Nanotechnologie im Computer Wie sieht die Zukunft der Elektronik aus? Dr. Dieter Jäpel IBM Research, Zurich Research Laboratory jae@zurich.ibm.com
Agenda Die IBM Forschung & das Labor der IBM in Rüschlikon Was ist Nanotechnologie? CMOS: Der Motor ( Driver ) von ICT Was kommt danach PostCMOS Halbleitende Nanodrähte Jenseits des nächsten Transistors: Neuartige Bauelemente für die Speicherung, Verarbeitung und Übertragung von Information Zusammenfassung
Nobelpreis in Physik 1986 für das Rastertunnelmikroskop H. Rohrer & G. Binnig
Zurich Research Laboratory Rastertunnelmikroskop: die Geburtsstunde der Nanotechnologie
STM: das Funktionsprinzip Quelle: http://en.wikipedia.org/wiki/file:scanningtunnelingmicroscope_schematic.png
Im Labor sieht das natürlich viel aufwendiger aus.
In 1989, IBM Researcher Don Eigler spelled I-B-M using 35 individual Xenon atoms the world s first nanoscale logo.
Agenda Zurich Research Laboratory Die IBM Forschung & das Labor der IBM in Rüschlikon Was ist Nanotechnologie? CMOS: Der Motor ( Driver ) von ICT Was kommt danach PostCMOS Halbleitende Nanodrähte Jenseits des nächsten Transistors: Neuartige Bauelemente für die Speicherung, Verarbeitung und Übertragung von Information Zusammenfassung
So kommt man in die Region des Nanometer Nano (10-9) ist abgeleitet von griechisch νᾶνος, der Zwerg 1 1 nanometer = meter = 10-9 m 1,000,000,000 Menschen Haar 5 Kohlenstoffatome 60 000 nm 1 nanometer
Was ist Nano(meter)technologie? ist das Verständnis und die Kontrolle von Materialien und Effekten von Dimensionen im Bereich von ca. 1 bis 100 Nanometern. Einzigartige Phänomene treten auf und ermöglichen neuartige Anwendungen. -- U.S. National Nanotechnology Initiative http://www.nano.gov/html/facts/whatisnano.html Gold bei der Deutschen Bank
Was ist Nano(meter)technologie? ist das Verständnis und die Kontrolle von Materialien und Effekten von Dimensionen im Bereich von ca. 1 bis 100 Nanometern. Einzigartige Phänomene treten auf und ermöglichen neuartige Anwendungen. -- U.S. National Nanotechnology Initiative http://www.nano.gov/html/facts/whatisnano.html Gold in Entenhausen: kleinere Partikel machen das Schwimmen möglich
Was ist Nano(meter)technologie? ist das Verständnis und die Kontrolle von Materialien und Effekten von Dimensionen im Bereich von ca. 1 bis 100 Nanometern. Einzigartige Phänomene treten auf und ermöglichen neuartige Anwendungen. -- U.S. National Nanotechnology Initiative http://www.nano.gov/html/facts/whatisnano.html Schmelzpunkt von Gold Source: K.J. Klabunde, 2001 Melting point: 1064 C
Nanotechnologie Ist Natur Evolutionäre Nanotechnologie in der Nature
Zurich Research Laboratory Nanotechnologie Ist überall Antihaft Beschichtungen Regenerative Medizin Kratzfeste Farben Nano-Pore Photovoltaik DNA Selbstreinigende Farben und Textilien DNA Sequenzierung Filtration und Reinigung
Nanotechnologie in der IT Ist AKTIV und das ist die grosse Herausforderung! MOSFET Gate Source Drain STI n+ p n+ STI Integrierte Schaltkreise Displays Hard-disk drives
First Full Color a-si TFT AMOLED Display (20 ) 20" a-si TFT OLED display 16:9 HDTV wide 1280 x 768 pixels 16M colors, 1M pixels 111 µm x 330 µm pitch Full video rate (< 20 µs) 500 cd/m 2 luminance 25 W for white (300 cd/m 2 ) 1000:1 contrast ratio Light March 2003 IBM Research, IDTech, CMO Compared to LCD 1000 faster 2 brighter <0.5 power 150nm ~ 100-150nm Cathode Electron Transport Layer Em itting Layer Hole Transport Layer Buffer Layer Metal Anode Substrate
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Der Transistor Baustein des Integrierten Schaltkreises Birth of the bipolar transistor Working principle of a MOSFET Gate Oxide December 1947 Shockley, Bardeen and Brattain MOSFET - Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor Current flows from Source to Drain Turned ON or OFF by the Gate voltage Logic: 1 = ON = current 0 = OFF = no current
Integrierte Schaltkreise (IC) First IC in 1958 Current Generation CMOS IC Processor Core Kilby & Noyce misst ~1cm und enthält 2 Transistoren IBM Cell Processor 20x20mm 2 Enthält 234 Millionen Transistoren
Miniaturisierung: mehr Transistoren auf konstanter Fläche
Miniaturizatung macht IT billig Computations per second 1.E+12 1.E+09 1.E+06 1.E+03 1.E+00 1.E-03 ENIAC Vacuum tube Discrete transistor Integrated circuit DEC PDP-8 $1000 buys... IBM PC Pentium 4 PC 2006 Game Machine Smaller = Faster & Cheaper 1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010 2020 Year? Source: R. Kurzweil 1999 Moravec 1998 The Age of Spiritual Machines
Massenprodukte: IPOD Nano Smaller Faster Cheaper Mobile Devices more powerful than ever Technical Specifications Size: 90.7 mm x 38.7 mm x 6.2 mm Weight: 36.8 grams Display: 2-inch (diagonal) color LCD, 320 x 240 pixels at 204 ppi Capacity: 16GB flash drive1 (2,000-4,000 songs,7,000-14,000 photos, 8 h-16h video) Battery: Built-in rechargeable lithium ion battery
JUGENE Jülicher Blue Gene 26. Mai 2009 Typ: IBM Blue Gene / P Rechenleistung: 1 Petaflop/s Prozessoren: 73 728 Prozessortyp: 32-bit PowerPC 450 core 850 MHz Cores: 294 912 Compute node: 4-way SMP processor Hauptspeicher: 144 Terabyte Racks: 72 (wasser gekühlt) Leistungsaufnahme: 2,2 Megawatt
Unmögliches wird Möglich Wettervorhersage Medizin Brain Simulationen Wissenschaftliche Simulationen und Vorhersagen (Physik, Chemie, Biologie, Astronomie, Material- und Umweltwissenschaften, ) Crash Test Knochenstruktur Antikrebs Medizin
A Unique Period in History Antikythera machine (82-65 BC) Minimum machined dimension (microns) 1000 100 10 1 0.1 0.01 0.001 2004 commercial niche lithographies 2004 best lab practice Moore s Law (1965) 90 nm Manufacturing (2004) 193 nm immersion EUV industry roadmap 0.0001 1800 after C. Ausschnitt, Microelectronic Engineering, 41/42 (1998) 41-46 1850 1900 1950 2000 2050 2100
CMOS Scaling: Second Enabler of IT industry Voltage, V / α n+ source tox/α GATE WIRING n+ drain W/α L/α p substrate, doping α*na xd/α SCALING: Voltage: V/α Oxide: t ox /α Wire width: W/α Gate width: L/α Diffusion: x d /α Substrate: α * N A RESULTS: Higher Density: ~α 2 Higher Speed: ~α Power/ckt: ~1/α 2 Power Density: ~Constant Materials unchanged for 40 years R. H. Dennard et al., IEEE J. Solid State Circuits, (1974).
Consequences of Moore s Law Devices shrink in size (Scaling) More devices per chip Price per transistor drops New and more applications become possible Increase in revenue and profit Increasing effort in R&D for technical innovations Materials, Devices, Lithography, Resists, Fabrication technologies, Moore s law is a consequence of many people working under the same economical conditions and technical prerequisites and under the same social stability Moore s law is only valid under the precondition that the scientific laws allow such a progress No exponential increase holds forever! This does not mean that the increase in performance will not continue.
Evolution of Silicon Nanotechnology 2000 2005 2010 2015 2020 90 nm 65 nm 45 nm approaching molecular dimensions. 35 nm Gate Length The silicon transistor is a nano-device 32 nm 22 nm? Lgate=6nm 6nm FET B. Doris et al., IEDM 2002
Wir nähern uns Grenzen. Power components: Active power Passive power Gate leakage Sub-threshold (source-drain) leakage 10S Gate Tox=11A Stack Power Density (W/cm 2 ) 1000 100 10 1 0.1 0.01 Active Power Passive Power Gate dielectric approaching a fundamental limit (a few atomic layers) Atome sind nicht skalierbar! 0.001 1 1994 2004 0.1 Gate Length (microns) 0.01
If you cannot scale atoms, change them! W Poly Ge TiN HfO2 (31A) SiO2 (8.5A) Ge (138A) SGOI (241A) J. Ott High-k dielectrics BOX Ge FET III-V
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Nanotechnologien für PostCMOS Si nanowire FETs Heterogeneous integration Ge and III-V s CNT Ringoscillator Racetrack Memory Radical new devices: CNT, Graphene, Spintronics, Graphene Pushing the ultimate limits Molecular electronics
The Future of Nanoelectronics Scaling: Scaling of Si-CMOS will continue 1-D device concepts are crucial Power: High performance Steep Slope Devices are key New devices: III-V-Heterostructure TFETs, Ferro-FET,... New materials Nanoscale Manufacturing: Top-down & bottom-up Computational Material Science: Guide the design on next generation materials and devices