Design and development of nanoelectronic circuits and architectures

Abstract

H συνεχής σμίκρυνση των διαστάσεων των CMOS κυκλωμάτων αναμένεται σύντομα να πλησιάσει τα θεμελιώδη φυσικά όρια της. Το γεγονός αυτό έχει στρέψει το παγκόσμιο ερευνητικό ενδιαφέρον σε αναδυόμενες νανοηλεκτρονικές διατάξεις. Αυτή την περίοδο πραγματοποιείται εντατική έρευνα σε εναλλακτικές διατάξεις και αρχιτεκτονικές επεξεργασίας πληροφορίας με απώτερο στόχο τη διατήρηση της ιστορικά αυξανόμενης απόδοσης των ολοκληρωμένων κυκλωμάτων που συχνά αναφέρεται ως «νόμος του Moore». Μεταξύ των νέων νανοτεχνολογιών που ερευνώνται αυτή την περίοδο, οι διατάξεις μεταβαλλόμενης αντίστασης ευρύτερα χαρακτηριζόμενες ως «memristors», επιδεικνύουν ως τώρα σπουδαίες λειτουργικές δυνατότητες και θεωρούνται ως πιθανός διάδοχος της CMOS τεχνολογίας τόσο σε διατάξεις μνήμης όσο και επεξεργασίας στα ηλεκτρονικά συστήματα του μέλλοντος. Το memristor προτάθηκε από τον L. O. Chua το 1971 ως το τέταρτο θεμελιώδες κυκλωματικό στοιχείο για να προσχωρήσει στα ήδη γνωστά μας: αντιστάτης, πυκνωτής, και πηνίο. Πρόκειται για μια παθητική ηλεκτρονική διάταξη δύο ακροδεκτών η συμπεριφορά της οποίας περιγράφεται από μια μη-γραμμική θεμελιώδη μαθηματική σχέση μεταξύ της τάσης στα άκρα της και του ρεύματος που τη διαρρέει. Ωστόσο, αυτή η διάταξη συγκέντρωσε το περισσότερο επιστημονικό ενδιαφέρον μόλις μετά το 2008 όταν και ανακοινώθηκε η πρώτη πειραματική υλοποίηση από τα εργαστήρια της Hewlett-Packard. Η παρούσα Διδακτορική Διατριβή αναφέρεται στο σχεδιασμό και την ανάπτυξη νανοηλεκτρονικών κυκλωμάτων και αρχιτεκτονικών εστιάζοντας στις memristive διατάξεις. Απώτερος στόχος είναι η μελέτη, διερεύνηση, και αντιμετώπιση των σχετικών προκλήσεων, καθώς και η πρόταση λύσεων για την ομαλότερη μετάβαση από τις καθιερωμένες τεχνολογίες κυκλωμάτων σε νέες αναδυόμενες νανοτεχνολογίες. Σε αυτή την κατεύθυνση, παρουσιάζονται νέα αποτελέσματα σχετικά με τη μοντελοποίηση memristive διατάξεων, τη μοντελοποίηση πολύπλοκων διασυνδέσεων τους, μεθοδολογίες σχεδιασμού κυκλωμάτων λογικής, αρχιτεκτονικές σχεδιασμού κυκλωμάτων μνήμης, ανάπτυξη εργαλείων σχεδιασμού και προσομοίωσης κυκλωμάτων, και εφαρμογές των memristive διατάξεων σε δικτυώματα. Τα αποτελέσματα που παρουσιάζονται αποδεικνύουν ότι τα memristors είναι κατάλληλα τόσο για την αποθήκευση όσο και για την επεξεργασία πληροφοριών, αφού αμφότερες οι λειτουργίες λαμβάνουν χώρα στις ίδιες ηλεκτρονικές διατάξεις. Το περιεχόμενο της παρούσας Διδακτορικής Διατριβής συνάδει απόλυτα με τις σύγχρονες τάσεις της έρευνας στο χώρο των νανοηλεκτρονικών memristive κυκλωμάτων και συστημάτων. Τα συμπεράσματα της έρευνας συνεισφέρουν στην ανάπτυξη των αναδυόμενων τεχνολογιών που αναμένεται να κυριαρχήσουν στη βιομηχανία ημιαγωγών στο προσεχές μέλλον.