Un relé nanoelectromecánico ( NEM ) es un interruptor accionado eléctricamente que se construye a escala nanométrica utilizando técnicas de fabricación de semiconductores . Están diseñados para funcionar en reemplazo o en conjunto con la lógica de semiconductores tradicional . Si bien la naturaleza mecánica de los relés NEM los hace cambiar mucho más lento que los relés de estado sólido , tienen muchas propiedades ventajosas, como cero fugas de corriente y bajo consumo de energía , que los hacen potencialmente útiles en la computación de próxima generación.
Un relé NEM típico requiere un potencial del orden de las decenas de voltios para " entrar " y tener resistencias de contacto del orden de gigaohmios. Recubrir las superficies de contacto con platino puede reducir la resistencia de contacto alcanzable a tan solo 3 kΩ. [1] En comparación con los transistores, los relés NEM cambian con relativa lentitud, del orden de nanosegundos. [2]
Operación
Un relé NEM se puede fabricar en configuraciones de dos, tres o cuatro terminales. Un relé de tres terminales se compone de una fuente (entrada), drenaje (salida) y una puerta (terminal de actuación). Adjunto a la fuente hay una viga en voladizo que se puede doblar para entrar en contacto con el desagüe para hacer una conexión eléctrica. Cuando se aplica un diferencial de voltaje significativo entre la viga y la puerta, y la fuerza electrostática supera la fuerza elástica de la viga lo suficiente como para doblarla para que entre en contacto con el drenaje, el dispositivo "tira" y forma una conexión eléctrica. En la posición de apagado, la fuente y el drenaje están separados por un espacio de aire. Esta separación física permite que los relés NEM tengan cero fugas de corriente y transiciones de encendido / apagado muy precisas. [3]
La naturaleza no lineal del campo eléctrico y la adhesión entre la viga y el drenaje hacen que el dispositivo se "salga" y pierda la conexión a un voltaje más bajo que el voltaje al que tira. Este efecto de histéresis significa que hay un voltaje entre el tirón en voltaje, y el voltaje de extracción que no cambiará el estado del relé, sin importar cuál sea su estado inicial. Esta propiedad es muy útil en aplicaciones donde la información debe almacenarse en el circuito, como en la memoria estática de acceso aleatorio . [1]
Fabricación
Los relés NEM generalmente se fabrican utilizando técnicas de micromecanizado de superficie típicas de los sistemas microelectromecánicos (MEMS). [4] Los relés accionados lateralmente se construyen depositando primero dos o más capas de material sobre una oblea de silicio . La capa estructural superior está modelada fotolitográficamente para formar bloques aislados del material superior. Luego, la capa de abajo se graba selectivamente, dejando estructuras delgadas, como la viga del relé, en voladizo sobre la oblea y libres para doblarse lateralmente. [1] Un conjunto común de materiales utilizados en este proceso es el polisilicio como capa estructural superior y el dióxido de silicio como capa inferior de sacrificio.
Los relés NEM se pueden fabricar utilizando un proceso compatible con el extremo de la línea , lo que les permite construir sobre CMOS . [1] Esta propiedad permite que los relés NEM se utilicen para reducir significativamente el área de ciertos circuitos. Por ejemplo, un inversor híbrido de relé CMOS-NEM ocupa 0,03 µm 2 , un tercio del área de un inversor CMOS de 45 nm. [5]
Historia
El primer interruptor fabricado con técnicas de micromecanizado de silicio se fabricó en 1978. [6] Esos interruptores se fabricaron utilizando procesos de micromecanizado a granel y galvanoplastia . [7] En la década de 1980, se desarrollaron técnicas de micromecanizado de superficie [8] y la tecnología se aplicó a la fabricación de interruptores, lo que permitió relés más pequeños y eficientes. [9]
Una de las principales aplicaciones iniciales de los relés MEMS fue la conmutación de señales de radiofrecuencia en las que los relés de estado sólido tenían un rendimiento deficiente. [10] El tiempo de conmutación de estos primeros relés fue superior a 1 µs. Al reducir las dimensiones por debajo de un micrómetro, [11] y pasar a la nanoescala, los interruptores MEMS han logrado tiempos de conmutación en el rango de cientos de nanosegundos. [5]
Aplicaciones
Computación mecánica
Debido a la fuga del transistor, existe un límite a la eficiencia teórica de la lógica CMOS. En última instancia, esta barrera de eficiencia evita los aumentos continuos en la potencia informática en aplicaciones con limitaciones de energía. [12] Si bien los relés NEM tienen retrasos de conmutación significativos, su pequeño tamaño y velocidad de conmutación rápida en comparación con otros relés significa que la computación mecánica que utiliza relés NEM podría resultar un reemplazo viable para los circuitos integrados típicos basados en CMOS y romper esta barrera de eficiencia CMOS. [3] [2]
Un relé NEM conmuta mecánicamente unas 1000 veces más lento de lo que tarda un transistor de estado sólido en conmutarse eléctricamente. Si bien esto hace que el uso de relés NEM para la computación sea un desafío significativo, su baja resistencia permitiría que muchos relés NEM se encadenen juntos y cambien todos a la vez, realizando un único cálculo grande. [2] Por otro lado, la lógica de transistores debe implementarse en pequeños ciclos de cálculos, porque su alta resistencia no permite que muchos transistores se encadenen entre sí mientras se mantiene la integridad de la señal. Por lo tanto, sería posible crear una computadora mecánica usando relés NEM que opera a una velocidad de reloj mucho más baja que la lógica CMOS, pero realiza cálculos más grandes y complejos durante cada ciclo. Esto permitiría que una lógica basada en relés NEM funcione según estándares comparables a la lógica CMOS actual. [2]
Hay muchas aplicaciones, como en los negocios de exploración automotriz , aeroespacial o geotérmica , en las que sería beneficioso tener un microcontrolador que pudiera operar a temperaturas muy altas. Sin embargo, a altas temperaturas, los semiconductores utilizados en los microcontroladores típicos comienzan a fallar a medida que las propiedades eléctricas de los materiales de los que están hechos se degradan y los transistores dejan de funcionar. Los relés NEM no dependen de las propiedades eléctricas de los materiales para actuar, por lo que una computadora mecánica que utilice relés NEM podría funcionar en tales condiciones. Los relés NEM se han probado con éxito hasta 500 ° C, pero teóricamente podrían soportar temperaturas mucho más altas. [13]
Matriz de puertas programables
La corriente de fuga cero, el bajo uso de energía y la capacidad de superponerse a las propiedades CMOS de los relés NEM los convierten en un candidato prometedor para su uso como interruptores de enrutamiento en arreglos de puertas programables en campo (FPGA). Un FPGA que utiliza un relé NEM para reemplazar cada conmutador de enrutamiento y su correspondiente bloque de memoria de acceso aleatorio estático podría permitir una reducción significativa en el retardo de programación, la fuga de energía y el área del chip en comparación con un FPGA típico basado en CMOS de 22 nm. [14] Esta reducción de área proviene principalmente del hecho de que la capa de enrutamiento de relé NEM se puede construir sobre la capa CMOS de la FPGA.
Referencias
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