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Nanoprocessadores: Const. e Desenvolvimento
Derlone Araújo Jarcelon Silva 1
NANOPROCESSADORES:
Construção e Desenvolvimento
Derlone Araújo Jarcelon Silva
Orientador: Prof. Dr. Denivaldo Lopes
Universidade Federal do Maranhão
Centro de Ciências Exatas e Tecnologia
Departamento de Engenharia de Eletricidade
Trabalho de Conclusão de Curso em Engenharia Elétrica
Nanoprocessadores: Const. e Desenvolvimento
Derlone Araújo Jarcelon Silva 2
Introdução
• Contexto
• Problemática
• Motivação
Figura 1. Comparação entra uma Válvula a vácuo e
um Transistor.*
* Evolução da Informática. Disponível em: http://aevolucaoinformatica.blogspot.com.br/. Acesso em:
17 jul. 2017.
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Figura 4. Estrutura de um Nanotubo de Carbono.*
Nanoprocessadores: Const. e Desenvolvimento
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Estrutura do Trabalho
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Apresentação nanoprocessadores

  • 1. Nanoprocessadores: Const. e Desenvolvimento Derlone Araújo Jarcelon Silva 1 NANOPROCESSADORES: Construção e Desenvolvimento Derlone Araújo Jarcelon Silva Orientador: Prof. Dr. Denivaldo Lopes Universidade Federal do Maranhão Centro de Ciências Exatas e Tecnologia Departamento de Engenharia de Eletricidade Trabalho de Conclusão de Curso em Engenharia Elétrica
  • 2. Nanoprocessadores: Const. e Desenvolvimento Derlone Araújo Jarcelon Silva 2 Introdução • Contexto • Problemática • Motivação Figura 1. Comparação entra uma Válvula a vácuo e um Transistor.* * Evolução da Informática. Disponível em: http://aevolucaoinformatica.blogspot.com.br/. Acesso em: 17 jul. 2017.
  • 3. Nanoprocessadores: Const. e Desenvolvimento Derlone Araújo Jarcelon Silva 3 Introdução • Contexto • Problemática • Motivação * Intel Website Figura 2. Representação gráfica da Lei de Moore.*
  • 4. Nanoprocessadores: Const. e Desenvolvimento Derlone Araújo Jarcelon Silva 4 Introdução • Contexto • Problemática • Motivação * Intel Website Figura 3. Chips agrupados, após processo de fotolitografia.*
  • 5. Nanoprocessadores: Const. e Desenvolvimento Derlone Araújo Jarcelon Silva 5 Introdução • Solução Proposta • Objetivo • Metodologia * Digital Trends Website. Disponível em: https://www.digitaltrends.com/computing/ibm-carbon- nanotubes-moores-law/. Acesso em: 17 jul. 2017. Figura 4. Estrutura de um Nanotubo de Carbono.*
  • 6. Nanoprocessadores: Const. e Desenvolvimento Derlone Araújo Jarcelon Silva 6 Estrutura do Trabalho • Capítulo 2: A atual tecnologia de microprocessamento e as limitações apresentadas por microprocessadores. • Capítulo 3: Dispositivos Nanoeletrônicos: Nanocéculas e Nanotubos de Carbono. • Capítulo 4: Conclusões.
  • 7. Nanoprocessadores: Const. e Desenvolvimento Derlone Araújo Jarcelon Silva 7 Capítulo 2: A atual tecnologia de microprocessamento e as limitações apresentadas por microprocessadores. • Introdução e Microprocessadores: - Função de Controle: UC, Decodificadores, Registradores de Instrução, Contador de Instrução, Clock, Registradores de Endereço de Memória. - Função de Processamento: ULA. Figura 5. Estrutura básica de um microprocessador.* *Intel Website
  • 8. Nanoprocessadores: Const. e Desenvolvimento Derlone Araújo Jarcelon Silva 8 Capítulo 2: A atual tecnologia de microprocessamento e as limitações apresentadas por microprocessadores. • Introdução e Microprocessadores: - Unidade Lógica e Aritmética; - Unidade de Controle; - Registradores; - Relógio (Clock); Figura 6. Organização esquemática de um processador.* *BBC. 2017. Computin Studies: The Processor. BBC. United Kingdom. Disponível em <http://www.bbc.co.uk/bitesize/standard/computing/computer_systems/low_level_machines/revision /5/>. Acesso em: 10 jan. 2017.
  • 9. Nanoprocessadores: Const. e Desenvolvimento Derlone Araújo Jarcelon Silva 9 Capítulo 2: A atual tecnologia de microprocessamento e as limitações apresentadas por microprocessadores. • Evolução dos Microprocessadores *Intel Website Processador Data Frequência Número de Transistores Largura do Barramento 4004 1971 108KHz 2.300 4 bits 8008 1972 108KHz 3.500 8 bits 8080 1974 2MHz 6.000 8 bits 8088 1979 8MHz 29.000 16 bits 80386DX 1985 33MHz 275.000 32 bits Pentium 1993 200MHz 3.100.000 64 bits Pentium II 1997 300MHz 7.500.000 64 bits Pentium III 2001 1400MHz 28.100.000 64 bits Pentium 4 2006 3,8GHz 169.000.000 64 bits Figura 7. Tabela com os principais processadores da Intel.*
  • 10. Nanoprocessadores: Const. e Desenvolvimento Derlone Araújo Jarcelon Silva 10 Capítulo 2: A atual tecnologia de microprocessamento e as limitações apresentadas por microprocessadores. • Tecnologia de Multinúcleos *PRINSLOW G. Overview of Performance measurement and Analytical Modeling Techiques for Multi- core Processors. Disponível em: <https://www.cse.wustl.edu/~jain/cse567-11/ftp/multcore/>. Acesso em: 19 jul. 2017. Figura 8. Diagrama básico de um processador multicore.*
  • 11. Nanoprocessadores: Const. e Desenvolvimento Derlone Araújo Jarcelon Silva 11 Capítulo 2: A atual tecnologia de microprocessamento e as limitações apresentadas por microprocessadores. • Processo de Miniaturização em Processadores: - Chamado de “top- down approach”. - Fotolitografia. *Processadores em Microeletrônica. Disponível em: <http://gnmd.webgrupos.com.br/arquivo_disciplinas_download/1-2-Revisao-Microeletronica-2a-Aula- 2.pdf>. Acesso em: 16 jul. 2017. Figura 9. Processo de fotolitografia de um circuito.*
  • 12. Nanoprocessadores: Const. e Desenvolvimento Derlone Araújo Jarcelon Silva 12 Capítulo 2: A atual tecnologia de microprocessamento e as limitações apresentadas por microprocessadores. • Processo de Miniaturização em Processadores: - Chamado de “top- down approach”. - Fotolitografia. *Intel. 2016. 65-Nanometer Process Technology Extends Benefits of Moore’s Law. Intel. Disponível em: <www.intel.com/technology/silicon/si08042.htm>. Acesso em: 10 dez. 2016. Figura 10. Wafer, após processo de fotolitografia.*
  • 13. Nanoprocessadores: Const. e Desenvolvimento Derlone Araújo Jarcelon Silva 13 Capítulo 2: A atual tecnologia de microprocessamento e as limitações apresentadas por microprocessadores. • Principais Limites Físicos dos Processadores Atuais: - Superaquecimento - Tunelamento Quântico de Elétrons *WONG, K. Thermal Simulation and Wearbles: Too Hot to Handle, to Bright, to Watch. Disponível em: <http://www.digitaleng.news/de/thermal-simulation-wearables-hot-handle-bright-watch/>. Acesso em: 1 mar. 2017. Figura 11. Comportamento térmico em diferentes partes de um circuito integrado.*
  • 14. Nanoprocessadores: Const. e Desenvolvimento Derlone Araújo Jarcelon Silva 14 Capítulo 2: A atual tecnologia de microprocessamento e as limitações apresentadas por microprocessadores. • Principais Limites Físicos dos Processadores Atuais: - Superaquecimento - Tunelamento Quântico de Elétrons *DONATO, David. The Potencial Barrier – Tunneling. Disponível em: <http://physics.gmu.edu/~dmaria/590%20Web%20Page/public_html/qm_topics/potential/barrier/STUDY-GUIDE.htm>. Acesso em: 25 mai. 2017. Figura 12. Tunelamento Quântico de elétrons.* 𝑇 = 𝑒−2𝑏𝐿 , 𝑏 = 8𝜋2 𝑚(𝑈𝑏 − 𝐸 ℎ2
  • 15. Nanoprocessadores: Const. e Desenvolvimento Derlone Araújo Jarcelon Silva 15 Capítulo 3: Dispositivos Nanoeletrônicos • “Botton-up approach” • Substituição do principal material de composição dos transistores: o Silício (Si) Figura 13. Comparação entre as duas perspectivas de montagem de circuitos integrados.* *FALCARO, P. et al. MOF Positioning technology and devices fabrication. CSIRO Materials Science and Engineering. 2014. Disponível em: http://pubs.rsc.org/-/content/articlehtml/2014/cs/c4cs00089g?page=search. Acesso em: 19 jul. 2017.
  • 16. Nanoprocessadores: Const. e Desenvolvimento Derlone Araújo Jarcelon Silva 16 Capítulo 3: Dispositivos Nanoeletrônicos • Nanocélulas: Conceito Figura 14. Representação de um circuito molecular.* *JORGE, M; YUEFEI, M; TARIGOPULA, V. 2006. The Nanocell: A Chemically Assembled Molecular Electronic Circuit. IEEE Sensors Journal, 2013. Vol 6, 6.
  • 17. Nanoprocessadores: Const. e Desenvolvimento Derlone Araújo Jarcelon Silva 17 Capítulo 3: Dispositivos Nanoeletrônicos • Nanocélulas: - Potencial Eletroestático Molecular (MEP) *JORGE, M; YUEFEI, M; TARIGOPULA, V. 2006. The Nanocell: A Chemically Assembled Molecular Electronic Circuit. IEEE Sensors Journal, 2013. Vol 6, 6. Figura 14. MEP da molécula de água.*
  • 18. Nanoprocessadores: Const. e Desenvolvimento Derlone Araújo Jarcelon Silva 18 Capítulo 3: Dispositivos Nanoeletrônicos • Nanocélulas: Potencial Eletroestático Molecular (MEP) *JORGE, M; YUEFEI, M; TARIGOPULA, V. 2006. The Nanocell: A Chemically Assembled Molecular Electronic Circuit. IEEE Sensors Journal, 2013. Vol 6, 6. Figura 15. Implementação de uma Porta Lógica AND em uma Molécula de Tri-fluor-benzeno.* V1 V2 V0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1 Figura 16. Tabela Verdade para o Esquema da Figura 15.
  • 19. Nanoprocessadores: Const. e Desenvolvimento Derlone Araújo Jarcelon Silva 19 Capítulo 3: Dispositivos Nanoeletrônicos • Nanocélulas: Estrutura de uma Nanocélula *JORGE, M; YUEFEI, M; TARIGOPULA, V. 2006. The Nanocell: A Chemically Assembled Molecular Electronic Circuit. IEEE Sensors Journal, 2013. Vol 6, 6. Figura 17. Estrutura de uma Nanocélula.*
  • 20. Nanoprocessadores: Const. e Desenvolvimento Derlone Araújo Jarcelon Silva 20 Capítulo 3: Dispositivos Nanoeletrônicos • Nanocélulas: Estrutura de uma Nanocélula *JORGE, M; YUEFEI, M; TARIGOPULA, V. 2006. The Nanocell: A Chemically Assembled Molecular Electronic Circuit. IEEE Sensors Journal, 2013. Vol 6, 6. Figura 18. Construção de um Circuito Integrado Composto por Nanocélulas.*
  • 21. Nanoprocessadores: Const. e Desenvolvimento Derlone Araújo Jarcelon Silva 21 Capítulo 3: Dispositivos Nanoeletrônicos • Nanotubos de Carbono: Descoberta dos Carbon Nanotubes (CNT): - 1985: Vaporização do grafite; - C60; - 1991: Formato Hexagonal. Estrutura Química dos CNTs. *CABRAL, Fernando; LAGO, Alexandre. Iji Iijima e os nanotubos de carbono. Disponível em: <http://harbra.com.br/HARBRAnews/vernews.php?id=65>. Acesso em: 02 mai. 2017. Figura 19. Construção de um Circuito Integrado Composto por Nanocélulas.*
  • 22. Nanoprocessadores: Const. e Desenvolvimento Derlone Araújo Jarcelon Silva 22 Capítulo 3: Dispositivos Nanoeletrônicos • Nanotubos de Carbono: Evolução dos Transistores de Efeito de Campo: MOSFET *TULEVSKI, George. Carbon Nanotubes Overview. IBM T. J. Watson Research Center. Disponível em: < https://www.youtube.com/watch?v=V1HN0w_aJgg&t=369s >. Acesso em: 28 mai. 2017. Figura 20. Construção de um Circuito Integrado Composto por Nanocélulas.*
  • 23. Nanoprocessadores: Const. e Desenvolvimento Derlone Araújo Jarcelon Silva 23 Capítulo 3: Dispositivos Nanoeletrônicos • Nanotubos de Carbono: Evolução dos Transistores de Efeito de Campo: MOSFET Figura 22. Estrutura de um Transistor de Efeito de Campo Metal-Óxido. Figura 21. Possíveis Materiais de Alta Constante Dielétrica.* *LEE, S. I. Recent Progress in high-k dielectric films for ULSIs. Proceeding of the International Conference on Solid State Devices and Materials SSDM, p. 8, 2001.
  • 24. Nanoprocessadores: Const. e Desenvolvimento Derlone Araújo Jarcelon Silva 24 Capítulo 3: Dispositivos Nanoeletrônicos - Maior velocidade de processamento; - Menor consumo de energia. Figura 23. Estrutura Geométrica de um Transistor 3T FinFET.* *HUCZKO, A. Shythesis of aligned carbon nanotubes. Appl. Phys. A, v.74, p. 617-238, 2002. • Nanotubos de Carbono: Evolução dos Transistores de Efeito de Campo: FinFET
  • 25. Nanoprocessadores: Const. e Desenvolvimento Derlone Araújo Jarcelon Silva 25 Capítulo 3: Dispositivos Nanoeletrônicos • Nanotubos de Carbono: Evolução dos Transistores de Efeito de Campo: GAA-FET Figura 24. Comparação entre as Estruturas Geométricas do 3T FinFET e do GAA-FET.* *TULEVSKI, George. Carbon Nanotubes Overview. IBM T. J. Watson Research Center. Disponível em: < https://www.youtube.com/watch?v=V1HN0w_aJgg&t=369s >. Acesso em: 28 mai. 2017.
  • 26. Nanoprocessadores: Const. e Desenvolvimento Derlone Araújo Jarcelon Silva 26 Capítulo 3: Dispositivos Nanoeletrônicos • Nanotubos de Carbono: Propriedades Elétricas dos Nanotubos de Carbono: - CNTs Metálicos: Transporte Balístico; Espalhamento Inelástico Negligenciado; - CNTs Semicondutores. Figura 25. Single-Walled Carbon Nanotubes com diferentes disposições geométricas dos átomos de carbono.* *MENDES, Vivia. Propriedades eletrônicas e Estruturais de Nanoestruturas de Carbono Funcionalizadas para Aplicação em Sensores. Tese (doutorado). Santa Maria-RS, Brasil, 2012.
  • 27. Nanoprocessadores: Const. e Desenvolvimento Derlone Araújo Jarcelon Silva 27 Capítulo 3: Dispositivos Nanoeletrônicos • Nanotubos de Carbono: - Aplicação dos Nanotubos de Carbono em transistores de Efeito de Campo. Figura 26. Estrutura de um FET com um CNT agindo como Channel e o Gráfico com as variações de corrente em função da tensão aplicada no Gate.* *Franklin et al. Nanoscience – Carbon Nanobutes. Lett. 2015, v. 12, p. 758-762. - Comprimento de Channel: 9nm. - Nenhuma degradação ou diminuição nos padrões de funcionamento. - Melhora de performance: densidade de corrente cerca de três vezes maior.
  • 28. Nanoprocessadores: Const. e Desenvolvimento Derlone Araújo Jarcelon Silva 28 Capítulo 3: Dispositivos Nanoeletrônicos • Nanotubos de Carbono: - Aplicação dos Nanotubos de Carbono em transistores de Efeito de Campo. Figura 27. Esquema do transistor de 1 nanômetro de comprimento de gate.* Berkeley Lab. Smallest Transistor Ever. Disponível em: <http://newscenter.lbl.gov/2016/10/06/smallest-transistor-1-nm-gate/>. Acesso em: 25 mai. 2017. - O dissufeto de molibdêncio funciona como semicondutor do sistema (channel). - O CNT serve de gate. - Conseguiu-se correntes cerca de 1,9 vezes maiores que as observadas em transistores de silício com estrutura semelhante. - Houve melhora de performance e diminuição no consumo de energia.
  • 29. Nanoprocessadores: Const. e Desenvolvimento Derlone Araújo Jarcelon Silva 29 Capítulo 3: Dispositivos Nanoeletrônicos • Nanotubos de Carbono: - Limitações à Implementação de CTNs em Circuitos Integrados. Figura 28. Produto Resultante do Processo Químico de Produção de CTNs.* *TULEVSKI, George. Carbon Nanotubes Overview. IBM T. J. Watson Research Center. Disponível em: < https://www.youtube.com/watch?v=V1HN0w_aJgg&t=369s >. Acesso em: 28 mai. 2017.
  • 30. Nanoprocessadores: Const. e Desenvolvimento Derlone Araújo Jarcelon Silva 30 Conclusões • A dissipação de calor nos dispositivos processadores de alta performance é um problema inerente às técnicas e materiais utilizados atualmente. • As técnicas de fotolitografia devem encontrar limites na escala próxima dos 7nm. • O rearranjo dos componentes dos processadores ajudam na melhora de performance, mas não resolvem o problema da miniaturização.
  • 31. Nanoprocessadores: Const. e Desenvolvimento Derlone Araújo Jarcelon Silva 31 Conclusões • O MEP nas nanocélulas pode servir como base para se criar circuitos lógicos em nível molecular. Porém, são necessárias técnicas precisas de composição e ordenamento de nanocélulas. • Os nanotubos de carbono apresentam vantagens, quando comparado com o silício. Entretanto, pesquisas buscam técnicas de como construir circuitos integrados partindo da perspectiva de construção “botton- up”. Figura 30. Desenho gráfico de um possível dispositivo feito de CNT.* Carey, G. Researchers Close Final Loophole in Devices Encryption with the Power of Nanotubes. Disponível em: < https://www.digitaltrends.com/computing/ibm-and-academic-researchers-use-carbon-nanotubes-for-hardware-encryption/ >. Acesso em: 19 jul. 2017.