Замена нитрида тантала на графен повысит производительность электроники
Группа исследователей под руководством Филиппа Вонга (Philip Wong) из Стэнфордского университета экспериментально обнаружила, что, использовав графен в качестве барьерного слоя медных проводников в микросхеме, можно не только сделать ее более компактной, но и существенно увеличить скорость передачи данных между транзисторами. Соответствующая работа была
на Симпозиуме по
-технологиям, прошедшем в Японии с 15 по 18 июня 2015 года. Кратко о ней
на сайте университета.
Типичная микросхема в современном компьютере, помимо миллионов транзисторов, включает соответствующее количество крохотных медных проводников (шинок), по которым к транзисторам подводятся и отводятся электроны. Каждый из них, при этом, должен быть отделен от некоторых участков транзистора специальным слоем, предотвращающим миграцию атомов меди. Обычно для этого применяется нитрид тантала (Ta2N).
Группа Вонга решила попытаться заменить его на графен. В результате серии экспериментов выяснилось, что равный по удерживающей способности слой графена может быть в 8 раз тоньше, чем соответствующий слой нитрида тантала. При этом он так же эффективно не давал атомам меди мигрировать в прилегающие к ним кремниевые транзисторы, что сделало бы последние неработоспособными.
Одновременно с этим графен увеличил подвижность электронов в проводниках. Поскольку он является одноатомным слоем атомов углерода, перемещение электронов в нем происходит быстрее, чем в любом другом известном материале. Часть электронов временно покидая медь двигалась по графеновому слою, параллельно медному проводнику, а затем вновь попадали в последний, обгоняя те электроны, что шли через медь. Таким образом пропускная способность каждой из медных шинок, изолированных графеном, несколько увеличивалась.
В современных микросхемах графен увеличивает скорость шинки на 4-17% – в зависимости от того, какую длину имеет покрываемый им медный проводник. Однако в настоящее время размеры транзисторов продолжают сокращаться. При переходе от техпроцесса с элементами размером в 22 нанометра к элементам в 14 нанометров (а затем и 10 нанометров) длина медных проводников должна существенно сократиться. В этих условиях замена нитрида тантала на графен приведет к росту скорости пропускной способности шинок на 30%, прогнозируют исследователи.
При этом внедрение графена в эту область электроники не будет сопровождаться значительными доработками в смысле архитектуры или значительного переоснащения существующих производственных линий. «Графен давно считается многообещающим материалом для электронной промышленности, и использование его как барьерного слоя для меди может стать первым шагом на пути реализации этих расчетов», – отмечает Вонг.
Ранее ряд попыток других исследователей использовать графен как материал для транзисторов столкнулся со значительными трудностями, связанными с отсутствием у графена запрещенной зоны, типичной для полупроводников. В рамках подхода группы Вонга графен работает не полупроводником, а проводником (для электронов) и механическим разделителям (для атомов меди), что исключает возникновение вышеописанных проблем с отсутствием запрещенной зоны.
Для движения ему достаточно одного актуатора
Инженеры разработали миниатюрного робота CurveQuad массой чуть больше 10 грамм. Его гибкий корпус деформируется за счет изогнутых складок и позволяет роботу продвигаться вперед, а также поворачивать, используя для этого только один актуатор. Разработчики продемонстрировали способность CurveQuad автоматически двигаться в направлении источника света, определяя его положение с помощью встроенных фотоэлементов. Текст доклада с описанием робота опубликован в рамках конференции IROS 2023. При поддержке Angie — первого российского веб-сервера Интерес инженеров к разработке миниатюрных роботов связан возможностью выполнять задачи в условиях ограниченного пространства. Например, миниатюрных роботов предлагают использовать для внутренней диагностики механизмов без их разборки, для разведки, и для обследования разрушенных в результате стихийных бедствий зданий в поисках выживших людей. Однако разработка роботов сантиметрового масштаба — непростая задача и ее решение требует множества конструктивных компромиссов. Более сложная походка, например, может добавить роботу проворности, однако одновременно с этим приведет к росту числа степеней свободы конечностей, а значит к увеличению количества используемых актуаторов. Это, в свою очередь, оборачивается усложнением конструкции, увеличением размеров, массы и энергопотребления. Одним из решений этой проблемы могло бы стать применение в конструкции элементов оригами или киригами. Складки упругого материала, выполненные с дополнительным изгибом, позволяют накапливать дополнительную механическую энергию, чем можно воспользоваться, чтобы сократить число актуаторов, необходимых для приведения робота в движение. Такой подход выбрали инженеры под руководством Синтии Сун (Cynthia Sung) из Университета Пенсильвании. Они создали миниатюрного робота под названием CurveQuad, который благодаря изогнутым складкам в конструкции оказался способен передвигаться с помощью всего лишь одного актуатора. Масса робота составляет 10,9 грамм, а ключевая деталь его корпуса представляет собой тонкую прямоугольную пластину из PET-пластика (полиэтилентерефталат) размером 80 × 55 миллиметров. В ней с помощью лазера выполнены прорези в виде последовательно расположенных полукругов, образующих паттерн в форме двух параллельных дуг с каждой стороны пластины, симметрично расположенных относительно центра. Материал в этих областях может легко изгибаться благодаря прорезям, создавая выпуклую и вогнутую складки. В центральной полосе обеих дуг на небольшом расстоянии друг от отдруга закрепляются концы двух «сухожилий» — тяг, которые соединяются противоположной стороной с концами рычага, закрепленного на сервомоторе, ось которого находится в центре пластины. Сервопривод может поворачивать рычаг в диапазоне 270 градусов, при этом «сухожилия», соединяющие концы рычага с корпусом, стягивают его вовнутрь, приводя к изгибам. В зависимости от угла поворота рычага корпус может из плоской пластины принять симметричную куполообразную форму. В этом положении концы пластины начинают играть роль четырех конечностей робота. В промежуточных положениях рычага сервопривода корпус несимметрично деформируется по диагонали. При этом передняя «конечность» приподнимается над поверхностью, а задние смещаются друг относительно друга. Из-за возникающей между ними разности в силах трения в этот момент корпус робота смещается вперед. Если затем такую же деформацию выполнить в противоположную сторону, то робот сделает второй шаг с помощью второй «ноги». Регулируя с помощью угла поворота рычага величину деформации, а следовательно и длину шага слева и справа можно управлять направлением движения робота CurveQuad. https://www.youtube.com/watch?v=RnSHG5F2Iek Для демонстрации возможности управления роботом с помощью обратной связи, инженеры установили на углах корпуса четыре фотоэлемента. Алгоритм сравнивает сигналы, полученные от сенсоров с левой и правой сторон, и в зависимости от того, с какой стороны сигнал больше, выбирает походку, которая поворачивает робота в этом направлении. В результате в каком бы положении робот ни находился изначально, он разворачивается на источник света и начинает двигаться в его направлении. В своей следующей работе инженеры планируют сосредоточиться на взаимодействии между несколькими роботами CurveQuad. Для этого они планируют добавить им возможность общаться друг с другом, чтобы роботы могли выполнять задачи сообща, например, вместе обследовать окружающую территорию. А вот другому микророботу, созданному группой американских и китайских инженеров, для передвижения не нужны сервомоторы. Вперед он движется под действием колебаний встроенной в его корпус пьезоэлектрической пленки, а повороты совершает за счет изменения силы трения между поверхностью и электростатическими площадками на концах передних ног.