автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.05, диссертация на тему:Разработка структур и методик расчета цифровых элементов памяти на высокотемпературных сверхпроводниках

То ОД

I > /¡ИР МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ИНСТИТУТ РАДИОТЕХНИКИ, ЭЛЕКТРОНИКИ И АВТОМАТИКИ (ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ>

На правах рукописи

Петров Андрея Борисович Разработка структур и методик расчета цифровых элементов

памяти яа высокотемпературных сверхпроводниках

Специальность 05.I3.C5 "Элементы я устройства вычислительной техники и систем управления"

Автореферат диссертации на соискание ученой стопени кандидата технических наук

МОСКВА 1994

Работа выполнена на кафедре Кибернетики, Московского государственного института радиотехники, электроники к автоматики (технического университета).

Научный руководитель: ' академик РАН, доктор технических наук, профессор Н.Н.Евтихиэв

Официальные оппоненты:

- доктор физико-математических наук, профессор ГуАанков E.H.

- доктор технических наук, профессор Раев В.К. Ведудая организация: Институт электронных управлящих машин

Защита состоится "_" -_1994 г. в на заседании

диссертационного совета t С ¿J. O.CJ Московского государственного института радиотехники, электроники и автоматики (технического университета) по адресу:II7454, пр-т Вернадского, д.78.

С диссергациэв можно ознакомиться в ОиЗлиотеке МКРЭА. Автореферат разослал ^ 1994г

Ученый сезфетарь диссертационного совета

k.tLh., доц.

Г.К.Хохлов

- з'-

I.ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность работы

Перспективы реального использования достижений в области создания материалов.обладающих свойствами сверхпроводимости, тесно связаны с созданном вычислительных систем. По сравнении с достигнутым в настоящее время уровне» полупроводниковой технологии применение сверхпроводящих материалов обеспечивает следующие преимущества:

1. сниженда в Ю. ..1000 раз потребляемой, а, соответственно , и рассеиваемой мощности, что в своп очередь позволяет создавать устройства с болзе высокой степэныо компоновки (интеграции), а также.что особо важно для бортовых устройств, с более низкой мощность!) источника питания;

2. уменьшениэ потребной площади для реализации одаого элемента, что также повышает плотность компоновки (интеграции), что в свою очередь уменьшает потери на межсоединениях;

3. повышение быстродействия элэмента за счет снижения уровней потенциалов, конструктивных реактивных сопротивления, увеличения скорости переключения из одного состояния в другое за счет применения новых физических принципов.

Задача разработки элементов ЭВМ на ВТСП-матэриалах решается в следующих условиях:

-наличие типовой технологии напыления,травления и других процессов с разрешающей способностью 1-5 мкм;

-наличие отработанного состава ВТСП-материзлз, знанш его физических и иных,необходимых для разработки элемента,свойств;

-наличие теории по создзнию устройств с использованиэм низкотемпературных СП-материалов, опытных результатов по

- 4 -

использование! ВТСП-материалов;

-отсутствиэ ■строгой теории, объясняющая эффект ВТСП, тре-Оававия к геометрии к структуре даозвфсоновскюг контактов, а такие влгрввые яаяэния в сверхпроводника!;

-гониманиэ поискового характера работы и вероятностный характер нахождения ратания.

Вариантвость при разрасстке элементов с применением ВТСП-взтвриалов возникает в физических свойствах материала, в технологии ЕвгатавлзЕия элементов на основе ВТСП-материалов, в структуре и физически! принципах, прииеняекьех в зла менте памяти.

Вариантность в выборе физических свойств ВТСП-материалов моиет Оыть в выборе, определяемом тэмтратуроя шрехода в сверхпроводящее состояние;плотностью критического тока материала; временной и текшратурнов не стабильностью, анизотропность», структурой и составом материала.

Вариантность выЗора технологии изготовдэния зжкантов на основе ВТСП-мзтериалов связана с разрешавщей способностью технологии. Разрешающая способность технологии, которая имеется в настоящее время, позволяет создавать структуры контактов только с использованием дополнительных приемов, С другой стороны, возможно ожиданиэ разработки новой технологии с более .высокими параметрами.

Вариантность выбора структуры к физических принципов, реализуемых в аюментах ЭВМ может быть в следующем:

а) построение элементов памяти на основе регистров;

б) построение элементов памяти на основе ячеек,в том числе на основе одиночных квантов, криотрона, параметрического квант-

- ь -

рона, даозефсоновскоя туннельной логики, сочетания магнитного управдвния и инжекции, неппсрэдетзенЕЫГ связан,, резистивных связея.

в) построеяуэ элементов памяти на основе вихрей.

Таким образом, развитиэ данного направления злэгантнся базы вычислительно!! техники являэтся актуальной проблэиаа я трзОувт дальнейшего исследования. для которого нвобходаяа разработка методик расчета ВТСП-алэнентсв.

Цель работы

Озлыо настоящэа работы являлась разработка методик расчета ааэмэнтов ВТ, в том числе и элементов паи яти, рэ авизованных с применениэн разлитых ВТСП-технология.

Предмет исследования

Предавтои исследования являлись злэмвнта памяти ВТ, выполненные на основе ВТСП-нагаризлов.

Задачи исследования

К задачам, решаемым в продассе исследования, прздставден-ного в настоядаа работе, относятся:

- анализ возможностей построения и выбор типа логика,-(принципа реализации) ВТСП-элемента памяти,

- проведение анализа специфики реализации структур ВТСП-злэмвитов на основе различных технология, выбор вида технологии в зависимости от области применения БТСП-эдэкента,

- 6 -

- разработка методик расчета ВТСП-элементов, в ток числе расчета геометрических, электрически!, энергетических и других его характеристик,

- опоеделение условна, определяющих устойчивость ВТСП-алвмвнта.

Методы исследования

При решении поставленных задач использовался математический аппарат теории шгои, теория устойчивости элементов ВТ в условиях состязания сигналов.

Научная новизна работы

В диссертации представлены оригинальные способы расчета ВГСП-элементов и ш составляющих с точки зрения геометрических, электрических, мощностных параметров, дана оценка предельно достижимой "стегони интеграции, сформулированы условия работы ВТСП-элзнентов с учетом конструктивных задержек в линиях связи и шинах питания с учетом проблемы состязании сигналов.

Приведенные способы является новыми применительно к схемам на основе ВХСП-материалов, актуальными с точки зрения их практического применения разработчиками.

Основные положения, выносимые на защиту К основным положениям, выносимым на защиту, можно

отнести:

1. способы расчета геометрических и злэкгричвских характеристик В1СП-злэмвнтов памяти и их составляших.

2. способ оданхи предельной стэдани интеграции ЗТСП-

схвм,

3. рекомендации по выбору вида технологии реализации структуры дагеефсоновского контакта з зависимости от стэгвнл интеграции ЗТСП-схем и серийности выпуска,

4. способы проектирования информационных шин и шин питания с учетом задэрявк, а. такав изгочки ВТСП-элвментоз с учетом прсбдэиы состязания сигналов.

5. струатуру ВТСП-элемвнта памяти с разрушавший СЧИГЫВа-

ЕИЭМ.

Практическая ценность исследования заключается в слэду-

овж:

1. в создании методик для практического расчета ВТСП-злэ-давтов, их составляющих и схем на их основе;

2. в разработка программного продукта "ЗТСП-паяятъ", позволяющего вести расчет ВТСП-элементов в интерактивном режиме:

3. в разработке принципиальной схемы ВТСП-аяэкентз памяти с разрушающий считыванием.

Внедрение результатов работы

Результаты диссертационной работы внедрены з НИИ "Квант"

- 6 -

(г.Москва), Учебной центре "Новые технологии обучения" (г.Москва), Московском государственном институте радиотехники, электроники и автоматики (техническом университете).

Апробация работы

Основные положения диссертационное работы были представлены и доложены на сдздувдих конференциях:

-Международные научно-технические семинар "Современные проблэмы информационных технологий в народном хозяйстве и образовании", Россия, Москва, РНТОРЭС им. А.С.Попова,1993.

-хь-хх.тт научно-технические конференции МИРЭА, Москва, 1001. 1В82, 1083 гг.

Публикации

По результатам работы опубликовано 6 гочатных работ.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, 4 глав, выводов, списка литературы из наименований и приложений. Диссертация

содержит страниц машинописного текста, таблиц и рисунков.

2.СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертационной работа, формулируются шли и задачи исследования,а также основные положения, выносимые на защиту.

Б оэрвоя главе дан анализ возможностей построения логических элементов и элементов памяти ЭВМ, сравнительная харак-

-я -

теристика различных типов элементов памяти, выполненных аа основе регистров, ячеек на основе одаоквантовоя и туннельной логик, сочетания магнитного управления и инжекции, непосредственных связей, на основе криотронов и параметрических квант-ронов, на основе вихрея.

Глава завершается постановкой задачи разработки методик расчета элементов ВТ.в том числз и элементов памяти, реализованных с применением ВТСП-техвологиЯ.

Во второй главе рассмотрены вопросы выбора структуры реализации даозефсоновских контактов на основе ВТСП-маггериа-дов. описаны особенности каждого вида технологии, сформулированы критерии выбора и проведан анализ возможностей гостроения различного класса устройств ВТ, выполненных по тоя или иной технологии.

Показано, что развипю ВТСП-техналогиа идет как по традашгонному пути, связанному с шреяосом идея ВТСП-техвология на ВТСП-материалыЛЗ-я-Б-тзхнолагия. S-l-5-технологая и мостики на основе микросужевий), а также по новаторскому пути, связанному с поиском новых реализаций организации слабой связи с меньшей, по сравнению с НТСП длшоа. что привело к появлении step-edge, бикристаллическоа и биэпитаксиальной технологий.

Далее рассмотрены структуры, выполненные гш step-edge, s-i-s, S-H-S, бикристаллическса и биэпитаксиальной технологиям. реализующих слабые связи и показаны характеристики таких связаа.

К числу сформулированных критердая выбора вида технологии отнесены:

- критерия прогрессивности.

- 10 -

- критерий технологичности,'

- энергетический критерий.

Отмечено, что любая из предтоменных технологий го характеристикам быстродействия, энергопотребления и анерговыдалвния имеет сравнимый и превосходящий уровень по сравнению с полупроводниковыми материалами.

С точки аренкя технологичности показано, что бикризтадли-ческая технология не позволяет создавать элементы ВТ с высокой интеграцией из-за неэффективного использования ккпщади подложки; step-edge, s-i-s и s-N-s технологии дают низкий выход годных Ж и воспроизводимость наперед заданных параметров, би-криста логическая технология использует специальные типы подло-ивк, изготовление которых является трудоемкой ошрадиаг, вместе с тем, данная технология содержит наименьшее число технологических ошрациг формирования БТСП-тололопги.

С точки зрения вне ртетиче ского критерия показано, что наиболее высокиэ значения характерного напряжения VQ получены дгя Оикристалличвскоя и etep-edge-твхнологий (0,050 мВ), значительно болэе низкие дая s-l-в и Сиашггаксиальнои технологий (0,025 и 0,005 мВ соответственно). Высок» значения Т0 повышают анергию переключения, выделяемую энергию в момент нахождения в резистинном состоянии, что может вызвать тепловой механизм переключения.

Делается вывод о слвдушш сферах применения каждого иг видов технологий:

- создание серийных логических элементов и устройств средний и высокой стешяи интеграции на основе step-edge и эпитаксиальной технологий.

- АА -

- создание серийЕЫХ логических элвментсв и устройств средней степени интеграции на основе 5-1-5 и З-Л-э-технологиг.

-создание уникальных: и с малой степенью интеграции логических элементов и устройств на основе бикристаллическоя технологии.

Третья глава посвящена методикам расчета алиментов В1 на даозвфсоновских контактах. Суть методик заключается в слвду-ющзк. На основе известных до начала расчета характеристик СП-материала (лс, Е0, г, х и др.), вида применяемой технологии и материалах прдюжки, и задаваемых разработчиком условий работы (Трдд.В, толщина СП-швнзш) проводится расчет геометрических, электрических"характеристик ДК. скввда, элемента памяти на сквиде, а также оценка предельных характеристик схем на основе ВТШ-здэментов.

Толщина СП-плзнки Ь может иметь две области значении: Ь<х, н>х, где л , - лондоновская глубина проникновения. Показано, что в случае Ь>х для расчетов необходимо принимать значение ь=х.

Для каадого ввда да, определяемого видом технологии показана область слабой связи, а ее геометрические характеристики (характерная ширина перехода » и т.д. > определяются исходя из соотношения:

10 - V"*"11'

где, задавая либо и > »*, либо 1р < 10 - рабочий ток через ДК заданно« конфигурации, можно определить недостающий параметр.

Показан расчет некоторых параметров, сшшфических для некоторых видов технологий.

Определены мощностныэ характеристики, исходя из траки-

- 12 -

ципнных формул, применительно к да.

рдк = ^вбЪ- Лйя.= гда

Рщ - мощность Ж, яаходящэго в резистивном состоянии.

?тап ~ юш* -возмоаная выделяемая мощность на ДК.

В^^Зд - сопротивлэнив перехода, находящегося гфи_1=Храб<1с

в резистивном состоянии.

Формулируется условие варящего органичвния по моадости

переключения, связанного с отсутствием перегрева фрагмента

подложки, занимаемого ДК, и исключением теплового механизма

переключения

рда * ра-

гда Р^ - модность, отводимая фрагментом подложки.

Предельная стелэнь интеграции может бьгть определена:

1. Исходя из геометрических соображения:

^зл

гда - рабочая площадь подложки, Бэл - площадь злэмвнта,

к>—(-1 - козффицгонт, определяемый соотношеншм мевду " Зэл

площадью ДК и площадью соединительных линия з ВТСП-элементе.

2. Исходя из тепловых соображения:

т ОЗг-

гда ч - удельный тешоотвод с фрагмента подложки.

Меньшая из величин 1Г1 и кт будет определять предельную степзнь интеграции.

Частотные свойства ДК будут определяться меньшим из значений характерная "а и плззманЕой ^ частот, вьшод величин которых дан другими ангорами.

- 13 -

Приведенные выше методики реализованы в виде программного комплекса "ВТСП-память", позволяющего проводить, расчеты с применение« ГОШ.

Расчет геометрически! и электрических характеристик сквида и ВХСП-элвмвнта на его основе проводится исходя из шумовых характеристик сквида и вызранных рабочих токов переходов. При этом задается режим работы сквида: гистерезисный' или бевгистерезисный. Во втором случае диаметр кольца сквида определяется исходя из формулы

<к-

Площадь. . занимаемая сквшгом, определяется го формудв (полагай, что сявид квадратный):

в=(а+2»,+2б,)г,где

<5" - ширина участка межсквидового пространства.

И* - ширша СП-кольца.

Ширина СП-кольца и* определяется исходя то условия *'»», или = а для atep-вilge V может равняться и.

Рабочий ток сквида будет определяться, как сумма токов входящих в него ДК:

р

Тогда мощность, выделяемая сквидом, определяется как

где к^ - сопротивление ДК в резистивном состоянии при рэбочег температуре.

Глава заканчивается разделом, посвяданным экспериментальной проработке предлагаемых методик. На примерз изме-

- 14 -

рении характеристик образца скввда показано, что погрешность методики составляет <5055, что является высоким результатом, если исходить из того, что погрешность тэхпродасса существенно

ЕЫШ8. 7 ;- •

Четвертая глава посвящена особенностям проектирования цэшчки ВТСЕ-элвмбнтов с учетом конструктивных задержек, организации системы питания и избежания возникновения состязания при работе ВТСП-схем.

Суммарная задерика сигнала в вдпи Тад выражается как

ТЗД=?'зД^ <

гдв г, - врэмя задержки. распространения на линии связи между 1-ын и (1+1)—ым элементами, которая будет определяться по формулв:

г, =\/ъ, с, Ч П 1i

где Lj ^IjLjjqj. -индуктивность Д^-ТОЙ линии связи , С1 =1^Спог-емкость 1^-тоа линии связи

3,

гда Са выражается в величинах в/квадрат (Ф/о), ьо выражается в величинах Гн/квадрат (Гн/а), за площадь удельного квадрата.

Значение илг. определяется исходя из методик, рассмотренных в третьей главе.

В связи с шпульсным характером питания ВТСП-элементов, встает проблема синхронизации ВТСП-элементов по питанию. Hps

- 1о -

этом нас будет интересовать величина относительной задержки (т), определяемой как остаток от деления величииы абсолютно?, задержки еэ произведение целого числа тактовых импульсов к (импульсов питания) на период следования таких импульсов

Тп=1/*раЗ:

С ^ 1

I ]

Устойчивая работа ВТСП-злемевта с точки зрения проблемы

состязаний будет решаться в (п+1)-мерном пространстве, где

п-число информационных сигналов, поступающих на ВТСП-злемент.

Еще одна степень размерности добавляется за счет • импульсного

характера питания.

Пусть т®-? -время опережения (задержки) поступления инфор-зд3

машонного сигнала по э-са линии относительно момента поступления импульса питания, -Ь^-время поступления информационного сигнала по д-оа линии, 1п-лвриод следования импульсов питания, 1и-их длительность, -время задержки 1-ого

элемента, к-пвлое число, то есть 1,2,3-.-, т^^-относительная

задержка в цепи питания элемента.

Устоячивая работа элемента будет в том случае, если информационный импульс по э-оя линии поступит на элемент в момент времени в промежутке между началом и окончанием импульса питания с учетом схемного опережения (задержки) информационного сигнала относительно импульсов питания.

Данное условие относительно входа ВТСП-злэмента можно

— 16 -

представить в вида неравенства:

О учетом релаксации элемента, апредэляшей время задэршш появления выходного сигнала относительно входного и импульса питания, условие (15 для выхода преобразуется к вида

^хшг^зд/Чд^Ь-^п^зд^пиг/^^зд. <2> Таким образом, чтобы учесть проблему состязания в последовательной цэпочке ВТСП-элементов, нужно проверить выполнение условий I и 2 для каждого элемента.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ .

В результате исследования, выполненного в настоящей работе, получены сладушив результаты:

1. Проведан ■ анализ схемотехнических возможностей построения элемента памяти на СП, выполненного на основе' криотронов, скаидив и их модафжавдЕ.

2. Выбраны критерии и на их основе проведан анализ применимости различных видов структур ЛК, выполненных по пята типам технологий, сформулированы рекомендации по выбору ввдэ технологии для построения устройств ВТ различного назначения и различной степени интеграции.

3. Разработаны методики расчета Ж, сквиарв, а также злэментсв и устройств на иг основе в статическом рзнп-ме, разработаны и описаны иетода ошнки таких предельных характеристик ВТСП-схем, как степень интеграции и рабочая

частота.

4. Проведаны экспериментальные исследования характеристик ЗТСИ-сквидз: критической температуры, критического тока, сопротивления в резистнвнсм состоянии при рабочей температуре при заданных геометрических размерах, осуществлена проверка разработанных методик статического расчета ДК и сквида на основе полученных экспериментальных результатов.

5. Предложена схема и методика расчета В1СП-элемента памяти, выполненного на основа принципов одаоквантовои логики.

6. Осуществлена программная реализация разработанных методик статического расчета характеристик ДК и сквида в виде программно-наращиваемого комплекса "ВТСП-память".

7. Разработаны' требования к условиям работы ВХСП-злэментов с учетом конструктивных задержек и задержек по питанию дгя исключения состязаний сигналов на ВТСП-златите.

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

1. Лебедев A.B., Пэтрчв А.Б. Применение сверхпроводников для создания устройств ЭВМ.//Вопросы кибернетики: устройства и системы. Межвуз.сб.науч.трудов.- М.,МИРЭА,1992.с.73-89.

2. Евтихиев H.H., Лебедев A.B., Петров А.Б. О реализации ВТСП-схем на основе рельефных даозефсоновских контактов. //Сборник трудов МИРЭА.-М.,МЙРЭА,1992.

3. Евтихиев H.H., Лебедев A.B., Петров А.Б. Ношэ средства хранения информации на основе элементов памяти, выполненных по ВТСП-технологии.// Современные проблемы информационных технологий в народном хозяйстве и образовании. Мевдуяэр.яауч.-техн. семинар. (РНГОРЭС им.А.С.Попова).-

М..МГ0У.1993.

4. Лебедев A.B., Петров А.Б., Телешов К.В. Сравнительный анализ технология изготовления джозефсоновских контактов.// Вопросы кибернетики: устройства и системы,- М., МИРЭА,1993.

5. Евтихиэв ■ H.H. .Лебедев А.В.,Петров А.Б, Расчет некоторых параметров элементов памяти, выполненные на основе ВХСП-материалов.// Вопросы кибернетики: устройства и системы. Москва, ММРЭА, 1Э93.

6. Лебедев A.B., Петров А. Б. Об экспериментальной проработке вопросов разработки структур памяти на ВТСП.// Вопросы кибернетики: устройства и системы. Межвуз. сб. науч. трудов.- М.. МИРЭА.1993.