ננו-מעגלים

ננו-מעגלים (באנגלית: Nanocircuits) הם מעגלים חשמליים בקנה מידה ננומטרי (ננומטר אחד הוא ⁹⁻ 10 של המטר, כאורך של שורה אחת של 10 אטומי מימן) . מזעור מעגלים משולבים מאפשר דחיסת מספר גדול יותר של מעגלים בשבב אחד דבר הגורם לביצועים טובים יותר ומהירים יותר, הקטנת צריכת האנרגיה של השבב והוזלתו.

רקע

המוטיבציות לפיתוח הננו-מעגלים נובעים בעיקרם מ"חוק מור". חוק מור נקרא על שם גורדון מור אחד המייסדים של אינטל אשר כבר בשנת 1965 צפה שבמשך תקופת מזעור המעגלים, מספר המעגלים שיהיה ניתן לדחוס ברכיב יכפיל את עצמו מדי שנתיים. עם השנים הנחתו של מור התבררה כנכונה ואף משמשת ככלי תכנון והצבת יעדים למפתחים ויצרנים בתחום ובשל עובדה זאת זו היא נבואה המגשימה את עצמה. חוק זה מתייחס לקצב המזעור המתרחש לאורך השנים ובעצם שם דגש על הצורך המתמיד בהגדלת מספר הטרנזיסטורים על פני פיסת סיליקון וזאת כדי ליצור מעגלים משולבים מהירים ובעלי ביצועים טובים יותר.
הצורך בפיתוח מיליארדי טרנזיסטורים ברכיב בודד, טמון בהתפתחות הטכנולוגית הנדרשת לספק את הצריכה המאסיבית הגוברת של מחשבים, בקרים, חיישנים וחפיצים שונים.

יישומים

ניתן ליישם מגוון תצורות של מעגלים ננו-מטרים בדרכים שונות. כגון; "טרנזיסטור חד אלקטרוני" ("Single-electron transistors"), "אוטומט תאי קוונטי" ("Quantum cellular automata"), ו"נועלים ננומטרים" ("Nanoscale crossbar latches"). עם זאת, רוב המאמצים כיום מופנים ליצירת ננו-חומרים שישפרו את ביצועי הטרנזיסטורים מסוג "MOSFET". רכיבים אלו מרכיבים את רוב המעגלים הדיגיטליים והאנלוגיים הבסיסיים ובאופן המציית ל"חוק מור". במאמר סקירה בנושא "תכנון ה-MOSFET ותפקידו בעתיד" שפורסם ב-2004, בוצעה השוואה בין מספר צורות גאומטריות של הרכיב הממוזער וצוין שהמזעור המוצלח ביותר היה של "טרנזיסטור תוצא שדה בעל תעלה גלילית אנכית" ("circular cross section vertical channel Field Effect Transistor").
מדענים פיתחו לאחרונה את הטרנזיסטור הקטן בעולם שככל הנראה ישמש בעתיד כרכיב העיקרי בננו-מעגלים. הטרנזיסטור עשוי על בסיס "ננו-צינוריות פחמן" ("carbon nanotubes") הדקים פי אלף מעובי שערת אדם. רוב הננו-מעגלים מורכבים מטרנזיסטורים על בסיס-סיליקון ("silicon-base transistor") בעלי שער מתכתי ("metal gate"), דבר הגורם לקשיים בייצור ככול שמידת הטרנזיסטור יורדת. קיים קושי בחיבור מוליך בגדלים אטומיים כגון ננו-צינוריות פחמן לשער מתכתי של טרנזיסטור. עם פיתוח הטרנזיסטור בקנה מידה מולקולארי ניתן יהיה לייצר ננו-מעגלים כמקשה אחת ברמה הננומטרית. בייצור זה גם החיבורים וגם הטרנזיסטורים עשויים מננו-צינורות. ייצור המעגלים האלקטרונים לא סובלים כשלים בעת ביצוע מילוני פעולות וחישובים מורכבים במהירות הולכת וגדלה. נראה שקיים גבול ליכולת המזעור וכי ככול שיורדים בסקלת גודל המעגל גדל סיכויי לכשלים בתהליך הייצור. ברמה האטומית קיימות עוד תופעות חדשות המתגלות לבקרים וזאת באמצעות מכשירים חדשים המיוצרים מאותה טכנולוגיה המשמשת לאיתורם חקירתם ויצירתם, תלות זו היא אחת הסיבות שיביאו להפרת חוק מור בעתיד ולמעשה קצב המזעור יואט ואף יגיע לרוויה.

אתגרים

אחת מהבעיות העיקריות ביישום ננו-מעגלים הוא תהליך היישור ("alignment") בין השכבות. תהליך הייצור של רכיבים מיקרו וננואלקטרונים מבוסס על טכנולוגיה פלנרית (מישורית) בה יוצרים מבנה של שכבות דקות. באמצעות תהליך הפוטוליתוגרפיה יוצרים שכבות ומורידים שכבות באזורים מוגדרים. תהליך זה בכל שכבה חייב להיות מתואם עם השכבה שמתחתיה כך שהמיבנים המתאימים בשכבה אחת ישבו על המבנים הקשורים להם בשכבה שמתחת. ככל שמידת המבנים קטנה יותר תהליך היישור בין שכבה לשכבה קשה יותר, שכן כל סטיה של ננומטר אחד בין השכבות גורם לניתוקים או קצרים. בנוסף, בננו-מעגלים צפויים יותר כשלים ובעיות וזאת בגלל רגישותם לקרינה קוסמית, הפרעות אלקטרומגנטיות, ורגישות לשינויי טמפרטורה. ככל שטרנזיסטורים אלו "יידחסו" יותר כך מספר האותות הלא רצויים יגדל ועלולות להתרחש הפרעות. כמו כן יש קשיי פיזור חום הנוצר כתוצאה מעבודת רכיבים רבים בשטח קטן יחסית. בעיה נוספת תתרחש בשלב הייצור וכוללת בין השאר תהליכי מנהור דרך השכבות המבודדות ("tunneling") בשל עוביים הקטן יחסית, דבר שיגרע ביעילות ההתקן. כמו כן קיבולים פרזיטיים יהיו יותר משמעותיים שהרי הקיבול תלוי בעובי השכבה המבודדת.
לצורך תכנון או יישום של ננו-מעגלים, נדרש להתמקד בשלושה תחומים עיקריים המשפיעים ומושפעים אחד מהשני. הראשון שביניהם הוא סוג הטרנזיסטור: עד כה רוב האלקטרוניקה עושה שימוש בטרנזיסטור על בסיס-סיליקון ("silicon-based transistor"). טרנזיסטורים מהווים את לבם של המעגלים האלקטרונים וזאת לאור יכולתם לשלוט על זרימת החשמל (מיתוג) ולבצע הגברה של אותות חשמליים, שכן סיליקון הוא מוליך למחצה המאפשר בקלות יחסית לשנות את מצבו ממוליך למבודד. כמו כן, בקנה מידה ננומטרי טרנזיסטורים יכולים להיות מולקולארים אורגניים או במבנה אנאורגני ננו-מטרי ("nanoscale inorganic structure").
הנושא השני המשפיע על פיתוח מעגלים ננומטריים הוא החיבורים ("interconnection"). הקונפיגורציה של מכלול הטרנזיסטורים בננו-מעגל קובעת את הלוגיקה של המעגל. לאחר תכנון של ננו-מעגל משתמשים בכלים מתמטיים ולוגים שונים כדי לבצע אופטימיזציה של סדר הטרנזיסטורים ואופן החיבור ביניהם. אותם חיבורים בין מיליוני טרנזיסטורים מבוצע באמצעות ננוחוטים דקים מאוד בעובי של עד כדי ננומטר אחד. הרעיון הוא לייצר את הטרנזיסטורים ביחד עם החיבורים במקשה אחת כחלק מבניית הננו מעגל כדי להתגבר על אתגר היישור וההתאמה בין השכבות. בשנת 2004 ייצרו ב"מחלקה הננו-טכנית של אוניברסיטת הרווארד" ננו-מוליך הדק פי 10,000 מדף נייר וכולל מחרוזת של טרנזיסטורים. למעשה החיבורים בין הטרנזיסטורים נעשים לפני או תוך כדי ייצור הננו-מעגל וזאת כדי להימנע מהקשיים הרבים הכרוכים בגישור הטרנזיסטורים הרבים באמצעות מוליכים רבים בעובי כה דק, עד כדי ננומטר אחד.
הנושא השלישי המשפיע על פיתוח מעגלים ננומטריים הוא הארכיטקטורה ("architecture") המהווה את התכנון של המבנה השלם על חלקיו הרבים והקשרים ביניהם. הארכיטקטורה לוקחת בחשבון שלננו-מעגל דרוש ממשק מסוים על מנת להתחבר למעגלים אחרים או לעולם החיצון, למעשה ננו-מעגלים רבים נדרשים להתחבר למעגלים נוספים המבצעים פעולות שונות באופן מושלם. בשל גודלם הקטן ננו-מעגלים חשופים יותר לשגיאות ונזקים, מדענים כיום הציעו דרך חדשה על מנת להתגבר על הבעיה: הרעיון העומד מאחורי הארכיטקטורה החדשה כוללת שערים לוגיים וחיבורים נוספים שתפקידם יהיה לאפשר למעגל לפעול בצורה תקינה ומבלי לקבל אות שגוי במוצא חרף העובדה שקיימות שגיאות במעגל.