Одна из проблем, связанная с интегральными схемами, заключается в том, что разработчики, стремясь сделать микросхемы быстрее, все сильнее сокращают размеры транзисторов, которые уже не могут работать с большими напряжениями, и, кроме того, увеличивается разброс их параметров. Плюс, единственное повреждение делает микросхему бесполезной и приводит к внезапной остановке проекта или продукта.
Поэтому на протяжении последних пяти лет команда исследователей Калифорнийского технологического института вела работы по созданию самовосстанавливающихся микросхем. Ранее в этом году ученые из лаборатории быстродействующих интегральных схем кафедры инженерных и прикладных наук Калифорнийского технологического института продемонстрировали возможности самовосстановления микросхем. Исследователи использовали лазер для разрушения частей микросхемы, а затем позволяли ей оценить повреждения и переконфигурировать себя для работы без поврежденных частей.
«Это система, похожая на биологический организм, с датчиками, которая может обнаруживать неисправности и перенастраивать целые части схемы», – говорит Али Хаджимири (Ali Hajimiri), доктор философии, профессор электротехники в Калифорнийском технологическом институте. – «Мы нуждались в системе, способной выявлять и исправлять неполадки в ходе работы».
Согласно статье в журнале IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, для проверки системы в случае частичного и полного выхода из строя транзисторов ученые выжигали части усилителя, позволяя схеме восстанавливаться на каждом уровне. Они обнаружили, что хотя характеристики схемы деградировали, способность к самовосстановлению возрастала.
По словам ведущего разработчика, аспиранта в области электротехники Стивена Бауэрса (Steven Bowers), эта система действует подобно иммунной системе. Хотя первоначальная цель проекта заключалась в использовании цифровой обработки для обеспечения надежности особо сложных аналоговых схем, режимы работы многих узлов которых близки к критическим, одним из способов решения этой проблемы оказалось самовосстановление.
Как говорит Бауэрс: «Мы создали иммунную систему со встроенными датчиками для определения работоспособности. Данные с этих датчиков передаются в цифровое ядро, которое функционирует как иммунная система и может контролировать достаточное количество важных точек микросхемы, чтобы скорректировать ожидаемые, и даже не ожидаемые отклонения, которые ухудшают ее параметры. Все встроено в микросхему, это означает, что она сама может восстановить себя. При этом не требуется никакого дорогостоящего лабораторного измерительного оборудования».
Похоже, однако, что это только начальный этап на пути применения самовосстанавливающихся микросхем. Согласно Бауэрсу, помимо восстановления физических параметров транзисторов, микросхемы также могут решать проблемы, связанные с факторами окружающей среды, такими как изменение температуры или несоответствие нагрузки.
«Если усилитель соединен с антенной, и среда влияет на ближнее поле этой антенны, импеданс нагрузки будет меняться, а мощность, обеспечиваемая усилителем, будет падать. Это можно наблюдать на примере сотовых телефонов, которые теряют сигнал, когда их держат определенным образом», – сказал Бауэрс. – «Наша система может определить такое ухудшение параметров и изменить импеданс, который станет соответствовать новой нагрузке, благодаря чему в антенне будет поддерживаться постоянная мощность. Наконец, мы хотели проверить систему в самом наихудшем случае повреждения транзистора. Поскольку конструкция схемы была такова, что выходные транзисторы работали в режиме близком к пробою, естественно ожидать, что первыми выйти из строя могли бы именно они. Для имитации такого отказа мы использовали оптический лазерный резак, с помощью которого был разрушен один из выходных транзисторов, и система практически полностью смогла автоматически восстановить работоспособность, утерянную в результате выжигания».
Приложения (как нынешние, так и будущие) могут оказать серьезное влияние на электронику. В настоящее время самовосстановление может быть использовано в любой аналоговой схеме, где, согласно Бауэрсу, различия между транзисторами «приводят к значительной деградации характеристик». Разработка найдет применение в приемопередатчиках сотовых телефонов, трансиверах WiFi или wirelessHD и портативных системах передачи изображений с помощью миллиметровых волн. Что касается будущего, то Бауэрс больше озабочен масштабируемостью технологии, поскольку узлы становятся все меньше, и вариации параметров процесса только увеличиваются.
«При размере узла этого проекта 45 нм разброс параметров был достаточен для того, чтобы гарантировать функционирование системы восстановления. Это дало нам преимущество над системой без самовосстановления, но выигрыш в улучшении работоспособности в большинстве случаев был ограничен примерно 50%», – сказал Бауэрс. – «Я считаю, что мы пока только на верхушке айсберга потенциала применения самовосстанавливающихся систем».
