρες, και νανοσυσκευές που θα μπορούν να βρουν εφαρμογές στην θεραπεία ασθενειών όπως ο καρκίνος και οι καρδιοπάθειες. Οι εν λόγω συσκευές με τη μορφή εμφυτευμάτων θα παρέχουν με ακρίβεια τα φάρμακα στο παθογενές σημείο του οργανισμού, ή θα επιδιορθώνουν προσβεβλημένους ιστούς. ΕΠΙΛΟΓΟΣ Η συνάντηση των διαφορετικών κλάδων της επιστήμης με την Νανοηλεκτρονική εμφανίζεται στο σχήμα, όπου διακρίνεται η διαχρονική εξέλιξη της «συνεργασίας» των κλάδων και η περιοχή αλληλεπίδρασής τους. με αναφορά ως προς το μέγεθος. Η εποχή που βρισκόμαστε σήμερα, διακρίνεται ακριβώς από την «συνάντηση» των διαφόρων κλάδων όσο άλλαζε το μέγεθος (Σχήμα 8). Η τελειοποίηση αυτών των ερευνών αναμένεται να οδηγήσει πραγματικά σε επαναστατικές εφαρμογές με σημαντικές προεκτάσεις στην καθημερινή μας ζωή. Για παράδειγμα, ακόμα είμαστε στην αρχή όσον αφορά την μείωση του όγκου των ηλεκτρονικών συσκευών, όπως οι οθόνες, οι οποίες θα γίνουν τόσο λεπτές, που θα μετριούνται σε χιλιοστά, ενώ ταυτόχρονα θα μπορούν να είναι και διάφανες και αναδιπλούμενες. Παρόμοια επιτεύγματα θα καταγραφούν και σε κλάδους όπως οι τηλεπικοινωνίες και η τηλεματική. Τα κινητά τηλέφωνα θα μικρύνουν περισσότερο και θα φθάσουν το μέγεθος ενός κουμπιού, που θα μπορεί κάλλιστα να φορεθεί στο αυτί. Οι υπολογιστές παλάμης θα αποτελούν ιδιαίτερα κομψά δημιουργήματα και το μέγεθός τους δεν θα είναι μεγαλύτερο από μία πιστωτική κάρτα. Θα ενσωματώνουν δε σχεδόν τα πάντα. Θα είναι τηλέφωνο, υπολογιστής, τηλεόραση, φωτογραφική μηχανή, βιντεοκάμερα, σύστημα πλοήγησης, συσκευή εγγραφής και αναπαραγωγής ήχου κ.ά. ΣΧΗΜΑ 8. Η συνάντηση των επιστημονικών κλάδων στο Νανο-επίπεδο.