Функции безусловной глобальной или роевой оптимизации могут использоваться для создания профилей тестовых структур, трассировки травления или маршрутизации сигнала в дизайне интегральных схем, а также принципиально не отличимых от них по алгоритмам
трассировки топологий лабораторий на чипе.

sitemap
Наш сайт использует cookies. Продолжая просмотр, вы даёте согласие на обработку персональных данных и соглашаетесь с нашей Политикой Конфиденциальности
Согласен
Поиск:

Вход
Архив журнала
Журналы
Медиаданные
Редакционная политика
Реклама
Авторам
Контакты
TS_pub
technospheramag
technospheramag
ТЕХНОСФЕРА_РИЦ
© 2001-2025
РИЦ Техносфера
Все права защищены
Тел. +7 (495) 234-0110
Оферта

Яндекс.Метрика
R&W
 
ISSN 1993-8578
ISSN 2687-0282 (online)
Книги по нанотехнологиям
 
Вход:

Ваш e-mail:
Пароль:
 
Регистрация
Забыли пароль?
Книги по нанотехнологиям
Вильнав Ж.-Ж.
Другие серии книг:
Мир материалов и технологий
Библиотека Института стратегий развития
Мир квантовых технологий
Мир математики
Мир физики и техники
Мир биологии и медицины
Мир химии
Мир наук о Земле
Мир электроники
Мир программирования
Мир связи
Мир строительства
Мир цифровой обработки
Мир экономики
Мир дизайна
Мир увлечений
Мир робототехники и мехатроники
Для кофейников
Мир радиоэлектроники
Библиотечка «КВАНТ»
Умный дом
Мировые бренды
Вне серий
Библиотека климатехника
Мир транспорта
Мир фотоники
Мир станкостроения
Мир метрологии
Мир энергетики
Книги, изданные при поддержке РФФИ
Выпуск #7/2014
А.Болховитинов
Оптимизация трассировки топологий самосборки чипов и разработки методов самосборки "лабораторий на чипе"
Просмотры: 5086
Функции безусловной глобальной или роевой оптимизации могут использоваться для создания профилей тестовых структур, трассировки травления или маршрутизации сигнала в дизайне интегральных схем, а также принципиально не отличимых от них по алгоритмам
трассировки топологий лабораторий на чипе.
В связи с развитием технологий самосборки интегральных микросхем и им подобных структур [1-3], в частности, получаемых эпитаксиальными и литографическими методами [4,5], актуальна задача внедрения в практику моделирования и автоматической топологической трассировки математического аппарата, который учитывал бы явления самоорганизации "роев частиц", приводящих к подобной самосборке. Тренд самоорганизующейся критичности в системе множества автономных частиц или агентов можно определить методами роевой оптимизации (Particle Swarm Optimization – PSO) [6], которые применимы также и в случае децентрализованных "роев частиц" малой плотности [7]. Вследствие этого возможно создание автоматических трасси­рующих топологических редакторов, использующих PSO в качестве генератора морфологических шаблонов топологий схем, возникающих при самосборке. Поскольку морфологические и симметрические характеристики являются критерием принципиальной новизны продуктов самосборки [8,9], возможность управления ими ознаменовала бы введение новой технологии в серийное производство.

Внедрение оптимальных форм самосборки интегральных схем устранило бы антагонизм между "fabless" и "found-less" (silicon foundry) формами организации производства в микроэлектронике, так как управление формами сборки осуществлялось бы напрямую в цехах, хотя и требовало бы от инженерно-конструкторского персонала знаний уровня конструкторов-концептуалистов fabless-модели. С другой стороны, тот метод оптимизации, который требует не формально-абстрактного подхода, каковым, в частности, характеризуются алгоритмы типа Куна–Манкреса, Левенберга–Марквардта, Бройдена–Флетчера–Гольдфарба–Шанно, Данцига–Вулфа, Хука–Дживса, Гомори и множество других популярных и вполне работоспособных методов оптимизации, а напрямую опирается на математическую физику процесса самосборки, то есть на моделирование кооперативного поведения роев частиц при образовании когерентной структуры, очевидно, характеризуется большей эвристической и прогностической ценностью.

Предлагаемый подход

Автором статьи ранее предлагалось использовать тестовые функции и методы роевой оптимизации для визуализации поведения феррофлюида при нестабильности в нормально направленном поле [10,11], а также нами были использованы тестовые функции для анализа сборки роев клеток как частиц в ходе биологического формообразования (морфогенеза) [12]. Эти же подходы можно применить при анализе самосборки интегральных схем в условиях направ­ляющего воздействия, подобрав оптимальные функции для использования в дизайне тестовых структур. В данной работе предлагается иллюстрация данного подхода, не связанная с каким-либо конкретным образцом выпускаемой электронной продукции, хотя ранее нами была проведена апробация тестовых функций на ряде топологий ограниченной применимости [13].

Рассмотрим пример с использованием функции Михалевича – целевой n-мерной функции, имеющей ряд глобальных и один локальный минимум, и записываемой в следующей форме [14]:

.

Например, при n=10 функция Михалевича выглядит следующим образом:

,

i = 1:n, m =10, 0 ≤ xi ≤ π.

При n=2, i=1,2 и xi ∈ [0, π] проблема мультимодальной минимизации имеет вид:

.

Визуализация функции Михалевича, легко осуществимая в таких пакетах, как PaGMO, GEATbx для MATLAB и Global Optimization Toolbox для MATLAB, позволяет проиллюстрировать форму возможных борозд и траекторий трассирования потоков при симуляционном CAD-CAE-дизайне и "автоматизированном" на принципах самосборки произ­водстве. Пример подобного подхода приводится на рис.1, где в трехмерном виде отображены визуа­лизации функции Михалевича, а их проекции на плоскость (изолинии или горизонтали в терминах топографии) представляют собой контурные отображения топологии бороздок. Подобные скрещенные структуры могут быть использованы при создании пленочных крестообразных криотронов и микрофлюидных хемотронных систем на чипе, которые часто производят с использованием "микроэлектронных" технологий (типа микролитографии и PVD), аналогично интегральным микросхемам [15,16].

При изменении целевой функции возможно подобрать шаблон оптимизации фактически к любой морфометрической задаче и электронной микрофабрикации [17]. Ввиду ограниченности объема статьи полные примеры приводятся для достаточно малого количества графических визуализаций, однако понятно, что применимость тестовых функций глобальной оптимизации и принципа роевой оптимизации для описания самоорганизующихся структур на чипе не ограничивается методами Михалевича. С помощью ступенчатой функции и пошагового кусочно-дробного алгоритма возможно построение градиентных по изолиниям (эквипотенциальным линиям) каскадов борозд в любой геометрической ориентации. Пример такого построения визуализирован на рис.2а с использованием программы Particle Swarm Optimization V.1.0 (университет Токио, IBA Laboratory).

Более сложное моделирование результатов электронной микрофабрикации матричных и муль­тиячеистых структур требует использования таких моделей, как функции Шекеля ("лисьи норы"), описанных впервые Дж.Шекелем в 1971 году в докладе "Test Functions for Multimodal Search Techniques" на пятой принстонской конференции по информатике и информационным системам (Fifth Annual Princeton Conference on Information Science and Systems):

,

где n – число измерений, а m – максимум. Примеры визуализации "лисьих нор" Шекеля при моделировании промышленных микроструктур, которые можно получить методами оптимизационной самосборки, приведены на рис.2b–2d.

Также для аналогичных целей целесоообразно применять функцию Де Йонга [18] с использованием имитации отжига при поиске минимума:

.

Значение k для подобных визуализаций может быть достаточно малым (например, k=0,002), а d – целочисленным и сравнительно большим (например, d=25) при a, заданном в виде составленной по большей части из пропорциональных значений матрицы следующего вида:

.

Эта двумерная мультимодальная функция, по определению, представляется в виде "капель на поверхности", что позволяет использовать ее и для визуализации результатов "мокрого" процесса, связанного с самосборкой интегральных микросхем и построением "мягкой" (soft) [19,20] или "влажной" (wet) [21–23] электроники и оптоэлектроники [24]. Результаты моделирования с использованием функции Де Йонга показаны на рис.2e и 2f.

Сопоставимость теоретических и опытно-конструкторских результатов можно продемонстрировать, используя открытые данные по электронной микрофабрикации, имеющиеся в сети. Так, визуализация атомно-силовых микрографических регистраций бороздок микрочипа без постпроцессинга (сглаживания) демонстрирует неоднородную дискретную микроструктуру (рис.3), отвечающую модели бороздок на основе ступенчатой функции (рис.2a), а "смачиваемые" (wetting controlled) литографические структуры (рис.4) хорошо аппроксимируются инвертированными функциями Де Йонга и Шекеля (рис.2b–2f). Инверсия здесь означает, что вычисления базируются на поиске максимума, а не минимума, в отличие от обычной трактовки оптимизации с использованием данных функций.

"Регуляризованная" инвертированная функция Михалевича также может быть полезна при аппроксимации "темплатов" в моделировании и автоматическом трассировании электронных компонент, формировании топологии чипов. Рис.5, на котором приведена инвертированная визуализация функции Михалевича, показывает, что она соотносится как "матрица с пуансоном" с подобранной вычислительным путем оптимальной морфологической конфигурацией FinFET 22-нанометрового трехмерного транзистора троичного переключения (троичной логики), который мог бы применяться в троичных ячейках памяти, троичных триггерах и троичных ЭВМ будущего. Таким образом, можно конструировать чипы современного уровня и без обращений к "прямой" самосборке, что, в частности, может быть использовано в реверс-инжиниринге с определением наиболее оптимальных схем, основанном на подборе тестовых функций глобальной оптимизации.

Мы рассмотрели только наиболее простые и распространенные функции подобия и морфометрической аппроксимации, однако их список может и должен быть расширен в целях развития самоорганизующейся микроэлектроники и наноэлектроники – как стандартной твердотельной, так и ее soft- и wet-модификаций [26,27].


Автор благодарит коллег из ИХФ и ИНЭПХФ РАН за плодотворные обсуждения, которые инициировали появление данной статьи. Также выражается благодарность О.Градову, участвовавшему в работе над проектом в 2010–2011 гг. [13], литературно и концептуально откорректировавшему этот текст, но отказавшемуся от соавторства из-за ряда технических несогласий.

Литература

1.Smits E.C.P., Mathijssen S.G.J., van Hal P.A., Setayesh S., Geuns T.C.T., Mutsaers K.A.H.A. et al. Bottom-up organic integrated circuits. – Nature, vol. 455, iss.7215, p. 956–959, 2008.
2.Yang J.K.W., Jung Y.S., Chang J.B., Mickiewicz R.A., Alexander-Katz A., Ross C.A., Berggren K.K. Complex self-assembled patterns using sparse commensurate templates with locally varying motifs. – Nature Nanotechnology, 2010, vol. 5, p. 256–260.
3.Chang J.-B., Choi H.K., Hannon A.F., Alexander-Katz A., Ross C.A., Berggren K.K. Design rules for self-assembled block copolymer patterns using tiled templates. – Nature Communications, 2014, vol. 5, art. no.3305.
4.Bita I., Yang J.K., Jung Y.S., Ross C.A., Thomas E.L., Berggren K.K. Graphoepitaxy of self-assembled block copolymers on two-dimensional periodic patterned templates. – Science, 2008, vol. 321, iss. 5891, p. 939-943.
5.Jung Y.S., Chang J.B., Verploegen E., Berggren K.K., Ross C.A. A path to ultranarrow patterns using self-assembled lithography. – Nano Letters, 2010, vol. 10, iss. 3, p. 1000–1005.
6.Lovbjerg M., Krink T. Extending Particle Swarm Optimisers with Self-Organized Criticality. – Proceedings of the Fourth Congress on Evolutionary Computation,2002, vol. 2, p. 1588–1593.
7.Kim D.H., Shin S. Self-organization of Decentralized Swarm Agents Based on Modified Particle Swarm Algorithm. – Journal of Intelligent and Robotic Systems, 2006, vol. 46, iss. 2, p. 129-149.
8.Son J.G., Chang J.B., Berggren K.K., Ross C.A. Assembly of sub-10-nm block copolymer patterns with mixed morphology and period using electron irradiation and solvent annealing. – Nano Letters, 2011, vol. 11, iss. 11, p. 5079–5084.
9.Tavakkoli K.G.A., Hannon A.F., Gotrik K.W., Alexander-Katz A., Ross C.A., Berggren K.K. Rectangular symmetry morphologies in a topographically templated block copolymer. – Adv. Mater., 2012, vol. 24, iss. 31, p. 4249–4254.
10.Bolkhovitinov A.S. Supercomputer simulation and approximation for surface forms of the normal-field instability in magnetic liquids using particle swarm optimization approach and Griewank function. – Fract. Simul. [Eng. ed.], 2013, Iss. 1, p. 6–12.
11.Bolkhovitinov A.S. Approximation and visualization of normal-field instability surface forms in magnetic liquids using particle swarm optimization approach. – 11th International Conference on Pattern Recognition And Image Analysis, 2013, accepted-paper-list, track 4 “Applied Problems”, ID no.7.
12.Болховитинов А.С. Достижение сопоставимости морфометрических и модельных гистогенетических-морфогенетических данных с помощью тестовых функций глобальной оптимизации. – Морфологія, 2013, т.7, № 2, с.5-19.
13.Bolkhovitinov A.S., Gradov O.V. The “LoC-Optimizer” Program. – Preprint FOUO [Rest.], New York, 2011, 125 p.
14.Michalewicz Z. Genetic Algorithms + Data Structures = Evolution Programs. Berlin, Heidelberg, New York: Springer-Verlag, 1992.
15.Zolotov Y.A. Analytical Circuit Chips (Microinstruments). – Journal of Analytical Chemistry, Vol.51, Iss.4, p.327, 1996.
16.Золотов Ю.А. Аналитические схемы на чипе (микроприборы). – Сб. "Микрофлюидные системы для химического анализа", М.: Физматлит, 2011, 528 с.
17.Handbook of Microlithography, Micromachining and Microfabrication: vol.1: "Microlithorgaphy", vol.2: "Micromachining and microfabrication", SPIE Press, 1997.
18.De Jong K. A. An analysis of the behavior of a glass of genetic adaptive systems. – PhD thesis, Michigan: University of Michigan, 1975, 252 p.
19.Chae S.H., Lee Y.H, Carbon nanotubes and graphene towards soft electronics. – Nano Convergence, vol.1, art.no.15, p.1-26, 2014.
20.Gozen B.A., Tabatabai A., Ozdoganlar O.B., Majidi C. High-density soft-matter electronics with micron-scale line width. – Adv. Mater., vol.26, iss.30, p.5211-5216, 2014.
21.Jain T., Tang Q., Bjørnholm T., Nørgaard K. Wet chemical synthesis of soluble gold nanogaps. – Acc. Chem. Res., vol.47, iss.1, p.2-11, 2014.
22.Seo Y.H., Jeong S., Jo Y., Choi Y., Ryu B.H., Han G., Lee M. Long-term dispersion stability and adhesion promotion of aqueous Cu nano-ink for flexible printed electronics. – Journ. Nanosci Nanotechnol., vol.13, iss.8, p.5661-5664, 2013.
23.Ghosh K., Kumar M., Wang H., Maruyama T., Ando Y. Nitrogen-mediated wet-chemical formation of carbon nitride/ZnO heterojunctions for enhanced field emission. – Langmuir, vol.26, iss.8, p.5527-5533, 2010.
24.Liu H., Steigerwald M.L., Nuckolls C. Electrical double layer catalyzed wet-etching of silicon dioxide. – Journ. Amer. Chem. Soc., vol.131, iss.47, p.17034-17035, 2014.
25.Hao B., Liu H., Chen F., Yang Q., Qu P., Du G., Si J., Wang X., Hou X. Versatile route to gapless microlens arrays using laser-tunable wet-etched curved surfaces. – Opt. Express., vol.20, iss.12, p.12939-12948, 2014.
26.Hong S.-H., Cho J.-Y., Yang K.-Y., Lee H. Direct Patterning of Nanoscale Cu2O Resistive Material for Soft Nanoelectronics. – Appl. Phys. Expr. , vol.5, iss.12, p.126501-1–126501-3, 2012.
27.Liu Z., Iltanen K., Chekurov N., Grigoras K., Tittonen I. Aluminum oxide mask fabrication by focused ion beam implantation combined with wet etching. – Nanotechnology, vol.24, iss.17, art.no.175304, p.1-6, 2013.
 
 Отзывы читателей
Разработка: студия Green Art