Пробудят ли МЭМС закон Мура?

Журнал РАДИОЛОЦМАН, декабрь 2014

Kevin Morris

EE Journal

19 апреля 1965 года журналом Electronics была опубликована статья под названием «Рост числа элементов в интегральных микросхемах» («Cramming more components into integrated circuits»). Её автором был Гордон Мур (Gordon Moore), один из основателей компании Fairchild Semiconductor, а с 1959 года руководитель научно-исследовательского отдела компании. На основании анализа технологий производства микроэлектроники того времени, он высказал простое наблюдение, ставшее впоследствии доминирующим направлением развития электроники во всём мире. Закон Мура стал отправной точкой стремительного роста возможностей полупроводниковых приборов, не прекращающегося почти 50 лет.

Гордон Мур в 1965 году и нарушение закона Мура в наше время.

В том же году журнал Electronics опубликовал статью Харви Натансона (Harvey Nathanson) из Westinhouse Labs, описывающую запатентованное им «Микроэлектронное частотно-избирательное устройство со стержневой колебательной системой и чувствительным элементом» («Microelectronic frequency selective apparatus with vibratory member and means responsive thereto»). Так появилась первая в своём роде микроэлектромеханическая система (МЭМС).

Фото Харви Натансона на брифинге IEEE в 1984 году. Запатентованное Натансоном устройство явилось универсальным «строительным блоком» для различных схем с селекцией частоты (фильтров, усилителей, генераторов, модуляторов), требующих применения звеньев с высокой добротностью. Такая альтернатива RC-цепям, LC-контурам и пьезокерамическим резонаторам, занимающим много места на платах, стала в своём роде первой полностью интегрированной микросистемой. Объединение в тонкоплёночной интегральной микросхеме электронных и механических элементов положило начало эре электромеханических микросистем.

Изобретение Натансона, названное «резонансным полевым транзистором», сочетало колеблющийся стержень и управляемый им полевой транзистор, размещенные на кремниевой подложке.

От автора перевода

Консольно закреплённый стержень (консоль) из отожжённой вольфрамовой проволоки длиной 3 мм и диаметром 0.025 мм был покрыт слоем золота толщиной 2 мкм. Электрическое поле вибрирующего стержня влияло на затвор транзистора, существенно увеличивая проводимость канала на частотах, близких к резонансной частоте колебаний консоли. Причём, возбуждение колебаний осуществлялось электростатическим способом посредством изолированного электрода из проводящего материала, расположенного под стержнем, куда и подводился полезный сигнал, требующий усиления. При изготовлении и настройке резонансные частоты такой электромеханической системы менялись в диапазоне от 100 Гц до 1 МГц за счёт подбора длины и упругости стержня. Вдобавок, изготовление консоли из материала с малыми внутренними потерями (фосфористая бронза или никель) увеличивало добротность системы до 1000 и более. А так как единственным резонансным элементом такой частотно-избирательной схемы являлся сугубо механический конструктивный элемент, то температурный дрейф частоты из-за теплового расширения/сжатия материала консоли в итоге не превышал 10 ppm на 1 °С. См. оригинальный патент US3413573.

Почти 50 лет развитие МЭМС идёт в ногу с миниатюризацией транзисторов в логических схемах. И поскольку МЭМС и транзисторная логика производятся на одних и тех же заводах, на одном и том же оборудовании, по сходным техпроцессам, то возникает естественное желание провести между ними параллель. Так, после посещения конференции MEMS Executive Congress в этом году, у меня возникло отчётливое дежавю – настроение, царившее в отрасли полупроводников в 1980-х. Сейчас, как и тогда, пришло время сплоченного сообщества энтузиастов, исследующих перспективную технологию с потенциально бесконечными приложениями. Сегодня есть все предпосылки, предшествовавшие появлению закона Мура – закона, околдовавшего наше воображение и трансформировавшего нашу культуру задолго до того, как полупроводниковое производство стало массовым.

И похоже, что все игроки на рынке МЭМС молчаливо затаились в ожидании подобных закону Мура формальных оснований для взрывного роста. Когда же шаткие компании и стартапы стремительно превратятся в крупные корпорации, повторив успех компании Intel? Сегодня МЭМС почти в каждом мобильном устройстве, а согласно прогнозу, всего через несколько лет в мире будет более триллиона МЭМС датчиков. Невольно охватывает волнение, ведь триллион – это очень большое число. Триллион МЭМС – это от 300 до 400 датчиков на каждого мужчину, женщину и ребёнка, живущих на Земле.

Нет аналогов закона Мура для МЭМС

Хоть цифра в 300-400 МЭМС датчиков на долю каждого существующего человека кажется внушительной, перефразируя Дугласа Адамса – это чепуха по сравнению с транзисторами. В новейших функциональных узлах вычислительных устройств счёт идёт на миллиарды транзисторов, а это означает, что вскоре каждый человек отдельно будет владеть триллионами транзисторов. Пускай такое сравнение выгладит нелепо, но важен факт: закон Мура не касался всецело «электроники» или «комплектующих». В нём говорилось об отдельном устройстве – КМОП-транзисторе в составе интегральной микросхемы.

Конечно, существенное развитие технологии литографии за последние десятилетия позволяет получать более совершенные по характеристикам и меньшие по размерам элементы всех типов, включая МЭМС. Но элементом, взрывоподобно спровоцировавшим процесс миниатюризации, был транзистор – фактически, единственный элемент, который мы научились использовать эффективно в почти неограниченных количествах. Так, несколько миллиардов транзисторов в составе смартфона или планшета слаженно работают без потерь даже одного бита данных. Если разработчикам смартфонов предложить лишний миллиард транзисторов без увеличения стоимости микросхем, они с радостью примут такой подарок по понятным причинам. Только вот непонятно, что можно сделать с несколькими дюжинами МЭМС датчиков в телефоне. С девятью датчиками движения и GPS телефон и так «знает» где он, куда движется и как ориентирован.

Нет практической ценности в удвоении числа этих датчиков. Можно добавить несколько вариометров, гигрометров, термометров, барометров, даже спектрометр или два, и наше устройство превратится в «сенсорного монстра», оставаясь всего лишь планшетом, нашпигованным десятками МЭМС. Но для каждого такого датчика дополнительно потребуется большое число транзисторов из-за запросов на обработку «сырых» данных. Вся ирония такой ситуации заключается в том, что наличие в устройствах МЭМС повышает требования к большому числу полупроводниковых технологий, не связанных с МЭМС – таких как ПЛИС.

Совершенно определённо – в наших устройствах происходит революция, спровоцированная МЭМС. А быстрое распространение таких датчиков, которые, по мнению специалистов МЭМС индустрии, скоро преодолеют прогнозируемый триллион, совершенно изменит электронику. Только в этот раз без взрывного закона Мура для самих МЭМС.

Рассмотрим смартфон – главный технологический флагман сегодняшнего дня. На слуху множество спекуляций о пользе применения в смартфонах 4-ядерных 64-битных процессоров. Но почему? Просто до этого времени не было необходимости в обработке такого количества данных. Как только было получено устройство с высоким уровнем производительности видеоигр, у большинства приложений не оказалось новых высот для покорения, требующих значительных вычислительных мощностей в смартфоне на уровне железа. И эти большие системные процессоры оказались оштрафованными за чрезмерный энергетический аппетит, который сложно игнорировать с нашим дефицитным бюджетом на аккумуляторы.

Но удачная подача мяча в виде МЭМС датчиков бросает новый вызов вычислениям и обработке. Теперь необходимо выполнять сложный анализ больших объёмов поступающих данных – часто непрерывно и в реальном времени – с конечной целью получить полную информацию об окружающем мире. Иными словами «контекст» среды, в которой находится устройство.

«Контекст» – это просто понимание того, что происходит вокруг, экстраполированное из «кучи» разнообразных данных. Под контекстом чаще всего подразумевается однозначный ответ на простой вопрос: что устройство (или пользователь устройства) делает сейчас, и в какой обстановке? После обработки сумасшедшего потока данных множеством алгоритмов, вычислительная система может сделать вывод о том, например, что пользователь сейчас «идёт». Дополнительные баллы устройство зарабатывает за знание таких деталей, как место прогулки, скорость пользователя и данные об окружающей среде.

Создание системы, способной сделать достоверный вывод о контексте путём перекрёстного сравнения коррелирующих данных, требует, по крайней мере, нескольких качественных МЭМС датчиков. А вдобавок – гигантского объёма высокопроизводительных вычислений при низком энергопотреблении. Последнюю трудную задачу никогда не возложат на сами датчики, какими бы они ни были. Немного будет пользы и от 4-ядерного 64-битного ARM процессора. Простое пробуждение такого монстра лишь на мгновение, не считая выполнения анализа данных, разрушает баланс энергопотребления большинства систем с батарейным питанием, как и почти каждого потенциально носимого устройства.

Для решения этих вычислительных задач, скорее всего, будут задействованы аппаратные средства с архитектурой, похожей на ПЛИС. Последние сегодня являются единственными устройствами, сочетающими в себе сверхвысокую производительность, поддержку реконфигурации алгоритмов «на лету» и ультранизкое энергопотребление – факторы, без которых не осилить потока данных от датчиков. По крайней мере две компании производителей ПЛИС (QuickLogic и Lattice Semiconductor) решились на гонку именно в этой области. Ими выпускаются программируемые логические устройства, пригодные для выполнения сложных алгоритмов и решения задач одновременной обработки сигналов различных датчиков в условиях жестких ограничений на габариты, энергопотребление и стоимость.

Но обработка сигналов нескольких датчиков – всего лишь верхушка пресловутого айсберга. Когда в мире более триллиона датчиков, наводняющих нас данными, единственная надежда на то, что мы сумеем извлечь высококачественную и достоверную информацию – это гетерогенная распределённая компьютерная система клиент-сервер, охватывающая всю гамму устройств, от крошечных высокоэффективных локальных датчиков до больших облачных центров обработки данных. Для каждого уровня этой метамашины потребуется правильная организация входящих потоков данных (корреляция, сокращение, объединение) с передачей результатов на более высокие уровни анализа.

И даже если для этих датчиков не появится собственный закона Мура, они станут катализатором в большом числе приложений, развитие которых будет опираться на старый добрый закон Мура ещё несколько циклов.

Ссылки

1. rlocman.ru/File.pdf
2. «МЭМС-акселерометры – фантазии и реальность». РадиоЛоцман, 2011, август, стр. 15.
3. «Время перемен: кварцевые генераторы уступают дорогу МЕМС». РадиоЛоцман, 2013, сентябрь, стр. 17.