顶部还有很多空间:在低功耗计算应用中想象小型化机电开关

第一代计算机是用机电元件制造的，不同于今天的现代电子系统。艾伦·图灵的密码分析乘法器和康拉德·祖泽的Z2都是在20世纪上半叶发明和建造的，是有史以来最早建造的计算机之一。机电开关和继电器在这些机器中执行逻辑操作。即使在计算机最初使用真空管和电子晶体管建造之后，一些早期的机电(基于继电器的)计算机仍然在使用，因为它们较慢的速度被优越的可靠性所补偿。现在，大多数计算机都包括使用纳米级晶体管技术运行的逻辑和存储设备。

图1:图灵机电计算机[1]的复制品

MEMS (Micro-Electro-Mechanical-Systems)是结合了机械和电气功能的新型微型设备。这些设备被用于移动电话、汽车和许多其他现代电子技术，并极大地改变了我们的生活和工作和生活方式。MEMS也是在硅晶圆上制造的。它们使用与基于晶体管的逻辑和存储芯片相同或相似的制造工艺进行沉积、蚀刻和清洗步骤。那么，我们是否可以使用MEMS技术来创建基于微尺度机电逻辑和内存的计算机，类似于早期的计算?

MEMS产品可以直接集成到传统的互补金属氧化物半导体(CMOS)逻辑和存储设备中。然而，今天的大多数MEMS产品都是基于双芯片方法，其中有一个MEMS设备的制造工艺和另一个工艺来创建相关的电子接口(CMOS)组件。然而，有大量的MEMS器件被直接生产并与CMOS电子集成的成功例子。德州仪器的DLP镜像阵列，Analog Devices用于汽车安全气囊应用的表面微加工加速度计，以及AAC-Wispry的RF MEMS开关都是MEMS器件在CMOS晶圆上单片集成并取得巨大成功的几个例子。

纳米机电系统(NEMS)在逻辑和存储器方面的发展

在过去的几十年里，CMOS电子器件遵循摩尔定律，缩小尺寸，成倍增加晶体管密度。就在我们说话的时候，这个缩放过程还在继续，越来越复杂的晶体管结构被发明出来。这种晶体管结构的一个替代方案是采用现有的CMOS技术，并将小型化机电开关集成到逻辑和存储设备中。这些小型化开关通常被称为纳米机电系统(NEMS)。

开发基于nems的逻辑或内存的一个动机是功耗。功耗已经成为最先进的计算机技术的主要瓶颈。这对于新兴的低能耗计算应用来说尤其是个问题，例如物联网(IoT)中使用的自主传感器节点、无线通信设备和边缘计算中使用的新型移动计算机。这些应用都需要大大提高能源效率的逻辑电路。基于nems的开关在关断状态下提供几乎为零的泄漏电流，锐利的开关特性和高的通流性能(通流状态下的低电阻)。这项技术的潜在好处包括能源效率的数量级提高。此外，静电驱动的NEMS已经证明，它们在低温和高温(-150℃至300℃)下都能有效工作，使它们能够在困难的环境条件下工作。

图2:标准CMOS的示意图，包括集成到BEOL[2]的机电开关。提供:加州大学伯克利分校

NEMS可以使用标准CMOS后端线(BEOL)互连工艺的金属层制造。BEOL流程可以与设备的前端线尾(FEOL)部分集成。FEOL部分包括器件的有源(晶体管)部分，包括任何计算机芯片上的主要工艺构建块。BEOL制造的堆叠由多个金属和电介质层组成，形成互连线和通孔(互连结构)。随着电子器件的缩小，这些模式化结构的最小特征尺寸和间距(所谓的间距)越来越小，而金属层的数量越来越多。这些小功能尺寸代表了潜在的技术挑战，但对新一代基于nems的设备来说也是巨大的机遇。到目前为止，基于nems的逻辑电路已经使用0.35 um、0,18 um、65 nm和16 nm CMOS制造工艺进行了实验证明。

NEMS BEOL开关实例

图3显示了伯克利大学使用标准65nm CMOS工艺[3]设计的BEOL NEMS继电器。该开关是静电驱动的，由一个可移动的横梁，两个编程电极(标记为程序0和程序1)和两个接触电极(标记为D0和D1)组成。该开关在平面视图(a)中显示，在横切面视图(a’)中显示金属/通孔层(b)。图3中的仿真结果显示了编程状态为“0”(c)和状态为“1”(d)时NEMS开关的位置。(c)和(d)中的颜色刻度显示了静电驱动引起的位移大小。模拟的瞬态响应(e)显示程序电压波形(上图)和相应的波束尖端随时间的位置(下图)。多个NEMS开关可以一起放置在阵列中以执行逻辑或内存功能。

图3:可重构BEOL NEM开关的covenor MEMS+模型(左)、模拟的瞬态行为(中)和模拟的最小(重)编程能量等高线图作为有效刚度和接触粘合力的函数(右)[3]。提供:加州大学伯克利分校

设计优化和缩放

BEOL NEMS开关能够满足低功率工作电压、非易失性和可编程性的设计要求。为了优化设备性能，需要解决NEMS设计的不同物理方面。基于nems的开关的可用设计参数包括梁的长度、厚度和梁的宽度，以及驱动接触间隙和接触面积。其中一些参数可以由设计师选择，另一些则取决于制造技术，并随着每一代新工艺的产生而缩小。利用MEMS+中的预测模型，可以计算出在不同工艺节点上进行优化设计的最小程序电压。较小的电压和电极电容将降低程序能量。由于接触间隙需要更小的光束位移，机械程序延迟将随着缩放而减小，并且光束质量的减小导致更快的静电驱动。随着CMOS技术的每一个新节点，最小特征尺寸都在减小，从而实现更小的间隙。因此，随着技术规模的扩大，BEOL NEMS开关的密度、开关能量和开关延迟有望得到改善[4,5]。

结论

几个研究小组已经提出了可用于逻辑和内存应用的微型化机电设备的不同设计。这些设计包括曲线形悬架[6]，横向或垂直电极的不同配置[7,8]和基于谐振器的可编程逻辑门[9]。许多半导体工程师都记得费曼的著名演讲，他建议我们通过将晶体管架构降至纳米尺度来探索物理操作的“底层空间”。今天，这发生在当今的FEOL半导体工艺中。我们不应该忘记，在半导体器件的BEOL部分，也有巨大的机会去探索“顶部的空间”。对于某些专业的低功耗应用，基于nems的设备在逻辑和内存开发过程中具有很高的价值，因为它们具有能源效率和在不利环境中运行的能力。基于nems的架构可能会把我们带回到机电计算的早期，但在低功耗计算应用中使用基于硅的设备。

参考资料及进一步阅读

[1]https://en.wikipedia.org/wiki/Alan_Turing

[2] U. Sikder ea.， 3D集成CMOS-NEM系统:实现下一代计算技术，2021年IEEE电子器件未来国际会议，关西(IMFEDK)

[3] U. Sikder ea.，单片集成的混合CMOS-NEM电路，电子器件学报，VOL. 68, NO. 1。2021年12月12日

[4] T. K. Liu, J. Jeon, R. Nathanael, H. Kam, V. Pott，和E. Alon，“MEM逻辑开关技术的前景”，在IEDM Tech. Dig。， 2010年12月，第18.3.1-18.3.4页。

[5] T.-J。K. Liu, U. Sikder, K. Kato和V. Stojanovic，“在顶部有足够的空间”，在IEEE第30版。Conf. Micro Electro Mech。系统。机械工程学报，2017年1月，第1-4页

[6] Sumit Saha ea.，热效应对使用NEMS, finfet和nwfet的功率门控电路性能的影响，IEEE电子器件学报，VOL. 68, NO. 1。2021年6月6日

[7] Lars Prospero Tatum, Urmita Sikder, Tsu-Jae King Liu，线后端非易失性NEM开关阵列的设计技术协同优化，电子器件学报，VOL. 68, NO. 12021年4月4日

[8] Li, R.， Azhigulov, D.， Allehyani, A.， & Fariborzi, H.(2020)。BEOL NEM基于继电器的无电感DC-DC转换器。2020年IEEE电路与系统国际研讨会(ISCAS)

[9] Ahmed, S.， Li, R.， Zou, X.， Al Hafiz, M. A.， & Fariborzi, H.(2019)。基于部分电极的MEMS谐振器可编程逻辑门建模与仿真。2019年MEMS与MOEMS设计、测试、集成与封装研讨会(DTIP)

[10]https://en.wikipedia.org/wiki/There%27s_Plenty_of_Room_at_the_Bottom