Projektowanie najlepszego obwodu
Co łączy smartfony, laptopy, medyczny sprzęt diagnostyczny i moduły sterujące w samochodzie? Wszystkie wykorzystują półprzewodniki i powstały przy użyciu najnowszych technologii projektowania i produkcji. Konkretniej, większość tych elementów została wykonana z nowych materiałów i struktur o rozmiarach nanometrycznych. Pomimo wielu zalet, tym niewielkim konstrukcjom często towarzyszą liczne problemy, takie jak przegrzanie układów scalonych i zakłócenia sygnału. Celem finansowanego ze środków UE projektu NANOCOPS było rozwiązanie tych problemów zanim jeszcze się pojawią w nowych urządzeniach. W tym celu naukowcy opracowali algorytmy i narzędzia programistyczne pozwalające na określenie tych niepożądanych efektów i rzetelną ocenę nowych konstrukcji nanoelektronicznych. Zestaw narzędzi do symulacji Jednym z celów projektu było stworzenie skutecznego i wydajnego obwodu, który będzie w stanie pomieścić jak najwięcej urządzeń na jak najmniejszej powierzchni nośnika, umożliwiając transmisję większej ilości informacji bez zakłóceń. „Problem polega na tym, że wyczerpaliśmy fizyczne limity powierzchni nośnika, zmuszając poszczególne obwody i komponenty do działania w bliskiej odległości od siebie. To spowodowało większe ryzyko występowania tak zwanego efektu przesłuchu, który prowadzi do niechcianego wzajemnego oddziaływania elektromagnetycznego pomiędzy poszczególnymi komponentami” – mówi dr Jan W. ter Maten, naukowiec zaangażowany w projekt. „Tego problemu nie można już ignorować, szczególnie gdy tworzone są układy scalone o coraz większej mocy”. Zestaw narzędzi opracowanych w ramach projektu NANOCOPS został stworzony z myślą o przetestowaniu fizycznych ograniczeń powierzchni. Stworzono między innymi modele i symulacje pokazujące, jak bardzo można zmniejszyć powierzchnię, jednocześnie zwiększając liczbę komponentów, zanim wystąpią szkodliwe interakcje. W kolejnej części badania wykorzystano pole elektromagnetyczne i symulacje termiczne połączone bezpośrednio z symulacją układu scalonego, co pozwoliło badaczom określić bardzo wrażliwe, podatne na zakłócenia elementy obwodu na etapie projektowania. „Odkryliśmy, że problemy zaczynają się w momencie, gdy dany komponent zostaje naruszony w wyniku oddziaływań elektrycznych i termicznych, co wpływa na naprężenie materiału i trwałość tranzystorów” – mówi ter Maten. „Ważne jest więc prawidłowe określenie ilości wytwarzanego ciepła, aby można było konstruować bardziej wydajne i trwałe tranzystory”. Lepsze konstrukcje dzięki bardziej wiarygodnym prognozom W ramach projektu NANOCOPS dokonano licznych przełomowych odkryć w dziedzinie projektowania nanoelektroniki. Do tej pory do przeprowadzenia symulacji zależności pomiędzy wysokimi temperaturami a ekstremalnie wysokimi poziomami mocy były potrzebne dwie oddzielne procedury. Badacze zaangażowani w projekt NANOCOPS po raz pierwszy połączyli te dwa etapy, przyspieszając symulację i osiągając znacznie lepsze wyniki. Wykonując symulację pola elektromagnetycznego, narzędzie NANOCOPS przedstawia symulację 3D nie tylko poszczególnych komponentów, ale również samych obwodów. Dzięki temu możliwa jest symulacja wszelkiego rodzaju zakłóceń i znacznie szybsze wykrywanie błędów. Minimalizowanie zakłóceń sygnału, na przykład w smartfonach i rozrusznikach serca, wymaga przeprowadzenia skutecznych symulacji różnych sygnałów o wysokiej częstotliwości, które charakteryzują się bardzo odmienną częstotliwością. W tym miejscu dochodzi do współoddziaływania obwodów elektronicznych, pól elektromagnetycznych i wytwarzania ciepła – te czynniki, w połączeniu z normalnym zużywaniem się urządzeń, powodują zmiany, których wcześniej nie dało się przewidzieć. „Projekt NANOCOPS i stworzone dzięki niemu różne narzędzia do symulacji zmieniły wszystko” – podsumowuje ter Maten. „Producenci mogą teraz projektować swoje układy scalone w oparciu o wiarygodne prognozy, przez co mogą zwiększyć ich zdolność operacyjną, wydajność i trwałość”.
Słowa kluczowe
NANOCOPS, projektowanie nanoelektroniki, obwody, układy scalone, smartfony, rozruszniki serca
