ナノ電気機械リレー

ナノエレクトロメカニカル（NEM）リレーは、半導体製造技術を用いてナノメートルスケールで構築された電気的に作動するスイッチです。従来の半導体ロジックの代替として、あるいはそれと連動して動作するように設計されています。NEMリレーは機械的な性質上、ソリッドステートリレーに比べてスイッチング速度がはるかに遅くなりますが、ゼロリーク電流や低消費電力など、多くの利点があり、次世代コンピューティングにおいて有用となる可能性があります。

典型的なNEMリレーは、動作を開始するために数十ボルトの電位を必要とし、接触抵抗はギガオーム程度になります。接触面を白金でコーティングすることで、接触抵抗を3kΩまで低減できます。[ 1 ]トランジスタと比較すると、NEMリレーのスイッチング速度は比較的遅く、ナノ秒程度です。[ 2 ]

手術

3端子電気機械リレーの回路図

NEMリレーは、2端子、3端子、または4端子構成で製造できます。3端子リレーは、ソース（入力）、ドレイン（出力）、ゲート（駆動端子）で構成されます。ソースには片持ち梁が取り付けられており、この梁を曲げてドレインに接触させることで電気的接続を確立します。梁とゲートの間に大きな電圧差が印加され、静電力が梁の弾性力を上回り、梁がドレインに接触すると、デバイスは「引き込まれ」、電気的接続を形成します。オフ位置では、ソースとドレインはエアギャップによって分離されています。この物理的な分離により、NEMリレーは電流リークをゼロにし、非常に急峻なオン/オフ遷移を実現します。[ 3 ]

電界の非線形性と、ビームとドレイン間の接着力により、デバイスは引き込み電圧よりも低い電圧で「引き抜き」、接続を失います。このヒステリシス効果とは、引き込み電圧と引き抜き電圧の間に、リレーの初期状態に関係なく、リレーの状態が変化しない電圧が存在することを意味します。この特性は、スタティックランダムアクセスメモリなど、回路内に情報を保存する必要があるアプリケーションで非常に有用です。[ 1 ]

製造

NEMリレーは通常、微小電気機械システム（MEMS）に代表される表面マイクロマシニング技術を用いて製造される。 [ 4 ]横方向駆動型リレーは、まずシリコンウェーハ上に2層以上の材料層を堆積させることによって構成される。上部構造層はフォトリソグラフィーによってパターン化され、最上層の材料から独立したブロックが形成される。次に、その下の層を選択的にエッチング除去し、リレーのビームなどの薄い構造がウェーハ上に片持ち支持され、横方向に自由に曲がるようになる。[ 1 ]このプロセスで使用される一般的な材料の組み合わせは、上部構造層としてポリシリコン、下部犠牲層として二酸化シリコンである。

NEMリレーはバックエンド・オブ・ライン互換プロセスを用いて製造できるため、 CMOS上に構築することができます。[ 1 ]この特性により、NEMリレーを用いることで特定の回路の面積を大幅に削減することができます。例えば、CMOS-NEMリレーハイブリッドインバータは0.03 μm 2 の面積しか占有せず、これは45 nm CMOSインバータの3分の1の面積です。[ 5 ]

歴史

シリコンマイクロマシニング技術を使用して作られた最初のスイッチは1978年に製造されました。[ 6 ]これらのスイッチは、バルクマイクロマシニングプロセスと電気メッキを使用して作られました。[ 7 ] 1980年代には表面マイクロマシニング技術が開発され、 [ 8 ]この技術がスイッチの製造に応用され、より小型で効率的なリレーが可能になりました。[ 9 ]

MEMSリレーの初期の主な用途は、ソリッドステートリレーの性能が低かった無線周波数信号のスイッチングでした。 [ 10 ]これらの初期のリレーのスイッチング時間は1μs以上でした。寸法が1μm未満に縮小し、[ 11 ]ナノスケールに移行したことで、MEMSスイッチは数百ナノ秒単位のスイッチング時間を実現しました。[ 5 ]

アプリケーション

機械計算

トランジスタのリーク電流により、CMOSロジックの理論的な効率には限界があります。この効率障壁は、電力制約のあるアプリケーションにおける計算能力の継続的な向上を最終的に妨げます。[ 12 ] NEMリレーはスイッチング遅延がかなり大きいものの、他のリレーと比較して小型でスイッチング速度が速いため、 NEMリレーを用いた機械計算は、一般的なCMOSベースの集積回路の現実的な代替手段となり、このCMOS効率障壁を打ち破る可能性があります。[ 3 ] [ 2 ]

NEMリレーは、固体トランジスタが電気的に切り替えるのにかかる時間の約1000倍の速度で機械的に切り替わります。このため、NEMリレーをコンピューティングに使用することは大きな課題となりますが、抵抗が低いため、多数のNEMリレーを連結して一度に切り替えることで、単一の大規模な計算を実行できます。[ 2 ]一方、トランジスタロジックは、抵抗が高いため、信号の整合性を維持しながら多数のトランジスタを連結することができないため、計算の短いサイクルで実装する必要があります。 したがって、NEMリレーを使用して、CMOSロジックよりもはるかに低いクロック速度で動作し、各サイクルでより大規模で複雑な計算を実行する機械式コンピュータを作成することが可能です。これにより、NEMリレーベースのロジックは、現在のCMOSロジックに匹敵する標準で動作できるようになります。[ 2 ]

自動車、航空宇宙、地熱探査事業など、非常に高温でも動作可能なマイクロコントローラが役立つアプリケーションは数多くあります。しかし、高温になると、一般的なマイクロコントローラに使用されている半導体は、材料の電気的特性が劣化してトランジスタが機能しなくなり、故障し始めます。NEMリレーは作動に材料の電気的特性に依存しないため、NEMリレーを使用した機械式コンピュータはそのような条件でも動作可能です。NEMリレーは500℃までの試験に成功していますが、理論的にははるかに高い温度にも耐えることができます。[ 13 ]

フィールドプログラマブルゲートアレイ

NEMリレーは、リーク電流ゼロ、低消費電力、そしてCMOS上に積層可能な特性を備えているため、フィールドプログラマブルゲートアレイ（FPGA）のルーティングスイッチとして有望な候補となっています。ルーティングスイッチとそれに対応するスタティックランダムアクセスメモリブロックをNEMリレーで置き換えたFPGAは、一般的な22nm CMOSベースのFPGAと比較して、プログラミング遅延、電力リーク、チップ面積を大幅に削減できます。[ 14 ]この面積削減は主に、NEMリレーのルーティング層をFPGAのCMOS層上に構築できることに起因しています。

参照

参考文献

  1. ^ a b c d Parsa, Roozbeh; Lee, W. Scott; Shavezipur, Mohammad; Provine, J; Mitra, Subhashish; Wong, H.-S. Philip; Howe, Roger T. (2013年3月7日). 「横方向駆動型プラチナコーティングポリシリコンNEMリレー」. Journal of Microelectromechanical Systems . 22 (3): 768– 778. doi : 10.1109/JMEMS.2013.2244779 . S2CID  24310991 .
  2. ^ a b c d Chen, Fred; Kam, Hei; Markovic, Dejan; Liu, Tsu-Jae King; Stojanovic, Vladimir; Alon, Elad (2008-11-10). 「NEMリレーを用いた集積回路設計」 . ICCAD '08 Proceedings of the 2008 IEEE/ACM International Conference on Computer-Aided Design . IEEE Press. pp.  750– 757. ISBN 9781424428205. 2014年10月29日閲覧。
  3. ^ a b Chen, F; Spencer, M; Nathanael, R; ChengCheng, Wang; Fariborzi, H; Gupta, A; Hei, Kam; Pott, V; Kaeseok, Jeon; Tsu-Jae, King Liu; Markovic, D.; Stojanovic, V.; Alon, E. (2010年2月). 「VLSIアプリケーション向け集積マイクロエレクトロメカニカルスイッチ回路のデモンストレーション」. 2010 IEEE International Solid-State Circuits Conference - (ISSCC) . pp.  150– 151. CiteSeerX 10.1.1.460.2411 . doi : 10.1109/ISSCC.2010.5434010 . ISBN  978-1-4244-6033-5. S2CID  8905826 .
  4. ^ Kam, Hei; Pott, V; Nathanael, R; Jeon, Jaeseok; Alon, E; Liu, Tsu-Jae King (2009年12月). 「ゼロスタンバイ電力デジタルロジックアプリケーション向けマイクロリレー技術の設計と信頼性」. 2009 IEEE International Electron Devices Meeting (IEDM) . pp.  1– 4. doi : 10.1109/IEDM.2009.5424218 . ISBN 978-1-4244-5639-0. S2CID  41011570 .
  5. ^ a b Akarvardar, K; Elata, D; Parsa, R; Wan, GC; Yoo, K; Provine, J; Peumans, P; Howe, RT; Wong, H.-SP (2007年12月10日). 「相補型ナノエレクトロメカニカルロジックゲートの設計に関する考察」. 2007 IEEE International Electron Devices Meeting . pp.  299– 302. doi : 10.1109/IEDM.2007.4418930 . ISBN 978-1-4244-1507-6. S2CID  41342836 .
  6. ^ Petersen, Kurt (1978年10月). 「シリコン上の動的マイクロメカニクス：技術とデバイス」. IEEE Transactions on Electron Devices . 25 (10): 1241– 1250. Bibcode : 1978ITED...25.1241P . doi : 10.1109/T-ED.1978.19259 . S2CID 31025130 . 
  7. ^ Petersen, Kurt (1982年5月). 「機械材料としてのシリコン」. Proceedings of the IEEE . 70 (5): 420– 457. Bibcode : 1982IEEEP..70..420P . doi : 10.1109/PROC.1982.12331 . S2CID 15378788 . 
  8. ^ Bustillo, JM; Howe, RT; Muller, RS (1998年8月). 「マイクロエレクトロメカニカルシステムのための表面マイクロマシニング」. Proceedings of the IEEE . 86 (8): 1552– 1574. CiteSeerX 10.1.1.120.4059 . doi : 10.1109/5.704260 . 
  9. ^ Sakata, M (1989年2月). 「電気機械式リレー用静電マイクロアクチュエータ」.マイクロ構造、センサー、アクチュエータ、機械、ロボットの調査. IEEE Micro Electro Mechanical Systems, Proceedings. pp.  149– 151. doi : 10.1109/MEMSYS.1989.77980 . S2CID 111117216 . 
  10. ^ Yao, JJ; Chang, MF (1995年6月). 「DCから4GHzまでの信号周波数に対応する通信アプリケーション向け表面マイクロマシン化小型スイッチ」.国際固体センサ・アクチュエータ会議TRANSDUCERS '95の議事録. 第2巻. pp.  384– 387. doi : 10.1109/SENSOR.1995.721827 . S2CID 110197804 . 
  11. ^ Jang, Weon Wi; Lee, Jeong Oen; Yoon, Jun-Bo; Kim, Min-Sang; Lee, Ji-Myoung; Kim, Sung-Min; Cho, Keun-Hwi; Kim, Dong-Won; Park, Donggun; Lee, Won-Seong (2008年3月). 「15nm厚サスペンションエアギャップを備えたナノエレクトロメカニカルスイッチの製造と特性評価」. Applied Physics Letters . 92 (10): 103110–103110–3. Bibcode : 2008ApPhL..92j3110J . doi : 10.1063/1.2892659 .
  12. ^ Calhoun, Benton, H.; Wang, Alice; Chandrakasan, Anantha (2005年9月). 「サブスレッショルド回路における最小エネルギー動作のためのモデリングとサイジング」(PDF) . IEEE Journal of Solid-State Circuits . 40 (9): 1778. Bibcode : 2005IJSSC..40.1778C . doi : 10.1109/JSSC.2005.852162 . S2CID 15037515. 2014年10月29日閲覧. {{cite journal}}: CS1 maint: 複数の名前: 著者リスト (リンク)
  13. ^ Lee, Te-Hao; Bhunia, Swarup; Mehregany, Mehran (2010年9月10日). 「シリコンカーバイドを用いた500℃での電気機械計算」. Science . 329 (5997): 1316– 1318. Bibcode : 2010Sci...329.1316L . doi : 10.1126/science.11 ​​92511. PMID 20829479. S2CID 206527731 .  
  14. ^ Chen, Chen; Parsa, Roozbeh; Patil, Nishant; Chong, Soogine; Akarvardar, Kerem; Provine, J; Lewis, David; Watt, Jeff; Howe, Roger T.; Wong, H.-S. Philip; Mitra, Subhashish (2010-02-21). 「ナノエレクトロメカニカルリレーを用いた高効率FPGA」.第18回ACM/SIGDA国際フィールドプログラマブルゲートアレイシンポジウム - FPGA '10 議事録. pp.  273– 282. doi : 10.1145/1723112.1723158 . ISBN 9781605589114. S2CID  1081387 .
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