Loading article…
ナノエレクトロメカニカル( NEM )リレーは、半導体製造技術を使用してナノメートルスケールで構築された電気的に作動するスイッチです。従来の半導体ロジックの代わりに、または従来の半導体ロジックと組み合わせて動作するよう設計されています。NEM リレーは機械的な性質上、ソリッド ステート リレーよりもスイッチング速度がはるかに遅くなりますが、電流漏れがゼロで消費電力が低いなど、次世代コンピューティングに役立つ可能性のある多くの利点があります。
一般的な NEM リレーは、数十ボルトの電位を必要とし、ギガオームのオーダーの接触抵抗を持ちます。接触面をプラチナでコーティングすると、達成可能な接触抵抗を 3 kΩ まで下げることができます。[1]トランジスタと比較すると、NEM リレーはナノ秒のオーダーで比較的ゆっくりと切り替わります。[2]
手術
NEM リレーは、2、3、または 4 つの端子構成で製造できます。3 端子リレーは、ソース (入力)、ドレイン (出力)、およびゲート (作動端子) で構成されます。ソースには片持ち梁が取り付けられており、これを曲げてドレインに接触させることで電気接続を確立できます。ビームとゲートの間に大きな電圧差が加わり、静電気力がビームの弾性力を上回り、ビームが曲げてドレインに接触すると、デバイスが「引き込まれ」、電気接続が形成されます。オフの位置では、ソースとドレインはエアギャップで分離されます。この物理的な分離により、NEM リレーは電流漏れがゼロになり、オン/オフの遷移が非常に急峻になります。[3]
電界の非線形性とビームとドレイン間の接着により、デバイスは引き込まれる電圧よりも低い電圧で「引き出され」、接続が失われます。このヒステリシス効果は、引き込み電圧と引き出し電圧の間に、初期状態が何であってもリレーの状態を変えない電圧があることを意味します。この特性は、静的ランダムアクセスメモリなど、回路に情報を保存する必要があるアプリケーションで非常に役立ちます。[1]
製作
NEMリレーは通常、微小電気機械システム（MEMS）に典型的な表面マイクロマシニング技術を使用して製造されます。 [4]横方向に作動するリレーは、最初にシリコンウェーハ上に2つ以上の材料層を堆積することによって構築されます。上部構造層は、最上部の材料の分離されたブロックを形成するためにフォトリソグラフィーでパターン化されます。次に、下の層が選択的にエッチングされ、リレーのビームなどの薄い構造がウェーハ上に片持ちされ、横方向に自由に曲がるように残ります。[1]このプロセスで使用される一般的な材料セットは、上部構造層としてポリシリコン、犠牲下層として二酸化シリコンです。
NEMリレーはバックエンド・オブ・ライン互換プロセスを使用して製造できるため、 CMOSの上に構築できます。[1]この特性により、NEMリレーを使用して特定の回路の面積を大幅に削減できます。たとえば、CMOS-NEMリレーハイブリッドインバータは0.03μm 2を占有し、45nm CMOSインバータの3分の1の面積です。[5]
歴史
シリコンマイクロマシニング技術を使用して作られた最初のスイッチは1978年に製造されました。 [6]これらのスイッチは、バルクマイクロマシニングプロセスと電気メッキを使用して作られました。[7] 1980年代には、表面マイクロマシニング技術が開発され[8]、この技術がスイッチの製造に適用され、より小型で効率的なリレーが可能になりました。[9]
MEMSリレーの初期の主な用途は、ソリッドステートリレーの性能が劣る無線周波数信号のスイッチングでした。 [10]これらの初期のリレーのスイッチング時間は1μs以上でした。寸法を1マイクロメートル以下に縮小し、[11]ナノスケールに移行することで、MEMSスイッチは数百ナノ秒の範囲のスイッチング時間を実現しました。[5]
アプリケーション
機械計算
トランジスタのリークにより、CMOSロジックの理論的な効率には限界があります。この効率の壁は、最終的に、電力制約のあるアプリケーションでの計算能力の継続的な向上を妨げます。[12] NEMリレーは大きなスイッチング遅延がありますが、他のリレーと比較してサイズが小さく、スイッチング速度が速いため、 NEMリレーを使用した機械計算は、一般的なCMOSベースの集積回路の現実的な代替品となり、このCMOS効率の壁を打ち破る可能性があります。[3] [2]
NEM リレーは、固体トランジスタが電気的に切り替えるのにかかる時間の約 1000 倍の速度で機械的に切り替わります。このため、NEM リレーをコンピューティングに使用することは大きな課題となりますが、抵抗が低いため、多数の NEM リレーを連結して一度に切り替え、1 つの大きな計算を実行できます。[2]一方、トランジスタ ロジックは、抵抗が高いため、信号の整合性を維持しながら多数のトランジスタを連結することはできないため、計算の小さなサイクルで実装する必要があります。したがって、NEM リレーを使用して、CMOS ロジックよりもはるかに低いクロック速度で動作し、各サイクルでより大規模で複雑な計算を実行する機械式コンピューターを作成できます。これにより、NEM リレー ベースのロジックは、現在の CMOS ロジックに匹敵する標準で実行できます。[2]
自動車、航空宇宙、地熱探査事業など、非常に高い温度でも動作できるマイクロコントローラがあれば有益なアプリケーションは数多くあります。しかし、高温になると、一般的なマイクロコントローラで使用されている半導体は、材料の電気的特性が劣化してトランジスタが機能しなくなり、故障し始めます。NEMリレーは作動するのに材料の電気的特性に依存しないため、NEMリレーを使用する機械式コンピュータはそのような条件でも動作できます。NEMリレーは500℃までのテストに成功していますが、理論的にはそれよりはるかに高い温度にも耐えることができます。[13]
フィールドプログラマブルゲートアレイ
NEMリレーは、リーク電流がゼロで、エネルギー消費量が少なく、CMOSの上に重ねることができるという特性があるため、フィールドプログラマブルゲートアレイ（FPGA）のルーティングスイッチとして使用するのに有望です。NEMリレーを使用して各ルーティングスイッチとそれに対応するスタティックランダムアクセスメモリブロックを置き換えるFPGAは、一般的な22nm CMOSベースのFPGAと比較して、プログラミング遅延、電力リーク、チップ面積を大幅に削減できます。[14]この面積削減は主に、NEMリレールーティング層をFPGAのCMOS層の上に構築できるという事実に起因しています。
参照
参考文献
- ^ abcd Parsa, Roozbeh; Lee, W. Scott; Shavezipur, Mohammad; Provine, J; Mitra, Subhashish; Wong, H.-S. Philip; Howe, Roger T. (2013 年 3 月 7 日). 「Laterally Actuated Platinum-Coated Polysilicon NEM Relays」. Journal of Microelectromechanical Systems . 22 (3): 768–778. doi :10.1109/JMEMS.2013.2244779. S2CID 24310991.
- ^ abcd Chen, Fred; Kam, Hei; Markovic, Dejan; Liu, Tsu-Jae King; Stojanovic, Vladimir; Alon, Elad (2008-11-10)。「NEM リレーを使用した集積回路設計」。ICCAD '08 Proceedings of the 2008 IEEE/ACM International Conference on Computer-Aided Design。pp . 750–757。ISBN 9781424428205. 2014年10月29日閲覧。
- ^ ab Chen, F; Spencer, M; Nathanael, R; ChengCheng, Wang; Fariborzi, H; Gupta, A; Hei, Kam; Pott, V; Kaeseok, Jeon; Tsu-Jae, King Liu; Markovic, D.; Stojanovic, V.; Alon, E. (2010 年 2 月)。「VLSI アプリケーション向け統合型マイクロエレクトロメカニカル スイッチ回路のデモンストレーション」。2010 IEEE国際固体回路会議 (ISSCC)。pp. 150–151。CiteSeerX 10.1.1.460.2411。doi : 10.1109 /ISSCC.2010.5434010。ISBN 978-1-4244-6033-5. S2CID 8905826。
- ^ Kam, Hei; Pott, V; Nathanael, R; Jeon, Jaeseok; Alon, E; Liu, Tsu-Jae King (2009 年 12 月)。「ゼロスタンバイ電力デジタルロジックアプリケーション向けマイクロリレー技術の設計と信頼性」。2009 IEEE国際電子デバイス会議 (IEDM)。pp. 1–4。doi :10.1109/ IEDM.2009.5424218。ISBN 978-1-4244-5639-0. S2CID 41011570。
- ^ ab Akarvardar, K; Elata, D; Parsa, R; Wan, GC; Yoo, K; Provine, J; Peumans, P; Howe, RT; Wong, H.-SP (2007 年 12 月 10 日)。「相補型ナノエレクトロメカニカル ロジック ゲートの設計に関する考慮事項」。2007 IEEE国際電子デバイス会議。pp. 299–302。doi :10.1109/IEDM.2007.4418930。ISBN 978-1-4244-1507-6. S2CID 41342836。
- ^ Petersen, Kurt (1978 年 10 月)。「シリコン上の動的マイクロメカニクス: テクニックとデバイス」。IEEE Transactions on Electron Devices。25 ( 10): 1241–1250。Bibcode : 1978ITED ...25.1241P。doi : 10.1109 /T-ED.1978.19259。S2CID 31025130 。
- ^ Petersen, Kurt (1982 年 5 月). 「機械材料としてのシリコン」. Proceedings of the IEEE . 70 (5): 420–457. Bibcode :1982IEEEP..70..420P. doi :10.1109/PROC.1982.12331. S2CID 15378788.
- ^ Bustillo, JM; Howe, RT; Muller, RS (1998 年 8 月). 「マイクロエレクトロメカニカル システムの表面マイクロマシニング」. Proceedings of the IEEE . 86 (8): 1552–1574. CiteSeerX 10.1.1.120.4059 . doi :10.1109/5.704260.
- ^ Sakata, M (1989 年 2 月)。「電気機械リレー用静電マイクロアクチュエータ」。マイクロ構造、センサー、アクチュエータ、マシン、ロボットの調査。IEEE Micro Electro Mechanical Systems、Proceedings。pp. 149–151。doi : 10.1109 / MEMSYS.1989.77980。S2CID 111117216。
- ^ Yao, JJ; Chang, MF (1995 年 6 月)。「DC から 4 GHZ までの信号周波数を持つ通信アプリケーション向けの表面マイクロマシン ミニチュア スイッチ」。国際ソリッド ステート センサーおよびアクチュエータ カンファレンス - TRANSDUCERS '95 の議事録。第 2 巻。pp. 384–387。doi :10.1109 / SENSOR.1995.721827。S2CID 110197804 。
- ^ Jang, Weon Wi; Lee, Jeong Oen; Yoon, Jun-Bo; Kim, Min-Sang; Lee, Ji-Myoung; Kim, Sung-Min; Cho, Keun-Hwi; Kim, Dong-Won; Park, Donggun; Lee, Won-Seong (2008 年 3 月)。「15 nm 厚サスペンション エアギャップを備えたナノ電気機械スイッチの製造と特性評価」。応用物理学論文集。92 ( 10): 103110–103110–3。Bibcode :2008ApPhL..92j3110J。doi :10.1063/1.2892659。
- ^ Calhoun, Benton, H.; Wang, Alice ; Chandrakasan, Anantha (2005 年 9 月)。「サブスレッショルド回路における最小エネルギー動作のモデリングとサイズ設定」(PDF)。IEEE Journal of Solid-State Circuits。40 ( 9): 1778。Bibcode : 2005IJSSC..40.1778C。doi : 10.1109 /JSSC.2005.852162。S2CID 15037515。2014年10 月 29 日閲覧。
{{cite journal}}: CS1 maint: 複数の名前: 著者リスト (リンク) - ^ Lee, Te-Hao; Bhunia, Swarup; Mehregany, Mehran (2010 年 9 月 10 日). 「シリコンカーバイドを使用した 500°C での電気機械計算」. Science . 329 (5997): 1316–1318. Bibcode :2010Sci...329.1316L. doi :10.1126/science.1192511. PMID 20829479. S2CID 206527731.
- ^ Chen, Chen; Parsa, Roozbeh; Patil, Nishant; Chong, Soogine; Akarvardar, Kerem; Provine, J; Lewis, David; Watt, Jeff; Howe, Roger T.; Wong, H.-S. Philip; Mitra, Subhashish (2010-02-21)。「ナノエレクトロメカニカルリレーを使用した効率的な FPGA」。第 18 回 ACM/SIGDA 国際シンポジウム「フィールドプログラマブルゲートアレイ - FPGA '10」の議事録。pp. 273–282。doi : 10.1145 / 1723112.1723158。ISBN 9781605589114. S2CID 1081387。