Современная микроэлектроника и оптоэлектроника (1980- 2004 гг.)

Новейшие микроэлектронные технологии

Современная микроэлектроника развивается в направле-нии дальнейшего повышения степени интеграции. Базой для это-го является планарная КМОП-технология. Основным парамет-ром, характеризующим технологический прогресс, является про-ектная норма. Она определяется как минимальный размер (рас-стояние между линиями), который можно реализовать в инте-гральной схеме. Очевидно, чем меньше размер, тем больше эле-ментов можно сформировать на кристалле заданной площади и, следовательно, реализовать более сложное однокристальное уст-ройство. Проектная норма последовательно снижается. Если в первых ИС она составляла 5 мкм, то к концу 1980-х гг. она уменьшилась до 1 мкм. Затем были освоены субмикронные тех-нологии с проектной нормой меньше 1 мкм: 0,8 мкм и 0,5 мкм. На повестку дня был поставлен вопрос о наноэлектронике, т.е. уменьшении проектной нормы до значений ниже 0,1 мкм. Со-гласно закону Г. Мура степень интеграции должна удваиваться каждые 2 года. К середине 1990-х гг. норма была уменьшена до 0,35 мкм, затем до 0,25 мкм, 0,18 мкм, 0,13 мкм. По величине проектной нормы называют и современные технологии и СБИС; например технология 0,13 мкм. В начале 2000-х гг. появились КМОП СБИС с проектной нормой 0,09 мкм, т.е. 90 нм, а это уже полноценная наноэлектроника. В 2004 г. появились опытные об-разцы СБИС, изготовленные по технологии 50 нм.

Достижения технологии позволили создавать на одном кристалле не только отдельные электронные устройства, но и це-лые системы, которые на начальном этапе электроники занимали громадные шкафы. Появилось новое направление - системы на кристалле (System on a Chip - SoC). Громадный прогресс планар-ной технологии открыл возможность интеграции на одном кри-сталле не только электронных, но и оптических, механических и других микро-устройств. Такие системы стали называть МЭМ - микроэлектромеханические и МОЭМ - микро-опто-электромеханические системы. Именно они позволяют строить микродвигатели, управляемые перемещения в которых оценива-ются микронами и долями микрон. Сейчас трудно прогнозиро-вать, как в ближайшем будущем эти миниатюрные интеллекту-альные системы изменят промышленные технологии, медицину, науку и наш быт.

Современные компьютеры и супер-ЭВМ

Конец 1980-х – 1990-е гг. характеризуются качественным видоизменением средств вычислительной техники и лавинооб-разным процессом ее внедрения во все сферы человеческой деятельности. Достижения микроэлектроники обеспечили вычисли-тельную технику сверхбольшими и ультра сверхбольшими логическим интегральными схемами. В 1970-е гг. микропроцессоры и микро-ЭВМ стали широко применяться в оборонной технике, промышленности и на транспорте. Приставка "микро" имела двойной смысл. Во-первых, по своим возможностям эти устрой-ства значительно уступали ЭВМ. Во-вторых, они были реализо-ваны на БИС и СБИС и по сравнению с традиционными ЭВМ действительно были микроминиатюрными.

Дальнейший прогресс привел к тому, что микро-ЭВМ по своим характеристикам догнали ЭВМ предыдущего поколения. Произошло одновременное улучшение, казалось бы, несовмести-мых характеристик: резкий рост производительности и памяти ЭВМ при значительном уменьшении их массогабаритных пара-метров и потребляемой мощности. Именно в этот период термин компьютер вошел в отечественную техническую литературу и повседневную жизнь.

Компьютерная техника развивалась по нескольким на-правлениям. Миниатюрные однокристальные процессоры, рабо-тающие в автоматическом режиме и не требующие обслужива-ния, стали встраивать в различные системы управления и диагно-стики. Это значительно улучшило характеристики технологиче-ских процессов и законченных изделий, начиная от космических аппаратов, локомотивов, автомобилей, и кончая бытовой техни-кой и игрушками. Например, современные автомобили содержат от 10 до 30 процессоров, обеспечивающих безопасность движе-ния, диагностику основных узлов и экономию расхода топлива. А любая современная игрушка буквально нашпигована управляю-щей электроникой.

Второе направление развития проходило под лозунгом: "компьютер - на каждое рабочее место" и "компьютер - каждому учащемуся". Эти компьютеры, которые назвали ПК, избавили человека от рутинного труда. После создания всемирной паутины - сети Интернет ПК обеспечили доступ пользователя к разнооб-разной информации, начиная от погоды и курса валют, и кончая возможностью посещения музеев и библиотек, не сходя с рабоче-го места. Естественно, ПК также прочно вошли во многие дома.

Затем разработали ПК (Notebook), которые можно носить с собой, подключать в другие сети, и работать где угодно. Сле-дующее поколение - карманные персональные компьютеры, ко-торые имеют размеры записной книжки, Их рынок резко увели-чивается.

Третье направление развития компьютеров связано с воз-росшими требованиями науки и техники. Для анализа сложных физических, метеорологических, биологических процессов, а так-же для управления сложными объектами необходимо решать системы сложных уравнений и обрабатывать в реальном масшта-бе времени громадные объемы информации. Для решения этих задач были созданы супер-ЭВМ, построенные на множестве сверхбыстродействующих процессоров, позволяющих распарал-леливать сложные задачи, в том числе расшифровать геном чело-века в 2001 г., замена дорогие эксперименты в ядерной технике на их моделирование. Управление системами обороны и преду-преждения, оценка влияния озоновых дыр на климат Земли, эф-фективное управление железнодорожным транспортом в нашей стране - все это было бы невозможно без супер-ЭВМ.

Системы технического зрения

Начало 1990-х гг. характеризуется интенсивным развити-ем и широким применением фотоприемников. Появились про-мышленные многоэлементные фотоприемники ИК диапазона, на основе которых стали выпускаться твердотельные приборы ноч-ного видения и тепловизионные устройства. Появляются первые интеллектуальные системы технического зрения, которые по своим характеристикам приближаются к биологическому зрению.

Интенсивно развиваются и широко применяются в про-мышленности и в бытовой технике приборы с зарядовой связью (ПЗС). Они составляют основу современных бытовых и профессиональных видеокамер и цифровых аппаратов. Важнейшую роль ПЗС играют в космических исследованиях. В начале 1980-х гг. появились космические системы наблюдения, позволившие различать на земной поверхности объекты разме-рами 1 - 2 м. В 1986 г. при изучении кометы Галлея (советский проект "Венера-Галлея", европейский проект "Джотто" и японский проект "Планета-А") использовались космические системы наблюдения, построенные на ПЗС. С помощью советского космического аппарата "Вега-2" с расстояния 9 тыс. км удалось получить уникальные снимки ядра кометы Галлея. В 1989 г. ПЗС-камеры были успешно применены при исследовании спутника Марса - Фобоса. Были созданы спутники для дистанционного зондирования Земли из космоса. Видеоинформация, получаемая с их помощью, широко используется для геодезии, картографии, геологии, экологии, сельского хозяйства и военной разведки.

Конструкции ПЗС и телевизионных передающих камер на их основе была значительно усовершенствованы. Уровень 2000-2004 гг. характеризуется промышленным выпуском уникальных ПЗС-матриц, содержащих 70 миллионов элементов.

В середине 1990-х гг. появились первые КМОП-фотодиодные БИС (КМОП-ФД БИС), которые содержали на од-ном кристалле не только фотоприемную секцию на фотодиодах, но и КМОП устройства управления и считывания видеосигналов. В отличие от ПЗС, для которых требуются отдельные микросхе-мы управления, в КМОП-ФД БИС все требуемые функции могут быть проинтегрированы на одном кристалле. Начался настоящий промышленный бум. Все крупные компании, владеющие КМОП-технологией, стали вкладывать громадные средства в исследова-ния и разработки в данной области. Уже к концу 1990 гг. были разработаны однокристальные КМОП-ФД камеры с цифровым выходом, которые являются системами на кристалле с оптиче-ским входом.

На рынке появились цифровые фотоаппараты и видеока-меры, информацию с которых можно вводить прямо в компью-тер. Последнее достижение - интеграция миниатюрного мобиль-ного телефона с цифровой видеокамерой. В настоящее время применение фотоприемных СБИС практически безгранично. Они широко используются во всех сферах видеоинформационного рынка, космических и военных технологиях, криминалистике, медицине (эндоскопия и, возможно, искусственное зрение чело-века), системах электронного зрения промышленных роботов, системах охраны и наблюдения, в ИК технике. Ближайшее бу-дущее связано с разработкой на их основе интеллектуальных сис-тем технического зрения, которые смогут не только принимать, но также обрабатывать и распознавать изображения. По своим характеристикам они будут приближаться к биологическому зре-нию.

В современных компьютерах используются такие опто-электронные приборы, как оптроны, компьютерные сети с ВОЛС, сканеры на ПЗС, устройства оптического ввода на ПЗС и КМОП- фотодиодах, жидко - кристаллические плоские экраны.