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UNIVERSIDADE DE BRASÍLIA FACULDADE DE TECNOLOGIA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA ANÁLISE COMPARATIVA ENTRE INTERCONEXÕES DE NANOTUBO DE CARBONO E INTERCONEXÕES DE COBRE PARA CIRCUITOS GSI/TSI CAMILA PEIXOTO DA SILVA MADEIRA NOGUEIRA ORIENTADORA: JANAINA GONÇALVES GUIMARÃES DISSERTAÇÃO DE MESTRADO EM ENGENHARIA DE SISTEMAS ELETRÔNICOS E DE AUTOMAÇÃO PUBLICAÇÃO: PPGEA.DM 488/2012 BRASÍLIA/DF: SETEMBRO 2012

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UNIVERSIDADE DE BRASIacuteLIA

FACULDADE DE TECNOLOGIA

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELEacuteTRICA

ANAacuteLISE COMPARATIVA ENTRE INTERCONEXOtildeES DE

NANOTUBO DE CARBONO E INTERCONEXOtildeES DE

COBRE PARA CIRCUITOS GSITSI

CAMILA PEIXOTO DA SILVA MADEIRA NOGUEIRA

ORIENTADORA JANAINA GONCcedilALVES GUIMARAtildeES

DISSERTACcedilAtildeO DE MESTRADO EM ENGENHARIA DE SISTEMAS

ELETROcircNICOS E DE AUTOMACcedilAtildeO

PUBLICACcedilAtildeO PPGEADM ndash 4882012

BRASIacuteLIADF SETEMBRO ndash 2012

ii

UNIVERSIDADE DE BRASIacuteLIA

FACULDADE DE TECNOLOGIA

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELEacuteTRICA

ANAacuteLISE COMPARATIVA ENTRE INTERCONEXOtildeES DE

NANOTUBO DE CARBONO E INTERCONEXOtildeES DE COBRE PARA

CIRCUITOS GSITSI

CAMILA PEIXOTO DA SILVA MADEIRA NOGUEIRA

DISSERTACcedilAtildeO DE MESTRADO ACADEcircMICO SUBMETIDA AO

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELEacuteTRICA DA FACULDADE

DE TECNOLOGIA DA UNIVERSIDADE DE BRASIacuteLIA COMO

PARTE DOS REQUISIacuteTOS NECESSAacuteRIOS PARA A OBTENCcedilAtildeO DO

GRAU DE MESTRE

APROVADA POR

_________________________________________________

Profa Janaina Gonccedilalves Guimaratildees Drordf PGEAUnB

(Orientadora)

_________________________________________________

Prof Sandro Augusto Pavlik Haddad Dr FGAUnB

(Examinador Interno)

_________________________________________________

Prof Stefan Michael Blawid Dr ENEUnB

(Examinador Externo)

BRASIacuteLIADF 27 DE SETEMBRO DE 2012

iii

FICHA CATALOGRAacuteFICA

NOGUEIRA CAMILA PEIXOTO DA SILVA MADEIRA

Anaacutelise Comparativa entre Interconexotildees de Nanotubo de Carbono e Interconexotildees de Cobre

para Circuitos GSITSI [Distrito Federal] 2012

xiii 72p 210 x 297 mm (ENEFTUnB Mestre Engenharia de Sistemas Eletrocircnicos e de

Automaccedilatildeo 2012)

Dissertaccedilatildeo de Mestrado ndash Universidade de Brasiacutelia Faculdade de Tecnologia

Departamento de Engenharia Eleacutetrica

1Nanoeletocircnica 2Interconexatildeo

3Nanotubo de carbono 4Transistor mono-eleacutetron

I ENEFTUnB II Tiacutetulo (seacuterie)

REFEREcircNCIA BIBLIOGRAacuteFICA

NOGUEIRA C P S M (2012) Anaacutelise Comparativa entre Interconexotildees de Nanotubo

de Carbono e Interconexotildees de Cobre para Circuitos GSITSI Dissertaccedilatildeo de Mestrado em

Engenharia de Sistemas Eletrocircnicos e de Automaccedilatildeo Publicaccedilatildeo PPGEADM-4882012

Departamento de Engenharia Eleacutetrica Universidade de Brasiacutelia Brasiacutelia DF 72p

CESSAtildeO DE DIREITOS

AUTORA Camila Peixoto da Silva Madeira Nogueira

TIacuteTULO Anaacutelise Comparativa entre Interconexotildees de Nanotubo de Carbono e

Interconexotildees de Cobre para Circuitos GSITSI

GRAU Mestre ANO 2012

Eacute concedida agrave Universidade de Brasiacutelia permissatildeo para reproduzir coacutepias desta dissertaccedilatildeo

de mestrado e para emprestar ou vender tais coacutepias somente para propoacutesitos acadecircmicos e

cientiacuteficos A autora reserva outros direitos de publicaccedilatildeo e nenhuma parte dessa

dissertaccedilatildeo de mestrado pode ser reproduzida sem autorizaccedilatildeo por escrito do autor

____________________________

Camila Peixoto da Silva Madeira Nogueira

SQS 216 bloco J apto 305 Asa Sul

70295-100 Brasiacutelia ndash DF ndash Brasil

iv

DEDICATOacuteRIA

A Deus

v

AGRADECIMENTOS

Agradeccedilo a todas as pessoas que fizeram parte de alguma forma de mais essa etapa da

minha vida Agrave minha famiacutelia e aos meus amigos muito obrigada

Gostaria de destacar duas pessoas em especial que me ajudaram bastante neste processo

Janaina e Bianca Deus colocou esses dois anjos perto de mim em um periacuteodo crucial da

minha vida Sem elas esta etapa teria sido muito mais difiacutecil Agradeccedilo agrave Janaina por todo

auxiacutelio que me deu nesta dissertaccedilatildeo e pelas palavras de carinho quando eu mais precisei

Agradeccedilo agrave Bi por ser essa amiga querida e sincera sempre me apoiando em tudo

Obrigada por tudo

Sem duacutevida a providecircncia divina me apontando o caminho foi o que me fez chegar ateacute

aqui Obrigada meu Senhor meu Deus por mais essa conquista

vi

RESUMO

ANAacuteLISE COMPARATIVA ENTRE INTERCONEXOtildeES DE

NANOTUBO DE CARBONO E INTERCONEXOtildeES DE COBRE PARA

CIRCUITOS GSITSI

Autora Camila Peixoto da Silva Madeira Nogueira

Orientadora Janaina Gonccedilalves Guimaratildees

Programa de Poacutes-Graduaccedilatildeo em Engenharia de Sistemas Eletrocircnicos e de Automaccedilatildeo

Brasiacutelia setembro de 2012

Nesta dissertaccedilatildeo seraacute realizado o estudo de nanotubos de carbono como possiacuteveis

substitutos do cobre em interconexotildees em circuitos integrados GSI e TSI Dessa forma os

modelos de circuitos do SWCNT (single-walled carbon nanotube) e do cobre seratildeo

apresentados e o estudo comparativo do desempenho destes materiais seraacute realizado

considerando diferentes comprimentos das interconexotildees Aleacutem disso o efeito destas

interconexotildees seraacute analisado na rede H-tree clock com inversores em seus terminais

tambeacutem para diferentes comprimentos Os inversores utilizados satildeo formados por

dispositivos de tunelamento mono-eleacutetron Com este propoacutesito as interconexotildees seratildeo

simuladas usando o software LTSPICE

vii

ABSTRACT

COMPARATIVE ANALYSIS BETWEEN CARBON NANOTUBE

INTERCONNECTS AND COPPER INTERCONNECTS FOR GSITSI

CIRCUITS

Author Camila Peixoto da Silva Madeira Nogueira

Supervisor Janaina Gonccedilalves Guimaratildees

Programa de Poacutes-Graduaccedilatildeo em Engenharia de Sistemas Eletrocircnicos e de Automaccedilatildeo

Brasiacutelia September 2012

In this work carbon nanotubes as possible candidates to replace copper as interconnects in

GSI and TSI integrated circuits are studied The circuit model of SWCNT (single-walled

carbon nanotube) and of copper are presented and a comparison between both materials is

studied considering different interconnect lengths In addition interconnects effect is

analyzed in the H-tree clock network using inverters in its ends The inverters are formed

by mono-electron tunneling devices For this purpose the interconnects will be simulated

using LTSPICE software

viii

SUMAacuteRIO

1 INTRODUCcedilAtildeO 1

11 OBJETIVOS 2

12 ORGANIZACcedilAtildeO 2

2 FUNDAMENTACcedilAtildeO TEOacuteRICA 3

21 INTERCONEXOtildeES 14

211 Limitaccedilotildees do cobre em relaccedilatildeo ao CNT 3

212 Caracteriacutesticas do CNT 3

213 Modelos de Interconexatildeo 6

2131 Modelo de interconexatildeo de SWCNT isolado 6

2132 Modelo de interconexatildeo de SWCNT bundle 8

2133 Modelo de interconexatildeo de cobre 11

22 INVERSOR MONO-ELEacuteTRON 14

221 Dispositivo de tunelamento mono-eleacutetron 14

222 Estrutura do inversor mono-eleacutetron 18

23 CLOCKING DE SISTEMAS DE ALTA VELOCIDADE 19

231 H-tree clock 21

24 MEDIDAS DE DESEMPENHO NA ANAacuteLISE DAS INTERCONEXOtildeES 22

241 Velocidade maacutexima - anaacutelise na frequecircncia 22

242 Atenuaccedilatildeo 23

243 Tempo de atraso 23

244 Potecircncia dissipada 23

245 Produto atraso-potecircncia 24

246 Slew rate 24

25 LTSPICE 24

3 METODOLOGIA 26

31 INTRODUCcedilAtildeO 26

32 ETAPAS E ESTRATEacuteGIAS ADOTADAS 26

321 Simulaccedilatildeo das interconexotildees 26

322 Simulaccedilatildeo do inversor mono-eleacutetron 28

323 Simulaccedilatildeo do H-tree clock mono-eleacutetron 28

ix

4 RESULTADOS E ANAacuteLISES 31

41 INTRODUCcedilAtildeO 31

42 ANAacuteLISE DAS INTERCONEXOtildeES 31

421 Interconexotildees Locais 31

422 Interconexotildees Intermediaacuterias 35

43 SIMULACcedilAtildeO DO INVERSOR MONO-ELEacuteTRON 37

44 ANAacuteLISE DAS INTERCONEXOtildeES NO H-TREE CLOCK MONO-ELEacuteTRON 39

441 Anaacutelise da rede com interconexotildees ideais 39

442 Anaacutelise da rede com interconexotildees natildeo-ideais 41

4421 Anaacutelise da rede a 10 GHz 41

4422 Anaacutelise da rede a 100 GHz 42

443 Consideraccedilotildees Finais 44

5 CONCLUSOtildeES 46

6 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS 47

7 APEcircNDICES 53

71 TABELAS COMPLEMENTARES 53

8 ANEXOS 57

81 COacuteDIGO SPICE DO SET [44] 57

x

LISTA DE FIGURAS

Figura 21 Estrutura de uma lacircmina de grafeno (esquerda) do SWCNT (meio) e do

MWCNT (direita) [13] 4

Figura 22 Estrutura do SWCNT bundle [16] 4

Figura 23 Estrutura do (i) armchair (ii) zig-zag e (iii) quiral [24] 5

Figura 24 Modelo de interconexatildeo do SWCNT isolado (modificado de [33]) 8

Figura 25 Separaccedilatildeo miacutenima entre CNTs devido agrave forccedila de Van der Waals (modificado de

[13]) 9

Figura 26 Nuacutemero de CNTs ao longo da largura (nW) e da altura (nH) do CNT bundle

[13] 10

Figura 27 Modelo de interconexatildeo de cobre 13

Figura 28 Siacutembolo e tabela verdade da porta NOT 14

Figura 29 Dois eletrodos separados por uma ilha [10] 15

Figura 210 Esquemaacutetico da junccedilatildeo-tuacutenel [10] 15

Figura 211 Diagramas de energia (a) Bloqueio de Coulomb (b) Tunelamento mono-

eleacutetron [10] 16

Figura 212 Caracteriacutestica do bloqueio de Coulomb [10] 17

Figura 213 Transistor mono-eleacutetron [10] 18

Figura 214 Caracteriacutestica corrente(I) versus tensatildeo (Vg) do transistor mono-eleacutetron [10] 18

Figura 215 Esquemaacutetico do inversor utilizando SETs (modificado de [4]) 19

Figura 216 Estruturas comuns de redes de distribuiccedilatildeo de clock [45] 20

Figura 217 Esquemaacutetico do H-tree clock simeacutetrico (modificado de [46]) 21

Figura 218 Graacutefico do moacutedulo do ganho pela frequumlecircncia tiacutepico do comportamento de

interconexotildees 22

Figura 31 Circuito simulado para cada interconexatildeo 27

Figura 32 Fluxograma das etapas seguidas na simulaccedilatildeo das interconexotildees 28

Figura 33 Esquemaacutetico do H-tree clock com os comprimentos de cada seguimento 29

Figura 34 Fluxograma das etapas seguidas na simulaccedilatildeo do H-tree clock 30

Figura 41 Frequecircncia versus comprimento das interconexotildees locais 32

Figura 42 Graacuteficos da magnitude das interconexotildees de SWCNT isolado (superior)

SWCNT bundle (meio) e cobre (inferior) com comprimento de 100nm 34

Figura 43 Frequecircncia versus comprimento das interconexotildees intermediaacuterias 35

xi

Figura 44 Esquemaacutetico do SET e os valores de seus paracircmetros 37

Figura 45 Esquemaacutetico do inversor mono-eleacutetron e os valores de seus paracircmetros

(modificado de [4]) 38

Figura 46 Curva do sinal de entrada (em verde) e do sinal de saiacuteda (em preto) do inversor

mono-eleacutetron 38

Figura 47 Sinal de entrada (em verde) e sinal de saiacuteda (em preto) da rede a 10 GHz 40

Figura 48 Sinal de entrada (em verde) e sinal de saiacuteda (em preto) da rede a 100 GHz 40

Figura 49 Sinal de entrada (em verde) e sinal de saiacuteda (em preto) da rede a 100 GHz para

a interconexatildeo 500nm1microm de cobre 44

xii

LISTA DE TABELAS

Tabela 41 Frequecircncia em -3dB de cada material para lCNT le λCNT 32

Tabela 42 Estudo das interconexotildees com comprimentos na faixa lCNT le λCNT 33

Tabela 43 Estudo das interconexotildees SWCNT bundle e cobre com comprimentos na faixa

lCNT le λCNT 33

Tabela 44 Frequecircncia em -3dB de cada material para lCNT gt λCNT 36

Tabela 45 Estudo das interconexotildees com comprimentos na faixa lCNT gt λCNT 36

Tabela 46 Estudo das interconexotildees SWCNT bundle e cobre com comprimentos na faixa

lCNT gt λCNT 37

Tabela 47 Caracteriacutesticas dos sinais de saiacuteda da rede para interconexotildees ideais 39

Tabela 48 Potecircncia dissipada por cada porta inversora para interconexotildees ideais 40

Tabela 49 Frequecircncia em -3dB na entrada da inversora para interconexotildees natildeo-ideais 41

Tabela 410 Niacuteveis loacutegicos tempo de subida e slew rate dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 10 GHz 42

Tabela 411 Atenuaccedilatildeo atraso potecircncia e produto atraso-potecircncia dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 10 GHz 42

Tabela 412 Niacuteveis loacutegicos tempo de subida e slew rate dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 100 GHz 43

Tabela 413 Atenuaccedilatildeo atraso potecircncia e produto atraso-potecircncia dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 100 GHz 43

Tabela 71 Paracircmetros obtidos a partir do modelo de SWCNT isolado 53

Tabela 72 Paracircmetros obtidos a partir do modelo de SWCNT bundle 53

Tabela 73 Paracircmetros obtidos a partir do modelo de cobre 54

Tabela 74 Frequecircncia em -3dB das interconexotildees locais 55

Tabela 75 Frequecircncia em -3dB das interconexotildees intermediaacuterias 56

xiii

LISTA DE SIacuteMBOLOS NOMENCLATURA ABREVIACcedilOtildeES

CNT ndash Carbon nanotube

CVD ndash Chemical Vapor Deposition

GSI ndash Giga Scale Integration

ITRS ndash International Technology Roadmap for Semiconductors

LTSPICE ndash Linear Technology SPICE simulator

MWCNT ndash Multi-walled carbon nanotube

SET ndash Singe-electron transistor

SPICE ndash Simulated Program with Integrated Circuits Emphasis

SWCNT ndash Single-walled carbon nanotube

TSI ndash Tera Scale Integration

1

1 INTRODUCcedilAtildeO

O crescimento da microeletrocircnica e a consequumlente miniaturizaccedilatildeo dos circuitos integrados

foram previstos por Gordon Moore que enunciou que o nuacutemero de transistores em um

circuito integrado dobraria a cada 18 meses considerando a mesma aacuterea e custo previsatildeo

conhecida como Lei de Moore Devido aos problemas enfrentados pelos dispositivos

microeletrocircnicos gerados especialmente pelos efeitos quacircnticos que anteriormente eram

desprezados novas tecnologias como a nanoeletrocircnica vecircm sendo estudadas para dar

continuidade a esse processo de miniaturizaccedilatildeo dos dispositivos [1-10]

Aleacutem disso a miniaturizaccedilatildeo de circuitos integrados tem resultado em grandes desafios no

projeto de interconexotildees que satildeo responsaacuteveis principalmente pelo carregamento da

tensatildeo de alimentaccedilatildeo de cada transistor e pela distribuiccedilatildeo dos sinais de dados As

limitaccedilotildees das interconexotildees as quais podem provocar uma desaceleraccedilatildeo nos progressos

alcanccedilados ateacute hoje pela induacutestria de semicondutores satildeo fatores preocupantes Como

limitaccedilotildees das interconexotildees eacute importante citar o aumento da sua resistividade aumento da

capacitacircncia de acoplamento entre vias dificuldades no controle das suas dimensotildees entre

outras

Assim o estudo aprofundado das interconexotildees levando em consideraccedilatildeo principalmente

seu desempenho eacute de fundamental importacircncia [11-13] Novas tecnologias estatildeo sendo

estudadas para superar as limitaccedilotildees das interconexotildees de cobre no circuito como a

resistividade eleacutetrica e a resistecircncia agrave eletromigraccedilatildeo principalmente em tecnologias

abaixo de 45nm As interconexotildees oacuteticas as interconexotildees de radio frequumlecircncia ou sem fio

e as interconexotildees de nanotubo de carbono (CNT) satildeo algumas candidatas a substituir as

interconexotildees de cobre as quais satildeo as interconexotildees mais utilizadas atualmente [13-17]

Dentre essas possibilidades os CNTs possuem grandes vantagens para interconexotildees em

circuitos integrados em escala GSI (Giga Scale Integration) e TSI (Tera Scale Integration)

[18-20] Eles satildeo considerados soluccedilotildees eficientes para melhorar as limitaccedilotildees do cobre

previstas pelo ITRS (International Technology Roadmap for Semiconductors) [21] como

atraso dissipaccedilatildeo de potecircncia e resistecircncia agrave eletromigraccedilatildeo

2

11 OBJETIVOS

O objetivo desta dissertaccedilatildeo eacute fazer um estudo comparativo entre o desempenho das

interconexotildees de nanotubo de carbono e das interconexotildees de cobre Com esse intuito

preliminarmente o desempenho das interconexotildees de SWCNT (do inglecircs single-walled

carbon nanotube) de SWCNT bundle (vaacuterios SWCNTs dispostos em paralelo como uma

corda) e de cobre seraacute comparado considerando diferentes comprimentos das

interconexotildees

Por fim o efeito das interconexotildees de SWCNT bundle e de cobre seraacute analisado na rede H-

tree clock com inversores mono-eleacutetron em seus terminais tambeacutem para diferentes

comprimentos Assim seraacute possiacutevel analisar se os nanotubos de carbono poderatildeo substituir

o cobre em interconexotildees em circuitos integrados GSI e TSI

12 ORGANIZACcedilAtildeO

No capiacutetulo 2 satildeo apresentados os conceitos fundamentais necessaacuterios agrave correta

compreensatildeo desta pesquisa Seratildeo abordados conceitos referentes agraves interconexotildees de

CNT e cobre aos dispositivos de tunelamento mono-eleacutetron e agrave estrutura do H-tree clock

O capiacutetulo 3 descreve a metodologia utilizada agrave realizaccedilatildeo do objeto de pesquisa desta

dissertaccedilatildeo Assim seratildeo apresentadas as etapas que foram seguidas para analisar o efeito

das interconexotildees em circuitos com transistores mono-eleacutetron

No capiacutetulo 4 os resultados e anaacutelises das simulaccedilotildees das interconexotildees ideais e natildeo-

ideais considerando o SWCNT SWCNT bundle e o cobre satildeo apresentados As

interconexotildees satildeo analisadas tambeacutem nos circuitos H-tree clock

O capiacutetulo 5 apresenta as conclusotildees e as recomendaccedilotildees para trabalhos futuros

3

2 FUNDAMENTACcedilAtildeO TEOacuteRICA

21 INTERCONEXOtildeES

211 Limitaccedilotildees do cobre em relaccedilatildeo ao CNT

As interconexotildees de cobre sofrem inuacutemeros problemas indesejados que aumentam agrave

medida que as interconexotildees diminuem de tamanho Essa diminuiccedilatildeo de tamanho resulta

em interconexotildees menos eficientes no maior consumo de potecircncia e no aumento da

densidade de corrente transportada por cada interconexatildeo [22] De acordo com o ITRS

[21] a densidade de corrente pode atingir valores na ordem de 107 Acm

2 Este valor soacute eacute

suportado por CNTs uma vez que satildeo capazes de suportar densidades de corrente na

ordem de 1010

Acm2 [1317]

Os CNTs tecircm provocado grande interesse nos cientistas desde a sua descoberta em 1991

por Iijima devido agraves excelentes propriedades eleacutetricas teacutermicas e mecacircnicas que possuem

Suas propriedades eleacutetricas permitem que suportem densidades de ateacute 1010

Acm2 sendo

que o cobre suporta densidades inferiores a 107 Acm

2 [1317] O caminho meacutedio livre do

CNT eacute superior ao do cobre o que possibilita um transporte baliacutestico por uma ampla gama

de extensatildeo e isso resulta em uma resistividade menor do CNT [13-17] Aleacutem disso a alta

condutividade teacutermica do CNT que eacute outra limitaccedilatildeo do cobre eacute de fundamental

importacircncia na aplicaccedilatildeo em interconexotildees Essas propriedades possibilitam uma

toleracircncia do CNT agrave eletromigraccedilatildeo a qual eacute uma grande limitaccedilatildeo no desempenho das

interconexotildees de cobre [131719]

212 Caracteriacutesticas do CNT

Os nanotubos de carbono podem ser formados por uma lacircmina de grafeno enrolada

conhecida como SWCNT (single-walled carbon nanotube) ou por vaacuterios tubos

concecircntricos formando uma multicamada conhecida por MWCNT (multi-walled carbon

nanotube) [2324] A Figura 21 ilustra a estrutura de uma lacircmina de grafeno do SWCNT e

do MWCNT

4

Figura 21 ndash Estrutura de uma lacircmina de grafeno (esquerda) do SWCNT (meio) e do

MWCNT (direita) [13]

Eacute importante destacar que os MWCNTs satildeo menos favoraacuteveis para o uso em

interconexotildees jaacute que eles apresentam caminho meacutedio livre menor que os SWCNTs

[1317] Como a resistecircncia de um uacutenico SWCNT pode ter valores altos eacute necessaacuteria a

uniatildeo de vaacuterios dispostos em paralelo como uma corda chamado de bundle para diminuir

o valor da resistecircncia equivalente da interconexatildeo [1315] A Figura 22 ilustra a estrutura

do SWCNT bundle [16]

Figura 22 ndash Estrutura do SWCNT bundle [16]

Dependendo de como a lacircmina eacute enrolada que resulta no acircngulo quiral e nos iacutendices

quirais de sua estrutura o nanotubo pode ser metaacutelico ou semicondutor [131419] Os

iacutendices quirais satildeo identificados por (mn) O nanotubo seraacute metaacutelico quando a diferenccedila

entre os iacutendices quirais for um muacuteltiplo inteiro de 3 e seraacute semicondutor nos outros casos

[13] A estrutura eacute chamada de zig-zag quando m ou n eacute igual a zero podendo ser metaacutelica

ou semicondutora Quando m=n a estrutura eacute denominada armchair sendo sempre

metaacutelica Nos outros casos a estrutura eacute conhecida como quiral e pode ser metaacutelica ou

semicondutora [24] A Figura 23 mostra as estruturas do armchair zig-zag e quiral [24]

5

Figura 23 ndash Estrutura do (i) armchair (ii) zig-zag e (iii) quiral [24]

De acordo com [22] o crescimento dos CNTs geralmente eacute realizado atraveacutes de um dos

seguintes meacutetodos descarga por arco eleacutetrico ablaccedilatildeo a laser e deposiccedilatildeo quiacutemica a vapor

do inglecircs chemical vapor deposition ndash CVD O processo de descarga por arco eleacutetrico tem

sido desenvolvido para preparar MWCNTs e SWCNTs de alta qualidade Neste processo

aacutetomos de carbono satildeo evaporados com um gaacutes de plasma inerte caracterizado por altas

correntes eleacutetricas que passam entre os eletrodos opostos de carbono (caacutetodo e acircnodo)

Normalmente o acircnodo do carbono conteacutem uma pequena porcentagem de catalisador de

metal como o cobalto niacutequel ou ferro Jaacute o meacutetodo de ablaccedilatildeo a laser utiliza um pulso

duplo de lasers para evaporar varetas de grafite dopadas com uma mistura de cobalto e

niacutequel em poacute colocado em um tubo aquecido a temperatura elevada seguido de um

tratamento teacutermico a vaacutecuo

Apesar dos meacutetodos de descarga por arco eleacutetrico e ablaccedilatildeo a laser produzir grandes

quantidades de CNTs de alta qualidade e oferecer uma ampla disponibilidade de CNTs

para estudos e possiacuteveis aplicaccedilotildees existem vaacuterias preocupaccedilotildees associadas com estes dois

meacutetodos de crescimento [22] Dessa forma os meacutetodos de CVD satildeo bastante usados no

crescimento de CNTs com aplicaccedilatildeo em eletrocircnica incluindo interconexotildees [1322] O

processo de crescimento CVD envolve o aquecimento do catalisador a uma temperatura

elevada e a introduccedilatildeo de gaacutes de hidrocarboneto ou de monoacutexido de carbono para dentro

6

do reator O mecanismo de crescimento do CNT tem sido considerado como um processo

de dissociaccedilatildeo-difusatildeo-precipitaccedilatildeo em que o carbono eacute formado sobre a superfiacutecie de

uma partiacutecula de metal seguida de difusatildeo e precipitaccedilatildeo sob a forma de grafeno ciliacutendrico

[22]

213 Modelos de Interconexatildeo

Para realizar uma comparaccedilatildeo por simulaccedilatildeo entre o desempenho do CNT e do cobre

modelos equivalentes de circuito de interconexotildees que reproduzam com fidelidade o seu

comportamento fiacutesico satildeo necessaacuterios Com esse intuito eacute fundamental que os fatores que

interferem no desempenho das interconexotildees como resistecircncia indutacircncia capacitacircncia e

comprimento sejam considerados A partir do estudo desses modelos eacute possiacutevel verificar

se as interconexotildees de CNT poderatildeo substituir as de cobre e os casos em que isso eacute

possiacutevel

2131 Modelo de interconexatildeo do SWCNT isolado

A resistecircncia de um SWCNT isolado eacute composta por ateacute trecircs partes resistecircncia de contato

entre o metal e o nanotubo (Rc) resistecircncia quacircntica (Rq) e resistecircncia de espalhamento

(Rs) [192325] As resistecircncias de contato e quacircntica satildeo independentes do comprimento

do nanotubo Jaacute a resistecircncia de espalhamento depende do comprimento do nanotubo [26-

31]

Quando o comprimento do SWCNT eacute menor ou igual ao caminho meacutedio livre (lCNT le

λCNT) que eacute tipicamente 1 microm o transporte de eleacutetrons eacute essencialmente baliacutestico e a

resistecircncia independe do comprimento do nanotubo [1332] No entanto quando o

comprimento do SWCNT eacute maior que o caminho meacutedio livre (lCNT gt λCNT) haacute uma

resistecircncia adicional que depende do comprimento do SWCNT e eacute chamada de resistecircncia

de espalhamento [13-15] Assim a resistecircncia total eacute dada pela equaccedilatildeo (21) em que lCNT

eacute o comprimento do nanotubo de carbono

CNTCNT

CNTCNT

CNTlseRsRqRc

lseRqRcR

(21)

7

A resistecircncia de contato pode chegar ao valor de 100 kΩ [131533] Contudo essa

resistecircncia em nanotubos de carbono com diacircmetro maior que 1nm estaacute na ordem de

poucos kilo ohms ou ateacute mesmo centenas de ohms [1316] Neste trabalho considerou-se o

contato metal-nanotubo como sendo perfeito ou seja Rc = 0

A resistecircncia quacircntica e a de espalhamento satildeo descritas pelas equaccedilotildees (22) e (23)

respectivamente onde e eacute a carga do eleacutetron e h eacute a constante de Plank A resistecircncia

quacircntica (Rq) eacute igualmente dividida em cada lado dos contatos metal-nanotubo [13-

173435]

ke

hRq 456

4 2 (22)

CNT

CNTl

e

hRs

24 (23)

O movimento de eleacutetrons transportados por um condutor eacute modelado pela indutacircncia que

consiste na indutacircncia magneacutetica e cineacutetica [1316] No SWCNT a indutacircncia magneacutetica eacute

calculada considerando que o CNT eacute um fio muito fino com diacircmetro d e estaacute

posicionado a uma distacircncia y do plano ligado ao terra A indutacircncia cineacutetica eacute calculada

pela equaccedilatildeo da energia cineacutetica armazenada em cada canal condutor do CNT para uma

indutacircncia efetiva [141535] Assim a indutacircncia magneacutetica (LM) e a cineacutetica (LK) podem

ser calculadas pelas equaccedilotildees (24) e (25) respectivamente

d

yLM ln

2

(24)

F

Kve

hL

22 (25)

Para d = 1nm e y = 1microm LM = 14pHmicrom [141529] Como vF eacute a velocidade de Fermi

cujo valor eacute dado por 8x105 ms para o CNT o valor da indutacircncia cineacutetica eacute LK =

16nHmicrom [13-1635] Sabendo que cada CNT tem quatro canais condutores em paralelo

que natildeo interagem entre si a indutacircncia cineacutetica efetiva eacute dada por LK4 [13-15] Uma boa

aproximaccedilatildeo da indutacircncia total do CNT (LCNT) eacute 4 nHmicrom [15]

8

Por fim a capacitacircncia de um SWCNT isolado eacute constituiacuteda por duas partes que satildeo a

capacitacircncia eletrostaacutetica (CE) e a quacircntica (CQ) [13-1735] Essas capacitacircncias satildeo

calculadas pelas equaccedilotildees (26) e (27)

d

yCE

ln

2 (26)

F

Qhv

eC

22 (27)

A capacitacircncia eletrostaacutetica eacute influenciada pelo ambiente que a envolve que satildeo os seus

vizinhos e o plano ligado ao terra Considerando que o CNT eacute um fio com diacircmetro d =

1nm e a distacircncia y = 1microm obteacutem-se CE = 30 aFmicrom Jaacute a capacitacircncia quacircntica se refere agrave

influecircncia da energia quacircntica armazenada no nanotubo quando este carrega corrente O

valor da capacitacircncia eacute CQ = 100 aFmicrom [1314] Considerando os quatro canais condutores

descritos anteriormente a capacitacircncia total eacute dada por (28)

QE

QE

CNTCC

CCC

4

4

(28)

Assim o esquemaacutetico da interconexatildeo de um SWCNT isolado eacute mostrado na Figura 24

abaixo

Figura 24 ndash Modelo de interconexatildeo do SWCNT isolado (modificado de [33])

2132 Modelo de interconexatildeo do SWCNT bundle

O SWCNT bundle possui resistecircncia equivalente menor que o SWCNT isolado

caracteriacutestica necessaacuteria para alcanccedilar performances comparaacuteveis agraves interconexotildees de

9

cobre [13-2023252629-38] O SWCNT bundle eacute composto por vaacuterios SWCNTs

empacotados em paralelo Assume-se que todos os SWCNTs satildeo idecircnticos metaacutelicos e que

cada um tem o mesmo potencial [1737] Sabendo que d eacute o diacircmetro do nanotubo de

carbono e x eacute a distacircncia entre os centros de dois nanotubos adjacentes o SWCNT bundle

pode ser empacotado de forma densa se x = d ou de forma esparsa se x gt d [13-1529-

32] Sabe-se que entre os nanotubos existe uma separaccedilatildeo δmin devido agrave forccedila de Van der

Waals que eacute de pelo menos 032 nm entre cada nanotubo [13] como mostra a Figura 25

Figura 25 ndash Separaccedilatildeo miacutenima entre CNTs devido agrave forccedila de Van der Waals (modificado

de [13])

O nuacutemero de nanotubos de carbono nCNT disponiacutevel pode ser calculado pelas expressotildees

dadas em (29) e (210) [141530]

iacutemparnsen

nn

parnsen

nn

n

HH

HW

HH

HW

CNT

2

1

2

(29)

1

23

x

dtn

x

dwn HW (210)

Nas expressotildees acima w eacute a largura e t eacute a altura da interconexatildeo de SWCNT bundle

Assim nW eacute o nuacutemero de CNTs ao longo da largura do SWCNT bundle e nH eacute o nuacutemero de

CNTs ao longo da altura do SWCNT bundle [13-1530] A Figura 26 mostra esses valores

[13]

10

Figura 26 ndash Nuacutemero de CNTs ao longo da largura (nW) e da altura (nH) do CNT

bundle[13]

Na tecnologia de 22 nm considerando as dimensotildees de 22 nm de largura e 44 nm de altura

do SWCNT bundle [13173437] e a separaccedilatildeo entre cada nanotubo devido agrave forccedila de Van

der Waals a quantidade de SWCNTs eacute aproximadamente 600 Neste trabalho estas

consideraccedilotildees foram feitas e a tecnologia de 22 nm foi utilizada Esta tecnologia eacute prevista

pelo ITRS para o ano de 2016 [21]

As resistecircncias de cada SWCNT estatildeo em paralelo entre elas assim como as indutacircncias

Assim a resistecircncia e a indutacircncia do SWCNT bundle com nCNT SWCNTs satildeo calculados

respectivamente pelas expressotildees (211) e (212) [1323252629-3234]

CNT

CNTbundle

n

RR (211)

CNT

CNTbundle

n

LL (212)

Considerando que todos os SWCNTs estatildeo no mesmo potencial que os contatos entre

todos os nanotubos de carbono em um bundle satildeo idecircnticos e que cada SWCNT tem o

mesmo caminho meacutedio livre [13] eacute possiacutevel assumir que a interaccedilatildeo entre CNTs

adjacentes de um SWCNT bundle eacute fraca e que eles carregam correntes independentes

umas das outras [13-17]

A capacitacircncia do SWCNT bundle eacute obtida a partir da combinaccedilatildeo da capacitacircncia

quacircntica de todos os SWCNTs em paralelo chamada de capacitacircncia quacircntica bundle

(CQbundle

) que estaacute em seacuterie com a capacitacircncia eletrostaacutetica (CEbundle

) [13143539] A

capacitacircncia quacircntica e a capacitacircncia eletrostaacutetica satildeo calculadas pelas equaccedilotildees (213) e

(214) em que CEn e CEf satildeo as capacitacircncias de placas paralelas de CNTs isolados em

11

relaccedilatildeo aos vizinhos proacuteximos e afastados respectivamente [14293032] Assim a

capacitacircncia total do SWCNT bundle eacute obtida pela equaccedilatildeo (215)

CNT

CNT

Q

bundle

Q nCC (213)

En

HEf

WEn

bundle

E Cn

Cn

CC5

23

2

22

(214)

bundle

Q

bundle

E

bundle

Q

bundle

E

bundleCC

CCC

(215)

Analisando a equaccedilatildeo (215) o efeito da CQbundle

eacute pequeno para grandes valores de nCNT

sendo o valor da capacitacircncia do SWCNT bundle aproximadamente igual agrave sua

capacitacircncia eletrostaacutetica [13161719] Srivastava et al [13] mostra que os nanotubos no

interior do SWCNT bundle satildeo blindados eletrostaticamente dos condutores de terra

podendo ser desprezados Os CNTs de borda satildeo os principais contribuidores para a

capacitacircncia eletrostaacutetica do SWCNT bundle No entanto a equaccedilatildeo (214) natildeo reproduz

fielmente a realidade jaacute que considera a capacitacircncia eletrostaacutetica de todos os nanotubos e

natildeo soacute os CNTs de borda Segundo o mesmo autor para a tecnologia de 22 nm e uma

constante dieleacutetrica igual a 2 a capacitacircncia total do SWCNT bundle eacute aproximadamente

135 aFμm

2133 Modelo de interconexatildeo do cobre

As propriedades fiacutesicas de interconexotildees de cobre podem ser descritas por resistecircncia

capacitacircncia e indutacircncia [14-16] A resistecircncia do cobre pode ser calculada utilizando a

equaccedilatildeo (216)

tw

lRCu

(216)

em que l eacute o comprimento do cobre w eacute a sua largura t eacute a sua altura e ρ eacute a sua

resistividade A resistividade do cobre em escala nanomeacutetrica eacute moldada pela combinaccedilatildeo

dos fenocircmenos de espalhamento superficial e de espalhamento de contorno

[151627283340] Estes fenocircmenos correspondem aos paracircmetros ρFS e ρMS propostos

12

por Fuchs e Sondheimer (ρFS) e por Mayadas e Shatzkes (ρMS) [1516] Estes paracircmetros

satildeo calculados pelas expressotildees (217) (218) e (219)

)1(

4

31 p

w

o

o

FS

(217)

11ln33

2

31 22

MS

o (218)

)1( R

R

D

o

(219)

O paracircmetro ρo eacute a resistividade do material λo eacute o caminho meacutedio livre p eacute o paracircmetro

de espalhamento de Fuchs D eacute o tamanho meacutedio e R eacute o coeficiente de reflexatildeo no

contorno com valores entre 0 e 1 Assim tem-se que a resistecircncia do cobre em escala

nanomeacutetrica eacute dada pela equaccedilatildeo (220) [1516]

tw

lR MSFS

Cu

(220)

De acordo com [1433] o valor da resistividade do cobre na tecnologia de 22nm para

interconexotildees locais eacute dado por 4666 μΩ-cm No entanto este valor da resistividade do

cobre chega a 58 μΩ-cm para valores miacutenimos da largura do fio [1516203940] Neste

trabalho seraacute utilizado o valor de 58 μΩ-cm para a resistividade do cobre na tecnologia de

22 nm que vai ao encontro dos requerimentos do ITRS [21]

A indutacircncia proacutepria (L) e a muacutetua (M) da interconexatildeo de cobre em escala nanomeacutetrica

satildeo obtidas usando respectivamente as expressotildees (221) e (222)

l

tw

tw

llL o )(220

2

12ln

2

(221)

l

s

s

llM o 1

2ln

2

(222)

em que t eacute a altura do fio microo eacute a permeabilidade e s eacute o espaccedilamento entre os fios [14-16]

A indutacircncia total do cobre (LCu) eacute dada pela soma das indutacircncias proacutepria e muacutetua

13

A capacitacircncia da interconexatildeo de cobre eacute calculada pela soma da capacitacircncia de

acoplamento entre dois fios adjacentes (CC) e a capacitacircncia ligada ao plano do terra (Cg)

[14-16] Essas capacitacircncias podem ser obtidas pelas equaccedilotildees (223) e (224) [1541]

120760193

534511171

70222

ht

t

hs

s

hs

s

h

wCg (223)

181160141090

980871161

591740

062141

sh

h

sw

w

sw

w

sh

h

s

tCC (224)

em que s eacute o espaccedilamento entre dois fios adjacentes h eacute a distacircncia do fio em relaccedilatildeo ao

plano do terra e ε eacute a permissividade relativa para uma dada constante dieleacutetrica

Considerando as equaccedilotildees (223) e (224) e de acordo com [1321] para uma constante

dieleacutetrica igual a 2 o valor da capacitacircncia total do cobre (CCu) eacute aproximadamente 150

aFμm que seraacute utilizado neste trabalho

Os modelos em L em π e em T satildeo usados como modelos de interconexatildeo de cobre [11]

Como o modelo π eacute muito utilizado para uma linha distribuiacuteda [1416] este modelo seraacute

usado neste trabalho A Figura 27 mostra o modelo de interconexatildeo de cobre [11]

Figura 27 ndash Modelo de interconexatildeo de cobre

A precisatildeo do modelo eacute determinada pelo nuacutemero de seguimentos bdquoN‟ que ele possui Uma

cadeia com mais de trecircs segmentos em π fornece um erro menor que 3 [16] Neste

trabalho seratildeo utilizados trecircs segmentos em π

14

22 INVERSOR MONO-ELEacuteTRON

Os dispositivos de tunelamento mono-eleacutetron satildeo dispositivos nanoeletrocircnicos

potencialmente aplicaacuteveis em circuitos integrados em escala giga (GSI) e tera (TSI)

Apesar de apresentarem baixo ganho e alta impedacircncia de saiacuteda estes dispositivos

possuem tamanho reduzido e baixa dissipaccedilatildeo de potecircncia Estas caracteriacutesticas os tornam

atrativos em circuitos loacutegicos e circuitos de memoacuteria [1-10] Assim portas loacutegicas podem

ser implementadas utilizando dispositivos de tunelamento mono-eleacutetron [14-9]

As portas loacutegicas satildeo blocos de construccedilatildeo baacutesicos na eletrocircnica digital O inversor loacutegico

ou porta NOT eacute o principal elemento baacutesico no projeto de circuitos digitais [42] O

inversor inverte o sinal de entrada de valor loacutegico baixo ndash 0 ndash em um sinal de saiacuteda de

valor loacutegico alto ndash 1 ndash e vice-versa [442] Em outras palavras a porta NOT efetua a

negaccedilatildeo loacutegica O siacutembolo do inversor juntamente com sua tabela verdade estaacute ilustrado

na Figura 28

Figura 28 ndash Siacutembolo e tabela verdade da porta NOT

221 Dispositivo de tunelamento mono-eleacutetron

O funcionamento dos dispositivos de tunelamento mono-eleacutetron eacute baseado no controle do

movimento e da posiccedilatildeo de um uacutenico ou de um pequeno grupo de eleacutetrons no dispositivo

[17] Os seguintes conceitos satildeo essenciais na definiccedilatildeo desses dispositivos ilha junccedilatildeo-

tuacutenel tunelamento efeito de carregamento e bloqueio de Coulomb A partir desses

conceitos eacute possiacutevel definir o transistor mono-eleacutetron - SET (do inglecircs Single-electron

transistor) [24-8]

A ilha estaacute localizada entre duas paredes finas de um material normalmente isolante as

quais criam uma barreira de potencial de energia que impossibilita a movimentaccedilatildeo de

eleacutetrons pela ilha A Figura 29 mostra dois eletrodos A e B separados por uma barreira

15

isolante e no meio dessa barreira isolante encontra-se a ilha Se a energia dos eleacutetrons for

maior que a energia potencial das paredes das barreiras estes poderatildeo atravessaacute-las [6] No

dispositivo de tunelamento mono-eleacutetron o transporte de eleacutetrons entre o eletrodo A e a

ilha e entre a ilha e o eletrodo B ocorre por tunelamento mono-eleacutetron em que os eleacutetrons

atravessam as barreiras um de cada vez [10]

Figura 29 Dois eletrodos separados por uma ilha [10]

Esses dispositivos satildeo formados por junccedilotildees-tuacutenel que satildeo dois eletrodos metaacutelicos

separados por um isolante muito fino (barreira) o qual permite a passagem de eleacutetrons por

tunelamento [467] A Figura 210 ilustra a junccedilatildeo-tuacutenel e sua representaccedilatildeo simboacutelica Os

paracircmetros que caracterizam a junccedilatildeo-tuacutenel macroscopicamente satildeo a resistecircncia de

tunelamento (Rj) que depende da aacuterea e da espessura da barreira isolante e a capacitacircncia

(Cj) [10]

Figura 210 Esquemaacutetico da junccedilatildeo-tuacutenel [10]

O tunelamento eacute o transporte de partiacuteculas atraveacutes de uma regiatildeo em que a energia total de

uma partiacutecula pontual claacutessica eacute menor que a energia potencial da regiatildeo ou seja eacute o

transporte atraveacutes de uma regiatildeo classicamente proibida [10] O efeito de tunelamento

ocorre quando a barreira de potencial for suficientemente fina permitindo que o eleacutetron a

atravesse se houver niacutevel de energia desocupado do outro lado da barreira com o mesmo

valor de energia Esse fenocircmeno pode ser explicado pelo comportamento dual do eleacutetron

Diferentemente da mecacircnica claacutessica na teoria eletromagneacutetica quando uma partiacutecula

encontra uma barreira de potencial parte da onda eacute refletida e a outra parte eacute transmitida

para o outro lado da barreira [10] A teoria ortodoxa do tunelamento mono-eleacutetron eacute o

modelo mais utilizado para analisar o tunelamento [4-6] Proposto em 1987 por Averin e

Likharev [43] este modelo apresenta os seguintes postulados

16

Modelo de dimensatildeo zero as dimensotildees das ilhas satildeo despreziacuteveis

O evento de tunelamento eacute considerado instantacircneo

A redistribuiccedilatildeo das cargas apoacutes tunelamento tambeacutem eacute considerada instantacircnea

O espectro de energia em condutores e ilhas eacute considerado contiacutenuo ou seja a

quantizaccedilatildeo da energia do eleacutetron eacute ignorada dentro dos condutores

Apesar de a teoria ortodoxa assumir condiccedilotildees hipoteacuteticas ela continua sendo muito

utilizada em estudos do dispositivo mono-eleacutetron [4-6]

O efeito de carregamento ocorre quando os eleacutetrons estatildeo na iminecircncia de entrar em um

material condutor extremamente pequeno isolado eletricamente (ilha) Se houver um

eleacutetron na ilha o potencial eletrostaacutetico da ilha aumenta bastante sendo bem superior ao

ruiacutedo teacutermico em temperatura ambiente O fluxo de eleacutetrons na ilha eacute possiacutevel se o

potencial da ilha for controlado por uma fonte de tensatildeo externa Outros eleacutetrons satildeo

impedidos de entrar na ilha devido agrave repulsatildeo de Coulomb [14-9]

Assim o bloqueio de Coulomb ocorre quando um eleacutetron entra na ilha e impede o

tunelamento de outro eleacutetron nesta ilha No momento em que o eleacutetron entra na ilha a

energia eletrostaacutetica da ilha aumenta em Ce 22 em que CΣ eacute a soma das capacitacircncias

em torno da ilha [14] Dessa forma outro eleacutetron soacute conseguiraacute tunelar para dentro da ilha

se sua energia for maior que a energia eletrostaacutetica da ilha [6] A Figura 211 ilustra os

diagramas de energia no bloqueio de Coulomb e no caso de tunelamento [10]

(a) (b)

Figura 211 Diagramas de energia (a) Bloqueio de Coulomb (b) Tunelamento mono-

eleacutetron [10]

17

O bloqueio de Coulomb eacute superado ao se aplicar uma tensatildeo Vg ao circuito ateacute que esta

tensatildeo alcance um dado valor de limiar que forneceraacute energia suficiente para que ocorra o

tunelamento de um eleacutetron Assim haveraacute o fluxo de eleacutetrons havendo corrente A Figura

212 mostra a regiatildeo do bloqueio de Coulomb ao aplicar uma tensatildeo Vg ao circuito em que

Vc eacute a tensatildeo de limiar chamada de tensatildeo de bloqueio de Coulomb [5-10]

Figura 212 Caracteriacutestica do bloqueio de Coulomb [10]

Nesse contexto duas condiccedilotildees satildeo necessaacuterias para garantir que o transporte de eleacutetrons

seja controlado pelo efeito de carregamento a condiccedilatildeo para a resistecircncia de tunelamento

dada pela equaccedilatildeo (225) [1] em que a natureza corpuscular do eleacutetron predomina sobre a

natureza ondulatoacuteria e a energia eletrostaacutetica (EC) associada a uma dada temperatura (T)

deve ser significativamente maior que as flutuaccedilotildees teacutermicas existentes agravequela

temperatura como descrita na equaccedilatildeo (226) [146-9] Os paracircmetros h eacute a constante de

Planck e eacute a carga do eleacutetron kB eacute a constante de Boltzmann e C eacute capacitacircncia Na

equaccedilatildeo (226) a temperatura deve ser maior que 0K [10]

kRe

hR TT 825

2 (225)

TkC

eTkEc BB

2

2

(226)

A partir dos conceitos apresentados pode-se definir o transistor mono-eleacutetron O SET

ilustrado na Figura 213 [10] eacute composto por duas junccedilotildees-tuacutenel em seacuterie formando uma

ilha entre as junccedilotildees [246-9] Os paracircmetros R1 C1 e R2 C2 correspondem agraves

resistecircncias e capacitacircncias da primeira e da segunda junccedilatildeo-tuacutenel respectivamente A

tensatildeo de porta Vg controla a energia eletrostaacutetica da ilha atraveacutes da capacitacircncia Cg

18

Quando haacute carregamento por tunelamento de uma junccedilatildeo e descarregamento da outra

junccedilatildeo haacute um fluxo controlado de cargas o que gera a corrente I [10]

Figura 213 Transistor mono-eleacutetron [10]

Um efeito que pode ser observado na caracteriacutestica da corrente versus tensatildeo do transistor

mono-eleacutetron eacute chamado de oscilaccedilatildeo de Coulomb [24679] Se a tensatildeo V for mantida

constante com CeV e a tensatildeo Vg for aumentada ateacute atingir gg CeV 2 esse

valor de tensatildeo permitiraacute que um eleacutetron passe pela ilha Como soacute haveraacute corrente fluindo

no circuito em valores muacuteltiplos da tensatildeo gCe 2 soacute ocorreraacute o tunelamento novamente

quando )2(3 gg CeV A caracteriacutestica corrente (I) versus tensatildeo (Vg) do transistor

mono-eleacutetron eacute ilustrada na Figura 214 [10]

Figura 214 Caracteriacutestica corrente (I) versus tensatildeo (Vg) do transistor mono-eleacutetron [10]

222 Estrutura do inversor mono-eleacutetron

Um inversor pode ser construiacutedo colocando-se dois SETs em seacuterie os quais compartilham

da mesma entrada [5689] conforme mostrado na Figura 215 Vin eacute a tensatildeo de entrada

Vout eacute a tensatildeo de saiacuteda Vbias eacute a tensatildeo de polarizaccedilatildeo CC eacute a capacitacircncia de carga Cg1 e

Cg2 satildeo as capacitacircncias de porta do SET 1 e do SET 2 respectivamente

19

Figura 215 Esquemaacutetico do inversor utilizando SETs (modificado de [4])

Alguns modelos do SET desenvolvidos no software SPICE foram propostos na literatura

[4-7] Destes modelos o proposto por G Lientschnig et al [4] descreve a implementaccedilatildeo

completa da teoria ortodoxa e usa apenas os recursos em versotildees disponiacuteveis publicamente

do software SPICE Este modelo diferentemente dos modelos propostos em [5-7] natildeo estaacute

limitado a transistores mono-eleacutetron com junccedilotildees-tuacutenel que tecircm resistecircncias iguais Aleacutem

disso pode ser estendido para incluir um nuacutemero arbitraacuterio de estados de carga que

permite simulaccedilotildees definidas para altas temperaturas e tensotildees de polarizaccedilatildeo [4] O

modelo de G Lientschnig et al estaacute disponiacutevel no siacutetio eletrocircnico [44] Assim este foi o

modelo utilizado neste trabalho

23 CLOCKING DE SISTEMAS DE ALTA VELOCIDADE

Em sistemas digitais siacutencronos o sinal do clock eacute utilizado para definir uma referecircncia de

tempo agrave mudanccedila de dados dentro do sistema [1145] Assim a distribuiccedilatildeo do clock eacute de

suma importacircncia na operaccedilatildeo de circuitos integrados digitais sendo uma grande

preocupaccedilatildeo em circuitos integrados de alta velocidade [46-51] Circuitos em escala

nanomeacutetrica podem ser significativamente limitados devido ao clock skew que ocorre

quando os circuitos natildeo estatildeo equumlidistantes do sinal do clock [11454649-51] Como este

sinal eacute o sinal mais ativo em um chip pode resultar em elevado consumo de potecircncia e

grandes densidades de corrente na rede de interconexotildees do clock [454849]

Dessa forma o sinal do clock deve atingir ao mesmo tempo cada noacute para garantir que a

comutaccedilatildeo seja sincronizada bem como deve ser distribuiacutedo de forma que haja o menor

20

atraso possiacutevel [49] Com esse intuito os seguintes fatores entre outros satildeo fundamentais

no desempenho do clock dispositivos loacutegicos de tecnologia raacutepida (avanccedilada) rede de

distribuiccedilatildeo de clock que minimize o skew e interconexotildees com alto desempenho [11]

Conforme exposto anteriormente os dispositivos nanoeletrocircnicos como os transistores

mono-eleacutetron satildeo potencialmente aplicaacuteveis em circuitos integrados em escala giga (GSI)

e tera (TSI) Estes dispositivos permitem que as funccedilotildees loacutegicas sejam desempenhadas em

um tempo mais raacutepido e com menor atraso Assim satildeo fortes candidatos a serem utilizados

em circuitos integrados com clock

A adequada rede de distribuiccedilatildeo do clock assegura que a comutaccedilatildeo seja sincronizada e

que haja o menor atraso possiacutevel [1145] Aleacutem disso dependendo da arquitetura da rede o

niacutevel de sincronismo do sistema pode aumentar Diferentes tipos de abordagens tecircm sido

desenvolvidos para projetar a rede de distribuiccedilatildeo do clock em sistemas digitais de

circuitos integrados [45] Os buffered trees satildeo muito utilizados na distribuiccedilatildeo

equipotencial do clock Aleacutem dessas estruturas assimeacutetricas arquiteturas simeacutetricas como

o H-tree satildeo usadas para distribuir sinais de clock em alta velocidade podendo inclusive

ser projetadas com buffers [45-51] Algumas formas de rede de distribuiccedilatildeo do clock estatildeo

ilustradas na Figura 216 incluindo a trunk tree mesh e H-tree [45]

Figura 216 Estruturas comuns de redes de distribuiccedilatildeo de clock [45]

21

Atualmente as interconexotildees de cobre satildeo bastante utilizadas para circuitos de alto

desempenho como em redes de clock No entanto os CNTs apresentam caracteriacutesticas que

os tornam melhores para serem utilizados em interconexotildees descritas na subseccedilatildeo 221

[48] Neste trabalho seraacute realizada a comparaccedilatildeo entre interconexotildees de cobre e de CNT

na rede de distribuiccedilatildeo do H-tree clock

231 H-Tree Clock

O clock skew pode ser minimizado distribuindo-se o sinal do clock de forma que as

interconexotildees que levam o sinal aos circuitos loacutegicos tecircm o mesmo comprimento Se antes

de chegarem aos circuitos loacutegicos os sinais do clock forem igualmente atrasados eles

estaratildeo perfeitamente sincronizados [1145] Dessa forma o esquemaacutetico da Figura 217 de

distribuiccedilatildeo do clock minimiza o clock skew repetindo recursivamente uma estrutura em

forma de H [11] A Figura 217 ilustra uma rede H-tree simeacutetrica com trecircs niacuteveis [46]

Figura 217 Esquemaacutetico do H-tree clock simeacutetrico (modificado de [46])

Na estrutura do H-tree o condutor primaacuterio do clock estaacute ligado ao centro do H principal

(1ordm niacutevel) transmitindo o sinal para os quatro cantos deste H Esses quatro cantos satildeo as

entradas para o proacuteximo niacutevel do H-tree o 2ordm niacutevel que possui quatro estruturas em H O

processo de distribuiccedilatildeo continua por vaacuterios niacuteveis de H‟s cada vez menores Os pontos de

destino final do H-tree satildeo usados para conduzir os circuitos locais Assim cada caminho

do clock desde a fonte ateacute o circuito local possui praticamente o mesmo atraso [45]

22

24 MEDIDAS DE DESEMPENHO NA ANAacuteLISE DAS INTERCONEXOtildeES

As interconexotildees em circuitos integrados possuem caracteriacutesticas que modificam o sinal de

entrada O efeito das interconexotildees pode provocar atrasos e distorccedilotildees indesejaacuteveis Nesse

contexto eacute necessaacuterio analisar medidas de desempenho dos sinais sob efeito das

interconexotildees tais como velocidade maacutexima atenuaccedilatildeo tempo de atraso potecircncia

dissipada produto atraso-potecircncia e slew rate [111317202342]

241 Velocidade maacutexima - anaacutelise na frequumlecircncia

A velocidade maacutexima que as interconexotildees podem operar sem distorcer o sinal de entrada

eacute uma medida de desempenho importante [172023] Eacute possiacutevel analisar este paracircmetro

atraveacutes da frequumlecircncia maacutexima de operaccedilatildeo da interconexatildeo que eacute a largura de banda em

que o sinal comeccedila a decair em -3dB em relaccedilatildeo ao sinal de referecircncia [1742] Assim

utiliza-se a anaacutelise do moacutedulo do graacutefico de Bode para obter a frequumlecircncia de operaccedilatildeo em

-3dB [42] A Figura 218 mostra o esboccedilo do moacutedulo do ganho pela frequumlecircncia tiacutepico do

comportamento de interconexotildees

Figura 218 Graacutefico do moacutedulo do ganho pela frequumlecircncia tiacutepico do comportamento de

interconexotildees

23

242 Atenuaccedilatildeo

A transmissatildeo de um sinal pode ser expressa em funccedilatildeo do seu ganho ou da sua atenuaccedilatildeo

No caso em estudo as interconexotildees podem atenuar o sinal Essa atenuaccedilatildeo eacute geralmente

calculada pela expressatildeo (227) em que Vo eacute o sinal de saiacuteda e Vi eacute o sinal de entrada [42]

i

o

V

VA log20 (227)

243 Tempo de atraso

O tempo de atraso td ou atraso na propagaccedilatildeo ocorre devido ao

carregamentodescarregamento da capacitacircncia de carga bem como ao tempo de

chaveamento dos transistores [42]

O tempo de atraso eacute obtido pela diferenccedila entre o tempo medido a 50 da transiccedilatildeo dos

sinais de entrada e de saiacuteda [11] Em circuitos loacutegicos o atraso na propagaccedilatildeo pode ser

calculado pela meacutedia aritmeacutetica do tempo de propagaccedilatildeo do sinal de alto para baixo tPHL e

do tempo de propagaccedilatildeo do baixo para alto tPLH conforme equaccedilatildeo (228) [1142]

2

PLHPHLd

ttt

(228)

244 Potecircncia dissipada

A dissipaccedilatildeo de potecircncia eacute outra medida de desempenho bastante importante em circuitos

integrados em escala GSI e TSI Isso ocorre jaacute que ao aumentar o nuacutemero de portas

loacutegicas em uma determinada aacuterea ocupada eacute necessaacuterio que a dissipaccedilatildeo de potecircncia esteja

dentro de limites aceitaacuteveis [1142]

A dissipaccedilatildeo de potecircncia eacute composta por dois componentes potecircncia estaacutetica e potecircncia

dinacircmica A dissipaccedilatildeo de potecircncia estaacutetica eacute dada por IVP DDE e ocorre mesmo que

natildeo haja chaveamento de porta loacutegica no circuito devido ao efeito da resistecircncia do

circuito [42] A dissipaccedilatildeo de potecircncia dinacircmica eacute devido agrave capacitacircncia de carga do

24

circuito expressa por CVfP DDD 2 em que VDD eacute a tensatildeo de alimentaccedilatildeo f eacute

frequumlecircncia do circuito e C eacute a capacitacircncia de carga do circuito [1142] Assim a soma da

potecircncia dinacircmica e da potecircncia estaacutetica resulta na potecircncia total dissipada no circuito

245 Produto atraso-potecircncia

Em circuitos integrados o ideal eacute que se tenha baixo atraso na propagaccedilatildeo resultando em

uma maior velocidade de funcionamento do circuito bem como baixa dissipaccedilatildeo de

potecircncia No entanto essas duas exigecircncias satildeo conflitantes ao reduzirmos a dissipaccedilatildeo de

potecircncia de uma porta a capacidade da porta em fornecer corrente diminuiraacute isso

implicaraacute em um maior tempo de carga e descarga aumentando o atraso na propagaccedilatildeo

Assim o produto atraso-potecircncia (delay power product ndash DP) eacute uma medida de

desempenho bastante utilizada na anaacutelise de circuitos e eacute dado por dD tPDP Quanto

menor o produto atraso-potecircncia maior a eficiecircncia do circuito loacutegico [42]

246 Slew rate

A taxa maacutexima de variaccedilatildeo da tensatildeo de saiacuteda do inglecircs slew rate (SR) eacute uma

caracteriacutestica importante do sinal de saiacuteda de um circuito loacutegico A limitaccedilatildeo na taxa de

variaccedilatildeo pode provocar uma distorccedilatildeo no funcionamento do circuito O SR pode ser

calculado pela expressatildeo (229) em que Δv eacute a variaccedilatildeo da tensatildeo de saiacuteda do sinal para

uma determinada variaccedilatildeo de tempo Δt [42]

t

vSR

(229)

25 LTSPICE

O software LTSPICE eacute um simulador SPICE de alto desempenho orientado a

esquemaacuteticos e visualizador de formas de onda com modelos para facilitar a simulaccedilatildeo de

circuitos eletrocircnicos Se comparado aos outros simuladores SPICE a simulaccedilatildeo do

LTSPICE eacute bastante raacutepida O software consegue simular dispositivos de acordo com o

padratildeo industrial reproduzindo os seus comportamentos [52]

25

O LTSPICE possui vaacuterias possibilidades de simulaccedilatildeo como anaacutelise transiente anaacutelise AC

e anaacutelise DC bem como permite a simulaccedilatildeo de vaacuterios dispositivos disponiacuteveis na sua

biblioteca Aleacutem disso este software possibilita a elaboraccedilatildeo de novos esquemaacuteticos

atraveacutes de um modelo matemaacutetico ou eletrocircnico proposto O novo componente poderaacute ser

utilizado no circuito conforme seraacute feito neste trabalho utilizando-se o modelo SPICE do

SET proposto por G Lientschnig et al[4]

26

3 METODOLOGIA

31 INTRODUCcedilAtildeO

A miniaturizaccedilatildeo das interconexotildees prejudica o seu desempenho resultando no aumento

significativo do valor da resistividade da capacitacircncia de acoplamento entre vias na

dificuldade de controlar a razatildeo entre a altura e a largura do material entre outros

problemas A fim de analisar o desempenho das interconexotildees eacute necessaacuterio verificar

algumas variaacuteveis importantes como velocidade maacutexima (f-3dB) atenuaccedilatildeo (A) tempo de

atraso (td) potecircncia dissipada (P) produto atraso-potecircncia (DP) e slew rate (SR)

[111317202342]

32 ETAPAS E ESTRATEacuteGIAS ADOTADAS

Com o intuito de analisar o efeito das interconexotildees em circuitos com transistores mono-

eleacutetron foi realizada primeiramente a anaacutelise das interconexotildees de SWCNT de SWCNT

bundle e de cobre isoladamente para diferentes valores de comprimento Apoacutes a avaliaccedilatildeo

desses resultados o efeito das interconexotildees foi analisado no H-tree clock com inversores

mono-eleacutetron nos seus terminais tambeacutem considerando diferentes comprimentos Neste

trabalho a tecnologia de 22 nm prevista para o ano de 2016 [21] foi utilizada na

comparaccedilatildeo entre o desempenho do cobre e do CNT Todas as simulaccedilotildees foram realizadas

utilizando o software LTSPICE

321 Simulaccedilatildeo das interconexotildees

A partir dos modelos das interconexotildees de SWCNT SWCNT bundle e cobre apresentados

na subseccedilatildeo 213 diferentes comprimentos das interconexotildees foram simulados Assim

analisou-se as interconexotildees locais em que l le 1 μm e as intermediaacuterias em que 1 μm lt l

le 500 μm sabendo que l eacute o comprimento da interconexatildeo [29-31333638]

A fim de analisar a frequumlecircncia de corte este foi obtido para comprimentos de

interconexotildees locais (10nm 100nm 200nm 300nm 400nm 500nm 600nm 700nm

27

800nm 900nm 1μm) e interconexotildees intermediaacuterias (10μm 100μm 200μm 300μm

400μm 500μm)

Jaacute que λCNT eacute tipicamente 1 μm foram escolhidos trecircs comprimentos na faixa lCNT le λCNT

(10 nm 100 nm e 1 μm) e trecircs comprimentos na faixa lCNT gt λCNT (10 μm 100 μm 500

μm) para serem analisados detalhadamente Escolheu-se uma mesma frequecircncia abaixo da

frequecircncia de corte dos trecircs materiais considerados para analisar e comparar a atenuaccedilatildeo

(A) e o tempo de atraso na propagaccedilatildeo (td) dos diferentes comprimentos

Em seguida o mesmo procedimento foi feito para comparar somente o SWCNT bundle e o

cobre para uma mesma frequecircncia cujo valor eacute maior que a frequecircncia da anaacutelise anterior

permitindo que estes dois materiais sejam analisados detalhadamente

Essas anaacutelises foram realizadas a partir da simulaccedilatildeo do circuito da Figura 31 [2325] A

tensatildeo de entrada Vin eacute uma onda quadrada de 1V de amplitude e o capacitor de carga tem

o valor de 100 aF

Figura 31 ndash Circuito simulado para cada interconexatildeo

A Figura 32 mostra o fluxograma das etapas descritas nesta subseccedilatildeo 321

28

Figura 32 ndash Fluxograma das etapas seguidas na simulaccedilatildeo das interconexotildees

322 Simulaccedilatildeo do inversor mono-eleacutetron

Para utilizar a porta inversora da Figura 215 nos terminais do H-tree clock foi necessaacuterio

primeiramente simular o SET proposto por [4] Essa simulaccedilatildeo foi feita variando os

paracircmetros do SET como as resistecircncias e capacitacircncias das junccedilotildees as capacitacircncias de

porta a temperatura etc Os paracircmetros foram variados ateacute simular o SET a temperatura

de 300K Em seguida simulou-se a inversora da Figura 215 tambeacutem a temperatura

ambiente Dessa forma foi possiacutevel simular a inversora isoladamente obtendo as

caracteriacutesticas do sinal de saiacuteda

323 Simulaccedilatildeo do H-tree clock mono-eleacutetron

Apoacutes a simulaccedilatildeo do SET foi possiacutevel simular o H-tree clock A rede H-tree de dois niacuteveis

foi simulada com um H no primeiro niacutevel e quatro H‟s no segundo niacutevel [49] Nos pontos

de destino final da rede foram colocadas portas inversoras formadas por SETs permitindo

a anaacutelise de circuitos nanoeletrocircnicos

Modelos de SWCNT

SWCNT bundle e cobre

Obtenccedilatildeo dos paracircmetros dos modelos para

interconexotildees locais e interconexotildees intermediaacuterias

Para cada comprimento

obtenccedilatildeo de f-3dB

1ordm) Escolha de frequumlecircncia abaixo

da f-3dB do SWCNT SWCNT

bundle e cobre

2ordm) Escolha de frequumlecircncia abaixo

da f-3dB do SWCNT bundle e

cobre

Obtenccedilatildeo de A e td de

cada modelo

Obtenccedilatildeo de A e td de

cada modelo

Anaacutelise comparativa entre o

SWCNT SWCNT bundle e

cobre

Anaacutelise comparativa entre o

SWCNT bundle e cobre

Estudo de interconexotildees locais (10nm

100nm 1μm) e intermediaacuterias (10μm

100μm 500μm)

29

A partir da simulaccedilatildeo do H-tree clock obteve-se a frequecircncia em -3dB (f-3dB) da rede com

interconexotildees ideais Assim a rede H-tree foi entatildeo simulada para duas frequecircncias

diferentes do sinal de entrada abaixo da frequecircncia de -3dB 10 GHz e 100 GHz Com

essas simulaccedilotildees obtiveram-se as seguintes caracteriacutesticas do sinal de saiacuteda da inversora

niacutevel loacutegico baixo (NB) niacutevel loacutegico alto (NA) tempo de subida (tr) slew rate de subida

(SR) atenuaccedilatildeo (A) tempo de atraso (td) potecircncia dissipada (P) e produto atraso-potecircncia

(DP) As caracteriacutesticas obtidas servem como referecircncia para analisar o sinal considerando

interconexotildees natildeo-ideais ou seja incluindo os modelos das interconexotildees nas simulaccedilotildees

Em seguida a rede H-tree foi simulada considerando-se os modelos das interconexotildees de

SWCNT bundle e de cobre variando os seus comprimentos Como cada H da rede de

distribuiccedilatildeo deve ser simeacutetrico considerou-se que cada divisatildeo do H tem o mesmo

comprimento para cada niacutevel da rede [11] A Figura 33 mostra o comprimento dos

diferentes trechos da rede Assim o comprimento de cada divisatildeo dos H‟s do segundo

niacutevel eacute a metade do comprimento de cada divisatildeo do H do primeiro niacutevel Jaacute que o objetivo

eacute simular circuitos em escala nanomeacutetrica escolheu-se trecircs variaccedilotildees de comprimento

menores ou iguais a 1μm

l = 100 nm l2 = 50 nm

l = 400 nm l2 = 200 nm

l = 1 μm l2 = 500 nm

Figura 33 ndash Esquemaacutetico do H-tree clock com os comprimentos de cada seguimento

Dessa forma cada um dos trecircs circuitos foi simulado obtendo-se a frequecircncia em -3dB na

entrada das portas inversoras Em seguida as trecircs redes foram simuladas para as mesmas

30

duas frequumlecircncias do sinal de entrada (10 GHz e 100 GHz) de forma a obter as

caracteriacutesticas do sinal de saiacuteda descritas anteriormente considerando agora o efeito das

interconexotildees

Por fim a partir dos dados obtidos foram realizadas comparaccedilotildees entre as caracteriacutesticas

do sinal de saiacuteda de referecircncia (interconexotildees ideais) e o sinal de saiacuteda dos circuitos com as

interconexotildees natildeo-ideais bem como entre o comportamento das interconexotildees de SWCNT

bundle e de cobre nas diferentes frequecircncias

A Figura 34 mostra o fluxograma das etapas descritas nas subseccedilotildees 322 e 323

Figura 34 ndash Fluxograma das etapas seguidas na simulaccedilatildeo do H-tree clock

H-tree clock mono-eleacutetron

Simulaccedilatildeo do H-tree clock com

interconexotildees ideais Obtenccedilatildeo de f-3dB

da inversora

Simulaccedilatildeo do H-tree clock com

interconexotildees natildeo-ideais para os seguintes

comprimentos

l = 100 nm l2 = 50 nm

l = 400 nm l2 = 200 nm

l = 1 μm l2 = 500 nm

Validaccedilatildeo do SET e do

inversor mono-eleacutetron a

300K

Sinal de entrada a

10 GHz

Sinal de entrada a

100 GHz

Obtenccedilatildeo de NB

NA tr SR A td P e

DP do sinal de saiacuteda

da inversora

Obtenccedilatildeo de NB

NA tr SR A td P e

DP do sinal de saiacuteda

da inversora

Sinal de entrada a

10 GHz

Sinal de entrada a

100 GHz

Obtenccedilatildeo de NB

NA tr SR A td P e

DP do sinal de saiacuteda

da inversora

Obtenccedilatildeo de NB

NA tr SR A td P e

DP do sinal de saiacuteda

da inversora

Anaacutelise comparativa

dos dados obtidos

31

4 RESULTADOS E ANAacuteLISES

41 INTRODUCcedilAtildeO

Neste capiacutetulo seratildeo apresentados os procedimentos adotados e os resultados obtidos na

simulaccedilatildeo das interconexotildees SWCNT SWCNT bundle e cobre As etapas descritas na

metodologia foram seguidas obtendo-se os resultados das simulaccedilotildees das interconexotildees e

das simulaccedilotildees do H-tree clock mono-eleacutetron para interconexotildees ideais e natildeo-ideais A

partir dos resultados a anaacutelise do desempenho das interconexotildees seraacute apresentada

42 ANAacuteLISE DAS INTERCONEXOtildeES

Nesta seccedilatildeo a anaacutelise das interconexotildees de SWCNT SWCNT bundle e cobre na

tecnologia de 22 nm para diferentes comprimentos seraacute realizada Para isso analisou-se

as interconexotildees locais em que l le 1 μm e as intermediaacuterias em que 1 μm lt l le 500 μm

sabendo que l eacute o comprimento da interconexatildeo [29-31333638] Como λCNT eacute

tipicamente 1 μm trecircs comprimentos na faixa lCNT le λCNT (10 nm 100 nm e 1 μm) e trecircs

comprimentos na faixa lCNT gt λCNT (10 μm 100 μm 500 μm) de cada material seratildeo

analisados detalhadamente Os paracircmetros obtidos a partir dos modelos de SWCNT

SWCNT bundle e cobre estatildeo respectivamente nas Tabelas 71 72 e 73 do Apecircndice

421 Interconexotildees locais

Primeiramente a partir da simulaccedilatildeo da Figura 31 obteve-se a frequecircncia em -3dB (f-3dB)

das interconexotildees locais (lCNT le λCNT ) isto eacute a sua banda passante de forma a verificar a

velocidade maacutexima que cada interconexatildeo suporta A Figura 41 ilustra o comportamento

da frequecircncia das interconexotildees locais para os diferentes comprimentos Como o SWCNT

isolado possui valores de frequecircncia na faixa de centenas de giga Hertz ou seja menos de

um tera Hertz os valores de suas frequecircncias tambeacutem podem ser visualisados na Tabela

74 do Apecircndice

Verifica-se que agrave medida que o comprimento da interconexatildeo aumenta a frequecircncia

diminui Isso ocorre jaacute que os valores da capacitacircncia e indutacircncia aumentam com o

aumento do comprimento da interconexatildeo Esses paracircmetros satildeo decisivos no sinal de

32

saiacuteda sendo o sinal mais distorcido quanto maior for o valor desses paracircmetros Observa-

se que o SWCNT bundle e o cobre possuem banda passante maiores que o SWCNT

isolado para qualquer comprimento Aleacutem disso o SWCNT bundle soacute possui uma banda

passante comparaacutevel ao do cobre para comprimentos acima de 700 nm

Frequecircncia X Comprimento

0

10

20

30

40

50

60

100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

Comprimento (nm)

f -3d

B (

TH

z)

SWCNT Isolado

SWCNT bundle

Cobre

Figura 41 ndash Frequumlecircncia versus comprimento das interconexotildees locais

As interconexotildees locais de 10 nm 100 nm e 1 μm de comprimento foram analisadas

detalhadamente A Tabela 41 mostra a frequecircncia em -3dB de cada material para os

comprimentos em anaacutelise

Tabela 41 Frequecircncia em -3dB de cada material para lCNT le λCNT

Interconexatildeo Local Comprimento (L) Material f-3dB

SWCNT isolado 253 GHz

10nm SWCNT bundle 66 THz

Cobre 232 THz

SWCNT isolado 300 GHz

lCNT le λCNT 100nm SWCNT bundle 20 THz

Cobre 51 THz

SWCNT isolado 230 GHz

1microm SWCNT bundle 47 THz

Cobre 42 THz

Assim escolheu-se uma mesma frequecircncia abaixo da frequecircncia de corte dos trecircs

materiais considerados para analisar e comparar a atenuaccedilatildeo (A) e o tempo de atraso na

propagaccedilatildeo (td) dos trecircs comprimentos Isso permite verificar o comportamento do sinal na

banda passante A Tabela 42 mostra esse estudo comparativo entre o SWCNT isolado

SWCNT bundle e cobre agrave frequecircncia de 200 GHz

33

Tabela 42 Estudo das interconexotildees com comprimentos na faixa lCNT le λCNT

Freq L Material A (dB) td (ps)

SWCNT isolado -210 046

10nm SWCNT bundle 001 000

Cobre 000 000

SWCNT isolado -155 051

200 GHz 100nm SWCNT bundle 001 000

Cobre 001 000

SWCNT isolado -039 107

1microm SWCNT bundle 006 001

Cobre 000 007

A partir da anaacutelise da Tabela 42 eacute possiacutevel observar agrave frequumlecircncia de 200 GHz a

atenuaccedilatildeo do sinal e o atraso do SWCNT isolado Nessa frequumlecircncia o atraso do SWCNT

isolado eacute significativo em relaccedilatildeo ao periacuteodo do sinal que eacute 5ps jaacute que o menor atraso

(para l = 10nm) eacute aproximadamente 10 do periacuteodo do sinal de entrada No entanto para

esta mesma frequumlecircncia observa-se que a atenuaccedilatildeo e o atraso do SWCNT bundle e do

cobre satildeo insignificantes Isto indica que estes dois materiais possuem melhor

desempenho sendo favoraacuteveis para serem utilizados em interconexotildees locais

Dessa forma para analisar melhor a atenuaccedilatildeo e o tempo de atraso do SWCNT bundle e do

cobre o mesmo procedimento foi feito comparando-se somente estes dois materiais para

uma mesma frequecircncia de 1 THz A Tabela 43 mostra esse estudo comparativo entre o

SWCNT bundle e cobre

Tabela 43 Estudo das interconexotildees SWCNT bundle e cobre com comprimentos na faixa

lCNT le λCNT

Freq L Material A (dB) td (fs)

10nm SWCNT bundle 001 113

Cobre 000 022

1 THz 100nm SWCNT bundle 006 136

Cobre 001 240

1microm SWCNT bundle 145 647

Cobre -013 5623

Analisando a Tabela 43 observa-se que agrave frequumlecircncia de 1 THz a atenuaccedilatildeo do sinal e o

atraso aumentam agrave medida que o comprimento das interconexotildees aumentam A partir do

comprimento de 100nm o tempo de atraso da interconexatildeo de cobre eacute maior que o do

SWCNT bundle cujo maior valor de atraso (para l = 1microm) natildeo chega a 1 do periacuteodo do

34

sinal de entrada (1ps) Isso mostra que apesar de a banda passante do cobre ser maior o

atraso do SWCNT bundle eacute menor Dessa forma para as interconexotildees locais o SWCNT

bundle possui desempenho comparaacutevel ao do cobre [13]

Em relaccedilatildeo agrave atenuaccedilatildeo verifica-se que para alguns comprimentos este tem valor

positivo Isso ocorre principalmente quando haacute um pico no graacutefico da frequumlecircncia antes dele

comeccedilar a decair Esse pico eacute devido ao efeito ressonante provocado pela indutacircncia

quando este possui valor comparaacutevel agrave resistecircncia e agrave capacitacircncia da interconexatildeo [53]

Assim esse efeito ressonante foi observado somente nas interconexotildees locais de SWCNT

bundle e de cobre A Figura 42 ilustra o graacutefico da magnitude pela frequumlecircncia do SWCNT

isolado SWCNT bundle e cobre para o comprimento de 100nm Observa-se o efeito

ressonante nos graacuteficos do SWCNT bundle e do cobre

Figura 42 ndash Graacuteficos da magnitude das interconexotildees de SWCNT isolado (superior)

SWCNT bundle (meio) e cobre (inferior) com comprimento de 100nm

35

422 Interconexotildees intermediaacuterias

Assim como para as interconexotildees locais obteve-se a frequecircncia em -3dB (f-3dB) das

interconexotildees intermediaacuterias (lCNT gt λCNT) de forma a verificar a velocidade maacutexima que

cada interconexatildeo suporta A Figura 43 ilustra o comportamento da frequecircncia das

interconexotildees intermediaacuterias para os diferentes comprimentos Os valores das frequecircncias

de cada interconexatildeo tambeacutem podem ser visualisados na Tabela 75 do Apecircndice

Como nas interconexotildees locais agrave medida que o comprimento da interconexatildeo aumenta a

frequecircncia diminui Aleacutem disso o SWCNT bundle e o cobre possuem desempenho melhor

que o do SWCNT isolado para qualquer comprimento No entanto para interconexotildees

intermediaacuterias o SWCNT bundle possui banda passante maior que a do cobre para

qualquer comprimento

Frequecircncia X Comprimento

00

05

10

15

20

25

30

35

40

45

100 200 300 400 500

Comprimento (μm)

f -3d

B (

GH

z)

SWCNT isolado

SWCNT bundle

Cobre

Figura 43 ndash Frequumlecircncia versus comprimento das interconexotildees intermediaacuterias

As interconexotildees intermediaacuterias de 10 μm 100 μm e 500 μm de comprimento foram entatildeo

analisadas detalhadamente A Tabela 44 mostra a frequecircncia em -3dB de cada materal

para os diferentes comprimentos em anaacutelise

36

Tabela 44 Frequecircncia em -3dB de cada material para lCNT gt λCNT

Interconexatildeo

Intermediaacuteria

Comprimento (L) Material f-3dB

SWCNT isolado 26 GHz

10 microm SWCNT bundle 527 GHz

Cobre 34 GHz

SWCNT isolado 32 MHz

lCNT gt λCNT 100 microm SWCNT bundle 42 GHz

Cobre 345 MHz

SWCNT isolado 13 MHz

500 microm SWCNT bundle 165 MHz

Cobre 14 MHz

Escolheu-se a frequecircncia de 1 MHz que estaacute abaixo da frequecircncia de corte dos trecircs

materiais considerados para analisar e comparar a atenuaccedilatildeo (A) e o tempo de atraso na

propagaccedilatildeo (td) dos trecircs comprimentos A Tabela 45 mostra esse estudo comparativo entre

o SWCNT isolado SWCNT bundle e cobre

Tabela 45 Estudo das interconexotildees com comprimentos na faixa lCNT gt λCNT

Freq L Material A (dB) td (ns)

SWCNT isolado -002 008

10 microm SWCNT bundle 000 000

Cobre 000 000

SWCNT isolado -003 559

1 MHz 100 microm SWCNT bundle -001 005

Cobre -004 056

SWCNT isolado -198 10217

500 microm SWCNT bundle 000 110

Cobre -003 1301

Com base na Tabela 45 observa-se que a atenuaccedilatildeo e o tempo de atraso do SWCNT

isolado aumentam com o aumento do comprimento da interconexatildeo Nessa frequumlecircncia o

atraso na propagaccedilatildeo do SWCNT isolado eacute significativo em relaccedilatildeo ao periacuteodo do sinal de

entrada que eacute 1micros chegando a mais de 10 deste periacuteodo para o comprimento de 500microm

Verifica-se tambeacutem o aumento do tempo de atraso da interconexatildeo de cobre sendo 13

do periacuteodo do sinal de entrada para o comprimento de 500microm

Para analisar melhor a atenuaccedilatildeo e o tempo de atraso do SWCNT bundle e do cobre o

mesmo procedimento foi feito comparando-se somente estes dois materiais para uma

37

mesma frequecircncia de 10 MHz A Tabela 46 mostra esse estudo comparativo entre o

SWCNT bundle e cobre

Tabela 46 Estudo das interconexotildees SWCNT bundle e cobre com comprimentos na faixa

lCNT gt λCNT

Freq L Material A (dB) td (ns)

10 microm SWCNT bundle 000 000

Cobre 000 000

10 MHz 100 microm SWCNT bundle -001 005

Cobre -004 054

500 microm SWCNT bundle -004 107

Cobre -185 1024

Analisando a Tabela 46 observa-se que agrave medida que o comprimento das interconexotildees

aumenta a atenuaccedilatildeo e o atraso do sinal da interconexatildeo de cobre tornam-se significativos

O atraso na propagaccedilatildeo da interconexatildeo de cobre para l = 500microm chega a 10 do periacuteodo

do sinal de entrada (100ns) Jaacute o SWCNT bundle apresenta valores insignificantes de

atenuaccedilatildeo e atraso na propagaccedilatildeo Assim para as interconexotildees intermediaacuterias o SWCNT

bundle possui desempenho superior ao do cobre

43 SIMULACcedilAtildeO DO INVERSOR MONO-ELEacuteTRON

O modelo SPICE do SET proposto por G Lientschnig et al [444] foi simulado no

LTSPICE A partir da equaccedilatildeo (226) foi possiacutevel aumentar a temperatura do SET ateacute

chegar a 300K Assim o esquemaacutetico do SET e os valores de seus paracircmetros para que o

SET opere a 300K estatildeo na Figura 44 No anexo deste trabalho (subseccedilatildeo 81) encontra-

se o coacutedigo SET que foi utilizado [44] Os paracircmetros R1 C1 e R2 C2 correspondem agraves

resistecircncias e capacitacircncias das junccedilotildees-tuacutenel Cg eacute a capacitacircncia de porta (Cg1 no coacutedigo

SET) Vg eacute a tensatildeo de porta e V eacute a tensatildeo de entrada

Figura 44 Esquemaacutetico do SET e os valores de seus paracircmetros

38

A partir destes valores o inversor mono-eleacutetron foi construiacutedo colocando-se dois SETs em

seacuterie os quais compartilham da mesma entrada A Figura 45 ilustra o esquemaacutetico do

inversor mono-eleacutetron juntamente com os valores de seus paracircmetros fixos em que Vin eacute a

tensatildeo de entrada Vout eacute a tensatildeo de saiacuteda Vbias eacute a tensatildeo de polarizaccedilatildeo Cc eacute a

capacitacircncia de carga Cg1 e Cg2 satildeo as capacitacircncias de porta do SET 1 e do SET 2

respectivamente

Figura 45 Esquemaacutetico do inversor mono-eleacutetron e os valores de seus paracircmetros

(modificado de [4])

Assim apoacutes simular o inversor mono-eleacutetron a 300K obteve-se o sinal de saiacuteda mostrado

na Figura 46 Como o inversor estaacute invertendo o sinal de entrada de valor loacutegico baixo em

um sinal de saiacuteda de valor loacutegico alto ele estaacute operando corretamente

Figura 46 Curva do sinal de entrada (em verde) e do sinal de saiacuteda (em preto) do inversor

mono-eleacutetron

39

44 ANAacuteLISE DAS INTERCONEXOtildeES NO H-TREE CLOCK MONO-ELEacuteTRON

Nesta seccedilatildeo a rede H-tree clock de dois niacuteveis foi simulada com portas inversoras mono-

eleacutetron nos pontos de destino final da rede permitindo a anaacutelise de circuitos

nanoeletrocircnicos Simulou-se a rede H-tree considerando interconexotildees ideais para as

frequecircncias de 10 GHz e 100 GHz no sinal de entrada Em seguida para as mesmas duas

frequecircncias considerou-se interconexotildees natildeo-ideais de diferentes comprimentos

analisando a rede com os modelos de interconexatildeo SWCNT bundle e cobre Trecircs redes

com comprimentos de interconexotildees diferentes foram analisadas

l = 100 nm l2 = 50 nm

l = 400 nm l2 = 200 nm

l = 1 μm l2 = 500 nm

441 Anaacutelise da rede com interconexotildees ideais

A partir da simulaccedilatildeo do H-tree clock a frequecircncia em -3dB (f-3dB) da rede com

interconexotildees ideais foi obtida Na saiacuteda de cada porta inversora a banda passante do sinal

eacute 3200 GHz Dessa forma duas frequecircncias abaixo de 3200 GHz foram escolhidas para

analisar o sinal de saiacuteda da inversora em condiccedilotildees ideais As frequecircncias de 10 GHz e

100 GHz seratildeo analisadas obtendo-se as seguintes caracteriacutesticas do sinal de saiacuteda da

inversora niacutevel loacutegico baixo (NB) niacutevel loacutegico alto (NA) tempo de subida (tr) slew rate

de subida (SR) atenuaccedilatildeo (A) e tempo de atraso (td) A Tabela 47 mostra os valores

obtidos para as duas frequecircncias em anaacutelise

Tabela 47 Caracteriacutesticas dos sinais de saiacuteda da rede para interconexotildees ideais

Freq NB(mV) NA(mV) tr (ps) SR(Vns) A(dB) td (ps)

10 GHz 675 4518 356 8636 -264 412

100 GHz 678 4279 317 9088 -269 189

Os caacutelculos da potecircncia estaacutetica ( IVP DDE ) potecircncia dinacircmica ( CVfP DDD 2 ) e

potecircncia total ( DE PPP ) dissipada por cada porta inversora foram realizados bem

como o produto atraso-potecircncia (DP) Assim a Tabela 48 mostra os valores obtidos no

40

caacutelculo destes paracircmetros Como a potecircncia estaacutetica independe da frequecircncia do sinal de

entrada o seu valor eacute o mesmo nos dois casos

Tabela 48 Potecircncia dissipada por cada porta inversora para interconexotildees ideais

Frequecircncia PE (nW) PD (nW) P (nW) DP (10-18

Wmiddots)

10 GHz 4838 125 4963 020

100 GHz 4838 125 6088 012

As Tabelas 47 e 48 serviratildeo de referecircncia para as anaacutelises da rede com interconexotildees natildeo-

ideais analisadas na subseccedilatildeo seguinte As Figuras 47 e 48 ilustram o sinal de saiacuteda das

redes com frequecircncias de 10 GHz e de 100 GHz respectivamente Eacute possiacutevel observar que

na frequecircncia de 100 GHz o sinal de saiacuteda jaacute eacute distorcido em relaccedilatildeo ao sinal de referecircncia

(Figura 46)

Figura 47 Sinal de entrada (em verde) e sinal de saiacuteda (em preto) da rede a 10 GHz

Figura 48 Sinal de entrada (em verde) e sinal de saiacuteda (em preto) da rede a 100 GHz

41

442 Anaacutelise da rede com interconexotildees natildeo-ideais

Apoacutes obter as caracteriacutesticas da rede H-tree clock com interconexotildees ideais a anaacutelise da

rede com interconexotildees natildeo-ideais seraacute feita Primeiramente eacute importante verificar a

frequecircncia em -3dB do sinal depois das interconexotildees ou seja na entrada da porta

inversora Caso essa frequecircncia seja menor que a frequecircncia de 3200 GHz obtida com

interconexotildees ideais entatildeo a interconexatildeo afetaraacute o comportamento da rede A Tabela 49

mostra a frequecircncia em -3dB na entrada da inversora para interconexotildees natildeo-ideais

Tabela 49 Frequecircncia em -3dB na entrada da inversora para interconexotildees natildeo-ideais

Comprimentos (l2 l) Material f-3dB

50nm 100nm SWCNT bundle 122 THz

Cobre 175 THz

200nm 400nm SWCNT bundle 31 THz

Cobre 8606 GHz

500nm 1microm SWCNT bundle 12 THz

Cobre 1268 GHz

Assim verifica-se que a interconexatildeo de cobre da rede 500nm1microm possui frequecircncia em

-3dB abaixo da frequecircncia do circuito com interconexatildeo ideal (3200 GHz) Isso indica que

esta interconexatildeo interfere significativamente no comportamento da rede A Tabela 49

mostra tambeacutem que a banda passante da interconexatildeo de cobre soacute eacute maior que a da

interconexatildeo de SWCNT bundle no primeiro caso na rede de 50nm100nm o que mostra

uma vantagem do SWCNT bundle em relaccedilatildeo ao cobre A partir dessas informaccedilotildees a

rede H-tree clock com interconexotildees natildeo-ideais seraacute analisada detalhadamente

4421 Anaacutelise da rede a 10 GHz

As redes com interconexotildees natildeo-ideais seratildeo analisadas na frequecircncia de 10 GHz para

diferentes comprimentos Primeiramente o niacutevel loacutegico baixo (NB) o niacutevel loacutegico alto

(NA) o tempo de subida (tr) e o slew rate de subida (SR) foram obtidos conforme mostra a

Tabela 410 Com base nessa tabela verifica-se que na frequecircncia de 10 GHz essas

caracteriacutesticas natildeo foram modificadas pelas interconexotildees natildeo-ideais independentemente

do comprimento Os valores dos paracircmetros satildeo iguais aos obtidos na rede com

interconexatildeo ideal conforme Tabela 47 O sinal obtido na saiacuteda de cada inversor eacute igual

ao ilustrado na Figura 47

42

Tabela 410 Niacuteveis loacutegicos tempo de subida e slew rate dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 10 GHz

Freq L (l2l) Material NB(mV) NA(mV) tr(ps) SR(Vns)

10

GHz

50nm

100nm

SWCNT bundle 675 4518 356 8636

Cobre 675 4518 356 8636

200nm

400nm

SWCNT bundle 675 4518 356 8636

Cobre 675 4518 356 8636

500nm

1microm

SWCNT bundle 675 4518 356 8636

Cobre 675 4518 356 8636

A Tabela 411 mostra a atenuaccedilatildeo tempo de atraso potecircncia total dissipada e o produto

atraso-potecircncia obtidos a frequecircncia de 10 GHz para interconexotildees natildeo-ideais Observa-se

que a atenuaccedilatildeo do sinal e a potecircncia total dissipada por cada porta inversora permanecem

os mesmos em relaccedilatildeo agrave interconexatildeo ideal mostrando que a essa frequecircncia as

interconexotildees natildeo-ideais natildeo interferem nestes paracircmetros

Jaacute o atraso na propagaccedilatildeo do sinal no caso do cobre aumenta agrave medida que as

interconexotildees aumentam de comprimento aumentando tambeacutem o produto atraso-potecircncia

Esse atraso chega a 66 do periacuteodo do sinal de entrada para a interconexatildeo 500nm1microm

de cobre No entanto estes paracircmetros natildeo satildeo afetados pelas interconexotildees de SWCNT

bundle indicando que este material se sobressai em relaccedilatildeo ao cobre

Tabela 411 Atenuaccedilatildeo atraso potecircncia e produto atraso-potecircncia dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 10 GHz

Freq L (l2l) Material A (dB) td (ps) P (nW) DP(10-18

Wmiddots)

10

GHz

50nm

100nm

SWCNT bundle -264 412 4963 020

Cobre -264 412 4963 020

200nm

400nm

SWCNT bundle -264 412 4963 020

Cobre -264 438 4963 022

500nm

1microm

SWCNT bundle -264 412 4963 020

Cobre -264 659 4963 033

4422 Anaacutelise da rede a 100 GHz

As redes com interconexotildees natildeo-ideais seratildeo analisadas na frequecircncia de 100 GHz para

diferentes comprimentos O niacutevel loacutegico baixo (NB) o niacutevel loacutegico alto (NA) o tempo de

subida (tr) e o slew rate de subida (SR) foram obtidos conforme mostra a Tabela 412 Jaacute a

43

Tabela 413 mostra a atenuaccedilatildeo tempo de atraso potecircncia total dissipada e o produto

atraso-potecircncia obtidos a frequecircncia de 100 GHz para interconexotildees natildeo-ideais

Tabela 412 Niacuteveis loacutegicos tempo de subida e slew rate dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 100 GHz

Freq L (l2l) Material NB(mV) NA(mV) tr(ps) SR(Vns)

100

GHz

50nm

100nm

SWCNT bundle 678 4272 316 9099

Cobre 675 4277 323 9107

200nm

400nm

SWCNT bundle 678 4299 315 9196

Cobre 677 4089 289 9447

500nm

1microm

SWCNT bundle 678 4418 300 9973

Cobre 635 1766 102 6795

Tabela 413 Atenuaccedilatildeo atraso potecircncia e produto atraso-potecircncia dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 100 GHz

Freq L (l2l) Material A (dB) td (ps) P (nW) DP(10-18

Wmiddots)

100

GHz

50nm

100nm

SWCNT bundle -2703 189 6088 012

Cobre -2685 191 6088 012

200nm

400nm

SWCNT bundle -2693 188 6088 012

Cobre -2698 228 6088 014

500nm

1microm

SWCNT bundle -2673 174 6088 011

Cobre -2893 388 6088 024

A partir das Tabelas 412 e 413 o SWCNT bundle seraacute analisado Observa-se que os seus

niacuteveis loacutegicos altos aumentam com o aumento do comprimento das interconexotildees

aumentando tambeacutem o slew rate de subida Esse comportamento ocorre provavelmente

devido ao efeito ressonante provocado pela indutacircncia que provoca um pico no graacutefico da

frequumlecircncia antes dele comeccedilar a decair conforme explicado na subseccedilatildeo 421 Isso implica

na diminuiccedilatildeo da atenuaccedilatildeo do sinal e do atraso No entanto o produto atraso-potecircncia

permanece praticamente invariaacutevel jaacute que a potecircncia total dissipada natildeo se altera

Em relaccedilatildeo agraves interconexotildees de cobre verifica-se que as distorccedilotildees satildeo significativas Agrave

medida que o comprimento aumenta a atenuaccedilatildeo do sinal de saiacuteda aumenta Isso provoca

diminuiccedilatildeo no slew rate do sinal o que natildeo eacute desejado jaacute que o sinal demora mais para

atingir o niacutevel loacutegico alto Aleacutem disso o atraso na propagaccedilatildeo do sinal aumenta bastante

chegando a 388 do periacuteodo do sinal de entrada para a interconexatildeo 500nm1microm

Consequentemente o produto atraso-potecircncia tambeacutem aumenta sendo o dobro do valor de

44

referecircncia (interconexotildees ideais) A Figura 49 ilustra o sinal de saiacuteda da interconexatildeo

500nm1microm de cobre

Figura 49 Sinal de entrada (em verde) e sinal de saiacuteda (em preto) da rede a 100 GHz para

a interconexatildeo 500nm1microm de cobre

Comparando-se as potecircncias das tabelas 47 48 411 413 verifica-se que natildeo haacute

alteraccedilatildeo na potecircncia total dissipada pelo circuito com interconexotildees ideais e pelos

circuitos com interconexotildees natildeo-ideais para uma mesma frequecircncia Assim eacute importante

destacar que a dissipaccedilatildeo de potecircncia das interconexotildees de SWCNT bundle e de cobre natildeo

interfere na potecircncia total dissipada pelo circuito

443 Consideraccedilotildees Finais

Apoacutes analisar as interconexotildees locais de SWCNT de SWCNT bundle e de cobre

verificou-se que as interconexotildees de SWCNT bundle possuem desempenho comparaacutevel ao

das interconexotildees de cobre Em relaccedilatildeo agraves interconexotildees intermediaacuterias as de SWCNT

bundle apresentam desempenho superior agraves de cobre Jaacute as interconexotildees de SWCNT

isolado tanto para interconexotildees locais como para interconexotildees intermediaacuterias

apresentam desempenho inferior agraves interconexotildees de SWCNT bundle e de cobre natildeo

sendo propiacutecias a serem utilizadas em interconexotildees de circuitos integrados

Na anaacutelise das interconexotildees natildeo-ideais na rede H-tree clock mono-eleacutetron para a

frequecircncia de 10GHz observou-se que o niacutevel loacutegico baixo o niacutevel loacutegico alto o tempo de

subida o slew rate de subida a atenuaccedilatildeo do sinal e a potecircncia total dissipada por cada

porta inversora permanecem os mesmos em relaccedilatildeo agrave interconexatildeo ideal mostrando que

45

para esta frequecircncia as interconexotildees natildeo-ideais natildeo interferem nestes paracircmetros Jaacute o

atraso na propagaccedilatildeo do sinal no caso do cobre aumenta agrave medida que as interconexotildees

aumentam de comprimento aumentando tambeacutem o produto atraso-potecircncia No entanto

estes paracircmetros natildeo satildeo afetados pelas interconexotildees de SWCNT bundle indicando que

este material se sobressai em relaccedilatildeo ao cobre

Jaacute para a rede H-tree clock mono-eleacutetron a 100GHz observou-se que o circuito com

interconexotildees natildeo-ideais afetou bastante os paracircmetros em anaacutelise se comparados aos

obtidos para interconexotildees ideais Verificou-se que as distorccedilotildees provocadas pelas

interconexotildees de cobre foram significativas indicando que as interconexotildees de SWCNT

bundle possuem melhor desempenho que as de cobre

Assim constata-se que as interconexotildees de SWCNT bundle satildeo fortes candidatas a

substituirem as interconexotildees de cobre em circuitos em escala giga (GSI) e tera (TSI)

46

5 CONCLUSOtildeES

Nesta dissertaccedilatildeo o estudo das interconexotildees de SWCNT de SWCNT bundle e de cobre

foi realizado analisando e comparando os seus desempenhos para diferentes

comprimentos A partir desse estudo verificou-se que as interconexotildees de SWCNT bundle

possui desempenho comparaacutevel ao das interconexotildees de cobre no caso de interconexotildees

locais Em relaccedilatildeo agraves interconexotildees intermediaacuterias as de SWCNT bundle apresentam

desempenho superior agraves de cobre

As interconexotildees de SWCNT bundle e as interconexotildees de cobre foram entatildeo simuladas na

rede H-tree clock de dois niacuteveis para diferentes comprimentos e frequecircncias Nos pontos

de destino final da rede foram colocadas portas inversoras formadas por SETs permitindo

a anaacutelise de circuitos nanoeletrocircnicos

A partir da anaacutelise da rede H-tree clock observou-se que as interconexotildees de SWCNT

bundle possuem desempenho melhor que as de cobre principalmente em relaccedilatildeo ao slew

rate agrave atenuaccedilatildeo ao tempo de atraso e ao produto atraso-potecircncia Aleacutem disso a

dissipaccedilatildeo de potecircncia das interconexotildees natildeo-ideais natildeo interferem na potecircncia total

dissipada pelo circuito Assim as interconexotildees de SWCNT bundle satildeo fortes candidatas a

substituirem as interconexotildees de cobre em circuitos em escala giga (GSI) e tera (TSI)

Como perspectivas futuras eacute importante analisar o efeito das interconexotildees de nanotubo de

carbono em circuitos GSI e TSI com outras arquiteturas A anaacutelise das interconexotildees de

CNT tambeacutem deve ser feita em circuitos com tecnologia MOS permitindo a comparaccedilatildeo

entre diferentes tecnologias Aleacutem disso eacute interessante estudar outros tipos de materiais

que possam ser utilizados como interconexotildees em circuitos integrados

47

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Integration (VLSI) Systems vol 15 no 2 pp 135-148

[52] Linear Technology httpwwwlinearcomdesigntoolssoftwareLTspice (acessado

em agosto de 2012)

[53] J Rosenfeld E G Friedman (2009) ldquoQuasi-Resonant Interconnects A Low Power

Low Latency Design Methodologyrdquo In IEEE Transactions on Very Large Scale

Integration (VLSI) Systems vol 17 no 2 pp 181-193

53

7 APEcircNDICES

71 TABELAS COMPLEMENTARES

Tabela 71 Paracircmetros obtidos a partir do modelo de SWCNT isolado

L RQ (Ω) RS (Ω) LCNT (10-9

H) CCNT (10-18

F)

10 nm 645103 - 40010

-2 27910

-1

100 nm 645103 - 40010

-1 279

200 nm 645103 - 80010

-1 558

300 nm 645103 - 120 837

400 nm 645103 - 160 11210

1

500 nm 645103 - 200 14010

1

600 nm 645103 - 240 16710

1

700 nm 645103 - 280 19510

1

800 nm 645103 - 320 22310

1

900 nm 645103 - 360 25110

1

1 microm 645103 - 400 27910

1

10 microm 645103 64510

4 40010

1 27910

2

100 microm 645103 64510

5 40010

2 27910

3

200 microm 645103 12910

6 80010

2 55810

3

300 microm 645103 19410

6 12010

3 83710

3

400 microm

645103 25810

6 16010

3 11210

4

500 microm

645103 32310

6 20010

3 14010

4

Tabela 72 Paracircmetros obtidos a partir do modelo de SWCNT bundle

L RQ (Ω) RS (Ω) LBundle(10-9

H) CBundle(10-18

F)

10 nm 1075 - 66710-5

135

100 nm 1075 - 66710-4

135101

200 nm 1075 - 13310-3

270101

300 nm 1075 - 20010-3

405101

400 nm 1075 - 26710-3

540101

500 nm 1075 - 33310-3

675101

600 nm 1075 - 40010-3

810101

700 nm 1075 - 46710-3

945101

800 nm 1075 - 53310-3

108102

900 nm 1075 - 60010-3

122102

1 microm 1075 - 66710-3

135102

10 microm 1075 108102 66710

-2 13510

3

100 microm 1075 108103 66710

-1 13510

4

200 microm 1075 215103 133 27010

4

300 microm 1075 323103 200 40510

4

400 microm

1075 430103 267 54010

4

500 microm

1075 538103 333 67510

4

54

Tabela 73 Paracircmetros obtidos a partir do modelo de cobre

L RCu (Ω) LCu (10-9

H) CCu (10-18

F)

10 nm 06 37310-6

150

100 nm 60 63610-5

150101

200 nm 120 17510-4

300101

300 nm 180 30910-4

450101

400 nm 240 45410-4

600101

500 nm 300 61110-4

750101

600 nm 360 77510-4

900101

700 nm 420 94610-4

105102

800 nm 480 11210-3

120102

900 nm 540 13110-3

135102

1 microm 600 14910-3

150102

10 microm 60102 24010

-2 15010

3

100 microm 60103 33210

-1 15010

4

200 microm 12104 72010

-1 30010

4

300 microm 18104 113 45010

4

400 microm

24104 155 60010

4

500 microm

30104 198 75010

4

55

Tabela 74 Frequecircncia em -3dB das interconexotildees locais

Comprimento Material f-3dB

10 nm SWCNT isolado 253 GHz

SWCNT bundle 66 THz

Cobre 232 THz

100 nm SWCNT isolado 300 GHz

SWCNT bundle 20 THz

Cobre 51 THz

200 nm SWCNT isolado 342 GHz

SWCNT bundle 14 THz

Cobre 29 THz

300 nm SWCNT isolado 344 GHz

SWCNT bundle 11 THz

Cobre 20 THz

400 nm SWCNT isolado 329 GHz

SWCNT bundle 89 THz

Cobre 15 THz

500 nm SWCNT isolado 307 GHz

SWCNT bundle 76 THz

Cobre 12 THz

600 nm SWCNT isolado 288 GHz

SWCNT bundle 67 THz

Cobre 94 THz

700 nm SWCNT isolado 271 GHz

SWCNT bundle 61 THz

Cobre 76 THz

800 nm SWCNT isolado 255 GHz

SWCNT bundle 55 THz

Cobre 63 THz

900 nm SWCNT isolado 240 GHz

SWCNT bundle 51 THz

Cobre 52 THz

1 microm SWCNT isolado 230 GHz

SWCNT bundle 47 THz

Cobre 42 THz

56

Tabela 75 Frequecircncia em -3dB das interconexotildees intermediaacuterias

Comprimento Material f-3dB

10 microm SWCNT isolado 26 GHz

SWCNT bundle 527 GHz

Cobre 34 GHz

100 microm SWCNT isolado 32 MHz

SWCNT bundle 42 GHz

Cobre 345 MHz

200 microm SWCNT isolado 82 MHz

SWCNT bundle 10 GHz

Cobre 87 MHz

300 microm SWCNT isolado 36 MHz

SWCNT bundle 455 MHz

Cobre 38 MHz

400 microm SWCNT isolado 21 MHz

SWCNT bundle 256 MHz

Cobre 21 MHz

500 microm SWCNT isolado 13 MHz

SWCNT bundle 165 MHz

Cobre 14 MHz

57

8 ANEXOS

81 COacuteDIGO SPICE DO SET [44]

Transistor mono-eleacutetron (SET) conexotildees fonte | dreno | | porta1 | | | porta2 | | | | SUBCKT SET 1 2 3 4 PARAMS +C1=1E-20 Capacitacircncia da junccedilatildeo 1 +C2=1E-20 Capacitacircncia da junccedilatildeo 2 +R1=1E5 Resistecircncia da junccedilatildeo 1 +R2=1E5 Resistecircncia da junccedilatildeo 2 +Cg1=015E-18 Capacitacircncia da junccedilatildeo 1 +Cg2=0 Capacitacircncia da junccedilatildeo 2 +C0=0 Capacitacircncia proacutepria da ilha +Q0=005 Carga offset em unidades de e +TEMP=300 Temperatura PARAM E=160217733E-19 Carga do eleacutetron (e) PARAM CSUM=C1+C2+Cg1+Cg2+C0 Capacitacircncia total do SET PARAM T=TEMPCSUM53785467E14 Temperatura normalizada 53785467E14 = kBe^2 PARAM RN1=R1(R1+R2) Resistecircncia da junccedilatildeo 1 normalizada PARAM RN2=R2(R1+R2) Resistecircncia da junccedilatildeo 2 normalizada FUNC Q(v1v2v3v4) (Cg1v3+Cg2v4+C1v1+C2v2)E+Q0 Definiccedilatildeo da carga em unidades de e FUNC VN(v) CSUMvE Tensatildeo normalizada FUNC GAMMA(u) IF(T==0IF(ult0-u0)IF(u==0Tu(EXP(uT)-1))) FUNC N_OPT(v1v2v3v4) ROUND(-Q(v1v2v3v4)+(CSUME) (v1RN2+v2RN1)) A maior probabilidade de carga na ilha em unidades de e Os quarto eventos tuacuteneis FUNC R1L(nv1v2v3v4) GAMMA(05 - n - Q(v1v2v3v4) + VN(v1))RN1 FUNC R1R(nv1v2v3v4) GAMMA(05 + n + Q(v1v2v3v4) - VN(v1))RN1 FUNC R2L(nv1v2v3v4) GAMMA(05 + n + Q(v1v2v3v4) - VN(v2))RN2 FUNC R2R(nv1v2v3v4) GAMMA(05 - n - Q(v1v2v3v4) + VN(v2))RN2

58

determinaccedilatildeo das probabilidades relativas assume-se inicialmente que o estado da carga N_OPT tem probabilidade relativa igual a um FUNC PN_1(nv1v2v3v4) (R1L(nv1v2v3v4)+R2R(nv1v2v3v4))(R1R(n-1v1v2v3v4)+R2L(n-1v1v2v3v4)) FUNC PN_2(nv1v2v3v4) PN_1(nv1v2v3v4) +(R1L(n-1v1v2v3v4)+R2R(n-1v1v2v3v4))(R1R(n-2v1v2v3v4)+R2L(n-2v1v2v3v4)) FUNC PN_3(nv1v2v3v4) PN_2(nv1v2v3v4) +(R1L(n-2v1v2v3v4)+R2R(n-2v1v2v3v4))(R1R(n-3v1v2v3v4)+R2L(n-3v1v2v3v4)) FUNC PN_4(nv1v2v3v4) PN_3(nv1v2v3v4) +(R1L(n-3v1v2v3v4)+R2R(n-3v1v2v3v4))(R1R(n-4v1v2v3v4)+R2L(n-4v1v2v3v4)) FUNC PN_5(nv1v2v3v4) PN_4(nv1v2v3v4) +(R1L(n-4v1v2v3v4)+R2R(n-4v1v2v3v4))(R1R(n-5v1v2v3v4)+R2L(n-5v1v2v3v4)) FUNC PN1(nv1v2v3v4) (R2L(nv1v2v3v4) +R1R(nv1v2v3v4))(R2R(n+1v1v2v3v4)+R1L(n+1v1v2v3v4)) FUNC PN2(nv1v2v3v4) PN1(nv1v2v3v4) +(R2L(n+1v1v2v3v4)+R1R(n+1v1v2v3v4))(R2R(n+2v1v2v3v4)+R1L(n+2v1v2v3v4)) FUNC PN3(nv1v2v3v4) PN2(nv1v2v3v4) +(R2L(n+2v1v2v3v4)+R1R(n+2v1v2v3v4))(R2R(n+3v1v2v3v4)+R1L(n+3v1v2v3v4)) FUNC PN4(nv1v2v3v4) PN3(nv1v2v3v4) +(R2L(n+3v1v2v3v4)+R1R(n+3v1v2v3v4))(R2R(n+4v1v2v3v4)+R1L(n+4v1v2v3v4)) FUNC PN5(nv1v2v3v4) PN4(nv1v2v3v4) +(R2L(n+4v1v2v3v4)+R1R(n+4v1v2v3v4))(R2R(n+5v1v2v3v4)+R1L(n+5v1v2v3v4)) FUNC PSUM(nv1v2v3v4) PN_5(nv1v2v3v4)+PN_4(nv1v2v3v4)+PN_3(nv1v2v3v4)+PN_2(nv1v2v3v4) ++PN_1(nv1v2v3v4)+1+PN1(nv1v2v3v4)+PN2(nv1v2v3v4)+PN3(nv1v2v3v4) ++PN4(nv1v2v3v4)+PN5(nv1v2v3v4)

59

caacutelculo da corrente da fonte para o dreno FUNC CUR(nv1v2v3v4) PN_5(nv1v2v3v4)(R1R(n-5v1v2v3v4)-R1L(n-5v1v2v3v4)) ++PN_4(nv1v2v3v4)(R1R(n-4v1v2v3v4)-R1L(n-4v1v2v3v4)) ++PN_3(nv1v2v3v4)(R1R(n-3v1v2v3v4)-R1L(n-3v1v2v3v4)) ++PN_2(nv1v2v3v4)(R1R(n-2v1v2v3v4)-R1L(n-2v1v2v3v4)) ++PN_1(nv1v2v3v4)(R1R(n-1v1v2v3v4)-R1L(n-1v1v2v3v4)) ++(R1R(nv1v2v3v4)-R1L(nv1v2v3v4)) ++PN1(nv1v2v3v4)(R1R(n+1v1v2v3v4)-R1L(n+1v1v2v3v4)) ++PN2(nv1v2v3v4)(R1R(n+2v1v2v3v4)-R1L(n+2v1v2v3v4)) ++PN3(nv1v2v3v4)(R1R(n+3v1v2v3v4)-R1L(n+3v1v2v3v4)) ++PN4(nv1v2v3v4)(R1R(n+4v1v2v3v4)-R1L(n+4v1v2v3v4)) ++PN5(nv1v2v3v4)(R1R(n+5v1v2v3v4)-R1L(n+5v1v2v3v4)) FUNC CURRENT(nv1v2v3v4) ECUR(nv1v2v3v4)(CSUMPSUM(nv1v2v3v4)(R1+R2)) caacutelculo da tensatildeo da ilha FUNC VOLT(nv1v2v3v4) PN_5(nv1v2v3v4)(n-5+Q(v1v2v3v4)) ++PN_4(nv1v2v3v4)(n-4+Q(v1v2v3v4)) ++PN_3(nv1v2v3v4)(n-3+Q(v1v2v3v4)) ++PN_2(nv1v2v3v4)(n-2+Q(v1v2v3v4)) ++PN_1(nv1v2v3v4)(n-1+Q(v1v2v3v4)) ++n+Q(v1v2v3v4) ++PN1(nv1v2v3v4)(n+1+Q(v1v2v3v4)) ++PN2(nv1v2v3v4)(n+2+Q(v1v2v3v4)) ++PN3(nv1v2v3v4)(n+3+Q(v1v2v3v4)) ++PN4(nv1v2v3v4)(n+4+Q(v1v2v3v4)) ++PN5(nv1v2v3v4)(n+5+Q(v1v2v3v4)) FUNC VOLTAGE(nv1v2v3v4) (ECSUM)VOLT(nv1v2v3v4)PSUM(nv1v2v3v4) E1 5 0 VALUE= VOLTAGE(N_OPT(V(1)V(2)V(3)V(4))V(1)V(2)V(3)V(4)) Tensatildeo da ilha G1 1 2 VALUE= CURRENT(N_OPT(V(1)V(2)V(3)V(4))V(1)V(2)V(3)V(4)) Corrente da fonte para o dreno CT1 1 5 C1 CT2 2 5 C2 CGATE1 3 5 CG1 CGATE2 4 5 CG2 ENDS SET

Page 2: ANÁLISE COMPARATIVA ENTRE ... - repositorio.unb.brrepositorio.unb.br/.../1/2012_CamilaPeixotoSilvaMadeiraNogueira.pdf · Prof. Stefan Michael Blawid, ... Deus colocou esses dois

ii

UNIVERSIDADE DE BRASIacuteLIA

FACULDADE DE TECNOLOGIA

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELEacuteTRICA

ANAacuteLISE COMPARATIVA ENTRE INTERCONEXOtildeES DE

NANOTUBO DE CARBONO E INTERCONEXOtildeES DE COBRE PARA

CIRCUITOS GSITSI

CAMILA PEIXOTO DA SILVA MADEIRA NOGUEIRA

DISSERTACcedilAtildeO DE MESTRADO ACADEcircMICO SUBMETIDA AO

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELEacuteTRICA DA FACULDADE

DE TECNOLOGIA DA UNIVERSIDADE DE BRASIacuteLIA COMO

PARTE DOS REQUISIacuteTOS NECESSAacuteRIOS PARA A OBTENCcedilAtildeO DO

GRAU DE MESTRE

APROVADA POR

_________________________________________________

Profa Janaina Gonccedilalves Guimaratildees Drordf PGEAUnB

(Orientadora)

_________________________________________________

Prof Sandro Augusto Pavlik Haddad Dr FGAUnB

(Examinador Interno)

_________________________________________________

Prof Stefan Michael Blawid Dr ENEUnB

(Examinador Externo)

BRASIacuteLIADF 27 DE SETEMBRO DE 2012

iii

FICHA CATALOGRAacuteFICA

NOGUEIRA CAMILA PEIXOTO DA SILVA MADEIRA

Anaacutelise Comparativa entre Interconexotildees de Nanotubo de Carbono e Interconexotildees de Cobre

para Circuitos GSITSI [Distrito Federal] 2012

xiii 72p 210 x 297 mm (ENEFTUnB Mestre Engenharia de Sistemas Eletrocircnicos e de

Automaccedilatildeo 2012)

Dissertaccedilatildeo de Mestrado ndash Universidade de Brasiacutelia Faculdade de Tecnologia

Departamento de Engenharia Eleacutetrica

1Nanoeletocircnica 2Interconexatildeo

3Nanotubo de carbono 4Transistor mono-eleacutetron

I ENEFTUnB II Tiacutetulo (seacuterie)

REFEREcircNCIA BIBLIOGRAacuteFICA

NOGUEIRA C P S M (2012) Anaacutelise Comparativa entre Interconexotildees de Nanotubo

de Carbono e Interconexotildees de Cobre para Circuitos GSITSI Dissertaccedilatildeo de Mestrado em

Engenharia de Sistemas Eletrocircnicos e de Automaccedilatildeo Publicaccedilatildeo PPGEADM-4882012

Departamento de Engenharia Eleacutetrica Universidade de Brasiacutelia Brasiacutelia DF 72p

CESSAtildeO DE DIREITOS

AUTORA Camila Peixoto da Silva Madeira Nogueira

TIacuteTULO Anaacutelise Comparativa entre Interconexotildees de Nanotubo de Carbono e

Interconexotildees de Cobre para Circuitos GSITSI

GRAU Mestre ANO 2012

Eacute concedida agrave Universidade de Brasiacutelia permissatildeo para reproduzir coacutepias desta dissertaccedilatildeo

de mestrado e para emprestar ou vender tais coacutepias somente para propoacutesitos acadecircmicos e

cientiacuteficos A autora reserva outros direitos de publicaccedilatildeo e nenhuma parte dessa

dissertaccedilatildeo de mestrado pode ser reproduzida sem autorizaccedilatildeo por escrito do autor

____________________________

Camila Peixoto da Silva Madeira Nogueira

SQS 216 bloco J apto 305 Asa Sul

70295-100 Brasiacutelia ndash DF ndash Brasil

iv

DEDICATOacuteRIA

A Deus

v

AGRADECIMENTOS

Agradeccedilo a todas as pessoas que fizeram parte de alguma forma de mais essa etapa da

minha vida Agrave minha famiacutelia e aos meus amigos muito obrigada

Gostaria de destacar duas pessoas em especial que me ajudaram bastante neste processo

Janaina e Bianca Deus colocou esses dois anjos perto de mim em um periacuteodo crucial da

minha vida Sem elas esta etapa teria sido muito mais difiacutecil Agradeccedilo agrave Janaina por todo

auxiacutelio que me deu nesta dissertaccedilatildeo e pelas palavras de carinho quando eu mais precisei

Agradeccedilo agrave Bi por ser essa amiga querida e sincera sempre me apoiando em tudo

Obrigada por tudo

Sem duacutevida a providecircncia divina me apontando o caminho foi o que me fez chegar ateacute

aqui Obrigada meu Senhor meu Deus por mais essa conquista

vi

RESUMO

ANAacuteLISE COMPARATIVA ENTRE INTERCONEXOtildeES DE

NANOTUBO DE CARBONO E INTERCONEXOtildeES DE COBRE PARA

CIRCUITOS GSITSI

Autora Camila Peixoto da Silva Madeira Nogueira

Orientadora Janaina Gonccedilalves Guimaratildees

Programa de Poacutes-Graduaccedilatildeo em Engenharia de Sistemas Eletrocircnicos e de Automaccedilatildeo

Brasiacutelia setembro de 2012

Nesta dissertaccedilatildeo seraacute realizado o estudo de nanotubos de carbono como possiacuteveis

substitutos do cobre em interconexotildees em circuitos integrados GSI e TSI Dessa forma os

modelos de circuitos do SWCNT (single-walled carbon nanotube) e do cobre seratildeo

apresentados e o estudo comparativo do desempenho destes materiais seraacute realizado

considerando diferentes comprimentos das interconexotildees Aleacutem disso o efeito destas

interconexotildees seraacute analisado na rede H-tree clock com inversores em seus terminais

tambeacutem para diferentes comprimentos Os inversores utilizados satildeo formados por

dispositivos de tunelamento mono-eleacutetron Com este propoacutesito as interconexotildees seratildeo

simuladas usando o software LTSPICE

vii

ABSTRACT

COMPARATIVE ANALYSIS BETWEEN CARBON NANOTUBE

INTERCONNECTS AND COPPER INTERCONNECTS FOR GSITSI

CIRCUITS

Author Camila Peixoto da Silva Madeira Nogueira

Supervisor Janaina Gonccedilalves Guimaratildees

Programa de Poacutes-Graduaccedilatildeo em Engenharia de Sistemas Eletrocircnicos e de Automaccedilatildeo

Brasiacutelia September 2012

In this work carbon nanotubes as possible candidates to replace copper as interconnects in

GSI and TSI integrated circuits are studied The circuit model of SWCNT (single-walled

carbon nanotube) and of copper are presented and a comparison between both materials is

studied considering different interconnect lengths In addition interconnects effect is

analyzed in the H-tree clock network using inverters in its ends The inverters are formed

by mono-electron tunneling devices For this purpose the interconnects will be simulated

using LTSPICE software

viii

SUMAacuteRIO

1 INTRODUCcedilAtildeO 1

11 OBJETIVOS 2

12 ORGANIZACcedilAtildeO 2

2 FUNDAMENTACcedilAtildeO TEOacuteRICA 3

21 INTERCONEXOtildeES 14

211 Limitaccedilotildees do cobre em relaccedilatildeo ao CNT 3

212 Caracteriacutesticas do CNT 3

213 Modelos de Interconexatildeo 6

2131 Modelo de interconexatildeo de SWCNT isolado 6

2132 Modelo de interconexatildeo de SWCNT bundle 8

2133 Modelo de interconexatildeo de cobre 11

22 INVERSOR MONO-ELEacuteTRON 14

221 Dispositivo de tunelamento mono-eleacutetron 14

222 Estrutura do inversor mono-eleacutetron 18

23 CLOCKING DE SISTEMAS DE ALTA VELOCIDADE 19

231 H-tree clock 21

24 MEDIDAS DE DESEMPENHO NA ANAacuteLISE DAS INTERCONEXOtildeES 22

241 Velocidade maacutexima - anaacutelise na frequecircncia 22

242 Atenuaccedilatildeo 23

243 Tempo de atraso 23

244 Potecircncia dissipada 23

245 Produto atraso-potecircncia 24

246 Slew rate 24

25 LTSPICE 24

3 METODOLOGIA 26

31 INTRODUCcedilAtildeO 26

32 ETAPAS E ESTRATEacuteGIAS ADOTADAS 26

321 Simulaccedilatildeo das interconexotildees 26

322 Simulaccedilatildeo do inversor mono-eleacutetron 28

323 Simulaccedilatildeo do H-tree clock mono-eleacutetron 28

ix

4 RESULTADOS E ANAacuteLISES 31

41 INTRODUCcedilAtildeO 31

42 ANAacuteLISE DAS INTERCONEXOtildeES 31

421 Interconexotildees Locais 31

422 Interconexotildees Intermediaacuterias 35

43 SIMULACcedilAtildeO DO INVERSOR MONO-ELEacuteTRON 37

44 ANAacuteLISE DAS INTERCONEXOtildeES NO H-TREE CLOCK MONO-ELEacuteTRON 39

441 Anaacutelise da rede com interconexotildees ideais 39

442 Anaacutelise da rede com interconexotildees natildeo-ideais 41

4421 Anaacutelise da rede a 10 GHz 41

4422 Anaacutelise da rede a 100 GHz 42

443 Consideraccedilotildees Finais 44

5 CONCLUSOtildeES 46

6 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS 47

7 APEcircNDICES 53

71 TABELAS COMPLEMENTARES 53

8 ANEXOS 57

81 COacuteDIGO SPICE DO SET [44] 57

x

LISTA DE FIGURAS

Figura 21 Estrutura de uma lacircmina de grafeno (esquerda) do SWCNT (meio) e do

MWCNT (direita) [13] 4

Figura 22 Estrutura do SWCNT bundle [16] 4

Figura 23 Estrutura do (i) armchair (ii) zig-zag e (iii) quiral [24] 5

Figura 24 Modelo de interconexatildeo do SWCNT isolado (modificado de [33]) 8

Figura 25 Separaccedilatildeo miacutenima entre CNTs devido agrave forccedila de Van der Waals (modificado de

[13]) 9

Figura 26 Nuacutemero de CNTs ao longo da largura (nW) e da altura (nH) do CNT bundle

[13] 10

Figura 27 Modelo de interconexatildeo de cobre 13

Figura 28 Siacutembolo e tabela verdade da porta NOT 14

Figura 29 Dois eletrodos separados por uma ilha [10] 15

Figura 210 Esquemaacutetico da junccedilatildeo-tuacutenel [10] 15

Figura 211 Diagramas de energia (a) Bloqueio de Coulomb (b) Tunelamento mono-

eleacutetron [10] 16

Figura 212 Caracteriacutestica do bloqueio de Coulomb [10] 17

Figura 213 Transistor mono-eleacutetron [10] 18

Figura 214 Caracteriacutestica corrente(I) versus tensatildeo (Vg) do transistor mono-eleacutetron [10] 18

Figura 215 Esquemaacutetico do inversor utilizando SETs (modificado de [4]) 19

Figura 216 Estruturas comuns de redes de distribuiccedilatildeo de clock [45] 20

Figura 217 Esquemaacutetico do H-tree clock simeacutetrico (modificado de [46]) 21

Figura 218 Graacutefico do moacutedulo do ganho pela frequumlecircncia tiacutepico do comportamento de

interconexotildees 22

Figura 31 Circuito simulado para cada interconexatildeo 27

Figura 32 Fluxograma das etapas seguidas na simulaccedilatildeo das interconexotildees 28

Figura 33 Esquemaacutetico do H-tree clock com os comprimentos de cada seguimento 29

Figura 34 Fluxograma das etapas seguidas na simulaccedilatildeo do H-tree clock 30

Figura 41 Frequecircncia versus comprimento das interconexotildees locais 32

Figura 42 Graacuteficos da magnitude das interconexotildees de SWCNT isolado (superior)

SWCNT bundle (meio) e cobre (inferior) com comprimento de 100nm 34

Figura 43 Frequecircncia versus comprimento das interconexotildees intermediaacuterias 35

xi

Figura 44 Esquemaacutetico do SET e os valores de seus paracircmetros 37

Figura 45 Esquemaacutetico do inversor mono-eleacutetron e os valores de seus paracircmetros

(modificado de [4]) 38

Figura 46 Curva do sinal de entrada (em verde) e do sinal de saiacuteda (em preto) do inversor

mono-eleacutetron 38

Figura 47 Sinal de entrada (em verde) e sinal de saiacuteda (em preto) da rede a 10 GHz 40

Figura 48 Sinal de entrada (em verde) e sinal de saiacuteda (em preto) da rede a 100 GHz 40

Figura 49 Sinal de entrada (em verde) e sinal de saiacuteda (em preto) da rede a 100 GHz para

a interconexatildeo 500nm1microm de cobre 44

xii

LISTA DE TABELAS

Tabela 41 Frequecircncia em -3dB de cada material para lCNT le λCNT 32

Tabela 42 Estudo das interconexotildees com comprimentos na faixa lCNT le λCNT 33

Tabela 43 Estudo das interconexotildees SWCNT bundle e cobre com comprimentos na faixa

lCNT le λCNT 33

Tabela 44 Frequecircncia em -3dB de cada material para lCNT gt λCNT 36

Tabela 45 Estudo das interconexotildees com comprimentos na faixa lCNT gt λCNT 36

Tabela 46 Estudo das interconexotildees SWCNT bundle e cobre com comprimentos na faixa

lCNT gt λCNT 37

Tabela 47 Caracteriacutesticas dos sinais de saiacuteda da rede para interconexotildees ideais 39

Tabela 48 Potecircncia dissipada por cada porta inversora para interconexotildees ideais 40

Tabela 49 Frequecircncia em -3dB na entrada da inversora para interconexotildees natildeo-ideais 41

Tabela 410 Niacuteveis loacutegicos tempo de subida e slew rate dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 10 GHz 42

Tabela 411 Atenuaccedilatildeo atraso potecircncia e produto atraso-potecircncia dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 10 GHz 42

Tabela 412 Niacuteveis loacutegicos tempo de subida e slew rate dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 100 GHz 43

Tabela 413 Atenuaccedilatildeo atraso potecircncia e produto atraso-potecircncia dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 100 GHz 43

Tabela 71 Paracircmetros obtidos a partir do modelo de SWCNT isolado 53

Tabela 72 Paracircmetros obtidos a partir do modelo de SWCNT bundle 53

Tabela 73 Paracircmetros obtidos a partir do modelo de cobre 54

Tabela 74 Frequecircncia em -3dB das interconexotildees locais 55

Tabela 75 Frequecircncia em -3dB das interconexotildees intermediaacuterias 56

xiii

LISTA DE SIacuteMBOLOS NOMENCLATURA ABREVIACcedilOtildeES

CNT ndash Carbon nanotube

CVD ndash Chemical Vapor Deposition

GSI ndash Giga Scale Integration

ITRS ndash International Technology Roadmap for Semiconductors

LTSPICE ndash Linear Technology SPICE simulator

MWCNT ndash Multi-walled carbon nanotube

SET ndash Singe-electron transistor

SPICE ndash Simulated Program with Integrated Circuits Emphasis

SWCNT ndash Single-walled carbon nanotube

TSI ndash Tera Scale Integration

1

1 INTRODUCcedilAtildeO

O crescimento da microeletrocircnica e a consequumlente miniaturizaccedilatildeo dos circuitos integrados

foram previstos por Gordon Moore que enunciou que o nuacutemero de transistores em um

circuito integrado dobraria a cada 18 meses considerando a mesma aacuterea e custo previsatildeo

conhecida como Lei de Moore Devido aos problemas enfrentados pelos dispositivos

microeletrocircnicos gerados especialmente pelos efeitos quacircnticos que anteriormente eram

desprezados novas tecnologias como a nanoeletrocircnica vecircm sendo estudadas para dar

continuidade a esse processo de miniaturizaccedilatildeo dos dispositivos [1-10]

Aleacutem disso a miniaturizaccedilatildeo de circuitos integrados tem resultado em grandes desafios no

projeto de interconexotildees que satildeo responsaacuteveis principalmente pelo carregamento da

tensatildeo de alimentaccedilatildeo de cada transistor e pela distribuiccedilatildeo dos sinais de dados As

limitaccedilotildees das interconexotildees as quais podem provocar uma desaceleraccedilatildeo nos progressos

alcanccedilados ateacute hoje pela induacutestria de semicondutores satildeo fatores preocupantes Como

limitaccedilotildees das interconexotildees eacute importante citar o aumento da sua resistividade aumento da

capacitacircncia de acoplamento entre vias dificuldades no controle das suas dimensotildees entre

outras

Assim o estudo aprofundado das interconexotildees levando em consideraccedilatildeo principalmente

seu desempenho eacute de fundamental importacircncia [11-13] Novas tecnologias estatildeo sendo

estudadas para superar as limitaccedilotildees das interconexotildees de cobre no circuito como a

resistividade eleacutetrica e a resistecircncia agrave eletromigraccedilatildeo principalmente em tecnologias

abaixo de 45nm As interconexotildees oacuteticas as interconexotildees de radio frequumlecircncia ou sem fio

e as interconexotildees de nanotubo de carbono (CNT) satildeo algumas candidatas a substituir as

interconexotildees de cobre as quais satildeo as interconexotildees mais utilizadas atualmente [13-17]

Dentre essas possibilidades os CNTs possuem grandes vantagens para interconexotildees em

circuitos integrados em escala GSI (Giga Scale Integration) e TSI (Tera Scale Integration)

[18-20] Eles satildeo considerados soluccedilotildees eficientes para melhorar as limitaccedilotildees do cobre

previstas pelo ITRS (International Technology Roadmap for Semiconductors) [21] como

atraso dissipaccedilatildeo de potecircncia e resistecircncia agrave eletromigraccedilatildeo

2

11 OBJETIVOS

O objetivo desta dissertaccedilatildeo eacute fazer um estudo comparativo entre o desempenho das

interconexotildees de nanotubo de carbono e das interconexotildees de cobre Com esse intuito

preliminarmente o desempenho das interconexotildees de SWCNT (do inglecircs single-walled

carbon nanotube) de SWCNT bundle (vaacuterios SWCNTs dispostos em paralelo como uma

corda) e de cobre seraacute comparado considerando diferentes comprimentos das

interconexotildees

Por fim o efeito das interconexotildees de SWCNT bundle e de cobre seraacute analisado na rede H-

tree clock com inversores mono-eleacutetron em seus terminais tambeacutem para diferentes

comprimentos Assim seraacute possiacutevel analisar se os nanotubos de carbono poderatildeo substituir

o cobre em interconexotildees em circuitos integrados GSI e TSI

12 ORGANIZACcedilAtildeO

No capiacutetulo 2 satildeo apresentados os conceitos fundamentais necessaacuterios agrave correta

compreensatildeo desta pesquisa Seratildeo abordados conceitos referentes agraves interconexotildees de

CNT e cobre aos dispositivos de tunelamento mono-eleacutetron e agrave estrutura do H-tree clock

O capiacutetulo 3 descreve a metodologia utilizada agrave realizaccedilatildeo do objeto de pesquisa desta

dissertaccedilatildeo Assim seratildeo apresentadas as etapas que foram seguidas para analisar o efeito

das interconexotildees em circuitos com transistores mono-eleacutetron

No capiacutetulo 4 os resultados e anaacutelises das simulaccedilotildees das interconexotildees ideais e natildeo-

ideais considerando o SWCNT SWCNT bundle e o cobre satildeo apresentados As

interconexotildees satildeo analisadas tambeacutem nos circuitos H-tree clock

O capiacutetulo 5 apresenta as conclusotildees e as recomendaccedilotildees para trabalhos futuros

3

2 FUNDAMENTACcedilAtildeO TEOacuteRICA

21 INTERCONEXOtildeES

211 Limitaccedilotildees do cobre em relaccedilatildeo ao CNT

As interconexotildees de cobre sofrem inuacutemeros problemas indesejados que aumentam agrave

medida que as interconexotildees diminuem de tamanho Essa diminuiccedilatildeo de tamanho resulta

em interconexotildees menos eficientes no maior consumo de potecircncia e no aumento da

densidade de corrente transportada por cada interconexatildeo [22] De acordo com o ITRS

[21] a densidade de corrente pode atingir valores na ordem de 107 Acm

2 Este valor soacute eacute

suportado por CNTs uma vez que satildeo capazes de suportar densidades de corrente na

ordem de 1010

Acm2 [1317]

Os CNTs tecircm provocado grande interesse nos cientistas desde a sua descoberta em 1991

por Iijima devido agraves excelentes propriedades eleacutetricas teacutermicas e mecacircnicas que possuem

Suas propriedades eleacutetricas permitem que suportem densidades de ateacute 1010

Acm2 sendo

que o cobre suporta densidades inferiores a 107 Acm

2 [1317] O caminho meacutedio livre do

CNT eacute superior ao do cobre o que possibilita um transporte baliacutestico por uma ampla gama

de extensatildeo e isso resulta em uma resistividade menor do CNT [13-17] Aleacutem disso a alta

condutividade teacutermica do CNT que eacute outra limitaccedilatildeo do cobre eacute de fundamental

importacircncia na aplicaccedilatildeo em interconexotildees Essas propriedades possibilitam uma

toleracircncia do CNT agrave eletromigraccedilatildeo a qual eacute uma grande limitaccedilatildeo no desempenho das

interconexotildees de cobre [131719]

212 Caracteriacutesticas do CNT

Os nanotubos de carbono podem ser formados por uma lacircmina de grafeno enrolada

conhecida como SWCNT (single-walled carbon nanotube) ou por vaacuterios tubos

concecircntricos formando uma multicamada conhecida por MWCNT (multi-walled carbon

nanotube) [2324] A Figura 21 ilustra a estrutura de uma lacircmina de grafeno do SWCNT e

do MWCNT

4

Figura 21 ndash Estrutura de uma lacircmina de grafeno (esquerda) do SWCNT (meio) e do

MWCNT (direita) [13]

Eacute importante destacar que os MWCNTs satildeo menos favoraacuteveis para o uso em

interconexotildees jaacute que eles apresentam caminho meacutedio livre menor que os SWCNTs

[1317] Como a resistecircncia de um uacutenico SWCNT pode ter valores altos eacute necessaacuteria a

uniatildeo de vaacuterios dispostos em paralelo como uma corda chamado de bundle para diminuir

o valor da resistecircncia equivalente da interconexatildeo [1315] A Figura 22 ilustra a estrutura

do SWCNT bundle [16]

Figura 22 ndash Estrutura do SWCNT bundle [16]

Dependendo de como a lacircmina eacute enrolada que resulta no acircngulo quiral e nos iacutendices

quirais de sua estrutura o nanotubo pode ser metaacutelico ou semicondutor [131419] Os

iacutendices quirais satildeo identificados por (mn) O nanotubo seraacute metaacutelico quando a diferenccedila

entre os iacutendices quirais for um muacuteltiplo inteiro de 3 e seraacute semicondutor nos outros casos

[13] A estrutura eacute chamada de zig-zag quando m ou n eacute igual a zero podendo ser metaacutelica

ou semicondutora Quando m=n a estrutura eacute denominada armchair sendo sempre

metaacutelica Nos outros casos a estrutura eacute conhecida como quiral e pode ser metaacutelica ou

semicondutora [24] A Figura 23 mostra as estruturas do armchair zig-zag e quiral [24]

5

Figura 23 ndash Estrutura do (i) armchair (ii) zig-zag e (iii) quiral [24]

De acordo com [22] o crescimento dos CNTs geralmente eacute realizado atraveacutes de um dos

seguintes meacutetodos descarga por arco eleacutetrico ablaccedilatildeo a laser e deposiccedilatildeo quiacutemica a vapor

do inglecircs chemical vapor deposition ndash CVD O processo de descarga por arco eleacutetrico tem

sido desenvolvido para preparar MWCNTs e SWCNTs de alta qualidade Neste processo

aacutetomos de carbono satildeo evaporados com um gaacutes de plasma inerte caracterizado por altas

correntes eleacutetricas que passam entre os eletrodos opostos de carbono (caacutetodo e acircnodo)

Normalmente o acircnodo do carbono conteacutem uma pequena porcentagem de catalisador de

metal como o cobalto niacutequel ou ferro Jaacute o meacutetodo de ablaccedilatildeo a laser utiliza um pulso

duplo de lasers para evaporar varetas de grafite dopadas com uma mistura de cobalto e

niacutequel em poacute colocado em um tubo aquecido a temperatura elevada seguido de um

tratamento teacutermico a vaacutecuo

Apesar dos meacutetodos de descarga por arco eleacutetrico e ablaccedilatildeo a laser produzir grandes

quantidades de CNTs de alta qualidade e oferecer uma ampla disponibilidade de CNTs

para estudos e possiacuteveis aplicaccedilotildees existem vaacuterias preocupaccedilotildees associadas com estes dois

meacutetodos de crescimento [22] Dessa forma os meacutetodos de CVD satildeo bastante usados no

crescimento de CNTs com aplicaccedilatildeo em eletrocircnica incluindo interconexotildees [1322] O

processo de crescimento CVD envolve o aquecimento do catalisador a uma temperatura

elevada e a introduccedilatildeo de gaacutes de hidrocarboneto ou de monoacutexido de carbono para dentro

6

do reator O mecanismo de crescimento do CNT tem sido considerado como um processo

de dissociaccedilatildeo-difusatildeo-precipitaccedilatildeo em que o carbono eacute formado sobre a superfiacutecie de

uma partiacutecula de metal seguida de difusatildeo e precipitaccedilatildeo sob a forma de grafeno ciliacutendrico

[22]

213 Modelos de Interconexatildeo

Para realizar uma comparaccedilatildeo por simulaccedilatildeo entre o desempenho do CNT e do cobre

modelos equivalentes de circuito de interconexotildees que reproduzam com fidelidade o seu

comportamento fiacutesico satildeo necessaacuterios Com esse intuito eacute fundamental que os fatores que

interferem no desempenho das interconexotildees como resistecircncia indutacircncia capacitacircncia e

comprimento sejam considerados A partir do estudo desses modelos eacute possiacutevel verificar

se as interconexotildees de CNT poderatildeo substituir as de cobre e os casos em que isso eacute

possiacutevel

2131 Modelo de interconexatildeo do SWCNT isolado

A resistecircncia de um SWCNT isolado eacute composta por ateacute trecircs partes resistecircncia de contato

entre o metal e o nanotubo (Rc) resistecircncia quacircntica (Rq) e resistecircncia de espalhamento

(Rs) [192325] As resistecircncias de contato e quacircntica satildeo independentes do comprimento

do nanotubo Jaacute a resistecircncia de espalhamento depende do comprimento do nanotubo [26-

31]

Quando o comprimento do SWCNT eacute menor ou igual ao caminho meacutedio livre (lCNT le

λCNT) que eacute tipicamente 1 microm o transporte de eleacutetrons eacute essencialmente baliacutestico e a

resistecircncia independe do comprimento do nanotubo [1332] No entanto quando o

comprimento do SWCNT eacute maior que o caminho meacutedio livre (lCNT gt λCNT) haacute uma

resistecircncia adicional que depende do comprimento do SWCNT e eacute chamada de resistecircncia

de espalhamento [13-15] Assim a resistecircncia total eacute dada pela equaccedilatildeo (21) em que lCNT

eacute o comprimento do nanotubo de carbono

CNTCNT

CNTCNT

CNTlseRsRqRc

lseRqRcR

(21)

7

A resistecircncia de contato pode chegar ao valor de 100 kΩ [131533] Contudo essa

resistecircncia em nanotubos de carbono com diacircmetro maior que 1nm estaacute na ordem de

poucos kilo ohms ou ateacute mesmo centenas de ohms [1316] Neste trabalho considerou-se o

contato metal-nanotubo como sendo perfeito ou seja Rc = 0

A resistecircncia quacircntica e a de espalhamento satildeo descritas pelas equaccedilotildees (22) e (23)

respectivamente onde e eacute a carga do eleacutetron e h eacute a constante de Plank A resistecircncia

quacircntica (Rq) eacute igualmente dividida em cada lado dos contatos metal-nanotubo [13-

173435]

ke

hRq 456

4 2 (22)

CNT

CNTl

e

hRs

24 (23)

O movimento de eleacutetrons transportados por um condutor eacute modelado pela indutacircncia que

consiste na indutacircncia magneacutetica e cineacutetica [1316] No SWCNT a indutacircncia magneacutetica eacute

calculada considerando que o CNT eacute um fio muito fino com diacircmetro d e estaacute

posicionado a uma distacircncia y do plano ligado ao terra A indutacircncia cineacutetica eacute calculada

pela equaccedilatildeo da energia cineacutetica armazenada em cada canal condutor do CNT para uma

indutacircncia efetiva [141535] Assim a indutacircncia magneacutetica (LM) e a cineacutetica (LK) podem

ser calculadas pelas equaccedilotildees (24) e (25) respectivamente

d

yLM ln

2

(24)

F

Kve

hL

22 (25)

Para d = 1nm e y = 1microm LM = 14pHmicrom [141529] Como vF eacute a velocidade de Fermi

cujo valor eacute dado por 8x105 ms para o CNT o valor da indutacircncia cineacutetica eacute LK =

16nHmicrom [13-1635] Sabendo que cada CNT tem quatro canais condutores em paralelo

que natildeo interagem entre si a indutacircncia cineacutetica efetiva eacute dada por LK4 [13-15] Uma boa

aproximaccedilatildeo da indutacircncia total do CNT (LCNT) eacute 4 nHmicrom [15]

8

Por fim a capacitacircncia de um SWCNT isolado eacute constituiacuteda por duas partes que satildeo a

capacitacircncia eletrostaacutetica (CE) e a quacircntica (CQ) [13-1735] Essas capacitacircncias satildeo

calculadas pelas equaccedilotildees (26) e (27)

d

yCE

ln

2 (26)

F

Qhv

eC

22 (27)

A capacitacircncia eletrostaacutetica eacute influenciada pelo ambiente que a envolve que satildeo os seus

vizinhos e o plano ligado ao terra Considerando que o CNT eacute um fio com diacircmetro d =

1nm e a distacircncia y = 1microm obteacutem-se CE = 30 aFmicrom Jaacute a capacitacircncia quacircntica se refere agrave

influecircncia da energia quacircntica armazenada no nanotubo quando este carrega corrente O

valor da capacitacircncia eacute CQ = 100 aFmicrom [1314] Considerando os quatro canais condutores

descritos anteriormente a capacitacircncia total eacute dada por (28)

QE

QE

CNTCC

CCC

4

4

(28)

Assim o esquemaacutetico da interconexatildeo de um SWCNT isolado eacute mostrado na Figura 24

abaixo

Figura 24 ndash Modelo de interconexatildeo do SWCNT isolado (modificado de [33])

2132 Modelo de interconexatildeo do SWCNT bundle

O SWCNT bundle possui resistecircncia equivalente menor que o SWCNT isolado

caracteriacutestica necessaacuteria para alcanccedilar performances comparaacuteveis agraves interconexotildees de

9

cobre [13-2023252629-38] O SWCNT bundle eacute composto por vaacuterios SWCNTs

empacotados em paralelo Assume-se que todos os SWCNTs satildeo idecircnticos metaacutelicos e que

cada um tem o mesmo potencial [1737] Sabendo que d eacute o diacircmetro do nanotubo de

carbono e x eacute a distacircncia entre os centros de dois nanotubos adjacentes o SWCNT bundle

pode ser empacotado de forma densa se x = d ou de forma esparsa se x gt d [13-1529-

32] Sabe-se que entre os nanotubos existe uma separaccedilatildeo δmin devido agrave forccedila de Van der

Waals que eacute de pelo menos 032 nm entre cada nanotubo [13] como mostra a Figura 25

Figura 25 ndash Separaccedilatildeo miacutenima entre CNTs devido agrave forccedila de Van der Waals (modificado

de [13])

O nuacutemero de nanotubos de carbono nCNT disponiacutevel pode ser calculado pelas expressotildees

dadas em (29) e (210) [141530]

iacutemparnsen

nn

parnsen

nn

n

HH

HW

HH

HW

CNT

2

1

2

(29)

1

23

x

dtn

x

dwn HW (210)

Nas expressotildees acima w eacute a largura e t eacute a altura da interconexatildeo de SWCNT bundle

Assim nW eacute o nuacutemero de CNTs ao longo da largura do SWCNT bundle e nH eacute o nuacutemero de

CNTs ao longo da altura do SWCNT bundle [13-1530] A Figura 26 mostra esses valores

[13]

10

Figura 26 ndash Nuacutemero de CNTs ao longo da largura (nW) e da altura (nH) do CNT

bundle[13]

Na tecnologia de 22 nm considerando as dimensotildees de 22 nm de largura e 44 nm de altura

do SWCNT bundle [13173437] e a separaccedilatildeo entre cada nanotubo devido agrave forccedila de Van

der Waals a quantidade de SWCNTs eacute aproximadamente 600 Neste trabalho estas

consideraccedilotildees foram feitas e a tecnologia de 22 nm foi utilizada Esta tecnologia eacute prevista

pelo ITRS para o ano de 2016 [21]

As resistecircncias de cada SWCNT estatildeo em paralelo entre elas assim como as indutacircncias

Assim a resistecircncia e a indutacircncia do SWCNT bundle com nCNT SWCNTs satildeo calculados

respectivamente pelas expressotildees (211) e (212) [1323252629-3234]

CNT

CNTbundle

n

RR (211)

CNT

CNTbundle

n

LL (212)

Considerando que todos os SWCNTs estatildeo no mesmo potencial que os contatos entre

todos os nanotubos de carbono em um bundle satildeo idecircnticos e que cada SWCNT tem o

mesmo caminho meacutedio livre [13] eacute possiacutevel assumir que a interaccedilatildeo entre CNTs

adjacentes de um SWCNT bundle eacute fraca e que eles carregam correntes independentes

umas das outras [13-17]

A capacitacircncia do SWCNT bundle eacute obtida a partir da combinaccedilatildeo da capacitacircncia

quacircntica de todos os SWCNTs em paralelo chamada de capacitacircncia quacircntica bundle

(CQbundle

) que estaacute em seacuterie com a capacitacircncia eletrostaacutetica (CEbundle

) [13143539] A

capacitacircncia quacircntica e a capacitacircncia eletrostaacutetica satildeo calculadas pelas equaccedilotildees (213) e

(214) em que CEn e CEf satildeo as capacitacircncias de placas paralelas de CNTs isolados em

11

relaccedilatildeo aos vizinhos proacuteximos e afastados respectivamente [14293032] Assim a

capacitacircncia total do SWCNT bundle eacute obtida pela equaccedilatildeo (215)

CNT

CNT

Q

bundle

Q nCC (213)

En

HEf

WEn

bundle

E Cn

Cn

CC5

23

2

22

(214)

bundle

Q

bundle

E

bundle

Q

bundle

E

bundleCC

CCC

(215)

Analisando a equaccedilatildeo (215) o efeito da CQbundle

eacute pequeno para grandes valores de nCNT

sendo o valor da capacitacircncia do SWCNT bundle aproximadamente igual agrave sua

capacitacircncia eletrostaacutetica [13161719] Srivastava et al [13] mostra que os nanotubos no

interior do SWCNT bundle satildeo blindados eletrostaticamente dos condutores de terra

podendo ser desprezados Os CNTs de borda satildeo os principais contribuidores para a

capacitacircncia eletrostaacutetica do SWCNT bundle No entanto a equaccedilatildeo (214) natildeo reproduz

fielmente a realidade jaacute que considera a capacitacircncia eletrostaacutetica de todos os nanotubos e

natildeo soacute os CNTs de borda Segundo o mesmo autor para a tecnologia de 22 nm e uma

constante dieleacutetrica igual a 2 a capacitacircncia total do SWCNT bundle eacute aproximadamente

135 aFμm

2133 Modelo de interconexatildeo do cobre

As propriedades fiacutesicas de interconexotildees de cobre podem ser descritas por resistecircncia

capacitacircncia e indutacircncia [14-16] A resistecircncia do cobre pode ser calculada utilizando a

equaccedilatildeo (216)

tw

lRCu

(216)

em que l eacute o comprimento do cobre w eacute a sua largura t eacute a sua altura e ρ eacute a sua

resistividade A resistividade do cobre em escala nanomeacutetrica eacute moldada pela combinaccedilatildeo

dos fenocircmenos de espalhamento superficial e de espalhamento de contorno

[151627283340] Estes fenocircmenos correspondem aos paracircmetros ρFS e ρMS propostos

12

por Fuchs e Sondheimer (ρFS) e por Mayadas e Shatzkes (ρMS) [1516] Estes paracircmetros

satildeo calculados pelas expressotildees (217) (218) e (219)

)1(

4

31 p

w

o

o

FS

(217)

11ln33

2

31 22

MS

o (218)

)1( R

R

D

o

(219)

O paracircmetro ρo eacute a resistividade do material λo eacute o caminho meacutedio livre p eacute o paracircmetro

de espalhamento de Fuchs D eacute o tamanho meacutedio e R eacute o coeficiente de reflexatildeo no

contorno com valores entre 0 e 1 Assim tem-se que a resistecircncia do cobre em escala

nanomeacutetrica eacute dada pela equaccedilatildeo (220) [1516]

tw

lR MSFS

Cu

(220)

De acordo com [1433] o valor da resistividade do cobre na tecnologia de 22nm para

interconexotildees locais eacute dado por 4666 μΩ-cm No entanto este valor da resistividade do

cobre chega a 58 μΩ-cm para valores miacutenimos da largura do fio [1516203940] Neste

trabalho seraacute utilizado o valor de 58 μΩ-cm para a resistividade do cobre na tecnologia de

22 nm que vai ao encontro dos requerimentos do ITRS [21]

A indutacircncia proacutepria (L) e a muacutetua (M) da interconexatildeo de cobre em escala nanomeacutetrica

satildeo obtidas usando respectivamente as expressotildees (221) e (222)

l

tw

tw

llL o )(220

2

12ln

2

(221)

l

s

s

llM o 1

2ln

2

(222)

em que t eacute a altura do fio microo eacute a permeabilidade e s eacute o espaccedilamento entre os fios [14-16]

A indutacircncia total do cobre (LCu) eacute dada pela soma das indutacircncias proacutepria e muacutetua

13

A capacitacircncia da interconexatildeo de cobre eacute calculada pela soma da capacitacircncia de

acoplamento entre dois fios adjacentes (CC) e a capacitacircncia ligada ao plano do terra (Cg)

[14-16] Essas capacitacircncias podem ser obtidas pelas equaccedilotildees (223) e (224) [1541]

120760193

534511171

70222

ht

t

hs

s

hs

s

h

wCg (223)

181160141090

980871161

591740

062141

sh

h

sw

w

sw

w

sh

h

s

tCC (224)

em que s eacute o espaccedilamento entre dois fios adjacentes h eacute a distacircncia do fio em relaccedilatildeo ao

plano do terra e ε eacute a permissividade relativa para uma dada constante dieleacutetrica

Considerando as equaccedilotildees (223) e (224) e de acordo com [1321] para uma constante

dieleacutetrica igual a 2 o valor da capacitacircncia total do cobre (CCu) eacute aproximadamente 150

aFμm que seraacute utilizado neste trabalho

Os modelos em L em π e em T satildeo usados como modelos de interconexatildeo de cobre [11]

Como o modelo π eacute muito utilizado para uma linha distribuiacuteda [1416] este modelo seraacute

usado neste trabalho A Figura 27 mostra o modelo de interconexatildeo de cobre [11]

Figura 27 ndash Modelo de interconexatildeo de cobre

A precisatildeo do modelo eacute determinada pelo nuacutemero de seguimentos bdquoN‟ que ele possui Uma

cadeia com mais de trecircs segmentos em π fornece um erro menor que 3 [16] Neste

trabalho seratildeo utilizados trecircs segmentos em π

14

22 INVERSOR MONO-ELEacuteTRON

Os dispositivos de tunelamento mono-eleacutetron satildeo dispositivos nanoeletrocircnicos

potencialmente aplicaacuteveis em circuitos integrados em escala giga (GSI) e tera (TSI)

Apesar de apresentarem baixo ganho e alta impedacircncia de saiacuteda estes dispositivos

possuem tamanho reduzido e baixa dissipaccedilatildeo de potecircncia Estas caracteriacutesticas os tornam

atrativos em circuitos loacutegicos e circuitos de memoacuteria [1-10] Assim portas loacutegicas podem

ser implementadas utilizando dispositivos de tunelamento mono-eleacutetron [14-9]

As portas loacutegicas satildeo blocos de construccedilatildeo baacutesicos na eletrocircnica digital O inversor loacutegico

ou porta NOT eacute o principal elemento baacutesico no projeto de circuitos digitais [42] O

inversor inverte o sinal de entrada de valor loacutegico baixo ndash 0 ndash em um sinal de saiacuteda de

valor loacutegico alto ndash 1 ndash e vice-versa [442] Em outras palavras a porta NOT efetua a

negaccedilatildeo loacutegica O siacutembolo do inversor juntamente com sua tabela verdade estaacute ilustrado

na Figura 28

Figura 28 ndash Siacutembolo e tabela verdade da porta NOT

221 Dispositivo de tunelamento mono-eleacutetron

O funcionamento dos dispositivos de tunelamento mono-eleacutetron eacute baseado no controle do

movimento e da posiccedilatildeo de um uacutenico ou de um pequeno grupo de eleacutetrons no dispositivo

[17] Os seguintes conceitos satildeo essenciais na definiccedilatildeo desses dispositivos ilha junccedilatildeo-

tuacutenel tunelamento efeito de carregamento e bloqueio de Coulomb A partir desses

conceitos eacute possiacutevel definir o transistor mono-eleacutetron - SET (do inglecircs Single-electron

transistor) [24-8]

A ilha estaacute localizada entre duas paredes finas de um material normalmente isolante as

quais criam uma barreira de potencial de energia que impossibilita a movimentaccedilatildeo de

eleacutetrons pela ilha A Figura 29 mostra dois eletrodos A e B separados por uma barreira

15

isolante e no meio dessa barreira isolante encontra-se a ilha Se a energia dos eleacutetrons for

maior que a energia potencial das paredes das barreiras estes poderatildeo atravessaacute-las [6] No

dispositivo de tunelamento mono-eleacutetron o transporte de eleacutetrons entre o eletrodo A e a

ilha e entre a ilha e o eletrodo B ocorre por tunelamento mono-eleacutetron em que os eleacutetrons

atravessam as barreiras um de cada vez [10]

Figura 29 Dois eletrodos separados por uma ilha [10]

Esses dispositivos satildeo formados por junccedilotildees-tuacutenel que satildeo dois eletrodos metaacutelicos

separados por um isolante muito fino (barreira) o qual permite a passagem de eleacutetrons por

tunelamento [467] A Figura 210 ilustra a junccedilatildeo-tuacutenel e sua representaccedilatildeo simboacutelica Os

paracircmetros que caracterizam a junccedilatildeo-tuacutenel macroscopicamente satildeo a resistecircncia de

tunelamento (Rj) que depende da aacuterea e da espessura da barreira isolante e a capacitacircncia

(Cj) [10]

Figura 210 Esquemaacutetico da junccedilatildeo-tuacutenel [10]

O tunelamento eacute o transporte de partiacuteculas atraveacutes de uma regiatildeo em que a energia total de

uma partiacutecula pontual claacutessica eacute menor que a energia potencial da regiatildeo ou seja eacute o

transporte atraveacutes de uma regiatildeo classicamente proibida [10] O efeito de tunelamento

ocorre quando a barreira de potencial for suficientemente fina permitindo que o eleacutetron a

atravesse se houver niacutevel de energia desocupado do outro lado da barreira com o mesmo

valor de energia Esse fenocircmeno pode ser explicado pelo comportamento dual do eleacutetron

Diferentemente da mecacircnica claacutessica na teoria eletromagneacutetica quando uma partiacutecula

encontra uma barreira de potencial parte da onda eacute refletida e a outra parte eacute transmitida

para o outro lado da barreira [10] A teoria ortodoxa do tunelamento mono-eleacutetron eacute o

modelo mais utilizado para analisar o tunelamento [4-6] Proposto em 1987 por Averin e

Likharev [43] este modelo apresenta os seguintes postulados

16

Modelo de dimensatildeo zero as dimensotildees das ilhas satildeo despreziacuteveis

O evento de tunelamento eacute considerado instantacircneo

A redistribuiccedilatildeo das cargas apoacutes tunelamento tambeacutem eacute considerada instantacircnea

O espectro de energia em condutores e ilhas eacute considerado contiacutenuo ou seja a

quantizaccedilatildeo da energia do eleacutetron eacute ignorada dentro dos condutores

Apesar de a teoria ortodoxa assumir condiccedilotildees hipoteacuteticas ela continua sendo muito

utilizada em estudos do dispositivo mono-eleacutetron [4-6]

O efeito de carregamento ocorre quando os eleacutetrons estatildeo na iminecircncia de entrar em um

material condutor extremamente pequeno isolado eletricamente (ilha) Se houver um

eleacutetron na ilha o potencial eletrostaacutetico da ilha aumenta bastante sendo bem superior ao

ruiacutedo teacutermico em temperatura ambiente O fluxo de eleacutetrons na ilha eacute possiacutevel se o

potencial da ilha for controlado por uma fonte de tensatildeo externa Outros eleacutetrons satildeo

impedidos de entrar na ilha devido agrave repulsatildeo de Coulomb [14-9]

Assim o bloqueio de Coulomb ocorre quando um eleacutetron entra na ilha e impede o

tunelamento de outro eleacutetron nesta ilha No momento em que o eleacutetron entra na ilha a

energia eletrostaacutetica da ilha aumenta em Ce 22 em que CΣ eacute a soma das capacitacircncias

em torno da ilha [14] Dessa forma outro eleacutetron soacute conseguiraacute tunelar para dentro da ilha

se sua energia for maior que a energia eletrostaacutetica da ilha [6] A Figura 211 ilustra os

diagramas de energia no bloqueio de Coulomb e no caso de tunelamento [10]

(a) (b)

Figura 211 Diagramas de energia (a) Bloqueio de Coulomb (b) Tunelamento mono-

eleacutetron [10]

17

O bloqueio de Coulomb eacute superado ao se aplicar uma tensatildeo Vg ao circuito ateacute que esta

tensatildeo alcance um dado valor de limiar que forneceraacute energia suficiente para que ocorra o

tunelamento de um eleacutetron Assim haveraacute o fluxo de eleacutetrons havendo corrente A Figura

212 mostra a regiatildeo do bloqueio de Coulomb ao aplicar uma tensatildeo Vg ao circuito em que

Vc eacute a tensatildeo de limiar chamada de tensatildeo de bloqueio de Coulomb [5-10]

Figura 212 Caracteriacutestica do bloqueio de Coulomb [10]

Nesse contexto duas condiccedilotildees satildeo necessaacuterias para garantir que o transporte de eleacutetrons

seja controlado pelo efeito de carregamento a condiccedilatildeo para a resistecircncia de tunelamento

dada pela equaccedilatildeo (225) [1] em que a natureza corpuscular do eleacutetron predomina sobre a

natureza ondulatoacuteria e a energia eletrostaacutetica (EC) associada a uma dada temperatura (T)

deve ser significativamente maior que as flutuaccedilotildees teacutermicas existentes agravequela

temperatura como descrita na equaccedilatildeo (226) [146-9] Os paracircmetros h eacute a constante de

Planck e eacute a carga do eleacutetron kB eacute a constante de Boltzmann e C eacute capacitacircncia Na

equaccedilatildeo (226) a temperatura deve ser maior que 0K [10]

kRe

hR TT 825

2 (225)

TkC

eTkEc BB

2

2

(226)

A partir dos conceitos apresentados pode-se definir o transistor mono-eleacutetron O SET

ilustrado na Figura 213 [10] eacute composto por duas junccedilotildees-tuacutenel em seacuterie formando uma

ilha entre as junccedilotildees [246-9] Os paracircmetros R1 C1 e R2 C2 correspondem agraves

resistecircncias e capacitacircncias da primeira e da segunda junccedilatildeo-tuacutenel respectivamente A

tensatildeo de porta Vg controla a energia eletrostaacutetica da ilha atraveacutes da capacitacircncia Cg

18

Quando haacute carregamento por tunelamento de uma junccedilatildeo e descarregamento da outra

junccedilatildeo haacute um fluxo controlado de cargas o que gera a corrente I [10]

Figura 213 Transistor mono-eleacutetron [10]

Um efeito que pode ser observado na caracteriacutestica da corrente versus tensatildeo do transistor

mono-eleacutetron eacute chamado de oscilaccedilatildeo de Coulomb [24679] Se a tensatildeo V for mantida

constante com CeV e a tensatildeo Vg for aumentada ateacute atingir gg CeV 2 esse

valor de tensatildeo permitiraacute que um eleacutetron passe pela ilha Como soacute haveraacute corrente fluindo

no circuito em valores muacuteltiplos da tensatildeo gCe 2 soacute ocorreraacute o tunelamento novamente

quando )2(3 gg CeV A caracteriacutestica corrente (I) versus tensatildeo (Vg) do transistor

mono-eleacutetron eacute ilustrada na Figura 214 [10]

Figura 214 Caracteriacutestica corrente (I) versus tensatildeo (Vg) do transistor mono-eleacutetron [10]

222 Estrutura do inversor mono-eleacutetron

Um inversor pode ser construiacutedo colocando-se dois SETs em seacuterie os quais compartilham

da mesma entrada [5689] conforme mostrado na Figura 215 Vin eacute a tensatildeo de entrada

Vout eacute a tensatildeo de saiacuteda Vbias eacute a tensatildeo de polarizaccedilatildeo CC eacute a capacitacircncia de carga Cg1 e

Cg2 satildeo as capacitacircncias de porta do SET 1 e do SET 2 respectivamente

19

Figura 215 Esquemaacutetico do inversor utilizando SETs (modificado de [4])

Alguns modelos do SET desenvolvidos no software SPICE foram propostos na literatura

[4-7] Destes modelos o proposto por G Lientschnig et al [4] descreve a implementaccedilatildeo

completa da teoria ortodoxa e usa apenas os recursos em versotildees disponiacuteveis publicamente

do software SPICE Este modelo diferentemente dos modelos propostos em [5-7] natildeo estaacute

limitado a transistores mono-eleacutetron com junccedilotildees-tuacutenel que tecircm resistecircncias iguais Aleacutem

disso pode ser estendido para incluir um nuacutemero arbitraacuterio de estados de carga que

permite simulaccedilotildees definidas para altas temperaturas e tensotildees de polarizaccedilatildeo [4] O

modelo de G Lientschnig et al estaacute disponiacutevel no siacutetio eletrocircnico [44] Assim este foi o

modelo utilizado neste trabalho

23 CLOCKING DE SISTEMAS DE ALTA VELOCIDADE

Em sistemas digitais siacutencronos o sinal do clock eacute utilizado para definir uma referecircncia de

tempo agrave mudanccedila de dados dentro do sistema [1145] Assim a distribuiccedilatildeo do clock eacute de

suma importacircncia na operaccedilatildeo de circuitos integrados digitais sendo uma grande

preocupaccedilatildeo em circuitos integrados de alta velocidade [46-51] Circuitos em escala

nanomeacutetrica podem ser significativamente limitados devido ao clock skew que ocorre

quando os circuitos natildeo estatildeo equumlidistantes do sinal do clock [11454649-51] Como este

sinal eacute o sinal mais ativo em um chip pode resultar em elevado consumo de potecircncia e

grandes densidades de corrente na rede de interconexotildees do clock [454849]

Dessa forma o sinal do clock deve atingir ao mesmo tempo cada noacute para garantir que a

comutaccedilatildeo seja sincronizada bem como deve ser distribuiacutedo de forma que haja o menor

20

atraso possiacutevel [49] Com esse intuito os seguintes fatores entre outros satildeo fundamentais

no desempenho do clock dispositivos loacutegicos de tecnologia raacutepida (avanccedilada) rede de

distribuiccedilatildeo de clock que minimize o skew e interconexotildees com alto desempenho [11]

Conforme exposto anteriormente os dispositivos nanoeletrocircnicos como os transistores

mono-eleacutetron satildeo potencialmente aplicaacuteveis em circuitos integrados em escala giga (GSI)

e tera (TSI) Estes dispositivos permitem que as funccedilotildees loacutegicas sejam desempenhadas em

um tempo mais raacutepido e com menor atraso Assim satildeo fortes candidatos a serem utilizados

em circuitos integrados com clock

A adequada rede de distribuiccedilatildeo do clock assegura que a comutaccedilatildeo seja sincronizada e

que haja o menor atraso possiacutevel [1145] Aleacutem disso dependendo da arquitetura da rede o

niacutevel de sincronismo do sistema pode aumentar Diferentes tipos de abordagens tecircm sido

desenvolvidos para projetar a rede de distribuiccedilatildeo do clock em sistemas digitais de

circuitos integrados [45] Os buffered trees satildeo muito utilizados na distribuiccedilatildeo

equipotencial do clock Aleacutem dessas estruturas assimeacutetricas arquiteturas simeacutetricas como

o H-tree satildeo usadas para distribuir sinais de clock em alta velocidade podendo inclusive

ser projetadas com buffers [45-51] Algumas formas de rede de distribuiccedilatildeo do clock estatildeo

ilustradas na Figura 216 incluindo a trunk tree mesh e H-tree [45]

Figura 216 Estruturas comuns de redes de distribuiccedilatildeo de clock [45]

21

Atualmente as interconexotildees de cobre satildeo bastante utilizadas para circuitos de alto

desempenho como em redes de clock No entanto os CNTs apresentam caracteriacutesticas que

os tornam melhores para serem utilizados em interconexotildees descritas na subseccedilatildeo 221

[48] Neste trabalho seraacute realizada a comparaccedilatildeo entre interconexotildees de cobre e de CNT

na rede de distribuiccedilatildeo do H-tree clock

231 H-Tree Clock

O clock skew pode ser minimizado distribuindo-se o sinal do clock de forma que as

interconexotildees que levam o sinal aos circuitos loacutegicos tecircm o mesmo comprimento Se antes

de chegarem aos circuitos loacutegicos os sinais do clock forem igualmente atrasados eles

estaratildeo perfeitamente sincronizados [1145] Dessa forma o esquemaacutetico da Figura 217 de

distribuiccedilatildeo do clock minimiza o clock skew repetindo recursivamente uma estrutura em

forma de H [11] A Figura 217 ilustra uma rede H-tree simeacutetrica com trecircs niacuteveis [46]

Figura 217 Esquemaacutetico do H-tree clock simeacutetrico (modificado de [46])

Na estrutura do H-tree o condutor primaacuterio do clock estaacute ligado ao centro do H principal

(1ordm niacutevel) transmitindo o sinal para os quatro cantos deste H Esses quatro cantos satildeo as

entradas para o proacuteximo niacutevel do H-tree o 2ordm niacutevel que possui quatro estruturas em H O

processo de distribuiccedilatildeo continua por vaacuterios niacuteveis de H‟s cada vez menores Os pontos de

destino final do H-tree satildeo usados para conduzir os circuitos locais Assim cada caminho

do clock desde a fonte ateacute o circuito local possui praticamente o mesmo atraso [45]

22

24 MEDIDAS DE DESEMPENHO NA ANAacuteLISE DAS INTERCONEXOtildeES

As interconexotildees em circuitos integrados possuem caracteriacutesticas que modificam o sinal de

entrada O efeito das interconexotildees pode provocar atrasos e distorccedilotildees indesejaacuteveis Nesse

contexto eacute necessaacuterio analisar medidas de desempenho dos sinais sob efeito das

interconexotildees tais como velocidade maacutexima atenuaccedilatildeo tempo de atraso potecircncia

dissipada produto atraso-potecircncia e slew rate [111317202342]

241 Velocidade maacutexima - anaacutelise na frequumlecircncia

A velocidade maacutexima que as interconexotildees podem operar sem distorcer o sinal de entrada

eacute uma medida de desempenho importante [172023] Eacute possiacutevel analisar este paracircmetro

atraveacutes da frequumlecircncia maacutexima de operaccedilatildeo da interconexatildeo que eacute a largura de banda em

que o sinal comeccedila a decair em -3dB em relaccedilatildeo ao sinal de referecircncia [1742] Assim

utiliza-se a anaacutelise do moacutedulo do graacutefico de Bode para obter a frequumlecircncia de operaccedilatildeo em

-3dB [42] A Figura 218 mostra o esboccedilo do moacutedulo do ganho pela frequumlecircncia tiacutepico do

comportamento de interconexotildees

Figura 218 Graacutefico do moacutedulo do ganho pela frequumlecircncia tiacutepico do comportamento de

interconexotildees

23

242 Atenuaccedilatildeo

A transmissatildeo de um sinal pode ser expressa em funccedilatildeo do seu ganho ou da sua atenuaccedilatildeo

No caso em estudo as interconexotildees podem atenuar o sinal Essa atenuaccedilatildeo eacute geralmente

calculada pela expressatildeo (227) em que Vo eacute o sinal de saiacuteda e Vi eacute o sinal de entrada [42]

i

o

V

VA log20 (227)

243 Tempo de atraso

O tempo de atraso td ou atraso na propagaccedilatildeo ocorre devido ao

carregamentodescarregamento da capacitacircncia de carga bem como ao tempo de

chaveamento dos transistores [42]

O tempo de atraso eacute obtido pela diferenccedila entre o tempo medido a 50 da transiccedilatildeo dos

sinais de entrada e de saiacuteda [11] Em circuitos loacutegicos o atraso na propagaccedilatildeo pode ser

calculado pela meacutedia aritmeacutetica do tempo de propagaccedilatildeo do sinal de alto para baixo tPHL e

do tempo de propagaccedilatildeo do baixo para alto tPLH conforme equaccedilatildeo (228) [1142]

2

PLHPHLd

ttt

(228)

244 Potecircncia dissipada

A dissipaccedilatildeo de potecircncia eacute outra medida de desempenho bastante importante em circuitos

integrados em escala GSI e TSI Isso ocorre jaacute que ao aumentar o nuacutemero de portas

loacutegicas em uma determinada aacuterea ocupada eacute necessaacuterio que a dissipaccedilatildeo de potecircncia esteja

dentro de limites aceitaacuteveis [1142]

A dissipaccedilatildeo de potecircncia eacute composta por dois componentes potecircncia estaacutetica e potecircncia

dinacircmica A dissipaccedilatildeo de potecircncia estaacutetica eacute dada por IVP DDE e ocorre mesmo que

natildeo haja chaveamento de porta loacutegica no circuito devido ao efeito da resistecircncia do

circuito [42] A dissipaccedilatildeo de potecircncia dinacircmica eacute devido agrave capacitacircncia de carga do

24

circuito expressa por CVfP DDD 2 em que VDD eacute a tensatildeo de alimentaccedilatildeo f eacute

frequumlecircncia do circuito e C eacute a capacitacircncia de carga do circuito [1142] Assim a soma da

potecircncia dinacircmica e da potecircncia estaacutetica resulta na potecircncia total dissipada no circuito

245 Produto atraso-potecircncia

Em circuitos integrados o ideal eacute que se tenha baixo atraso na propagaccedilatildeo resultando em

uma maior velocidade de funcionamento do circuito bem como baixa dissipaccedilatildeo de

potecircncia No entanto essas duas exigecircncias satildeo conflitantes ao reduzirmos a dissipaccedilatildeo de

potecircncia de uma porta a capacidade da porta em fornecer corrente diminuiraacute isso

implicaraacute em um maior tempo de carga e descarga aumentando o atraso na propagaccedilatildeo

Assim o produto atraso-potecircncia (delay power product ndash DP) eacute uma medida de

desempenho bastante utilizada na anaacutelise de circuitos e eacute dado por dD tPDP Quanto

menor o produto atraso-potecircncia maior a eficiecircncia do circuito loacutegico [42]

246 Slew rate

A taxa maacutexima de variaccedilatildeo da tensatildeo de saiacuteda do inglecircs slew rate (SR) eacute uma

caracteriacutestica importante do sinal de saiacuteda de um circuito loacutegico A limitaccedilatildeo na taxa de

variaccedilatildeo pode provocar uma distorccedilatildeo no funcionamento do circuito O SR pode ser

calculado pela expressatildeo (229) em que Δv eacute a variaccedilatildeo da tensatildeo de saiacuteda do sinal para

uma determinada variaccedilatildeo de tempo Δt [42]

t

vSR

(229)

25 LTSPICE

O software LTSPICE eacute um simulador SPICE de alto desempenho orientado a

esquemaacuteticos e visualizador de formas de onda com modelos para facilitar a simulaccedilatildeo de

circuitos eletrocircnicos Se comparado aos outros simuladores SPICE a simulaccedilatildeo do

LTSPICE eacute bastante raacutepida O software consegue simular dispositivos de acordo com o

padratildeo industrial reproduzindo os seus comportamentos [52]

25

O LTSPICE possui vaacuterias possibilidades de simulaccedilatildeo como anaacutelise transiente anaacutelise AC

e anaacutelise DC bem como permite a simulaccedilatildeo de vaacuterios dispositivos disponiacuteveis na sua

biblioteca Aleacutem disso este software possibilita a elaboraccedilatildeo de novos esquemaacuteticos

atraveacutes de um modelo matemaacutetico ou eletrocircnico proposto O novo componente poderaacute ser

utilizado no circuito conforme seraacute feito neste trabalho utilizando-se o modelo SPICE do

SET proposto por G Lientschnig et al[4]

26

3 METODOLOGIA

31 INTRODUCcedilAtildeO

A miniaturizaccedilatildeo das interconexotildees prejudica o seu desempenho resultando no aumento

significativo do valor da resistividade da capacitacircncia de acoplamento entre vias na

dificuldade de controlar a razatildeo entre a altura e a largura do material entre outros

problemas A fim de analisar o desempenho das interconexotildees eacute necessaacuterio verificar

algumas variaacuteveis importantes como velocidade maacutexima (f-3dB) atenuaccedilatildeo (A) tempo de

atraso (td) potecircncia dissipada (P) produto atraso-potecircncia (DP) e slew rate (SR)

[111317202342]

32 ETAPAS E ESTRATEacuteGIAS ADOTADAS

Com o intuito de analisar o efeito das interconexotildees em circuitos com transistores mono-

eleacutetron foi realizada primeiramente a anaacutelise das interconexotildees de SWCNT de SWCNT

bundle e de cobre isoladamente para diferentes valores de comprimento Apoacutes a avaliaccedilatildeo

desses resultados o efeito das interconexotildees foi analisado no H-tree clock com inversores

mono-eleacutetron nos seus terminais tambeacutem considerando diferentes comprimentos Neste

trabalho a tecnologia de 22 nm prevista para o ano de 2016 [21] foi utilizada na

comparaccedilatildeo entre o desempenho do cobre e do CNT Todas as simulaccedilotildees foram realizadas

utilizando o software LTSPICE

321 Simulaccedilatildeo das interconexotildees

A partir dos modelos das interconexotildees de SWCNT SWCNT bundle e cobre apresentados

na subseccedilatildeo 213 diferentes comprimentos das interconexotildees foram simulados Assim

analisou-se as interconexotildees locais em que l le 1 μm e as intermediaacuterias em que 1 μm lt l

le 500 μm sabendo que l eacute o comprimento da interconexatildeo [29-31333638]

A fim de analisar a frequumlecircncia de corte este foi obtido para comprimentos de

interconexotildees locais (10nm 100nm 200nm 300nm 400nm 500nm 600nm 700nm

27

800nm 900nm 1μm) e interconexotildees intermediaacuterias (10μm 100μm 200μm 300μm

400μm 500μm)

Jaacute que λCNT eacute tipicamente 1 μm foram escolhidos trecircs comprimentos na faixa lCNT le λCNT

(10 nm 100 nm e 1 μm) e trecircs comprimentos na faixa lCNT gt λCNT (10 μm 100 μm 500

μm) para serem analisados detalhadamente Escolheu-se uma mesma frequecircncia abaixo da

frequecircncia de corte dos trecircs materiais considerados para analisar e comparar a atenuaccedilatildeo

(A) e o tempo de atraso na propagaccedilatildeo (td) dos diferentes comprimentos

Em seguida o mesmo procedimento foi feito para comparar somente o SWCNT bundle e o

cobre para uma mesma frequecircncia cujo valor eacute maior que a frequecircncia da anaacutelise anterior

permitindo que estes dois materiais sejam analisados detalhadamente

Essas anaacutelises foram realizadas a partir da simulaccedilatildeo do circuito da Figura 31 [2325] A

tensatildeo de entrada Vin eacute uma onda quadrada de 1V de amplitude e o capacitor de carga tem

o valor de 100 aF

Figura 31 ndash Circuito simulado para cada interconexatildeo

A Figura 32 mostra o fluxograma das etapas descritas nesta subseccedilatildeo 321

28

Figura 32 ndash Fluxograma das etapas seguidas na simulaccedilatildeo das interconexotildees

322 Simulaccedilatildeo do inversor mono-eleacutetron

Para utilizar a porta inversora da Figura 215 nos terminais do H-tree clock foi necessaacuterio

primeiramente simular o SET proposto por [4] Essa simulaccedilatildeo foi feita variando os

paracircmetros do SET como as resistecircncias e capacitacircncias das junccedilotildees as capacitacircncias de

porta a temperatura etc Os paracircmetros foram variados ateacute simular o SET a temperatura

de 300K Em seguida simulou-se a inversora da Figura 215 tambeacutem a temperatura

ambiente Dessa forma foi possiacutevel simular a inversora isoladamente obtendo as

caracteriacutesticas do sinal de saiacuteda

323 Simulaccedilatildeo do H-tree clock mono-eleacutetron

Apoacutes a simulaccedilatildeo do SET foi possiacutevel simular o H-tree clock A rede H-tree de dois niacuteveis

foi simulada com um H no primeiro niacutevel e quatro H‟s no segundo niacutevel [49] Nos pontos

de destino final da rede foram colocadas portas inversoras formadas por SETs permitindo

a anaacutelise de circuitos nanoeletrocircnicos

Modelos de SWCNT

SWCNT bundle e cobre

Obtenccedilatildeo dos paracircmetros dos modelos para

interconexotildees locais e interconexotildees intermediaacuterias

Para cada comprimento

obtenccedilatildeo de f-3dB

1ordm) Escolha de frequumlecircncia abaixo

da f-3dB do SWCNT SWCNT

bundle e cobre

2ordm) Escolha de frequumlecircncia abaixo

da f-3dB do SWCNT bundle e

cobre

Obtenccedilatildeo de A e td de

cada modelo

Obtenccedilatildeo de A e td de

cada modelo

Anaacutelise comparativa entre o

SWCNT SWCNT bundle e

cobre

Anaacutelise comparativa entre o

SWCNT bundle e cobre

Estudo de interconexotildees locais (10nm

100nm 1μm) e intermediaacuterias (10μm

100μm 500μm)

29

A partir da simulaccedilatildeo do H-tree clock obteve-se a frequecircncia em -3dB (f-3dB) da rede com

interconexotildees ideais Assim a rede H-tree foi entatildeo simulada para duas frequecircncias

diferentes do sinal de entrada abaixo da frequecircncia de -3dB 10 GHz e 100 GHz Com

essas simulaccedilotildees obtiveram-se as seguintes caracteriacutesticas do sinal de saiacuteda da inversora

niacutevel loacutegico baixo (NB) niacutevel loacutegico alto (NA) tempo de subida (tr) slew rate de subida

(SR) atenuaccedilatildeo (A) tempo de atraso (td) potecircncia dissipada (P) e produto atraso-potecircncia

(DP) As caracteriacutesticas obtidas servem como referecircncia para analisar o sinal considerando

interconexotildees natildeo-ideais ou seja incluindo os modelos das interconexotildees nas simulaccedilotildees

Em seguida a rede H-tree foi simulada considerando-se os modelos das interconexotildees de

SWCNT bundle e de cobre variando os seus comprimentos Como cada H da rede de

distribuiccedilatildeo deve ser simeacutetrico considerou-se que cada divisatildeo do H tem o mesmo

comprimento para cada niacutevel da rede [11] A Figura 33 mostra o comprimento dos

diferentes trechos da rede Assim o comprimento de cada divisatildeo dos H‟s do segundo

niacutevel eacute a metade do comprimento de cada divisatildeo do H do primeiro niacutevel Jaacute que o objetivo

eacute simular circuitos em escala nanomeacutetrica escolheu-se trecircs variaccedilotildees de comprimento

menores ou iguais a 1μm

l = 100 nm l2 = 50 nm

l = 400 nm l2 = 200 nm

l = 1 μm l2 = 500 nm

Figura 33 ndash Esquemaacutetico do H-tree clock com os comprimentos de cada seguimento

Dessa forma cada um dos trecircs circuitos foi simulado obtendo-se a frequecircncia em -3dB na

entrada das portas inversoras Em seguida as trecircs redes foram simuladas para as mesmas

30

duas frequumlecircncias do sinal de entrada (10 GHz e 100 GHz) de forma a obter as

caracteriacutesticas do sinal de saiacuteda descritas anteriormente considerando agora o efeito das

interconexotildees

Por fim a partir dos dados obtidos foram realizadas comparaccedilotildees entre as caracteriacutesticas

do sinal de saiacuteda de referecircncia (interconexotildees ideais) e o sinal de saiacuteda dos circuitos com as

interconexotildees natildeo-ideais bem como entre o comportamento das interconexotildees de SWCNT

bundle e de cobre nas diferentes frequecircncias

A Figura 34 mostra o fluxograma das etapas descritas nas subseccedilotildees 322 e 323

Figura 34 ndash Fluxograma das etapas seguidas na simulaccedilatildeo do H-tree clock

H-tree clock mono-eleacutetron

Simulaccedilatildeo do H-tree clock com

interconexotildees ideais Obtenccedilatildeo de f-3dB

da inversora

Simulaccedilatildeo do H-tree clock com

interconexotildees natildeo-ideais para os seguintes

comprimentos

l = 100 nm l2 = 50 nm

l = 400 nm l2 = 200 nm

l = 1 μm l2 = 500 nm

Validaccedilatildeo do SET e do

inversor mono-eleacutetron a

300K

Sinal de entrada a

10 GHz

Sinal de entrada a

100 GHz

Obtenccedilatildeo de NB

NA tr SR A td P e

DP do sinal de saiacuteda

da inversora

Obtenccedilatildeo de NB

NA tr SR A td P e

DP do sinal de saiacuteda

da inversora

Sinal de entrada a

10 GHz

Sinal de entrada a

100 GHz

Obtenccedilatildeo de NB

NA tr SR A td P e

DP do sinal de saiacuteda

da inversora

Obtenccedilatildeo de NB

NA tr SR A td P e

DP do sinal de saiacuteda

da inversora

Anaacutelise comparativa

dos dados obtidos

31

4 RESULTADOS E ANAacuteLISES

41 INTRODUCcedilAtildeO

Neste capiacutetulo seratildeo apresentados os procedimentos adotados e os resultados obtidos na

simulaccedilatildeo das interconexotildees SWCNT SWCNT bundle e cobre As etapas descritas na

metodologia foram seguidas obtendo-se os resultados das simulaccedilotildees das interconexotildees e

das simulaccedilotildees do H-tree clock mono-eleacutetron para interconexotildees ideais e natildeo-ideais A

partir dos resultados a anaacutelise do desempenho das interconexotildees seraacute apresentada

42 ANAacuteLISE DAS INTERCONEXOtildeES

Nesta seccedilatildeo a anaacutelise das interconexotildees de SWCNT SWCNT bundle e cobre na

tecnologia de 22 nm para diferentes comprimentos seraacute realizada Para isso analisou-se

as interconexotildees locais em que l le 1 μm e as intermediaacuterias em que 1 μm lt l le 500 μm

sabendo que l eacute o comprimento da interconexatildeo [29-31333638] Como λCNT eacute

tipicamente 1 μm trecircs comprimentos na faixa lCNT le λCNT (10 nm 100 nm e 1 μm) e trecircs

comprimentos na faixa lCNT gt λCNT (10 μm 100 μm 500 μm) de cada material seratildeo

analisados detalhadamente Os paracircmetros obtidos a partir dos modelos de SWCNT

SWCNT bundle e cobre estatildeo respectivamente nas Tabelas 71 72 e 73 do Apecircndice

421 Interconexotildees locais

Primeiramente a partir da simulaccedilatildeo da Figura 31 obteve-se a frequecircncia em -3dB (f-3dB)

das interconexotildees locais (lCNT le λCNT ) isto eacute a sua banda passante de forma a verificar a

velocidade maacutexima que cada interconexatildeo suporta A Figura 41 ilustra o comportamento

da frequecircncia das interconexotildees locais para os diferentes comprimentos Como o SWCNT

isolado possui valores de frequecircncia na faixa de centenas de giga Hertz ou seja menos de

um tera Hertz os valores de suas frequecircncias tambeacutem podem ser visualisados na Tabela

74 do Apecircndice

Verifica-se que agrave medida que o comprimento da interconexatildeo aumenta a frequecircncia

diminui Isso ocorre jaacute que os valores da capacitacircncia e indutacircncia aumentam com o

aumento do comprimento da interconexatildeo Esses paracircmetros satildeo decisivos no sinal de

32

saiacuteda sendo o sinal mais distorcido quanto maior for o valor desses paracircmetros Observa-

se que o SWCNT bundle e o cobre possuem banda passante maiores que o SWCNT

isolado para qualquer comprimento Aleacutem disso o SWCNT bundle soacute possui uma banda

passante comparaacutevel ao do cobre para comprimentos acima de 700 nm

Frequecircncia X Comprimento

0

10

20

30

40

50

60

100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

Comprimento (nm)

f -3d

B (

TH

z)

SWCNT Isolado

SWCNT bundle

Cobre

Figura 41 ndash Frequumlecircncia versus comprimento das interconexotildees locais

As interconexotildees locais de 10 nm 100 nm e 1 μm de comprimento foram analisadas

detalhadamente A Tabela 41 mostra a frequecircncia em -3dB de cada material para os

comprimentos em anaacutelise

Tabela 41 Frequecircncia em -3dB de cada material para lCNT le λCNT

Interconexatildeo Local Comprimento (L) Material f-3dB

SWCNT isolado 253 GHz

10nm SWCNT bundle 66 THz

Cobre 232 THz

SWCNT isolado 300 GHz

lCNT le λCNT 100nm SWCNT bundle 20 THz

Cobre 51 THz

SWCNT isolado 230 GHz

1microm SWCNT bundle 47 THz

Cobre 42 THz

Assim escolheu-se uma mesma frequecircncia abaixo da frequecircncia de corte dos trecircs

materiais considerados para analisar e comparar a atenuaccedilatildeo (A) e o tempo de atraso na

propagaccedilatildeo (td) dos trecircs comprimentos Isso permite verificar o comportamento do sinal na

banda passante A Tabela 42 mostra esse estudo comparativo entre o SWCNT isolado

SWCNT bundle e cobre agrave frequecircncia de 200 GHz

33

Tabela 42 Estudo das interconexotildees com comprimentos na faixa lCNT le λCNT

Freq L Material A (dB) td (ps)

SWCNT isolado -210 046

10nm SWCNT bundle 001 000

Cobre 000 000

SWCNT isolado -155 051

200 GHz 100nm SWCNT bundle 001 000

Cobre 001 000

SWCNT isolado -039 107

1microm SWCNT bundle 006 001

Cobre 000 007

A partir da anaacutelise da Tabela 42 eacute possiacutevel observar agrave frequumlecircncia de 200 GHz a

atenuaccedilatildeo do sinal e o atraso do SWCNT isolado Nessa frequumlecircncia o atraso do SWCNT

isolado eacute significativo em relaccedilatildeo ao periacuteodo do sinal que eacute 5ps jaacute que o menor atraso

(para l = 10nm) eacute aproximadamente 10 do periacuteodo do sinal de entrada No entanto para

esta mesma frequumlecircncia observa-se que a atenuaccedilatildeo e o atraso do SWCNT bundle e do

cobre satildeo insignificantes Isto indica que estes dois materiais possuem melhor

desempenho sendo favoraacuteveis para serem utilizados em interconexotildees locais

Dessa forma para analisar melhor a atenuaccedilatildeo e o tempo de atraso do SWCNT bundle e do

cobre o mesmo procedimento foi feito comparando-se somente estes dois materiais para

uma mesma frequecircncia de 1 THz A Tabela 43 mostra esse estudo comparativo entre o

SWCNT bundle e cobre

Tabela 43 Estudo das interconexotildees SWCNT bundle e cobre com comprimentos na faixa

lCNT le λCNT

Freq L Material A (dB) td (fs)

10nm SWCNT bundle 001 113

Cobre 000 022

1 THz 100nm SWCNT bundle 006 136

Cobre 001 240

1microm SWCNT bundle 145 647

Cobre -013 5623

Analisando a Tabela 43 observa-se que agrave frequumlecircncia de 1 THz a atenuaccedilatildeo do sinal e o

atraso aumentam agrave medida que o comprimento das interconexotildees aumentam A partir do

comprimento de 100nm o tempo de atraso da interconexatildeo de cobre eacute maior que o do

SWCNT bundle cujo maior valor de atraso (para l = 1microm) natildeo chega a 1 do periacuteodo do

34

sinal de entrada (1ps) Isso mostra que apesar de a banda passante do cobre ser maior o

atraso do SWCNT bundle eacute menor Dessa forma para as interconexotildees locais o SWCNT

bundle possui desempenho comparaacutevel ao do cobre [13]

Em relaccedilatildeo agrave atenuaccedilatildeo verifica-se que para alguns comprimentos este tem valor

positivo Isso ocorre principalmente quando haacute um pico no graacutefico da frequumlecircncia antes dele

comeccedilar a decair Esse pico eacute devido ao efeito ressonante provocado pela indutacircncia

quando este possui valor comparaacutevel agrave resistecircncia e agrave capacitacircncia da interconexatildeo [53]

Assim esse efeito ressonante foi observado somente nas interconexotildees locais de SWCNT

bundle e de cobre A Figura 42 ilustra o graacutefico da magnitude pela frequumlecircncia do SWCNT

isolado SWCNT bundle e cobre para o comprimento de 100nm Observa-se o efeito

ressonante nos graacuteficos do SWCNT bundle e do cobre

Figura 42 ndash Graacuteficos da magnitude das interconexotildees de SWCNT isolado (superior)

SWCNT bundle (meio) e cobre (inferior) com comprimento de 100nm

35

422 Interconexotildees intermediaacuterias

Assim como para as interconexotildees locais obteve-se a frequecircncia em -3dB (f-3dB) das

interconexotildees intermediaacuterias (lCNT gt λCNT) de forma a verificar a velocidade maacutexima que

cada interconexatildeo suporta A Figura 43 ilustra o comportamento da frequecircncia das

interconexotildees intermediaacuterias para os diferentes comprimentos Os valores das frequecircncias

de cada interconexatildeo tambeacutem podem ser visualisados na Tabela 75 do Apecircndice

Como nas interconexotildees locais agrave medida que o comprimento da interconexatildeo aumenta a

frequecircncia diminui Aleacutem disso o SWCNT bundle e o cobre possuem desempenho melhor

que o do SWCNT isolado para qualquer comprimento No entanto para interconexotildees

intermediaacuterias o SWCNT bundle possui banda passante maior que a do cobre para

qualquer comprimento

Frequecircncia X Comprimento

00

05

10

15

20

25

30

35

40

45

100 200 300 400 500

Comprimento (μm)

f -3d

B (

GH

z)

SWCNT isolado

SWCNT bundle

Cobre

Figura 43 ndash Frequumlecircncia versus comprimento das interconexotildees intermediaacuterias

As interconexotildees intermediaacuterias de 10 μm 100 μm e 500 μm de comprimento foram entatildeo

analisadas detalhadamente A Tabela 44 mostra a frequecircncia em -3dB de cada materal

para os diferentes comprimentos em anaacutelise

36

Tabela 44 Frequecircncia em -3dB de cada material para lCNT gt λCNT

Interconexatildeo

Intermediaacuteria

Comprimento (L) Material f-3dB

SWCNT isolado 26 GHz

10 microm SWCNT bundle 527 GHz

Cobre 34 GHz

SWCNT isolado 32 MHz

lCNT gt λCNT 100 microm SWCNT bundle 42 GHz

Cobre 345 MHz

SWCNT isolado 13 MHz

500 microm SWCNT bundle 165 MHz

Cobre 14 MHz

Escolheu-se a frequecircncia de 1 MHz que estaacute abaixo da frequecircncia de corte dos trecircs

materiais considerados para analisar e comparar a atenuaccedilatildeo (A) e o tempo de atraso na

propagaccedilatildeo (td) dos trecircs comprimentos A Tabela 45 mostra esse estudo comparativo entre

o SWCNT isolado SWCNT bundle e cobre

Tabela 45 Estudo das interconexotildees com comprimentos na faixa lCNT gt λCNT

Freq L Material A (dB) td (ns)

SWCNT isolado -002 008

10 microm SWCNT bundle 000 000

Cobre 000 000

SWCNT isolado -003 559

1 MHz 100 microm SWCNT bundle -001 005

Cobre -004 056

SWCNT isolado -198 10217

500 microm SWCNT bundle 000 110

Cobre -003 1301

Com base na Tabela 45 observa-se que a atenuaccedilatildeo e o tempo de atraso do SWCNT

isolado aumentam com o aumento do comprimento da interconexatildeo Nessa frequumlecircncia o

atraso na propagaccedilatildeo do SWCNT isolado eacute significativo em relaccedilatildeo ao periacuteodo do sinal de

entrada que eacute 1micros chegando a mais de 10 deste periacuteodo para o comprimento de 500microm

Verifica-se tambeacutem o aumento do tempo de atraso da interconexatildeo de cobre sendo 13

do periacuteodo do sinal de entrada para o comprimento de 500microm

Para analisar melhor a atenuaccedilatildeo e o tempo de atraso do SWCNT bundle e do cobre o

mesmo procedimento foi feito comparando-se somente estes dois materiais para uma

37

mesma frequecircncia de 10 MHz A Tabela 46 mostra esse estudo comparativo entre o

SWCNT bundle e cobre

Tabela 46 Estudo das interconexotildees SWCNT bundle e cobre com comprimentos na faixa

lCNT gt λCNT

Freq L Material A (dB) td (ns)

10 microm SWCNT bundle 000 000

Cobre 000 000

10 MHz 100 microm SWCNT bundle -001 005

Cobre -004 054

500 microm SWCNT bundle -004 107

Cobre -185 1024

Analisando a Tabela 46 observa-se que agrave medida que o comprimento das interconexotildees

aumenta a atenuaccedilatildeo e o atraso do sinal da interconexatildeo de cobre tornam-se significativos

O atraso na propagaccedilatildeo da interconexatildeo de cobre para l = 500microm chega a 10 do periacuteodo

do sinal de entrada (100ns) Jaacute o SWCNT bundle apresenta valores insignificantes de

atenuaccedilatildeo e atraso na propagaccedilatildeo Assim para as interconexotildees intermediaacuterias o SWCNT

bundle possui desempenho superior ao do cobre

43 SIMULACcedilAtildeO DO INVERSOR MONO-ELEacuteTRON

O modelo SPICE do SET proposto por G Lientschnig et al [444] foi simulado no

LTSPICE A partir da equaccedilatildeo (226) foi possiacutevel aumentar a temperatura do SET ateacute

chegar a 300K Assim o esquemaacutetico do SET e os valores de seus paracircmetros para que o

SET opere a 300K estatildeo na Figura 44 No anexo deste trabalho (subseccedilatildeo 81) encontra-

se o coacutedigo SET que foi utilizado [44] Os paracircmetros R1 C1 e R2 C2 correspondem agraves

resistecircncias e capacitacircncias das junccedilotildees-tuacutenel Cg eacute a capacitacircncia de porta (Cg1 no coacutedigo

SET) Vg eacute a tensatildeo de porta e V eacute a tensatildeo de entrada

Figura 44 Esquemaacutetico do SET e os valores de seus paracircmetros

38

A partir destes valores o inversor mono-eleacutetron foi construiacutedo colocando-se dois SETs em

seacuterie os quais compartilham da mesma entrada A Figura 45 ilustra o esquemaacutetico do

inversor mono-eleacutetron juntamente com os valores de seus paracircmetros fixos em que Vin eacute a

tensatildeo de entrada Vout eacute a tensatildeo de saiacuteda Vbias eacute a tensatildeo de polarizaccedilatildeo Cc eacute a

capacitacircncia de carga Cg1 e Cg2 satildeo as capacitacircncias de porta do SET 1 e do SET 2

respectivamente

Figura 45 Esquemaacutetico do inversor mono-eleacutetron e os valores de seus paracircmetros

(modificado de [4])

Assim apoacutes simular o inversor mono-eleacutetron a 300K obteve-se o sinal de saiacuteda mostrado

na Figura 46 Como o inversor estaacute invertendo o sinal de entrada de valor loacutegico baixo em

um sinal de saiacuteda de valor loacutegico alto ele estaacute operando corretamente

Figura 46 Curva do sinal de entrada (em verde) e do sinal de saiacuteda (em preto) do inversor

mono-eleacutetron

39

44 ANAacuteLISE DAS INTERCONEXOtildeES NO H-TREE CLOCK MONO-ELEacuteTRON

Nesta seccedilatildeo a rede H-tree clock de dois niacuteveis foi simulada com portas inversoras mono-

eleacutetron nos pontos de destino final da rede permitindo a anaacutelise de circuitos

nanoeletrocircnicos Simulou-se a rede H-tree considerando interconexotildees ideais para as

frequecircncias de 10 GHz e 100 GHz no sinal de entrada Em seguida para as mesmas duas

frequecircncias considerou-se interconexotildees natildeo-ideais de diferentes comprimentos

analisando a rede com os modelos de interconexatildeo SWCNT bundle e cobre Trecircs redes

com comprimentos de interconexotildees diferentes foram analisadas

l = 100 nm l2 = 50 nm

l = 400 nm l2 = 200 nm

l = 1 μm l2 = 500 nm

441 Anaacutelise da rede com interconexotildees ideais

A partir da simulaccedilatildeo do H-tree clock a frequecircncia em -3dB (f-3dB) da rede com

interconexotildees ideais foi obtida Na saiacuteda de cada porta inversora a banda passante do sinal

eacute 3200 GHz Dessa forma duas frequecircncias abaixo de 3200 GHz foram escolhidas para

analisar o sinal de saiacuteda da inversora em condiccedilotildees ideais As frequecircncias de 10 GHz e

100 GHz seratildeo analisadas obtendo-se as seguintes caracteriacutesticas do sinal de saiacuteda da

inversora niacutevel loacutegico baixo (NB) niacutevel loacutegico alto (NA) tempo de subida (tr) slew rate

de subida (SR) atenuaccedilatildeo (A) e tempo de atraso (td) A Tabela 47 mostra os valores

obtidos para as duas frequecircncias em anaacutelise

Tabela 47 Caracteriacutesticas dos sinais de saiacuteda da rede para interconexotildees ideais

Freq NB(mV) NA(mV) tr (ps) SR(Vns) A(dB) td (ps)

10 GHz 675 4518 356 8636 -264 412

100 GHz 678 4279 317 9088 -269 189

Os caacutelculos da potecircncia estaacutetica ( IVP DDE ) potecircncia dinacircmica ( CVfP DDD 2 ) e

potecircncia total ( DE PPP ) dissipada por cada porta inversora foram realizados bem

como o produto atraso-potecircncia (DP) Assim a Tabela 48 mostra os valores obtidos no

40

caacutelculo destes paracircmetros Como a potecircncia estaacutetica independe da frequecircncia do sinal de

entrada o seu valor eacute o mesmo nos dois casos

Tabela 48 Potecircncia dissipada por cada porta inversora para interconexotildees ideais

Frequecircncia PE (nW) PD (nW) P (nW) DP (10-18

Wmiddots)

10 GHz 4838 125 4963 020

100 GHz 4838 125 6088 012

As Tabelas 47 e 48 serviratildeo de referecircncia para as anaacutelises da rede com interconexotildees natildeo-

ideais analisadas na subseccedilatildeo seguinte As Figuras 47 e 48 ilustram o sinal de saiacuteda das

redes com frequecircncias de 10 GHz e de 100 GHz respectivamente Eacute possiacutevel observar que

na frequecircncia de 100 GHz o sinal de saiacuteda jaacute eacute distorcido em relaccedilatildeo ao sinal de referecircncia

(Figura 46)

Figura 47 Sinal de entrada (em verde) e sinal de saiacuteda (em preto) da rede a 10 GHz

Figura 48 Sinal de entrada (em verde) e sinal de saiacuteda (em preto) da rede a 100 GHz

41

442 Anaacutelise da rede com interconexotildees natildeo-ideais

Apoacutes obter as caracteriacutesticas da rede H-tree clock com interconexotildees ideais a anaacutelise da

rede com interconexotildees natildeo-ideais seraacute feita Primeiramente eacute importante verificar a

frequecircncia em -3dB do sinal depois das interconexotildees ou seja na entrada da porta

inversora Caso essa frequecircncia seja menor que a frequecircncia de 3200 GHz obtida com

interconexotildees ideais entatildeo a interconexatildeo afetaraacute o comportamento da rede A Tabela 49

mostra a frequecircncia em -3dB na entrada da inversora para interconexotildees natildeo-ideais

Tabela 49 Frequecircncia em -3dB na entrada da inversora para interconexotildees natildeo-ideais

Comprimentos (l2 l) Material f-3dB

50nm 100nm SWCNT bundle 122 THz

Cobre 175 THz

200nm 400nm SWCNT bundle 31 THz

Cobre 8606 GHz

500nm 1microm SWCNT bundle 12 THz

Cobre 1268 GHz

Assim verifica-se que a interconexatildeo de cobre da rede 500nm1microm possui frequecircncia em

-3dB abaixo da frequecircncia do circuito com interconexatildeo ideal (3200 GHz) Isso indica que

esta interconexatildeo interfere significativamente no comportamento da rede A Tabela 49

mostra tambeacutem que a banda passante da interconexatildeo de cobre soacute eacute maior que a da

interconexatildeo de SWCNT bundle no primeiro caso na rede de 50nm100nm o que mostra

uma vantagem do SWCNT bundle em relaccedilatildeo ao cobre A partir dessas informaccedilotildees a

rede H-tree clock com interconexotildees natildeo-ideais seraacute analisada detalhadamente

4421 Anaacutelise da rede a 10 GHz

As redes com interconexotildees natildeo-ideais seratildeo analisadas na frequecircncia de 10 GHz para

diferentes comprimentos Primeiramente o niacutevel loacutegico baixo (NB) o niacutevel loacutegico alto

(NA) o tempo de subida (tr) e o slew rate de subida (SR) foram obtidos conforme mostra a

Tabela 410 Com base nessa tabela verifica-se que na frequecircncia de 10 GHz essas

caracteriacutesticas natildeo foram modificadas pelas interconexotildees natildeo-ideais independentemente

do comprimento Os valores dos paracircmetros satildeo iguais aos obtidos na rede com

interconexatildeo ideal conforme Tabela 47 O sinal obtido na saiacuteda de cada inversor eacute igual

ao ilustrado na Figura 47

42

Tabela 410 Niacuteveis loacutegicos tempo de subida e slew rate dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 10 GHz

Freq L (l2l) Material NB(mV) NA(mV) tr(ps) SR(Vns)

10

GHz

50nm

100nm

SWCNT bundle 675 4518 356 8636

Cobre 675 4518 356 8636

200nm

400nm

SWCNT bundle 675 4518 356 8636

Cobre 675 4518 356 8636

500nm

1microm

SWCNT bundle 675 4518 356 8636

Cobre 675 4518 356 8636

A Tabela 411 mostra a atenuaccedilatildeo tempo de atraso potecircncia total dissipada e o produto

atraso-potecircncia obtidos a frequecircncia de 10 GHz para interconexotildees natildeo-ideais Observa-se

que a atenuaccedilatildeo do sinal e a potecircncia total dissipada por cada porta inversora permanecem

os mesmos em relaccedilatildeo agrave interconexatildeo ideal mostrando que a essa frequecircncia as

interconexotildees natildeo-ideais natildeo interferem nestes paracircmetros

Jaacute o atraso na propagaccedilatildeo do sinal no caso do cobre aumenta agrave medida que as

interconexotildees aumentam de comprimento aumentando tambeacutem o produto atraso-potecircncia

Esse atraso chega a 66 do periacuteodo do sinal de entrada para a interconexatildeo 500nm1microm

de cobre No entanto estes paracircmetros natildeo satildeo afetados pelas interconexotildees de SWCNT

bundle indicando que este material se sobressai em relaccedilatildeo ao cobre

Tabela 411 Atenuaccedilatildeo atraso potecircncia e produto atraso-potecircncia dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 10 GHz

Freq L (l2l) Material A (dB) td (ps) P (nW) DP(10-18

Wmiddots)

10

GHz

50nm

100nm

SWCNT bundle -264 412 4963 020

Cobre -264 412 4963 020

200nm

400nm

SWCNT bundle -264 412 4963 020

Cobre -264 438 4963 022

500nm

1microm

SWCNT bundle -264 412 4963 020

Cobre -264 659 4963 033

4422 Anaacutelise da rede a 100 GHz

As redes com interconexotildees natildeo-ideais seratildeo analisadas na frequecircncia de 100 GHz para

diferentes comprimentos O niacutevel loacutegico baixo (NB) o niacutevel loacutegico alto (NA) o tempo de

subida (tr) e o slew rate de subida (SR) foram obtidos conforme mostra a Tabela 412 Jaacute a

43

Tabela 413 mostra a atenuaccedilatildeo tempo de atraso potecircncia total dissipada e o produto

atraso-potecircncia obtidos a frequecircncia de 100 GHz para interconexotildees natildeo-ideais

Tabela 412 Niacuteveis loacutegicos tempo de subida e slew rate dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 100 GHz

Freq L (l2l) Material NB(mV) NA(mV) tr(ps) SR(Vns)

100

GHz

50nm

100nm

SWCNT bundle 678 4272 316 9099

Cobre 675 4277 323 9107

200nm

400nm

SWCNT bundle 678 4299 315 9196

Cobre 677 4089 289 9447

500nm

1microm

SWCNT bundle 678 4418 300 9973

Cobre 635 1766 102 6795

Tabela 413 Atenuaccedilatildeo atraso potecircncia e produto atraso-potecircncia dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 100 GHz

Freq L (l2l) Material A (dB) td (ps) P (nW) DP(10-18

Wmiddots)

100

GHz

50nm

100nm

SWCNT bundle -2703 189 6088 012

Cobre -2685 191 6088 012

200nm

400nm

SWCNT bundle -2693 188 6088 012

Cobre -2698 228 6088 014

500nm

1microm

SWCNT bundle -2673 174 6088 011

Cobre -2893 388 6088 024

A partir das Tabelas 412 e 413 o SWCNT bundle seraacute analisado Observa-se que os seus

niacuteveis loacutegicos altos aumentam com o aumento do comprimento das interconexotildees

aumentando tambeacutem o slew rate de subida Esse comportamento ocorre provavelmente

devido ao efeito ressonante provocado pela indutacircncia que provoca um pico no graacutefico da

frequumlecircncia antes dele comeccedilar a decair conforme explicado na subseccedilatildeo 421 Isso implica

na diminuiccedilatildeo da atenuaccedilatildeo do sinal e do atraso No entanto o produto atraso-potecircncia

permanece praticamente invariaacutevel jaacute que a potecircncia total dissipada natildeo se altera

Em relaccedilatildeo agraves interconexotildees de cobre verifica-se que as distorccedilotildees satildeo significativas Agrave

medida que o comprimento aumenta a atenuaccedilatildeo do sinal de saiacuteda aumenta Isso provoca

diminuiccedilatildeo no slew rate do sinal o que natildeo eacute desejado jaacute que o sinal demora mais para

atingir o niacutevel loacutegico alto Aleacutem disso o atraso na propagaccedilatildeo do sinal aumenta bastante

chegando a 388 do periacuteodo do sinal de entrada para a interconexatildeo 500nm1microm

Consequentemente o produto atraso-potecircncia tambeacutem aumenta sendo o dobro do valor de

44

referecircncia (interconexotildees ideais) A Figura 49 ilustra o sinal de saiacuteda da interconexatildeo

500nm1microm de cobre

Figura 49 Sinal de entrada (em verde) e sinal de saiacuteda (em preto) da rede a 100 GHz para

a interconexatildeo 500nm1microm de cobre

Comparando-se as potecircncias das tabelas 47 48 411 413 verifica-se que natildeo haacute

alteraccedilatildeo na potecircncia total dissipada pelo circuito com interconexotildees ideais e pelos

circuitos com interconexotildees natildeo-ideais para uma mesma frequecircncia Assim eacute importante

destacar que a dissipaccedilatildeo de potecircncia das interconexotildees de SWCNT bundle e de cobre natildeo

interfere na potecircncia total dissipada pelo circuito

443 Consideraccedilotildees Finais

Apoacutes analisar as interconexotildees locais de SWCNT de SWCNT bundle e de cobre

verificou-se que as interconexotildees de SWCNT bundle possuem desempenho comparaacutevel ao

das interconexotildees de cobre Em relaccedilatildeo agraves interconexotildees intermediaacuterias as de SWCNT

bundle apresentam desempenho superior agraves de cobre Jaacute as interconexotildees de SWCNT

isolado tanto para interconexotildees locais como para interconexotildees intermediaacuterias

apresentam desempenho inferior agraves interconexotildees de SWCNT bundle e de cobre natildeo

sendo propiacutecias a serem utilizadas em interconexotildees de circuitos integrados

Na anaacutelise das interconexotildees natildeo-ideais na rede H-tree clock mono-eleacutetron para a

frequecircncia de 10GHz observou-se que o niacutevel loacutegico baixo o niacutevel loacutegico alto o tempo de

subida o slew rate de subida a atenuaccedilatildeo do sinal e a potecircncia total dissipada por cada

porta inversora permanecem os mesmos em relaccedilatildeo agrave interconexatildeo ideal mostrando que

45

para esta frequecircncia as interconexotildees natildeo-ideais natildeo interferem nestes paracircmetros Jaacute o

atraso na propagaccedilatildeo do sinal no caso do cobre aumenta agrave medida que as interconexotildees

aumentam de comprimento aumentando tambeacutem o produto atraso-potecircncia No entanto

estes paracircmetros natildeo satildeo afetados pelas interconexotildees de SWCNT bundle indicando que

este material se sobressai em relaccedilatildeo ao cobre

Jaacute para a rede H-tree clock mono-eleacutetron a 100GHz observou-se que o circuito com

interconexotildees natildeo-ideais afetou bastante os paracircmetros em anaacutelise se comparados aos

obtidos para interconexotildees ideais Verificou-se que as distorccedilotildees provocadas pelas

interconexotildees de cobre foram significativas indicando que as interconexotildees de SWCNT

bundle possuem melhor desempenho que as de cobre

Assim constata-se que as interconexotildees de SWCNT bundle satildeo fortes candidatas a

substituirem as interconexotildees de cobre em circuitos em escala giga (GSI) e tera (TSI)

46

5 CONCLUSOtildeES

Nesta dissertaccedilatildeo o estudo das interconexotildees de SWCNT de SWCNT bundle e de cobre

foi realizado analisando e comparando os seus desempenhos para diferentes

comprimentos A partir desse estudo verificou-se que as interconexotildees de SWCNT bundle

possui desempenho comparaacutevel ao das interconexotildees de cobre no caso de interconexotildees

locais Em relaccedilatildeo agraves interconexotildees intermediaacuterias as de SWCNT bundle apresentam

desempenho superior agraves de cobre

As interconexotildees de SWCNT bundle e as interconexotildees de cobre foram entatildeo simuladas na

rede H-tree clock de dois niacuteveis para diferentes comprimentos e frequecircncias Nos pontos

de destino final da rede foram colocadas portas inversoras formadas por SETs permitindo

a anaacutelise de circuitos nanoeletrocircnicos

A partir da anaacutelise da rede H-tree clock observou-se que as interconexotildees de SWCNT

bundle possuem desempenho melhor que as de cobre principalmente em relaccedilatildeo ao slew

rate agrave atenuaccedilatildeo ao tempo de atraso e ao produto atraso-potecircncia Aleacutem disso a

dissipaccedilatildeo de potecircncia das interconexotildees natildeo-ideais natildeo interferem na potecircncia total

dissipada pelo circuito Assim as interconexotildees de SWCNT bundle satildeo fortes candidatas a

substituirem as interconexotildees de cobre em circuitos em escala giga (GSI) e tera (TSI)

Como perspectivas futuras eacute importante analisar o efeito das interconexotildees de nanotubo de

carbono em circuitos GSI e TSI com outras arquiteturas A anaacutelise das interconexotildees de

CNT tambeacutem deve ser feita em circuitos com tecnologia MOS permitindo a comparaccedilatildeo

entre diferentes tecnologias Aleacutem disso eacute interessante estudar outros tipos de materiais

que possam ser utilizados como interconexotildees em circuitos integrados

47

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53

7 APEcircNDICES

71 TABELAS COMPLEMENTARES

Tabela 71 Paracircmetros obtidos a partir do modelo de SWCNT isolado

L RQ (Ω) RS (Ω) LCNT (10-9

H) CCNT (10-18

F)

10 nm 645103 - 40010

-2 27910

-1

100 nm 645103 - 40010

-1 279

200 nm 645103 - 80010

-1 558

300 nm 645103 - 120 837

400 nm 645103 - 160 11210

1

500 nm 645103 - 200 14010

1

600 nm 645103 - 240 16710

1

700 nm 645103 - 280 19510

1

800 nm 645103 - 320 22310

1

900 nm 645103 - 360 25110

1

1 microm 645103 - 400 27910

1

10 microm 645103 64510

4 40010

1 27910

2

100 microm 645103 64510

5 40010

2 27910

3

200 microm 645103 12910

6 80010

2 55810

3

300 microm 645103 19410

6 12010

3 83710

3

400 microm

645103 25810

6 16010

3 11210

4

500 microm

645103 32310

6 20010

3 14010

4

Tabela 72 Paracircmetros obtidos a partir do modelo de SWCNT bundle

L RQ (Ω) RS (Ω) LBundle(10-9

H) CBundle(10-18

F)

10 nm 1075 - 66710-5

135

100 nm 1075 - 66710-4

135101

200 nm 1075 - 13310-3

270101

300 nm 1075 - 20010-3

405101

400 nm 1075 - 26710-3

540101

500 nm 1075 - 33310-3

675101

600 nm 1075 - 40010-3

810101

700 nm 1075 - 46710-3

945101

800 nm 1075 - 53310-3

108102

900 nm 1075 - 60010-3

122102

1 microm 1075 - 66710-3

135102

10 microm 1075 108102 66710

-2 13510

3

100 microm 1075 108103 66710

-1 13510

4

200 microm 1075 215103 133 27010

4

300 microm 1075 323103 200 40510

4

400 microm

1075 430103 267 54010

4

500 microm

1075 538103 333 67510

4

54

Tabela 73 Paracircmetros obtidos a partir do modelo de cobre

L RCu (Ω) LCu (10-9

H) CCu (10-18

F)

10 nm 06 37310-6

150

100 nm 60 63610-5

150101

200 nm 120 17510-4

300101

300 nm 180 30910-4

450101

400 nm 240 45410-4

600101

500 nm 300 61110-4

750101

600 nm 360 77510-4

900101

700 nm 420 94610-4

105102

800 nm 480 11210-3

120102

900 nm 540 13110-3

135102

1 microm 600 14910-3

150102

10 microm 60102 24010

-2 15010

3

100 microm 60103 33210

-1 15010

4

200 microm 12104 72010

-1 30010

4

300 microm 18104 113 45010

4

400 microm

24104 155 60010

4

500 microm

30104 198 75010

4

55

Tabela 74 Frequecircncia em -3dB das interconexotildees locais

Comprimento Material f-3dB

10 nm SWCNT isolado 253 GHz

SWCNT bundle 66 THz

Cobre 232 THz

100 nm SWCNT isolado 300 GHz

SWCNT bundle 20 THz

Cobre 51 THz

200 nm SWCNT isolado 342 GHz

SWCNT bundle 14 THz

Cobre 29 THz

300 nm SWCNT isolado 344 GHz

SWCNT bundle 11 THz

Cobre 20 THz

400 nm SWCNT isolado 329 GHz

SWCNT bundle 89 THz

Cobre 15 THz

500 nm SWCNT isolado 307 GHz

SWCNT bundle 76 THz

Cobre 12 THz

600 nm SWCNT isolado 288 GHz

SWCNT bundle 67 THz

Cobre 94 THz

700 nm SWCNT isolado 271 GHz

SWCNT bundle 61 THz

Cobre 76 THz

800 nm SWCNT isolado 255 GHz

SWCNT bundle 55 THz

Cobre 63 THz

900 nm SWCNT isolado 240 GHz

SWCNT bundle 51 THz

Cobre 52 THz

1 microm SWCNT isolado 230 GHz

SWCNT bundle 47 THz

Cobre 42 THz

56

Tabela 75 Frequecircncia em -3dB das interconexotildees intermediaacuterias

Comprimento Material f-3dB

10 microm SWCNT isolado 26 GHz

SWCNT bundle 527 GHz

Cobre 34 GHz

100 microm SWCNT isolado 32 MHz

SWCNT bundle 42 GHz

Cobre 345 MHz

200 microm SWCNT isolado 82 MHz

SWCNT bundle 10 GHz

Cobre 87 MHz

300 microm SWCNT isolado 36 MHz

SWCNT bundle 455 MHz

Cobre 38 MHz

400 microm SWCNT isolado 21 MHz

SWCNT bundle 256 MHz

Cobre 21 MHz

500 microm SWCNT isolado 13 MHz

SWCNT bundle 165 MHz

Cobre 14 MHz

57

8 ANEXOS

81 COacuteDIGO SPICE DO SET [44]

Transistor mono-eleacutetron (SET) conexotildees fonte | dreno | | porta1 | | | porta2 | | | | SUBCKT SET 1 2 3 4 PARAMS +C1=1E-20 Capacitacircncia da junccedilatildeo 1 +C2=1E-20 Capacitacircncia da junccedilatildeo 2 +R1=1E5 Resistecircncia da junccedilatildeo 1 +R2=1E5 Resistecircncia da junccedilatildeo 2 +Cg1=015E-18 Capacitacircncia da junccedilatildeo 1 +Cg2=0 Capacitacircncia da junccedilatildeo 2 +C0=0 Capacitacircncia proacutepria da ilha +Q0=005 Carga offset em unidades de e +TEMP=300 Temperatura PARAM E=160217733E-19 Carga do eleacutetron (e) PARAM CSUM=C1+C2+Cg1+Cg2+C0 Capacitacircncia total do SET PARAM T=TEMPCSUM53785467E14 Temperatura normalizada 53785467E14 = kBe^2 PARAM RN1=R1(R1+R2) Resistecircncia da junccedilatildeo 1 normalizada PARAM RN2=R2(R1+R2) Resistecircncia da junccedilatildeo 2 normalizada FUNC Q(v1v2v3v4) (Cg1v3+Cg2v4+C1v1+C2v2)E+Q0 Definiccedilatildeo da carga em unidades de e FUNC VN(v) CSUMvE Tensatildeo normalizada FUNC GAMMA(u) IF(T==0IF(ult0-u0)IF(u==0Tu(EXP(uT)-1))) FUNC N_OPT(v1v2v3v4) ROUND(-Q(v1v2v3v4)+(CSUME) (v1RN2+v2RN1)) A maior probabilidade de carga na ilha em unidades de e Os quarto eventos tuacuteneis FUNC R1L(nv1v2v3v4) GAMMA(05 - n - Q(v1v2v3v4) + VN(v1))RN1 FUNC R1R(nv1v2v3v4) GAMMA(05 + n + Q(v1v2v3v4) - VN(v1))RN1 FUNC R2L(nv1v2v3v4) GAMMA(05 + n + Q(v1v2v3v4) - VN(v2))RN2 FUNC R2R(nv1v2v3v4) GAMMA(05 - n - Q(v1v2v3v4) + VN(v2))RN2

58

determinaccedilatildeo das probabilidades relativas assume-se inicialmente que o estado da carga N_OPT tem probabilidade relativa igual a um FUNC PN_1(nv1v2v3v4) (R1L(nv1v2v3v4)+R2R(nv1v2v3v4))(R1R(n-1v1v2v3v4)+R2L(n-1v1v2v3v4)) FUNC PN_2(nv1v2v3v4) PN_1(nv1v2v3v4) +(R1L(n-1v1v2v3v4)+R2R(n-1v1v2v3v4))(R1R(n-2v1v2v3v4)+R2L(n-2v1v2v3v4)) FUNC PN_3(nv1v2v3v4) PN_2(nv1v2v3v4) +(R1L(n-2v1v2v3v4)+R2R(n-2v1v2v3v4))(R1R(n-3v1v2v3v4)+R2L(n-3v1v2v3v4)) FUNC PN_4(nv1v2v3v4) PN_3(nv1v2v3v4) +(R1L(n-3v1v2v3v4)+R2R(n-3v1v2v3v4))(R1R(n-4v1v2v3v4)+R2L(n-4v1v2v3v4)) FUNC PN_5(nv1v2v3v4) PN_4(nv1v2v3v4) +(R1L(n-4v1v2v3v4)+R2R(n-4v1v2v3v4))(R1R(n-5v1v2v3v4)+R2L(n-5v1v2v3v4)) FUNC PN1(nv1v2v3v4) (R2L(nv1v2v3v4) +R1R(nv1v2v3v4))(R2R(n+1v1v2v3v4)+R1L(n+1v1v2v3v4)) FUNC PN2(nv1v2v3v4) PN1(nv1v2v3v4) +(R2L(n+1v1v2v3v4)+R1R(n+1v1v2v3v4))(R2R(n+2v1v2v3v4)+R1L(n+2v1v2v3v4)) FUNC PN3(nv1v2v3v4) PN2(nv1v2v3v4) +(R2L(n+2v1v2v3v4)+R1R(n+2v1v2v3v4))(R2R(n+3v1v2v3v4)+R1L(n+3v1v2v3v4)) FUNC PN4(nv1v2v3v4) PN3(nv1v2v3v4) +(R2L(n+3v1v2v3v4)+R1R(n+3v1v2v3v4))(R2R(n+4v1v2v3v4)+R1L(n+4v1v2v3v4)) FUNC PN5(nv1v2v3v4) PN4(nv1v2v3v4) +(R2L(n+4v1v2v3v4)+R1R(n+4v1v2v3v4))(R2R(n+5v1v2v3v4)+R1L(n+5v1v2v3v4)) FUNC PSUM(nv1v2v3v4) PN_5(nv1v2v3v4)+PN_4(nv1v2v3v4)+PN_3(nv1v2v3v4)+PN_2(nv1v2v3v4) ++PN_1(nv1v2v3v4)+1+PN1(nv1v2v3v4)+PN2(nv1v2v3v4)+PN3(nv1v2v3v4) ++PN4(nv1v2v3v4)+PN5(nv1v2v3v4)

59

caacutelculo da corrente da fonte para o dreno FUNC CUR(nv1v2v3v4) PN_5(nv1v2v3v4)(R1R(n-5v1v2v3v4)-R1L(n-5v1v2v3v4)) ++PN_4(nv1v2v3v4)(R1R(n-4v1v2v3v4)-R1L(n-4v1v2v3v4)) ++PN_3(nv1v2v3v4)(R1R(n-3v1v2v3v4)-R1L(n-3v1v2v3v4)) ++PN_2(nv1v2v3v4)(R1R(n-2v1v2v3v4)-R1L(n-2v1v2v3v4)) ++PN_1(nv1v2v3v4)(R1R(n-1v1v2v3v4)-R1L(n-1v1v2v3v4)) ++(R1R(nv1v2v3v4)-R1L(nv1v2v3v4)) ++PN1(nv1v2v3v4)(R1R(n+1v1v2v3v4)-R1L(n+1v1v2v3v4)) ++PN2(nv1v2v3v4)(R1R(n+2v1v2v3v4)-R1L(n+2v1v2v3v4)) ++PN3(nv1v2v3v4)(R1R(n+3v1v2v3v4)-R1L(n+3v1v2v3v4)) ++PN4(nv1v2v3v4)(R1R(n+4v1v2v3v4)-R1L(n+4v1v2v3v4)) ++PN5(nv1v2v3v4)(R1R(n+5v1v2v3v4)-R1L(n+5v1v2v3v4)) FUNC CURRENT(nv1v2v3v4) ECUR(nv1v2v3v4)(CSUMPSUM(nv1v2v3v4)(R1+R2)) caacutelculo da tensatildeo da ilha FUNC VOLT(nv1v2v3v4) PN_5(nv1v2v3v4)(n-5+Q(v1v2v3v4)) ++PN_4(nv1v2v3v4)(n-4+Q(v1v2v3v4)) ++PN_3(nv1v2v3v4)(n-3+Q(v1v2v3v4)) ++PN_2(nv1v2v3v4)(n-2+Q(v1v2v3v4)) ++PN_1(nv1v2v3v4)(n-1+Q(v1v2v3v4)) ++n+Q(v1v2v3v4) ++PN1(nv1v2v3v4)(n+1+Q(v1v2v3v4)) ++PN2(nv1v2v3v4)(n+2+Q(v1v2v3v4)) ++PN3(nv1v2v3v4)(n+3+Q(v1v2v3v4)) ++PN4(nv1v2v3v4)(n+4+Q(v1v2v3v4)) ++PN5(nv1v2v3v4)(n+5+Q(v1v2v3v4)) FUNC VOLTAGE(nv1v2v3v4) (ECSUM)VOLT(nv1v2v3v4)PSUM(nv1v2v3v4) E1 5 0 VALUE= VOLTAGE(N_OPT(V(1)V(2)V(3)V(4))V(1)V(2)V(3)V(4)) Tensatildeo da ilha G1 1 2 VALUE= CURRENT(N_OPT(V(1)V(2)V(3)V(4))V(1)V(2)V(3)V(4)) Corrente da fonte para o dreno CT1 1 5 C1 CT2 2 5 C2 CGATE1 3 5 CG1 CGATE2 4 5 CG2 ENDS SET

Page 3: ANÁLISE COMPARATIVA ENTRE ... - repositorio.unb.brrepositorio.unb.br/.../1/2012_CamilaPeixotoSilvaMadeiraNogueira.pdf · Prof. Stefan Michael Blawid, ... Deus colocou esses dois

iii

FICHA CATALOGRAacuteFICA

NOGUEIRA CAMILA PEIXOTO DA SILVA MADEIRA

Anaacutelise Comparativa entre Interconexotildees de Nanotubo de Carbono e Interconexotildees de Cobre

para Circuitos GSITSI [Distrito Federal] 2012

xiii 72p 210 x 297 mm (ENEFTUnB Mestre Engenharia de Sistemas Eletrocircnicos e de

Automaccedilatildeo 2012)

Dissertaccedilatildeo de Mestrado ndash Universidade de Brasiacutelia Faculdade de Tecnologia

Departamento de Engenharia Eleacutetrica

1Nanoeletocircnica 2Interconexatildeo

3Nanotubo de carbono 4Transistor mono-eleacutetron

I ENEFTUnB II Tiacutetulo (seacuterie)

REFEREcircNCIA BIBLIOGRAacuteFICA

NOGUEIRA C P S M (2012) Anaacutelise Comparativa entre Interconexotildees de Nanotubo

de Carbono e Interconexotildees de Cobre para Circuitos GSITSI Dissertaccedilatildeo de Mestrado em

Engenharia de Sistemas Eletrocircnicos e de Automaccedilatildeo Publicaccedilatildeo PPGEADM-4882012

Departamento de Engenharia Eleacutetrica Universidade de Brasiacutelia Brasiacutelia DF 72p

CESSAtildeO DE DIREITOS

AUTORA Camila Peixoto da Silva Madeira Nogueira

TIacuteTULO Anaacutelise Comparativa entre Interconexotildees de Nanotubo de Carbono e

Interconexotildees de Cobre para Circuitos GSITSI

GRAU Mestre ANO 2012

Eacute concedida agrave Universidade de Brasiacutelia permissatildeo para reproduzir coacutepias desta dissertaccedilatildeo

de mestrado e para emprestar ou vender tais coacutepias somente para propoacutesitos acadecircmicos e

cientiacuteficos A autora reserva outros direitos de publicaccedilatildeo e nenhuma parte dessa

dissertaccedilatildeo de mestrado pode ser reproduzida sem autorizaccedilatildeo por escrito do autor

____________________________

Camila Peixoto da Silva Madeira Nogueira

SQS 216 bloco J apto 305 Asa Sul

70295-100 Brasiacutelia ndash DF ndash Brasil

iv

DEDICATOacuteRIA

A Deus

v

AGRADECIMENTOS

Agradeccedilo a todas as pessoas que fizeram parte de alguma forma de mais essa etapa da

minha vida Agrave minha famiacutelia e aos meus amigos muito obrigada

Gostaria de destacar duas pessoas em especial que me ajudaram bastante neste processo

Janaina e Bianca Deus colocou esses dois anjos perto de mim em um periacuteodo crucial da

minha vida Sem elas esta etapa teria sido muito mais difiacutecil Agradeccedilo agrave Janaina por todo

auxiacutelio que me deu nesta dissertaccedilatildeo e pelas palavras de carinho quando eu mais precisei

Agradeccedilo agrave Bi por ser essa amiga querida e sincera sempre me apoiando em tudo

Obrigada por tudo

Sem duacutevida a providecircncia divina me apontando o caminho foi o que me fez chegar ateacute

aqui Obrigada meu Senhor meu Deus por mais essa conquista

vi

RESUMO

ANAacuteLISE COMPARATIVA ENTRE INTERCONEXOtildeES DE

NANOTUBO DE CARBONO E INTERCONEXOtildeES DE COBRE PARA

CIRCUITOS GSITSI

Autora Camila Peixoto da Silva Madeira Nogueira

Orientadora Janaina Gonccedilalves Guimaratildees

Programa de Poacutes-Graduaccedilatildeo em Engenharia de Sistemas Eletrocircnicos e de Automaccedilatildeo

Brasiacutelia setembro de 2012

Nesta dissertaccedilatildeo seraacute realizado o estudo de nanotubos de carbono como possiacuteveis

substitutos do cobre em interconexotildees em circuitos integrados GSI e TSI Dessa forma os

modelos de circuitos do SWCNT (single-walled carbon nanotube) e do cobre seratildeo

apresentados e o estudo comparativo do desempenho destes materiais seraacute realizado

considerando diferentes comprimentos das interconexotildees Aleacutem disso o efeito destas

interconexotildees seraacute analisado na rede H-tree clock com inversores em seus terminais

tambeacutem para diferentes comprimentos Os inversores utilizados satildeo formados por

dispositivos de tunelamento mono-eleacutetron Com este propoacutesito as interconexotildees seratildeo

simuladas usando o software LTSPICE

vii

ABSTRACT

COMPARATIVE ANALYSIS BETWEEN CARBON NANOTUBE

INTERCONNECTS AND COPPER INTERCONNECTS FOR GSITSI

CIRCUITS

Author Camila Peixoto da Silva Madeira Nogueira

Supervisor Janaina Gonccedilalves Guimaratildees

Programa de Poacutes-Graduaccedilatildeo em Engenharia de Sistemas Eletrocircnicos e de Automaccedilatildeo

Brasiacutelia September 2012

In this work carbon nanotubes as possible candidates to replace copper as interconnects in

GSI and TSI integrated circuits are studied The circuit model of SWCNT (single-walled

carbon nanotube) and of copper are presented and a comparison between both materials is

studied considering different interconnect lengths In addition interconnects effect is

analyzed in the H-tree clock network using inverters in its ends The inverters are formed

by mono-electron tunneling devices For this purpose the interconnects will be simulated

using LTSPICE software

viii

SUMAacuteRIO

1 INTRODUCcedilAtildeO 1

11 OBJETIVOS 2

12 ORGANIZACcedilAtildeO 2

2 FUNDAMENTACcedilAtildeO TEOacuteRICA 3

21 INTERCONEXOtildeES 14

211 Limitaccedilotildees do cobre em relaccedilatildeo ao CNT 3

212 Caracteriacutesticas do CNT 3

213 Modelos de Interconexatildeo 6

2131 Modelo de interconexatildeo de SWCNT isolado 6

2132 Modelo de interconexatildeo de SWCNT bundle 8

2133 Modelo de interconexatildeo de cobre 11

22 INVERSOR MONO-ELEacuteTRON 14

221 Dispositivo de tunelamento mono-eleacutetron 14

222 Estrutura do inversor mono-eleacutetron 18

23 CLOCKING DE SISTEMAS DE ALTA VELOCIDADE 19

231 H-tree clock 21

24 MEDIDAS DE DESEMPENHO NA ANAacuteLISE DAS INTERCONEXOtildeES 22

241 Velocidade maacutexima - anaacutelise na frequecircncia 22

242 Atenuaccedilatildeo 23

243 Tempo de atraso 23

244 Potecircncia dissipada 23

245 Produto atraso-potecircncia 24

246 Slew rate 24

25 LTSPICE 24

3 METODOLOGIA 26

31 INTRODUCcedilAtildeO 26

32 ETAPAS E ESTRATEacuteGIAS ADOTADAS 26

321 Simulaccedilatildeo das interconexotildees 26

322 Simulaccedilatildeo do inversor mono-eleacutetron 28

323 Simulaccedilatildeo do H-tree clock mono-eleacutetron 28

ix

4 RESULTADOS E ANAacuteLISES 31

41 INTRODUCcedilAtildeO 31

42 ANAacuteLISE DAS INTERCONEXOtildeES 31

421 Interconexotildees Locais 31

422 Interconexotildees Intermediaacuterias 35

43 SIMULACcedilAtildeO DO INVERSOR MONO-ELEacuteTRON 37

44 ANAacuteLISE DAS INTERCONEXOtildeES NO H-TREE CLOCK MONO-ELEacuteTRON 39

441 Anaacutelise da rede com interconexotildees ideais 39

442 Anaacutelise da rede com interconexotildees natildeo-ideais 41

4421 Anaacutelise da rede a 10 GHz 41

4422 Anaacutelise da rede a 100 GHz 42

443 Consideraccedilotildees Finais 44

5 CONCLUSOtildeES 46

6 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS 47

7 APEcircNDICES 53

71 TABELAS COMPLEMENTARES 53

8 ANEXOS 57

81 COacuteDIGO SPICE DO SET [44] 57

x

LISTA DE FIGURAS

Figura 21 Estrutura de uma lacircmina de grafeno (esquerda) do SWCNT (meio) e do

MWCNT (direita) [13] 4

Figura 22 Estrutura do SWCNT bundle [16] 4

Figura 23 Estrutura do (i) armchair (ii) zig-zag e (iii) quiral [24] 5

Figura 24 Modelo de interconexatildeo do SWCNT isolado (modificado de [33]) 8

Figura 25 Separaccedilatildeo miacutenima entre CNTs devido agrave forccedila de Van der Waals (modificado de

[13]) 9

Figura 26 Nuacutemero de CNTs ao longo da largura (nW) e da altura (nH) do CNT bundle

[13] 10

Figura 27 Modelo de interconexatildeo de cobre 13

Figura 28 Siacutembolo e tabela verdade da porta NOT 14

Figura 29 Dois eletrodos separados por uma ilha [10] 15

Figura 210 Esquemaacutetico da junccedilatildeo-tuacutenel [10] 15

Figura 211 Diagramas de energia (a) Bloqueio de Coulomb (b) Tunelamento mono-

eleacutetron [10] 16

Figura 212 Caracteriacutestica do bloqueio de Coulomb [10] 17

Figura 213 Transistor mono-eleacutetron [10] 18

Figura 214 Caracteriacutestica corrente(I) versus tensatildeo (Vg) do transistor mono-eleacutetron [10] 18

Figura 215 Esquemaacutetico do inversor utilizando SETs (modificado de [4]) 19

Figura 216 Estruturas comuns de redes de distribuiccedilatildeo de clock [45] 20

Figura 217 Esquemaacutetico do H-tree clock simeacutetrico (modificado de [46]) 21

Figura 218 Graacutefico do moacutedulo do ganho pela frequumlecircncia tiacutepico do comportamento de

interconexotildees 22

Figura 31 Circuito simulado para cada interconexatildeo 27

Figura 32 Fluxograma das etapas seguidas na simulaccedilatildeo das interconexotildees 28

Figura 33 Esquemaacutetico do H-tree clock com os comprimentos de cada seguimento 29

Figura 34 Fluxograma das etapas seguidas na simulaccedilatildeo do H-tree clock 30

Figura 41 Frequecircncia versus comprimento das interconexotildees locais 32

Figura 42 Graacuteficos da magnitude das interconexotildees de SWCNT isolado (superior)

SWCNT bundle (meio) e cobre (inferior) com comprimento de 100nm 34

Figura 43 Frequecircncia versus comprimento das interconexotildees intermediaacuterias 35

xi

Figura 44 Esquemaacutetico do SET e os valores de seus paracircmetros 37

Figura 45 Esquemaacutetico do inversor mono-eleacutetron e os valores de seus paracircmetros

(modificado de [4]) 38

Figura 46 Curva do sinal de entrada (em verde) e do sinal de saiacuteda (em preto) do inversor

mono-eleacutetron 38

Figura 47 Sinal de entrada (em verde) e sinal de saiacuteda (em preto) da rede a 10 GHz 40

Figura 48 Sinal de entrada (em verde) e sinal de saiacuteda (em preto) da rede a 100 GHz 40

Figura 49 Sinal de entrada (em verde) e sinal de saiacuteda (em preto) da rede a 100 GHz para

a interconexatildeo 500nm1microm de cobre 44

xii

LISTA DE TABELAS

Tabela 41 Frequecircncia em -3dB de cada material para lCNT le λCNT 32

Tabela 42 Estudo das interconexotildees com comprimentos na faixa lCNT le λCNT 33

Tabela 43 Estudo das interconexotildees SWCNT bundle e cobre com comprimentos na faixa

lCNT le λCNT 33

Tabela 44 Frequecircncia em -3dB de cada material para lCNT gt λCNT 36

Tabela 45 Estudo das interconexotildees com comprimentos na faixa lCNT gt λCNT 36

Tabela 46 Estudo das interconexotildees SWCNT bundle e cobre com comprimentos na faixa

lCNT gt λCNT 37

Tabela 47 Caracteriacutesticas dos sinais de saiacuteda da rede para interconexotildees ideais 39

Tabela 48 Potecircncia dissipada por cada porta inversora para interconexotildees ideais 40

Tabela 49 Frequecircncia em -3dB na entrada da inversora para interconexotildees natildeo-ideais 41

Tabela 410 Niacuteveis loacutegicos tempo de subida e slew rate dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 10 GHz 42

Tabela 411 Atenuaccedilatildeo atraso potecircncia e produto atraso-potecircncia dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 10 GHz 42

Tabela 412 Niacuteveis loacutegicos tempo de subida e slew rate dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 100 GHz 43

Tabela 413 Atenuaccedilatildeo atraso potecircncia e produto atraso-potecircncia dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 100 GHz 43

Tabela 71 Paracircmetros obtidos a partir do modelo de SWCNT isolado 53

Tabela 72 Paracircmetros obtidos a partir do modelo de SWCNT bundle 53

Tabela 73 Paracircmetros obtidos a partir do modelo de cobre 54

Tabela 74 Frequecircncia em -3dB das interconexotildees locais 55

Tabela 75 Frequecircncia em -3dB das interconexotildees intermediaacuterias 56

xiii

LISTA DE SIacuteMBOLOS NOMENCLATURA ABREVIACcedilOtildeES

CNT ndash Carbon nanotube

CVD ndash Chemical Vapor Deposition

GSI ndash Giga Scale Integration

ITRS ndash International Technology Roadmap for Semiconductors

LTSPICE ndash Linear Technology SPICE simulator

MWCNT ndash Multi-walled carbon nanotube

SET ndash Singe-electron transistor

SPICE ndash Simulated Program with Integrated Circuits Emphasis

SWCNT ndash Single-walled carbon nanotube

TSI ndash Tera Scale Integration

1

1 INTRODUCcedilAtildeO

O crescimento da microeletrocircnica e a consequumlente miniaturizaccedilatildeo dos circuitos integrados

foram previstos por Gordon Moore que enunciou que o nuacutemero de transistores em um

circuito integrado dobraria a cada 18 meses considerando a mesma aacuterea e custo previsatildeo

conhecida como Lei de Moore Devido aos problemas enfrentados pelos dispositivos

microeletrocircnicos gerados especialmente pelos efeitos quacircnticos que anteriormente eram

desprezados novas tecnologias como a nanoeletrocircnica vecircm sendo estudadas para dar

continuidade a esse processo de miniaturizaccedilatildeo dos dispositivos [1-10]

Aleacutem disso a miniaturizaccedilatildeo de circuitos integrados tem resultado em grandes desafios no

projeto de interconexotildees que satildeo responsaacuteveis principalmente pelo carregamento da

tensatildeo de alimentaccedilatildeo de cada transistor e pela distribuiccedilatildeo dos sinais de dados As

limitaccedilotildees das interconexotildees as quais podem provocar uma desaceleraccedilatildeo nos progressos

alcanccedilados ateacute hoje pela induacutestria de semicondutores satildeo fatores preocupantes Como

limitaccedilotildees das interconexotildees eacute importante citar o aumento da sua resistividade aumento da

capacitacircncia de acoplamento entre vias dificuldades no controle das suas dimensotildees entre

outras

Assim o estudo aprofundado das interconexotildees levando em consideraccedilatildeo principalmente

seu desempenho eacute de fundamental importacircncia [11-13] Novas tecnologias estatildeo sendo

estudadas para superar as limitaccedilotildees das interconexotildees de cobre no circuito como a

resistividade eleacutetrica e a resistecircncia agrave eletromigraccedilatildeo principalmente em tecnologias

abaixo de 45nm As interconexotildees oacuteticas as interconexotildees de radio frequumlecircncia ou sem fio

e as interconexotildees de nanotubo de carbono (CNT) satildeo algumas candidatas a substituir as

interconexotildees de cobre as quais satildeo as interconexotildees mais utilizadas atualmente [13-17]

Dentre essas possibilidades os CNTs possuem grandes vantagens para interconexotildees em

circuitos integrados em escala GSI (Giga Scale Integration) e TSI (Tera Scale Integration)

[18-20] Eles satildeo considerados soluccedilotildees eficientes para melhorar as limitaccedilotildees do cobre

previstas pelo ITRS (International Technology Roadmap for Semiconductors) [21] como

atraso dissipaccedilatildeo de potecircncia e resistecircncia agrave eletromigraccedilatildeo

2

11 OBJETIVOS

O objetivo desta dissertaccedilatildeo eacute fazer um estudo comparativo entre o desempenho das

interconexotildees de nanotubo de carbono e das interconexotildees de cobre Com esse intuito

preliminarmente o desempenho das interconexotildees de SWCNT (do inglecircs single-walled

carbon nanotube) de SWCNT bundle (vaacuterios SWCNTs dispostos em paralelo como uma

corda) e de cobre seraacute comparado considerando diferentes comprimentos das

interconexotildees

Por fim o efeito das interconexotildees de SWCNT bundle e de cobre seraacute analisado na rede H-

tree clock com inversores mono-eleacutetron em seus terminais tambeacutem para diferentes

comprimentos Assim seraacute possiacutevel analisar se os nanotubos de carbono poderatildeo substituir

o cobre em interconexotildees em circuitos integrados GSI e TSI

12 ORGANIZACcedilAtildeO

No capiacutetulo 2 satildeo apresentados os conceitos fundamentais necessaacuterios agrave correta

compreensatildeo desta pesquisa Seratildeo abordados conceitos referentes agraves interconexotildees de

CNT e cobre aos dispositivos de tunelamento mono-eleacutetron e agrave estrutura do H-tree clock

O capiacutetulo 3 descreve a metodologia utilizada agrave realizaccedilatildeo do objeto de pesquisa desta

dissertaccedilatildeo Assim seratildeo apresentadas as etapas que foram seguidas para analisar o efeito

das interconexotildees em circuitos com transistores mono-eleacutetron

No capiacutetulo 4 os resultados e anaacutelises das simulaccedilotildees das interconexotildees ideais e natildeo-

ideais considerando o SWCNT SWCNT bundle e o cobre satildeo apresentados As

interconexotildees satildeo analisadas tambeacutem nos circuitos H-tree clock

O capiacutetulo 5 apresenta as conclusotildees e as recomendaccedilotildees para trabalhos futuros

3

2 FUNDAMENTACcedilAtildeO TEOacuteRICA

21 INTERCONEXOtildeES

211 Limitaccedilotildees do cobre em relaccedilatildeo ao CNT

As interconexotildees de cobre sofrem inuacutemeros problemas indesejados que aumentam agrave

medida que as interconexotildees diminuem de tamanho Essa diminuiccedilatildeo de tamanho resulta

em interconexotildees menos eficientes no maior consumo de potecircncia e no aumento da

densidade de corrente transportada por cada interconexatildeo [22] De acordo com o ITRS

[21] a densidade de corrente pode atingir valores na ordem de 107 Acm

2 Este valor soacute eacute

suportado por CNTs uma vez que satildeo capazes de suportar densidades de corrente na

ordem de 1010

Acm2 [1317]

Os CNTs tecircm provocado grande interesse nos cientistas desde a sua descoberta em 1991

por Iijima devido agraves excelentes propriedades eleacutetricas teacutermicas e mecacircnicas que possuem

Suas propriedades eleacutetricas permitem que suportem densidades de ateacute 1010

Acm2 sendo

que o cobre suporta densidades inferiores a 107 Acm

2 [1317] O caminho meacutedio livre do

CNT eacute superior ao do cobre o que possibilita um transporte baliacutestico por uma ampla gama

de extensatildeo e isso resulta em uma resistividade menor do CNT [13-17] Aleacutem disso a alta

condutividade teacutermica do CNT que eacute outra limitaccedilatildeo do cobre eacute de fundamental

importacircncia na aplicaccedilatildeo em interconexotildees Essas propriedades possibilitam uma

toleracircncia do CNT agrave eletromigraccedilatildeo a qual eacute uma grande limitaccedilatildeo no desempenho das

interconexotildees de cobre [131719]

212 Caracteriacutesticas do CNT

Os nanotubos de carbono podem ser formados por uma lacircmina de grafeno enrolada

conhecida como SWCNT (single-walled carbon nanotube) ou por vaacuterios tubos

concecircntricos formando uma multicamada conhecida por MWCNT (multi-walled carbon

nanotube) [2324] A Figura 21 ilustra a estrutura de uma lacircmina de grafeno do SWCNT e

do MWCNT

4

Figura 21 ndash Estrutura de uma lacircmina de grafeno (esquerda) do SWCNT (meio) e do

MWCNT (direita) [13]

Eacute importante destacar que os MWCNTs satildeo menos favoraacuteveis para o uso em

interconexotildees jaacute que eles apresentam caminho meacutedio livre menor que os SWCNTs

[1317] Como a resistecircncia de um uacutenico SWCNT pode ter valores altos eacute necessaacuteria a

uniatildeo de vaacuterios dispostos em paralelo como uma corda chamado de bundle para diminuir

o valor da resistecircncia equivalente da interconexatildeo [1315] A Figura 22 ilustra a estrutura

do SWCNT bundle [16]

Figura 22 ndash Estrutura do SWCNT bundle [16]

Dependendo de como a lacircmina eacute enrolada que resulta no acircngulo quiral e nos iacutendices

quirais de sua estrutura o nanotubo pode ser metaacutelico ou semicondutor [131419] Os

iacutendices quirais satildeo identificados por (mn) O nanotubo seraacute metaacutelico quando a diferenccedila

entre os iacutendices quirais for um muacuteltiplo inteiro de 3 e seraacute semicondutor nos outros casos

[13] A estrutura eacute chamada de zig-zag quando m ou n eacute igual a zero podendo ser metaacutelica

ou semicondutora Quando m=n a estrutura eacute denominada armchair sendo sempre

metaacutelica Nos outros casos a estrutura eacute conhecida como quiral e pode ser metaacutelica ou

semicondutora [24] A Figura 23 mostra as estruturas do armchair zig-zag e quiral [24]

5

Figura 23 ndash Estrutura do (i) armchair (ii) zig-zag e (iii) quiral [24]

De acordo com [22] o crescimento dos CNTs geralmente eacute realizado atraveacutes de um dos

seguintes meacutetodos descarga por arco eleacutetrico ablaccedilatildeo a laser e deposiccedilatildeo quiacutemica a vapor

do inglecircs chemical vapor deposition ndash CVD O processo de descarga por arco eleacutetrico tem

sido desenvolvido para preparar MWCNTs e SWCNTs de alta qualidade Neste processo

aacutetomos de carbono satildeo evaporados com um gaacutes de plasma inerte caracterizado por altas

correntes eleacutetricas que passam entre os eletrodos opostos de carbono (caacutetodo e acircnodo)

Normalmente o acircnodo do carbono conteacutem uma pequena porcentagem de catalisador de

metal como o cobalto niacutequel ou ferro Jaacute o meacutetodo de ablaccedilatildeo a laser utiliza um pulso

duplo de lasers para evaporar varetas de grafite dopadas com uma mistura de cobalto e

niacutequel em poacute colocado em um tubo aquecido a temperatura elevada seguido de um

tratamento teacutermico a vaacutecuo

Apesar dos meacutetodos de descarga por arco eleacutetrico e ablaccedilatildeo a laser produzir grandes

quantidades de CNTs de alta qualidade e oferecer uma ampla disponibilidade de CNTs

para estudos e possiacuteveis aplicaccedilotildees existem vaacuterias preocupaccedilotildees associadas com estes dois

meacutetodos de crescimento [22] Dessa forma os meacutetodos de CVD satildeo bastante usados no

crescimento de CNTs com aplicaccedilatildeo em eletrocircnica incluindo interconexotildees [1322] O

processo de crescimento CVD envolve o aquecimento do catalisador a uma temperatura

elevada e a introduccedilatildeo de gaacutes de hidrocarboneto ou de monoacutexido de carbono para dentro

6

do reator O mecanismo de crescimento do CNT tem sido considerado como um processo

de dissociaccedilatildeo-difusatildeo-precipitaccedilatildeo em que o carbono eacute formado sobre a superfiacutecie de

uma partiacutecula de metal seguida de difusatildeo e precipitaccedilatildeo sob a forma de grafeno ciliacutendrico

[22]

213 Modelos de Interconexatildeo

Para realizar uma comparaccedilatildeo por simulaccedilatildeo entre o desempenho do CNT e do cobre

modelos equivalentes de circuito de interconexotildees que reproduzam com fidelidade o seu

comportamento fiacutesico satildeo necessaacuterios Com esse intuito eacute fundamental que os fatores que

interferem no desempenho das interconexotildees como resistecircncia indutacircncia capacitacircncia e

comprimento sejam considerados A partir do estudo desses modelos eacute possiacutevel verificar

se as interconexotildees de CNT poderatildeo substituir as de cobre e os casos em que isso eacute

possiacutevel

2131 Modelo de interconexatildeo do SWCNT isolado

A resistecircncia de um SWCNT isolado eacute composta por ateacute trecircs partes resistecircncia de contato

entre o metal e o nanotubo (Rc) resistecircncia quacircntica (Rq) e resistecircncia de espalhamento

(Rs) [192325] As resistecircncias de contato e quacircntica satildeo independentes do comprimento

do nanotubo Jaacute a resistecircncia de espalhamento depende do comprimento do nanotubo [26-

31]

Quando o comprimento do SWCNT eacute menor ou igual ao caminho meacutedio livre (lCNT le

λCNT) que eacute tipicamente 1 microm o transporte de eleacutetrons eacute essencialmente baliacutestico e a

resistecircncia independe do comprimento do nanotubo [1332] No entanto quando o

comprimento do SWCNT eacute maior que o caminho meacutedio livre (lCNT gt λCNT) haacute uma

resistecircncia adicional que depende do comprimento do SWCNT e eacute chamada de resistecircncia

de espalhamento [13-15] Assim a resistecircncia total eacute dada pela equaccedilatildeo (21) em que lCNT

eacute o comprimento do nanotubo de carbono

CNTCNT

CNTCNT

CNTlseRsRqRc

lseRqRcR

(21)

7

A resistecircncia de contato pode chegar ao valor de 100 kΩ [131533] Contudo essa

resistecircncia em nanotubos de carbono com diacircmetro maior que 1nm estaacute na ordem de

poucos kilo ohms ou ateacute mesmo centenas de ohms [1316] Neste trabalho considerou-se o

contato metal-nanotubo como sendo perfeito ou seja Rc = 0

A resistecircncia quacircntica e a de espalhamento satildeo descritas pelas equaccedilotildees (22) e (23)

respectivamente onde e eacute a carga do eleacutetron e h eacute a constante de Plank A resistecircncia

quacircntica (Rq) eacute igualmente dividida em cada lado dos contatos metal-nanotubo [13-

173435]

ke

hRq 456

4 2 (22)

CNT

CNTl

e

hRs

24 (23)

O movimento de eleacutetrons transportados por um condutor eacute modelado pela indutacircncia que

consiste na indutacircncia magneacutetica e cineacutetica [1316] No SWCNT a indutacircncia magneacutetica eacute

calculada considerando que o CNT eacute um fio muito fino com diacircmetro d e estaacute

posicionado a uma distacircncia y do plano ligado ao terra A indutacircncia cineacutetica eacute calculada

pela equaccedilatildeo da energia cineacutetica armazenada em cada canal condutor do CNT para uma

indutacircncia efetiva [141535] Assim a indutacircncia magneacutetica (LM) e a cineacutetica (LK) podem

ser calculadas pelas equaccedilotildees (24) e (25) respectivamente

d

yLM ln

2

(24)

F

Kve

hL

22 (25)

Para d = 1nm e y = 1microm LM = 14pHmicrom [141529] Como vF eacute a velocidade de Fermi

cujo valor eacute dado por 8x105 ms para o CNT o valor da indutacircncia cineacutetica eacute LK =

16nHmicrom [13-1635] Sabendo que cada CNT tem quatro canais condutores em paralelo

que natildeo interagem entre si a indutacircncia cineacutetica efetiva eacute dada por LK4 [13-15] Uma boa

aproximaccedilatildeo da indutacircncia total do CNT (LCNT) eacute 4 nHmicrom [15]

8

Por fim a capacitacircncia de um SWCNT isolado eacute constituiacuteda por duas partes que satildeo a

capacitacircncia eletrostaacutetica (CE) e a quacircntica (CQ) [13-1735] Essas capacitacircncias satildeo

calculadas pelas equaccedilotildees (26) e (27)

d

yCE

ln

2 (26)

F

Qhv

eC

22 (27)

A capacitacircncia eletrostaacutetica eacute influenciada pelo ambiente que a envolve que satildeo os seus

vizinhos e o plano ligado ao terra Considerando que o CNT eacute um fio com diacircmetro d =

1nm e a distacircncia y = 1microm obteacutem-se CE = 30 aFmicrom Jaacute a capacitacircncia quacircntica se refere agrave

influecircncia da energia quacircntica armazenada no nanotubo quando este carrega corrente O

valor da capacitacircncia eacute CQ = 100 aFmicrom [1314] Considerando os quatro canais condutores

descritos anteriormente a capacitacircncia total eacute dada por (28)

QE

QE

CNTCC

CCC

4

4

(28)

Assim o esquemaacutetico da interconexatildeo de um SWCNT isolado eacute mostrado na Figura 24

abaixo

Figura 24 ndash Modelo de interconexatildeo do SWCNT isolado (modificado de [33])

2132 Modelo de interconexatildeo do SWCNT bundle

O SWCNT bundle possui resistecircncia equivalente menor que o SWCNT isolado

caracteriacutestica necessaacuteria para alcanccedilar performances comparaacuteveis agraves interconexotildees de

9

cobre [13-2023252629-38] O SWCNT bundle eacute composto por vaacuterios SWCNTs

empacotados em paralelo Assume-se que todos os SWCNTs satildeo idecircnticos metaacutelicos e que

cada um tem o mesmo potencial [1737] Sabendo que d eacute o diacircmetro do nanotubo de

carbono e x eacute a distacircncia entre os centros de dois nanotubos adjacentes o SWCNT bundle

pode ser empacotado de forma densa se x = d ou de forma esparsa se x gt d [13-1529-

32] Sabe-se que entre os nanotubos existe uma separaccedilatildeo δmin devido agrave forccedila de Van der

Waals que eacute de pelo menos 032 nm entre cada nanotubo [13] como mostra a Figura 25

Figura 25 ndash Separaccedilatildeo miacutenima entre CNTs devido agrave forccedila de Van der Waals (modificado

de [13])

O nuacutemero de nanotubos de carbono nCNT disponiacutevel pode ser calculado pelas expressotildees

dadas em (29) e (210) [141530]

iacutemparnsen

nn

parnsen

nn

n

HH

HW

HH

HW

CNT

2

1

2

(29)

1

23

x

dtn

x

dwn HW (210)

Nas expressotildees acima w eacute a largura e t eacute a altura da interconexatildeo de SWCNT bundle

Assim nW eacute o nuacutemero de CNTs ao longo da largura do SWCNT bundle e nH eacute o nuacutemero de

CNTs ao longo da altura do SWCNT bundle [13-1530] A Figura 26 mostra esses valores

[13]

10

Figura 26 ndash Nuacutemero de CNTs ao longo da largura (nW) e da altura (nH) do CNT

bundle[13]

Na tecnologia de 22 nm considerando as dimensotildees de 22 nm de largura e 44 nm de altura

do SWCNT bundle [13173437] e a separaccedilatildeo entre cada nanotubo devido agrave forccedila de Van

der Waals a quantidade de SWCNTs eacute aproximadamente 600 Neste trabalho estas

consideraccedilotildees foram feitas e a tecnologia de 22 nm foi utilizada Esta tecnologia eacute prevista

pelo ITRS para o ano de 2016 [21]

As resistecircncias de cada SWCNT estatildeo em paralelo entre elas assim como as indutacircncias

Assim a resistecircncia e a indutacircncia do SWCNT bundle com nCNT SWCNTs satildeo calculados

respectivamente pelas expressotildees (211) e (212) [1323252629-3234]

CNT

CNTbundle

n

RR (211)

CNT

CNTbundle

n

LL (212)

Considerando que todos os SWCNTs estatildeo no mesmo potencial que os contatos entre

todos os nanotubos de carbono em um bundle satildeo idecircnticos e que cada SWCNT tem o

mesmo caminho meacutedio livre [13] eacute possiacutevel assumir que a interaccedilatildeo entre CNTs

adjacentes de um SWCNT bundle eacute fraca e que eles carregam correntes independentes

umas das outras [13-17]

A capacitacircncia do SWCNT bundle eacute obtida a partir da combinaccedilatildeo da capacitacircncia

quacircntica de todos os SWCNTs em paralelo chamada de capacitacircncia quacircntica bundle

(CQbundle

) que estaacute em seacuterie com a capacitacircncia eletrostaacutetica (CEbundle

) [13143539] A

capacitacircncia quacircntica e a capacitacircncia eletrostaacutetica satildeo calculadas pelas equaccedilotildees (213) e

(214) em que CEn e CEf satildeo as capacitacircncias de placas paralelas de CNTs isolados em

11

relaccedilatildeo aos vizinhos proacuteximos e afastados respectivamente [14293032] Assim a

capacitacircncia total do SWCNT bundle eacute obtida pela equaccedilatildeo (215)

CNT

CNT

Q

bundle

Q nCC (213)

En

HEf

WEn

bundle

E Cn

Cn

CC5

23

2

22

(214)

bundle

Q

bundle

E

bundle

Q

bundle

E

bundleCC

CCC

(215)

Analisando a equaccedilatildeo (215) o efeito da CQbundle

eacute pequeno para grandes valores de nCNT

sendo o valor da capacitacircncia do SWCNT bundle aproximadamente igual agrave sua

capacitacircncia eletrostaacutetica [13161719] Srivastava et al [13] mostra que os nanotubos no

interior do SWCNT bundle satildeo blindados eletrostaticamente dos condutores de terra

podendo ser desprezados Os CNTs de borda satildeo os principais contribuidores para a

capacitacircncia eletrostaacutetica do SWCNT bundle No entanto a equaccedilatildeo (214) natildeo reproduz

fielmente a realidade jaacute que considera a capacitacircncia eletrostaacutetica de todos os nanotubos e

natildeo soacute os CNTs de borda Segundo o mesmo autor para a tecnologia de 22 nm e uma

constante dieleacutetrica igual a 2 a capacitacircncia total do SWCNT bundle eacute aproximadamente

135 aFμm

2133 Modelo de interconexatildeo do cobre

As propriedades fiacutesicas de interconexotildees de cobre podem ser descritas por resistecircncia

capacitacircncia e indutacircncia [14-16] A resistecircncia do cobre pode ser calculada utilizando a

equaccedilatildeo (216)

tw

lRCu

(216)

em que l eacute o comprimento do cobre w eacute a sua largura t eacute a sua altura e ρ eacute a sua

resistividade A resistividade do cobre em escala nanomeacutetrica eacute moldada pela combinaccedilatildeo

dos fenocircmenos de espalhamento superficial e de espalhamento de contorno

[151627283340] Estes fenocircmenos correspondem aos paracircmetros ρFS e ρMS propostos

12

por Fuchs e Sondheimer (ρFS) e por Mayadas e Shatzkes (ρMS) [1516] Estes paracircmetros

satildeo calculados pelas expressotildees (217) (218) e (219)

)1(

4

31 p

w

o

o

FS

(217)

11ln33

2

31 22

MS

o (218)

)1( R

R

D

o

(219)

O paracircmetro ρo eacute a resistividade do material λo eacute o caminho meacutedio livre p eacute o paracircmetro

de espalhamento de Fuchs D eacute o tamanho meacutedio e R eacute o coeficiente de reflexatildeo no

contorno com valores entre 0 e 1 Assim tem-se que a resistecircncia do cobre em escala

nanomeacutetrica eacute dada pela equaccedilatildeo (220) [1516]

tw

lR MSFS

Cu

(220)

De acordo com [1433] o valor da resistividade do cobre na tecnologia de 22nm para

interconexotildees locais eacute dado por 4666 μΩ-cm No entanto este valor da resistividade do

cobre chega a 58 μΩ-cm para valores miacutenimos da largura do fio [1516203940] Neste

trabalho seraacute utilizado o valor de 58 μΩ-cm para a resistividade do cobre na tecnologia de

22 nm que vai ao encontro dos requerimentos do ITRS [21]

A indutacircncia proacutepria (L) e a muacutetua (M) da interconexatildeo de cobre em escala nanomeacutetrica

satildeo obtidas usando respectivamente as expressotildees (221) e (222)

l

tw

tw

llL o )(220

2

12ln

2

(221)

l

s

s

llM o 1

2ln

2

(222)

em que t eacute a altura do fio microo eacute a permeabilidade e s eacute o espaccedilamento entre os fios [14-16]

A indutacircncia total do cobre (LCu) eacute dada pela soma das indutacircncias proacutepria e muacutetua

13

A capacitacircncia da interconexatildeo de cobre eacute calculada pela soma da capacitacircncia de

acoplamento entre dois fios adjacentes (CC) e a capacitacircncia ligada ao plano do terra (Cg)

[14-16] Essas capacitacircncias podem ser obtidas pelas equaccedilotildees (223) e (224) [1541]

120760193

534511171

70222

ht

t

hs

s

hs

s

h

wCg (223)

181160141090

980871161

591740

062141

sh

h

sw

w

sw

w

sh

h

s

tCC (224)

em que s eacute o espaccedilamento entre dois fios adjacentes h eacute a distacircncia do fio em relaccedilatildeo ao

plano do terra e ε eacute a permissividade relativa para uma dada constante dieleacutetrica

Considerando as equaccedilotildees (223) e (224) e de acordo com [1321] para uma constante

dieleacutetrica igual a 2 o valor da capacitacircncia total do cobre (CCu) eacute aproximadamente 150

aFμm que seraacute utilizado neste trabalho

Os modelos em L em π e em T satildeo usados como modelos de interconexatildeo de cobre [11]

Como o modelo π eacute muito utilizado para uma linha distribuiacuteda [1416] este modelo seraacute

usado neste trabalho A Figura 27 mostra o modelo de interconexatildeo de cobre [11]

Figura 27 ndash Modelo de interconexatildeo de cobre

A precisatildeo do modelo eacute determinada pelo nuacutemero de seguimentos bdquoN‟ que ele possui Uma

cadeia com mais de trecircs segmentos em π fornece um erro menor que 3 [16] Neste

trabalho seratildeo utilizados trecircs segmentos em π

14

22 INVERSOR MONO-ELEacuteTRON

Os dispositivos de tunelamento mono-eleacutetron satildeo dispositivos nanoeletrocircnicos

potencialmente aplicaacuteveis em circuitos integrados em escala giga (GSI) e tera (TSI)

Apesar de apresentarem baixo ganho e alta impedacircncia de saiacuteda estes dispositivos

possuem tamanho reduzido e baixa dissipaccedilatildeo de potecircncia Estas caracteriacutesticas os tornam

atrativos em circuitos loacutegicos e circuitos de memoacuteria [1-10] Assim portas loacutegicas podem

ser implementadas utilizando dispositivos de tunelamento mono-eleacutetron [14-9]

As portas loacutegicas satildeo blocos de construccedilatildeo baacutesicos na eletrocircnica digital O inversor loacutegico

ou porta NOT eacute o principal elemento baacutesico no projeto de circuitos digitais [42] O

inversor inverte o sinal de entrada de valor loacutegico baixo ndash 0 ndash em um sinal de saiacuteda de

valor loacutegico alto ndash 1 ndash e vice-versa [442] Em outras palavras a porta NOT efetua a

negaccedilatildeo loacutegica O siacutembolo do inversor juntamente com sua tabela verdade estaacute ilustrado

na Figura 28

Figura 28 ndash Siacutembolo e tabela verdade da porta NOT

221 Dispositivo de tunelamento mono-eleacutetron

O funcionamento dos dispositivos de tunelamento mono-eleacutetron eacute baseado no controle do

movimento e da posiccedilatildeo de um uacutenico ou de um pequeno grupo de eleacutetrons no dispositivo

[17] Os seguintes conceitos satildeo essenciais na definiccedilatildeo desses dispositivos ilha junccedilatildeo-

tuacutenel tunelamento efeito de carregamento e bloqueio de Coulomb A partir desses

conceitos eacute possiacutevel definir o transistor mono-eleacutetron - SET (do inglecircs Single-electron

transistor) [24-8]

A ilha estaacute localizada entre duas paredes finas de um material normalmente isolante as

quais criam uma barreira de potencial de energia que impossibilita a movimentaccedilatildeo de

eleacutetrons pela ilha A Figura 29 mostra dois eletrodos A e B separados por uma barreira

15

isolante e no meio dessa barreira isolante encontra-se a ilha Se a energia dos eleacutetrons for

maior que a energia potencial das paredes das barreiras estes poderatildeo atravessaacute-las [6] No

dispositivo de tunelamento mono-eleacutetron o transporte de eleacutetrons entre o eletrodo A e a

ilha e entre a ilha e o eletrodo B ocorre por tunelamento mono-eleacutetron em que os eleacutetrons

atravessam as barreiras um de cada vez [10]

Figura 29 Dois eletrodos separados por uma ilha [10]

Esses dispositivos satildeo formados por junccedilotildees-tuacutenel que satildeo dois eletrodos metaacutelicos

separados por um isolante muito fino (barreira) o qual permite a passagem de eleacutetrons por

tunelamento [467] A Figura 210 ilustra a junccedilatildeo-tuacutenel e sua representaccedilatildeo simboacutelica Os

paracircmetros que caracterizam a junccedilatildeo-tuacutenel macroscopicamente satildeo a resistecircncia de

tunelamento (Rj) que depende da aacuterea e da espessura da barreira isolante e a capacitacircncia

(Cj) [10]

Figura 210 Esquemaacutetico da junccedilatildeo-tuacutenel [10]

O tunelamento eacute o transporte de partiacuteculas atraveacutes de uma regiatildeo em que a energia total de

uma partiacutecula pontual claacutessica eacute menor que a energia potencial da regiatildeo ou seja eacute o

transporte atraveacutes de uma regiatildeo classicamente proibida [10] O efeito de tunelamento

ocorre quando a barreira de potencial for suficientemente fina permitindo que o eleacutetron a

atravesse se houver niacutevel de energia desocupado do outro lado da barreira com o mesmo

valor de energia Esse fenocircmeno pode ser explicado pelo comportamento dual do eleacutetron

Diferentemente da mecacircnica claacutessica na teoria eletromagneacutetica quando uma partiacutecula

encontra uma barreira de potencial parte da onda eacute refletida e a outra parte eacute transmitida

para o outro lado da barreira [10] A teoria ortodoxa do tunelamento mono-eleacutetron eacute o

modelo mais utilizado para analisar o tunelamento [4-6] Proposto em 1987 por Averin e

Likharev [43] este modelo apresenta os seguintes postulados

16

Modelo de dimensatildeo zero as dimensotildees das ilhas satildeo despreziacuteveis

O evento de tunelamento eacute considerado instantacircneo

A redistribuiccedilatildeo das cargas apoacutes tunelamento tambeacutem eacute considerada instantacircnea

O espectro de energia em condutores e ilhas eacute considerado contiacutenuo ou seja a

quantizaccedilatildeo da energia do eleacutetron eacute ignorada dentro dos condutores

Apesar de a teoria ortodoxa assumir condiccedilotildees hipoteacuteticas ela continua sendo muito

utilizada em estudos do dispositivo mono-eleacutetron [4-6]

O efeito de carregamento ocorre quando os eleacutetrons estatildeo na iminecircncia de entrar em um

material condutor extremamente pequeno isolado eletricamente (ilha) Se houver um

eleacutetron na ilha o potencial eletrostaacutetico da ilha aumenta bastante sendo bem superior ao

ruiacutedo teacutermico em temperatura ambiente O fluxo de eleacutetrons na ilha eacute possiacutevel se o

potencial da ilha for controlado por uma fonte de tensatildeo externa Outros eleacutetrons satildeo

impedidos de entrar na ilha devido agrave repulsatildeo de Coulomb [14-9]

Assim o bloqueio de Coulomb ocorre quando um eleacutetron entra na ilha e impede o

tunelamento de outro eleacutetron nesta ilha No momento em que o eleacutetron entra na ilha a

energia eletrostaacutetica da ilha aumenta em Ce 22 em que CΣ eacute a soma das capacitacircncias

em torno da ilha [14] Dessa forma outro eleacutetron soacute conseguiraacute tunelar para dentro da ilha

se sua energia for maior que a energia eletrostaacutetica da ilha [6] A Figura 211 ilustra os

diagramas de energia no bloqueio de Coulomb e no caso de tunelamento [10]

(a) (b)

Figura 211 Diagramas de energia (a) Bloqueio de Coulomb (b) Tunelamento mono-

eleacutetron [10]

17

O bloqueio de Coulomb eacute superado ao se aplicar uma tensatildeo Vg ao circuito ateacute que esta

tensatildeo alcance um dado valor de limiar que forneceraacute energia suficiente para que ocorra o

tunelamento de um eleacutetron Assim haveraacute o fluxo de eleacutetrons havendo corrente A Figura

212 mostra a regiatildeo do bloqueio de Coulomb ao aplicar uma tensatildeo Vg ao circuito em que

Vc eacute a tensatildeo de limiar chamada de tensatildeo de bloqueio de Coulomb [5-10]

Figura 212 Caracteriacutestica do bloqueio de Coulomb [10]

Nesse contexto duas condiccedilotildees satildeo necessaacuterias para garantir que o transporte de eleacutetrons

seja controlado pelo efeito de carregamento a condiccedilatildeo para a resistecircncia de tunelamento

dada pela equaccedilatildeo (225) [1] em que a natureza corpuscular do eleacutetron predomina sobre a

natureza ondulatoacuteria e a energia eletrostaacutetica (EC) associada a uma dada temperatura (T)

deve ser significativamente maior que as flutuaccedilotildees teacutermicas existentes agravequela

temperatura como descrita na equaccedilatildeo (226) [146-9] Os paracircmetros h eacute a constante de

Planck e eacute a carga do eleacutetron kB eacute a constante de Boltzmann e C eacute capacitacircncia Na

equaccedilatildeo (226) a temperatura deve ser maior que 0K [10]

kRe

hR TT 825

2 (225)

TkC

eTkEc BB

2

2

(226)

A partir dos conceitos apresentados pode-se definir o transistor mono-eleacutetron O SET

ilustrado na Figura 213 [10] eacute composto por duas junccedilotildees-tuacutenel em seacuterie formando uma

ilha entre as junccedilotildees [246-9] Os paracircmetros R1 C1 e R2 C2 correspondem agraves

resistecircncias e capacitacircncias da primeira e da segunda junccedilatildeo-tuacutenel respectivamente A

tensatildeo de porta Vg controla a energia eletrostaacutetica da ilha atraveacutes da capacitacircncia Cg

18

Quando haacute carregamento por tunelamento de uma junccedilatildeo e descarregamento da outra

junccedilatildeo haacute um fluxo controlado de cargas o que gera a corrente I [10]

Figura 213 Transistor mono-eleacutetron [10]

Um efeito que pode ser observado na caracteriacutestica da corrente versus tensatildeo do transistor

mono-eleacutetron eacute chamado de oscilaccedilatildeo de Coulomb [24679] Se a tensatildeo V for mantida

constante com CeV e a tensatildeo Vg for aumentada ateacute atingir gg CeV 2 esse

valor de tensatildeo permitiraacute que um eleacutetron passe pela ilha Como soacute haveraacute corrente fluindo

no circuito em valores muacuteltiplos da tensatildeo gCe 2 soacute ocorreraacute o tunelamento novamente

quando )2(3 gg CeV A caracteriacutestica corrente (I) versus tensatildeo (Vg) do transistor

mono-eleacutetron eacute ilustrada na Figura 214 [10]

Figura 214 Caracteriacutestica corrente (I) versus tensatildeo (Vg) do transistor mono-eleacutetron [10]

222 Estrutura do inversor mono-eleacutetron

Um inversor pode ser construiacutedo colocando-se dois SETs em seacuterie os quais compartilham

da mesma entrada [5689] conforme mostrado na Figura 215 Vin eacute a tensatildeo de entrada

Vout eacute a tensatildeo de saiacuteda Vbias eacute a tensatildeo de polarizaccedilatildeo CC eacute a capacitacircncia de carga Cg1 e

Cg2 satildeo as capacitacircncias de porta do SET 1 e do SET 2 respectivamente

19

Figura 215 Esquemaacutetico do inversor utilizando SETs (modificado de [4])

Alguns modelos do SET desenvolvidos no software SPICE foram propostos na literatura

[4-7] Destes modelos o proposto por G Lientschnig et al [4] descreve a implementaccedilatildeo

completa da teoria ortodoxa e usa apenas os recursos em versotildees disponiacuteveis publicamente

do software SPICE Este modelo diferentemente dos modelos propostos em [5-7] natildeo estaacute

limitado a transistores mono-eleacutetron com junccedilotildees-tuacutenel que tecircm resistecircncias iguais Aleacutem

disso pode ser estendido para incluir um nuacutemero arbitraacuterio de estados de carga que

permite simulaccedilotildees definidas para altas temperaturas e tensotildees de polarizaccedilatildeo [4] O

modelo de G Lientschnig et al estaacute disponiacutevel no siacutetio eletrocircnico [44] Assim este foi o

modelo utilizado neste trabalho

23 CLOCKING DE SISTEMAS DE ALTA VELOCIDADE

Em sistemas digitais siacutencronos o sinal do clock eacute utilizado para definir uma referecircncia de

tempo agrave mudanccedila de dados dentro do sistema [1145] Assim a distribuiccedilatildeo do clock eacute de

suma importacircncia na operaccedilatildeo de circuitos integrados digitais sendo uma grande

preocupaccedilatildeo em circuitos integrados de alta velocidade [46-51] Circuitos em escala

nanomeacutetrica podem ser significativamente limitados devido ao clock skew que ocorre

quando os circuitos natildeo estatildeo equumlidistantes do sinal do clock [11454649-51] Como este

sinal eacute o sinal mais ativo em um chip pode resultar em elevado consumo de potecircncia e

grandes densidades de corrente na rede de interconexotildees do clock [454849]

Dessa forma o sinal do clock deve atingir ao mesmo tempo cada noacute para garantir que a

comutaccedilatildeo seja sincronizada bem como deve ser distribuiacutedo de forma que haja o menor

20

atraso possiacutevel [49] Com esse intuito os seguintes fatores entre outros satildeo fundamentais

no desempenho do clock dispositivos loacutegicos de tecnologia raacutepida (avanccedilada) rede de

distribuiccedilatildeo de clock que minimize o skew e interconexotildees com alto desempenho [11]

Conforme exposto anteriormente os dispositivos nanoeletrocircnicos como os transistores

mono-eleacutetron satildeo potencialmente aplicaacuteveis em circuitos integrados em escala giga (GSI)

e tera (TSI) Estes dispositivos permitem que as funccedilotildees loacutegicas sejam desempenhadas em

um tempo mais raacutepido e com menor atraso Assim satildeo fortes candidatos a serem utilizados

em circuitos integrados com clock

A adequada rede de distribuiccedilatildeo do clock assegura que a comutaccedilatildeo seja sincronizada e

que haja o menor atraso possiacutevel [1145] Aleacutem disso dependendo da arquitetura da rede o

niacutevel de sincronismo do sistema pode aumentar Diferentes tipos de abordagens tecircm sido

desenvolvidos para projetar a rede de distribuiccedilatildeo do clock em sistemas digitais de

circuitos integrados [45] Os buffered trees satildeo muito utilizados na distribuiccedilatildeo

equipotencial do clock Aleacutem dessas estruturas assimeacutetricas arquiteturas simeacutetricas como

o H-tree satildeo usadas para distribuir sinais de clock em alta velocidade podendo inclusive

ser projetadas com buffers [45-51] Algumas formas de rede de distribuiccedilatildeo do clock estatildeo

ilustradas na Figura 216 incluindo a trunk tree mesh e H-tree [45]

Figura 216 Estruturas comuns de redes de distribuiccedilatildeo de clock [45]

21

Atualmente as interconexotildees de cobre satildeo bastante utilizadas para circuitos de alto

desempenho como em redes de clock No entanto os CNTs apresentam caracteriacutesticas que

os tornam melhores para serem utilizados em interconexotildees descritas na subseccedilatildeo 221

[48] Neste trabalho seraacute realizada a comparaccedilatildeo entre interconexotildees de cobre e de CNT

na rede de distribuiccedilatildeo do H-tree clock

231 H-Tree Clock

O clock skew pode ser minimizado distribuindo-se o sinal do clock de forma que as

interconexotildees que levam o sinal aos circuitos loacutegicos tecircm o mesmo comprimento Se antes

de chegarem aos circuitos loacutegicos os sinais do clock forem igualmente atrasados eles

estaratildeo perfeitamente sincronizados [1145] Dessa forma o esquemaacutetico da Figura 217 de

distribuiccedilatildeo do clock minimiza o clock skew repetindo recursivamente uma estrutura em

forma de H [11] A Figura 217 ilustra uma rede H-tree simeacutetrica com trecircs niacuteveis [46]

Figura 217 Esquemaacutetico do H-tree clock simeacutetrico (modificado de [46])

Na estrutura do H-tree o condutor primaacuterio do clock estaacute ligado ao centro do H principal

(1ordm niacutevel) transmitindo o sinal para os quatro cantos deste H Esses quatro cantos satildeo as

entradas para o proacuteximo niacutevel do H-tree o 2ordm niacutevel que possui quatro estruturas em H O

processo de distribuiccedilatildeo continua por vaacuterios niacuteveis de H‟s cada vez menores Os pontos de

destino final do H-tree satildeo usados para conduzir os circuitos locais Assim cada caminho

do clock desde a fonte ateacute o circuito local possui praticamente o mesmo atraso [45]

22

24 MEDIDAS DE DESEMPENHO NA ANAacuteLISE DAS INTERCONEXOtildeES

As interconexotildees em circuitos integrados possuem caracteriacutesticas que modificam o sinal de

entrada O efeito das interconexotildees pode provocar atrasos e distorccedilotildees indesejaacuteveis Nesse

contexto eacute necessaacuterio analisar medidas de desempenho dos sinais sob efeito das

interconexotildees tais como velocidade maacutexima atenuaccedilatildeo tempo de atraso potecircncia

dissipada produto atraso-potecircncia e slew rate [111317202342]

241 Velocidade maacutexima - anaacutelise na frequumlecircncia

A velocidade maacutexima que as interconexotildees podem operar sem distorcer o sinal de entrada

eacute uma medida de desempenho importante [172023] Eacute possiacutevel analisar este paracircmetro

atraveacutes da frequumlecircncia maacutexima de operaccedilatildeo da interconexatildeo que eacute a largura de banda em

que o sinal comeccedila a decair em -3dB em relaccedilatildeo ao sinal de referecircncia [1742] Assim

utiliza-se a anaacutelise do moacutedulo do graacutefico de Bode para obter a frequumlecircncia de operaccedilatildeo em

-3dB [42] A Figura 218 mostra o esboccedilo do moacutedulo do ganho pela frequumlecircncia tiacutepico do

comportamento de interconexotildees

Figura 218 Graacutefico do moacutedulo do ganho pela frequumlecircncia tiacutepico do comportamento de

interconexotildees

23

242 Atenuaccedilatildeo

A transmissatildeo de um sinal pode ser expressa em funccedilatildeo do seu ganho ou da sua atenuaccedilatildeo

No caso em estudo as interconexotildees podem atenuar o sinal Essa atenuaccedilatildeo eacute geralmente

calculada pela expressatildeo (227) em que Vo eacute o sinal de saiacuteda e Vi eacute o sinal de entrada [42]

i

o

V

VA log20 (227)

243 Tempo de atraso

O tempo de atraso td ou atraso na propagaccedilatildeo ocorre devido ao

carregamentodescarregamento da capacitacircncia de carga bem como ao tempo de

chaveamento dos transistores [42]

O tempo de atraso eacute obtido pela diferenccedila entre o tempo medido a 50 da transiccedilatildeo dos

sinais de entrada e de saiacuteda [11] Em circuitos loacutegicos o atraso na propagaccedilatildeo pode ser

calculado pela meacutedia aritmeacutetica do tempo de propagaccedilatildeo do sinal de alto para baixo tPHL e

do tempo de propagaccedilatildeo do baixo para alto tPLH conforme equaccedilatildeo (228) [1142]

2

PLHPHLd

ttt

(228)

244 Potecircncia dissipada

A dissipaccedilatildeo de potecircncia eacute outra medida de desempenho bastante importante em circuitos

integrados em escala GSI e TSI Isso ocorre jaacute que ao aumentar o nuacutemero de portas

loacutegicas em uma determinada aacuterea ocupada eacute necessaacuterio que a dissipaccedilatildeo de potecircncia esteja

dentro de limites aceitaacuteveis [1142]

A dissipaccedilatildeo de potecircncia eacute composta por dois componentes potecircncia estaacutetica e potecircncia

dinacircmica A dissipaccedilatildeo de potecircncia estaacutetica eacute dada por IVP DDE e ocorre mesmo que

natildeo haja chaveamento de porta loacutegica no circuito devido ao efeito da resistecircncia do

circuito [42] A dissipaccedilatildeo de potecircncia dinacircmica eacute devido agrave capacitacircncia de carga do

24

circuito expressa por CVfP DDD 2 em que VDD eacute a tensatildeo de alimentaccedilatildeo f eacute

frequumlecircncia do circuito e C eacute a capacitacircncia de carga do circuito [1142] Assim a soma da

potecircncia dinacircmica e da potecircncia estaacutetica resulta na potecircncia total dissipada no circuito

245 Produto atraso-potecircncia

Em circuitos integrados o ideal eacute que se tenha baixo atraso na propagaccedilatildeo resultando em

uma maior velocidade de funcionamento do circuito bem como baixa dissipaccedilatildeo de

potecircncia No entanto essas duas exigecircncias satildeo conflitantes ao reduzirmos a dissipaccedilatildeo de

potecircncia de uma porta a capacidade da porta em fornecer corrente diminuiraacute isso

implicaraacute em um maior tempo de carga e descarga aumentando o atraso na propagaccedilatildeo

Assim o produto atraso-potecircncia (delay power product ndash DP) eacute uma medida de

desempenho bastante utilizada na anaacutelise de circuitos e eacute dado por dD tPDP Quanto

menor o produto atraso-potecircncia maior a eficiecircncia do circuito loacutegico [42]

246 Slew rate

A taxa maacutexima de variaccedilatildeo da tensatildeo de saiacuteda do inglecircs slew rate (SR) eacute uma

caracteriacutestica importante do sinal de saiacuteda de um circuito loacutegico A limitaccedilatildeo na taxa de

variaccedilatildeo pode provocar uma distorccedilatildeo no funcionamento do circuito O SR pode ser

calculado pela expressatildeo (229) em que Δv eacute a variaccedilatildeo da tensatildeo de saiacuteda do sinal para

uma determinada variaccedilatildeo de tempo Δt [42]

t

vSR

(229)

25 LTSPICE

O software LTSPICE eacute um simulador SPICE de alto desempenho orientado a

esquemaacuteticos e visualizador de formas de onda com modelos para facilitar a simulaccedilatildeo de

circuitos eletrocircnicos Se comparado aos outros simuladores SPICE a simulaccedilatildeo do

LTSPICE eacute bastante raacutepida O software consegue simular dispositivos de acordo com o

padratildeo industrial reproduzindo os seus comportamentos [52]

25

O LTSPICE possui vaacuterias possibilidades de simulaccedilatildeo como anaacutelise transiente anaacutelise AC

e anaacutelise DC bem como permite a simulaccedilatildeo de vaacuterios dispositivos disponiacuteveis na sua

biblioteca Aleacutem disso este software possibilita a elaboraccedilatildeo de novos esquemaacuteticos

atraveacutes de um modelo matemaacutetico ou eletrocircnico proposto O novo componente poderaacute ser

utilizado no circuito conforme seraacute feito neste trabalho utilizando-se o modelo SPICE do

SET proposto por G Lientschnig et al[4]

26

3 METODOLOGIA

31 INTRODUCcedilAtildeO

A miniaturizaccedilatildeo das interconexotildees prejudica o seu desempenho resultando no aumento

significativo do valor da resistividade da capacitacircncia de acoplamento entre vias na

dificuldade de controlar a razatildeo entre a altura e a largura do material entre outros

problemas A fim de analisar o desempenho das interconexotildees eacute necessaacuterio verificar

algumas variaacuteveis importantes como velocidade maacutexima (f-3dB) atenuaccedilatildeo (A) tempo de

atraso (td) potecircncia dissipada (P) produto atraso-potecircncia (DP) e slew rate (SR)

[111317202342]

32 ETAPAS E ESTRATEacuteGIAS ADOTADAS

Com o intuito de analisar o efeito das interconexotildees em circuitos com transistores mono-

eleacutetron foi realizada primeiramente a anaacutelise das interconexotildees de SWCNT de SWCNT

bundle e de cobre isoladamente para diferentes valores de comprimento Apoacutes a avaliaccedilatildeo

desses resultados o efeito das interconexotildees foi analisado no H-tree clock com inversores

mono-eleacutetron nos seus terminais tambeacutem considerando diferentes comprimentos Neste

trabalho a tecnologia de 22 nm prevista para o ano de 2016 [21] foi utilizada na

comparaccedilatildeo entre o desempenho do cobre e do CNT Todas as simulaccedilotildees foram realizadas

utilizando o software LTSPICE

321 Simulaccedilatildeo das interconexotildees

A partir dos modelos das interconexotildees de SWCNT SWCNT bundle e cobre apresentados

na subseccedilatildeo 213 diferentes comprimentos das interconexotildees foram simulados Assim

analisou-se as interconexotildees locais em que l le 1 μm e as intermediaacuterias em que 1 μm lt l

le 500 μm sabendo que l eacute o comprimento da interconexatildeo [29-31333638]

A fim de analisar a frequumlecircncia de corte este foi obtido para comprimentos de

interconexotildees locais (10nm 100nm 200nm 300nm 400nm 500nm 600nm 700nm

27

800nm 900nm 1μm) e interconexotildees intermediaacuterias (10μm 100μm 200μm 300μm

400μm 500μm)

Jaacute que λCNT eacute tipicamente 1 μm foram escolhidos trecircs comprimentos na faixa lCNT le λCNT

(10 nm 100 nm e 1 μm) e trecircs comprimentos na faixa lCNT gt λCNT (10 μm 100 μm 500

μm) para serem analisados detalhadamente Escolheu-se uma mesma frequecircncia abaixo da

frequecircncia de corte dos trecircs materiais considerados para analisar e comparar a atenuaccedilatildeo

(A) e o tempo de atraso na propagaccedilatildeo (td) dos diferentes comprimentos

Em seguida o mesmo procedimento foi feito para comparar somente o SWCNT bundle e o

cobre para uma mesma frequecircncia cujo valor eacute maior que a frequecircncia da anaacutelise anterior

permitindo que estes dois materiais sejam analisados detalhadamente

Essas anaacutelises foram realizadas a partir da simulaccedilatildeo do circuito da Figura 31 [2325] A

tensatildeo de entrada Vin eacute uma onda quadrada de 1V de amplitude e o capacitor de carga tem

o valor de 100 aF

Figura 31 ndash Circuito simulado para cada interconexatildeo

A Figura 32 mostra o fluxograma das etapas descritas nesta subseccedilatildeo 321

28

Figura 32 ndash Fluxograma das etapas seguidas na simulaccedilatildeo das interconexotildees

322 Simulaccedilatildeo do inversor mono-eleacutetron

Para utilizar a porta inversora da Figura 215 nos terminais do H-tree clock foi necessaacuterio

primeiramente simular o SET proposto por [4] Essa simulaccedilatildeo foi feita variando os

paracircmetros do SET como as resistecircncias e capacitacircncias das junccedilotildees as capacitacircncias de

porta a temperatura etc Os paracircmetros foram variados ateacute simular o SET a temperatura

de 300K Em seguida simulou-se a inversora da Figura 215 tambeacutem a temperatura

ambiente Dessa forma foi possiacutevel simular a inversora isoladamente obtendo as

caracteriacutesticas do sinal de saiacuteda

323 Simulaccedilatildeo do H-tree clock mono-eleacutetron

Apoacutes a simulaccedilatildeo do SET foi possiacutevel simular o H-tree clock A rede H-tree de dois niacuteveis

foi simulada com um H no primeiro niacutevel e quatro H‟s no segundo niacutevel [49] Nos pontos

de destino final da rede foram colocadas portas inversoras formadas por SETs permitindo

a anaacutelise de circuitos nanoeletrocircnicos

Modelos de SWCNT

SWCNT bundle e cobre

Obtenccedilatildeo dos paracircmetros dos modelos para

interconexotildees locais e interconexotildees intermediaacuterias

Para cada comprimento

obtenccedilatildeo de f-3dB

1ordm) Escolha de frequumlecircncia abaixo

da f-3dB do SWCNT SWCNT

bundle e cobre

2ordm) Escolha de frequumlecircncia abaixo

da f-3dB do SWCNT bundle e

cobre

Obtenccedilatildeo de A e td de

cada modelo

Obtenccedilatildeo de A e td de

cada modelo

Anaacutelise comparativa entre o

SWCNT SWCNT bundle e

cobre

Anaacutelise comparativa entre o

SWCNT bundle e cobre

Estudo de interconexotildees locais (10nm

100nm 1μm) e intermediaacuterias (10μm

100μm 500μm)

29

A partir da simulaccedilatildeo do H-tree clock obteve-se a frequecircncia em -3dB (f-3dB) da rede com

interconexotildees ideais Assim a rede H-tree foi entatildeo simulada para duas frequecircncias

diferentes do sinal de entrada abaixo da frequecircncia de -3dB 10 GHz e 100 GHz Com

essas simulaccedilotildees obtiveram-se as seguintes caracteriacutesticas do sinal de saiacuteda da inversora

niacutevel loacutegico baixo (NB) niacutevel loacutegico alto (NA) tempo de subida (tr) slew rate de subida

(SR) atenuaccedilatildeo (A) tempo de atraso (td) potecircncia dissipada (P) e produto atraso-potecircncia

(DP) As caracteriacutesticas obtidas servem como referecircncia para analisar o sinal considerando

interconexotildees natildeo-ideais ou seja incluindo os modelos das interconexotildees nas simulaccedilotildees

Em seguida a rede H-tree foi simulada considerando-se os modelos das interconexotildees de

SWCNT bundle e de cobre variando os seus comprimentos Como cada H da rede de

distribuiccedilatildeo deve ser simeacutetrico considerou-se que cada divisatildeo do H tem o mesmo

comprimento para cada niacutevel da rede [11] A Figura 33 mostra o comprimento dos

diferentes trechos da rede Assim o comprimento de cada divisatildeo dos H‟s do segundo

niacutevel eacute a metade do comprimento de cada divisatildeo do H do primeiro niacutevel Jaacute que o objetivo

eacute simular circuitos em escala nanomeacutetrica escolheu-se trecircs variaccedilotildees de comprimento

menores ou iguais a 1μm

l = 100 nm l2 = 50 nm

l = 400 nm l2 = 200 nm

l = 1 μm l2 = 500 nm

Figura 33 ndash Esquemaacutetico do H-tree clock com os comprimentos de cada seguimento

Dessa forma cada um dos trecircs circuitos foi simulado obtendo-se a frequecircncia em -3dB na

entrada das portas inversoras Em seguida as trecircs redes foram simuladas para as mesmas

30

duas frequumlecircncias do sinal de entrada (10 GHz e 100 GHz) de forma a obter as

caracteriacutesticas do sinal de saiacuteda descritas anteriormente considerando agora o efeito das

interconexotildees

Por fim a partir dos dados obtidos foram realizadas comparaccedilotildees entre as caracteriacutesticas

do sinal de saiacuteda de referecircncia (interconexotildees ideais) e o sinal de saiacuteda dos circuitos com as

interconexotildees natildeo-ideais bem como entre o comportamento das interconexotildees de SWCNT

bundle e de cobre nas diferentes frequecircncias

A Figura 34 mostra o fluxograma das etapas descritas nas subseccedilotildees 322 e 323

Figura 34 ndash Fluxograma das etapas seguidas na simulaccedilatildeo do H-tree clock

H-tree clock mono-eleacutetron

Simulaccedilatildeo do H-tree clock com

interconexotildees ideais Obtenccedilatildeo de f-3dB

da inversora

Simulaccedilatildeo do H-tree clock com

interconexotildees natildeo-ideais para os seguintes

comprimentos

l = 100 nm l2 = 50 nm

l = 400 nm l2 = 200 nm

l = 1 μm l2 = 500 nm

Validaccedilatildeo do SET e do

inversor mono-eleacutetron a

300K

Sinal de entrada a

10 GHz

Sinal de entrada a

100 GHz

Obtenccedilatildeo de NB

NA tr SR A td P e

DP do sinal de saiacuteda

da inversora

Obtenccedilatildeo de NB

NA tr SR A td P e

DP do sinal de saiacuteda

da inversora

Sinal de entrada a

10 GHz

Sinal de entrada a

100 GHz

Obtenccedilatildeo de NB

NA tr SR A td P e

DP do sinal de saiacuteda

da inversora

Obtenccedilatildeo de NB

NA tr SR A td P e

DP do sinal de saiacuteda

da inversora

Anaacutelise comparativa

dos dados obtidos

31

4 RESULTADOS E ANAacuteLISES

41 INTRODUCcedilAtildeO

Neste capiacutetulo seratildeo apresentados os procedimentos adotados e os resultados obtidos na

simulaccedilatildeo das interconexotildees SWCNT SWCNT bundle e cobre As etapas descritas na

metodologia foram seguidas obtendo-se os resultados das simulaccedilotildees das interconexotildees e

das simulaccedilotildees do H-tree clock mono-eleacutetron para interconexotildees ideais e natildeo-ideais A

partir dos resultados a anaacutelise do desempenho das interconexotildees seraacute apresentada

42 ANAacuteLISE DAS INTERCONEXOtildeES

Nesta seccedilatildeo a anaacutelise das interconexotildees de SWCNT SWCNT bundle e cobre na

tecnologia de 22 nm para diferentes comprimentos seraacute realizada Para isso analisou-se

as interconexotildees locais em que l le 1 μm e as intermediaacuterias em que 1 μm lt l le 500 μm

sabendo que l eacute o comprimento da interconexatildeo [29-31333638] Como λCNT eacute

tipicamente 1 μm trecircs comprimentos na faixa lCNT le λCNT (10 nm 100 nm e 1 μm) e trecircs

comprimentos na faixa lCNT gt λCNT (10 μm 100 μm 500 μm) de cada material seratildeo

analisados detalhadamente Os paracircmetros obtidos a partir dos modelos de SWCNT

SWCNT bundle e cobre estatildeo respectivamente nas Tabelas 71 72 e 73 do Apecircndice

421 Interconexotildees locais

Primeiramente a partir da simulaccedilatildeo da Figura 31 obteve-se a frequecircncia em -3dB (f-3dB)

das interconexotildees locais (lCNT le λCNT ) isto eacute a sua banda passante de forma a verificar a

velocidade maacutexima que cada interconexatildeo suporta A Figura 41 ilustra o comportamento

da frequecircncia das interconexotildees locais para os diferentes comprimentos Como o SWCNT

isolado possui valores de frequecircncia na faixa de centenas de giga Hertz ou seja menos de

um tera Hertz os valores de suas frequecircncias tambeacutem podem ser visualisados na Tabela

74 do Apecircndice

Verifica-se que agrave medida que o comprimento da interconexatildeo aumenta a frequecircncia

diminui Isso ocorre jaacute que os valores da capacitacircncia e indutacircncia aumentam com o

aumento do comprimento da interconexatildeo Esses paracircmetros satildeo decisivos no sinal de

32

saiacuteda sendo o sinal mais distorcido quanto maior for o valor desses paracircmetros Observa-

se que o SWCNT bundle e o cobre possuem banda passante maiores que o SWCNT

isolado para qualquer comprimento Aleacutem disso o SWCNT bundle soacute possui uma banda

passante comparaacutevel ao do cobre para comprimentos acima de 700 nm

Frequecircncia X Comprimento

0

10

20

30

40

50

60

100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

Comprimento (nm)

f -3d

B (

TH

z)

SWCNT Isolado

SWCNT bundle

Cobre

Figura 41 ndash Frequumlecircncia versus comprimento das interconexotildees locais

As interconexotildees locais de 10 nm 100 nm e 1 μm de comprimento foram analisadas

detalhadamente A Tabela 41 mostra a frequecircncia em -3dB de cada material para os

comprimentos em anaacutelise

Tabela 41 Frequecircncia em -3dB de cada material para lCNT le λCNT

Interconexatildeo Local Comprimento (L) Material f-3dB

SWCNT isolado 253 GHz

10nm SWCNT bundle 66 THz

Cobre 232 THz

SWCNT isolado 300 GHz

lCNT le λCNT 100nm SWCNT bundle 20 THz

Cobre 51 THz

SWCNT isolado 230 GHz

1microm SWCNT bundle 47 THz

Cobre 42 THz

Assim escolheu-se uma mesma frequecircncia abaixo da frequecircncia de corte dos trecircs

materiais considerados para analisar e comparar a atenuaccedilatildeo (A) e o tempo de atraso na

propagaccedilatildeo (td) dos trecircs comprimentos Isso permite verificar o comportamento do sinal na

banda passante A Tabela 42 mostra esse estudo comparativo entre o SWCNT isolado

SWCNT bundle e cobre agrave frequecircncia de 200 GHz

33

Tabela 42 Estudo das interconexotildees com comprimentos na faixa lCNT le λCNT

Freq L Material A (dB) td (ps)

SWCNT isolado -210 046

10nm SWCNT bundle 001 000

Cobre 000 000

SWCNT isolado -155 051

200 GHz 100nm SWCNT bundle 001 000

Cobre 001 000

SWCNT isolado -039 107

1microm SWCNT bundle 006 001

Cobre 000 007

A partir da anaacutelise da Tabela 42 eacute possiacutevel observar agrave frequumlecircncia de 200 GHz a

atenuaccedilatildeo do sinal e o atraso do SWCNT isolado Nessa frequumlecircncia o atraso do SWCNT

isolado eacute significativo em relaccedilatildeo ao periacuteodo do sinal que eacute 5ps jaacute que o menor atraso

(para l = 10nm) eacute aproximadamente 10 do periacuteodo do sinal de entrada No entanto para

esta mesma frequumlecircncia observa-se que a atenuaccedilatildeo e o atraso do SWCNT bundle e do

cobre satildeo insignificantes Isto indica que estes dois materiais possuem melhor

desempenho sendo favoraacuteveis para serem utilizados em interconexotildees locais

Dessa forma para analisar melhor a atenuaccedilatildeo e o tempo de atraso do SWCNT bundle e do

cobre o mesmo procedimento foi feito comparando-se somente estes dois materiais para

uma mesma frequecircncia de 1 THz A Tabela 43 mostra esse estudo comparativo entre o

SWCNT bundle e cobre

Tabela 43 Estudo das interconexotildees SWCNT bundle e cobre com comprimentos na faixa

lCNT le λCNT

Freq L Material A (dB) td (fs)

10nm SWCNT bundle 001 113

Cobre 000 022

1 THz 100nm SWCNT bundle 006 136

Cobre 001 240

1microm SWCNT bundle 145 647

Cobre -013 5623

Analisando a Tabela 43 observa-se que agrave frequumlecircncia de 1 THz a atenuaccedilatildeo do sinal e o

atraso aumentam agrave medida que o comprimento das interconexotildees aumentam A partir do

comprimento de 100nm o tempo de atraso da interconexatildeo de cobre eacute maior que o do

SWCNT bundle cujo maior valor de atraso (para l = 1microm) natildeo chega a 1 do periacuteodo do

34

sinal de entrada (1ps) Isso mostra que apesar de a banda passante do cobre ser maior o

atraso do SWCNT bundle eacute menor Dessa forma para as interconexotildees locais o SWCNT

bundle possui desempenho comparaacutevel ao do cobre [13]

Em relaccedilatildeo agrave atenuaccedilatildeo verifica-se que para alguns comprimentos este tem valor

positivo Isso ocorre principalmente quando haacute um pico no graacutefico da frequumlecircncia antes dele

comeccedilar a decair Esse pico eacute devido ao efeito ressonante provocado pela indutacircncia

quando este possui valor comparaacutevel agrave resistecircncia e agrave capacitacircncia da interconexatildeo [53]

Assim esse efeito ressonante foi observado somente nas interconexotildees locais de SWCNT

bundle e de cobre A Figura 42 ilustra o graacutefico da magnitude pela frequumlecircncia do SWCNT

isolado SWCNT bundle e cobre para o comprimento de 100nm Observa-se o efeito

ressonante nos graacuteficos do SWCNT bundle e do cobre

Figura 42 ndash Graacuteficos da magnitude das interconexotildees de SWCNT isolado (superior)

SWCNT bundle (meio) e cobre (inferior) com comprimento de 100nm

35

422 Interconexotildees intermediaacuterias

Assim como para as interconexotildees locais obteve-se a frequecircncia em -3dB (f-3dB) das

interconexotildees intermediaacuterias (lCNT gt λCNT) de forma a verificar a velocidade maacutexima que

cada interconexatildeo suporta A Figura 43 ilustra o comportamento da frequecircncia das

interconexotildees intermediaacuterias para os diferentes comprimentos Os valores das frequecircncias

de cada interconexatildeo tambeacutem podem ser visualisados na Tabela 75 do Apecircndice

Como nas interconexotildees locais agrave medida que o comprimento da interconexatildeo aumenta a

frequecircncia diminui Aleacutem disso o SWCNT bundle e o cobre possuem desempenho melhor

que o do SWCNT isolado para qualquer comprimento No entanto para interconexotildees

intermediaacuterias o SWCNT bundle possui banda passante maior que a do cobre para

qualquer comprimento

Frequecircncia X Comprimento

00

05

10

15

20

25

30

35

40

45

100 200 300 400 500

Comprimento (μm)

f -3d

B (

GH

z)

SWCNT isolado

SWCNT bundle

Cobre

Figura 43 ndash Frequumlecircncia versus comprimento das interconexotildees intermediaacuterias

As interconexotildees intermediaacuterias de 10 μm 100 μm e 500 μm de comprimento foram entatildeo

analisadas detalhadamente A Tabela 44 mostra a frequecircncia em -3dB de cada materal

para os diferentes comprimentos em anaacutelise

36

Tabela 44 Frequecircncia em -3dB de cada material para lCNT gt λCNT

Interconexatildeo

Intermediaacuteria

Comprimento (L) Material f-3dB

SWCNT isolado 26 GHz

10 microm SWCNT bundle 527 GHz

Cobre 34 GHz

SWCNT isolado 32 MHz

lCNT gt λCNT 100 microm SWCNT bundle 42 GHz

Cobre 345 MHz

SWCNT isolado 13 MHz

500 microm SWCNT bundle 165 MHz

Cobre 14 MHz

Escolheu-se a frequecircncia de 1 MHz que estaacute abaixo da frequecircncia de corte dos trecircs

materiais considerados para analisar e comparar a atenuaccedilatildeo (A) e o tempo de atraso na

propagaccedilatildeo (td) dos trecircs comprimentos A Tabela 45 mostra esse estudo comparativo entre

o SWCNT isolado SWCNT bundle e cobre

Tabela 45 Estudo das interconexotildees com comprimentos na faixa lCNT gt λCNT

Freq L Material A (dB) td (ns)

SWCNT isolado -002 008

10 microm SWCNT bundle 000 000

Cobre 000 000

SWCNT isolado -003 559

1 MHz 100 microm SWCNT bundle -001 005

Cobre -004 056

SWCNT isolado -198 10217

500 microm SWCNT bundle 000 110

Cobre -003 1301

Com base na Tabela 45 observa-se que a atenuaccedilatildeo e o tempo de atraso do SWCNT

isolado aumentam com o aumento do comprimento da interconexatildeo Nessa frequumlecircncia o

atraso na propagaccedilatildeo do SWCNT isolado eacute significativo em relaccedilatildeo ao periacuteodo do sinal de

entrada que eacute 1micros chegando a mais de 10 deste periacuteodo para o comprimento de 500microm

Verifica-se tambeacutem o aumento do tempo de atraso da interconexatildeo de cobre sendo 13

do periacuteodo do sinal de entrada para o comprimento de 500microm

Para analisar melhor a atenuaccedilatildeo e o tempo de atraso do SWCNT bundle e do cobre o

mesmo procedimento foi feito comparando-se somente estes dois materiais para uma

37

mesma frequecircncia de 10 MHz A Tabela 46 mostra esse estudo comparativo entre o

SWCNT bundle e cobre

Tabela 46 Estudo das interconexotildees SWCNT bundle e cobre com comprimentos na faixa

lCNT gt λCNT

Freq L Material A (dB) td (ns)

10 microm SWCNT bundle 000 000

Cobre 000 000

10 MHz 100 microm SWCNT bundle -001 005

Cobre -004 054

500 microm SWCNT bundle -004 107

Cobre -185 1024

Analisando a Tabela 46 observa-se que agrave medida que o comprimento das interconexotildees

aumenta a atenuaccedilatildeo e o atraso do sinal da interconexatildeo de cobre tornam-se significativos

O atraso na propagaccedilatildeo da interconexatildeo de cobre para l = 500microm chega a 10 do periacuteodo

do sinal de entrada (100ns) Jaacute o SWCNT bundle apresenta valores insignificantes de

atenuaccedilatildeo e atraso na propagaccedilatildeo Assim para as interconexotildees intermediaacuterias o SWCNT

bundle possui desempenho superior ao do cobre

43 SIMULACcedilAtildeO DO INVERSOR MONO-ELEacuteTRON

O modelo SPICE do SET proposto por G Lientschnig et al [444] foi simulado no

LTSPICE A partir da equaccedilatildeo (226) foi possiacutevel aumentar a temperatura do SET ateacute

chegar a 300K Assim o esquemaacutetico do SET e os valores de seus paracircmetros para que o

SET opere a 300K estatildeo na Figura 44 No anexo deste trabalho (subseccedilatildeo 81) encontra-

se o coacutedigo SET que foi utilizado [44] Os paracircmetros R1 C1 e R2 C2 correspondem agraves

resistecircncias e capacitacircncias das junccedilotildees-tuacutenel Cg eacute a capacitacircncia de porta (Cg1 no coacutedigo

SET) Vg eacute a tensatildeo de porta e V eacute a tensatildeo de entrada

Figura 44 Esquemaacutetico do SET e os valores de seus paracircmetros

38

A partir destes valores o inversor mono-eleacutetron foi construiacutedo colocando-se dois SETs em

seacuterie os quais compartilham da mesma entrada A Figura 45 ilustra o esquemaacutetico do

inversor mono-eleacutetron juntamente com os valores de seus paracircmetros fixos em que Vin eacute a

tensatildeo de entrada Vout eacute a tensatildeo de saiacuteda Vbias eacute a tensatildeo de polarizaccedilatildeo Cc eacute a

capacitacircncia de carga Cg1 e Cg2 satildeo as capacitacircncias de porta do SET 1 e do SET 2

respectivamente

Figura 45 Esquemaacutetico do inversor mono-eleacutetron e os valores de seus paracircmetros

(modificado de [4])

Assim apoacutes simular o inversor mono-eleacutetron a 300K obteve-se o sinal de saiacuteda mostrado

na Figura 46 Como o inversor estaacute invertendo o sinal de entrada de valor loacutegico baixo em

um sinal de saiacuteda de valor loacutegico alto ele estaacute operando corretamente

Figura 46 Curva do sinal de entrada (em verde) e do sinal de saiacuteda (em preto) do inversor

mono-eleacutetron

39

44 ANAacuteLISE DAS INTERCONEXOtildeES NO H-TREE CLOCK MONO-ELEacuteTRON

Nesta seccedilatildeo a rede H-tree clock de dois niacuteveis foi simulada com portas inversoras mono-

eleacutetron nos pontos de destino final da rede permitindo a anaacutelise de circuitos

nanoeletrocircnicos Simulou-se a rede H-tree considerando interconexotildees ideais para as

frequecircncias de 10 GHz e 100 GHz no sinal de entrada Em seguida para as mesmas duas

frequecircncias considerou-se interconexotildees natildeo-ideais de diferentes comprimentos

analisando a rede com os modelos de interconexatildeo SWCNT bundle e cobre Trecircs redes

com comprimentos de interconexotildees diferentes foram analisadas

l = 100 nm l2 = 50 nm

l = 400 nm l2 = 200 nm

l = 1 μm l2 = 500 nm

441 Anaacutelise da rede com interconexotildees ideais

A partir da simulaccedilatildeo do H-tree clock a frequecircncia em -3dB (f-3dB) da rede com

interconexotildees ideais foi obtida Na saiacuteda de cada porta inversora a banda passante do sinal

eacute 3200 GHz Dessa forma duas frequecircncias abaixo de 3200 GHz foram escolhidas para

analisar o sinal de saiacuteda da inversora em condiccedilotildees ideais As frequecircncias de 10 GHz e

100 GHz seratildeo analisadas obtendo-se as seguintes caracteriacutesticas do sinal de saiacuteda da

inversora niacutevel loacutegico baixo (NB) niacutevel loacutegico alto (NA) tempo de subida (tr) slew rate

de subida (SR) atenuaccedilatildeo (A) e tempo de atraso (td) A Tabela 47 mostra os valores

obtidos para as duas frequecircncias em anaacutelise

Tabela 47 Caracteriacutesticas dos sinais de saiacuteda da rede para interconexotildees ideais

Freq NB(mV) NA(mV) tr (ps) SR(Vns) A(dB) td (ps)

10 GHz 675 4518 356 8636 -264 412

100 GHz 678 4279 317 9088 -269 189

Os caacutelculos da potecircncia estaacutetica ( IVP DDE ) potecircncia dinacircmica ( CVfP DDD 2 ) e

potecircncia total ( DE PPP ) dissipada por cada porta inversora foram realizados bem

como o produto atraso-potecircncia (DP) Assim a Tabela 48 mostra os valores obtidos no

40

caacutelculo destes paracircmetros Como a potecircncia estaacutetica independe da frequecircncia do sinal de

entrada o seu valor eacute o mesmo nos dois casos

Tabela 48 Potecircncia dissipada por cada porta inversora para interconexotildees ideais

Frequecircncia PE (nW) PD (nW) P (nW) DP (10-18

Wmiddots)

10 GHz 4838 125 4963 020

100 GHz 4838 125 6088 012

As Tabelas 47 e 48 serviratildeo de referecircncia para as anaacutelises da rede com interconexotildees natildeo-

ideais analisadas na subseccedilatildeo seguinte As Figuras 47 e 48 ilustram o sinal de saiacuteda das

redes com frequecircncias de 10 GHz e de 100 GHz respectivamente Eacute possiacutevel observar que

na frequecircncia de 100 GHz o sinal de saiacuteda jaacute eacute distorcido em relaccedilatildeo ao sinal de referecircncia

(Figura 46)

Figura 47 Sinal de entrada (em verde) e sinal de saiacuteda (em preto) da rede a 10 GHz

Figura 48 Sinal de entrada (em verde) e sinal de saiacuteda (em preto) da rede a 100 GHz

41

442 Anaacutelise da rede com interconexotildees natildeo-ideais

Apoacutes obter as caracteriacutesticas da rede H-tree clock com interconexotildees ideais a anaacutelise da

rede com interconexotildees natildeo-ideais seraacute feita Primeiramente eacute importante verificar a

frequecircncia em -3dB do sinal depois das interconexotildees ou seja na entrada da porta

inversora Caso essa frequecircncia seja menor que a frequecircncia de 3200 GHz obtida com

interconexotildees ideais entatildeo a interconexatildeo afetaraacute o comportamento da rede A Tabela 49

mostra a frequecircncia em -3dB na entrada da inversora para interconexotildees natildeo-ideais

Tabela 49 Frequecircncia em -3dB na entrada da inversora para interconexotildees natildeo-ideais

Comprimentos (l2 l) Material f-3dB

50nm 100nm SWCNT bundle 122 THz

Cobre 175 THz

200nm 400nm SWCNT bundle 31 THz

Cobre 8606 GHz

500nm 1microm SWCNT bundle 12 THz

Cobre 1268 GHz

Assim verifica-se que a interconexatildeo de cobre da rede 500nm1microm possui frequecircncia em

-3dB abaixo da frequecircncia do circuito com interconexatildeo ideal (3200 GHz) Isso indica que

esta interconexatildeo interfere significativamente no comportamento da rede A Tabela 49

mostra tambeacutem que a banda passante da interconexatildeo de cobre soacute eacute maior que a da

interconexatildeo de SWCNT bundle no primeiro caso na rede de 50nm100nm o que mostra

uma vantagem do SWCNT bundle em relaccedilatildeo ao cobre A partir dessas informaccedilotildees a

rede H-tree clock com interconexotildees natildeo-ideais seraacute analisada detalhadamente

4421 Anaacutelise da rede a 10 GHz

As redes com interconexotildees natildeo-ideais seratildeo analisadas na frequecircncia de 10 GHz para

diferentes comprimentos Primeiramente o niacutevel loacutegico baixo (NB) o niacutevel loacutegico alto

(NA) o tempo de subida (tr) e o slew rate de subida (SR) foram obtidos conforme mostra a

Tabela 410 Com base nessa tabela verifica-se que na frequecircncia de 10 GHz essas

caracteriacutesticas natildeo foram modificadas pelas interconexotildees natildeo-ideais independentemente

do comprimento Os valores dos paracircmetros satildeo iguais aos obtidos na rede com

interconexatildeo ideal conforme Tabela 47 O sinal obtido na saiacuteda de cada inversor eacute igual

ao ilustrado na Figura 47

42

Tabela 410 Niacuteveis loacutegicos tempo de subida e slew rate dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 10 GHz

Freq L (l2l) Material NB(mV) NA(mV) tr(ps) SR(Vns)

10

GHz

50nm

100nm

SWCNT bundle 675 4518 356 8636

Cobre 675 4518 356 8636

200nm

400nm

SWCNT bundle 675 4518 356 8636

Cobre 675 4518 356 8636

500nm

1microm

SWCNT bundle 675 4518 356 8636

Cobre 675 4518 356 8636

A Tabela 411 mostra a atenuaccedilatildeo tempo de atraso potecircncia total dissipada e o produto

atraso-potecircncia obtidos a frequecircncia de 10 GHz para interconexotildees natildeo-ideais Observa-se

que a atenuaccedilatildeo do sinal e a potecircncia total dissipada por cada porta inversora permanecem

os mesmos em relaccedilatildeo agrave interconexatildeo ideal mostrando que a essa frequecircncia as

interconexotildees natildeo-ideais natildeo interferem nestes paracircmetros

Jaacute o atraso na propagaccedilatildeo do sinal no caso do cobre aumenta agrave medida que as

interconexotildees aumentam de comprimento aumentando tambeacutem o produto atraso-potecircncia

Esse atraso chega a 66 do periacuteodo do sinal de entrada para a interconexatildeo 500nm1microm

de cobre No entanto estes paracircmetros natildeo satildeo afetados pelas interconexotildees de SWCNT

bundle indicando que este material se sobressai em relaccedilatildeo ao cobre

Tabela 411 Atenuaccedilatildeo atraso potecircncia e produto atraso-potecircncia dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 10 GHz

Freq L (l2l) Material A (dB) td (ps) P (nW) DP(10-18

Wmiddots)

10

GHz

50nm

100nm

SWCNT bundle -264 412 4963 020

Cobre -264 412 4963 020

200nm

400nm

SWCNT bundle -264 412 4963 020

Cobre -264 438 4963 022

500nm

1microm

SWCNT bundle -264 412 4963 020

Cobre -264 659 4963 033

4422 Anaacutelise da rede a 100 GHz

As redes com interconexotildees natildeo-ideais seratildeo analisadas na frequecircncia de 100 GHz para

diferentes comprimentos O niacutevel loacutegico baixo (NB) o niacutevel loacutegico alto (NA) o tempo de

subida (tr) e o slew rate de subida (SR) foram obtidos conforme mostra a Tabela 412 Jaacute a

43

Tabela 413 mostra a atenuaccedilatildeo tempo de atraso potecircncia total dissipada e o produto

atraso-potecircncia obtidos a frequecircncia de 100 GHz para interconexotildees natildeo-ideais

Tabela 412 Niacuteveis loacutegicos tempo de subida e slew rate dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 100 GHz

Freq L (l2l) Material NB(mV) NA(mV) tr(ps) SR(Vns)

100

GHz

50nm

100nm

SWCNT bundle 678 4272 316 9099

Cobre 675 4277 323 9107

200nm

400nm

SWCNT bundle 678 4299 315 9196

Cobre 677 4089 289 9447

500nm

1microm

SWCNT bundle 678 4418 300 9973

Cobre 635 1766 102 6795

Tabela 413 Atenuaccedilatildeo atraso potecircncia e produto atraso-potecircncia dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 100 GHz

Freq L (l2l) Material A (dB) td (ps) P (nW) DP(10-18

Wmiddots)

100

GHz

50nm

100nm

SWCNT bundle -2703 189 6088 012

Cobre -2685 191 6088 012

200nm

400nm

SWCNT bundle -2693 188 6088 012

Cobre -2698 228 6088 014

500nm

1microm

SWCNT bundle -2673 174 6088 011

Cobre -2893 388 6088 024

A partir das Tabelas 412 e 413 o SWCNT bundle seraacute analisado Observa-se que os seus

niacuteveis loacutegicos altos aumentam com o aumento do comprimento das interconexotildees

aumentando tambeacutem o slew rate de subida Esse comportamento ocorre provavelmente

devido ao efeito ressonante provocado pela indutacircncia que provoca um pico no graacutefico da

frequumlecircncia antes dele comeccedilar a decair conforme explicado na subseccedilatildeo 421 Isso implica

na diminuiccedilatildeo da atenuaccedilatildeo do sinal e do atraso No entanto o produto atraso-potecircncia

permanece praticamente invariaacutevel jaacute que a potecircncia total dissipada natildeo se altera

Em relaccedilatildeo agraves interconexotildees de cobre verifica-se que as distorccedilotildees satildeo significativas Agrave

medida que o comprimento aumenta a atenuaccedilatildeo do sinal de saiacuteda aumenta Isso provoca

diminuiccedilatildeo no slew rate do sinal o que natildeo eacute desejado jaacute que o sinal demora mais para

atingir o niacutevel loacutegico alto Aleacutem disso o atraso na propagaccedilatildeo do sinal aumenta bastante

chegando a 388 do periacuteodo do sinal de entrada para a interconexatildeo 500nm1microm

Consequentemente o produto atraso-potecircncia tambeacutem aumenta sendo o dobro do valor de

44

referecircncia (interconexotildees ideais) A Figura 49 ilustra o sinal de saiacuteda da interconexatildeo

500nm1microm de cobre

Figura 49 Sinal de entrada (em verde) e sinal de saiacuteda (em preto) da rede a 100 GHz para

a interconexatildeo 500nm1microm de cobre

Comparando-se as potecircncias das tabelas 47 48 411 413 verifica-se que natildeo haacute

alteraccedilatildeo na potecircncia total dissipada pelo circuito com interconexotildees ideais e pelos

circuitos com interconexotildees natildeo-ideais para uma mesma frequecircncia Assim eacute importante

destacar que a dissipaccedilatildeo de potecircncia das interconexotildees de SWCNT bundle e de cobre natildeo

interfere na potecircncia total dissipada pelo circuito

443 Consideraccedilotildees Finais

Apoacutes analisar as interconexotildees locais de SWCNT de SWCNT bundle e de cobre

verificou-se que as interconexotildees de SWCNT bundle possuem desempenho comparaacutevel ao

das interconexotildees de cobre Em relaccedilatildeo agraves interconexotildees intermediaacuterias as de SWCNT

bundle apresentam desempenho superior agraves de cobre Jaacute as interconexotildees de SWCNT

isolado tanto para interconexotildees locais como para interconexotildees intermediaacuterias

apresentam desempenho inferior agraves interconexotildees de SWCNT bundle e de cobre natildeo

sendo propiacutecias a serem utilizadas em interconexotildees de circuitos integrados

Na anaacutelise das interconexotildees natildeo-ideais na rede H-tree clock mono-eleacutetron para a

frequecircncia de 10GHz observou-se que o niacutevel loacutegico baixo o niacutevel loacutegico alto o tempo de

subida o slew rate de subida a atenuaccedilatildeo do sinal e a potecircncia total dissipada por cada

porta inversora permanecem os mesmos em relaccedilatildeo agrave interconexatildeo ideal mostrando que

45

para esta frequecircncia as interconexotildees natildeo-ideais natildeo interferem nestes paracircmetros Jaacute o

atraso na propagaccedilatildeo do sinal no caso do cobre aumenta agrave medida que as interconexotildees

aumentam de comprimento aumentando tambeacutem o produto atraso-potecircncia No entanto

estes paracircmetros natildeo satildeo afetados pelas interconexotildees de SWCNT bundle indicando que

este material se sobressai em relaccedilatildeo ao cobre

Jaacute para a rede H-tree clock mono-eleacutetron a 100GHz observou-se que o circuito com

interconexotildees natildeo-ideais afetou bastante os paracircmetros em anaacutelise se comparados aos

obtidos para interconexotildees ideais Verificou-se que as distorccedilotildees provocadas pelas

interconexotildees de cobre foram significativas indicando que as interconexotildees de SWCNT

bundle possuem melhor desempenho que as de cobre

Assim constata-se que as interconexotildees de SWCNT bundle satildeo fortes candidatas a

substituirem as interconexotildees de cobre em circuitos em escala giga (GSI) e tera (TSI)

46

5 CONCLUSOtildeES

Nesta dissertaccedilatildeo o estudo das interconexotildees de SWCNT de SWCNT bundle e de cobre

foi realizado analisando e comparando os seus desempenhos para diferentes

comprimentos A partir desse estudo verificou-se que as interconexotildees de SWCNT bundle

possui desempenho comparaacutevel ao das interconexotildees de cobre no caso de interconexotildees

locais Em relaccedilatildeo agraves interconexotildees intermediaacuterias as de SWCNT bundle apresentam

desempenho superior agraves de cobre

As interconexotildees de SWCNT bundle e as interconexotildees de cobre foram entatildeo simuladas na

rede H-tree clock de dois niacuteveis para diferentes comprimentos e frequecircncias Nos pontos

de destino final da rede foram colocadas portas inversoras formadas por SETs permitindo

a anaacutelise de circuitos nanoeletrocircnicos

A partir da anaacutelise da rede H-tree clock observou-se que as interconexotildees de SWCNT

bundle possuem desempenho melhor que as de cobre principalmente em relaccedilatildeo ao slew

rate agrave atenuaccedilatildeo ao tempo de atraso e ao produto atraso-potecircncia Aleacutem disso a

dissipaccedilatildeo de potecircncia das interconexotildees natildeo-ideais natildeo interferem na potecircncia total

dissipada pelo circuito Assim as interconexotildees de SWCNT bundle satildeo fortes candidatas a

substituirem as interconexotildees de cobre em circuitos em escala giga (GSI) e tera (TSI)

Como perspectivas futuras eacute importante analisar o efeito das interconexotildees de nanotubo de

carbono em circuitos GSI e TSI com outras arquiteturas A anaacutelise das interconexotildees de

CNT tambeacutem deve ser feita em circuitos com tecnologia MOS permitindo a comparaccedilatildeo

entre diferentes tecnologias Aleacutem disso eacute interessante estudar outros tipos de materiais

que possam ser utilizados como interconexotildees em circuitos integrados

47

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53

7 APEcircNDICES

71 TABELAS COMPLEMENTARES

Tabela 71 Paracircmetros obtidos a partir do modelo de SWCNT isolado

L RQ (Ω) RS (Ω) LCNT (10-9

H) CCNT (10-18

F)

10 nm 645103 - 40010

-2 27910

-1

100 nm 645103 - 40010

-1 279

200 nm 645103 - 80010

-1 558

300 nm 645103 - 120 837

400 nm 645103 - 160 11210

1

500 nm 645103 - 200 14010

1

600 nm 645103 - 240 16710

1

700 nm 645103 - 280 19510

1

800 nm 645103 - 320 22310

1

900 nm 645103 - 360 25110

1

1 microm 645103 - 400 27910

1

10 microm 645103 64510

4 40010

1 27910

2

100 microm 645103 64510

5 40010

2 27910

3

200 microm 645103 12910

6 80010

2 55810

3

300 microm 645103 19410

6 12010

3 83710

3

400 microm

645103 25810

6 16010

3 11210

4

500 microm

645103 32310

6 20010

3 14010

4

Tabela 72 Paracircmetros obtidos a partir do modelo de SWCNT bundle

L RQ (Ω) RS (Ω) LBundle(10-9

H) CBundle(10-18

F)

10 nm 1075 - 66710-5

135

100 nm 1075 - 66710-4

135101

200 nm 1075 - 13310-3

270101

300 nm 1075 - 20010-3

405101

400 nm 1075 - 26710-3

540101

500 nm 1075 - 33310-3

675101

600 nm 1075 - 40010-3

810101

700 nm 1075 - 46710-3

945101

800 nm 1075 - 53310-3

108102

900 nm 1075 - 60010-3

122102

1 microm 1075 - 66710-3

135102

10 microm 1075 108102 66710

-2 13510

3

100 microm 1075 108103 66710

-1 13510

4

200 microm 1075 215103 133 27010

4

300 microm 1075 323103 200 40510

4

400 microm

1075 430103 267 54010

4

500 microm

1075 538103 333 67510

4

54

Tabela 73 Paracircmetros obtidos a partir do modelo de cobre

L RCu (Ω) LCu (10-9

H) CCu (10-18

F)

10 nm 06 37310-6

150

100 nm 60 63610-5

150101

200 nm 120 17510-4

300101

300 nm 180 30910-4

450101

400 nm 240 45410-4

600101

500 nm 300 61110-4

750101

600 nm 360 77510-4

900101

700 nm 420 94610-4

105102

800 nm 480 11210-3

120102

900 nm 540 13110-3

135102

1 microm 600 14910-3

150102

10 microm 60102 24010

-2 15010

3

100 microm 60103 33210

-1 15010

4

200 microm 12104 72010

-1 30010

4

300 microm 18104 113 45010

4

400 microm

24104 155 60010

4

500 microm

30104 198 75010

4

55

Tabela 74 Frequecircncia em -3dB das interconexotildees locais

Comprimento Material f-3dB

10 nm SWCNT isolado 253 GHz

SWCNT bundle 66 THz

Cobre 232 THz

100 nm SWCNT isolado 300 GHz

SWCNT bundle 20 THz

Cobre 51 THz

200 nm SWCNT isolado 342 GHz

SWCNT bundle 14 THz

Cobre 29 THz

300 nm SWCNT isolado 344 GHz

SWCNT bundle 11 THz

Cobre 20 THz

400 nm SWCNT isolado 329 GHz

SWCNT bundle 89 THz

Cobre 15 THz

500 nm SWCNT isolado 307 GHz

SWCNT bundle 76 THz

Cobre 12 THz

600 nm SWCNT isolado 288 GHz

SWCNT bundle 67 THz

Cobre 94 THz

700 nm SWCNT isolado 271 GHz

SWCNT bundle 61 THz

Cobre 76 THz

800 nm SWCNT isolado 255 GHz

SWCNT bundle 55 THz

Cobre 63 THz

900 nm SWCNT isolado 240 GHz

SWCNT bundle 51 THz

Cobre 52 THz

1 microm SWCNT isolado 230 GHz

SWCNT bundle 47 THz

Cobre 42 THz

56

Tabela 75 Frequecircncia em -3dB das interconexotildees intermediaacuterias

Comprimento Material f-3dB

10 microm SWCNT isolado 26 GHz

SWCNT bundle 527 GHz

Cobre 34 GHz

100 microm SWCNT isolado 32 MHz

SWCNT bundle 42 GHz

Cobre 345 MHz

200 microm SWCNT isolado 82 MHz

SWCNT bundle 10 GHz

Cobre 87 MHz

300 microm SWCNT isolado 36 MHz

SWCNT bundle 455 MHz

Cobre 38 MHz

400 microm SWCNT isolado 21 MHz

SWCNT bundle 256 MHz

Cobre 21 MHz

500 microm SWCNT isolado 13 MHz

SWCNT bundle 165 MHz

Cobre 14 MHz

57

8 ANEXOS

81 COacuteDIGO SPICE DO SET [44]

Transistor mono-eleacutetron (SET) conexotildees fonte | dreno | | porta1 | | | porta2 | | | | SUBCKT SET 1 2 3 4 PARAMS +C1=1E-20 Capacitacircncia da junccedilatildeo 1 +C2=1E-20 Capacitacircncia da junccedilatildeo 2 +R1=1E5 Resistecircncia da junccedilatildeo 1 +R2=1E5 Resistecircncia da junccedilatildeo 2 +Cg1=015E-18 Capacitacircncia da junccedilatildeo 1 +Cg2=0 Capacitacircncia da junccedilatildeo 2 +C0=0 Capacitacircncia proacutepria da ilha +Q0=005 Carga offset em unidades de e +TEMP=300 Temperatura PARAM E=160217733E-19 Carga do eleacutetron (e) PARAM CSUM=C1+C2+Cg1+Cg2+C0 Capacitacircncia total do SET PARAM T=TEMPCSUM53785467E14 Temperatura normalizada 53785467E14 = kBe^2 PARAM RN1=R1(R1+R2) Resistecircncia da junccedilatildeo 1 normalizada PARAM RN2=R2(R1+R2) Resistecircncia da junccedilatildeo 2 normalizada FUNC Q(v1v2v3v4) (Cg1v3+Cg2v4+C1v1+C2v2)E+Q0 Definiccedilatildeo da carga em unidades de e FUNC VN(v) CSUMvE Tensatildeo normalizada FUNC GAMMA(u) IF(T==0IF(ult0-u0)IF(u==0Tu(EXP(uT)-1))) FUNC N_OPT(v1v2v3v4) ROUND(-Q(v1v2v3v4)+(CSUME) (v1RN2+v2RN1)) A maior probabilidade de carga na ilha em unidades de e Os quarto eventos tuacuteneis FUNC R1L(nv1v2v3v4) GAMMA(05 - n - Q(v1v2v3v4) + VN(v1))RN1 FUNC R1R(nv1v2v3v4) GAMMA(05 + n + Q(v1v2v3v4) - VN(v1))RN1 FUNC R2L(nv1v2v3v4) GAMMA(05 + n + Q(v1v2v3v4) - VN(v2))RN2 FUNC R2R(nv1v2v3v4) GAMMA(05 - n - Q(v1v2v3v4) + VN(v2))RN2

58

determinaccedilatildeo das probabilidades relativas assume-se inicialmente que o estado da carga N_OPT tem probabilidade relativa igual a um FUNC PN_1(nv1v2v3v4) (R1L(nv1v2v3v4)+R2R(nv1v2v3v4))(R1R(n-1v1v2v3v4)+R2L(n-1v1v2v3v4)) FUNC PN_2(nv1v2v3v4) PN_1(nv1v2v3v4) +(R1L(n-1v1v2v3v4)+R2R(n-1v1v2v3v4))(R1R(n-2v1v2v3v4)+R2L(n-2v1v2v3v4)) FUNC PN_3(nv1v2v3v4) PN_2(nv1v2v3v4) +(R1L(n-2v1v2v3v4)+R2R(n-2v1v2v3v4))(R1R(n-3v1v2v3v4)+R2L(n-3v1v2v3v4)) FUNC PN_4(nv1v2v3v4) PN_3(nv1v2v3v4) +(R1L(n-3v1v2v3v4)+R2R(n-3v1v2v3v4))(R1R(n-4v1v2v3v4)+R2L(n-4v1v2v3v4)) FUNC PN_5(nv1v2v3v4) PN_4(nv1v2v3v4) +(R1L(n-4v1v2v3v4)+R2R(n-4v1v2v3v4))(R1R(n-5v1v2v3v4)+R2L(n-5v1v2v3v4)) FUNC PN1(nv1v2v3v4) (R2L(nv1v2v3v4) +R1R(nv1v2v3v4))(R2R(n+1v1v2v3v4)+R1L(n+1v1v2v3v4)) FUNC PN2(nv1v2v3v4) PN1(nv1v2v3v4) +(R2L(n+1v1v2v3v4)+R1R(n+1v1v2v3v4))(R2R(n+2v1v2v3v4)+R1L(n+2v1v2v3v4)) FUNC PN3(nv1v2v3v4) PN2(nv1v2v3v4) +(R2L(n+2v1v2v3v4)+R1R(n+2v1v2v3v4))(R2R(n+3v1v2v3v4)+R1L(n+3v1v2v3v4)) FUNC PN4(nv1v2v3v4) PN3(nv1v2v3v4) +(R2L(n+3v1v2v3v4)+R1R(n+3v1v2v3v4))(R2R(n+4v1v2v3v4)+R1L(n+4v1v2v3v4)) FUNC PN5(nv1v2v3v4) PN4(nv1v2v3v4) +(R2L(n+4v1v2v3v4)+R1R(n+4v1v2v3v4))(R2R(n+5v1v2v3v4)+R1L(n+5v1v2v3v4)) FUNC PSUM(nv1v2v3v4) PN_5(nv1v2v3v4)+PN_4(nv1v2v3v4)+PN_3(nv1v2v3v4)+PN_2(nv1v2v3v4) ++PN_1(nv1v2v3v4)+1+PN1(nv1v2v3v4)+PN2(nv1v2v3v4)+PN3(nv1v2v3v4) ++PN4(nv1v2v3v4)+PN5(nv1v2v3v4)

59

caacutelculo da corrente da fonte para o dreno FUNC CUR(nv1v2v3v4) PN_5(nv1v2v3v4)(R1R(n-5v1v2v3v4)-R1L(n-5v1v2v3v4)) ++PN_4(nv1v2v3v4)(R1R(n-4v1v2v3v4)-R1L(n-4v1v2v3v4)) ++PN_3(nv1v2v3v4)(R1R(n-3v1v2v3v4)-R1L(n-3v1v2v3v4)) ++PN_2(nv1v2v3v4)(R1R(n-2v1v2v3v4)-R1L(n-2v1v2v3v4)) ++PN_1(nv1v2v3v4)(R1R(n-1v1v2v3v4)-R1L(n-1v1v2v3v4)) ++(R1R(nv1v2v3v4)-R1L(nv1v2v3v4)) ++PN1(nv1v2v3v4)(R1R(n+1v1v2v3v4)-R1L(n+1v1v2v3v4)) ++PN2(nv1v2v3v4)(R1R(n+2v1v2v3v4)-R1L(n+2v1v2v3v4)) ++PN3(nv1v2v3v4)(R1R(n+3v1v2v3v4)-R1L(n+3v1v2v3v4)) ++PN4(nv1v2v3v4)(R1R(n+4v1v2v3v4)-R1L(n+4v1v2v3v4)) ++PN5(nv1v2v3v4)(R1R(n+5v1v2v3v4)-R1L(n+5v1v2v3v4)) FUNC CURRENT(nv1v2v3v4) ECUR(nv1v2v3v4)(CSUMPSUM(nv1v2v3v4)(R1+R2)) caacutelculo da tensatildeo da ilha FUNC VOLT(nv1v2v3v4) PN_5(nv1v2v3v4)(n-5+Q(v1v2v3v4)) ++PN_4(nv1v2v3v4)(n-4+Q(v1v2v3v4)) ++PN_3(nv1v2v3v4)(n-3+Q(v1v2v3v4)) ++PN_2(nv1v2v3v4)(n-2+Q(v1v2v3v4)) ++PN_1(nv1v2v3v4)(n-1+Q(v1v2v3v4)) ++n+Q(v1v2v3v4) ++PN1(nv1v2v3v4)(n+1+Q(v1v2v3v4)) ++PN2(nv1v2v3v4)(n+2+Q(v1v2v3v4)) ++PN3(nv1v2v3v4)(n+3+Q(v1v2v3v4)) ++PN4(nv1v2v3v4)(n+4+Q(v1v2v3v4)) ++PN5(nv1v2v3v4)(n+5+Q(v1v2v3v4)) FUNC VOLTAGE(nv1v2v3v4) (ECSUM)VOLT(nv1v2v3v4)PSUM(nv1v2v3v4) E1 5 0 VALUE= VOLTAGE(N_OPT(V(1)V(2)V(3)V(4))V(1)V(2)V(3)V(4)) Tensatildeo da ilha G1 1 2 VALUE= CURRENT(N_OPT(V(1)V(2)V(3)V(4))V(1)V(2)V(3)V(4)) Corrente da fonte para o dreno CT1 1 5 C1 CT2 2 5 C2 CGATE1 3 5 CG1 CGATE2 4 5 CG2 ENDS SET

Page 4: ANÁLISE COMPARATIVA ENTRE ... - repositorio.unb.brrepositorio.unb.br/.../1/2012_CamilaPeixotoSilvaMadeiraNogueira.pdf · Prof. Stefan Michael Blawid, ... Deus colocou esses dois

iv

DEDICATOacuteRIA

A Deus

v

AGRADECIMENTOS

Agradeccedilo a todas as pessoas que fizeram parte de alguma forma de mais essa etapa da

minha vida Agrave minha famiacutelia e aos meus amigos muito obrigada

Gostaria de destacar duas pessoas em especial que me ajudaram bastante neste processo

Janaina e Bianca Deus colocou esses dois anjos perto de mim em um periacuteodo crucial da

minha vida Sem elas esta etapa teria sido muito mais difiacutecil Agradeccedilo agrave Janaina por todo

auxiacutelio que me deu nesta dissertaccedilatildeo e pelas palavras de carinho quando eu mais precisei

Agradeccedilo agrave Bi por ser essa amiga querida e sincera sempre me apoiando em tudo

Obrigada por tudo

Sem duacutevida a providecircncia divina me apontando o caminho foi o que me fez chegar ateacute

aqui Obrigada meu Senhor meu Deus por mais essa conquista

vi

RESUMO

ANAacuteLISE COMPARATIVA ENTRE INTERCONEXOtildeES DE

NANOTUBO DE CARBONO E INTERCONEXOtildeES DE COBRE PARA

CIRCUITOS GSITSI

Autora Camila Peixoto da Silva Madeira Nogueira

Orientadora Janaina Gonccedilalves Guimaratildees

Programa de Poacutes-Graduaccedilatildeo em Engenharia de Sistemas Eletrocircnicos e de Automaccedilatildeo

Brasiacutelia setembro de 2012

Nesta dissertaccedilatildeo seraacute realizado o estudo de nanotubos de carbono como possiacuteveis

substitutos do cobre em interconexotildees em circuitos integrados GSI e TSI Dessa forma os

modelos de circuitos do SWCNT (single-walled carbon nanotube) e do cobre seratildeo

apresentados e o estudo comparativo do desempenho destes materiais seraacute realizado

considerando diferentes comprimentos das interconexotildees Aleacutem disso o efeito destas

interconexotildees seraacute analisado na rede H-tree clock com inversores em seus terminais

tambeacutem para diferentes comprimentos Os inversores utilizados satildeo formados por

dispositivos de tunelamento mono-eleacutetron Com este propoacutesito as interconexotildees seratildeo

simuladas usando o software LTSPICE

vii

ABSTRACT

COMPARATIVE ANALYSIS BETWEEN CARBON NANOTUBE

INTERCONNECTS AND COPPER INTERCONNECTS FOR GSITSI

CIRCUITS

Author Camila Peixoto da Silva Madeira Nogueira

Supervisor Janaina Gonccedilalves Guimaratildees

Programa de Poacutes-Graduaccedilatildeo em Engenharia de Sistemas Eletrocircnicos e de Automaccedilatildeo

Brasiacutelia September 2012

In this work carbon nanotubes as possible candidates to replace copper as interconnects in

GSI and TSI integrated circuits are studied The circuit model of SWCNT (single-walled

carbon nanotube) and of copper are presented and a comparison between both materials is

studied considering different interconnect lengths In addition interconnects effect is

analyzed in the H-tree clock network using inverters in its ends The inverters are formed

by mono-electron tunneling devices For this purpose the interconnects will be simulated

using LTSPICE software

viii

SUMAacuteRIO

1 INTRODUCcedilAtildeO 1

11 OBJETIVOS 2

12 ORGANIZACcedilAtildeO 2

2 FUNDAMENTACcedilAtildeO TEOacuteRICA 3

21 INTERCONEXOtildeES 14

211 Limitaccedilotildees do cobre em relaccedilatildeo ao CNT 3

212 Caracteriacutesticas do CNT 3

213 Modelos de Interconexatildeo 6

2131 Modelo de interconexatildeo de SWCNT isolado 6

2132 Modelo de interconexatildeo de SWCNT bundle 8

2133 Modelo de interconexatildeo de cobre 11

22 INVERSOR MONO-ELEacuteTRON 14

221 Dispositivo de tunelamento mono-eleacutetron 14

222 Estrutura do inversor mono-eleacutetron 18

23 CLOCKING DE SISTEMAS DE ALTA VELOCIDADE 19

231 H-tree clock 21

24 MEDIDAS DE DESEMPENHO NA ANAacuteLISE DAS INTERCONEXOtildeES 22

241 Velocidade maacutexima - anaacutelise na frequecircncia 22

242 Atenuaccedilatildeo 23

243 Tempo de atraso 23

244 Potecircncia dissipada 23

245 Produto atraso-potecircncia 24

246 Slew rate 24

25 LTSPICE 24

3 METODOLOGIA 26

31 INTRODUCcedilAtildeO 26

32 ETAPAS E ESTRATEacuteGIAS ADOTADAS 26

321 Simulaccedilatildeo das interconexotildees 26

322 Simulaccedilatildeo do inversor mono-eleacutetron 28

323 Simulaccedilatildeo do H-tree clock mono-eleacutetron 28

ix

4 RESULTADOS E ANAacuteLISES 31

41 INTRODUCcedilAtildeO 31

42 ANAacuteLISE DAS INTERCONEXOtildeES 31

421 Interconexotildees Locais 31

422 Interconexotildees Intermediaacuterias 35

43 SIMULACcedilAtildeO DO INVERSOR MONO-ELEacuteTRON 37

44 ANAacuteLISE DAS INTERCONEXOtildeES NO H-TREE CLOCK MONO-ELEacuteTRON 39

441 Anaacutelise da rede com interconexotildees ideais 39

442 Anaacutelise da rede com interconexotildees natildeo-ideais 41

4421 Anaacutelise da rede a 10 GHz 41

4422 Anaacutelise da rede a 100 GHz 42

443 Consideraccedilotildees Finais 44

5 CONCLUSOtildeES 46

6 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS 47

7 APEcircNDICES 53

71 TABELAS COMPLEMENTARES 53

8 ANEXOS 57

81 COacuteDIGO SPICE DO SET [44] 57

x

LISTA DE FIGURAS

Figura 21 Estrutura de uma lacircmina de grafeno (esquerda) do SWCNT (meio) e do

MWCNT (direita) [13] 4

Figura 22 Estrutura do SWCNT bundle [16] 4

Figura 23 Estrutura do (i) armchair (ii) zig-zag e (iii) quiral [24] 5

Figura 24 Modelo de interconexatildeo do SWCNT isolado (modificado de [33]) 8

Figura 25 Separaccedilatildeo miacutenima entre CNTs devido agrave forccedila de Van der Waals (modificado de

[13]) 9

Figura 26 Nuacutemero de CNTs ao longo da largura (nW) e da altura (nH) do CNT bundle

[13] 10

Figura 27 Modelo de interconexatildeo de cobre 13

Figura 28 Siacutembolo e tabela verdade da porta NOT 14

Figura 29 Dois eletrodos separados por uma ilha [10] 15

Figura 210 Esquemaacutetico da junccedilatildeo-tuacutenel [10] 15

Figura 211 Diagramas de energia (a) Bloqueio de Coulomb (b) Tunelamento mono-

eleacutetron [10] 16

Figura 212 Caracteriacutestica do bloqueio de Coulomb [10] 17

Figura 213 Transistor mono-eleacutetron [10] 18

Figura 214 Caracteriacutestica corrente(I) versus tensatildeo (Vg) do transistor mono-eleacutetron [10] 18

Figura 215 Esquemaacutetico do inversor utilizando SETs (modificado de [4]) 19

Figura 216 Estruturas comuns de redes de distribuiccedilatildeo de clock [45] 20

Figura 217 Esquemaacutetico do H-tree clock simeacutetrico (modificado de [46]) 21

Figura 218 Graacutefico do moacutedulo do ganho pela frequumlecircncia tiacutepico do comportamento de

interconexotildees 22

Figura 31 Circuito simulado para cada interconexatildeo 27

Figura 32 Fluxograma das etapas seguidas na simulaccedilatildeo das interconexotildees 28

Figura 33 Esquemaacutetico do H-tree clock com os comprimentos de cada seguimento 29

Figura 34 Fluxograma das etapas seguidas na simulaccedilatildeo do H-tree clock 30

Figura 41 Frequecircncia versus comprimento das interconexotildees locais 32

Figura 42 Graacuteficos da magnitude das interconexotildees de SWCNT isolado (superior)

SWCNT bundle (meio) e cobre (inferior) com comprimento de 100nm 34

Figura 43 Frequecircncia versus comprimento das interconexotildees intermediaacuterias 35

xi

Figura 44 Esquemaacutetico do SET e os valores de seus paracircmetros 37

Figura 45 Esquemaacutetico do inversor mono-eleacutetron e os valores de seus paracircmetros

(modificado de [4]) 38

Figura 46 Curva do sinal de entrada (em verde) e do sinal de saiacuteda (em preto) do inversor

mono-eleacutetron 38

Figura 47 Sinal de entrada (em verde) e sinal de saiacuteda (em preto) da rede a 10 GHz 40

Figura 48 Sinal de entrada (em verde) e sinal de saiacuteda (em preto) da rede a 100 GHz 40

Figura 49 Sinal de entrada (em verde) e sinal de saiacuteda (em preto) da rede a 100 GHz para

a interconexatildeo 500nm1microm de cobre 44

xii

LISTA DE TABELAS

Tabela 41 Frequecircncia em -3dB de cada material para lCNT le λCNT 32

Tabela 42 Estudo das interconexotildees com comprimentos na faixa lCNT le λCNT 33

Tabela 43 Estudo das interconexotildees SWCNT bundle e cobre com comprimentos na faixa

lCNT le λCNT 33

Tabela 44 Frequecircncia em -3dB de cada material para lCNT gt λCNT 36

Tabela 45 Estudo das interconexotildees com comprimentos na faixa lCNT gt λCNT 36

Tabela 46 Estudo das interconexotildees SWCNT bundle e cobre com comprimentos na faixa

lCNT gt λCNT 37

Tabela 47 Caracteriacutesticas dos sinais de saiacuteda da rede para interconexotildees ideais 39

Tabela 48 Potecircncia dissipada por cada porta inversora para interconexotildees ideais 40

Tabela 49 Frequecircncia em -3dB na entrada da inversora para interconexotildees natildeo-ideais 41

Tabela 410 Niacuteveis loacutegicos tempo de subida e slew rate dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 10 GHz 42

Tabela 411 Atenuaccedilatildeo atraso potecircncia e produto atraso-potecircncia dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 10 GHz 42

Tabela 412 Niacuteveis loacutegicos tempo de subida e slew rate dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 100 GHz 43

Tabela 413 Atenuaccedilatildeo atraso potecircncia e produto atraso-potecircncia dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 100 GHz 43

Tabela 71 Paracircmetros obtidos a partir do modelo de SWCNT isolado 53

Tabela 72 Paracircmetros obtidos a partir do modelo de SWCNT bundle 53

Tabela 73 Paracircmetros obtidos a partir do modelo de cobre 54

Tabela 74 Frequecircncia em -3dB das interconexotildees locais 55

Tabela 75 Frequecircncia em -3dB das interconexotildees intermediaacuterias 56

xiii

LISTA DE SIacuteMBOLOS NOMENCLATURA ABREVIACcedilOtildeES

CNT ndash Carbon nanotube

CVD ndash Chemical Vapor Deposition

GSI ndash Giga Scale Integration

ITRS ndash International Technology Roadmap for Semiconductors

LTSPICE ndash Linear Technology SPICE simulator

MWCNT ndash Multi-walled carbon nanotube

SET ndash Singe-electron transistor

SPICE ndash Simulated Program with Integrated Circuits Emphasis

SWCNT ndash Single-walled carbon nanotube

TSI ndash Tera Scale Integration

1

1 INTRODUCcedilAtildeO

O crescimento da microeletrocircnica e a consequumlente miniaturizaccedilatildeo dos circuitos integrados

foram previstos por Gordon Moore que enunciou que o nuacutemero de transistores em um

circuito integrado dobraria a cada 18 meses considerando a mesma aacuterea e custo previsatildeo

conhecida como Lei de Moore Devido aos problemas enfrentados pelos dispositivos

microeletrocircnicos gerados especialmente pelos efeitos quacircnticos que anteriormente eram

desprezados novas tecnologias como a nanoeletrocircnica vecircm sendo estudadas para dar

continuidade a esse processo de miniaturizaccedilatildeo dos dispositivos [1-10]

Aleacutem disso a miniaturizaccedilatildeo de circuitos integrados tem resultado em grandes desafios no

projeto de interconexotildees que satildeo responsaacuteveis principalmente pelo carregamento da

tensatildeo de alimentaccedilatildeo de cada transistor e pela distribuiccedilatildeo dos sinais de dados As

limitaccedilotildees das interconexotildees as quais podem provocar uma desaceleraccedilatildeo nos progressos

alcanccedilados ateacute hoje pela induacutestria de semicondutores satildeo fatores preocupantes Como

limitaccedilotildees das interconexotildees eacute importante citar o aumento da sua resistividade aumento da

capacitacircncia de acoplamento entre vias dificuldades no controle das suas dimensotildees entre

outras

Assim o estudo aprofundado das interconexotildees levando em consideraccedilatildeo principalmente

seu desempenho eacute de fundamental importacircncia [11-13] Novas tecnologias estatildeo sendo

estudadas para superar as limitaccedilotildees das interconexotildees de cobre no circuito como a

resistividade eleacutetrica e a resistecircncia agrave eletromigraccedilatildeo principalmente em tecnologias

abaixo de 45nm As interconexotildees oacuteticas as interconexotildees de radio frequumlecircncia ou sem fio

e as interconexotildees de nanotubo de carbono (CNT) satildeo algumas candidatas a substituir as

interconexotildees de cobre as quais satildeo as interconexotildees mais utilizadas atualmente [13-17]

Dentre essas possibilidades os CNTs possuem grandes vantagens para interconexotildees em

circuitos integrados em escala GSI (Giga Scale Integration) e TSI (Tera Scale Integration)

[18-20] Eles satildeo considerados soluccedilotildees eficientes para melhorar as limitaccedilotildees do cobre

previstas pelo ITRS (International Technology Roadmap for Semiconductors) [21] como

atraso dissipaccedilatildeo de potecircncia e resistecircncia agrave eletromigraccedilatildeo

2

11 OBJETIVOS

O objetivo desta dissertaccedilatildeo eacute fazer um estudo comparativo entre o desempenho das

interconexotildees de nanotubo de carbono e das interconexotildees de cobre Com esse intuito

preliminarmente o desempenho das interconexotildees de SWCNT (do inglecircs single-walled

carbon nanotube) de SWCNT bundle (vaacuterios SWCNTs dispostos em paralelo como uma

corda) e de cobre seraacute comparado considerando diferentes comprimentos das

interconexotildees

Por fim o efeito das interconexotildees de SWCNT bundle e de cobre seraacute analisado na rede H-

tree clock com inversores mono-eleacutetron em seus terminais tambeacutem para diferentes

comprimentos Assim seraacute possiacutevel analisar se os nanotubos de carbono poderatildeo substituir

o cobre em interconexotildees em circuitos integrados GSI e TSI

12 ORGANIZACcedilAtildeO

No capiacutetulo 2 satildeo apresentados os conceitos fundamentais necessaacuterios agrave correta

compreensatildeo desta pesquisa Seratildeo abordados conceitos referentes agraves interconexotildees de

CNT e cobre aos dispositivos de tunelamento mono-eleacutetron e agrave estrutura do H-tree clock

O capiacutetulo 3 descreve a metodologia utilizada agrave realizaccedilatildeo do objeto de pesquisa desta

dissertaccedilatildeo Assim seratildeo apresentadas as etapas que foram seguidas para analisar o efeito

das interconexotildees em circuitos com transistores mono-eleacutetron

No capiacutetulo 4 os resultados e anaacutelises das simulaccedilotildees das interconexotildees ideais e natildeo-

ideais considerando o SWCNT SWCNT bundle e o cobre satildeo apresentados As

interconexotildees satildeo analisadas tambeacutem nos circuitos H-tree clock

O capiacutetulo 5 apresenta as conclusotildees e as recomendaccedilotildees para trabalhos futuros

3

2 FUNDAMENTACcedilAtildeO TEOacuteRICA

21 INTERCONEXOtildeES

211 Limitaccedilotildees do cobre em relaccedilatildeo ao CNT

As interconexotildees de cobre sofrem inuacutemeros problemas indesejados que aumentam agrave

medida que as interconexotildees diminuem de tamanho Essa diminuiccedilatildeo de tamanho resulta

em interconexotildees menos eficientes no maior consumo de potecircncia e no aumento da

densidade de corrente transportada por cada interconexatildeo [22] De acordo com o ITRS

[21] a densidade de corrente pode atingir valores na ordem de 107 Acm

2 Este valor soacute eacute

suportado por CNTs uma vez que satildeo capazes de suportar densidades de corrente na

ordem de 1010

Acm2 [1317]

Os CNTs tecircm provocado grande interesse nos cientistas desde a sua descoberta em 1991

por Iijima devido agraves excelentes propriedades eleacutetricas teacutermicas e mecacircnicas que possuem

Suas propriedades eleacutetricas permitem que suportem densidades de ateacute 1010

Acm2 sendo

que o cobre suporta densidades inferiores a 107 Acm

2 [1317] O caminho meacutedio livre do

CNT eacute superior ao do cobre o que possibilita um transporte baliacutestico por uma ampla gama

de extensatildeo e isso resulta em uma resistividade menor do CNT [13-17] Aleacutem disso a alta

condutividade teacutermica do CNT que eacute outra limitaccedilatildeo do cobre eacute de fundamental

importacircncia na aplicaccedilatildeo em interconexotildees Essas propriedades possibilitam uma

toleracircncia do CNT agrave eletromigraccedilatildeo a qual eacute uma grande limitaccedilatildeo no desempenho das

interconexotildees de cobre [131719]

212 Caracteriacutesticas do CNT

Os nanotubos de carbono podem ser formados por uma lacircmina de grafeno enrolada

conhecida como SWCNT (single-walled carbon nanotube) ou por vaacuterios tubos

concecircntricos formando uma multicamada conhecida por MWCNT (multi-walled carbon

nanotube) [2324] A Figura 21 ilustra a estrutura de uma lacircmina de grafeno do SWCNT e

do MWCNT

4

Figura 21 ndash Estrutura de uma lacircmina de grafeno (esquerda) do SWCNT (meio) e do

MWCNT (direita) [13]

Eacute importante destacar que os MWCNTs satildeo menos favoraacuteveis para o uso em

interconexotildees jaacute que eles apresentam caminho meacutedio livre menor que os SWCNTs

[1317] Como a resistecircncia de um uacutenico SWCNT pode ter valores altos eacute necessaacuteria a

uniatildeo de vaacuterios dispostos em paralelo como uma corda chamado de bundle para diminuir

o valor da resistecircncia equivalente da interconexatildeo [1315] A Figura 22 ilustra a estrutura

do SWCNT bundle [16]

Figura 22 ndash Estrutura do SWCNT bundle [16]

Dependendo de como a lacircmina eacute enrolada que resulta no acircngulo quiral e nos iacutendices

quirais de sua estrutura o nanotubo pode ser metaacutelico ou semicondutor [131419] Os

iacutendices quirais satildeo identificados por (mn) O nanotubo seraacute metaacutelico quando a diferenccedila

entre os iacutendices quirais for um muacuteltiplo inteiro de 3 e seraacute semicondutor nos outros casos

[13] A estrutura eacute chamada de zig-zag quando m ou n eacute igual a zero podendo ser metaacutelica

ou semicondutora Quando m=n a estrutura eacute denominada armchair sendo sempre

metaacutelica Nos outros casos a estrutura eacute conhecida como quiral e pode ser metaacutelica ou

semicondutora [24] A Figura 23 mostra as estruturas do armchair zig-zag e quiral [24]

5

Figura 23 ndash Estrutura do (i) armchair (ii) zig-zag e (iii) quiral [24]

De acordo com [22] o crescimento dos CNTs geralmente eacute realizado atraveacutes de um dos

seguintes meacutetodos descarga por arco eleacutetrico ablaccedilatildeo a laser e deposiccedilatildeo quiacutemica a vapor

do inglecircs chemical vapor deposition ndash CVD O processo de descarga por arco eleacutetrico tem

sido desenvolvido para preparar MWCNTs e SWCNTs de alta qualidade Neste processo

aacutetomos de carbono satildeo evaporados com um gaacutes de plasma inerte caracterizado por altas

correntes eleacutetricas que passam entre os eletrodos opostos de carbono (caacutetodo e acircnodo)

Normalmente o acircnodo do carbono conteacutem uma pequena porcentagem de catalisador de

metal como o cobalto niacutequel ou ferro Jaacute o meacutetodo de ablaccedilatildeo a laser utiliza um pulso

duplo de lasers para evaporar varetas de grafite dopadas com uma mistura de cobalto e

niacutequel em poacute colocado em um tubo aquecido a temperatura elevada seguido de um

tratamento teacutermico a vaacutecuo

Apesar dos meacutetodos de descarga por arco eleacutetrico e ablaccedilatildeo a laser produzir grandes

quantidades de CNTs de alta qualidade e oferecer uma ampla disponibilidade de CNTs

para estudos e possiacuteveis aplicaccedilotildees existem vaacuterias preocupaccedilotildees associadas com estes dois

meacutetodos de crescimento [22] Dessa forma os meacutetodos de CVD satildeo bastante usados no

crescimento de CNTs com aplicaccedilatildeo em eletrocircnica incluindo interconexotildees [1322] O

processo de crescimento CVD envolve o aquecimento do catalisador a uma temperatura

elevada e a introduccedilatildeo de gaacutes de hidrocarboneto ou de monoacutexido de carbono para dentro

6

do reator O mecanismo de crescimento do CNT tem sido considerado como um processo

de dissociaccedilatildeo-difusatildeo-precipitaccedilatildeo em que o carbono eacute formado sobre a superfiacutecie de

uma partiacutecula de metal seguida de difusatildeo e precipitaccedilatildeo sob a forma de grafeno ciliacutendrico

[22]

213 Modelos de Interconexatildeo

Para realizar uma comparaccedilatildeo por simulaccedilatildeo entre o desempenho do CNT e do cobre

modelos equivalentes de circuito de interconexotildees que reproduzam com fidelidade o seu

comportamento fiacutesico satildeo necessaacuterios Com esse intuito eacute fundamental que os fatores que

interferem no desempenho das interconexotildees como resistecircncia indutacircncia capacitacircncia e

comprimento sejam considerados A partir do estudo desses modelos eacute possiacutevel verificar

se as interconexotildees de CNT poderatildeo substituir as de cobre e os casos em que isso eacute

possiacutevel

2131 Modelo de interconexatildeo do SWCNT isolado

A resistecircncia de um SWCNT isolado eacute composta por ateacute trecircs partes resistecircncia de contato

entre o metal e o nanotubo (Rc) resistecircncia quacircntica (Rq) e resistecircncia de espalhamento

(Rs) [192325] As resistecircncias de contato e quacircntica satildeo independentes do comprimento

do nanotubo Jaacute a resistecircncia de espalhamento depende do comprimento do nanotubo [26-

31]

Quando o comprimento do SWCNT eacute menor ou igual ao caminho meacutedio livre (lCNT le

λCNT) que eacute tipicamente 1 microm o transporte de eleacutetrons eacute essencialmente baliacutestico e a

resistecircncia independe do comprimento do nanotubo [1332] No entanto quando o

comprimento do SWCNT eacute maior que o caminho meacutedio livre (lCNT gt λCNT) haacute uma

resistecircncia adicional que depende do comprimento do SWCNT e eacute chamada de resistecircncia

de espalhamento [13-15] Assim a resistecircncia total eacute dada pela equaccedilatildeo (21) em que lCNT

eacute o comprimento do nanotubo de carbono

CNTCNT

CNTCNT

CNTlseRsRqRc

lseRqRcR

(21)

7

A resistecircncia de contato pode chegar ao valor de 100 kΩ [131533] Contudo essa

resistecircncia em nanotubos de carbono com diacircmetro maior que 1nm estaacute na ordem de

poucos kilo ohms ou ateacute mesmo centenas de ohms [1316] Neste trabalho considerou-se o

contato metal-nanotubo como sendo perfeito ou seja Rc = 0

A resistecircncia quacircntica e a de espalhamento satildeo descritas pelas equaccedilotildees (22) e (23)

respectivamente onde e eacute a carga do eleacutetron e h eacute a constante de Plank A resistecircncia

quacircntica (Rq) eacute igualmente dividida em cada lado dos contatos metal-nanotubo [13-

173435]

ke

hRq 456

4 2 (22)

CNT

CNTl

e

hRs

24 (23)

O movimento de eleacutetrons transportados por um condutor eacute modelado pela indutacircncia que

consiste na indutacircncia magneacutetica e cineacutetica [1316] No SWCNT a indutacircncia magneacutetica eacute

calculada considerando que o CNT eacute um fio muito fino com diacircmetro d e estaacute

posicionado a uma distacircncia y do plano ligado ao terra A indutacircncia cineacutetica eacute calculada

pela equaccedilatildeo da energia cineacutetica armazenada em cada canal condutor do CNT para uma

indutacircncia efetiva [141535] Assim a indutacircncia magneacutetica (LM) e a cineacutetica (LK) podem

ser calculadas pelas equaccedilotildees (24) e (25) respectivamente

d

yLM ln

2

(24)

F

Kve

hL

22 (25)

Para d = 1nm e y = 1microm LM = 14pHmicrom [141529] Como vF eacute a velocidade de Fermi

cujo valor eacute dado por 8x105 ms para o CNT o valor da indutacircncia cineacutetica eacute LK =

16nHmicrom [13-1635] Sabendo que cada CNT tem quatro canais condutores em paralelo

que natildeo interagem entre si a indutacircncia cineacutetica efetiva eacute dada por LK4 [13-15] Uma boa

aproximaccedilatildeo da indutacircncia total do CNT (LCNT) eacute 4 nHmicrom [15]

8

Por fim a capacitacircncia de um SWCNT isolado eacute constituiacuteda por duas partes que satildeo a

capacitacircncia eletrostaacutetica (CE) e a quacircntica (CQ) [13-1735] Essas capacitacircncias satildeo

calculadas pelas equaccedilotildees (26) e (27)

d

yCE

ln

2 (26)

F

Qhv

eC

22 (27)

A capacitacircncia eletrostaacutetica eacute influenciada pelo ambiente que a envolve que satildeo os seus

vizinhos e o plano ligado ao terra Considerando que o CNT eacute um fio com diacircmetro d =

1nm e a distacircncia y = 1microm obteacutem-se CE = 30 aFmicrom Jaacute a capacitacircncia quacircntica se refere agrave

influecircncia da energia quacircntica armazenada no nanotubo quando este carrega corrente O

valor da capacitacircncia eacute CQ = 100 aFmicrom [1314] Considerando os quatro canais condutores

descritos anteriormente a capacitacircncia total eacute dada por (28)

QE

QE

CNTCC

CCC

4

4

(28)

Assim o esquemaacutetico da interconexatildeo de um SWCNT isolado eacute mostrado na Figura 24

abaixo

Figura 24 ndash Modelo de interconexatildeo do SWCNT isolado (modificado de [33])

2132 Modelo de interconexatildeo do SWCNT bundle

O SWCNT bundle possui resistecircncia equivalente menor que o SWCNT isolado

caracteriacutestica necessaacuteria para alcanccedilar performances comparaacuteveis agraves interconexotildees de

9

cobre [13-2023252629-38] O SWCNT bundle eacute composto por vaacuterios SWCNTs

empacotados em paralelo Assume-se que todos os SWCNTs satildeo idecircnticos metaacutelicos e que

cada um tem o mesmo potencial [1737] Sabendo que d eacute o diacircmetro do nanotubo de

carbono e x eacute a distacircncia entre os centros de dois nanotubos adjacentes o SWCNT bundle

pode ser empacotado de forma densa se x = d ou de forma esparsa se x gt d [13-1529-

32] Sabe-se que entre os nanotubos existe uma separaccedilatildeo δmin devido agrave forccedila de Van der

Waals que eacute de pelo menos 032 nm entre cada nanotubo [13] como mostra a Figura 25

Figura 25 ndash Separaccedilatildeo miacutenima entre CNTs devido agrave forccedila de Van der Waals (modificado

de [13])

O nuacutemero de nanotubos de carbono nCNT disponiacutevel pode ser calculado pelas expressotildees

dadas em (29) e (210) [141530]

iacutemparnsen

nn

parnsen

nn

n

HH

HW

HH

HW

CNT

2

1

2

(29)

1

23

x

dtn

x

dwn HW (210)

Nas expressotildees acima w eacute a largura e t eacute a altura da interconexatildeo de SWCNT bundle

Assim nW eacute o nuacutemero de CNTs ao longo da largura do SWCNT bundle e nH eacute o nuacutemero de

CNTs ao longo da altura do SWCNT bundle [13-1530] A Figura 26 mostra esses valores

[13]

10

Figura 26 ndash Nuacutemero de CNTs ao longo da largura (nW) e da altura (nH) do CNT

bundle[13]

Na tecnologia de 22 nm considerando as dimensotildees de 22 nm de largura e 44 nm de altura

do SWCNT bundle [13173437] e a separaccedilatildeo entre cada nanotubo devido agrave forccedila de Van

der Waals a quantidade de SWCNTs eacute aproximadamente 600 Neste trabalho estas

consideraccedilotildees foram feitas e a tecnologia de 22 nm foi utilizada Esta tecnologia eacute prevista

pelo ITRS para o ano de 2016 [21]

As resistecircncias de cada SWCNT estatildeo em paralelo entre elas assim como as indutacircncias

Assim a resistecircncia e a indutacircncia do SWCNT bundle com nCNT SWCNTs satildeo calculados

respectivamente pelas expressotildees (211) e (212) [1323252629-3234]

CNT

CNTbundle

n

RR (211)

CNT

CNTbundle

n

LL (212)

Considerando que todos os SWCNTs estatildeo no mesmo potencial que os contatos entre

todos os nanotubos de carbono em um bundle satildeo idecircnticos e que cada SWCNT tem o

mesmo caminho meacutedio livre [13] eacute possiacutevel assumir que a interaccedilatildeo entre CNTs

adjacentes de um SWCNT bundle eacute fraca e que eles carregam correntes independentes

umas das outras [13-17]

A capacitacircncia do SWCNT bundle eacute obtida a partir da combinaccedilatildeo da capacitacircncia

quacircntica de todos os SWCNTs em paralelo chamada de capacitacircncia quacircntica bundle

(CQbundle

) que estaacute em seacuterie com a capacitacircncia eletrostaacutetica (CEbundle

) [13143539] A

capacitacircncia quacircntica e a capacitacircncia eletrostaacutetica satildeo calculadas pelas equaccedilotildees (213) e

(214) em que CEn e CEf satildeo as capacitacircncias de placas paralelas de CNTs isolados em

11

relaccedilatildeo aos vizinhos proacuteximos e afastados respectivamente [14293032] Assim a

capacitacircncia total do SWCNT bundle eacute obtida pela equaccedilatildeo (215)

CNT

CNT

Q

bundle

Q nCC (213)

En

HEf

WEn

bundle

E Cn

Cn

CC5

23

2

22

(214)

bundle

Q

bundle

E

bundle

Q

bundle

E

bundleCC

CCC

(215)

Analisando a equaccedilatildeo (215) o efeito da CQbundle

eacute pequeno para grandes valores de nCNT

sendo o valor da capacitacircncia do SWCNT bundle aproximadamente igual agrave sua

capacitacircncia eletrostaacutetica [13161719] Srivastava et al [13] mostra que os nanotubos no

interior do SWCNT bundle satildeo blindados eletrostaticamente dos condutores de terra

podendo ser desprezados Os CNTs de borda satildeo os principais contribuidores para a

capacitacircncia eletrostaacutetica do SWCNT bundle No entanto a equaccedilatildeo (214) natildeo reproduz

fielmente a realidade jaacute que considera a capacitacircncia eletrostaacutetica de todos os nanotubos e

natildeo soacute os CNTs de borda Segundo o mesmo autor para a tecnologia de 22 nm e uma

constante dieleacutetrica igual a 2 a capacitacircncia total do SWCNT bundle eacute aproximadamente

135 aFμm

2133 Modelo de interconexatildeo do cobre

As propriedades fiacutesicas de interconexotildees de cobre podem ser descritas por resistecircncia

capacitacircncia e indutacircncia [14-16] A resistecircncia do cobre pode ser calculada utilizando a

equaccedilatildeo (216)

tw

lRCu

(216)

em que l eacute o comprimento do cobre w eacute a sua largura t eacute a sua altura e ρ eacute a sua

resistividade A resistividade do cobre em escala nanomeacutetrica eacute moldada pela combinaccedilatildeo

dos fenocircmenos de espalhamento superficial e de espalhamento de contorno

[151627283340] Estes fenocircmenos correspondem aos paracircmetros ρFS e ρMS propostos

12

por Fuchs e Sondheimer (ρFS) e por Mayadas e Shatzkes (ρMS) [1516] Estes paracircmetros

satildeo calculados pelas expressotildees (217) (218) e (219)

)1(

4

31 p

w

o

o

FS

(217)

11ln33

2

31 22

MS

o (218)

)1( R

R

D

o

(219)

O paracircmetro ρo eacute a resistividade do material λo eacute o caminho meacutedio livre p eacute o paracircmetro

de espalhamento de Fuchs D eacute o tamanho meacutedio e R eacute o coeficiente de reflexatildeo no

contorno com valores entre 0 e 1 Assim tem-se que a resistecircncia do cobre em escala

nanomeacutetrica eacute dada pela equaccedilatildeo (220) [1516]

tw

lR MSFS

Cu

(220)

De acordo com [1433] o valor da resistividade do cobre na tecnologia de 22nm para

interconexotildees locais eacute dado por 4666 μΩ-cm No entanto este valor da resistividade do

cobre chega a 58 μΩ-cm para valores miacutenimos da largura do fio [1516203940] Neste

trabalho seraacute utilizado o valor de 58 μΩ-cm para a resistividade do cobre na tecnologia de

22 nm que vai ao encontro dos requerimentos do ITRS [21]

A indutacircncia proacutepria (L) e a muacutetua (M) da interconexatildeo de cobre em escala nanomeacutetrica

satildeo obtidas usando respectivamente as expressotildees (221) e (222)

l

tw

tw

llL o )(220

2

12ln

2

(221)

l

s

s

llM o 1

2ln

2

(222)

em que t eacute a altura do fio microo eacute a permeabilidade e s eacute o espaccedilamento entre os fios [14-16]

A indutacircncia total do cobre (LCu) eacute dada pela soma das indutacircncias proacutepria e muacutetua

13

A capacitacircncia da interconexatildeo de cobre eacute calculada pela soma da capacitacircncia de

acoplamento entre dois fios adjacentes (CC) e a capacitacircncia ligada ao plano do terra (Cg)

[14-16] Essas capacitacircncias podem ser obtidas pelas equaccedilotildees (223) e (224) [1541]

120760193

534511171

70222

ht

t

hs

s

hs

s

h

wCg (223)

181160141090

980871161

591740

062141

sh

h

sw

w

sw

w

sh

h

s

tCC (224)

em que s eacute o espaccedilamento entre dois fios adjacentes h eacute a distacircncia do fio em relaccedilatildeo ao

plano do terra e ε eacute a permissividade relativa para uma dada constante dieleacutetrica

Considerando as equaccedilotildees (223) e (224) e de acordo com [1321] para uma constante

dieleacutetrica igual a 2 o valor da capacitacircncia total do cobre (CCu) eacute aproximadamente 150

aFμm que seraacute utilizado neste trabalho

Os modelos em L em π e em T satildeo usados como modelos de interconexatildeo de cobre [11]

Como o modelo π eacute muito utilizado para uma linha distribuiacuteda [1416] este modelo seraacute

usado neste trabalho A Figura 27 mostra o modelo de interconexatildeo de cobre [11]

Figura 27 ndash Modelo de interconexatildeo de cobre

A precisatildeo do modelo eacute determinada pelo nuacutemero de seguimentos bdquoN‟ que ele possui Uma

cadeia com mais de trecircs segmentos em π fornece um erro menor que 3 [16] Neste

trabalho seratildeo utilizados trecircs segmentos em π

14

22 INVERSOR MONO-ELEacuteTRON

Os dispositivos de tunelamento mono-eleacutetron satildeo dispositivos nanoeletrocircnicos

potencialmente aplicaacuteveis em circuitos integrados em escala giga (GSI) e tera (TSI)

Apesar de apresentarem baixo ganho e alta impedacircncia de saiacuteda estes dispositivos

possuem tamanho reduzido e baixa dissipaccedilatildeo de potecircncia Estas caracteriacutesticas os tornam

atrativos em circuitos loacutegicos e circuitos de memoacuteria [1-10] Assim portas loacutegicas podem

ser implementadas utilizando dispositivos de tunelamento mono-eleacutetron [14-9]

As portas loacutegicas satildeo blocos de construccedilatildeo baacutesicos na eletrocircnica digital O inversor loacutegico

ou porta NOT eacute o principal elemento baacutesico no projeto de circuitos digitais [42] O

inversor inverte o sinal de entrada de valor loacutegico baixo ndash 0 ndash em um sinal de saiacuteda de

valor loacutegico alto ndash 1 ndash e vice-versa [442] Em outras palavras a porta NOT efetua a

negaccedilatildeo loacutegica O siacutembolo do inversor juntamente com sua tabela verdade estaacute ilustrado

na Figura 28

Figura 28 ndash Siacutembolo e tabela verdade da porta NOT

221 Dispositivo de tunelamento mono-eleacutetron

O funcionamento dos dispositivos de tunelamento mono-eleacutetron eacute baseado no controle do

movimento e da posiccedilatildeo de um uacutenico ou de um pequeno grupo de eleacutetrons no dispositivo

[17] Os seguintes conceitos satildeo essenciais na definiccedilatildeo desses dispositivos ilha junccedilatildeo-

tuacutenel tunelamento efeito de carregamento e bloqueio de Coulomb A partir desses

conceitos eacute possiacutevel definir o transistor mono-eleacutetron - SET (do inglecircs Single-electron

transistor) [24-8]

A ilha estaacute localizada entre duas paredes finas de um material normalmente isolante as

quais criam uma barreira de potencial de energia que impossibilita a movimentaccedilatildeo de

eleacutetrons pela ilha A Figura 29 mostra dois eletrodos A e B separados por uma barreira

15

isolante e no meio dessa barreira isolante encontra-se a ilha Se a energia dos eleacutetrons for

maior que a energia potencial das paredes das barreiras estes poderatildeo atravessaacute-las [6] No

dispositivo de tunelamento mono-eleacutetron o transporte de eleacutetrons entre o eletrodo A e a

ilha e entre a ilha e o eletrodo B ocorre por tunelamento mono-eleacutetron em que os eleacutetrons

atravessam as barreiras um de cada vez [10]

Figura 29 Dois eletrodos separados por uma ilha [10]

Esses dispositivos satildeo formados por junccedilotildees-tuacutenel que satildeo dois eletrodos metaacutelicos

separados por um isolante muito fino (barreira) o qual permite a passagem de eleacutetrons por

tunelamento [467] A Figura 210 ilustra a junccedilatildeo-tuacutenel e sua representaccedilatildeo simboacutelica Os

paracircmetros que caracterizam a junccedilatildeo-tuacutenel macroscopicamente satildeo a resistecircncia de

tunelamento (Rj) que depende da aacuterea e da espessura da barreira isolante e a capacitacircncia

(Cj) [10]

Figura 210 Esquemaacutetico da junccedilatildeo-tuacutenel [10]

O tunelamento eacute o transporte de partiacuteculas atraveacutes de uma regiatildeo em que a energia total de

uma partiacutecula pontual claacutessica eacute menor que a energia potencial da regiatildeo ou seja eacute o

transporte atraveacutes de uma regiatildeo classicamente proibida [10] O efeito de tunelamento

ocorre quando a barreira de potencial for suficientemente fina permitindo que o eleacutetron a

atravesse se houver niacutevel de energia desocupado do outro lado da barreira com o mesmo

valor de energia Esse fenocircmeno pode ser explicado pelo comportamento dual do eleacutetron

Diferentemente da mecacircnica claacutessica na teoria eletromagneacutetica quando uma partiacutecula

encontra uma barreira de potencial parte da onda eacute refletida e a outra parte eacute transmitida

para o outro lado da barreira [10] A teoria ortodoxa do tunelamento mono-eleacutetron eacute o

modelo mais utilizado para analisar o tunelamento [4-6] Proposto em 1987 por Averin e

Likharev [43] este modelo apresenta os seguintes postulados

16

Modelo de dimensatildeo zero as dimensotildees das ilhas satildeo despreziacuteveis

O evento de tunelamento eacute considerado instantacircneo

A redistribuiccedilatildeo das cargas apoacutes tunelamento tambeacutem eacute considerada instantacircnea

O espectro de energia em condutores e ilhas eacute considerado contiacutenuo ou seja a

quantizaccedilatildeo da energia do eleacutetron eacute ignorada dentro dos condutores

Apesar de a teoria ortodoxa assumir condiccedilotildees hipoteacuteticas ela continua sendo muito

utilizada em estudos do dispositivo mono-eleacutetron [4-6]

O efeito de carregamento ocorre quando os eleacutetrons estatildeo na iminecircncia de entrar em um

material condutor extremamente pequeno isolado eletricamente (ilha) Se houver um

eleacutetron na ilha o potencial eletrostaacutetico da ilha aumenta bastante sendo bem superior ao

ruiacutedo teacutermico em temperatura ambiente O fluxo de eleacutetrons na ilha eacute possiacutevel se o

potencial da ilha for controlado por uma fonte de tensatildeo externa Outros eleacutetrons satildeo

impedidos de entrar na ilha devido agrave repulsatildeo de Coulomb [14-9]

Assim o bloqueio de Coulomb ocorre quando um eleacutetron entra na ilha e impede o

tunelamento de outro eleacutetron nesta ilha No momento em que o eleacutetron entra na ilha a

energia eletrostaacutetica da ilha aumenta em Ce 22 em que CΣ eacute a soma das capacitacircncias

em torno da ilha [14] Dessa forma outro eleacutetron soacute conseguiraacute tunelar para dentro da ilha

se sua energia for maior que a energia eletrostaacutetica da ilha [6] A Figura 211 ilustra os

diagramas de energia no bloqueio de Coulomb e no caso de tunelamento [10]

(a) (b)

Figura 211 Diagramas de energia (a) Bloqueio de Coulomb (b) Tunelamento mono-

eleacutetron [10]

17

O bloqueio de Coulomb eacute superado ao se aplicar uma tensatildeo Vg ao circuito ateacute que esta

tensatildeo alcance um dado valor de limiar que forneceraacute energia suficiente para que ocorra o

tunelamento de um eleacutetron Assim haveraacute o fluxo de eleacutetrons havendo corrente A Figura

212 mostra a regiatildeo do bloqueio de Coulomb ao aplicar uma tensatildeo Vg ao circuito em que

Vc eacute a tensatildeo de limiar chamada de tensatildeo de bloqueio de Coulomb [5-10]

Figura 212 Caracteriacutestica do bloqueio de Coulomb [10]

Nesse contexto duas condiccedilotildees satildeo necessaacuterias para garantir que o transporte de eleacutetrons

seja controlado pelo efeito de carregamento a condiccedilatildeo para a resistecircncia de tunelamento

dada pela equaccedilatildeo (225) [1] em que a natureza corpuscular do eleacutetron predomina sobre a

natureza ondulatoacuteria e a energia eletrostaacutetica (EC) associada a uma dada temperatura (T)

deve ser significativamente maior que as flutuaccedilotildees teacutermicas existentes agravequela

temperatura como descrita na equaccedilatildeo (226) [146-9] Os paracircmetros h eacute a constante de

Planck e eacute a carga do eleacutetron kB eacute a constante de Boltzmann e C eacute capacitacircncia Na

equaccedilatildeo (226) a temperatura deve ser maior que 0K [10]

kRe

hR TT 825

2 (225)

TkC

eTkEc BB

2

2

(226)

A partir dos conceitos apresentados pode-se definir o transistor mono-eleacutetron O SET

ilustrado na Figura 213 [10] eacute composto por duas junccedilotildees-tuacutenel em seacuterie formando uma

ilha entre as junccedilotildees [246-9] Os paracircmetros R1 C1 e R2 C2 correspondem agraves

resistecircncias e capacitacircncias da primeira e da segunda junccedilatildeo-tuacutenel respectivamente A

tensatildeo de porta Vg controla a energia eletrostaacutetica da ilha atraveacutes da capacitacircncia Cg

18

Quando haacute carregamento por tunelamento de uma junccedilatildeo e descarregamento da outra

junccedilatildeo haacute um fluxo controlado de cargas o que gera a corrente I [10]

Figura 213 Transistor mono-eleacutetron [10]

Um efeito que pode ser observado na caracteriacutestica da corrente versus tensatildeo do transistor

mono-eleacutetron eacute chamado de oscilaccedilatildeo de Coulomb [24679] Se a tensatildeo V for mantida

constante com CeV e a tensatildeo Vg for aumentada ateacute atingir gg CeV 2 esse

valor de tensatildeo permitiraacute que um eleacutetron passe pela ilha Como soacute haveraacute corrente fluindo

no circuito em valores muacuteltiplos da tensatildeo gCe 2 soacute ocorreraacute o tunelamento novamente

quando )2(3 gg CeV A caracteriacutestica corrente (I) versus tensatildeo (Vg) do transistor

mono-eleacutetron eacute ilustrada na Figura 214 [10]

Figura 214 Caracteriacutestica corrente (I) versus tensatildeo (Vg) do transistor mono-eleacutetron [10]

222 Estrutura do inversor mono-eleacutetron

Um inversor pode ser construiacutedo colocando-se dois SETs em seacuterie os quais compartilham

da mesma entrada [5689] conforme mostrado na Figura 215 Vin eacute a tensatildeo de entrada

Vout eacute a tensatildeo de saiacuteda Vbias eacute a tensatildeo de polarizaccedilatildeo CC eacute a capacitacircncia de carga Cg1 e

Cg2 satildeo as capacitacircncias de porta do SET 1 e do SET 2 respectivamente

19

Figura 215 Esquemaacutetico do inversor utilizando SETs (modificado de [4])

Alguns modelos do SET desenvolvidos no software SPICE foram propostos na literatura

[4-7] Destes modelos o proposto por G Lientschnig et al [4] descreve a implementaccedilatildeo

completa da teoria ortodoxa e usa apenas os recursos em versotildees disponiacuteveis publicamente

do software SPICE Este modelo diferentemente dos modelos propostos em [5-7] natildeo estaacute

limitado a transistores mono-eleacutetron com junccedilotildees-tuacutenel que tecircm resistecircncias iguais Aleacutem

disso pode ser estendido para incluir um nuacutemero arbitraacuterio de estados de carga que

permite simulaccedilotildees definidas para altas temperaturas e tensotildees de polarizaccedilatildeo [4] O

modelo de G Lientschnig et al estaacute disponiacutevel no siacutetio eletrocircnico [44] Assim este foi o

modelo utilizado neste trabalho

23 CLOCKING DE SISTEMAS DE ALTA VELOCIDADE

Em sistemas digitais siacutencronos o sinal do clock eacute utilizado para definir uma referecircncia de

tempo agrave mudanccedila de dados dentro do sistema [1145] Assim a distribuiccedilatildeo do clock eacute de

suma importacircncia na operaccedilatildeo de circuitos integrados digitais sendo uma grande

preocupaccedilatildeo em circuitos integrados de alta velocidade [46-51] Circuitos em escala

nanomeacutetrica podem ser significativamente limitados devido ao clock skew que ocorre

quando os circuitos natildeo estatildeo equumlidistantes do sinal do clock [11454649-51] Como este

sinal eacute o sinal mais ativo em um chip pode resultar em elevado consumo de potecircncia e

grandes densidades de corrente na rede de interconexotildees do clock [454849]

Dessa forma o sinal do clock deve atingir ao mesmo tempo cada noacute para garantir que a

comutaccedilatildeo seja sincronizada bem como deve ser distribuiacutedo de forma que haja o menor

20

atraso possiacutevel [49] Com esse intuito os seguintes fatores entre outros satildeo fundamentais

no desempenho do clock dispositivos loacutegicos de tecnologia raacutepida (avanccedilada) rede de

distribuiccedilatildeo de clock que minimize o skew e interconexotildees com alto desempenho [11]

Conforme exposto anteriormente os dispositivos nanoeletrocircnicos como os transistores

mono-eleacutetron satildeo potencialmente aplicaacuteveis em circuitos integrados em escala giga (GSI)

e tera (TSI) Estes dispositivos permitem que as funccedilotildees loacutegicas sejam desempenhadas em

um tempo mais raacutepido e com menor atraso Assim satildeo fortes candidatos a serem utilizados

em circuitos integrados com clock

A adequada rede de distribuiccedilatildeo do clock assegura que a comutaccedilatildeo seja sincronizada e

que haja o menor atraso possiacutevel [1145] Aleacutem disso dependendo da arquitetura da rede o

niacutevel de sincronismo do sistema pode aumentar Diferentes tipos de abordagens tecircm sido

desenvolvidos para projetar a rede de distribuiccedilatildeo do clock em sistemas digitais de

circuitos integrados [45] Os buffered trees satildeo muito utilizados na distribuiccedilatildeo

equipotencial do clock Aleacutem dessas estruturas assimeacutetricas arquiteturas simeacutetricas como

o H-tree satildeo usadas para distribuir sinais de clock em alta velocidade podendo inclusive

ser projetadas com buffers [45-51] Algumas formas de rede de distribuiccedilatildeo do clock estatildeo

ilustradas na Figura 216 incluindo a trunk tree mesh e H-tree [45]

Figura 216 Estruturas comuns de redes de distribuiccedilatildeo de clock [45]

21

Atualmente as interconexotildees de cobre satildeo bastante utilizadas para circuitos de alto

desempenho como em redes de clock No entanto os CNTs apresentam caracteriacutesticas que

os tornam melhores para serem utilizados em interconexotildees descritas na subseccedilatildeo 221

[48] Neste trabalho seraacute realizada a comparaccedilatildeo entre interconexotildees de cobre e de CNT

na rede de distribuiccedilatildeo do H-tree clock

231 H-Tree Clock

O clock skew pode ser minimizado distribuindo-se o sinal do clock de forma que as

interconexotildees que levam o sinal aos circuitos loacutegicos tecircm o mesmo comprimento Se antes

de chegarem aos circuitos loacutegicos os sinais do clock forem igualmente atrasados eles

estaratildeo perfeitamente sincronizados [1145] Dessa forma o esquemaacutetico da Figura 217 de

distribuiccedilatildeo do clock minimiza o clock skew repetindo recursivamente uma estrutura em

forma de H [11] A Figura 217 ilustra uma rede H-tree simeacutetrica com trecircs niacuteveis [46]

Figura 217 Esquemaacutetico do H-tree clock simeacutetrico (modificado de [46])

Na estrutura do H-tree o condutor primaacuterio do clock estaacute ligado ao centro do H principal

(1ordm niacutevel) transmitindo o sinal para os quatro cantos deste H Esses quatro cantos satildeo as

entradas para o proacuteximo niacutevel do H-tree o 2ordm niacutevel que possui quatro estruturas em H O

processo de distribuiccedilatildeo continua por vaacuterios niacuteveis de H‟s cada vez menores Os pontos de

destino final do H-tree satildeo usados para conduzir os circuitos locais Assim cada caminho

do clock desde a fonte ateacute o circuito local possui praticamente o mesmo atraso [45]

22

24 MEDIDAS DE DESEMPENHO NA ANAacuteLISE DAS INTERCONEXOtildeES

As interconexotildees em circuitos integrados possuem caracteriacutesticas que modificam o sinal de

entrada O efeito das interconexotildees pode provocar atrasos e distorccedilotildees indesejaacuteveis Nesse

contexto eacute necessaacuterio analisar medidas de desempenho dos sinais sob efeito das

interconexotildees tais como velocidade maacutexima atenuaccedilatildeo tempo de atraso potecircncia

dissipada produto atraso-potecircncia e slew rate [111317202342]

241 Velocidade maacutexima - anaacutelise na frequumlecircncia

A velocidade maacutexima que as interconexotildees podem operar sem distorcer o sinal de entrada

eacute uma medida de desempenho importante [172023] Eacute possiacutevel analisar este paracircmetro

atraveacutes da frequumlecircncia maacutexima de operaccedilatildeo da interconexatildeo que eacute a largura de banda em

que o sinal comeccedila a decair em -3dB em relaccedilatildeo ao sinal de referecircncia [1742] Assim

utiliza-se a anaacutelise do moacutedulo do graacutefico de Bode para obter a frequumlecircncia de operaccedilatildeo em

-3dB [42] A Figura 218 mostra o esboccedilo do moacutedulo do ganho pela frequumlecircncia tiacutepico do

comportamento de interconexotildees

Figura 218 Graacutefico do moacutedulo do ganho pela frequumlecircncia tiacutepico do comportamento de

interconexotildees

23

242 Atenuaccedilatildeo

A transmissatildeo de um sinal pode ser expressa em funccedilatildeo do seu ganho ou da sua atenuaccedilatildeo

No caso em estudo as interconexotildees podem atenuar o sinal Essa atenuaccedilatildeo eacute geralmente

calculada pela expressatildeo (227) em que Vo eacute o sinal de saiacuteda e Vi eacute o sinal de entrada [42]

i

o

V

VA log20 (227)

243 Tempo de atraso

O tempo de atraso td ou atraso na propagaccedilatildeo ocorre devido ao

carregamentodescarregamento da capacitacircncia de carga bem como ao tempo de

chaveamento dos transistores [42]

O tempo de atraso eacute obtido pela diferenccedila entre o tempo medido a 50 da transiccedilatildeo dos

sinais de entrada e de saiacuteda [11] Em circuitos loacutegicos o atraso na propagaccedilatildeo pode ser

calculado pela meacutedia aritmeacutetica do tempo de propagaccedilatildeo do sinal de alto para baixo tPHL e

do tempo de propagaccedilatildeo do baixo para alto tPLH conforme equaccedilatildeo (228) [1142]

2

PLHPHLd

ttt

(228)

244 Potecircncia dissipada

A dissipaccedilatildeo de potecircncia eacute outra medida de desempenho bastante importante em circuitos

integrados em escala GSI e TSI Isso ocorre jaacute que ao aumentar o nuacutemero de portas

loacutegicas em uma determinada aacuterea ocupada eacute necessaacuterio que a dissipaccedilatildeo de potecircncia esteja

dentro de limites aceitaacuteveis [1142]

A dissipaccedilatildeo de potecircncia eacute composta por dois componentes potecircncia estaacutetica e potecircncia

dinacircmica A dissipaccedilatildeo de potecircncia estaacutetica eacute dada por IVP DDE e ocorre mesmo que

natildeo haja chaveamento de porta loacutegica no circuito devido ao efeito da resistecircncia do

circuito [42] A dissipaccedilatildeo de potecircncia dinacircmica eacute devido agrave capacitacircncia de carga do

24

circuito expressa por CVfP DDD 2 em que VDD eacute a tensatildeo de alimentaccedilatildeo f eacute

frequumlecircncia do circuito e C eacute a capacitacircncia de carga do circuito [1142] Assim a soma da

potecircncia dinacircmica e da potecircncia estaacutetica resulta na potecircncia total dissipada no circuito

245 Produto atraso-potecircncia

Em circuitos integrados o ideal eacute que se tenha baixo atraso na propagaccedilatildeo resultando em

uma maior velocidade de funcionamento do circuito bem como baixa dissipaccedilatildeo de

potecircncia No entanto essas duas exigecircncias satildeo conflitantes ao reduzirmos a dissipaccedilatildeo de

potecircncia de uma porta a capacidade da porta em fornecer corrente diminuiraacute isso

implicaraacute em um maior tempo de carga e descarga aumentando o atraso na propagaccedilatildeo

Assim o produto atraso-potecircncia (delay power product ndash DP) eacute uma medida de

desempenho bastante utilizada na anaacutelise de circuitos e eacute dado por dD tPDP Quanto

menor o produto atraso-potecircncia maior a eficiecircncia do circuito loacutegico [42]

246 Slew rate

A taxa maacutexima de variaccedilatildeo da tensatildeo de saiacuteda do inglecircs slew rate (SR) eacute uma

caracteriacutestica importante do sinal de saiacuteda de um circuito loacutegico A limitaccedilatildeo na taxa de

variaccedilatildeo pode provocar uma distorccedilatildeo no funcionamento do circuito O SR pode ser

calculado pela expressatildeo (229) em que Δv eacute a variaccedilatildeo da tensatildeo de saiacuteda do sinal para

uma determinada variaccedilatildeo de tempo Δt [42]

t

vSR

(229)

25 LTSPICE

O software LTSPICE eacute um simulador SPICE de alto desempenho orientado a

esquemaacuteticos e visualizador de formas de onda com modelos para facilitar a simulaccedilatildeo de

circuitos eletrocircnicos Se comparado aos outros simuladores SPICE a simulaccedilatildeo do

LTSPICE eacute bastante raacutepida O software consegue simular dispositivos de acordo com o

padratildeo industrial reproduzindo os seus comportamentos [52]

25

O LTSPICE possui vaacuterias possibilidades de simulaccedilatildeo como anaacutelise transiente anaacutelise AC

e anaacutelise DC bem como permite a simulaccedilatildeo de vaacuterios dispositivos disponiacuteveis na sua

biblioteca Aleacutem disso este software possibilita a elaboraccedilatildeo de novos esquemaacuteticos

atraveacutes de um modelo matemaacutetico ou eletrocircnico proposto O novo componente poderaacute ser

utilizado no circuito conforme seraacute feito neste trabalho utilizando-se o modelo SPICE do

SET proposto por G Lientschnig et al[4]

26

3 METODOLOGIA

31 INTRODUCcedilAtildeO

A miniaturizaccedilatildeo das interconexotildees prejudica o seu desempenho resultando no aumento

significativo do valor da resistividade da capacitacircncia de acoplamento entre vias na

dificuldade de controlar a razatildeo entre a altura e a largura do material entre outros

problemas A fim de analisar o desempenho das interconexotildees eacute necessaacuterio verificar

algumas variaacuteveis importantes como velocidade maacutexima (f-3dB) atenuaccedilatildeo (A) tempo de

atraso (td) potecircncia dissipada (P) produto atraso-potecircncia (DP) e slew rate (SR)

[111317202342]

32 ETAPAS E ESTRATEacuteGIAS ADOTADAS

Com o intuito de analisar o efeito das interconexotildees em circuitos com transistores mono-

eleacutetron foi realizada primeiramente a anaacutelise das interconexotildees de SWCNT de SWCNT

bundle e de cobre isoladamente para diferentes valores de comprimento Apoacutes a avaliaccedilatildeo

desses resultados o efeito das interconexotildees foi analisado no H-tree clock com inversores

mono-eleacutetron nos seus terminais tambeacutem considerando diferentes comprimentos Neste

trabalho a tecnologia de 22 nm prevista para o ano de 2016 [21] foi utilizada na

comparaccedilatildeo entre o desempenho do cobre e do CNT Todas as simulaccedilotildees foram realizadas

utilizando o software LTSPICE

321 Simulaccedilatildeo das interconexotildees

A partir dos modelos das interconexotildees de SWCNT SWCNT bundle e cobre apresentados

na subseccedilatildeo 213 diferentes comprimentos das interconexotildees foram simulados Assim

analisou-se as interconexotildees locais em que l le 1 μm e as intermediaacuterias em que 1 μm lt l

le 500 μm sabendo que l eacute o comprimento da interconexatildeo [29-31333638]

A fim de analisar a frequumlecircncia de corte este foi obtido para comprimentos de

interconexotildees locais (10nm 100nm 200nm 300nm 400nm 500nm 600nm 700nm

27

800nm 900nm 1μm) e interconexotildees intermediaacuterias (10μm 100μm 200μm 300μm

400μm 500μm)

Jaacute que λCNT eacute tipicamente 1 μm foram escolhidos trecircs comprimentos na faixa lCNT le λCNT

(10 nm 100 nm e 1 μm) e trecircs comprimentos na faixa lCNT gt λCNT (10 μm 100 μm 500

μm) para serem analisados detalhadamente Escolheu-se uma mesma frequecircncia abaixo da

frequecircncia de corte dos trecircs materiais considerados para analisar e comparar a atenuaccedilatildeo

(A) e o tempo de atraso na propagaccedilatildeo (td) dos diferentes comprimentos

Em seguida o mesmo procedimento foi feito para comparar somente o SWCNT bundle e o

cobre para uma mesma frequecircncia cujo valor eacute maior que a frequecircncia da anaacutelise anterior

permitindo que estes dois materiais sejam analisados detalhadamente

Essas anaacutelises foram realizadas a partir da simulaccedilatildeo do circuito da Figura 31 [2325] A

tensatildeo de entrada Vin eacute uma onda quadrada de 1V de amplitude e o capacitor de carga tem

o valor de 100 aF

Figura 31 ndash Circuito simulado para cada interconexatildeo

A Figura 32 mostra o fluxograma das etapas descritas nesta subseccedilatildeo 321

28

Figura 32 ndash Fluxograma das etapas seguidas na simulaccedilatildeo das interconexotildees

322 Simulaccedilatildeo do inversor mono-eleacutetron

Para utilizar a porta inversora da Figura 215 nos terminais do H-tree clock foi necessaacuterio

primeiramente simular o SET proposto por [4] Essa simulaccedilatildeo foi feita variando os

paracircmetros do SET como as resistecircncias e capacitacircncias das junccedilotildees as capacitacircncias de

porta a temperatura etc Os paracircmetros foram variados ateacute simular o SET a temperatura

de 300K Em seguida simulou-se a inversora da Figura 215 tambeacutem a temperatura

ambiente Dessa forma foi possiacutevel simular a inversora isoladamente obtendo as

caracteriacutesticas do sinal de saiacuteda

323 Simulaccedilatildeo do H-tree clock mono-eleacutetron

Apoacutes a simulaccedilatildeo do SET foi possiacutevel simular o H-tree clock A rede H-tree de dois niacuteveis

foi simulada com um H no primeiro niacutevel e quatro H‟s no segundo niacutevel [49] Nos pontos

de destino final da rede foram colocadas portas inversoras formadas por SETs permitindo

a anaacutelise de circuitos nanoeletrocircnicos

Modelos de SWCNT

SWCNT bundle e cobre

Obtenccedilatildeo dos paracircmetros dos modelos para

interconexotildees locais e interconexotildees intermediaacuterias

Para cada comprimento

obtenccedilatildeo de f-3dB

1ordm) Escolha de frequumlecircncia abaixo

da f-3dB do SWCNT SWCNT

bundle e cobre

2ordm) Escolha de frequumlecircncia abaixo

da f-3dB do SWCNT bundle e

cobre

Obtenccedilatildeo de A e td de

cada modelo

Obtenccedilatildeo de A e td de

cada modelo

Anaacutelise comparativa entre o

SWCNT SWCNT bundle e

cobre

Anaacutelise comparativa entre o

SWCNT bundle e cobre

Estudo de interconexotildees locais (10nm

100nm 1μm) e intermediaacuterias (10μm

100μm 500μm)

29

A partir da simulaccedilatildeo do H-tree clock obteve-se a frequecircncia em -3dB (f-3dB) da rede com

interconexotildees ideais Assim a rede H-tree foi entatildeo simulada para duas frequecircncias

diferentes do sinal de entrada abaixo da frequecircncia de -3dB 10 GHz e 100 GHz Com

essas simulaccedilotildees obtiveram-se as seguintes caracteriacutesticas do sinal de saiacuteda da inversora

niacutevel loacutegico baixo (NB) niacutevel loacutegico alto (NA) tempo de subida (tr) slew rate de subida

(SR) atenuaccedilatildeo (A) tempo de atraso (td) potecircncia dissipada (P) e produto atraso-potecircncia

(DP) As caracteriacutesticas obtidas servem como referecircncia para analisar o sinal considerando

interconexotildees natildeo-ideais ou seja incluindo os modelos das interconexotildees nas simulaccedilotildees

Em seguida a rede H-tree foi simulada considerando-se os modelos das interconexotildees de

SWCNT bundle e de cobre variando os seus comprimentos Como cada H da rede de

distribuiccedilatildeo deve ser simeacutetrico considerou-se que cada divisatildeo do H tem o mesmo

comprimento para cada niacutevel da rede [11] A Figura 33 mostra o comprimento dos

diferentes trechos da rede Assim o comprimento de cada divisatildeo dos H‟s do segundo

niacutevel eacute a metade do comprimento de cada divisatildeo do H do primeiro niacutevel Jaacute que o objetivo

eacute simular circuitos em escala nanomeacutetrica escolheu-se trecircs variaccedilotildees de comprimento

menores ou iguais a 1μm

l = 100 nm l2 = 50 nm

l = 400 nm l2 = 200 nm

l = 1 μm l2 = 500 nm

Figura 33 ndash Esquemaacutetico do H-tree clock com os comprimentos de cada seguimento

Dessa forma cada um dos trecircs circuitos foi simulado obtendo-se a frequecircncia em -3dB na

entrada das portas inversoras Em seguida as trecircs redes foram simuladas para as mesmas

30

duas frequumlecircncias do sinal de entrada (10 GHz e 100 GHz) de forma a obter as

caracteriacutesticas do sinal de saiacuteda descritas anteriormente considerando agora o efeito das

interconexotildees

Por fim a partir dos dados obtidos foram realizadas comparaccedilotildees entre as caracteriacutesticas

do sinal de saiacuteda de referecircncia (interconexotildees ideais) e o sinal de saiacuteda dos circuitos com as

interconexotildees natildeo-ideais bem como entre o comportamento das interconexotildees de SWCNT

bundle e de cobre nas diferentes frequecircncias

A Figura 34 mostra o fluxograma das etapas descritas nas subseccedilotildees 322 e 323

Figura 34 ndash Fluxograma das etapas seguidas na simulaccedilatildeo do H-tree clock

H-tree clock mono-eleacutetron

Simulaccedilatildeo do H-tree clock com

interconexotildees ideais Obtenccedilatildeo de f-3dB

da inversora

Simulaccedilatildeo do H-tree clock com

interconexotildees natildeo-ideais para os seguintes

comprimentos

l = 100 nm l2 = 50 nm

l = 400 nm l2 = 200 nm

l = 1 μm l2 = 500 nm

Validaccedilatildeo do SET e do

inversor mono-eleacutetron a

300K

Sinal de entrada a

10 GHz

Sinal de entrada a

100 GHz

Obtenccedilatildeo de NB

NA tr SR A td P e

DP do sinal de saiacuteda

da inversora

Obtenccedilatildeo de NB

NA tr SR A td P e

DP do sinal de saiacuteda

da inversora

Sinal de entrada a

10 GHz

Sinal de entrada a

100 GHz

Obtenccedilatildeo de NB

NA tr SR A td P e

DP do sinal de saiacuteda

da inversora

Obtenccedilatildeo de NB

NA tr SR A td P e

DP do sinal de saiacuteda

da inversora

Anaacutelise comparativa

dos dados obtidos

31

4 RESULTADOS E ANAacuteLISES

41 INTRODUCcedilAtildeO

Neste capiacutetulo seratildeo apresentados os procedimentos adotados e os resultados obtidos na

simulaccedilatildeo das interconexotildees SWCNT SWCNT bundle e cobre As etapas descritas na

metodologia foram seguidas obtendo-se os resultados das simulaccedilotildees das interconexotildees e

das simulaccedilotildees do H-tree clock mono-eleacutetron para interconexotildees ideais e natildeo-ideais A

partir dos resultados a anaacutelise do desempenho das interconexotildees seraacute apresentada

42 ANAacuteLISE DAS INTERCONEXOtildeES

Nesta seccedilatildeo a anaacutelise das interconexotildees de SWCNT SWCNT bundle e cobre na

tecnologia de 22 nm para diferentes comprimentos seraacute realizada Para isso analisou-se

as interconexotildees locais em que l le 1 μm e as intermediaacuterias em que 1 μm lt l le 500 μm

sabendo que l eacute o comprimento da interconexatildeo [29-31333638] Como λCNT eacute

tipicamente 1 μm trecircs comprimentos na faixa lCNT le λCNT (10 nm 100 nm e 1 μm) e trecircs

comprimentos na faixa lCNT gt λCNT (10 μm 100 μm 500 μm) de cada material seratildeo

analisados detalhadamente Os paracircmetros obtidos a partir dos modelos de SWCNT

SWCNT bundle e cobre estatildeo respectivamente nas Tabelas 71 72 e 73 do Apecircndice

421 Interconexotildees locais

Primeiramente a partir da simulaccedilatildeo da Figura 31 obteve-se a frequecircncia em -3dB (f-3dB)

das interconexotildees locais (lCNT le λCNT ) isto eacute a sua banda passante de forma a verificar a

velocidade maacutexima que cada interconexatildeo suporta A Figura 41 ilustra o comportamento

da frequecircncia das interconexotildees locais para os diferentes comprimentos Como o SWCNT

isolado possui valores de frequecircncia na faixa de centenas de giga Hertz ou seja menos de

um tera Hertz os valores de suas frequecircncias tambeacutem podem ser visualisados na Tabela

74 do Apecircndice

Verifica-se que agrave medida que o comprimento da interconexatildeo aumenta a frequecircncia

diminui Isso ocorre jaacute que os valores da capacitacircncia e indutacircncia aumentam com o

aumento do comprimento da interconexatildeo Esses paracircmetros satildeo decisivos no sinal de

32

saiacuteda sendo o sinal mais distorcido quanto maior for o valor desses paracircmetros Observa-

se que o SWCNT bundle e o cobre possuem banda passante maiores que o SWCNT

isolado para qualquer comprimento Aleacutem disso o SWCNT bundle soacute possui uma banda

passante comparaacutevel ao do cobre para comprimentos acima de 700 nm

Frequecircncia X Comprimento

0

10

20

30

40

50

60

100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

Comprimento (nm)

f -3d

B (

TH

z)

SWCNT Isolado

SWCNT bundle

Cobre

Figura 41 ndash Frequumlecircncia versus comprimento das interconexotildees locais

As interconexotildees locais de 10 nm 100 nm e 1 μm de comprimento foram analisadas

detalhadamente A Tabela 41 mostra a frequecircncia em -3dB de cada material para os

comprimentos em anaacutelise

Tabela 41 Frequecircncia em -3dB de cada material para lCNT le λCNT

Interconexatildeo Local Comprimento (L) Material f-3dB

SWCNT isolado 253 GHz

10nm SWCNT bundle 66 THz

Cobre 232 THz

SWCNT isolado 300 GHz

lCNT le λCNT 100nm SWCNT bundle 20 THz

Cobre 51 THz

SWCNT isolado 230 GHz

1microm SWCNT bundle 47 THz

Cobre 42 THz

Assim escolheu-se uma mesma frequecircncia abaixo da frequecircncia de corte dos trecircs

materiais considerados para analisar e comparar a atenuaccedilatildeo (A) e o tempo de atraso na

propagaccedilatildeo (td) dos trecircs comprimentos Isso permite verificar o comportamento do sinal na

banda passante A Tabela 42 mostra esse estudo comparativo entre o SWCNT isolado

SWCNT bundle e cobre agrave frequecircncia de 200 GHz

33

Tabela 42 Estudo das interconexotildees com comprimentos na faixa lCNT le λCNT

Freq L Material A (dB) td (ps)

SWCNT isolado -210 046

10nm SWCNT bundle 001 000

Cobre 000 000

SWCNT isolado -155 051

200 GHz 100nm SWCNT bundle 001 000

Cobre 001 000

SWCNT isolado -039 107

1microm SWCNT bundle 006 001

Cobre 000 007

A partir da anaacutelise da Tabela 42 eacute possiacutevel observar agrave frequumlecircncia de 200 GHz a

atenuaccedilatildeo do sinal e o atraso do SWCNT isolado Nessa frequumlecircncia o atraso do SWCNT

isolado eacute significativo em relaccedilatildeo ao periacuteodo do sinal que eacute 5ps jaacute que o menor atraso

(para l = 10nm) eacute aproximadamente 10 do periacuteodo do sinal de entrada No entanto para

esta mesma frequumlecircncia observa-se que a atenuaccedilatildeo e o atraso do SWCNT bundle e do

cobre satildeo insignificantes Isto indica que estes dois materiais possuem melhor

desempenho sendo favoraacuteveis para serem utilizados em interconexotildees locais

Dessa forma para analisar melhor a atenuaccedilatildeo e o tempo de atraso do SWCNT bundle e do

cobre o mesmo procedimento foi feito comparando-se somente estes dois materiais para

uma mesma frequecircncia de 1 THz A Tabela 43 mostra esse estudo comparativo entre o

SWCNT bundle e cobre

Tabela 43 Estudo das interconexotildees SWCNT bundle e cobre com comprimentos na faixa

lCNT le λCNT

Freq L Material A (dB) td (fs)

10nm SWCNT bundle 001 113

Cobre 000 022

1 THz 100nm SWCNT bundle 006 136

Cobre 001 240

1microm SWCNT bundle 145 647

Cobre -013 5623

Analisando a Tabela 43 observa-se que agrave frequumlecircncia de 1 THz a atenuaccedilatildeo do sinal e o

atraso aumentam agrave medida que o comprimento das interconexotildees aumentam A partir do

comprimento de 100nm o tempo de atraso da interconexatildeo de cobre eacute maior que o do

SWCNT bundle cujo maior valor de atraso (para l = 1microm) natildeo chega a 1 do periacuteodo do

34

sinal de entrada (1ps) Isso mostra que apesar de a banda passante do cobre ser maior o

atraso do SWCNT bundle eacute menor Dessa forma para as interconexotildees locais o SWCNT

bundle possui desempenho comparaacutevel ao do cobre [13]

Em relaccedilatildeo agrave atenuaccedilatildeo verifica-se que para alguns comprimentos este tem valor

positivo Isso ocorre principalmente quando haacute um pico no graacutefico da frequumlecircncia antes dele

comeccedilar a decair Esse pico eacute devido ao efeito ressonante provocado pela indutacircncia

quando este possui valor comparaacutevel agrave resistecircncia e agrave capacitacircncia da interconexatildeo [53]

Assim esse efeito ressonante foi observado somente nas interconexotildees locais de SWCNT

bundle e de cobre A Figura 42 ilustra o graacutefico da magnitude pela frequumlecircncia do SWCNT

isolado SWCNT bundle e cobre para o comprimento de 100nm Observa-se o efeito

ressonante nos graacuteficos do SWCNT bundle e do cobre

Figura 42 ndash Graacuteficos da magnitude das interconexotildees de SWCNT isolado (superior)

SWCNT bundle (meio) e cobre (inferior) com comprimento de 100nm

35

422 Interconexotildees intermediaacuterias

Assim como para as interconexotildees locais obteve-se a frequecircncia em -3dB (f-3dB) das

interconexotildees intermediaacuterias (lCNT gt λCNT) de forma a verificar a velocidade maacutexima que

cada interconexatildeo suporta A Figura 43 ilustra o comportamento da frequecircncia das

interconexotildees intermediaacuterias para os diferentes comprimentos Os valores das frequecircncias

de cada interconexatildeo tambeacutem podem ser visualisados na Tabela 75 do Apecircndice

Como nas interconexotildees locais agrave medida que o comprimento da interconexatildeo aumenta a

frequecircncia diminui Aleacutem disso o SWCNT bundle e o cobre possuem desempenho melhor

que o do SWCNT isolado para qualquer comprimento No entanto para interconexotildees

intermediaacuterias o SWCNT bundle possui banda passante maior que a do cobre para

qualquer comprimento

Frequecircncia X Comprimento

00

05

10

15

20

25

30

35

40

45

100 200 300 400 500

Comprimento (μm)

f -3d

B (

GH

z)

SWCNT isolado

SWCNT bundle

Cobre

Figura 43 ndash Frequumlecircncia versus comprimento das interconexotildees intermediaacuterias

As interconexotildees intermediaacuterias de 10 μm 100 μm e 500 μm de comprimento foram entatildeo

analisadas detalhadamente A Tabela 44 mostra a frequecircncia em -3dB de cada materal

para os diferentes comprimentos em anaacutelise

36

Tabela 44 Frequecircncia em -3dB de cada material para lCNT gt λCNT

Interconexatildeo

Intermediaacuteria

Comprimento (L) Material f-3dB

SWCNT isolado 26 GHz

10 microm SWCNT bundle 527 GHz

Cobre 34 GHz

SWCNT isolado 32 MHz

lCNT gt λCNT 100 microm SWCNT bundle 42 GHz

Cobre 345 MHz

SWCNT isolado 13 MHz

500 microm SWCNT bundle 165 MHz

Cobre 14 MHz

Escolheu-se a frequecircncia de 1 MHz que estaacute abaixo da frequecircncia de corte dos trecircs

materiais considerados para analisar e comparar a atenuaccedilatildeo (A) e o tempo de atraso na

propagaccedilatildeo (td) dos trecircs comprimentos A Tabela 45 mostra esse estudo comparativo entre

o SWCNT isolado SWCNT bundle e cobre

Tabela 45 Estudo das interconexotildees com comprimentos na faixa lCNT gt λCNT

Freq L Material A (dB) td (ns)

SWCNT isolado -002 008

10 microm SWCNT bundle 000 000

Cobre 000 000

SWCNT isolado -003 559

1 MHz 100 microm SWCNT bundle -001 005

Cobre -004 056

SWCNT isolado -198 10217

500 microm SWCNT bundle 000 110

Cobre -003 1301

Com base na Tabela 45 observa-se que a atenuaccedilatildeo e o tempo de atraso do SWCNT

isolado aumentam com o aumento do comprimento da interconexatildeo Nessa frequumlecircncia o

atraso na propagaccedilatildeo do SWCNT isolado eacute significativo em relaccedilatildeo ao periacuteodo do sinal de

entrada que eacute 1micros chegando a mais de 10 deste periacuteodo para o comprimento de 500microm

Verifica-se tambeacutem o aumento do tempo de atraso da interconexatildeo de cobre sendo 13

do periacuteodo do sinal de entrada para o comprimento de 500microm

Para analisar melhor a atenuaccedilatildeo e o tempo de atraso do SWCNT bundle e do cobre o

mesmo procedimento foi feito comparando-se somente estes dois materiais para uma

37

mesma frequecircncia de 10 MHz A Tabela 46 mostra esse estudo comparativo entre o

SWCNT bundle e cobre

Tabela 46 Estudo das interconexotildees SWCNT bundle e cobre com comprimentos na faixa

lCNT gt λCNT

Freq L Material A (dB) td (ns)

10 microm SWCNT bundle 000 000

Cobre 000 000

10 MHz 100 microm SWCNT bundle -001 005

Cobre -004 054

500 microm SWCNT bundle -004 107

Cobre -185 1024

Analisando a Tabela 46 observa-se que agrave medida que o comprimento das interconexotildees

aumenta a atenuaccedilatildeo e o atraso do sinal da interconexatildeo de cobre tornam-se significativos

O atraso na propagaccedilatildeo da interconexatildeo de cobre para l = 500microm chega a 10 do periacuteodo

do sinal de entrada (100ns) Jaacute o SWCNT bundle apresenta valores insignificantes de

atenuaccedilatildeo e atraso na propagaccedilatildeo Assim para as interconexotildees intermediaacuterias o SWCNT

bundle possui desempenho superior ao do cobre

43 SIMULACcedilAtildeO DO INVERSOR MONO-ELEacuteTRON

O modelo SPICE do SET proposto por G Lientschnig et al [444] foi simulado no

LTSPICE A partir da equaccedilatildeo (226) foi possiacutevel aumentar a temperatura do SET ateacute

chegar a 300K Assim o esquemaacutetico do SET e os valores de seus paracircmetros para que o

SET opere a 300K estatildeo na Figura 44 No anexo deste trabalho (subseccedilatildeo 81) encontra-

se o coacutedigo SET que foi utilizado [44] Os paracircmetros R1 C1 e R2 C2 correspondem agraves

resistecircncias e capacitacircncias das junccedilotildees-tuacutenel Cg eacute a capacitacircncia de porta (Cg1 no coacutedigo

SET) Vg eacute a tensatildeo de porta e V eacute a tensatildeo de entrada

Figura 44 Esquemaacutetico do SET e os valores de seus paracircmetros

38

A partir destes valores o inversor mono-eleacutetron foi construiacutedo colocando-se dois SETs em

seacuterie os quais compartilham da mesma entrada A Figura 45 ilustra o esquemaacutetico do

inversor mono-eleacutetron juntamente com os valores de seus paracircmetros fixos em que Vin eacute a

tensatildeo de entrada Vout eacute a tensatildeo de saiacuteda Vbias eacute a tensatildeo de polarizaccedilatildeo Cc eacute a

capacitacircncia de carga Cg1 e Cg2 satildeo as capacitacircncias de porta do SET 1 e do SET 2

respectivamente

Figura 45 Esquemaacutetico do inversor mono-eleacutetron e os valores de seus paracircmetros

(modificado de [4])

Assim apoacutes simular o inversor mono-eleacutetron a 300K obteve-se o sinal de saiacuteda mostrado

na Figura 46 Como o inversor estaacute invertendo o sinal de entrada de valor loacutegico baixo em

um sinal de saiacuteda de valor loacutegico alto ele estaacute operando corretamente

Figura 46 Curva do sinal de entrada (em verde) e do sinal de saiacuteda (em preto) do inversor

mono-eleacutetron

39

44 ANAacuteLISE DAS INTERCONEXOtildeES NO H-TREE CLOCK MONO-ELEacuteTRON

Nesta seccedilatildeo a rede H-tree clock de dois niacuteveis foi simulada com portas inversoras mono-

eleacutetron nos pontos de destino final da rede permitindo a anaacutelise de circuitos

nanoeletrocircnicos Simulou-se a rede H-tree considerando interconexotildees ideais para as

frequecircncias de 10 GHz e 100 GHz no sinal de entrada Em seguida para as mesmas duas

frequecircncias considerou-se interconexotildees natildeo-ideais de diferentes comprimentos

analisando a rede com os modelos de interconexatildeo SWCNT bundle e cobre Trecircs redes

com comprimentos de interconexotildees diferentes foram analisadas

l = 100 nm l2 = 50 nm

l = 400 nm l2 = 200 nm

l = 1 μm l2 = 500 nm

441 Anaacutelise da rede com interconexotildees ideais

A partir da simulaccedilatildeo do H-tree clock a frequecircncia em -3dB (f-3dB) da rede com

interconexotildees ideais foi obtida Na saiacuteda de cada porta inversora a banda passante do sinal

eacute 3200 GHz Dessa forma duas frequecircncias abaixo de 3200 GHz foram escolhidas para

analisar o sinal de saiacuteda da inversora em condiccedilotildees ideais As frequecircncias de 10 GHz e

100 GHz seratildeo analisadas obtendo-se as seguintes caracteriacutesticas do sinal de saiacuteda da

inversora niacutevel loacutegico baixo (NB) niacutevel loacutegico alto (NA) tempo de subida (tr) slew rate

de subida (SR) atenuaccedilatildeo (A) e tempo de atraso (td) A Tabela 47 mostra os valores

obtidos para as duas frequecircncias em anaacutelise

Tabela 47 Caracteriacutesticas dos sinais de saiacuteda da rede para interconexotildees ideais

Freq NB(mV) NA(mV) tr (ps) SR(Vns) A(dB) td (ps)

10 GHz 675 4518 356 8636 -264 412

100 GHz 678 4279 317 9088 -269 189

Os caacutelculos da potecircncia estaacutetica ( IVP DDE ) potecircncia dinacircmica ( CVfP DDD 2 ) e

potecircncia total ( DE PPP ) dissipada por cada porta inversora foram realizados bem

como o produto atraso-potecircncia (DP) Assim a Tabela 48 mostra os valores obtidos no

40

caacutelculo destes paracircmetros Como a potecircncia estaacutetica independe da frequecircncia do sinal de

entrada o seu valor eacute o mesmo nos dois casos

Tabela 48 Potecircncia dissipada por cada porta inversora para interconexotildees ideais

Frequecircncia PE (nW) PD (nW) P (nW) DP (10-18

Wmiddots)

10 GHz 4838 125 4963 020

100 GHz 4838 125 6088 012

As Tabelas 47 e 48 serviratildeo de referecircncia para as anaacutelises da rede com interconexotildees natildeo-

ideais analisadas na subseccedilatildeo seguinte As Figuras 47 e 48 ilustram o sinal de saiacuteda das

redes com frequecircncias de 10 GHz e de 100 GHz respectivamente Eacute possiacutevel observar que

na frequecircncia de 100 GHz o sinal de saiacuteda jaacute eacute distorcido em relaccedilatildeo ao sinal de referecircncia

(Figura 46)

Figura 47 Sinal de entrada (em verde) e sinal de saiacuteda (em preto) da rede a 10 GHz

Figura 48 Sinal de entrada (em verde) e sinal de saiacuteda (em preto) da rede a 100 GHz

41

442 Anaacutelise da rede com interconexotildees natildeo-ideais

Apoacutes obter as caracteriacutesticas da rede H-tree clock com interconexotildees ideais a anaacutelise da

rede com interconexotildees natildeo-ideais seraacute feita Primeiramente eacute importante verificar a

frequecircncia em -3dB do sinal depois das interconexotildees ou seja na entrada da porta

inversora Caso essa frequecircncia seja menor que a frequecircncia de 3200 GHz obtida com

interconexotildees ideais entatildeo a interconexatildeo afetaraacute o comportamento da rede A Tabela 49

mostra a frequecircncia em -3dB na entrada da inversora para interconexotildees natildeo-ideais

Tabela 49 Frequecircncia em -3dB na entrada da inversora para interconexotildees natildeo-ideais

Comprimentos (l2 l) Material f-3dB

50nm 100nm SWCNT bundle 122 THz

Cobre 175 THz

200nm 400nm SWCNT bundle 31 THz

Cobre 8606 GHz

500nm 1microm SWCNT bundle 12 THz

Cobre 1268 GHz

Assim verifica-se que a interconexatildeo de cobre da rede 500nm1microm possui frequecircncia em

-3dB abaixo da frequecircncia do circuito com interconexatildeo ideal (3200 GHz) Isso indica que

esta interconexatildeo interfere significativamente no comportamento da rede A Tabela 49

mostra tambeacutem que a banda passante da interconexatildeo de cobre soacute eacute maior que a da

interconexatildeo de SWCNT bundle no primeiro caso na rede de 50nm100nm o que mostra

uma vantagem do SWCNT bundle em relaccedilatildeo ao cobre A partir dessas informaccedilotildees a

rede H-tree clock com interconexotildees natildeo-ideais seraacute analisada detalhadamente

4421 Anaacutelise da rede a 10 GHz

As redes com interconexotildees natildeo-ideais seratildeo analisadas na frequecircncia de 10 GHz para

diferentes comprimentos Primeiramente o niacutevel loacutegico baixo (NB) o niacutevel loacutegico alto

(NA) o tempo de subida (tr) e o slew rate de subida (SR) foram obtidos conforme mostra a

Tabela 410 Com base nessa tabela verifica-se que na frequecircncia de 10 GHz essas

caracteriacutesticas natildeo foram modificadas pelas interconexotildees natildeo-ideais independentemente

do comprimento Os valores dos paracircmetros satildeo iguais aos obtidos na rede com

interconexatildeo ideal conforme Tabela 47 O sinal obtido na saiacuteda de cada inversor eacute igual

ao ilustrado na Figura 47

42

Tabela 410 Niacuteveis loacutegicos tempo de subida e slew rate dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 10 GHz

Freq L (l2l) Material NB(mV) NA(mV) tr(ps) SR(Vns)

10

GHz

50nm

100nm

SWCNT bundle 675 4518 356 8636

Cobre 675 4518 356 8636

200nm

400nm

SWCNT bundle 675 4518 356 8636

Cobre 675 4518 356 8636

500nm

1microm

SWCNT bundle 675 4518 356 8636

Cobre 675 4518 356 8636

A Tabela 411 mostra a atenuaccedilatildeo tempo de atraso potecircncia total dissipada e o produto

atraso-potecircncia obtidos a frequecircncia de 10 GHz para interconexotildees natildeo-ideais Observa-se

que a atenuaccedilatildeo do sinal e a potecircncia total dissipada por cada porta inversora permanecem

os mesmos em relaccedilatildeo agrave interconexatildeo ideal mostrando que a essa frequecircncia as

interconexotildees natildeo-ideais natildeo interferem nestes paracircmetros

Jaacute o atraso na propagaccedilatildeo do sinal no caso do cobre aumenta agrave medida que as

interconexotildees aumentam de comprimento aumentando tambeacutem o produto atraso-potecircncia

Esse atraso chega a 66 do periacuteodo do sinal de entrada para a interconexatildeo 500nm1microm

de cobre No entanto estes paracircmetros natildeo satildeo afetados pelas interconexotildees de SWCNT

bundle indicando que este material se sobressai em relaccedilatildeo ao cobre

Tabela 411 Atenuaccedilatildeo atraso potecircncia e produto atraso-potecircncia dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 10 GHz

Freq L (l2l) Material A (dB) td (ps) P (nW) DP(10-18

Wmiddots)

10

GHz

50nm

100nm

SWCNT bundle -264 412 4963 020

Cobre -264 412 4963 020

200nm

400nm

SWCNT bundle -264 412 4963 020

Cobre -264 438 4963 022

500nm

1microm

SWCNT bundle -264 412 4963 020

Cobre -264 659 4963 033

4422 Anaacutelise da rede a 100 GHz

As redes com interconexotildees natildeo-ideais seratildeo analisadas na frequecircncia de 100 GHz para

diferentes comprimentos O niacutevel loacutegico baixo (NB) o niacutevel loacutegico alto (NA) o tempo de

subida (tr) e o slew rate de subida (SR) foram obtidos conforme mostra a Tabela 412 Jaacute a

43

Tabela 413 mostra a atenuaccedilatildeo tempo de atraso potecircncia total dissipada e o produto

atraso-potecircncia obtidos a frequecircncia de 100 GHz para interconexotildees natildeo-ideais

Tabela 412 Niacuteveis loacutegicos tempo de subida e slew rate dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 100 GHz

Freq L (l2l) Material NB(mV) NA(mV) tr(ps) SR(Vns)

100

GHz

50nm

100nm

SWCNT bundle 678 4272 316 9099

Cobre 675 4277 323 9107

200nm

400nm

SWCNT bundle 678 4299 315 9196

Cobre 677 4089 289 9447

500nm

1microm

SWCNT bundle 678 4418 300 9973

Cobre 635 1766 102 6795

Tabela 413 Atenuaccedilatildeo atraso potecircncia e produto atraso-potecircncia dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 100 GHz

Freq L (l2l) Material A (dB) td (ps) P (nW) DP(10-18

Wmiddots)

100

GHz

50nm

100nm

SWCNT bundle -2703 189 6088 012

Cobre -2685 191 6088 012

200nm

400nm

SWCNT bundle -2693 188 6088 012

Cobre -2698 228 6088 014

500nm

1microm

SWCNT bundle -2673 174 6088 011

Cobre -2893 388 6088 024

A partir das Tabelas 412 e 413 o SWCNT bundle seraacute analisado Observa-se que os seus

niacuteveis loacutegicos altos aumentam com o aumento do comprimento das interconexotildees

aumentando tambeacutem o slew rate de subida Esse comportamento ocorre provavelmente

devido ao efeito ressonante provocado pela indutacircncia que provoca um pico no graacutefico da

frequumlecircncia antes dele comeccedilar a decair conforme explicado na subseccedilatildeo 421 Isso implica

na diminuiccedilatildeo da atenuaccedilatildeo do sinal e do atraso No entanto o produto atraso-potecircncia

permanece praticamente invariaacutevel jaacute que a potecircncia total dissipada natildeo se altera

Em relaccedilatildeo agraves interconexotildees de cobre verifica-se que as distorccedilotildees satildeo significativas Agrave

medida que o comprimento aumenta a atenuaccedilatildeo do sinal de saiacuteda aumenta Isso provoca

diminuiccedilatildeo no slew rate do sinal o que natildeo eacute desejado jaacute que o sinal demora mais para

atingir o niacutevel loacutegico alto Aleacutem disso o atraso na propagaccedilatildeo do sinal aumenta bastante

chegando a 388 do periacuteodo do sinal de entrada para a interconexatildeo 500nm1microm

Consequentemente o produto atraso-potecircncia tambeacutem aumenta sendo o dobro do valor de

44

referecircncia (interconexotildees ideais) A Figura 49 ilustra o sinal de saiacuteda da interconexatildeo

500nm1microm de cobre

Figura 49 Sinal de entrada (em verde) e sinal de saiacuteda (em preto) da rede a 100 GHz para

a interconexatildeo 500nm1microm de cobre

Comparando-se as potecircncias das tabelas 47 48 411 413 verifica-se que natildeo haacute

alteraccedilatildeo na potecircncia total dissipada pelo circuito com interconexotildees ideais e pelos

circuitos com interconexotildees natildeo-ideais para uma mesma frequecircncia Assim eacute importante

destacar que a dissipaccedilatildeo de potecircncia das interconexotildees de SWCNT bundle e de cobre natildeo

interfere na potecircncia total dissipada pelo circuito

443 Consideraccedilotildees Finais

Apoacutes analisar as interconexotildees locais de SWCNT de SWCNT bundle e de cobre

verificou-se que as interconexotildees de SWCNT bundle possuem desempenho comparaacutevel ao

das interconexotildees de cobre Em relaccedilatildeo agraves interconexotildees intermediaacuterias as de SWCNT

bundle apresentam desempenho superior agraves de cobre Jaacute as interconexotildees de SWCNT

isolado tanto para interconexotildees locais como para interconexotildees intermediaacuterias

apresentam desempenho inferior agraves interconexotildees de SWCNT bundle e de cobre natildeo

sendo propiacutecias a serem utilizadas em interconexotildees de circuitos integrados

Na anaacutelise das interconexotildees natildeo-ideais na rede H-tree clock mono-eleacutetron para a

frequecircncia de 10GHz observou-se que o niacutevel loacutegico baixo o niacutevel loacutegico alto o tempo de

subida o slew rate de subida a atenuaccedilatildeo do sinal e a potecircncia total dissipada por cada

porta inversora permanecem os mesmos em relaccedilatildeo agrave interconexatildeo ideal mostrando que

45

para esta frequecircncia as interconexotildees natildeo-ideais natildeo interferem nestes paracircmetros Jaacute o

atraso na propagaccedilatildeo do sinal no caso do cobre aumenta agrave medida que as interconexotildees

aumentam de comprimento aumentando tambeacutem o produto atraso-potecircncia No entanto

estes paracircmetros natildeo satildeo afetados pelas interconexotildees de SWCNT bundle indicando que

este material se sobressai em relaccedilatildeo ao cobre

Jaacute para a rede H-tree clock mono-eleacutetron a 100GHz observou-se que o circuito com

interconexotildees natildeo-ideais afetou bastante os paracircmetros em anaacutelise se comparados aos

obtidos para interconexotildees ideais Verificou-se que as distorccedilotildees provocadas pelas

interconexotildees de cobre foram significativas indicando que as interconexotildees de SWCNT

bundle possuem melhor desempenho que as de cobre

Assim constata-se que as interconexotildees de SWCNT bundle satildeo fortes candidatas a

substituirem as interconexotildees de cobre em circuitos em escala giga (GSI) e tera (TSI)

46

5 CONCLUSOtildeES

Nesta dissertaccedilatildeo o estudo das interconexotildees de SWCNT de SWCNT bundle e de cobre

foi realizado analisando e comparando os seus desempenhos para diferentes

comprimentos A partir desse estudo verificou-se que as interconexotildees de SWCNT bundle

possui desempenho comparaacutevel ao das interconexotildees de cobre no caso de interconexotildees

locais Em relaccedilatildeo agraves interconexotildees intermediaacuterias as de SWCNT bundle apresentam

desempenho superior agraves de cobre

As interconexotildees de SWCNT bundle e as interconexotildees de cobre foram entatildeo simuladas na

rede H-tree clock de dois niacuteveis para diferentes comprimentos e frequecircncias Nos pontos

de destino final da rede foram colocadas portas inversoras formadas por SETs permitindo

a anaacutelise de circuitos nanoeletrocircnicos

A partir da anaacutelise da rede H-tree clock observou-se que as interconexotildees de SWCNT

bundle possuem desempenho melhor que as de cobre principalmente em relaccedilatildeo ao slew

rate agrave atenuaccedilatildeo ao tempo de atraso e ao produto atraso-potecircncia Aleacutem disso a

dissipaccedilatildeo de potecircncia das interconexotildees natildeo-ideais natildeo interferem na potecircncia total

dissipada pelo circuito Assim as interconexotildees de SWCNT bundle satildeo fortes candidatas a

substituirem as interconexotildees de cobre em circuitos em escala giga (GSI) e tera (TSI)

Como perspectivas futuras eacute importante analisar o efeito das interconexotildees de nanotubo de

carbono em circuitos GSI e TSI com outras arquiteturas A anaacutelise das interconexotildees de

CNT tambeacutem deve ser feita em circuitos com tecnologia MOS permitindo a comparaccedilatildeo

entre diferentes tecnologias Aleacutem disso eacute interessante estudar outros tipos de materiais

que possam ser utilizados como interconexotildees em circuitos integrados

47

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53

7 APEcircNDICES

71 TABELAS COMPLEMENTARES

Tabela 71 Paracircmetros obtidos a partir do modelo de SWCNT isolado

L RQ (Ω) RS (Ω) LCNT (10-9

H) CCNT (10-18

F)

10 nm 645103 - 40010

-2 27910

-1

100 nm 645103 - 40010

-1 279

200 nm 645103 - 80010

-1 558

300 nm 645103 - 120 837

400 nm 645103 - 160 11210

1

500 nm 645103 - 200 14010

1

600 nm 645103 - 240 16710

1

700 nm 645103 - 280 19510

1

800 nm 645103 - 320 22310

1

900 nm 645103 - 360 25110

1

1 microm 645103 - 400 27910

1

10 microm 645103 64510

4 40010

1 27910

2

100 microm 645103 64510

5 40010

2 27910

3

200 microm 645103 12910

6 80010

2 55810

3

300 microm 645103 19410

6 12010

3 83710

3

400 microm

645103 25810

6 16010

3 11210

4

500 microm

645103 32310

6 20010

3 14010

4

Tabela 72 Paracircmetros obtidos a partir do modelo de SWCNT bundle

L RQ (Ω) RS (Ω) LBundle(10-9

H) CBundle(10-18

F)

10 nm 1075 - 66710-5

135

100 nm 1075 - 66710-4

135101

200 nm 1075 - 13310-3

270101

300 nm 1075 - 20010-3

405101

400 nm 1075 - 26710-3

540101

500 nm 1075 - 33310-3

675101

600 nm 1075 - 40010-3

810101

700 nm 1075 - 46710-3

945101

800 nm 1075 - 53310-3

108102

900 nm 1075 - 60010-3

122102

1 microm 1075 - 66710-3

135102

10 microm 1075 108102 66710

-2 13510

3

100 microm 1075 108103 66710

-1 13510

4

200 microm 1075 215103 133 27010

4

300 microm 1075 323103 200 40510

4

400 microm

1075 430103 267 54010

4

500 microm

1075 538103 333 67510

4

54

Tabela 73 Paracircmetros obtidos a partir do modelo de cobre

L RCu (Ω) LCu (10-9

H) CCu (10-18

F)

10 nm 06 37310-6

150

100 nm 60 63610-5

150101

200 nm 120 17510-4

300101

300 nm 180 30910-4

450101

400 nm 240 45410-4

600101

500 nm 300 61110-4

750101

600 nm 360 77510-4

900101

700 nm 420 94610-4

105102

800 nm 480 11210-3

120102

900 nm 540 13110-3

135102

1 microm 600 14910-3

150102

10 microm 60102 24010

-2 15010

3

100 microm 60103 33210

-1 15010

4

200 microm 12104 72010

-1 30010

4

300 microm 18104 113 45010

4

400 microm

24104 155 60010

4

500 microm

30104 198 75010

4

55

Tabela 74 Frequecircncia em -3dB das interconexotildees locais

Comprimento Material f-3dB

10 nm SWCNT isolado 253 GHz

SWCNT bundle 66 THz

Cobre 232 THz

100 nm SWCNT isolado 300 GHz

SWCNT bundle 20 THz

Cobre 51 THz

200 nm SWCNT isolado 342 GHz

SWCNT bundle 14 THz

Cobre 29 THz

300 nm SWCNT isolado 344 GHz

SWCNT bundle 11 THz

Cobre 20 THz

400 nm SWCNT isolado 329 GHz

SWCNT bundle 89 THz

Cobre 15 THz

500 nm SWCNT isolado 307 GHz

SWCNT bundle 76 THz

Cobre 12 THz

600 nm SWCNT isolado 288 GHz

SWCNT bundle 67 THz

Cobre 94 THz

700 nm SWCNT isolado 271 GHz

SWCNT bundle 61 THz

Cobre 76 THz

800 nm SWCNT isolado 255 GHz

SWCNT bundle 55 THz

Cobre 63 THz

900 nm SWCNT isolado 240 GHz

SWCNT bundle 51 THz

Cobre 52 THz

1 microm SWCNT isolado 230 GHz

SWCNT bundle 47 THz

Cobre 42 THz

56

Tabela 75 Frequecircncia em -3dB das interconexotildees intermediaacuterias

Comprimento Material f-3dB

10 microm SWCNT isolado 26 GHz

SWCNT bundle 527 GHz

Cobre 34 GHz

100 microm SWCNT isolado 32 MHz

SWCNT bundle 42 GHz

Cobre 345 MHz

200 microm SWCNT isolado 82 MHz

SWCNT bundle 10 GHz

Cobre 87 MHz

300 microm SWCNT isolado 36 MHz

SWCNT bundle 455 MHz

Cobre 38 MHz

400 microm SWCNT isolado 21 MHz

SWCNT bundle 256 MHz

Cobre 21 MHz

500 microm SWCNT isolado 13 MHz

SWCNT bundle 165 MHz

Cobre 14 MHz

57

8 ANEXOS

81 COacuteDIGO SPICE DO SET [44]

Transistor mono-eleacutetron (SET) conexotildees fonte | dreno | | porta1 | | | porta2 | | | | SUBCKT SET 1 2 3 4 PARAMS +C1=1E-20 Capacitacircncia da junccedilatildeo 1 +C2=1E-20 Capacitacircncia da junccedilatildeo 2 +R1=1E5 Resistecircncia da junccedilatildeo 1 +R2=1E5 Resistecircncia da junccedilatildeo 2 +Cg1=015E-18 Capacitacircncia da junccedilatildeo 1 +Cg2=0 Capacitacircncia da junccedilatildeo 2 +C0=0 Capacitacircncia proacutepria da ilha +Q0=005 Carga offset em unidades de e +TEMP=300 Temperatura PARAM E=160217733E-19 Carga do eleacutetron (e) PARAM CSUM=C1+C2+Cg1+Cg2+C0 Capacitacircncia total do SET PARAM T=TEMPCSUM53785467E14 Temperatura normalizada 53785467E14 = kBe^2 PARAM RN1=R1(R1+R2) Resistecircncia da junccedilatildeo 1 normalizada PARAM RN2=R2(R1+R2) Resistecircncia da junccedilatildeo 2 normalizada FUNC Q(v1v2v3v4) (Cg1v3+Cg2v4+C1v1+C2v2)E+Q0 Definiccedilatildeo da carga em unidades de e FUNC VN(v) CSUMvE Tensatildeo normalizada FUNC GAMMA(u) IF(T==0IF(ult0-u0)IF(u==0Tu(EXP(uT)-1))) FUNC N_OPT(v1v2v3v4) ROUND(-Q(v1v2v3v4)+(CSUME) (v1RN2+v2RN1)) A maior probabilidade de carga na ilha em unidades de e Os quarto eventos tuacuteneis FUNC R1L(nv1v2v3v4) GAMMA(05 - n - Q(v1v2v3v4) + VN(v1))RN1 FUNC R1R(nv1v2v3v4) GAMMA(05 + n + Q(v1v2v3v4) - VN(v1))RN1 FUNC R2L(nv1v2v3v4) GAMMA(05 + n + Q(v1v2v3v4) - VN(v2))RN2 FUNC R2R(nv1v2v3v4) GAMMA(05 - n - Q(v1v2v3v4) + VN(v2))RN2

58

determinaccedilatildeo das probabilidades relativas assume-se inicialmente que o estado da carga N_OPT tem probabilidade relativa igual a um FUNC PN_1(nv1v2v3v4) (R1L(nv1v2v3v4)+R2R(nv1v2v3v4))(R1R(n-1v1v2v3v4)+R2L(n-1v1v2v3v4)) FUNC PN_2(nv1v2v3v4) PN_1(nv1v2v3v4) +(R1L(n-1v1v2v3v4)+R2R(n-1v1v2v3v4))(R1R(n-2v1v2v3v4)+R2L(n-2v1v2v3v4)) FUNC PN_3(nv1v2v3v4) PN_2(nv1v2v3v4) +(R1L(n-2v1v2v3v4)+R2R(n-2v1v2v3v4))(R1R(n-3v1v2v3v4)+R2L(n-3v1v2v3v4)) FUNC PN_4(nv1v2v3v4) PN_3(nv1v2v3v4) +(R1L(n-3v1v2v3v4)+R2R(n-3v1v2v3v4))(R1R(n-4v1v2v3v4)+R2L(n-4v1v2v3v4)) FUNC PN_5(nv1v2v3v4) PN_4(nv1v2v3v4) +(R1L(n-4v1v2v3v4)+R2R(n-4v1v2v3v4))(R1R(n-5v1v2v3v4)+R2L(n-5v1v2v3v4)) FUNC PN1(nv1v2v3v4) (R2L(nv1v2v3v4) +R1R(nv1v2v3v4))(R2R(n+1v1v2v3v4)+R1L(n+1v1v2v3v4)) FUNC PN2(nv1v2v3v4) PN1(nv1v2v3v4) +(R2L(n+1v1v2v3v4)+R1R(n+1v1v2v3v4))(R2R(n+2v1v2v3v4)+R1L(n+2v1v2v3v4)) FUNC PN3(nv1v2v3v4) PN2(nv1v2v3v4) +(R2L(n+2v1v2v3v4)+R1R(n+2v1v2v3v4))(R2R(n+3v1v2v3v4)+R1L(n+3v1v2v3v4)) FUNC PN4(nv1v2v3v4) PN3(nv1v2v3v4) +(R2L(n+3v1v2v3v4)+R1R(n+3v1v2v3v4))(R2R(n+4v1v2v3v4)+R1L(n+4v1v2v3v4)) FUNC PN5(nv1v2v3v4) PN4(nv1v2v3v4) +(R2L(n+4v1v2v3v4)+R1R(n+4v1v2v3v4))(R2R(n+5v1v2v3v4)+R1L(n+5v1v2v3v4)) FUNC PSUM(nv1v2v3v4) PN_5(nv1v2v3v4)+PN_4(nv1v2v3v4)+PN_3(nv1v2v3v4)+PN_2(nv1v2v3v4) ++PN_1(nv1v2v3v4)+1+PN1(nv1v2v3v4)+PN2(nv1v2v3v4)+PN3(nv1v2v3v4) ++PN4(nv1v2v3v4)+PN5(nv1v2v3v4)

59

caacutelculo da corrente da fonte para o dreno FUNC CUR(nv1v2v3v4) PN_5(nv1v2v3v4)(R1R(n-5v1v2v3v4)-R1L(n-5v1v2v3v4)) ++PN_4(nv1v2v3v4)(R1R(n-4v1v2v3v4)-R1L(n-4v1v2v3v4)) ++PN_3(nv1v2v3v4)(R1R(n-3v1v2v3v4)-R1L(n-3v1v2v3v4)) ++PN_2(nv1v2v3v4)(R1R(n-2v1v2v3v4)-R1L(n-2v1v2v3v4)) ++PN_1(nv1v2v3v4)(R1R(n-1v1v2v3v4)-R1L(n-1v1v2v3v4)) ++(R1R(nv1v2v3v4)-R1L(nv1v2v3v4)) ++PN1(nv1v2v3v4)(R1R(n+1v1v2v3v4)-R1L(n+1v1v2v3v4)) ++PN2(nv1v2v3v4)(R1R(n+2v1v2v3v4)-R1L(n+2v1v2v3v4)) ++PN3(nv1v2v3v4)(R1R(n+3v1v2v3v4)-R1L(n+3v1v2v3v4)) ++PN4(nv1v2v3v4)(R1R(n+4v1v2v3v4)-R1L(n+4v1v2v3v4)) ++PN5(nv1v2v3v4)(R1R(n+5v1v2v3v4)-R1L(n+5v1v2v3v4)) FUNC CURRENT(nv1v2v3v4) ECUR(nv1v2v3v4)(CSUMPSUM(nv1v2v3v4)(R1+R2)) caacutelculo da tensatildeo da ilha FUNC VOLT(nv1v2v3v4) PN_5(nv1v2v3v4)(n-5+Q(v1v2v3v4)) ++PN_4(nv1v2v3v4)(n-4+Q(v1v2v3v4)) ++PN_3(nv1v2v3v4)(n-3+Q(v1v2v3v4)) ++PN_2(nv1v2v3v4)(n-2+Q(v1v2v3v4)) ++PN_1(nv1v2v3v4)(n-1+Q(v1v2v3v4)) ++n+Q(v1v2v3v4) ++PN1(nv1v2v3v4)(n+1+Q(v1v2v3v4)) ++PN2(nv1v2v3v4)(n+2+Q(v1v2v3v4)) ++PN3(nv1v2v3v4)(n+3+Q(v1v2v3v4)) ++PN4(nv1v2v3v4)(n+4+Q(v1v2v3v4)) ++PN5(nv1v2v3v4)(n+5+Q(v1v2v3v4)) FUNC VOLTAGE(nv1v2v3v4) (ECSUM)VOLT(nv1v2v3v4)PSUM(nv1v2v3v4) E1 5 0 VALUE= VOLTAGE(N_OPT(V(1)V(2)V(3)V(4))V(1)V(2)V(3)V(4)) Tensatildeo da ilha G1 1 2 VALUE= CURRENT(N_OPT(V(1)V(2)V(3)V(4))V(1)V(2)V(3)V(4)) Corrente da fonte para o dreno CT1 1 5 C1 CT2 2 5 C2 CGATE1 3 5 CG1 CGATE2 4 5 CG2 ENDS SET

Page 5: ANÁLISE COMPARATIVA ENTRE ... - repositorio.unb.brrepositorio.unb.br/.../1/2012_CamilaPeixotoSilvaMadeiraNogueira.pdf · Prof. Stefan Michael Blawid, ... Deus colocou esses dois

v

AGRADECIMENTOS

Agradeccedilo a todas as pessoas que fizeram parte de alguma forma de mais essa etapa da

minha vida Agrave minha famiacutelia e aos meus amigos muito obrigada

Gostaria de destacar duas pessoas em especial que me ajudaram bastante neste processo

Janaina e Bianca Deus colocou esses dois anjos perto de mim em um periacuteodo crucial da

minha vida Sem elas esta etapa teria sido muito mais difiacutecil Agradeccedilo agrave Janaina por todo

auxiacutelio que me deu nesta dissertaccedilatildeo e pelas palavras de carinho quando eu mais precisei

Agradeccedilo agrave Bi por ser essa amiga querida e sincera sempre me apoiando em tudo

Obrigada por tudo

Sem duacutevida a providecircncia divina me apontando o caminho foi o que me fez chegar ateacute

aqui Obrigada meu Senhor meu Deus por mais essa conquista

vi

RESUMO

ANAacuteLISE COMPARATIVA ENTRE INTERCONEXOtildeES DE

NANOTUBO DE CARBONO E INTERCONEXOtildeES DE COBRE PARA

CIRCUITOS GSITSI

Autora Camila Peixoto da Silva Madeira Nogueira

Orientadora Janaina Gonccedilalves Guimaratildees

Programa de Poacutes-Graduaccedilatildeo em Engenharia de Sistemas Eletrocircnicos e de Automaccedilatildeo

Brasiacutelia setembro de 2012

Nesta dissertaccedilatildeo seraacute realizado o estudo de nanotubos de carbono como possiacuteveis

substitutos do cobre em interconexotildees em circuitos integrados GSI e TSI Dessa forma os

modelos de circuitos do SWCNT (single-walled carbon nanotube) e do cobre seratildeo

apresentados e o estudo comparativo do desempenho destes materiais seraacute realizado

considerando diferentes comprimentos das interconexotildees Aleacutem disso o efeito destas

interconexotildees seraacute analisado na rede H-tree clock com inversores em seus terminais

tambeacutem para diferentes comprimentos Os inversores utilizados satildeo formados por

dispositivos de tunelamento mono-eleacutetron Com este propoacutesito as interconexotildees seratildeo

simuladas usando o software LTSPICE

vii

ABSTRACT

COMPARATIVE ANALYSIS BETWEEN CARBON NANOTUBE

INTERCONNECTS AND COPPER INTERCONNECTS FOR GSITSI

CIRCUITS

Author Camila Peixoto da Silva Madeira Nogueira

Supervisor Janaina Gonccedilalves Guimaratildees

Programa de Poacutes-Graduaccedilatildeo em Engenharia de Sistemas Eletrocircnicos e de Automaccedilatildeo

Brasiacutelia September 2012

In this work carbon nanotubes as possible candidates to replace copper as interconnects in

GSI and TSI integrated circuits are studied The circuit model of SWCNT (single-walled

carbon nanotube) and of copper are presented and a comparison between both materials is

studied considering different interconnect lengths In addition interconnects effect is

analyzed in the H-tree clock network using inverters in its ends The inverters are formed

by mono-electron tunneling devices For this purpose the interconnects will be simulated

using LTSPICE software

viii

SUMAacuteRIO

1 INTRODUCcedilAtildeO 1

11 OBJETIVOS 2

12 ORGANIZACcedilAtildeO 2

2 FUNDAMENTACcedilAtildeO TEOacuteRICA 3

21 INTERCONEXOtildeES 14

211 Limitaccedilotildees do cobre em relaccedilatildeo ao CNT 3

212 Caracteriacutesticas do CNT 3

213 Modelos de Interconexatildeo 6

2131 Modelo de interconexatildeo de SWCNT isolado 6

2132 Modelo de interconexatildeo de SWCNT bundle 8

2133 Modelo de interconexatildeo de cobre 11

22 INVERSOR MONO-ELEacuteTRON 14

221 Dispositivo de tunelamento mono-eleacutetron 14

222 Estrutura do inversor mono-eleacutetron 18

23 CLOCKING DE SISTEMAS DE ALTA VELOCIDADE 19

231 H-tree clock 21

24 MEDIDAS DE DESEMPENHO NA ANAacuteLISE DAS INTERCONEXOtildeES 22

241 Velocidade maacutexima - anaacutelise na frequecircncia 22

242 Atenuaccedilatildeo 23

243 Tempo de atraso 23

244 Potecircncia dissipada 23

245 Produto atraso-potecircncia 24

246 Slew rate 24

25 LTSPICE 24

3 METODOLOGIA 26

31 INTRODUCcedilAtildeO 26

32 ETAPAS E ESTRATEacuteGIAS ADOTADAS 26

321 Simulaccedilatildeo das interconexotildees 26

322 Simulaccedilatildeo do inversor mono-eleacutetron 28

323 Simulaccedilatildeo do H-tree clock mono-eleacutetron 28

ix

4 RESULTADOS E ANAacuteLISES 31

41 INTRODUCcedilAtildeO 31

42 ANAacuteLISE DAS INTERCONEXOtildeES 31

421 Interconexotildees Locais 31

422 Interconexotildees Intermediaacuterias 35

43 SIMULACcedilAtildeO DO INVERSOR MONO-ELEacuteTRON 37

44 ANAacuteLISE DAS INTERCONEXOtildeES NO H-TREE CLOCK MONO-ELEacuteTRON 39

441 Anaacutelise da rede com interconexotildees ideais 39

442 Anaacutelise da rede com interconexotildees natildeo-ideais 41

4421 Anaacutelise da rede a 10 GHz 41

4422 Anaacutelise da rede a 100 GHz 42

443 Consideraccedilotildees Finais 44

5 CONCLUSOtildeES 46

6 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS 47

7 APEcircNDICES 53

71 TABELAS COMPLEMENTARES 53

8 ANEXOS 57

81 COacuteDIGO SPICE DO SET [44] 57

x

LISTA DE FIGURAS

Figura 21 Estrutura de uma lacircmina de grafeno (esquerda) do SWCNT (meio) e do

MWCNT (direita) [13] 4

Figura 22 Estrutura do SWCNT bundle [16] 4

Figura 23 Estrutura do (i) armchair (ii) zig-zag e (iii) quiral [24] 5

Figura 24 Modelo de interconexatildeo do SWCNT isolado (modificado de [33]) 8

Figura 25 Separaccedilatildeo miacutenima entre CNTs devido agrave forccedila de Van der Waals (modificado de

[13]) 9

Figura 26 Nuacutemero de CNTs ao longo da largura (nW) e da altura (nH) do CNT bundle

[13] 10

Figura 27 Modelo de interconexatildeo de cobre 13

Figura 28 Siacutembolo e tabela verdade da porta NOT 14

Figura 29 Dois eletrodos separados por uma ilha [10] 15

Figura 210 Esquemaacutetico da junccedilatildeo-tuacutenel [10] 15

Figura 211 Diagramas de energia (a) Bloqueio de Coulomb (b) Tunelamento mono-

eleacutetron [10] 16

Figura 212 Caracteriacutestica do bloqueio de Coulomb [10] 17

Figura 213 Transistor mono-eleacutetron [10] 18

Figura 214 Caracteriacutestica corrente(I) versus tensatildeo (Vg) do transistor mono-eleacutetron [10] 18

Figura 215 Esquemaacutetico do inversor utilizando SETs (modificado de [4]) 19

Figura 216 Estruturas comuns de redes de distribuiccedilatildeo de clock [45] 20

Figura 217 Esquemaacutetico do H-tree clock simeacutetrico (modificado de [46]) 21

Figura 218 Graacutefico do moacutedulo do ganho pela frequumlecircncia tiacutepico do comportamento de

interconexotildees 22

Figura 31 Circuito simulado para cada interconexatildeo 27

Figura 32 Fluxograma das etapas seguidas na simulaccedilatildeo das interconexotildees 28

Figura 33 Esquemaacutetico do H-tree clock com os comprimentos de cada seguimento 29

Figura 34 Fluxograma das etapas seguidas na simulaccedilatildeo do H-tree clock 30

Figura 41 Frequecircncia versus comprimento das interconexotildees locais 32

Figura 42 Graacuteficos da magnitude das interconexotildees de SWCNT isolado (superior)

SWCNT bundle (meio) e cobre (inferior) com comprimento de 100nm 34

Figura 43 Frequecircncia versus comprimento das interconexotildees intermediaacuterias 35

xi

Figura 44 Esquemaacutetico do SET e os valores de seus paracircmetros 37

Figura 45 Esquemaacutetico do inversor mono-eleacutetron e os valores de seus paracircmetros

(modificado de [4]) 38

Figura 46 Curva do sinal de entrada (em verde) e do sinal de saiacuteda (em preto) do inversor

mono-eleacutetron 38

Figura 47 Sinal de entrada (em verde) e sinal de saiacuteda (em preto) da rede a 10 GHz 40

Figura 48 Sinal de entrada (em verde) e sinal de saiacuteda (em preto) da rede a 100 GHz 40

Figura 49 Sinal de entrada (em verde) e sinal de saiacuteda (em preto) da rede a 100 GHz para

a interconexatildeo 500nm1microm de cobre 44

xii

LISTA DE TABELAS

Tabela 41 Frequecircncia em -3dB de cada material para lCNT le λCNT 32

Tabela 42 Estudo das interconexotildees com comprimentos na faixa lCNT le λCNT 33

Tabela 43 Estudo das interconexotildees SWCNT bundle e cobre com comprimentos na faixa

lCNT le λCNT 33

Tabela 44 Frequecircncia em -3dB de cada material para lCNT gt λCNT 36

Tabela 45 Estudo das interconexotildees com comprimentos na faixa lCNT gt λCNT 36

Tabela 46 Estudo das interconexotildees SWCNT bundle e cobre com comprimentos na faixa

lCNT gt λCNT 37

Tabela 47 Caracteriacutesticas dos sinais de saiacuteda da rede para interconexotildees ideais 39

Tabela 48 Potecircncia dissipada por cada porta inversora para interconexotildees ideais 40

Tabela 49 Frequecircncia em -3dB na entrada da inversora para interconexotildees natildeo-ideais 41

Tabela 410 Niacuteveis loacutegicos tempo de subida e slew rate dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 10 GHz 42

Tabela 411 Atenuaccedilatildeo atraso potecircncia e produto atraso-potecircncia dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 10 GHz 42

Tabela 412 Niacuteveis loacutegicos tempo de subida e slew rate dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 100 GHz 43

Tabela 413 Atenuaccedilatildeo atraso potecircncia e produto atraso-potecircncia dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 100 GHz 43

Tabela 71 Paracircmetros obtidos a partir do modelo de SWCNT isolado 53

Tabela 72 Paracircmetros obtidos a partir do modelo de SWCNT bundle 53

Tabela 73 Paracircmetros obtidos a partir do modelo de cobre 54

Tabela 74 Frequecircncia em -3dB das interconexotildees locais 55

Tabela 75 Frequecircncia em -3dB das interconexotildees intermediaacuterias 56

xiii

LISTA DE SIacuteMBOLOS NOMENCLATURA ABREVIACcedilOtildeES

CNT ndash Carbon nanotube

CVD ndash Chemical Vapor Deposition

GSI ndash Giga Scale Integration

ITRS ndash International Technology Roadmap for Semiconductors

LTSPICE ndash Linear Technology SPICE simulator

MWCNT ndash Multi-walled carbon nanotube

SET ndash Singe-electron transistor

SPICE ndash Simulated Program with Integrated Circuits Emphasis

SWCNT ndash Single-walled carbon nanotube

TSI ndash Tera Scale Integration

1

1 INTRODUCcedilAtildeO

O crescimento da microeletrocircnica e a consequumlente miniaturizaccedilatildeo dos circuitos integrados

foram previstos por Gordon Moore que enunciou que o nuacutemero de transistores em um

circuito integrado dobraria a cada 18 meses considerando a mesma aacuterea e custo previsatildeo

conhecida como Lei de Moore Devido aos problemas enfrentados pelos dispositivos

microeletrocircnicos gerados especialmente pelos efeitos quacircnticos que anteriormente eram

desprezados novas tecnologias como a nanoeletrocircnica vecircm sendo estudadas para dar

continuidade a esse processo de miniaturizaccedilatildeo dos dispositivos [1-10]

Aleacutem disso a miniaturizaccedilatildeo de circuitos integrados tem resultado em grandes desafios no

projeto de interconexotildees que satildeo responsaacuteveis principalmente pelo carregamento da

tensatildeo de alimentaccedilatildeo de cada transistor e pela distribuiccedilatildeo dos sinais de dados As

limitaccedilotildees das interconexotildees as quais podem provocar uma desaceleraccedilatildeo nos progressos

alcanccedilados ateacute hoje pela induacutestria de semicondutores satildeo fatores preocupantes Como

limitaccedilotildees das interconexotildees eacute importante citar o aumento da sua resistividade aumento da

capacitacircncia de acoplamento entre vias dificuldades no controle das suas dimensotildees entre

outras

Assim o estudo aprofundado das interconexotildees levando em consideraccedilatildeo principalmente

seu desempenho eacute de fundamental importacircncia [11-13] Novas tecnologias estatildeo sendo

estudadas para superar as limitaccedilotildees das interconexotildees de cobre no circuito como a

resistividade eleacutetrica e a resistecircncia agrave eletromigraccedilatildeo principalmente em tecnologias

abaixo de 45nm As interconexotildees oacuteticas as interconexotildees de radio frequumlecircncia ou sem fio

e as interconexotildees de nanotubo de carbono (CNT) satildeo algumas candidatas a substituir as

interconexotildees de cobre as quais satildeo as interconexotildees mais utilizadas atualmente [13-17]

Dentre essas possibilidades os CNTs possuem grandes vantagens para interconexotildees em

circuitos integrados em escala GSI (Giga Scale Integration) e TSI (Tera Scale Integration)

[18-20] Eles satildeo considerados soluccedilotildees eficientes para melhorar as limitaccedilotildees do cobre

previstas pelo ITRS (International Technology Roadmap for Semiconductors) [21] como

atraso dissipaccedilatildeo de potecircncia e resistecircncia agrave eletromigraccedilatildeo

2

11 OBJETIVOS

O objetivo desta dissertaccedilatildeo eacute fazer um estudo comparativo entre o desempenho das

interconexotildees de nanotubo de carbono e das interconexotildees de cobre Com esse intuito

preliminarmente o desempenho das interconexotildees de SWCNT (do inglecircs single-walled

carbon nanotube) de SWCNT bundle (vaacuterios SWCNTs dispostos em paralelo como uma

corda) e de cobre seraacute comparado considerando diferentes comprimentos das

interconexotildees

Por fim o efeito das interconexotildees de SWCNT bundle e de cobre seraacute analisado na rede H-

tree clock com inversores mono-eleacutetron em seus terminais tambeacutem para diferentes

comprimentos Assim seraacute possiacutevel analisar se os nanotubos de carbono poderatildeo substituir

o cobre em interconexotildees em circuitos integrados GSI e TSI

12 ORGANIZACcedilAtildeO

No capiacutetulo 2 satildeo apresentados os conceitos fundamentais necessaacuterios agrave correta

compreensatildeo desta pesquisa Seratildeo abordados conceitos referentes agraves interconexotildees de

CNT e cobre aos dispositivos de tunelamento mono-eleacutetron e agrave estrutura do H-tree clock

O capiacutetulo 3 descreve a metodologia utilizada agrave realizaccedilatildeo do objeto de pesquisa desta

dissertaccedilatildeo Assim seratildeo apresentadas as etapas que foram seguidas para analisar o efeito

das interconexotildees em circuitos com transistores mono-eleacutetron

No capiacutetulo 4 os resultados e anaacutelises das simulaccedilotildees das interconexotildees ideais e natildeo-

ideais considerando o SWCNT SWCNT bundle e o cobre satildeo apresentados As

interconexotildees satildeo analisadas tambeacutem nos circuitos H-tree clock

O capiacutetulo 5 apresenta as conclusotildees e as recomendaccedilotildees para trabalhos futuros

3

2 FUNDAMENTACcedilAtildeO TEOacuteRICA

21 INTERCONEXOtildeES

211 Limitaccedilotildees do cobre em relaccedilatildeo ao CNT

As interconexotildees de cobre sofrem inuacutemeros problemas indesejados que aumentam agrave

medida que as interconexotildees diminuem de tamanho Essa diminuiccedilatildeo de tamanho resulta

em interconexotildees menos eficientes no maior consumo de potecircncia e no aumento da

densidade de corrente transportada por cada interconexatildeo [22] De acordo com o ITRS

[21] a densidade de corrente pode atingir valores na ordem de 107 Acm

2 Este valor soacute eacute

suportado por CNTs uma vez que satildeo capazes de suportar densidades de corrente na

ordem de 1010

Acm2 [1317]

Os CNTs tecircm provocado grande interesse nos cientistas desde a sua descoberta em 1991

por Iijima devido agraves excelentes propriedades eleacutetricas teacutermicas e mecacircnicas que possuem

Suas propriedades eleacutetricas permitem que suportem densidades de ateacute 1010

Acm2 sendo

que o cobre suporta densidades inferiores a 107 Acm

2 [1317] O caminho meacutedio livre do

CNT eacute superior ao do cobre o que possibilita um transporte baliacutestico por uma ampla gama

de extensatildeo e isso resulta em uma resistividade menor do CNT [13-17] Aleacutem disso a alta

condutividade teacutermica do CNT que eacute outra limitaccedilatildeo do cobre eacute de fundamental

importacircncia na aplicaccedilatildeo em interconexotildees Essas propriedades possibilitam uma

toleracircncia do CNT agrave eletromigraccedilatildeo a qual eacute uma grande limitaccedilatildeo no desempenho das

interconexotildees de cobre [131719]

212 Caracteriacutesticas do CNT

Os nanotubos de carbono podem ser formados por uma lacircmina de grafeno enrolada

conhecida como SWCNT (single-walled carbon nanotube) ou por vaacuterios tubos

concecircntricos formando uma multicamada conhecida por MWCNT (multi-walled carbon

nanotube) [2324] A Figura 21 ilustra a estrutura de uma lacircmina de grafeno do SWCNT e

do MWCNT

4

Figura 21 ndash Estrutura de uma lacircmina de grafeno (esquerda) do SWCNT (meio) e do

MWCNT (direita) [13]

Eacute importante destacar que os MWCNTs satildeo menos favoraacuteveis para o uso em

interconexotildees jaacute que eles apresentam caminho meacutedio livre menor que os SWCNTs

[1317] Como a resistecircncia de um uacutenico SWCNT pode ter valores altos eacute necessaacuteria a

uniatildeo de vaacuterios dispostos em paralelo como uma corda chamado de bundle para diminuir

o valor da resistecircncia equivalente da interconexatildeo [1315] A Figura 22 ilustra a estrutura

do SWCNT bundle [16]

Figura 22 ndash Estrutura do SWCNT bundle [16]

Dependendo de como a lacircmina eacute enrolada que resulta no acircngulo quiral e nos iacutendices

quirais de sua estrutura o nanotubo pode ser metaacutelico ou semicondutor [131419] Os

iacutendices quirais satildeo identificados por (mn) O nanotubo seraacute metaacutelico quando a diferenccedila

entre os iacutendices quirais for um muacuteltiplo inteiro de 3 e seraacute semicondutor nos outros casos

[13] A estrutura eacute chamada de zig-zag quando m ou n eacute igual a zero podendo ser metaacutelica

ou semicondutora Quando m=n a estrutura eacute denominada armchair sendo sempre

metaacutelica Nos outros casos a estrutura eacute conhecida como quiral e pode ser metaacutelica ou

semicondutora [24] A Figura 23 mostra as estruturas do armchair zig-zag e quiral [24]

5

Figura 23 ndash Estrutura do (i) armchair (ii) zig-zag e (iii) quiral [24]

De acordo com [22] o crescimento dos CNTs geralmente eacute realizado atraveacutes de um dos

seguintes meacutetodos descarga por arco eleacutetrico ablaccedilatildeo a laser e deposiccedilatildeo quiacutemica a vapor

do inglecircs chemical vapor deposition ndash CVD O processo de descarga por arco eleacutetrico tem

sido desenvolvido para preparar MWCNTs e SWCNTs de alta qualidade Neste processo

aacutetomos de carbono satildeo evaporados com um gaacutes de plasma inerte caracterizado por altas

correntes eleacutetricas que passam entre os eletrodos opostos de carbono (caacutetodo e acircnodo)

Normalmente o acircnodo do carbono conteacutem uma pequena porcentagem de catalisador de

metal como o cobalto niacutequel ou ferro Jaacute o meacutetodo de ablaccedilatildeo a laser utiliza um pulso

duplo de lasers para evaporar varetas de grafite dopadas com uma mistura de cobalto e

niacutequel em poacute colocado em um tubo aquecido a temperatura elevada seguido de um

tratamento teacutermico a vaacutecuo

Apesar dos meacutetodos de descarga por arco eleacutetrico e ablaccedilatildeo a laser produzir grandes

quantidades de CNTs de alta qualidade e oferecer uma ampla disponibilidade de CNTs

para estudos e possiacuteveis aplicaccedilotildees existem vaacuterias preocupaccedilotildees associadas com estes dois

meacutetodos de crescimento [22] Dessa forma os meacutetodos de CVD satildeo bastante usados no

crescimento de CNTs com aplicaccedilatildeo em eletrocircnica incluindo interconexotildees [1322] O

processo de crescimento CVD envolve o aquecimento do catalisador a uma temperatura

elevada e a introduccedilatildeo de gaacutes de hidrocarboneto ou de monoacutexido de carbono para dentro

6

do reator O mecanismo de crescimento do CNT tem sido considerado como um processo

de dissociaccedilatildeo-difusatildeo-precipitaccedilatildeo em que o carbono eacute formado sobre a superfiacutecie de

uma partiacutecula de metal seguida de difusatildeo e precipitaccedilatildeo sob a forma de grafeno ciliacutendrico

[22]

213 Modelos de Interconexatildeo

Para realizar uma comparaccedilatildeo por simulaccedilatildeo entre o desempenho do CNT e do cobre

modelos equivalentes de circuito de interconexotildees que reproduzam com fidelidade o seu

comportamento fiacutesico satildeo necessaacuterios Com esse intuito eacute fundamental que os fatores que

interferem no desempenho das interconexotildees como resistecircncia indutacircncia capacitacircncia e

comprimento sejam considerados A partir do estudo desses modelos eacute possiacutevel verificar

se as interconexotildees de CNT poderatildeo substituir as de cobre e os casos em que isso eacute

possiacutevel

2131 Modelo de interconexatildeo do SWCNT isolado

A resistecircncia de um SWCNT isolado eacute composta por ateacute trecircs partes resistecircncia de contato

entre o metal e o nanotubo (Rc) resistecircncia quacircntica (Rq) e resistecircncia de espalhamento

(Rs) [192325] As resistecircncias de contato e quacircntica satildeo independentes do comprimento

do nanotubo Jaacute a resistecircncia de espalhamento depende do comprimento do nanotubo [26-

31]

Quando o comprimento do SWCNT eacute menor ou igual ao caminho meacutedio livre (lCNT le

λCNT) que eacute tipicamente 1 microm o transporte de eleacutetrons eacute essencialmente baliacutestico e a

resistecircncia independe do comprimento do nanotubo [1332] No entanto quando o

comprimento do SWCNT eacute maior que o caminho meacutedio livre (lCNT gt λCNT) haacute uma

resistecircncia adicional que depende do comprimento do SWCNT e eacute chamada de resistecircncia

de espalhamento [13-15] Assim a resistecircncia total eacute dada pela equaccedilatildeo (21) em que lCNT

eacute o comprimento do nanotubo de carbono

CNTCNT

CNTCNT

CNTlseRsRqRc

lseRqRcR

(21)

7

A resistecircncia de contato pode chegar ao valor de 100 kΩ [131533] Contudo essa

resistecircncia em nanotubos de carbono com diacircmetro maior que 1nm estaacute na ordem de

poucos kilo ohms ou ateacute mesmo centenas de ohms [1316] Neste trabalho considerou-se o

contato metal-nanotubo como sendo perfeito ou seja Rc = 0

A resistecircncia quacircntica e a de espalhamento satildeo descritas pelas equaccedilotildees (22) e (23)

respectivamente onde e eacute a carga do eleacutetron e h eacute a constante de Plank A resistecircncia

quacircntica (Rq) eacute igualmente dividida em cada lado dos contatos metal-nanotubo [13-

173435]

ke

hRq 456

4 2 (22)

CNT

CNTl

e

hRs

24 (23)

O movimento de eleacutetrons transportados por um condutor eacute modelado pela indutacircncia que

consiste na indutacircncia magneacutetica e cineacutetica [1316] No SWCNT a indutacircncia magneacutetica eacute

calculada considerando que o CNT eacute um fio muito fino com diacircmetro d e estaacute

posicionado a uma distacircncia y do plano ligado ao terra A indutacircncia cineacutetica eacute calculada

pela equaccedilatildeo da energia cineacutetica armazenada em cada canal condutor do CNT para uma

indutacircncia efetiva [141535] Assim a indutacircncia magneacutetica (LM) e a cineacutetica (LK) podem

ser calculadas pelas equaccedilotildees (24) e (25) respectivamente

d

yLM ln

2

(24)

F

Kve

hL

22 (25)

Para d = 1nm e y = 1microm LM = 14pHmicrom [141529] Como vF eacute a velocidade de Fermi

cujo valor eacute dado por 8x105 ms para o CNT o valor da indutacircncia cineacutetica eacute LK =

16nHmicrom [13-1635] Sabendo que cada CNT tem quatro canais condutores em paralelo

que natildeo interagem entre si a indutacircncia cineacutetica efetiva eacute dada por LK4 [13-15] Uma boa

aproximaccedilatildeo da indutacircncia total do CNT (LCNT) eacute 4 nHmicrom [15]

8

Por fim a capacitacircncia de um SWCNT isolado eacute constituiacuteda por duas partes que satildeo a

capacitacircncia eletrostaacutetica (CE) e a quacircntica (CQ) [13-1735] Essas capacitacircncias satildeo

calculadas pelas equaccedilotildees (26) e (27)

d

yCE

ln

2 (26)

F

Qhv

eC

22 (27)

A capacitacircncia eletrostaacutetica eacute influenciada pelo ambiente que a envolve que satildeo os seus

vizinhos e o plano ligado ao terra Considerando que o CNT eacute um fio com diacircmetro d =

1nm e a distacircncia y = 1microm obteacutem-se CE = 30 aFmicrom Jaacute a capacitacircncia quacircntica se refere agrave

influecircncia da energia quacircntica armazenada no nanotubo quando este carrega corrente O

valor da capacitacircncia eacute CQ = 100 aFmicrom [1314] Considerando os quatro canais condutores

descritos anteriormente a capacitacircncia total eacute dada por (28)

QE

QE

CNTCC

CCC

4

4

(28)

Assim o esquemaacutetico da interconexatildeo de um SWCNT isolado eacute mostrado na Figura 24

abaixo

Figura 24 ndash Modelo de interconexatildeo do SWCNT isolado (modificado de [33])

2132 Modelo de interconexatildeo do SWCNT bundle

O SWCNT bundle possui resistecircncia equivalente menor que o SWCNT isolado

caracteriacutestica necessaacuteria para alcanccedilar performances comparaacuteveis agraves interconexotildees de

9

cobre [13-2023252629-38] O SWCNT bundle eacute composto por vaacuterios SWCNTs

empacotados em paralelo Assume-se que todos os SWCNTs satildeo idecircnticos metaacutelicos e que

cada um tem o mesmo potencial [1737] Sabendo que d eacute o diacircmetro do nanotubo de

carbono e x eacute a distacircncia entre os centros de dois nanotubos adjacentes o SWCNT bundle

pode ser empacotado de forma densa se x = d ou de forma esparsa se x gt d [13-1529-

32] Sabe-se que entre os nanotubos existe uma separaccedilatildeo δmin devido agrave forccedila de Van der

Waals que eacute de pelo menos 032 nm entre cada nanotubo [13] como mostra a Figura 25

Figura 25 ndash Separaccedilatildeo miacutenima entre CNTs devido agrave forccedila de Van der Waals (modificado

de [13])

O nuacutemero de nanotubos de carbono nCNT disponiacutevel pode ser calculado pelas expressotildees

dadas em (29) e (210) [141530]

iacutemparnsen

nn

parnsen

nn

n

HH

HW

HH

HW

CNT

2

1

2

(29)

1

23

x

dtn

x

dwn HW (210)

Nas expressotildees acima w eacute a largura e t eacute a altura da interconexatildeo de SWCNT bundle

Assim nW eacute o nuacutemero de CNTs ao longo da largura do SWCNT bundle e nH eacute o nuacutemero de

CNTs ao longo da altura do SWCNT bundle [13-1530] A Figura 26 mostra esses valores

[13]

10

Figura 26 ndash Nuacutemero de CNTs ao longo da largura (nW) e da altura (nH) do CNT

bundle[13]

Na tecnologia de 22 nm considerando as dimensotildees de 22 nm de largura e 44 nm de altura

do SWCNT bundle [13173437] e a separaccedilatildeo entre cada nanotubo devido agrave forccedila de Van

der Waals a quantidade de SWCNTs eacute aproximadamente 600 Neste trabalho estas

consideraccedilotildees foram feitas e a tecnologia de 22 nm foi utilizada Esta tecnologia eacute prevista

pelo ITRS para o ano de 2016 [21]

As resistecircncias de cada SWCNT estatildeo em paralelo entre elas assim como as indutacircncias

Assim a resistecircncia e a indutacircncia do SWCNT bundle com nCNT SWCNTs satildeo calculados

respectivamente pelas expressotildees (211) e (212) [1323252629-3234]

CNT

CNTbundle

n

RR (211)

CNT

CNTbundle

n

LL (212)

Considerando que todos os SWCNTs estatildeo no mesmo potencial que os contatos entre

todos os nanotubos de carbono em um bundle satildeo idecircnticos e que cada SWCNT tem o

mesmo caminho meacutedio livre [13] eacute possiacutevel assumir que a interaccedilatildeo entre CNTs

adjacentes de um SWCNT bundle eacute fraca e que eles carregam correntes independentes

umas das outras [13-17]

A capacitacircncia do SWCNT bundle eacute obtida a partir da combinaccedilatildeo da capacitacircncia

quacircntica de todos os SWCNTs em paralelo chamada de capacitacircncia quacircntica bundle

(CQbundle

) que estaacute em seacuterie com a capacitacircncia eletrostaacutetica (CEbundle

) [13143539] A

capacitacircncia quacircntica e a capacitacircncia eletrostaacutetica satildeo calculadas pelas equaccedilotildees (213) e

(214) em que CEn e CEf satildeo as capacitacircncias de placas paralelas de CNTs isolados em

11

relaccedilatildeo aos vizinhos proacuteximos e afastados respectivamente [14293032] Assim a

capacitacircncia total do SWCNT bundle eacute obtida pela equaccedilatildeo (215)

CNT

CNT

Q

bundle

Q nCC (213)

En

HEf

WEn

bundle

E Cn

Cn

CC5

23

2

22

(214)

bundle

Q

bundle

E

bundle

Q

bundle

E

bundleCC

CCC

(215)

Analisando a equaccedilatildeo (215) o efeito da CQbundle

eacute pequeno para grandes valores de nCNT

sendo o valor da capacitacircncia do SWCNT bundle aproximadamente igual agrave sua

capacitacircncia eletrostaacutetica [13161719] Srivastava et al [13] mostra que os nanotubos no

interior do SWCNT bundle satildeo blindados eletrostaticamente dos condutores de terra

podendo ser desprezados Os CNTs de borda satildeo os principais contribuidores para a

capacitacircncia eletrostaacutetica do SWCNT bundle No entanto a equaccedilatildeo (214) natildeo reproduz

fielmente a realidade jaacute que considera a capacitacircncia eletrostaacutetica de todos os nanotubos e

natildeo soacute os CNTs de borda Segundo o mesmo autor para a tecnologia de 22 nm e uma

constante dieleacutetrica igual a 2 a capacitacircncia total do SWCNT bundle eacute aproximadamente

135 aFμm

2133 Modelo de interconexatildeo do cobre

As propriedades fiacutesicas de interconexotildees de cobre podem ser descritas por resistecircncia

capacitacircncia e indutacircncia [14-16] A resistecircncia do cobre pode ser calculada utilizando a

equaccedilatildeo (216)

tw

lRCu

(216)

em que l eacute o comprimento do cobre w eacute a sua largura t eacute a sua altura e ρ eacute a sua

resistividade A resistividade do cobre em escala nanomeacutetrica eacute moldada pela combinaccedilatildeo

dos fenocircmenos de espalhamento superficial e de espalhamento de contorno

[151627283340] Estes fenocircmenos correspondem aos paracircmetros ρFS e ρMS propostos

12

por Fuchs e Sondheimer (ρFS) e por Mayadas e Shatzkes (ρMS) [1516] Estes paracircmetros

satildeo calculados pelas expressotildees (217) (218) e (219)

)1(

4

31 p

w

o

o

FS

(217)

11ln33

2

31 22

MS

o (218)

)1( R

R

D

o

(219)

O paracircmetro ρo eacute a resistividade do material λo eacute o caminho meacutedio livre p eacute o paracircmetro

de espalhamento de Fuchs D eacute o tamanho meacutedio e R eacute o coeficiente de reflexatildeo no

contorno com valores entre 0 e 1 Assim tem-se que a resistecircncia do cobre em escala

nanomeacutetrica eacute dada pela equaccedilatildeo (220) [1516]

tw

lR MSFS

Cu

(220)

De acordo com [1433] o valor da resistividade do cobre na tecnologia de 22nm para

interconexotildees locais eacute dado por 4666 μΩ-cm No entanto este valor da resistividade do

cobre chega a 58 μΩ-cm para valores miacutenimos da largura do fio [1516203940] Neste

trabalho seraacute utilizado o valor de 58 μΩ-cm para a resistividade do cobre na tecnologia de

22 nm que vai ao encontro dos requerimentos do ITRS [21]

A indutacircncia proacutepria (L) e a muacutetua (M) da interconexatildeo de cobre em escala nanomeacutetrica

satildeo obtidas usando respectivamente as expressotildees (221) e (222)

l

tw

tw

llL o )(220

2

12ln

2

(221)

l

s

s

llM o 1

2ln

2

(222)

em que t eacute a altura do fio microo eacute a permeabilidade e s eacute o espaccedilamento entre os fios [14-16]

A indutacircncia total do cobre (LCu) eacute dada pela soma das indutacircncias proacutepria e muacutetua

13

A capacitacircncia da interconexatildeo de cobre eacute calculada pela soma da capacitacircncia de

acoplamento entre dois fios adjacentes (CC) e a capacitacircncia ligada ao plano do terra (Cg)

[14-16] Essas capacitacircncias podem ser obtidas pelas equaccedilotildees (223) e (224) [1541]

120760193

534511171

70222

ht

t

hs

s

hs

s

h

wCg (223)

181160141090

980871161

591740

062141

sh

h

sw

w

sw

w

sh

h

s

tCC (224)

em que s eacute o espaccedilamento entre dois fios adjacentes h eacute a distacircncia do fio em relaccedilatildeo ao

plano do terra e ε eacute a permissividade relativa para uma dada constante dieleacutetrica

Considerando as equaccedilotildees (223) e (224) e de acordo com [1321] para uma constante

dieleacutetrica igual a 2 o valor da capacitacircncia total do cobre (CCu) eacute aproximadamente 150

aFμm que seraacute utilizado neste trabalho

Os modelos em L em π e em T satildeo usados como modelos de interconexatildeo de cobre [11]

Como o modelo π eacute muito utilizado para uma linha distribuiacuteda [1416] este modelo seraacute

usado neste trabalho A Figura 27 mostra o modelo de interconexatildeo de cobre [11]

Figura 27 ndash Modelo de interconexatildeo de cobre

A precisatildeo do modelo eacute determinada pelo nuacutemero de seguimentos bdquoN‟ que ele possui Uma

cadeia com mais de trecircs segmentos em π fornece um erro menor que 3 [16] Neste

trabalho seratildeo utilizados trecircs segmentos em π

14

22 INVERSOR MONO-ELEacuteTRON

Os dispositivos de tunelamento mono-eleacutetron satildeo dispositivos nanoeletrocircnicos

potencialmente aplicaacuteveis em circuitos integrados em escala giga (GSI) e tera (TSI)

Apesar de apresentarem baixo ganho e alta impedacircncia de saiacuteda estes dispositivos

possuem tamanho reduzido e baixa dissipaccedilatildeo de potecircncia Estas caracteriacutesticas os tornam

atrativos em circuitos loacutegicos e circuitos de memoacuteria [1-10] Assim portas loacutegicas podem

ser implementadas utilizando dispositivos de tunelamento mono-eleacutetron [14-9]

As portas loacutegicas satildeo blocos de construccedilatildeo baacutesicos na eletrocircnica digital O inversor loacutegico

ou porta NOT eacute o principal elemento baacutesico no projeto de circuitos digitais [42] O

inversor inverte o sinal de entrada de valor loacutegico baixo ndash 0 ndash em um sinal de saiacuteda de

valor loacutegico alto ndash 1 ndash e vice-versa [442] Em outras palavras a porta NOT efetua a

negaccedilatildeo loacutegica O siacutembolo do inversor juntamente com sua tabela verdade estaacute ilustrado

na Figura 28

Figura 28 ndash Siacutembolo e tabela verdade da porta NOT

221 Dispositivo de tunelamento mono-eleacutetron

O funcionamento dos dispositivos de tunelamento mono-eleacutetron eacute baseado no controle do

movimento e da posiccedilatildeo de um uacutenico ou de um pequeno grupo de eleacutetrons no dispositivo

[17] Os seguintes conceitos satildeo essenciais na definiccedilatildeo desses dispositivos ilha junccedilatildeo-

tuacutenel tunelamento efeito de carregamento e bloqueio de Coulomb A partir desses

conceitos eacute possiacutevel definir o transistor mono-eleacutetron - SET (do inglecircs Single-electron

transistor) [24-8]

A ilha estaacute localizada entre duas paredes finas de um material normalmente isolante as

quais criam uma barreira de potencial de energia que impossibilita a movimentaccedilatildeo de

eleacutetrons pela ilha A Figura 29 mostra dois eletrodos A e B separados por uma barreira

15

isolante e no meio dessa barreira isolante encontra-se a ilha Se a energia dos eleacutetrons for

maior que a energia potencial das paredes das barreiras estes poderatildeo atravessaacute-las [6] No

dispositivo de tunelamento mono-eleacutetron o transporte de eleacutetrons entre o eletrodo A e a

ilha e entre a ilha e o eletrodo B ocorre por tunelamento mono-eleacutetron em que os eleacutetrons

atravessam as barreiras um de cada vez [10]

Figura 29 Dois eletrodos separados por uma ilha [10]

Esses dispositivos satildeo formados por junccedilotildees-tuacutenel que satildeo dois eletrodos metaacutelicos

separados por um isolante muito fino (barreira) o qual permite a passagem de eleacutetrons por

tunelamento [467] A Figura 210 ilustra a junccedilatildeo-tuacutenel e sua representaccedilatildeo simboacutelica Os

paracircmetros que caracterizam a junccedilatildeo-tuacutenel macroscopicamente satildeo a resistecircncia de

tunelamento (Rj) que depende da aacuterea e da espessura da barreira isolante e a capacitacircncia

(Cj) [10]

Figura 210 Esquemaacutetico da junccedilatildeo-tuacutenel [10]

O tunelamento eacute o transporte de partiacuteculas atraveacutes de uma regiatildeo em que a energia total de

uma partiacutecula pontual claacutessica eacute menor que a energia potencial da regiatildeo ou seja eacute o

transporte atraveacutes de uma regiatildeo classicamente proibida [10] O efeito de tunelamento

ocorre quando a barreira de potencial for suficientemente fina permitindo que o eleacutetron a

atravesse se houver niacutevel de energia desocupado do outro lado da barreira com o mesmo

valor de energia Esse fenocircmeno pode ser explicado pelo comportamento dual do eleacutetron

Diferentemente da mecacircnica claacutessica na teoria eletromagneacutetica quando uma partiacutecula

encontra uma barreira de potencial parte da onda eacute refletida e a outra parte eacute transmitida

para o outro lado da barreira [10] A teoria ortodoxa do tunelamento mono-eleacutetron eacute o

modelo mais utilizado para analisar o tunelamento [4-6] Proposto em 1987 por Averin e

Likharev [43] este modelo apresenta os seguintes postulados

16

Modelo de dimensatildeo zero as dimensotildees das ilhas satildeo despreziacuteveis

O evento de tunelamento eacute considerado instantacircneo

A redistribuiccedilatildeo das cargas apoacutes tunelamento tambeacutem eacute considerada instantacircnea

O espectro de energia em condutores e ilhas eacute considerado contiacutenuo ou seja a

quantizaccedilatildeo da energia do eleacutetron eacute ignorada dentro dos condutores

Apesar de a teoria ortodoxa assumir condiccedilotildees hipoteacuteticas ela continua sendo muito

utilizada em estudos do dispositivo mono-eleacutetron [4-6]

O efeito de carregamento ocorre quando os eleacutetrons estatildeo na iminecircncia de entrar em um

material condutor extremamente pequeno isolado eletricamente (ilha) Se houver um

eleacutetron na ilha o potencial eletrostaacutetico da ilha aumenta bastante sendo bem superior ao

ruiacutedo teacutermico em temperatura ambiente O fluxo de eleacutetrons na ilha eacute possiacutevel se o

potencial da ilha for controlado por uma fonte de tensatildeo externa Outros eleacutetrons satildeo

impedidos de entrar na ilha devido agrave repulsatildeo de Coulomb [14-9]

Assim o bloqueio de Coulomb ocorre quando um eleacutetron entra na ilha e impede o

tunelamento de outro eleacutetron nesta ilha No momento em que o eleacutetron entra na ilha a

energia eletrostaacutetica da ilha aumenta em Ce 22 em que CΣ eacute a soma das capacitacircncias

em torno da ilha [14] Dessa forma outro eleacutetron soacute conseguiraacute tunelar para dentro da ilha

se sua energia for maior que a energia eletrostaacutetica da ilha [6] A Figura 211 ilustra os

diagramas de energia no bloqueio de Coulomb e no caso de tunelamento [10]

(a) (b)

Figura 211 Diagramas de energia (a) Bloqueio de Coulomb (b) Tunelamento mono-

eleacutetron [10]

17

O bloqueio de Coulomb eacute superado ao se aplicar uma tensatildeo Vg ao circuito ateacute que esta

tensatildeo alcance um dado valor de limiar que forneceraacute energia suficiente para que ocorra o

tunelamento de um eleacutetron Assim haveraacute o fluxo de eleacutetrons havendo corrente A Figura

212 mostra a regiatildeo do bloqueio de Coulomb ao aplicar uma tensatildeo Vg ao circuito em que

Vc eacute a tensatildeo de limiar chamada de tensatildeo de bloqueio de Coulomb [5-10]

Figura 212 Caracteriacutestica do bloqueio de Coulomb [10]

Nesse contexto duas condiccedilotildees satildeo necessaacuterias para garantir que o transporte de eleacutetrons

seja controlado pelo efeito de carregamento a condiccedilatildeo para a resistecircncia de tunelamento

dada pela equaccedilatildeo (225) [1] em que a natureza corpuscular do eleacutetron predomina sobre a

natureza ondulatoacuteria e a energia eletrostaacutetica (EC) associada a uma dada temperatura (T)

deve ser significativamente maior que as flutuaccedilotildees teacutermicas existentes agravequela

temperatura como descrita na equaccedilatildeo (226) [146-9] Os paracircmetros h eacute a constante de

Planck e eacute a carga do eleacutetron kB eacute a constante de Boltzmann e C eacute capacitacircncia Na

equaccedilatildeo (226) a temperatura deve ser maior que 0K [10]

kRe

hR TT 825

2 (225)

TkC

eTkEc BB

2

2

(226)

A partir dos conceitos apresentados pode-se definir o transistor mono-eleacutetron O SET

ilustrado na Figura 213 [10] eacute composto por duas junccedilotildees-tuacutenel em seacuterie formando uma

ilha entre as junccedilotildees [246-9] Os paracircmetros R1 C1 e R2 C2 correspondem agraves

resistecircncias e capacitacircncias da primeira e da segunda junccedilatildeo-tuacutenel respectivamente A

tensatildeo de porta Vg controla a energia eletrostaacutetica da ilha atraveacutes da capacitacircncia Cg

18

Quando haacute carregamento por tunelamento de uma junccedilatildeo e descarregamento da outra

junccedilatildeo haacute um fluxo controlado de cargas o que gera a corrente I [10]

Figura 213 Transistor mono-eleacutetron [10]

Um efeito que pode ser observado na caracteriacutestica da corrente versus tensatildeo do transistor

mono-eleacutetron eacute chamado de oscilaccedilatildeo de Coulomb [24679] Se a tensatildeo V for mantida

constante com CeV e a tensatildeo Vg for aumentada ateacute atingir gg CeV 2 esse

valor de tensatildeo permitiraacute que um eleacutetron passe pela ilha Como soacute haveraacute corrente fluindo

no circuito em valores muacuteltiplos da tensatildeo gCe 2 soacute ocorreraacute o tunelamento novamente

quando )2(3 gg CeV A caracteriacutestica corrente (I) versus tensatildeo (Vg) do transistor

mono-eleacutetron eacute ilustrada na Figura 214 [10]

Figura 214 Caracteriacutestica corrente (I) versus tensatildeo (Vg) do transistor mono-eleacutetron [10]

222 Estrutura do inversor mono-eleacutetron

Um inversor pode ser construiacutedo colocando-se dois SETs em seacuterie os quais compartilham

da mesma entrada [5689] conforme mostrado na Figura 215 Vin eacute a tensatildeo de entrada

Vout eacute a tensatildeo de saiacuteda Vbias eacute a tensatildeo de polarizaccedilatildeo CC eacute a capacitacircncia de carga Cg1 e

Cg2 satildeo as capacitacircncias de porta do SET 1 e do SET 2 respectivamente

19

Figura 215 Esquemaacutetico do inversor utilizando SETs (modificado de [4])

Alguns modelos do SET desenvolvidos no software SPICE foram propostos na literatura

[4-7] Destes modelos o proposto por G Lientschnig et al [4] descreve a implementaccedilatildeo

completa da teoria ortodoxa e usa apenas os recursos em versotildees disponiacuteveis publicamente

do software SPICE Este modelo diferentemente dos modelos propostos em [5-7] natildeo estaacute

limitado a transistores mono-eleacutetron com junccedilotildees-tuacutenel que tecircm resistecircncias iguais Aleacutem

disso pode ser estendido para incluir um nuacutemero arbitraacuterio de estados de carga que

permite simulaccedilotildees definidas para altas temperaturas e tensotildees de polarizaccedilatildeo [4] O

modelo de G Lientschnig et al estaacute disponiacutevel no siacutetio eletrocircnico [44] Assim este foi o

modelo utilizado neste trabalho

23 CLOCKING DE SISTEMAS DE ALTA VELOCIDADE

Em sistemas digitais siacutencronos o sinal do clock eacute utilizado para definir uma referecircncia de

tempo agrave mudanccedila de dados dentro do sistema [1145] Assim a distribuiccedilatildeo do clock eacute de

suma importacircncia na operaccedilatildeo de circuitos integrados digitais sendo uma grande

preocupaccedilatildeo em circuitos integrados de alta velocidade [46-51] Circuitos em escala

nanomeacutetrica podem ser significativamente limitados devido ao clock skew que ocorre

quando os circuitos natildeo estatildeo equumlidistantes do sinal do clock [11454649-51] Como este

sinal eacute o sinal mais ativo em um chip pode resultar em elevado consumo de potecircncia e

grandes densidades de corrente na rede de interconexotildees do clock [454849]

Dessa forma o sinal do clock deve atingir ao mesmo tempo cada noacute para garantir que a

comutaccedilatildeo seja sincronizada bem como deve ser distribuiacutedo de forma que haja o menor

20

atraso possiacutevel [49] Com esse intuito os seguintes fatores entre outros satildeo fundamentais

no desempenho do clock dispositivos loacutegicos de tecnologia raacutepida (avanccedilada) rede de

distribuiccedilatildeo de clock que minimize o skew e interconexotildees com alto desempenho [11]

Conforme exposto anteriormente os dispositivos nanoeletrocircnicos como os transistores

mono-eleacutetron satildeo potencialmente aplicaacuteveis em circuitos integrados em escala giga (GSI)

e tera (TSI) Estes dispositivos permitem que as funccedilotildees loacutegicas sejam desempenhadas em

um tempo mais raacutepido e com menor atraso Assim satildeo fortes candidatos a serem utilizados

em circuitos integrados com clock

A adequada rede de distribuiccedilatildeo do clock assegura que a comutaccedilatildeo seja sincronizada e

que haja o menor atraso possiacutevel [1145] Aleacutem disso dependendo da arquitetura da rede o

niacutevel de sincronismo do sistema pode aumentar Diferentes tipos de abordagens tecircm sido

desenvolvidos para projetar a rede de distribuiccedilatildeo do clock em sistemas digitais de

circuitos integrados [45] Os buffered trees satildeo muito utilizados na distribuiccedilatildeo

equipotencial do clock Aleacutem dessas estruturas assimeacutetricas arquiteturas simeacutetricas como

o H-tree satildeo usadas para distribuir sinais de clock em alta velocidade podendo inclusive

ser projetadas com buffers [45-51] Algumas formas de rede de distribuiccedilatildeo do clock estatildeo

ilustradas na Figura 216 incluindo a trunk tree mesh e H-tree [45]

Figura 216 Estruturas comuns de redes de distribuiccedilatildeo de clock [45]

21

Atualmente as interconexotildees de cobre satildeo bastante utilizadas para circuitos de alto

desempenho como em redes de clock No entanto os CNTs apresentam caracteriacutesticas que

os tornam melhores para serem utilizados em interconexotildees descritas na subseccedilatildeo 221

[48] Neste trabalho seraacute realizada a comparaccedilatildeo entre interconexotildees de cobre e de CNT

na rede de distribuiccedilatildeo do H-tree clock

231 H-Tree Clock

O clock skew pode ser minimizado distribuindo-se o sinal do clock de forma que as

interconexotildees que levam o sinal aos circuitos loacutegicos tecircm o mesmo comprimento Se antes

de chegarem aos circuitos loacutegicos os sinais do clock forem igualmente atrasados eles

estaratildeo perfeitamente sincronizados [1145] Dessa forma o esquemaacutetico da Figura 217 de

distribuiccedilatildeo do clock minimiza o clock skew repetindo recursivamente uma estrutura em

forma de H [11] A Figura 217 ilustra uma rede H-tree simeacutetrica com trecircs niacuteveis [46]

Figura 217 Esquemaacutetico do H-tree clock simeacutetrico (modificado de [46])

Na estrutura do H-tree o condutor primaacuterio do clock estaacute ligado ao centro do H principal

(1ordm niacutevel) transmitindo o sinal para os quatro cantos deste H Esses quatro cantos satildeo as

entradas para o proacuteximo niacutevel do H-tree o 2ordm niacutevel que possui quatro estruturas em H O

processo de distribuiccedilatildeo continua por vaacuterios niacuteveis de H‟s cada vez menores Os pontos de

destino final do H-tree satildeo usados para conduzir os circuitos locais Assim cada caminho

do clock desde a fonte ateacute o circuito local possui praticamente o mesmo atraso [45]

22

24 MEDIDAS DE DESEMPENHO NA ANAacuteLISE DAS INTERCONEXOtildeES

As interconexotildees em circuitos integrados possuem caracteriacutesticas que modificam o sinal de

entrada O efeito das interconexotildees pode provocar atrasos e distorccedilotildees indesejaacuteveis Nesse

contexto eacute necessaacuterio analisar medidas de desempenho dos sinais sob efeito das

interconexotildees tais como velocidade maacutexima atenuaccedilatildeo tempo de atraso potecircncia

dissipada produto atraso-potecircncia e slew rate [111317202342]

241 Velocidade maacutexima - anaacutelise na frequumlecircncia

A velocidade maacutexima que as interconexotildees podem operar sem distorcer o sinal de entrada

eacute uma medida de desempenho importante [172023] Eacute possiacutevel analisar este paracircmetro

atraveacutes da frequumlecircncia maacutexima de operaccedilatildeo da interconexatildeo que eacute a largura de banda em

que o sinal comeccedila a decair em -3dB em relaccedilatildeo ao sinal de referecircncia [1742] Assim

utiliza-se a anaacutelise do moacutedulo do graacutefico de Bode para obter a frequumlecircncia de operaccedilatildeo em

-3dB [42] A Figura 218 mostra o esboccedilo do moacutedulo do ganho pela frequumlecircncia tiacutepico do

comportamento de interconexotildees

Figura 218 Graacutefico do moacutedulo do ganho pela frequumlecircncia tiacutepico do comportamento de

interconexotildees

23

242 Atenuaccedilatildeo

A transmissatildeo de um sinal pode ser expressa em funccedilatildeo do seu ganho ou da sua atenuaccedilatildeo

No caso em estudo as interconexotildees podem atenuar o sinal Essa atenuaccedilatildeo eacute geralmente

calculada pela expressatildeo (227) em que Vo eacute o sinal de saiacuteda e Vi eacute o sinal de entrada [42]

i

o

V

VA log20 (227)

243 Tempo de atraso

O tempo de atraso td ou atraso na propagaccedilatildeo ocorre devido ao

carregamentodescarregamento da capacitacircncia de carga bem como ao tempo de

chaveamento dos transistores [42]

O tempo de atraso eacute obtido pela diferenccedila entre o tempo medido a 50 da transiccedilatildeo dos

sinais de entrada e de saiacuteda [11] Em circuitos loacutegicos o atraso na propagaccedilatildeo pode ser

calculado pela meacutedia aritmeacutetica do tempo de propagaccedilatildeo do sinal de alto para baixo tPHL e

do tempo de propagaccedilatildeo do baixo para alto tPLH conforme equaccedilatildeo (228) [1142]

2

PLHPHLd

ttt

(228)

244 Potecircncia dissipada

A dissipaccedilatildeo de potecircncia eacute outra medida de desempenho bastante importante em circuitos

integrados em escala GSI e TSI Isso ocorre jaacute que ao aumentar o nuacutemero de portas

loacutegicas em uma determinada aacuterea ocupada eacute necessaacuterio que a dissipaccedilatildeo de potecircncia esteja

dentro de limites aceitaacuteveis [1142]

A dissipaccedilatildeo de potecircncia eacute composta por dois componentes potecircncia estaacutetica e potecircncia

dinacircmica A dissipaccedilatildeo de potecircncia estaacutetica eacute dada por IVP DDE e ocorre mesmo que

natildeo haja chaveamento de porta loacutegica no circuito devido ao efeito da resistecircncia do

circuito [42] A dissipaccedilatildeo de potecircncia dinacircmica eacute devido agrave capacitacircncia de carga do

24

circuito expressa por CVfP DDD 2 em que VDD eacute a tensatildeo de alimentaccedilatildeo f eacute

frequumlecircncia do circuito e C eacute a capacitacircncia de carga do circuito [1142] Assim a soma da

potecircncia dinacircmica e da potecircncia estaacutetica resulta na potecircncia total dissipada no circuito

245 Produto atraso-potecircncia

Em circuitos integrados o ideal eacute que se tenha baixo atraso na propagaccedilatildeo resultando em

uma maior velocidade de funcionamento do circuito bem como baixa dissipaccedilatildeo de

potecircncia No entanto essas duas exigecircncias satildeo conflitantes ao reduzirmos a dissipaccedilatildeo de

potecircncia de uma porta a capacidade da porta em fornecer corrente diminuiraacute isso

implicaraacute em um maior tempo de carga e descarga aumentando o atraso na propagaccedilatildeo

Assim o produto atraso-potecircncia (delay power product ndash DP) eacute uma medida de

desempenho bastante utilizada na anaacutelise de circuitos e eacute dado por dD tPDP Quanto

menor o produto atraso-potecircncia maior a eficiecircncia do circuito loacutegico [42]

246 Slew rate

A taxa maacutexima de variaccedilatildeo da tensatildeo de saiacuteda do inglecircs slew rate (SR) eacute uma

caracteriacutestica importante do sinal de saiacuteda de um circuito loacutegico A limitaccedilatildeo na taxa de

variaccedilatildeo pode provocar uma distorccedilatildeo no funcionamento do circuito O SR pode ser

calculado pela expressatildeo (229) em que Δv eacute a variaccedilatildeo da tensatildeo de saiacuteda do sinal para

uma determinada variaccedilatildeo de tempo Δt [42]

t

vSR

(229)

25 LTSPICE

O software LTSPICE eacute um simulador SPICE de alto desempenho orientado a

esquemaacuteticos e visualizador de formas de onda com modelos para facilitar a simulaccedilatildeo de

circuitos eletrocircnicos Se comparado aos outros simuladores SPICE a simulaccedilatildeo do

LTSPICE eacute bastante raacutepida O software consegue simular dispositivos de acordo com o

padratildeo industrial reproduzindo os seus comportamentos [52]

25

O LTSPICE possui vaacuterias possibilidades de simulaccedilatildeo como anaacutelise transiente anaacutelise AC

e anaacutelise DC bem como permite a simulaccedilatildeo de vaacuterios dispositivos disponiacuteveis na sua

biblioteca Aleacutem disso este software possibilita a elaboraccedilatildeo de novos esquemaacuteticos

atraveacutes de um modelo matemaacutetico ou eletrocircnico proposto O novo componente poderaacute ser

utilizado no circuito conforme seraacute feito neste trabalho utilizando-se o modelo SPICE do

SET proposto por G Lientschnig et al[4]

26

3 METODOLOGIA

31 INTRODUCcedilAtildeO

A miniaturizaccedilatildeo das interconexotildees prejudica o seu desempenho resultando no aumento

significativo do valor da resistividade da capacitacircncia de acoplamento entre vias na

dificuldade de controlar a razatildeo entre a altura e a largura do material entre outros

problemas A fim de analisar o desempenho das interconexotildees eacute necessaacuterio verificar

algumas variaacuteveis importantes como velocidade maacutexima (f-3dB) atenuaccedilatildeo (A) tempo de

atraso (td) potecircncia dissipada (P) produto atraso-potecircncia (DP) e slew rate (SR)

[111317202342]

32 ETAPAS E ESTRATEacuteGIAS ADOTADAS

Com o intuito de analisar o efeito das interconexotildees em circuitos com transistores mono-

eleacutetron foi realizada primeiramente a anaacutelise das interconexotildees de SWCNT de SWCNT

bundle e de cobre isoladamente para diferentes valores de comprimento Apoacutes a avaliaccedilatildeo

desses resultados o efeito das interconexotildees foi analisado no H-tree clock com inversores

mono-eleacutetron nos seus terminais tambeacutem considerando diferentes comprimentos Neste

trabalho a tecnologia de 22 nm prevista para o ano de 2016 [21] foi utilizada na

comparaccedilatildeo entre o desempenho do cobre e do CNT Todas as simulaccedilotildees foram realizadas

utilizando o software LTSPICE

321 Simulaccedilatildeo das interconexotildees

A partir dos modelos das interconexotildees de SWCNT SWCNT bundle e cobre apresentados

na subseccedilatildeo 213 diferentes comprimentos das interconexotildees foram simulados Assim

analisou-se as interconexotildees locais em que l le 1 μm e as intermediaacuterias em que 1 μm lt l

le 500 μm sabendo que l eacute o comprimento da interconexatildeo [29-31333638]

A fim de analisar a frequumlecircncia de corte este foi obtido para comprimentos de

interconexotildees locais (10nm 100nm 200nm 300nm 400nm 500nm 600nm 700nm

27

800nm 900nm 1μm) e interconexotildees intermediaacuterias (10μm 100μm 200μm 300μm

400μm 500μm)

Jaacute que λCNT eacute tipicamente 1 μm foram escolhidos trecircs comprimentos na faixa lCNT le λCNT

(10 nm 100 nm e 1 μm) e trecircs comprimentos na faixa lCNT gt λCNT (10 μm 100 μm 500

μm) para serem analisados detalhadamente Escolheu-se uma mesma frequecircncia abaixo da

frequecircncia de corte dos trecircs materiais considerados para analisar e comparar a atenuaccedilatildeo

(A) e o tempo de atraso na propagaccedilatildeo (td) dos diferentes comprimentos

Em seguida o mesmo procedimento foi feito para comparar somente o SWCNT bundle e o

cobre para uma mesma frequecircncia cujo valor eacute maior que a frequecircncia da anaacutelise anterior

permitindo que estes dois materiais sejam analisados detalhadamente

Essas anaacutelises foram realizadas a partir da simulaccedilatildeo do circuito da Figura 31 [2325] A

tensatildeo de entrada Vin eacute uma onda quadrada de 1V de amplitude e o capacitor de carga tem

o valor de 100 aF

Figura 31 ndash Circuito simulado para cada interconexatildeo

A Figura 32 mostra o fluxograma das etapas descritas nesta subseccedilatildeo 321

28

Figura 32 ndash Fluxograma das etapas seguidas na simulaccedilatildeo das interconexotildees

322 Simulaccedilatildeo do inversor mono-eleacutetron

Para utilizar a porta inversora da Figura 215 nos terminais do H-tree clock foi necessaacuterio

primeiramente simular o SET proposto por [4] Essa simulaccedilatildeo foi feita variando os

paracircmetros do SET como as resistecircncias e capacitacircncias das junccedilotildees as capacitacircncias de

porta a temperatura etc Os paracircmetros foram variados ateacute simular o SET a temperatura

de 300K Em seguida simulou-se a inversora da Figura 215 tambeacutem a temperatura

ambiente Dessa forma foi possiacutevel simular a inversora isoladamente obtendo as

caracteriacutesticas do sinal de saiacuteda

323 Simulaccedilatildeo do H-tree clock mono-eleacutetron

Apoacutes a simulaccedilatildeo do SET foi possiacutevel simular o H-tree clock A rede H-tree de dois niacuteveis

foi simulada com um H no primeiro niacutevel e quatro H‟s no segundo niacutevel [49] Nos pontos

de destino final da rede foram colocadas portas inversoras formadas por SETs permitindo

a anaacutelise de circuitos nanoeletrocircnicos

Modelos de SWCNT

SWCNT bundle e cobre

Obtenccedilatildeo dos paracircmetros dos modelos para

interconexotildees locais e interconexotildees intermediaacuterias

Para cada comprimento

obtenccedilatildeo de f-3dB

1ordm) Escolha de frequumlecircncia abaixo

da f-3dB do SWCNT SWCNT

bundle e cobre

2ordm) Escolha de frequumlecircncia abaixo

da f-3dB do SWCNT bundle e

cobre

Obtenccedilatildeo de A e td de

cada modelo

Obtenccedilatildeo de A e td de

cada modelo

Anaacutelise comparativa entre o

SWCNT SWCNT bundle e

cobre

Anaacutelise comparativa entre o

SWCNT bundle e cobre

Estudo de interconexotildees locais (10nm

100nm 1μm) e intermediaacuterias (10μm

100μm 500μm)

29

A partir da simulaccedilatildeo do H-tree clock obteve-se a frequecircncia em -3dB (f-3dB) da rede com

interconexotildees ideais Assim a rede H-tree foi entatildeo simulada para duas frequecircncias

diferentes do sinal de entrada abaixo da frequecircncia de -3dB 10 GHz e 100 GHz Com

essas simulaccedilotildees obtiveram-se as seguintes caracteriacutesticas do sinal de saiacuteda da inversora

niacutevel loacutegico baixo (NB) niacutevel loacutegico alto (NA) tempo de subida (tr) slew rate de subida

(SR) atenuaccedilatildeo (A) tempo de atraso (td) potecircncia dissipada (P) e produto atraso-potecircncia

(DP) As caracteriacutesticas obtidas servem como referecircncia para analisar o sinal considerando

interconexotildees natildeo-ideais ou seja incluindo os modelos das interconexotildees nas simulaccedilotildees

Em seguida a rede H-tree foi simulada considerando-se os modelos das interconexotildees de

SWCNT bundle e de cobre variando os seus comprimentos Como cada H da rede de

distribuiccedilatildeo deve ser simeacutetrico considerou-se que cada divisatildeo do H tem o mesmo

comprimento para cada niacutevel da rede [11] A Figura 33 mostra o comprimento dos

diferentes trechos da rede Assim o comprimento de cada divisatildeo dos H‟s do segundo

niacutevel eacute a metade do comprimento de cada divisatildeo do H do primeiro niacutevel Jaacute que o objetivo

eacute simular circuitos em escala nanomeacutetrica escolheu-se trecircs variaccedilotildees de comprimento

menores ou iguais a 1μm

l = 100 nm l2 = 50 nm

l = 400 nm l2 = 200 nm

l = 1 μm l2 = 500 nm

Figura 33 ndash Esquemaacutetico do H-tree clock com os comprimentos de cada seguimento

Dessa forma cada um dos trecircs circuitos foi simulado obtendo-se a frequecircncia em -3dB na

entrada das portas inversoras Em seguida as trecircs redes foram simuladas para as mesmas

30

duas frequumlecircncias do sinal de entrada (10 GHz e 100 GHz) de forma a obter as

caracteriacutesticas do sinal de saiacuteda descritas anteriormente considerando agora o efeito das

interconexotildees

Por fim a partir dos dados obtidos foram realizadas comparaccedilotildees entre as caracteriacutesticas

do sinal de saiacuteda de referecircncia (interconexotildees ideais) e o sinal de saiacuteda dos circuitos com as

interconexotildees natildeo-ideais bem como entre o comportamento das interconexotildees de SWCNT

bundle e de cobre nas diferentes frequecircncias

A Figura 34 mostra o fluxograma das etapas descritas nas subseccedilotildees 322 e 323

Figura 34 ndash Fluxograma das etapas seguidas na simulaccedilatildeo do H-tree clock

H-tree clock mono-eleacutetron

Simulaccedilatildeo do H-tree clock com

interconexotildees ideais Obtenccedilatildeo de f-3dB

da inversora

Simulaccedilatildeo do H-tree clock com

interconexotildees natildeo-ideais para os seguintes

comprimentos

l = 100 nm l2 = 50 nm

l = 400 nm l2 = 200 nm

l = 1 μm l2 = 500 nm

Validaccedilatildeo do SET e do

inversor mono-eleacutetron a

300K

Sinal de entrada a

10 GHz

Sinal de entrada a

100 GHz

Obtenccedilatildeo de NB

NA tr SR A td P e

DP do sinal de saiacuteda

da inversora

Obtenccedilatildeo de NB

NA tr SR A td P e

DP do sinal de saiacuteda

da inversora

Sinal de entrada a

10 GHz

Sinal de entrada a

100 GHz

Obtenccedilatildeo de NB

NA tr SR A td P e

DP do sinal de saiacuteda

da inversora

Obtenccedilatildeo de NB

NA tr SR A td P e

DP do sinal de saiacuteda

da inversora

Anaacutelise comparativa

dos dados obtidos

31

4 RESULTADOS E ANAacuteLISES

41 INTRODUCcedilAtildeO

Neste capiacutetulo seratildeo apresentados os procedimentos adotados e os resultados obtidos na

simulaccedilatildeo das interconexotildees SWCNT SWCNT bundle e cobre As etapas descritas na

metodologia foram seguidas obtendo-se os resultados das simulaccedilotildees das interconexotildees e

das simulaccedilotildees do H-tree clock mono-eleacutetron para interconexotildees ideais e natildeo-ideais A

partir dos resultados a anaacutelise do desempenho das interconexotildees seraacute apresentada

42 ANAacuteLISE DAS INTERCONEXOtildeES

Nesta seccedilatildeo a anaacutelise das interconexotildees de SWCNT SWCNT bundle e cobre na

tecnologia de 22 nm para diferentes comprimentos seraacute realizada Para isso analisou-se

as interconexotildees locais em que l le 1 μm e as intermediaacuterias em que 1 μm lt l le 500 μm

sabendo que l eacute o comprimento da interconexatildeo [29-31333638] Como λCNT eacute

tipicamente 1 μm trecircs comprimentos na faixa lCNT le λCNT (10 nm 100 nm e 1 μm) e trecircs

comprimentos na faixa lCNT gt λCNT (10 μm 100 μm 500 μm) de cada material seratildeo

analisados detalhadamente Os paracircmetros obtidos a partir dos modelos de SWCNT

SWCNT bundle e cobre estatildeo respectivamente nas Tabelas 71 72 e 73 do Apecircndice

421 Interconexotildees locais

Primeiramente a partir da simulaccedilatildeo da Figura 31 obteve-se a frequecircncia em -3dB (f-3dB)

das interconexotildees locais (lCNT le λCNT ) isto eacute a sua banda passante de forma a verificar a

velocidade maacutexima que cada interconexatildeo suporta A Figura 41 ilustra o comportamento

da frequecircncia das interconexotildees locais para os diferentes comprimentos Como o SWCNT

isolado possui valores de frequecircncia na faixa de centenas de giga Hertz ou seja menos de

um tera Hertz os valores de suas frequecircncias tambeacutem podem ser visualisados na Tabela

74 do Apecircndice

Verifica-se que agrave medida que o comprimento da interconexatildeo aumenta a frequecircncia

diminui Isso ocorre jaacute que os valores da capacitacircncia e indutacircncia aumentam com o

aumento do comprimento da interconexatildeo Esses paracircmetros satildeo decisivos no sinal de

32

saiacuteda sendo o sinal mais distorcido quanto maior for o valor desses paracircmetros Observa-

se que o SWCNT bundle e o cobre possuem banda passante maiores que o SWCNT

isolado para qualquer comprimento Aleacutem disso o SWCNT bundle soacute possui uma banda

passante comparaacutevel ao do cobre para comprimentos acima de 700 nm

Frequecircncia X Comprimento

0

10

20

30

40

50

60

100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

Comprimento (nm)

f -3d

B (

TH

z)

SWCNT Isolado

SWCNT bundle

Cobre

Figura 41 ndash Frequumlecircncia versus comprimento das interconexotildees locais

As interconexotildees locais de 10 nm 100 nm e 1 μm de comprimento foram analisadas

detalhadamente A Tabela 41 mostra a frequecircncia em -3dB de cada material para os

comprimentos em anaacutelise

Tabela 41 Frequecircncia em -3dB de cada material para lCNT le λCNT

Interconexatildeo Local Comprimento (L) Material f-3dB

SWCNT isolado 253 GHz

10nm SWCNT bundle 66 THz

Cobre 232 THz

SWCNT isolado 300 GHz

lCNT le λCNT 100nm SWCNT bundle 20 THz

Cobre 51 THz

SWCNT isolado 230 GHz

1microm SWCNT bundle 47 THz

Cobre 42 THz

Assim escolheu-se uma mesma frequecircncia abaixo da frequecircncia de corte dos trecircs

materiais considerados para analisar e comparar a atenuaccedilatildeo (A) e o tempo de atraso na

propagaccedilatildeo (td) dos trecircs comprimentos Isso permite verificar o comportamento do sinal na

banda passante A Tabela 42 mostra esse estudo comparativo entre o SWCNT isolado

SWCNT bundle e cobre agrave frequecircncia de 200 GHz

33

Tabela 42 Estudo das interconexotildees com comprimentos na faixa lCNT le λCNT

Freq L Material A (dB) td (ps)

SWCNT isolado -210 046

10nm SWCNT bundle 001 000

Cobre 000 000

SWCNT isolado -155 051

200 GHz 100nm SWCNT bundle 001 000

Cobre 001 000

SWCNT isolado -039 107

1microm SWCNT bundle 006 001

Cobre 000 007

A partir da anaacutelise da Tabela 42 eacute possiacutevel observar agrave frequumlecircncia de 200 GHz a

atenuaccedilatildeo do sinal e o atraso do SWCNT isolado Nessa frequumlecircncia o atraso do SWCNT

isolado eacute significativo em relaccedilatildeo ao periacuteodo do sinal que eacute 5ps jaacute que o menor atraso

(para l = 10nm) eacute aproximadamente 10 do periacuteodo do sinal de entrada No entanto para

esta mesma frequumlecircncia observa-se que a atenuaccedilatildeo e o atraso do SWCNT bundle e do

cobre satildeo insignificantes Isto indica que estes dois materiais possuem melhor

desempenho sendo favoraacuteveis para serem utilizados em interconexotildees locais

Dessa forma para analisar melhor a atenuaccedilatildeo e o tempo de atraso do SWCNT bundle e do

cobre o mesmo procedimento foi feito comparando-se somente estes dois materiais para

uma mesma frequecircncia de 1 THz A Tabela 43 mostra esse estudo comparativo entre o

SWCNT bundle e cobre

Tabela 43 Estudo das interconexotildees SWCNT bundle e cobre com comprimentos na faixa

lCNT le λCNT

Freq L Material A (dB) td (fs)

10nm SWCNT bundle 001 113

Cobre 000 022

1 THz 100nm SWCNT bundle 006 136

Cobre 001 240

1microm SWCNT bundle 145 647

Cobre -013 5623

Analisando a Tabela 43 observa-se que agrave frequumlecircncia de 1 THz a atenuaccedilatildeo do sinal e o

atraso aumentam agrave medida que o comprimento das interconexotildees aumentam A partir do

comprimento de 100nm o tempo de atraso da interconexatildeo de cobre eacute maior que o do

SWCNT bundle cujo maior valor de atraso (para l = 1microm) natildeo chega a 1 do periacuteodo do

34

sinal de entrada (1ps) Isso mostra que apesar de a banda passante do cobre ser maior o

atraso do SWCNT bundle eacute menor Dessa forma para as interconexotildees locais o SWCNT

bundle possui desempenho comparaacutevel ao do cobre [13]

Em relaccedilatildeo agrave atenuaccedilatildeo verifica-se que para alguns comprimentos este tem valor

positivo Isso ocorre principalmente quando haacute um pico no graacutefico da frequumlecircncia antes dele

comeccedilar a decair Esse pico eacute devido ao efeito ressonante provocado pela indutacircncia

quando este possui valor comparaacutevel agrave resistecircncia e agrave capacitacircncia da interconexatildeo [53]

Assim esse efeito ressonante foi observado somente nas interconexotildees locais de SWCNT

bundle e de cobre A Figura 42 ilustra o graacutefico da magnitude pela frequumlecircncia do SWCNT

isolado SWCNT bundle e cobre para o comprimento de 100nm Observa-se o efeito

ressonante nos graacuteficos do SWCNT bundle e do cobre

Figura 42 ndash Graacuteficos da magnitude das interconexotildees de SWCNT isolado (superior)

SWCNT bundle (meio) e cobre (inferior) com comprimento de 100nm

35

422 Interconexotildees intermediaacuterias

Assim como para as interconexotildees locais obteve-se a frequecircncia em -3dB (f-3dB) das

interconexotildees intermediaacuterias (lCNT gt λCNT) de forma a verificar a velocidade maacutexima que

cada interconexatildeo suporta A Figura 43 ilustra o comportamento da frequecircncia das

interconexotildees intermediaacuterias para os diferentes comprimentos Os valores das frequecircncias

de cada interconexatildeo tambeacutem podem ser visualisados na Tabela 75 do Apecircndice

Como nas interconexotildees locais agrave medida que o comprimento da interconexatildeo aumenta a

frequecircncia diminui Aleacutem disso o SWCNT bundle e o cobre possuem desempenho melhor

que o do SWCNT isolado para qualquer comprimento No entanto para interconexotildees

intermediaacuterias o SWCNT bundle possui banda passante maior que a do cobre para

qualquer comprimento

Frequecircncia X Comprimento

00

05

10

15

20

25

30

35

40

45

100 200 300 400 500

Comprimento (μm)

f -3d

B (

GH

z)

SWCNT isolado

SWCNT bundle

Cobre

Figura 43 ndash Frequumlecircncia versus comprimento das interconexotildees intermediaacuterias

As interconexotildees intermediaacuterias de 10 μm 100 μm e 500 μm de comprimento foram entatildeo

analisadas detalhadamente A Tabela 44 mostra a frequecircncia em -3dB de cada materal

para os diferentes comprimentos em anaacutelise

36

Tabela 44 Frequecircncia em -3dB de cada material para lCNT gt λCNT

Interconexatildeo

Intermediaacuteria

Comprimento (L) Material f-3dB

SWCNT isolado 26 GHz

10 microm SWCNT bundle 527 GHz

Cobre 34 GHz

SWCNT isolado 32 MHz

lCNT gt λCNT 100 microm SWCNT bundle 42 GHz

Cobre 345 MHz

SWCNT isolado 13 MHz

500 microm SWCNT bundle 165 MHz

Cobre 14 MHz

Escolheu-se a frequecircncia de 1 MHz que estaacute abaixo da frequecircncia de corte dos trecircs

materiais considerados para analisar e comparar a atenuaccedilatildeo (A) e o tempo de atraso na

propagaccedilatildeo (td) dos trecircs comprimentos A Tabela 45 mostra esse estudo comparativo entre

o SWCNT isolado SWCNT bundle e cobre

Tabela 45 Estudo das interconexotildees com comprimentos na faixa lCNT gt λCNT

Freq L Material A (dB) td (ns)

SWCNT isolado -002 008

10 microm SWCNT bundle 000 000

Cobre 000 000

SWCNT isolado -003 559

1 MHz 100 microm SWCNT bundle -001 005

Cobre -004 056

SWCNT isolado -198 10217

500 microm SWCNT bundle 000 110

Cobre -003 1301

Com base na Tabela 45 observa-se que a atenuaccedilatildeo e o tempo de atraso do SWCNT

isolado aumentam com o aumento do comprimento da interconexatildeo Nessa frequumlecircncia o

atraso na propagaccedilatildeo do SWCNT isolado eacute significativo em relaccedilatildeo ao periacuteodo do sinal de

entrada que eacute 1micros chegando a mais de 10 deste periacuteodo para o comprimento de 500microm

Verifica-se tambeacutem o aumento do tempo de atraso da interconexatildeo de cobre sendo 13

do periacuteodo do sinal de entrada para o comprimento de 500microm

Para analisar melhor a atenuaccedilatildeo e o tempo de atraso do SWCNT bundle e do cobre o

mesmo procedimento foi feito comparando-se somente estes dois materiais para uma

37

mesma frequecircncia de 10 MHz A Tabela 46 mostra esse estudo comparativo entre o

SWCNT bundle e cobre

Tabela 46 Estudo das interconexotildees SWCNT bundle e cobre com comprimentos na faixa

lCNT gt λCNT

Freq L Material A (dB) td (ns)

10 microm SWCNT bundle 000 000

Cobre 000 000

10 MHz 100 microm SWCNT bundle -001 005

Cobre -004 054

500 microm SWCNT bundle -004 107

Cobre -185 1024

Analisando a Tabela 46 observa-se que agrave medida que o comprimento das interconexotildees

aumenta a atenuaccedilatildeo e o atraso do sinal da interconexatildeo de cobre tornam-se significativos

O atraso na propagaccedilatildeo da interconexatildeo de cobre para l = 500microm chega a 10 do periacuteodo

do sinal de entrada (100ns) Jaacute o SWCNT bundle apresenta valores insignificantes de

atenuaccedilatildeo e atraso na propagaccedilatildeo Assim para as interconexotildees intermediaacuterias o SWCNT

bundle possui desempenho superior ao do cobre

43 SIMULACcedilAtildeO DO INVERSOR MONO-ELEacuteTRON

O modelo SPICE do SET proposto por G Lientschnig et al [444] foi simulado no

LTSPICE A partir da equaccedilatildeo (226) foi possiacutevel aumentar a temperatura do SET ateacute

chegar a 300K Assim o esquemaacutetico do SET e os valores de seus paracircmetros para que o

SET opere a 300K estatildeo na Figura 44 No anexo deste trabalho (subseccedilatildeo 81) encontra-

se o coacutedigo SET que foi utilizado [44] Os paracircmetros R1 C1 e R2 C2 correspondem agraves

resistecircncias e capacitacircncias das junccedilotildees-tuacutenel Cg eacute a capacitacircncia de porta (Cg1 no coacutedigo

SET) Vg eacute a tensatildeo de porta e V eacute a tensatildeo de entrada

Figura 44 Esquemaacutetico do SET e os valores de seus paracircmetros

38

A partir destes valores o inversor mono-eleacutetron foi construiacutedo colocando-se dois SETs em

seacuterie os quais compartilham da mesma entrada A Figura 45 ilustra o esquemaacutetico do

inversor mono-eleacutetron juntamente com os valores de seus paracircmetros fixos em que Vin eacute a

tensatildeo de entrada Vout eacute a tensatildeo de saiacuteda Vbias eacute a tensatildeo de polarizaccedilatildeo Cc eacute a

capacitacircncia de carga Cg1 e Cg2 satildeo as capacitacircncias de porta do SET 1 e do SET 2

respectivamente

Figura 45 Esquemaacutetico do inversor mono-eleacutetron e os valores de seus paracircmetros

(modificado de [4])

Assim apoacutes simular o inversor mono-eleacutetron a 300K obteve-se o sinal de saiacuteda mostrado

na Figura 46 Como o inversor estaacute invertendo o sinal de entrada de valor loacutegico baixo em

um sinal de saiacuteda de valor loacutegico alto ele estaacute operando corretamente

Figura 46 Curva do sinal de entrada (em verde) e do sinal de saiacuteda (em preto) do inversor

mono-eleacutetron

39

44 ANAacuteLISE DAS INTERCONEXOtildeES NO H-TREE CLOCK MONO-ELEacuteTRON

Nesta seccedilatildeo a rede H-tree clock de dois niacuteveis foi simulada com portas inversoras mono-

eleacutetron nos pontos de destino final da rede permitindo a anaacutelise de circuitos

nanoeletrocircnicos Simulou-se a rede H-tree considerando interconexotildees ideais para as

frequecircncias de 10 GHz e 100 GHz no sinal de entrada Em seguida para as mesmas duas

frequecircncias considerou-se interconexotildees natildeo-ideais de diferentes comprimentos

analisando a rede com os modelos de interconexatildeo SWCNT bundle e cobre Trecircs redes

com comprimentos de interconexotildees diferentes foram analisadas

l = 100 nm l2 = 50 nm

l = 400 nm l2 = 200 nm

l = 1 μm l2 = 500 nm

441 Anaacutelise da rede com interconexotildees ideais

A partir da simulaccedilatildeo do H-tree clock a frequecircncia em -3dB (f-3dB) da rede com

interconexotildees ideais foi obtida Na saiacuteda de cada porta inversora a banda passante do sinal

eacute 3200 GHz Dessa forma duas frequecircncias abaixo de 3200 GHz foram escolhidas para

analisar o sinal de saiacuteda da inversora em condiccedilotildees ideais As frequecircncias de 10 GHz e

100 GHz seratildeo analisadas obtendo-se as seguintes caracteriacutesticas do sinal de saiacuteda da

inversora niacutevel loacutegico baixo (NB) niacutevel loacutegico alto (NA) tempo de subida (tr) slew rate

de subida (SR) atenuaccedilatildeo (A) e tempo de atraso (td) A Tabela 47 mostra os valores

obtidos para as duas frequecircncias em anaacutelise

Tabela 47 Caracteriacutesticas dos sinais de saiacuteda da rede para interconexotildees ideais

Freq NB(mV) NA(mV) tr (ps) SR(Vns) A(dB) td (ps)

10 GHz 675 4518 356 8636 -264 412

100 GHz 678 4279 317 9088 -269 189

Os caacutelculos da potecircncia estaacutetica ( IVP DDE ) potecircncia dinacircmica ( CVfP DDD 2 ) e

potecircncia total ( DE PPP ) dissipada por cada porta inversora foram realizados bem

como o produto atraso-potecircncia (DP) Assim a Tabela 48 mostra os valores obtidos no

40

caacutelculo destes paracircmetros Como a potecircncia estaacutetica independe da frequecircncia do sinal de

entrada o seu valor eacute o mesmo nos dois casos

Tabela 48 Potecircncia dissipada por cada porta inversora para interconexotildees ideais

Frequecircncia PE (nW) PD (nW) P (nW) DP (10-18

Wmiddots)

10 GHz 4838 125 4963 020

100 GHz 4838 125 6088 012

As Tabelas 47 e 48 serviratildeo de referecircncia para as anaacutelises da rede com interconexotildees natildeo-

ideais analisadas na subseccedilatildeo seguinte As Figuras 47 e 48 ilustram o sinal de saiacuteda das

redes com frequecircncias de 10 GHz e de 100 GHz respectivamente Eacute possiacutevel observar que

na frequecircncia de 100 GHz o sinal de saiacuteda jaacute eacute distorcido em relaccedilatildeo ao sinal de referecircncia

(Figura 46)

Figura 47 Sinal de entrada (em verde) e sinal de saiacuteda (em preto) da rede a 10 GHz

Figura 48 Sinal de entrada (em verde) e sinal de saiacuteda (em preto) da rede a 100 GHz

41

442 Anaacutelise da rede com interconexotildees natildeo-ideais

Apoacutes obter as caracteriacutesticas da rede H-tree clock com interconexotildees ideais a anaacutelise da

rede com interconexotildees natildeo-ideais seraacute feita Primeiramente eacute importante verificar a

frequecircncia em -3dB do sinal depois das interconexotildees ou seja na entrada da porta

inversora Caso essa frequecircncia seja menor que a frequecircncia de 3200 GHz obtida com

interconexotildees ideais entatildeo a interconexatildeo afetaraacute o comportamento da rede A Tabela 49

mostra a frequecircncia em -3dB na entrada da inversora para interconexotildees natildeo-ideais

Tabela 49 Frequecircncia em -3dB na entrada da inversora para interconexotildees natildeo-ideais

Comprimentos (l2 l) Material f-3dB

50nm 100nm SWCNT bundle 122 THz

Cobre 175 THz

200nm 400nm SWCNT bundle 31 THz

Cobre 8606 GHz

500nm 1microm SWCNT bundle 12 THz

Cobre 1268 GHz

Assim verifica-se que a interconexatildeo de cobre da rede 500nm1microm possui frequecircncia em

-3dB abaixo da frequecircncia do circuito com interconexatildeo ideal (3200 GHz) Isso indica que

esta interconexatildeo interfere significativamente no comportamento da rede A Tabela 49

mostra tambeacutem que a banda passante da interconexatildeo de cobre soacute eacute maior que a da

interconexatildeo de SWCNT bundle no primeiro caso na rede de 50nm100nm o que mostra

uma vantagem do SWCNT bundle em relaccedilatildeo ao cobre A partir dessas informaccedilotildees a

rede H-tree clock com interconexotildees natildeo-ideais seraacute analisada detalhadamente

4421 Anaacutelise da rede a 10 GHz

As redes com interconexotildees natildeo-ideais seratildeo analisadas na frequecircncia de 10 GHz para

diferentes comprimentos Primeiramente o niacutevel loacutegico baixo (NB) o niacutevel loacutegico alto

(NA) o tempo de subida (tr) e o slew rate de subida (SR) foram obtidos conforme mostra a

Tabela 410 Com base nessa tabela verifica-se que na frequecircncia de 10 GHz essas

caracteriacutesticas natildeo foram modificadas pelas interconexotildees natildeo-ideais independentemente

do comprimento Os valores dos paracircmetros satildeo iguais aos obtidos na rede com

interconexatildeo ideal conforme Tabela 47 O sinal obtido na saiacuteda de cada inversor eacute igual

ao ilustrado na Figura 47

42

Tabela 410 Niacuteveis loacutegicos tempo de subida e slew rate dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 10 GHz

Freq L (l2l) Material NB(mV) NA(mV) tr(ps) SR(Vns)

10

GHz

50nm

100nm

SWCNT bundle 675 4518 356 8636

Cobre 675 4518 356 8636

200nm

400nm

SWCNT bundle 675 4518 356 8636

Cobre 675 4518 356 8636

500nm

1microm

SWCNT bundle 675 4518 356 8636

Cobre 675 4518 356 8636

A Tabela 411 mostra a atenuaccedilatildeo tempo de atraso potecircncia total dissipada e o produto

atraso-potecircncia obtidos a frequecircncia de 10 GHz para interconexotildees natildeo-ideais Observa-se

que a atenuaccedilatildeo do sinal e a potecircncia total dissipada por cada porta inversora permanecem

os mesmos em relaccedilatildeo agrave interconexatildeo ideal mostrando que a essa frequecircncia as

interconexotildees natildeo-ideais natildeo interferem nestes paracircmetros

Jaacute o atraso na propagaccedilatildeo do sinal no caso do cobre aumenta agrave medida que as

interconexotildees aumentam de comprimento aumentando tambeacutem o produto atraso-potecircncia

Esse atraso chega a 66 do periacuteodo do sinal de entrada para a interconexatildeo 500nm1microm

de cobre No entanto estes paracircmetros natildeo satildeo afetados pelas interconexotildees de SWCNT

bundle indicando que este material se sobressai em relaccedilatildeo ao cobre

Tabela 411 Atenuaccedilatildeo atraso potecircncia e produto atraso-potecircncia dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 10 GHz

Freq L (l2l) Material A (dB) td (ps) P (nW) DP(10-18

Wmiddots)

10

GHz

50nm

100nm

SWCNT bundle -264 412 4963 020

Cobre -264 412 4963 020

200nm

400nm

SWCNT bundle -264 412 4963 020

Cobre -264 438 4963 022

500nm

1microm

SWCNT bundle -264 412 4963 020

Cobre -264 659 4963 033

4422 Anaacutelise da rede a 100 GHz

As redes com interconexotildees natildeo-ideais seratildeo analisadas na frequecircncia de 100 GHz para

diferentes comprimentos O niacutevel loacutegico baixo (NB) o niacutevel loacutegico alto (NA) o tempo de

subida (tr) e o slew rate de subida (SR) foram obtidos conforme mostra a Tabela 412 Jaacute a

43

Tabela 413 mostra a atenuaccedilatildeo tempo de atraso potecircncia total dissipada e o produto

atraso-potecircncia obtidos a frequecircncia de 100 GHz para interconexotildees natildeo-ideais

Tabela 412 Niacuteveis loacutegicos tempo de subida e slew rate dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 100 GHz

Freq L (l2l) Material NB(mV) NA(mV) tr(ps) SR(Vns)

100

GHz

50nm

100nm

SWCNT bundle 678 4272 316 9099

Cobre 675 4277 323 9107

200nm

400nm

SWCNT bundle 678 4299 315 9196

Cobre 677 4089 289 9447

500nm

1microm

SWCNT bundle 678 4418 300 9973

Cobre 635 1766 102 6795

Tabela 413 Atenuaccedilatildeo atraso potecircncia e produto atraso-potecircncia dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 100 GHz

Freq L (l2l) Material A (dB) td (ps) P (nW) DP(10-18

Wmiddots)

100

GHz

50nm

100nm

SWCNT bundle -2703 189 6088 012

Cobre -2685 191 6088 012

200nm

400nm

SWCNT bundle -2693 188 6088 012

Cobre -2698 228 6088 014

500nm

1microm

SWCNT bundle -2673 174 6088 011

Cobre -2893 388 6088 024

A partir das Tabelas 412 e 413 o SWCNT bundle seraacute analisado Observa-se que os seus

niacuteveis loacutegicos altos aumentam com o aumento do comprimento das interconexotildees

aumentando tambeacutem o slew rate de subida Esse comportamento ocorre provavelmente

devido ao efeito ressonante provocado pela indutacircncia que provoca um pico no graacutefico da

frequumlecircncia antes dele comeccedilar a decair conforme explicado na subseccedilatildeo 421 Isso implica

na diminuiccedilatildeo da atenuaccedilatildeo do sinal e do atraso No entanto o produto atraso-potecircncia

permanece praticamente invariaacutevel jaacute que a potecircncia total dissipada natildeo se altera

Em relaccedilatildeo agraves interconexotildees de cobre verifica-se que as distorccedilotildees satildeo significativas Agrave

medida que o comprimento aumenta a atenuaccedilatildeo do sinal de saiacuteda aumenta Isso provoca

diminuiccedilatildeo no slew rate do sinal o que natildeo eacute desejado jaacute que o sinal demora mais para

atingir o niacutevel loacutegico alto Aleacutem disso o atraso na propagaccedilatildeo do sinal aumenta bastante

chegando a 388 do periacuteodo do sinal de entrada para a interconexatildeo 500nm1microm

Consequentemente o produto atraso-potecircncia tambeacutem aumenta sendo o dobro do valor de

44

referecircncia (interconexotildees ideais) A Figura 49 ilustra o sinal de saiacuteda da interconexatildeo

500nm1microm de cobre

Figura 49 Sinal de entrada (em verde) e sinal de saiacuteda (em preto) da rede a 100 GHz para

a interconexatildeo 500nm1microm de cobre

Comparando-se as potecircncias das tabelas 47 48 411 413 verifica-se que natildeo haacute

alteraccedilatildeo na potecircncia total dissipada pelo circuito com interconexotildees ideais e pelos

circuitos com interconexotildees natildeo-ideais para uma mesma frequecircncia Assim eacute importante

destacar que a dissipaccedilatildeo de potecircncia das interconexotildees de SWCNT bundle e de cobre natildeo

interfere na potecircncia total dissipada pelo circuito

443 Consideraccedilotildees Finais

Apoacutes analisar as interconexotildees locais de SWCNT de SWCNT bundle e de cobre

verificou-se que as interconexotildees de SWCNT bundle possuem desempenho comparaacutevel ao

das interconexotildees de cobre Em relaccedilatildeo agraves interconexotildees intermediaacuterias as de SWCNT

bundle apresentam desempenho superior agraves de cobre Jaacute as interconexotildees de SWCNT

isolado tanto para interconexotildees locais como para interconexotildees intermediaacuterias

apresentam desempenho inferior agraves interconexotildees de SWCNT bundle e de cobre natildeo

sendo propiacutecias a serem utilizadas em interconexotildees de circuitos integrados

Na anaacutelise das interconexotildees natildeo-ideais na rede H-tree clock mono-eleacutetron para a

frequecircncia de 10GHz observou-se que o niacutevel loacutegico baixo o niacutevel loacutegico alto o tempo de

subida o slew rate de subida a atenuaccedilatildeo do sinal e a potecircncia total dissipada por cada

porta inversora permanecem os mesmos em relaccedilatildeo agrave interconexatildeo ideal mostrando que

45

para esta frequecircncia as interconexotildees natildeo-ideais natildeo interferem nestes paracircmetros Jaacute o

atraso na propagaccedilatildeo do sinal no caso do cobre aumenta agrave medida que as interconexotildees

aumentam de comprimento aumentando tambeacutem o produto atraso-potecircncia No entanto

estes paracircmetros natildeo satildeo afetados pelas interconexotildees de SWCNT bundle indicando que

este material se sobressai em relaccedilatildeo ao cobre

Jaacute para a rede H-tree clock mono-eleacutetron a 100GHz observou-se que o circuito com

interconexotildees natildeo-ideais afetou bastante os paracircmetros em anaacutelise se comparados aos

obtidos para interconexotildees ideais Verificou-se que as distorccedilotildees provocadas pelas

interconexotildees de cobre foram significativas indicando que as interconexotildees de SWCNT

bundle possuem melhor desempenho que as de cobre

Assim constata-se que as interconexotildees de SWCNT bundle satildeo fortes candidatas a

substituirem as interconexotildees de cobre em circuitos em escala giga (GSI) e tera (TSI)

46

5 CONCLUSOtildeES

Nesta dissertaccedilatildeo o estudo das interconexotildees de SWCNT de SWCNT bundle e de cobre

foi realizado analisando e comparando os seus desempenhos para diferentes

comprimentos A partir desse estudo verificou-se que as interconexotildees de SWCNT bundle

possui desempenho comparaacutevel ao das interconexotildees de cobre no caso de interconexotildees

locais Em relaccedilatildeo agraves interconexotildees intermediaacuterias as de SWCNT bundle apresentam

desempenho superior agraves de cobre

As interconexotildees de SWCNT bundle e as interconexotildees de cobre foram entatildeo simuladas na

rede H-tree clock de dois niacuteveis para diferentes comprimentos e frequecircncias Nos pontos

de destino final da rede foram colocadas portas inversoras formadas por SETs permitindo

a anaacutelise de circuitos nanoeletrocircnicos

A partir da anaacutelise da rede H-tree clock observou-se que as interconexotildees de SWCNT

bundle possuem desempenho melhor que as de cobre principalmente em relaccedilatildeo ao slew

rate agrave atenuaccedilatildeo ao tempo de atraso e ao produto atraso-potecircncia Aleacutem disso a

dissipaccedilatildeo de potecircncia das interconexotildees natildeo-ideais natildeo interferem na potecircncia total

dissipada pelo circuito Assim as interconexotildees de SWCNT bundle satildeo fortes candidatas a

substituirem as interconexotildees de cobre em circuitos em escala giga (GSI) e tera (TSI)

Como perspectivas futuras eacute importante analisar o efeito das interconexotildees de nanotubo de

carbono em circuitos GSI e TSI com outras arquiteturas A anaacutelise das interconexotildees de

CNT tambeacutem deve ser feita em circuitos com tecnologia MOS permitindo a comparaccedilatildeo

entre diferentes tecnologias Aleacutem disso eacute interessante estudar outros tipos de materiais

que possam ser utilizados como interconexotildees em circuitos integrados

47

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53

7 APEcircNDICES

71 TABELAS COMPLEMENTARES

Tabela 71 Paracircmetros obtidos a partir do modelo de SWCNT isolado

L RQ (Ω) RS (Ω) LCNT (10-9

H) CCNT (10-18

F)

10 nm 645103 - 40010

-2 27910

-1

100 nm 645103 - 40010

-1 279

200 nm 645103 - 80010

-1 558

300 nm 645103 - 120 837

400 nm 645103 - 160 11210

1

500 nm 645103 - 200 14010

1

600 nm 645103 - 240 16710

1

700 nm 645103 - 280 19510

1

800 nm 645103 - 320 22310

1

900 nm 645103 - 360 25110

1

1 microm 645103 - 400 27910

1

10 microm 645103 64510

4 40010

1 27910

2

100 microm 645103 64510

5 40010

2 27910

3

200 microm 645103 12910

6 80010

2 55810

3

300 microm 645103 19410

6 12010

3 83710

3

400 microm

645103 25810

6 16010

3 11210

4

500 microm

645103 32310

6 20010

3 14010

4

Tabela 72 Paracircmetros obtidos a partir do modelo de SWCNT bundle

L RQ (Ω) RS (Ω) LBundle(10-9

H) CBundle(10-18

F)

10 nm 1075 - 66710-5

135

100 nm 1075 - 66710-4

135101

200 nm 1075 - 13310-3

270101

300 nm 1075 - 20010-3

405101

400 nm 1075 - 26710-3

540101

500 nm 1075 - 33310-3

675101

600 nm 1075 - 40010-3

810101

700 nm 1075 - 46710-3

945101

800 nm 1075 - 53310-3

108102

900 nm 1075 - 60010-3

122102

1 microm 1075 - 66710-3

135102

10 microm 1075 108102 66710

-2 13510

3

100 microm 1075 108103 66710

-1 13510

4

200 microm 1075 215103 133 27010

4

300 microm 1075 323103 200 40510

4

400 microm

1075 430103 267 54010

4

500 microm

1075 538103 333 67510

4

54

Tabela 73 Paracircmetros obtidos a partir do modelo de cobre

L RCu (Ω) LCu (10-9

H) CCu (10-18

F)

10 nm 06 37310-6

150

100 nm 60 63610-5

150101

200 nm 120 17510-4

300101

300 nm 180 30910-4

450101

400 nm 240 45410-4

600101

500 nm 300 61110-4

750101

600 nm 360 77510-4

900101

700 nm 420 94610-4

105102

800 nm 480 11210-3

120102

900 nm 540 13110-3

135102

1 microm 600 14910-3

150102

10 microm 60102 24010

-2 15010

3

100 microm 60103 33210

-1 15010

4

200 microm 12104 72010

-1 30010

4

300 microm 18104 113 45010

4

400 microm

24104 155 60010

4

500 microm

30104 198 75010

4

55

Tabela 74 Frequecircncia em -3dB das interconexotildees locais

Comprimento Material f-3dB

10 nm SWCNT isolado 253 GHz

SWCNT bundle 66 THz

Cobre 232 THz

100 nm SWCNT isolado 300 GHz

SWCNT bundle 20 THz

Cobre 51 THz

200 nm SWCNT isolado 342 GHz

SWCNT bundle 14 THz

Cobre 29 THz

300 nm SWCNT isolado 344 GHz

SWCNT bundle 11 THz

Cobre 20 THz

400 nm SWCNT isolado 329 GHz

SWCNT bundle 89 THz

Cobre 15 THz

500 nm SWCNT isolado 307 GHz

SWCNT bundle 76 THz

Cobre 12 THz

600 nm SWCNT isolado 288 GHz

SWCNT bundle 67 THz

Cobre 94 THz

700 nm SWCNT isolado 271 GHz

SWCNT bundle 61 THz

Cobre 76 THz

800 nm SWCNT isolado 255 GHz

SWCNT bundle 55 THz

Cobre 63 THz

900 nm SWCNT isolado 240 GHz

SWCNT bundle 51 THz

Cobre 52 THz

1 microm SWCNT isolado 230 GHz

SWCNT bundle 47 THz

Cobre 42 THz

56

Tabela 75 Frequecircncia em -3dB das interconexotildees intermediaacuterias

Comprimento Material f-3dB

10 microm SWCNT isolado 26 GHz

SWCNT bundle 527 GHz

Cobre 34 GHz

100 microm SWCNT isolado 32 MHz

SWCNT bundle 42 GHz

Cobre 345 MHz

200 microm SWCNT isolado 82 MHz

SWCNT bundle 10 GHz

Cobre 87 MHz

300 microm SWCNT isolado 36 MHz

SWCNT bundle 455 MHz

Cobre 38 MHz

400 microm SWCNT isolado 21 MHz

SWCNT bundle 256 MHz

Cobre 21 MHz

500 microm SWCNT isolado 13 MHz

SWCNT bundle 165 MHz

Cobre 14 MHz

57

8 ANEXOS

81 COacuteDIGO SPICE DO SET [44]

Transistor mono-eleacutetron (SET) conexotildees fonte | dreno | | porta1 | | | porta2 | | | | SUBCKT SET 1 2 3 4 PARAMS +C1=1E-20 Capacitacircncia da junccedilatildeo 1 +C2=1E-20 Capacitacircncia da junccedilatildeo 2 +R1=1E5 Resistecircncia da junccedilatildeo 1 +R2=1E5 Resistecircncia da junccedilatildeo 2 +Cg1=015E-18 Capacitacircncia da junccedilatildeo 1 +Cg2=0 Capacitacircncia da junccedilatildeo 2 +C0=0 Capacitacircncia proacutepria da ilha +Q0=005 Carga offset em unidades de e +TEMP=300 Temperatura PARAM E=160217733E-19 Carga do eleacutetron (e) PARAM CSUM=C1+C2+Cg1+Cg2+C0 Capacitacircncia total do SET PARAM T=TEMPCSUM53785467E14 Temperatura normalizada 53785467E14 = kBe^2 PARAM RN1=R1(R1+R2) Resistecircncia da junccedilatildeo 1 normalizada PARAM RN2=R2(R1+R2) Resistecircncia da junccedilatildeo 2 normalizada FUNC Q(v1v2v3v4) (Cg1v3+Cg2v4+C1v1+C2v2)E+Q0 Definiccedilatildeo da carga em unidades de e FUNC VN(v) CSUMvE Tensatildeo normalizada FUNC GAMMA(u) IF(T==0IF(ult0-u0)IF(u==0Tu(EXP(uT)-1))) FUNC N_OPT(v1v2v3v4) ROUND(-Q(v1v2v3v4)+(CSUME) (v1RN2+v2RN1)) A maior probabilidade de carga na ilha em unidades de e Os quarto eventos tuacuteneis FUNC R1L(nv1v2v3v4) GAMMA(05 - n - Q(v1v2v3v4) + VN(v1))RN1 FUNC R1R(nv1v2v3v4) GAMMA(05 + n + Q(v1v2v3v4) - VN(v1))RN1 FUNC R2L(nv1v2v3v4) GAMMA(05 + n + Q(v1v2v3v4) - VN(v2))RN2 FUNC R2R(nv1v2v3v4) GAMMA(05 - n - Q(v1v2v3v4) + VN(v2))RN2

58

determinaccedilatildeo das probabilidades relativas assume-se inicialmente que o estado da carga N_OPT tem probabilidade relativa igual a um FUNC PN_1(nv1v2v3v4) (R1L(nv1v2v3v4)+R2R(nv1v2v3v4))(R1R(n-1v1v2v3v4)+R2L(n-1v1v2v3v4)) FUNC PN_2(nv1v2v3v4) PN_1(nv1v2v3v4) +(R1L(n-1v1v2v3v4)+R2R(n-1v1v2v3v4))(R1R(n-2v1v2v3v4)+R2L(n-2v1v2v3v4)) FUNC PN_3(nv1v2v3v4) PN_2(nv1v2v3v4) +(R1L(n-2v1v2v3v4)+R2R(n-2v1v2v3v4))(R1R(n-3v1v2v3v4)+R2L(n-3v1v2v3v4)) FUNC PN_4(nv1v2v3v4) PN_3(nv1v2v3v4) +(R1L(n-3v1v2v3v4)+R2R(n-3v1v2v3v4))(R1R(n-4v1v2v3v4)+R2L(n-4v1v2v3v4)) FUNC PN_5(nv1v2v3v4) PN_4(nv1v2v3v4) +(R1L(n-4v1v2v3v4)+R2R(n-4v1v2v3v4))(R1R(n-5v1v2v3v4)+R2L(n-5v1v2v3v4)) FUNC PN1(nv1v2v3v4) (R2L(nv1v2v3v4) +R1R(nv1v2v3v4))(R2R(n+1v1v2v3v4)+R1L(n+1v1v2v3v4)) FUNC PN2(nv1v2v3v4) PN1(nv1v2v3v4) +(R2L(n+1v1v2v3v4)+R1R(n+1v1v2v3v4))(R2R(n+2v1v2v3v4)+R1L(n+2v1v2v3v4)) FUNC PN3(nv1v2v3v4) PN2(nv1v2v3v4) +(R2L(n+2v1v2v3v4)+R1R(n+2v1v2v3v4))(R2R(n+3v1v2v3v4)+R1L(n+3v1v2v3v4)) FUNC PN4(nv1v2v3v4) PN3(nv1v2v3v4) +(R2L(n+3v1v2v3v4)+R1R(n+3v1v2v3v4))(R2R(n+4v1v2v3v4)+R1L(n+4v1v2v3v4)) FUNC PN5(nv1v2v3v4) PN4(nv1v2v3v4) +(R2L(n+4v1v2v3v4)+R1R(n+4v1v2v3v4))(R2R(n+5v1v2v3v4)+R1L(n+5v1v2v3v4)) FUNC PSUM(nv1v2v3v4) PN_5(nv1v2v3v4)+PN_4(nv1v2v3v4)+PN_3(nv1v2v3v4)+PN_2(nv1v2v3v4) ++PN_1(nv1v2v3v4)+1+PN1(nv1v2v3v4)+PN2(nv1v2v3v4)+PN3(nv1v2v3v4) ++PN4(nv1v2v3v4)+PN5(nv1v2v3v4)

59

caacutelculo da corrente da fonte para o dreno FUNC CUR(nv1v2v3v4) PN_5(nv1v2v3v4)(R1R(n-5v1v2v3v4)-R1L(n-5v1v2v3v4)) ++PN_4(nv1v2v3v4)(R1R(n-4v1v2v3v4)-R1L(n-4v1v2v3v4)) ++PN_3(nv1v2v3v4)(R1R(n-3v1v2v3v4)-R1L(n-3v1v2v3v4)) ++PN_2(nv1v2v3v4)(R1R(n-2v1v2v3v4)-R1L(n-2v1v2v3v4)) ++PN_1(nv1v2v3v4)(R1R(n-1v1v2v3v4)-R1L(n-1v1v2v3v4)) ++(R1R(nv1v2v3v4)-R1L(nv1v2v3v4)) ++PN1(nv1v2v3v4)(R1R(n+1v1v2v3v4)-R1L(n+1v1v2v3v4)) ++PN2(nv1v2v3v4)(R1R(n+2v1v2v3v4)-R1L(n+2v1v2v3v4)) ++PN3(nv1v2v3v4)(R1R(n+3v1v2v3v4)-R1L(n+3v1v2v3v4)) ++PN4(nv1v2v3v4)(R1R(n+4v1v2v3v4)-R1L(n+4v1v2v3v4)) ++PN5(nv1v2v3v4)(R1R(n+5v1v2v3v4)-R1L(n+5v1v2v3v4)) FUNC CURRENT(nv1v2v3v4) ECUR(nv1v2v3v4)(CSUMPSUM(nv1v2v3v4)(R1+R2)) caacutelculo da tensatildeo da ilha FUNC VOLT(nv1v2v3v4) PN_5(nv1v2v3v4)(n-5+Q(v1v2v3v4)) ++PN_4(nv1v2v3v4)(n-4+Q(v1v2v3v4)) ++PN_3(nv1v2v3v4)(n-3+Q(v1v2v3v4)) ++PN_2(nv1v2v3v4)(n-2+Q(v1v2v3v4)) ++PN_1(nv1v2v3v4)(n-1+Q(v1v2v3v4)) ++n+Q(v1v2v3v4) ++PN1(nv1v2v3v4)(n+1+Q(v1v2v3v4)) ++PN2(nv1v2v3v4)(n+2+Q(v1v2v3v4)) ++PN3(nv1v2v3v4)(n+3+Q(v1v2v3v4)) ++PN4(nv1v2v3v4)(n+4+Q(v1v2v3v4)) ++PN5(nv1v2v3v4)(n+5+Q(v1v2v3v4)) FUNC VOLTAGE(nv1v2v3v4) (ECSUM)VOLT(nv1v2v3v4)PSUM(nv1v2v3v4) E1 5 0 VALUE= VOLTAGE(N_OPT(V(1)V(2)V(3)V(4))V(1)V(2)V(3)V(4)) Tensatildeo da ilha G1 1 2 VALUE= CURRENT(N_OPT(V(1)V(2)V(3)V(4))V(1)V(2)V(3)V(4)) Corrente da fonte para o dreno CT1 1 5 C1 CT2 2 5 C2 CGATE1 3 5 CG1 CGATE2 4 5 CG2 ENDS SET

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vi

RESUMO

ANAacuteLISE COMPARATIVA ENTRE INTERCONEXOtildeES DE

NANOTUBO DE CARBONO E INTERCONEXOtildeES DE COBRE PARA

CIRCUITOS GSITSI

Autora Camila Peixoto da Silva Madeira Nogueira

Orientadora Janaina Gonccedilalves Guimaratildees

Programa de Poacutes-Graduaccedilatildeo em Engenharia de Sistemas Eletrocircnicos e de Automaccedilatildeo

Brasiacutelia setembro de 2012

Nesta dissertaccedilatildeo seraacute realizado o estudo de nanotubos de carbono como possiacuteveis

substitutos do cobre em interconexotildees em circuitos integrados GSI e TSI Dessa forma os

modelos de circuitos do SWCNT (single-walled carbon nanotube) e do cobre seratildeo

apresentados e o estudo comparativo do desempenho destes materiais seraacute realizado

considerando diferentes comprimentos das interconexotildees Aleacutem disso o efeito destas

interconexotildees seraacute analisado na rede H-tree clock com inversores em seus terminais

tambeacutem para diferentes comprimentos Os inversores utilizados satildeo formados por

dispositivos de tunelamento mono-eleacutetron Com este propoacutesito as interconexotildees seratildeo

simuladas usando o software LTSPICE

vii

ABSTRACT

COMPARATIVE ANALYSIS BETWEEN CARBON NANOTUBE

INTERCONNECTS AND COPPER INTERCONNECTS FOR GSITSI

CIRCUITS

Author Camila Peixoto da Silva Madeira Nogueira

Supervisor Janaina Gonccedilalves Guimaratildees

Programa de Poacutes-Graduaccedilatildeo em Engenharia de Sistemas Eletrocircnicos e de Automaccedilatildeo

Brasiacutelia September 2012

In this work carbon nanotubes as possible candidates to replace copper as interconnects in

GSI and TSI integrated circuits are studied The circuit model of SWCNT (single-walled

carbon nanotube) and of copper are presented and a comparison between both materials is

studied considering different interconnect lengths In addition interconnects effect is

analyzed in the H-tree clock network using inverters in its ends The inverters are formed

by mono-electron tunneling devices For this purpose the interconnects will be simulated

using LTSPICE software

viii

SUMAacuteRIO

1 INTRODUCcedilAtildeO 1

11 OBJETIVOS 2

12 ORGANIZACcedilAtildeO 2

2 FUNDAMENTACcedilAtildeO TEOacuteRICA 3

21 INTERCONEXOtildeES 14

211 Limitaccedilotildees do cobre em relaccedilatildeo ao CNT 3

212 Caracteriacutesticas do CNT 3

213 Modelos de Interconexatildeo 6

2131 Modelo de interconexatildeo de SWCNT isolado 6

2132 Modelo de interconexatildeo de SWCNT bundle 8

2133 Modelo de interconexatildeo de cobre 11

22 INVERSOR MONO-ELEacuteTRON 14

221 Dispositivo de tunelamento mono-eleacutetron 14

222 Estrutura do inversor mono-eleacutetron 18

23 CLOCKING DE SISTEMAS DE ALTA VELOCIDADE 19

231 H-tree clock 21

24 MEDIDAS DE DESEMPENHO NA ANAacuteLISE DAS INTERCONEXOtildeES 22

241 Velocidade maacutexima - anaacutelise na frequecircncia 22

242 Atenuaccedilatildeo 23

243 Tempo de atraso 23

244 Potecircncia dissipada 23

245 Produto atraso-potecircncia 24

246 Slew rate 24

25 LTSPICE 24

3 METODOLOGIA 26

31 INTRODUCcedilAtildeO 26

32 ETAPAS E ESTRATEacuteGIAS ADOTADAS 26

321 Simulaccedilatildeo das interconexotildees 26

322 Simulaccedilatildeo do inversor mono-eleacutetron 28

323 Simulaccedilatildeo do H-tree clock mono-eleacutetron 28

ix

4 RESULTADOS E ANAacuteLISES 31

41 INTRODUCcedilAtildeO 31

42 ANAacuteLISE DAS INTERCONEXOtildeES 31

421 Interconexotildees Locais 31

422 Interconexotildees Intermediaacuterias 35

43 SIMULACcedilAtildeO DO INVERSOR MONO-ELEacuteTRON 37

44 ANAacuteLISE DAS INTERCONEXOtildeES NO H-TREE CLOCK MONO-ELEacuteTRON 39

441 Anaacutelise da rede com interconexotildees ideais 39

442 Anaacutelise da rede com interconexotildees natildeo-ideais 41

4421 Anaacutelise da rede a 10 GHz 41

4422 Anaacutelise da rede a 100 GHz 42

443 Consideraccedilotildees Finais 44

5 CONCLUSOtildeES 46

6 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS 47

7 APEcircNDICES 53

71 TABELAS COMPLEMENTARES 53

8 ANEXOS 57

81 COacuteDIGO SPICE DO SET [44] 57

x

LISTA DE FIGURAS

Figura 21 Estrutura de uma lacircmina de grafeno (esquerda) do SWCNT (meio) e do

MWCNT (direita) [13] 4

Figura 22 Estrutura do SWCNT bundle [16] 4

Figura 23 Estrutura do (i) armchair (ii) zig-zag e (iii) quiral [24] 5

Figura 24 Modelo de interconexatildeo do SWCNT isolado (modificado de [33]) 8

Figura 25 Separaccedilatildeo miacutenima entre CNTs devido agrave forccedila de Van der Waals (modificado de

[13]) 9

Figura 26 Nuacutemero de CNTs ao longo da largura (nW) e da altura (nH) do CNT bundle

[13] 10

Figura 27 Modelo de interconexatildeo de cobre 13

Figura 28 Siacutembolo e tabela verdade da porta NOT 14

Figura 29 Dois eletrodos separados por uma ilha [10] 15

Figura 210 Esquemaacutetico da junccedilatildeo-tuacutenel [10] 15

Figura 211 Diagramas de energia (a) Bloqueio de Coulomb (b) Tunelamento mono-

eleacutetron [10] 16

Figura 212 Caracteriacutestica do bloqueio de Coulomb [10] 17

Figura 213 Transistor mono-eleacutetron [10] 18

Figura 214 Caracteriacutestica corrente(I) versus tensatildeo (Vg) do transistor mono-eleacutetron [10] 18

Figura 215 Esquemaacutetico do inversor utilizando SETs (modificado de [4]) 19

Figura 216 Estruturas comuns de redes de distribuiccedilatildeo de clock [45] 20

Figura 217 Esquemaacutetico do H-tree clock simeacutetrico (modificado de [46]) 21

Figura 218 Graacutefico do moacutedulo do ganho pela frequumlecircncia tiacutepico do comportamento de

interconexotildees 22

Figura 31 Circuito simulado para cada interconexatildeo 27

Figura 32 Fluxograma das etapas seguidas na simulaccedilatildeo das interconexotildees 28

Figura 33 Esquemaacutetico do H-tree clock com os comprimentos de cada seguimento 29

Figura 34 Fluxograma das etapas seguidas na simulaccedilatildeo do H-tree clock 30

Figura 41 Frequecircncia versus comprimento das interconexotildees locais 32

Figura 42 Graacuteficos da magnitude das interconexotildees de SWCNT isolado (superior)

SWCNT bundle (meio) e cobre (inferior) com comprimento de 100nm 34

Figura 43 Frequecircncia versus comprimento das interconexotildees intermediaacuterias 35

xi

Figura 44 Esquemaacutetico do SET e os valores de seus paracircmetros 37

Figura 45 Esquemaacutetico do inversor mono-eleacutetron e os valores de seus paracircmetros

(modificado de [4]) 38

Figura 46 Curva do sinal de entrada (em verde) e do sinal de saiacuteda (em preto) do inversor

mono-eleacutetron 38

Figura 47 Sinal de entrada (em verde) e sinal de saiacuteda (em preto) da rede a 10 GHz 40

Figura 48 Sinal de entrada (em verde) e sinal de saiacuteda (em preto) da rede a 100 GHz 40

Figura 49 Sinal de entrada (em verde) e sinal de saiacuteda (em preto) da rede a 100 GHz para

a interconexatildeo 500nm1microm de cobre 44

xii

LISTA DE TABELAS

Tabela 41 Frequecircncia em -3dB de cada material para lCNT le λCNT 32

Tabela 42 Estudo das interconexotildees com comprimentos na faixa lCNT le λCNT 33

Tabela 43 Estudo das interconexotildees SWCNT bundle e cobre com comprimentos na faixa

lCNT le λCNT 33

Tabela 44 Frequecircncia em -3dB de cada material para lCNT gt λCNT 36

Tabela 45 Estudo das interconexotildees com comprimentos na faixa lCNT gt λCNT 36

Tabela 46 Estudo das interconexotildees SWCNT bundle e cobre com comprimentos na faixa

lCNT gt λCNT 37

Tabela 47 Caracteriacutesticas dos sinais de saiacuteda da rede para interconexotildees ideais 39

Tabela 48 Potecircncia dissipada por cada porta inversora para interconexotildees ideais 40

Tabela 49 Frequecircncia em -3dB na entrada da inversora para interconexotildees natildeo-ideais 41

Tabela 410 Niacuteveis loacutegicos tempo de subida e slew rate dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 10 GHz 42

Tabela 411 Atenuaccedilatildeo atraso potecircncia e produto atraso-potecircncia dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 10 GHz 42

Tabela 412 Niacuteveis loacutegicos tempo de subida e slew rate dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 100 GHz 43

Tabela 413 Atenuaccedilatildeo atraso potecircncia e produto atraso-potecircncia dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 100 GHz 43

Tabela 71 Paracircmetros obtidos a partir do modelo de SWCNT isolado 53

Tabela 72 Paracircmetros obtidos a partir do modelo de SWCNT bundle 53

Tabela 73 Paracircmetros obtidos a partir do modelo de cobre 54

Tabela 74 Frequecircncia em -3dB das interconexotildees locais 55

Tabela 75 Frequecircncia em -3dB das interconexotildees intermediaacuterias 56

xiii

LISTA DE SIacuteMBOLOS NOMENCLATURA ABREVIACcedilOtildeES

CNT ndash Carbon nanotube

CVD ndash Chemical Vapor Deposition

GSI ndash Giga Scale Integration

ITRS ndash International Technology Roadmap for Semiconductors

LTSPICE ndash Linear Technology SPICE simulator

MWCNT ndash Multi-walled carbon nanotube

SET ndash Singe-electron transistor

SPICE ndash Simulated Program with Integrated Circuits Emphasis

SWCNT ndash Single-walled carbon nanotube

TSI ndash Tera Scale Integration

1

1 INTRODUCcedilAtildeO

O crescimento da microeletrocircnica e a consequumlente miniaturizaccedilatildeo dos circuitos integrados

foram previstos por Gordon Moore que enunciou que o nuacutemero de transistores em um

circuito integrado dobraria a cada 18 meses considerando a mesma aacuterea e custo previsatildeo

conhecida como Lei de Moore Devido aos problemas enfrentados pelos dispositivos

microeletrocircnicos gerados especialmente pelos efeitos quacircnticos que anteriormente eram

desprezados novas tecnologias como a nanoeletrocircnica vecircm sendo estudadas para dar

continuidade a esse processo de miniaturizaccedilatildeo dos dispositivos [1-10]

Aleacutem disso a miniaturizaccedilatildeo de circuitos integrados tem resultado em grandes desafios no

projeto de interconexotildees que satildeo responsaacuteveis principalmente pelo carregamento da

tensatildeo de alimentaccedilatildeo de cada transistor e pela distribuiccedilatildeo dos sinais de dados As

limitaccedilotildees das interconexotildees as quais podem provocar uma desaceleraccedilatildeo nos progressos

alcanccedilados ateacute hoje pela induacutestria de semicondutores satildeo fatores preocupantes Como

limitaccedilotildees das interconexotildees eacute importante citar o aumento da sua resistividade aumento da

capacitacircncia de acoplamento entre vias dificuldades no controle das suas dimensotildees entre

outras

Assim o estudo aprofundado das interconexotildees levando em consideraccedilatildeo principalmente

seu desempenho eacute de fundamental importacircncia [11-13] Novas tecnologias estatildeo sendo

estudadas para superar as limitaccedilotildees das interconexotildees de cobre no circuito como a

resistividade eleacutetrica e a resistecircncia agrave eletromigraccedilatildeo principalmente em tecnologias

abaixo de 45nm As interconexotildees oacuteticas as interconexotildees de radio frequumlecircncia ou sem fio

e as interconexotildees de nanotubo de carbono (CNT) satildeo algumas candidatas a substituir as

interconexotildees de cobre as quais satildeo as interconexotildees mais utilizadas atualmente [13-17]

Dentre essas possibilidades os CNTs possuem grandes vantagens para interconexotildees em

circuitos integrados em escala GSI (Giga Scale Integration) e TSI (Tera Scale Integration)

[18-20] Eles satildeo considerados soluccedilotildees eficientes para melhorar as limitaccedilotildees do cobre

previstas pelo ITRS (International Technology Roadmap for Semiconductors) [21] como

atraso dissipaccedilatildeo de potecircncia e resistecircncia agrave eletromigraccedilatildeo

2

11 OBJETIVOS

O objetivo desta dissertaccedilatildeo eacute fazer um estudo comparativo entre o desempenho das

interconexotildees de nanotubo de carbono e das interconexotildees de cobre Com esse intuito

preliminarmente o desempenho das interconexotildees de SWCNT (do inglecircs single-walled

carbon nanotube) de SWCNT bundle (vaacuterios SWCNTs dispostos em paralelo como uma

corda) e de cobre seraacute comparado considerando diferentes comprimentos das

interconexotildees

Por fim o efeito das interconexotildees de SWCNT bundle e de cobre seraacute analisado na rede H-

tree clock com inversores mono-eleacutetron em seus terminais tambeacutem para diferentes

comprimentos Assim seraacute possiacutevel analisar se os nanotubos de carbono poderatildeo substituir

o cobre em interconexotildees em circuitos integrados GSI e TSI

12 ORGANIZACcedilAtildeO

No capiacutetulo 2 satildeo apresentados os conceitos fundamentais necessaacuterios agrave correta

compreensatildeo desta pesquisa Seratildeo abordados conceitos referentes agraves interconexotildees de

CNT e cobre aos dispositivos de tunelamento mono-eleacutetron e agrave estrutura do H-tree clock

O capiacutetulo 3 descreve a metodologia utilizada agrave realizaccedilatildeo do objeto de pesquisa desta

dissertaccedilatildeo Assim seratildeo apresentadas as etapas que foram seguidas para analisar o efeito

das interconexotildees em circuitos com transistores mono-eleacutetron

No capiacutetulo 4 os resultados e anaacutelises das simulaccedilotildees das interconexotildees ideais e natildeo-

ideais considerando o SWCNT SWCNT bundle e o cobre satildeo apresentados As

interconexotildees satildeo analisadas tambeacutem nos circuitos H-tree clock

O capiacutetulo 5 apresenta as conclusotildees e as recomendaccedilotildees para trabalhos futuros

3

2 FUNDAMENTACcedilAtildeO TEOacuteRICA

21 INTERCONEXOtildeES

211 Limitaccedilotildees do cobre em relaccedilatildeo ao CNT

As interconexotildees de cobre sofrem inuacutemeros problemas indesejados que aumentam agrave

medida que as interconexotildees diminuem de tamanho Essa diminuiccedilatildeo de tamanho resulta

em interconexotildees menos eficientes no maior consumo de potecircncia e no aumento da

densidade de corrente transportada por cada interconexatildeo [22] De acordo com o ITRS

[21] a densidade de corrente pode atingir valores na ordem de 107 Acm

2 Este valor soacute eacute

suportado por CNTs uma vez que satildeo capazes de suportar densidades de corrente na

ordem de 1010

Acm2 [1317]

Os CNTs tecircm provocado grande interesse nos cientistas desde a sua descoberta em 1991

por Iijima devido agraves excelentes propriedades eleacutetricas teacutermicas e mecacircnicas que possuem

Suas propriedades eleacutetricas permitem que suportem densidades de ateacute 1010

Acm2 sendo

que o cobre suporta densidades inferiores a 107 Acm

2 [1317] O caminho meacutedio livre do

CNT eacute superior ao do cobre o que possibilita um transporte baliacutestico por uma ampla gama

de extensatildeo e isso resulta em uma resistividade menor do CNT [13-17] Aleacutem disso a alta

condutividade teacutermica do CNT que eacute outra limitaccedilatildeo do cobre eacute de fundamental

importacircncia na aplicaccedilatildeo em interconexotildees Essas propriedades possibilitam uma

toleracircncia do CNT agrave eletromigraccedilatildeo a qual eacute uma grande limitaccedilatildeo no desempenho das

interconexotildees de cobre [131719]

212 Caracteriacutesticas do CNT

Os nanotubos de carbono podem ser formados por uma lacircmina de grafeno enrolada

conhecida como SWCNT (single-walled carbon nanotube) ou por vaacuterios tubos

concecircntricos formando uma multicamada conhecida por MWCNT (multi-walled carbon

nanotube) [2324] A Figura 21 ilustra a estrutura de uma lacircmina de grafeno do SWCNT e

do MWCNT

4

Figura 21 ndash Estrutura de uma lacircmina de grafeno (esquerda) do SWCNT (meio) e do

MWCNT (direita) [13]

Eacute importante destacar que os MWCNTs satildeo menos favoraacuteveis para o uso em

interconexotildees jaacute que eles apresentam caminho meacutedio livre menor que os SWCNTs

[1317] Como a resistecircncia de um uacutenico SWCNT pode ter valores altos eacute necessaacuteria a

uniatildeo de vaacuterios dispostos em paralelo como uma corda chamado de bundle para diminuir

o valor da resistecircncia equivalente da interconexatildeo [1315] A Figura 22 ilustra a estrutura

do SWCNT bundle [16]

Figura 22 ndash Estrutura do SWCNT bundle [16]

Dependendo de como a lacircmina eacute enrolada que resulta no acircngulo quiral e nos iacutendices

quirais de sua estrutura o nanotubo pode ser metaacutelico ou semicondutor [131419] Os

iacutendices quirais satildeo identificados por (mn) O nanotubo seraacute metaacutelico quando a diferenccedila

entre os iacutendices quirais for um muacuteltiplo inteiro de 3 e seraacute semicondutor nos outros casos

[13] A estrutura eacute chamada de zig-zag quando m ou n eacute igual a zero podendo ser metaacutelica

ou semicondutora Quando m=n a estrutura eacute denominada armchair sendo sempre

metaacutelica Nos outros casos a estrutura eacute conhecida como quiral e pode ser metaacutelica ou

semicondutora [24] A Figura 23 mostra as estruturas do armchair zig-zag e quiral [24]

5

Figura 23 ndash Estrutura do (i) armchair (ii) zig-zag e (iii) quiral [24]

De acordo com [22] o crescimento dos CNTs geralmente eacute realizado atraveacutes de um dos

seguintes meacutetodos descarga por arco eleacutetrico ablaccedilatildeo a laser e deposiccedilatildeo quiacutemica a vapor

do inglecircs chemical vapor deposition ndash CVD O processo de descarga por arco eleacutetrico tem

sido desenvolvido para preparar MWCNTs e SWCNTs de alta qualidade Neste processo

aacutetomos de carbono satildeo evaporados com um gaacutes de plasma inerte caracterizado por altas

correntes eleacutetricas que passam entre os eletrodos opostos de carbono (caacutetodo e acircnodo)

Normalmente o acircnodo do carbono conteacutem uma pequena porcentagem de catalisador de

metal como o cobalto niacutequel ou ferro Jaacute o meacutetodo de ablaccedilatildeo a laser utiliza um pulso

duplo de lasers para evaporar varetas de grafite dopadas com uma mistura de cobalto e

niacutequel em poacute colocado em um tubo aquecido a temperatura elevada seguido de um

tratamento teacutermico a vaacutecuo

Apesar dos meacutetodos de descarga por arco eleacutetrico e ablaccedilatildeo a laser produzir grandes

quantidades de CNTs de alta qualidade e oferecer uma ampla disponibilidade de CNTs

para estudos e possiacuteveis aplicaccedilotildees existem vaacuterias preocupaccedilotildees associadas com estes dois

meacutetodos de crescimento [22] Dessa forma os meacutetodos de CVD satildeo bastante usados no

crescimento de CNTs com aplicaccedilatildeo em eletrocircnica incluindo interconexotildees [1322] O

processo de crescimento CVD envolve o aquecimento do catalisador a uma temperatura

elevada e a introduccedilatildeo de gaacutes de hidrocarboneto ou de monoacutexido de carbono para dentro

6

do reator O mecanismo de crescimento do CNT tem sido considerado como um processo

de dissociaccedilatildeo-difusatildeo-precipitaccedilatildeo em que o carbono eacute formado sobre a superfiacutecie de

uma partiacutecula de metal seguida de difusatildeo e precipitaccedilatildeo sob a forma de grafeno ciliacutendrico

[22]

213 Modelos de Interconexatildeo

Para realizar uma comparaccedilatildeo por simulaccedilatildeo entre o desempenho do CNT e do cobre

modelos equivalentes de circuito de interconexotildees que reproduzam com fidelidade o seu

comportamento fiacutesico satildeo necessaacuterios Com esse intuito eacute fundamental que os fatores que

interferem no desempenho das interconexotildees como resistecircncia indutacircncia capacitacircncia e

comprimento sejam considerados A partir do estudo desses modelos eacute possiacutevel verificar

se as interconexotildees de CNT poderatildeo substituir as de cobre e os casos em que isso eacute

possiacutevel

2131 Modelo de interconexatildeo do SWCNT isolado

A resistecircncia de um SWCNT isolado eacute composta por ateacute trecircs partes resistecircncia de contato

entre o metal e o nanotubo (Rc) resistecircncia quacircntica (Rq) e resistecircncia de espalhamento

(Rs) [192325] As resistecircncias de contato e quacircntica satildeo independentes do comprimento

do nanotubo Jaacute a resistecircncia de espalhamento depende do comprimento do nanotubo [26-

31]

Quando o comprimento do SWCNT eacute menor ou igual ao caminho meacutedio livre (lCNT le

λCNT) que eacute tipicamente 1 microm o transporte de eleacutetrons eacute essencialmente baliacutestico e a

resistecircncia independe do comprimento do nanotubo [1332] No entanto quando o

comprimento do SWCNT eacute maior que o caminho meacutedio livre (lCNT gt λCNT) haacute uma

resistecircncia adicional que depende do comprimento do SWCNT e eacute chamada de resistecircncia

de espalhamento [13-15] Assim a resistecircncia total eacute dada pela equaccedilatildeo (21) em que lCNT

eacute o comprimento do nanotubo de carbono

CNTCNT

CNTCNT

CNTlseRsRqRc

lseRqRcR

(21)

7

A resistecircncia de contato pode chegar ao valor de 100 kΩ [131533] Contudo essa

resistecircncia em nanotubos de carbono com diacircmetro maior que 1nm estaacute na ordem de

poucos kilo ohms ou ateacute mesmo centenas de ohms [1316] Neste trabalho considerou-se o

contato metal-nanotubo como sendo perfeito ou seja Rc = 0

A resistecircncia quacircntica e a de espalhamento satildeo descritas pelas equaccedilotildees (22) e (23)

respectivamente onde e eacute a carga do eleacutetron e h eacute a constante de Plank A resistecircncia

quacircntica (Rq) eacute igualmente dividida em cada lado dos contatos metal-nanotubo [13-

173435]

ke

hRq 456

4 2 (22)

CNT

CNTl

e

hRs

24 (23)

O movimento de eleacutetrons transportados por um condutor eacute modelado pela indutacircncia que

consiste na indutacircncia magneacutetica e cineacutetica [1316] No SWCNT a indutacircncia magneacutetica eacute

calculada considerando que o CNT eacute um fio muito fino com diacircmetro d e estaacute

posicionado a uma distacircncia y do plano ligado ao terra A indutacircncia cineacutetica eacute calculada

pela equaccedilatildeo da energia cineacutetica armazenada em cada canal condutor do CNT para uma

indutacircncia efetiva [141535] Assim a indutacircncia magneacutetica (LM) e a cineacutetica (LK) podem

ser calculadas pelas equaccedilotildees (24) e (25) respectivamente

d

yLM ln

2

(24)

F

Kve

hL

22 (25)

Para d = 1nm e y = 1microm LM = 14pHmicrom [141529] Como vF eacute a velocidade de Fermi

cujo valor eacute dado por 8x105 ms para o CNT o valor da indutacircncia cineacutetica eacute LK =

16nHmicrom [13-1635] Sabendo que cada CNT tem quatro canais condutores em paralelo

que natildeo interagem entre si a indutacircncia cineacutetica efetiva eacute dada por LK4 [13-15] Uma boa

aproximaccedilatildeo da indutacircncia total do CNT (LCNT) eacute 4 nHmicrom [15]

8

Por fim a capacitacircncia de um SWCNT isolado eacute constituiacuteda por duas partes que satildeo a

capacitacircncia eletrostaacutetica (CE) e a quacircntica (CQ) [13-1735] Essas capacitacircncias satildeo

calculadas pelas equaccedilotildees (26) e (27)

d

yCE

ln

2 (26)

F

Qhv

eC

22 (27)

A capacitacircncia eletrostaacutetica eacute influenciada pelo ambiente que a envolve que satildeo os seus

vizinhos e o plano ligado ao terra Considerando que o CNT eacute um fio com diacircmetro d =

1nm e a distacircncia y = 1microm obteacutem-se CE = 30 aFmicrom Jaacute a capacitacircncia quacircntica se refere agrave

influecircncia da energia quacircntica armazenada no nanotubo quando este carrega corrente O

valor da capacitacircncia eacute CQ = 100 aFmicrom [1314] Considerando os quatro canais condutores

descritos anteriormente a capacitacircncia total eacute dada por (28)

QE

QE

CNTCC

CCC

4

4

(28)

Assim o esquemaacutetico da interconexatildeo de um SWCNT isolado eacute mostrado na Figura 24

abaixo

Figura 24 ndash Modelo de interconexatildeo do SWCNT isolado (modificado de [33])

2132 Modelo de interconexatildeo do SWCNT bundle

O SWCNT bundle possui resistecircncia equivalente menor que o SWCNT isolado

caracteriacutestica necessaacuteria para alcanccedilar performances comparaacuteveis agraves interconexotildees de

9

cobre [13-2023252629-38] O SWCNT bundle eacute composto por vaacuterios SWCNTs

empacotados em paralelo Assume-se que todos os SWCNTs satildeo idecircnticos metaacutelicos e que

cada um tem o mesmo potencial [1737] Sabendo que d eacute o diacircmetro do nanotubo de

carbono e x eacute a distacircncia entre os centros de dois nanotubos adjacentes o SWCNT bundle

pode ser empacotado de forma densa se x = d ou de forma esparsa se x gt d [13-1529-

32] Sabe-se que entre os nanotubos existe uma separaccedilatildeo δmin devido agrave forccedila de Van der

Waals que eacute de pelo menos 032 nm entre cada nanotubo [13] como mostra a Figura 25

Figura 25 ndash Separaccedilatildeo miacutenima entre CNTs devido agrave forccedila de Van der Waals (modificado

de [13])

O nuacutemero de nanotubos de carbono nCNT disponiacutevel pode ser calculado pelas expressotildees

dadas em (29) e (210) [141530]

iacutemparnsen

nn

parnsen

nn

n

HH

HW

HH

HW

CNT

2

1

2

(29)

1

23

x

dtn

x

dwn HW (210)

Nas expressotildees acima w eacute a largura e t eacute a altura da interconexatildeo de SWCNT bundle

Assim nW eacute o nuacutemero de CNTs ao longo da largura do SWCNT bundle e nH eacute o nuacutemero de

CNTs ao longo da altura do SWCNT bundle [13-1530] A Figura 26 mostra esses valores

[13]

10

Figura 26 ndash Nuacutemero de CNTs ao longo da largura (nW) e da altura (nH) do CNT

bundle[13]

Na tecnologia de 22 nm considerando as dimensotildees de 22 nm de largura e 44 nm de altura

do SWCNT bundle [13173437] e a separaccedilatildeo entre cada nanotubo devido agrave forccedila de Van

der Waals a quantidade de SWCNTs eacute aproximadamente 600 Neste trabalho estas

consideraccedilotildees foram feitas e a tecnologia de 22 nm foi utilizada Esta tecnologia eacute prevista

pelo ITRS para o ano de 2016 [21]

As resistecircncias de cada SWCNT estatildeo em paralelo entre elas assim como as indutacircncias

Assim a resistecircncia e a indutacircncia do SWCNT bundle com nCNT SWCNTs satildeo calculados

respectivamente pelas expressotildees (211) e (212) [1323252629-3234]

CNT

CNTbundle

n

RR (211)

CNT

CNTbundle

n

LL (212)

Considerando que todos os SWCNTs estatildeo no mesmo potencial que os contatos entre

todos os nanotubos de carbono em um bundle satildeo idecircnticos e que cada SWCNT tem o

mesmo caminho meacutedio livre [13] eacute possiacutevel assumir que a interaccedilatildeo entre CNTs

adjacentes de um SWCNT bundle eacute fraca e que eles carregam correntes independentes

umas das outras [13-17]

A capacitacircncia do SWCNT bundle eacute obtida a partir da combinaccedilatildeo da capacitacircncia

quacircntica de todos os SWCNTs em paralelo chamada de capacitacircncia quacircntica bundle

(CQbundle

) que estaacute em seacuterie com a capacitacircncia eletrostaacutetica (CEbundle

) [13143539] A

capacitacircncia quacircntica e a capacitacircncia eletrostaacutetica satildeo calculadas pelas equaccedilotildees (213) e

(214) em que CEn e CEf satildeo as capacitacircncias de placas paralelas de CNTs isolados em

11

relaccedilatildeo aos vizinhos proacuteximos e afastados respectivamente [14293032] Assim a

capacitacircncia total do SWCNT bundle eacute obtida pela equaccedilatildeo (215)

CNT

CNT

Q

bundle

Q nCC (213)

En

HEf

WEn

bundle

E Cn

Cn

CC5

23

2

22

(214)

bundle

Q

bundle

E

bundle

Q

bundle

E

bundleCC

CCC

(215)

Analisando a equaccedilatildeo (215) o efeito da CQbundle

eacute pequeno para grandes valores de nCNT

sendo o valor da capacitacircncia do SWCNT bundle aproximadamente igual agrave sua

capacitacircncia eletrostaacutetica [13161719] Srivastava et al [13] mostra que os nanotubos no

interior do SWCNT bundle satildeo blindados eletrostaticamente dos condutores de terra

podendo ser desprezados Os CNTs de borda satildeo os principais contribuidores para a

capacitacircncia eletrostaacutetica do SWCNT bundle No entanto a equaccedilatildeo (214) natildeo reproduz

fielmente a realidade jaacute que considera a capacitacircncia eletrostaacutetica de todos os nanotubos e

natildeo soacute os CNTs de borda Segundo o mesmo autor para a tecnologia de 22 nm e uma

constante dieleacutetrica igual a 2 a capacitacircncia total do SWCNT bundle eacute aproximadamente

135 aFμm

2133 Modelo de interconexatildeo do cobre

As propriedades fiacutesicas de interconexotildees de cobre podem ser descritas por resistecircncia

capacitacircncia e indutacircncia [14-16] A resistecircncia do cobre pode ser calculada utilizando a

equaccedilatildeo (216)

tw

lRCu

(216)

em que l eacute o comprimento do cobre w eacute a sua largura t eacute a sua altura e ρ eacute a sua

resistividade A resistividade do cobre em escala nanomeacutetrica eacute moldada pela combinaccedilatildeo

dos fenocircmenos de espalhamento superficial e de espalhamento de contorno

[151627283340] Estes fenocircmenos correspondem aos paracircmetros ρFS e ρMS propostos

12

por Fuchs e Sondheimer (ρFS) e por Mayadas e Shatzkes (ρMS) [1516] Estes paracircmetros

satildeo calculados pelas expressotildees (217) (218) e (219)

)1(

4

31 p

w

o

o

FS

(217)

11ln33

2

31 22

MS

o (218)

)1( R

R

D

o

(219)

O paracircmetro ρo eacute a resistividade do material λo eacute o caminho meacutedio livre p eacute o paracircmetro

de espalhamento de Fuchs D eacute o tamanho meacutedio e R eacute o coeficiente de reflexatildeo no

contorno com valores entre 0 e 1 Assim tem-se que a resistecircncia do cobre em escala

nanomeacutetrica eacute dada pela equaccedilatildeo (220) [1516]

tw

lR MSFS

Cu

(220)

De acordo com [1433] o valor da resistividade do cobre na tecnologia de 22nm para

interconexotildees locais eacute dado por 4666 μΩ-cm No entanto este valor da resistividade do

cobre chega a 58 μΩ-cm para valores miacutenimos da largura do fio [1516203940] Neste

trabalho seraacute utilizado o valor de 58 μΩ-cm para a resistividade do cobre na tecnologia de

22 nm que vai ao encontro dos requerimentos do ITRS [21]

A indutacircncia proacutepria (L) e a muacutetua (M) da interconexatildeo de cobre em escala nanomeacutetrica

satildeo obtidas usando respectivamente as expressotildees (221) e (222)

l

tw

tw

llL o )(220

2

12ln

2

(221)

l

s

s

llM o 1

2ln

2

(222)

em que t eacute a altura do fio microo eacute a permeabilidade e s eacute o espaccedilamento entre os fios [14-16]

A indutacircncia total do cobre (LCu) eacute dada pela soma das indutacircncias proacutepria e muacutetua

13

A capacitacircncia da interconexatildeo de cobre eacute calculada pela soma da capacitacircncia de

acoplamento entre dois fios adjacentes (CC) e a capacitacircncia ligada ao plano do terra (Cg)

[14-16] Essas capacitacircncias podem ser obtidas pelas equaccedilotildees (223) e (224) [1541]

120760193

534511171

70222

ht

t

hs

s

hs

s

h

wCg (223)

181160141090

980871161

591740

062141

sh

h

sw

w

sw

w

sh

h

s

tCC (224)

em que s eacute o espaccedilamento entre dois fios adjacentes h eacute a distacircncia do fio em relaccedilatildeo ao

plano do terra e ε eacute a permissividade relativa para uma dada constante dieleacutetrica

Considerando as equaccedilotildees (223) e (224) e de acordo com [1321] para uma constante

dieleacutetrica igual a 2 o valor da capacitacircncia total do cobre (CCu) eacute aproximadamente 150

aFμm que seraacute utilizado neste trabalho

Os modelos em L em π e em T satildeo usados como modelos de interconexatildeo de cobre [11]

Como o modelo π eacute muito utilizado para uma linha distribuiacuteda [1416] este modelo seraacute

usado neste trabalho A Figura 27 mostra o modelo de interconexatildeo de cobre [11]

Figura 27 ndash Modelo de interconexatildeo de cobre

A precisatildeo do modelo eacute determinada pelo nuacutemero de seguimentos bdquoN‟ que ele possui Uma

cadeia com mais de trecircs segmentos em π fornece um erro menor que 3 [16] Neste

trabalho seratildeo utilizados trecircs segmentos em π

14

22 INVERSOR MONO-ELEacuteTRON

Os dispositivos de tunelamento mono-eleacutetron satildeo dispositivos nanoeletrocircnicos

potencialmente aplicaacuteveis em circuitos integrados em escala giga (GSI) e tera (TSI)

Apesar de apresentarem baixo ganho e alta impedacircncia de saiacuteda estes dispositivos

possuem tamanho reduzido e baixa dissipaccedilatildeo de potecircncia Estas caracteriacutesticas os tornam

atrativos em circuitos loacutegicos e circuitos de memoacuteria [1-10] Assim portas loacutegicas podem

ser implementadas utilizando dispositivos de tunelamento mono-eleacutetron [14-9]

As portas loacutegicas satildeo blocos de construccedilatildeo baacutesicos na eletrocircnica digital O inversor loacutegico

ou porta NOT eacute o principal elemento baacutesico no projeto de circuitos digitais [42] O

inversor inverte o sinal de entrada de valor loacutegico baixo ndash 0 ndash em um sinal de saiacuteda de

valor loacutegico alto ndash 1 ndash e vice-versa [442] Em outras palavras a porta NOT efetua a

negaccedilatildeo loacutegica O siacutembolo do inversor juntamente com sua tabela verdade estaacute ilustrado

na Figura 28

Figura 28 ndash Siacutembolo e tabela verdade da porta NOT

221 Dispositivo de tunelamento mono-eleacutetron

O funcionamento dos dispositivos de tunelamento mono-eleacutetron eacute baseado no controle do

movimento e da posiccedilatildeo de um uacutenico ou de um pequeno grupo de eleacutetrons no dispositivo

[17] Os seguintes conceitos satildeo essenciais na definiccedilatildeo desses dispositivos ilha junccedilatildeo-

tuacutenel tunelamento efeito de carregamento e bloqueio de Coulomb A partir desses

conceitos eacute possiacutevel definir o transistor mono-eleacutetron - SET (do inglecircs Single-electron

transistor) [24-8]

A ilha estaacute localizada entre duas paredes finas de um material normalmente isolante as

quais criam uma barreira de potencial de energia que impossibilita a movimentaccedilatildeo de

eleacutetrons pela ilha A Figura 29 mostra dois eletrodos A e B separados por uma barreira

15

isolante e no meio dessa barreira isolante encontra-se a ilha Se a energia dos eleacutetrons for

maior que a energia potencial das paredes das barreiras estes poderatildeo atravessaacute-las [6] No

dispositivo de tunelamento mono-eleacutetron o transporte de eleacutetrons entre o eletrodo A e a

ilha e entre a ilha e o eletrodo B ocorre por tunelamento mono-eleacutetron em que os eleacutetrons

atravessam as barreiras um de cada vez [10]

Figura 29 Dois eletrodos separados por uma ilha [10]

Esses dispositivos satildeo formados por junccedilotildees-tuacutenel que satildeo dois eletrodos metaacutelicos

separados por um isolante muito fino (barreira) o qual permite a passagem de eleacutetrons por

tunelamento [467] A Figura 210 ilustra a junccedilatildeo-tuacutenel e sua representaccedilatildeo simboacutelica Os

paracircmetros que caracterizam a junccedilatildeo-tuacutenel macroscopicamente satildeo a resistecircncia de

tunelamento (Rj) que depende da aacuterea e da espessura da barreira isolante e a capacitacircncia

(Cj) [10]

Figura 210 Esquemaacutetico da junccedilatildeo-tuacutenel [10]

O tunelamento eacute o transporte de partiacuteculas atraveacutes de uma regiatildeo em que a energia total de

uma partiacutecula pontual claacutessica eacute menor que a energia potencial da regiatildeo ou seja eacute o

transporte atraveacutes de uma regiatildeo classicamente proibida [10] O efeito de tunelamento

ocorre quando a barreira de potencial for suficientemente fina permitindo que o eleacutetron a

atravesse se houver niacutevel de energia desocupado do outro lado da barreira com o mesmo

valor de energia Esse fenocircmeno pode ser explicado pelo comportamento dual do eleacutetron

Diferentemente da mecacircnica claacutessica na teoria eletromagneacutetica quando uma partiacutecula

encontra uma barreira de potencial parte da onda eacute refletida e a outra parte eacute transmitida

para o outro lado da barreira [10] A teoria ortodoxa do tunelamento mono-eleacutetron eacute o

modelo mais utilizado para analisar o tunelamento [4-6] Proposto em 1987 por Averin e

Likharev [43] este modelo apresenta os seguintes postulados

16

Modelo de dimensatildeo zero as dimensotildees das ilhas satildeo despreziacuteveis

O evento de tunelamento eacute considerado instantacircneo

A redistribuiccedilatildeo das cargas apoacutes tunelamento tambeacutem eacute considerada instantacircnea

O espectro de energia em condutores e ilhas eacute considerado contiacutenuo ou seja a

quantizaccedilatildeo da energia do eleacutetron eacute ignorada dentro dos condutores

Apesar de a teoria ortodoxa assumir condiccedilotildees hipoteacuteticas ela continua sendo muito

utilizada em estudos do dispositivo mono-eleacutetron [4-6]

O efeito de carregamento ocorre quando os eleacutetrons estatildeo na iminecircncia de entrar em um

material condutor extremamente pequeno isolado eletricamente (ilha) Se houver um

eleacutetron na ilha o potencial eletrostaacutetico da ilha aumenta bastante sendo bem superior ao

ruiacutedo teacutermico em temperatura ambiente O fluxo de eleacutetrons na ilha eacute possiacutevel se o

potencial da ilha for controlado por uma fonte de tensatildeo externa Outros eleacutetrons satildeo

impedidos de entrar na ilha devido agrave repulsatildeo de Coulomb [14-9]

Assim o bloqueio de Coulomb ocorre quando um eleacutetron entra na ilha e impede o

tunelamento de outro eleacutetron nesta ilha No momento em que o eleacutetron entra na ilha a

energia eletrostaacutetica da ilha aumenta em Ce 22 em que CΣ eacute a soma das capacitacircncias

em torno da ilha [14] Dessa forma outro eleacutetron soacute conseguiraacute tunelar para dentro da ilha

se sua energia for maior que a energia eletrostaacutetica da ilha [6] A Figura 211 ilustra os

diagramas de energia no bloqueio de Coulomb e no caso de tunelamento [10]

(a) (b)

Figura 211 Diagramas de energia (a) Bloqueio de Coulomb (b) Tunelamento mono-

eleacutetron [10]

17

O bloqueio de Coulomb eacute superado ao se aplicar uma tensatildeo Vg ao circuito ateacute que esta

tensatildeo alcance um dado valor de limiar que forneceraacute energia suficiente para que ocorra o

tunelamento de um eleacutetron Assim haveraacute o fluxo de eleacutetrons havendo corrente A Figura

212 mostra a regiatildeo do bloqueio de Coulomb ao aplicar uma tensatildeo Vg ao circuito em que

Vc eacute a tensatildeo de limiar chamada de tensatildeo de bloqueio de Coulomb [5-10]

Figura 212 Caracteriacutestica do bloqueio de Coulomb [10]

Nesse contexto duas condiccedilotildees satildeo necessaacuterias para garantir que o transporte de eleacutetrons

seja controlado pelo efeito de carregamento a condiccedilatildeo para a resistecircncia de tunelamento

dada pela equaccedilatildeo (225) [1] em que a natureza corpuscular do eleacutetron predomina sobre a

natureza ondulatoacuteria e a energia eletrostaacutetica (EC) associada a uma dada temperatura (T)

deve ser significativamente maior que as flutuaccedilotildees teacutermicas existentes agravequela

temperatura como descrita na equaccedilatildeo (226) [146-9] Os paracircmetros h eacute a constante de

Planck e eacute a carga do eleacutetron kB eacute a constante de Boltzmann e C eacute capacitacircncia Na

equaccedilatildeo (226) a temperatura deve ser maior que 0K [10]

kRe

hR TT 825

2 (225)

TkC

eTkEc BB

2

2

(226)

A partir dos conceitos apresentados pode-se definir o transistor mono-eleacutetron O SET

ilustrado na Figura 213 [10] eacute composto por duas junccedilotildees-tuacutenel em seacuterie formando uma

ilha entre as junccedilotildees [246-9] Os paracircmetros R1 C1 e R2 C2 correspondem agraves

resistecircncias e capacitacircncias da primeira e da segunda junccedilatildeo-tuacutenel respectivamente A

tensatildeo de porta Vg controla a energia eletrostaacutetica da ilha atraveacutes da capacitacircncia Cg

18

Quando haacute carregamento por tunelamento de uma junccedilatildeo e descarregamento da outra

junccedilatildeo haacute um fluxo controlado de cargas o que gera a corrente I [10]

Figura 213 Transistor mono-eleacutetron [10]

Um efeito que pode ser observado na caracteriacutestica da corrente versus tensatildeo do transistor

mono-eleacutetron eacute chamado de oscilaccedilatildeo de Coulomb [24679] Se a tensatildeo V for mantida

constante com CeV e a tensatildeo Vg for aumentada ateacute atingir gg CeV 2 esse

valor de tensatildeo permitiraacute que um eleacutetron passe pela ilha Como soacute haveraacute corrente fluindo

no circuito em valores muacuteltiplos da tensatildeo gCe 2 soacute ocorreraacute o tunelamento novamente

quando )2(3 gg CeV A caracteriacutestica corrente (I) versus tensatildeo (Vg) do transistor

mono-eleacutetron eacute ilustrada na Figura 214 [10]

Figura 214 Caracteriacutestica corrente (I) versus tensatildeo (Vg) do transistor mono-eleacutetron [10]

222 Estrutura do inversor mono-eleacutetron

Um inversor pode ser construiacutedo colocando-se dois SETs em seacuterie os quais compartilham

da mesma entrada [5689] conforme mostrado na Figura 215 Vin eacute a tensatildeo de entrada

Vout eacute a tensatildeo de saiacuteda Vbias eacute a tensatildeo de polarizaccedilatildeo CC eacute a capacitacircncia de carga Cg1 e

Cg2 satildeo as capacitacircncias de porta do SET 1 e do SET 2 respectivamente

19

Figura 215 Esquemaacutetico do inversor utilizando SETs (modificado de [4])

Alguns modelos do SET desenvolvidos no software SPICE foram propostos na literatura

[4-7] Destes modelos o proposto por G Lientschnig et al [4] descreve a implementaccedilatildeo

completa da teoria ortodoxa e usa apenas os recursos em versotildees disponiacuteveis publicamente

do software SPICE Este modelo diferentemente dos modelos propostos em [5-7] natildeo estaacute

limitado a transistores mono-eleacutetron com junccedilotildees-tuacutenel que tecircm resistecircncias iguais Aleacutem

disso pode ser estendido para incluir um nuacutemero arbitraacuterio de estados de carga que

permite simulaccedilotildees definidas para altas temperaturas e tensotildees de polarizaccedilatildeo [4] O

modelo de G Lientschnig et al estaacute disponiacutevel no siacutetio eletrocircnico [44] Assim este foi o

modelo utilizado neste trabalho

23 CLOCKING DE SISTEMAS DE ALTA VELOCIDADE

Em sistemas digitais siacutencronos o sinal do clock eacute utilizado para definir uma referecircncia de

tempo agrave mudanccedila de dados dentro do sistema [1145] Assim a distribuiccedilatildeo do clock eacute de

suma importacircncia na operaccedilatildeo de circuitos integrados digitais sendo uma grande

preocupaccedilatildeo em circuitos integrados de alta velocidade [46-51] Circuitos em escala

nanomeacutetrica podem ser significativamente limitados devido ao clock skew que ocorre

quando os circuitos natildeo estatildeo equumlidistantes do sinal do clock [11454649-51] Como este

sinal eacute o sinal mais ativo em um chip pode resultar em elevado consumo de potecircncia e

grandes densidades de corrente na rede de interconexotildees do clock [454849]

Dessa forma o sinal do clock deve atingir ao mesmo tempo cada noacute para garantir que a

comutaccedilatildeo seja sincronizada bem como deve ser distribuiacutedo de forma que haja o menor

20

atraso possiacutevel [49] Com esse intuito os seguintes fatores entre outros satildeo fundamentais

no desempenho do clock dispositivos loacutegicos de tecnologia raacutepida (avanccedilada) rede de

distribuiccedilatildeo de clock que minimize o skew e interconexotildees com alto desempenho [11]

Conforme exposto anteriormente os dispositivos nanoeletrocircnicos como os transistores

mono-eleacutetron satildeo potencialmente aplicaacuteveis em circuitos integrados em escala giga (GSI)

e tera (TSI) Estes dispositivos permitem que as funccedilotildees loacutegicas sejam desempenhadas em

um tempo mais raacutepido e com menor atraso Assim satildeo fortes candidatos a serem utilizados

em circuitos integrados com clock

A adequada rede de distribuiccedilatildeo do clock assegura que a comutaccedilatildeo seja sincronizada e

que haja o menor atraso possiacutevel [1145] Aleacutem disso dependendo da arquitetura da rede o

niacutevel de sincronismo do sistema pode aumentar Diferentes tipos de abordagens tecircm sido

desenvolvidos para projetar a rede de distribuiccedilatildeo do clock em sistemas digitais de

circuitos integrados [45] Os buffered trees satildeo muito utilizados na distribuiccedilatildeo

equipotencial do clock Aleacutem dessas estruturas assimeacutetricas arquiteturas simeacutetricas como

o H-tree satildeo usadas para distribuir sinais de clock em alta velocidade podendo inclusive

ser projetadas com buffers [45-51] Algumas formas de rede de distribuiccedilatildeo do clock estatildeo

ilustradas na Figura 216 incluindo a trunk tree mesh e H-tree [45]

Figura 216 Estruturas comuns de redes de distribuiccedilatildeo de clock [45]

21

Atualmente as interconexotildees de cobre satildeo bastante utilizadas para circuitos de alto

desempenho como em redes de clock No entanto os CNTs apresentam caracteriacutesticas que

os tornam melhores para serem utilizados em interconexotildees descritas na subseccedilatildeo 221

[48] Neste trabalho seraacute realizada a comparaccedilatildeo entre interconexotildees de cobre e de CNT

na rede de distribuiccedilatildeo do H-tree clock

231 H-Tree Clock

O clock skew pode ser minimizado distribuindo-se o sinal do clock de forma que as

interconexotildees que levam o sinal aos circuitos loacutegicos tecircm o mesmo comprimento Se antes

de chegarem aos circuitos loacutegicos os sinais do clock forem igualmente atrasados eles

estaratildeo perfeitamente sincronizados [1145] Dessa forma o esquemaacutetico da Figura 217 de

distribuiccedilatildeo do clock minimiza o clock skew repetindo recursivamente uma estrutura em

forma de H [11] A Figura 217 ilustra uma rede H-tree simeacutetrica com trecircs niacuteveis [46]

Figura 217 Esquemaacutetico do H-tree clock simeacutetrico (modificado de [46])

Na estrutura do H-tree o condutor primaacuterio do clock estaacute ligado ao centro do H principal

(1ordm niacutevel) transmitindo o sinal para os quatro cantos deste H Esses quatro cantos satildeo as

entradas para o proacuteximo niacutevel do H-tree o 2ordm niacutevel que possui quatro estruturas em H O

processo de distribuiccedilatildeo continua por vaacuterios niacuteveis de H‟s cada vez menores Os pontos de

destino final do H-tree satildeo usados para conduzir os circuitos locais Assim cada caminho

do clock desde a fonte ateacute o circuito local possui praticamente o mesmo atraso [45]

22

24 MEDIDAS DE DESEMPENHO NA ANAacuteLISE DAS INTERCONEXOtildeES

As interconexotildees em circuitos integrados possuem caracteriacutesticas que modificam o sinal de

entrada O efeito das interconexotildees pode provocar atrasos e distorccedilotildees indesejaacuteveis Nesse

contexto eacute necessaacuterio analisar medidas de desempenho dos sinais sob efeito das

interconexotildees tais como velocidade maacutexima atenuaccedilatildeo tempo de atraso potecircncia

dissipada produto atraso-potecircncia e slew rate [111317202342]

241 Velocidade maacutexima - anaacutelise na frequumlecircncia

A velocidade maacutexima que as interconexotildees podem operar sem distorcer o sinal de entrada

eacute uma medida de desempenho importante [172023] Eacute possiacutevel analisar este paracircmetro

atraveacutes da frequumlecircncia maacutexima de operaccedilatildeo da interconexatildeo que eacute a largura de banda em

que o sinal comeccedila a decair em -3dB em relaccedilatildeo ao sinal de referecircncia [1742] Assim

utiliza-se a anaacutelise do moacutedulo do graacutefico de Bode para obter a frequumlecircncia de operaccedilatildeo em

-3dB [42] A Figura 218 mostra o esboccedilo do moacutedulo do ganho pela frequumlecircncia tiacutepico do

comportamento de interconexotildees

Figura 218 Graacutefico do moacutedulo do ganho pela frequumlecircncia tiacutepico do comportamento de

interconexotildees

23

242 Atenuaccedilatildeo

A transmissatildeo de um sinal pode ser expressa em funccedilatildeo do seu ganho ou da sua atenuaccedilatildeo

No caso em estudo as interconexotildees podem atenuar o sinal Essa atenuaccedilatildeo eacute geralmente

calculada pela expressatildeo (227) em que Vo eacute o sinal de saiacuteda e Vi eacute o sinal de entrada [42]

i

o

V

VA log20 (227)

243 Tempo de atraso

O tempo de atraso td ou atraso na propagaccedilatildeo ocorre devido ao

carregamentodescarregamento da capacitacircncia de carga bem como ao tempo de

chaveamento dos transistores [42]

O tempo de atraso eacute obtido pela diferenccedila entre o tempo medido a 50 da transiccedilatildeo dos

sinais de entrada e de saiacuteda [11] Em circuitos loacutegicos o atraso na propagaccedilatildeo pode ser

calculado pela meacutedia aritmeacutetica do tempo de propagaccedilatildeo do sinal de alto para baixo tPHL e

do tempo de propagaccedilatildeo do baixo para alto tPLH conforme equaccedilatildeo (228) [1142]

2

PLHPHLd

ttt

(228)

244 Potecircncia dissipada

A dissipaccedilatildeo de potecircncia eacute outra medida de desempenho bastante importante em circuitos

integrados em escala GSI e TSI Isso ocorre jaacute que ao aumentar o nuacutemero de portas

loacutegicas em uma determinada aacuterea ocupada eacute necessaacuterio que a dissipaccedilatildeo de potecircncia esteja

dentro de limites aceitaacuteveis [1142]

A dissipaccedilatildeo de potecircncia eacute composta por dois componentes potecircncia estaacutetica e potecircncia

dinacircmica A dissipaccedilatildeo de potecircncia estaacutetica eacute dada por IVP DDE e ocorre mesmo que

natildeo haja chaveamento de porta loacutegica no circuito devido ao efeito da resistecircncia do

circuito [42] A dissipaccedilatildeo de potecircncia dinacircmica eacute devido agrave capacitacircncia de carga do

24

circuito expressa por CVfP DDD 2 em que VDD eacute a tensatildeo de alimentaccedilatildeo f eacute

frequumlecircncia do circuito e C eacute a capacitacircncia de carga do circuito [1142] Assim a soma da

potecircncia dinacircmica e da potecircncia estaacutetica resulta na potecircncia total dissipada no circuito

245 Produto atraso-potecircncia

Em circuitos integrados o ideal eacute que se tenha baixo atraso na propagaccedilatildeo resultando em

uma maior velocidade de funcionamento do circuito bem como baixa dissipaccedilatildeo de

potecircncia No entanto essas duas exigecircncias satildeo conflitantes ao reduzirmos a dissipaccedilatildeo de

potecircncia de uma porta a capacidade da porta em fornecer corrente diminuiraacute isso

implicaraacute em um maior tempo de carga e descarga aumentando o atraso na propagaccedilatildeo

Assim o produto atraso-potecircncia (delay power product ndash DP) eacute uma medida de

desempenho bastante utilizada na anaacutelise de circuitos e eacute dado por dD tPDP Quanto

menor o produto atraso-potecircncia maior a eficiecircncia do circuito loacutegico [42]

246 Slew rate

A taxa maacutexima de variaccedilatildeo da tensatildeo de saiacuteda do inglecircs slew rate (SR) eacute uma

caracteriacutestica importante do sinal de saiacuteda de um circuito loacutegico A limitaccedilatildeo na taxa de

variaccedilatildeo pode provocar uma distorccedilatildeo no funcionamento do circuito O SR pode ser

calculado pela expressatildeo (229) em que Δv eacute a variaccedilatildeo da tensatildeo de saiacuteda do sinal para

uma determinada variaccedilatildeo de tempo Δt [42]

t

vSR

(229)

25 LTSPICE

O software LTSPICE eacute um simulador SPICE de alto desempenho orientado a

esquemaacuteticos e visualizador de formas de onda com modelos para facilitar a simulaccedilatildeo de

circuitos eletrocircnicos Se comparado aos outros simuladores SPICE a simulaccedilatildeo do

LTSPICE eacute bastante raacutepida O software consegue simular dispositivos de acordo com o

padratildeo industrial reproduzindo os seus comportamentos [52]

25

O LTSPICE possui vaacuterias possibilidades de simulaccedilatildeo como anaacutelise transiente anaacutelise AC

e anaacutelise DC bem como permite a simulaccedilatildeo de vaacuterios dispositivos disponiacuteveis na sua

biblioteca Aleacutem disso este software possibilita a elaboraccedilatildeo de novos esquemaacuteticos

atraveacutes de um modelo matemaacutetico ou eletrocircnico proposto O novo componente poderaacute ser

utilizado no circuito conforme seraacute feito neste trabalho utilizando-se o modelo SPICE do

SET proposto por G Lientschnig et al[4]

26

3 METODOLOGIA

31 INTRODUCcedilAtildeO

A miniaturizaccedilatildeo das interconexotildees prejudica o seu desempenho resultando no aumento

significativo do valor da resistividade da capacitacircncia de acoplamento entre vias na

dificuldade de controlar a razatildeo entre a altura e a largura do material entre outros

problemas A fim de analisar o desempenho das interconexotildees eacute necessaacuterio verificar

algumas variaacuteveis importantes como velocidade maacutexima (f-3dB) atenuaccedilatildeo (A) tempo de

atraso (td) potecircncia dissipada (P) produto atraso-potecircncia (DP) e slew rate (SR)

[111317202342]

32 ETAPAS E ESTRATEacuteGIAS ADOTADAS

Com o intuito de analisar o efeito das interconexotildees em circuitos com transistores mono-

eleacutetron foi realizada primeiramente a anaacutelise das interconexotildees de SWCNT de SWCNT

bundle e de cobre isoladamente para diferentes valores de comprimento Apoacutes a avaliaccedilatildeo

desses resultados o efeito das interconexotildees foi analisado no H-tree clock com inversores

mono-eleacutetron nos seus terminais tambeacutem considerando diferentes comprimentos Neste

trabalho a tecnologia de 22 nm prevista para o ano de 2016 [21] foi utilizada na

comparaccedilatildeo entre o desempenho do cobre e do CNT Todas as simulaccedilotildees foram realizadas

utilizando o software LTSPICE

321 Simulaccedilatildeo das interconexotildees

A partir dos modelos das interconexotildees de SWCNT SWCNT bundle e cobre apresentados

na subseccedilatildeo 213 diferentes comprimentos das interconexotildees foram simulados Assim

analisou-se as interconexotildees locais em que l le 1 μm e as intermediaacuterias em que 1 μm lt l

le 500 μm sabendo que l eacute o comprimento da interconexatildeo [29-31333638]

A fim de analisar a frequumlecircncia de corte este foi obtido para comprimentos de

interconexotildees locais (10nm 100nm 200nm 300nm 400nm 500nm 600nm 700nm

27

800nm 900nm 1μm) e interconexotildees intermediaacuterias (10μm 100μm 200μm 300μm

400μm 500μm)

Jaacute que λCNT eacute tipicamente 1 μm foram escolhidos trecircs comprimentos na faixa lCNT le λCNT

(10 nm 100 nm e 1 μm) e trecircs comprimentos na faixa lCNT gt λCNT (10 μm 100 μm 500

μm) para serem analisados detalhadamente Escolheu-se uma mesma frequecircncia abaixo da

frequecircncia de corte dos trecircs materiais considerados para analisar e comparar a atenuaccedilatildeo

(A) e o tempo de atraso na propagaccedilatildeo (td) dos diferentes comprimentos

Em seguida o mesmo procedimento foi feito para comparar somente o SWCNT bundle e o

cobre para uma mesma frequecircncia cujo valor eacute maior que a frequecircncia da anaacutelise anterior

permitindo que estes dois materiais sejam analisados detalhadamente

Essas anaacutelises foram realizadas a partir da simulaccedilatildeo do circuito da Figura 31 [2325] A

tensatildeo de entrada Vin eacute uma onda quadrada de 1V de amplitude e o capacitor de carga tem

o valor de 100 aF

Figura 31 ndash Circuito simulado para cada interconexatildeo

A Figura 32 mostra o fluxograma das etapas descritas nesta subseccedilatildeo 321

28

Figura 32 ndash Fluxograma das etapas seguidas na simulaccedilatildeo das interconexotildees

322 Simulaccedilatildeo do inversor mono-eleacutetron

Para utilizar a porta inversora da Figura 215 nos terminais do H-tree clock foi necessaacuterio

primeiramente simular o SET proposto por [4] Essa simulaccedilatildeo foi feita variando os

paracircmetros do SET como as resistecircncias e capacitacircncias das junccedilotildees as capacitacircncias de

porta a temperatura etc Os paracircmetros foram variados ateacute simular o SET a temperatura

de 300K Em seguida simulou-se a inversora da Figura 215 tambeacutem a temperatura

ambiente Dessa forma foi possiacutevel simular a inversora isoladamente obtendo as

caracteriacutesticas do sinal de saiacuteda

323 Simulaccedilatildeo do H-tree clock mono-eleacutetron

Apoacutes a simulaccedilatildeo do SET foi possiacutevel simular o H-tree clock A rede H-tree de dois niacuteveis

foi simulada com um H no primeiro niacutevel e quatro H‟s no segundo niacutevel [49] Nos pontos

de destino final da rede foram colocadas portas inversoras formadas por SETs permitindo

a anaacutelise de circuitos nanoeletrocircnicos

Modelos de SWCNT

SWCNT bundle e cobre

Obtenccedilatildeo dos paracircmetros dos modelos para

interconexotildees locais e interconexotildees intermediaacuterias

Para cada comprimento

obtenccedilatildeo de f-3dB

1ordm) Escolha de frequumlecircncia abaixo

da f-3dB do SWCNT SWCNT

bundle e cobre

2ordm) Escolha de frequumlecircncia abaixo

da f-3dB do SWCNT bundle e

cobre

Obtenccedilatildeo de A e td de

cada modelo

Obtenccedilatildeo de A e td de

cada modelo

Anaacutelise comparativa entre o

SWCNT SWCNT bundle e

cobre

Anaacutelise comparativa entre o

SWCNT bundle e cobre

Estudo de interconexotildees locais (10nm

100nm 1μm) e intermediaacuterias (10μm

100μm 500μm)

29

A partir da simulaccedilatildeo do H-tree clock obteve-se a frequecircncia em -3dB (f-3dB) da rede com

interconexotildees ideais Assim a rede H-tree foi entatildeo simulada para duas frequecircncias

diferentes do sinal de entrada abaixo da frequecircncia de -3dB 10 GHz e 100 GHz Com

essas simulaccedilotildees obtiveram-se as seguintes caracteriacutesticas do sinal de saiacuteda da inversora

niacutevel loacutegico baixo (NB) niacutevel loacutegico alto (NA) tempo de subida (tr) slew rate de subida

(SR) atenuaccedilatildeo (A) tempo de atraso (td) potecircncia dissipada (P) e produto atraso-potecircncia

(DP) As caracteriacutesticas obtidas servem como referecircncia para analisar o sinal considerando

interconexotildees natildeo-ideais ou seja incluindo os modelos das interconexotildees nas simulaccedilotildees

Em seguida a rede H-tree foi simulada considerando-se os modelos das interconexotildees de

SWCNT bundle e de cobre variando os seus comprimentos Como cada H da rede de

distribuiccedilatildeo deve ser simeacutetrico considerou-se que cada divisatildeo do H tem o mesmo

comprimento para cada niacutevel da rede [11] A Figura 33 mostra o comprimento dos

diferentes trechos da rede Assim o comprimento de cada divisatildeo dos H‟s do segundo

niacutevel eacute a metade do comprimento de cada divisatildeo do H do primeiro niacutevel Jaacute que o objetivo

eacute simular circuitos em escala nanomeacutetrica escolheu-se trecircs variaccedilotildees de comprimento

menores ou iguais a 1μm

l = 100 nm l2 = 50 nm

l = 400 nm l2 = 200 nm

l = 1 μm l2 = 500 nm

Figura 33 ndash Esquemaacutetico do H-tree clock com os comprimentos de cada seguimento

Dessa forma cada um dos trecircs circuitos foi simulado obtendo-se a frequecircncia em -3dB na

entrada das portas inversoras Em seguida as trecircs redes foram simuladas para as mesmas

30

duas frequumlecircncias do sinal de entrada (10 GHz e 100 GHz) de forma a obter as

caracteriacutesticas do sinal de saiacuteda descritas anteriormente considerando agora o efeito das

interconexotildees

Por fim a partir dos dados obtidos foram realizadas comparaccedilotildees entre as caracteriacutesticas

do sinal de saiacuteda de referecircncia (interconexotildees ideais) e o sinal de saiacuteda dos circuitos com as

interconexotildees natildeo-ideais bem como entre o comportamento das interconexotildees de SWCNT

bundle e de cobre nas diferentes frequecircncias

A Figura 34 mostra o fluxograma das etapas descritas nas subseccedilotildees 322 e 323

Figura 34 ndash Fluxograma das etapas seguidas na simulaccedilatildeo do H-tree clock

H-tree clock mono-eleacutetron

Simulaccedilatildeo do H-tree clock com

interconexotildees ideais Obtenccedilatildeo de f-3dB

da inversora

Simulaccedilatildeo do H-tree clock com

interconexotildees natildeo-ideais para os seguintes

comprimentos

l = 100 nm l2 = 50 nm

l = 400 nm l2 = 200 nm

l = 1 μm l2 = 500 nm

Validaccedilatildeo do SET e do

inversor mono-eleacutetron a

300K

Sinal de entrada a

10 GHz

Sinal de entrada a

100 GHz

Obtenccedilatildeo de NB

NA tr SR A td P e

DP do sinal de saiacuteda

da inversora

Obtenccedilatildeo de NB

NA tr SR A td P e

DP do sinal de saiacuteda

da inversora

Sinal de entrada a

10 GHz

Sinal de entrada a

100 GHz

Obtenccedilatildeo de NB

NA tr SR A td P e

DP do sinal de saiacuteda

da inversora

Obtenccedilatildeo de NB

NA tr SR A td P e

DP do sinal de saiacuteda

da inversora

Anaacutelise comparativa

dos dados obtidos

31

4 RESULTADOS E ANAacuteLISES

41 INTRODUCcedilAtildeO

Neste capiacutetulo seratildeo apresentados os procedimentos adotados e os resultados obtidos na

simulaccedilatildeo das interconexotildees SWCNT SWCNT bundle e cobre As etapas descritas na

metodologia foram seguidas obtendo-se os resultados das simulaccedilotildees das interconexotildees e

das simulaccedilotildees do H-tree clock mono-eleacutetron para interconexotildees ideais e natildeo-ideais A

partir dos resultados a anaacutelise do desempenho das interconexotildees seraacute apresentada

42 ANAacuteLISE DAS INTERCONEXOtildeES

Nesta seccedilatildeo a anaacutelise das interconexotildees de SWCNT SWCNT bundle e cobre na

tecnologia de 22 nm para diferentes comprimentos seraacute realizada Para isso analisou-se

as interconexotildees locais em que l le 1 μm e as intermediaacuterias em que 1 μm lt l le 500 μm

sabendo que l eacute o comprimento da interconexatildeo [29-31333638] Como λCNT eacute

tipicamente 1 μm trecircs comprimentos na faixa lCNT le λCNT (10 nm 100 nm e 1 μm) e trecircs

comprimentos na faixa lCNT gt λCNT (10 μm 100 μm 500 μm) de cada material seratildeo

analisados detalhadamente Os paracircmetros obtidos a partir dos modelos de SWCNT

SWCNT bundle e cobre estatildeo respectivamente nas Tabelas 71 72 e 73 do Apecircndice

421 Interconexotildees locais

Primeiramente a partir da simulaccedilatildeo da Figura 31 obteve-se a frequecircncia em -3dB (f-3dB)

das interconexotildees locais (lCNT le λCNT ) isto eacute a sua banda passante de forma a verificar a

velocidade maacutexima que cada interconexatildeo suporta A Figura 41 ilustra o comportamento

da frequecircncia das interconexotildees locais para os diferentes comprimentos Como o SWCNT

isolado possui valores de frequecircncia na faixa de centenas de giga Hertz ou seja menos de

um tera Hertz os valores de suas frequecircncias tambeacutem podem ser visualisados na Tabela

74 do Apecircndice

Verifica-se que agrave medida que o comprimento da interconexatildeo aumenta a frequecircncia

diminui Isso ocorre jaacute que os valores da capacitacircncia e indutacircncia aumentam com o

aumento do comprimento da interconexatildeo Esses paracircmetros satildeo decisivos no sinal de

32

saiacuteda sendo o sinal mais distorcido quanto maior for o valor desses paracircmetros Observa-

se que o SWCNT bundle e o cobre possuem banda passante maiores que o SWCNT

isolado para qualquer comprimento Aleacutem disso o SWCNT bundle soacute possui uma banda

passante comparaacutevel ao do cobre para comprimentos acima de 700 nm

Frequecircncia X Comprimento

0

10

20

30

40

50

60

100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

Comprimento (nm)

f -3d

B (

TH

z)

SWCNT Isolado

SWCNT bundle

Cobre

Figura 41 ndash Frequumlecircncia versus comprimento das interconexotildees locais

As interconexotildees locais de 10 nm 100 nm e 1 μm de comprimento foram analisadas

detalhadamente A Tabela 41 mostra a frequecircncia em -3dB de cada material para os

comprimentos em anaacutelise

Tabela 41 Frequecircncia em -3dB de cada material para lCNT le λCNT

Interconexatildeo Local Comprimento (L) Material f-3dB

SWCNT isolado 253 GHz

10nm SWCNT bundle 66 THz

Cobre 232 THz

SWCNT isolado 300 GHz

lCNT le λCNT 100nm SWCNT bundle 20 THz

Cobre 51 THz

SWCNT isolado 230 GHz

1microm SWCNT bundle 47 THz

Cobre 42 THz

Assim escolheu-se uma mesma frequecircncia abaixo da frequecircncia de corte dos trecircs

materiais considerados para analisar e comparar a atenuaccedilatildeo (A) e o tempo de atraso na

propagaccedilatildeo (td) dos trecircs comprimentos Isso permite verificar o comportamento do sinal na

banda passante A Tabela 42 mostra esse estudo comparativo entre o SWCNT isolado

SWCNT bundle e cobre agrave frequecircncia de 200 GHz

33

Tabela 42 Estudo das interconexotildees com comprimentos na faixa lCNT le λCNT

Freq L Material A (dB) td (ps)

SWCNT isolado -210 046

10nm SWCNT bundle 001 000

Cobre 000 000

SWCNT isolado -155 051

200 GHz 100nm SWCNT bundle 001 000

Cobre 001 000

SWCNT isolado -039 107

1microm SWCNT bundle 006 001

Cobre 000 007

A partir da anaacutelise da Tabela 42 eacute possiacutevel observar agrave frequumlecircncia de 200 GHz a

atenuaccedilatildeo do sinal e o atraso do SWCNT isolado Nessa frequumlecircncia o atraso do SWCNT

isolado eacute significativo em relaccedilatildeo ao periacuteodo do sinal que eacute 5ps jaacute que o menor atraso

(para l = 10nm) eacute aproximadamente 10 do periacuteodo do sinal de entrada No entanto para

esta mesma frequumlecircncia observa-se que a atenuaccedilatildeo e o atraso do SWCNT bundle e do

cobre satildeo insignificantes Isto indica que estes dois materiais possuem melhor

desempenho sendo favoraacuteveis para serem utilizados em interconexotildees locais

Dessa forma para analisar melhor a atenuaccedilatildeo e o tempo de atraso do SWCNT bundle e do

cobre o mesmo procedimento foi feito comparando-se somente estes dois materiais para

uma mesma frequecircncia de 1 THz A Tabela 43 mostra esse estudo comparativo entre o

SWCNT bundle e cobre

Tabela 43 Estudo das interconexotildees SWCNT bundle e cobre com comprimentos na faixa

lCNT le λCNT

Freq L Material A (dB) td (fs)

10nm SWCNT bundle 001 113

Cobre 000 022

1 THz 100nm SWCNT bundle 006 136

Cobre 001 240

1microm SWCNT bundle 145 647

Cobre -013 5623

Analisando a Tabela 43 observa-se que agrave frequumlecircncia de 1 THz a atenuaccedilatildeo do sinal e o

atraso aumentam agrave medida que o comprimento das interconexotildees aumentam A partir do

comprimento de 100nm o tempo de atraso da interconexatildeo de cobre eacute maior que o do

SWCNT bundle cujo maior valor de atraso (para l = 1microm) natildeo chega a 1 do periacuteodo do

34

sinal de entrada (1ps) Isso mostra que apesar de a banda passante do cobre ser maior o

atraso do SWCNT bundle eacute menor Dessa forma para as interconexotildees locais o SWCNT

bundle possui desempenho comparaacutevel ao do cobre [13]

Em relaccedilatildeo agrave atenuaccedilatildeo verifica-se que para alguns comprimentos este tem valor

positivo Isso ocorre principalmente quando haacute um pico no graacutefico da frequumlecircncia antes dele

comeccedilar a decair Esse pico eacute devido ao efeito ressonante provocado pela indutacircncia

quando este possui valor comparaacutevel agrave resistecircncia e agrave capacitacircncia da interconexatildeo [53]

Assim esse efeito ressonante foi observado somente nas interconexotildees locais de SWCNT

bundle e de cobre A Figura 42 ilustra o graacutefico da magnitude pela frequumlecircncia do SWCNT

isolado SWCNT bundle e cobre para o comprimento de 100nm Observa-se o efeito

ressonante nos graacuteficos do SWCNT bundle e do cobre

Figura 42 ndash Graacuteficos da magnitude das interconexotildees de SWCNT isolado (superior)

SWCNT bundle (meio) e cobre (inferior) com comprimento de 100nm

35

422 Interconexotildees intermediaacuterias

Assim como para as interconexotildees locais obteve-se a frequecircncia em -3dB (f-3dB) das

interconexotildees intermediaacuterias (lCNT gt λCNT) de forma a verificar a velocidade maacutexima que

cada interconexatildeo suporta A Figura 43 ilustra o comportamento da frequecircncia das

interconexotildees intermediaacuterias para os diferentes comprimentos Os valores das frequecircncias

de cada interconexatildeo tambeacutem podem ser visualisados na Tabela 75 do Apecircndice

Como nas interconexotildees locais agrave medida que o comprimento da interconexatildeo aumenta a

frequecircncia diminui Aleacutem disso o SWCNT bundle e o cobre possuem desempenho melhor

que o do SWCNT isolado para qualquer comprimento No entanto para interconexotildees

intermediaacuterias o SWCNT bundle possui banda passante maior que a do cobre para

qualquer comprimento

Frequecircncia X Comprimento

00

05

10

15

20

25

30

35

40

45

100 200 300 400 500

Comprimento (μm)

f -3d

B (

GH

z)

SWCNT isolado

SWCNT bundle

Cobre

Figura 43 ndash Frequumlecircncia versus comprimento das interconexotildees intermediaacuterias

As interconexotildees intermediaacuterias de 10 μm 100 μm e 500 μm de comprimento foram entatildeo

analisadas detalhadamente A Tabela 44 mostra a frequecircncia em -3dB de cada materal

para os diferentes comprimentos em anaacutelise

36

Tabela 44 Frequecircncia em -3dB de cada material para lCNT gt λCNT

Interconexatildeo

Intermediaacuteria

Comprimento (L) Material f-3dB

SWCNT isolado 26 GHz

10 microm SWCNT bundle 527 GHz

Cobre 34 GHz

SWCNT isolado 32 MHz

lCNT gt λCNT 100 microm SWCNT bundle 42 GHz

Cobre 345 MHz

SWCNT isolado 13 MHz

500 microm SWCNT bundle 165 MHz

Cobre 14 MHz

Escolheu-se a frequecircncia de 1 MHz que estaacute abaixo da frequecircncia de corte dos trecircs

materiais considerados para analisar e comparar a atenuaccedilatildeo (A) e o tempo de atraso na

propagaccedilatildeo (td) dos trecircs comprimentos A Tabela 45 mostra esse estudo comparativo entre

o SWCNT isolado SWCNT bundle e cobre

Tabela 45 Estudo das interconexotildees com comprimentos na faixa lCNT gt λCNT

Freq L Material A (dB) td (ns)

SWCNT isolado -002 008

10 microm SWCNT bundle 000 000

Cobre 000 000

SWCNT isolado -003 559

1 MHz 100 microm SWCNT bundle -001 005

Cobre -004 056

SWCNT isolado -198 10217

500 microm SWCNT bundle 000 110

Cobre -003 1301

Com base na Tabela 45 observa-se que a atenuaccedilatildeo e o tempo de atraso do SWCNT

isolado aumentam com o aumento do comprimento da interconexatildeo Nessa frequumlecircncia o

atraso na propagaccedilatildeo do SWCNT isolado eacute significativo em relaccedilatildeo ao periacuteodo do sinal de

entrada que eacute 1micros chegando a mais de 10 deste periacuteodo para o comprimento de 500microm

Verifica-se tambeacutem o aumento do tempo de atraso da interconexatildeo de cobre sendo 13

do periacuteodo do sinal de entrada para o comprimento de 500microm

Para analisar melhor a atenuaccedilatildeo e o tempo de atraso do SWCNT bundle e do cobre o

mesmo procedimento foi feito comparando-se somente estes dois materiais para uma

37

mesma frequecircncia de 10 MHz A Tabela 46 mostra esse estudo comparativo entre o

SWCNT bundle e cobre

Tabela 46 Estudo das interconexotildees SWCNT bundle e cobre com comprimentos na faixa

lCNT gt λCNT

Freq L Material A (dB) td (ns)

10 microm SWCNT bundle 000 000

Cobre 000 000

10 MHz 100 microm SWCNT bundle -001 005

Cobre -004 054

500 microm SWCNT bundle -004 107

Cobre -185 1024

Analisando a Tabela 46 observa-se que agrave medida que o comprimento das interconexotildees

aumenta a atenuaccedilatildeo e o atraso do sinal da interconexatildeo de cobre tornam-se significativos

O atraso na propagaccedilatildeo da interconexatildeo de cobre para l = 500microm chega a 10 do periacuteodo

do sinal de entrada (100ns) Jaacute o SWCNT bundle apresenta valores insignificantes de

atenuaccedilatildeo e atraso na propagaccedilatildeo Assim para as interconexotildees intermediaacuterias o SWCNT

bundle possui desempenho superior ao do cobre

43 SIMULACcedilAtildeO DO INVERSOR MONO-ELEacuteTRON

O modelo SPICE do SET proposto por G Lientschnig et al [444] foi simulado no

LTSPICE A partir da equaccedilatildeo (226) foi possiacutevel aumentar a temperatura do SET ateacute

chegar a 300K Assim o esquemaacutetico do SET e os valores de seus paracircmetros para que o

SET opere a 300K estatildeo na Figura 44 No anexo deste trabalho (subseccedilatildeo 81) encontra-

se o coacutedigo SET que foi utilizado [44] Os paracircmetros R1 C1 e R2 C2 correspondem agraves

resistecircncias e capacitacircncias das junccedilotildees-tuacutenel Cg eacute a capacitacircncia de porta (Cg1 no coacutedigo

SET) Vg eacute a tensatildeo de porta e V eacute a tensatildeo de entrada

Figura 44 Esquemaacutetico do SET e os valores de seus paracircmetros

38

A partir destes valores o inversor mono-eleacutetron foi construiacutedo colocando-se dois SETs em

seacuterie os quais compartilham da mesma entrada A Figura 45 ilustra o esquemaacutetico do

inversor mono-eleacutetron juntamente com os valores de seus paracircmetros fixos em que Vin eacute a

tensatildeo de entrada Vout eacute a tensatildeo de saiacuteda Vbias eacute a tensatildeo de polarizaccedilatildeo Cc eacute a

capacitacircncia de carga Cg1 e Cg2 satildeo as capacitacircncias de porta do SET 1 e do SET 2

respectivamente

Figura 45 Esquemaacutetico do inversor mono-eleacutetron e os valores de seus paracircmetros

(modificado de [4])

Assim apoacutes simular o inversor mono-eleacutetron a 300K obteve-se o sinal de saiacuteda mostrado

na Figura 46 Como o inversor estaacute invertendo o sinal de entrada de valor loacutegico baixo em

um sinal de saiacuteda de valor loacutegico alto ele estaacute operando corretamente

Figura 46 Curva do sinal de entrada (em verde) e do sinal de saiacuteda (em preto) do inversor

mono-eleacutetron

39

44 ANAacuteLISE DAS INTERCONEXOtildeES NO H-TREE CLOCK MONO-ELEacuteTRON

Nesta seccedilatildeo a rede H-tree clock de dois niacuteveis foi simulada com portas inversoras mono-

eleacutetron nos pontos de destino final da rede permitindo a anaacutelise de circuitos

nanoeletrocircnicos Simulou-se a rede H-tree considerando interconexotildees ideais para as

frequecircncias de 10 GHz e 100 GHz no sinal de entrada Em seguida para as mesmas duas

frequecircncias considerou-se interconexotildees natildeo-ideais de diferentes comprimentos

analisando a rede com os modelos de interconexatildeo SWCNT bundle e cobre Trecircs redes

com comprimentos de interconexotildees diferentes foram analisadas

l = 100 nm l2 = 50 nm

l = 400 nm l2 = 200 nm

l = 1 μm l2 = 500 nm

441 Anaacutelise da rede com interconexotildees ideais

A partir da simulaccedilatildeo do H-tree clock a frequecircncia em -3dB (f-3dB) da rede com

interconexotildees ideais foi obtida Na saiacuteda de cada porta inversora a banda passante do sinal

eacute 3200 GHz Dessa forma duas frequecircncias abaixo de 3200 GHz foram escolhidas para

analisar o sinal de saiacuteda da inversora em condiccedilotildees ideais As frequecircncias de 10 GHz e

100 GHz seratildeo analisadas obtendo-se as seguintes caracteriacutesticas do sinal de saiacuteda da

inversora niacutevel loacutegico baixo (NB) niacutevel loacutegico alto (NA) tempo de subida (tr) slew rate

de subida (SR) atenuaccedilatildeo (A) e tempo de atraso (td) A Tabela 47 mostra os valores

obtidos para as duas frequecircncias em anaacutelise

Tabela 47 Caracteriacutesticas dos sinais de saiacuteda da rede para interconexotildees ideais

Freq NB(mV) NA(mV) tr (ps) SR(Vns) A(dB) td (ps)

10 GHz 675 4518 356 8636 -264 412

100 GHz 678 4279 317 9088 -269 189

Os caacutelculos da potecircncia estaacutetica ( IVP DDE ) potecircncia dinacircmica ( CVfP DDD 2 ) e

potecircncia total ( DE PPP ) dissipada por cada porta inversora foram realizados bem

como o produto atraso-potecircncia (DP) Assim a Tabela 48 mostra os valores obtidos no

40

caacutelculo destes paracircmetros Como a potecircncia estaacutetica independe da frequecircncia do sinal de

entrada o seu valor eacute o mesmo nos dois casos

Tabela 48 Potecircncia dissipada por cada porta inversora para interconexotildees ideais

Frequecircncia PE (nW) PD (nW) P (nW) DP (10-18

Wmiddots)

10 GHz 4838 125 4963 020

100 GHz 4838 125 6088 012

As Tabelas 47 e 48 serviratildeo de referecircncia para as anaacutelises da rede com interconexotildees natildeo-

ideais analisadas na subseccedilatildeo seguinte As Figuras 47 e 48 ilustram o sinal de saiacuteda das

redes com frequecircncias de 10 GHz e de 100 GHz respectivamente Eacute possiacutevel observar que

na frequecircncia de 100 GHz o sinal de saiacuteda jaacute eacute distorcido em relaccedilatildeo ao sinal de referecircncia

(Figura 46)

Figura 47 Sinal de entrada (em verde) e sinal de saiacuteda (em preto) da rede a 10 GHz

Figura 48 Sinal de entrada (em verde) e sinal de saiacuteda (em preto) da rede a 100 GHz

41

442 Anaacutelise da rede com interconexotildees natildeo-ideais

Apoacutes obter as caracteriacutesticas da rede H-tree clock com interconexotildees ideais a anaacutelise da

rede com interconexotildees natildeo-ideais seraacute feita Primeiramente eacute importante verificar a

frequecircncia em -3dB do sinal depois das interconexotildees ou seja na entrada da porta

inversora Caso essa frequecircncia seja menor que a frequecircncia de 3200 GHz obtida com

interconexotildees ideais entatildeo a interconexatildeo afetaraacute o comportamento da rede A Tabela 49

mostra a frequecircncia em -3dB na entrada da inversora para interconexotildees natildeo-ideais

Tabela 49 Frequecircncia em -3dB na entrada da inversora para interconexotildees natildeo-ideais

Comprimentos (l2 l) Material f-3dB

50nm 100nm SWCNT bundle 122 THz

Cobre 175 THz

200nm 400nm SWCNT bundle 31 THz

Cobre 8606 GHz

500nm 1microm SWCNT bundle 12 THz

Cobre 1268 GHz

Assim verifica-se que a interconexatildeo de cobre da rede 500nm1microm possui frequecircncia em

-3dB abaixo da frequecircncia do circuito com interconexatildeo ideal (3200 GHz) Isso indica que

esta interconexatildeo interfere significativamente no comportamento da rede A Tabela 49

mostra tambeacutem que a banda passante da interconexatildeo de cobre soacute eacute maior que a da

interconexatildeo de SWCNT bundle no primeiro caso na rede de 50nm100nm o que mostra

uma vantagem do SWCNT bundle em relaccedilatildeo ao cobre A partir dessas informaccedilotildees a

rede H-tree clock com interconexotildees natildeo-ideais seraacute analisada detalhadamente

4421 Anaacutelise da rede a 10 GHz

As redes com interconexotildees natildeo-ideais seratildeo analisadas na frequecircncia de 10 GHz para

diferentes comprimentos Primeiramente o niacutevel loacutegico baixo (NB) o niacutevel loacutegico alto

(NA) o tempo de subida (tr) e o slew rate de subida (SR) foram obtidos conforme mostra a

Tabela 410 Com base nessa tabela verifica-se que na frequecircncia de 10 GHz essas

caracteriacutesticas natildeo foram modificadas pelas interconexotildees natildeo-ideais independentemente

do comprimento Os valores dos paracircmetros satildeo iguais aos obtidos na rede com

interconexatildeo ideal conforme Tabela 47 O sinal obtido na saiacuteda de cada inversor eacute igual

ao ilustrado na Figura 47

42

Tabela 410 Niacuteveis loacutegicos tempo de subida e slew rate dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 10 GHz

Freq L (l2l) Material NB(mV) NA(mV) tr(ps) SR(Vns)

10

GHz

50nm

100nm

SWCNT bundle 675 4518 356 8636

Cobre 675 4518 356 8636

200nm

400nm

SWCNT bundle 675 4518 356 8636

Cobre 675 4518 356 8636

500nm

1microm

SWCNT bundle 675 4518 356 8636

Cobre 675 4518 356 8636

A Tabela 411 mostra a atenuaccedilatildeo tempo de atraso potecircncia total dissipada e o produto

atraso-potecircncia obtidos a frequecircncia de 10 GHz para interconexotildees natildeo-ideais Observa-se

que a atenuaccedilatildeo do sinal e a potecircncia total dissipada por cada porta inversora permanecem

os mesmos em relaccedilatildeo agrave interconexatildeo ideal mostrando que a essa frequecircncia as

interconexotildees natildeo-ideais natildeo interferem nestes paracircmetros

Jaacute o atraso na propagaccedilatildeo do sinal no caso do cobre aumenta agrave medida que as

interconexotildees aumentam de comprimento aumentando tambeacutem o produto atraso-potecircncia

Esse atraso chega a 66 do periacuteodo do sinal de entrada para a interconexatildeo 500nm1microm

de cobre No entanto estes paracircmetros natildeo satildeo afetados pelas interconexotildees de SWCNT

bundle indicando que este material se sobressai em relaccedilatildeo ao cobre

Tabela 411 Atenuaccedilatildeo atraso potecircncia e produto atraso-potecircncia dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 10 GHz

Freq L (l2l) Material A (dB) td (ps) P (nW) DP(10-18

Wmiddots)

10

GHz

50nm

100nm

SWCNT bundle -264 412 4963 020

Cobre -264 412 4963 020

200nm

400nm

SWCNT bundle -264 412 4963 020

Cobre -264 438 4963 022

500nm

1microm

SWCNT bundle -264 412 4963 020

Cobre -264 659 4963 033

4422 Anaacutelise da rede a 100 GHz

As redes com interconexotildees natildeo-ideais seratildeo analisadas na frequecircncia de 100 GHz para

diferentes comprimentos O niacutevel loacutegico baixo (NB) o niacutevel loacutegico alto (NA) o tempo de

subida (tr) e o slew rate de subida (SR) foram obtidos conforme mostra a Tabela 412 Jaacute a

43

Tabela 413 mostra a atenuaccedilatildeo tempo de atraso potecircncia total dissipada e o produto

atraso-potecircncia obtidos a frequecircncia de 100 GHz para interconexotildees natildeo-ideais

Tabela 412 Niacuteveis loacutegicos tempo de subida e slew rate dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 100 GHz

Freq L (l2l) Material NB(mV) NA(mV) tr(ps) SR(Vns)

100

GHz

50nm

100nm

SWCNT bundle 678 4272 316 9099

Cobre 675 4277 323 9107

200nm

400nm

SWCNT bundle 678 4299 315 9196

Cobre 677 4089 289 9447

500nm

1microm

SWCNT bundle 678 4418 300 9973

Cobre 635 1766 102 6795

Tabela 413 Atenuaccedilatildeo atraso potecircncia e produto atraso-potecircncia dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 100 GHz

Freq L (l2l) Material A (dB) td (ps) P (nW) DP(10-18

Wmiddots)

100

GHz

50nm

100nm

SWCNT bundle -2703 189 6088 012

Cobre -2685 191 6088 012

200nm

400nm

SWCNT bundle -2693 188 6088 012

Cobre -2698 228 6088 014

500nm

1microm

SWCNT bundle -2673 174 6088 011

Cobre -2893 388 6088 024

A partir das Tabelas 412 e 413 o SWCNT bundle seraacute analisado Observa-se que os seus

niacuteveis loacutegicos altos aumentam com o aumento do comprimento das interconexotildees

aumentando tambeacutem o slew rate de subida Esse comportamento ocorre provavelmente

devido ao efeito ressonante provocado pela indutacircncia que provoca um pico no graacutefico da

frequumlecircncia antes dele comeccedilar a decair conforme explicado na subseccedilatildeo 421 Isso implica

na diminuiccedilatildeo da atenuaccedilatildeo do sinal e do atraso No entanto o produto atraso-potecircncia

permanece praticamente invariaacutevel jaacute que a potecircncia total dissipada natildeo se altera

Em relaccedilatildeo agraves interconexotildees de cobre verifica-se que as distorccedilotildees satildeo significativas Agrave

medida que o comprimento aumenta a atenuaccedilatildeo do sinal de saiacuteda aumenta Isso provoca

diminuiccedilatildeo no slew rate do sinal o que natildeo eacute desejado jaacute que o sinal demora mais para

atingir o niacutevel loacutegico alto Aleacutem disso o atraso na propagaccedilatildeo do sinal aumenta bastante

chegando a 388 do periacuteodo do sinal de entrada para a interconexatildeo 500nm1microm

Consequentemente o produto atraso-potecircncia tambeacutem aumenta sendo o dobro do valor de

44

referecircncia (interconexotildees ideais) A Figura 49 ilustra o sinal de saiacuteda da interconexatildeo

500nm1microm de cobre

Figura 49 Sinal de entrada (em verde) e sinal de saiacuteda (em preto) da rede a 100 GHz para

a interconexatildeo 500nm1microm de cobre

Comparando-se as potecircncias das tabelas 47 48 411 413 verifica-se que natildeo haacute

alteraccedilatildeo na potecircncia total dissipada pelo circuito com interconexotildees ideais e pelos

circuitos com interconexotildees natildeo-ideais para uma mesma frequecircncia Assim eacute importante

destacar que a dissipaccedilatildeo de potecircncia das interconexotildees de SWCNT bundle e de cobre natildeo

interfere na potecircncia total dissipada pelo circuito

443 Consideraccedilotildees Finais

Apoacutes analisar as interconexotildees locais de SWCNT de SWCNT bundle e de cobre

verificou-se que as interconexotildees de SWCNT bundle possuem desempenho comparaacutevel ao

das interconexotildees de cobre Em relaccedilatildeo agraves interconexotildees intermediaacuterias as de SWCNT

bundle apresentam desempenho superior agraves de cobre Jaacute as interconexotildees de SWCNT

isolado tanto para interconexotildees locais como para interconexotildees intermediaacuterias

apresentam desempenho inferior agraves interconexotildees de SWCNT bundle e de cobre natildeo

sendo propiacutecias a serem utilizadas em interconexotildees de circuitos integrados

Na anaacutelise das interconexotildees natildeo-ideais na rede H-tree clock mono-eleacutetron para a

frequecircncia de 10GHz observou-se que o niacutevel loacutegico baixo o niacutevel loacutegico alto o tempo de

subida o slew rate de subida a atenuaccedilatildeo do sinal e a potecircncia total dissipada por cada

porta inversora permanecem os mesmos em relaccedilatildeo agrave interconexatildeo ideal mostrando que

45

para esta frequecircncia as interconexotildees natildeo-ideais natildeo interferem nestes paracircmetros Jaacute o

atraso na propagaccedilatildeo do sinal no caso do cobre aumenta agrave medida que as interconexotildees

aumentam de comprimento aumentando tambeacutem o produto atraso-potecircncia No entanto

estes paracircmetros natildeo satildeo afetados pelas interconexotildees de SWCNT bundle indicando que

este material se sobressai em relaccedilatildeo ao cobre

Jaacute para a rede H-tree clock mono-eleacutetron a 100GHz observou-se que o circuito com

interconexotildees natildeo-ideais afetou bastante os paracircmetros em anaacutelise se comparados aos

obtidos para interconexotildees ideais Verificou-se que as distorccedilotildees provocadas pelas

interconexotildees de cobre foram significativas indicando que as interconexotildees de SWCNT

bundle possuem melhor desempenho que as de cobre

Assim constata-se que as interconexotildees de SWCNT bundle satildeo fortes candidatas a

substituirem as interconexotildees de cobre em circuitos em escala giga (GSI) e tera (TSI)

46

5 CONCLUSOtildeES

Nesta dissertaccedilatildeo o estudo das interconexotildees de SWCNT de SWCNT bundle e de cobre

foi realizado analisando e comparando os seus desempenhos para diferentes

comprimentos A partir desse estudo verificou-se que as interconexotildees de SWCNT bundle

possui desempenho comparaacutevel ao das interconexotildees de cobre no caso de interconexotildees

locais Em relaccedilatildeo agraves interconexotildees intermediaacuterias as de SWCNT bundle apresentam

desempenho superior agraves de cobre

As interconexotildees de SWCNT bundle e as interconexotildees de cobre foram entatildeo simuladas na

rede H-tree clock de dois niacuteveis para diferentes comprimentos e frequecircncias Nos pontos

de destino final da rede foram colocadas portas inversoras formadas por SETs permitindo

a anaacutelise de circuitos nanoeletrocircnicos

A partir da anaacutelise da rede H-tree clock observou-se que as interconexotildees de SWCNT

bundle possuem desempenho melhor que as de cobre principalmente em relaccedilatildeo ao slew

rate agrave atenuaccedilatildeo ao tempo de atraso e ao produto atraso-potecircncia Aleacutem disso a

dissipaccedilatildeo de potecircncia das interconexotildees natildeo-ideais natildeo interferem na potecircncia total

dissipada pelo circuito Assim as interconexotildees de SWCNT bundle satildeo fortes candidatas a

substituirem as interconexotildees de cobre em circuitos em escala giga (GSI) e tera (TSI)

Como perspectivas futuras eacute importante analisar o efeito das interconexotildees de nanotubo de

carbono em circuitos GSI e TSI com outras arquiteturas A anaacutelise das interconexotildees de

CNT tambeacutem deve ser feita em circuitos com tecnologia MOS permitindo a comparaccedilatildeo

entre diferentes tecnologias Aleacutem disso eacute interessante estudar outros tipos de materiais

que possam ser utilizados como interconexotildees em circuitos integrados

47

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53

7 APEcircNDICES

71 TABELAS COMPLEMENTARES

Tabela 71 Paracircmetros obtidos a partir do modelo de SWCNT isolado

L RQ (Ω) RS (Ω) LCNT (10-9

H) CCNT (10-18

F)

10 nm 645103 - 40010

-2 27910

-1

100 nm 645103 - 40010

-1 279

200 nm 645103 - 80010

-1 558

300 nm 645103 - 120 837

400 nm 645103 - 160 11210

1

500 nm 645103 - 200 14010

1

600 nm 645103 - 240 16710

1

700 nm 645103 - 280 19510

1

800 nm 645103 - 320 22310

1

900 nm 645103 - 360 25110

1

1 microm 645103 - 400 27910

1

10 microm 645103 64510

4 40010

1 27910

2

100 microm 645103 64510

5 40010

2 27910

3

200 microm 645103 12910

6 80010

2 55810

3

300 microm 645103 19410

6 12010

3 83710

3

400 microm

645103 25810

6 16010

3 11210

4

500 microm

645103 32310

6 20010

3 14010

4

Tabela 72 Paracircmetros obtidos a partir do modelo de SWCNT bundle

L RQ (Ω) RS (Ω) LBundle(10-9

H) CBundle(10-18

F)

10 nm 1075 - 66710-5

135

100 nm 1075 - 66710-4

135101

200 nm 1075 - 13310-3

270101

300 nm 1075 - 20010-3

405101

400 nm 1075 - 26710-3

540101

500 nm 1075 - 33310-3

675101

600 nm 1075 - 40010-3

810101

700 nm 1075 - 46710-3

945101

800 nm 1075 - 53310-3

108102

900 nm 1075 - 60010-3

122102

1 microm 1075 - 66710-3

135102

10 microm 1075 108102 66710

-2 13510

3

100 microm 1075 108103 66710

-1 13510

4

200 microm 1075 215103 133 27010

4

300 microm 1075 323103 200 40510

4

400 microm

1075 430103 267 54010

4

500 microm

1075 538103 333 67510

4

54

Tabela 73 Paracircmetros obtidos a partir do modelo de cobre

L RCu (Ω) LCu (10-9

H) CCu (10-18

F)

10 nm 06 37310-6

150

100 nm 60 63610-5

150101

200 nm 120 17510-4

300101

300 nm 180 30910-4

450101

400 nm 240 45410-4

600101

500 nm 300 61110-4

750101

600 nm 360 77510-4

900101

700 nm 420 94610-4

105102

800 nm 480 11210-3

120102

900 nm 540 13110-3

135102

1 microm 600 14910-3

150102

10 microm 60102 24010

-2 15010

3

100 microm 60103 33210

-1 15010

4

200 microm 12104 72010

-1 30010

4

300 microm 18104 113 45010

4

400 microm

24104 155 60010

4

500 microm

30104 198 75010

4

55

Tabela 74 Frequecircncia em -3dB das interconexotildees locais

Comprimento Material f-3dB

10 nm SWCNT isolado 253 GHz

SWCNT bundle 66 THz

Cobre 232 THz

100 nm SWCNT isolado 300 GHz

SWCNT bundle 20 THz

Cobre 51 THz

200 nm SWCNT isolado 342 GHz

SWCNT bundle 14 THz

Cobre 29 THz

300 nm SWCNT isolado 344 GHz

SWCNT bundle 11 THz

Cobre 20 THz

400 nm SWCNT isolado 329 GHz

SWCNT bundle 89 THz

Cobre 15 THz

500 nm SWCNT isolado 307 GHz

SWCNT bundle 76 THz

Cobre 12 THz

600 nm SWCNT isolado 288 GHz

SWCNT bundle 67 THz

Cobre 94 THz

700 nm SWCNT isolado 271 GHz

SWCNT bundle 61 THz

Cobre 76 THz

800 nm SWCNT isolado 255 GHz

SWCNT bundle 55 THz

Cobre 63 THz

900 nm SWCNT isolado 240 GHz

SWCNT bundle 51 THz

Cobre 52 THz

1 microm SWCNT isolado 230 GHz

SWCNT bundle 47 THz

Cobre 42 THz

56

Tabela 75 Frequecircncia em -3dB das interconexotildees intermediaacuterias

Comprimento Material f-3dB

10 microm SWCNT isolado 26 GHz

SWCNT bundle 527 GHz

Cobre 34 GHz

100 microm SWCNT isolado 32 MHz

SWCNT bundle 42 GHz

Cobre 345 MHz

200 microm SWCNT isolado 82 MHz

SWCNT bundle 10 GHz

Cobre 87 MHz

300 microm SWCNT isolado 36 MHz

SWCNT bundle 455 MHz

Cobre 38 MHz

400 microm SWCNT isolado 21 MHz

SWCNT bundle 256 MHz

Cobre 21 MHz

500 microm SWCNT isolado 13 MHz

SWCNT bundle 165 MHz

Cobre 14 MHz

57

8 ANEXOS

81 COacuteDIGO SPICE DO SET [44]

Transistor mono-eleacutetron (SET) conexotildees fonte | dreno | | porta1 | | | porta2 | | | | SUBCKT SET 1 2 3 4 PARAMS +C1=1E-20 Capacitacircncia da junccedilatildeo 1 +C2=1E-20 Capacitacircncia da junccedilatildeo 2 +R1=1E5 Resistecircncia da junccedilatildeo 1 +R2=1E5 Resistecircncia da junccedilatildeo 2 +Cg1=015E-18 Capacitacircncia da junccedilatildeo 1 +Cg2=0 Capacitacircncia da junccedilatildeo 2 +C0=0 Capacitacircncia proacutepria da ilha +Q0=005 Carga offset em unidades de e +TEMP=300 Temperatura PARAM E=160217733E-19 Carga do eleacutetron (e) PARAM CSUM=C1+C2+Cg1+Cg2+C0 Capacitacircncia total do SET PARAM T=TEMPCSUM53785467E14 Temperatura normalizada 53785467E14 = kBe^2 PARAM RN1=R1(R1+R2) Resistecircncia da junccedilatildeo 1 normalizada PARAM RN2=R2(R1+R2) Resistecircncia da junccedilatildeo 2 normalizada FUNC Q(v1v2v3v4) (Cg1v3+Cg2v4+C1v1+C2v2)E+Q0 Definiccedilatildeo da carga em unidades de e FUNC VN(v) CSUMvE Tensatildeo normalizada FUNC GAMMA(u) IF(T==0IF(ult0-u0)IF(u==0Tu(EXP(uT)-1))) FUNC N_OPT(v1v2v3v4) ROUND(-Q(v1v2v3v4)+(CSUME) (v1RN2+v2RN1)) A maior probabilidade de carga na ilha em unidades de e Os quarto eventos tuacuteneis FUNC R1L(nv1v2v3v4) GAMMA(05 - n - Q(v1v2v3v4) + VN(v1))RN1 FUNC R1R(nv1v2v3v4) GAMMA(05 + n + Q(v1v2v3v4) - VN(v1))RN1 FUNC R2L(nv1v2v3v4) GAMMA(05 + n + Q(v1v2v3v4) - VN(v2))RN2 FUNC R2R(nv1v2v3v4) GAMMA(05 - n - Q(v1v2v3v4) + VN(v2))RN2

58

determinaccedilatildeo das probabilidades relativas assume-se inicialmente que o estado da carga N_OPT tem probabilidade relativa igual a um FUNC PN_1(nv1v2v3v4) (R1L(nv1v2v3v4)+R2R(nv1v2v3v4))(R1R(n-1v1v2v3v4)+R2L(n-1v1v2v3v4)) FUNC PN_2(nv1v2v3v4) PN_1(nv1v2v3v4) +(R1L(n-1v1v2v3v4)+R2R(n-1v1v2v3v4))(R1R(n-2v1v2v3v4)+R2L(n-2v1v2v3v4)) FUNC PN_3(nv1v2v3v4) PN_2(nv1v2v3v4) +(R1L(n-2v1v2v3v4)+R2R(n-2v1v2v3v4))(R1R(n-3v1v2v3v4)+R2L(n-3v1v2v3v4)) FUNC PN_4(nv1v2v3v4) PN_3(nv1v2v3v4) +(R1L(n-3v1v2v3v4)+R2R(n-3v1v2v3v4))(R1R(n-4v1v2v3v4)+R2L(n-4v1v2v3v4)) FUNC PN_5(nv1v2v3v4) PN_4(nv1v2v3v4) +(R1L(n-4v1v2v3v4)+R2R(n-4v1v2v3v4))(R1R(n-5v1v2v3v4)+R2L(n-5v1v2v3v4)) FUNC PN1(nv1v2v3v4) (R2L(nv1v2v3v4) +R1R(nv1v2v3v4))(R2R(n+1v1v2v3v4)+R1L(n+1v1v2v3v4)) FUNC PN2(nv1v2v3v4) PN1(nv1v2v3v4) +(R2L(n+1v1v2v3v4)+R1R(n+1v1v2v3v4))(R2R(n+2v1v2v3v4)+R1L(n+2v1v2v3v4)) FUNC PN3(nv1v2v3v4) PN2(nv1v2v3v4) +(R2L(n+2v1v2v3v4)+R1R(n+2v1v2v3v4))(R2R(n+3v1v2v3v4)+R1L(n+3v1v2v3v4)) FUNC PN4(nv1v2v3v4) PN3(nv1v2v3v4) +(R2L(n+3v1v2v3v4)+R1R(n+3v1v2v3v4))(R2R(n+4v1v2v3v4)+R1L(n+4v1v2v3v4)) FUNC PN5(nv1v2v3v4) PN4(nv1v2v3v4) +(R2L(n+4v1v2v3v4)+R1R(n+4v1v2v3v4))(R2R(n+5v1v2v3v4)+R1L(n+5v1v2v3v4)) FUNC PSUM(nv1v2v3v4) PN_5(nv1v2v3v4)+PN_4(nv1v2v3v4)+PN_3(nv1v2v3v4)+PN_2(nv1v2v3v4) ++PN_1(nv1v2v3v4)+1+PN1(nv1v2v3v4)+PN2(nv1v2v3v4)+PN3(nv1v2v3v4) ++PN4(nv1v2v3v4)+PN5(nv1v2v3v4)

59

caacutelculo da corrente da fonte para o dreno FUNC CUR(nv1v2v3v4) PN_5(nv1v2v3v4)(R1R(n-5v1v2v3v4)-R1L(n-5v1v2v3v4)) ++PN_4(nv1v2v3v4)(R1R(n-4v1v2v3v4)-R1L(n-4v1v2v3v4)) ++PN_3(nv1v2v3v4)(R1R(n-3v1v2v3v4)-R1L(n-3v1v2v3v4)) ++PN_2(nv1v2v3v4)(R1R(n-2v1v2v3v4)-R1L(n-2v1v2v3v4)) ++PN_1(nv1v2v3v4)(R1R(n-1v1v2v3v4)-R1L(n-1v1v2v3v4)) ++(R1R(nv1v2v3v4)-R1L(nv1v2v3v4)) ++PN1(nv1v2v3v4)(R1R(n+1v1v2v3v4)-R1L(n+1v1v2v3v4)) ++PN2(nv1v2v3v4)(R1R(n+2v1v2v3v4)-R1L(n+2v1v2v3v4)) ++PN3(nv1v2v3v4)(R1R(n+3v1v2v3v4)-R1L(n+3v1v2v3v4)) ++PN4(nv1v2v3v4)(R1R(n+4v1v2v3v4)-R1L(n+4v1v2v3v4)) ++PN5(nv1v2v3v4)(R1R(n+5v1v2v3v4)-R1L(n+5v1v2v3v4)) FUNC CURRENT(nv1v2v3v4) ECUR(nv1v2v3v4)(CSUMPSUM(nv1v2v3v4)(R1+R2)) caacutelculo da tensatildeo da ilha FUNC VOLT(nv1v2v3v4) PN_5(nv1v2v3v4)(n-5+Q(v1v2v3v4)) ++PN_4(nv1v2v3v4)(n-4+Q(v1v2v3v4)) ++PN_3(nv1v2v3v4)(n-3+Q(v1v2v3v4)) ++PN_2(nv1v2v3v4)(n-2+Q(v1v2v3v4)) ++PN_1(nv1v2v3v4)(n-1+Q(v1v2v3v4)) ++n+Q(v1v2v3v4) ++PN1(nv1v2v3v4)(n+1+Q(v1v2v3v4)) ++PN2(nv1v2v3v4)(n+2+Q(v1v2v3v4)) ++PN3(nv1v2v3v4)(n+3+Q(v1v2v3v4)) ++PN4(nv1v2v3v4)(n+4+Q(v1v2v3v4)) ++PN5(nv1v2v3v4)(n+5+Q(v1v2v3v4)) FUNC VOLTAGE(nv1v2v3v4) (ECSUM)VOLT(nv1v2v3v4)PSUM(nv1v2v3v4) E1 5 0 VALUE= VOLTAGE(N_OPT(V(1)V(2)V(3)V(4))V(1)V(2)V(3)V(4)) Tensatildeo da ilha G1 1 2 VALUE= CURRENT(N_OPT(V(1)V(2)V(3)V(4))V(1)V(2)V(3)V(4)) Corrente da fonte para o dreno CT1 1 5 C1 CT2 2 5 C2 CGATE1 3 5 CG1 CGATE2 4 5 CG2 ENDS SET

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vii

ABSTRACT

COMPARATIVE ANALYSIS BETWEEN CARBON NANOTUBE

INTERCONNECTS AND COPPER INTERCONNECTS FOR GSITSI

CIRCUITS

Author Camila Peixoto da Silva Madeira Nogueira

Supervisor Janaina Gonccedilalves Guimaratildees

Programa de Poacutes-Graduaccedilatildeo em Engenharia de Sistemas Eletrocircnicos e de Automaccedilatildeo

Brasiacutelia September 2012

In this work carbon nanotubes as possible candidates to replace copper as interconnects in

GSI and TSI integrated circuits are studied The circuit model of SWCNT (single-walled

carbon nanotube) and of copper are presented and a comparison between both materials is

studied considering different interconnect lengths In addition interconnects effect is

analyzed in the H-tree clock network using inverters in its ends The inverters are formed

by mono-electron tunneling devices For this purpose the interconnects will be simulated

using LTSPICE software

viii

SUMAacuteRIO

1 INTRODUCcedilAtildeO 1

11 OBJETIVOS 2

12 ORGANIZACcedilAtildeO 2

2 FUNDAMENTACcedilAtildeO TEOacuteRICA 3

21 INTERCONEXOtildeES 14

211 Limitaccedilotildees do cobre em relaccedilatildeo ao CNT 3

212 Caracteriacutesticas do CNT 3

213 Modelos de Interconexatildeo 6

2131 Modelo de interconexatildeo de SWCNT isolado 6

2132 Modelo de interconexatildeo de SWCNT bundle 8

2133 Modelo de interconexatildeo de cobre 11

22 INVERSOR MONO-ELEacuteTRON 14

221 Dispositivo de tunelamento mono-eleacutetron 14

222 Estrutura do inversor mono-eleacutetron 18

23 CLOCKING DE SISTEMAS DE ALTA VELOCIDADE 19

231 H-tree clock 21

24 MEDIDAS DE DESEMPENHO NA ANAacuteLISE DAS INTERCONEXOtildeES 22

241 Velocidade maacutexima - anaacutelise na frequecircncia 22

242 Atenuaccedilatildeo 23

243 Tempo de atraso 23

244 Potecircncia dissipada 23

245 Produto atraso-potecircncia 24

246 Slew rate 24

25 LTSPICE 24

3 METODOLOGIA 26

31 INTRODUCcedilAtildeO 26

32 ETAPAS E ESTRATEacuteGIAS ADOTADAS 26

321 Simulaccedilatildeo das interconexotildees 26

322 Simulaccedilatildeo do inversor mono-eleacutetron 28

323 Simulaccedilatildeo do H-tree clock mono-eleacutetron 28

ix

4 RESULTADOS E ANAacuteLISES 31

41 INTRODUCcedilAtildeO 31

42 ANAacuteLISE DAS INTERCONEXOtildeES 31

421 Interconexotildees Locais 31

422 Interconexotildees Intermediaacuterias 35

43 SIMULACcedilAtildeO DO INVERSOR MONO-ELEacuteTRON 37

44 ANAacuteLISE DAS INTERCONEXOtildeES NO H-TREE CLOCK MONO-ELEacuteTRON 39

441 Anaacutelise da rede com interconexotildees ideais 39

442 Anaacutelise da rede com interconexotildees natildeo-ideais 41

4421 Anaacutelise da rede a 10 GHz 41

4422 Anaacutelise da rede a 100 GHz 42

443 Consideraccedilotildees Finais 44

5 CONCLUSOtildeES 46

6 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS 47

7 APEcircNDICES 53

71 TABELAS COMPLEMENTARES 53

8 ANEXOS 57

81 COacuteDIGO SPICE DO SET [44] 57

x

LISTA DE FIGURAS

Figura 21 Estrutura de uma lacircmina de grafeno (esquerda) do SWCNT (meio) e do

MWCNT (direita) [13] 4

Figura 22 Estrutura do SWCNT bundle [16] 4

Figura 23 Estrutura do (i) armchair (ii) zig-zag e (iii) quiral [24] 5

Figura 24 Modelo de interconexatildeo do SWCNT isolado (modificado de [33]) 8

Figura 25 Separaccedilatildeo miacutenima entre CNTs devido agrave forccedila de Van der Waals (modificado de

[13]) 9

Figura 26 Nuacutemero de CNTs ao longo da largura (nW) e da altura (nH) do CNT bundle

[13] 10

Figura 27 Modelo de interconexatildeo de cobre 13

Figura 28 Siacutembolo e tabela verdade da porta NOT 14

Figura 29 Dois eletrodos separados por uma ilha [10] 15

Figura 210 Esquemaacutetico da junccedilatildeo-tuacutenel [10] 15

Figura 211 Diagramas de energia (a) Bloqueio de Coulomb (b) Tunelamento mono-

eleacutetron [10] 16

Figura 212 Caracteriacutestica do bloqueio de Coulomb [10] 17

Figura 213 Transistor mono-eleacutetron [10] 18

Figura 214 Caracteriacutestica corrente(I) versus tensatildeo (Vg) do transistor mono-eleacutetron [10] 18

Figura 215 Esquemaacutetico do inversor utilizando SETs (modificado de [4]) 19

Figura 216 Estruturas comuns de redes de distribuiccedilatildeo de clock [45] 20

Figura 217 Esquemaacutetico do H-tree clock simeacutetrico (modificado de [46]) 21

Figura 218 Graacutefico do moacutedulo do ganho pela frequumlecircncia tiacutepico do comportamento de

interconexotildees 22

Figura 31 Circuito simulado para cada interconexatildeo 27

Figura 32 Fluxograma das etapas seguidas na simulaccedilatildeo das interconexotildees 28

Figura 33 Esquemaacutetico do H-tree clock com os comprimentos de cada seguimento 29

Figura 34 Fluxograma das etapas seguidas na simulaccedilatildeo do H-tree clock 30

Figura 41 Frequecircncia versus comprimento das interconexotildees locais 32

Figura 42 Graacuteficos da magnitude das interconexotildees de SWCNT isolado (superior)

SWCNT bundle (meio) e cobre (inferior) com comprimento de 100nm 34

Figura 43 Frequecircncia versus comprimento das interconexotildees intermediaacuterias 35

xi

Figura 44 Esquemaacutetico do SET e os valores de seus paracircmetros 37

Figura 45 Esquemaacutetico do inversor mono-eleacutetron e os valores de seus paracircmetros

(modificado de [4]) 38

Figura 46 Curva do sinal de entrada (em verde) e do sinal de saiacuteda (em preto) do inversor

mono-eleacutetron 38

Figura 47 Sinal de entrada (em verde) e sinal de saiacuteda (em preto) da rede a 10 GHz 40

Figura 48 Sinal de entrada (em verde) e sinal de saiacuteda (em preto) da rede a 100 GHz 40

Figura 49 Sinal de entrada (em verde) e sinal de saiacuteda (em preto) da rede a 100 GHz para

a interconexatildeo 500nm1microm de cobre 44

xii

LISTA DE TABELAS

Tabela 41 Frequecircncia em -3dB de cada material para lCNT le λCNT 32

Tabela 42 Estudo das interconexotildees com comprimentos na faixa lCNT le λCNT 33

Tabela 43 Estudo das interconexotildees SWCNT bundle e cobre com comprimentos na faixa

lCNT le λCNT 33

Tabela 44 Frequecircncia em -3dB de cada material para lCNT gt λCNT 36

Tabela 45 Estudo das interconexotildees com comprimentos na faixa lCNT gt λCNT 36

Tabela 46 Estudo das interconexotildees SWCNT bundle e cobre com comprimentos na faixa

lCNT gt λCNT 37

Tabela 47 Caracteriacutesticas dos sinais de saiacuteda da rede para interconexotildees ideais 39

Tabela 48 Potecircncia dissipada por cada porta inversora para interconexotildees ideais 40

Tabela 49 Frequecircncia em -3dB na entrada da inversora para interconexotildees natildeo-ideais 41

Tabela 410 Niacuteveis loacutegicos tempo de subida e slew rate dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 10 GHz 42

Tabela 411 Atenuaccedilatildeo atraso potecircncia e produto atraso-potecircncia dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 10 GHz 42

Tabela 412 Niacuteveis loacutegicos tempo de subida e slew rate dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 100 GHz 43

Tabela 413 Atenuaccedilatildeo atraso potecircncia e produto atraso-potecircncia dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 100 GHz 43

Tabela 71 Paracircmetros obtidos a partir do modelo de SWCNT isolado 53

Tabela 72 Paracircmetros obtidos a partir do modelo de SWCNT bundle 53

Tabela 73 Paracircmetros obtidos a partir do modelo de cobre 54

Tabela 74 Frequecircncia em -3dB das interconexotildees locais 55

Tabela 75 Frequecircncia em -3dB das interconexotildees intermediaacuterias 56

xiii

LISTA DE SIacuteMBOLOS NOMENCLATURA ABREVIACcedilOtildeES

CNT ndash Carbon nanotube

CVD ndash Chemical Vapor Deposition

GSI ndash Giga Scale Integration

ITRS ndash International Technology Roadmap for Semiconductors

LTSPICE ndash Linear Technology SPICE simulator

MWCNT ndash Multi-walled carbon nanotube

SET ndash Singe-electron transistor

SPICE ndash Simulated Program with Integrated Circuits Emphasis

SWCNT ndash Single-walled carbon nanotube

TSI ndash Tera Scale Integration

1

1 INTRODUCcedilAtildeO

O crescimento da microeletrocircnica e a consequumlente miniaturizaccedilatildeo dos circuitos integrados

foram previstos por Gordon Moore que enunciou que o nuacutemero de transistores em um

circuito integrado dobraria a cada 18 meses considerando a mesma aacuterea e custo previsatildeo

conhecida como Lei de Moore Devido aos problemas enfrentados pelos dispositivos

microeletrocircnicos gerados especialmente pelos efeitos quacircnticos que anteriormente eram

desprezados novas tecnologias como a nanoeletrocircnica vecircm sendo estudadas para dar

continuidade a esse processo de miniaturizaccedilatildeo dos dispositivos [1-10]

Aleacutem disso a miniaturizaccedilatildeo de circuitos integrados tem resultado em grandes desafios no

projeto de interconexotildees que satildeo responsaacuteveis principalmente pelo carregamento da

tensatildeo de alimentaccedilatildeo de cada transistor e pela distribuiccedilatildeo dos sinais de dados As

limitaccedilotildees das interconexotildees as quais podem provocar uma desaceleraccedilatildeo nos progressos

alcanccedilados ateacute hoje pela induacutestria de semicondutores satildeo fatores preocupantes Como

limitaccedilotildees das interconexotildees eacute importante citar o aumento da sua resistividade aumento da

capacitacircncia de acoplamento entre vias dificuldades no controle das suas dimensotildees entre

outras

Assim o estudo aprofundado das interconexotildees levando em consideraccedilatildeo principalmente

seu desempenho eacute de fundamental importacircncia [11-13] Novas tecnologias estatildeo sendo

estudadas para superar as limitaccedilotildees das interconexotildees de cobre no circuito como a

resistividade eleacutetrica e a resistecircncia agrave eletromigraccedilatildeo principalmente em tecnologias

abaixo de 45nm As interconexotildees oacuteticas as interconexotildees de radio frequumlecircncia ou sem fio

e as interconexotildees de nanotubo de carbono (CNT) satildeo algumas candidatas a substituir as

interconexotildees de cobre as quais satildeo as interconexotildees mais utilizadas atualmente [13-17]

Dentre essas possibilidades os CNTs possuem grandes vantagens para interconexotildees em

circuitos integrados em escala GSI (Giga Scale Integration) e TSI (Tera Scale Integration)

[18-20] Eles satildeo considerados soluccedilotildees eficientes para melhorar as limitaccedilotildees do cobre

previstas pelo ITRS (International Technology Roadmap for Semiconductors) [21] como

atraso dissipaccedilatildeo de potecircncia e resistecircncia agrave eletromigraccedilatildeo

2

11 OBJETIVOS

O objetivo desta dissertaccedilatildeo eacute fazer um estudo comparativo entre o desempenho das

interconexotildees de nanotubo de carbono e das interconexotildees de cobre Com esse intuito

preliminarmente o desempenho das interconexotildees de SWCNT (do inglecircs single-walled

carbon nanotube) de SWCNT bundle (vaacuterios SWCNTs dispostos em paralelo como uma

corda) e de cobre seraacute comparado considerando diferentes comprimentos das

interconexotildees

Por fim o efeito das interconexotildees de SWCNT bundle e de cobre seraacute analisado na rede H-

tree clock com inversores mono-eleacutetron em seus terminais tambeacutem para diferentes

comprimentos Assim seraacute possiacutevel analisar se os nanotubos de carbono poderatildeo substituir

o cobre em interconexotildees em circuitos integrados GSI e TSI

12 ORGANIZACcedilAtildeO

No capiacutetulo 2 satildeo apresentados os conceitos fundamentais necessaacuterios agrave correta

compreensatildeo desta pesquisa Seratildeo abordados conceitos referentes agraves interconexotildees de

CNT e cobre aos dispositivos de tunelamento mono-eleacutetron e agrave estrutura do H-tree clock

O capiacutetulo 3 descreve a metodologia utilizada agrave realizaccedilatildeo do objeto de pesquisa desta

dissertaccedilatildeo Assim seratildeo apresentadas as etapas que foram seguidas para analisar o efeito

das interconexotildees em circuitos com transistores mono-eleacutetron

No capiacutetulo 4 os resultados e anaacutelises das simulaccedilotildees das interconexotildees ideais e natildeo-

ideais considerando o SWCNT SWCNT bundle e o cobre satildeo apresentados As

interconexotildees satildeo analisadas tambeacutem nos circuitos H-tree clock

O capiacutetulo 5 apresenta as conclusotildees e as recomendaccedilotildees para trabalhos futuros

3

2 FUNDAMENTACcedilAtildeO TEOacuteRICA

21 INTERCONEXOtildeES

211 Limitaccedilotildees do cobre em relaccedilatildeo ao CNT

As interconexotildees de cobre sofrem inuacutemeros problemas indesejados que aumentam agrave

medida que as interconexotildees diminuem de tamanho Essa diminuiccedilatildeo de tamanho resulta

em interconexotildees menos eficientes no maior consumo de potecircncia e no aumento da

densidade de corrente transportada por cada interconexatildeo [22] De acordo com o ITRS

[21] a densidade de corrente pode atingir valores na ordem de 107 Acm

2 Este valor soacute eacute

suportado por CNTs uma vez que satildeo capazes de suportar densidades de corrente na

ordem de 1010

Acm2 [1317]

Os CNTs tecircm provocado grande interesse nos cientistas desde a sua descoberta em 1991

por Iijima devido agraves excelentes propriedades eleacutetricas teacutermicas e mecacircnicas que possuem

Suas propriedades eleacutetricas permitem que suportem densidades de ateacute 1010

Acm2 sendo

que o cobre suporta densidades inferiores a 107 Acm

2 [1317] O caminho meacutedio livre do

CNT eacute superior ao do cobre o que possibilita um transporte baliacutestico por uma ampla gama

de extensatildeo e isso resulta em uma resistividade menor do CNT [13-17] Aleacutem disso a alta

condutividade teacutermica do CNT que eacute outra limitaccedilatildeo do cobre eacute de fundamental

importacircncia na aplicaccedilatildeo em interconexotildees Essas propriedades possibilitam uma

toleracircncia do CNT agrave eletromigraccedilatildeo a qual eacute uma grande limitaccedilatildeo no desempenho das

interconexotildees de cobre [131719]

212 Caracteriacutesticas do CNT

Os nanotubos de carbono podem ser formados por uma lacircmina de grafeno enrolada

conhecida como SWCNT (single-walled carbon nanotube) ou por vaacuterios tubos

concecircntricos formando uma multicamada conhecida por MWCNT (multi-walled carbon

nanotube) [2324] A Figura 21 ilustra a estrutura de uma lacircmina de grafeno do SWCNT e

do MWCNT

4

Figura 21 ndash Estrutura de uma lacircmina de grafeno (esquerda) do SWCNT (meio) e do

MWCNT (direita) [13]

Eacute importante destacar que os MWCNTs satildeo menos favoraacuteveis para o uso em

interconexotildees jaacute que eles apresentam caminho meacutedio livre menor que os SWCNTs

[1317] Como a resistecircncia de um uacutenico SWCNT pode ter valores altos eacute necessaacuteria a

uniatildeo de vaacuterios dispostos em paralelo como uma corda chamado de bundle para diminuir

o valor da resistecircncia equivalente da interconexatildeo [1315] A Figura 22 ilustra a estrutura

do SWCNT bundle [16]

Figura 22 ndash Estrutura do SWCNT bundle [16]

Dependendo de como a lacircmina eacute enrolada que resulta no acircngulo quiral e nos iacutendices

quirais de sua estrutura o nanotubo pode ser metaacutelico ou semicondutor [131419] Os

iacutendices quirais satildeo identificados por (mn) O nanotubo seraacute metaacutelico quando a diferenccedila

entre os iacutendices quirais for um muacuteltiplo inteiro de 3 e seraacute semicondutor nos outros casos

[13] A estrutura eacute chamada de zig-zag quando m ou n eacute igual a zero podendo ser metaacutelica

ou semicondutora Quando m=n a estrutura eacute denominada armchair sendo sempre

metaacutelica Nos outros casos a estrutura eacute conhecida como quiral e pode ser metaacutelica ou

semicondutora [24] A Figura 23 mostra as estruturas do armchair zig-zag e quiral [24]

5

Figura 23 ndash Estrutura do (i) armchair (ii) zig-zag e (iii) quiral [24]

De acordo com [22] o crescimento dos CNTs geralmente eacute realizado atraveacutes de um dos

seguintes meacutetodos descarga por arco eleacutetrico ablaccedilatildeo a laser e deposiccedilatildeo quiacutemica a vapor

do inglecircs chemical vapor deposition ndash CVD O processo de descarga por arco eleacutetrico tem

sido desenvolvido para preparar MWCNTs e SWCNTs de alta qualidade Neste processo

aacutetomos de carbono satildeo evaporados com um gaacutes de plasma inerte caracterizado por altas

correntes eleacutetricas que passam entre os eletrodos opostos de carbono (caacutetodo e acircnodo)

Normalmente o acircnodo do carbono conteacutem uma pequena porcentagem de catalisador de

metal como o cobalto niacutequel ou ferro Jaacute o meacutetodo de ablaccedilatildeo a laser utiliza um pulso

duplo de lasers para evaporar varetas de grafite dopadas com uma mistura de cobalto e

niacutequel em poacute colocado em um tubo aquecido a temperatura elevada seguido de um

tratamento teacutermico a vaacutecuo

Apesar dos meacutetodos de descarga por arco eleacutetrico e ablaccedilatildeo a laser produzir grandes

quantidades de CNTs de alta qualidade e oferecer uma ampla disponibilidade de CNTs

para estudos e possiacuteveis aplicaccedilotildees existem vaacuterias preocupaccedilotildees associadas com estes dois

meacutetodos de crescimento [22] Dessa forma os meacutetodos de CVD satildeo bastante usados no

crescimento de CNTs com aplicaccedilatildeo em eletrocircnica incluindo interconexotildees [1322] O

processo de crescimento CVD envolve o aquecimento do catalisador a uma temperatura

elevada e a introduccedilatildeo de gaacutes de hidrocarboneto ou de monoacutexido de carbono para dentro

6

do reator O mecanismo de crescimento do CNT tem sido considerado como um processo

de dissociaccedilatildeo-difusatildeo-precipitaccedilatildeo em que o carbono eacute formado sobre a superfiacutecie de

uma partiacutecula de metal seguida de difusatildeo e precipitaccedilatildeo sob a forma de grafeno ciliacutendrico

[22]

213 Modelos de Interconexatildeo

Para realizar uma comparaccedilatildeo por simulaccedilatildeo entre o desempenho do CNT e do cobre

modelos equivalentes de circuito de interconexotildees que reproduzam com fidelidade o seu

comportamento fiacutesico satildeo necessaacuterios Com esse intuito eacute fundamental que os fatores que

interferem no desempenho das interconexotildees como resistecircncia indutacircncia capacitacircncia e

comprimento sejam considerados A partir do estudo desses modelos eacute possiacutevel verificar

se as interconexotildees de CNT poderatildeo substituir as de cobre e os casos em que isso eacute

possiacutevel

2131 Modelo de interconexatildeo do SWCNT isolado

A resistecircncia de um SWCNT isolado eacute composta por ateacute trecircs partes resistecircncia de contato

entre o metal e o nanotubo (Rc) resistecircncia quacircntica (Rq) e resistecircncia de espalhamento

(Rs) [192325] As resistecircncias de contato e quacircntica satildeo independentes do comprimento

do nanotubo Jaacute a resistecircncia de espalhamento depende do comprimento do nanotubo [26-

31]

Quando o comprimento do SWCNT eacute menor ou igual ao caminho meacutedio livre (lCNT le

λCNT) que eacute tipicamente 1 microm o transporte de eleacutetrons eacute essencialmente baliacutestico e a

resistecircncia independe do comprimento do nanotubo [1332] No entanto quando o

comprimento do SWCNT eacute maior que o caminho meacutedio livre (lCNT gt λCNT) haacute uma

resistecircncia adicional que depende do comprimento do SWCNT e eacute chamada de resistecircncia

de espalhamento [13-15] Assim a resistecircncia total eacute dada pela equaccedilatildeo (21) em que lCNT

eacute o comprimento do nanotubo de carbono

CNTCNT

CNTCNT

CNTlseRsRqRc

lseRqRcR

(21)

7

A resistecircncia de contato pode chegar ao valor de 100 kΩ [131533] Contudo essa

resistecircncia em nanotubos de carbono com diacircmetro maior que 1nm estaacute na ordem de

poucos kilo ohms ou ateacute mesmo centenas de ohms [1316] Neste trabalho considerou-se o

contato metal-nanotubo como sendo perfeito ou seja Rc = 0

A resistecircncia quacircntica e a de espalhamento satildeo descritas pelas equaccedilotildees (22) e (23)

respectivamente onde e eacute a carga do eleacutetron e h eacute a constante de Plank A resistecircncia

quacircntica (Rq) eacute igualmente dividida em cada lado dos contatos metal-nanotubo [13-

173435]

ke

hRq 456

4 2 (22)

CNT

CNTl

e

hRs

24 (23)

O movimento de eleacutetrons transportados por um condutor eacute modelado pela indutacircncia que

consiste na indutacircncia magneacutetica e cineacutetica [1316] No SWCNT a indutacircncia magneacutetica eacute

calculada considerando que o CNT eacute um fio muito fino com diacircmetro d e estaacute

posicionado a uma distacircncia y do plano ligado ao terra A indutacircncia cineacutetica eacute calculada

pela equaccedilatildeo da energia cineacutetica armazenada em cada canal condutor do CNT para uma

indutacircncia efetiva [141535] Assim a indutacircncia magneacutetica (LM) e a cineacutetica (LK) podem

ser calculadas pelas equaccedilotildees (24) e (25) respectivamente

d

yLM ln

2

(24)

F

Kve

hL

22 (25)

Para d = 1nm e y = 1microm LM = 14pHmicrom [141529] Como vF eacute a velocidade de Fermi

cujo valor eacute dado por 8x105 ms para o CNT o valor da indutacircncia cineacutetica eacute LK =

16nHmicrom [13-1635] Sabendo que cada CNT tem quatro canais condutores em paralelo

que natildeo interagem entre si a indutacircncia cineacutetica efetiva eacute dada por LK4 [13-15] Uma boa

aproximaccedilatildeo da indutacircncia total do CNT (LCNT) eacute 4 nHmicrom [15]

8

Por fim a capacitacircncia de um SWCNT isolado eacute constituiacuteda por duas partes que satildeo a

capacitacircncia eletrostaacutetica (CE) e a quacircntica (CQ) [13-1735] Essas capacitacircncias satildeo

calculadas pelas equaccedilotildees (26) e (27)

d

yCE

ln

2 (26)

F

Qhv

eC

22 (27)

A capacitacircncia eletrostaacutetica eacute influenciada pelo ambiente que a envolve que satildeo os seus

vizinhos e o plano ligado ao terra Considerando que o CNT eacute um fio com diacircmetro d =

1nm e a distacircncia y = 1microm obteacutem-se CE = 30 aFmicrom Jaacute a capacitacircncia quacircntica se refere agrave

influecircncia da energia quacircntica armazenada no nanotubo quando este carrega corrente O

valor da capacitacircncia eacute CQ = 100 aFmicrom [1314] Considerando os quatro canais condutores

descritos anteriormente a capacitacircncia total eacute dada por (28)

QE

QE

CNTCC

CCC

4

4

(28)

Assim o esquemaacutetico da interconexatildeo de um SWCNT isolado eacute mostrado na Figura 24

abaixo

Figura 24 ndash Modelo de interconexatildeo do SWCNT isolado (modificado de [33])

2132 Modelo de interconexatildeo do SWCNT bundle

O SWCNT bundle possui resistecircncia equivalente menor que o SWCNT isolado

caracteriacutestica necessaacuteria para alcanccedilar performances comparaacuteveis agraves interconexotildees de

9

cobre [13-2023252629-38] O SWCNT bundle eacute composto por vaacuterios SWCNTs

empacotados em paralelo Assume-se que todos os SWCNTs satildeo idecircnticos metaacutelicos e que

cada um tem o mesmo potencial [1737] Sabendo que d eacute o diacircmetro do nanotubo de

carbono e x eacute a distacircncia entre os centros de dois nanotubos adjacentes o SWCNT bundle

pode ser empacotado de forma densa se x = d ou de forma esparsa se x gt d [13-1529-

32] Sabe-se que entre os nanotubos existe uma separaccedilatildeo δmin devido agrave forccedila de Van der

Waals que eacute de pelo menos 032 nm entre cada nanotubo [13] como mostra a Figura 25

Figura 25 ndash Separaccedilatildeo miacutenima entre CNTs devido agrave forccedila de Van der Waals (modificado

de [13])

O nuacutemero de nanotubos de carbono nCNT disponiacutevel pode ser calculado pelas expressotildees

dadas em (29) e (210) [141530]

iacutemparnsen

nn

parnsen

nn

n

HH

HW

HH

HW

CNT

2

1

2

(29)

1

23

x

dtn

x

dwn HW (210)

Nas expressotildees acima w eacute a largura e t eacute a altura da interconexatildeo de SWCNT bundle

Assim nW eacute o nuacutemero de CNTs ao longo da largura do SWCNT bundle e nH eacute o nuacutemero de

CNTs ao longo da altura do SWCNT bundle [13-1530] A Figura 26 mostra esses valores

[13]

10

Figura 26 ndash Nuacutemero de CNTs ao longo da largura (nW) e da altura (nH) do CNT

bundle[13]

Na tecnologia de 22 nm considerando as dimensotildees de 22 nm de largura e 44 nm de altura

do SWCNT bundle [13173437] e a separaccedilatildeo entre cada nanotubo devido agrave forccedila de Van

der Waals a quantidade de SWCNTs eacute aproximadamente 600 Neste trabalho estas

consideraccedilotildees foram feitas e a tecnologia de 22 nm foi utilizada Esta tecnologia eacute prevista

pelo ITRS para o ano de 2016 [21]

As resistecircncias de cada SWCNT estatildeo em paralelo entre elas assim como as indutacircncias

Assim a resistecircncia e a indutacircncia do SWCNT bundle com nCNT SWCNTs satildeo calculados

respectivamente pelas expressotildees (211) e (212) [1323252629-3234]

CNT

CNTbundle

n

RR (211)

CNT

CNTbundle

n

LL (212)

Considerando que todos os SWCNTs estatildeo no mesmo potencial que os contatos entre

todos os nanotubos de carbono em um bundle satildeo idecircnticos e que cada SWCNT tem o

mesmo caminho meacutedio livre [13] eacute possiacutevel assumir que a interaccedilatildeo entre CNTs

adjacentes de um SWCNT bundle eacute fraca e que eles carregam correntes independentes

umas das outras [13-17]

A capacitacircncia do SWCNT bundle eacute obtida a partir da combinaccedilatildeo da capacitacircncia

quacircntica de todos os SWCNTs em paralelo chamada de capacitacircncia quacircntica bundle

(CQbundle

) que estaacute em seacuterie com a capacitacircncia eletrostaacutetica (CEbundle

) [13143539] A

capacitacircncia quacircntica e a capacitacircncia eletrostaacutetica satildeo calculadas pelas equaccedilotildees (213) e

(214) em que CEn e CEf satildeo as capacitacircncias de placas paralelas de CNTs isolados em

11

relaccedilatildeo aos vizinhos proacuteximos e afastados respectivamente [14293032] Assim a

capacitacircncia total do SWCNT bundle eacute obtida pela equaccedilatildeo (215)

CNT

CNT

Q

bundle

Q nCC (213)

En

HEf

WEn

bundle

E Cn

Cn

CC5

23

2

22

(214)

bundle

Q

bundle

E

bundle

Q

bundle

E

bundleCC

CCC

(215)

Analisando a equaccedilatildeo (215) o efeito da CQbundle

eacute pequeno para grandes valores de nCNT

sendo o valor da capacitacircncia do SWCNT bundle aproximadamente igual agrave sua

capacitacircncia eletrostaacutetica [13161719] Srivastava et al [13] mostra que os nanotubos no

interior do SWCNT bundle satildeo blindados eletrostaticamente dos condutores de terra

podendo ser desprezados Os CNTs de borda satildeo os principais contribuidores para a

capacitacircncia eletrostaacutetica do SWCNT bundle No entanto a equaccedilatildeo (214) natildeo reproduz

fielmente a realidade jaacute que considera a capacitacircncia eletrostaacutetica de todos os nanotubos e

natildeo soacute os CNTs de borda Segundo o mesmo autor para a tecnologia de 22 nm e uma

constante dieleacutetrica igual a 2 a capacitacircncia total do SWCNT bundle eacute aproximadamente

135 aFμm

2133 Modelo de interconexatildeo do cobre

As propriedades fiacutesicas de interconexotildees de cobre podem ser descritas por resistecircncia

capacitacircncia e indutacircncia [14-16] A resistecircncia do cobre pode ser calculada utilizando a

equaccedilatildeo (216)

tw

lRCu

(216)

em que l eacute o comprimento do cobre w eacute a sua largura t eacute a sua altura e ρ eacute a sua

resistividade A resistividade do cobre em escala nanomeacutetrica eacute moldada pela combinaccedilatildeo

dos fenocircmenos de espalhamento superficial e de espalhamento de contorno

[151627283340] Estes fenocircmenos correspondem aos paracircmetros ρFS e ρMS propostos

12

por Fuchs e Sondheimer (ρFS) e por Mayadas e Shatzkes (ρMS) [1516] Estes paracircmetros

satildeo calculados pelas expressotildees (217) (218) e (219)

)1(

4

31 p

w

o

o

FS

(217)

11ln33

2

31 22

MS

o (218)

)1( R

R

D

o

(219)

O paracircmetro ρo eacute a resistividade do material λo eacute o caminho meacutedio livre p eacute o paracircmetro

de espalhamento de Fuchs D eacute o tamanho meacutedio e R eacute o coeficiente de reflexatildeo no

contorno com valores entre 0 e 1 Assim tem-se que a resistecircncia do cobre em escala

nanomeacutetrica eacute dada pela equaccedilatildeo (220) [1516]

tw

lR MSFS

Cu

(220)

De acordo com [1433] o valor da resistividade do cobre na tecnologia de 22nm para

interconexotildees locais eacute dado por 4666 μΩ-cm No entanto este valor da resistividade do

cobre chega a 58 μΩ-cm para valores miacutenimos da largura do fio [1516203940] Neste

trabalho seraacute utilizado o valor de 58 μΩ-cm para a resistividade do cobre na tecnologia de

22 nm que vai ao encontro dos requerimentos do ITRS [21]

A indutacircncia proacutepria (L) e a muacutetua (M) da interconexatildeo de cobre em escala nanomeacutetrica

satildeo obtidas usando respectivamente as expressotildees (221) e (222)

l

tw

tw

llL o )(220

2

12ln

2

(221)

l

s

s

llM o 1

2ln

2

(222)

em que t eacute a altura do fio microo eacute a permeabilidade e s eacute o espaccedilamento entre os fios [14-16]

A indutacircncia total do cobre (LCu) eacute dada pela soma das indutacircncias proacutepria e muacutetua

13

A capacitacircncia da interconexatildeo de cobre eacute calculada pela soma da capacitacircncia de

acoplamento entre dois fios adjacentes (CC) e a capacitacircncia ligada ao plano do terra (Cg)

[14-16] Essas capacitacircncias podem ser obtidas pelas equaccedilotildees (223) e (224) [1541]

120760193

534511171

70222

ht

t

hs

s

hs

s

h

wCg (223)

181160141090

980871161

591740

062141

sh

h

sw

w

sw

w

sh

h

s

tCC (224)

em que s eacute o espaccedilamento entre dois fios adjacentes h eacute a distacircncia do fio em relaccedilatildeo ao

plano do terra e ε eacute a permissividade relativa para uma dada constante dieleacutetrica

Considerando as equaccedilotildees (223) e (224) e de acordo com [1321] para uma constante

dieleacutetrica igual a 2 o valor da capacitacircncia total do cobre (CCu) eacute aproximadamente 150

aFμm que seraacute utilizado neste trabalho

Os modelos em L em π e em T satildeo usados como modelos de interconexatildeo de cobre [11]

Como o modelo π eacute muito utilizado para uma linha distribuiacuteda [1416] este modelo seraacute

usado neste trabalho A Figura 27 mostra o modelo de interconexatildeo de cobre [11]

Figura 27 ndash Modelo de interconexatildeo de cobre

A precisatildeo do modelo eacute determinada pelo nuacutemero de seguimentos bdquoN‟ que ele possui Uma

cadeia com mais de trecircs segmentos em π fornece um erro menor que 3 [16] Neste

trabalho seratildeo utilizados trecircs segmentos em π

14

22 INVERSOR MONO-ELEacuteTRON

Os dispositivos de tunelamento mono-eleacutetron satildeo dispositivos nanoeletrocircnicos

potencialmente aplicaacuteveis em circuitos integrados em escala giga (GSI) e tera (TSI)

Apesar de apresentarem baixo ganho e alta impedacircncia de saiacuteda estes dispositivos

possuem tamanho reduzido e baixa dissipaccedilatildeo de potecircncia Estas caracteriacutesticas os tornam

atrativos em circuitos loacutegicos e circuitos de memoacuteria [1-10] Assim portas loacutegicas podem

ser implementadas utilizando dispositivos de tunelamento mono-eleacutetron [14-9]

As portas loacutegicas satildeo blocos de construccedilatildeo baacutesicos na eletrocircnica digital O inversor loacutegico

ou porta NOT eacute o principal elemento baacutesico no projeto de circuitos digitais [42] O

inversor inverte o sinal de entrada de valor loacutegico baixo ndash 0 ndash em um sinal de saiacuteda de

valor loacutegico alto ndash 1 ndash e vice-versa [442] Em outras palavras a porta NOT efetua a

negaccedilatildeo loacutegica O siacutembolo do inversor juntamente com sua tabela verdade estaacute ilustrado

na Figura 28

Figura 28 ndash Siacutembolo e tabela verdade da porta NOT

221 Dispositivo de tunelamento mono-eleacutetron

O funcionamento dos dispositivos de tunelamento mono-eleacutetron eacute baseado no controle do

movimento e da posiccedilatildeo de um uacutenico ou de um pequeno grupo de eleacutetrons no dispositivo

[17] Os seguintes conceitos satildeo essenciais na definiccedilatildeo desses dispositivos ilha junccedilatildeo-

tuacutenel tunelamento efeito de carregamento e bloqueio de Coulomb A partir desses

conceitos eacute possiacutevel definir o transistor mono-eleacutetron - SET (do inglecircs Single-electron

transistor) [24-8]

A ilha estaacute localizada entre duas paredes finas de um material normalmente isolante as

quais criam uma barreira de potencial de energia que impossibilita a movimentaccedilatildeo de

eleacutetrons pela ilha A Figura 29 mostra dois eletrodos A e B separados por uma barreira

15

isolante e no meio dessa barreira isolante encontra-se a ilha Se a energia dos eleacutetrons for

maior que a energia potencial das paredes das barreiras estes poderatildeo atravessaacute-las [6] No

dispositivo de tunelamento mono-eleacutetron o transporte de eleacutetrons entre o eletrodo A e a

ilha e entre a ilha e o eletrodo B ocorre por tunelamento mono-eleacutetron em que os eleacutetrons

atravessam as barreiras um de cada vez [10]

Figura 29 Dois eletrodos separados por uma ilha [10]

Esses dispositivos satildeo formados por junccedilotildees-tuacutenel que satildeo dois eletrodos metaacutelicos

separados por um isolante muito fino (barreira) o qual permite a passagem de eleacutetrons por

tunelamento [467] A Figura 210 ilustra a junccedilatildeo-tuacutenel e sua representaccedilatildeo simboacutelica Os

paracircmetros que caracterizam a junccedilatildeo-tuacutenel macroscopicamente satildeo a resistecircncia de

tunelamento (Rj) que depende da aacuterea e da espessura da barreira isolante e a capacitacircncia

(Cj) [10]

Figura 210 Esquemaacutetico da junccedilatildeo-tuacutenel [10]

O tunelamento eacute o transporte de partiacuteculas atraveacutes de uma regiatildeo em que a energia total de

uma partiacutecula pontual claacutessica eacute menor que a energia potencial da regiatildeo ou seja eacute o

transporte atraveacutes de uma regiatildeo classicamente proibida [10] O efeito de tunelamento

ocorre quando a barreira de potencial for suficientemente fina permitindo que o eleacutetron a

atravesse se houver niacutevel de energia desocupado do outro lado da barreira com o mesmo

valor de energia Esse fenocircmeno pode ser explicado pelo comportamento dual do eleacutetron

Diferentemente da mecacircnica claacutessica na teoria eletromagneacutetica quando uma partiacutecula

encontra uma barreira de potencial parte da onda eacute refletida e a outra parte eacute transmitida

para o outro lado da barreira [10] A teoria ortodoxa do tunelamento mono-eleacutetron eacute o

modelo mais utilizado para analisar o tunelamento [4-6] Proposto em 1987 por Averin e

Likharev [43] este modelo apresenta os seguintes postulados

16

Modelo de dimensatildeo zero as dimensotildees das ilhas satildeo despreziacuteveis

O evento de tunelamento eacute considerado instantacircneo

A redistribuiccedilatildeo das cargas apoacutes tunelamento tambeacutem eacute considerada instantacircnea

O espectro de energia em condutores e ilhas eacute considerado contiacutenuo ou seja a

quantizaccedilatildeo da energia do eleacutetron eacute ignorada dentro dos condutores

Apesar de a teoria ortodoxa assumir condiccedilotildees hipoteacuteticas ela continua sendo muito

utilizada em estudos do dispositivo mono-eleacutetron [4-6]

O efeito de carregamento ocorre quando os eleacutetrons estatildeo na iminecircncia de entrar em um

material condutor extremamente pequeno isolado eletricamente (ilha) Se houver um

eleacutetron na ilha o potencial eletrostaacutetico da ilha aumenta bastante sendo bem superior ao

ruiacutedo teacutermico em temperatura ambiente O fluxo de eleacutetrons na ilha eacute possiacutevel se o

potencial da ilha for controlado por uma fonte de tensatildeo externa Outros eleacutetrons satildeo

impedidos de entrar na ilha devido agrave repulsatildeo de Coulomb [14-9]

Assim o bloqueio de Coulomb ocorre quando um eleacutetron entra na ilha e impede o

tunelamento de outro eleacutetron nesta ilha No momento em que o eleacutetron entra na ilha a

energia eletrostaacutetica da ilha aumenta em Ce 22 em que CΣ eacute a soma das capacitacircncias

em torno da ilha [14] Dessa forma outro eleacutetron soacute conseguiraacute tunelar para dentro da ilha

se sua energia for maior que a energia eletrostaacutetica da ilha [6] A Figura 211 ilustra os

diagramas de energia no bloqueio de Coulomb e no caso de tunelamento [10]

(a) (b)

Figura 211 Diagramas de energia (a) Bloqueio de Coulomb (b) Tunelamento mono-

eleacutetron [10]

17

O bloqueio de Coulomb eacute superado ao se aplicar uma tensatildeo Vg ao circuito ateacute que esta

tensatildeo alcance um dado valor de limiar que forneceraacute energia suficiente para que ocorra o

tunelamento de um eleacutetron Assim haveraacute o fluxo de eleacutetrons havendo corrente A Figura

212 mostra a regiatildeo do bloqueio de Coulomb ao aplicar uma tensatildeo Vg ao circuito em que

Vc eacute a tensatildeo de limiar chamada de tensatildeo de bloqueio de Coulomb [5-10]

Figura 212 Caracteriacutestica do bloqueio de Coulomb [10]

Nesse contexto duas condiccedilotildees satildeo necessaacuterias para garantir que o transporte de eleacutetrons

seja controlado pelo efeito de carregamento a condiccedilatildeo para a resistecircncia de tunelamento

dada pela equaccedilatildeo (225) [1] em que a natureza corpuscular do eleacutetron predomina sobre a

natureza ondulatoacuteria e a energia eletrostaacutetica (EC) associada a uma dada temperatura (T)

deve ser significativamente maior que as flutuaccedilotildees teacutermicas existentes agravequela

temperatura como descrita na equaccedilatildeo (226) [146-9] Os paracircmetros h eacute a constante de

Planck e eacute a carga do eleacutetron kB eacute a constante de Boltzmann e C eacute capacitacircncia Na

equaccedilatildeo (226) a temperatura deve ser maior que 0K [10]

kRe

hR TT 825

2 (225)

TkC

eTkEc BB

2

2

(226)

A partir dos conceitos apresentados pode-se definir o transistor mono-eleacutetron O SET

ilustrado na Figura 213 [10] eacute composto por duas junccedilotildees-tuacutenel em seacuterie formando uma

ilha entre as junccedilotildees [246-9] Os paracircmetros R1 C1 e R2 C2 correspondem agraves

resistecircncias e capacitacircncias da primeira e da segunda junccedilatildeo-tuacutenel respectivamente A

tensatildeo de porta Vg controla a energia eletrostaacutetica da ilha atraveacutes da capacitacircncia Cg

18

Quando haacute carregamento por tunelamento de uma junccedilatildeo e descarregamento da outra

junccedilatildeo haacute um fluxo controlado de cargas o que gera a corrente I [10]

Figura 213 Transistor mono-eleacutetron [10]

Um efeito que pode ser observado na caracteriacutestica da corrente versus tensatildeo do transistor

mono-eleacutetron eacute chamado de oscilaccedilatildeo de Coulomb [24679] Se a tensatildeo V for mantida

constante com CeV e a tensatildeo Vg for aumentada ateacute atingir gg CeV 2 esse

valor de tensatildeo permitiraacute que um eleacutetron passe pela ilha Como soacute haveraacute corrente fluindo

no circuito em valores muacuteltiplos da tensatildeo gCe 2 soacute ocorreraacute o tunelamento novamente

quando )2(3 gg CeV A caracteriacutestica corrente (I) versus tensatildeo (Vg) do transistor

mono-eleacutetron eacute ilustrada na Figura 214 [10]

Figura 214 Caracteriacutestica corrente (I) versus tensatildeo (Vg) do transistor mono-eleacutetron [10]

222 Estrutura do inversor mono-eleacutetron

Um inversor pode ser construiacutedo colocando-se dois SETs em seacuterie os quais compartilham

da mesma entrada [5689] conforme mostrado na Figura 215 Vin eacute a tensatildeo de entrada

Vout eacute a tensatildeo de saiacuteda Vbias eacute a tensatildeo de polarizaccedilatildeo CC eacute a capacitacircncia de carga Cg1 e

Cg2 satildeo as capacitacircncias de porta do SET 1 e do SET 2 respectivamente

19

Figura 215 Esquemaacutetico do inversor utilizando SETs (modificado de [4])

Alguns modelos do SET desenvolvidos no software SPICE foram propostos na literatura

[4-7] Destes modelos o proposto por G Lientschnig et al [4] descreve a implementaccedilatildeo

completa da teoria ortodoxa e usa apenas os recursos em versotildees disponiacuteveis publicamente

do software SPICE Este modelo diferentemente dos modelos propostos em [5-7] natildeo estaacute

limitado a transistores mono-eleacutetron com junccedilotildees-tuacutenel que tecircm resistecircncias iguais Aleacutem

disso pode ser estendido para incluir um nuacutemero arbitraacuterio de estados de carga que

permite simulaccedilotildees definidas para altas temperaturas e tensotildees de polarizaccedilatildeo [4] O

modelo de G Lientschnig et al estaacute disponiacutevel no siacutetio eletrocircnico [44] Assim este foi o

modelo utilizado neste trabalho

23 CLOCKING DE SISTEMAS DE ALTA VELOCIDADE

Em sistemas digitais siacutencronos o sinal do clock eacute utilizado para definir uma referecircncia de

tempo agrave mudanccedila de dados dentro do sistema [1145] Assim a distribuiccedilatildeo do clock eacute de

suma importacircncia na operaccedilatildeo de circuitos integrados digitais sendo uma grande

preocupaccedilatildeo em circuitos integrados de alta velocidade [46-51] Circuitos em escala

nanomeacutetrica podem ser significativamente limitados devido ao clock skew que ocorre

quando os circuitos natildeo estatildeo equumlidistantes do sinal do clock [11454649-51] Como este

sinal eacute o sinal mais ativo em um chip pode resultar em elevado consumo de potecircncia e

grandes densidades de corrente na rede de interconexotildees do clock [454849]

Dessa forma o sinal do clock deve atingir ao mesmo tempo cada noacute para garantir que a

comutaccedilatildeo seja sincronizada bem como deve ser distribuiacutedo de forma que haja o menor

20

atraso possiacutevel [49] Com esse intuito os seguintes fatores entre outros satildeo fundamentais

no desempenho do clock dispositivos loacutegicos de tecnologia raacutepida (avanccedilada) rede de

distribuiccedilatildeo de clock que minimize o skew e interconexotildees com alto desempenho [11]

Conforme exposto anteriormente os dispositivos nanoeletrocircnicos como os transistores

mono-eleacutetron satildeo potencialmente aplicaacuteveis em circuitos integrados em escala giga (GSI)

e tera (TSI) Estes dispositivos permitem que as funccedilotildees loacutegicas sejam desempenhadas em

um tempo mais raacutepido e com menor atraso Assim satildeo fortes candidatos a serem utilizados

em circuitos integrados com clock

A adequada rede de distribuiccedilatildeo do clock assegura que a comutaccedilatildeo seja sincronizada e

que haja o menor atraso possiacutevel [1145] Aleacutem disso dependendo da arquitetura da rede o

niacutevel de sincronismo do sistema pode aumentar Diferentes tipos de abordagens tecircm sido

desenvolvidos para projetar a rede de distribuiccedilatildeo do clock em sistemas digitais de

circuitos integrados [45] Os buffered trees satildeo muito utilizados na distribuiccedilatildeo

equipotencial do clock Aleacutem dessas estruturas assimeacutetricas arquiteturas simeacutetricas como

o H-tree satildeo usadas para distribuir sinais de clock em alta velocidade podendo inclusive

ser projetadas com buffers [45-51] Algumas formas de rede de distribuiccedilatildeo do clock estatildeo

ilustradas na Figura 216 incluindo a trunk tree mesh e H-tree [45]

Figura 216 Estruturas comuns de redes de distribuiccedilatildeo de clock [45]

21

Atualmente as interconexotildees de cobre satildeo bastante utilizadas para circuitos de alto

desempenho como em redes de clock No entanto os CNTs apresentam caracteriacutesticas que

os tornam melhores para serem utilizados em interconexotildees descritas na subseccedilatildeo 221

[48] Neste trabalho seraacute realizada a comparaccedilatildeo entre interconexotildees de cobre e de CNT

na rede de distribuiccedilatildeo do H-tree clock

231 H-Tree Clock

O clock skew pode ser minimizado distribuindo-se o sinal do clock de forma que as

interconexotildees que levam o sinal aos circuitos loacutegicos tecircm o mesmo comprimento Se antes

de chegarem aos circuitos loacutegicos os sinais do clock forem igualmente atrasados eles

estaratildeo perfeitamente sincronizados [1145] Dessa forma o esquemaacutetico da Figura 217 de

distribuiccedilatildeo do clock minimiza o clock skew repetindo recursivamente uma estrutura em

forma de H [11] A Figura 217 ilustra uma rede H-tree simeacutetrica com trecircs niacuteveis [46]

Figura 217 Esquemaacutetico do H-tree clock simeacutetrico (modificado de [46])

Na estrutura do H-tree o condutor primaacuterio do clock estaacute ligado ao centro do H principal

(1ordm niacutevel) transmitindo o sinal para os quatro cantos deste H Esses quatro cantos satildeo as

entradas para o proacuteximo niacutevel do H-tree o 2ordm niacutevel que possui quatro estruturas em H O

processo de distribuiccedilatildeo continua por vaacuterios niacuteveis de H‟s cada vez menores Os pontos de

destino final do H-tree satildeo usados para conduzir os circuitos locais Assim cada caminho

do clock desde a fonte ateacute o circuito local possui praticamente o mesmo atraso [45]

22

24 MEDIDAS DE DESEMPENHO NA ANAacuteLISE DAS INTERCONEXOtildeES

As interconexotildees em circuitos integrados possuem caracteriacutesticas que modificam o sinal de

entrada O efeito das interconexotildees pode provocar atrasos e distorccedilotildees indesejaacuteveis Nesse

contexto eacute necessaacuterio analisar medidas de desempenho dos sinais sob efeito das

interconexotildees tais como velocidade maacutexima atenuaccedilatildeo tempo de atraso potecircncia

dissipada produto atraso-potecircncia e slew rate [111317202342]

241 Velocidade maacutexima - anaacutelise na frequumlecircncia

A velocidade maacutexima que as interconexotildees podem operar sem distorcer o sinal de entrada

eacute uma medida de desempenho importante [172023] Eacute possiacutevel analisar este paracircmetro

atraveacutes da frequumlecircncia maacutexima de operaccedilatildeo da interconexatildeo que eacute a largura de banda em

que o sinal comeccedila a decair em -3dB em relaccedilatildeo ao sinal de referecircncia [1742] Assim

utiliza-se a anaacutelise do moacutedulo do graacutefico de Bode para obter a frequumlecircncia de operaccedilatildeo em

-3dB [42] A Figura 218 mostra o esboccedilo do moacutedulo do ganho pela frequumlecircncia tiacutepico do

comportamento de interconexotildees

Figura 218 Graacutefico do moacutedulo do ganho pela frequumlecircncia tiacutepico do comportamento de

interconexotildees

23

242 Atenuaccedilatildeo

A transmissatildeo de um sinal pode ser expressa em funccedilatildeo do seu ganho ou da sua atenuaccedilatildeo

No caso em estudo as interconexotildees podem atenuar o sinal Essa atenuaccedilatildeo eacute geralmente

calculada pela expressatildeo (227) em que Vo eacute o sinal de saiacuteda e Vi eacute o sinal de entrada [42]

i

o

V

VA log20 (227)

243 Tempo de atraso

O tempo de atraso td ou atraso na propagaccedilatildeo ocorre devido ao

carregamentodescarregamento da capacitacircncia de carga bem como ao tempo de

chaveamento dos transistores [42]

O tempo de atraso eacute obtido pela diferenccedila entre o tempo medido a 50 da transiccedilatildeo dos

sinais de entrada e de saiacuteda [11] Em circuitos loacutegicos o atraso na propagaccedilatildeo pode ser

calculado pela meacutedia aritmeacutetica do tempo de propagaccedilatildeo do sinal de alto para baixo tPHL e

do tempo de propagaccedilatildeo do baixo para alto tPLH conforme equaccedilatildeo (228) [1142]

2

PLHPHLd

ttt

(228)

244 Potecircncia dissipada

A dissipaccedilatildeo de potecircncia eacute outra medida de desempenho bastante importante em circuitos

integrados em escala GSI e TSI Isso ocorre jaacute que ao aumentar o nuacutemero de portas

loacutegicas em uma determinada aacuterea ocupada eacute necessaacuterio que a dissipaccedilatildeo de potecircncia esteja

dentro de limites aceitaacuteveis [1142]

A dissipaccedilatildeo de potecircncia eacute composta por dois componentes potecircncia estaacutetica e potecircncia

dinacircmica A dissipaccedilatildeo de potecircncia estaacutetica eacute dada por IVP DDE e ocorre mesmo que

natildeo haja chaveamento de porta loacutegica no circuito devido ao efeito da resistecircncia do

circuito [42] A dissipaccedilatildeo de potecircncia dinacircmica eacute devido agrave capacitacircncia de carga do

24

circuito expressa por CVfP DDD 2 em que VDD eacute a tensatildeo de alimentaccedilatildeo f eacute

frequumlecircncia do circuito e C eacute a capacitacircncia de carga do circuito [1142] Assim a soma da

potecircncia dinacircmica e da potecircncia estaacutetica resulta na potecircncia total dissipada no circuito

245 Produto atraso-potecircncia

Em circuitos integrados o ideal eacute que se tenha baixo atraso na propagaccedilatildeo resultando em

uma maior velocidade de funcionamento do circuito bem como baixa dissipaccedilatildeo de

potecircncia No entanto essas duas exigecircncias satildeo conflitantes ao reduzirmos a dissipaccedilatildeo de

potecircncia de uma porta a capacidade da porta em fornecer corrente diminuiraacute isso

implicaraacute em um maior tempo de carga e descarga aumentando o atraso na propagaccedilatildeo

Assim o produto atraso-potecircncia (delay power product ndash DP) eacute uma medida de

desempenho bastante utilizada na anaacutelise de circuitos e eacute dado por dD tPDP Quanto

menor o produto atraso-potecircncia maior a eficiecircncia do circuito loacutegico [42]

246 Slew rate

A taxa maacutexima de variaccedilatildeo da tensatildeo de saiacuteda do inglecircs slew rate (SR) eacute uma

caracteriacutestica importante do sinal de saiacuteda de um circuito loacutegico A limitaccedilatildeo na taxa de

variaccedilatildeo pode provocar uma distorccedilatildeo no funcionamento do circuito O SR pode ser

calculado pela expressatildeo (229) em que Δv eacute a variaccedilatildeo da tensatildeo de saiacuteda do sinal para

uma determinada variaccedilatildeo de tempo Δt [42]

t

vSR

(229)

25 LTSPICE

O software LTSPICE eacute um simulador SPICE de alto desempenho orientado a

esquemaacuteticos e visualizador de formas de onda com modelos para facilitar a simulaccedilatildeo de

circuitos eletrocircnicos Se comparado aos outros simuladores SPICE a simulaccedilatildeo do

LTSPICE eacute bastante raacutepida O software consegue simular dispositivos de acordo com o

padratildeo industrial reproduzindo os seus comportamentos [52]

25

O LTSPICE possui vaacuterias possibilidades de simulaccedilatildeo como anaacutelise transiente anaacutelise AC

e anaacutelise DC bem como permite a simulaccedilatildeo de vaacuterios dispositivos disponiacuteveis na sua

biblioteca Aleacutem disso este software possibilita a elaboraccedilatildeo de novos esquemaacuteticos

atraveacutes de um modelo matemaacutetico ou eletrocircnico proposto O novo componente poderaacute ser

utilizado no circuito conforme seraacute feito neste trabalho utilizando-se o modelo SPICE do

SET proposto por G Lientschnig et al[4]

26

3 METODOLOGIA

31 INTRODUCcedilAtildeO

A miniaturizaccedilatildeo das interconexotildees prejudica o seu desempenho resultando no aumento

significativo do valor da resistividade da capacitacircncia de acoplamento entre vias na

dificuldade de controlar a razatildeo entre a altura e a largura do material entre outros

problemas A fim de analisar o desempenho das interconexotildees eacute necessaacuterio verificar

algumas variaacuteveis importantes como velocidade maacutexima (f-3dB) atenuaccedilatildeo (A) tempo de

atraso (td) potecircncia dissipada (P) produto atraso-potecircncia (DP) e slew rate (SR)

[111317202342]

32 ETAPAS E ESTRATEacuteGIAS ADOTADAS

Com o intuito de analisar o efeito das interconexotildees em circuitos com transistores mono-

eleacutetron foi realizada primeiramente a anaacutelise das interconexotildees de SWCNT de SWCNT

bundle e de cobre isoladamente para diferentes valores de comprimento Apoacutes a avaliaccedilatildeo

desses resultados o efeito das interconexotildees foi analisado no H-tree clock com inversores

mono-eleacutetron nos seus terminais tambeacutem considerando diferentes comprimentos Neste

trabalho a tecnologia de 22 nm prevista para o ano de 2016 [21] foi utilizada na

comparaccedilatildeo entre o desempenho do cobre e do CNT Todas as simulaccedilotildees foram realizadas

utilizando o software LTSPICE

321 Simulaccedilatildeo das interconexotildees

A partir dos modelos das interconexotildees de SWCNT SWCNT bundle e cobre apresentados

na subseccedilatildeo 213 diferentes comprimentos das interconexotildees foram simulados Assim

analisou-se as interconexotildees locais em que l le 1 μm e as intermediaacuterias em que 1 μm lt l

le 500 μm sabendo que l eacute o comprimento da interconexatildeo [29-31333638]

A fim de analisar a frequumlecircncia de corte este foi obtido para comprimentos de

interconexotildees locais (10nm 100nm 200nm 300nm 400nm 500nm 600nm 700nm

27

800nm 900nm 1μm) e interconexotildees intermediaacuterias (10μm 100μm 200μm 300μm

400μm 500μm)

Jaacute que λCNT eacute tipicamente 1 μm foram escolhidos trecircs comprimentos na faixa lCNT le λCNT

(10 nm 100 nm e 1 μm) e trecircs comprimentos na faixa lCNT gt λCNT (10 μm 100 μm 500

μm) para serem analisados detalhadamente Escolheu-se uma mesma frequecircncia abaixo da

frequecircncia de corte dos trecircs materiais considerados para analisar e comparar a atenuaccedilatildeo

(A) e o tempo de atraso na propagaccedilatildeo (td) dos diferentes comprimentos

Em seguida o mesmo procedimento foi feito para comparar somente o SWCNT bundle e o

cobre para uma mesma frequecircncia cujo valor eacute maior que a frequecircncia da anaacutelise anterior

permitindo que estes dois materiais sejam analisados detalhadamente

Essas anaacutelises foram realizadas a partir da simulaccedilatildeo do circuito da Figura 31 [2325] A

tensatildeo de entrada Vin eacute uma onda quadrada de 1V de amplitude e o capacitor de carga tem

o valor de 100 aF

Figura 31 ndash Circuito simulado para cada interconexatildeo

A Figura 32 mostra o fluxograma das etapas descritas nesta subseccedilatildeo 321

28

Figura 32 ndash Fluxograma das etapas seguidas na simulaccedilatildeo das interconexotildees

322 Simulaccedilatildeo do inversor mono-eleacutetron

Para utilizar a porta inversora da Figura 215 nos terminais do H-tree clock foi necessaacuterio

primeiramente simular o SET proposto por [4] Essa simulaccedilatildeo foi feita variando os

paracircmetros do SET como as resistecircncias e capacitacircncias das junccedilotildees as capacitacircncias de

porta a temperatura etc Os paracircmetros foram variados ateacute simular o SET a temperatura

de 300K Em seguida simulou-se a inversora da Figura 215 tambeacutem a temperatura

ambiente Dessa forma foi possiacutevel simular a inversora isoladamente obtendo as

caracteriacutesticas do sinal de saiacuteda

323 Simulaccedilatildeo do H-tree clock mono-eleacutetron

Apoacutes a simulaccedilatildeo do SET foi possiacutevel simular o H-tree clock A rede H-tree de dois niacuteveis

foi simulada com um H no primeiro niacutevel e quatro H‟s no segundo niacutevel [49] Nos pontos

de destino final da rede foram colocadas portas inversoras formadas por SETs permitindo

a anaacutelise de circuitos nanoeletrocircnicos

Modelos de SWCNT

SWCNT bundle e cobre

Obtenccedilatildeo dos paracircmetros dos modelos para

interconexotildees locais e interconexotildees intermediaacuterias

Para cada comprimento

obtenccedilatildeo de f-3dB

1ordm) Escolha de frequumlecircncia abaixo

da f-3dB do SWCNT SWCNT

bundle e cobre

2ordm) Escolha de frequumlecircncia abaixo

da f-3dB do SWCNT bundle e

cobre

Obtenccedilatildeo de A e td de

cada modelo

Obtenccedilatildeo de A e td de

cada modelo

Anaacutelise comparativa entre o

SWCNT SWCNT bundle e

cobre

Anaacutelise comparativa entre o

SWCNT bundle e cobre

Estudo de interconexotildees locais (10nm

100nm 1μm) e intermediaacuterias (10μm

100μm 500μm)

29

A partir da simulaccedilatildeo do H-tree clock obteve-se a frequecircncia em -3dB (f-3dB) da rede com

interconexotildees ideais Assim a rede H-tree foi entatildeo simulada para duas frequecircncias

diferentes do sinal de entrada abaixo da frequecircncia de -3dB 10 GHz e 100 GHz Com

essas simulaccedilotildees obtiveram-se as seguintes caracteriacutesticas do sinal de saiacuteda da inversora

niacutevel loacutegico baixo (NB) niacutevel loacutegico alto (NA) tempo de subida (tr) slew rate de subida

(SR) atenuaccedilatildeo (A) tempo de atraso (td) potecircncia dissipada (P) e produto atraso-potecircncia

(DP) As caracteriacutesticas obtidas servem como referecircncia para analisar o sinal considerando

interconexotildees natildeo-ideais ou seja incluindo os modelos das interconexotildees nas simulaccedilotildees

Em seguida a rede H-tree foi simulada considerando-se os modelos das interconexotildees de

SWCNT bundle e de cobre variando os seus comprimentos Como cada H da rede de

distribuiccedilatildeo deve ser simeacutetrico considerou-se que cada divisatildeo do H tem o mesmo

comprimento para cada niacutevel da rede [11] A Figura 33 mostra o comprimento dos

diferentes trechos da rede Assim o comprimento de cada divisatildeo dos H‟s do segundo

niacutevel eacute a metade do comprimento de cada divisatildeo do H do primeiro niacutevel Jaacute que o objetivo

eacute simular circuitos em escala nanomeacutetrica escolheu-se trecircs variaccedilotildees de comprimento

menores ou iguais a 1μm

l = 100 nm l2 = 50 nm

l = 400 nm l2 = 200 nm

l = 1 μm l2 = 500 nm

Figura 33 ndash Esquemaacutetico do H-tree clock com os comprimentos de cada seguimento

Dessa forma cada um dos trecircs circuitos foi simulado obtendo-se a frequecircncia em -3dB na

entrada das portas inversoras Em seguida as trecircs redes foram simuladas para as mesmas

30

duas frequumlecircncias do sinal de entrada (10 GHz e 100 GHz) de forma a obter as

caracteriacutesticas do sinal de saiacuteda descritas anteriormente considerando agora o efeito das

interconexotildees

Por fim a partir dos dados obtidos foram realizadas comparaccedilotildees entre as caracteriacutesticas

do sinal de saiacuteda de referecircncia (interconexotildees ideais) e o sinal de saiacuteda dos circuitos com as

interconexotildees natildeo-ideais bem como entre o comportamento das interconexotildees de SWCNT

bundle e de cobre nas diferentes frequecircncias

A Figura 34 mostra o fluxograma das etapas descritas nas subseccedilotildees 322 e 323

Figura 34 ndash Fluxograma das etapas seguidas na simulaccedilatildeo do H-tree clock

H-tree clock mono-eleacutetron

Simulaccedilatildeo do H-tree clock com

interconexotildees ideais Obtenccedilatildeo de f-3dB

da inversora

Simulaccedilatildeo do H-tree clock com

interconexotildees natildeo-ideais para os seguintes

comprimentos

l = 100 nm l2 = 50 nm

l = 400 nm l2 = 200 nm

l = 1 μm l2 = 500 nm

Validaccedilatildeo do SET e do

inversor mono-eleacutetron a

300K

Sinal de entrada a

10 GHz

Sinal de entrada a

100 GHz

Obtenccedilatildeo de NB

NA tr SR A td P e

DP do sinal de saiacuteda

da inversora

Obtenccedilatildeo de NB

NA tr SR A td P e

DP do sinal de saiacuteda

da inversora

Sinal de entrada a

10 GHz

Sinal de entrada a

100 GHz

Obtenccedilatildeo de NB

NA tr SR A td P e

DP do sinal de saiacuteda

da inversora

Obtenccedilatildeo de NB

NA tr SR A td P e

DP do sinal de saiacuteda

da inversora

Anaacutelise comparativa

dos dados obtidos

31

4 RESULTADOS E ANAacuteLISES

41 INTRODUCcedilAtildeO

Neste capiacutetulo seratildeo apresentados os procedimentos adotados e os resultados obtidos na

simulaccedilatildeo das interconexotildees SWCNT SWCNT bundle e cobre As etapas descritas na

metodologia foram seguidas obtendo-se os resultados das simulaccedilotildees das interconexotildees e

das simulaccedilotildees do H-tree clock mono-eleacutetron para interconexotildees ideais e natildeo-ideais A

partir dos resultados a anaacutelise do desempenho das interconexotildees seraacute apresentada

42 ANAacuteLISE DAS INTERCONEXOtildeES

Nesta seccedilatildeo a anaacutelise das interconexotildees de SWCNT SWCNT bundle e cobre na

tecnologia de 22 nm para diferentes comprimentos seraacute realizada Para isso analisou-se

as interconexotildees locais em que l le 1 μm e as intermediaacuterias em que 1 μm lt l le 500 μm

sabendo que l eacute o comprimento da interconexatildeo [29-31333638] Como λCNT eacute

tipicamente 1 μm trecircs comprimentos na faixa lCNT le λCNT (10 nm 100 nm e 1 μm) e trecircs

comprimentos na faixa lCNT gt λCNT (10 μm 100 μm 500 μm) de cada material seratildeo

analisados detalhadamente Os paracircmetros obtidos a partir dos modelos de SWCNT

SWCNT bundle e cobre estatildeo respectivamente nas Tabelas 71 72 e 73 do Apecircndice

421 Interconexotildees locais

Primeiramente a partir da simulaccedilatildeo da Figura 31 obteve-se a frequecircncia em -3dB (f-3dB)

das interconexotildees locais (lCNT le λCNT ) isto eacute a sua banda passante de forma a verificar a

velocidade maacutexima que cada interconexatildeo suporta A Figura 41 ilustra o comportamento

da frequecircncia das interconexotildees locais para os diferentes comprimentos Como o SWCNT

isolado possui valores de frequecircncia na faixa de centenas de giga Hertz ou seja menos de

um tera Hertz os valores de suas frequecircncias tambeacutem podem ser visualisados na Tabela

74 do Apecircndice

Verifica-se que agrave medida que o comprimento da interconexatildeo aumenta a frequecircncia

diminui Isso ocorre jaacute que os valores da capacitacircncia e indutacircncia aumentam com o

aumento do comprimento da interconexatildeo Esses paracircmetros satildeo decisivos no sinal de

32

saiacuteda sendo o sinal mais distorcido quanto maior for o valor desses paracircmetros Observa-

se que o SWCNT bundle e o cobre possuem banda passante maiores que o SWCNT

isolado para qualquer comprimento Aleacutem disso o SWCNT bundle soacute possui uma banda

passante comparaacutevel ao do cobre para comprimentos acima de 700 nm

Frequecircncia X Comprimento

0

10

20

30

40

50

60

100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

Comprimento (nm)

f -3d

B (

TH

z)

SWCNT Isolado

SWCNT bundle

Cobre

Figura 41 ndash Frequumlecircncia versus comprimento das interconexotildees locais

As interconexotildees locais de 10 nm 100 nm e 1 μm de comprimento foram analisadas

detalhadamente A Tabela 41 mostra a frequecircncia em -3dB de cada material para os

comprimentos em anaacutelise

Tabela 41 Frequecircncia em -3dB de cada material para lCNT le λCNT

Interconexatildeo Local Comprimento (L) Material f-3dB

SWCNT isolado 253 GHz

10nm SWCNT bundle 66 THz

Cobre 232 THz

SWCNT isolado 300 GHz

lCNT le λCNT 100nm SWCNT bundle 20 THz

Cobre 51 THz

SWCNT isolado 230 GHz

1microm SWCNT bundle 47 THz

Cobre 42 THz

Assim escolheu-se uma mesma frequecircncia abaixo da frequecircncia de corte dos trecircs

materiais considerados para analisar e comparar a atenuaccedilatildeo (A) e o tempo de atraso na

propagaccedilatildeo (td) dos trecircs comprimentos Isso permite verificar o comportamento do sinal na

banda passante A Tabela 42 mostra esse estudo comparativo entre o SWCNT isolado

SWCNT bundle e cobre agrave frequecircncia de 200 GHz

33

Tabela 42 Estudo das interconexotildees com comprimentos na faixa lCNT le λCNT

Freq L Material A (dB) td (ps)

SWCNT isolado -210 046

10nm SWCNT bundle 001 000

Cobre 000 000

SWCNT isolado -155 051

200 GHz 100nm SWCNT bundle 001 000

Cobre 001 000

SWCNT isolado -039 107

1microm SWCNT bundle 006 001

Cobre 000 007

A partir da anaacutelise da Tabela 42 eacute possiacutevel observar agrave frequumlecircncia de 200 GHz a

atenuaccedilatildeo do sinal e o atraso do SWCNT isolado Nessa frequumlecircncia o atraso do SWCNT

isolado eacute significativo em relaccedilatildeo ao periacuteodo do sinal que eacute 5ps jaacute que o menor atraso

(para l = 10nm) eacute aproximadamente 10 do periacuteodo do sinal de entrada No entanto para

esta mesma frequumlecircncia observa-se que a atenuaccedilatildeo e o atraso do SWCNT bundle e do

cobre satildeo insignificantes Isto indica que estes dois materiais possuem melhor

desempenho sendo favoraacuteveis para serem utilizados em interconexotildees locais

Dessa forma para analisar melhor a atenuaccedilatildeo e o tempo de atraso do SWCNT bundle e do

cobre o mesmo procedimento foi feito comparando-se somente estes dois materiais para

uma mesma frequecircncia de 1 THz A Tabela 43 mostra esse estudo comparativo entre o

SWCNT bundle e cobre

Tabela 43 Estudo das interconexotildees SWCNT bundle e cobre com comprimentos na faixa

lCNT le λCNT

Freq L Material A (dB) td (fs)

10nm SWCNT bundle 001 113

Cobre 000 022

1 THz 100nm SWCNT bundle 006 136

Cobre 001 240

1microm SWCNT bundle 145 647

Cobre -013 5623

Analisando a Tabela 43 observa-se que agrave frequumlecircncia de 1 THz a atenuaccedilatildeo do sinal e o

atraso aumentam agrave medida que o comprimento das interconexotildees aumentam A partir do

comprimento de 100nm o tempo de atraso da interconexatildeo de cobre eacute maior que o do

SWCNT bundle cujo maior valor de atraso (para l = 1microm) natildeo chega a 1 do periacuteodo do

34

sinal de entrada (1ps) Isso mostra que apesar de a banda passante do cobre ser maior o

atraso do SWCNT bundle eacute menor Dessa forma para as interconexotildees locais o SWCNT

bundle possui desempenho comparaacutevel ao do cobre [13]

Em relaccedilatildeo agrave atenuaccedilatildeo verifica-se que para alguns comprimentos este tem valor

positivo Isso ocorre principalmente quando haacute um pico no graacutefico da frequumlecircncia antes dele

comeccedilar a decair Esse pico eacute devido ao efeito ressonante provocado pela indutacircncia

quando este possui valor comparaacutevel agrave resistecircncia e agrave capacitacircncia da interconexatildeo [53]

Assim esse efeito ressonante foi observado somente nas interconexotildees locais de SWCNT

bundle e de cobre A Figura 42 ilustra o graacutefico da magnitude pela frequumlecircncia do SWCNT

isolado SWCNT bundle e cobre para o comprimento de 100nm Observa-se o efeito

ressonante nos graacuteficos do SWCNT bundle e do cobre

Figura 42 ndash Graacuteficos da magnitude das interconexotildees de SWCNT isolado (superior)

SWCNT bundle (meio) e cobre (inferior) com comprimento de 100nm

35

422 Interconexotildees intermediaacuterias

Assim como para as interconexotildees locais obteve-se a frequecircncia em -3dB (f-3dB) das

interconexotildees intermediaacuterias (lCNT gt λCNT) de forma a verificar a velocidade maacutexima que

cada interconexatildeo suporta A Figura 43 ilustra o comportamento da frequecircncia das

interconexotildees intermediaacuterias para os diferentes comprimentos Os valores das frequecircncias

de cada interconexatildeo tambeacutem podem ser visualisados na Tabela 75 do Apecircndice

Como nas interconexotildees locais agrave medida que o comprimento da interconexatildeo aumenta a

frequecircncia diminui Aleacutem disso o SWCNT bundle e o cobre possuem desempenho melhor

que o do SWCNT isolado para qualquer comprimento No entanto para interconexotildees

intermediaacuterias o SWCNT bundle possui banda passante maior que a do cobre para

qualquer comprimento

Frequecircncia X Comprimento

00

05

10

15

20

25

30

35

40

45

100 200 300 400 500

Comprimento (μm)

f -3d

B (

GH

z)

SWCNT isolado

SWCNT bundle

Cobre

Figura 43 ndash Frequumlecircncia versus comprimento das interconexotildees intermediaacuterias

As interconexotildees intermediaacuterias de 10 μm 100 μm e 500 μm de comprimento foram entatildeo

analisadas detalhadamente A Tabela 44 mostra a frequecircncia em -3dB de cada materal

para os diferentes comprimentos em anaacutelise

36

Tabela 44 Frequecircncia em -3dB de cada material para lCNT gt λCNT

Interconexatildeo

Intermediaacuteria

Comprimento (L) Material f-3dB

SWCNT isolado 26 GHz

10 microm SWCNT bundle 527 GHz

Cobre 34 GHz

SWCNT isolado 32 MHz

lCNT gt λCNT 100 microm SWCNT bundle 42 GHz

Cobre 345 MHz

SWCNT isolado 13 MHz

500 microm SWCNT bundle 165 MHz

Cobre 14 MHz

Escolheu-se a frequecircncia de 1 MHz que estaacute abaixo da frequecircncia de corte dos trecircs

materiais considerados para analisar e comparar a atenuaccedilatildeo (A) e o tempo de atraso na

propagaccedilatildeo (td) dos trecircs comprimentos A Tabela 45 mostra esse estudo comparativo entre

o SWCNT isolado SWCNT bundle e cobre

Tabela 45 Estudo das interconexotildees com comprimentos na faixa lCNT gt λCNT

Freq L Material A (dB) td (ns)

SWCNT isolado -002 008

10 microm SWCNT bundle 000 000

Cobre 000 000

SWCNT isolado -003 559

1 MHz 100 microm SWCNT bundle -001 005

Cobre -004 056

SWCNT isolado -198 10217

500 microm SWCNT bundle 000 110

Cobre -003 1301

Com base na Tabela 45 observa-se que a atenuaccedilatildeo e o tempo de atraso do SWCNT

isolado aumentam com o aumento do comprimento da interconexatildeo Nessa frequumlecircncia o

atraso na propagaccedilatildeo do SWCNT isolado eacute significativo em relaccedilatildeo ao periacuteodo do sinal de

entrada que eacute 1micros chegando a mais de 10 deste periacuteodo para o comprimento de 500microm

Verifica-se tambeacutem o aumento do tempo de atraso da interconexatildeo de cobre sendo 13

do periacuteodo do sinal de entrada para o comprimento de 500microm

Para analisar melhor a atenuaccedilatildeo e o tempo de atraso do SWCNT bundle e do cobre o

mesmo procedimento foi feito comparando-se somente estes dois materiais para uma

37

mesma frequecircncia de 10 MHz A Tabela 46 mostra esse estudo comparativo entre o

SWCNT bundle e cobre

Tabela 46 Estudo das interconexotildees SWCNT bundle e cobre com comprimentos na faixa

lCNT gt λCNT

Freq L Material A (dB) td (ns)

10 microm SWCNT bundle 000 000

Cobre 000 000

10 MHz 100 microm SWCNT bundle -001 005

Cobre -004 054

500 microm SWCNT bundle -004 107

Cobre -185 1024

Analisando a Tabela 46 observa-se que agrave medida que o comprimento das interconexotildees

aumenta a atenuaccedilatildeo e o atraso do sinal da interconexatildeo de cobre tornam-se significativos

O atraso na propagaccedilatildeo da interconexatildeo de cobre para l = 500microm chega a 10 do periacuteodo

do sinal de entrada (100ns) Jaacute o SWCNT bundle apresenta valores insignificantes de

atenuaccedilatildeo e atraso na propagaccedilatildeo Assim para as interconexotildees intermediaacuterias o SWCNT

bundle possui desempenho superior ao do cobre

43 SIMULACcedilAtildeO DO INVERSOR MONO-ELEacuteTRON

O modelo SPICE do SET proposto por G Lientschnig et al [444] foi simulado no

LTSPICE A partir da equaccedilatildeo (226) foi possiacutevel aumentar a temperatura do SET ateacute

chegar a 300K Assim o esquemaacutetico do SET e os valores de seus paracircmetros para que o

SET opere a 300K estatildeo na Figura 44 No anexo deste trabalho (subseccedilatildeo 81) encontra-

se o coacutedigo SET que foi utilizado [44] Os paracircmetros R1 C1 e R2 C2 correspondem agraves

resistecircncias e capacitacircncias das junccedilotildees-tuacutenel Cg eacute a capacitacircncia de porta (Cg1 no coacutedigo

SET) Vg eacute a tensatildeo de porta e V eacute a tensatildeo de entrada

Figura 44 Esquemaacutetico do SET e os valores de seus paracircmetros

38

A partir destes valores o inversor mono-eleacutetron foi construiacutedo colocando-se dois SETs em

seacuterie os quais compartilham da mesma entrada A Figura 45 ilustra o esquemaacutetico do

inversor mono-eleacutetron juntamente com os valores de seus paracircmetros fixos em que Vin eacute a

tensatildeo de entrada Vout eacute a tensatildeo de saiacuteda Vbias eacute a tensatildeo de polarizaccedilatildeo Cc eacute a

capacitacircncia de carga Cg1 e Cg2 satildeo as capacitacircncias de porta do SET 1 e do SET 2

respectivamente

Figura 45 Esquemaacutetico do inversor mono-eleacutetron e os valores de seus paracircmetros

(modificado de [4])

Assim apoacutes simular o inversor mono-eleacutetron a 300K obteve-se o sinal de saiacuteda mostrado

na Figura 46 Como o inversor estaacute invertendo o sinal de entrada de valor loacutegico baixo em

um sinal de saiacuteda de valor loacutegico alto ele estaacute operando corretamente

Figura 46 Curva do sinal de entrada (em verde) e do sinal de saiacuteda (em preto) do inversor

mono-eleacutetron

39

44 ANAacuteLISE DAS INTERCONEXOtildeES NO H-TREE CLOCK MONO-ELEacuteTRON

Nesta seccedilatildeo a rede H-tree clock de dois niacuteveis foi simulada com portas inversoras mono-

eleacutetron nos pontos de destino final da rede permitindo a anaacutelise de circuitos

nanoeletrocircnicos Simulou-se a rede H-tree considerando interconexotildees ideais para as

frequecircncias de 10 GHz e 100 GHz no sinal de entrada Em seguida para as mesmas duas

frequecircncias considerou-se interconexotildees natildeo-ideais de diferentes comprimentos

analisando a rede com os modelos de interconexatildeo SWCNT bundle e cobre Trecircs redes

com comprimentos de interconexotildees diferentes foram analisadas

l = 100 nm l2 = 50 nm

l = 400 nm l2 = 200 nm

l = 1 μm l2 = 500 nm

441 Anaacutelise da rede com interconexotildees ideais

A partir da simulaccedilatildeo do H-tree clock a frequecircncia em -3dB (f-3dB) da rede com

interconexotildees ideais foi obtida Na saiacuteda de cada porta inversora a banda passante do sinal

eacute 3200 GHz Dessa forma duas frequecircncias abaixo de 3200 GHz foram escolhidas para

analisar o sinal de saiacuteda da inversora em condiccedilotildees ideais As frequecircncias de 10 GHz e

100 GHz seratildeo analisadas obtendo-se as seguintes caracteriacutesticas do sinal de saiacuteda da

inversora niacutevel loacutegico baixo (NB) niacutevel loacutegico alto (NA) tempo de subida (tr) slew rate

de subida (SR) atenuaccedilatildeo (A) e tempo de atraso (td) A Tabela 47 mostra os valores

obtidos para as duas frequecircncias em anaacutelise

Tabela 47 Caracteriacutesticas dos sinais de saiacuteda da rede para interconexotildees ideais

Freq NB(mV) NA(mV) tr (ps) SR(Vns) A(dB) td (ps)

10 GHz 675 4518 356 8636 -264 412

100 GHz 678 4279 317 9088 -269 189

Os caacutelculos da potecircncia estaacutetica ( IVP DDE ) potecircncia dinacircmica ( CVfP DDD 2 ) e

potecircncia total ( DE PPP ) dissipada por cada porta inversora foram realizados bem

como o produto atraso-potecircncia (DP) Assim a Tabela 48 mostra os valores obtidos no

40

caacutelculo destes paracircmetros Como a potecircncia estaacutetica independe da frequecircncia do sinal de

entrada o seu valor eacute o mesmo nos dois casos

Tabela 48 Potecircncia dissipada por cada porta inversora para interconexotildees ideais

Frequecircncia PE (nW) PD (nW) P (nW) DP (10-18

Wmiddots)

10 GHz 4838 125 4963 020

100 GHz 4838 125 6088 012

As Tabelas 47 e 48 serviratildeo de referecircncia para as anaacutelises da rede com interconexotildees natildeo-

ideais analisadas na subseccedilatildeo seguinte As Figuras 47 e 48 ilustram o sinal de saiacuteda das

redes com frequecircncias de 10 GHz e de 100 GHz respectivamente Eacute possiacutevel observar que

na frequecircncia de 100 GHz o sinal de saiacuteda jaacute eacute distorcido em relaccedilatildeo ao sinal de referecircncia

(Figura 46)

Figura 47 Sinal de entrada (em verde) e sinal de saiacuteda (em preto) da rede a 10 GHz

Figura 48 Sinal de entrada (em verde) e sinal de saiacuteda (em preto) da rede a 100 GHz

41

442 Anaacutelise da rede com interconexotildees natildeo-ideais

Apoacutes obter as caracteriacutesticas da rede H-tree clock com interconexotildees ideais a anaacutelise da

rede com interconexotildees natildeo-ideais seraacute feita Primeiramente eacute importante verificar a

frequecircncia em -3dB do sinal depois das interconexotildees ou seja na entrada da porta

inversora Caso essa frequecircncia seja menor que a frequecircncia de 3200 GHz obtida com

interconexotildees ideais entatildeo a interconexatildeo afetaraacute o comportamento da rede A Tabela 49

mostra a frequecircncia em -3dB na entrada da inversora para interconexotildees natildeo-ideais

Tabela 49 Frequecircncia em -3dB na entrada da inversora para interconexotildees natildeo-ideais

Comprimentos (l2 l) Material f-3dB

50nm 100nm SWCNT bundle 122 THz

Cobre 175 THz

200nm 400nm SWCNT bundle 31 THz

Cobre 8606 GHz

500nm 1microm SWCNT bundle 12 THz

Cobre 1268 GHz

Assim verifica-se que a interconexatildeo de cobre da rede 500nm1microm possui frequecircncia em

-3dB abaixo da frequecircncia do circuito com interconexatildeo ideal (3200 GHz) Isso indica que

esta interconexatildeo interfere significativamente no comportamento da rede A Tabela 49

mostra tambeacutem que a banda passante da interconexatildeo de cobre soacute eacute maior que a da

interconexatildeo de SWCNT bundle no primeiro caso na rede de 50nm100nm o que mostra

uma vantagem do SWCNT bundle em relaccedilatildeo ao cobre A partir dessas informaccedilotildees a

rede H-tree clock com interconexotildees natildeo-ideais seraacute analisada detalhadamente

4421 Anaacutelise da rede a 10 GHz

As redes com interconexotildees natildeo-ideais seratildeo analisadas na frequecircncia de 10 GHz para

diferentes comprimentos Primeiramente o niacutevel loacutegico baixo (NB) o niacutevel loacutegico alto

(NA) o tempo de subida (tr) e o slew rate de subida (SR) foram obtidos conforme mostra a

Tabela 410 Com base nessa tabela verifica-se que na frequecircncia de 10 GHz essas

caracteriacutesticas natildeo foram modificadas pelas interconexotildees natildeo-ideais independentemente

do comprimento Os valores dos paracircmetros satildeo iguais aos obtidos na rede com

interconexatildeo ideal conforme Tabela 47 O sinal obtido na saiacuteda de cada inversor eacute igual

ao ilustrado na Figura 47

42

Tabela 410 Niacuteveis loacutegicos tempo de subida e slew rate dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 10 GHz

Freq L (l2l) Material NB(mV) NA(mV) tr(ps) SR(Vns)

10

GHz

50nm

100nm

SWCNT bundle 675 4518 356 8636

Cobre 675 4518 356 8636

200nm

400nm

SWCNT bundle 675 4518 356 8636

Cobre 675 4518 356 8636

500nm

1microm

SWCNT bundle 675 4518 356 8636

Cobre 675 4518 356 8636

A Tabela 411 mostra a atenuaccedilatildeo tempo de atraso potecircncia total dissipada e o produto

atraso-potecircncia obtidos a frequecircncia de 10 GHz para interconexotildees natildeo-ideais Observa-se

que a atenuaccedilatildeo do sinal e a potecircncia total dissipada por cada porta inversora permanecem

os mesmos em relaccedilatildeo agrave interconexatildeo ideal mostrando que a essa frequecircncia as

interconexotildees natildeo-ideais natildeo interferem nestes paracircmetros

Jaacute o atraso na propagaccedilatildeo do sinal no caso do cobre aumenta agrave medida que as

interconexotildees aumentam de comprimento aumentando tambeacutem o produto atraso-potecircncia

Esse atraso chega a 66 do periacuteodo do sinal de entrada para a interconexatildeo 500nm1microm

de cobre No entanto estes paracircmetros natildeo satildeo afetados pelas interconexotildees de SWCNT

bundle indicando que este material se sobressai em relaccedilatildeo ao cobre

Tabela 411 Atenuaccedilatildeo atraso potecircncia e produto atraso-potecircncia dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 10 GHz

Freq L (l2l) Material A (dB) td (ps) P (nW) DP(10-18

Wmiddots)

10

GHz

50nm

100nm

SWCNT bundle -264 412 4963 020

Cobre -264 412 4963 020

200nm

400nm

SWCNT bundle -264 412 4963 020

Cobre -264 438 4963 022

500nm

1microm

SWCNT bundle -264 412 4963 020

Cobre -264 659 4963 033

4422 Anaacutelise da rede a 100 GHz

As redes com interconexotildees natildeo-ideais seratildeo analisadas na frequecircncia de 100 GHz para

diferentes comprimentos O niacutevel loacutegico baixo (NB) o niacutevel loacutegico alto (NA) o tempo de

subida (tr) e o slew rate de subida (SR) foram obtidos conforme mostra a Tabela 412 Jaacute a

43

Tabela 413 mostra a atenuaccedilatildeo tempo de atraso potecircncia total dissipada e o produto

atraso-potecircncia obtidos a frequecircncia de 100 GHz para interconexotildees natildeo-ideais

Tabela 412 Niacuteveis loacutegicos tempo de subida e slew rate dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 100 GHz

Freq L (l2l) Material NB(mV) NA(mV) tr(ps) SR(Vns)

100

GHz

50nm

100nm

SWCNT bundle 678 4272 316 9099

Cobre 675 4277 323 9107

200nm

400nm

SWCNT bundle 678 4299 315 9196

Cobre 677 4089 289 9447

500nm

1microm

SWCNT bundle 678 4418 300 9973

Cobre 635 1766 102 6795

Tabela 413 Atenuaccedilatildeo atraso potecircncia e produto atraso-potecircncia dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 100 GHz

Freq L (l2l) Material A (dB) td (ps) P (nW) DP(10-18

Wmiddots)

100

GHz

50nm

100nm

SWCNT bundle -2703 189 6088 012

Cobre -2685 191 6088 012

200nm

400nm

SWCNT bundle -2693 188 6088 012

Cobre -2698 228 6088 014

500nm

1microm

SWCNT bundle -2673 174 6088 011

Cobre -2893 388 6088 024

A partir das Tabelas 412 e 413 o SWCNT bundle seraacute analisado Observa-se que os seus

niacuteveis loacutegicos altos aumentam com o aumento do comprimento das interconexotildees

aumentando tambeacutem o slew rate de subida Esse comportamento ocorre provavelmente

devido ao efeito ressonante provocado pela indutacircncia que provoca um pico no graacutefico da

frequumlecircncia antes dele comeccedilar a decair conforme explicado na subseccedilatildeo 421 Isso implica

na diminuiccedilatildeo da atenuaccedilatildeo do sinal e do atraso No entanto o produto atraso-potecircncia

permanece praticamente invariaacutevel jaacute que a potecircncia total dissipada natildeo se altera

Em relaccedilatildeo agraves interconexotildees de cobre verifica-se que as distorccedilotildees satildeo significativas Agrave

medida que o comprimento aumenta a atenuaccedilatildeo do sinal de saiacuteda aumenta Isso provoca

diminuiccedilatildeo no slew rate do sinal o que natildeo eacute desejado jaacute que o sinal demora mais para

atingir o niacutevel loacutegico alto Aleacutem disso o atraso na propagaccedilatildeo do sinal aumenta bastante

chegando a 388 do periacuteodo do sinal de entrada para a interconexatildeo 500nm1microm

Consequentemente o produto atraso-potecircncia tambeacutem aumenta sendo o dobro do valor de

44

referecircncia (interconexotildees ideais) A Figura 49 ilustra o sinal de saiacuteda da interconexatildeo

500nm1microm de cobre

Figura 49 Sinal de entrada (em verde) e sinal de saiacuteda (em preto) da rede a 100 GHz para

a interconexatildeo 500nm1microm de cobre

Comparando-se as potecircncias das tabelas 47 48 411 413 verifica-se que natildeo haacute

alteraccedilatildeo na potecircncia total dissipada pelo circuito com interconexotildees ideais e pelos

circuitos com interconexotildees natildeo-ideais para uma mesma frequecircncia Assim eacute importante

destacar que a dissipaccedilatildeo de potecircncia das interconexotildees de SWCNT bundle e de cobre natildeo

interfere na potecircncia total dissipada pelo circuito

443 Consideraccedilotildees Finais

Apoacutes analisar as interconexotildees locais de SWCNT de SWCNT bundle e de cobre

verificou-se que as interconexotildees de SWCNT bundle possuem desempenho comparaacutevel ao

das interconexotildees de cobre Em relaccedilatildeo agraves interconexotildees intermediaacuterias as de SWCNT

bundle apresentam desempenho superior agraves de cobre Jaacute as interconexotildees de SWCNT

isolado tanto para interconexotildees locais como para interconexotildees intermediaacuterias

apresentam desempenho inferior agraves interconexotildees de SWCNT bundle e de cobre natildeo

sendo propiacutecias a serem utilizadas em interconexotildees de circuitos integrados

Na anaacutelise das interconexotildees natildeo-ideais na rede H-tree clock mono-eleacutetron para a

frequecircncia de 10GHz observou-se que o niacutevel loacutegico baixo o niacutevel loacutegico alto o tempo de

subida o slew rate de subida a atenuaccedilatildeo do sinal e a potecircncia total dissipada por cada

porta inversora permanecem os mesmos em relaccedilatildeo agrave interconexatildeo ideal mostrando que

45

para esta frequecircncia as interconexotildees natildeo-ideais natildeo interferem nestes paracircmetros Jaacute o

atraso na propagaccedilatildeo do sinal no caso do cobre aumenta agrave medida que as interconexotildees

aumentam de comprimento aumentando tambeacutem o produto atraso-potecircncia No entanto

estes paracircmetros natildeo satildeo afetados pelas interconexotildees de SWCNT bundle indicando que

este material se sobressai em relaccedilatildeo ao cobre

Jaacute para a rede H-tree clock mono-eleacutetron a 100GHz observou-se que o circuito com

interconexotildees natildeo-ideais afetou bastante os paracircmetros em anaacutelise se comparados aos

obtidos para interconexotildees ideais Verificou-se que as distorccedilotildees provocadas pelas

interconexotildees de cobre foram significativas indicando que as interconexotildees de SWCNT

bundle possuem melhor desempenho que as de cobre

Assim constata-se que as interconexotildees de SWCNT bundle satildeo fortes candidatas a

substituirem as interconexotildees de cobre em circuitos em escala giga (GSI) e tera (TSI)

46

5 CONCLUSOtildeES

Nesta dissertaccedilatildeo o estudo das interconexotildees de SWCNT de SWCNT bundle e de cobre

foi realizado analisando e comparando os seus desempenhos para diferentes

comprimentos A partir desse estudo verificou-se que as interconexotildees de SWCNT bundle

possui desempenho comparaacutevel ao das interconexotildees de cobre no caso de interconexotildees

locais Em relaccedilatildeo agraves interconexotildees intermediaacuterias as de SWCNT bundle apresentam

desempenho superior agraves de cobre

As interconexotildees de SWCNT bundle e as interconexotildees de cobre foram entatildeo simuladas na

rede H-tree clock de dois niacuteveis para diferentes comprimentos e frequecircncias Nos pontos

de destino final da rede foram colocadas portas inversoras formadas por SETs permitindo

a anaacutelise de circuitos nanoeletrocircnicos

A partir da anaacutelise da rede H-tree clock observou-se que as interconexotildees de SWCNT

bundle possuem desempenho melhor que as de cobre principalmente em relaccedilatildeo ao slew

rate agrave atenuaccedilatildeo ao tempo de atraso e ao produto atraso-potecircncia Aleacutem disso a

dissipaccedilatildeo de potecircncia das interconexotildees natildeo-ideais natildeo interferem na potecircncia total

dissipada pelo circuito Assim as interconexotildees de SWCNT bundle satildeo fortes candidatas a

substituirem as interconexotildees de cobre em circuitos em escala giga (GSI) e tera (TSI)

Como perspectivas futuras eacute importante analisar o efeito das interconexotildees de nanotubo de

carbono em circuitos GSI e TSI com outras arquiteturas A anaacutelise das interconexotildees de

CNT tambeacutem deve ser feita em circuitos com tecnologia MOS permitindo a comparaccedilatildeo

entre diferentes tecnologias Aleacutem disso eacute interessante estudar outros tipos de materiais

que possam ser utilizados como interconexotildees em circuitos integrados

47

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53

7 APEcircNDICES

71 TABELAS COMPLEMENTARES

Tabela 71 Paracircmetros obtidos a partir do modelo de SWCNT isolado

L RQ (Ω) RS (Ω) LCNT (10-9

H) CCNT (10-18

F)

10 nm 645103 - 40010

-2 27910

-1

100 nm 645103 - 40010

-1 279

200 nm 645103 - 80010

-1 558

300 nm 645103 - 120 837

400 nm 645103 - 160 11210

1

500 nm 645103 - 200 14010

1

600 nm 645103 - 240 16710

1

700 nm 645103 - 280 19510

1

800 nm 645103 - 320 22310

1

900 nm 645103 - 360 25110

1

1 microm 645103 - 400 27910

1

10 microm 645103 64510

4 40010

1 27910

2

100 microm 645103 64510

5 40010

2 27910

3

200 microm 645103 12910

6 80010

2 55810

3

300 microm 645103 19410

6 12010

3 83710

3

400 microm

645103 25810

6 16010

3 11210

4

500 microm

645103 32310

6 20010

3 14010

4

Tabela 72 Paracircmetros obtidos a partir do modelo de SWCNT bundle

L RQ (Ω) RS (Ω) LBundle(10-9

H) CBundle(10-18

F)

10 nm 1075 - 66710-5

135

100 nm 1075 - 66710-4

135101

200 nm 1075 - 13310-3

270101

300 nm 1075 - 20010-3

405101

400 nm 1075 - 26710-3

540101

500 nm 1075 - 33310-3

675101

600 nm 1075 - 40010-3

810101

700 nm 1075 - 46710-3

945101

800 nm 1075 - 53310-3

108102

900 nm 1075 - 60010-3

122102

1 microm 1075 - 66710-3

135102

10 microm 1075 108102 66710

-2 13510

3

100 microm 1075 108103 66710

-1 13510

4

200 microm 1075 215103 133 27010

4

300 microm 1075 323103 200 40510

4

400 microm

1075 430103 267 54010

4

500 microm

1075 538103 333 67510

4

54

Tabela 73 Paracircmetros obtidos a partir do modelo de cobre

L RCu (Ω) LCu (10-9

H) CCu (10-18

F)

10 nm 06 37310-6

150

100 nm 60 63610-5

150101

200 nm 120 17510-4

300101

300 nm 180 30910-4

450101

400 nm 240 45410-4

600101

500 nm 300 61110-4

750101

600 nm 360 77510-4

900101

700 nm 420 94610-4

105102

800 nm 480 11210-3

120102

900 nm 540 13110-3

135102

1 microm 600 14910-3

150102

10 microm 60102 24010

-2 15010

3

100 microm 60103 33210

-1 15010

4

200 microm 12104 72010

-1 30010

4

300 microm 18104 113 45010

4

400 microm

24104 155 60010

4

500 microm

30104 198 75010

4

55

Tabela 74 Frequecircncia em -3dB das interconexotildees locais

Comprimento Material f-3dB

10 nm SWCNT isolado 253 GHz

SWCNT bundle 66 THz

Cobre 232 THz

100 nm SWCNT isolado 300 GHz

SWCNT bundle 20 THz

Cobre 51 THz

200 nm SWCNT isolado 342 GHz

SWCNT bundle 14 THz

Cobre 29 THz

300 nm SWCNT isolado 344 GHz

SWCNT bundle 11 THz

Cobre 20 THz

400 nm SWCNT isolado 329 GHz

SWCNT bundle 89 THz

Cobre 15 THz

500 nm SWCNT isolado 307 GHz

SWCNT bundle 76 THz

Cobre 12 THz

600 nm SWCNT isolado 288 GHz

SWCNT bundle 67 THz

Cobre 94 THz

700 nm SWCNT isolado 271 GHz

SWCNT bundle 61 THz

Cobre 76 THz

800 nm SWCNT isolado 255 GHz

SWCNT bundle 55 THz

Cobre 63 THz

900 nm SWCNT isolado 240 GHz

SWCNT bundle 51 THz

Cobre 52 THz

1 microm SWCNT isolado 230 GHz

SWCNT bundle 47 THz

Cobre 42 THz

56

Tabela 75 Frequecircncia em -3dB das interconexotildees intermediaacuterias

Comprimento Material f-3dB

10 microm SWCNT isolado 26 GHz

SWCNT bundle 527 GHz

Cobre 34 GHz

100 microm SWCNT isolado 32 MHz

SWCNT bundle 42 GHz

Cobre 345 MHz

200 microm SWCNT isolado 82 MHz

SWCNT bundle 10 GHz

Cobre 87 MHz

300 microm SWCNT isolado 36 MHz

SWCNT bundle 455 MHz

Cobre 38 MHz

400 microm SWCNT isolado 21 MHz

SWCNT bundle 256 MHz

Cobre 21 MHz

500 microm SWCNT isolado 13 MHz

SWCNT bundle 165 MHz

Cobre 14 MHz

57

8 ANEXOS

81 COacuteDIGO SPICE DO SET [44]

Transistor mono-eleacutetron (SET) conexotildees fonte | dreno | | porta1 | | | porta2 | | | | SUBCKT SET 1 2 3 4 PARAMS +C1=1E-20 Capacitacircncia da junccedilatildeo 1 +C2=1E-20 Capacitacircncia da junccedilatildeo 2 +R1=1E5 Resistecircncia da junccedilatildeo 1 +R2=1E5 Resistecircncia da junccedilatildeo 2 +Cg1=015E-18 Capacitacircncia da junccedilatildeo 1 +Cg2=0 Capacitacircncia da junccedilatildeo 2 +C0=0 Capacitacircncia proacutepria da ilha +Q0=005 Carga offset em unidades de e +TEMP=300 Temperatura PARAM E=160217733E-19 Carga do eleacutetron (e) PARAM CSUM=C1+C2+Cg1+Cg2+C0 Capacitacircncia total do SET PARAM T=TEMPCSUM53785467E14 Temperatura normalizada 53785467E14 = kBe^2 PARAM RN1=R1(R1+R2) Resistecircncia da junccedilatildeo 1 normalizada PARAM RN2=R2(R1+R2) Resistecircncia da junccedilatildeo 2 normalizada FUNC Q(v1v2v3v4) (Cg1v3+Cg2v4+C1v1+C2v2)E+Q0 Definiccedilatildeo da carga em unidades de e FUNC VN(v) CSUMvE Tensatildeo normalizada FUNC GAMMA(u) IF(T==0IF(ult0-u0)IF(u==0Tu(EXP(uT)-1))) FUNC N_OPT(v1v2v3v4) ROUND(-Q(v1v2v3v4)+(CSUME) (v1RN2+v2RN1)) A maior probabilidade de carga na ilha em unidades de e Os quarto eventos tuacuteneis FUNC R1L(nv1v2v3v4) GAMMA(05 - n - Q(v1v2v3v4) + VN(v1))RN1 FUNC R1R(nv1v2v3v4) GAMMA(05 + n + Q(v1v2v3v4) - VN(v1))RN1 FUNC R2L(nv1v2v3v4) GAMMA(05 + n + Q(v1v2v3v4) - VN(v2))RN2 FUNC R2R(nv1v2v3v4) GAMMA(05 - n - Q(v1v2v3v4) + VN(v2))RN2

58

determinaccedilatildeo das probabilidades relativas assume-se inicialmente que o estado da carga N_OPT tem probabilidade relativa igual a um FUNC PN_1(nv1v2v3v4) (R1L(nv1v2v3v4)+R2R(nv1v2v3v4))(R1R(n-1v1v2v3v4)+R2L(n-1v1v2v3v4)) FUNC PN_2(nv1v2v3v4) PN_1(nv1v2v3v4) +(R1L(n-1v1v2v3v4)+R2R(n-1v1v2v3v4))(R1R(n-2v1v2v3v4)+R2L(n-2v1v2v3v4)) FUNC PN_3(nv1v2v3v4) PN_2(nv1v2v3v4) +(R1L(n-2v1v2v3v4)+R2R(n-2v1v2v3v4))(R1R(n-3v1v2v3v4)+R2L(n-3v1v2v3v4)) FUNC PN_4(nv1v2v3v4) PN_3(nv1v2v3v4) +(R1L(n-3v1v2v3v4)+R2R(n-3v1v2v3v4))(R1R(n-4v1v2v3v4)+R2L(n-4v1v2v3v4)) FUNC PN_5(nv1v2v3v4) PN_4(nv1v2v3v4) +(R1L(n-4v1v2v3v4)+R2R(n-4v1v2v3v4))(R1R(n-5v1v2v3v4)+R2L(n-5v1v2v3v4)) FUNC PN1(nv1v2v3v4) (R2L(nv1v2v3v4) +R1R(nv1v2v3v4))(R2R(n+1v1v2v3v4)+R1L(n+1v1v2v3v4)) FUNC PN2(nv1v2v3v4) PN1(nv1v2v3v4) +(R2L(n+1v1v2v3v4)+R1R(n+1v1v2v3v4))(R2R(n+2v1v2v3v4)+R1L(n+2v1v2v3v4)) FUNC PN3(nv1v2v3v4) PN2(nv1v2v3v4) +(R2L(n+2v1v2v3v4)+R1R(n+2v1v2v3v4))(R2R(n+3v1v2v3v4)+R1L(n+3v1v2v3v4)) FUNC PN4(nv1v2v3v4) PN3(nv1v2v3v4) +(R2L(n+3v1v2v3v4)+R1R(n+3v1v2v3v4))(R2R(n+4v1v2v3v4)+R1L(n+4v1v2v3v4)) FUNC PN5(nv1v2v3v4) PN4(nv1v2v3v4) +(R2L(n+4v1v2v3v4)+R1R(n+4v1v2v3v4))(R2R(n+5v1v2v3v4)+R1L(n+5v1v2v3v4)) FUNC PSUM(nv1v2v3v4) PN_5(nv1v2v3v4)+PN_4(nv1v2v3v4)+PN_3(nv1v2v3v4)+PN_2(nv1v2v3v4) ++PN_1(nv1v2v3v4)+1+PN1(nv1v2v3v4)+PN2(nv1v2v3v4)+PN3(nv1v2v3v4) ++PN4(nv1v2v3v4)+PN5(nv1v2v3v4)

59

caacutelculo da corrente da fonte para o dreno FUNC CUR(nv1v2v3v4) PN_5(nv1v2v3v4)(R1R(n-5v1v2v3v4)-R1L(n-5v1v2v3v4)) ++PN_4(nv1v2v3v4)(R1R(n-4v1v2v3v4)-R1L(n-4v1v2v3v4)) ++PN_3(nv1v2v3v4)(R1R(n-3v1v2v3v4)-R1L(n-3v1v2v3v4)) ++PN_2(nv1v2v3v4)(R1R(n-2v1v2v3v4)-R1L(n-2v1v2v3v4)) ++PN_1(nv1v2v3v4)(R1R(n-1v1v2v3v4)-R1L(n-1v1v2v3v4)) ++(R1R(nv1v2v3v4)-R1L(nv1v2v3v4)) ++PN1(nv1v2v3v4)(R1R(n+1v1v2v3v4)-R1L(n+1v1v2v3v4)) ++PN2(nv1v2v3v4)(R1R(n+2v1v2v3v4)-R1L(n+2v1v2v3v4)) ++PN3(nv1v2v3v4)(R1R(n+3v1v2v3v4)-R1L(n+3v1v2v3v4)) ++PN4(nv1v2v3v4)(R1R(n+4v1v2v3v4)-R1L(n+4v1v2v3v4)) ++PN5(nv1v2v3v4)(R1R(n+5v1v2v3v4)-R1L(n+5v1v2v3v4)) FUNC CURRENT(nv1v2v3v4) ECUR(nv1v2v3v4)(CSUMPSUM(nv1v2v3v4)(R1+R2)) caacutelculo da tensatildeo da ilha FUNC VOLT(nv1v2v3v4) PN_5(nv1v2v3v4)(n-5+Q(v1v2v3v4)) ++PN_4(nv1v2v3v4)(n-4+Q(v1v2v3v4)) ++PN_3(nv1v2v3v4)(n-3+Q(v1v2v3v4)) ++PN_2(nv1v2v3v4)(n-2+Q(v1v2v3v4)) ++PN_1(nv1v2v3v4)(n-1+Q(v1v2v3v4)) ++n+Q(v1v2v3v4) ++PN1(nv1v2v3v4)(n+1+Q(v1v2v3v4)) ++PN2(nv1v2v3v4)(n+2+Q(v1v2v3v4)) ++PN3(nv1v2v3v4)(n+3+Q(v1v2v3v4)) ++PN4(nv1v2v3v4)(n+4+Q(v1v2v3v4)) ++PN5(nv1v2v3v4)(n+5+Q(v1v2v3v4)) FUNC VOLTAGE(nv1v2v3v4) (ECSUM)VOLT(nv1v2v3v4)PSUM(nv1v2v3v4) E1 5 0 VALUE= VOLTAGE(N_OPT(V(1)V(2)V(3)V(4))V(1)V(2)V(3)V(4)) Tensatildeo da ilha G1 1 2 VALUE= CURRENT(N_OPT(V(1)V(2)V(3)V(4))V(1)V(2)V(3)V(4)) Corrente da fonte para o dreno CT1 1 5 C1 CT2 2 5 C2 CGATE1 3 5 CG1 CGATE2 4 5 CG2 ENDS SET

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viii

SUMAacuteRIO

1 INTRODUCcedilAtildeO 1

11 OBJETIVOS 2

12 ORGANIZACcedilAtildeO 2

2 FUNDAMENTACcedilAtildeO TEOacuteRICA 3

21 INTERCONEXOtildeES 14

211 Limitaccedilotildees do cobre em relaccedilatildeo ao CNT 3

212 Caracteriacutesticas do CNT 3

213 Modelos de Interconexatildeo 6

2131 Modelo de interconexatildeo de SWCNT isolado 6

2132 Modelo de interconexatildeo de SWCNT bundle 8

2133 Modelo de interconexatildeo de cobre 11

22 INVERSOR MONO-ELEacuteTRON 14

221 Dispositivo de tunelamento mono-eleacutetron 14

222 Estrutura do inversor mono-eleacutetron 18

23 CLOCKING DE SISTEMAS DE ALTA VELOCIDADE 19

231 H-tree clock 21

24 MEDIDAS DE DESEMPENHO NA ANAacuteLISE DAS INTERCONEXOtildeES 22

241 Velocidade maacutexima - anaacutelise na frequecircncia 22

242 Atenuaccedilatildeo 23

243 Tempo de atraso 23

244 Potecircncia dissipada 23

245 Produto atraso-potecircncia 24

246 Slew rate 24

25 LTSPICE 24

3 METODOLOGIA 26

31 INTRODUCcedilAtildeO 26

32 ETAPAS E ESTRATEacuteGIAS ADOTADAS 26

321 Simulaccedilatildeo das interconexotildees 26

322 Simulaccedilatildeo do inversor mono-eleacutetron 28

323 Simulaccedilatildeo do H-tree clock mono-eleacutetron 28

ix

4 RESULTADOS E ANAacuteLISES 31

41 INTRODUCcedilAtildeO 31

42 ANAacuteLISE DAS INTERCONEXOtildeES 31

421 Interconexotildees Locais 31

422 Interconexotildees Intermediaacuterias 35

43 SIMULACcedilAtildeO DO INVERSOR MONO-ELEacuteTRON 37

44 ANAacuteLISE DAS INTERCONEXOtildeES NO H-TREE CLOCK MONO-ELEacuteTRON 39

441 Anaacutelise da rede com interconexotildees ideais 39

442 Anaacutelise da rede com interconexotildees natildeo-ideais 41

4421 Anaacutelise da rede a 10 GHz 41

4422 Anaacutelise da rede a 100 GHz 42

443 Consideraccedilotildees Finais 44

5 CONCLUSOtildeES 46

6 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS 47

7 APEcircNDICES 53

71 TABELAS COMPLEMENTARES 53

8 ANEXOS 57

81 COacuteDIGO SPICE DO SET [44] 57

x

LISTA DE FIGURAS

Figura 21 Estrutura de uma lacircmina de grafeno (esquerda) do SWCNT (meio) e do

MWCNT (direita) [13] 4

Figura 22 Estrutura do SWCNT bundle [16] 4

Figura 23 Estrutura do (i) armchair (ii) zig-zag e (iii) quiral [24] 5

Figura 24 Modelo de interconexatildeo do SWCNT isolado (modificado de [33]) 8

Figura 25 Separaccedilatildeo miacutenima entre CNTs devido agrave forccedila de Van der Waals (modificado de

[13]) 9

Figura 26 Nuacutemero de CNTs ao longo da largura (nW) e da altura (nH) do CNT bundle

[13] 10

Figura 27 Modelo de interconexatildeo de cobre 13

Figura 28 Siacutembolo e tabela verdade da porta NOT 14

Figura 29 Dois eletrodos separados por uma ilha [10] 15

Figura 210 Esquemaacutetico da junccedilatildeo-tuacutenel [10] 15

Figura 211 Diagramas de energia (a) Bloqueio de Coulomb (b) Tunelamento mono-

eleacutetron [10] 16

Figura 212 Caracteriacutestica do bloqueio de Coulomb [10] 17

Figura 213 Transistor mono-eleacutetron [10] 18

Figura 214 Caracteriacutestica corrente(I) versus tensatildeo (Vg) do transistor mono-eleacutetron [10] 18

Figura 215 Esquemaacutetico do inversor utilizando SETs (modificado de [4]) 19

Figura 216 Estruturas comuns de redes de distribuiccedilatildeo de clock [45] 20

Figura 217 Esquemaacutetico do H-tree clock simeacutetrico (modificado de [46]) 21

Figura 218 Graacutefico do moacutedulo do ganho pela frequumlecircncia tiacutepico do comportamento de

interconexotildees 22

Figura 31 Circuito simulado para cada interconexatildeo 27

Figura 32 Fluxograma das etapas seguidas na simulaccedilatildeo das interconexotildees 28

Figura 33 Esquemaacutetico do H-tree clock com os comprimentos de cada seguimento 29

Figura 34 Fluxograma das etapas seguidas na simulaccedilatildeo do H-tree clock 30

Figura 41 Frequecircncia versus comprimento das interconexotildees locais 32

Figura 42 Graacuteficos da magnitude das interconexotildees de SWCNT isolado (superior)

SWCNT bundle (meio) e cobre (inferior) com comprimento de 100nm 34

Figura 43 Frequecircncia versus comprimento das interconexotildees intermediaacuterias 35

xi

Figura 44 Esquemaacutetico do SET e os valores de seus paracircmetros 37

Figura 45 Esquemaacutetico do inversor mono-eleacutetron e os valores de seus paracircmetros

(modificado de [4]) 38

Figura 46 Curva do sinal de entrada (em verde) e do sinal de saiacuteda (em preto) do inversor

mono-eleacutetron 38

Figura 47 Sinal de entrada (em verde) e sinal de saiacuteda (em preto) da rede a 10 GHz 40

Figura 48 Sinal de entrada (em verde) e sinal de saiacuteda (em preto) da rede a 100 GHz 40

Figura 49 Sinal de entrada (em verde) e sinal de saiacuteda (em preto) da rede a 100 GHz para

a interconexatildeo 500nm1microm de cobre 44

xii

LISTA DE TABELAS

Tabela 41 Frequecircncia em -3dB de cada material para lCNT le λCNT 32

Tabela 42 Estudo das interconexotildees com comprimentos na faixa lCNT le λCNT 33

Tabela 43 Estudo das interconexotildees SWCNT bundle e cobre com comprimentos na faixa

lCNT le λCNT 33

Tabela 44 Frequecircncia em -3dB de cada material para lCNT gt λCNT 36

Tabela 45 Estudo das interconexotildees com comprimentos na faixa lCNT gt λCNT 36

Tabela 46 Estudo das interconexotildees SWCNT bundle e cobre com comprimentos na faixa

lCNT gt λCNT 37

Tabela 47 Caracteriacutesticas dos sinais de saiacuteda da rede para interconexotildees ideais 39

Tabela 48 Potecircncia dissipada por cada porta inversora para interconexotildees ideais 40

Tabela 49 Frequecircncia em -3dB na entrada da inversora para interconexotildees natildeo-ideais 41

Tabela 410 Niacuteveis loacutegicos tempo de subida e slew rate dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 10 GHz 42

Tabela 411 Atenuaccedilatildeo atraso potecircncia e produto atraso-potecircncia dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 10 GHz 42

Tabela 412 Niacuteveis loacutegicos tempo de subida e slew rate dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 100 GHz 43

Tabela 413 Atenuaccedilatildeo atraso potecircncia e produto atraso-potecircncia dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 100 GHz 43

Tabela 71 Paracircmetros obtidos a partir do modelo de SWCNT isolado 53

Tabela 72 Paracircmetros obtidos a partir do modelo de SWCNT bundle 53

Tabela 73 Paracircmetros obtidos a partir do modelo de cobre 54

Tabela 74 Frequecircncia em -3dB das interconexotildees locais 55

Tabela 75 Frequecircncia em -3dB das interconexotildees intermediaacuterias 56

xiii

LISTA DE SIacuteMBOLOS NOMENCLATURA ABREVIACcedilOtildeES

CNT ndash Carbon nanotube

CVD ndash Chemical Vapor Deposition

GSI ndash Giga Scale Integration

ITRS ndash International Technology Roadmap for Semiconductors

LTSPICE ndash Linear Technology SPICE simulator

MWCNT ndash Multi-walled carbon nanotube

SET ndash Singe-electron transistor

SPICE ndash Simulated Program with Integrated Circuits Emphasis

SWCNT ndash Single-walled carbon nanotube

TSI ndash Tera Scale Integration

1

1 INTRODUCcedilAtildeO

O crescimento da microeletrocircnica e a consequumlente miniaturizaccedilatildeo dos circuitos integrados

foram previstos por Gordon Moore que enunciou que o nuacutemero de transistores em um

circuito integrado dobraria a cada 18 meses considerando a mesma aacuterea e custo previsatildeo

conhecida como Lei de Moore Devido aos problemas enfrentados pelos dispositivos

microeletrocircnicos gerados especialmente pelos efeitos quacircnticos que anteriormente eram

desprezados novas tecnologias como a nanoeletrocircnica vecircm sendo estudadas para dar

continuidade a esse processo de miniaturizaccedilatildeo dos dispositivos [1-10]

Aleacutem disso a miniaturizaccedilatildeo de circuitos integrados tem resultado em grandes desafios no

projeto de interconexotildees que satildeo responsaacuteveis principalmente pelo carregamento da

tensatildeo de alimentaccedilatildeo de cada transistor e pela distribuiccedilatildeo dos sinais de dados As

limitaccedilotildees das interconexotildees as quais podem provocar uma desaceleraccedilatildeo nos progressos

alcanccedilados ateacute hoje pela induacutestria de semicondutores satildeo fatores preocupantes Como

limitaccedilotildees das interconexotildees eacute importante citar o aumento da sua resistividade aumento da

capacitacircncia de acoplamento entre vias dificuldades no controle das suas dimensotildees entre

outras

Assim o estudo aprofundado das interconexotildees levando em consideraccedilatildeo principalmente

seu desempenho eacute de fundamental importacircncia [11-13] Novas tecnologias estatildeo sendo

estudadas para superar as limitaccedilotildees das interconexotildees de cobre no circuito como a

resistividade eleacutetrica e a resistecircncia agrave eletromigraccedilatildeo principalmente em tecnologias

abaixo de 45nm As interconexotildees oacuteticas as interconexotildees de radio frequumlecircncia ou sem fio

e as interconexotildees de nanotubo de carbono (CNT) satildeo algumas candidatas a substituir as

interconexotildees de cobre as quais satildeo as interconexotildees mais utilizadas atualmente [13-17]

Dentre essas possibilidades os CNTs possuem grandes vantagens para interconexotildees em

circuitos integrados em escala GSI (Giga Scale Integration) e TSI (Tera Scale Integration)

[18-20] Eles satildeo considerados soluccedilotildees eficientes para melhorar as limitaccedilotildees do cobre

previstas pelo ITRS (International Technology Roadmap for Semiconductors) [21] como

atraso dissipaccedilatildeo de potecircncia e resistecircncia agrave eletromigraccedilatildeo

2

11 OBJETIVOS

O objetivo desta dissertaccedilatildeo eacute fazer um estudo comparativo entre o desempenho das

interconexotildees de nanotubo de carbono e das interconexotildees de cobre Com esse intuito

preliminarmente o desempenho das interconexotildees de SWCNT (do inglecircs single-walled

carbon nanotube) de SWCNT bundle (vaacuterios SWCNTs dispostos em paralelo como uma

corda) e de cobre seraacute comparado considerando diferentes comprimentos das

interconexotildees

Por fim o efeito das interconexotildees de SWCNT bundle e de cobre seraacute analisado na rede H-

tree clock com inversores mono-eleacutetron em seus terminais tambeacutem para diferentes

comprimentos Assim seraacute possiacutevel analisar se os nanotubos de carbono poderatildeo substituir

o cobre em interconexotildees em circuitos integrados GSI e TSI

12 ORGANIZACcedilAtildeO

No capiacutetulo 2 satildeo apresentados os conceitos fundamentais necessaacuterios agrave correta

compreensatildeo desta pesquisa Seratildeo abordados conceitos referentes agraves interconexotildees de

CNT e cobre aos dispositivos de tunelamento mono-eleacutetron e agrave estrutura do H-tree clock

O capiacutetulo 3 descreve a metodologia utilizada agrave realizaccedilatildeo do objeto de pesquisa desta

dissertaccedilatildeo Assim seratildeo apresentadas as etapas que foram seguidas para analisar o efeito

das interconexotildees em circuitos com transistores mono-eleacutetron

No capiacutetulo 4 os resultados e anaacutelises das simulaccedilotildees das interconexotildees ideais e natildeo-

ideais considerando o SWCNT SWCNT bundle e o cobre satildeo apresentados As

interconexotildees satildeo analisadas tambeacutem nos circuitos H-tree clock

O capiacutetulo 5 apresenta as conclusotildees e as recomendaccedilotildees para trabalhos futuros

3

2 FUNDAMENTACcedilAtildeO TEOacuteRICA

21 INTERCONEXOtildeES

211 Limitaccedilotildees do cobre em relaccedilatildeo ao CNT

As interconexotildees de cobre sofrem inuacutemeros problemas indesejados que aumentam agrave

medida que as interconexotildees diminuem de tamanho Essa diminuiccedilatildeo de tamanho resulta

em interconexotildees menos eficientes no maior consumo de potecircncia e no aumento da

densidade de corrente transportada por cada interconexatildeo [22] De acordo com o ITRS

[21] a densidade de corrente pode atingir valores na ordem de 107 Acm

2 Este valor soacute eacute

suportado por CNTs uma vez que satildeo capazes de suportar densidades de corrente na

ordem de 1010

Acm2 [1317]

Os CNTs tecircm provocado grande interesse nos cientistas desde a sua descoberta em 1991

por Iijima devido agraves excelentes propriedades eleacutetricas teacutermicas e mecacircnicas que possuem

Suas propriedades eleacutetricas permitem que suportem densidades de ateacute 1010

Acm2 sendo

que o cobre suporta densidades inferiores a 107 Acm

2 [1317] O caminho meacutedio livre do

CNT eacute superior ao do cobre o que possibilita um transporte baliacutestico por uma ampla gama

de extensatildeo e isso resulta em uma resistividade menor do CNT [13-17] Aleacutem disso a alta

condutividade teacutermica do CNT que eacute outra limitaccedilatildeo do cobre eacute de fundamental

importacircncia na aplicaccedilatildeo em interconexotildees Essas propriedades possibilitam uma

toleracircncia do CNT agrave eletromigraccedilatildeo a qual eacute uma grande limitaccedilatildeo no desempenho das

interconexotildees de cobre [131719]

212 Caracteriacutesticas do CNT

Os nanotubos de carbono podem ser formados por uma lacircmina de grafeno enrolada

conhecida como SWCNT (single-walled carbon nanotube) ou por vaacuterios tubos

concecircntricos formando uma multicamada conhecida por MWCNT (multi-walled carbon

nanotube) [2324] A Figura 21 ilustra a estrutura de uma lacircmina de grafeno do SWCNT e

do MWCNT

4

Figura 21 ndash Estrutura de uma lacircmina de grafeno (esquerda) do SWCNT (meio) e do

MWCNT (direita) [13]

Eacute importante destacar que os MWCNTs satildeo menos favoraacuteveis para o uso em

interconexotildees jaacute que eles apresentam caminho meacutedio livre menor que os SWCNTs

[1317] Como a resistecircncia de um uacutenico SWCNT pode ter valores altos eacute necessaacuteria a

uniatildeo de vaacuterios dispostos em paralelo como uma corda chamado de bundle para diminuir

o valor da resistecircncia equivalente da interconexatildeo [1315] A Figura 22 ilustra a estrutura

do SWCNT bundle [16]

Figura 22 ndash Estrutura do SWCNT bundle [16]

Dependendo de como a lacircmina eacute enrolada que resulta no acircngulo quiral e nos iacutendices

quirais de sua estrutura o nanotubo pode ser metaacutelico ou semicondutor [131419] Os

iacutendices quirais satildeo identificados por (mn) O nanotubo seraacute metaacutelico quando a diferenccedila

entre os iacutendices quirais for um muacuteltiplo inteiro de 3 e seraacute semicondutor nos outros casos

[13] A estrutura eacute chamada de zig-zag quando m ou n eacute igual a zero podendo ser metaacutelica

ou semicondutora Quando m=n a estrutura eacute denominada armchair sendo sempre

metaacutelica Nos outros casos a estrutura eacute conhecida como quiral e pode ser metaacutelica ou

semicondutora [24] A Figura 23 mostra as estruturas do armchair zig-zag e quiral [24]

5

Figura 23 ndash Estrutura do (i) armchair (ii) zig-zag e (iii) quiral [24]

De acordo com [22] o crescimento dos CNTs geralmente eacute realizado atraveacutes de um dos

seguintes meacutetodos descarga por arco eleacutetrico ablaccedilatildeo a laser e deposiccedilatildeo quiacutemica a vapor

do inglecircs chemical vapor deposition ndash CVD O processo de descarga por arco eleacutetrico tem

sido desenvolvido para preparar MWCNTs e SWCNTs de alta qualidade Neste processo

aacutetomos de carbono satildeo evaporados com um gaacutes de plasma inerte caracterizado por altas

correntes eleacutetricas que passam entre os eletrodos opostos de carbono (caacutetodo e acircnodo)

Normalmente o acircnodo do carbono conteacutem uma pequena porcentagem de catalisador de

metal como o cobalto niacutequel ou ferro Jaacute o meacutetodo de ablaccedilatildeo a laser utiliza um pulso

duplo de lasers para evaporar varetas de grafite dopadas com uma mistura de cobalto e

niacutequel em poacute colocado em um tubo aquecido a temperatura elevada seguido de um

tratamento teacutermico a vaacutecuo

Apesar dos meacutetodos de descarga por arco eleacutetrico e ablaccedilatildeo a laser produzir grandes

quantidades de CNTs de alta qualidade e oferecer uma ampla disponibilidade de CNTs

para estudos e possiacuteveis aplicaccedilotildees existem vaacuterias preocupaccedilotildees associadas com estes dois

meacutetodos de crescimento [22] Dessa forma os meacutetodos de CVD satildeo bastante usados no

crescimento de CNTs com aplicaccedilatildeo em eletrocircnica incluindo interconexotildees [1322] O

processo de crescimento CVD envolve o aquecimento do catalisador a uma temperatura

elevada e a introduccedilatildeo de gaacutes de hidrocarboneto ou de monoacutexido de carbono para dentro

6

do reator O mecanismo de crescimento do CNT tem sido considerado como um processo

de dissociaccedilatildeo-difusatildeo-precipitaccedilatildeo em que o carbono eacute formado sobre a superfiacutecie de

uma partiacutecula de metal seguida de difusatildeo e precipitaccedilatildeo sob a forma de grafeno ciliacutendrico

[22]

213 Modelos de Interconexatildeo

Para realizar uma comparaccedilatildeo por simulaccedilatildeo entre o desempenho do CNT e do cobre

modelos equivalentes de circuito de interconexotildees que reproduzam com fidelidade o seu

comportamento fiacutesico satildeo necessaacuterios Com esse intuito eacute fundamental que os fatores que

interferem no desempenho das interconexotildees como resistecircncia indutacircncia capacitacircncia e

comprimento sejam considerados A partir do estudo desses modelos eacute possiacutevel verificar

se as interconexotildees de CNT poderatildeo substituir as de cobre e os casos em que isso eacute

possiacutevel

2131 Modelo de interconexatildeo do SWCNT isolado

A resistecircncia de um SWCNT isolado eacute composta por ateacute trecircs partes resistecircncia de contato

entre o metal e o nanotubo (Rc) resistecircncia quacircntica (Rq) e resistecircncia de espalhamento

(Rs) [192325] As resistecircncias de contato e quacircntica satildeo independentes do comprimento

do nanotubo Jaacute a resistecircncia de espalhamento depende do comprimento do nanotubo [26-

31]

Quando o comprimento do SWCNT eacute menor ou igual ao caminho meacutedio livre (lCNT le

λCNT) que eacute tipicamente 1 microm o transporte de eleacutetrons eacute essencialmente baliacutestico e a

resistecircncia independe do comprimento do nanotubo [1332] No entanto quando o

comprimento do SWCNT eacute maior que o caminho meacutedio livre (lCNT gt λCNT) haacute uma

resistecircncia adicional que depende do comprimento do SWCNT e eacute chamada de resistecircncia

de espalhamento [13-15] Assim a resistecircncia total eacute dada pela equaccedilatildeo (21) em que lCNT

eacute o comprimento do nanotubo de carbono

CNTCNT

CNTCNT

CNTlseRsRqRc

lseRqRcR

(21)

7

A resistecircncia de contato pode chegar ao valor de 100 kΩ [131533] Contudo essa

resistecircncia em nanotubos de carbono com diacircmetro maior que 1nm estaacute na ordem de

poucos kilo ohms ou ateacute mesmo centenas de ohms [1316] Neste trabalho considerou-se o

contato metal-nanotubo como sendo perfeito ou seja Rc = 0

A resistecircncia quacircntica e a de espalhamento satildeo descritas pelas equaccedilotildees (22) e (23)

respectivamente onde e eacute a carga do eleacutetron e h eacute a constante de Plank A resistecircncia

quacircntica (Rq) eacute igualmente dividida em cada lado dos contatos metal-nanotubo [13-

173435]

ke

hRq 456

4 2 (22)

CNT

CNTl

e

hRs

24 (23)

O movimento de eleacutetrons transportados por um condutor eacute modelado pela indutacircncia que

consiste na indutacircncia magneacutetica e cineacutetica [1316] No SWCNT a indutacircncia magneacutetica eacute

calculada considerando que o CNT eacute um fio muito fino com diacircmetro d e estaacute

posicionado a uma distacircncia y do plano ligado ao terra A indutacircncia cineacutetica eacute calculada

pela equaccedilatildeo da energia cineacutetica armazenada em cada canal condutor do CNT para uma

indutacircncia efetiva [141535] Assim a indutacircncia magneacutetica (LM) e a cineacutetica (LK) podem

ser calculadas pelas equaccedilotildees (24) e (25) respectivamente

d

yLM ln

2

(24)

F

Kve

hL

22 (25)

Para d = 1nm e y = 1microm LM = 14pHmicrom [141529] Como vF eacute a velocidade de Fermi

cujo valor eacute dado por 8x105 ms para o CNT o valor da indutacircncia cineacutetica eacute LK =

16nHmicrom [13-1635] Sabendo que cada CNT tem quatro canais condutores em paralelo

que natildeo interagem entre si a indutacircncia cineacutetica efetiva eacute dada por LK4 [13-15] Uma boa

aproximaccedilatildeo da indutacircncia total do CNT (LCNT) eacute 4 nHmicrom [15]

8

Por fim a capacitacircncia de um SWCNT isolado eacute constituiacuteda por duas partes que satildeo a

capacitacircncia eletrostaacutetica (CE) e a quacircntica (CQ) [13-1735] Essas capacitacircncias satildeo

calculadas pelas equaccedilotildees (26) e (27)

d

yCE

ln

2 (26)

F

Qhv

eC

22 (27)

A capacitacircncia eletrostaacutetica eacute influenciada pelo ambiente que a envolve que satildeo os seus

vizinhos e o plano ligado ao terra Considerando que o CNT eacute um fio com diacircmetro d =

1nm e a distacircncia y = 1microm obteacutem-se CE = 30 aFmicrom Jaacute a capacitacircncia quacircntica se refere agrave

influecircncia da energia quacircntica armazenada no nanotubo quando este carrega corrente O

valor da capacitacircncia eacute CQ = 100 aFmicrom [1314] Considerando os quatro canais condutores

descritos anteriormente a capacitacircncia total eacute dada por (28)

QE

QE

CNTCC

CCC

4

4

(28)

Assim o esquemaacutetico da interconexatildeo de um SWCNT isolado eacute mostrado na Figura 24

abaixo

Figura 24 ndash Modelo de interconexatildeo do SWCNT isolado (modificado de [33])

2132 Modelo de interconexatildeo do SWCNT bundle

O SWCNT bundle possui resistecircncia equivalente menor que o SWCNT isolado

caracteriacutestica necessaacuteria para alcanccedilar performances comparaacuteveis agraves interconexotildees de

9

cobre [13-2023252629-38] O SWCNT bundle eacute composto por vaacuterios SWCNTs

empacotados em paralelo Assume-se que todos os SWCNTs satildeo idecircnticos metaacutelicos e que

cada um tem o mesmo potencial [1737] Sabendo que d eacute o diacircmetro do nanotubo de

carbono e x eacute a distacircncia entre os centros de dois nanotubos adjacentes o SWCNT bundle

pode ser empacotado de forma densa se x = d ou de forma esparsa se x gt d [13-1529-

32] Sabe-se que entre os nanotubos existe uma separaccedilatildeo δmin devido agrave forccedila de Van der

Waals que eacute de pelo menos 032 nm entre cada nanotubo [13] como mostra a Figura 25

Figura 25 ndash Separaccedilatildeo miacutenima entre CNTs devido agrave forccedila de Van der Waals (modificado

de [13])

O nuacutemero de nanotubos de carbono nCNT disponiacutevel pode ser calculado pelas expressotildees

dadas em (29) e (210) [141530]

iacutemparnsen

nn

parnsen

nn

n

HH

HW

HH

HW

CNT

2

1

2

(29)

1

23

x

dtn

x

dwn HW (210)

Nas expressotildees acima w eacute a largura e t eacute a altura da interconexatildeo de SWCNT bundle

Assim nW eacute o nuacutemero de CNTs ao longo da largura do SWCNT bundle e nH eacute o nuacutemero de

CNTs ao longo da altura do SWCNT bundle [13-1530] A Figura 26 mostra esses valores

[13]

10

Figura 26 ndash Nuacutemero de CNTs ao longo da largura (nW) e da altura (nH) do CNT

bundle[13]

Na tecnologia de 22 nm considerando as dimensotildees de 22 nm de largura e 44 nm de altura

do SWCNT bundle [13173437] e a separaccedilatildeo entre cada nanotubo devido agrave forccedila de Van

der Waals a quantidade de SWCNTs eacute aproximadamente 600 Neste trabalho estas

consideraccedilotildees foram feitas e a tecnologia de 22 nm foi utilizada Esta tecnologia eacute prevista

pelo ITRS para o ano de 2016 [21]

As resistecircncias de cada SWCNT estatildeo em paralelo entre elas assim como as indutacircncias

Assim a resistecircncia e a indutacircncia do SWCNT bundle com nCNT SWCNTs satildeo calculados

respectivamente pelas expressotildees (211) e (212) [1323252629-3234]

CNT

CNTbundle

n

RR (211)

CNT

CNTbundle

n

LL (212)

Considerando que todos os SWCNTs estatildeo no mesmo potencial que os contatos entre

todos os nanotubos de carbono em um bundle satildeo idecircnticos e que cada SWCNT tem o

mesmo caminho meacutedio livre [13] eacute possiacutevel assumir que a interaccedilatildeo entre CNTs

adjacentes de um SWCNT bundle eacute fraca e que eles carregam correntes independentes

umas das outras [13-17]

A capacitacircncia do SWCNT bundle eacute obtida a partir da combinaccedilatildeo da capacitacircncia

quacircntica de todos os SWCNTs em paralelo chamada de capacitacircncia quacircntica bundle

(CQbundle

) que estaacute em seacuterie com a capacitacircncia eletrostaacutetica (CEbundle

) [13143539] A

capacitacircncia quacircntica e a capacitacircncia eletrostaacutetica satildeo calculadas pelas equaccedilotildees (213) e

(214) em que CEn e CEf satildeo as capacitacircncias de placas paralelas de CNTs isolados em

11

relaccedilatildeo aos vizinhos proacuteximos e afastados respectivamente [14293032] Assim a

capacitacircncia total do SWCNT bundle eacute obtida pela equaccedilatildeo (215)

CNT

CNT

Q

bundle

Q nCC (213)

En

HEf

WEn

bundle

E Cn

Cn

CC5

23

2

22

(214)

bundle

Q

bundle

E

bundle

Q

bundle

E

bundleCC

CCC

(215)

Analisando a equaccedilatildeo (215) o efeito da CQbundle

eacute pequeno para grandes valores de nCNT

sendo o valor da capacitacircncia do SWCNT bundle aproximadamente igual agrave sua

capacitacircncia eletrostaacutetica [13161719] Srivastava et al [13] mostra que os nanotubos no

interior do SWCNT bundle satildeo blindados eletrostaticamente dos condutores de terra

podendo ser desprezados Os CNTs de borda satildeo os principais contribuidores para a

capacitacircncia eletrostaacutetica do SWCNT bundle No entanto a equaccedilatildeo (214) natildeo reproduz

fielmente a realidade jaacute que considera a capacitacircncia eletrostaacutetica de todos os nanotubos e

natildeo soacute os CNTs de borda Segundo o mesmo autor para a tecnologia de 22 nm e uma

constante dieleacutetrica igual a 2 a capacitacircncia total do SWCNT bundle eacute aproximadamente

135 aFμm

2133 Modelo de interconexatildeo do cobre

As propriedades fiacutesicas de interconexotildees de cobre podem ser descritas por resistecircncia

capacitacircncia e indutacircncia [14-16] A resistecircncia do cobre pode ser calculada utilizando a

equaccedilatildeo (216)

tw

lRCu

(216)

em que l eacute o comprimento do cobre w eacute a sua largura t eacute a sua altura e ρ eacute a sua

resistividade A resistividade do cobre em escala nanomeacutetrica eacute moldada pela combinaccedilatildeo

dos fenocircmenos de espalhamento superficial e de espalhamento de contorno

[151627283340] Estes fenocircmenos correspondem aos paracircmetros ρFS e ρMS propostos

12

por Fuchs e Sondheimer (ρFS) e por Mayadas e Shatzkes (ρMS) [1516] Estes paracircmetros

satildeo calculados pelas expressotildees (217) (218) e (219)

)1(

4

31 p

w

o

o

FS

(217)

11ln33

2

31 22

MS

o (218)

)1( R

R

D

o

(219)

O paracircmetro ρo eacute a resistividade do material λo eacute o caminho meacutedio livre p eacute o paracircmetro

de espalhamento de Fuchs D eacute o tamanho meacutedio e R eacute o coeficiente de reflexatildeo no

contorno com valores entre 0 e 1 Assim tem-se que a resistecircncia do cobre em escala

nanomeacutetrica eacute dada pela equaccedilatildeo (220) [1516]

tw

lR MSFS

Cu

(220)

De acordo com [1433] o valor da resistividade do cobre na tecnologia de 22nm para

interconexotildees locais eacute dado por 4666 μΩ-cm No entanto este valor da resistividade do

cobre chega a 58 μΩ-cm para valores miacutenimos da largura do fio [1516203940] Neste

trabalho seraacute utilizado o valor de 58 μΩ-cm para a resistividade do cobre na tecnologia de

22 nm que vai ao encontro dos requerimentos do ITRS [21]

A indutacircncia proacutepria (L) e a muacutetua (M) da interconexatildeo de cobre em escala nanomeacutetrica

satildeo obtidas usando respectivamente as expressotildees (221) e (222)

l

tw

tw

llL o )(220

2

12ln

2

(221)

l

s

s

llM o 1

2ln

2

(222)

em que t eacute a altura do fio microo eacute a permeabilidade e s eacute o espaccedilamento entre os fios [14-16]

A indutacircncia total do cobre (LCu) eacute dada pela soma das indutacircncias proacutepria e muacutetua

13

A capacitacircncia da interconexatildeo de cobre eacute calculada pela soma da capacitacircncia de

acoplamento entre dois fios adjacentes (CC) e a capacitacircncia ligada ao plano do terra (Cg)

[14-16] Essas capacitacircncias podem ser obtidas pelas equaccedilotildees (223) e (224) [1541]

120760193

534511171

70222

ht

t

hs

s

hs

s

h

wCg (223)

181160141090

980871161

591740

062141

sh

h

sw

w

sw

w

sh

h

s

tCC (224)

em que s eacute o espaccedilamento entre dois fios adjacentes h eacute a distacircncia do fio em relaccedilatildeo ao

plano do terra e ε eacute a permissividade relativa para uma dada constante dieleacutetrica

Considerando as equaccedilotildees (223) e (224) e de acordo com [1321] para uma constante

dieleacutetrica igual a 2 o valor da capacitacircncia total do cobre (CCu) eacute aproximadamente 150

aFμm que seraacute utilizado neste trabalho

Os modelos em L em π e em T satildeo usados como modelos de interconexatildeo de cobre [11]

Como o modelo π eacute muito utilizado para uma linha distribuiacuteda [1416] este modelo seraacute

usado neste trabalho A Figura 27 mostra o modelo de interconexatildeo de cobre [11]

Figura 27 ndash Modelo de interconexatildeo de cobre

A precisatildeo do modelo eacute determinada pelo nuacutemero de seguimentos bdquoN‟ que ele possui Uma

cadeia com mais de trecircs segmentos em π fornece um erro menor que 3 [16] Neste

trabalho seratildeo utilizados trecircs segmentos em π

14

22 INVERSOR MONO-ELEacuteTRON

Os dispositivos de tunelamento mono-eleacutetron satildeo dispositivos nanoeletrocircnicos

potencialmente aplicaacuteveis em circuitos integrados em escala giga (GSI) e tera (TSI)

Apesar de apresentarem baixo ganho e alta impedacircncia de saiacuteda estes dispositivos

possuem tamanho reduzido e baixa dissipaccedilatildeo de potecircncia Estas caracteriacutesticas os tornam

atrativos em circuitos loacutegicos e circuitos de memoacuteria [1-10] Assim portas loacutegicas podem

ser implementadas utilizando dispositivos de tunelamento mono-eleacutetron [14-9]

As portas loacutegicas satildeo blocos de construccedilatildeo baacutesicos na eletrocircnica digital O inversor loacutegico

ou porta NOT eacute o principal elemento baacutesico no projeto de circuitos digitais [42] O

inversor inverte o sinal de entrada de valor loacutegico baixo ndash 0 ndash em um sinal de saiacuteda de

valor loacutegico alto ndash 1 ndash e vice-versa [442] Em outras palavras a porta NOT efetua a

negaccedilatildeo loacutegica O siacutembolo do inversor juntamente com sua tabela verdade estaacute ilustrado

na Figura 28

Figura 28 ndash Siacutembolo e tabela verdade da porta NOT

221 Dispositivo de tunelamento mono-eleacutetron

O funcionamento dos dispositivos de tunelamento mono-eleacutetron eacute baseado no controle do

movimento e da posiccedilatildeo de um uacutenico ou de um pequeno grupo de eleacutetrons no dispositivo

[17] Os seguintes conceitos satildeo essenciais na definiccedilatildeo desses dispositivos ilha junccedilatildeo-

tuacutenel tunelamento efeito de carregamento e bloqueio de Coulomb A partir desses

conceitos eacute possiacutevel definir o transistor mono-eleacutetron - SET (do inglecircs Single-electron

transistor) [24-8]

A ilha estaacute localizada entre duas paredes finas de um material normalmente isolante as

quais criam uma barreira de potencial de energia que impossibilita a movimentaccedilatildeo de

eleacutetrons pela ilha A Figura 29 mostra dois eletrodos A e B separados por uma barreira

15

isolante e no meio dessa barreira isolante encontra-se a ilha Se a energia dos eleacutetrons for

maior que a energia potencial das paredes das barreiras estes poderatildeo atravessaacute-las [6] No

dispositivo de tunelamento mono-eleacutetron o transporte de eleacutetrons entre o eletrodo A e a

ilha e entre a ilha e o eletrodo B ocorre por tunelamento mono-eleacutetron em que os eleacutetrons

atravessam as barreiras um de cada vez [10]

Figura 29 Dois eletrodos separados por uma ilha [10]

Esses dispositivos satildeo formados por junccedilotildees-tuacutenel que satildeo dois eletrodos metaacutelicos

separados por um isolante muito fino (barreira) o qual permite a passagem de eleacutetrons por

tunelamento [467] A Figura 210 ilustra a junccedilatildeo-tuacutenel e sua representaccedilatildeo simboacutelica Os

paracircmetros que caracterizam a junccedilatildeo-tuacutenel macroscopicamente satildeo a resistecircncia de

tunelamento (Rj) que depende da aacuterea e da espessura da barreira isolante e a capacitacircncia

(Cj) [10]

Figura 210 Esquemaacutetico da junccedilatildeo-tuacutenel [10]

O tunelamento eacute o transporte de partiacuteculas atraveacutes de uma regiatildeo em que a energia total de

uma partiacutecula pontual claacutessica eacute menor que a energia potencial da regiatildeo ou seja eacute o

transporte atraveacutes de uma regiatildeo classicamente proibida [10] O efeito de tunelamento

ocorre quando a barreira de potencial for suficientemente fina permitindo que o eleacutetron a

atravesse se houver niacutevel de energia desocupado do outro lado da barreira com o mesmo

valor de energia Esse fenocircmeno pode ser explicado pelo comportamento dual do eleacutetron

Diferentemente da mecacircnica claacutessica na teoria eletromagneacutetica quando uma partiacutecula

encontra uma barreira de potencial parte da onda eacute refletida e a outra parte eacute transmitida

para o outro lado da barreira [10] A teoria ortodoxa do tunelamento mono-eleacutetron eacute o

modelo mais utilizado para analisar o tunelamento [4-6] Proposto em 1987 por Averin e

Likharev [43] este modelo apresenta os seguintes postulados

16

Modelo de dimensatildeo zero as dimensotildees das ilhas satildeo despreziacuteveis

O evento de tunelamento eacute considerado instantacircneo

A redistribuiccedilatildeo das cargas apoacutes tunelamento tambeacutem eacute considerada instantacircnea

O espectro de energia em condutores e ilhas eacute considerado contiacutenuo ou seja a

quantizaccedilatildeo da energia do eleacutetron eacute ignorada dentro dos condutores

Apesar de a teoria ortodoxa assumir condiccedilotildees hipoteacuteticas ela continua sendo muito

utilizada em estudos do dispositivo mono-eleacutetron [4-6]

O efeito de carregamento ocorre quando os eleacutetrons estatildeo na iminecircncia de entrar em um

material condutor extremamente pequeno isolado eletricamente (ilha) Se houver um

eleacutetron na ilha o potencial eletrostaacutetico da ilha aumenta bastante sendo bem superior ao

ruiacutedo teacutermico em temperatura ambiente O fluxo de eleacutetrons na ilha eacute possiacutevel se o

potencial da ilha for controlado por uma fonte de tensatildeo externa Outros eleacutetrons satildeo

impedidos de entrar na ilha devido agrave repulsatildeo de Coulomb [14-9]

Assim o bloqueio de Coulomb ocorre quando um eleacutetron entra na ilha e impede o

tunelamento de outro eleacutetron nesta ilha No momento em que o eleacutetron entra na ilha a

energia eletrostaacutetica da ilha aumenta em Ce 22 em que CΣ eacute a soma das capacitacircncias

em torno da ilha [14] Dessa forma outro eleacutetron soacute conseguiraacute tunelar para dentro da ilha

se sua energia for maior que a energia eletrostaacutetica da ilha [6] A Figura 211 ilustra os

diagramas de energia no bloqueio de Coulomb e no caso de tunelamento [10]

(a) (b)

Figura 211 Diagramas de energia (a) Bloqueio de Coulomb (b) Tunelamento mono-

eleacutetron [10]

17

O bloqueio de Coulomb eacute superado ao se aplicar uma tensatildeo Vg ao circuito ateacute que esta

tensatildeo alcance um dado valor de limiar que forneceraacute energia suficiente para que ocorra o

tunelamento de um eleacutetron Assim haveraacute o fluxo de eleacutetrons havendo corrente A Figura

212 mostra a regiatildeo do bloqueio de Coulomb ao aplicar uma tensatildeo Vg ao circuito em que

Vc eacute a tensatildeo de limiar chamada de tensatildeo de bloqueio de Coulomb [5-10]

Figura 212 Caracteriacutestica do bloqueio de Coulomb [10]

Nesse contexto duas condiccedilotildees satildeo necessaacuterias para garantir que o transporte de eleacutetrons

seja controlado pelo efeito de carregamento a condiccedilatildeo para a resistecircncia de tunelamento

dada pela equaccedilatildeo (225) [1] em que a natureza corpuscular do eleacutetron predomina sobre a

natureza ondulatoacuteria e a energia eletrostaacutetica (EC) associada a uma dada temperatura (T)

deve ser significativamente maior que as flutuaccedilotildees teacutermicas existentes agravequela

temperatura como descrita na equaccedilatildeo (226) [146-9] Os paracircmetros h eacute a constante de

Planck e eacute a carga do eleacutetron kB eacute a constante de Boltzmann e C eacute capacitacircncia Na

equaccedilatildeo (226) a temperatura deve ser maior que 0K [10]

kRe

hR TT 825

2 (225)

TkC

eTkEc BB

2

2

(226)

A partir dos conceitos apresentados pode-se definir o transistor mono-eleacutetron O SET

ilustrado na Figura 213 [10] eacute composto por duas junccedilotildees-tuacutenel em seacuterie formando uma

ilha entre as junccedilotildees [246-9] Os paracircmetros R1 C1 e R2 C2 correspondem agraves

resistecircncias e capacitacircncias da primeira e da segunda junccedilatildeo-tuacutenel respectivamente A

tensatildeo de porta Vg controla a energia eletrostaacutetica da ilha atraveacutes da capacitacircncia Cg

18

Quando haacute carregamento por tunelamento de uma junccedilatildeo e descarregamento da outra

junccedilatildeo haacute um fluxo controlado de cargas o que gera a corrente I [10]

Figura 213 Transistor mono-eleacutetron [10]

Um efeito que pode ser observado na caracteriacutestica da corrente versus tensatildeo do transistor

mono-eleacutetron eacute chamado de oscilaccedilatildeo de Coulomb [24679] Se a tensatildeo V for mantida

constante com CeV e a tensatildeo Vg for aumentada ateacute atingir gg CeV 2 esse

valor de tensatildeo permitiraacute que um eleacutetron passe pela ilha Como soacute haveraacute corrente fluindo

no circuito em valores muacuteltiplos da tensatildeo gCe 2 soacute ocorreraacute o tunelamento novamente

quando )2(3 gg CeV A caracteriacutestica corrente (I) versus tensatildeo (Vg) do transistor

mono-eleacutetron eacute ilustrada na Figura 214 [10]

Figura 214 Caracteriacutestica corrente (I) versus tensatildeo (Vg) do transistor mono-eleacutetron [10]

222 Estrutura do inversor mono-eleacutetron

Um inversor pode ser construiacutedo colocando-se dois SETs em seacuterie os quais compartilham

da mesma entrada [5689] conforme mostrado na Figura 215 Vin eacute a tensatildeo de entrada

Vout eacute a tensatildeo de saiacuteda Vbias eacute a tensatildeo de polarizaccedilatildeo CC eacute a capacitacircncia de carga Cg1 e

Cg2 satildeo as capacitacircncias de porta do SET 1 e do SET 2 respectivamente

19

Figura 215 Esquemaacutetico do inversor utilizando SETs (modificado de [4])

Alguns modelos do SET desenvolvidos no software SPICE foram propostos na literatura

[4-7] Destes modelos o proposto por G Lientschnig et al [4] descreve a implementaccedilatildeo

completa da teoria ortodoxa e usa apenas os recursos em versotildees disponiacuteveis publicamente

do software SPICE Este modelo diferentemente dos modelos propostos em [5-7] natildeo estaacute

limitado a transistores mono-eleacutetron com junccedilotildees-tuacutenel que tecircm resistecircncias iguais Aleacutem

disso pode ser estendido para incluir um nuacutemero arbitraacuterio de estados de carga que

permite simulaccedilotildees definidas para altas temperaturas e tensotildees de polarizaccedilatildeo [4] O

modelo de G Lientschnig et al estaacute disponiacutevel no siacutetio eletrocircnico [44] Assim este foi o

modelo utilizado neste trabalho

23 CLOCKING DE SISTEMAS DE ALTA VELOCIDADE

Em sistemas digitais siacutencronos o sinal do clock eacute utilizado para definir uma referecircncia de

tempo agrave mudanccedila de dados dentro do sistema [1145] Assim a distribuiccedilatildeo do clock eacute de

suma importacircncia na operaccedilatildeo de circuitos integrados digitais sendo uma grande

preocupaccedilatildeo em circuitos integrados de alta velocidade [46-51] Circuitos em escala

nanomeacutetrica podem ser significativamente limitados devido ao clock skew que ocorre

quando os circuitos natildeo estatildeo equumlidistantes do sinal do clock [11454649-51] Como este

sinal eacute o sinal mais ativo em um chip pode resultar em elevado consumo de potecircncia e

grandes densidades de corrente na rede de interconexotildees do clock [454849]

Dessa forma o sinal do clock deve atingir ao mesmo tempo cada noacute para garantir que a

comutaccedilatildeo seja sincronizada bem como deve ser distribuiacutedo de forma que haja o menor

20

atraso possiacutevel [49] Com esse intuito os seguintes fatores entre outros satildeo fundamentais

no desempenho do clock dispositivos loacutegicos de tecnologia raacutepida (avanccedilada) rede de

distribuiccedilatildeo de clock que minimize o skew e interconexotildees com alto desempenho [11]

Conforme exposto anteriormente os dispositivos nanoeletrocircnicos como os transistores

mono-eleacutetron satildeo potencialmente aplicaacuteveis em circuitos integrados em escala giga (GSI)

e tera (TSI) Estes dispositivos permitem que as funccedilotildees loacutegicas sejam desempenhadas em

um tempo mais raacutepido e com menor atraso Assim satildeo fortes candidatos a serem utilizados

em circuitos integrados com clock

A adequada rede de distribuiccedilatildeo do clock assegura que a comutaccedilatildeo seja sincronizada e

que haja o menor atraso possiacutevel [1145] Aleacutem disso dependendo da arquitetura da rede o

niacutevel de sincronismo do sistema pode aumentar Diferentes tipos de abordagens tecircm sido

desenvolvidos para projetar a rede de distribuiccedilatildeo do clock em sistemas digitais de

circuitos integrados [45] Os buffered trees satildeo muito utilizados na distribuiccedilatildeo

equipotencial do clock Aleacutem dessas estruturas assimeacutetricas arquiteturas simeacutetricas como

o H-tree satildeo usadas para distribuir sinais de clock em alta velocidade podendo inclusive

ser projetadas com buffers [45-51] Algumas formas de rede de distribuiccedilatildeo do clock estatildeo

ilustradas na Figura 216 incluindo a trunk tree mesh e H-tree [45]

Figura 216 Estruturas comuns de redes de distribuiccedilatildeo de clock [45]

21

Atualmente as interconexotildees de cobre satildeo bastante utilizadas para circuitos de alto

desempenho como em redes de clock No entanto os CNTs apresentam caracteriacutesticas que

os tornam melhores para serem utilizados em interconexotildees descritas na subseccedilatildeo 221

[48] Neste trabalho seraacute realizada a comparaccedilatildeo entre interconexotildees de cobre e de CNT

na rede de distribuiccedilatildeo do H-tree clock

231 H-Tree Clock

O clock skew pode ser minimizado distribuindo-se o sinal do clock de forma que as

interconexotildees que levam o sinal aos circuitos loacutegicos tecircm o mesmo comprimento Se antes

de chegarem aos circuitos loacutegicos os sinais do clock forem igualmente atrasados eles

estaratildeo perfeitamente sincronizados [1145] Dessa forma o esquemaacutetico da Figura 217 de

distribuiccedilatildeo do clock minimiza o clock skew repetindo recursivamente uma estrutura em

forma de H [11] A Figura 217 ilustra uma rede H-tree simeacutetrica com trecircs niacuteveis [46]

Figura 217 Esquemaacutetico do H-tree clock simeacutetrico (modificado de [46])

Na estrutura do H-tree o condutor primaacuterio do clock estaacute ligado ao centro do H principal

(1ordm niacutevel) transmitindo o sinal para os quatro cantos deste H Esses quatro cantos satildeo as

entradas para o proacuteximo niacutevel do H-tree o 2ordm niacutevel que possui quatro estruturas em H O

processo de distribuiccedilatildeo continua por vaacuterios niacuteveis de H‟s cada vez menores Os pontos de

destino final do H-tree satildeo usados para conduzir os circuitos locais Assim cada caminho

do clock desde a fonte ateacute o circuito local possui praticamente o mesmo atraso [45]

22

24 MEDIDAS DE DESEMPENHO NA ANAacuteLISE DAS INTERCONEXOtildeES

As interconexotildees em circuitos integrados possuem caracteriacutesticas que modificam o sinal de

entrada O efeito das interconexotildees pode provocar atrasos e distorccedilotildees indesejaacuteveis Nesse

contexto eacute necessaacuterio analisar medidas de desempenho dos sinais sob efeito das

interconexotildees tais como velocidade maacutexima atenuaccedilatildeo tempo de atraso potecircncia

dissipada produto atraso-potecircncia e slew rate [111317202342]

241 Velocidade maacutexima - anaacutelise na frequumlecircncia

A velocidade maacutexima que as interconexotildees podem operar sem distorcer o sinal de entrada

eacute uma medida de desempenho importante [172023] Eacute possiacutevel analisar este paracircmetro

atraveacutes da frequumlecircncia maacutexima de operaccedilatildeo da interconexatildeo que eacute a largura de banda em

que o sinal comeccedila a decair em -3dB em relaccedilatildeo ao sinal de referecircncia [1742] Assim

utiliza-se a anaacutelise do moacutedulo do graacutefico de Bode para obter a frequumlecircncia de operaccedilatildeo em

-3dB [42] A Figura 218 mostra o esboccedilo do moacutedulo do ganho pela frequumlecircncia tiacutepico do

comportamento de interconexotildees

Figura 218 Graacutefico do moacutedulo do ganho pela frequumlecircncia tiacutepico do comportamento de

interconexotildees

23

242 Atenuaccedilatildeo

A transmissatildeo de um sinal pode ser expressa em funccedilatildeo do seu ganho ou da sua atenuaccedilatildeo

No caso em estudo as interconexotildees podem atenuar o sinal Essa atenuaccedilatildeo eacute geralmente

calculada pela expressatildeo (227) em que Vo eacute o sinal de saiacuteda e Vi eacute o sinal de entrada [42]

i

o

V

VA log20 (227)

243 Tempo de atraso

O tempo de atraso td ou atraso na propagaccedilatildeo ocorre devido ao

carregamentodescarregamento da capacitacircncia de carga bem como ao tempo de

chaveamento dos transistores [42]

O tempo de atraso eacute obtido pela diferenccedila entre o tempo medido a 50 da transiccedilatildeo dos

sinais de entrada e de saiacuteda [11] Em circuitos loacutegicos o atraso na propagaccedilatildeo pode ser

calculado pela meacutedia aritmeacutetica do tempo de propagaccedilatildeo do sinal de alto para baixo tPHL e

do tempo de propagaccedilatildeo do baixo para alto tPLH conforme equaccedilatildeo (228) [1142]

2

PLHPHLd

ttt

(228)

244 Potecircncia dissipada

A dissipaccedilatildeo de potecircncia eacute outra medida de desempenho bastante importante em circuitos

integrados em escala GSI e TSI Isso ocorre jaacute que ao aumentar o nuacutemero de portas

loacutegicas em uma determinada aacuterea ocupada eacute necessaacuterio que a dissipaccedilatildeo de potecircncia esteja

dentro de limites aceitaacuteveis [1142]

A dissipaccedilatildeo de potecircncia eacute composta por dois componentes potecircncia estaacutetica e potecircncia

dinacircmica A dissipaccedilatildeo de potecircncia estaacutetica eacute dada por IVP DDE e ocorre mesmo que

natildeo haja chaveamento de porta loacutegica no circuito devido ao efeito da resistecircncia do

circuito [42] A dissipaccedilatildeo de potecircncia dinacircmica eacute devido agrave capacitacircncia de carga do

24

circuito expressa por CVfP DDD 2 em que VDD eacute a tensatildeo de alimentaccedilatildeo f eacute

frequumlecircncia do circuito e C eacute a capacitacircncia de carga do circuito [1142] Assim a soma da

potecircncia dinacircmica e da potecircncia estaacutetica resulta na potecircncia total dissipada no circuito

245 Produto atraso-potecircncia

Em circuitos integrados o ideal eacute que se tenha baixo atraso na propagaccedilatildeo resultando em

uma maior velocidade de funcionamento do circuito bem como baixa dissipaccedilatildeo de

potecircncia No entanto essas duas exigecircncias satildeo conflitantes ao reduzirmos a dissipaccedilatildeo de

potecircncia de uma porta a capacidade da porta em fornecer corrente diminuiraacute isso

implicaraacute em um maior tempo de carga e descarga aumentando o atraso na propagaccedilatildeo

Assim o produto atraso-potecircncia (delay power product ndash DP) eacute uma medida de

desempenho bastante utilizada na anaacutelise de circuitos e eacute dado por dD tPDP Quanto

menor o produto atraso-potecircncia maior a eficiecircncia do circuito loacutegico [42]

246 Slew rate

A taxa maacutexima de variaccedilatildeo da tensatildeo de saiacuteda do inglecircs slew rate (SR) eacute uma

caracteriacutestica importante do sinal de saiacuteda de um circuito loacutegico A limitaccedilatildeo na taxa de

variaccedilatildeo pode provocar uma distorccedilatildeo no funcionamento do circuito O SR pode ser

calculado pela expressatildeo (229) em que Δv eacute a variaccedilatildeo da tensatildeo de saiacuteda do sinal para

uma determinada variaccedilatildeo de tempo Δt [42]

t

vSR

(229)

25 LTSPICE

O software LTSPICE eacute um simulador SPICE de alto desempenho orientado a

esquemaacuteticos e visualizador de formas de onda com modelos para facilitar a simulaccedilatildeo de

circuitos eletrocircnicos Se comparado aos outros simuladores SPICE a simulaccedilatildeo do

LTSPICE eacute bastante raacutepida O software consegue simular dispositivos de acordo com o

padratildeo industrial reproduzindo os seus comportamentos [52]

25

O LTSPICE possui vaacuterias possibilidades de simulaccedilatildeo como anaacutelise transiente anaacutelise AC

e anaacutelise DC bem como permite a simulaccedilatildeo de vaacuterios dispositivos disponiacuteveis na sua

biblioteca Aleacutem disso este software possibilita a elaboraccedilatildeo de novos esquemaacuteticos

atraveacutes de um modelo matemaacutetico ou eletrocircnico proposto O novo componente poderaacute ser

utilizado no circuito conforme seraacute feito neste trabalho utilizando-se o modelo SPICE do

SET proposto por G Lientschnig et al[4]

26

3 METODOLOGIA

31 INTRODUCcedilAtildeO

A miniaturizaccedilatildeo das interconexotildees prejudica o seu desempenho resultando no aumento

significativo do valor da resistividade da capacitacircncia de acoplamento entre vias na

dificuldade de controlar a razatildeo entre a altura e a largura do material entre outros

problemas A fim de analisar o desempenho das interconexotildees eacute necessaacuterio verificar

algumas variaacuteveis importantes como velocidade maacutexima (f-3dB) atenuaccedilatildeo (A) tempo de

atraso (td) potecircncia dissipada (P) produto atraso-potecircncia (DP) e slew rate (SR)

[111317202342]

32 ETAPAS E ESTRATEacuteGIAS ADOTADAS

Com o intuito de analisar o efeito das interconexotildees em circuitos com transistores mono-

eleacutetron foi realizada primeiramente a anaacutelise das interconexotildees de SWCNT de SWCNT

bundle e de cobre isoladamente para diferentes valores de comprimento Apoacutes a avaliaccedilatildeo

desses resultados o efeito das interconexotildees foi analisado no H-tree clock com inversores

mono-eleacutetron nos seus terminais tambeacutem considerando diferentes comprimentos Neste

trabalho a tecnologia de 22 nm prevista para o ano de 2016 [21] foi utilizada na

comparaccedilatildeo entre o desempenho do cobre e do CNT Todas as simulaccedilotildees foram realizadas

utilizando o software LTSPICE

321 Simulaccedilatildeo das interconexotildees

A partir dos modelos das interconexotildees de SWCNT SWCNT bundle e cobre apresentados

na subseccedilatildeo 213 diferentes comprimentos das interconexotildees foram simulados Assim

analisou-se as interconexotildees locais em que l le 1 μm e as intermediaacuterias em que 1 μm lt l

le 500 μm sabendo que l eacute o comprimento da interconexatildeo [29-31333638]

A fim de analisar a frequumlecircncia de corte este foi obtido para comprimentos de

interconexotildees locais (10nm 100nm 200nm 300nm 400nm 500nm 600nm 700nm

27

800nm 900nm 1μm) e interconexotildees intermediaacuterias (10μm 100μm 200μm 300μm

400μm 500μm)

Jaacute que λCNT eacute tipicamente 1 μm foram escolhidos trecircs comprimentos na faixa lCNT le λCNT

(10 nm 100 nm e 1 μm) e trecircs comprimentos na faixa lCNT gt λCNT (10 μm 100 μm 500

μm) para serem analisados detalhadamente Escolheu-se uma mesma frequecircncia abaixo da

frequecircncia de corte dos trecircs materiais considerados para analisar e comparar a atenuaccedilatildeo

(A) e o tempo de atraso na propagaccedilatildeo (td) dos diferentes comprimentos

Em seguida o mesmo procedimento foi feito para comparar somente o SWCNT bundle e o

cobre para uma mesma frequecircncia cujo valor eacute maior que a frequecircncia da anaacutelise anterior

permitindo que estes dois materiais sejam analisados detalhadamente

Essas anaacutelises foram realizadas a partir da simulaccedilatildeo do circuito da Figura 31 [2325] A

tensatildeo de entrada Vin eacute uma onda quadrada de 1V de amplitude e o capacitor de carga tem

o valor de 100 aF

Figura 31 ndash Circuito simulado para cada interconexatildeo

A Figura 32 mostra o fluxograma das etapas descritas nesta subseccedilatildeo 321

28

Figura 32 ndash Fluxograma das etapas seguidas na simulaccedilatildeo das interconexotildees

322 Simulaccedilatildeo do inversor mono-eleacutetron

Para utilizar a porta inversora da Figura 215 nos terminais do H-tree clock foi necessaacuterio

primeiramente simular o SET proposto por [4] Essa simulaccedilatildeo foi feita variando os

paracircmetros do SET como as resistecircncias e capacitacircncias das junccedilotildees as capacitacircncias de

porta a temperatura etc Os paracircmetros foram variados ateacute simular o SET a temperatura

de 300K Em seguida simulou-se a inversora da Figura 215 tambeacutem a temperatura

ambiente Dessa forma foi possiacutevel simular a inversora isoladamente obtendo as

caracteriacutesticas do sinal de saiacuteda

323 Simulaccedilatildeo do H-tree clock mono-eleacutetron

Apoacutes a simulaccedilatildeo do SET foi possiacutevel simular o H-tree clock A rede H-tree de dois niacuteveis

foi simulada com um H no primeiro niacutevel e quatro H‟s no segundo niacutevel [49] Nos pontos

de destino final da rede foram colocadas portas inversoras formadas por SETs permitindo

a anaacutelise de circuitos nanoeletrocircnicos

Modelos de SWCNT

SWCNT bundle e cobre

Obtenccedilatildeo dos paracircmetros dos modelos para

interconexotildees locais e interconexotildees intermediaacuterias

Para cada comprimento

obtenccedilatildeo de f-3dB

1ordm) Escolha de frequumlecircncia abaixo

da f-3dB do SWCNT SWCNT

bundle e cobre

2ordm) Escolha de frequumlecircncia abaixo

da f-3dB do SWCNT bundle e

cobre

Obtenccedilatildeo de A e td de

cada modelo

Obtenccedilatildeo de A e td de

cada modelo

Anaacutelise comparativa entre o

SWCNT SWCNT bundle e

cobre

Anaacutelise comparativa entre o

SWCNT bundle e cobre

Estudo de interconexotildees locais (10nm

100nm 1μm) e intermediaacuterias (10μm

100μm 500μm)

29

A partir da simulaccedilatildeo do H-tree clock obteve-se a frequecircncia em -3dB (f-3dB) da rede com

interconexotildees ideais Assim a rede H-tree foi entatildeo simulada para duas frequecircncias

diferentes do sinal de entrada abaixo da frequecircncia de -3dB 10 GHz e 100 GHz Com

essas simulaccedilotildees obtiveram-se as seguintes caracteriacutesticas do sinal de saiacuteda da inversora

niacutevel loacutegico baixo (NB) niacutevel loacutegico alto (NA) tempo de subida (tr) slew rate de subida

(SR) atenuaccedilatildeo (A) tempo de atraso (td) potecircncia dissipada (P) e produto atraso-potecircncia

(DP) As caracteriacutesticas obtidas servem como referecircncia para analisar o sinal considerando

interconexotildees natildeo-ideais ou seja incluindo os modelos das interconexotildees nas simulaccedilotildees

Em seguida a rede H-tree foi simulada considerando-se os modelos das interconexotildees de

SWCNT bundle e de cobre variando os seus comprimentos Como cada H da rede de

distribuiccedilatildeo deve ser simeacutetrico considerou-se que cada divisatildeo do H tem o mesmo

comprimento para cada niacutevel da rede [11] A Figura 33 mostra o comprimento dos

diferentes trechos da rede Assim o comprimento de cada divisatildeo dos H‟s do segundo

niacutevel eacute a metade do comprimento de cada divisatildeo do H do primeiro niacutevel Jaacute que o objetivo

eacute simular circuitos em escala nanomeacutetrica escolheu-se trecircs variaccedilotildees de comprimento

menores ou iguais a 1μm

l = 100 nm l2 = 50 nm

l = 400 nm l2 = 200 nm

l = 1 μm l2 = 500 nm

Figura 33 ndash Esquemaacutetico do H-tree clock com os comprimentos de cada seguimento

Dessa forma cada um dos trecircs circuitos foi simulado obtendo-se a frequecircncia em -3dB na

entrada das portas inversoras Em seguida as trecircs redes foram simuladas para as mesmas

30

duas frequumlecircncias do sinal de entrada (10 GHz e 100 GHz) de forma a obter as

caracteriacutesticas do sinal de saiacuteda descritas anteriormente considerando agora o efeito das

interconexotildees

Por fim a partir dos dados obtidos foram realizadas comparaccedilotildees entre as caracteriacutesticas

do sinal de saiacuteda de referecircncia (interconexotildees ideais) e o sinal de saiacuteda dos circuitos com as

interconexotildees natildeo-ideais bem como entre o comportamento das interconexotildees de SWCNT

bundle e de cobre nas diferentes frequecircncias

A Figura 34 mostra o fluxograma das etapas descritas nas subseccedilotildees 322 e 323

Figura 34 ndash Fluxograma das etapas seguidas na simulaccedilatildeo do H-tree clock

H-tree clock mono-eleacutetron

Simulaccedilatildeo do H-tree clock com

interconexotildees ideais Obtenccedilatildeo de f-3dB

da inversora

Simulaccedilatildeo do H-tree clock com

interconexotildees natildeo-ideais para os seguintes

comprimentos

l = 100 nm l2 = 50 nm

l = 400 nm l2 = 200 nm

l = 1 μm l2 = 500 nm

Validaccedilatildeo do SET e do

inversor mono-eleacutetron a

300K

Sinal de entrada a

10 GHz

Sinal de entrada a

100 GHz

Obtenccedilatildeo de NB

NA tr SR A td P e

DP do sinal de saiacuteda

da inversora

Obtenccedilatildeo de NB

NA tr SR A td P e

DP do sinal de saiacuteda

da inversora

Sinal de entrada a

10 GHz

Sinal de entrada a

100 GHz

Obtenccedilatildeo de NB

NA tr SR A td P e

DP do sinal de saiacuteda

da inversora

Obtenccedilatildeo de NB

NA tr SR A td P e

DP do sinal de saiacuteda

da inversora

Anaacutelise comparativa

dos dados obtidos

31

4 RESULTADOS E ANAacuteLISES

41 INTRODUCcedilAtildeO

Neste capiacutetulo seratildeo apresentados os procedimentos adotados e os resultados obtidos na

simulaccedilatildeo das interconexotildees SWCNT SWCNT bundle e cobre As etapas descritas na

metodologia foram seguidas obtendo-se os resultados das simulaccedilotildees das interconexotildees e

das simulaccedilotildees do H-tree clock mono-eleacutetron para interconexotildees ideais e natildeo-ideais A

partir dos resultados a anaacutelise do desempenho das interconexotildees seraacute apresentada

42 ANAacuteLISE DAS INTERCONEXOtildeES

Nesta seccedilatildeo a anaacutelise das interconexotildees de SWCNT SWCNT bundle e cobre na

tecnologia de 22 nm para diferentes comprimentos seraacute realizada Para isso analisou-se

as interconexotildees locais em que l le 1 μm e as intermediaacuterias em que 1 μm lt l le 500 μm

sabendo que l eacute o comprimento da interconexatildeo [29-31333638] Como λCNT eacute

tipicamente 1 μm trecircs comprimentos na faixa lCNT le λCNT (10 nm 100 nm e 1 μm) e trecircs

comprimentos na faixa lCNT gt λCNT (10 μm 100 μm 500 μm) de cada material seratildeo

analisados detalhadamente Os paracircmetros obtidos a partir dos modelos de SWCNT

SWCNT bundle e cobre estatildeo respectivamente nas Tabelas 71 72 e 73 do Apecircndice

421 Interconexotildees locais

Primeiramente a partir da simulaccedilatildeo da Figura 31 obteve-se a frequecircncia em -3dB (f-3dB)

das interconexotildees locais (lCNT le λCNT ) isto eacute a sua banda passante de forma a verificar a

velocidade maacutexima que cada interconexatildeo suporta A Figura 41 ilustra o comportamento

da frequecircncia das interconexotildees locais para os diferentes comprimentos Como o SWCNT

isolado possui valores de frequecircncia na faixa de centenas de giga Hertz ou seja menos de

um tera Hertz os valores de suas frequecircncias tambeacutem podem ser visualisados na Tabela

74 do Apecircndice

Verifica-se que agrave medida que o comprimento da interconexatildeo aumenta a frequecircncia

diminui Isso ocorre jaacute que os valores da capacitacircncia e indutacircncia aumentam com o

aumento do comprimento da interconexatildeo Esses paracircmetros satildeo decisivos no sinal de

32

saiacuteda sendo o sinal mais distorcido quanto maior for o valor desses paracircmetros Observa-

se que o SWCNT bundle e o cobre possuem banda passante maiores que o SWCNT

isolado para qualquer comprimento Aleacutem disso o SWCNT bundle soacute possui uma banda

passante comparaacutevel ao do cobre para comprimentos acima de 700 nm

Frequecircncia X Comprimento

0

10

20

30

40

50

60

100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

Comprimento (nm)

f -3d

B (

TH

z)

SWCNT Isolado

SWCNT bundle

Cobre

Figura 41 ndash Frequumlecircncia versus comprimento das interconexotildees locais

As interconexotildees locais de 10 nm 100 nm e 1 μm de comprimento foram analisadas

detalhadamente A Tabela 41 mostra a frequecircncia em -3dB de cada material para os

comprimentos em anaacutelise

Tabela 41 Frequecircncia em -3dB de cada material para lCNT le λCNT

Interconexatildeo Local Comprimento (L) Material f-3dB

SWCNT isolado 253 GHz

10nm SWCNT bundle 66 THz

Cobre 232 THz

SWCNT isolado 300 GHz

lCNT le λCNT 100nm SWCNT bundle 20 THz

Cobre 51 THz

SWCNT isolado 230 GHz

1microm SWCNT bundle 47 THz

Cobre 42 THz

Assim escolheu-se uma mesma frequecircncia abaixo da frequecircncia de corte dos trecircs

materiais considerados para analisar e comparar a atenuaccedilatildeo (A) e o tempo de atraso na

propagaccedilatildeo (td) dos trecircs comprimentos Isso permite verificar o comportamento do sinal na

banda passante A Tabela 42 mostra esse estudo comparativo entre o SWCNT isolado

SWCNT bundle e cobre agrave frequecircncia de 200 GHz

33

Tabela 42 Estudo das interconexotildees com comprimentos na faixa lCNT le λCNT

Freq L Material A (dB) td (ps)

SWCNT isolado -210 046

10nm SWCNT bundle 001 000

Cobre 000 000

SWCNT isolado -155 051

200 GHz 100nm SWCNT bundle 001 000

Cobre 001 000

SWCNT isolado -039 107

1microm SWCNT bundle 006 001

Cobre 000 007

A partir da anaacutelise da Tabela 42 eacute possiacutevel observar agrave frequumlecircncia de 200 GHz a

atenuaccedilatildeo do sinal e o atraso do SWCNT isolado Nessa frequumlecircncia o atraso do SWCNT

isolado eacute significativo em relaccedilatildeo ao periacuteodo do sinal que eacute 5ps jaacute que o menor atraso

(para l = 10nm) eacute aproximadamente 10 do periacuteodo do sinal de entrada No entanto para

esta mesma frequumlecircncia observa-se que a atenuaccedilatildeo e o atraso do SWCNT bundle e do

cobre satildeo insignificantes Isto indica que estes dois materiais possuem melhor

desempenho sendo favoraacuteveis para serem utilizados em interconexotildees locais

Dessa forma para analisar melhor a atenuaccedilatildeo e o tempo de atraso do SWCNT bundle e do

cobre o mesmo procedimento foi feito comparando-se somente estes dois materiais para

uma mesma frequecircncia de 1 THz A Tabela 43 mostra esse estudo comparativo entre o

SWCNT bundle e cobre

Tabela 43 Estudo das interconexotildees SWCNT bundle e cobre com comprimentos na faixa

lCNT le λCNT

Freq L Material A (dB) td (fs)

10nm SWCNT bundle 001 113

Cobre 000 022

1 THz 100nm SWCNT bundle 006 136

Cobre 001 240

1microm SWCNT bundle 145 647

Cobre -013 5623

Analisando a Tabela 43 observa-se que agrave frequumlecircncia de 1 THz a atenuaccedilatildeo do sinal e o

atraso aumentam agrave medida que o comprimento das interconexotildees aumentam A partir do

comprimento de 100nm o tempo de atraso da interconexatildeo de cobre eacute maior que o do

SWCNT bundle cujo maior valor de atraso (para l = 1microm) natildeo chega a 1 do periacuteodo do

34

sinal de entrada (1ps) Isso mostra que apesar de a banda passante do cobre ser maior o

atraso do SWCNT bundle eacute menor Dessa forma para as interconexotildees locais o SWCNT

bundle possui desempenho comparaacutevel ao do cobre [13]

Em relaccedilatildeo agrave atenuaccedilatildeo verifica-se que para alguns comprimentos este tem valor

positivo Isso ocorre principalmente quando haacute um pico no graacutefico da frequumlecircncia antes dele

comeccedilar a decair Esse pico eacute devido ao efeito ressonante provocado pela indutacircncia

quando este possui valor comparaacutevel agrave resistecircncia e agrave capacitacircncia da interconexatildeo [53]

Assim esse efeito ressonante foi observado somente nas interconexotildees locais de SWCNT

bundle e de cobre A Figura 42 ilustra o graacutefico da magnitude pela frequumlecircncia do SWCNT

isolado SWCNT bundle e cobre para o comprimento de 100nm Observa-se o efeito

ressonante nos graacuteficos do SWCNT bundle e do cobre

Figura 42 ndash Graacuteficos da magnitude das interconexotildees de SWCNT isolado (superior)

SWCNT bundle (meio) e cobre (inferior) com comprimento de 100nm

35

422 Interconexotildees intermediaacuterias

Assim como para as interconexotildees locais obteve-se a frequecircncia em -3dB (f-3dB) das

interconexotildees intermediaacuterias (lCNT gt λCNT) de forma a verificar a velocidade maacutexima que

cada interconexatildeo suporta A Figura 43 ilustra o comportamento da frequecircncia das

interconexotildees intermediaacuterias para os diferentes comprimentos Os valores das frequecircncias

de cada interconexatildeo tambeacutem podem ser visualisados na Tabela 75 do Apecircndice

Como nas interconexotildees locais agrave medida que o comprimento da interconexatildeo aumenta a

frequecircncia diminui Aleacutem disso o SWCNT bundle e o cobre possuem desempenho melhor

que o do SWCNT isolado para qualquer comprimento No entanto para interconexotildees

intermediaacuterias o SWCNT bundle possui banda passante maior que a do cobre para

qualquer comprimento

Frequecircncia X Comprimento

00

05

10

15

20

25

30

35

40

45

100 200 300 400 500

Comprimento (μm)

f -3d

B (

GH

z)

SWCNT isolado

SWCNT bundle

Cobre

Figura 43 ndash Frequumlecircncia versus comprimento das interconexotildees intermediaacuterias

As interconexotildees intermediaacuterias de 10 μm 100 μm e 500 μm de comprimento foram entatildeo

analisadas detalhadamente A Tabela 44 mostra a frequecircncia em -3dB de cada materal

para os diferentes comprimentos em anaacutelise

36

Tabela 44 Frequecircncia em -3dB de cada material para lCNT gt λCNT

Interconexatildeo

Intermediaacuteria

Comprimento (L) Material f-3dB

SWCNT isolado 26 GHz

10 microm SWCNT bundle 527 GHz

Cobre 34 GHz

SWCNT isolado 32 MHz

lCNT gt λCNT 100 microm SWCNT bundle 42 GHz

Cobre 345 MHz

SWCNT isolado 13 MHz

500 microm SWCNT bundle 165 MHz

Cobre 14 MHz

Escolheu-se a frequecircncia de 1 MHz que estaacute abaixo da frequecircncia de corte dos trecircs

materiais considerados para analisar e comparar a atenuaccedilatildeo (A) e o tempo de atraso na

propagaccedilatildeo (td) dos trecircs comprimentos A Tabela 45 mostra esse estudo comparativo entre

o SWCNT isolado SWCNT bundle e cobre

Tabela 45 Estudo das interconexotildees com comprimentos na faixa lCNT gt λCNT

Freq L Material A (dB) td (ns)

SWCNT isolado -002 008

10 microm SWCNT bundle 000 000

Cobre 000 000

SWCNT isolado -003 559

1 MHz 100 microm SWCNT bundle -001 005

Cobre -004 056

SWCNT isolado -198 10217

500 microm SWCNT bundle 000 110

Cobre -003 1301

Com base na Tabela 45 observa-se que a atenuaccedilatildeo e o tempo de atraso do SWCNT

isolado aumentam com o aumento do comprimento da interconexatildeo Nessa frequumlecircncia o

atraso na propagaccedilatildeo do SWCNT isolado eacute significativo em relaccedilatildeo ao periacuteodo do sinal de

entrada que eacute 1micros chegando a mais de 10 deste periacuteodo para o comprimento de 500microm

Verifica-se tambeacutem o aumento do tempo de atraso da interconexatildeo de cobre sendo 13

do periacuteodo do sinal de entrada para o comprimento de 500microm

Para analisar melhor a atenuaccedilatildeo e o tempo de atraso do SWCNT bundle e do cobre o

mesmo procedimento foi feito comparando-se somente estes dois materiais para uma

37

mesma frequecircncia de 10 MHz A Tabela 46 mostra esse estudo comparativo entre o

SWCNT bundle e cobre

Tabela 46 Estudo das interconexotildees SWCNT bundle e cobre com comprimentos na faixa

lCNT gt λCNT

Freq L Material A (dB) td (ns)

10 microm SWCNT bundle 000 000

Cobre 000 000

10 MHz 100 microm SWCNT bundle -001 005

Cobre -004 054

500 microm SWCNT bundle -004 107

Cobre -185 1024

Analisando a Tabela 46 observa-se que agrave medida que o comprimento das interconexotildees

aumenta a atenuaccedilatildeo e o atraso do sinal da interconexatildeo de cobre tornam-se significativos

O atraso na propagaccedilatildeo da interconexatildeo de cobre para l = 500microm chega a 10 do periacuteodo

do sinal de entrada (100ns) Jaacute o SWCNT bundle apresenta valores insignificantes de

atenuaccedilatildeo e atraso na propagaccedilatildeo Assim para as interconexotildees intermediaacuterias o SWCNT

bundle possui desempenho superior ao do cobre

43 SIMULACcedilAtildeO DO INVERSOR MONO-ELEacuteTRON

O modelo SPICE do SET proposto por G Lientschnig et al [444] foi simulado no

LTSPICE A partir da equaccedilatildeo (226) foi possiacutevel aumentar a temperatura do SET ateacute

chegar a 300K Assim o esquemaacutetico do SET e os valores de seus paracircmetros para que o

SET opere a 300K estatildeo na Figura 44 No anexo deste trabalho (subseccedilatildeo 81) encontra-

se o coacutedigo SET que foi utilizado [44] Os paracircmetros R1 C1 e R2 C2 correspondem agraves

resistecircncias e capacitacircncias das junccedilotildees-tuacutenel Cg eacute a capacitacircncia de porta (Cg1 no coacutedigo

SET) Vg eacute a tensatildeo de porta e V eacute a tensatildeo de entrada

Figura 44 Esquemaacutetico do SET e os valores de seus paracircmetros

38

A partir destes valores o inversor mono-eleacutetron foi construiacutedo colocando-se dois SETs em

seacuterie os quais compartilham da mesma entrada A Figura 45 ilustra o esquemaacutetico do

inversor mono-eleacutetron juntamente com os valores de seus paracircmetros fixos em que Vin eacute a

tensatildeo de entrada Vout eacute a tensatildeo de saiacuteda Vbias eacute a tensatildeo de polarizaccedilatildeo Cc eacute a

capacitacircncia de carga Cg1 e Cg2 satildeo as capacitacircncias de porta do SET 1 e do SET 2

respectivamente

Figura 45 Esquemaacutetico do inversor mono-eleacutetron e os valores de seus paracircmetros

(modificado de [4])

Assim apoacutes simular o inversor mono-eleacutetron a 300K obteve-se o sinal de saiacuteda mostrado

na Figura 46 Como o inversor estaacute invertendo o sinal de entrada de valor loacutegico baixo em

um sinal de saiacuteda de valor loacutegico alto ele estaacute operando corretamente

Figura 46 Curva do sinal de entrada (em verde) e do sinal de saiacuteda (em preto) do inversor

mono-eleacutetron

39

44 ANAacuteLISE DAS INTERCONEXOtildeES NO H-TREE CLOCK MONO-ELEacuteTRON

Nesta seccedilatildeo a rede H-tree clock de dois niacuteveis foi simulada com portas inversoras mono-

eleacutetron nos pontos de destino final da rede permitindo a anaacutelise de circuitos

nanoeletrocircnicos Simulou-se a rede H-tree considerando interconexotildees ideais para as

frequecircncias de 10 GHz e 100 GHz no sinal de entrada Em seguida para as mesmas duas

frequecircncias considerou-se interconexotildees natildeo-ideais de diferentes comprimentos

analisando a rede com os modelos de interconexatildeo SWCNT bundle e cobre Trecircs redes

com comprimentos de interconexotildees diferentes foram analisadas

l = 100 nm l2 = 50 nm

l = 400 nm l2 = 200 nm

l = 1 μm l2 = 500 nm

441 Anaacutelise da rede com interconexotildees ideais

A partir da simulaccedilatildeo do H-tree clock a frequecircncia em -3dB (f-3dB) da rede com

interconexotildees ideais foi obtida Na saiacuteda de cada porta inversora a banda passante do sinal

eacute 3200 GHz Dessa forma duas frequecircncias abaixo de 3200 GHz foram escolhidas para

analisar o sinal de saiacuteda da inversora em condiccedilotildees ideais As frequecircncias de 10 GHz e

100 GHz seratildeo analisadas obtendo-se as seguintes caracteriacutesticas do sinal de saiacuteda da

inversora niacutevel loacutegico baixo (NB) niacutevel loacutegico alto (NA) tempo de subida (tr) slew rate

de subida (SR) atenuaccedilatildeo (A) e tempo de atraso (td) A Tabela 47 mostra os valores

obtidos para as duas frequecircncias em anaacutelise

Tabela 47 Caracteriacutesticas dos sinais de saiacuteda da rede para interconexotildees ideais

Freq NB(mV) NA(mV) tr (ps) SR(Vns) A(dB) td (ps)

10 GHz 675 4518 356 8636 -264 412

100 GHz 678 4279 317 9088 -269 189

Os caacutelculos da potecircncia estaacutetica ( IVP DDE ) potecircncia dinacircmica ( CVfP DDD 2 ) e

potecircncia total ( DE PPP ) dissipada por cada porta inversora foram realizados bem

como o produto atraso-potecircncia (DP) Assim a Tabela 48 mostra os valores obtidos no

40

caacutelculo destes paracircmetros Como a potecircncia estaacutetica independe da frequecircncia do sinal de

entrada o seu valor eacute o mesmo nos dois casos

Tabela 48 Potecircncia dissipada por cada porta inversora para interconexotildees ideais

Frequecircncia PE (nW) PD (nW) P (nW) DP (10-18

Wmiddots)

10 GHz 4838 125 4963 020

100 GHz 4838 125 6088 012

As Tabelas 47 e 48 serviratildeo de referecircncia para as anaacutelises da rede com interconexotildees natildeo-

ideais analisadas na subseccedilatildeo seguinte As Figuras 47 e 48 ilustram o sinal de saiacuteda das

redes com frequecircncias de 10 GHz e de 100 GHz respectivamente Eacute possiacutevel observar que

na frequecircncia de 100 GHz o sinal de saiacuteda jaacute eacute distorcido em relaccedilatildeo ao sinal de referecircncia

(Figura 46)

Figura 47 Sinal de entrada (em verde) e sinal de saiacuteda (em preto) da rede a 10 GHz

Figura 48 Sinal de entrada (em verde) e sinal de saiacuteda (em preto) da rede a 100 GHz

41

442 Anaacutelise da rede com interconexotildees natildeo-ideais

Apoacutes obter as caracteriacutesticas da rede H-tree clock com interconexotildees ideais a anaacutelise da

rede com interconexotildees natildeo-ideais seraacute feita Primeiramente eacute importante verificar a

frequecircncia em -3dB do sinal depois das interconexotildees ou seja na entrada da porta

inversora Caso essa frequecircncia seja menor que a frequecircncia de 3200 GHz obtida com

interconexotildees ideais entatildeo a interconexatildeo afetaraacute o comportamento da rede A Tabela 49

mostra a frequecircncia em -3dB na entrada da inversora para interconexotildees natildeo-ideais

Tabela 49 Frequecircncia em -3dB na entrada da inversora para interconexotildees natildeo-ideais

Comprimentos (l2 l) Material f-3dB

50nm 100nm SWCNT bundle 122 THz

Cobre 175 THz

200nm 400nm SWCNT bundle 31 THz

Cobre 8606 GHz

500nm 1microm SWCNT bundle 12 THz

Cobre 1268 GHz

Assim verifica-se que a interconexatildeo de cobre da rede 500nm1microm possui frequecircncia em

-3dB abaixo da frequecircncia do circuito com interconexatildeo ideal (3200 GHz) Isso indica que

esta interconexatildeo interfere significativamente no comportamento da rede A Tabela 49

mostra tambeacutem que a banda passante da interconexatildeo de cobre soacute eacute maior que a da

interconexatildeo de SWCNT bundle no primeiro caso na rede de 50nm100nm o que mostra

uma vantagem do SWCNT bundle em relaccedilatildeo ao cobre A partir dessas informaccedilotildees a

rede H-tree clock com interconexotildees natildeo-ideais seraacute analisada detalhadamente

4421 Anaacutelise da rede a 10 GHz

As redes com interconexotildees natildeo-ideais seratildeo analisadas na frequecircncia de 10 GHz para

diferentes comprimentos Primeiramente o niacutevel loacutegico baixo (NB) o niacutevel loacutegico alto

(NA) o tempo de subida (tr) e o slew rate de subida (SR) foram obtidos conforme mostra a

Tabela 410 Com base nessa tabela verifica-se que na frequecircncia de 10 GHz essas

caracteriacutesticas natildeo foram modificadas pelas interconexotildees natildeo-ideais independentemente

do comprimento Os valores dos paracircmetros satildeo iguais aos obtidos na rede com

interconexatildeo ideal conforme Tabela 47 O sinal obtido na saiacuteda de cada inversor eacute igual

ao ilustrado na Figura 47

42

Tabela 410 Niacuteveis loacutegicos tempo de subida e slew rate dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 10 GHz

Freq L (l2l) Material NB(mV) NA(mV) tr(ps) SR(Vns)

10

GHz

50nm

100nm

SWCNT bundle 675 4518 356 8636

Cobre 675 4518 356 8636

200nm

400nm

SWCNT bundle 675 4518 356 8636

Cobre 675 4518 356 8636

500nm

1microm

SWCNT bundle 675 4518 356 8636

Cobre 675 4518 356 8636

A Tabela 411 mostra a atenuaccedilatildeo tempo de atraso potecircncia total dissipada e o produto

atraso-potecircncia obtidos a frequecircncia de 10 GHz para interconexotildees natildeo-ideais Observa-se

que a atenuaccedilatildeo do sinal e a potecircncia total dissipada por cada porta inversora permanecem

os mesmos em relaccedilatildeo agrave interconexatildeo ideal mostrando que a essa frequecircncia as

interconexotildees natildeo-ideais natildeo interferem nestes paracircmetros

Jaacute o atraso na propagaccedilatildeo do sinal no caso do cobre aumenta agrave medida que as

interconexotildees aumentam de comprimento aumentando tambeacutem o produto atraso-potecircncia

Esse atraso chega a 66 do periacuteodo do sinal de entrada para a interconexatildeo 500nm1microm

de cobre No entanto estes paracircmetros natildeo satildeo afetados pelas interconexotildees de SWCNT

bundle indicando que este material se sobressai em relaccedilatildeo ao cobre

Tabela 411 Atenuaccedilatildeo atraso potecircncia e produto atraso-potecircncia dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 10 GHz

Freq L (l2l) Material A (dB) td (ps) P (nW) DP(10-18

Wmiddots)

10

GHz

50nm

100nm

SWCNT bundle -264 412 4963 020

Cobre -264 412 4963 020

200nm

400nm

SWCNT bundle -264 412 4963 020

Cobre -264 438 4963 022

500nm

1microm

SWCNT bundle -264 412 4963 020

Cobre -264 659 4963 033

4422 Anaacutelise da rede a 100 GHz

As redes com interconexotildees natildeo-ideais seratildeo analisadas na frequecircncia de 100 GHz para

diferentes comprimentos O niacutevel loacutegico baixo (NB) o niacutevel loacutegico alto (NA) o tempo de

subida (tr) e o slew rate de subida (SR) foram obtidos conforme mostra a Tabela 412 Jaacute a

43

Tabela 413 mostra a atenuaccedilatildeo tempo de atraso potecircncia total dissipada e o produto

atraso-potecircncia obtidos a frequecircncia de 100 GHz para interconexotildees natildeo-ideais

Tabela 412 Niacuteveis loacutegicos tempo de subida e slew rate dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 100 GHz

Freq L (l2l) Material NB(mV) NA(mV) tr(ps) SR(Vns)

100

GHz

50nm

100nm

SWCNT bundle 678 4272 316 9099

Cobre 675 4277 323 9107

200nm

400nm

SWCNT bundle 678 4299 315 9196

Cobre 677 4089 289 9447

500nm

1microm

SWCNT bundle 678 4418 300 9973

Cobre 635 1766 102 6795

Tabela 413 Atenuaccedilatildeo atraso potecircncia e produto atraso-potecircncia dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 100 GHz

Freq L (l2l) Material A (dB) td (ps) P (nW) DP(10-18

Wmiddots)

100

GHz

50nm

100nm

SWCNT bundle -2703 189 6088 012

Cobre -2685 191 6088 012

200nm

400nm

SWCNT bundle -2693 188 6088 012

Cobre -2698 228 6088 014

500nm

1microm

SWCNT bundle -2673 174 6088 011

Cobre -2893 388 6088 024

A partir das Tabelas 412 e 413 o SWCNT bundle seraacute analisado Observa-se que os seus

niacuteveis loacutegicos altos aumentam com o aumento do comprimento das interconexotildees

aumentando tambeacutem o slew rate de subida Esse comportamento ocorre provavelmente

devido ao efeito ressonante provocado pela indutacircncia que provoca um pico no graacutefico da

frequumlecircncia antes dele comeccedilar a decair conforme explicado na subseccedilatildeo 421 Isso implica

na diminuiccedilatildeo da atenuaccedilatildeo do sinal e do atraso No entanto o produto atraso-potecircncia

permanece praticamente invariaacutevel jaacute que a potecircncia total dissipada natildeo se altera

Em relaccedilatildeo agraves interconexotildees de cobre verifica-se que as distorccedilotildees satildeo significativas Agrave

medida que o comprimento aumenta a atenuaccedilatildeo do sinal de saiacuteda aumenta Isso provoca

diminuiccedilatildeo no slew rate do sinal o que natildeo eacute desejado jaacute que o sinal demora mais para

atingir o niacutevel loacutegico alto Aleacutem disso o atraso na propagaccedilatildeo do sinal aumenta bastante

chegando a 388 do periacuteodo do sinal de entrada para a interconexatildeo 500nm1microm

Consequentemente o produto atraso-potecircncia tambeacutem aumenta sendo o dobro do valor de

44

referecircncia (interconexotildees ideais) A Figura 49 ilustra o sinal de saiacuteda da interconexatildeo

500nm1microm de cobre

Figura 49 Sinal de entrada (em verde) e sinal de saiacuteda (em preto) da rede a 100 GHz para

a interconexatildeo 500nm1microm de cobre

Comparando-se as potecircncias das tabelas 47 48 411 413 verifica-se que natildeo haacute

alteraccedilatildeo na potecircncia total dissipada pelo circuito com interconexotildees ideais e pelos

circuitos com interconexotildees natildeo-ideais para uma mesma frequecircncia Assim eacute importante

destacar que a dissipaccedilatildeo de potecircncia das interconexotildees de SWCNT bundle e de cobre natildeo

interfere na potecircncia total dissipada pelo circuito

443 Consideraccedilotildees Finais

Apoacutes analisar as interconexotildees locais de SWCNT de SWCNT bundle e de cobre

verificou-se que as interconexotildees de SWCNT bundle possuem desempenho comparaacutevel ao

das interconexotildees de cobre Em relaccedilatildeo agraves interconexotildees intermediaacuterias as de SWCNT

bundle apresentam desempenho superior agraves de cobre Jaacute as interconexotildees de SWCNT

isolado tanto para interconexotildees locais como para interconexotildees intermediaacuterias

apresentam desempenho inferior agraves interconexotildees de SWCNT bundle e de cobre natildeo

sendo propiacutecias a serem utilizadas em interconexotildees de circuitos integrados

Na anaacutelise das interconexotildees natildeo-ideais na rede H-tree clock mono-eleacutetron para a

frequecircncia de 10GHz observou-se que o niacutevel loacutegico baixo o niacutevel loacutegico alto o tempo de

subida o slew rate de subida a atenuaccedilatildeo do sinal e a potecircncia total dissipada por cada

porta inversora permanecem os mesmos em relaccedilatildeo agrave interconexatildeo ideal mostrando que

45

para esta frequecircncia as interconexotildees natildeo-ideais natildeo interferem nestes paracircmetros Jaacute o

atraso na propagaccedilatildeo do sinal no caso do cobre aumenta agrave medida que as interconexotildees

aumentam de comprimento aumentando tambeacutem o produto atraso-potecircncia No entanto

estes paracircmetros natildeo satildeo afetados pelas interconexotildees de SWCNT bundle indicando que

este material se sobressai em relaccedilatildeo ao cobre

Jaacute para a rede H-tree clock mono-eleacutetron a 100GHz observou-se que o circuito com

interconexotildees natildeo-ideais afetou bastante os paracircmetros em anaacutelise se comparados aos

obtidos para interconexotildees ideais Verificou-se que as distorccedilotildees provocadas pelas

interconexotildees de cobre foram significativas indicando que as interconexotildees de SWCNT

bundle possuem melhor desempenho que as de cobre

Assim constata-se que as interconexotildees de SWCNT bundle satildeo fortes candidatas a

substituirem as interconexotildees de cobre em circuitos em escala giga (GSI) e tera (TSI)

46

5 CONCLUSOtildeES

Nesta dissertaccedilatildeo o estudo das interconexotildees de SWCNT de SWCNT bundle e de cobre

foi realizado analisando e comparando os seus desempenhos para diferentes

comprimentos A partir desse estudo verificou-se que as interconexotildees de SWCNT bundle

possui desempenho comparaacutevel ao das interconexotildees de cobre no caso de interconexotildees

locais Em relaccedilatildeo agraves interconexotildees intermediaacuterias as de SWCNT bundle apresentam

desempenho superior agraves de cobre

As interconexotildees de SWCNT bundle e as interconexotildees de cobre foram entatildeo simuladas na

rede H-tree clock de dois niacuteveis para diferentes comprimentos e frequecircncias Nos pontos

de destino final da rede foram colocadas portas inversoras formadas por SETs permitindo

a anaacutelise de circuitos nanoeletrocircnicos

A partir da anaacutelise da rede H-tree clock observou-se que as interconexotildees de SWCNT

bundle possuem desempenho melhor que as de cobre principalmente em relaccedilatildeo ao slew

rate agrave atenuaccedilatildeo ao tempo de atraso e ao produto atraso-potecircncia Aleacutem disso a

dissipaccedilatildeo de potecircncia das interconexotildees natildeo-ideais natildeo interferem na potecircncia total

dissipada pelo circuito Assim as interconexotildees de SWCNT bundle satildeo fortes candidatas a

substituirem as interconexotildees de cobre em circuitos em escala giga (GSI) e tera (TSI)

Como perspectivas futuras eacute importante analisar o efeito das interconexotildees de nanotubo de

carbono em circuitos GSI e TSI com outras arquiteturas A anaacutelise das interconexotildees de

CNT tambeacutem deve ser feita em circuitos com tecnologia MOS permitindo a comparaccedilatildeo

entre diferentes tecnologias Aleacutem disso eacute interessante estudar outros tipos de materiais

que possam ser utilizados como interconexotildees em circuitos integrados

47

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53

7 APEcircNDICES

71 TABELAS COMPLEMENTARES

Tabela 71 Paracircmetros obtidos a partir do modelo de SWCNT isolado

L RQ (Ω) RS (Ω) LCNT (10-9

H) CCNT (10-18

F)

10 nm 645103 - 40010

-2 27910

-1

100 nm 645103 - 40010

-1 279

200 nm 645103 - 80010

-1 558

300 nm 645103 - 120 837

400 nm 645103 - 160 11210

1

500 nm 645103 - 200 14010

1

600 nm 645103 - 240 16710

1

700 nm 645103 - 280 19510

1

800 nm 645103 - 320 22310

1

900 nm 645103 - 360 25110

1

1 microm 645103 - 400 27910

1

10 microm 645103 64510

4 40010

1 27910

2

100 microm 645103 64510

5 40010

2 27910

3

200 microm 645103 12910

6 80010

2 55810

3

300 microm 645103 19410

6 12010

3 83710

3

400 microm

645103 25810

6 16010

3 11210

4

500 microm

645103 32310

6 20010

3 14010

4

Tabela 72 Paracircmetros obtidos a partir do modelo de SWCNT bundle

L RQ (Ω) RS (Ω) LBundle(10-9

H) CBundle(10-18

F)

10 nm 1075 - 66710-5

135

100 nm 1075 - 66710-4

135101

200 nm 1075 - 13310-3

270101

300 nm 1075 - 20010-3

405101

400 nm 1075 - 26710-3

540101

500 nm 1075 - 33310-3

675101

600 nm 1075 - 40010-3

810101

700 nm 1075 - 46710-3

945101

800 nm 1075 - 53310-3

108102

900 nm 1075 - 60010-3

122102

1 microm 1075 - 66710-3

135102

10 microm 1075 108102 66710

-2 13510

3

100 microm 1075 108103 66710

-1 13510

4

200 microm 1075 215103 133 27010

4

300 microm 1075 323103 200 40510

4

400 microm

1075 430103 267 54010

4

500 microm

1075 538103 333 67510

4

54

Tabela 73 Paracircmetros obtidos a partir do modelo de cobre

L RCu (Ω) LCu (10-9

H) CCu (10-18

F)

10 nm 06 37310-6

150

100 nm 60 63610-5

150101

200 nm 120 17510-4

300101

300 nm 180 30910-4

450101

400 nm 240 45410-4

600101

500 nm 300 61110-4

750101

600 nm 360 77510-4

900101

700 nm 420 94610-4

105102

800 nm 480 11210-3

120102

900 nm 540 13110-3

135102

1 microm 600 14910-3

150102

10 microm 60102 24010

-2 15010

3

100 microm 60103 33210

-1 15010

4

200 microm 12104 72010

-1 30010

4

300 microm 18104 113 45010

4

400 microm

24104 155 60010

4

500 microm

30104 198 75010

4

55

Tabela 74 Frequecircncia em -3dB das interconexotildees locais

Comprimento Material f-3dB

10 nm SWCNT isolado 253 GHz

SWCNT bundle 66 THz

Cobre 232 THz

100 nm SWCNT isolado 300 GHz

SWCNT bundle 20 THz

Cobre 51 THz

200 nm SWCNT isolado 342 GHz

SWCNT bundle 14 THz

Cobre 29 THz

300 nm SWCNT isolado 344 GHz

SWCNT bundle 11 THz

Cobre 20 THz

400 nm SWCNT isolado 329 GHz

SWCNT bundle 89 THz

Cobre 15 THz

500 nm SWCNT isolado 307 GHz

SWCNT bundle 76 THz

Cobre 12 THz

600 nm SWCNT isolado 288 GHz

SWCNT bundle 67 THz

Cobre 94 THz

700 nm SWCNT isolado 271 GHz

SWCNT bundle 61 THz

Cobre 76 THz

800 nm SWCNT isolado 255 GHz

SWCNT bundle 55 THz

Cobre 63 THz

900 nm SWCNT isolado 240 GHz

SWCNT bundle 51 THz

Cobre 52 THz

1 microm SWCNT isolado 230 GHz

SWCNT bundle 47 THz

Cobre 42 THz

56

Tabela 75 Frequecircncia em -3dB das interconexotildees intermediaacuterias

Comprimento Material f-3dB

10 microm SWCNT isolado 26 GHz

SWCNT bundle 527 GHz

Cobre 34 GHz

100 microm SWCNT isolado 32 MHz

SWCNT bundle 42 GHz

Cobre 345 MHz

200 microm SWCNT isolado 82 MHz

SWCNT bundle 10 GHz

Cobre 87 MHz

300 microm SWCNT isolado 36 MHz

SWCNT bundle 455 MHz

Cobre 38 MHz

400 microm SWCNT isolado 21 MHz

SWCNT bundle 256 MHz

Cobre 21 MHz

500 microm SWCNT isolado 13 MHz

SWCNT bundle 165 MHz

Cobre 14 MHz

57

8 ANEXOS

81 COacuteDIGO SPICE DO SET [44]

Transistor mono-eleacutetron (SET) conexotildees fonte | dreno | | porta1 | | | porta2 | | | | SUBCKT SET 1 2 3 4 PARAMS +C1=1E-20 Capacitacircncia da junccedilatildeo 1 +C2=1E-20 Capacitacircncia da junccedilatildeo 2 +R1=1E5 Resistecircncia da junccedilatildeo 1 +R2=1E5 Resistecircncia da junccedilatildeo 2 +Cg1=015E-18 Capacitacircncia da junccedilatildeo 1 +Cg2=0 Capacitacircncia da junccedilatildeo 2 +C0=0 Capacitacircncia proacutepria da ilha +Q0=005 Carga offset em unidades de e +TEMP=300 Temperatura PARAM E=160217733E-19 Carga do eleacutetron (e) PARAM CSUM=C1+C2+Cg1+Cg2+C0 Capacitacircncia total do SET PARAM T=TEMPCSUM53785467E14 Temperatura normalizada 53785467E14 = kBe^2 PARAM RN1=R1(R1+R2) Resistecircncia da junccedilatildeo 1 normalizada PARAM RN2=R2(R1+R2) Resistecircncia da junccedilatildeo 2 normalizada FUNC Q(v1v2v3v4) (Cg1v3+Cg2v4+C1v1+C2v2)E+Q0 Definiccedilatildeo da carga em unidades de e FUNC VN(v) CSUMvE Tensatildeo normalizada FUNC GAMMA(u) IF(T==0IF(ult0-u0)IF(u==0Tu(EXP(uT)-1))) FUNC N_OPT(v1v2v3v4) ROUND(-Q(v1v2v3v4)+(CSUME) (v1RN2+v2RN1)) A maior probabilidade de carga na ilha em unidades de e Os quarto eventos tuacuteneis FUNC R1L(nv1v2v3v4) GAMMA(05 - n - Q(v1v2v3v4) + VN(v1))RN1 FUNC R1R(nv1v2v3v4) GAMMA(05 + n + Q(v1v2v3v4) - VN(v1))RN1 FUNC R2L(nv1v2v3v4) GAMMA(05 + n + Q(v1v2v3v4) - VN(v2))RN2 FUNC R2R(nv1v2v3v4) GAMMA(05 - n - Q(v1v2v3v4) + VN(v2))RN2

58

determinaccedilatildeo das probabilidades relativas assume-se inicialmente que o estado da carga N_OPT tem probabilidade relativa igual a um FUNC PN_1(nv1v2v3v4) (R1L(nv1v2v3v4)+R2R(nv1v2v3v4))(R1R(n-1v1v2v3v4)+R2L(n-1v1v2v3v4)) FUNC PN_2(nv1v2v3v4) PN_1(nv1v2v3v4) +(R1L(n-1v1v2v3v4)+R2R(n-1v1v2v3v4))(R1R(n-2v1v2v3v4)+R2L(n-2v1v2v3v4)) FUNC PN_3(nv1v2v3v4) PN_2(nv1v2v3v4) +(R1L(n-2v1v2v3v4)+R2R(n-2v1v2v3v4))(R1R(n-3v1v2v3v4)+R2L(n-3v1v2v3v4)) FUNC PN_4(nv1v2v3v4) PN_3(nv1v2v3v4) +(R1L(n-3v1v2v3v4)+R2R(n-3v1v2v3v4))(R1R(n-4v1v2v3v4)+R2L(n-4v1v2v3v4)) FUNC PN_5(nv1v2v3v4) PN_4(nv1v2v3v4) +(R1L(n-4v1v2v3v4)+R2R(n-4v1v2v3v4))(R1R(n-5v1v2v3v4)+R2L(n-5v1v2v3v4)) FUNC PN1(nv1v2v3v4) (R2L(nv1v2v3v4) +R1R(nv1v2v3v4))(R2R(n+1v1v2v3v4)+R1L(n+1v1v2v3v4)) FUNC PN2(nv1v2v3v4) PN1(nv1v2v3v4) +(R2L(n+1v1v2v3v4)+R1R(n+1v1v2v3v4))(R2R(n+2v1v2v3v4)+R1L(n+2v1v2v3v4)) FUNC PN3(nv1v2v3v4) PN2(nv1v2v3v4) +(R2L(n+2v1v2v3v4)+R1R(n+2v1v2v3v4))(R2R(n+3v1v2v3v4)+R1L(n+3v1v2v3v4)) FUNC PN4(nv1v2v3v4) PN3(nv1v2v3v4) +(R2L(n+3v1v2v3v4)+R1R(n+3v1v2v3v4))(R2R(n+4v1v2v3v4)+R1L(n+4v1v2v3v4)) FUNC PN5(nv1v2v3v4) PN4(nv1v2v3v4) +(R2L(n+4v1v2v3v4)+R1R(n+4v1v2v3v4))(R2R(n+5v1v2v3v4)+R1L(n+5v1v2v3v4)) FUNC PSUM(nv1v2v3v4) PN_5(nv1v2v3v4)+PN_4(nv1v2v3v4)+PN_3(nv1v2v3v4)+PN_2(nv1v2v3v4) ++PN_1(nv1v2v3v4)+1+PN1(nv1v2v3v4)+PN2(nv1v2v3v4)+PN3(nv1v2v3v4) ++PN4(nv1v2v3v4)+PN5(nv1v2v3v4)

59

caacutelculo da corrente da fonte para o dreno FUNC CUR(nv1v2v3v4) PN_5(nv1v2v3v4)(R1R(n-5v1v2v3v4)-R1L(n-5v1v2v3v4)) ++PN_4(nv1v2v3v4)(R1R(n-4v1v2v3v4)-R1L(n-4v1v2v3v4)) ++PN_3(nv1v2v3v4)(R1R(n-3v1v2v3v4)-R1L(n-3v1v2v3v4)) ++PN_2(nv1v2v3v4)(R1R(n-2v1v2v3v4)-R1L(n-2v1v2v3v4)) ++PN_1(nv1v2v3v4)(R1R(n-1v1v2v3v4)-R1L(n-1v1v2v3v4)) ++(R1R(nv1v2v3v4)-R1L(nv1v2v3v4)) ++PN1(nv1v2v3v4)(R1R(n+1v1v2v3v4)-R1L(n+1v1v2v3v4)) ++PN2(nv1v2v3v4)(R1R(n+2v1v2v3v4)-R1L(n+2v1v2v3v4)) ++PN3(nv1v2v3v4)(R1R(n+3v1v2v3v4)-R1L(n+3v1v2v3v4)) ++PN4(nv1v2v3v4)(R1R(n+4v1v2v3v4)-R1L(n+4v1v2v3v4)) ++PN5(nv1v2v3v4)(R1R(n+5v1v2v3v4)-R1L(n+5v1v2v3v4)) FUNC CURRENT(nv1v2v3v4) ECUR(nv1v2v3v4)(CSUMPSUM(nv1v2v3v4)(R1+R2)) caacutelculo da tensatildeo da ilha FUNC VOLT(nv1v2v3v4) PN_5(nv1v2v3v4)(n-5+Q(v1v2v3v4)) ++PN_4(nv1v2v3v4)(n-4+Q(v1v2v3v4)) ++PN_3(nv1v2v3v4)(n-3+Q(v1v2v3v4)) ++PN_2(nv1v2v3v4)(n-2+Q(v1v2v3v4)) ++PN_1(nv1v2v3v4)(n-1+Q(v1v2v3v4)) ++n+Q(v1v2v3v4) ++PN1(nv1v2v3v4)(n+1+Q(v1v2v3v4)) ++PN2(nv1v2v3v4)(n+2+Q(v1v2v3v4)) ++PN3(nv1v2v3v4)(n+3+Q(v1v2v3v4)) ++PN4(nv1v2v3v4)(n+4+Q(v1v2v3v4)) ++PN5(nv1v2v3v4)(n+5+Q(v1v2v3v4)) FUNC VOLTAGE(nv1v2v3v4) (ECSUM)VOLT(nv1v2v3v4)PSUM(nv1v2v3v4) E1 5 0 VALUE= VOLTAGE(N_OPT(V(1)V(2)V(3)V(4))V(1)V(2)V(3)V(4)) Tensatildeo da ilha G1 1 2 VALUE= CURRENT(N_OPT(V(1)V(2)V(3)V(4))V(1)V(2)V(3)V(4)) Corrente da fonte para o dreno CT1 1 5 C1 CT2 2 5 C2 CGATE1 3 5 CG1 CGATE2 4 5 CG2 ENDS SET

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ix

4 RESULTADOS E ANAacuteLISES 31

41 INTRODUCcedilAtildeO 31

42 ANAacuteLISE DAS INTERCONEXOtildeES 31

421 Interconexotildees Locais 31

422 Interconexotildees Intermediaacuterias 35

43 SIMULACcedilAtildeO DO INVERSOR MONO-ELEacuteTRON 37

44 ANAacuteLISE DAS INTERCONEXOtildeES NO H-TREE CLOCK MONO-ELEacuteTRON 39

441 Anaacutelise da rede com interconexotildees ideais 39

442 Anaacutelise da rede com interconexotildees natildeo-ideais 41

4421 Anaacutelise da rede a 10 GHz 41

4422 Anaacutelise da rede a 100 GHz 42

443 Consideraccedilotildees Finais 44

5 CONCLUSOtildeES 46

6 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS 47

7 APEcircNDICES 53

71 TABELAS COMPLEMENTARES 53

8 ANEXOS 57

81 COacuteDIGO SPICE DO SET [44] 57

x

LISTA DE FIGURAS

Figura 21 Estrutura de uma lacircmina de grafeno (esquerda) do SWCNT (meio) e do

MWCNT (direita) [13] 4

Figura 22 Estrutura do SWCNT bundle [16] 4

Figura 23 Estrutura do (i) armchair (ii) zig-zag e (iii) quiral [24] 5

Figura 24 Modelo de interconexatildeo do SWCNT isolado (modificado de [33]) 8

Figura 25 Separaccedilatildeo miacutenima entre CNTs devido agrave forccedila de Van der Waals (modificado de

[13]) 9

Figura 26 Nuacutemero de CNTs ao longo da largura (nW) e da altura (nH) do CNT bundle

[13] 10

Figura 27 Modelo de interconexatildeo de cobre 13

Figura 28 Siacutembolo e tabela verdade da porta NOT 14

Figura 29 Dois eletrodos separados por uma ilha [10] 15

Figura 210 Esquemaacutetico da junccedilatildeo-tuacutenel [10] 15

Figura 211 Diagramas de energia (a) Bloqueio de Coulomb (b) Tunelamento mono-

eleacutetron [10] 16

Figura 212 Caracteriacutestica do bloqueio de Coulomb [10] 17

Figura 213 Transistor mono-eleacutetron [10] 18

Figura 214 Caracteriacutestica corrente(I) versus tensatildeo (Vg) do transistor mono-eleacutetron [10] 18

Figura 215 Esquemaacutetico do inversor utilizando SETs (modificado de [4]) 19

Figura 216 Estruturas comuns de redes de distribuiccedilatildeo de clock [45] 20

Figura 217 Esquemaacutetico do H-tree clock simeacutetrico (modificado de [46]) 21

Figura 218 Graacutefico do moacutedulo do ganho pela frequumlecircncia tiacutepico do comportamento de

interconexotildees 22

Figura 31 Circuito simulado para cada interconexatildeo 27

Figura 32 Fluxograma das etapas seguidas na simulaccedilatildeo das interconexotildees 28

Figura 33 Esquemaacutetico do H-tree clock com os comprimentos de cada seguimento 29

Figura 34 Fluxograma das etapas seguidas na simulaccedilatildeo do H-tree clock 30

Figura 41 Frequecircncia versus comprimento das interconexotildees locais 32

Figura 42 Graacuteficos da magnitude das interconexotildees de SWCNT isolado (superior)

SWCNT bundle (meio) e cobre (inferior) com comprimento de 100nm 34

Figura 43 Frequecircncia versus comprimento das interconexotildees intermediaacuterias 35

xi

Figura 44 Esquemaacutetico do SET e os valores de seus paracircmetros 37

Figura 45 Esquemaacutetico do inversor mono-eleacutetron e os valores de seus paracircmetros

(modificado de [4]) 38

Figura 46 Curva do sinal de entrada (em verde) e do sinal de saiacuteda (em preto) do inversor

mono-eleacutetron 38

Figura 47 Sinal de entrada (em verde) e sinal de saiacuteda (em preto) da rede a 10 GHz 40

Figura 48 Sinal de entrada (em verde) e sinal de saiacuteda (em preto) da rede a 100 GHz 40

Figura 49 Sinal de entrada (em verde) e sinal de saiacuteda (em preto) da rede a 100 GHz para

a interconexatildeo 500nm1microm de cobre 44

xii

LISTA DE TABELAS

Tabela 41 Frequecircncia em -3dB de cada material para lCNT le λCNT 32

Tabela 42 Estudo das interconexotildees com comprimentos na faixa lCNT le λCNT 33

Tabela 43 Estudo das interconexotildees SWCNT bundle e cobre com comprimentos na faixa

lCNT le λCNT 33

Tabela 44 Frequecircncia em -3dB de cada material para lCNT gt λCNT 36

Tabela 45 Estudo das interconexotildees com comprimentos na faixa lCNT gt λCNT 36

Tabela 46 Estudo das interconexotildees SWCNT bundle e cobre com comprimentos na faixa

lCNT gt λCNT 37

Tabela 47 Caracteriacutesticas dos sinais de saiacuteda da rede para interconexotildees ideais 39

Tabela 48 Potecircncia dissipada por cada porta inversora para interconexotildees ideais 40

Tabela 49 Frequecircncia em -3dB na entrada da inversora para interconexotildees natildeo-ideais 41

Tabela 410 Niacuteveis loacutegicos tempo de subida e slew rate dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 10 GHz 42

Tabela 411 Atenuaccedilatildeo atraso potecircncia e produto atraso-potecircncia dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 10 GHz 42

Tabela 412 Niacuteveis loacutegicos tempo de subida e slew rate dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 100 GHz 43

Tabela 413 Atenuaccedilatildeo atraso potecircncia e produto atraso-potecircncia dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 100 GHz 43

Tabela 71 Paracircmetros obtidos a partir do modelo de SWCNT isolado 53

Tabela 72 Paracircmetros obtidos a partir do modelo de SWCNT bundle 53

Tabela 73 Paracircmetros obtidos a partir do modelo de cobre 54

Tabela 74 Frequecircncia em -3dB das interconexotildees locais 55

Tabela 75 Frequecircncia em -3dB das interconexotildees intermediaacuterias 56

xiii

LISTA DE SIacuteMBOLOS NOMENCLATURA ABREVIACcedilOtildeES

CNT ndash Carbon nanotube

CVD ndash Chemical Vapor Deposition

GSI ndash Giga Scale Integration

ITRS ndash International Technology Roadmap for Semiconductors

LTSPICE ndash Linear Technology SPICE simulator

MWCNT ndash Multi-walled carbon nanotube

SET ndash Singe-electron transistor

SPICE ndash Simulated Program with Integrated Circuits Emphasis

SWCNT ndash Single-walled carbon nanotube

TSI ndash Tera Scale Integration

1

1 INTRODUCcedilAtildeO

O crescimento da microeletrocircnica e a consequumlente miniaturizaccedilatildeo dos circuitos integrados

foram previstos por Gordon Moore que enunciou que o nuacutemero de transistores em um

circuito integrado dobraria a cada 18 meses considerando a mesma aacuterea e custo previsatildeo

conhecida como Lei de Moore Devido aos problemas enfrentados pelos dispositivos

microeletrocircnicos gerados especialmente pelos efeitos quacircnticos que anteriormente eram

desprezados novas tecnologias como a nanoeletrocircnica vecircm sendo estudadas para dar

continuidade a esse processo de miniaturizaccedilatildeo dos dispositivos [1-10]

Aleacutem disso a miniaturizaccedilatildeo de circuitos integrados tem resultado em grandes desafios no

projeto de interconexotildees que satildeo responsaacuteveis principalmente pelo carregamento da

tensatildeo de alimentaccedilatildeo de cada transistor e pela distribuiccedilatildeo dos sinais de dados As

limitaccedilotildees das interconexotildees as quais podem provocar uma desaceleraccedilatildeo nos progressos

alcanccedilados ateacute hoje pela induacutestria de semicondutores satildeo fatores preocupantes Como

limitaccedilotildees das interconexotildees eacute importante citar o aumento da sua resistividade aumento da

capacitacircncia de acoplamento entre vias dificuldades no controle das suas dimensotildees entre

outras

Assim o estudo aprofundado das interconexotildees levando em consideraccedilatildeo principalmente

seu desempenho eacute de fundamental importacircncia [11-13] Novas tecnologias estatildeo sendo

estudadas para superar as limitaccedilotildees das interconexotildees de cobre no circuito como a

resistividade eleacutetrica e a resistecircncia agrave eletromigraccedilatildeo principalmente em tecnologias

abaixo de 45nm As interconexotildees oacuteticas as interconexotildees de radio frequumlecircncia ou sem fio

e as interconexotildees de nanotubo de carbono (CNT) satildeo algumas candidatas a substituir as

interconexotildees de cobre as quais satildeo as interconexotildees mais utilizadas atualmente [13-17]

Dentre essas possibilidades os CNTs possuem grandes vantagens para interconexotildees em

circuitos integrados em escala GSI (Giga Scale Integration) e TSI (Tera Scale Integration)

[18-20] Eles satildeo considerados soluccedilotildees eficientes para melhorar as limitaccedilotildees do cobre

previstas pelo ITRS (International Technology Roadmap for Semiconductors) [21] como

atraso dissipaccedilatildeo de potecircncia e resistecircncia agrave eletromigraccedilatildeo

2

11 OBJETIVOS

O objetivo desta dissertaccedilatildeo eacute fazer um estudo comparativo entre o desempenho das

interconexotildees de nanotubo de carbono e das interconexotildees de cobre Com esse intuito

preliminarmente o desempenho das interconexotildees de SWCNT (do inglecircs single-walled

carbon nanotube) de SWCNT bundle (vaacuterios SWCNTs dispostos em paralelo como uma

corda) e de cobre seraacute comparado considerando diferentes comprimentos das

interconexotildees

Por fim o efeito das interconexotildees de SWCNT bundle e de cobre seraacute analisado na rede H-

tree clock com inversores mono-eleacutetron em seus terminais tambeacutem para diferentes

comprimentos Assim seraacute possiacutevel analisar se os nanotubos de carbono poderatildeo substituir

o cobre em interconexotildees em circuitos integrados GSI e TSI

12 ORGANIZACcedilAtildeO

No capiacutetulo 2 satildeo apresentados os conceitos fundamentais necessaacuterios agrave correta

compreensatildeo desta pesquisa Seratildeo abordados conceitos referentes agraves interconexotildees de

CNT e cobre aos dispositivos de tunelamento mono-eleacutetron e agrave estrutura do H-tree clock

O capiacutetulo 3 descreve a metodologia utilizada agrave realizaccedilatildeo do objeto de pesquisa desta

dissertaccedilatildeo Assim seratildeo apresentadas as etapas que foram seguidas para analisar o efeito

das interconexotildees em circuitos com transistores mono-eleacutetron

No capiacutetulo 4 os resultados e anaacutelises das simulaccedilotildees das interconexotildees ideais e natildeo-

ideais considerando o SWCNT SWCNT bundle e o cobre satildeo apresentados As

interconexotildees satildeo analisadas tambeacutem nos circuitos H-tree clock

O capiacutetulo 5 apresenta as conclusotildees e as recomendaccedilotildees para trabalhos futuros

3

2 FUNDAMENTACcedilAtildeO TEOacuteRICA

21 INTERCONEXOtildeES

211 Limitaccedilotildees do cobre em relaccedilatildeo ao CNT

As interconexotildees de cobre sofrem inuacutemeros problemas indesejados que aumentam agrave

medida que as interconexotildees diminuem de tamanho Essa diminuiccedilatildeo de tamanho resulta

em interconexotildees menos eficientes no maior consumo de potecircncia e no aumento da

densidade de corrente transportada por cada interconexatildeo [22] De acordo com o ITRS

[21] a densidade de corrente pode atingir valores na ordem de 107 Acm

2 Este valor soacute eacute

suportado por CNTs uma vez que satildeo capazes de suportar densidades de corrente na

ordem de 1010

Acm2 [1317]

Os CNTs tecircm provocado grande interesse nos cientistas desde a sua descoberta em 1991

por Iijima devido agraves excelentes propriedades eleacutetricas teacutermicas e mecacircnicas que possuem

Suas propriedades eleacutetricas permitem que suportem densidades de ateacute 1010

Acm2 sendo

que o cobre suporta densidades inferiores a 107 Acm

2 [1317] O caminho meacutedio livre do

CNT eacute superior ao do cobre o que possibilita um transporte baliacutestico por uma ampla gama

de extensatildeo e isso resulta em uma resistividade menor do CNT [13-17] Aleacutem disso a alta

condutividade teacutermica do CNT que eacute outra limitaccedilatildeo do cobre eacute de fundamental

importacircncia na aplicaccedilatildeo em interconexotildees Essas propriedades possibilitam uma

toleracircncia do CNT agrave eletromigraccedilatildeo a qual eacute uma grande limitaccedilatildeo no desempenho das

interconexotildees de cobre [131719]

212 Caracteriacutesticas do CNT

Os nanotubos de carbono podem ser formados por uma lacircmina de grafeno enrolada

conhecida como SWCNT (single-walled carbon nanotube) ou por vaacuterios tubos

concecircntricos formando uma multicamada conhecida por MWCNT (multi-walled carbon

nanotube) [2324] A Figura 21 ilustra a estrutura de uma lacircmina de grafeno do SWCNT e

do MWCNT

4

Figura 21 ndash Estrutura de uma lacircmina de grafeno (esquerda) do SWCNT (meio) e do

MWCNT (direita) [13]

Eacute importante destacar que os MWCNTs satildeo menos favoraacuteveis para o uso em

interconexotildees jaacute que eles apresentam caminho meacutedio livre menor que os SWCNTs

[1317] Como a resistecircncia de um uacutenico SWCNT pode ter valores altos eacute necessaacuteria a

uniatildeo de vaacuterios dispostos em paralelo como uma corda chamado de bundle para diminuir

o valor da resistecircncia equivalente da interconexatildeo [1315] A Figura 22 ilustra a estrutura

do SWCNT bundle [16]

Figura 22 ndash Estrutura do SWCNT bundle [16]

Dependendo de como a lacircmina eacute enrolada que resulta no acircngulo quiral e nos iacutendices

quirais de sua estrutura o nanotubo pode ser metaacutelico ou semicondutor [131419] Os

iacutendices quirais satildeo identificados por (mn) O nanotubo seraacute metaacutelico quando a diferenccedila

entre os iacutendices quirais for um muacuteltiplo inteiro de 3 e seraacute semicondutor nos outros casos

[13] A estrutura eacute chamada de zig-zag quando m ou n eacute igual a zero podendo ser metaacutelica

ou semicondutora Quando m=n a estrutura eacute denominada armchair sendo sempre

metaacutelica Nos outros casos a estrutura eacute conhecida como quiral e pode ser metaacutelica ou

semicondutora [24] A Figura 23 mostra as estruturas do armchair zig-zag e quiral [24]

5

Figura 23 ndash Estrutura do (i) armchair (ii) zig-zag e (iii) quiral [24]

De acordo com [22] o crescimento dos CNTs geralmente eacute realizado atraveacutes de um dos

seguintes meacutetodos descarga por arco eleacutetrico ablaccedilatildeo a laser e deposiccedilatildeo quiacutemica a vapor

do inglecircs chemical vapor deposition ndash CVD O processo de descarga por arco eleacutetrico tem

sido desenvolvido para preparar MWCNTs e SWCNTs de alta qualidade Neste processo

aacutetomos de carbono satildeo evaporados com um gaacutes de plasma inerte caracterizado por altas

correntes eleacutetricas que passam entre os eletrodos opostos de carbono (caacutetodo e acircnodo)

Normalmente o acircnodo do carbono conteacutem uma pequena porcentagem de catalisador de

metal como o cobalto niacutequel ou ferro Jaacute o meacutetodo de ablaccedilatildeo a laser utiliza um pulso

duplo de lasers para evaporar varetas de grafite dopadas com uma mistura de cobalto e

niacutequel em poacute colocado em um tubo aquecido a temperatura elevada seguido de um

tratamento teacutermico a vaacutecuo

Apesar dos meacutetodos de descarga por arco eleacutetrico e ablaccedilatildeo a laser produzir grandes

quantidades de CNTs de alta qualidade e oferecer uma ampla disponibilidade de CNTs

para estudos e possiacuteveis aplicaccedilotildees existem vaacuterias preocupaccedilotildees associadas com estes dois

meacutetodos de crescimento [22] Dessa forma os meacutetodos de CVD satildeo bastante usados no

crescimento de CNTs com aplicaccedilatildeo em eletrocircnica incluindo interconexotildees [1322] O

processo de crescimento CVD envolve o aquecimento do catalisador a uma temperatura

elevada e a introduccedilatildeo de gaacutes de hidrocarboneto ou de monoacutexido de carbono para dentro

6

do reator O mecanismo de crescimento do CNT tem sido considerado como um processo

de dissociaccedilatildeo-difusatildeo-precipitaccedilatildeo em que o carbono eacute formado sobre a superfiacutecie de

uma partiacutecula de metal seguida de difusatildeo e precipitaccedilatildeo sob a forma de grafeno ciliacutendrico

[22]

213 Modelos de Interconexatildeo

Para realizar uma comparaccedilatildeo por simulaccedilatildeo entre o desempenho do CNT e do cobre

modelos equivalentes de circuito de interconexotildees que reproduzam com fidelidade o seu

comportamento fiacutesico satildeo necessaacuterios Com esse intuito eacute fundamental que os fatores que

interferem no desempenho das interconexotildees como resistecircncia indutacircncia capacitacircncia e

comprimento sejam considerados A partir do estudo desses modelos eacute possiacutevel verificar

se as interconexotildees de CNT poderatildeo substituir as de cobre e os casos em que isso eacute

possiacutevel

2131 Modelo de interconexatildeo do SWCNT isolado

A resistecircncia de um SWCNT isolado eacute composta por ateacute trecircs partes resistecircncia de contato

entre o metal e o nanotubo (Rc) resistecircncia quacircntica (Rq) e resistecircncia de espalhamento

(Rs) [192325] As resistecircncias de contato e quacircntica satildeo independentes do comprimento

do nanotubo Jaacute a resistecircncia de espalhamento depende do comprimento do nanotubo [26-

31]

Quando o comprimento do SWCNT eacute menor ou igual ao caminho meacutedio livre (lCNT le

λCNT) que eacute tipicamente 1 microm o transporte de eleacutetrons eacute essencialmente baliacutestico e a

resistecircncia independe do comprimento do nanotubo [1332] No entanto quando o

comprimento do SWCNT eacute maior que o caminho meacutedio livre (lCNT gt λCNT) haacute uma

resistecircncia adicional que depende do comprimento do SWCNT e eacute chamada de resistecircncia

de espalhamento [13-15] Assim a resistecircncia total eacute dada pela equaccedilatildeo (21) em que lCNT

eacute o comprimento do nanotubo de carbono

CNTCNT

CNTCNT

CNTlseRsRqRc

lseRqRcR

(21)

7

A resistecircncia de contato pode chegar ao valor de 100 kΩ [131533] Contudo essa

resistecircncia em nanotubos de carbono com diacircmetro maior que 1nm estaacute na ordem de

poucos kilo ohms ou ateacute mesmo centenas de ohms [1316] Neste trabalho considerou-se o

contato metal-nanotubo como sendo perfeito ou seja Rc = 0

A resistecircncia quacircntica e a de espalhamento satildeo descritas pelas equaccedilotildees (22) e (23)

respectivamente onde e eacute a carga do eleacutetron e h eacute a constante de Plank A resistecircncia

quacircntica (Rq) eacute igualmente dividida em cada lado dos contatos metal-nanotubo [13-

173435]

ke

hRq 456

4 2 (22)

CNT

CNTl

e

hRs

24 (23)

O movimento de eleacutetrons transportados por um condutor eacute modelado pela indutacircncia que

consiste na indutacircncia magneacutetica e cineacutetica [1316] No SWCNT a indutacircncia magneacutetica eacute

calculada considerando que o CNT eacute um fio muito fino com diacircmetro d e estaacute

posicionado a uma distacircncia y do plano ligado ao terra A indutacircncia cineacutetica eacute calculada

pela equaccedilatildeo da energia cineacutetica armazenada em cada canal condutor do CNT para uma

indutacircncia efetiva [141535] Assim a indutacircncia magneacutetica (LM) e a cineacutetica (LK) podem

ser calculadas pelas equaccedilotildees (24) e (25) respectivamente

d

yLM ln

2

(24)

F

Kve

hL

22 (25)

Para d = 1nm e y = 1microm LM = 14pHmicrom [141529] Como vF eacute a velocidade de Fermi

cujo valor eacute dado por 8x105 ms para o CNT o valor da indutacircncia cineacutetica eacute LK =

16nHmicrom [13-1635] Sabendo que cada CNT tem quatro canais condutores em paralelo

que natildeo interagem entre si a indutacircncia cineacutetica efetiva eacute dada por LK4 [13-15] Uma boa

aproximaccedilatildeo da indutacircncia total do CNT (LCNT) eacute 4 nHmicrom [15]

8

Por fim a capacitacircncia de um SWCNT isolado eacute constituiacuteda por duas partes que satildeo a

capacitacircncia eletrostaacutetica (CE) e a quacircntica (CQ) [13-1735] Essas capacitacircncias satildeo

calculadas pelas equaccedilotildees (26) e (27)

d

yCE

ln

2 (26)

F

Qhv

eC

22 (27)

A capacitacircncia eletrostaacutetica eacute influenciada pelo ambiente que a envolve que satildeo os seus

vizinhos e o plano ligado ao terra Considerando que o CNT eacute um fio com diacircmetro d =

1nm e a distacircncia y = 1microm obteacutem-se CE = 30 aFmicrom Jaacute a capacitacircncia quacircntica se refere agrave

influecircncia da energia quacircntica armazenada no nanotubo quando este carrega corrente O

valor da capacitacircncia eacute CQ = 100 aFmicrom [1314] Considerando os quatro canais condutores

descritos anteriormente a capacitacircncia total eacute dada por (28)

QE

QE

CNTCC

CCC

4

4

(28)

Assim o esquemaacutetico da interconexatildeo de um SWCNT isolado eacute mostrado na Figura 24

abaixo

Figura 24 ndash Modelo de interconexatildeo do SWCNT isolado (modificado de [33])

2132 Modelo de interconexatildeo do SWCNT bundle

O SWCNT bundle possui resistecircncia equivalente menor que o SWCNT isolado

caracteriacutestica necessaacuteria para alcanccedilar performances comparaacuteveis agraves interconexotildees de

9

cobre [13-2023252629-38] O SWCNT bundle eacute composto por vaacuterios SWCNTs

empacotados em paralelo Assume-se que todos os SWCNTs satildeo idecircnticos metaacutelicos e que

cada um tem o mesmo potencial [1737] Sabendo que d eacute o diacircmetro do nanotubo de

carbono e x eacute a distacircncia entre os centros de dois nanotubos adjacentes o SWCNT bundle

pode ser empacotado de forma densa se x = d ou de forma esparsa se x gt d [13-1529-

32] Sabe-se que entre os nanotubos existe uma separaccedilatildeo δmin devido agrave forccedila de Van der

Waals que eacute de pelo menos 032 nm entre cada nanotubo [13] como mostra a Figura 25

Figura 25 ndash Separaccedilatildeo miacutenima entre CNTs devido agrave forccedila de Van der Waals (modificado

de [13])

O nuacutemero de nanotubos de carbono nCNT disponiacutevel pode ser calculado pelas expressotildees

dadas em (29) e (210) [141530]

iacutemparnsen

nn

parnsen

nn

n

HH

HW

HH

HW

CNT

2

1

2

(29)

1

23

x

dtn

x

dwn HW (210)

Nas expressotildees acima w eacute a largura e t eacute a altura da interconexatildeo de SWCNT bundle

Assim nW eacute o nuacutemero de CNTs ao longo da largura do SWCNT bundle e nH eacute o nuacutemero de

CNTs ao longo da altura do SWCNT bundle [13-1530] A Figura 26 mostra esses valores

[13]

10

Figura 26 ndash Nuacutemero de CNTs ao longo da largura (nW) e da altura (nH) do CNT

bundle[13]

Na tecnologia de 22 nm considerando as dimensotildees de 22 nm de largura e 44 nm de altura

do SWCNT bundle [13173437] e a separaccedilatildeo entre cada nanotubo devido agrave forccedila de Van

der Waals a quantidade de SWCNTs eacute aproximadamente 600 Neste trabalho estas

consideraccedilotildees foram feitas e a tecnologia de 22 nm foi utilizada Esta tecnologia eacute prevista

pelo ITRS para o ano de 2016 [21]

As resistecircncias de cada SWCNT estatildeo em paralelo entre elas assim como as indutacircncias

Assim a resistecircncia e a indutacircncia do SWCNT bundle com nCNT SWCNTs satildeo calculados

respectivamente pelas expressotildees (211) e (212) [1323252629-3234]

CNT

CNTbundle

n

RR (211)

CNT

CNTbundle

n

LL (212)

Considerando que todos os SWCNTs estatildeo no mesmo potencial que os contatos entre

todos os nanotubos de carbono em um bundle satildeo idecircnticos e que cada SWCNT tem o

mesmo caminho meacutedio livre [13] eacute possiacutevel assumir que a interaccedilatildeo entre CNTs

adjacentes de um SWCNT bundle eacute fraca e que eles carregam correntes independentes

umas das outras [13-17]

A capacitacircncia do SWCNT bundle eacute obtida a partir da combinaccedilatildeo da capacitacircncia

quacircntica de todos os SWCNTs em paralelo chamada de capacitacircncia quacircntica bundle

(CQbundle

) que estaacute em seacuterie com a capacitacircncia eletrostaacutetica (CEbundle

) [13143539] A

capacitacircncia quacircntica e a capacitacircncia eletrostaacutetica satildeo calculadas pelas equaccedilotildees (213) e

(214) em que CEn e CEf satildeo as capacitacircncias de placas paralelas de CNTs isolados em

11

relaccedilatildeo aos vizinhos proacuteximos e afastados respectivamente [14293032] Assim a

capacitacircncia total do SWCNT bundle eacute obtida pela equaccedilatildeo (215)

CNT

CNT

Q

bundle

Q nCC (213)

En

HEf

WEn

bundle

E Cn

Cn

CC5

23

2

22

(214)

bundle

Q

bundle

E

bundle

Q

bundle

E

bundleCC

CCC

(215)

Analisando a equaccedilatildeo (215) o efeito da CQbundle

eacute pequeno para grandes valores de nCNT

sendo o valor da capacitacircncia do SWCNT bundle aproximadamente igual agrave sua

capacitacircncia eletrostaacutetica [13161719] Srivastava et al [13] mostra que os nanotubos no

interior do SWCNT bundle satildeo blindados eletrostaticamente dos condutores de terra

podendo ser desprezados Os CNTs de borda satildeo os principais contribuidores para a

capacitacircncia eletrostaacutetica do SWCNT bundle No entanto a equaccedilatildeo (214) natildeo reproduz

fielmente a realidade jaacute que considera a capacitacircncia eletrostaacutetica de todos os nanotubos e

natildeo soacute os CNTs de borda Segundo o mesmo autor para a tecnologia de 22 nm e uma

constante dieleacutetrica igual a 2 a capacitacircncia total do SWCNT bundle eacute aproximadamente

135 aFμm

2133 Modelo de interconexatildeo do cobre

As propriedades fiacutesicas de interconexotildees de cobre podem ser descritas por resistecircncia

capacitacircncia e indutacircncia [14-16] A resistecircncia do cobre pode ser calculada utilizando a

equaccedilatildeo (216)

tw

lRCu

(216)

em que l eacute o comprimento do cobre w eacute a sua largura t eacute a sua altura e ρ eacute a sua

resistividade A resistividade do cobre em escala nanomeacutetrica eacute moldada pela combinaccedilatildeo

dos fenocircmenos de espalhamento superficial e de espalhamento de contorno

[151627283340] Estes fenocircmenos correspondem aos paracircmetros ρFS e ρMS propostos

12

por Fuchs e Sondheimer (ρFS) e por Mayadas e Shatzkes (ρMS) [1516] Estes paracircmetros

satildeo calculados pelas expressotildees (217) (218) e (219)

)1(

4

31 p

w

o

o

FS

(217)

11ln33

2

31 22

MS

o (218)

)1( R

R

D

o

(219)

O paracircmetro ρo eacute a resistividade do material λo eacute o caminho meacutedio livre p eacute o paracircmetro

de espalhamento de Fuchs D eacute o tamanho meacutedio e R eacute o coeficiente de reflexatildeo no

contorno com valores entre 0 e 1 Assim tem-se que a resistecircncia do cobre em escala

nanomeacutetrica eacute dada pela equaccedilatildeo (220) [1516]

tw

lR MSFS

Cu

(220)

De acordo com [1433] o valor da resistividade do cobre na tecnologia de 22nm para

interconexotildees locais eacute dado por 4666 μΩ-cm No entanto este valor da resistividade do

cobre chega a 58 μΩ-cm para valores miacutenimos da largura do fio [1516203940] Neste

trabalho seraacute utilizado o valor de 58 μΩ-cm para a resistividade do cobre na tecnologia de

22 nm que vai ao encontro dos requerimentos do ITRS [21]

A indutacircncia proacutepria (L) e a muacutetua (M) da interconexatildeo de cobre em escala nanomeacutetrica

satildeo obtidas usando respectivamente as expressotildees (221) e (222)

l

tw

tw

llL o )(220

2

12ln

2

(221)

l

s

s

llM o 1

2ln

2

(222)

em que t eacute a altura do fio microo eacute a permeabilidade e s eacute o espaccedilamento entre os fios [14-16]

A indutacircncia total do cobre (LCu) eacute dada pela soma das indutacircncias proacutepria e muacutetua

13

A capacitacircncia da interconexatildeo de cobre eacute calculada pela soma da capacitacircncia de

acoplamento entre dois fios adjacentes (CC) e a capacitacircncia ligada ao plano do terra (Cg)

[14-16] Essas capacitacircncias podem ser obtidas pelas equaccedilotildees (223) e (224) [1541]

120760193

534511171

70222

ht

t

hs

s

hs

s

h

wCg (223)

181160141090

980871161

591740

062141

sh

h

sw

w

sw

w

sh

h

s

tCC (224)

em que s eacute o espaccedilamento entre dois fios adjacentes h eacute a distacircncia do fio em relaccedilatildeo ao

plano do terra e ε eacute a permissividade relativa para uma dada constante dieleacutetrica

Considerando as equaccedilotildees (223) e (224) e de acordo com [1321] para uma constante

dieleacutetrica igual a 2 o valor da capacitacircncia total do cobre (CCu) eacute aproximadamente 150

aFμm que seraacute utilizado neste trabalho

Os modelos em L em π e em T satildeo usados como modelos de interconexatildeo de cobre [11]

Como o modelo π eacute muito utilizado para uma linha distribuiacuteda [1416] este modelo seraacute

usado neste trabalho A Figura 27 mostra o modelo de interconexatildeo de cobre [11]

Figura 27 ndash Modelo de interconexatildeo de cobre

A precisatildeo do modelo eacute determinada pelo nuacutemero de seguimentos bdquoN‟ que ele possui Uma

cadeia com mais de trecircs segmentos em π fornece um erro menor que 3 [16] Neste

trabalho seratildeo utilizados trecircs segmentos em π

14

22 INVERSOR MONO-ELEacuteTRON

Os dispositivos de tunelamento mono-eleacutetron satildeo dispositivos nanoeletrocircnicos

potencialmente aplicaacuteveis em circuitos integrados em escala giga (GSI) e tera (TSI)

Apesar de apresentarem baixo ganho e alta impedacircncia de saiacuteda estes dispositivos

possuem tamanho reduzido e baixa dissipaccedilatildeo de potecircncia Estas caracteriacutesticas os tornam

atrativos em circuitos loacutegicos e circuitos de memoacuteria [1-10] Assim portas loacutegicas podem

ser implementadas utilizando dispositivos de tunelamento mono-eleacutetron [14-9]

As portas loacutegicas satildeo blocos de construccedilatildeo baacutesicos na eletrocircnica digital O inversor loacutegico

ou porta NOT eacute o principal elemento baacutesico no projeto de circuitos digitais [42] O

inversor inverte o sinal de entrada de valor loacutegico baixo ndash 0 ndash em um sinal de saiacuteda de

valor loacutegico alto ndash 1 ndash e vice-versa [442] Em outras palavras a porta NOT efetua a

negaccedilatildeo loacutegica O siacutembolo do inversor juntamente com sua tabela verdade estaacute ilustrado

na Figura 28

Figura 28 ndash Siacutembolo e tabela verdade da porta NOT

221 Dispositivo de tunelamento mono-eleacutetron

O funcionamento dos dispositivos de tunelamento mono-eleacutetron eacute baseado no controle do

movimento e da posiccedilatildeo de um uacutenico ou de um pequeno grupo de eleacutetrons no dispositivo

[17] Os seguintes conceitos satildeo essenciais na definiccedilatildeo desses dispositivos ilha junccedilatildeo-

tuacutenel tunelamento efeito de carregamento e bloqueio de Coulomb A partir desses

conceitos eacute possiacutevel definir o transistor mono-eleacutetron - SET (do inglecircs Single-electron

transistor) [24-8]

A ilha estaacute localizada entre duas paredes finas de um material normalmente isolante as

quais criam uma barreira de potencial de energia que impossibilita a movimentaccedilatildeo de

eleacutetrons pela ilha A Figura 29 mostra dois eletrodos A e B separados por uma barreira

15

isolante e no meio dessa barreira isolante encontra-se a ilha Se a energia dos eleacutetrons for

maior que a energia potencial das paredes das barreiras estes poderatildeo atravessaacute-las [6] No

dispositivo de tunelamento mono-eleacutetron o transporte de eleacutetrons entre o eletrodo A e a

ilha e entre a ilha e o eletrodo B ocorre por tunelamento mono-eleacutetron em que os eleacutetrons

atravessam as barreiras um de cada vez [10]

Figura 29 Dois eletrodos separados por uma ilha [10]

Esses dispositivos satildeo formados por junccedilotildees-tuacutenel que satildeo dois eletrodos metaacutelicos

separados por um isolante muito fino (barreira) o qual permite a passagem de eleacutetrons por

tunelamento [467] A Figura 210 ilustra a junccedilatildeo-tuacutenel e sua representaccedilatildeo simboacutelica Os

paracircmetros que caracterizam a junccedilatildeo-tuacutenel macroscopicamente satildeo a resistecircncia de

tunelamento (Rj) que depende da aacuterea e da espessura da barreira isolante e a capacitacircncia

(Cj) [10]

Figura 210 Esquemaacutetico da junccedilatildeo-tuacutenel [10]

O tunelamento eacute o transporte de partiacuteculas atraveacutes de uma regiatildeo em que a energia total de

uma partiacutecula pontual claacutessica eacute menor que a energia potencial da regiatildeo ou seja eacute o

transporte atraveacutes de uma regiatildeo classicamente proibida [10] O efeito de tunelamento

ocorre quando a barreira de potencial for suficientemente fina permitindo que o eleacutetron a

atravesse se houver niacutevel de energia desocupado do outro lado da barreira com o mesmo

valor de energia Esse fenocircmeno pode ser explicado pelo comportamento dual do eleacutetron

Diferentemente da mecacircnica claacutessica na teoria eletromagneacutetica quando uma partiacutecula

encontra uma barreira de potencial parte da onda eacute refletida e a outra parte eacute transmitida

para o outro lado da barreira [10] A teoria ortodoxa do tunelamento mono-eleacutetron eacute o

modelo mais utilizado para analisar o tunelamento [4-6] Proposto em 1987 por Averin e

Likharev [43] este modelo apresenta os seguintes postulados

16

Modelo de dimensatildeo zero as dimensotildees das ilhas satildeo despreziacuteveis

O evento de tunelamento eacute considerado instantacircneo

A redistribuiccedilatildeo das cargas apoacutes tunelamento tambeacutem eacute considerada instantacircnea

O espectro de energia em condutores e ilhas eacute considerado contiacutenuo ou seja a

quantizaccedilatildeo da energia do eleacutetron eacute ignorada dentro dos condutores

Apesar de a teoria ortodoxa assumir condiccedilotildees hipoteacuteticas ela continua sendo muito

utilizada em estudos do dispositivo mono-eleacutetron [4-6]

O efeito de carregamento ocorre quando os eleacutetrons estatildeo na iminecircncia de entrar em um

material condutor extremamente pequeno isolado eletricamente (ilha) Se houver um

eleacutetron na ilha o potencial eletrostaacutetico da ilha aumenta bastante sendo bem superior ao

ruiacutedo teacutermico em temperatura ambiente O fluxo de eleacutetrons na ilha eacute possiacutevel se o

potencial da ilha for controlado por uma fonte de tensatildeo externa Outros eleacutetrons satildeo

impedidos de entrar na ilha devido agrave repulsatildeo de Coulomb [14-9]

Assim o bloqueio de Coulomb ocorre quando um eleacutetron entra na ilha e impede o

tunelamento de outro eleacutetron nesta ilha No momento em que o eleacutetron entra na ilha a

energia eletrostaacutetica da ilha aumenta em Ce 22 em que CΣ eacute a soma das capacitacircncias

em torno da ilha [14] Dessa forma outro eleacutetron soacute conseguiraacute tunelar para dentro da ilha

se sua energia for maior que a energia eletrostaacutetica da ilha [6] A Figura 211 ilustra os

diagramas de energia no bloqueio de Coulomb e no caso de tunelamento [10]

(a) (b)

Figura 211 Diagramas de energia (a) Bloqueio de Coulomb (b) Tunelamento mono-

eleacutetron [10]

17

O bloqueio de Coulomb eacute superado ao se aplicar uma tensatildeo Vg ao circuito ateacute que esta

tensatildeo alcance um dado valor de limiar que forneceraacute energia suficiente para que ocorra o

tunelamento de um eleacutetron Assim haveraacute o fluxo de eleacutetrons havendo corrente A Figura

212 mostra a regiatildeo do bloqueio de Coulomb ao aplicar uma tensatildeo Vg ao circuito em que

Vc eacute a tensatildeo de limiar chamada de tensatildeo de bloqueio de Coulomb [5-10]

Figura 212 Caracteriacutestica do bloqueio de Coulomb [10]

Nesse contexto duas condiccedilotildees satildeo necessaacuterias para garantir que o transporte de eleacutetrons

seja controlado pelo efeito de carregamento a condiccedilatildeo para a resistecircncia de tunelamento

dada pela equaccedilatildeo (225) [1] em que a natureza corpuscular do eleacutetron predomina sobre a

natureza ondulatoacuteria e a energia eletrostaacutetica (EC) associada a uma dada temperatura (T)

deve ser significativamente maior que as flutuaccedilotildees teacutermicas existentes agravequela

temperatura como descrita na equaccedilatildeo (226) [146-9] Os paracircmetros h eacute a constante de

Planck e eacute a carga do eleacutetron kB eacute a constante de Boltzmann e C eacute capacitacircncia Na

equaccedilatildeo (226) a temperatura deve ser maior que 0K [10]

kRe

hR TT 825

2 (225)

TkC

eTkEc BB

2

2

(226)

A partir dos conceitos apresentados pode-se definir o transistor mono-eleacutetron O SET

ilustrado na Figura 213 [10] eacute composto por duas junccedilotildees-tuacutenel em seacuterie formando uma

ilha entre as junccedilotildees [246-9] Os paracircmetros R1 C1 e R2 C2 correspondem agraves

resistecircncias e capacitacircncias da primeira e da segunda junccedilatildeo-tuacutenel respectivamente A

tensatildeo de porta Vg controla a energia eletrostaacutetica da ilha atraveacutes da capacitacircncia Cg

18

Quando haacute carregamento por tunelamento de uma junccedilatildeo e descarregamento da outra

junccedilatildeo haacute um fluxo controlado de cargas o que gera a corrente I [10]

Figura 213 Transistor mono-eleacutetron [10]

Um efeito que pode ser observado na caracteriacutestica da corrente versus tensatildeo do transistor

mono-eleacutetron eacute chamado de oscilaccedilatildeo de Coulomb [24679] Se a tensatildeo V for mantida

constante com CeV e a tensatildeo Vg for aumentada ateacute atingir gg CeV 2 esse

valor de tensatildeo permitiraacute que um eleacutetron passe pela ilha Como soacute haveraacute corrente fluindo

no circuito em valores muacuteltiplos da tensatildeo gCe 2 soacute ocorreraacute o tunelamento novamente

quando )2(3 gg CeV A caracteriacutestica corrente (I) versus tensatildeo (Vg) do transistor

mono-eleacutetron eacute ilustrada na Figura 214 [10]

Figura 214 Caracteriacutestica corrente (I) versus tensatildeo (Vg) do transistor mono-eleacutetron [10]

222 Estrutura do inversor mono-eleacutetron

Um inversor pode ser construiacutedo colocando-se dois SETs em seacuterie os quais compartilham

da mesma entrada [5689] conforme mostrado na Figura 215 Vin eacute a tensatildeo de entrada

Vout eacute a tensatildeo de saiacuteda Vbias eacute a tensatildeo de polarizaccedilatildeo CC eacute a capacitacircncia de carga Cg1 e

Cg2 satildeo as capacitacircncias de porta do SET 1 e do SET 2 respectivamente

19

Figura 215 Esquemaacutetico do inversor utilizando SETs (modificado de [4])

Alguns modelos do SET desenvolvidos no software SPICE foram propostos na literatura

[4-7] Destes modelos o proposto por G Lientschnig et al [4] descreve a implementaccedilatildeo

completa da teoria ortodoxa e usa apenas os recursos em versotildees disponiacuteveis publicamente

do software SPICE Este modelo diferentemente dos modelos propostos em [5-7] natildeo estaacute

limitado a transistores mono-eleacutetron com junccedilotildees-tuacutenel que tecircm resistecircncias iguais Aleacutem

disso pode ser estendido para incluir um nuacutemero arbitraacuterio de estados de carga que

permite simulaccedilotildees definidas para altas temperaturas e tensotildees de polarizaccedilatildeo [4] O

modelo de G Lientschnig et al estaacute disponiacutevel no siacutetio eletrocircnico [44] Assim este foi o

modelo utilizado neste trabalho

23 CLOCKING DE SISTEMAS DE ALTA VELOCIDADE

Em sistemas digitais siacutencronos o sinal do clock eacute utilizado para definir uma referecircncia de

tempo agrave mudanccedila de dados dentro do sistema [1145] Assim a distribuiccedilatildeo do clock eacute de

suma importacircncia na operaccedilatildeo de circuitos integrados digitais sendo uma grande

preocupaccedilatildeo em circuitos integrados de alta velocidade [46-51] Circuitos em escala

nanomeacutetrica podem ser significativamente limitados devido ao clock skew que ocorre

quando os circuitos natildeo estatildeo equumlidistantes do sinal do clock [11454649-51] Como este

sinal eacute o sinal mais ativo em um chip pode resultar em elevado consumo de potecircncia e

grandes densidades de corrente na rede de interconexotildees do clock [454849]

Dessa forma o sinal do clock deve atingir ao mesmo tempo cada noacute para garantir que a

comutaccedilatildeo seja sincronizada bem como deve ser distribuiacutedo de forma que haja o menor

20

atraso possiacutevel [49] Com esse intuito os seguintes fatores entre outros satildeo fundamentais

no desempenho do clock dispositivos loacutegicos de tecnologia raacutepida (avanccedilada) rede de

distribuiccedilatildeo de clock que minimize o skew e interconexotildees com alto desempenho [11]

Conforme exposto anteriormente os dispositivos nanoeletrocircnicos como os transistores

mono-eleacutetron satildeo potencialmente aplicaacuteveis em circuitos integrados em escala giga (GSI)

e tera (TSI) Estes dispositivos permitem que as funccedilotildees loacutegicas sejam desempenhadas em

um tempo mais raacutepido e com menor atraso Assim satildeo fortes candidatos a serem utilizados

em circuitos integrados com clock

A adequada rede de distribuiccedilatildeo do clock assegura que a comutaccedilatildeo seja sincronizada e

que haja o menor atraso possiacutevel [1145] Aleacutem disso dependendo da arquitetura da rede o

niacutevel de sincronismo do sistema pode aumentar Diferentes tipos de abordagens tecircm sido

desenvolvidos para projetar a rede de distribuiccedilatildeo do clock em sistemas digitais de

circuitos integrados [45] Os buffered trees satildeo muito utilizados na distribuiccedilatildeo

equipotencial do clock Aleacutem dessas estruturas assimeacutetricas arquiteturas simeacutetricas como

o H-tree satildeo usadas para distribuir sinais de clock em alta velocidade podendo inclusive

ser projetadas com buffers [45-51] Algumas formas de rede de distribuiccedilatildeo do clock estatildeo

ilustradas na Figura 216 incluindo a trunk tree mesh e H-tree [45]

Figura 216 Estruturas comuns de redes de distribuiccedilatildeo de clock [45]

21

Atualmente as interconexotildees de cobre satildeo bastante utilizadas para circuitos de alto

desempenho como em redes de clock No entanto os CNTs apresentam caracteriacutesticas que

os tornam melhores para serem utilizados em interconexotildees descritas na subseccedilatildeo 221

[48] Neste trabalho seraacute realizada a comparaccedilatildeo entre interconexotildees de cobre e de CNT

na rede de distribuiccedilatildeo do H-tree clock

231 H-Tree Clock

O clock skew pode ser minimizado distribuindo-se o sinal do clock de forma que as

interconexotildees que levam o sinal aos circuitos loacutegicos tecircm o mesmo comprimento Se antes

de chegarem aos circuitos loacutegicos os sinais do clock forem igualmente atrasados eles

estaratildeo perfeitamente sincronizados [1145] Dessa forma o esquemaacutetico da Figura 217 de

distribuiccedilatildeo do clock minimiza o clock skew repetindo recursivamente uma estrutura em

forma de H [11] A Figura 217 ilustra uma rede H-tree simeacutetrica com trecircs niacuteveis [46]

Figura 217 Esquemaacutetico do H-tree clock simeacutetrico (modificado de [46])

Na estrutura do H-tree o condutor primaacuterio do clock estaacute ligado ao centro do H principal

(1ordm niacutevel) transmitindo o sinal para os quatro cantos deste H Esses quatro cantos satildeo as

entradas para o proacuteximo niacutevel do H-tree o 2ordm niacutevel que possui quatro estruturas em H O

processo de distribuiccedilatildeo continua por vaacuterios niacuteveis de H‟s cada vez menores Os pontos de

destino final do H-tree satildeo usados para conduzir os circuitos locais Assim cada caminho

do clock desde a fonte ateacute o circuito local possui praticamente o mesmo atraso [45]

22

24 MEDIDAS DE DESEMPENHO NA ANAacuteLISE DAS INTERCONEXOtildeES

As interconexotildees em circuitos integrados possuem caracteriacutesticas que modificam o sinal de

entrada O efeito das interconexotildees pode provocar atrasos e distorccedilotildees indesejaacuteveis Nesse

contexto eacute necessaacuterio analisar medidas de desempenho dos sinais sob efeito das

interconexotildees tais como velocidade maacutexima atenuaccedilatildeo tempo de atraso potecircncia

dissipada produto atraso-potecircncia e slew rate [111317202342]

241 Velocidade maacutexima - anaacutelise na frequumlecircncia

A velocidade maacutexima que as interconexotildees podem operar sem distorcer o sinal de entrada

eacute uma medida de desempenho importante [172023] Eacute possiacutevel analisar este paracircmetro

atraveacutes da frequumlecircncia maacutexima de operaccedilatildeo da interconexatildeo que eacute a largura de banda em

que o sinal comeccedila a decair em -3dB em relaccedilatildeo ao sinal de referecircncia [1742] Assim

utiliza-se a anaacutelise do moacutedulo do graacutefico de Bode para obter a frequumlecircncia de operaccedilatildeo em

-3dB [42] A Figura 218 mostra o esboccedilo do moacutedulo do ganho pela frequumlecircncia tiacutepico do

comportamento de interconexotildees

Figura 218 Graacutefico do moacutedulo do ganho pela frequumlecircncia tiacutepico do comportamento de

interconexotildees

23

242 Atenuaccedilatildeo

A transmissatildeo de um sinal pode ser expressa em funccedilatildeo do seu ganho ou da sua atenuaccedilatildeo

No caso em estudo as interconexotildees podem atenuar o sinal Essa atenuaccedilatildeo eacute geralmente

calculada pela expressatildeo (227) em que Vo eacute o sinal de saiacuteda e Vi eacute o sinal de entrada [42]

i

o

V

VA log20 (227)

243 Tempo de atraso

O tempo de atraso td ou atraso na propagaccedilatildeo ocorre devido ao

carregamentodescarregamento da capacitacircncia de carga bem como ao tempo de

chaveamento dos transistores [42]

O tempo de atraso eacute obtido pela diferenccedila entre o tempo medido a 50 da transiccedilatildeo dos

sinais de entrada e de saiacuteda [11] Em circuitos loacutegicos o atraso na propagaccedilatildeo pode ser

calculado pela meacutedia aritmeacutetica do tempo de propagaccedilatildeo do sinal de alto para baixo tPHL e

do tempo de propagaccedilatildeo do baixo para alto tPLH conforme equaccedilatildeo (228) [1142]

2

PLHPHLd

ttt

(228)

244 Potecircncia dissipada

A dissipaccedilatildeo de potecircncia eacute outra medida de desempenho bastante importante em circuitos

integrados em escala GSI e TSI Isso ocorre jaacute que ao aumentar o nuacutemero de portas

loacutegicas em uma determinada aacuterea ocupada eacute necessaacuterio que a dissipaccedilatildeo de potecircncia esteja

dentro de limites aceitaacuteveis [1142]

A dissipaccedilatildeo de potecircncia eacute composta por dois componentes potecircncia estaacutetica e potecircncia

dinacircmica A dissipaccedilatildeo de potecircncia estaacutetica eacute dada por IVP DDE e ocorre mesmo que

natildeo haja chaveamento de porta loacutegica no circuito devido ao efeito da resistecircncia do

circuito [42] A dissipaccedilatildeo de potecircncia dinacircmica eacute devido agrave capacitacircncia de carga do

24

circuito expressa por CVfP DDD 2 em que VDD eacute a tensatildeo de alimentaccedilatildeo f eacute

frequumlecircncia do circuito e C eacute a capacitacircncia de carga do circuito [1142] Assim a soma da

potecircncia dinacircmica e da potecircncia estaacutetica resulta na potecircncia total dissipada no circuito

245 Produto atraso-potecircncia

Em circuitos integrados o ideal eacute que se tenha baixo atraso na propagaccedilatildeo resultando em

uma maior velocidade de funcionamento do circuito bem como baixa dissipaccedilatildeo de

potecircncia No entanto essas duas exigecircncias satildeo conflitantes ao reduzirmos a dissipaccedilatildeo de

potecircncia de uma porta a capacidade da porta em fornecer corrente diminuiraacute isso

implicaraacute em um maior tempo de carga e descarga aumentando o atraso na propagaccedilatildeo

Assim o produto atraso-potecircncia (delay power product ndash DP) eacute uma medida de

desempenho bastante utilizada na anaacutelise de circuitos e eacute dado por dD tPDP Quanto

menor o produto atraso-potecircncia maior a eficiecircncia do circuito loacutegico [42]

246 Slew rate

A taxa maacutexima de variaccedilatildeo da tensatildeo de saiacuteda do inglecircs slew rate (SR) eacute uma

caracteriacutestica importante do sinal de saiacuteda de um circuito loacutegico A limitaccedilatildeo na taxa de

variaccedilatildeo pode provocar uma distorccedilatildeo no funcionamento do circuito O SR pode ser

calculado pela expressatildeo (229) em que Δv eacute a variaccedilatildeo da tensatildeo de saiacuteda do sinal para

uma determinada variaccedilatildeo de tempo Δt [42]

t

vSR

(229)

25 LTSPICE

O software LTSPICE eacute um simulador SPICE de alto desempenho orientado a

esquemaacuteticos e visualizador de formas de onda com modelos para facilitar a simulaccedilatildeo de

circuitos eletrocircnicos Se comparado aos outros simuladores SPICE a simulaccedilatildeo do

LTSPICE eacute bastante raacutepida O software consegue simular dispositivos de acordo com o

padratildeo industrial reproduzindo os seus comportamentos [52]

25

O LTSPICE possui vaacuterias possibilidades de simulaccedilatildeo como anaacutelise transiente anaacutelise AC

e anaacutelise DC bem como permite a simulaccedilatildeo de vaacuterios dispositivos disponiacuteveis na sua

biblioteca Aleacutem disso este software possibilita a elaboraccedilatildeo de novos esquemaacuteticos

atraveacutes de um modelo matemaacutetico ou eletrocircnico proposto O novo componente poderaacute ser

utilizado no circuito conforme seraacute feito neste trabalho utilizando-se o modelo SPICE do

SET proposto por G Lientschnig et al[4]

26

3 METODOLOGIA

31 INTRODUCcedilAtildeO

A miniaturizaccedilatildeo das interconexotildees prejudica o seu desempenho resultando no aumento

significativo do valor da resistividade da capacitacircncia de acoplamento entre vias na

dificuldade de controlar a razatildeo entre a altura e a largura do material entre outros

problemas A fim de analisar o desempenho das interconexotildees eacute necessaacuterio verificar

algumas variaacuteveis importantes como velocidade maacutexima (f-3dB) atenuaccedilatildeo (A) tempo de

atraso (td) potecircncia dissipada (P) produto atraso-potecircncia (DP) e slew rate (SR)

[111317202342]

32 ETAPAS E ESTRATEacuteGIAS ADOTADAS

Com o intuito de analisar o efeito das interconexotildees em circuitos com transistores mono-

eleacutetron foi realizada primeiramente a anaacutelise das interconexotildees de SWCNT de SWCNT

bundle e de cobre isoladamente para diferentes valores de comprimento Apoacutes a avaliaccedilatildeo

desses resultados o efeito das interconexotildees foi analisado no H-tree clock com inversores

mono-eleacutetron nos seus terminais tambeacutem considerando diferentes comprimentos Neste

trabalho a tecnologia de 22 nm prevista para o ano de 2016 [21] foi utilizada na

comparaccedilatildeo entre o desempenho do cobre e do CNT Todas as simulaccedilotildees foram realizadas

utilizando o software LTSPICE

321 Simulaccedilatildeo das interconexotildees

A partir dos modelos das interconexotildees de SWCNT SWCNT bundle e cobre apresentados

na subseccedilatildeo 213 diferentes comprimentos das interconexotildees foram simulados Assim

analisou-se as interconexotildees locais em que l le 1 μm e as intermediaacuterias em que 1 μm lt l

le 500 μm sabendo que l eacute o comprimento da interconexatildeo [29-31333638]

A fim de analisar a frequumlecircncia de corte este foi obtido para comprimentos de

interconexotildees locais (10nm 100nm 200nm 300nm 400nm 500nm 600nm 700nm

27

800nm 900nm 1μm) e interconexotildees intermediaacuterias (10μm 100μm 200μm 300μm

400μm 500μm)

Jaacute que λCNT eacute tipicamente 1 μm foram escolhidos trecircs comprimentos na faixa lCNT le λCNT

(10 nm 100 nm e 1 μm) e trecircs comprimentos na faixa lCNT gt λCNT (10 μm 100 μm 500

μm) para serem analisados detalhadamente Escolheu-se uma mesma frequecircncia abaixo da

frequecircncia de corte dos trecircs materiais considerados para analisar e comparar a atenuaccedilatildeo

(A) e o tempo de atraso na propagaccedilatildeo (td) dos diferentes comprimentos

Em seguida o mesmo procedimento foi feito para comparar somente o SWCNT bundle e o

cobre para uma mesma frequecircncia cujo valor eacute maior que a frequecircncia da anaacutelise anterior

permitindo que estes dois materiais sejam analisados detalhadamente

Essas anaacutelises foram realizadas a partir da simulaccedilatildeo do circuito da Figura 31 [2325] A

tensatildeo de entrada Vin eacute uma onda quadrada de 1V de amplitude e o capacitor de carga tem

o valor de 100 aF

Figura 31 ndash Circuito simulado para cada interconexatildeo

A Figura 32 mostra o fluxograma das etapas descritas nesta subseccedilatildeo 321

28

Figura 32 ndash Fluxograma das etapas seguidas na simulaccedilatildeo das interconexotildees

322 Simulaccedilatildeo do inversor mono-eleacutetron

Para utilizar a porta inversora da Figura 215 nos terminais do H-tree clock foi necessaacuterio

primeiramente simular o SET proposto por [4] Essa simulaccedilatildeo foi feita variando os

paracircmetros do SET como as resistecircncias e capacitacircncias das junccedilotildees as capacitacircncias de

porta a temperatura etc Os paracircmetros foram variados ateacute simular o SET a temperatura

de 300K Em seguida simulou-se a inversora da Figura 215 tambeacutem a temperatura

ambiente Dessa forma foi possiacutevel simular a inversora isoladamente obtendo as

caracteriacutesticas do sinal de saiacuteda

323 Simulaccedilatildeo do H-tree clock mono-eleacutetron

Apoacutes a simulaccedilatildeo do SET foi possiacutevel simular o H-tree clock A rede H-tree de dois niacuteveis

foi simulada com um H no primeiro niacutevel e quatro H‟s no segundo niacutevel [49] Nos pontos

de destino final da rede foram colocadas portas inversoras formadas por SETs permitindo

a anaacutelise de circuitos nanoeletrocircnicos

Modelos de SWCNT

SWCNT bundle e cobre

Obtenccedilatildeo dos paracircmetros dos modelos para

interconexotildees locais e interconexotildees intermediaacuterias

Para cada comprimento

obtenccedilatildeo de f-3dB

1ordm) Escolha de frequumlecircncia abaixo

da f-3dB do SWCNT SWCNT

bundle e cobre

2ordm) Escolha de frequumlecircncia abaixo

da f-3dB do SWCNT bundle e

cobre

Obtenccedilatildeo de A e td de

cada modelo

Obtenccedilatildeo de A e td de

cada modelo

Anaacutelise comparativa entre o

SWCNT SWCNT bundle e

cobre

Anaacutelise comparativa entre o

SWCNT bundle e cobre

Estudo de interconexotildees locais (10nm

100nm 1μm) e intermediaacuterias (10μm

100μm 500μm)

29

A partir da simulaccedilatildeo do H-tree clock obteve-se a frequecircncia em -3dB (f-3dB) da rede com

interconexotildees ideais Assim a rede H-tree foi entatildeo simulada para duas frequecircncias

diferentes do sinal de entrada abaixo da frequecircncia de -3dB 10 GHz e 100 GHz Com

essas simulaccedilotildees obtiveram-se as seguintes caracteriacutesticas do sinal de saiacuteda da inversora

niacutevel loacutegico baixo (NB) niacutevel loacutegico alto (NA) tempo de subida (tr) slew rate de subida

(SR) atenuaccedilatildeo (A) tempo de atraso (td) potecircncia dissipada (P) e produto atraso-potecircncia

(DP) As caracteriacutesticas obtidas servem como referecircncia para analisar o sinal considerando

interconexotildees natildeo-ideais ou seja incluindo os modelos das interconexotildees nas simulaccedilotildees

Em seguida a rede H-tree foi simulada considerando-se os modelos das interconexotildees de

SWCNT bundle e de cobre variando os seus comprimentos Como cada H da rede de

distribuiccedilatildeo deve ser simeacutetrico considerou-se que cada divisatildeo do H tem o mesmo

comprimento para cada niacutevel da rede [11] A Figura 33 mostra o comprimento dos

diferentes trechos da rede Assim o comprimento de cada divisatildeo dos H‟s do segundo

niacutevel eacute a metade do comprimento de cada divisatildeo do H do primeiro niacutevel Jaacute que o objetivo

eacute simular circuitos em escala nanomeacutetrica escolheu-se trecircs variaccedilotildees de comprimento

menores ou iguais a 1μm

l = 100 nm l2 = 50 nm

l = 400 nm l2 = 200 nm

l = 1 μm l2 = 500 nm

Figura 33 ndash Esquemaacutetico do H-tree clock com os comprimentos de cada seguimento

Dessa forma cada um dos trecircs circuitos foi simulado obtendo-se a frequecircncia em -3dB na

entrada das portas inversoras Em seguida as trecircs redes foram simuladas para as mesmas

30

duas frequumlecircncias do sinal de entrada (10 GHz e 100 GHz) de forma a obter as

caracteriacutesticas do sinal de saiacuteda descritas anteriormente considerando agora o efeito das

interconexotildees

Por fim a partir dos dados obtidos foram realizadas comparaccedilotildees entre as caracteriacutesticas

do sinal de saiacuteda de referecircncia (interconexotildees ideais) e o sinal de saiacuteda dos circuitos com as

interconexotildees natildeo-ideais bem como entre o comportamento das interconexotildees de SWCNT

bundle e de cobre nas diferentes frequecircncias

A Figura 34 mostra o fluxograma das etapas descritas nas subseccedilotildees 322 e 323

Figura 34 ndash Fluxograma das etapas seguidas na simulaccedilatildeo do H-tree clock

H-tree clock mono-eleacutetron

Simulaccedilatildeo do H-tree clock com

interconexotildees ideais Obtenccedilatildeo de f-3dB

da inversora

Simulaccedilatildeo do H-tree clock com

interconexotildees natildeo-ideais para os seguintes

comprimentos

l = 100 nm l2 = 50 nm

l = 400 nm l2 = 200 nm

l = 1 μm l2 = 500 nm

Validaccedilatildeo do SET e do

inversor mono-eleacutetron a

300K

Sinal de entrada a

10 GHz

Sinal de entrada a

100 GHz

Obtenccedilatildeo de NB

NA tr SR A td P e

DP do sinal de saiacuteda

da inversora

Obtenccedilatildeo de NB

NA tr SR A td P e

DP do sinal de saiacuteda

da inversora

Sinal de entrada a

10 GHz

Sinal de entrada a

100 GHz

Obtenccedilatildeo de NB

NA tr SR A td P e

DP do sinal de saiacuteda

da inversora

Obtenccedilatildeo de NB

NA tr SR A td P e

DP do sinal de saiacuteda

da inversora

Anaacutelise comparativa

dos dados obtidos

31

4 RESULTADOS E ANAacuteLISES

41 INTRODUCcedilAtildeO

Neste capiacutetulo seratildeo apresentados os procedimentos adotados e os resultados obtidos na

simulaccedilatildeo das interconexotildees SWCNT SWCNT bundle e cobre As etapas descritas na

metodologia foram seguidas obtendo-se os resultados das simulaccedilotildees das interconexotildees e

das simulaccedilotildees do H-tree clock mono-eleacutetron para interconexotildees ideais e natildeo-ideais A

partir dos resultados a anaacutelise do desempenho das interconexotildees seraacute apresentada

42 ANAacuteLISE DAS INTERCONEXOtildeES

Nesta seccedilatildeo a anaacutelise das interconexotildees de SWCNT SWCNT bundle e cobre na

tecnologia de 22 nm para diferentes comprimentos seraacute realizada Para isso analisou-se

as interconexotildees locais em que l le 1 μm e as intermediaacuterias em que 1 μm lt l le 500 μm

sabendo que l eacute o comprimento da interconexatildeo [29-31333638] Como λCNT eacute

tipicamente 1 μm trecircs comprimentos na faixa lCNT le λCNT (10 nm 100 nm e 1 μm) e trecircs

comprimentos na faixa lCNT gt λCNT (10 μm 100 μm 500 μm) de cada material seratildeo

analisados detalhadamente Os paracircmetros obtidos a partir dos modelos de SWCNT

SWCNT bundle e cobre estatildeo respectivamente nas Tabelas 71 72 e 73 do Apecircndice

421 Interconexotildees locais

Primeiramente a partir da simulaccedilatildeo da Figura 31 obteve-se a frequecircncia em -3dB (f-3dB)

das interconexotildees locais (lCNT le λCNT ) isto eacute a sua banda passante de forma a verificar a

velocidade maacutexima que cada interconexatildeo suporta A Figura 41 ilustra o comportamento

da frequecircncia das interconexotildees locais para os diferentes comprimentos Como o SWCNT

isolado possui valores de frequecircncia na faixa de centenas de giga Hertz ou seja menos de

um tera Hertz os valores de suas frequecircncias tambeacutem podem ser visualisados na Tabela

74 do Apecircndice

Verifica-se que agrave medida que o comprimento da interconexatildeo aumenta a frequecircncia

diminui Isso ocorre jaacute que os valores da capacitacircncia e indutacircncia aumentam com o

aumento do comprimento da interconexatildeo Esses paracircmetros satildeo decisivos no sinal de

32

saiacuteda sendo o sinal mais distorcido quanto maior for o valor desses paracircmetros Observa-

se que o SWCNT bundle e o cobre possuem banda passante maiores que o SWCNT

isolado para qualquer comprimento Aleacutem disso o SWCNT bundle soacute possui uma banda

passante comparaacutevel ao do cobre para comprimentos acima de 700 nm

Frequecircncia X Comprimento

0

10

20

30

40

50

60

100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

Comprimento (nm)

f -3d

B (

TH

z)

SWCNT Isolado

SWCNT bundle

Cobre

Figura 41 ndash Frequumlecircncia versus comprimento das interconexotildees locais

As interconexotildees locais de 10 nm 100 nm e 1 μm de comprimento foram analisadas

detalhadamente A Tabela 41 mostra a frequecircncia em -3dB de cada material para os

comprimentos em anaacutelise

Tabela 41 Frequecircncia em -3dB de cada material para lCNT le λCNT

Interconexatildeo Local Comprimento (L) Material f-3dB

SWCNT isolado 253 GHz

10nm SWCNT bundle 66 THz

Cobre 232 THz

SWCNT isolado 300 GHz

lCNT le λCNT 100nm SWCNT bundle 20 THz

Cobre 51 THz

SWCNT isolado 230 GHz

1microm SWCNT bundle 47 THz

Cobre 42 THz

Assim escolheu-se uma mesma frequecircncia abaixo da frequecircncia de corte dos trecircs

materiais considerados para analisar e comparar a atenuaccedilatildeo (A) e o tempo de atraso na

propagaccedilatildeo (td) dos trecircs comprimentos Isso permite verificar o comportamento do sinal na

banda passante A Tabela 42 mostra esse estudo comparativo entre o SWCNT isolado

SWCNT bundle e cobre agrave frequecircncia de 200 GHz

33

Tabela 42 Estudo das interconexotildees com comprimentos na faixa lCNT le λCNT

Freq L Material A (dB) td (ps)

SWCNT isolado -210 046

10nm SWCNT bundle 001 000

Cobre 000 000

SWCNT isolado -155 051

200 GHz 100nm SWCNT bundle 001 000

Cobre 001 000

SWCNT isolado -039 107

1microm SWCNT bundle 006 001

Cobre 000 007

A partir da anaacutelise da Tabela 42 eacute possiacutevel observar agrave frequumlecircncia de 200 GHz a

atenuaccedilatildeo do sinal e o atraso do SWCNT isolado Nessa frequumlecircncia o atraso do SWCNT

isolado eacute significativo em relaccedilatildeo ao periacuteodo do sinal que eacute 5ps jaacute que o menor atraso

(para l = 10nm) eacute aproximadamente 10 do periacuteodo do sinal de entrada No entanto para

esta mesma frequumlecircncia observa-se que a atenuaccedilatildeo e o atraso do SWCNT bundle e do

cobre satildeo insignificantes Isto indica que estes dois materiais possuem melhor

desempenho sendo favoraacuteveis para serem utilizados em interconexotildees locais

Dessa forma para analisar melhor a atenuaccedilatildeo e o tempo de atraso do SWCNT bundle e do

cobre o mesmo procedimento foi feito comparando-se somente estes dois materiais para

uma mesma frequecircncia de 1 THz A Tabela 43 mostra esse estudo comparativo entre o

SWCNT bundle e cobre

Tabela 43 Estudo das interconexotildees SWCNT bundle e cobre com comprimentos na faixa

lCNT le λCNT

Freq L Material A (dB) td (fs)

10nm SWCNT bundle 001 113

Cobre 000 022

1 THz 100nm SWCNT bundle 006 136

Cobre 001 240

1microm SWCNT bundle 145 647

Cobre -013 5623

Analisando a Tabela 43 observa-se que agrave frequumlecircncia de 1 THz a atenuaccedilatildeo do sinal e o

atraso aumentam agrave medida que o comprimento das interconexotildees aumentam A partir do

comprimento de 100nm o tempo de atraso da interconexatildeo de cobre eacute maior que o do

SWCNT bundle cujo maior valor de atraso (para l = 1microm) natildeo chega a 1 do periacuteodo do

34

sinal de entrada (1ps) Isso mostra que apesar de a banda passante do cobre ser maior o

atraso do SWCNT bundle eacute menor Dessa forma para as interconexotildees locais o SWCNT

bundle possui desempenho comparaacutevel ao do cobre [13]

Em relaccedilatildeo agrave atenuaccedilatildeo verifica-se que para alguns comprimentos este tem valor

positivo Isso ocorre principalmente quando haacute um pico no graacutefico da frequumlecircncia antes dele

comeccedilar a decair Esse pico eacute devido ao efeito ressonante provocado pela indutacircncia

quando este possui valor comparaacutevel agrave resistecircncia e agrave capacitacircncia da interconexatildeo [53]

Assim esse efeito ressonante foi observado somente nas interconexotildees locais de SWCNT

bundle e de cobre A Figura 42 ilustra o graacutefico da magnitude pela frequumlecircncia do SWCNT

isolado SWCNT bundle e cobre para o comprimento de 100nm Observa-se o efeito

ressonante nos graacuteficos do SWCNT bundle e do cobre

Figura 42 ndash Graacuteficos da magnitude das interconexotildees de SWCNT isolado (superior)

SWCNT bundle (meio) e cobre (inferior) com comprimento de 100nm

35

422 Interconexotildees intermediaacuterias

Assim como para as interconexotildees locais obteve-se a frequecircncia em -3dB (f-3dB) das

interconexotildees intermediaacuterias (lCNT gt λCNT) de forma a verificar a velocidade maacutexima que

cada interconexatildeo suporta A Figura 43 ilustra o comportamento da frequecircncia das

interconexotildees intermediaacuterias para os diferentes comprimentos Os valores das frequecircncias

de cada interconexatildeo tambeacutem podem ser visualisados na Tabela 75 do Apecircndice

Como nas interconexotildees locais agrave medida que o comprimento da interconexatildeo aumenta a

frequecircncia diminui Aleacutem disso o SWCNT bundle e o cobre possuem desempenho melhor

que o do SWCNT isolado para qualquer comprimento No entanto para interconexotildees

intermediaacuterias o SWCNT bundle possui banda passante maior que a do cobre para

qualquer comprimento

Frequecircncia X Comprimento

00

05

10

15

20

25

30

35

40

45

100 200 300 400 500

Comprimento (μm)

f -3d

B (

GH

z)

SWCNT isolado

SWCNT bundle

Cobre

Figura 43 ndash Frequumlecircncia versus comprimento das interconexotildees intermediaacuterias

As interconexotildees intermediaacuterias de 10 μm 100 μm e 500 μm de comprimento foram entatildeo

analisadas detalhadamente A Tabela 44 mostra a frequecircncia em -3dB de cada materal

para os diferentes comprimentos em anaacutelise

36

Tabela 44 Frequecircncia em -3dB de cada material para lCNT gt λCNT

Interconexatildeo

Intermediaacuteria

Comprimento (L) Material f-3dB

SWCNT isolado 26 GHz

10 microm SWCNT bundle 527 GHz

Cobre 34 GHz

SWCNT isolado 32 MHz

lCNT gt λCNT 100 microm SWCNT bundle 42 GHz

Cobre 345 MHz

SWCNT isolado 13 MHz

500 microm SWCNT bundle 165 MHz

Cobre 14 MHz

Escolheu-se a frequecircncia de 1 MHz que estaacute abaixo da frequecircncia de corte dos trecircs

materiais considerados para analisar e comparar a atenuaccedilatildeo (A) e o tempo de atraso na

propagaccedilatildeo (td) dos trecircs comprimentos A Tabela 45 mostra esse estudo comparativo entre

o SWCNT isolado SWCNT bundle e cobre

Tabela 45 Estudo das interconexotildees com comprimentos na faixa lCNT gt λCNT

Freq L Material A (dB) td (ns)

SWCNT isolado -002 008

10 microm SWCNT bundle 000 000

Cobre 000 000

SWCNT isolado -003 559

1 MHz 100 microm SWCNT bundle -001 005

Cobre -004 056

SWCNT isolado -198 10217

500 microm SWCNT bundle 000 110

Cobre -003 1301

Com base na Tabela 45 observa-se que a atenuaccedilatildeo e o tempo de atraso do SWCNT

isolado aumentam com o aumento do comprimento da interconexatildeo Nessa frequumlecircncia o

atraso na propagaccedilatildeo do SWCNT isolado eacute significativo em relaccedilatildeo ao periacuteodo do sinal de

entrada que eacute 1micros chegando a mais de 10 deste periacuteodo para o comprimento de 500microm

Verifica-se tambeacutem o aumento do tempo de atraso da interconexatildeo de cobre sendo 13

do periacuteodo do sinal de entrada para o comprimento de 500microm

Para analisar melhor a atenuaccedilatildeo e o tempo de atraso do SWCNT bundle e do cobre o

mesmo procedimento foi feito comparando-se somente estes dois materiais para uma

37

mesma frequecircncia de 10 MHz A Tabela 46 mostra esse estudo comparativo entre o

SWCNT bundle e cobre

Tabela 46 Estudo das interconexotildees SWCNT bundle e cobre com comprimentos na faixa

lCNT gt λCNT

Freq L Material A (dB) td (ns)

10 microm SWCNT bundle 000 000

Cobre 000 000

10 MHz 100 microm SWCNT bundle -001 005

Cobre -004 054

500 microm SWCNT bundle -004 107

Cobre -185 1024

Analisando a Tabela 46 observa-se que agrave medida que o comprimento das interconexotildees

aumenta a atenuaccedilatildeo e o atraso do sinal da interconexatildeo de cobre tornam-se significativos

O atraso na propagaccedilatildeo da interconexatildeo de cobre para l = 500microm chega a 10 do periacuteodo

do sinal de entrada (100ns) Jaacute o SWCNT bundle apresenta valores insignificantes de

atenuaccedilatildeo e atraso na propagaccedilatildeo Assim para as interconexotildees intermediaacuterias o SWCNT

bundle possui desempenho superior ao do cobre

43 SIMULACcedilAtildeO DO INVERSOR MONO-ELEacuteTRON

O modelo SPICE do SET proposto por G Lientschnig et al [444] foi simulado no

LTSPICE A partir da equaccedilatildeo (226) foi possiacutevel aumentar a temperatura do SET ateacute

chegar a 300K Assim o esquemaacutetico do SET e os valores de seus paracircmetros para que o

SET opere a 300K estatildeo na Figura 44 No anexo deste trabalho (subseccedilatildeo 81) encontra-

se o coacutedigo SET que foi utilizado [44] Os paracircmetros R1 C1 e R2 C2 correspondem agraves

resistecircncias e capacitacircncias das junccedilotildees-tuacutenel Cg eacute a capacitacircncia de porta (Cg1 no coacutedigo

SET) Vg eacute a tensatildeo de porta e V eacute a tensatildeo de entrada

Figura 44 Esquemaacutetico do SET e os valores de seus paracircmetros

38

A partir destes valores o inversor mono-eleacutetron foi construiacutedo colocando-se dois SETs em

seacuterie os quais compartilham da mesma entrada A Figura 45 ilustra o esquemaacutetico do

inversor mono-eleacutetron juntamente com os valores de seus paracircmetros fixos em que Vin eacute a

tensatildeo de entrada Vout eacute a tensatildeo de saiacuteda Vbias eacute a tensatildeo de polarizaccedilatildeo Cc eacute a

capacitacircncia de carga Cg1 e Cg2 satildeo as capacitacircncias de porta do SET 1 e do SET 2

respectivamente

Figura 45 Esquemaacutetico do inversor mono-eleacutetron e os valores de seus paracircmetros

(modificado de [4])

Assim apoacutes simular o inversor mono-eleacutetron a 300K obteve-se o sinal de saiacuteda mostrado

na Figura 46 Como o inversor estaacute invertendo o sinal de entrada de valor loacutegico baixo em

um sinal de saiacuteda de valor loacutegico alto ele estaacute operando corretamente

Figura 46 Curva do sinal de entrada (em verde) e do sinal de saiacuteda (em preto) do inversor

mono-eleacutetron

39

44 ANAacuteLISE DAS INTERCONEXOtildeES NO H-TREE CLOCK MONO-ELEacuteTRON

Nesta seccedilatildeo a rede H-tree clock de dois niacuteveis foi simulada com portas inversoras mono-

eleacutetron nos pontos de destino final da rede permitindo a anaacutelise de circuitos

nanoeletrocircnicos Simulou-se a rede H-tree considerando interconexotildees ideais para as

frequecircncias de 10 GHz e 100 GHz no sinal de entrada Em seguida para as mesmas duas

frequecircncias considerou-se interconexotildees natildeo-ideais de diferentes comprimentos

analisando a rede com os modelos de interconexatildeo SWCNT bundle e cobre Trecircs redes

com comprimentos de interconexotildees diferentes foram analisadas

l = 100 nm l2 = 50 nm

l = 400 nm l2 = 200 nm

l = 1 μm l2 = 500 nm

441 Anaacutelise da rede com interconexotildees ideais

A partir da simulaccedilatildeo do H-tree clock a frequecircncia em -3dB (f-3dB) da rede com

interconexotildees ideais foi obtida Na saiacuteda de cada porta inversora a banda passante do sinal

eacute 3200 GHz Dessa forma duas frequecircncias abaixo de 3200 GHz foram escolhidas para

analisar o sinal de saiacuteda da inversora em condiccedilotildees ideais As frequecircncias de 10 GHz e

100 GHz seratildeo analisadas obtendo-se as seguintes caracteriacutesticas do sinal de saiacuteda da

inversora niacutevel loacutegico baixo (NB) niacutevel loacutegico alto (NA) tempo de subida (tr) slew rate

de subida (SR) atenuaccedilatildeo (A) e tempo de atraso (td) A Tabela 47 mostra os valores

obtidos para as duas frequecircncias em anaacutelise

Tabela 47 Caracteriacutesticas dos sinais de saiacuteda da rede para interconexotildees ideais

Freq NB(mV) NA(mV) tr (ps) SR(Vns) A(dB) td (ps)

10 GHz 675 4518 356 8636 -264 412

100 GHz 678 4279 317 9088 -269 189

Os caacutelculos da potecircncia estaacutetica ( IVP DDE ) potecircncia dinacircmica ( CVfP DDD 2 ) e

potecircncia total ( DE PPP ) dissipada por cada porta inversora foram realizados bem

como o produto atraso-potecircncia (DP) Assim a Tabela 48 mostra os valores obtidos no

40

caacutelculo destes paracircmetros Como a potecircncia estaacutetica independe da frequecircncia do sinal de

entrada o seu valor eacute o mesmo nos dois casos

Tabela 48 Potecircncia dissipada por cada porta inversora para interconexotildees ideais

Frequecircncia PE (nW) PD (nW) P (nW) DP (10-18

Wmiddots)

10 GHz 4838 125 4963 020

100 GHz 4838 125 6088 012

As Tabelas 47 e 48 serviratildeo de referecircncia para as anaacutelises da rede com interconexotildees natildeo-

ideais analisadas na subseccedilatildeo seguinte As Figuras 47 e 48 ilustram o sinal de saiacuteda das

redes com frequecircncias de 10 GHz e de 100 GHz respectivamente Eacute possiacutevel observar que

na frequecircncia de 100 GHz o sinal de saiacuteda jaacute eacute distorcido em relaccedilatildeo ao sinal de referecircncia

(Figura 46)

Figura 47 Sinal de entrada (em verde) e sinal de saiacuteda (em preto) da rede a 10 GHz

Figura 48 Sinal de entrada (em verde) e sinal de saiacuteda (em preto) da rede a 100 GHz

41

442 Anaacutelise da rede com interconexotildees natildeo-ideais

Apoacutes obter as caracteriacutesticas da rede H-tree clock com interconexotildees ideais a anaacutelise da

rede com interconexotildees natildeo-ideais seraacute feita Primeiramente eacute importante verificar a

frequecircncia em -3dB do sinal depois das interconexotildees ou seja na entrada da porta

inversora Caso essa frequecircncia seja menor que a frequecircncia de 3200 GHz obtida com

interconexotildees ideais entatildeo a interconexatildeo afetaraacute o comportamento da rede A Tabela 49

mostra a frequecircncia em -3dB na entrada da inversora para interconexotildees natildeo-ideais

Tabela 49 Frequecircncia em -3dB na entrada da inversora para interconexotildees natildeo-ideais

Comprimentos (l2 l) Material f-3dB

50nm 100nm SWCNT bundle 122 THz

Cobre 175 THz

200nm 400nm SWCNT bundle 31 THz

Cobre 8606 GHz

500nm 1microm SWCNT bundle 12 THz

Cobre 1268 GHz

Assim verifica-se que a interconexatildeo de cobre da rede 500nm1microm possui frequecircncia em

-3dB abaixo da frequecircncia do circuito com interconexatildeo ideal (3200 GHz) Isso indica que

esta interconexatildeo interfere significativamente no comportamento da rede A Tabela 49

mostra tambeacutem que a banda passante da interconexatildeo de cobre soacute eacute maior que a da

interconexatildeo de SWCNT bundle no primeiro caso na rede de 50nm100nm o que mostra

uma vantagem do SWCNT bundle em relaccedilatildeo ao cobre A partir dessas informaccedilotildees a

rede H-tree clock com interconexotildees natildeo-ideais seraacute analisada detalhadamente

4421 Anaacutelise da rede a 10 GHz

As redes com interconexotildees natildeo-ideais seratildeo analisadas na frequecircncia de 10 GHz para

diferentes comprimentos Primeiramente o niacutevel loacutegico baixo (NB) o niacutevel loacutegico alto

(NA) o tempo de subida (tr) e o slew rate de subida (SR) foram obtidos conforme mostra a

Tabela 410 Com base nessa tabela verifica-se que na frequecircncia de 10 GHz essas

caracteriacutesticas natildeo foram modificadas pelas interconexotildees natildeo-ideais independentemente

do comprimento Os valores dos paracircmetros satildeo iguais aos obtidos na rede com

interconexatildeo ideal conforme Tabela 47 O sinal obtido na saiacuteda de cada inversor eacute igual

ao ilustrado na Figura 47

42

Tabela 410 Niacuteveis loacutegicos tempo de subida e slew rate dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 10 GHz

Freq L (l2l) Material NB(mV) NA(mV) tr(ps) SR(Vns)

10

GHz

50nm

100nm

SWCNT bundle 675 4518 356 8636

Cobre 675 4518 356 8636

200nm

400nm

SWCNT bundle 675 4518 356 8636

Cobre 675 4518 356 8636

500nm

1microm

SWCNT bundle 675 4518 356 8636

Cobre 675 4518 356 8636

A Tabela 411 mostra a atenuaccedilatildeo tempo de atraso potecircncia total dissipada e o produto

atraso-potecircncia obtidos a frequecircncia de 10 GHz para interconexotildees natildeo-ideais Observa-se

que a atenuaccedilatildeo do sinal e a potecircncia total dissipada por cada porta inversora permanecem

os mesmos em relaccedilatildeo agrave interconexatildeo ideal mostrando que a essa frequecircncia as

interconexotildees natildeo-ideais natildeo interferem nestes paracircmetros

Jaacute o atraso na propagaccedilatildeo do sinal no caso do cobre aumenta agrave medida que as

interconexotildees aumentam de comprimento aumentando tambeacutem o produto atraso-potecircncia

Esse atraso chega a 66 do periacuteodo do sinal de entrada para a interconexatildeo 500nm1microm

de cobre No entanto estes paracircmetros natildeo satildeo afetados pelas interconexotildees de SWCNT

bundle indicando que este material se sobressai em relaccedilatildeo ao cobre

Tabela 411 Atenuaccedilatildeo atraso potecircncia e produto atraso-potecircncia dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 10 GHz

Freq L (l2l) Material A (dB) td (ps) P (nW) DP(10-18

Wmiddots)

10

GHz

50nm

100nm

SWCNT bundle -264 412 4963 020

Cobre -264 412 4963 020

200nm

400nm

SWCNT bundle -264 412 4963 020

Cobre -264 438 4963 022

500nm

1microm

SWCNT bundle -264 412 4963 020

Cobre -264 659 4963 033

4422 Anaacutelise da rede a 100 GHz

As redes com interconexotildees natildeo-ideais seratildeo analisadas na frequecircncia de 100 GHz para

diferentes comprimentos O niacutevel loacutegico baixo (NB) o niacutevel loacutegico alto (NA) o tempo de

subida (tr) e o slew rate de subida (SR) foram obtidos conforme mostra a Tabela 412 Jaacute a

43

Tabela 413 mostra a atenuaccedilatildeo tempo de atraso potecircncia total dissipada e o produto

atraso-potecircncia obtidos a frequecircncia de 100 GHz para interconexotildees natildeo-ideais

Tabela 412 Niacuteveis loacutegicos tempo de subida e slew rate dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 100 GHz

Freq L (l2l) Material NB(mV) NA(mV) tr(ps) SR(Vns)

100

GHz

50nm

100nm

SWCNT bundle 678 4272 316 9099

Cobre 675 4277 323 9107

200nm

400nm

SWCNT bundle 678 4299 315 9196

Cobre 677 4089 289 9447

500nm

1microm

SWCNT bundle 678 4418 300 9973

Cobre 635 1766 102 6795

Tabela 413 Atenuaccedilatildeo atraso potecircncia e produto atraso-potecircncia dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 100 GHz

Freq L (l2l) Material A (dB) td (ps) P (nW) DP(10-18

Wmiddots)

100

GHz

50nm

100nm

SWCNT bundle -2703 189 6088 012

Cobre -2685 191 6088 012

200nm

400nm

SWCNT bundle -2693 188 6088 012

Cobre -2698 228 6088 014

500nm

1microm

SWCNT bundle -2673 174 6088 011

Cobre -2893 388 6088 024

A partir das Tabelas 412 e 413 o SWCNT bundle seraacute analisado Observa-se que os seus

niacuteveis loacutegicos altos aumentam com o aumento do comprimento das interconexotildees

aumentando tambeacutem o slew rate de subida Esse comportamento ocorre provavelmente

devido ao efeito ressonante provocado pela indutacircncia que provoca um pico no graacutefico da

frequumlecircncia antes dele comeccedilar a decair conforme explicado na subseccedilatildeo 421 Isso implica

na diminuiccedilatildeo da atenuaccedilatildeo do sinal e do atraso No entanto o produto atraso-potecircncia

permanece praticamente invariaacutevel jaacute que a potecircncia total dissipada natildeo se altera

Em relaccedilatildeo agraves interconexotildees de cobre verifica-se que as distorccedilotildees satildeo significativas Agrave

medida que o comprimento aumenta a atenuaccedilatildeo do sinal de saiacuteda aumenta Isso provoca

diminuiccedilatildeo no slew rate do sinal o que natildeo eacute desejado jaacute que o sinal demora mais para

atingir o niacutevel loacutegico alto Aleacutem disso o atraso na propagaccedilatildeo do sinal aumenta bastante

chegando a 388 do periacuteodo do sinal de entrada para a interconexatildeo 500nm1microm

Consequentemente o produto atraso-potecircncia tambeacutem aumenta sendo o dobro do valor de

44

referecircncia (interconexotildees ideais) A Figura 49 ilustra o sinal de saiacuteda da interconexatildeo

500nm1microm de cobre

Figura 49 Sinal de entrada (em verde) e sinal de saiacuteda (em preto) da rede a 100 GHz para

a interconexatildeo 500nm1microm de cobre

Comparando-se as potecircncias das tabelas 47 48 411 413 verifica-se que natildeo haacute

alteraccedilatildeo na potecircncia total dissipada pelo circuito com interconexotildees ideais e pelos

circuitos com interconexotildees natildeo-ideais para uma mesma frequecircncia Assim eacute importante

destacar que a dissipaccedilatildeo de potecircncia das interconexotildees de SWCNT bundle e de cobre natildeo

interfere na potecircncia total dissipada pelo circuito

443 Consideraccedilotildees Finais

Apoacutes analisar as interconexotildees locais de SWCNT de SWCNT bundle e de cobre

verificou-se que as interconexotildees de SWCNT bundle possuem desempenho comparaacutevel ao

das interconexotildees de cobre Em relaccedilatildeo agraves interconexotildees intermediaacuterias as de SWCNT

bundle apresentam desempenho superior agraves de cobre Jaacute as interconexotildees de SWCNT

isolado tanto para interconexotildees locais como para interconexotildees intermediaacuterias

apresentam desempenho inferior agraves interconexotildees de SWCNT bundle e de cobre natildeo

sendo propiacutecias a serem utilizadas em interconexotildees de circuitos integrados

Na anaacutelise das interconexotildees natildeo-ideais na rede H-tree clock mono-eleacutetron para a

frequecircncia de 10GHz observou-se que o niacutevel loacutegico baixo o niacutevel loacutegico alto o tempo de

subida o slew rate de subida a atenuaccedilatildeo do sinal e a potecircncia total dissipada por cada

porta inversora permanecem os mesmos em relaccedilatildeo agrave interconexatildeo ideal mostrando que

45

para esta frequecircncia as interconexotildees natildeo-ideais natildeo interferem nestes paracircmetros Jaacute o

atraso na propagaccedilatildeo do sinal no caso do cobre aumenta agrave medida que as interconexotildees

aumentam de comprimento aumentando tambeacutem o produto atraso-potecircncia No entanto

estes paracircmetros natildeo satildeo afetados pelas interconexotildees de SWCNT bundle indicando que

este material se sobressai em relaccedilatildeo ao cobre

Jaacute para a rede H-tree clock mono-eleacutetron a 100GHz observou-se que o circuito com

interconexotildees natildeo-ideais afetou bastante os paracircmetros em anaacutelise se comparados aos

obtidos para interconexotildees ideais Verificou-se que as distorccedilotildees provocadas pelas

interconexotildees de cobre foram significativas indicando que as interconexotildees de SWCNT

bundle possuem melhor desempenho que as de cobre

Assim constata-se que as interconexotildees de SWCNT bundle satildeo fortes candidatas a

substituirem as interconexotildees de cobre em circuitos em escala giga (GSI) e tera (TSI)

46

5 CONCLUSOtildeES

Nesta dissertaccedilatildeo o estudo das interconexotildees de SWCNT de SWCNT bundle e de cobre

foi realizado analisando e comparando os seus desempenhos para diferentes

comprimentos A partir desse estudo verificou-se que as interconexotildees de SWCNT bundle

possui desempenho comparaacutevel ao das interconexotildees de cobre no caso de interconexotildees

locais Em relaccedilatildeo agraves interconexotildees intermediaacuterias as de SWCNT bundle apresentam

desempenho superior agraves de cobre

As interconexotildees de SWCNT bundle e as interconexotildees de cobre foram entatildeo simuladas na

rede H-tree clock de dois niacuteveis para diferentes comprimentos e frequecircncias Nos pontos

de destino final da rede foram colocadas portas inversoras formadas por SETs permitindo

a anaacutelise de circuitos nanoeletrocircnicos

A partir da anaacutelise da rede H-tree clock observou-se que as interconexotildees de SWCNT

bundle possuem desempenho melhor que as de cobre principalmente em relaccedilatildeo ao slew

rate agrave atenuaccedilatildeo ao tempo de atraso e ao produto atraso-potecircncia Aleacutem disso a

dissipaccedilatildeo de potecircncia das interconexotildees natildeo-ideais natildeo interferem na potecircncia total

dissipada pelo circuito Assim as interconexotildees de SWCNT bundle satildeo fortes candidatas a

substituirem as interconexotildees de cobre em circuitos em escala giga (GSI) e tera (TSI)

Como perspectivas futuras eacute importante analisar o efeito das interconexotildees de nanotubo de

carbono em circuitos GSI e TSI com outras arquiteturas A anaacutelise das interconexotildees de

CNT tambeacutem deve ser feita em circuitos com tecnologia MOS permitindo a comparaccedilatildeo

entre diferentes tecnologias Aleacutem disso eacute interessante estudar outros tipos de materiais

que possam ser utilizados como interconexotildees em circuitos integrados

47

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Low Latency Design Methodologyrdquo In IEEE Transactions on Very Large Scale

Integration (VLSI) Systems vol 17 no 2 pp 181-193

53

7 APEcircNDICES

71 TABELAS COMPLEMENTARES

Tabela 71 Paracircmetros obtidos a partir do modelo de SWCNT isolado

L RQ (Ω) RS (Ω) LCNT (10-9

H) CCNT (10-18

F)

10 nm 645103 - 40010

-2 27910

-1

100 nm 645103 - 40010

-1 279

200 nm 645103 - 80010

-1 558

300 nm 645103 - 120 837

400 nm 645103 - 160 11210

1

500 nm 645103 - 200 14010

1

600 nm 645103 - 240 16710

1

700 nm 645103 - 280 19510

1

800 nm 645103 - 320 22310

1

900 nm 645103 - 360 25110

1

1 microm 645103 - 400 27910

1

10 microm 645103 64510

4 40010

1 27910

2

100 microm 645103 64510

5 40010

2 27910

3

200 microm 645103 12910

6 80010

2 55810

3

300 microm 645103 19410

6 12010

3 83710

3

400 microm

645103 25810

6 16010

3 11210

4

500 microm

645103 32310

6 20010

3 14010

4

Tabela 72 Paracircmetros obtidos a partir do modelo de SWCNT bundle

L RQ (Ω) RS (Ω) LBundle(10-9

H) CBundle(10-18

F)

10 nm 1075 - 66710-5

135

100 nm 1075 - 66710-4

135101

200 nm 1075 - 13310-3

270101

300 nm 1075 - 20010-3

405101

400 nm 1075 - 26710-3

540101

500 nm 1075 - 33310-3

675101

600 nm 1075 - 40010-3

810101

700 nm 1075 - 46710-3

945101

800 nm 1075 - 53310-3

108102

900 nm 1075 - 60010-3

122102

1 microm 1075 - 66710-3

135102

10 microm 1075 108102 66710

-2 13510

3

100 microm 1075 108103 66710

-1 13510

4

200 microm 1075 215103 133 27010

4

300 microm 1075 323103 200 40510

4

400 microm

1075 430103 267 54010

4

500 microm

1075 538103 333 67510

4

54

Tabela 73 Paracircmetros obtidos a partir do modelo de cobre

L RCu (Ω) LCu (10-9

H) CCu (10-18

F)

10 nm 06 37310-6

150

100 nm 60 63610-5

150101

200 nm 120 17510-4

300101

300 nm 180 30910-4

450101

400 nm 240 45410-4

600101

500 nm 300 61110-4

750101

600 nm 360 77510-4

900101

700 nm 420 94610-4

105102

800 nm 480 11210-3

120102

900 nm 540 13110-3

135102

1 microm 600 14910-3

150102

10 microm 60102 24010

-2 15010

3

100 microm 60103 33210

-1 15010

4

200 microm 12104 72010

-1 30010

4

300 microm 18104 113 45010

4

400 microm

24104 155 60010

4

500 microm

30104 198 75010

4

55

Tabela 74 Frequecircncia em -3dB das interconexotildees locais

Comprimento Material f-3dB

10 nm SWCNT isolado 253 GHz

SWCNT bundle 66 THz

Cobre 232 THz

100 nm SWCNT isolado 300 GHz

SWCNT bundle 20 THz

Cobre 51 THz

200 nm SWCNT isolado 342 GHz

SWCNT bundle 14 THz

Cobre 29 THz

300 nm SWCNT isolado 344 GHz

SWCNT bundle 11 THz

Cobre 20 THz

400 nm SWCNT isolado 329 GHz

SWCNT bundle 89 THz

Cobre 15 THz

500 nm SWCNT isolado 307 GHz

SWCNT bundle 76 THz

Cobre 12 THz

600 nm SWCNT isolado 288 GHz

SWCNT bundle 67 THz

Cobre 94 THz

700 nm SWCNT isolado 271 GHz

SWCNT bundle 61 THz

Cobre 76 THz

800 nm SWCNT isolado 255 GHz

SWCNT bundle 55 THz

Cobre 63 THz

900 nm SWCNT isolado 240 GHz

SWCNT bundle 51 THz

Cobre 52 THz

1 microm SWCNT isolado 230 GHz

SWCNT bundle 47 THz

Cobre 42 THz

56

Tabela 75 Frequecircncia em -3dB das interconexotildees intermediaacuterias

Comprimento Material f-3dB

10 microm SWCNT isolado 26 GHz

SWCNT bundle 527 GHz

Cobre 34 GHz

100 microm SWCNT isolado 32 MHz

SWCNT bundle 42 GHz

Cobre 345 MHz

200 microm SWCNT isolado 82 MHz

SWCNT bundle 10 GHz

Cobre 87 MHz

300 microm SWCNT isolado 36 MHz

SWCNT bundle 455 MHz

Cobre 38 MHz

400 microm SWCNT isolado 21 MHz

SWCNT bundle 256 MHz

Cobre 21 MHz

500 microm SWCNT isolado 13 MHz

SWCNT bundle 165 MHz

Cobre 14 MHz

57

8 ANEXOS

81 COacuteDIGO SPICE DO SET [44]

Transistor mono-eleacutetron (SET) conexotildees fonte | dreno | | porta1 | | | porta2 | | | | SUBCKT SET 1 2 3 4 PARAMS +C1=1E-20 Capacitacircncia da junccedilatildeo 1 +C2=1E-20 Capacitacircncia da junccedilatildeo 2 +R1=1E5 Resistecircncia da junccedilatildeo 1 +R2=1E5 Resistecircncia da junccedilatildeo 2 +Cg1=015E-18 Capacitacircncia da junccedilatildeo 1 +Cg2=0 Capacitacircncia da junccedilatildeo 2 +C0=0 Capacitacircncia proacutepria da ilha +Q0=005 Carga offset em unidades de e +TEMP=300 Temperatura PARAM E=160217733E-19 Carga do eleacutetron (e) PARAM CSUM=C1+C2+Cg1+Cg2+C0 Capacitacircncia total do SET PARAM T=TEMPCSUM53785467E14 Temperatura normalizada 53785467E14 = kBe^2 PARAM RN1=R1(R1+R2) Resistecircncia da junccedilatildeo 1 normalizada PARAM RN2=R2(R1+R2) Resistecircncia da junccedilatildeo 2 normalizada FUNC Q(v1v2v3v4) (Cg1v3+Cg2v4+C1v1+C2v2)E+Q0 Definiccedilatildeo da carga em unidades de e FUNC VN(v) CSUMvE Tensatildeo normalizada FUNC GAMMA(u) IF(T==0IF(ult0-u0)IF(u==0Tu(EXP(uT)-1))) FUNC N_OPT(v1v2v3v4) ROUND(-Q(v1v2v3v4)+(CSUME) (v1RN2+v2RN1)) A maior probabilidade de carga na ilha em unidades de e Os quarto eventos tuacuteneis FUNC R1L(nv1v2v3v4) GAMMA(05 - n - Q(v1v2v3v4) + VN(v1))RN1 FUNC R1R(nv1v2v3v4) GAMMA(05 + n + Q(v1v2v3v4) - VN(v1))RN1 FUNC R2L(nv1v2v3v4) GAMMA(05 + n + Q(v1v2v3v4) - VN(v2))RN2 FUNC R2R(nv1v2v3v4) GAMMA(05 - n - Q(v1v2v3v4) + VN(v2))RN2

58

determinaccedilatildeo das probabilidades relativas assume-se inicialmente que o estado da carga N_OPT tem probabilidade relativa igual a um FUNC PN_1(nv1v2v3v4) (R1L(nv1v2v3v4)+R2R(nv1v2v3v4))(R1R(n-1v1v2v3v4)+R2L(n-1v1v2v3v4)) FUNC PN_2(nv1v2v3v4) PN_1(nv1v2v3v4) +(R1L(n-1v1v2v3v4)+R2R(n-1v1v2v3v4))(R1R(n-2v1v2v3v4)+R2L(n-2v1v2v3v4)) FUNC PN_3(nv1v2v3v4) PN_2(nv1v2v3v4) +(R1L(n-2v1v2v3v4)+R2R(n-2v1v2v3v4))(R1R(n-3v1v2v3v4)+R2L(n-3v1v2v3v4)) FUNC PN_4(nv1v2v3v4) PN_3(nv1v2v3v4) +(R1L(n-3v1v2v3v4)+R2R(n-3v1v2v3v4))(R1R(n-4v1v2v3v4)+R2L(n-4v1v2v3v4)) FUNC PN_5(nv1v2v3v4) PN_4(nv1v2v3v4) +(R1L(n-4v1v2v3v4)+R2R(n-4v1v2v3v4))(R1R(n-5v1v2v3v4)+R2L(n-5v1v2v3v4)) FUNC PN1(nv1v2v3v4) (R2L(nv1v2v3v4) +R1R(nv1v2v3v4))(R2R(n+1v1v2v3v4)+R1L(n+1v1v2v3v4)) FUNC PN2(nv1v2v3v4) PN1(nv1v2v3v4) +(R2L(n+1v1v2v3v4)+R1R(n+1v1v2v3v4))(R2R(n+2v1v2v3v4)+R1L(n+2v1v2v3v4)) FUNC PN3(nv1v2v3v4) PN2(nv1v2v3v4) +(R2L(n+2v1v2v3v4)+R1R(n+2v1v2v3v4))(R2R(n+3v1v2v3v4)+R1L(n+3v1v2v3v4)) FUNC PN4(nv1v2v3v4) PN3(nv1v2v3v4) +(R2L(n+3v1v2v3v4)+R1R(n+3v1v2v3v4))(R2R(n+4v1v2v3v4)+R1L(n+4v1v2v3v4)) FUNC PN5(nv1v2v3v4) PN4(nv1v2v3v4) +(R2L(n+4v1v2v3v4)+R1R(n+4v1v2v3v4))(R2R(n+5v1v2v3v4)+R1L(n+5v1v2v3v4)) FUNC PSUM(nv1v2v3v4) PN_5(nv1v2v3v4)+PN_4(nv1v2v3v4)+PN_3(nv1v2v3v4)+PN_2(nv1v2v3v4) ++PN_1(nv1v2v3v4)+1+PN1(nv1v2v3v4)+PN2(nv1v2v3v4)+PN3(nv1v2v3v4) ++PN4(nv1v2v3v4)+PN5(nv1v2v3v4)

59

caacutelculo da corrente da fonte para o dreno FUNC CUR(nv1v2v3v4) PN_5(nv1v2v3v4)(R1R(n-5v1v2v3v4)-R1L(n-5v1v2v3v4)) ++PN_4(nv1v2v3v4)(R1R(n-4v1v2v3v4)-R1L(n-4v1v2v3v4)) ++PN_3(nv1v2v3v4)(R1R(n-3v1v2v3v4)-R1L(n-3v1v2v3v4)) ++PN_2(nv1v2v3v4)(R1R(n-2v1v2v3v4)-R1L(n-2v1v2v3v4)) ++PN_1(nv1v2v3v4)(R1R(n-1v1v2v3v4)-R1L(n-1v1v2v3v4)) ++(R1R(nv1v2v3v4)-R1L(nv1v2v3v4)) ++PN1(nv1v2v3v4)(R1R(n+1v1v2v3v4)-R1L(n+1v1v2v3v4)) ++PN2(nv1v2v3v4)(R1R(n+2v1v2v3v4)-R1L(n+2v1v2v3v4)) ++PN3(nv1v2v3v4)(R1R(n+3v1v2v3v4)-R1L(n+3v1v2v3v4)) ++PN4(nv1v2v3v4)(R1R(n+4v1v2v3v4)-R1L(n+4v1v2v3v4)) ++PN5(nv1v2v3v4)(R1R(n+5v1v2v3v4)-R1L(n+5v1v2v3v4)) FUNC CURRENT(nv1v2v3v4) ECUR(nv1v2v3v4)(CSUMPSUM(nv1v2v3v4)(R1+R2)) caacutelculo da tensatildeo da ilha FUNC VOLT(nv1v2v3v4) PN_5(nv1v2v3v4)(n-5+Q(v1v2v3v4)) ++PN_4(nv1v2v3v4)(n-4+Q(v1v2v3v4)) ++PN_3(nv1v2v3v4)(n-3+Q(v1v2v3v4)) ++PN_2(nv1v2v3v4)(n-2+Q(v1v2v3v4)) ++PN_1(nv1v2v3v4)(n-1+Q(v1v2v3v4)) ++n+Q(v1v2v3v4) ++PN1(nv1v2v3v4)(n+1+Q(v1v2v3v4)) ++PN2(nv1v2v3v4)(n+2+Q(v1v2v3v4)) ++PN3(nv1v2v3v4)(n+3+Q(v1v2v3v4)) ++PN4(nv1v2v3v4)(n+4+Q(v1v2v3v4)) ++PN5(nv1v2v3v4)(n+5+Q(v1v2v3v4)) FUNC VOLTAGE(nv1v2v3v4) (ECSUM)VOLT(nv1v2v3v4)PSUM(nv1v2v3v4) E1 5 0 VALUE= VOLTAGE(N_OPT(V(1)V(2)V(3)V(4))V(1)V(2)V(3)V(4)) Tensatildeo da ilha G1 1 2 VALUE= CURRENT(N_OPT(V(1)V(2)V(3)V(4))V(1)V(2)V(3)V(4)) Corrente da fonte para o dreno CT1 1 5 C1 CT2 2 5 C2 CGATE1 3 5 CG1 CGATE2 4 5 CG2 ENDS SET

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x

LISTA DE FIGURAS

Figura 21 Estrutura de uma lacircmina de grafeno (esquerda) do SWCNT (meio) e do

MWCNT (direita) [13] 4

Figura 22 Estrutura do SWCNT bundle [16] 4

Figura 23 Estrutura do (i) armchair (ii) zig-zag e (iii) quiral [24] 5

Figura 24 Modelo de interconexatildeo do SWCNT isolado (modificado de [33]) 8

Figura 25 Separaccedilatildeo miacutenima entre CNTs devido agrave forccedila de Van der Waals (modificado de

[13]) 9

Figura 26 Nuacutemero de CNTs ao longo da largura (nW) e da altura (nH) do CNT bundle

[13] 10

Figura 27 Modelo de interconexatildeo de cobre 13

Figura 28 Siacutembolo e tabela verdade da porta NOT 14

Figura 29 Dois eletrodos separados por uma ilha [10] 15

Figura 210 Esquemaacutetico da junccedilatildeo-tuacutenel [10] 15

Figura 211 Diagramas de energia (a) Bloqueio de Coulomb (b) Tunelamento mono-

eleacutetron [10] 16

Figura 212 Caracteriacutestica do bloqueio de Coulomb [10] 17

Figura 213 Transistor mono-eleacutetron [10] 18

Figura 214 Caracteriacutestica corrente(I) versus tensatildeo (Vg) do transistor mono-eleacutetron [10] 18

Figura 215 Esquemaacutetico do inversor utilizando SETs (modificado de [4]) 19

Figura 216 Estruturas comuns de redes de distribuiccedilatildeo de clock [45] 20

Figura 217 Esquemaacutetico do H-tree clock simeacutetrico (modificado de [46]) 21

Figura 218 Graacutefico do moacutedulo do ganho pela frequumlecircncia tiacutepico do comportamento de

interconexotildees 22

Figura 31 Circuito simulado para cada interconexatildeo 27

Figura 32 Fluxograma das etapas seguidas na simulaccedilatildeo das interconexotildees 28

Figura 33 Esquemaacutetico do H-tree clock com os comprimentos de cada seguimento 29

Figura 34 Fluxograma das etapas seguidas na simulaccedilatildeo do H-tree clock 30

Figura 41 Frequecircncia versus comprimento das interconexotildees locais 32

Figura 42 Graacuteficos da magnitude das interconexotildees de SWCNT isolado (superior)

SWCNT bundle (meio) e cobre (inferior) com comprimento de 100nm 34

Figura 43 Frequecircncia versus comprimento das interconexotildees intermediaacuterias 35

xi

Figura 44 Esquemaacutetico do SET e os valores de seus paracircmetros 37

Figura 45 Esquemaacutetico do inversor mono-eleacutetron e os valores de seus paracircmetros

(modificado de [4]) 38

Figura 46 Curva do sinal de entrada (em verde) e do sinal de saiacuteda (em preto) do inversor

mono-eleacutetron 38

Figura 47 Sinal de entrada (em verde) e sinal de saiacuteda (em preto) da rede a 10 GHz 40

Figura 48 Sinal de entrada (em verde) e sinal de saiacuteda (em preto) da rede a 100 GHz 40

Figura 49 Sinal de entrada (em verde) e sinal de saiacuteda (em preto) da rede a 100 GHz para

a interconexatildeo 500nm1microm de cobre 44

xii

LISTA DE TABELAS

Tabela 41 Frequecircncia em -3dB de cada material para lCNT le λCNT 32

Tabela 42 Estudo das interconexotildees com comprimentos na faixa lCNT le λCNT 33

Tabela 43 Estudo das interconexotildees SWCNT bundle e cobre com comprimentos na faixa

lCNT le λCNT 33

Tabela 44 Frequecircncia em -3dB de cada material para lCNT gt λCNT 36

Tabela 45 Estudo das interconexotildees com comprimentos na faixa lCNT gt λCNT 36

Tabela 46 Estudo das interconexotildees SWCNT bundle e cobre com comprimentos na faixa

lCNT gt λCNT 37

Tabela 47 Caracteriacutesticas dos sinais de saiacuteda da rede para interconexotildees ideais 39

Tabela 48 Potecircncia dissipada por cada porta inversora para interconexotildees ideais 40

Tabela 49 Frequecircncia em -3dB na entrada da inversora para interconexotildees natildeo-ideais 41

Tabela 410 Niacuteveis loacutegicos tempo de subida e slew rate dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 10 GHz 42

Tabela 411 Atenuaccedilatildeo atraso potecircncia e produto atraso-potecircncia dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 10 GHz 42

Tabela 412 Niacuteveis loacutegicos tempo de subida e slew rate dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 100 GHz 43

Tabela 413 Atenuaccedilatildeo atraso potecircncia e produto atraso-potecircncia dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 100 GHz 43

Tabela 71 Paracircmetros obtidos a partir do modelo de SWCNT isolado 53

Tabela 72 Paracircmetros obtidos a partir do modelo de SWCNT bundle 53

Tabela 73 Paracircmetros obtidos a partir do modelo de cobre 54

Tabela 74 Frequecircncia em -3dB das interconexotildees locais 55

Tabela 75 Frequecircncia em -3dB das interconexotildees intermediaacuterias 56

xiii

LISTA DE SIacuteMBOLOS NOMENCLATURA ABREVIACcedilOtildeES

CNT ndash Carbon nanotube

CVD ndash Chemical Vapor Deposition

GSI ndash Giga Scale Integration

ITRS ndash International Technology Roadmap for Semiconductors

LTSPICE ndash Linear Technology SPICE simulator

MWCNT ndash Multi-walled carbon nanotube

SET ndash Singe-electron transistor

SPICE ndash Simulated Program with Integrated Circuits Emphasis

SWCNT ndash Single-walled carbon nanotube

TSI ndash Tera Scale Integration

1

1 INTRODUCcedilAtildeO

O crescimento da microeletrocircnica e a consequumlente miniaturizaccedilatildeo dos circuitos integrados

foram previstos por Gordon Moore que enunciou que o nuacutemero de transistores em um

circuito integrado dobraria a cada 18 meses considerando a mesma aacuterea e custo previsatildeo

conhecida como Lei de Moore Devido aos problemas enfrentados pelos dispositivos

microeletrocircnicos gerados especialmente pelos efeitos quacircnticos que anteriormente eram

desprezados novas tecnologias como a nanoeletrocircnica vecircm sendo estudadas para dar

continuidade a esse processo de miniaturizaccedilatildeo dos dispositivos [1-10]

Aleacutem disso a miniaturizaccedilatildeo de circuitos integrados tem resultado em grandes desafios no

projeto de interconexotildees que satildeo responsaacuteveis principalmente pelo carregamento da

tensatildeo de alimentaccedilatildeo de cada transistor e pela distribuiccedilatildeo dos sinais de dados As

limitaccedilotildees das interconexotildees as quais podem provocar uma desaceleraccedilatildeo nos progressos

alcanccedilados ateacute hoje pela induacutestria de semicondutores satildeo fatores preocupantes Como

limitaccedilotildees das interconexotildees eacute importante citar o aumento da sua resistividade aumento da

capacitacircncia de acoplamento entre vias dificuldades no controle das suas dimensotildees entre

outras

Assim o estudo aprofundado das interconexotildees levando em consideraccedilatildeo principalmente

seu desempenho eacute de fundamental importacircncia [11-13] Novas tecnologias estatildeo sendo

estudadas para superar as limitaccedilotildees das interconexotildees de cobre no circuito como a

resistividade eleacutetrica e a resistecircncia agrave eletromigraccedilatildeo principalmente em tecnologias

abaixo de 45nm As interconexotildees oacuteticas as interconexotildees de radio frequumlecircncia ou sem fio

e as interconexotildees de nanotubo de carbono (CNT) satildeo algumas candidatas a substituir as

interconexotildees de cobre as quais satildeo as interconexotildees mais utilizadas atualmente [13-17]

Dentre essas possibilidades os CNTs possuem grandes vantagens para interconexotildees em

circuitos integrados em escala GSI (Giga Scale Integration) e TSI (Tera Scale Integration)

[18-20] Eles satildeo considerados soluccedilotildees eficientes para melhorar as limitaccedilotildees do cobre

previstas pelo ITRS (International Technology Roadmap for Semiconductors) [21] como

atraso dissipaccedilatildeo de potecircncia e resistecircncia agrave eletromigraccedilatildeo

2

11 OBJETIVOS

O objetivo desta dissertaccedilatildeo eacute fazer um estudo comparativo entre o desempenho das

interconexotildees de nanotubo de carbono e das interconexotildees de cobre Com esse intuito

preliminarmente o desempenho das interconexotildees de SWCNT (do inglecircs single-walled

carbon nanotube) de SWCNT bundle (vaacuterios SWCNTs dispostos em paralelo como uma

corda) e de cobre seraacute comparado considerando diferentes comprimentos das

interconexotildees

Por fim o efeito das interconexotildees de SWCNT bundle e de cobre seraacute analisado na rede H-

tree clock com inversores mono-eleacutetron em seus terminais tambeacutem para diferentes

comprimentos Assim seraacute possiacutevel analisar se os nanotubos de carbono poderatildeo substituir

o cobre em interconexotildees em circuitos integrados GSI e TSI

12 ORGANIZACcedilAtildeO

No capiacutetulo 2 satildeo apresentados os conceitos fundamentais necessaacuterios agrave correta

compreensatildeo desta pesquisa Seratildeo abordados conceitos referentes agraves interconexotildees de

CNT e cobre aos dispositivos de tunelamento mono-eleacutetron e agrave estrutura do H-tree clock

O capiacutetulo 3 descreve a metodologia utilizada agrave realizaccedilatildeo do objeto de pesquisa desta

dissertaccedilatildeo Assim seratildeo apresentadas as etapas que foram seguidas para analisar o efeito

das interconexotildees em circuitos com transistores mono-eleacutetron

No capiacutetulo 4 os resultados e anaacutelises das simulaccedilotildees das interconexotildees ideais e natildeo-

ideais considerando o SWCNT SWCNT bundle e o cobre satildeo apresentados As

interconexotildees satildeo analisadas tambeacutem nos circuitos H-tree clock

O capiacutetulo 5 apresenta as conclusotildees e as recomendaccedilotildees para trabalhos futuros

3

2 FUNDAMENTACcedilAtildeO TEOacuteRICA

21 INTERCONEXOtildeES

211 Limitaccedilotildees do cobre em relaccedilatildeo ao CNT

As interconexotildees de cobre sofrem inuacutemeros problemas indesejados que aumentam agrave

medida que as interconexotildees diminuem de tamanho Essa diminuiccedilatildeo de tamanho resulta

em interconexotildees menos eficientes no maior consumo de potecircncia e no aumento da

densidade de corrente transportada por cada interconexatildeo [22] De acordo com o ITRS

[21] a densidade de corrente pode atingir valores na ordem de 107 Acm

2 Este valor soacute eacute

suportado por CNTs uma vez que satildeo capazes de suportar densidades de corrente na

ordem de 1010

Acm2 [1317]

Os CNTs tecircm provocado grande interesse nos cientistas desde a sua descoberta em 1991

por Iijima devido agraves excelentes propriedades eleacutetricas teacutermicas e mecacircnicas que possuem

Suas propriedades eleacutetricas permitem que suportem densidades de ateacute 1010

Acm2 sendo

que o cobre suporta densidades inferiores a 107 Acm

2 [1317] O caminho meacutedio livre do

CNT eacute superior ao do cobre o que possibilita um transporte baliacutestico por uma ampla gama

de extensatildeo e isso resulta em uma resistividade menor do CNT [13-17] Aleacutem disso a alta

condutividade teacutermica do CNT que eacute outra limitaccedilatildeo do cobre eacute de fundamental

importacircncia na aplicaccedilatildeo em interconexotildees Essas propriedades possibilitam uma

toleracircncia do CNT agrave eletromigraccedilatildeo a qual eacute uma grande limitaccedilatildeo no desempenho das

interconexotildees de cobre [131719]

212 Caracteriacutesticas do CNT

Os nanotubos de carbono podem ser formados por uma lacircmina de grafeno enrolada

conhecida como SWCNT (single-walled carbon nanotube) ou por vaacuterios tubos

concecircntricos formando uma multicamada conhecida por MWCNT (multi-walled carbon

nanotube) [2324] A Figura 21 ilustra a estrutura de uma lacircmina de grafeno do SWCNT e

do MWCNT

4

Figura 21 ndash Estrutura de uma lacircmina de grafeno (esquerda) do SWCNT (meio) e do

MWCNT (direita) [13]

Eacute importante destacar que os MWCNTs satildeo menos favoraacuteveis para o uso em

interconexotildees jaacute que eles apresentam caminho meacutedio livre menor que os SWCNTs

[1317] Como a resistecircncia de um uacutenico SWCNT pode ter valores altos eacute necessaacuteria a

uniatildeo de vaacuterios dispostos em paralelo como uma corda chamado de bundle para diminuir

o valor da resistecircncia equivalente da interconexatildeo [1315] A Figura 22 ilustra a estrutura

do SWCNT bundle [16]

Figura 22 ndash Estrutura do SWCNT bundle [16]

Dependendo de como a lacircmina eacute enrolada que resulta no acircngulo quiral e nos iacutendices

quirais de sua estrutura o nanotubo pode ser metaacutelico ou semicondutor [131419] Os

iacutendices quirais satildeo identificados por (mn) O nanotubo seraacute metaacutelico quando a diferenccedila

entre os iacutendices quirais for um muacuteltiplo inteiro de 3 e seraacute semicondutor nos outros casos

[13] A estrutura eacute chamada de zig-zag quando m ou n eacute igual a zero podendo ser metaacutelica

ou semicondutora Quando m=n a estrutura eacute denominada armchair sendo sempre

metaacutelica Nos outros casos a estrutura eacute conhecida como quiral e pode ser metaacutelica ou

semicondutora [24] A Figura 23 mostra as estruturas do armchair zig-zag e quiral [24]

5

Figura 23 ndash Estrutura do (i) armchair (ii) zig-zag e (iii) quiral [24]

De acordo com [22] o crescimento dos CNTs geralmente eacute realizado atraveacutes de um dos

seguintes meacutetodos descarga por arco eleacutetrico ablaccedilatildeo a laser e deposiccedilatildeo quiacutemica a vapor

do inglecircs chemical vapor deposition ndash CVD O processo de descarga por arco eleacutetrico tem

sido desenvolvido para preparar MWCNTs e SWCNTs de alta qualidade Neste processo

aacutetomos de carbono satildeo evaporados com um gaacutes de plasma inerte caracterizado por altas

correntes eleacutetricas que passam entre os eletrodos opostos de carbono (caacutetodo e acircnodo)

Normalmente o acircnodo do carbono conteacutem uma pequena porcentagem de catalisador de

metal como o cobalto niacutequel ou ferro Jaacute o meacutetodo de ablaccedilatildeo a laser utiliza um pulso

duplo de lasers para evaporar varetas de grafite dopadas com uma mistura de cobalto e

niacutequel em poacute colocado em um tubo aquecido a temperatura elevada seguido de um

tratamento teacutermico a vaacutecuo

Apesar dos meacutetodos de descarga por arco eleacutetrico e ablaccedilatildeo a laser produzir grandes

quantidades de CNTs de alta qualidade e oferecer uma ampla disponibilidade de CNTs

para estudos e possiacuteveis aplicaccedilotildees existem vaacuterias preocupaccedilotildees associadas com estes dois

meacutetodos de crescimento [22] Dessa forma os meacutetodos de CVD satildeo bastante usados no

crescimento de CNTs com aplicaccedilatildeo em eletrocircnica incluindo interconexotildees [1322] O

processo de crescimento CVD envolve o aquecimento do catalisador a uma temperatura

elevada e a introduccedilatildeo de gaacutes de hidrocarboneto ou de monoacutexido de carbono para dentro

6

do reator O mecanismo de crescimento do CNT tem sido considerado como um processo

de dissociaccedilatildeo-difusatildeo-precipitaccedilatildeo em que o carbono eacute formado sobre a superfiacutecie de

uma partiacutecula de metal seguida de difusatildeo e precipitaccedilatildeo sob a forma de grafeno ciliacutendrico

[22]

213 Modelos de Interconexatildeo

Para realizar uma comparaccedilatildeo por simulaccedilatildeo entre o desempenho do CNT e do cobre

modelos equivalentes de circuito de interconexotildees que reproduzam com fidelidade o seu

comportamento fiacutesico satildeo necessaacuterios Com esse intuito eacute fundamental que os fatores que

interferem no desempenho das interconexotildees como resistecircncia indutacircncia capacitacircncia e

comprimento sejam considerados A partir do estudo desses modelos eacute possiacutevel verificar

se as interconexotildees de CNT poderatildeo substituir as de cobre e os casos em que isso eacute

possiacutevel

2131 Modelo de interconexatildeo do SWCNT isolado

A resistecircncia de um SWCNT isolado eacute composta por ateacute trecircs partes resistecircncia de contato

entre o metal e o nanotubo (Rc) resistecircncia quacircntica (Rq) e resistecircncia de espalhamento

(Rs) [192325] As resistecircncias de contato e quacircntica satildeo independentes do comprimento

do nanotubo Jaacute a resistecircncia de espalhamento depende do comprimento do nanotubo [26-

31]

Quando o comprimento do SWCNT eacute menor ou igual ao caminho meacutedio livre (lCNT le

λCNT) que eacute tipicamente 1 microm o transporte de eleacutetrons eacute essencialmente baliacutestico e a

resistecircncia independe do comprimento do nanotubo [1332] No entanto quando o

comprimento do SWCNT eacute maior que o caminho meacutedio livre (lCNT gt λCNT) haacute uma

resistecircncia adicional que depende do comprimento do SWCNT e eacute chamada de resistecircncia

de espalhamento [13-15] Assim a resistecircncia total eacute dada pela equaccedilatildeo (21) em que lCNT

eacute o comprimento do nanotubo de carbono

CNTCNT

CNTCNT

CNTlseRsRqRc

lseRqRcR

(21)

7

A resistecircncia de contato pode chegar ao valor de 100 kΩ [131533] Contudo essa

resistecircncia em nanotubos de carbono com diacircmetro maior que 1nm estaacute na ordem de

poucos kilo ohms ou ateacute mesmo centenas de ohms [1316] Neste trabalho considerou-se o

contato metal-nanotubo como sendo perfeito ou seja Rc = 0

A resistecircncia quacircntica e a de espalhamento satildeo descritas pelas equaccedilotildees (22) e (23)

respectivamente onde e eacute a carga do eleacutetron e h eacute a constante de Plank A resistecircncia

quacircntica (Rq) eacute igualmente dividida em cada lado dos contatos metal-nanotubo [13-

173435]

ke

hRq 456

4 2 (22)

CNT

CNTl

e

hRs

24 (23)

O movimento de eleacutetrons transportados por um condutor eacute modelado pela indutacircncia que

consiste na indutacircncia magneacutetica e cineacutetica [1316] No SWCNT a indutacircncia magneacutetica eacute

calculada considerando que o CNT eacute um fio muito fino com diacircmetro d e estaacute

posicionado a uma distacircncia y do plano ligado ao terra A indutacircncia cineacutetica eacute calculada

pela equaccedilatildeo da energia cineacutetica armazenada em cada canal condutor do CNT para uma

indutacircncia efetiva [141535] Assim a indutacircncia magneacutetica (LM) e a cineacutetica (LK) podem

ser calculadas pelas equaccedilotildees (24) e (25) respectivamente

d

yLM ln

2

(24)

F

Kve

hL

22 (25)

Para d = 1nm e y = 1microm LM = 14pHmicrom [141529] Como vF eacute a velocidade de Fermi

cujo valor eacute dado por 8x105 ms para o CNT o valor da indutacircncia cineacutetica eacute LK =

16nHmicrom [13-1635] Sabendo que cada CNT tem quatro canais condutores em paralelo

que natildeo interagem entre si a indutacircncia cineacutetica efetiva eacute dada por LK4 [13-15] Uma boa

aproximaccedilatildeo da indutacircncia total do CNT (LCNT) eacute 4 nHmicrom [15]

8

Por fim a capacitacircncia de um SWCNT isolado eacute constituiacuteda por duas partes que satildeo a

capacitacircncia eletrostaacutetica (CE) e a quacircntica (CQ) [13-1735] Essas capacitacircncias satildeo

calculadas pelas equaccedilotildees (26) e (27)

d

yCE

ln

2 (26)

F

Qhv

eC

22 (27)

A capacitacircncia eletrostaacutetica eacute influenciada pelo ambiente que a envolve que satildeo os seus

vizinhos e o plano ligado ao terra Considerando que o CNT eacute um fio com diacircmetro d =

1nm e a distacircncia y = 1microm obteacutem-se CE = 30 aFmicrom Jaacute a capacitacircncia quacircntica se refere agrave

influecircncia da energia quacircntica armazenada no nanotubo quando este carrega corrente O

valor da capacitacircncia eacute CQ = 100 aFmicrom [1314] Considerando os quatro canais condutores

descritos anteriormente a capacitacircncia total eacute dada por (28)

QE

QE

CNTCC

CCC

4

4

(28)

Assim o esquemaacutetico da interconexatildeo de um SWCNT isolado eacute mostrado na Figura 24

abaixo

Figura 24 ndash Modelo de interconexatildeo do SWCNT isolado (modificado de [33])

2132 Modelo de interconexatildeo do SWCNT bundle

O SWCNT bundle possui resistecircncia equivalente menor que o SWCNT isolado

caracteriacutestica necessaacuteria para alcanccedilar performances comparaacuteveis agraves interconexotildees de

9

cobre [13-2023252629-38] O SWCNT bundle eacute composto por vaacuterios SWCNTs

empacotados em paralelo Assume-se que todos os SWCNTs satildeo idecircnticos metaacutelicos e que

cada um tem o mesmo potencial [1737] Sabendo que d eacute o diacircmetro do nanotubo de

carbono e x eacute a distacircncia entre os centros de dois nanotubos adjacentes o SWCNT bundle

pode ser empacotado de forma densa se x = d ou de forma esparsa se x gt d [13-1529-

32] Sabe-se que entre os nanotubos existe uma separaccedilatildeo δmin devido agrave forccedila de Van der

Waals que eacute de pelo menos 032 nm entre cada nanotubo [13] como mostra a Figura 25

Figura 25 ndash Separaccedilatildeo miacutenima entre CNTs devido agrave forccedila de Van der Waals (modificado

de [13])

O nuacutemero de nanotubos de carbono nCNT disponiacutevel pode ser calculado pelas expressotildees

dadas em (29) e (210) [141530]

iacutemparnsen

nn

parnsen

nn

n

HH

HW

HH

HW

CNT

2

1

2

(29)

1

23

x

dtn

x

dwn HW (210)

Nas expressotildees acima w eacute a largura e t eacute a altura da interconexatildeo de SWCNT bundle

Assim nW eacute o nuacutemero de CNTs ao longo da largura do SWCNT bundle e nH eacute o nuacutemero de

CNTs ao longo da altura do SWCNT bundle [13-1530] A Figura 26 mostra esses valores

[13]

10

Figura 26 ndash Nuacutemero de CNTs ao longo da largura (nW) e da altura (nH) do CNT

bundle[13]

Na tecnologia de 22 nm considerando as dimensotildees de 22 nm de largura e 44 nm de altura

do SWCNT bundle [13173437] e a separaccedilatildeo entre cada nanotubo devido agrave forccedila de Van

der Waals a quantidade de SWCNTs eacute aproximadamente 600 Neste trabalho estas

consideraccedilotildees foram feitas e a tecnologia de 22 nm foi utilizada Esta tecnologia eacute prevista

pelo ITRS para o ano de 2016 [21]

As resistecircncias de cada SWCNT estatildeo em paralelo entre elas assim como as indutacircncias

Assim a resistecircncia e a indutacircncia do SWCNT bundle com nCNT SWCNTs satildeo calculados

respectivamente pelas expressotildees (211) e (212) [1323252629-3234]

CNT

CNTbundle

n

RR (211)

CNT

CNTbundle

n

LL (212)

Considerando que todos os SWCNTs estatildeo no mesmo potencial que os contatos entre

todos os nanotubos de carbono em um bundle satildeo idecircnticos e que cada SWCNT tem o

mesmo caminho meacutedio livre [13] eacute possiacutevel assumir que a interaccedilatildeo entre CNTs

adjacentes de um SWCNT bundle eacute fraca e que eles carregam correntes independentes

umas das outras [13-17]

A capacitacircncia do SWCNT bundle eacute obtida a partir da combinaccedilatildeo da capacitacircncia

quacircntica de todos os SWCNTs em paralelo chamada de capacitacircncia quacircntica bundle

(CQbundle

) que estaacute em seacuterie com a capacitacircncia eletrostaacutetica (CEbundle

) [13143539] A

capacitacircncia quacircntica e a capacitacircncia eletrostaacutetica satildeo calculadas pelas equaccedilotildees (213) e

(214) em que CEn e CEf satildeo as capacitacircncias de placas paralelas de CNTs isolados em

11

relaccedilatildeo aos vizinhos proacuteximos e afastados respectivamente [14293032] Assim a

capacitacircncia total do SWCNT bundle eacute obtida pela equaccedilatildeo (215)

CNT

CNT

Q

bundle

Q nCC (213)

En

HEf

WEn

bundle

E Cn

Cn

CC5

23

2

22

(214)

bundle

Q

bundle

E

bundle

Q

bundle

E

bundleCC

CCC

(215)

Analisando a equaccedilatildeo (215) o efeito da CQbundle

eacute pequeno para grandes valores de nCNT

sendo o valor da capacitacircncia do SWCNT bundle aproximadamente igual agrave sua

capacitacircncia eletrostaacutetica [13161719] Srivastava et al [13] mostra que os nanotubos no

interior do SWCNT bundle satildeo blindados eletrostaticamente dos condutores de terra

podendo ser desprezados Os CNTs de borda satildeo os principais contribuidores para a

capacitacircncia eletrostaacutetica do SWCNT bundle No entanto a equaccedilatildeo (214) natildeo reproduz

fielmente a realidade jaacute que considera a capacitacircncia eletrostaacutetica de todos os nanotubos e

natildeo soacute os CNTs de borda Segundo o mesmo autor para a tecnologia de 22 nm e uma

constante dieleacutetrica igual a 2 a capacitacircncia total do SWCNT bundle eacute aproximadamente

135 aFμm

2133 Modelo de interconexatildeo do cobre

As propriedades fiacutesicas de interconexotildees de cobre podem ser descritas por resistecircncia

capacitacircncia e indutacircncia [14-16] A resistecircncia do cobre pode ser calculada utilizando a

equaccedilatildeo (216)

tw

lRCu

(216)

em que l eacute o comprimento do cobre w eacute a sua largura t eacute a sua altura e ρ eacute a sua

resistividade A resistividade do cobre em escala nanomeacutetrica eacute moldada pela combinaccedilatildeo

dos fenocircmenos de espalhamento superficial e de espalhamento de contorno

[151627283340] Estes fenocircmenos correspondem aos paracircmetros ρFS e ρMS propostos

12

por Fuchs e Sondheimer (ρFS) e por Mayadas e Shatzkes (ρMS) [1516] Estes paracircmetros

satildeo calculados pelas expressotildees (217) (218) e (219)

)1(

4

31 p

w

o

o

FS

(217)

11ln33

2

31 22

MS

o (218)

)1( R

R

D

o

(219)

O paracircmetro ρo eacute a resistividade do material λo eacute o caminho meacutedio livre p eacute o paracircmetro

de espalhamento de Fuchs D eacute o tamanho meacutedio e R eacute o coeficiente de reflexatildeo no

contorno com valores entre 0 e 1 Assim tem-se que a resistecircncia do cobre em escala

nanomeacutetrica eacute dada pela equaccedilatildeo (220) [1516]

tw

lR MSFS

Cu

(220)

De acordo com [1433] o valor da resistividade do cobre na tecnologia de 22nm para

interconexotildees locais eacute dado por 4666 μΩ-cm No entanto este valor da resistividade do

cobre chega a 58 μΩ-cm para valores miacutenimos da largura do fio [1516203940] Neste

trabalho seraacute utilizado o valor de 58 μΩ-cm para a resistividade do cobre na tecnologia de

22 nm que vai ao encontro dos requerimentos do ITRS [21]

A indutacircncia proacutepria (L) e a muacutetua (M) da interconexatildeo de cobre em escala nanomeacutetrica

satildeo obtidas usando respectivamente as expressotildees (221) e (222)

l

tw

tw

llL o )(220

2

12ln

2

(221)

l

s

s

llM o 1

2ln

2

(222)

em que t eacute a altura do fio microo eacute a permeabilidade e s eacute o espaccedilamento entre os fios [14-16]

A indutacircncia total do cobre (LCu) eacute dada pela soma das indutacircncias proacutepria e muacutetua

13

A capacitacircncia da interconexatildeo de cobre eacute calculada pela soma da capacitacircncia de

acoplamento entre dois fios adjacentes (CC) e a capacitacircncia ligada ao plano do terra (Cg)

[14-16] Essas capacitacircncias podem ser obtidas pelas equaccedilotildees (223) e (224) [1541]

120760193

534511171

70222

ht

t

hs

s

hs

s

h

wCg (223)

181160141090

980871161

591740

062141

sh

h

sw

w

sw

w

sh

h

s

tCC (224)

em que s eacute o espaccedilamento entre dois fios adjacentes h eacute a distacircncia do fio em relaccedilatildeo ao

plano do terra e ε eacute a permissividade relativa para uma dada constante dieleacutetrica

Considerando as equaccedilotildees (223) e (224) e de acordo com [1321] para uma constante

dieleacutetrica igual a 2 o valor da capacitacircncia total do cobre (CCu) eacute aproximadamente 150

aFμm que seraacute utilizado neste trabalho

Os modelos em L em π e em T satildeo usados como modelos de interconexatildeo de cobre [11]

Como o modelo π eacute muito utilizado para uma linha distribuiacuteda [1416] este modelo seraacute

usado neste trabalho A Figura 27 mostra o modelo de interconexatildeo de cobre [11]

Figura 27 ndash Modelo de interconexatildeo de cobre

A precisatildeo do modelo eacute determinada pelo nuacutemero de seguimentos bdquoN‟ que ele possui Uma

cadeia com mais de trecircs segmentos em π fornece um erro menor que 3 [16] Neste

trabalho seratildeo utilizados trecircs segmentos em π

14

22 INVERSOR MONO-ELEacuteTRON

Os dispositivos de tunelamento mono-eleacutetron satildeo dispositivos nanoeletrocircnicos

potencialmente aplicaacuteveis em circuitos integrados em escala giga (GSI) e tera (TSI)

Apesar de apresentarem baixo ganho e alta impedacircncia de saiacuteda estes dispositivos

possuem tamanho reduzido e baixa dissipaccedilatildeo de potecircncia Estas caracteriacutesticas os tornam

atrativos em circuitos loacutegicos e circuitos de memoacuteria [1-10] Assim portas loacutegicas podem

ser implementadas utilizando dispositivos de tunelamento mono-eleacutetron [14-9]

As portas loacutegicas satildeo blocos de construccedilatildeo baacutesicos na eletrocircnica digital O inversor loacutegico

ou porta NOT eacute o principal elemento baacutesico no projeto de circuitos digitais [42] O

inversor inverte o sinal de entrada de valor loacutegico baixo ndash 0 ndash em um sinal de saiacuteda de

valor loacutegico alto ndash 1 ndash e vice-versa [442] Em outras palavras a porta NOT efetua a

negaccedilatildeo loacutegica O siacutembolo do inversor juntamente com sua tabela verdade estaacute ilustrado

na Figura 28

Figura 28 ndash Siacutembolo e tabela verdade da porta NOT

221 Dispositivo de tunelamento mono-eleacutetron

O funcionamento dos dispositivos de tunelamento mono-eleacutetron eacute baseado no controle do

movimento e da posiccedilatildeo de um uacutenico ou de um pequeno grupo de eleacutetrons no dispositivo

[17] Os seguintes conceitos satildeo essenciais na definiccedilatildeo desses dispositivos ilha junccedilatildeo-

tuacutenel tunelamento efeito de carregamento e bloqueio de Coulomb A partir desses

conceitos eacute possiacutevel definir o transistor mono-eleacutetron - SET (do inglecircs Single-electron

transistor) [24-8]

A ilha estaacute localizada entre duas paredes finas de um material normalmente isolante as

quais criam uma barreira de potencial de energia que impossibilita a movimentaccedilatildeo de

eleacutetrons pela ilha A Figura 29 mostra dois eletrodos A e B separados por uma barreira

15

isolante e no meio dessa barreira isolante encontra-se a ilha Se a energia dos eleacutetrons for

maior que a energia potencial das paredes das barreiras estes poderatildeo atravessaacute-las [6] No

dispositivo de tunelamento mono-eleacutetron o transporte de eleacutetrons entre o eletrodo A e a

ilha e entre a ilha e o eletrodo B ocorre por tunelamento mono-eleacutetron em que os eleacutetrons

atravessam as barreiras um de cada vez [10]

Figura 29 Dois eletrodos separados por uma ilha [10]

Esses dispositivos satildeo formados por junccedilotildees-tuacutenel que satildeo dois eletrodos metaacutelicos

separados por um isolante muito fino (barreira) o qual permite a passagem de eleacutetrons por

tunelamento [467] A Figura 210 ilustra a junccedilatildeo-tuacutenel e sua representaccedilatildeo simboacutelica Os

paracircmetros que caracterizam a junccedilatildeo-tuacutenel macroscopicamente satildeo a resistecircncia de

tunelamento (Rj) que depende da aacuterea e da espessura da barreira isolante e a capacitacircncia

(Cj) [10]

Figura 210 Esquemaacutetico da junccedilatildeo-tuacutenel [10]

O tunelamento eacute o transporte de partiacuteculas atraveacutes de uma regiatildeo em que a energia total de

uma partiacutecula pontual claacutessica eacute menor que a energia potencial da regiatildeo ou seja eacute o

transporte atraveacutes de uma regiatildeo classicamente proibida [10] O efeito de tunelamento

ocorre quando a barreira de potencial for suficientemente fina permitindo que o eleacutetron a

atravesse se houver niacutevel de energia desocupado do outro lado da barreira com o mesmo

valor de energia Esse fenocircmeno pode ser explicado pelo comportamento dual do eleacutetron

Diferentemente da mecacircnica claacutessica na teoria eletromagneacutetica quando uma partiacutecula

encontra uma barreira de potencial parte da onda eacute refletida e a outra parte eacute transmitida

para o outro lado da barreira [10] A teoria ortodoxa do tunelamento mono-eleacutetron eacute o

modelo mais utilizado para analisar o tunelamento [4-6] Proposto em 1987 por Averin e

Likharev [43] este modelo apresenta os seguintes postulados

16

Modelo de dimensatildeo zero as dimensotildees das ilhas satildeo despreziacuteveis

O evento de tunelamento eacute considerado instantacircneo

A redistribuiccedilatildeo das cargas apoacutes tunelamento tambeacutem eacute considerada instantacircnea

O espectro de energia em condutores e ilhas eacute considerado contiacutenuo ou seja a

quantizaccedilatildeo da energia do eleacutetron eacute ignorada dentro dos condutores

Apesar de a teoria ortodoxa assumir condiccedilotildees hipoteacuteticas ela continua sendo muito

utilizada em estudos do dispositivo mono-eleacutetron [4-6]

O efeito de carregamento ocorre quando os eleacutetrons estatildeo na iminecircncia de entrar em um

material condutor extremamente pequeno isolado eletricamente (ilha) Se houver um

eleacutetron na ilha o potencial eletrostaacutetico da ilha aumenta bastante sendo bem superior ao

ruiacutedo teacutermico em temperatura ambiente O fluxo de eleacutetrons na ilha eacute possiacutevel se o

potencial da ilha for controlado por uma fonte de tensatildeo externa Outros eleacutetrons satildeo

impedidos de entrar na ilha devido agrave repulsatildeo de Coulomb [14-9]

Assim o bloqueio de Coulomb ocorre quando um eleacutetron entra na ilha e impede o

tunelamento de outro eleacutetron nesta ilha No momento em que o eleacutetron entra na ilha a

energia eletrostaacutetica da ilha aumenta em Ce 22 em que CΣ eacute a soma das capacitacircncias

em torno da ilha [14] Dessa forma outro eleacutetron soacute conseguiraacute tunelar para dentro da ilha

se sua energia for maior que a energia eletrostaacutetica da ilha [6] A Figura 211 ilustra os

diagramas de energia no bloqueio de Coulomb e no caso de tunelamento [10]

(a) (b)

Figura 211 Diagramas de energia (a) Bloqueio de Coulomb (b) Tunelamento mono-

eleacutetron [10]

17

O bloqueio de Coulomb eacute superado ao se aplicar uma tensatildeo Vg ao circuito ateacute que esta

tensatildeo alcance um dado valor de limiar que forneceraacute energia suficiente para que ocorra o

tunelamento de um eleacutetron Assim haveraacute o fluxo de eleacutetrons havendo corrente A Figura

212 mostra a regiatildeo do bloqueio de Coulomb ao aplicar uma tensatildeo Vg ao circuito em que

Vc eacute a tensatildeo de limiar chamada de tensatildeo de bloqueio de Coulomb [5-10]

Figura 212 Caracteriacutestica do bloqueio de Coulomb [10]

Nesse contexto duas condiccedilotildees satildeo necessaacuterias para garantir que o transporte de eleacutetrons

seja controlado pelo efeito de carregamento a condiccedilatildeo para a resistecircncia de tunelamento

dada pela equaccedilatildeo (225) [1] em que a natureza corpuscular do eleacutetron predomina sobre a

natureza ondulatoacuteria e a energia eletrostaacutetica (EC) associada a uma dada temperatura (T)

deve ser significativamente maior que as flutuaccedilotildees teacutermicas existentes agravequela

temperatura como descrita na equaccedilatildeo (226) [146-9] Os paracircmetros h eacute a constante de

Planck e eacute a carga do eleacutetron kB eacute a constante de Boltzmann e C eacute capacitacircncia Na

equaccedilatildeo (226) a temperatura deve ser maior que 0K [10]

kRe

hR TT 825

2 (225)

TkC

eTkEc BB

2

2

(226)

A partir dos conceitos apresentados pode-se definir o transistor mono-eleacutetron O SET

ilustrado na Figura 213 [10] eacute composto por duas junccedilotildees-tuacutenel em seacuterie formando uma

ilha entre as junccedilotildees [246-9] Os paracircmetros R1 C1 e R2 C2 correspondem agraves

resistecircncias e capacitacircncias da primeira e da segunda junccedilatildeo-tuacutenel respectivamente A

tensatildeo de porta Vg controla a energia eletrostaacutetica da ilha atraveacutes da capacitacircncia Cg

18

Quando haacute carregamento por tunelamento de uma junccedilatildeo e descarregamento da outra

junccedilatildeo haacute um fluxo controlado de cargas o que gera a corrente I [10]

Figura 213 Transistor mono-eleacutetron [10]

Um efeito que pode ser observado na caracteriacutestica da corrente versus tensatildeo do transistor

mono-eleacutetron eacute chamado de oscilaccedilatildeo de Coulomb [24679] Se a tensatildeo V for mantida

constante com CeV e a tensatildeo Vg for aumentada ateacute atingir gg CeV 2 esse

valor de tensatildeo permitiraacute que um eleacutetron passe pela ilha Como soacute haveraacute corrente fluindo

no circuito em valores muacuteltiplos da tensatildeo gCe 2 soacute ocorreraacute o tunelamento novamente

quando )2(3 gg CeV A caracteriacutestica corrente (I) versus tensatildeo (Vg) do transistor

mono-eleacutetron eacute ilustrada na Figura 214 [10]

Figura 214 Caracteriacutestica corrente (I) versus tensatildeo (Vg) do transistor mono-eleacutetron [10]

222 Estrutura do inversor mono-eleacutetron

Um inversor pode ser construiacutedo colocando-se dois SETs em seacuterie os quais compartilham

da mesma entrada [5689] conforme mostrado na Figura 215 Vin eacute a tensatildeo de entrada

Vout eacute a tensatildeo de saiacuteda Vbias eacute a tensatildeo de polarizaccedilatildeo CC eacute a capacitacircncia de carga Cg1 e

Cg2 satildeo as capacitacircncias de porta do SET 1 e do SET 2 respectivamente

19

Figura 215 Esquemaacutetico do inversor utilizando SETs (modificado de [4])

Alguns modelos do SET desenvolvidos no software SPICE foram propostos na literatura

[4-7] Destes modelos o proposto por G Lientschnig et al [4] descreve a implementaccedilatildeo

completa da teoria ortodoxa e usa apenas os recursos em versotildees disponiacuteveis publicamente

do software SPICE Este modelo diferentemente dos modelos propostos em [5-7] natildeo estaacute

limitado a transistores mono-eleacutetron com junccedilotildees-tuacutenel que tecircm resistecircncias iguais Aleacutem

disso pode ser estendido para incluir um nuacutemero arbitraacuterio de estados de carga que

permite simulaccedilotildees definidas para altas temperaturas e tensotildees de polarizaccedilatildeo [4] O

modelo de G Lientschnig et al estaacute disponiacutevel no siacutetio eletrocircnico [44] Assim este foi o

modelo utilizado neste trabalho

23 CLOCKING DE SISTEMAS DE ALTA VELOCIDADE

Em sistemas digitais siacutencronos o sinal do clock eacute utilizado para definir uma referecircncia de

tempo agrave mudanccedila de dados dentro do sistema [1145] Assim a distribuiccedilatildeo do clock eacute de

suma importacircncia na operaccedilatildeo de circuitos integrados digitais sendo uma grande

preocupaccedilatildeo em circuitos integrados de alta velocidade [46-51] Circuitos em escala

nanomeacutetrica podem ser significativamente limitados devido ao clock skew que ocorre

quando os circuitos natildeo estatildeo equumlidistantes do sinal do clock [11454649-51] Como este

sinal eacute o sinal mais ativo em um chip pode resultar em elevado consumo de potecircncia e

grandes densidades de corrente na rede de interconexotildees do clock [454849]

Dessa forma o sinal do clock deve atingir ao mesmo tempo cada noacute para garantir que a

comutaccedilatildeo seja sincronizada bem como deve ser distribuiacutedo de forma que haja o menor

20

atraso possiacutevel [49] Com esse intuito os seguintes fatores entre outros satildeo fundamentais

no desempenho do clock dispositivos loacutegicos de tecnologia raacutepida (avanccedilada) rede de

distribuiccedilatildeo de clock que minimize o skew e interconexotildees com alto desempenho [11]

Conforme exposto anteriormente os dispositivos nanoeletrocircnicos como os transistores

mono-eleacutetron satildeo potencialmente aplicaacuteveis em circuitos integrados em escala giga (GSI)

e tera (TSI) Estes dispositivos permitem que as funccedilotildees loacutegicas sejam desempenhadas em

um tempo mais raacutepido e com menor atraso Assim satildeo fortes candidatos a serem utilizados

em circuitos integrados com clock

A adequada rede de distribuiccedilatildeo do clock assegura que a comutaccedilatildeo seja sincronizada e

que haja o menor atraso possiacutevel [1145] Aleacutem disso dependendo da arquitetura da rede o

niacutevel de sincronismo do sistema pode aumentar Diferentes tipos de abordagens tecircm sido

desenvolvidos para projetar a rede de distribuiccedilatildeo do clock em sistemas digitais de

circuitos integrados [45] Os buffered trees satildeo muito utilizados na distribuiccedilatildeo

equipotencial do clock Aleacutem dessas estruturas assimeacutetricas arquiteturas simeacutetricas como

o H-tree satildeo usadas para distribuir sinais de clock em alta velocidade podendo inclusive

ser projetadas com buffers [45-51] Algumas formas de rede de distribuiccedilatildeo do clock estatildeo

ilustradas na Figura 216 incluindo a trunk tree mesh e H-tree [45]

Figura 216 Estruturas comuns de redes de distribuiccedilatildeo de clock [45]

21

Atualmente as interconexotildees de cobre satildeo bastante utilizadas para circuitos de alto

desempenho como em redes de clock No entanto os CNTs apresentam caracteriacutesticas que

os tornam melhores para serem utilizados em interconexotildees descritas na subseccedilatildeo 221

[48] Neste trabalho seraacute realizada a comparaccedilatildeo entre interconexotildees de cobre e de CNT

na rede de distribuiccedilatildeo do H-tree clock

231 H-Tree Clock

O clock skew pode ser minimizado distribuindo-se o sinal do clock de forma que as

interconexotildees que levam o sinal aos circuitos loacutegicos tecircm o mesmo comprimento Se antes

de chegarem aos circuitos loacutegicos os sinais do clock forem igualmente atrasados eles

estaratildeo perfeitamente sincronizados [1145] Dessa forma o esquemaacutetico da Figura 217 de

distribuiccedilatildeo do clock minimiza o clock skew repetindo recursivamente uma estrutura em

forma de H [11] A Figura 217 ilustra uma rede H-tree simeacutetrica com trecircs niacuteveis [46]

Figura 217 Esquemaacutetico do H-tree clock simeacutetrico (modificado de [46])

Na estrutura do H-tree o condutor primaacuterio do clock estaacute ligado ao centro do H principal

(1ordm niacutevel) transmitindo o sinal para os quatro cantos deste H Esses quatro cantos satildeo as

entradas para o proacuteximo niacutevel do H-tree o 2ordm niacutevel que possui quatro estruturas em H O

processo de distribuiccedilatildeo continua por vaacuterios niacuteveis de H‟s cada vez menores Os pontos de

destino final do H-tree satildeo usados para conduzir os circuitos locais Assim cada caminho

do clock desde a fonte ateacute o circuito local possui praticamente o mesmo atraso [45]

22

24 MEDIDAS DE DESEMPENHO NA ANAacuteLISE DAS INTERCONEXOtildeES

As interconexotildees em circuitos integrados possuem caracteriacutesticas que modificam o sinal de

entrada O efeito das interconexotildees pode provocar atrasos e distorccedilotildees indesejaacuteveis Nesse

contexto eacute necessaacuterio analisar medidas de desempenho dos sinais sob efeito das

interconexotildees tais como velocidade maacutexima atenuaccedilatildeo tempo de atraso potecircncia

dissipada produto atraso-potecircncia e slew rate [111317202342]

241 Velocidade maacutexima - anaacutelise na frequumlecircncia

A velocidade maacutexima que as interconexotildees podem operar sem distorcer o sinal de entrada

eacute uma medida de desempenho importante [172023] Eacute possiacutevel analisar este paracircmetro

atraveacutes da frequumlecircncia maacutexima de operaccedilatildeo da interconexatildeo que eacute a largura de banda em

que o sinal comeccedila a decair em -3dB em relaccedilatildeo ao sinal de referecircncia [1742] Assim

utiliza-se a anaacutelise do moacutedulo do graacutefico de Bode para obter a frequumlecircncia de operaccedilatildeo em

-3dB [42] A Figura 218 mostra o esboccedilo do moacutedulo do ganho pela frequumlecircncia tiacutepico do

comportamento de interconexotildees

Figura 218 Graacutefico do moacutedulo do ganho pela frequumlecircncia tiacutepico do comportamento de

interconexotildees

23

242 Atenuaccedilatildeo

A transmissatildeo de um sinal pode ser expressa em funccedilatildeo do seu ganho ou da sua atenuaccedilatildeo

No caso em estudo as interconexotildees podem atenuar o sinal Essa atenuaccedilatildeo eacute geralmente

calculada pela expressatildeo (227) em que Vo eacute o sinal de saiacuteda e Vi eacute o sinal de entrada [42]

i

o

V

VA log20 (227)

243 Tempo de atraso

O tempo de atraso td ou atraso na propagaccedilatildeo ocorre devido ao

carregamentodescarregamento da capacitacircncia de carga bem como ao tempo de

chaveamento dos transistores [42]

O tempo de atraso eacute obtido pela diferenccedila entre o tempo medido a 50 da transiccedilatildeo dos

sinais de entrada e de saiacuteda [11] Em circuitos loacutegicos o atraso na propagaccedilatildeo pode ser

calculado pela meacutedia aritmeacutetica do tempo de propagaccedilatildeo do sinal de alto para baixo tPHL e

do tempo de propagaccedilatildeo do baixo para alto tPLH conforme equaccedilatildeo (228) [1142]

2

PLHPHLd

ttt

(228)

244 Potecircncia dissipada

A dissipaccedilatildeo de potecircncia eacute outra medida de desempenho bastante importante em circuitos

integrados em escala GSI e TSI Isso ocorre jaacute que ao aumentar o nuacutemero de portas

loacutegicas em uma determinada aacuterea ocupada eacute necessaacuterio que a dissipaccedilatildeo de potecircncia esteja

dentro de limites aceitaacuteveis [1142]

A dissipaccedilatildeo de potecircncia eacute composta por dois componentes potecircncia estaacutetica e potecircncia

dinacircmica A dissipaccedilatildeo de potecircncia estaacutetica eacute dada por IVP DDE e ocorre mesmo que

natildeo haja chaveamento de porta loacutegica no circuito devido ao efeito da resistecircncia do

circuito [42] A dissipaccedilatildeo de potecircncia dinacircmica eacute devido agrave capacitacircncia de carga do

24

circuito expressa por CVfP DDD 2 em que VDD eacute a tensatildeo de alimentaccedilatildeo f eacute

frequumlecircncia do circuito e C eacute a capacitacircncia de carga do circuito [1142] Assim a soma da

potecircncia dinacircmica e da potecircncia estaacutetica resulta na potecircncia total dissipada no circuito

245 Produto atraso-potecircncia

Em circuitos integrados o ideal eacute que se tenha baixo atraso na propagaccedilatildeo resultando em

uma maior velocidade de funcionamento do circuito bem como baixa dissipaccedilatildeo de

potecircncia No entanto essas duas exigecircncias satildeo conflitantes ao reduzirmos a dissipaccedilatildeo de

potecircncia de uma porta a capacidade da porta em fornecer corrente diminuiraacute isso

implicaraacute em um maior tempo de carga e descarga aumentando o atraso na propagaccedilatildeo

Assim o produto atraso-potecircncia (delay power product ndash DP) eacute uma medida de

desempenho bastante utilizada na anaacutelise de circuitos e eacute dado por dD tPDP Quanto

menor o produto atraso-potecircncia maior a eficiecircncia do circuito loacutegico [42]

246 Slew rate

A taxa maacutexima de variaccedilatildeo da tensatildeo de saiacuteda do inglecircs slew rate (SR) eacute uma

caracteriacutestica importante do sinal de saiacuteda de um circuito loacutegico A limitaccedilatildeo na taxa de

variaccedilatildeo pode provocar uma distorccedilatildeo no funcionamento do circuito O SR pode ser

calculado pela expressatildeo (229) em que Δv eacute a variaccedilatildeo da tensatildeo de saiacuteda do sinal para

uma determinada variaccedilatildeo de tempo Δt [42]

t

vSR

(229)

25 LTSPICE

O software LTSPICE eacute um simulador SPICE de alto desempenho orientado a

esquemaacuteticos e visualizador de formas de onda com modelos para facilitar a simulaccedilatildeo de

circuitos eletrocircnicos Se comparado aos outros simuladores SPICE a simulaccedilatildeo do

LTSPICE eacute bastante raacutepida O software consegue simular dispositivos de acordo com o

padratildeo industrial reproduzindo os seus comportamentos [52]

25

O LTSPICE possui vaacuterias possibilidades de simulaccedilatildeo como anaacutelise transiente anaacutelise AC

e anaacutelise DC bem como permite a simulaccedilatildeo de vaacuterios dispositivos disponiacuteveis na sua

biblioteca Aleacutem disso este software possibilita a elaboraccedilatildeo de novos esquemaacuteticos

atraveacutes de um modelo matemaacutetico ou eletrocircnico proposto O novo componente poderaacute ser

utilizado no circuito conforme seraacute feito neste trabalho utilizando-se o modelo SPICE do

SET proposto por G Lientschnig et al[4]

26

3 METODOLOGIA

31 INTRODUCcedilAtildeO

A miniaturizaccedilatildeo das interconexotildees prejudica o seu desempenho resultando no aumento

significativo do valor da resistividade da capacitacircncia de acoplamento entre vias na

dificuldade de controlar a razatildeo entre a altura e a largura do material entre outros

problemas A fim de analisar o desempenho das interconexotildees eacute necessaacuterio verificar

algumas variaacuteveis importantes como velocidade maacutexima (f-3dB) atenuaccedilatildeo (A) tempo de

atraso (td) potecircncia dissipada (P) produto atraso-potecircncia (DP) e slew rate (SR)

[111317202342]

32 ETAPAS E ESTRATEacuteGIAS ADOTADAS

Com o intuito de analisar o efeito das interconexotildees em circuitos com transistores mono-

eleacutetron foi realizada primeiramente a anaacutelise das interconexotildees de SWCNT de SWCNT

bundle e de cobre isoladamente para diferentes valores de comprimento Apoacutes a avaliaccedilatildeo

desses resultados o efeito das interconexotildees foi analisado no H-tree clock com inversores

mono-eleacutetron nos seus terminais tambeacutem considerando diferentes comprimentos Neste

trabalho a tecnologia de 22 nm prevista para o ano de 2016 [21] foi utilizada na

comparaccedilatildeo entre o desempenho do cobre e do CNT Todas as simulaccedilotildees foram realizadas

utilizando o software LTSPICE

321 Simulaccedilatildeo das interconexotildees

A partir dos modelos das interconexotildees de SWCNT SWCNT bundle e cobre apresentados

na subseccedilatildeo 213 diferentes comprimentos das interconexotildees foram simulados Assim

analisou-se as interconexotildees locais em que l le 1 μm e as intermediaacuterias em que 1 μm lt l

le 500 μm sabendo que l eacute o comprimento da interconexatildeo [29-31333638]

A fim de analisar a frequumlecircncia de corte este foi obtido para comprimentos de

interconexotildees locais (10nm 100nm 200nm 300nm 400nm 500nm 600nm 700nm

27

800nm 900nm 1μm) e interconexotildees intermediaacuterias (10μm 100μm 200μm 300μm

400μm 500μm)

Jaacute que λCNT eacute tipicamente 1 μm foram escolhidos trecircs comprimentos na faixa lCNT le λCNT

(10 nm 100 nm e 1 μm) e trecircs comprimentos na faixa lCNT gt λCNT (10 μm 100 μm 500

μm) para serem analisados detalhadamente Escolheu-se uma mesma frequecircncia abaixo da

frequecircncia de corte dos trecircs materiais considerados para analisar e comparar a atenuaccedilatildeo

(A) e o tempo de atraso na propagaccedilatildeo (td) dos diferentes comprimentos

Em seguida o mesmo procedimento foi feito para comparar somente o SWCNT bundle e o

cobre para uma mesma frequecircncia cujo valor eacute maior que a frequecircncia da anaacutelise anterior

permitindo que estes dois materiais sejam analisados detalhadamente

Essas anaacutelises foram realizadas a partir da simulaccedilatildeo do circuito da Figura 31 [2325] A

tensatildeo de entrada Vin eacute uma onda quadrada de 1V de amplitude e o capacitor de carga tem

o valor de 100 aF

Figura 31 ndash Circuito simulado para cada interconexatildeo

A Figura 32 mostra o fluxograma das etapas descritas nesta subseccedilatildeo 321

28

Figura 32 ndash Fluxograma das etapas seguidas na simulaccedilatildeo das interconexotildees

322 Simulaccedilatildeo do inversor mono-eleacutetron

Para utilizar a porta inversora da Figura 215 nos terminais do H-tree clock foi necessaacuterio

primeiramente simular o SET proposto por [4] Essa simulaccedilatildeo foi feita variando os

paracircmetros do SET como as resistecircncias e capacitacircncias das junccedilotildees as capacitacircncias de

porta a temperatura etc Os paracircmetros foram variados ateacute simular o SET a temperatura

de 300K Em seguida simulou-se a inversora da Figura 215 tambeacutem a temperatura

ambiente Dessa forma foi possiacutevel simular a inversora isoladamente obtendo as

caracteriacutesticas do sinal de saiacuteda

323 Simulaccedilatildeo do H-tree clock mono-eleacutetron

Apoacutes a simulaccedilatildeo do SET foi possiacutevel simular o H-tree clock A rede H-tree de dois niacuteveis

foi simulada com um H no primeiro niacutevel e quatro H‟s no segundo niacutevel [49] Nos pontos

de destino final da rede foram colocadas portas inversoras formadas por SETs permitindo

a anaacutelise de circuitos nanoeletrocircnicos

Modelos de SWCNT

SWCNT bundle e cobre

Obtenccedilatildeo dos paracircmetros dos modelos para

interconexotildees locais e interconexotildees intermediaacuterias

Para cada comprimento

obtenccedilatildeo de f-3dB

1ordm) Escolha de frequumlecircncia abaixo

da f-3dB do SWCNT SWCNT

bundle e cobre

2ordm) Escolha de frequumlecircncia abaixo

da f-3dB do SWCNT bundle e

cobre

Obtenccedilatildeo de A e td de

cada modelo

Obtenccedilatildeo de A e td de

cada modelo

Anaacutelise comparativa entre o

SWCNT SWCNT bundle e

cobre

Anaacutelise comparativa entre o

SWCNT bundle e cobre

Estudo de interconexotildees locais (10nm

100nm 1μm) e intermediaacuterias (10μm

100μm 500μm)

29

A partir da simulaccedilatildeo do H-tree clock obteve-se a frequecircncia em -3dB (f-3dB) da rede com

interconexotildees ideais Assim a rede H-tree foi entatildeo simulada para duas frequecircncias

diferentes do sinal de entrada abaixo da frequecircncia de -3dB 10 GHz e 100 GHz Com

essas simulaccedilotildees obtiveram-se as seguintes caracteriacutesticas do sinal de saiacuteda da inversora

niacutevel loacutegico baixo (NB) niacutevel loacutegico alto (NA) tempo de subida (tr) slew rate de subida

(SR) atenuaccedilatildeo (A) tempo de atraso (td) potecircncia dissipada (P) e produto atraso-potecircncia

(DP) As caracteriacutesticas obtidas servem como referecircncia para analisar o sinal considerando

interconexotildees natildeo-ideais ou seja incluindo os modelos das interconexotildees nas simulaccedilotildees

Em seguida a rede H-tree foi simulada considerando-se os modelos das interconexotildees de

SWCNT bundle e de cobre variando os seus comprimentos Como cada H da rede de

distribuiccedilatildeo deve ser simeacutetrico considerou-se que cada divisatildeo do H tem o mesmo

comprimento para cada niacutevel da rede [11] A Figura 33 mostra o comprimento dos

diferentes trechos da rede Assim o comprimento de cada divisatildeo dos H‟s do segundo

niacutevel eacute a metade do comprimento de cada divisatildeo do H do primeiro niacutevel Jaacute que o objetivo

eacute simular circuitos em escala nanomeacutetrica escolheu-se trecircs variaccedilotildees de comprimento

menores ou iguais a 1μm

l = 100 nm l2 = 50 nm

l = 400 nm l2 = 200 nm

l = 1 μm l2 = 500 nm

Figura 33 ndash Esquemaacutetico do H-tree clock com os comprimentos de cada seguimento

Dessa forma cada um dos trecircs circuitos foi simulado obtendo-se a frequecircncia em -3dB na

entrada das portas inversoras Em seguida as trecircs redes foram simuladas para as mesmas

30

duas frequumlecircncias do sinal de entrada (10 GHz e 100 GHz) de forma a obter as

caracteriacutesticas do sinal de saiacuteda descritas anteriormente considerando agora o efeito das

interconexotildees

Por fim a partir dos dados obtidos foram realizadas comparaccedilotildees entre as caracteriacutesticas

do sinal de saiacuteda de referecircncia (interconexotildees ideais) e o sinal de saiacuteda dos circuitos com as

interconexotildees natildeo-ideais bem como entre o comportamento das interconexotildees de SWCNT

bundle e de cobre nas diferentes frequecircncias

A Figura 34 mostra o fluxograma das etapas descritas nas subseccedilotildees 322 e 323

Figura 34 ndash Fluxograma das etapas seguidas na simulaccedilatildeo do H-tree clock

H-tree clock mono-eleacutetron

Simulaccedilatildeo do H-tree clock com

interconexotildees ideais Obtenccedilatildeo de f-3dB

da inversora

Simulaccedilatildeo do H-tree clock com

interconexotildees natildeo-ideais para os seguintes

comprimentos

l = 100 nm l2 = 50 nm

l = 400 nm l2 = 200 nm

l = 1 μm l2 = 500 nm

Validaccedilatildeo do SET e do

inversor mono-eleacutetron a

300K

Sinal de entrada a

10 GHz

Sinal de entrada a

100 GHz

Obtenccedilatildeo de NB

NA tr SR A td P e

DP do sinal de saiacuteda

da inversora

Obtenccedilatildeo de NB

NA tr SR A td P e

DP do sinal de saiacuteda

da inversora

Sinal de entrada a

10 GHz

Sinal de entrada a

100 GHz

Obtenccedilatildeo de NB

NA tr SR A td P e

DP do sinal de saiacuteda

da inversora

Obtenccedilatildeo de NB

NA tr SR A td P e

DP do sinal de saiacuteda

da inversora

Anaacutelise comparativa

dos dados obtidos

31

4 RESULTADOS E ANAacuteLISES

41 INTRODUCcedilAtildeO

Neste capiacutetulo seratildeo apresentados os procedimentos adotados e os resultados obtidos na

simulaccedilatildeo das interconexotildees SWCNT SWCNT bundle e cobre As etapas descritas na

metodologia foram seguidas obtendo-se os resultados das simulaccedilotildees das interconexotildees e

das simulaccedilotildees do H-tree clock mono-eleacutetron para interconexotildees ideais e natildeo-ideais A

partir dos resultados a anaacutelise do desempenho das interconexotildees seraacute apresentada

42 ANAacuteLISE DAS INTERCONEXOtildeES

Nesta seccedilatildeo a anaacutelise das interconexotildees de SWCNT SWCNT bundle e cobre na

tecnologia de 22 nm para diferentes comprimentos seraacute realizada Para isso analisou-se

as interconexotildees locais em que l le 1 μm e as intermediaacuterias em que 1 μm lt l le 500 μm

sabendo que l eacute o comprimento da interconexatildeo [29-31333638] Como λCNT eacute

tipicamente 1 μm trecircs comprimentos na faixa lCNT le λCNT (10 nm 100 nm e 1 μm) e trecircs

comprimentos na faixa lCNT gt λCNT (10 μm 100 μm 500 μm) de cada material seratildeo

analisados detalhadamente Os paracircmetros obtidos a partir dos modelos de SWCNT

SWCNT bundle e cobre estatildeo respectivamente nas Tabelas 71 72 e 73 do Apecircndice

421 Interconexotildees locais

Primeiramente a partir da simulaccedilatildeo da Figura 31 obteve-se a frequecircncia em -3dB (f-3dB)

das interconexotildees locais (lCNT le λCNT ) isto eacute a sua banda passante de forma a verificar a

velocidade maacutexima que cada interconexatildeo suporta A Figura 41 ilustra o comportamento

da frequecircncia das interconexotildees locais para os diferentes comprimentos Como o SWCNT

isolado possui valores de frequecircncia na faixa de centenas de giga Hertz ou seja menos de

um tera Hertz os valores de suas frequecircncias tambeacutem podem ser visualisados na Tabela

74 do Apecircndice

Verifica-se que agrave medida que o comprimento da interconexatildeo aumenta a frequecircncia

diminui Isso ocorre jaacute que os valores da capacitacircncia e indutacircncia aumentam com o

aumento do comprimento da interconexatildeo Esses paracircmetros satildeo decisivos no sinal de

32

saiacuteda sendo o sinal mais distorcido quanto maior for o valor desses paracircmetros Observa-

se que o SWCNT bundle e o cobre possuem banda passante maiores que o SWCNT

isolado para qualquer comprimento Aleacutem disso o SWCNT bundle soacute possui uma banda

passante comparaacutevel ao do cobre para comprimentos acima de 700 nm

Frequecircncia X Comprimento

0

10

20

30

40

50

60

100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

Comprimento (nm)

f -3d

B (

TH

z)

SWCNT Isolado

SWCNT bundle

Cobre

Figura 41 ndash Frequumlecircncia versus comprimento das interconexotildees locais

As interconexotildees locais de 10 nm 100 nm e 1 μm de comprimento foram analisadas

detalhadamente A Tabela 41 mostra a frequecircncia em -3dB de cada material para os

comprimentos em anaacutelise

Tabela 41 Frequecircncia em -3dB de cada material para lCNT le λCNT

Interconexatildeo Local Comprimento (L) Material f-3dB

SWCNT isolado 253 GHz

10nm SWCNT bundle 66 THz

Cobre 232 THz

SWCNT isolado 300 GHz

lCNT le λCNT 100nm SWCNT bundle 20 THz

Cobre 51 THz

SWCNT isolado 230 GHz

1microm SWCNT bundle 47 THz

Cobre 42 THz

Assim escolheu-se uma mesma frequecircncia abaixo da frequecircncia de corte dos trecircs

materiais considerados para analisar e comparar a atenuaccedilatildeo (A) e o tempo de atraso na

propagaccedilatildeo (td) dos trecircs comprimentos Isso permite verificar o comportamento do sinal na

banda passante A Tabela 42 mostra esse estudo comparativo entre o SWCNT isolado

SWCNT bundle e cobre agrave frequecircncia de 200 GHz

33

Tabela 42 Estudo das interconexotildees com comprimentos na faixa lCNT le λCNT

Freq L Material A (dB) td (ps)

SWCNT isolado -210 046

10nm SWCNT bundle 001 000

Cobre 000 000

SWCNT isolado -155 051

200 GHz 100nm SWCNT bundle 001 000

Cobre 001 000

SWCNT isolado -039 107

1microm SWCNT bundle 006 001

Cobre 000 007

A partir da anaacutelise da Tabela 42 eacute possiacutevel observar agrave frequumlecircncia de 200 GHz a

atenuaccedilatildeo do sinal e o atraso do SWCNT isolado Nessa frequumlecircncia o atraso do SWCNT

isolado eacute significativo em relaccedilatildeo ao periacuteodo do sinal que eacute 5ps jaacute que o menor atraso

(para l = 10nm) eacute aproximadamente 10 do periacuteodo do sinal de entrada No entanto para

esta mesma frequumlecircncia observa-se que a atenuaccedilatildeo e o atraso do SWCNT bundle e do

cobre satildeo insignificantes Isto indica que estes dois materiais possuem melhor

desempenho sendo favoraacuteveis para serem utilizados em interconexotildees locais

Dessa forma para analisar melhor a atenuaccedilatildeo e o tempo de atraso do SWCNT bundle e do

cobre o mesmo procedimento foi feito comparando-se somente estes dois materiais para

uma mesma frequecircncia de 1 THz A Tabela 43 mostra esse estudo comparativo entre o

SWCNT bundle e cobre

Tabela 43 Estudo das interconexotildees SWCNT bundle e cobre com comprimentos na faixa

lCNT le λCNT

Freq L Material A (dB) td (fs)

10nm SWCNT bundle 001 113

Cobre 000 022

1 THz 100nm SWCNT bundle 006 136

Cobre 001 240

1microm SWCNT bundle 145 647

Cobre -013 5623

Analisando a Tabela 43 observa-se que agrave frequumlecircncia de 1 THz a atenuaccedilatildeo do sinal e o

atraso aumentam agrave medida que o comprimento das interconexotildees aumentam A partir do

comprimento de 100nm o tempo de atraso da interconexatildeo de cobre eacute maior que o do

SWCNT bundle cujo maior valor de atraso (para l = 1microm) natildeo chega a 1 do periacuteodo do

34

sinal de entrada (1ps) Isso mostra que apesar de a banda passante do cobre ser maior o

atraso do SWCNT bundle eacute menor Dessa forma para as interconexotildees locais o SWCNT

bundle possui desempenho comparaacutevel ao do cobre [13]

Em relaccedilatildeo agrave atenuaccedilatildeo verifica-se que para alguns comprimentos este tem valor

positivo Isso ocorre principalmente quando haacute um pico no graacutefico da frequumlecircncia antes dele

comeccedilar a decair Esse pico eacute devido ao efeito ressonante provocado pela indutacircncia

quando este possui valor comparaacutevel agrave resistecircncia e agrave capacitacircncia da interconexatildeo [53]

Assim esse efeito ressonante foi observado somente nas interconexotildees locais de SWCNT

bundle e de cobre A Figura 42 ilustra o graacutefico da magnitude pela frequumlecircncia do SWCNT

isolado SWCNT bundle e cobre para o comprimento de 100nm Observa-se o efeito

ressonante nos graacuteficos do SWCNT bundle e do cobre

Figura 42 ndash Graacuteficos da magnitude das interconexotildees de SWCNT isolado (superior)

SWCNT bundle (meio) e cobre (inferior) com comprimento de 100nm

35

422 Interconexotildees intermediaacuterias

Assim como para as interconexotildees locais obteve-se a frequecircncia em -3dB (f-3dB) das

interconexotildees intermediaacuterias (lCNT gt λCNT) de forma a verificar a velocidade maacutexima que

cada interconexatildeo suporta A Figura 43 ilustra o comportamento da frequecircncia das

interconexotildees intermediaacuterias para os diferentes comprimentos Os valores das frequecircncias

de cada interconexatildeo tambeacutem podem ser visualisados na Tabela 75 do Apecircndice

Como nas interconexotildees locais agrave medida que o comprimento da interconexatildeo aumenta a

frequecircncia diminui Aleacutem disso o SWCNT bundle e o cobre possuem desempenho melhor

que o do SWCNT isolado para qualquer comprimento No entanto para interconexotildees

intermediaacuterias o SWCNT bundle possui banda passante maior que a do cobre para

qualquer comprimento

Frequecircncia X Comprimento

00

05

10

15

20

25

30

35

40

45

100 200 300 400 500

Comprimento (μm)

f -3d

B (

GH

z)

SWCNT isolado

SWCNT bundle

Cobre

Figura 43 ndash Frequumlecircncia versus comprimento das interconexotildees intermediaacuterias

As interconexotildees intermediaacuterias de 10 μm 100 μm e 500 μm de comprimento foram entatildeo

analisadas detalhadamente A Tabela 44 mostra a frequecircncia em -3dB de cada materal

para os diferentes comprimentos em anaacutelise

36

Tabela 44 Frequecircncia em -3dB de cada material para lCNT gt λCNT

Interconexatildeo

Intermediaacuteria

Comprimento (L) Material f-3dB

SWCNT isolado 26 GHz

10 microm SWCNT bundle 527 GHz

Cobre 34 GHz

SWCNT isolado 32 MHz

lCNT gt λCNT 100 microm SWCNT bundle 42 GHz

Cobre 345 MHz

SWCNT isolado 13 MHz

500 microm SWCNT bundle 165 MHz

Cobre 14 MHz

Escolheu-se a frequecircncia de 1 MHz que estaacute abaixo da frequecircncia de corte dos trecircs

materiais considerados para analisar e comparar a atenuaccedilatildeo (A) e o tempo de atraso na

propagaccedilatildeo (td) dos trecircs comprimentos A Tabela 45 mostra esse estudo comparativo entre

o SWCNT isolado SWCNT bundle e cobre

Tabela 45 Estudo das interconexotildees com comprimentos na faixa lCNT gt λCNT

Freq L Material A (dB) td (ns)

SWCNT isolado -002 008

10 microm SWCNT bundle 000 000

Cobre 000 000

SWCNT isolado -003 559

1 MHz 100 microm SWCNT bundle -001 005

Cobre -004 056

SWCNT isolado -198 10217

500 microm SWCNT bundle 000 110

Cobre -003 1301

Com base na Tabela 45 observa-se que a atenuaccedilatildeo e o tempo de atraso do SWCNT

isolado aumentam com o aumento do comprimento da interconexatildeo Nessa frequumlecircncia o

atraso na propagaccedilatildeo do SWCNT isolado eacute significativo em relaccedilatildeo ao periacuteodo do sinal de

entrada que eacute 1micros chegando a mais de 10 deste periacuteodo para o comprimento de 500microm

Verifica-se tambeacutem o aumento do tempo de atraso da interconexatildeo de cobre sendo 13

do periacuteodo do sinal de entrada para o comprimento de 500microm

Para analisar melhor a atenuaccedilatildeo e o tempo de atraso do SWCNT bundle e do cobre o

mesmo procedimento foi feito comparando-se somente estes dois materiais para uma

37

mesma frequecircncia de 10 MHz A Tabela 46 mostra esse estudo comparativo entre o

SWCNT bundle e cobre

Tabela 46 Estudo das interconexotildees SWCNT bundle e cobre com comprimentos na faixa

lCNT gt λCNT

Freq L Material A (dB) td (ns)

10 microm SWCNT bundle 000 000

Cobre 000 000

10 MHz 100 microm SWCNT bundle -001 005

Cobre -004 054

500 microm SWCNT bundle -004 107

Cobre -185 1024

Analisando a Tabela 46 observa-se que agrave medida que o comprimento das interconexotildees

aumenta a atenuaccedilatildeo e o atraso do sinal da interconexatildeo de cobre tornam-se significativos

O atraso na propagaccedilatildeo da interconexatildeo de cobre para l = 500microm chega a 10 do periacuteodo

do sinal de entrada (100ns) Jaacute o SWCNT bundle apresenta valores insignificantes de

atenuaccedilatildeo e atraso na propagaccedilatildeo Assim para as interconexotildees intermediaacuterias o SWCNT

bundle possui desempenho superior ao do cobre

43 SIMULACcedilAtildeO DO INVERSOR MONO-ELEacuteTRON

O modelo SPICE do SET proposto por G Lientschnig et al [444] foi simulado no

LTSPICE A partir da equaccedilatildeo (226) foi possiacutevel aumentar a temperatura do SET ateacute

chegar a 300K Assim o esquemaacutetico do SET e os valores de seus paracircmetros para que o

SET opere a 300K estatildeo na Figura 44 No anexo deste trabalho (subseccedilatildeo 81) encontra-

se o coacutedigo SET que foi utilizado [44] Os paracircmetros R1 C1 e R2 C2 correspondem agraves

resistecircncias e capacitacircncias das junccedilotildees-tuacutenel Cg eacute a capacitacircncia de porta (Cg1 no coacutedigo

SET) Vg eacute a tensatildeo de porta e V eacute a tensatildeo de entrada

Figura 44 Esquemaacutetico do SET e os valores de seus paracircmetros

38

A partir destes valores o inversor mono-eleacutetron foi construiacutedo colocando-se dois SETs em

seacuterie os quais compartilham da mesma entrada A Figura 45 ilustra o esquemaacutetico do

inversor mono-eleacutetron juntamente com os valores de seus paracircmetros fixos em que Vin eacute a

tensatildeo de entrada Vout eacute a tensatildeo de saiacuteda Vbias eacute a tensatildeo de polarizaccedilatildeo Cc eacute a

capacitacircncia de carga Cg1 e Cg2 satildeo as capacitacircncias de porta do SET 1 e do SET 2

respectivamente

Figura 45 Esquemaacutetico do inversor mono-eleacutetron e os valores de seus paracircmetros

(modificado de [4])

Assim apoacutes simular o inversor mono-eleacutetron a 300K obteve-se o sinal de saiacuteda mostrado

na Figura 46 Como o inversor estaacute invertendo o sinal de entrada de valor loacutegico baixo em

um sinal de saiacuteda de valor loacutegico alto ele estaacute operando corretamente

Figura 46 Curva do sinal de entrada (em verde) e do sinal de saiacuteda (em preto) do inversor

mono-eleacutetron

39

44 ANAacuteLISE DAS INTERCONEXOtildeES NO H-TREE CLOCK MONO-ELEacuteTRON

Nesta seccedilatildeo a rede H-tree clock de dois niacuteveis foi simulada com portas inversoras mono-

eleacutetron nos pontos de destino final da rede permitindo a anaacutelise de circuitos

nanoeletrocircnicos Simulou-se a rede H-tree considerando interconexotildees ideais para as

frequecircncias de 10 GHz e 100 GHz no sinal de entrada Em seguida para as mesmas duas

frequecircncias considerou-se interconexotildees natildeo-ideais de diferentes comprimentos

analisando a rede com os modelos de interconexatildeo SWCNT bundle e cobre Trecircs redes

com comprimentos de interconexotildees diferentes foram analisadas

l = 100 nm l2 = 50 nm

l = 400 nm l2 = 200 nm

l = 1 μm l2 = 500 nm

441 Anaacutelise da rede com interconexotildees ideais

A partir da simulaccedilatildeo do H-tree clock a frequecircncia em -3dB (f-3dB) da rede com

interconexotildees ideais foi obtida Na saiacuteda de cada porta inversora a banda passante do sinal

eacute 3200 GHz Dessa forma duas frequecircncias abaixo de 3200 GHz foram escolhidas para

analisar o sinal de saiacuteda da inversora em condiccedilotildees ideais As frequecircncias de 10 GHz e

100 GHz seratildeo analisadas obtendo-se as seguintes caracteriacutesticas do sinal de saiacuteda da

inversora niacutevel loacutegico baixo (NB) niacutevel loacutegico alto (NA) tempo de subida (tr) slew rate

de subida (SR) atenuaccedilatildeo (A) e tempo de atraso (td) A Tabela 47 mostra os valores

obtidos para as duas frequecircncias em anaacutelise

Tabela 47 Caracteriacutesticas dos sinais de saiacuteda da rede para interconexotildees ideais

Freq NB(mV) NA(mV) tr (ps) SR(Vns) A(dB) td (ps)

10 GHz 675 4518 356 8636 -264 412

100 GHz 678 4279 317 9088 -269 189

Os caacutelculos da potecircncia estaacutetica ( IVP DDE ) potecircncia dinacircmica ( CVfP DDD 2 ) e

potecircncia total ( DE PPP ) dissipada por cada porta inversora foram realizados bem

como o produto atraso-potecircncia (DP) Assim a Tabela 48 mostra os valores obtidos no

40

caacutelculo destes paracircmetros Como a potecircncia estaacutetica independe da frequecircncia do sinal de

entrada o seu valor eacute o mesmo nos dois casos

Tabela 48 Potecircncia dissipada por cada porta inversora para interconexotildees ideais

Frequecircncia PE (nW) PD (nW) P (nW) DP (10-18

Wmiddots)

10 GHz 4838 125 4963 020

100 GHz 4838 125 6088 012

As Tabelas 47 e 48 serviratildeo de referecircncia para as anaacutelises da rede com interconexotildees natildeo-

ideais analisadas na subseccedilatildeo seguinte As Figuras 47 e 48 ilustram o sinal de saiacuteda das

redes com frequecircncias de 10 GHz e de 100 GHz respectivamente Eacute possiacutevel observar que

na frequecircncia de 100 GHz o sinal de saiacuteda jaacute eacute distorcido em relaccedilatildeo ao sinal de referecircncia

(Figura 46)

Figura 47 Sinal de entrada (em verde) e sinal de saiacuteda (em preto) da rede a 10 GHz

Figura 48 Sinal de entrada (em verde) e sinal de saiacuteda (em preto) da rede a 100 GHz

41

442 Anaacutelise da rede com interconexotildees natildeo-ideais

Apoacutes obter as caracteriacutesticas da rede H-tree clock com interconexotildees ideais a anaacutelise da

rede com interconexotildees natildeo-ideais seraacute feita Primeiramente eacute importante verificar a

frequecircncia em -3dB do sinal depois das interconexotildees ou seja na entrada da porta

inversora Caso essa frequecircncia seja menor que a frequecircncia de 3200 GHz obtida com

interconexotildees ideais entatildeo a interconexatildeo afetaraacute o comportamento da rede A Tabela 49

mostra a frequecircncia em -3dB na entrada da inversora para interconexotildees natildeo-ideais

Tabela 49 Frequecircncia em -3dB na entrada da inversora para interconexotildees natildeo-ideais

Comprimentos (l2 l) Material f-3dB

50nm 100nm SWCNT bundle 122 THz

Cobre 175 THz

200nm 400nm SWCNT bundle 31 THz

Cobre 8606 GHz

500nm 1microm SWCNT bundle 12 THz

Cobre 1268 GHz

Assim verifica-se que a interconexatildeo de cobre da rede 500nm1microm possui frequecircncia em

-3dB abaixo da frequecircncia do circuito com interconexatildeo ideal (3200 GHz) Isso indica que

esta interconexatildeo interfere significativamente no comportamento da rede A Tabela 49

mostra tambeacutem que a banda passante da interconexatildeo de cobre soacute eacute maior que a da

interconexatildeo de SWCNT bundle no primeiro caso na rede de 50nm100nm o que mostra

uma vantagem do SWCNT bundle em relaccedilatildeo ao cobre A partir dessas informaccedilotildees a

rede H-tree clock com interconexotildees natildeo-ideais seraacute analisada detalhadamente

4421 Anaacutelise da rede a 10 GHz

As redes com interconexotildees natildeo-ideais seratildeo analisadas na frequecircncia de 10 GHz para

diferentes comprimentos Primeiramente o niacutevel loacutegico baixo (NB) o niacutevel loacutegico alto

(NA) o tempo de subida (tr) e o slew rate de subida (SR) foram obtidos conforme mostra a

Tabela 410 Com base nessa tabela verifica-se que na frequecircncia de 10 GHz essas

caracteriacutesticas natildeo foram modificadas pelas interconexotildees natildeo-ideais independentemente

do comprimento Os valores dos paracircmetros satildeo iguais aos obtidos na rede com

interconexatildeo ideal conforme Tabela 47 O sinal obtido na saiacuteda de cada inversor eacute igual

ao ilustrado na Figura 47

42

Tabela 410 Niacuteveis loacutegicos tempo de subida e slew rate dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 10 GHz

Freq L (l2l) Material NB(mV) NA(mV) tr(ps) SR(Vns)

10

GHz

50nm

100nm

SWCNT bundle 675 4518 356 8636

Cobre 675 4518 356 8636

200nm

400nm

SWCNT bundle 675 4518 356 8636

Cobre 675 4518 356 8636

500nm

1microm

SWCNT bundle 675 4518 356 8636

Cobre 675 4518 356 8636

A Tabela 411 mostra a atenuaccedilatildeo tempo de atraso potecircncia total dissipada e o produto

atraso-potecircncia obtidos a frequecircncia de 10 GHz para interconexotildees natildeo-ideais Observa-se

que a atenuaccedilatildeo do sinal e a potecircncia total dissipada por cada porta inversora permanecem

os mesmos em relaccedilatildeo agrave interconexatildeo ideal mostrando que a essa frequecircncia as

interconexotildees natildeo-ideais natildeo interferem nestes paracircmetros

Jaacute o atraso na propagaccedilatildeo do sinal no caso do cobre aumenta agrave medida que as

interconexotildees aumentam de comprimento aumentando tambeacutem o produto atraso-potecircncia

Esse atraso chega a 66 do periacuteodo do sinal de entrada para a interconexatildeo 500nm1microm

de cobre No entanto estes paracircmetros natildeo satildeo afetados pelas interconexotildees de SWCNT

bundle indicando que este material se sobressai em relaccedilatildeo ao cobre

Tabela 411 Atenuaccedilatildeo atraso potecircncia e produto atraso-potecircncia dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 10 GHz

Freq L (l2l) Material A (dB) td (ps) P (nW) DP(10-18

Wmiddots)

10

GHz

50nm

100nm

SWCNT bundle -264 412 4963 020

Cobre -264 412 4963 020

200nm

400nm

SWCNT bundle -264 412 4963 020

Cobre -264 438 4963 022

500nm

1microm

SWCNT bundle -264 412 4963 020

Cobre -264 659 4963 033

4422 Anaacutelise da rede a 100 GHz

As redes com interconexotildees natildeo-ideais seratildeo analisadas na frequecircncia de 100 GHz para

diferentes comprimentos O niacutevel loacutegico baixo (NB) o niacutevel loacutegico alto (NA) o tempo de

subida (tr) e o slew rate de subida (SR) foram obtidos conforme mostra a Tabela 412 Jaacute a

43

Tabela 413 mostra a atenuaccedilatildeo tempo de atraso potecircncia total dissipada e o produto

atraso-potecircncia obtidos a frequecircncia de 100 GHz para interconexotildees natildeo-ideais

Tabela 412 Niacuteveis loacutegicos tempo de subida e slew rate dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 100 GHz

Freq L (l2l) Material NB(mV) NA(mV) tr(ps) SR(Vns)

100

GHz

50nm

100nm

SWCNT bundle 678 4272 316 9099

Cobre 675 4277 323 9107

200nm

400nm

SWCNT bundle 678 4299 315 9196

Cobre 677 4089 289 9447

500nm

1microm

SWCNT bundle 678 4418 300 9973

Cobre 635 1766 102 6795

Tabela 413 Atenuaccedilatildeo atraso potecircncia e produto atraso-potecircncia dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 100 GHz

Freq L (l2l) Material A (dB) td (ps) P (nW) DP(10-18

Wmiddots)

100

GHz

50nm

100nm

SWCNT bundle -2703 189 6088 012

Cobre -2685 191 6088 012

200nm

400nm

SWCNT bundle -2693 188 6088 012

Cobre -2698 228 6088 014

500nm

1microm

SWCNT bundle -2673 174 6088 011

Cobre -2893 388 6088 024

A partir das Tabelas 412 e 413 o SWCNT bundle seraacute analisado Observa-se que os seus

niacuteveis loacutegicos altos aumentam com o aumento do comprimento das interconexotildees

aumentando tambeacutem o slew rate de subida Esse comportamento ocorre provavelmente

devido ao efeito ressonante provocado pela indutacircncia que provoca um pico no graacutefico da

frequumlecircncia antes dele comeccedilar a decair conforme explicado na subseccedilatildeo 421 Isso implica

na diminuiccedilatildeo da atenuaccedilatildeo do sinal e do atraso No entanto o produto atraso-potecircncia

permanece praticamente invariaacutevel jaacute que a potecircncia total dissipada natildeo se altera

Em relaccedilatildeo agraves interconexotildees de cobre verifica-se que as distorccedilotildees satildeo significativas Agrave

medida que o comprimento aumenta a atenuaccedilatildeo do sinal de saiacuteda aumenta Isso provoca

diminuiccedilatildeo no slew rate do sinal o que natildeo eacute desejado jaacute que o sinal demora mais para

atingir o niacutevel loacutegico alto Aleacutem disso o atraso na propagaccedilatildeo do sinal aumenta bastante

chegando a 388 do periacuteodo do sinal de entrada para a interconexatildeo 500nm1microm

Consequentemente o produto atraso-potecircncia tambeacutem aumenta sendo o dobro do valor de

44

referecircncia (interconexotildees ideais) A Figura 49 ilustra o sinal de saiacuteda da interconexatildeo

500nm1microm de cobre

Figura 49 Sinal de entrada (em verde) e sinal de saiacuteda (em preto) da rede a 100 GHz para

a interconexatildeo 500nm1microm de cobre

Comparando-se as potecircncias das tabelas 47 48 411 413 verifica-se que natildeo haacute

alteraccedilatildeo na potecircncia total dissipada pelo circuito com interconexotildees ideais e pelos

circuitos com interconexotildees natildeo-ideais para uma mesma frequecircncia Assim eacute importante

destacar que a dissipaccedilatildeo de potecircncia das interconexotildees de SWCNT bundle e de cobre natildeo

interfere na potecircncia total dissipada pelo circuito

443 Consideraccedilotildees Finais

Apoacutes analisar as interconexotildees locais de SWCNT de SWCNT bundle e de cobre

verificou-se que as interconexotildees de SWCNT bundle possuem desempenho comparaacutevel ao

das interconexotildees de cobre Em relaccedilatildeo agraves interconexotildees intermediaacuterias as de SWCNT

bundle apresentam desempenho superior agraves de cobre Jaacute as interconexotildees de SWCNT

isolado tanto para interconexotildees locais como para interconexotildees intermediaacuterias

apresentam desempenho inferior agraves interconexotildees de SWCNT bundle e de cobre natildeo

sendo propiacutecias a serem utilizadas em interconexotildees de circuitos integrados

Na anaacutelise das interconexotildees natildeo-ideais na rede H-tree clock mono-eleacutetron para a

frequecircncia de 10GHz observou-se que o niacutevel loacutegico baixo o niacutevel loacutegico alto o tempo de

subida o slew rate de subida a atenuaccedilatildeo do sinal e a potecircncia total dissipada por cada

porta inversora permanecem os mesmos em relaccedilatildeo agrave interconexatildeo ideal mostrando que

45

para esta frequecircncia as interconexotildees natildeo-ideais natildeo interferem nestes paracircmetros Jaacute o

atraso na propagaccedilatildeo do sinal no caso do cobre aumenta agrave medida que as interconexotildees

aumentam de comprimento aumentando tambeacutem o produto atraso-potecircncia No entanto

estes paracircmetros natildeo satildeo afetados pelas interconexotildees de SWCNT bundle indicando que

este material se sobressai em relaccedilatildeo ao cobre

Jaacute para a rede H-tree clock mono-eleacutetron a 100GHz observou-se que o circuito com

interconexotildees natildeo-ideais afetou bastante os paracircmetros em anaacutelise se comparados aos

obtidos para interconexotildees ideais Verificou-se que as distorccedilotildees provocadas pelas

interconexotildees de cobre foram significativas indicando que as interconexotildees de SWCNT

bundle possuem melhor desempenho que as de cobre

Assim constata-se que as interconexotildees de SWCNT bundle satildeo fortes candidatas a

substituirem as interconexotildees de cobre em circuitos em escala giga (GSI) e tera (TSI)

46

5 CONCLUSOtildeES

Nesta dissertaccedilatildeo o estudo das interconexotildees de SWCNT de SWCNT bundle e de cobre

foi realizado analisando e comparando os seus desempenhos para diferentes

comprimentos A partir desse estudo verificou-se que as interconexotildees de SWCNT bundle

possui desempenho comparaacutevel ao das interconexotildees de cobre no caso de interconexotildees

locais Em relaccedilatildeo agraves interconexotildees intermediaacuterias as de SWCNT bundle apresentam

desempenho superior agraves de cobre

As interconexotildees de SWCNT bundle e as interconexotildees de cobre foram entatildeo simuladas na

rede H-tree clock de dois niacuteveis para diferentes comprimentos e frequecircncias Nos pontos

de destino final da rede foram colocadas portas inversoras formadas por SETs permitindo

a anaacutelise de circuitos nanoeletrocircnicos

A partir da anaacutelise da rede H-tree clock observou-se que as interconexotildees de SWCNT

bundle possuem desempenho melhor que as de cobre principalmente em relaccedilatildeo ao slew

rate agrave atenuaccedilatildeo ao tempo de atraso e ao produto atraso-potecircncia Aleacutem disso a

dissipaccedilatildeo de potecircncia das interconexotildees natildeo-ideais natildeo interferem na potecircncia total

dissipada pelo circuito Assim as interconexotildees de SWCNT bundle satildeo fortes candidatas a

substituirem as interconexotildees de cobre em circuitos em escala giga (GSI) e tera (TSI)

Como perspectivas futuras eacute importante analisar o efeito das interconexotildees de nanotubo de

carbono em circuitos GSI e TSI com outras arquiteturas A anaacutelise das interconexotildees de

CNT tambeacutem deve ser feita em circuitos com tecnologia MOS permitindo a comparaccedilatildeo

entre diferentes tecnologias Aleacutem disso eacute interessante estudar outros tipos de materiais

que possam ser utilizados como interconexotildees em circuitos integrados

47

6 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS

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53

7 APEcircNDICES

71 TABELAS COMPLEMENTARES

Tabela 71 Paracircmetros obtidos a partir do modelo de SWCNT isolado

L RQ (Ω) RS (Ω) LCNT (10-9

H) CCNT (10-18

F)

10 nm 645103 - 40010

-2 27910

-1

100 nm 645103 - 40010

-1 279

200 nm 645103 - 80010

-1 558

300 nm 645103 - 120 837

400 nm 645103 - 160 11210

1

500 nm 645103 - 200 14010

1

600 nm 645103 - 240 16710

1

700 nm 645103 - 280 19510

1

800 nm 645103 - 320 22310

1

900 nm 645103 - 360 25110

1

1 microm 645103 - 400 27910

1

10 microm 645103 64510

4 40010

1 27910

2

100 microm 645103 64510

5 40010

2 27910

3

200 microm 645103 12910

6 80010

2 55810

3

300 microm 645103 19410

6 12010

3 83710

3

400 microm

645103 25810

6 16010

3 11210

4

500 microm

645103 32310

6 20010

3 14010

4

Tabela 72 Paracircmetros obtidos a partir do modelo de SWCNT bundle

L RQ (Ω) RS (Ω) LBundle(10-9

H) CBundle(10-18

F)

10 nm 1075 - 66710-5

135

100 nm 1075 - 66710-4

135101

200 nm 1075 - 13310-3

270101

300 nm 1075 - 20010-3

405101

400 nm 1075 - 26710-3

540101

500 nm 1075 - 33310-3

675101

600 nm 1075 - 40010-3

810101

700 nm 1075 - 46710-3

945101

800 nm 1075 - 53310-3

108102

900 nm 1075 - 60010-3

122102

1 microm 1075 - 66710-3

135102

10 microm 1075 108102 66710

-2 13510

3

100 microm 1075 108103 66710

-1 13510

4

200 microm 1075 215103 133 27010

4

300 microm 1075 323103 200 40510

4

400 microm

1075 430103 267 54010

4

500 microm

1075 538103 333 67510

4

54

Tabela 73 Paracircmetros obtidos a partir do modelo de cobre

L RCu (Ω) LCu (10-9

H) CCu (10-18

F)

10 nm 06 37310-6

150

100 nm 60 63610-5

150101

200 nm 120 17510-4

300101

300 nm 180 30910-4

450101

400 nm 240 45410-4

600101

500 nm 300 61110-4

750101

600 nm 360 77510-4

900101

700 nm 420 94610-4

105102

800 nm 480 11210-3

120102

900 nm 540 13110-3

135102

1 microm 600 14910-3

150102

10 microm 60102 24010

-2 15010

3

100 microm 60103 33210

-1 15010

4

200 microm 12104 72010

-1 30010

4

300 microm 18104 113 45010

4

400 microm

24104 155 60010

4

500 microm

30104 198 75010

4

55

Tabela 74 Frequecircncia em -3dB das interconexotildees locais

Comprimento Material f-3dB

10 nm SWCNT isolado 253 GHz

SWCNT bundle 66 THz

Cobre 232 THz

100 nm SWCNT isolado 300 GHz

SWCNT bundle 20 THz

Cobre 51 THz

200 nm SWCNT isolado 342 GHz

SWCNT bundle 14 THz

Cobre 29 THz

300 nm SWCNT isolado 344 GHz

SWCNT bundle 11 THz

Cobre 20 THz

400 nm SWCNT isolado 329 GHz

SWCNT bundle 89 THz

Cobre 15 THz

500 nm SWCNT isolado 307 GHz

SWCNT bundle 76 THz

Cobre 12 THz

600 nm SWCNT isolado 288 GHz

SWCNT bundle 67 THz

Cobre 94 THz

700 nm SWCNT isolado 271 GHz

SWCNT bundle 61 THz

Cobre 76 THz

800 nm SWCNT isolado 255 GHz

SWCNT bundle 55 THz

Cobre 63 THz

900 nm SWCNT isolado 240 GHz

SWCNT bundle 51 THz

Cobre 52 THz

1 microm SWCNT isolado 230 GHz

SWCNT bundle 47 THz

Cobre 42 THz

56

Tabela 75 Frequecircncia em -3dB das interconexotildees intermediaacuterias

Comprimento Material f-3dB

10 microm SWCNT isolado 26 GHz

SWCNT bundle 527 GHz

Cobre 34 GHz

100 microm SWCNT isolado 32 MHz

SWCNT bundle 42 GHz

Cobre 345 MHz

200 microm SWCNT isolado 82 MHz

SWCNT bundle 10 GHz

Cobre 87 MHz

300 microm SWCNT isolado 36 MHz

SWCNT bundle 455 MHz

Cobre 38 MHz

400 microm SWCNT isolado 21 MHz

SWCNT bundle 256 MHz

Cobre 21 MHz

500 microm SWCNT isolado 13 MHz

SWCNT bundle 165 MHz

Cobre 14 MHz

57

8 ANEXOS

81 COacuteDIGO SPICE DO SET [44]

Transistor mono-eleacutetron (SET) conexotildees fonte | dreno | | porta1 | | | porta2 | | | | SUBCKT SET 1 2 3 4 PARAMS +C1=1E-20 Capacitacircncia da junccedilatildeo 1 +C2=1E-20 Capacitacircncia da junccedilatildeo 2 +R1=1E5 Resistecircncia da junccedilatildeo 1 +R2=1E5 Resistecircncia da junccedilatildeo 2 +Cg1=015E-18 Capacitacircncia da junccedilatildeo 1 +Cg2=0 Capacitacircncia da junccedilatildeo 2 +C0=0 Capacitacircncia proacutepria da ilha +Q0=005 Carga offset em unidades de e +TEMP=300 Temperatura PARAM E=160217733E-19 Carga do eleacutetron (e) PARAM CSUM=C1+C2+Cg1+Cg2+C0 Capacitacircncia total do SET PARAM T=TEMPCSUM53785467E14 Temperatura normalizada 53785467E14 = kBe^2 PARAM RN1=R1(R1+R2) Resistecircncia da junccedilatildeo 1 normalizada PARAM RN2=R2(R1+R2) Resistecircncia da junccedilatildeo 2 normalizada FUNC Q(v1v2v3v4) (Cg1v3+Cg2v4+C1v1+C2v2)E+Q0 Definiccedilatildeo da carga em unidades de e FUNC VN(v) CSUMvE Tensatildeo normalizada FUNC GAMMA(u) IF(T==0IF(ult0-u0)IF(u==0Tu(EXP(uT)-1))) FUNC N_OPT(v1v2v3v4) ROUND(-Q(v1v2v3v4)+(CSUME) (v1RN2+v2RN1)) A maior probabilidade de carga na ilha em unidades de e Os quarto eventos tuacuteneis FUNC R1L(nv1v2v3v4) GAMMA(05 - n - Q(v1v2v3v4) + VN(v1))RN1 FUNC R1R(nv1v2v3v4) GAMMA(05 + n + Q(v1v2v3v4) - VN(v1))RN1 FUNC R2L(nv1v2v3v4) GAMMA(05 + n + Q(v1v2v3v4) - VN(v2))RN2 FUNC R2R(nv1v2v3v4) GAMMA(05 - n - Q(v1v2v3v4) + VN(v2))RN2

58

determinaccedilatildeo das probabilidades relativas assume-se inicialmente que o estado da carga N_OPT tem probabilidade relativa igual a um FUNC PN_1(nv1v2v3v4) (R1L(nv1v2v3v4)+R2R(nv1v2v3v4))(R1R(n-1v1v2v3v4)+R2L(n-1v1v2v3v4)) FUNC PN_2(nv1v2v3v4) PN_1(nv1v2v3v4) +(R1L(n-1v1v2v3v4)+R2R(n-1v1v2v3v4))(R1R(n-2v1v2v3v4)+R2L(n-2v1v2v3v4)) FUNC PN_3(nv1v2v3v4) PN_2(nv1v2v3v4) +(R1L(n-2v1v2v3v4)+R2R(n-2v1v2v3v4))(R1R(n-3v1v2v3v4)+R2L(n-3v1v2v3v4)) FUNC PN_4(nv1v2v3v4) PN_3(nv1v2v3v4) +(R1L(n-3v1v2v3v4)+R2R(n-3v1v2v3v4))(R1R(n-4v1v2v3v4)+R2L(n-4v1v2v3v4)) FUNC PN_5(nv1v2v3v4) PN_4(nv1v2v3v4) +(R1L(n-4v1v2v3v4)+R2R(n-4v1v2v3v4))(R1R(n-5v1v2v3v4)+R2L(n-5v1v2v3v4)) FUNC PN1(nv1v2v3v4) (R2L(nv1v2v3v4) +R1R(nv1v2v3v4))(R2R(n+1v1v2v3v4)+R1L(n+1v1v2v3v4)) FUNC PN2(nv1v2v3v4) PN1(nv1v2v3v4) +(R2L(n+1v1v2v3v4)+R1R(n+1v1v2v3v4))(R2R(n+2v1v2v3v4)+R1L(n+2v1v2v3v4)) FUNC PN3(nv1v2v3v4) PN2(nv1v2v3v4) +(R2L(n+2v1v2v3v4)+R1R(n+2v1v2v3v4))(R2R(n+3v1v2v3v4)+R1L(n+3v1v2v3v4)) FUNC PN4(nv1v2v3v4) PN3(nv1v2v3v4) +(R2L(n+3v1v2v3v4)+R1R(n+3v1v2v3v4))(R2R(n+4v1v2v3v4)+R1L(n+4v1v2v3v4)) FUNC PN5(nv1v2v3v4) PN4(nv1v2v3v4) +(R2L(n+4v1v2v3v4)+R1R(n+4v1v2v3v4))(R2R(n+5v1v2v3v4)+R1L(n+5v1v2v3v4)) FUNC PSUM(nv1v2v3v4) PN_5(nv1v2v3v4)+PN_4(nv1v2v3v4)+PN_3(nv1v2v3v4)+PN_2(nv1v2v3v4) ++PN_1(nv1v2v3v4)+1+PN1(nv1v2v3v4)+PN2(nv1v2v3v4)+PN3(nv1v2v3v4) ++PN4(nv1v2v3v4)+PN5(nv1v2v3v4)

59

caacutelculo da corrente da fonte para o dreno FUNC CUR(nv1v2v3v4) PN_5(nv1v2v3v4)(R1R(n-5v1v2v3v4)-R1L(n-5v1v2v3v4)) ++PN_4(nv1v2v3v4)(R1R(n-4v1v2v3v4)-R1L(n-4v1v2v3v4)) ++PN_3(nv1v2v3v4)(R1R(n-3v1v2v3v4)-R1L(n-3v1v2v3v4)) ++PN_2(nv1v2v3v4)(R1R(n-2v1v2v3v4)-R1L(n-2v1v2v3v4)) ++PN_1(nv1v2v3v4)(R1R(n-1v1v2v3v4)-R1L(n-1v1v2v3v4)) ++(R1R(nv1v2v3v4)-R1L(nv1v2v3v4)) ++PN1(nv1v2v3v4)(R1R(n+1v1v2v3v4)-R1L(n+1v1v2v3v4)) ++PN2(nv1v2v3v4)(R1R(n+2v1v2v3v4)-R1L(n+2v1v2v3v4)) ++PN3(nv1v2v3v4)(R1R(n+3v1v2v3v4)-R1L(n+3v1v2v3v4)) ++PN4(nv1v2v3v4)(R1R(n+4v1v2v3v4)-R1L(n+4v1v2v3v4)) ++PN5(nv1v2v3v4)(R1R(n+5v1v2v3v4)-R1L(n+5v1v2v3v4)) FUNC CURRENT(nv1v2v3v4) ECUR(nv1v2v3v4)(CSUMPSUM(nv1v2v3v4)(R1+R2)) caacutelculo da tensatildeo da ilha FUNC VOLT(nv1v2v3v4) PN_5(nv1v2v3v4)(n-5+Q(v1v2v3v4)) ++PN_4(nv1v2v3v4)(n-4+Q(v1v2v3v4)) ++PN_3(nv1v2v3v4)(n-3+Q(v1v2v3v4)) ++PN_2(nv1v2v3v4)(n-2+Q(v1v2v3v4)) ++PN_1(nv1v2v3v4)(n-1+Q(v1v2v3v4)) ++n+Q(v1v2v3v4) ++PN1(nv1v2v3v4)(n+1+Q(v1v2v3v4)) ++PN2(nv1v2v3v4)(n+2+Q(v1v2v3v4)) ++PN3(nv1v2v3v4)(n+3+Q(v1v2v3v4)) ++PN4(nv1v2v3v4)(n+4+Q(v1v2v3v4)) ++PN5(nv1v2v3v4)(n+5+Q(v1v2v3v4)) FUNC VOLTAGE(nv1v2v3v4) (ECSUM)VOLT(nv1v2v3v4)PSUM(nv1v2v3v4) E1 5 0 VALUE= VOLTAGE(N_OPT(V(1)V(2)V(3)V(4))V(1)V(2)V(3)V(4)) Tensatildeo da ilha G1 1 2 VALUE= CURRENT(N_OPT(V(1)V(2)V(3)V(4))V(1)V(2)V(3)V(4)) Corrente da fonte para o dreno CT1 1 5 C1 CT2 2 5 C2 CGATE1 3 5 CG1 CGATE2 4 5 CG2 ENDS SET

Page 11: ANÁLISE COMPARATIVA ENTRE ... - repositorio.unb.brrepositorio.unb.br/.../1/2012_CamilaPeixotoSilvaMadeiraNogueira.pdf · Prof. Stefan Michael Blawid, ... Deus colocou esses dois

xi

Figura 44 Esquemaacutetico do SET e os valores de seus paracircmetros 37

Figura 45 Esquemaacutetico do inversor mono-eleacutetron e os valores de seus paracircmetros

(modificado de [4]) 38

Figura 46 Curva do sinal de entrada (em verde) e do sinal de saiacuteda (em preto) do inversor

mono-eleacutetron 38

Figura 47 Sinal de entrada (em verde) e sinal de saiacuteda (em preto) da rede a 10 GHz 40

Figura 48 Sinal de entrada (em verde) e sinal de saiacuteda (em preto) da rede a 100 GHz 40

Figura 49 Sinal de entrada (em verde) e sinal de saiacuteda (em preto) da rede a 100 GHz para

a interconexatildeo 500nm1microm de cobre 44

xii

LISTA DE TABELAS

Tabela 41 Frequecircncia em -3dB de cada material para lCNT le λCNT 32

Tabela 42 Estudo das interconexotildees com comprimentos na faixa lCNT le λCNT 33

Tabela 43 Estudo das interconexotildees SWCNT bundle e cobre com comprimentos na faixa

lCNT le λCNT 33

Tabela 44 Frequecircncia em -3dB de cada material para lCNT gt λCNT 36

Tabela 45 Estudo das interconexotildees com comprimentos na faixa lCNT gt λCNT 36

Tabela 46 Estudo das interconexotildees SWCNT bundle e cobre com comprimentos na faixa

lCNT gt λCNT 37

Tabela 47 Caracteriacutesticas dos sinais de saiacuteda da rede para interconexotildees ideais 39

Tabela 48 Potecircncia dissipada por cada porta inversora para interconexotildees ideais 40

Tabela 49 Frequecircncia em -3dB na entrada da inversora para interconexotildees natildeo-ideais 41

Tabela 410 Niacuteveis loacutegicos tempo de subida e slew rate dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 10 GHz 42

Tabela 411 Atenuaccedilatildeo atraso potecircncia e produto atraso-potecircncia dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 10 GHz 42

Tabela 412 Niacuteveis loacutegicos tempo de subida e slew rate dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 100 GHz 43

Tabela 413 Atenuaccedilatildeo atraso potecircncia e produto atraso-potecircncia dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 100 GHz 43

Tabela 71 Paracircmetros obtidos a partir do modelo de SWCNT isolado 53

Tabela 72 Paracircmetros obtidos a partir do modelo de SWCNT bundle 53

Tabela 73 Paracircmetros obtidos a partir do modelo de cobre 54

Tabela 74 Frequecircncia em -3dB das interconexotildees locais 55

Tabela 75 Frequecircncia em -3dB das interconexotildees intermediaacuterias 56

xiii

LISTA DE SIacuteMBOLOS NOMENCLATURA ABREVIACcedilOtildeES

CNT ndash Carbon nanotube

CVD ndash Chemical Vapor Deposition

GSI ndash Giga Scale Integration

ITRS ndash International Technology Roadmap for Semiconductors

LTSPICE ndash Linear Technology SPICE simulator

MWCNT ndash Multi-walled carbon nanotube

SET ndash Singe-electron transistor

SPICE ndash Simulated Program with Integrated Circuits Emphasis

SWCNT ndash Single-walled carbon nanotube

TSI ndash Tera Scale Integration

1

1 INTRODUCcedilAtildeO

O crescimento da microeletrocircnica e a consequumlente miniaturizaccedilatildeo dos circuitos integrados

foram previstos por Gordon Moore que enunciou que o nuacutemero de transistores em um

circuito integrado dobraria a cada 18 meses considerando a mesma aacuterea e custo previsatildeo

conhecida como Lei de Moore Devido aos problemas enfrentados pelos dispositivos

microeletrocircnicos gerados especialmente pelos efeitos quacircnticos que anteriormente eram

desprezados novas tecnologias como a nanoeletrocircnica vecircm sendo estudadas para dar

continuidade a esse processo de miniaturizaccedilatildeo dos dispositivos [1-10]

Aleacutem disso a miniaturizaccedilatildeo de circuitos integrados tem resultado em grandes desafios no

projeto de interconexotildees que satildeo responsaacuteveis principalmente pelo carregamento da

tensatildeo de alimentaccedilatildeo de cada transistor e pela distribuiccedilatildeo dos sinais de dados As

limitaccedilotildees das interconexotildees as quais podem provocar uma desaceleraccedilatildeo nos progressos

alcanccedilados ateacute hoje pela induacutestria de semicondutores satildeo fatores preocupantes Como

limitaccedilotildees das interconexotildees eacute importante citar o aumento da sua resistividade aumento da

capacitacircncia de acoplamento entre vias dificuldades no controle das suas dimensotildees entre

outras

Assim o estudo aprofundado das interconexotildees levando em consideraccedilatildeo principalmente

seu desempenho eacute de fundamental importacircncia [11-13] Novas tecnologias estatildeo sendo

estudadas para superar as limitaccedilotildees das interconexotildees de cobre no circuito como a

resistividade eleacutetrica e a resistecircncia agrave eletromigraccedilatildeo principalmente em tecnologias

abaixo de 45nm As interconexotildees oacuteticas as interconexotildees de radio frequumlecircncia ou sem fio

e as interconexotildees de nanotubo de carbono (CNT) satildeo algumas candidatas a substituir as

interconexotildees de cobre as quais satildeo as interconexotildees mais utilizadas atualmente [13-17]

Dentre essas possibilidades os CNTs possuem grandes vantagens para interconexotildees em

circuitos integrados em escala GSI (Giga Scale Integration) e TSI (Tera Scale Integration)

[18-20] Eles satildeo considerados soluccedilotildees eficientes para melhorar as limitaccedilotildees do cobre

previstas pelo ITRS (International Technology Roadmap for Semiconductors) [21] como

atraso dissipaccedilatildeo de potecircncia e resistecircncia agrave eletromigraccedilatildeo

2

11 OBJETIVOS

O objetivo desta dissertaccedilatildeo eacute fazer um estudo comparativo entre o desempenho das

interconexotildees de nanotubo de carbono e das interconexotildees de cobre Com esse intuito

preliminarmente o desempenho das interconexotildees de SWCNT (do inglecircs single-walled

carbon nanotube) de SWCNT bundle (vaacuterios SWCNTs dispostos em paralelo como uma

corda) e de cobre seraacute comparado considerando diferentes comprimentos das

interconexotildees

Por fim o efeito das interconexotildees de SWCNT bundle e de cobre seraacute analisado na rede H-

tree clock com inversores mono-eleacutetron em seus terminais tambeacutem para diferentes

comprimentos Assim seraacute possiacutevel analisar se os nanotubos de carbono poderatildeo substituir

o cobre em interconexotildees em circuitos integrados GSI e TSI

12 ORGANIZACcedilAtildeO

No capiacutetulo 2 satildeo apresentados os conceitos fundamentais necessaacuterios agrave correta

compreensatildeo desta pesquisa Seratildeo abordados conceitos referentes agraves interconexotildees de

CNT e cobre aos dispositivos de tunelamento mono-eleacutetron e agrave estrutura do H-tree clock

O capiacutetulo 3 descreve a metodologia utilizada agrave realizaccedilatildeo do objeto de pesquisa desta

dissertaccedilatildeo Assim seratildeo apresentadas as etapas que foram seguidas para analisar o efeito

das interconexotildees em circuitos com transistores mono-eleacutetron

No capiacutetulo 4 os resultados e anaacutelises das simulaccedilotildees das interconexotildees ideais e natildeo-

ideais considerando o SWCNT SWCNT bundle e o cobre satildeo apresentados As

interconexotildees satildeo analisadas tambeacutem nos circuitos H-tree clock

O capiacutetulo 5 apresenta as conclusotildees e as recomendaccedilotildees para trabalhos futuros

3

2 FUNDAMENTACcedilAtildeO TEOacuteRICA

21 INTERCONEXOtildeES

211 Limitaccedilotildees do cobre em relaccedilatildeo ao CNT

As interconexotildees de cobre sofrem inuacutemeros problemas indesejados que aumentam agrave

medida que as interconexotildees diminuem de tamanho Essa diminuiccedilatildeo de tamanho resulta

em interconexotildees menos eficientes no maior consumo de potecircncia e no aumento da

densidade de corrente transportada por cada interconexatildeo [22] De acordo com o ITRS

[21] a densidade de corrente pode atingir valores na ordem de 107 Acm

2 Este valor soacute eacute

suportado por CNTs uma vez que satildeo capazes de suportar densidades de corrente na

ordem de 1010

Acm2 [1317]

Os CNTs tecircm provocado grande interesse nos cientistas desde a sua descoberta em 1991

por Iijima devido agraves excelentes propriedades eleacutetricas teacutermicas e mecacircnicas que possuem

Suas propriedades eleacutetricas permitem que suportem densidades de ateacute 1010

Acm2 sendo

que o cobre suporta densidades inferiores a 107 Acm

2 [1317] O caminho meacutedio livre do

CNT eacute superior ao do cobre o que possibilita um transporte baliacutestico por uma ampla gama

de extensatildeo e isso resulta em uma resistividade menor do CNT [13-17] Aleacutem disso a alta

condutividade teacutermica do CNT que eacute outra limitaccedilatildeo do cobre eacute de fundamental

importacircncia na aplicaccedilatildeo em interconexotildees Essas propriedades possibilitam uma

toleracircncia do CNT agrave eletromigraccedilatildeo a qual eacute uma grande limitaccedilatildeo no desempenho das

interconexotildees de cobre [131719]

212 Caracteriacutesticas do CNT

Os nanotubos de carbono podem ser formados por uma lacircmina de grafeno enrolada

conhecida como SWCNT (single-walled carbon nanotube) ou por vaacuterios tubos

concecircntricos formando uma multicamada conhecida por MWCNT (multi-walled carbon

nanotube) [2324] A Figura 21 ilustra a estrutura de uma lacircmina de grafeno do SWCNT e

do MWCNT

4

Figura 21 ndash Estrutura de uma lacircmina de grafeno (esquerda) do SWCNT (meio) e do

MWCNT (direita) [13]

Eacute importante destacar que os MWCNTs satildeo menos favoraacuteveis para o uso em

interconexotildees jaacute que eles apresentam caminho meacutedio livre menor que os SWCNTs

[1317] Como a resistecircncia de um uacutenico SWCNT pode ter valores altos eacute necessaacuteria a

uniatildeo de vaacuterios dispostos em paralelo como uma corda chamado de bundle para diminuir

o valor da resistecircncia equivalente da interconexatildeo [1315] A Figura 22 ilustra a estrutura

do SWCNT bundle [16]

Figura 22 ndash Estrutura do SWCNT bundle [16]

Dependendo de como a lacircmina eacute enrolada que resulta no acircngulo quiral e nos iacutendices

quirais de sua estrutura o nanotubo pode ser metaacutelico ou semicondutor [131419] Os

iacutendices quirais satildeo identificados por (mn) O nanotubo seraacute metaacutelico quando a diferenccedila

entre os iacutendices quirais for um muacuteltiplo inteiro de 3 e seraacute semicondutor nos outros casos

[13] A estrutura eacute chamada de zig-zag quando m ou n eacute igual a zero podendo ser metaacutelica

ou semicondutora Quando m=n a estrutura eacute denominada armchair sendo sempre

metaacutelica Nos outros casos a estrutura eacute conhecida como quiral e pode ser metaacutelica ou

semicondutora [24] A Figura 23 mostra as estruturas do armchair zig-zag e quiral [24]

5

Figura 23 ndash Estrutura do (i) armchair (ii) zig-zag e (iii) quiral [24]

De acordo com [22] o crescimento dos CNTs geralmente eacute realizado atraveacutes de um dos

seguintes meacutetodos descarga por arco eleacutetrico ablaccedilatildeo a laser e deposiccedilatildeo quiacutemica a vapor

do inglecircs chemical vapor deposition ndash CVD O processo de descarga por arco eleacutetrico tem

sido desenvolvido para preparar MWCNTs e SWCNTs de alta qualidade Neste processo

aacutetomos de carbono satildeo evaporados com um gaacutes de plasma inerte caracterizado por altas

correntes eleacutetricas que passam entre os eletrodos opostos de carbono (caacutetodo e acircnodo)

Normalmente o acircnodo do carbono conteacutem uma pequena porcentagem de catalisador de

metal como o cobalto niacutequel ou ferro Jaacute o meacutetodo de ablaccedilatildeo a laser utiliza um pulso

duplo de lasers para evaporar varetas de grafite dopadas com uma mistura de cobalto e

niacutequel em poacute colocado em um tubo aquecido a temperatura elevada seguido de um

tratamento teacutermico a vaacutecuo

Apesar dos meacutetodos de descarga por arco eleacutetrico e ablaccedilatildeo a laser produzir grandes

quantidades de CNTs de alta qualidade e oferecer uma ampla disponibilidade de CNTs

para estudos e possiacuteveis aplicaccedilotildees existem vaacuterias preocupaccedilotildees associadas com estes dois

meacutetodos de crescimento [22] Dessa forma os meacutetodos de CVD satildeo bastante usados no

crescimento de CNTs com aplicaccedilatildeo em eletrocircnica incluindo interconexotildees [1322] O

processo de crescimento CVD envolve o aquecimento do catalisador a uma temperatura

elevada e a introduccedilatildeo de gaacutes de hidrocarboneto ou de monoacutexido de carbono para dentro

6

do reator O mecanismo de crescimento do CNT tem sido considerado como um processo

de dissociaccedilatildeo-difusatildeo-precipitaccedilatildeo em que o carbono eacute formado sobre a superfiacutecie de

uma partiacutecula de metal seguida de difusatildeo e precipitaccedilatildeo sob a forma de grafeno ciliacutendrico

[22]

213 Modelos de Interconexatildeo

Para realizar uma comparaccedilatildeo por simulaccedilatildeo entre o desempenho do CNT e do cobre

modelos equivalentes de circuito de interconexotildees que reproduzam com fidelidade o seu

comportamento fiacutesico satildeo necessaacuterios Com esse intuito eacute fundamental que os fatores que

interferem no desempenho das interconexotildees como resistecircncia indutacircncia capacitacircncia e

comprimento sejam considerados A partir do estudo desses modelos eacute possiacutevel verificar

se as interconexotildees de CNT poderatildeo substituir as de cobre e os casos em que isso eacute

possiacutevel

2131 Modelo de interconexatildeo do SWCNT isolado

A resistecircncia de um SWCNT isolado eacute composta por ateacute trecircs partes resistecircncia de contato

entre o metal e o nanotubo (Rc) resistecircncia quacircntica (Rq) e resistecircncia de espalhamento

(Rs) [192325] As resistecircncias de contato e quacircntica satildeo independentes do comprimento

do nanotubo Jaacute a resistecircncia de espalhamento depende do comprimento do nanotubo [26-

31]

Quando o comprimento do SWCNT eacute menor ou igual ao caminho meacutedio livre (lCNT le

λCNT) que eacute tipicamente 1 microm o transporte de eleacutetrons eacute essencialmente baliacutestico e a

resistecircncia independe do comprimento do nanotubo [1332] No entanto quando o

comprimento do SWCNT eacute maior que o caminho meacutedio livre (lCNT gt λCNT) haacute uma

resistecircncia adicional que depende do comprimento do SWCNT e eacute chamada de resistecircncia

de espalhamento [13-15] Assim a resistecircncia total eacute dada pela equaccedilatildeo (21) em que lCNT

eacute o comprimento do nanotubo de carbono

CNTCNT

CNTCNT

CNTlseRsRqRc

lseRqRcR

(21)

7

A resistecircncia de contato pode chegar ao valor de 100 kΩ [131533] Contudo essa

resistecircncia em nanotubos de carbono com diacircmetro maior que 1nm estaacute na ordem de

poucos kilo ohms ou ateacute mesmo centenas de ohms [1316] Neste trabalho considerou-se o

contato metal-nanotubo como sendo perfeito ou seja Rc = 0

A resistecircncia quacircntica e a de espalhamento satildeo descritas pelas equaccedilotildees (22) e (23)

respectivamente onde e eacute a carga do eleacutetron e h eacute a constante de Plank A resistecircncia

quacircntica (Rq) eacute igualmente dividida em cada lado dos contatos metal-nanotubo [13-

173435]

ke

hRq 456

4 2 (22)

CNT

CNTl

e

hRs

24 (23)

O movimento de eleacutetrons transportados por um condutor eacute modelado pela indutacircncia que

consiste na indutacircncia magneacutetica e cineacutetica [1316] No SWCNT a indutacircncia magneacutetica eacute

calculada considerando que o CNT eacute um fio muito fino com diacircmetro d e estaacute

posicionado a uma distacircncia y do plano ligado ao terra A indutacircncia cineacutetica eacute calculada

pela equaccedilatildeo da energia cineacutetica armazenada em cada canal condutor do CNT para uma

indutacircncia efetiva [141535] Assim a indutacircncia magneacutetica (LM) e a cineacutetica (LK) podem

ser calculadas pelas equaccedilotildees (24) e (25) respectivamente

d

yLM ln

2

(24)

F

Kve

hL

22 (25)

Para d = 1nm e y = 1microm LM = 14pHmicrom [141529] Como vF eacute a velocidade de Fermi

cujo valor eacute dado por 8x105 ms para o CNT o valor da indutacircncia cineacutetica eacute LK =

16nHmicrom [13-1635] Sabendo que cada CNT tem quatro canais condutores em paralelo

que natildeo interagem entre si a indutacircncia cineacutetica efetiva eacute dada por LK4 [13-15] Uma boa

aproximaccedilatildeo da indutacircncia total do CNT (LCNT) eacute 4 nHmicrom [15]

8

Por fim a capacitacircncia de um SWCNT isolado eacute constituiacuteda por duas partes que satildeo a

capacitacircncia eletrostaacutetica (CE) e a quacircntica (CQ) [13-1735] Essas capacitacircncias satildeo

calculadas pelas equaccedilotildees (26) e (27)

d

yCE

ln

2 (26)

F

Qhv

eC

22 (27)

A capacitacircncia eletrostaacutetica eacute influenciada pelo ambiente que a envolve que satildeo os seus

vizinhos e o plano ligado ao terra Considerando que o CNT eacute um fio com diacircmetro d =

1nm e a distacircncia y = 1microm obteacutem-se CE = 30 aFmicrom Jaacute a capacitacircncia quacircntica se refere agrave

influecircncia da energia quacircntica armazenada no nanotubo quando este carrega corrente O

valor da capacitacircncia eacute CQ = 100 aFmicrom [1314] Considerando os quatro canais condutores

descritos anteriormente a capacitacircncia total eacute dada por (28)

QE

QE

CNTCC

CCC

4

4

(28)

Assim o esquemaacutetico da interconexatildeo de um SWCNT isolado eacute mostrado na Figura 24

abaixo

Figura 24 ndash Modelo de interconexatildeo do SWCNT isolado (modificado de [33])

2132 Modelo de interconexatildeo do SWCNT bundle

O SWCNT bundle possui resistecircncia equivalente menor que o SWCNT isolado

caracteriacutestica necessaacuteria para alcanccedilar performances comparaacuteveis agraves interconexotildees de

9

cobre [13-2023252629-38] O SWCNT bundle eacute composto por vaacuterios SWCNTs

empacotados em paralelo Assume-se que todos os SWCNTs satildeo idecircnticos metaacutelicos e que

cada um tem o mesmo potencial [1737] Sabendo que d eacute o diacircmetro do nanotubo de

carbono e x eacute a distacircncia entre os centros de dois nanotubos adjacentes o SWCNT bundle

pode ser empacotado de forma densa se x = d ou de forma esparsa se x gt d [13-1529-

32] Sabe-se que entre os nanotubos existe uma separaccedilatildeo δmin devido agrave forccedila de Van der

Waals que eacute de pelo menos 032 nm entre cada nanotubo [13] como mostra a Figura 25

Figura 25 ndash Separaccedilatildeo miacutenima entre CNTs devido agrave forccedila de Van der Waals (modificado

de [13])

O nuacutemero de nanotubos de carbono nCNT disponiacutevel pode ser calculado pelas expressotildees

dadas em (29) e (210) [141530]

iacutemparnsen

nn

parnsen

nn

n

HH

HW

HH

HW

CNT

2

1

2

(29)

1

23

x

dtn

x

dwn HW (210)

Nas expressotildees acima w eacute a largura e t eacute a altura da interconexatildeo de SWCNT bundle

Assim nW eacute o nuacutemero de CNTs ao longo da largura do SWCNT bundle e nH eacute o nuacutemero de

CNTs ao longo da altura do SWCNT bundle [13-1530] A Figura 26 mostra esses valores

[13]

10

Figura 26 ndash Nuacutemero de CNTs ao longo da largura (nW) e da altura (nH) do CNT

bundle[13]

Na tecnologia de 22 nm considerando as dimensotildees de 22 nm de largura e 44 nm de altura

do SWCNT bundle [13173437] e a separaccedilatildeo entre cada nanotubo devido agrave forccedila de Van

der Waals a quantidade de SWCNTs eacute aproximadamente 600 Neste trabalho estas

consideraccedilotildees foram feitas e a tecnologia de 22 nm foi utilizada Esta tecnologia eacute prevista

pelo ITRS para o ano de 2016 [21]

As resistecircncias de cada SWCNT estatildeo em paralelo entre elas assim como as indutacircncias

Assim a resistecircncia e a indutacircncia do SWCNT bundle com nCNT SWCNTs satildeo calculados

respectivamente pelas expressotildees (211) e (212) [1323252629-3234]

CNT

CNTbundle

n

RR (211)

CNT

CNTbundle

n

LL (212)

Considerando que todos os SWCNTs estatildeo no mesmo potencial que os contatos entre

todos os nanotubos de carbono em um bundle satildeo idecircnticos e que cada SWCNT tem o

mesmo caminho meacutedio livre [13] eacute possiacutevel assumir que a interaccedilatildeo entre CNTs

adjacentes de um SWCNT bundle eacute fraca e que eles carregam correntes independentes

umas das outras [13-17]

A capacitacircncia do SWCNT bundle eacute obtida a partir da combinaccedilatildeo da capacitacircncia

quacircntica de todos os SWCNTs em paralelo chamada de capacitacircncia quacircntica bundle

(CQbundle

) que estaacute em seacuterie com a capacitacircncia eletrostaacutetica (CEbundle

) [13143539] A

capacitacircncia quacircntica e a capacitacircncia eletrostaacutetica satildeo calculadas pelas equaccedilotildees (213) e

(214) em que CEn e CEf satildeo as capacitacircncias de placas paralelas de CNTs isolados em

11

relaccedilatildeo aos vizinhos proacuteximos e afastados respectivamente [14293032] Assim a

capacitacircncia total do SWCNT bundle eacute obtida pela equaccedilatildeo (215)

CNT

CNT

Q

bundle

Q nCC (213)

En

HEf

WEn

bundle

E Cn

Cn

CC5

23

2

22

(214)

bundle

Q

bundle

E

bundle

Q

bundle

E

bundleCC

CCC

(215)

Analisando a equaccedilatildeo (215) o efeito da CQbundle

eacute pequeno para grandes valores de nCNT

sendo o valor da capacitacircncia do SWCNT bundle aproximadamente igual agrave sua

capacitacircncia eletrostaacutetica [13161719] Srivastava et al [13] mostra que os nanotubos no

interior do SWCNT bundle satildeo blindados eletrostaticamente dos condutores de terra

podendo ser desprezados Os CNTs de borda satildeo os principais contribuidores para a

capacitacircncia eletrostaacutetica do SWCNT bundle No entanto a equaccedilatildeo (214) natildeo reproduz

fielmente a realidade jaacute que considera a capacitacircncia eletrostaacutetica de todos os nanotubos e

natildeo soacute os CNTs de borda Segundo o mesmo autor para a tecnologia de 22 nm e uma

constante dieleacutetrica igual a 2 a capacitacircncia total do SWCNT bundle eacute aproximadamente

135 aFμm

2133 Modelo de interconexatildeo do cobre

As propriedades fiacutesicas de interconexotildees de cobre podem ser descritas por resistecircncia

capacitacircncia e indutacircncia [14-16] A resistecircncia do cobre pode ser calculada utilizando a

equaccedilatildeo (216)

tw

lRCu

(216)

em que l eacute o comprimento do cobre w eacute a sua largura t eacute a sua altura e ρ eacute a sua

resistividade A resistividade do cobre em escala nanomeacutetrica eacute moldada pela combinaccedilatildeo

dos fenocircmenos de espalhamento superficial e de espalhamento de contorno

[151627283340] Estes fenocircmenos correspondem aos paracircmetros ρFS e ρMS propostos

12

por Fuchs e Sondheimer (ρFS) e por Mayadas e Shatzkes (ρMS) [1516] Estes paracircmetros

satildeo calculados pelas expressotildees (217) (218) e (219)

)1(

4

31 p

w

o

o

FS

(217)

11ln33

2

31 22

MS

o (218)

)1( R

R

D

o

(219)

O paracircmetro ρo eacute a resistividade do material λo eacute o caminho meacutedio livre p eacute o paracircmetro

de espalhamento de Fuchs D eacute o tamanho meacutedio e R eacute o coeficiente de reflexatildeo no

contorno com valores entre 0 e 1 Assim tem-se que a resistecircncia do cobre em escala

nanomeacutetrica eacute dada pela equaccedilatildeo (220) [1516]

tw

lR MSFS

Cu

(220)

De acordo com [1433] o valor da resistividade do cobre na tecnologia de 22nm para

interconexotildees locais eacute dado por 4666 μΩ-cm No entanto este valor da resistividade do

cobre chega a 58 μΩ-cm para valores miacutenimos da largura do fio [1516203940] Neste

trabalho seraacute utilizado o valor de 58 μΩ-cm para a resistividade do cobre na tecnologia de

22 nm que vai ao encontro dos requerimentos do ITRS [21]

A indutacircncia proacutepria (L) e a muacutetua (M) da interconexatildeo de cobre em escala nanomeacutetrica

satildeo obtidas usando respectivamente as expressotildees (221) e (222)

l

tw

tw

llL o )(220

2

12ln

2

(221)

l

s

s

llM o 1

2ln

2

(222)

em que t eacute a altura do fio microo eacute a permeabilidade e s eacute o espaccedilamento entre os fios [14-16]

A indutacircncia total do cobre (LCu) eacute dada pela soma das indutacircncias proacutepria e muacutetua

13

A capacitacircncia da interconexatildeo de cobre eacute calculada pela soma da capacitacircncia de

acoplamento entre dois fios adjacentes (CC) e a capacitacircncia ligada ao plano do terra (Cg)

[14-16] Essas capacitacircncias podem ser obtidas pelas equaccedilotildees (223) e (224) [1541]

120760193

534511171

70222

ht

t

hs

s

hs

s

h

wCg (223)

181160141090

980871161

591740

062141

sh

h

sw

w

sw

w

sh

h

s

tCC (224)

em que s eacute o espaccedilamento entre dois fios adjacentes h eacute a distacircncia do fio em relaccedilatildeo ao

plano do terra e ε eacute a permissividade relativa para uma dada constante dieleacutetrica

Considerando as equaccedilotildees (223) e (224) e de acordo com [1321] para uma constante

dieleacutetrica igual a 2 o valor da capacitacircncia total do cobre (CCu) eacute aproximadamente 150

aFμm que seraacute utilizado neste trabalho

Os modelos em L em π e em T satildeo usados como modelos de interconexatildeo de cobre [11]

Como o modelo π eacute muito utilizado para uma linha distribuiacuteda [1416] este modelo seraacute

usado neste trabalho A Figura 27 mostra o modelo de interconexatildeo de cobre [11]

Figura 27 ndash Modelo de interconexatildeo de cobre

A precisatildeo do modelo eacute determinada pelo nuacutemero de seguimentos bdquoN‟ que ele possui Uma

cadeia com mais de trecircs segmentos em π fornece um erro menor que 3 [16] Neste

trabalho seratildeo utilizados trecircs segmentos em π

14

22 INVERSOR MONO-ELEacuteTRON

Os dispositivos de tunelamento mono-eleacutetron satildeo dispositivos nanoeletrocircnicos

potencialmente aplicaacuteveis em circuitos integrados em escala giga (GSI) e tera (TSI)

Apesar de apresentarem baixo ganho e alta impedacircncia de saiacuteda estes dispositivos

possuem tamanho reduzido e baixa dissipaccedilatildeo de potecircncia Estas caracteriacutesticas os tornam

atrativos em circuitos loacutegicos e circuitos de memoacuteria [1-10] Assim portas loacutegicas podem

ser implementadas utilizando dispositivos de tunelamento mono-eleacutetron [14-9]

As portas loacutegicas satildeo blocos de construccedilatildeo baacutesicos na eletrocircnica digital O inversor loacutegico

ou porta NOT eacute o principal elemento baacutesico no projeto de circuitos digitais [42] O

inversor inverte o sinal de entrada de valor loacutegico baixo ndash 0 ndash em um sinal de saiacuteda de

valor loacutegico alto ndash 1 ndash e vice-versa [442] Em outras palavras a porta NOT efetua a

negaccedilatildeo loacutegica O siacutembolo do inversor juntamente com sua tabela verdade estaacute ilustrado

na Figura 28

Figura 28 ndash Siacutembolo e tabela verdade da porta NOT

221 Dispositivo de tunelamento mono-eleacutetron

O funcionamento dos dispositivos de tunelamento mono-eleacutetron eacute baseado no controle do

movimento e da posiccedilatildeo de um uacutenico ou de um pequeno grupo de eleacutetrons no dispositivo

[17] Os seguintes conceitos satildeo essenciais na definiccedilatildeo desses dispositivos ilha junccedilatildeo-

tuacutenel tunelamento efeito de carregamento e bloqueio de Coulomb A partir desses

conceitos eacute possiacutevel definir o transistor mono-eleacutetron - SET (do inglecircs Single-electron

transistor) [24-8]

A ilha estaacute localizada entre duas paredes finas de um material normalmente isolante as

quais criam uma barreira de potencial de energia que impossibilita a movimentaccedilatildeo de

eleacutetrons pela ilha A Figura 29 mostra dois eletrodos A e B separados por uma barreira

15

isolante e no meio dessa barreira isolante encontra-se a ilha Se a energia dos eleacutetrons for

maior que a energia potencial das paredes das barreiras estes poderatildeo atravessaacute-las [6] No

dispositivo de tunelamento mono-eleacutetron o transporte de eleacutetrons entre o eletrodo A e a

ilha e entre a ilha e o eletrodo B ocorre por tunelamento mono-eleacutetron em que os eleacutetrons

atravessam as barreiras um de cada vez [10]

Figura 29 Dois eletrodos separados por uma ilha [10]

Esses dispositivos satildeo formados por junccedilotildees-tuacutenel que satildeo dois eletrodos metaacutelicos

separados por um isolante muito fino (barreira) o qual permite a passagem de eleacutetrons por

tunelamento [467] A Figura 210 ilustra a junccedilatildeo-tuacutenel e sua representaccedilatildeo simboacutelica Os

paracircmetros que caracterizam a junccedilatildeo-tuacutenel macroscopicamente satildeo a resistecircncia de

tunelamento (Rj) que depende da aacuterea e da espessura da barreira isolante e a capacitacircncia

(Cj) [10]

Figura 210 Esquemaacutetico da junccedilatildeo-tuacutenel [10]

O tunelamento eacute o transporte de partiacuteculas atraveacutes de uma regiatildeo em que a energia total de

uma partiacutecula pontual claacutessica eacute menor que a energia potencial da regiatildeo ou seja eacute o

transporte atraveacutes de uma regiatildeo classicamente proibida [10] O efeito de tunelamento

ocorre quando a barreira de potencial for suficientemente fina permitindo que o eleacutetron a

atravesse se houver niacutevel de energia desocupado do outro lado da barreira com o mesmo

valor de energia Esse fenocircmeno pode ser explicado pelo comportamento dual do eleacutetron

Diferentemente da mecacircnica claacutessica na teoria eletromagneacutetica quando uma partiacutecula

encontra uma barreira de potencial parte da onda eacute refletida e a outra parte eacute transmitida

para o outro lado da barreira [10] A teoria ortodoxa do tunelamento mono-eleacutetron eacute o

modelo mais utilizado para analisar o tunelamento [4-6] Proposto em 1987 por Averin e

Likharev [43] este modelo apresenta os seguintes postulados

16

Modelo de dimensatildeo zero as dimensotildees das ilhas satildeo despreziacuteveis

O evento de tunelamento eacute considerado instantacircneo

A redistribuiccedilatildeo das cargas apoacutes tunelamento tambeacutem eacute considerada instantacircnea

O espectro de energia em condutores e ilhas eacute considerado contiacutenuo ou seja a

quantizaccedilatildeo da energia do eleacutetron eacute ignorada dentro dos condutores

Apesar de a teoria ortodoxa assumir condiccedilotildees hipoteacuteticas ela continua sendo muito

utilizada em estudos do dispositivo mono-eleacutetron [4-6]

O efeito de carregamento ocorre quando os eleacutetrons estatildeo na iminecircncia de entrar em um

material condutor extremamente pequeno isolado eletricamente (ilha) Se houver um

eleacutetron na ilha o potencial eletrostaacutetico da ilha aumenta bastante sendo bem superior ao

ruiacutedo teacutermico em temperatura ambiente O fluxo de eleacutetrons na ilha eacute possiacutevel se o

potencial da ilha for controlado por uma fonte de tensatildeo externa Outros eleacutetrons satildeo

impedidos de entrar na ilha devido agrave repulsatildeo de Coulomb [14-9]

Assim o bloqueio de Coulomb ocorre quando um eleacutetron entra na ilha e impede o

tunelamento de outro eleacutetron nesta ilha No momento em que o eleacutetron entra na ilha a

energia eletrostaacutetica da ilha aumenta em Ce 22 em que CΣ eacute a soma das capacitacircncias

em torno da ilha [14] Dessa forma outro eleacutetron soacute conseguiraacute tunelar para dentro da ilha

se sua energia for maior que a energia eletrostaacutetica da ilha [6] A Figura 211 ilustra os

diagramas de energia no bloqueio de Coulomb e no caso de tunelamento [10]

(a) (b)

Figura 211 Diagramas de energia (a) Bloqueio de Coulomb (b) Tunelamento mono-

eleacutetron [10]

17

O bloqueio de Coulomb eacute superado ao se aplicar uma tensatildeo Vg ao circuito ateacute que esta

tensatildeo alcance um dado valor de limiar que forneceraacute energia suficiente para que ocorra o

tunelamento de um eleacutetron Assim haveraacute o fluxo de eleacutetrons havendo corrente A Figura

212 mostra a regiatildeo do bloqueio de Coulomb ao aplicar uma tensatildeo Vg ao circuito em que

Vc eacute a tensatildeo de limiar chamada de tensatildeo de bloqueio de Coulomb [5-10]

Figura 212 Caracteriacutestica do bloqueio de Coulomb [10]

Nesse contexto duas condiccedilotildees satildeo necessaacuterias para garantir que o transporte de eleacutetrons

seja controlado pelo efeito de carregamento a condiccedilatildeo para a resistecircncia de tunelamento

dada pela equaccedilatildeo (225) [1] em que a natureza corpuscular do eleacutetron predomina sobre a

natureza ondulatoacuteria e a energia eletrostaacutetica (EC) associada a uma dada temperatura (T)

deve ser significativamente maior que as flutuaccedilotildees teacutermicas existentes agravequela

temperatura como descrita na equaccedilatildeo (226) [146-9] Os paracircmetros h eacute a constante de

Planck e eacute a carga do eleacutetron kB eacute a constante de Boltzmann e C eacute capacitacircncia Na

equaccedilatildeo (226) a temperatura deve ser maior que 0K [10]

kRe

hR TT 825

2 (225)

TkC

eTkEc BB

2

2

(226)

A partir dos conceitos apresentados pode-se definir o transistor mono-eleacutetron O SET

ilustrado na Figura 213 [10] eacute composto por duas junccedilotildees-tuacutenel em seacuterie formando uma

ilha entre as junccedilotildees [246-9] Os paracircmetros R1 C1 e R2 C2 correspondem agraves

resistecircncias e capacitacircncias da primeira e da segunda junccedilatildeo-tuacutenel respectivamente A

tensatildeo de porta Vg controla a energia eletrostaacutetica da ilha atraveacutes da capacitacircncia Cg

18

Quando haacute carregamento por tunelamento de uma junccedilatildeo e descarregamento da outra

junccedilatildeo haacute um fluxo controlado de cargas o que gera a corrente I [10]

Figura 213 Transistor mono-eleacutetron [10]

Um efeito que pode ser observado na caracteriacutestica da corrente versus tensatildeo do transistor

mono-eleacutetron eacute chamado de oscilaccedilatildeo de Coulomb [24679] Se a tensatildeo V for mantida

constante com CeV e a tensatildeo Vg for aumentada ateacute atingir gg CeV 2 esse

valor de tensatildeo permitiraacute que um eleacutetron passe pela ilha Como soacute haveraacute corrente fluindo

no circuito em valores muacuteltiplos da tensatildeo gCe 2 soacute ocorreraacute o tunelamento novamente

quando )2(3 gg CeV A caracteriacutestica corrente (I) versus tensatildeo (Vg) do transistor

mono-eleacutetron eacute ilustrada na Figura 214 [10]

Figura 214 Caracteriacutestica corrente (I) versus tensatildeo (Vg) do transistor mono-eleacutetron [10]

222 Estrutura do inversor mono-eleacutetron

Um inversor pode ser construiacutedo colocando-se dois SETs em seacuterie os quais compartilham

da mesma entrada [5689] conforme mostrado na Figura 215 Vin eacute a tensatildeo de entrada

Vout eacute a tensatildeo de saiacuteda Vbias eacute a tensatildeo de polarizaccedilatildeo CC eacute a capacitacircncia de carga Cg1 e

Cg2 satildeo as capacitacircncias de porta do SET 1 e do SET 2 respectivamente

19

Figura 215 Esquemaacutetico do inversor utilizando SETs (modificado de [4])

Alguns modelos do SET desenvolvidos no software SPICE foram propostos na literatura

[4-7] Destes modelos o proposto por G Lientschnig et al [4] descreve a implementaccedilatildeo

completa da teoria ortodoxa e usa apenas os recursos em versotildees disponiacuteveis publicamente

do software SPICE Este modelo diferentemente dos modelos propostos em [5-7] natildeo estaacute

limitado a transistores mono-eleacutetron com junccedilotildees-tuacutenel que tecircm resistecircncias iguais Aleacutem

disso pode ser estendido para incluir um nuacutemero arbitraacuterio de estados de carga que

permite simulaccedilotildees definidas para altas temperaturas e tensotildees de polarizaccedilatildeo [4] O

modelo de G Lientschnig et al estaacute disponiacutevel no siacutetio eletrocircnico [44] Assim este foi o

modelo utilizado neste trabalho

23 CLOCKING DE SISTEMAS DE ALTA VELOCIDADE

Em sistemas digitais siacutencronos o sinal do clock eacute utilizado para definir uma referecircncia de

tempo agrave mudanccedila de dados dentro do sistema [1145] Assim a distribuiccedilatildeo do clock eacute de

suma importacircncia na operaccedilatildeo de circuitos integrados digitais sendo uma grande

preocupaccedilatildeo em circuitos integrados de alta velocidade [46-51] Circuitos em escala

nanomeacutetrica podem ser significativamente limitados devido ao clock skew que ocorre

quando os circuitos natildeo estatildeo equumlidistantes do sinal do clock [11454649-51] Como este

sinal eacute o sinal mais ativo em um chip pode resultar em elevado consumo de potecircncia e

grandes densidades de corrente na rede de interconexotildees do clock [454849]

Dessa forma o sinal do clock deve atingir ao mesmo tempo cada noacute para garantir que a

comutaccedilatildeo seja sincronizada bem como deve ser distribuiacutedo de forma que haja o menor

20

atraso possiacutevel [49] Com esse intuito os seguintes fatores entre outros satildeo fundamentais

no desempenho do clock dispositivos loacutegicos de tecnologia raacutepida (avanccedilada) rede de

distribuiccedilatildeo de clock que minimize o skew e interconexotildees com alto desempenho [11]

Conforme exposto anteriormente os dispositivos nanoeletrocircnicos como os transistores

mono-eleacutetron satildeo potencialmente aplicaacuteveis em circuitos integrados em escala giga (GSI)

e tera (TSI) Estes dispositivos permitem que as funccedilotildees loacutegicas sejam desempenhadas em

um tempo mais raacutepido e com menor atraso Assim satildeo fortes candidatos a serem utilizados

em circuitos integrados com clock

A adequada rede de distribuiccedilatildeo do clock assegura que a comutaccedilatildeo seja sincronizada e

que haja o menor atraso possiacutevel [1145] Aleacutem disso dependendo da arquitetura da rede o

niacutevel de sincronismo do sistema pode aumentar Diferentes tipos de abordagens tecircm sido

desenvolvidos para projetar a rede de distribuiccedilatildeo do clock em sistemas digitais de

circuitos integrados [45] Os buffered trees satildeo muito utilizados na distribuiccedilatildeo

equipotencial do clock Aleacutem dessas estruturas assimeacutetricas arquiteturas simeacutetricas como

o H-tree satildeo usadas para distribuir sinais de clock em alta velocidade podendo inclusive

ser projetadas com buffers [45-51] Algumas formas de rede de distribuiccedilatildeo do clock estatildeo

ilustradas na Figura 216 incluindo a trunk tree mesh e H-tree [45]

Figura 216 Estruturas comuns de redes de distribuiccedilatildeo de clock [45]

21

Atualmente as interconexotildees de cobre satildeo bastante utilizadas para circuitos de alto

desempenho como em redes de clock No entanto os CNTs apresentam caracteriacutesticas que

os tornam melhores para serem utilizados em interconexotildees descritas na subseccedilatildeo 221

[48] Neste trabalho seraacute realizada a comparaccedilatildeo entre interconexotildees de cobre e de CNT

na rede de distribuiccedilatildeo do H-tree clock

231 H-Tree Clock

O clock skew pode ser minimizado distribuindo-se o sinal do clock de forma que as

interconexotildees que levam o sinal aos circuitos loacutegicos tecircm o mesmo comprimento Se antes

de chegarem aos circuitos loacutegicos os sinais do clock forem igualmente atrasados eles

estaratildeo perfeitamente sincronizados [1145] Dessa forma o esquemaacutetico da Figura 217 de

distribuiccedilatildeo do clock minimiza o clock skew repetindo recursivamente uma estrutura em

forma de H [11] A Figura 217 ilustra uma rede H-tree simeacutetrica com trecircs niacuteveis [46]

Figura 217 Esquemaacutetico do H-tree clock simeacutetrico (modificado de [46])

Na estrutura do H-tree o condutor primaacuterio do clock estaacute ligado ao centro do H principal

(1ordm niacutevel) transmitindo o sinal para os quatro cantos deste H Esses quatro cantos satildeo as

entradas para o proacuteximo niacutevel do H-tree o 2ordm niacutevel que possui quatro estruturas em H O

processo de distribuiccedilatildeo continua por vaacuterios niacuteveis de H‟s cada vez menores Os pontos de

destino final do H-tree satildeo usados para conduzir os circuitos locais Assim cada caminho

do clock desde a fonte ateacute o circuito local possui praticamente o mesmo atraso [45]

22

24 MEDIDAS DE DESEMPENHO NA ANAacuteLISE DAS INTERCONEXOtildeES

As interconexotildees em circuitos integrados possuem caracteriacutesticas que modificam o sinal de

entrada O efeito das interconexotildees pode provocar atrasos e distorccedilotildees indesejaacuteveis Nesse

contexto eacute necessaacuterio analisar medidas de desempenho dos sinais sob efeito das

interconexotildees tais como velocidade maacutexima atenuaccedilatildeo tempo de atraso potecircncia

dissipada produto atraso-potecircncia e slew rate [111317202342]

241 Velocidade maacutexima - anaacutelise na frequumlecircncia

A velocidade maacutexima que as interconexotildees podem operar sem distorcer o sinal de entrada

eacute uma medida de desempenho importante [172023] Eacute possiacutevel analisar este paracircmetro

atraveacutes da frequumlecircncia maacutexima de operaccedilatildeo da interconexatildeo que eacute a largura de banda em

que o sinal comeccedila a decair em -3dB em relaccedilatildeo ao sinal de referecircncia [1742] Assim

utiliza-se a anaacutelise do moacutedulo do graacutefico de Bode para obter a frequumlecircncia de operaccedilatildeo em

-3dB [42] A Figura 218 mostra o esboccedilo do moacutedulo do ganho pela frequumlecircncia tiacutepico do

comportamento de interconexotildees

Figura 218 Graacutefico do moacutedulo do ganho pela frequumlecircncia tiacutepico do comportamento de

interconexotildees

23

242 Atenuaccedilatildeo

A transmissatildeo de um sinal pode ser expressa em funccedilatildeo do seu ganho ou da sua atenuaccedilatildeo

No caso em estudo as interconexotildees podem atenuar o sinal Essa atenuaccedilatildeo eacute geralmente

calculada pela expressatildeo (227) em que Vo eacute o sinal de saiacuteda e Vi eacute o sinal de entrada [42]

i

o

V

VA log20 (227)

243 Tempo de atraso

O tempo de atraso td ou atraso na propagaccedilatildeo ocorre devido ao

carregamentodescarregamento da capacitacircncia de carga bem como ao tempo de

chaveamento dos transistores [42]

O tempo de atraso eacute obtido pela diferenccedila entre o tempo medido a 50 da transiccedilatildeo dos

sinais de entrada e de saiacuteda [11] Em circuitos loacutegicos o atraso na propagaccedilatildeo pode ser

calculado pela meacutedia aritmeacutetica do tempo de propagaccedilatildeo do sinal de alto para baixo tPHL e

do tempo de propagaccedilatildeo do baixo para alto tPLH conforme equaccedilatildeo (228) [1142]

2

PLHPHLd

ttt

(228)

244 Potecircncia dissipada

A dissipaccedilatildeo de potecircncia eacute outra medida de desempenho bastante importante em circuitos

integrados em escala GSI e TSI Isso ocorre jaacute que ao aumentar o nuacutemero de portas

loacutegicas em uma determinada aacuterea ocupada eacute necessaacuterio que a dissipaccedilatildeo de potecircncia esteja

dentro de limites aceitaacuteveis [1142]

A dissipaccedilatildeo de potecircncia eacute composta por dois componentes potecircncia estaacutetica e potecircncia

dinacircmica A dissipaccedilatildeo de potecircncia estaacutetica eacute dada por IVP DDE e ocorre mesmo que

natildeo haja chaveamento de porta loacutegica no circuito devido ao efeito da resistecircncia do

circuito [42] A dissipaccedilatildeo de potecircncia dinacircmica eacute devido agrave capacitacircncia de carga do

24

circuito expressa por CVfP DDD 2 em que VDD eacute a tensatildeo de alimentaccedilatildeo f eacute

frequumlecircncia do circuito e C eacute a capacitacircncia de carga do circuito [1142] Assim a soma da

potecircncia dinacircmica e da potecircncia estaacutetica resulta na potecircncia total dissipada no circuito

245 Produto atraso-potecircncia

Em circuitos integrados o ideal eacute que se tenha baixo atraso na propagaccedilatildeo resultando em

uma maior velocidade de funcionamento do circuito bem como baixa dissipaccedilatildeo de

potecircncia No entanto essas duas exigecircncias satildeo conflitantes ao reduzirmos a dissipaccedilatildeo de

potecircncia de uma porta a capacidade da porta em fornecer corrente diminuiraacute isso

implicaraacute em um maior tempo de carga e descarga aumentando o atraso na propagaccedilatildeo

Assim o produto atraso-potecircncia (delay power product ndash DP) eacute uma medida de

desempenho bastante utilizada na anaacutelise de circuitos e eacute dado por dD tPDP Quanto

menor o produto atraso-potecircncia maior a eficiecircncia do circuito loacutegico [42]

246 Slew rate

A taxa maacutexima de variaccedilatildeo da tensatildeo de saiacuteda do inglecircs slew rate (SR) eacute uma

caracteriacutestica importante do sinal de saiacuteda de um circuito loacutegico A limitaccedilatildeo na taxa de

variaccedilatildeo pode provocar uma distorccedilatildeo no funcionamento do circuito O SR pode ser

calculado pela expressatildeo (229) em que Δv eacute a variaccedilatildeo da tensatildeo de saiacuteda do sinal para

uma determinada variaccedilatildeo de tempo Δt [42]

t

vSR

(229)

25 LTSPICE

O software LTSPICE eacute um simulador SPICE de alto desempenho orientado a

esquemaacuteticos e visualizador de formas de onda com modelos para facilitar a simulaccedilatildeo de

circuitos eletrocircnicos Se comparado aos outros simuladores SPICE a simulaccedilatildeo do

LTSPICE eacute bastante raacutepida O software consegue simular dispositivos de acordo com o

padratildeo industrial reproduzindo os seus comportamentos [52]

25

O LTSPICE possui vaacuterias possibilidades de simulaccedilatildeo como anaacutelise transiente anaacutelise AC

e anaacutelise DC bem como permite a simulaccedilatildeo de vaacuterios dispositivos disponiacuteveis na sua

biblioteca Aleacutem disso este software possibilita a elaboraccedilatildeo de novos esquemaacuteticos

atraveacutes de um modelo matemaacutetico ou eletrocircnico proposto O novo componente poderaacute ser

utilizado no circuito conforme seraacute feito neste trabalho utilizando-se o modelo SPICE do

SET proposto por G Lientschnig et al[4]

26

3 METODOLOGIA

31 INTRODUCcedilAtildeO

A miniaturizaccedilatildeo das interconexotildees prejudica o seu desempenho resultando no aumento

significativo do valor da resistividade da capacitacircncia de acoplamento entre vias na

dificuldade de controlar a razatildeo entre a altura e a largura do material entre outros

problemas A fim de analisar o desempenho das interconexotildees eacute necessaacuterio verificar

algumas variaacuteveis importantes como velocidade maacutexima (f-3dB) atenuaccedilatildeo (A) tempo de

atraso (td) potecircncia dissipada (P) produto atraso-potecircncia (DP) e slew rate (SR)

[111317202342]

32 ETAPAS E ESTRATEacuteGIAS ADOTADAS

Com o intuito de analisar o efeito das interconexotildees em circuitos com transistores mono-

eleacutetron foi realizada primeiramente a anaacutelise das interconexotildees de SWCNT de SWCNT

bundle e de cobre isoladamente para diferentes valores de comprimento Apoacutes a avaliaccedilatildeo

desses resultados o efeito das interconexotildees foi analisado no H-tree clock com inversores

mono-eleacutetron nos seus terminais tambeacutem considerando diferentes comprimentos Neste

trabalho a tecnologia de 22 nm prevista para o ano de 2016 [21] foi utilizada na

comparaccedilatildeo entre o desempenho do cobre e do CNT Todas as simulaccedilotildees foram realizadas

utilizando o software LTSPICE

321 Simulaccedilatildeo das interconexotildees

A partir dos modelos das interconexotildees de SWCNT SWCNT bundle e cobre apresentados

na subseccedilatildeo 213 diferentes comprimentos das interconexotildees foram simulados Assim

analisou-se as interconexotildees locais em que l le 1 μm e as intermediaacuterias em que 1 μm lt l

le 500 μm sabendo que l eacute o comprimento da interconexatildeo [29-31333638]

A fim de analisar a frequumlecircncia de corte este foi obtido para comprimentos de

interconexotildees locais (10nm 100nm 200nm 300nm 400nm 500nm 600nm 700nm

27

800nm 900nm 1μm) e interconexotildees intermediaacuterias (10μm 100μm 200μm 300μm

400μm 500μm)

Jaacute que λCNT eacute tipicamente 1 μm foram escolhidos trecircs comprimentos na faixa lCNT le λCNT

(10 nm 100 nm e 1 μm) e trecircs comprimentos na faixa lCNT gt λCNT (10 μm 100 μm 500

μm) para serem analisados detalhadamente Escolheu-se uma mesma frequecircncia abaixo da

frequecircncia de corte dos trecircs materiais considerados para analisar e comparar a atenuaccedilatildeo

(A) e o tempo de atraso na propagaccedilatildeo (td) dos diferentes comprimentos

Em seguida o mesmo procedimento foi feito para comparar somente o SWCNT bundle e o

cobre para uma mesma frequecircncia cujo valor eacute maior que a frequecircncia da anaacutelise anterior

permitindo que estes dois materiais sejam analisados detalhadamente

Essas anaacutelises foram realizadas a partir da simulaccedilatildeo do circuito da Figura 31 [2325] A

tensatildeo de entrada Vin eacute uma onda quadrada de 1V de amplitude e o capacitor de carga tem

o valor de 100 aF

Figura 31 ndash Circuito simulado para cada interconexatildeo

A Figura 32 mostra o fluxograma das etapas descritas nesta subseccedilatildeo 321

28

Figura 32 ndash Fluxograma das etapas seguidas na simulaccedilatildeo das interconexotildees

322 Simulaccedilatildeo do inversor mono-eleacutetron

Para utilizar a porta inversora da Figura 215 nos terminais do H-tree clock foi necessaacuterio

primeiramente simular o SET proposto por [4] Essa simulaccedilatildeo foi feita variando os

paracircmetros do SET como as resistecircncias e capacitacircncias das junccedilotildees as capacitacircncias de

porta a temperatura etc Os paracircmetros foram variados ateacute simular o SET a temperatura

de 300K Em seguida simulou-se a inversora da Figura 215 tambeacutem a temperatura

ambiente Dessa forma foi possiacutevel simular a inversora isoladamente obtendo as

caracteriacutesticas do sinal de saiacuteda

323 Simulaccedilatildeo do H-tree clock mono-eleacutetron

Apoacutes a simulaccedilatildeo do SET foi possiacutevel simular o H-tree clock A rede H-tree de dois niacuteveis

foi simulada com um H no primeiro niacutevel e quatro H‟s no segundo niacutevel [49] Nos pontos

de destino final da rede foram colocadas portas inversoras formadas por SETs permitindo

a anaacutelise de circuitos nanoeletrocircnicos

Modelos de SWCNT

SWCNT bundle e cobre

Obtenccedilatildeo dos paracircmetros dos modelos para

interconexotildees locais e interconexotildees intermediaacuterias

Para cada comprimento

obtenccedilatildeo de f-3dB

1ordm) Escolha de frequumlecircncia abaixo

da f-3dB do SWCNT SWCNT

bundle e cobre

2ordm) Escolha de frequumlecircncia abaixo

da f-3dB do SWCNT bundle e

cobre

Obtenccedilatildeo de A e td de

cada modelo

Obtenccedilatildeo de A e td de

cada modelo

Anaacutelise comparativa entre o

SWCNT SWCNT bundle e

cobre

Anaacutelise comparativa entre o

SWCNT bundle e cobre

Estudo de interconexotildees locais (10nm

100nm 1μm) e intermediaacuterias (10μm

100μm 500μm)

29

A partir da simulaccedilatildeo do H-tree clock obteve-se a frequecircncia em -3dB (f-3dB) da rede com

interconexotildees ideais Assim a rede H-tree foi entatildeo simulada para duas frequecircncias

diferentes do sinal de entrada abaixo da frequecircncia de -3dB 10 GHz e 100 GHz Com

essas simulaccedilotildees obtiveram-se as seguintes caracteriacutesticas do sinal de saiacuteda da inversora

niacutevel loacutegico baixo (NB) niacutevel loacutegico alto (NA) tempo de subida (tr) slew rate de subida

(SR) atenuaccedilatildeo (A) tempo de atraso (td) potecircncia dissipada (P) e produto atraso-potecircncia

(DP) As caracteriacutesticas obtidas servem como referecircncia para analisar o sinal considerando

interconexotildees natildeo-ideais ou seja incluindo os modelos das interconexotildees nas simulaccedilotildees

Em seguida a rede H-tree foi simulada considerando-se os modelos das interconexotildees de

SWCNT bundle e de cobre variando os seus comprimentos Como cada H da rede de

distribuiccedilatildeo deve ser simeacutetrico considerou-se que cada divisatildeo do H tem o mesmo

comprimento para cada niacutevel da rede [11] A Figura 33 mostra o comprimento dos

diferentes trechos da rede Assim o comprimento de cada divisatildeo dos H‟s do segundo

niacutevel eacute a metade do comprimento de cada divisatildeo do H do primeiro niacutevel Jaacute que o objetivo

eacute simular circuitos em escala nanomeacutetrica escolheu-se trecircs variaccedilotildees de comprimento

menores ou iguais a 1μm

l = 100 nm l2 = 50 nm

l = 400 nm l2 = 200 nm

l = 1 μm l2 = 500 nm

Figura 33 ndash Esquemaacutetico do H-tree clock com os comprimentos de cada seguimento

Dessa forma cada um dos trecircs circuitos foi simulado obtendo-se a frequecircncia em -3dB na

entrada das portas inversoras Em seguida as trecircs redes foram simuladas para as mesmas

30

duas frequumlecircncias do sinal de entrada (10 GHz e 100 GHz) de forma a obter as

caracteriacutesticas do sinal de saiacuteda descritas anteriormente considerando agora o efeito das

interconexotildees

Por fim a partir dos dados obtidos foram realizadas comparaccedilotildees entre as caracteriacutesticas

do sinal de saiacuteda de referecircncia (interconexotildees ideais) e o sinal de saiacuteda dos circuitos com as

interconexotildees natildeo-ideais bem como entre o comportamento das interconexotildees de SWCNT

bundle e de cobre nas diferentes frequecircncias

A Figura 34 mostra o fluxograma das etapas descritas nas subseccedilotildees 322 e 323

Figura 34 ndash Fluxograma das etapas seguidas na simulaccedilatildeo do H-tree clock

H-tree clock mono-eleacutetron

Simulaccedilatildeo do H-tree clock com

interconexotildees ideais Obtenccedilatildeo de f-3dB

da inversora

Simulaccedilatildeo do H-tree clock com

interconexotildees natildeo-ideais para os seguintes

comprimentos

l = 100 nm l2 = 50 nm

l = 400 nm l2 = 200 nm

l = 1 μm l2 = 500 nm

Validaccedilatildeo do SET e do

inversor mono-eleacutetron a

300K

Sinal de entrada a

10 GHz

Sinal de entrada a

100 GHz

Obtenccedilatildeo de NB

NA tr SR A td P e

DP do sinal de saiacuteda

da inversora

Obtenccedilatildeo de NB

NA tr SR A td P e

DP do sinal de saiacuteda

da inversora

Sinal de entrada a

10 GHz

Sinal de entrada a

100 GHz

Obtenccedilatildeo de NB

NA tr SR A td P e

DP do sinal de saiacuteda

da inversora

Obtenccedilatildeo de NB

NA tr SR A td P e

DP do sinal de saiacuteda

da inversora

Anaacutelise comparativa

dos dados obtidos

31

4 RESULTADOS E ANAacuteLISES

41 INTRODUCcedilAtildeO

Neste capiacutetulo seratildeo apresentados os procedimentos adotados e os resultados obtidos na

simulaccedilatildeo das interconexotildees SWCNT SWCNT bundle e cobre As etapas descritas na

metodologia foram seguidas obtendo-se os resultados das simulaccedilotildees das interconexotildees e

das simulaccedilotildees do H-tree clock mono-eleacutetron para interconexotildees ideais e natildeo-ideais A

partir dos resultados a anaacutelise do desempenho das interconexotildees seraacute apresentada

42 ANAacuteLISE DAS INTERCONEXOtildeES

Nesta seccedilatildeo a anaacutelise das interconexotildees de SWCNT SWCNT bundle e cobre na

tecnologia de 22 nm para diferentes comprimentos seraacute realizada Para isso analisou-se

as interconexotildees locais em que l le 1 μm e as intermediaacuterias em que 1 μm lt l le 500 μm

sabendo que l eacute o comprimento da interconexatildeo [29-31333638] Como λCNT eacute

tipicamente 1 μm trecircs comprimentos na faixa lCNT le λCNT (10 nm 100 nm e 1 μm) e trecircs

comprimentos na faixa lCNT gt λCNT (10 μm 100 μm 500 μm) de cada material seratildeo

analisados detalhadamente Os paracircmetros obtidos a partir dos modelos de SWCNT

SWCNT bundle e cobre estatildeo respectivamente nas Tabelas 71 72 e 73 do Apecircndice

421 Interconexotildees locais

Primeiramente a partir da simulaccedilatildeo da Figura 31 obteve-se a frequecircncia em -3dB (f-3dB)

das interconexotildees locais (lCNT le λCNT ) isto eacute a sua banda passante de forma a verificar a

velocidade maacutexima que cada interconexatildeo suporta A Figura 41 ilustra o comportamento

da frequecircncia das interconexotildees locais para os diferentes comprimentos Como o SWCNT

isolado possui valores de frequecircncia na faixa de centenas de giga Hertz ou seja menos de

um tera Hertz os valores de suas frequecircncias tambeacutem podem ser visualisados na Tabela

74 do Apecircndice

Verifica-se que agrave medida que o comprimento da interconexatildeo aumenta a frequecircncia

diminui Isso ocorre jaacute que os valores da capacitacircncia e indutacircncia aumentam com o

aumento do comprimento da interconexatildeo Esses paracircmetros satildeo decisivos no sinal de

32

saiacuteda sendo o sinal mais distorcido quanto maior for o valor desses paracircmetros Observa-

se que o SWCNT bundle e o cobre possuem banda passante maiores que o SWCNT

isolado para qualquer comprimento Aleacutem disso o SWCNT bundle soacute possui uma banda

passante comparaacutevel ao do cobre para comprimentos acima de 700 nm

Frequecircncia X Comprimento

0

10

20

30

40

50

60

100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

Comprimento (nm)

f -3d

B (

TH

z)

SWCNT Isolado

SWCNT bundle

Cobre

Figura 41 ndash Frequumlecircncia versus comprimento das interconexotildees locais

As interconexotildees locais de 10 nm 100 nm e 1 μm de comprimento foram analisadas

detalhadamente A Tabela 41 mostra a frequecircncia em -3dB de cada material para os

comprimentos em anaacutelise

Tabela 41 Frequecircncia em -3dB de cada material para lCNT le λCNT

Interconexatildeo Local Comprimento (L) Material f-3dB

SWCNT isolado 253 GHz

10nm SWCNT bundle 66 THz

Cobre 232 THz

SWCNT isolado 300 GHz

lCNT le λCNT 100nm SWCNT bundle 20 THz

Cobre 51 THz

SWCNT isolado 230 GHz

1microm SWCNT bundle 47 THz

Cobre 42 THz

Assim escolheu-se uma mesma frequecircncia abaixo da frequecircncia de corte dos trecircs

materiais considerados para analisar e comparar a atenuaccedilatildeo (A) e o tempo de atraso na

propagaccedilatildeo (td) dos trecircs comprimentos Isso permite verificar o comportamento do sinal na

banda passante A Tabela 42 mostra esse estudo comparativo entre o SWCNT isolado

SWCNT bundle e cobre agrave frequecircncia de 200 GHz

33

Tabela 42 Estudo das interconexotildees com comprimentos na faixa lCNT le λCNT

Freq L Material A (dB) td (ps)

SWCNT isolado -210 046

10nm SWCNT bundle 001 000

Cobre 000 000

SWCNT isolado -155 051

200 GHz 100nm SWCNT bundle 001 000

Cobre 001 000

SWCNT isolado -039 107

1microm SWCNT bundle 006 001

Cobre 000 007

A partir da anaacutelise da Tabela 42 eacute possiacutevel observar agrave frequumlecircncia de 200 GHz a

atenuaccedilatildeo do sinal e o atraso do SWCNT isolado Nessa frequumlecircncia o atraso do SWCNT

isolado eacute significativo em relaccedilatildeo ao periacuteodo do sinal que eacute 5ps jaacute que o menor atraso

(para l = 10nm) eacute aproximadamente 10 do periacuteodo do sinal de entrada No entanto para

esta mesma frequumlecircncia observa-se que a atenuaccedilatildeo e o atraso do SWCNT bundle e do

cobre satildeo insignificantes Isto indica que estes dois materiais possuem melhor

desempenho sendo favoraacuteveis para serem utilizados em interconexotildees locais

Dessa forma para analisar melhor a atenuaccedilatildeo e o tempo de atraso do SWCNT bundle e do

cobre o mesmo procedimento foi feito comparando-se somente estes dois materiais para

uma mesma frequecircncia de 1 THz A Tabela 43 mostra esse estudo comparativo entre o

SWCNT bundle e cobre

Tabela 43 Estudo das interconexotildees SWCNT bundle e cobre com comprimentos na faixa

lCNT le λCNT

Freq L Material A (dB) td (fs)

10nm SWCNT bundle 001 113

Cobre 000 022

1 THz 100nm SWCNT bundle 006 136

Cobre 001 240

1microm SWCNT bundle 145 647

Cobre -013 5623

Analisando a Tabela 43 observa-se que agrave frequumlecircncia de 1 THz a atenuaccedilatildeo do sinal e o

atraso aumentam agrave medida que o comprimento das interconexotildees aumentam A partir do

comprimento de 100nm o tempo de atraso da interconexatildeo de cobre eacute maior que o do

SWCNT bundle cujo maior valor de atraso (para l = 1microm) natildeo chega a 1 do periacuteodo do

34

sinal de entrada (1ps) Isso mostra que apesar de a banda passante do cobre ser maior o

atraso do SWCNT bundle eacute menor Dessa forma para as interconexotildees locais o SWCNT

bundle possui desempenho comparaacutevel ao do cobre [13]

Em relaccedilatildeo agrave atenuaccedilatildeo verifica-se que para alguns comprimentos este tem valor

positivo Isso ocorre principalmente quando haacute um pico no graacutefico da frequumlecircncia antes dele

comeccedilar a decair Esse pico eacute devido ao efeito ressonante provocado pela indutacircncia

quando este possui valor comparaacutevel agrave resistecircncia e agrave capacitacircncia da interconexatildeo [53]

Assim esse efeito ressonante foi observado somente nas interconexotildees locais de SWCNT

bundle e de cobre A Figura 42 ilustra o graacutefico da magnitude pela frequumlecircncia do SWCNT

isolado SWCNT bundle e cobre para o comprimento de 100nm Observa-se o efeito

ressonante nos graacuteficos do SWCNT bundle e do cobre

Figura 42 ndash Graacuteficos da magnitude das interconexotildees de SWCNT isolado (superior)

SWCNT bundle (meio) e cobre (inferior) com comprimento de 100nm

35

422 Interconexotildees intermediaacuterias

Assim como para as interconexotildees locais obteve-se a frequecircncia em -3dB (f-3dB) das

interconexotildees intermediaacuterias (lCNT gt λCNT) de forma a verificar a velocidade maacutexima que

cada interconexatildeo suporta A Figura 43 ilustra o comportamento da frequecircncia das

interconexotildees intermediaacuterias para os diferentes comprimentos Os valores das frequecircncias

de cada interconexatildeo tambeacutem podem ser visualisados na Tabela 75 do Apecircndice

Como nas interconexotildees locais agrave medida que o comprimento da interconexatildeo aumenta a

frequecircncia diminui Aleacutem disso o SWCNT bundle e o cobre possuem desempenho melhor

que o do SWCNT isolado para qualquer comprimento No entanto para interconexotildees

intermediaacuterias o SWCNT bundle possui banda passante maior que a do cobre para

qualquer comprimento

Frequecircncia X Comprimento

00

05

10

15

20

25

30

35

40

45

100 200 300 400 500

Comprimento (μm)

f -3d

B (

GH

z)

SWCNT isolado

SWCNT bundle

Cobre

Figura 43 ndash Frequumlecircncia versus comprimento das interconexotildees intermediaacuterias

As interconexotildees intermediaacuterias de 10 μm 100 μm e 500 μm de comprimento foram entatildeo

analisadas detalhadamente A Tabela 44 mostra a frequecircncia em -3dB de cada materal

para os diferentes comprimentos em anaacutelise

36

Tabela 44 Frequecircncia em -3dB de cada material para lCNT gt λCNT

Interconexatildeo

Intermediaacuteria

Comprimento (L) Material f-3dB

SWCNT isolado 26 GHz

10 microm SWCNT bundle 527 GHz

Cobre 34 GHz

SWCNT isolado 32 MHz

lCNT gt λCNT 100 microm SWCNT bundle 42 GHz

Cobre 345 MHz

SWCNT isolado 13 MHz

500 microm SWCNT bundle 165 MHz

Cobre 14 MHz

Escolheu-se a frequecircncia de 1 MHz que estaacute abaixo da frequecircncia de corte dos trecircs

materiais considerados para analisar e comparar a atenuaccedilatildeo (A) e o tempo de atraso na

propagaccedilatildeo (td) dos trecircs comprimentos A Tabela 45 mostra esse estudo comparativo entre

o SWCNT isolado SWCNT bundle e cobre

Tabela 45 Estudo das interconexotildees com comprimentos na faixa lCNT gt λCNT

Freq L Material A (dB) td (ns)

SWCNT isolado -002 008

10 microm SWCNT bundle 000 000

Cobre 000 000

SWCNT isolado -003 559

1 MHz 100 microm SWCNT bundle -001 005

Cobre -004 056

SWCNT isolado -198 10217

500 microm SWCNT bundle 000 110

Cobre -003 1301

Com base na Tabela 45 observa-se que a atenuaccedilatildeo e o tempo de atraso do SWCNT

isolado aumentam com o aumento do comprimento da interconexatildeo Nessa frequumlecircncia o

atraso na propagaccedilatildeo do SWCNT isolado eacute significativo em relaccedilatildeo ao periacuteodo do sinal de

entrada que eacute 1micros chegando a mais de 10 deste periacuteodo para o comprimento de 500microm

Verifica-se tambeacutem o aumento do tempo de atraso da interconexatildeo de cobre sendo 13

do periacuteodo do sinal de entrada para o comprimento de 500microm

Para analisar melhor a atenuaccedilatildeo e o tempo de atraso do SWCNT bundle e do cobre o

mesmo procedimento foi feito comparando-se somente estes dois materiais para uma

37

mesma frequecircncia de 10 MHz A Tabela 46 mostra esse estudo comparativo entre o

SWCNT bundle e cobre

Tabela 46 Estudo das interconexotildees SWCNT bundle e cobre com comprimentos na faixa

lCNT gt λCNT

Freq L Material A (dB) td (ns)

10 microm SWCNT bundle 000 000

Cobre 000 000

10 MHz 100 microm SWCNT bundle -001 005

Cobre -004 054

500 microm SWCNT bundle -004 107

Cobre -185 1024

Analisando a Tabela 46 observa-se que agrave medida que o comprimento das interconexotildees

aumenta a atenuaccedilatildeo e o atraso do sinal da interconexatildeo de cobre tornam-se significativos

O atraso na propagaccedilatildeo da interconexatildeo de cobre para l = 500microm chega a 10 do periacuteodo

do sinal de entrada (100ns) Jaacute o SWCNT bundle apresenta valores insignificantes de

atenuaccedilatildeo e atraso na propagaccedilatildeo Assim para as interconexotildees intermediaacuterias o SWCNT

bundle possui desempenho superior ao do cobre

43 SIMULACcedilAtildeO DO INVERSOR MONO-ELEacuteTRON

O modelo SPICE do SET proposto por G Lientschnig et al [444] foi simulado no

LTSPICE A partir da equaccedilatildeo (226) foi possiacutevel aumentar a temperatura do SET ateacute

chegar a 300K Assim o esquemaacutetico do SET e os valores de seus paracircmetros para que o

SET opere a 300K estatildeo na Figura 44 No anexo deste trabalho (subseccedilatildeo 81) encontra-

se o coacutedigo SET que foi utilizado [44] Os paracircmetros R1 C1 e R2 C2 correspondem agraves

resistecircncias e capacitacircncias das junccedilotildees-tuacutenel Cg eacute a capacitacircncia de porta (Cg1 no coacutedigo

SET) Vg eacute a tensatildeo de porta e V eacute a tensatildeo de entrada

Figura 44 Esquemaacutetico do SET e os valores de seus paracircmetros

38

A partir destes valores o inversor mono-eleacutetron foi construiacutedo colocando-se dois SETs em

seacuterie os quais compartilham da mesma entrada A Figura 45 ilustra o esquemaacutetico do

inversor mono-eleacutetron juntamente com os valores de seus paracircmetros fixos em que Vin eacute a

tensatildeo de entrada Vout eacute a tensatildeo de saiacuteda Vbias eacute a tensatildeo de polarizaccedilatildeo Cc eacute a

capacitacircncia de carga Cg1 e Cg2 satildeo as capacitacircncias de porta do SET 1 e do SET 2

respectivamente

Figura 45 Esquemaacutetico do inversor mono-eleacutetron e os valores de seus paracircmetros

(modificado de [4])

Assim apoacutes simular o inversor mono-eleacutetron a 300K obteve-se o sinal de saiacuteda mostrado

na Figura 46 Como o inversor estaacute invertendo o sinal de entrada de valor loacutegico baixo em

um sinal de saiacuteda de valor loacutegico alto ele estaacute operando corretamente

Figura 46 Curva do sinal de entrada (em verde) e do sinal de saiacuteda (em preto) do inversor

mono-eleacutetron

39

44 ANAacuteLISE DAS INTERCONEXOtildeES NO H-TREE CLOCK MONO-ELEacuteTRON

Nesta seccedilatildeo a rede H-tree clock de dois niacuteveis foi simulada com portas inversoras mono-

eleacutetron nos pontos de destino final da rede permitindo a anaacutelise de circuitos

nanoeletrocircnicos Simulou-se a rede H-tree considerando interconexotildees ideais para as

frequecircncias de 10 GHz e 100 GHz no sinal de entrada Em seguida para as mesmas duas

frequecircncias considerou-se interconexotildees natildeo-ideais de diferentes comprimentos

analisando a rede com os modelos de interconexatildeo SWCNT bundle e cobre Trecircs redes

com comprimentos de interconexotildees diferentes foram analisadas

l = 100 nm l2 = 50 nm

l = 400 nm l2 = 200 nm

l = 1 μm l2 = 500 nm

441 Anaacutelise da rede com interconexotildees ideais

A partir da simulaccedilatildeo do H-tree clock a frequecircncia em -3dB (f-3dB) da rede com

interconexotildees ideais foi obtida Na saiacuteda de cada porta inversora a banda passante do sinal

eacute 3200 GHz Dessa forma duas frequecircncias abaixo de 3200 GHz foram escolhidas para

analisar o sinal de saiacuteda da inversora em condiccedilotildees ideais As frequecircncias de 10 GHz e

100 GHz seratildeo analisadas obtendo-se as seguintes caracteriacutesticas do sinal de saiacuteda da

inversora niacutevel loacutegico baixo (NB) niacutevel loacutegico alto (NA) tempo de subida (tr) slew rate

de subida (SR) atenuaccedilatildeo (A) e tempo de atraso (td) A Tabela 47 mostra os valores

obtidos para as duas frequecircncias em anaacutelise

Tabela 47 Caracteriacutesticas dos sinais de saiacuteda da rede para interconexotildees ideais

Freq NB(mV) NA(mV) tr (ps) SR(Vns) A(dB) td (ps)

10 GHz 675 4518 356 8636 -264 412

100 GHz 678 4279 317 9088 -269 189

Os caacutelculos da potecircncia estaacutetica ( IVP DDE ) potecircncia dinacircmica ( CVfP DDD 2 ) e

potecircncia total ( DE PPP ) dissipada por cada porta inversora foram realizados bem

como o produto atraso-potecircncia (DP) Assim a Tabela 48 mostra os valores obtidos no

40

caacutelculo destes paracircmetros Como a potecircncia estaacutetica independe da frequecircncia do sinal de

entrada o seu valor eacute o mesmo nos dois casos

Tabela 48 Potecircncia dissipada por cada porta inversora para interconexotildees ideais

Frequecircncia PE (nW) PD (nW) P (nW) DP (10-18

Wmiddots)

10 GHz 4838 125 4963 020

100 GHz 4838 125 6088 012

As Tabelas 47 e 48 serviratildeo de referecircncia para as anaacutelises da rede com interconexotildees natildeo-

ideais analisadas na subseccedilatildeo seguinte As Figuras 47 e 48 ilustram o sinal de saiacuteda das

redes com frequecircncias de 10 GHz e de 100 GHz respectivamente Eacute possiacutevel observar que

na frequecircncia de 100 GHz o sinal de saiacuteda jaacute eacute distorcido em relaccedilatildeo ao sinal de referecircncia

(Figura 46)

Figura 47 Sinal de entrada (em verde) e sinal de saiacuteda (em preto) da rede a 10 GHz

Figura 48 Sinal de entrada (em verde) e sinal de saiacuteda (em preto) da rede a 100 GHz

41

442 Anaacutelise da rede com interconexotildees natildeo-ideais

Apoacutes obter as caracteriacutesticas da rede H-tree clock com interconexotildees ideais a anaacutelise da

rede com interconexotildees natildeo-ideais seraacute feita Primeiramente eacute importante verificar a

frequecircncia em -3dB do sinal depois das interconexotildees ou seja na entrada da porta

inversora Caso essa frequecircncia seja menor que a frequecircncia de 3200 GHz obtida com

interconexotildees ideais entatildeo a interconexatildeo afetaraacute o comportamento da rede A Tabela 49

mostra a frequecircncia em -3dB na entrada da inversora para interconexotildees natildeo-ideais

Tabela 49 Frequecircncia em -3dB na entrada da inversora para interconexotildees natildeo-ideais

Comprimentos (l2 l) Material f-3dB

50nm 100nm SWCNT bundle 122 THz

Cobre 175 THz

200nm 400nm SWCNT bundle 31 THz

Cobre 8606 GHz

500nm 1microm SWCNT bundle 12 THz

Cobre 1268 GHz

Assim verifica-se que a interconexatildeo de cobre da rede 500nm1microm possui frequecircncia em

-3dB abaixo da frequecircncia do circuito com interconexatildeo ideal (3200 GHz) Isso indica que

esta interconexatildeo interfere significativamente no comportamento da rede A Tabela 49

mostra tambeacutem que a banda passante da interconexatildeo de cobre soacute eacute maior que a da

interconexatildeo de SWCNT bundle no primeiro caso na rede de 50nm100nm o que mostra

uma vantagem do SWCNT bundle em relaccedilatildeo ao cobre A partir dessas informaccedilotildees a

rede H-tree clock com interconexotildees natildeo-ideais seraacute analisada detalhadamente

4421 Anaacutelise da rede a 10 GHz

As redes com interconexotildees natildeo-ideais seratildeo analisadas na frequecircncia de 10 GHz para

diferentes comprimentos Primeiramente o niacutevel loacutegico baixo (NB) o niacutevel loacutegico alto

(NA) o tempo de subida (tr) e o slew rate de subida (SR) foram obtidos conforme mostra a

Tabela 410 Com base nessa tabela verifica-se que na frequecircncia de 10 GHz essas

caracteriacutesticas natildeo foram modificadas pelas interconexotildees natildeo-ideais independentemente

do comprimento Os valores dos paracircmetros satildeo iguais aos obtidos na rede com

interconexatildeo ideal conforme Tabela 47 O sinal obtido na saiacuteda de cada inversor eacute igual

ao ilustrado na Figura 47

42

Tabela 410 Niacuteveis loacutegicos tempo de subida e slew rate dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 10 GHz

Freq L (l2l) Material NB(mV) NA(mV) tr(ps) SR(Vns)

10

GHz

50nm

100nm

SWCNT bundle 675 4518 356 8636

Cobre 675 4518 356 8636

200nm

400nm

SWCNT bundle 675 4518 356 8636

Cobre 675 4518 356 8636

500nm

1microm

SWCNT bundle 675 4518 356 8636

Cobre 675 4518 356 8636

A Tabela 411 mostra a atenuaccedilatildeo tempo de atraso potecircncia total dissipada e o produto

atraso-potecircncia obtidos a frequecircncia de 10 GHz para interconexotildees natildeo-ideais Observa-se

que a atenuaccedilatildeo do sinal e a potecircncia total dissipada por cada porta inversora permanecem

os mesmos em relaccedilatildeo agrave interconexatildeo ideal mostrando que a essa frequecircncia as

interconexotildees natildeo-ideais natildeo interferem nestes paracircmetros

Jaacute o atraso na propagaccedilatildeo do sinal no caso do cobre aumenta agrave medida que as

interconexotildees aumentam de comprimento aumentando tambeacutem o produto atraso-potecircncia

Esse atraso chega a 66 do periacuteodo do sinal de entrada para a interconexatildeo 500nm1microm

de cobre No entanto estes paracircmetros natildeo satildeo afetados pelas interconexotildees de SWCNT

bundle indicando que este material se sobressai em relaccedilatildeo ao cobre

Tabela 411 Atenuaccedilatildeo atraso potecircncia e produto atraso-potecircncia dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 10 GHz

Freq L (l2l) Material A (dB) td (ps) P (nW) DP(10-18

Wmiddots)

10

GHz

50nm

100nm

SWCNT bundle -264 412 4963 020

Cobre -264 412 4963 020

200nm

400nm

SWCNT bundle -264 412 4963 020

Cobre -264 438 4963 022

500nm

1microm

SWCNT bundle -264 412 4963 020

Cobre -264 659 4963 033

4422 Anaacutelise da rede a 100 GHz

As redes com interconexotildees natildeo-ideais seratildeo analisadas na frequecircncia de 100 GHz para

diferentes comprimentos O niacutevel loacutegico baixo (NB) o niacutevel loacutegico alto (NA) o tempo de

subida (tr) e o slew rate de subida (SR) foram obtidos conforme mostra a Tabela 412 Jaacute a

43

Tabela 413 mostra a atenuaccedilatildeo tempo de atraso potecircncia total dissipada e o produto

atraso-potecircncia obtidos a frequecircncia de 100 GHz para interconexotildees natildeo-ideais

Tabela 412 Niacuteveis loacutegicos tempo de subida e slew rate dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 100 GHz

Freq L (l2l) Material NB(mV) NA(mV) tr(ps) SR(Vns)

100

GHz

50nm

100nm

SWCNT bundle 678 4272 316 9099

Cobre 675 4277 323 9107

200nm

400nm

SWCNT bundle 678 4299 315 9196

Cobre 677 4089 289 9447

500nm

1microm

SWCNT bundle 678 4418 300 9973

Cobre 635 1766 102 6795

Tabela 413 Atenuaccedilatildeo atraso potecircncia e produto atraso-potecircncia dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 100 GHz

Freq L (l2l) Material A (dB) td (ps) P (nW) DP(10-18

Wmiddots)

100

GHz

50nm

100nm

SWCNT bundle -2703 189 6088 012

Cobre -2685 191 6088 012

200nm

400nm

SWCNT bundle -2693 188 6088 012

Cobre -2698 228 6088 014

500nm

1microm

SWCNT bundle -2673 174 6088 011

Cobre -2893 388 6088 024

A partir das Tabelas 412 e 413 o SWCNT bundle seraacute analisado Observa-se que os seus

niacuteveis loacutegicos altos aumentam com o aumento do comprimento das interconexotildees

aumentando tambeacutem o slew rate de subida Esse comportamento ocorre provavelmente

devido ao efeito ressonante provocado pela indutacircncia que provoca um pico no graacutefico da

frequumlecircncia antes dele comeccedilar a decair conforme explicado na subseccedilatildeo 421 Isso implica

na diminuiccedilatildeo da atenuaccedilatildeo do sinal e do atraso No entanto o produto atraso-potecircncia

permanece praticamente invariaacutevel jaacute que a potecircncia total dissipada natildeo se altera

Em relaccedilatildeo agraves interconexotildees de cobre verifica-se que as distorccedilotildees satildeo significativas Agrave

medida que o comprimento aumenta a atenuaccedilatildeo do sinal de saiacuteda aumenta Isso provoca

diminuiccedilatildeo no slew rate do sinal o que natildeo eacute desejado jaacute que o sinal demora mais para

atingir o niacutevel loacutegico alto Aleacutem disso o atraso na propagaccedilatildeo do sinal aumenta bastante

chegando a 388 do periacuteodo do sinal de entrada para a interconexatildeo 500nm1microm

Consequentemente o produto atraso-potecircncia tambeacutem aumenta sendo o dobro do valor de

44

referecircncia (interconexotildees ideais) A Figura 49 ilustra o sinal de saiacuteda da interconexatildeo

500nm1microm de cobre

Figura 49 Sinal de entrada (em verde) e sinal de saiacuteda (em preto) da rede a 100 GHz para

a interconexatildeo 500nm1microm de cobre

Comparando-se as potecircncias das tabelas 47 48 411 413 verifica-se que natildeo haacute

alteraccedilatildeo na potecircncia total dissipada pelo circuito com interconexotildees ideais e pelos

circuitos com interconexotildees natildeo-ideais para uma mesma frequecircncia Assim eacute importante

destacar que a dissipaccedilatildeo de potecircncia das interconexotildees de SWCNT bundle e de cobre natildeo

interfere na potecircncia total dissipada pelo circuito

443 Consideraccedilotildees Finais

Apoacutes analisar as interconexotildees locais de SWCNT de SWCNT bundle e de cobre

verificou-se que as interconexotildees de SWCNT bundle possuem desempenho comparaacutevel ao

das interconexotildees de cobre Em relaccedilatildeo agraves interconexotildees intermediaacuterias as de SWCNT

bundle apresentam desempenho superior agraves de cobre Jaacute as interconexotildees de SWCNT

isolado tanto para interconexotildees locais como para interconexotildees intermediaacuterias

apresentam desempenho inferior agraves interconexotildees de SWCNT bundle e de cobre natildeo

sendo propiacutecias a serem utilizadas em interconexotildees de circuitos integrados

Na anaacutelise das interconexotildees natildeo-ideais na rede H-tree clock mono-eleacutetron para a

frequecircncia de 10GHz observou-se que o niacutevel loacutegico baixo o niacutevel loacutegico alto o tempo de

subida o slew rate de subida a atenuaccedilatildeo do sinal e a potecircncia total dissipada por cada

porta inversora permanecem os mesmos em relaccedilatildeo agrave interconexatildeo ideal mostrando que

45

para esta frequecircncia as interconexotildees natildeo-ideais natildeo interferem nestes paracircmetros Jaacute o

atraso na propagaccedilatildeo do sinal no caso do cobre aumenta agrave medida que as interconexotildees

aumentam de comprimento aumentando tambeacutem o produto atraso-potecircncia No entanto

estes paracircmetros natildeo satildeo afetados pelas interconexotildees de SWCNT bundle indicando que

este material se sobressai em relaccedilatildeo ao cobre

Jaacute para a rede H-tree clock mono-eleacutetron a 100GHz observou-se que o circuito com

interconexotildees natildeo-ideais afetou bastante os paracircmetros em anaacutelise se comparados aos

obtidos para interconexotildees ideais Verificou-se que as distorccedilotildees provocadas pelas

interconexotildees de cobre foram significativas indicando que as interconexotildees de SWCNT

bundle possuem melhor desempenho que as de cobre

Assim constata-se que as interconexotildees de SWCNT bundle satildeo fortes candidatas a

substituirem as interconexotildees de cobre em circuitos em escala giga (GSI) e tera (TSI)

46

5 CONCLUSOtildeES

Nesta dissertaccedilatildeo o estudo das interconexotildees de SWCNT de SWCNT bundle e de cobre

foi realizado analisando e comparando os seus desempenhos para diferentes

comprimentos A partir desse estudo verificou-se que as interconexotildees de SWCNT bundle

possui desempenho comparaacutevel ao das interconexotildees de cobre no caso de interconexotildees

locais Em relaccedilatildeo agraves interconexotildees intermediaacuterias as de SWCNT bundle apresentam

desempenho superior agraves de cobre

As interconexotildees de SWCNT bundle e as interconexotildees de cobre foram entatildeo simuladas na

rede H-tree clock de dois niacuteveis para diferentes comprimentos e frequecircncias Nos pontos

de destino final da rede foram colocadas portas inversoras formadas por SETs permitindo

a anaacutelise de circuitos nanoeletrocircnicos

A partir da anaacutelise da rede H-tree clock observou-se que as interconexotildees de SWCNT

bundle possuem desempenho melhor que as de cobre principalmente em relaccedilatildeo ao slew

rate agrave atenuaccedilatildeo ao tempo de atraso e ao produto atraso-potecircncia Aleacutem disso a

dissipaccedilatildeo de potecircncia das interconexotildees natildeo-ideais natildeo interferem na potecircncia total

dissipada pelo circuito Assim as interconexotildees de SWCNT bundle satildeo fortes candidatas a

substituirem as interconexotildees de cobre em circuitos em escala giga (GSI) e tera (TSI)

Como perspectivas futuras eacute importante analisar o efeito das interconexotildees de nanotubo de

carbono em circuitos GSI e TSI com outras arquiteturas A anaacutelise das interconexotildees de

CNT tambeacutem deve ser feita em circuitos com tecnologia MOS permitindo a comparaccedilatildeo

entre diferentes tecnologias Aleacutem disso eacute interessante estudar outros tipos de materiais

que possam ser utilizados como interconexotildees em circuitos integrados

47

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53

7 APEcircNDICES

71 TABELAS COMPLEMENTARES

Tabela 71 Paracircmetros obtidos a partir do modelo de SWCNT isolado

L RQ (Ω) RS (Ω) LCNT (10-9

H) CCNT (10-18

F)

10 nm 645103 - 40010

-2 27910

-1

100 nm 645103 - 40010

-1 279

200 nm 645103 - 80010

-1 558

300 nm 645103 - 120 837

400 nm 645103 - 160 11210

1

500 nm 645103 - 200 14010

1

600 nm 645103 - 240 16710

1

700 nm 645103 - 280 19510

1

800 nm 645103 - 320 22310

1

900 nm 645103 - 360 25110

1

1 microm 645103 - 400 27910

1

10 microm 645103 64510

4 40010

1 27910

2

100 microm 645103 64510

5 40010

2 27910

3

200 microm 645103 12910

6 80010

2 55810

3

300 microm 645103 19410

6 12010

3 83710

3

400 microm

645103 25810

6 16010

3 11210

4

500 microm

645103 32310

6 20010

3 14010

4

Tabela 72 Paracircmetros obtidos a partir do modelo de SWCNT bundle

L RQ (Ω) RS (Ω) LBundle(10-9

H) CBundle(10-18

F)

10 nm 1075 - 66710-5

135

100 nm 1075 - 66710-4

135101

200 nm 1075 - 13310-3

270101

300 nm 1075 - 20010-3

405101

400 nm 1075 - 26710-3

540101

500 nm 1075 - 33310-3

675101

600 nm 1075 - 40010-3

810101

700 nm 1075 - 46710-3

945101

800 nm 1075 - 53310-3

108102

900 nm 1075 - 60010-3

122102

1 microm 1075 - 66710-3

135102

10 microm 1075 108102 66710

-2 13510

3

100 microm 1075 108103 66710

-1 13510

4

200 microm 1075 215103 133 27010

4

300 microm 1075 323103 200 40510

4

400 microm

1075 430103 267 54010

4

500 microm

1075 538103 333 67510

4

54

Tabela 73 Paracircmetros obtidos a partir do modelo de cobre

L RCu (Ω) LCu (10-9

H) CCu (10-18

F)

10 nm 06 37310-6

150

100 nm 60 63610-5

150101

200 nm 120 17510-4

300101

300 nm 180 30910-4

450101

400 nm 240 45410-4

600101

500 nm 300 61110-4

750101

600 nm 360 77510-4

900101

700 nm 420 94610-4

105102

800 nm 480 11210-3

120102

900 nm 540 13110-3

135102

1 microm 600 14910-3

150102

10 microm 60102 24010

-2 15010

3

100 microm 60103 33210

-1 15010

4

200 microm 12104 72010

-1 30010

4

300 microm 18104 113 45010

4

400 microm

24104 155 60010

4

500 microm

30104 198 75010

4

55

Tabela 74 Frequecircncia em -3dB das interconexotildees locais

Comprimento Material f-3dB

10 nm SWCNT isolado 253 GHz

SWCNT bundle 66 THz

Cobre 232 THz

100 nm SWCNT isolado 300 GHz

SWCNT bundle 20 THz

Cobre 51 THz

200 nm SWCNT isolado 342 GHz

SWCNT bundle 14 THz

Cobre 29 THz

300 nm SWCNT isolado 344 GHz

SWCNT bundle 11 THz

Cobre 20 THz

400 nm SWCNT isolado 329 GHz

SWCNT bundle 89 THz

Cobre 15 THz

500 nm SWCNT isolado 307 GHz

SWCNT bundle 76 THz

Cobre 12 THz

600 nm SWCNT isolado 288 GHz

SWCNT bundle 67 THz

Cobre 94 THz

700 nm SWCNT isolado 271 GHz

SWCNT bundle 61 THz

Cobre 76 THz

800 nm SWCNT isolado 255 GHz

SWCNT bundle 55 THz

Cobre 63 THz

900 nm SWCNT isolado 240 GHz

SWCNT bundle 51 THz

Cobre 52 THz

1 microm SWCNT isolado 230 GHz

SWCNT bundle 47 THz

Cobre 42 THz

56

Tabela 75 Frequecircncia em -3dB das interconexotildees intermediaacuterias

Comprimento Material f-3dB

10 microm SWCNT isolado 26 GHz

SWCNT bundle 527 GHz

Cobre 34 GHz

100 microm SWCNT isolado 32 MHz

SWCNT bundle 42 GHz

Cobre 345 MHz

200 microm SWCNT isolado 82 MHz

SWCNT bundle 10 GHz

Cobre 87 MHz

300 microm SWCNT isolado 36 MHz

SWCNT bundle 455 MHz

Cobre 38 MHz

400 microm SWCNT isolado 21 MHz

SWCNT bundle 256 MHz

Cobre 21 MHz

500 microm SWCNT isolado 13 MHz

SWCNT bundle 165 MHz

Cobre 14 MHz

57

8 ANEXOS

81 COacuteDIGO SPICE DO SET [44]

Transistor mono-eleacutetron (SET) conexotildees fonte | dreno | | porta1 | | | porta2 | | | | SUBCKT SET 1 2 3 4 PARAMS +C1=1E-20 Capacitacircncia da junccedilatildeo 1 +C2=1E-20 Capacitacircncia da junccedilatildeo 2 +R1=1E5 Resistecircncia da junccedilatildeo 1 +R2=1E5 Resistecircncia da junccedilatildeo 2 +Cg1=015E-18 Capacitacircncia da junccedilatildeo 1 +Cg2=0 Capacitacircncia da junccedilatildeo 2 +C0=0 Capacitacircncia proacutepria da ilha +Q0=005 Carga offset em unidades de e +TEMP=300 Temperatura PARAM E=160217733E-19 Carga do eleacutetron (e) PARAM CSUM=C1+C2+Cg1+Cg2+C0 Capacitacircncia total do SET PARAM T=TEMPCSUM53785467E14 Temperatura normalizada 53785467E14 = kBe^2 PARAM RN1=R1(R1+R2) Resistecircncia da junccedilatildeo 1 normalizada PARAM RN2=R2(R1+R2) Resistecircncia da junccedilatildeo 2 normalizada FUNC Q(v1v2v3v4) (Cg1v3+Cg2v4+C1v1+C2v2)E+Q0 Definiccedilatildeo da carga em unidades de e FUNC VN(v) CSUMvE Tensatildeo normalizada FUNC GAMMA(u) IF(T==0IF(ult0-u0)IF(u==0Tu(EXP(uT)-1))) FUNC N_OPT(v1v2v3v4) ROUND(-Q(v1v2v3v4)+(CSUME) (v1RN2+v2RN1)) A maior probabilidade de carga na ilha em unidades de e Os quarto eventos tuacuteneis FUNC R1L(nv1v2v3v4) GAMMA(05 - n - Q(v1v2v3v4) + VN(v1))RN1 FUNC R1R(nv1v2v3v4) GAMMA(05 + n + Q(v1v2v3v4) - VN(v1))RN1 FUNC R2L(nv1v2v3v4) GAMMA(05 + n + Q(v1v2v3v4) - VN(v2))RN2 FUNC R2R(nv1v2v3v4) GAMMA(05 - n - Q(v1v2v3v4) + VN(v2))RN2

58

determinaccedilatildeo das probabilidades relativas assume-se inicialmente que o estado da carga N_OPT tem probabilidade relativa igual a um FUNC PN_1(nv1v2v3v4) (R1L(nv1v2v3v4)+R2R(nv1v2v3v4))(R1R(n-1v1v2v3v4)+R2L(n-1v1v2v3v4)) FUNC PN_2(nv1v2v3v4) PN_1(nv1v2v3v4) +(R1L(n-1v1v2v3v4)+R2R(n-1v1v2v3v4))(R1R(n-2v1v2v3v4)+R2L(n-2v1v2v3v4)) FUNC PN_3(nv1v2v3v4) PN_2(nv1v2v3v4) +(R1L(n-2v1v2v3v4)+R2R(n-2v1v2v3v4))(R1R(n-3v1v2v3v4)+R2L(n-3v1v2v3v4)) FUNC PN_4(nv1v2v3v4) PN_3(nv1v2v3v4) +(R1L(n-3v1v2v3v4)+R2R(n-3v1v2v3v4))(R1R(n-4v1v2v3v4)+R2L(n-4v1v2v3v4)) FUNC PN_5(nv1v2v3v4) PN_4(nv1v2v3v4) +(R1L(n-4v1v2v3v4)+R2R(n-4v1v2v3v4))(R1R(n-5v1v2v3v4)+R2L(n-5v1v2v3v4)) FUNC PN1(nv1v2v3v4) (R2L(nv1v2v3v4) +R1R(nv1v2v3v4))(R2R(n+1v1v2v3v4)+R1L(n+1v1v2v3v4)) FUNC PN2(nv1v2v3v4) PN1(nv1v2v3v4) +(R2L(n+1v1v2v3v4)+R1R(n+1v1v2v3v4))(R2R(n+2v1v2v3v4)+R1L(n+2v1v2v3v4)) FUNC PN3(nv1v2v3v4) PN2(nv1v2v3v4) +(R2L(n+2v1v2v3v4)+R1R(n+2v1v2v3v4))(R2R(n+3v1v2v3v4)+R1L(n+3v1v2v3v4)) FUNC PN4(nv1v2v3v4) PN3(nv1v2v3v4) +(R2L(n+3v1v2v3v4)+R1R(n+3v1v2v3v4))(R2R(n+4v1v2v3v4)+R1L(n+4v1v2v3v4)) FUNC PN5(nv1v2v3v4) PN4(nv1v2v3v4) +(R2L(n+4v1v2v3v4)+R1R(n+4v1v2v3v4))(R2R(n+5v1v2v3v4)+R1L(n+5v1v2v3v4)) FUNC PSUM(nv1v2v3v4) PN_5(nv1v2v3v4)+PN_4(nv1v2v3v4)+PN_3(nv1v2v3v4)+PN_2(nv1v2v3v4) ++PN_1(nv1v2v3v4)+1+PN1(nv1v2v3v4)+PN2(nv1v2v3v4)+PN3(nv1v2v3v4) ++PN4(nv1v2v3v4)+PN5(nv1v2v3v4)

59

caacutelculo da corrente da fonte para o dreno FUNC CUR(nv1v2v3v4) PN_5(nv1v2v3v4)(R1R(n-5v1v2v3v4)-R1L(n-5v1v2v3v4)) ++PN_4(nv1v2v3v4)(R1R(n-4v1v2v3v4)-R1L(n-4v1v2v3v4)) ++PN_3(nv1v2v3v4)(R1R(n-3v1v2v3v4)-R1L(n-3v1v2v3v4)) ++PN_2(nv1v2v3v4)(R1R(n-2v1v2v3v4)-R1L(n-2v1v2v3v4)) ++PN_1(nv1v2v3v4)(R1R(n-1v1v2v3v4)-R1L(n-1v1v2v3v4)) ++(R1R(nv1v2v3v4)-R1L(nv1v2v3v4)) ++PN1(nv1v2v3v4)(R1R(n+1v1v2v3v4)-R1L(n+1v1v2v3v4)) ++PN2(nv1v2v3v4)(R1R(n+2v1v2v3v4)-R1L(n+2v1v2v3v4)) ++PN3(nv1v2v3v4)(R1R(n+3v1v2v3v4)-R1L(n+3v1v2v3v4)) ++PN4(nv1v2v3v4)(R1R(n+4v1v2v3v4)-R1L(n+4v1v2v3v4)) ++PN5(nv1v2v3v4)(R1R(n+5v1v2v3v4)-R1L(n+5v1v2v3v4)) FUNC CURRENT(nv1v2v3v4) ECUR(nv1v2v3v4)(CSUMPSUM(nv1v2v3v4)(R1+R2)) caacutelculo da tensatildeo da ilha FUNC VOLT(nv1v2v3v4) PN_5(nv1v2v3v4)(n-5+Q(v1v2v3v4)) ++PN_4(nv1v2v3v4)(n-4+Q(v1v2v3v4)) ++PN_3(nv1v2v3v4)(n-3+Q(v1v2v3v4)) ++PN_2(nv1v2v3v4)(n-2+Q(v1v2v3v4)) ++PN_1(nv1v2v3v4)(n-1+Q(v1v2v3v4)) ++n+Q(v1v2v3v4) ++PN1(nv1v2v3v4)(n+1+Q(v1v2v3v4)) ++PN2(nv1v2v3v4)(n+2+Q(v1v2v3v4)) ++PN3(nv1v2v3v4)(n+3+Q(v1v2v3v4)) ++PN4(nv1v2v3v4)(n+4+Q(v1v2v3v4)) ++PN5(nv1v2v3v4)(n+5+Q(v1v2v3v4)) FUNC VOLTAGE(nv1v2v3v4) (ECSUM)VOLT(nv1v2v3v4)PSUM(nv1v2v3v4) E1 5 0 VALUE= VOLTAGE(N_OPT(V(1)V(2)V(3)V(4))V(1)V(2)V(3)V(4)) Tensatildeo da ilha G1 1 2 VALUE= CURRENT(N_OPT(V(1)V(2)V(3)V(4))V(1)V(2)V(3)V(4)) Corrente da fonte para o dreno CT1 1 5 C1 CT2 2 5 C2 CGATE1 3 5 CG1 CGATE2 4 5 CG2 ENDS SET

Page 12: ANÁLISE COMPARATIVA ENTRE ... - repositorio.unb.brrepositorio.unb.br/.../1/2012_CamilaPeixotoSilvaMadeiraNogueira.pdf · Prof. Stefan Michael Blawid, ... Deus colocou esses dois

xii

LISTA DE TABELAS

Tabela 41 Frequecircncia em -3dB de cada material para lCNT le λCNT 32

Tabela 42 Estudo das interconexotildees com comprimentos na faixa lCNT le λCNT 33

Tabela 43 Estudo das interconexotildees SWCNT bundle e cobre com comprimentos na faixa

lCNT le λCNT 33

Tabela 44 Frequecircncia em -3dB de cada material para lCNT gt λCNT 36

Tabela 45 Estudo das interconexotildees com comprimentos na faixa lCNT gt λCNT 36

Tabela 46 Estudo das interconexotildees SWCNT bundle e cobre com comprimentos na faixa

lCNT gt λCNT 37

Tabela 47 Caracteriacutesticas dos sinais de saiacuteda da rede para interconexotildees ideais 39

Tabela 48 Potecircncia dissipada por cada porta inversora para interconexotildees ideais 40

Tabela 49 Frequecircncia em -3dB na entrada da inversora para interconexotildees natildeo-ideais 41

Tabela 410 Niacuteveis loacutegicos tempo de subida e slew rate dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 10 GHz 42

Tabela 411 Atenuaccedilatildeo atraso potecircncia e produto atraso-potecircncia dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 10 GHz 42

Tabela 412 Niacuteveis loacutegicos tempo de subida e slew rate dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 100 GHz 43

Tabela 413 Atenuaccedilatildeo atraso potecircncia e produto atraso-potecircncia dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 100 GHz 43

Tabela 71 Paracircmetros obtidos a partir do modelo de SWCNT isolado 53

Tabela 72 Paracircmetros obtidos a partir do modelo de SWCNT bundle 53

Tabela 73 Paracircmetros obtidos a partir do modelo de cobre 54

Tabela 74 Frequecircncia em -3dB das interconexotildees locais 55

Tabela 75 Frequecircncia em -3dB das interconexotildees intermediaacuterias 56

xiii

LISTA DE SIacuteMBOLOS NOMENCLATURA ABREVIACcedilOtildeES

CNT ndash Carbon nanotube

CVD ndash Chemical Vapor Deposition

GSI ndash Giga Scale Integration

ITRS ndash International Technology Roadmap for Semiconductors

LTSPICE ndash Linear Technology SPICE simulator

MWCNT ndash Multi-walled carbon nanotube

SET ndash Singe-electron transistor

SPICE ndash Simulated Program with Integrated Circuits Emphasis

SWCNT ndash Single-walled carbon nanotube

TSI ndash Tera Scale Integration

1

1 INTRODUCcedilAtildeO

O crescimento da microeletrocircnica e a consequumlente miniaturizaccedilatildeo dos circuitos integrados

foram previstos por Gordon Moore que enunciou que o nuacutemero de transistores em um

circuito integrado dobraria a cada 18 meses considerando a mesma aacuterea e custo previsatildeo

conhecida como Lei de Moore Devido aos problemas enfrentados pelos dispositivos

microeletrocircnicos gerados especialmente pelos efeitos quacircnticos que anteriormente eram

desprezados novas tecnologias como a nanoeletrocircnica vecircm sendo estudadas para dar

continuidade a esse processo de miniaturizaccedilatildeo dos dispositivos [1-10]

Aleacutem disso a miniaturizaccedilatildeo de circuitos integrados tem resultado em grandes desafios no

projeto de interconexotildees que satildeo responsaacuteveis principalmente pelo carregamento da

tensatildeo de alimentaccedilatildeo de cada transistor e pela distribuiccedilatildeo dos sinais de dados As

limitaccedilotildees das interconexotildees as quais podem provocar uma desaceleraccedilatildeo nos progressos

alcanccedilados ateacute hoje pela induacutestria de semicondutores satildeo fatores preocupantes Como

limitaccedilotildees das interconexotildees eacute importante citar o aumento da sua resistividade aumento da

capacitacircncia de acoplamento entre vias dificuldades no controle das suas dimensotildees entre

outras

Assim o estudo aprofundado das interconexotildees levando em consideraccedilatildeo principalmente

seu desempenho eacute de fundamental importacircncia [11-13] Novas tecnologias estatildeo sendo

estudadas para superar as limitaccedilotildees das interconexotildees de cobre no circuito como a

resistividade eleacutetrica e a resistecircncia agrave eletromigraccedilatildeo principalmente em tecnologias

abaixo de 45nm As interconexotildees oacuteticas as interconexotildees de radio frequumlecircncia ou sem fio

e as interconexotildees de nanotubo de carbono (CNT) satildeo algumas candidatas a substituir as

interconexotildees de cobre as quais satildeo as interconexotildees mais utilizadas atualmente [13-17]

Dentre essas possibilidades os CNTs possuem grandes vantagens para interconexotildees em

circuitos integrados em escala GSI (Giga Scale Integration) e TSI (Tera Scale Integration)

[18-20] Eles satildeo considerados soluccedilotildees eficientes para melhorar as limitaccedilotildees do cobre

previstas pelo ITRS (International Technology Roadmap for Semiconductors) [21] como

atraso dissipaccedilatildeo de potecircncia e resistecircncia agrave eletromigraccedilatildeo

2

11 OBJETIVOS

O objetivo desta dissertaccedilatildeo eacute fazer um estudo comparativo entre o desempenho das

interconexotildees de nanotubo de carbono e das interconexotildees de cobre Com esse intuito

preliminarmente o desempenho das interconexotildees de SWCNT (do inglecircs single-walled

carbon nanotube) de SWCNT bundle (vaacuterios SWCNTs dispostos em paralelo como uma

corda) e de cobre seraacute comparado considerando diferentes comprimentos das

interconexotildees

Por fim o efeito das interconexotildees de SWCNT bundle e de cobre seraacute analisado na rede H-

tree clock com inversores mono-eleacutetron em seus terminais tambeacutem para diferentes

comprimentos Assim seraacute possiacutevel analisar se os nanotubos de carbono poderatildeo substituir

o cobre em interconexotildees em circuitos integrados GSI e TSI

12 ORGANIZACcedilAtildeO

No capiacutetulo 2 satildeo apresentados os conceitos fundamentais necessaacuterios agrave correta

compreensatildeo desta pesquisa Seratildeo abordados conceitos referentes agraves interconexotildees de

CNT e cobre aos dispositivos de tunelamento mono-eleacutetron e agrave estrutura do H-tree clock

O capiacutetulo 3 descreve a metodologia utilizada agrave realizaccedilatildeo do objeto de pesquisa desta

dissertaccedilatildeo Assim seratildeo apresentadas as etapas que foram seguidas para analisar o efeito

das interconexotildees em circuitos com transistores mono-eleacutetron

No capiacutetulo 4 os resultados e anaacutelises das simulaccedilotildees das interconexotildees ideais e natildeo-

ideais considerando o SWCNT SWCNT bundle e o cobre satildeo apresentados As

interconexotildees satildeo analisadas tambeacutem nos circuitos H-tree clock

O capiacutetulo 5 apresenta as conclusotildees e as recomendaccedilotildees para trabalhos futuros

3

2 FUNDAMENTACcedilAtildeO TEOacuteRICA

21 INTERCONEXOtildeES

211 Limitaccedilotildees do cobre em relaccedilatildeo ao CNT

As interconexotildees de cobre sofrem inuacutemeros problemas indesejados que aumentam agrave

medida que as interconexotildees diminuem de tamanho Essa diminuiccedilatildeo de tamanho resulta

em interconexotildees menos eficientes no maior consumo de potecircncia e no aumento da

densidade de corrente transportada por cada interconexatildeo [22] De acordo com o ITRS

[21] a densidade de corrente pode atingir valores na ordem de 107 Acm

2 Este valor soacute eacute

suportado por CNTs uma vez que satildeo capazes de suportar densidades de corrente na

ordem de 1010

Acm2 [1317]

Os CNTs tecircm provocado grande interesse nos cientistas desde a sua descoberta em 1991

por Iijima devido agraves excelentes propriedades eleacutetricas teacutermicas e mecacircnicas que possuem

Suas propriedades eleacutetricas permitem que suportem densidades de ateacute 1010

Acm2 sendo

que o cobre suporta densidades inferiores a 107 Acm

2 [1317] O caminho meacutedio livre do

CNT eacute superior ao do cobre o que possibilita um transporte baliacutestico por uma ampla gama

de extensatildeo e isso resulta em uma resistividade menor do CNT [13-17] Aleacutem disso a alta

condutividade teacutermica do CNT que eacute outra limitaccedilatildeo do cobre eacute de fundamental

importacircncia na aplicaccedilatildeo em interconexotildees Essas propriedades possibilitam uma

toleracircncia do CNT agrave eletromigraccedilatildeo a qual eacute uma grande limitaccedilatildeo no desempenho das

interconexotildees de cobre [131719]

212 Caracteriacutesticas do CNT

Os nanotubos de carbono podem ser formados por uma lacircmina de grafeno enrolada

conhecida como SWCNT (single-walled carbon nanotube) ou por vaacuterios tubos

concecircntricos formando uma multicamada conhecida por MWCNT (multi-walled carbon

nanotube) [2324] A Figura 21 ilustra a estrutura de uma lacircmina de grafeno do SWCNT e

do MWCNT

4

Figura 21 ndash Estrutura de uma lacircmina de grafeno (esquerda) do SWCNT (meio) e do

MWCNT (direita) [13]

Eacute importante destacar que os MWCNTs satildeo menos favoraacuteveis para o uso em

interconexotildees jaacute que eles apresentam caminho meacutedio livre menor que os SWCNTs

[1317] Como a resistecircncia de um uacutenico SWCNT pode ter valores altos eacute necessaacuteria a

uniatildeo de vaacuterios dispostos em paralelo como uma corda chamado de bundle para diminuir

o valor da resistecircncia equivalente da interconexatildeo [1315] A Figura 22 ilustra a estrutura

do SWCNT bundle [16]

Figura 22 ndash Estrutura do SWCNT bundle [16]

Dependendo de como a lacircmina eacute enrolada que resulta no acircngulo quiral e nos iacutendices

quirais de sua estrutura o nanotubo pode ser metaacutelico ou semicondutor [131419] Os

iacutendices quirais satildeo identificados por (mn) O nanotubo seraacute metaacutelico quando a diferenccedila

entre os iacutendices quirais for um muacuteltiplo inteiro de 3 e seraacute semicondutor nos outros casos

[13] A estrutura eacute chamada de zig-zag quando m ou n eacute igual a zero podendo ser metaacutelica

ou semicondutora Quando m=n a estrutura eacute denominada armchair sendo sempre

metaacutelica Nos outros casos a estrutura eacute conhecida como quiral e pode ser metaacutelica ou

semicondutora [24] A Figura 23 mostra as estruturas do armchair zig-zag e quiral [24]

5

Figura 23 ndash Estrutura do (i) armchair (ii) zig-zag e (iii) quiral [24]

De acordo com [22] o crescimento dos CNTs geralmente eacute realizado atraveacutes de um dos

seguintes meacutetodos descarga por arco eleacutetrico ablaccedilatildeo a laser e deposiccedilatildeo quiacutemica a vapor

do inglecircs chemical vapor deposition ndash CVD O processo de descarga por arco eleacutetrico tem

sido desenvolvido para preparar MWCNTs e SWCNTs de alta qualidade Neste processo

aacutetomos de carbono satildeo evaporados com um gaacutes de plasma inerte caracterizado por altas

correntes eleacutetricas que passam entre os eletrodos opostos de carbono (caacutetodo e acircnodo)

Normalmente o acircnodo do carbono conteacutem uma pequena porcentagem de catalisador de

metal como o cobalto niacutequel ou ferro Jaacute o meacutetodo de ablaccedilatildeo a laser utiliza um pulso

duplo de lasers para evaporar varetas de grafite dopadas com uma mistura de cobalto e

niacutequel em poacute colocado em um tubo aquecido a temperatura elevada seguido de um

tratamento teacutermico a vaacutecuo

Apesar dos meacutetodos de descarga por arco eleacutetrico e ablaccedilatildeo a laser produzir grandes

quantidades de CNTs de alta qualidade e oferecer uma ampla disponibilidade de CNTs

para estudos e possiacuteveis aplicaccedilotildees existem vaacuterias preocupaccedilotildees associadas com estes dois

meacutetodos de crescimento [22] Dessa forma os meacutetodos de CVD satildeo bastante usados no

crescimento de CNTs com aplicaccedilatildeo em eletrocircnica incluindo interconexotildees [1322] O

processo de crescimento CVD envolve o aquecimento do catalisador a uma temperatura

elevada e a introduccedilatildeo de gaacutes de hidrocarboneto ou de monoacutexido de carbono para dentro

6

do reator O mecanismo de crescimento do CNT tem sido considerado como um processo

de dissociaccedilatildeo-difusatildeo-precipitaccedilatildeo em que o carbono eacute formado sobre a superfiacutecie de

uma partiacutecula de metal seguida de difusatildeo e precipitaccedilatildeo sob a forma de grafeno ciliacutendrico

[22]

213 Modelos de Interconexatildeo

Para realizar uma comparaccedilatildeo por simulaccedilatildeo entre o desempenho do CNT e do cobre

modelos equivalentes de circuito de interconexotildees que reproduzam com fidelidade o seu

comportamento fiacutesico satildeo necessaacuterios Com esse intuito eacute fundamental que os fatores que

interferem no desempenho das interconexotildees como resistecircncia indutacircncia capacitacircncia e

comprimento sejam considerados A partir do estudo desses modelos eacute possiacutevel verificar

se as interconexotildees de CNT poderatildeo substituir as de cobre e os casos em que isso eacute

possiacutevel

2131 Modelo de interconexatildeo do SWCNT isolado

A resistecircncia de um SWCNT isolado eacute composta por ateacute trecircs partes resistecircncia de contato

entre o metal e o nanotubo (Rc) resistecircncia quacircntica (Rq) e resistecircncia de espalhamento

(Rs) [192325] As resistecircncias de contato e quacircntica satildeo independentes do comprimento

do nanotubo Jaacute a resistecircncia de espalhamento depende do comprimento do nanotubo [26-

31]

Quando o comprimento do SWCNT eacute menor ou igual ao caminho meacutedio livre (lCNT le

λCNT) que eacute tipicamente 1 microm o transporte de eleacutetrons eacute essencialmente baliacutestico e a

resistecircncia independe do comprimento do nanotubo [1332] No entanto quando o

comprimento do SWCNT eacute maior que o caminho meacutedio livre (lCNT gt λCNT) haacute uma

resistecircncia adicional que depende do comprimento do SWCNT e eacute chamada de resistecircncia

de espalhamento [13-15] Assim a resistecircncia total eacute dada pela equaccedilatildeo (21) em que lCNT

eacute o comprimento do nanotubo de carbono

CNTCNT

CNTCNT

CNTlseRsRqRc

lseRqRcR

(21)

7

A resistecircncia de contato pode chegar ao valor de 100 kΩ [131533] Contudo essa

resistecircncia em nanotubos de carbono com diacircmetro maior que 1nm estaacute na ordem de

poucos kilo ohms ou ateacute mesmo centenas de ohms [1316] Neste trabalho considerou-se o

contato metal-nanotubo como sendo perfeito ou seja Rc = 0

A resistecircncia quacircntica e a de espalhamento satildeo descritas pelas equaccedilotildees (22) e (23)

respectivamente onde e eacute a carga do eleacutetron e h eacute a constante de Plank A resistecircncia

quacircntica (Rq) eacute igualmente dividida em cada lado dos contatos metal-nanotubo [13-

173435]

ke

hRq 456

4 2 (22)

CNT

CNTl

e

hRs

24 (23)

O movimento de eleacutetrons transportados por um condutor eacute modelado pela indutacircncia que

consiste na indutacircncia magneacutetica e cineacutetica [1316] No SWCNT a indutacircncia magneacutetica eacute

calculada considerando que o CNT eacute um fio muito fino com diacircmetro d e estaacute

posicionado a uma distacircncia y do plano ligado ao terra A indutacircncia cineacutetica eacute calculada

pela equaccedilatildeo da energia cineacutetica armazenada em cada canal condutor do CNT para uma

indutacircncia efetiva [141535] Assim a indutacircncia magneacutetica (LM) e a cineacutetica (LK) podem

ser calculadas pelas equaccedilotildees (24) e (25) respectivamente

d

yLM ln

2

(24)

F

Kve

hL

22 (25)

Para d = 1nm e y = 1microm LM = 14pHmicrom [141529] Como vF eacute a velocidade de Fermi

cujo valor eacute dado por 8x105 ms para o CNT o valor da indutacircncia cineacutetica eacute LK =

16nHmicrom [13-1635] Sabendo que cada CNT tem quatro canais condutores em paralelo

que natildeo interagem entre si a indutacircncia cineacutetica efetiva eacute dada por LK4 [13-15] Uma boa

aproximaccedilatildeo da indutacircncia total do CNT (LCNT) eacute 4 nHmicrom [15]

8

Por fim a capacitacircncia de um SWCNT isolado eacute constituiacuteda por duas partes que satildeo a

capacitacircncia eletrostaacutetica (CE) e a quacircntica (CQ) [13-1735] Essas capacitacircncias satildeo

calculadas pelas equaccedilotildees (26) e (27)

d

yCE

ln

2 (26)

F

Qhv

eC

22 (27)

A capacitacircncia eletrostaacutetica eacute influenciada pelo ambiente que a envolve que satildeo os seus

vizinhos e o plano ligado ao terra Considerando que o CNT eacute um fio com diacircmetro d =

1nm e a distacircncia y = 1microm obteacutem-se CE = 30 aFmicrom Jaacute a capacitacircncia quacircntica se refere agrave

influecircncia da energia quacircntica armazenada no nanotubo quando este carrega corrente O

valor da capacitacircncia eacute CQ = 100 aFmicrom [1314] Considerando os quatro canais condutores

descritos anteriormente a capacitacircncia total eacute dada por (28)

QE

QE

CNTCC

CCC

4

4

(28)

Assim o esquemaacutetico da interconexatildeo de um SWCNT isolado eacute mostrado na Figura 24

abaixo

Figura 24 ndash Modelo de interconexatildeo do SWCNT isolado (modificado de [33])

2132 Modelo de interconexatildeo do SWCNT bundle

O SWCNT bundle possui resistecircncia equivalente menor que o SWCNT isolado

caracteriacutestica necessaacuteria para alcanccedilar performances comparaacuteveis agraves interconexotildees de

9

cobre [13-2023252629-38] O SWCNT bundle eacute composto por vaacuterios SWCNTs

empacotados em paralelo Assume-se que todos os SWCNTs satildeo idecircnticos metaacutelicos e que

cada um tem o mesmo potencial [1737] Sabendo que d eacute o diacircmetro do nanotubo de

carbono e x eacute a distacircncia entre os centros de dois nanotubos adjacentes o SWCNT bundle

pode ser empacotado de forma densa se x = d ou de forma esparsa se x gt d [13-1529-

32] Sabe-se que entre os nanotubos existe uma separaccedilatildeo δmin devido agrave forccedila de Van der

Waals que eacute de pelo menos 032 nm entre cada nanotubo [13] como mostra a Figura 25

Figura 25 ndash Separaccedilatildeo miacutenima entre CNTs devido agrave forccedila de Van der Waals (modificado

de [13])

O nuacutemero de nanotubos de carbono nCNT disponiacutevel pode ser calculado pelas expressotildees

dadas em (29) e (210) [141530]

iacutemparnsen

nn

parnsen

nn

n

HH

HW

HH

HW

CNT

2

1

2

(29)

1

23

x

dtn

x

dwn HW (210)

Nas expressotildees acima w eacute a largura e t eacute a altura da interconexatildeo de SWCNT bundle

Assim nW eacute o nuacutemero de CNTs ao longo da largura do SWCNT bundle e nH eacute o nuacutemero de

CNTs ao longo da altura do SWCNT bundle [13-1530] A Figura 26 mostra esses valores

[13]

10

Figura 26 ndash Nuacutemero de CNTs ao longo da largura (nW) e da altura (nH) do CNT

bundle[13]

Na tecnologia de 22 nm considerando as dimensotildees de 22 nm de largura e 44 nm de altura

do SWCNT bundle [13173437] e a separaccedilatildeo entre cada nanotubo devido agrave forccedila de Van

der Waals a quantidade de SWCNTs eacute aproximadamente 600 Neste trabalho estas

consideraccedilotildees foram feitas e a tecnologia de 22 nm foi utilizada Esta tecnologia eacute prevista

pelo ITRS para o ano de 2016 [21]

As resistecircncias de cada SWCNT estatildeo em paralelo entre elas assim como as indutacircncias

Assim a resistecircncia e a indutacircncia do SWCNT bundle com nCNT SWCNTs satildeo calculados

respectivamente pelas expressotildees (211) e (212) [1323252629-3234]

CNT

CNTbundle

n

RR (211)

CNT

CNTbundle

n

LL (212)

Considerando que todos os SWCNTs estatildeo no mesmo potencial que os contatos entre

todos os nanotubos de carbono em um bundle satildeo idecircnticos e que cada SWCNT tem o

mesmo caminho meacutedio livre [13] eacute possiacutevel assumir que a interaccedilatildeo entre CNTs

adjacentes de um SWCNT bundle eacute fraca e que eles carregam correntes independentes

umas das outras [13-17]

A capacitacircncia do SWCNT bundle eacute obtida a partir da combinaccedilatildeo da capacitacircncia

quacircntica de todos os SWCNTs em paralelo chamada de capacitacircncia quacircntica bundle

(CQbundle

) que estaacute em seacuterie com a capacitacircncia eletrostaacutetica (CEbundle

) [13143539] A

capacitacircncia quacircntica e a capacitacircncia eletrostaacutetica satildeo calculadas pelas equaccedilotildees (213) e

(214) em que CEn e CEf satildeo as capacitacircncias de placas paralelas de CNTs isolados em

11

relaccedilatildeo aos vizinhos proacuteximos e afastados respectivamente [14293032] Assim a

capacitacircncia total do SWCNT bundle eacute obtida pela equaccedilatildeo (215)

CNT

CNT

Q

bundle

Q nCC (213)

En

HEf

WEn

bundle

E Cn

Cn

CC5

23

2

22

(214)

bundle

Q

bundle

E

bundle

Q

bundle

E

bundleCC

CCC

(215)

Analisando a equaccedilatildeo (215) o efeito da CQbundle

eacute pequeno para grandes valores de nCNT

sendo o valor da capacitacircncia do SWCNT bundle aproximadamente igual agrave sua

capacitacircncia eletrostaacutetica [13161719] Srivastava et al [13] mostra que os nanotubos no

interior do SWCNT bundle satildeo blindados eletrostaticamente dos condutores de terra

podendo ser desprezados Os CNTs de borda satildeo os principais contribuidores para a

capacitacircncia eletrostaacutetica do SWCNT bundle No entanto a equaccedilatildeo (214) natildeo reproduz

fielmente a realidade jaacute que considera a capacitacircncia eletrostaacutetica de todos os nanotubos e

natildeo soacute os CNTs de borda Segundo o mesmo autor para a tecnologia de 22 nm e uma

constante dieleacutetrica igual a 2 a capacitacircncia total do SWCNT bundle eacute aproximadamente

135 aFμm

2133 Modelo de interconexatildeo do cobre

As propriedades fiacutesicas de interconexotildees de cobre podem ser descritas por resistecircncia

capacitacircncia e indutacircncia [14-16] A resistecircncia do cobre pode ser calculada utilizando a

equaccedilatildeo (216)

tw

lRCu

(216)

em que l eacute o comprimento do cobre w eacute a sua largura t eacute a sua altura e ρ eacute a sua

resistividade A resistividade do cobre em escala nanomeacutetrica eacute moldada pela combinaccedilatildeo

dos fenocircmenos de espalhamento superficial e de espalhamento de contorno

[151627283340] Estes fenocircmenos correspondem aos paracircmetros ρFS e ρMS propostos

12

por Fuchs e Sondheimer (ρFS) e por Mayadas e Shatzkes (ρMS) [1516] Estes paracircmetros

satildeo calculados pelas expressotildees (217) (218) e (219)

)1(

4

31 p

w

o

o

FS

(217)

11ln33

2

31 22

MS

o (218)

)1( R

R

D

o

(219)

O paracircmetro ρo eacute a resistividade do material λo eacute o caminho meacutedio livre p eacute o paracircmetro

de espalhamento de Fuchs D eacute o tamanho meacutedio e R eacute o coeficiente de reflexatildeo no

contorno com valores entre 0 e 1 Assim tem-se que a resistecircncia do cobre em escala

nanomeacutetrica eacute dada pela equaccedilatildeo (220) [1516]

tw

lR MSFS

Cu

(220)

De acordo com [1433] o valor da resistividade do cobre na tecnologia de 22nm para

interconexotildees locais eacute dado por 4666 μΩ-cm No entanto este valor da resistividade do

cobre chega a 58 μΩ-cm para valores miacutenimos da largura do fio [1516203940] Neste

trabalho seraacute utilizado o valor de 58 μΩ-cm para a resistividade do cobre na tecnologia de

22 nm que vai ao encontro dos requerimentos do ITRS [21]

A indutacircncia proacutepria (L) e a muacutetua (M) da interconexatildeo de cobre em escala nanomeacutetrica

satildeo obtidas usando respectivamente as expressotildees (221) e (222)

l

tw

tw

llL o )(220

2

12ln

2

(221)

l

s

s

llM o 1

2ln

2

(222)

em que t eacute a altura do fio microo eacute a permeabilidade e s eacute o espaccedilamento entre os fios [14-16]

A indutacircncia total do cobre (LCu) eacute dada pela soma das indutacircncias proacutepria e muacutetua

13

A capacitacircncia da interconexatildeo de cobre eacute calculada pela soma da capacitacircncia de

acoplamento entre dois fios adjacentes (CC) e a capacitacircncia ligada ao plano do terra (Cg)

[14-16] Essas capacitacircncias podem ser obtidas pelas equaccedilotildees (223) e (224) [1541]

120760193

534511171

70222

ht

t

hs

s

hs

s

h

wCg (223)

181160141090

980871161

591740

062141

sh

h

sw

w

sw

w

sh

h

s

tCC (224)

em que s eacute o espaccedilamento entre dois fios adjacentes h eacute a distacircncia do fio em relaccedilatildeo ao

plano do terra e ε eacute a permissividade relativa para uma dada constante dieleacutetrica

Considerando as equaccedilotildees (223) e (224) e de acordo com [1321] para uma constante

dieleacutetrica igual a 2 o valor da capacitacircncia total do cobre (CCu) eacute aproximadamente 150

aFμm que seraacute utilizado neste trabalho

Os modelos em L em π e em T satildeo usados como modelos de interconexatildeo de cobre [11]

Como o modelo π eacute muito utilizado para uma linha distribuiacuteda [1416] este modelo seraacute

usado neste trabalho A Figura 27 mostra o modelo de interconexatildeo de cobre [11]

Figura 27 ndash Modelo de interconexatildeo de cobre

A precisatildeo do modelo eacute determinada pelo nuacutemero de seguimentos bdquoN‟ que ele possui Uma

cadeia com mais de trecircs segmentos em π fornece um erro menor que 3 [16] Neste

trabalho seratildeo utilizados trecircs segmentos em π

14

22 INVERSOR MONO-ELEacuteTRON

Os dispositivos de tunelamento mono-eleacutetron satildeo dispositivos nanoeletrocircnicos

potencialmente aplicaacuteveis em circuitos integrados em escala giga (GSI) e tera (TSI)

Apesar de apresentarem baixo ganho e alta impedacircncia de saiacuteda estes dispositivos

possuem tamanho reduzido e baixa dissipaccedilatildeo de potecircncia Estas caracteriacutesticas os tornam

atrativos em circuitos loacutegicos e circuitos de memoacuteria [1-10] Assim portas loacutegicas podem

ser implementadas utilizando dispositivos de tunelamento mono-eleacutetron [14-9]

As portas loacutegicas satildeo blocos de construccedilatildeo baacutesicos na eletrocircnica digital O inversor loacutegico

ou porta NOT eacute o principal elemento baacutesico no projeto de circuitos digitais [42] O

inversor inverte o sinal de entrada de valor loacutegico baixo ndash 0 ndash em um sinal de saiacuteda de

valor loacutegico alto ndash 1 ndash e vice-versa [442] Em outras palavras a porta NOT efetua a

negaccedilatildeo loacutegica O siacutembolo do inversor juntamente com sua tabela verdade estaacute ilustrado

na Figura 28

Figura 28 ndash Siacutembolo e tabela verdade da porta NOT

221 Dispositivo de tunelamento mono-eleacutetron

O funcionamento dos dispositivos de tunelamento mono-eleacutetron eacute baseado no controle do

movimento e da posiccedilatildeo de um uacutenico ou de um pequeno grupo de eleacutetrons no dispositivo

[17] Os seguintes conceitos satildeo essenciais na definiccedilatildeo desses dispositivos ilha junccedilatildeo-

tuacutenel tunelamento efeito de carregamento e bloqueio de Coulomb A partir desses

conceitos eacute possiacutevel definir o transistor mono-eleacutetron - SET (do inglecircs Single-electron

transistor) [24-8]

A ilha estaacute localizada entre duas paredes finas de um material normalmente isolante as

quais criam uma barreira de potencial de energia que impossibilita a movimentaccedilatildeo de

eleacutetrons pela ilha A Figura 29 mostra dois eletrodos A e B separados por uma barreira

15

isolante e no meio dessa barreira isolante encontra-se a ilha Se a energia dos eleacutetrons for

maior que a energia potencial das paredes das barreiras estes poderatildeo atravessaacute-las [6] No

dispositivo de tunelamento mono-eleacutetron o transporte de eleacutetrons entre o eletrodo A e a

ilha e entre a ilha e o eletrodo B ocorre por tunelamento mono-eleacutetron em que os eleacutetrons

atravessam as barreiras um de cada vez [10]

Figura 29 Dois eletrodos separados por uma ilha [10]

Esses dispositivos satildeo formados por junccedilotildees-tuacutenel que satildeo dois eletrodos metaacutelicos

separados por um isolante muito fino (barreira) o qual permite a passagem de eleacutetrons por

tunelamento [467] A Figura 210 ilustra a junccedilatildeo-tuacutenel e sua representaccedilatildeo simboacutelica Os

paracircmetros que caracterizam a junccedilatildeo-tuacutenel macroscopicamente satildeo a resistecircncia de

tunelamento (Rj) que depende da aacuterea e da espessura da barreira isolante e a capacitacircncia

(Cj) [10]

Figura 210 Esquemaacutetico da junccedilatildeo-tuacutenel [10]

O tunelamento eacute o transporte de partiacuteculas atraveacutes de uma regiatildeo em que a energia total de

uma partiacutecula pontual claacutessica eacute menor que a energia potencial da regiatildeo ou seja eacute o

transporte atraveacutes de uma regiatildeo classicamente proibida [10] O efeito de tunelamento

ocorre quando a barreira de potencial for suficientemente fina permitindo que o eleacutetron a

atravesse se houver niacutevel de energia desocupado do outro lado da barreira com o mesmo

valor de energia Esse fenocircmeno pode ser explicado pelo comportamento dual do eleacutetron

Diferentemente da mecacircnica claacutessica na teoria eletromagneacutetica quando uma partiacutecula

encontra uma barreira de potencial parte da onda eacute refletida e a outra parte eacute transmitida

para o outro lado da barreira [10] A teoria ortodoxa do tunelamento mono-eleacutetron eacute o

modelo mais utilizado para analisar o tunelamento [4-6] Proposto em 1987 por Averin e

Likharev [43] este modelo apresenta os seguintes postulados

16

Modelo de dimensatildeo zero as dimensotildees das ilhas satildeo despreziacuteveis

O evento de tunelamento eacute considerado instantacircneo

A redistribuiccedilatildeo das cargas apoacutes tunelamento tambeacutem eacute considerada instantacircnea

O espectro de energia em condutores e ilhas eacute considerado contiacutenuo ou seja a

quantizaccedilatildeo da energia do eleacutetron eacute ignorada dentro dos condutores

Apesar de a teoria ortodoxa assumir condiccedilotildees hipoteacuteticas ela continua sendo muito

utilizada em estudos do dispositivo mono-eleacutetron [4-6]

O efeito de carregamento ocorre quando os eleacutetrons estatildeo na iminecircncia de entrar em um

material condutor extremamente pequeno isolado eletricamente (ilha) Se houver um

eleacutetron na ilha o potencial eletrostaacutetico da ilha aumenta bastante sendo bem superior ao

ruiacutedo teacutermico em temperatura ambiente O fluxo de eleacutetrons na ilha eacute possiacutevel se o

potencial da ilha for controlado por uma fonte de tensatildeo externa Outros eleacutetrons satildeo

impedidos de entrar na ilha devido agrave repulsatildeo de Coulomb [14-9]

Assim o bloqueio de Coulomb ocorre quando um eleacutetron entra na ilha e impede o

tunelamento de outro eleacutetron nesta ilha No momento em que o eleacutetron entra na ilha a

energia eletrostaacutetica da ilha aumenta em Ce 22 em que CΣ eacute a soma das capacitacircncias

em torno da ilha [14] Dessa forma outro eleacutetron soacute conseguiraacute tunelar para dentro da ilha

se sua energia for maior que a energia eletrostaacutetica da ilha [6] A Figura 211 ilustra os

diagramas de energia no bloqueio de Coulomb e no caso de tunelamento [10]

(a) (b)

Figura 211 Diagramas de energia (a) Bloqueio de Coulomb (b) Tunelamento mono-

eleacutetron [10]

17

O bloqueio de Coulomb eacute superado ao se aplicar uma tensatildeo Vg ao circuito ateacute que esta

tensatildeo alcance um dado valor de limiar que forneceraacute energia suficiente para que ocorra o

tunelamento de um eleacutetron Assim haveraacute o fluxo de eleacutetrons havendo corrente A Figura

212 mostra a regiatildeo do bloqueio de Coulomb ao aplicar uma tensatildeo Vg ao circuito em que

Vc eacute a tensatildeo de limiar chamada de tensatildeo de bloqueio de Coulomb [5-10]

Figura 212 Caracteriacutestica do bloqueio de Coulomb [10]

Nesse contexto duas condiccedilotildees satildeo necessaacuterias para garantir que o transporte de eleacutetrons

seja controlado pelo efeito de carregamento a condiccedilatildeo para a resistecircncia de tunelamento

dada pela equaccedilatildeo (225) [1] em que a natureza corpuscular do eleacutetron predomina sobre a

natureza ondulatoacuteria e a energia eletrostaacutetica (EC) associada a uma dada temperatura (T)

deve ser significativamente maior que as flutuaccedilotildees teacutermicas existentes agravequela

temperatura como descrita na equaccedilatildeo (226) [146-9] Os paracircmetros h eacute a constante de

Planck e eacute a carga do eleacutetron kB eacute a constante de Boltzmann e C eacute capacitacircncia Na

equaccedilatildeo (226) a temperatura deve ser maior que 0K [10]

kRe

hR TT 825

2 (225)

TkC

eTkEc BB

2

2

(226)

A partir dos conceitos apresentados pode-se definir o transistor mono-eleacutetron O SET

ilustrado na Figura 213 [10] eacute composto por duas junccedilotildees-tuacutenel em seacuterie formando uma

ilha entre as junccedilotildees [246-9] Os paracircmetros R1 C1 e R2 C2 correspondem agraves

resistecircncias e capacitacircncias da primeira e da segunda junccedilatildeo-tuacutenel respectivamente A

tensatildeo de porta Vg controla a energia eletrostaacutetica da ilha atraveacutes da capacitacircncia Cg

18

Quando haacute carregamento por tunelamento de uma junccedilatildeo e descarregamento da outra

junccedilatildeo haacute um fluxo controlado de cargas o que gera a corrente I [10]

Figura 213 Transistor mono-eleacutetron [10]

Um efeito que pode ser observado na caracteriacutestica da corrente versus tensatildeo do transistor

mono-eleacutetron eacute chamado de oscilaccedilatildeo de Coulomb [24679] Se a tensatildeo V for mantida

constante com CeV e a tensatildeo Vg for aumentada ateacute atingir gg CeV 2 esse

valor de tensatildeo permitiraacute que um eleacutetron passe pela ilha Como soacute haveraacute corrente fluindo

no circuito em valores muacuteltiplos da tensatildeo gCe 2 soacute ocorreraacute o tunelamento novamente

quando )2(3 gg CeV A caracteriacutestica corrente (I) versus tensatildeo (Vg) do transistor

mono-eleacutetron eacute ilustrada na Figura 214 [10]

Figura 214 Caracteriacutestica corrente (I) versus tensatildeo (Vg) do transistor mono-eleacutetron [10]

222 Estrutura do inversor mono-eleacutetron

Um inversor pode ser construiacutedo colocando-se dois SETs em seacuterie os quais compartilham

da mesma entrada [5689] conforme mostrado na Figura 215 Vin eacute a tensatildeo de entrada

Vout eacute a tensatildeo de saiacuteda Vbias eacute a tensatildeo de polarizaccedilatildeo CC eacute a capacitacircncia de carga Cg1 e

Cg2 satildeo as capacitacircncias de porta do SET 1 e do SET 2 respectivamente

19

Figura 215 Esquemaacutetico do inversor utilizando SETs (modificado de [4])

Alguns modelos do SET desenvolvidos no software SPICE foram propostos na literatura

[4-7] Destes modelos o proposto por G Lientschnig et al [4] descreve a implementaccedilatildeo

completa da teoria ortodoxa e usa apenas os recursos em versotildees disponiacuteveis publicamente

do software SPICE Este modelo diferentemente dos modelos propostos em [5-7] natildeo estaacute

limitado a transistores mono-eleacutetron com junccedilotildees-tuacutenel que tecircm resistecircncias iguais Aleacutem

disso pode ser estendido para incluir um nuacutemero arbitraacuterio de estados de carga que

permite simulaccedilotildees definidas para altas temperaturas e tensotildees de polarizaccedilatildeo [4] O

modelo de G Lientschnig et al estaacute disponiacutevel no siacutetio eletrocircnico [44] Assim este foi o

modelo utilizado neste trabalho

23 CLOCKING DE SISTEMAS DE ALTA VELOCIDADE

Em sistemas digitais siacutencronos o sinal do clock eacute utilizado para definir uma referecircncia de

tempo agrave mudanccedila de dados dentro do sistema [1145] Assim a distribuiccedilatildeo do clock eacute de

suma importacircncia na operaccedilatildeo de circuitos integrados digitais sendo uma grande

preocupaccedilatildeo em circuitos integrados de alta velocidade [46-51] Circuitos em escala

nanomeacutetrica podem ser significativamente limitados devido ao clock skew que ocorre

quando os circuitos natildeo estatildeo equumlidistantes do sinal do clock [11454649-51] Como este

sinal eacute o sinal mais ativo em um chip pode resultar em elevado consumo de potecircncia e

grandes densidades de corrente na rede de interconexotildees do clock [454849]

Dessa forma o sinal do clock deve atingir ao mesmo tempo cada noacute para garantir que a

comutaccedilatildeo seja sincronizada bem como deve ser distribuiacutedo de forma que haja o menor

20

atraso possiacutevel [49] Com esse intuito os seguintes fatores entre outros satildeo fundamentais

no desempenho do clock dispositivos loacutegicos de tecnologia raacutepida (avanccedilada) rede de

distribuiccedilatildeo de clock que minimize o skew e interconexotildees com alto desempenho [11]

Conforme exposto anteriormente os dispositivos nanoeletrocircnicos como os transistores

mono-eleacutetron satildeo potencialmente aplicaacuteveis em circuitos integrados em escala giga (GSI)

e tera (TSI) Estes dispositivos permitem que as funccedilotildees loacutegicas sejam desempenhadas em

um tempo mais raacutepido e com menor atraso Assim satildeo fortes candidatos a serem utilizados

em circuitos integrados com clock

A adequada rede de distribuiccedilatildeo do clock assegura que a comutaccedilatildeo seja sincronizada e

que haja o menor atraso possiacutevel [1145] Aleacutem disso dependendo da arquitetura da rede o

niacutevel de sincronismo do sistema pode aumentar Diferentes tipos de abordagens tecircm sido

desenvolvidos para projetar a rede de distribuiccedilatildeo do clock em sistemas digitais de

circuitos integrados [45] Os buffered trees satildeo muito utilizados na distribuiccedilatildeo

equipotencial do clock Aleacutem dessas estruturas assimeacutetricas arquiteturas simeacutetricas como

o H-tree satildeo usadas para distribuir sinais de clock em alta velocidade podendo inclusive

ser projetadas com buffers [45-51] Algumas formas de rede de distribuiccedilatildeo do clock estatildeo

ilustradas na Figura 216 incluindo a trunk tree mesh e H-tree [45]

Figura 216 Estruturas comuns de redes de distribuiccedilatildeo de clock [45]

21

Atualmente as interconexotildees de cobre satildeo bastante utilizadas para circuitos de alto

desempenho como em redes de clock No entanto os CNTs apresentam caracteriacutesticas que

os tornam melhores para serem utilizados em interconexotildees descritas na subseccedilatildeo 221

[48] Neste trabalho seraacute realizada a comparaccedilatildeo entre interconexotildees de cobre e de CNT

na rede de distribuiccedilatildeo do H-tree clock

231 H-Tree Clock

O clock skew pode ser minimizado distribuindo-se o sinal do clock de forma que as

interconexotildees que levam o sinal aos circuitos loacutegicos tecircm o mesmo comprimento Se antes

de chegarem aos circuitos loacutegicos os sinais do clock forem igualmente atrasados eles

estaratildeo perfeitamente sincronizados [1145] Dessa forma o esquemaacutetico da Figura 217 de

distribuiccedilatildeo do clock minimiza o clock skew repetindo recursivamente uma estrutura em

forma de H [11] A Figura 217 ilustra uma rede H-tree simeacutetrica com trecircs niacuteveis [46]

Figura 217 Esquemaacutetico do H-tree clock simeacutetrico (modificado de [46])

Na estrutura do H-tree o condutor primaacuterio do clock estaacute ligado ao centro do H principal

(1ordm niacutevel) transmitindo o sinal para os quatro cantos deste H Esses quatro cantos satildeo as

entradas para o proacuteximo niacutevel do H-tree o 2ordm niacutevel que possui quatro estruturas em H O

processo de distribuiccedilatildeo continua por vaacuterios niacuteveis de H‟s cada vez menores Os pontos de

destino final do H-tree satildeo usados para conduzir os circuitos locais Assim cada caminho

do clock desde a fonte ateacute o circuito local possui praticamente o mesmo atraso [45]

22

24 MEDIDAS DE DESEMPENHO NA ANAacuteLISE DAS INTERCONEXOtildeES

As interconexotildees em circuitos integrados possuem caracteriacutesticas que modificam o sinal de

entrada O efeito das interconexotildees pode provocar atrasos e distorccedilotildees indesejaacuteveis Nesse

contexto eacute necessaacuterio analisar medidas de desempenho dos sinais sob efeito das

interconexotildees tais como velocidade maacutexima atenuaccedilatildeo tempo de atraso potecircncia

dissipada produto atraso-potecircncia e slew rate [111317202342]

241 Velocidade maacutexima - anaacutelise na frequumlecircncia

A velocidade maacutexima que as interconexotildees podem operar sem distorcer o sinal de entrada

eacute uma medida de desempenho importante [172023] Eacute possiacutevel analisar este paracircmetro

atraveacutes da frequumlecircncia maacutexima de operaccedilatildeo da interconexatildeo que eacute a largura de banda em

que o sinal comeccedila a decair em -3dB em relaccedilatildeo ao sinal de referecircncia [1742] Assim

utiliza-se a anaacutelise do moacutedulo do graacutefico de Bode para obter a frequumlecircncia de operaccedilatildeo em

-3dB [42] A Figura 218 mostra o esboccedilo do moacutedulo do ganho pela frequumlecircncia tiacutepico do

comportamento de interconexotildees

Figura 218 Graacutefico do moacutedulo do ganho pela frequumlecircncia tiacutepico do comportamento de

interconexotildees

23

242 Atenuaccedilatildeo

A transmissatildeo de um sinal pode ser expressa em funccedilatildeo do seu ganho ou da sua atenuaccedilatildeo

No caso em estudo as interconexotildees podem atenuar o sinal Essa atenuaccedilatildeo eacute geralmente

calculada pela expressatildeo (227) em que Vo eacute o sinal de saiacuteda e Vi eacute o sinal de entrada [42]

i

o

V

VA log20 (227)

243 Tempo de atraso

O tempo de atraso td ou atraso na propagaccedilatildeo ocorre devido ao

carregamentodescarregamento da capacitacircncia de carga bem como ao tempo de

chaveamento dos transistores [42]

O tempo de atraso eacute obtido pela diferenccedila entre o tempo medido a 50 da transiccedilatildeo dos

sinais de entrada e de saiacuteda [11] Em circuitos loacutegicos o atraso na propagaccedilatildeo pode ser

calculado pela meacutedia aritmeacutetica do tempo de propagaccedilatildeo do sinal de alto para baixo tPHL e

do tempo de propagaccedilatildeo do baixo para alto tPLH conforme equaccedilatildeo (228) [1142]

2

PLHPHLd

ttt

(228)

244 Potecircncia dissipada

A dissipaccedilatildeo de potecircncia eacute outra medida de desempenho bastante importante em circuitos

integrados em escala GSI e TSI Isso ocorre jaacute que ao aumentar o nuacutemero de portas

loacutegicas em uma determinada aacuterea ocupada eacute necessaacuterio que a dissipaccedilatildeo de potecircncia esteja

dentro de limites aceitaacuteveis [1142]

A dissipaccedilatildeo de potecircncia eacute composta por dois componentes potecircncia estaacutetica e potecircncia

dinacircmica A dissipaccedilatildeo de potecircncia estaacutetica eacute dada por IVP DDE e ocorre mesmo que

natildeo haja chaveamento de porta loacutegica no circuito devido ao efeito da resistecircncia do

circuito [42] A dissipaccedilatildeo de potecircncia dinacircmica eacute devido agrave capacitacircncia de carga do

24

circuito expressa por CVfP DDD 2 em que VDD eacute a tensatildeo de alimentaccedilatildeo f eacute

frequumlecircncia do circuito e C eacute a capacitacircncia de carga do circuito [1142] Assim a soma da

potecircncia dinacircmica e da potecircncia estaacutetica resulta na potecircncia total dissipada no circuito

245 Produto atraso-potecircncia

Em circuitos integrados o ideal eacute que se tenha baixo atraso na propagaccedilatildeo resultando em

uma maior velocidade de funcionamento do circuito bem como baixa dissipaccedilatildeo de

potecircncia No entanto essas duas exigecircncias satildeo conflitantes ao reduzirmos a dissipaccedilatildeo de

potecircncia de uma porta a capacidade da porta em fornecer corrente diminuiraacute isso

implicaraacute em um maior tempo de carga e descarga aumentando o atraso na propagaccedilatildeo

Assim o produto atraso-potecircncia (delay power product ndash DP) eacute uma medida de

desempenho bastante utilizada na anaacutelise de circuitos e eacute dado por dD tPDP Quanto

menor o produto atraso-potecircncia maior a eficiecircncia do circuito loacutegico [42]

246 Slew rate

A taxa maacutexima de variaccedilatildeo da tensatildeo de saiacuteda do inglecircs slew rate (SR) eacute uma

caracteriacutestica importante do sinal de saiacuteda de um circuito loacutegico A limitaccedilatildeo na taxa de

variaccedilatildeo pode provocar uma distorccedilatildeo no funcionamento do circuito O SR pode ser

calculado pela expressatildeo (229) em que Δv eacute a variaccedilatildeo da tensatildeo de saiacuteda do sinal para

uma determinada variaccedilatildeo de tempo Δt [42]

t

vSR

(229)

25 LTSPICE

O software LTSPICE eacute um simulador SPICE de alto desempenho orientado a

esquemaacuteticos e visualizador de formas de onda com modelos para facilitar a simulaccedilatildeo de

circuitos eletrocircnicos Se comparado aos outros simuladores SPICE a simulaccedilatildeo do

LTSPICE eacute bastante raacutepida O software consegue simular dispositivos de acordo com o

padratildeo industrial reproduzindo os seus comportamentos [52]

25

O LTSPICE possui vaacuterias possibilidades de simulaccedilatildeo como anaacutelise transiente anaacutelise AC

e anaacutelise DC bem como permite a simulaccedilatildeo de vaacuterios dispositivos disponiacuteveis na sua

biblioteca Aleacutem disso este software possibilita a elaboraccedilatildeo de novos esquemaacuteticos

atraveacutes de um modelo matemaacutetico ou eletrocircnico proposto O novo componente poderaacute ser

utilizado no circuito conforme seraacute feito neste trabalho utilizando-se o modelo SPICE do

SET proposto por G Lientschnig et al[4]

26

3 METODOLOGIA

31 INTRODUCcedilAtildeO

A miniaturizaccedilatildeo das interconexotildees prejudica o seu desempenho resultando no aumento

significativo do valor da resistividade da capacitacircncia de acoplamento entre vias na

dificuldade de controlar a razatildeo entre a altura e a largura do material entre outros

problemas A fim de analisar o desempenho das interconexotildees eacute necessaacuterio verificar

algumas variaacuteveis importantes como velocidade maacutexima (f-3dB) atenuaccedilatildeo (A) tempo de

atraso (td) potecircncia dissipada (P) produto atraso-potecircncia (DP) e slew rate (SR)

[111317202342]

32 ETAPAS E ESTRATEacuteGIAS ADOTADAS

Com o intuito de analisar o efeito das interconexotildees em circuitos com transistores mono-

eleacutetron foi realizada primeiramente a anaacutelise das interconexotildees de SWCNT de SWCNT

bundle e de cobre isoladamente para diferentes valores de comprimento Apoacutes a avaliaccedilatildeo

desses resultados o efeito das interconexotildees foi analisado no H-tree clock com inversores

mono-eleacutetron nos seus terminais tambeacutem considerando diferentes comprimentos Neste

trabalho a tecnologia de 22 nm prevista para o ano de 2016 [21] foi utilizada na

comparaccedilatildeo entre o desempenho do cobre e do CNT Todas as simulaccedilotildees foram realizadas

utilizando o software LTSPICE

321 Simulaccedilatildeo das interconexotildees

A partir dos modelos das interconexotildees de SWCNT SWCNT bundle e cobre apresentados

na subseccedilatildeo 213 diferentes comprimentos das interconexotildees foram simulados Assim

analisou-se as interconexotildees locais em que l le 1 μm e as intermediaacuterias em que 1 μm lt l

le 500 μm sabendo que l eacute o comprimento da interconexatildeo [29-31333638]

A fim de analisar a frequumlecircncia de corte este foi obtido para comprimentos de

interconexotildees locais (10nm 100nm 200nm 300nm 400nm 500nm 600nm 700nm

27

800nm 900nm 1μm) e interconexotildees intermediaacuterias (10μm 100μm 200μm 300μm

400μm 500μm)

Jaacute que λCNT eacute tipicamente 1 μm foram escolhidos trecircs comprimentos na faixa lCNT le λCNT

(10 nm 100 nm e 1 μm) e trecircs comprimentos na faixa lCNT gt λCNT (10 μm 100 μm 500

μm) para serem analisados detalhadamente Escolheu-se uma mesma frequecircncia abaixo da

frequecircncia de corte dos trecircs materiais considerados para analisar e comparar a atenuaccedilatildeo

(A) e o tempo de atraso na propagaccedilatildeo (td) dos diferentes comprimentos

Em seguida o mesmo procedimento foi feito para comparar somente o SWCNT bundle e o

cobre para uma mesma frequecircncia cujo valor eacute maior que a frequecircncia da anaacutelise anterior

permitindo que estes dois materiais sejam analisados detalhadamente

Essas anaacutelises foram realizadas a partir da simulaccedilatildeo do circuito da Figura 31 [2325] A

tensatildeo de entrada Vin eacute uma onda quadrada de 1V de amplitude e o capacitor de carga tem

o valor de 100 aF

Figura 31 ndash Circuito simulado para cada interconexatildeo

A Figura 32 mostra o fluxograma das etapas descritas nesta subseccedilatildeo 321

28

Figura 32 ndash Fluxograma das etapas seguidas na simulaccedilatildeo das interconexotildees

322 Simulaccedilatildeo do inversor mono-eleacutetron

Para utilizar a porta inversora da Figura 215 nos terminais do H-tree clock foi necessaacuterio

primeiramente simular o SET proposto por [4] Essa simulaccedilatildeo foi feita variando os

paracircmetros do SET como as resistecircncias e capacitacircncias das junccedilotildees as capacitacircncias de

porta a temperatura etc Os paracircmetros foram variados ateacute simular o SET a temperatura

de 300K Em seguida simulou-se a inversora da Figura 215 tambeacutem a temperatura

ambiente Dessa forma foi possiacutevel simular a inversora isoladamente obtendo as

caracteriacutesticas do sinal de saiacuteda

323 Simulaccedilatildeo do H-tree clock mono-eleacutetron

Apoacutes a simulaccedilatildeo do SET foi possiacutevel simular o H-tree clock A rede H-tree de dois niacuteveis

foi simulada com um H no primeiro niacutevel e quatro H‟s no segundo niacutevel [49] Nos pontos

de destino final da rede foram colocadas portas inversoras formadas por SETs permitindo

a anaacutelise de circuitos nanoeletrocircnicos

Modelos de SWCNT

SWCNT bundle e cobre

Obtenccedilatildeo dos paracircmetros dos modelos para

interconexotildees locais e interconexotildees intermediaacuterias

Para cada comprimento

obtenccedilatildeo de f-3dB

1ordm) Escolha de frequumlecircncia abaixo

da f-3dB do SWCNT SWCNT

bundle e cobre

2ordm) Escolha de frequumlecircncia abaixo

da f-3dB do SWCNT bundle e

cobre

Obtenccedilatildeo de A e td de

cada modelo

Obtenccedilatildeo de A e td de

cada modelo

Anaacutelise comparativa entre o

SWCNT SWCNT bundle e

cobre

Anaacutelise comparativa entre o

SWCNT bundle e cobre

Estudo de interconexotildees locais (10nm

100nm 1μm) e intermediaacuterias (10μm

100μm 500μm)

29

A partir da simulaccedilatildeo do H-tree clock obteve-se a frequecircncia em -3dB (f-3dB) da rede com

interconexotildees ideais Assim a rede H-tree foi entatildeo simulada para duas frequecircncias

diferentes do sinal de entrada abaixo da frequecircncia de -3dB 10 GHz e 100 GHz Com

essas simulaccedilotildees obtiveram-se as seguintes caracteriacutesticas do sinal de saiacuteda da inversora

niacutevel loacutegico baixo (NB) niacutevel loacutegico alto (NA) tempo de subida (tr) slew rate de subida

(SR) atenuaccedilatildeo (A) tempo de atraso (td) potecircncia dissipada (P) e produto atraso-potecircncia

(DP) As caracteriacutesticas obtidas servem como referecircncia para analisar o sinal considerando

interconexotildees natildeo-ideais ou seja incluindo os modelos das interconexotildees nas simulaccedilotildees

Em seguida a rede H-tree foi simulada considerando-se os modelos das interconexotildees de

SWCNT bundle e de cobre variando os seus comprimentos Como cada H da rede de

distribuiccedilatildeo deve ser simeacutetrico considerou-se que cada divisatildeo do H tem o mesmo

comprimento para cada niacutevel da rede [11] A Figura 33 mostra o comprimento dos

diferentes trechos da rede Assim o comprimento de cada divisatildeo dos H‟s do segundo

niacutevel eacute a metade do comprimento de cada divisatildeo do H do primeiro niacutevel Jaacute que o objetivo

eacute simular circuitos em escala nanomeacutetrica escolheu-se trecircs variaccedilotildees de comprimento

menores ou iguais a 1μm

l = 100 nm l2 = 50 nm

l = 400 nm l2 = 200 nm

l = 1 μm l2 = 500 nm

Figura 33 ndash Esquemaacutetico do H-tree clock com os comprimentos de cada seguimento

Dessa forma cada um dos trecircs circuitos foi simulado obtendo-se a frequecircncia em -3dB na

entrada das portas inversoras Em seguida as trecircs redes foram simuladas para as mesmas

30

duas frequumlecircncias do sinal de entrada (10 GHz e 100 GHz) de forma a obter as

caracteriacutesticas do sinal de saiacuteda descritas anteriormente considerando agora o efeito das

interconexotildees

Por fim a partir dos dados obtidos foram realizadas comparaccedilotildees entre as caracteriacutesticas

do sinal de saiacuteda de referecircncia (interconexotildees ideais) e o sinal de saiacuteda dos circuitos com as

interconexotildees natildeo-ideais bem como entre o comportamento das interconexotildees de SWCNT

bundle e de cobre nas diferentes frequecircncias

A Figura 34 mostra o fluxograma das etapas descritas nas subseccedilotildees 322 e 323

Figura 34 ndash Fluxograma das etapas seguidas na simulaccedilatildeo do H-tree clock

H-tree clock mono-eleacutetron

Simulaccedilatildeo do H-tree clock com

interconexotildees ideais Obtenccedilatildeo de f-3dB

da inversora

Simulaccedilatildeo do H-tree clock com

interconexotildees natildeo-ideais para os seguintes

comprimentos

l = 100 nm l2 = 50 nm

l = 400 nm l2 = 200 nm

l = 1 μm l2 = 500 nm

Validaccedilatildeo do SET e do

inversor mono-eleacutetron a

300K

Sinal de entrada a

10 GHz

Sinal de entrada a

100 GHz

Obtenccedilatildeo de NB

NA tr SR A td P e

DP do sinal de saiacuteda

da inversora

Obtenccedilatildeo de NB

NA tr SR A td P e

DP do sinal de saiacuteda

da inversora

Sinal de entrada a

10 GHz

Sinal de entrada a

100 GHz

Obtenccedilatildeo de NB

NA tr SR A td P e

DP do sinal de saiacuteda

da inversora

Obtenccedilatildeo de NB

NA tr SR A td P e

DP do sinal de saiacuteda

da inversora

Anaacutelise comparativa

dos dados obtidos

31

4 RESULTADOS E ANAacuteLISES

41 INTRODUCcedilAtildeO

Neste capiacutetulo seratildeo apresentados os procedimentos adotados e os resultados obtidos na

simulaccedilatildeo das interconexotildees SWCNT SWCNT bundle e cobre As etapas descritas na

metodologia foram seguidas obtendo-se os resultados das simulaccedilotildees das interconexotildees e

das simulaccedilotildees do H-tree clock mono-eleacutetron para interconexotildees ideais e natildeo-ideais A

partir dos resultados a anaacutelise do desempenho das interconexotildees seraacute apresentada

42 ANAacuteLISE DAS INTERCONEXOtildeES

Nesta seccedilatildeo a anaacutelise das interconexotildees de SWCNT SWCNT bundle e cobre na

tecnologia de 22 nm para diferentes comprimentos seraacute realizada Para isso analisou-se

as interconexotildees locais em que l le 1 μm e as intermediaacuterias em que 1 μm lt l le 500 μm

sabendo que l eacute o comprimento da interconexatildeo [29-31333638] Como λCNT eacute

tipicamente 1 μm trecircs comprimentos na faixa lCNT le λCNT (10 nm 100 nm e 1 μm) e trecircs

comprimentos na faixa lCNT gt λCNT (10 μm 100 μm 500 μm) de cada material seratildeo

analisados detalhadamente Os paracircmetros obtidos a partir dos modelos de SWCNT

SWCNT bundle e cobre estatildeo respectivamente nas Tabelas 71 72 e 73 do Apecircndice

421 Interconexotildees locais

Primeiramente a partir da simulaccedilatildeo da Figura 31 obteve-se a frequecircncia em -3dB (f-3dB)

das interconexotildees locais (lCNT le λCNT ) isto eacute a sua banda passante de forma a verificar a

velocidade maacutexima que cada interconexatildeo suporta A Figura 41 ilustra o comportamento

da frequecircncia das interconexotildees locais para os diferentes comprimentos Como o SWCNT

isolado possui valores de frequecircncia na faixa de centenas de giga Hertz ou seja menos de

um tera Hertz os valores de suas frequecircncias tambeacutem podem ser visualisados na Tabela

74 do Apecircndice

Verifica-se que agrave medida que o comprimento da interconexatildeo aumenta a frequecircncia

diminui Isso ocorre jaacute que os valores da capacitacircncia e indutacircncia aumentam com o

aumento do comprimento da interconexatildeo Esses paracircmetros satildeo decisivos no sinal de

32

saiacuteda sendo o sinal mais distorcido quanto maior for o valor desses paracircmetros Observa-

se que o SWCNT bundle e o cobre possuem banda passante maiores que o SWCNT

isolado para qualquer comprimento Aleacutem disso o SWCNT bundle soacute possui uma banda

passante comparaacutevel ao do cobre para comprimentos acima de 700 nm

Frequecircncia X Comprimento

0

10

20

30

40

50

60

100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

Comprimento (nm)

f -3d

B (

TH

z)

SWCNT Isolado

SWCNT bundle

Cobre

Figura 41 ndash Frequumlecircncia versus comprimento das interconexotildees locais

As interconexotildees locais de 10 nm 100 nm e 1 μm de comprimento foram analisadas

detalhadamente A Tabela 41 mostra a frequecircncia em -3dB de cada material para os

comprimentos em anaacutelise

Tabela 41 Frequecircncia em -3dB de cada material para lCNT le λCNT

Interconexatildeo Local Comprimento (L) Material f-3dB

SWCNT isolado 253 GHz

10nm SWCNT bundle 66 THz

Cobre 232 THz

SWCNT isolado 300 GHz

lCNT le λCNT 100nm SWCNT bundle 20 THz

Cobre 51 THz

SWCNT isolado 230 GHz

1microm SWCNT bundle 47 THz

Cobre 42 THz

Assim escolheu-se uma mesma frequecircncia abaixo da frequecircncia de corte dos trecircs

materiais considerados para analisar e comparar a atenuaccedilatildeo (A) e o tempo de atraso na

propagaccedilatildeo (td) dos trecircs comprimentos Isso permite verificar o comportamento do sinal na

banda passante A Tabela 42 mostra esse estudo comparativo entre o SWCNT isolado

SWCNT bundle e cobre agrave frequecircncia de 200 GHz

33

Tabela 42 Estudo das interconexotildees com comprimentos na faixa lCNT le λCNT

Freq L Material A (dB) td (ps)

SWCNT isolado -210 046

10nm SWCNT bundle 001 000

Cobre 000 000

SWCNT isolado -155 051

200 GHz 100nm SWCNT bundle 001 000

Cobre 001 000

SWCNT isolado -039 107

1microm SWCNT bundle 006 001

Cobre 000 007

A partir da anaacutelise da Tabela 42 eacute possiacutevel observar agrave frequumlecircncia de 200 GHz a

atenuaccedilatildeo do sinal e o atraso do SWCNT isolado Nessa frequumlecircncia o atraso do SWCNT

isolado eacute significativo em relaccedilatildeo ao periacuteodo do sinal que eacute 5ps jaacute que o menor atraso

(para l = 10nm) eacute aproximadamente 10 do periacuteodo do sinal de entrada No entanto para

esta mesma frequumlecircncia observa-se que a atenuaccedilatildeo e o atraso do SWCNT bundle e do

cobre satildeo insignificantes Isto indica que estes dois materiais possuem melhor

desempenho sendo favoraacuteveis para serem utilizados em interconexotildees locais

Dessa forma para analisar melhor a atenuaccedilatildeo e o tempo de atraso do SWCNT bundle e do

cobre o mesmo procedimento foi feito comparando-se somente estes dois materiais para

uma mesma frequecircncia de 1 THz A Tabela 43 mostra esse estudo comparativo entre o

SWCNT bundle e cobre

Tabela 43 Estudo das interconexotildees SWCNT bundle e cobre com comprimentos na faixa

lCNT le λCNT

Freq L Material A (dB) td (fs)

10nm SWCNT bundle 001 113

Cobre 000 022

1 THz 100nm SWCNT bundle 006 136

Cobre 001 240

1microm SWCNT bundle 145 647

Cobre -013 5623

Analisando a Tabela 43 observa-se que agrave frequumlecircncia de 1 THz a atenuaccedilatildeo do sinal e o

atraso aumentam agrave medida que o comprimento das interconexotildees aumentam A partir do

comprimento de 100nm o tempo de atraso da interconexatildeo de cobre eacute maior que o do

SWCNT bundle cujo maior valor de atraso (para l = 1microm) natildeo chega a 1 do periacuteodo do

34

sinal de entrada (1ps) Isso mostra que apesar de a banda passante do cobre ser maior o

atraso do SWCNT bundle eacute menor Dessa forma para as interconexotildees locais o SWCNT

bundle possui desempenho comparaacutevel ao do cobre [13]

Em relaccedilatildeo agrave atenuaccedilatildeo verifica-se que para alguns comprimentos este tem valor

positivo Isso ocorre principalmente quando haacute um pico no graacutefico da frequumlecircncia antes dele

comeccedilar a decair Esse pico eacute devido ao efeito ressonante provocado pela indutacircncia

quando este possui valor comparaacutevel agrave resistecircncia e agrave capacitacircncia da interconexatildeo [53]

Assim esse efeito ressonante foi observado somente nas interconexotildees locais de SWCNT

bundle e de cobre A Figura 42 ilustra o graacutefico da magnitude pela frequumlecircncia do SWCNT

isolado SWCNT bundle e cobre para o comprimento de 100nm Observa-se o efeito

ressonante nos graacuteficos do SWCNT bundle e do cobre

Figura 42 ndash Graacuteficos da magnitude das interconexotildees de SWCNT isolado (superior)

SWCNT bundle (meio) e cobre (inferior) com comprimento de 100nm

35

422 Interconexotildees intermediaacuterias

Assim como para as interconexotildees locais obteve-se a frequecircncia em -3dB (f-3dB) das

interconexotildees intermediaacuterias (lCNT gt λCNT) de forma a verificar a velocidade maacutexima que

cada interconexatildeo suporta A Figura 43 ilustra o comportamento da frequecircncia das

interconexotildees intermediaacuterias para os diferentes comprimentos Os valores das frequecircncias

de cada interconexatildeo tambeacutem podem ser visualisados na Tabela 75 do Apecircndice

Como nas interconexotildees locais agrave medida que o comprimento da interconexatildeo aumenta a

frequecircncia diminui Aleacutem disso o SWCNT bundle e o cobre possuem desempenho melhor

que o do SWCNT isolado para qualquer comprimento No entanto para interconexotildees

intermediaacuterias o SWCNT bundle possui banda passante maior que a do cobre para

qualquer comprimento

Frequecircncia X Comprimento

00

05

10

15

20

25

30

35

40

45

100 200 300 400 500

Comprimento (μm)

f -3d

B (

GH

z)

SWCNT isolado

SWCNT bundle

Cobre

Figura 43 ndash Frequumlecircncia versus comprimento das interconexotildees intermediaacuterias

As interconexotildees intermediaacuterias de 10 μm 100 μm e 500 μm de comprimento foram entatildeo

analisadas detalhadamente A Tabela 44 mostra a frequecircncia em -3dB de cada materal

para os diferentes comprimentos em anaacutelise

36

Tabela 44 Frequecircncia em -3dB de cada material para lCNT gt λCNT

Interconexatildeo

Intermediaacuteria

Comprimento (L) Material f-3dB

SWCNT isolado 26 GHz

10 microm SWCNT bundle 527 GHz

Cobre 34 GHz

SWCNT isolado 32 MHz

lCNT gt λCNT 100 microm SWCNT bundle 42 GHz

Cobre 345 MHz

SWCNT isolado 13 MHz

500 microm SWCNT bundle 165 MHz

Cobre 14 MHz

Escolheu-se a frequecircncia de 1 MHz que estaacute abaixo da frequecircncia de corte dos trecircs

materiais considerados para analisar e comparar a atenuaccedilatildeo (A) e o tempo de atraso na

propagaccedilatildeo (td) dos trecircs comprimentos A Tabela 45 mostra esse estudo comparativo entre

o SWCNT isolado SWCNT bundle e cobre

Tabela 45 Estudo das interconexotildees com comprimentos na faixa lCNT gt λCNT

Freq L Material A (dB) td (ns)

SWCNT isolado -002 008

10 microm SWCNT bundle 000 000

Cobre 000 000

SWCNT isolado -003 559

1 MHz 100 microm SWCNT bundle -001 005

Cobre -004 056

SWCNT isolado -198 10217

500 microm SWCNT bundle 000 110

Cobre -003 1301

Com base na Tabela 45 observa-se que a atenuaccedilatildeo e o tempo de atraso do SWCNT

isolado aumentam com o aumento do comprimento da interconexatildeo Nessa frequumlecircncia o

atraso na propagaccedilatildeo do SWCNT isolado eacute significativo em relaccedilatildeo ao periacuteodo do sinal de

entrada que eacute 1micros chegando a mais de 10 deste periacuteodo para o comprimento de 500microm

Verifica-se tambeacutem o aumento do tempo de atraso da interconexatildeo de cobre sendo 13

do periacuteodo do sinal de entrada para o comprimento de 500microm

Para analisar melhor a atenuaccedilatildeo e o tempo de atraso do SWCNT bundle e do cobre o

mesmo procedimento foi feito comparando-se somente estes dois materiais para uma

37

mesma frequecircncia de 10 MHz A Tabela 46 mostra esse estudo comparativo entre o

SWCNT bundle e cobre

Tabela 46 Estudo das interconexotildees SWCNT bundle e cobre com comprimentos na faixa

lCNT gt λCNT

Freq L Material A (dB) td (ns)

10 microm SWCNT bundle 000 000

Cobre 000 000

10 MHz 100 microm SWCNT bundle -001 005

Cobre -004 054

500 microm SWCNT bundle -004 107

Cobre -185 1024

Analisando a Tabela 46 observa-se que agrave medida que o comprimento das interconexotildees

aumenta a atenuaccedilatildeo e o atraso do sinal da interconexatildeo de cobre tornam-se significativos

O atraso na propagaccedilatildeo da interconexatildeo de cobre para l = 500microm chega a 10 do periacuteodo

do sinal de entrada (100ns) Jaacute o SWCNT bundle apresenta valores insignificantes de

atenuaccedilatildeo e atraso na propagaccedilatildeo Assim para as interconexotildees intermediaacuterias o SWCNT

bundle possui desempenho superior ao do cobre

43 SIMULACcedilAtildeO DO INVERSOR MONO-ELEacuteTRON

O modelo SPICE do SET proposto por G Lientschnig et al [444] foi simulado no

LTSPICE A partir da equaccedilatildeo (226) foi possiacutevel aumentar a temperatura do SET ateacute

chegar a 300K Assim o esquemaacutetico do SET e os valores de seus paracircmetros para que o

SET opere a 300K estatildeo na Figura 44 No anexo deste trabalho (subseccedilatildeo 81) encontra-

se o coacutedigo SET que foi utilizado [44] Os paracircmetros R1 C1 e R2 C2 correspondem agraves

resistecircncias e capacitacircncias das junccedilotildees-tuacutenel Cg eacute a capacitacircncia de porta (Cg1 no coacutedigo

SET) Vg eacute a tensatildeo de porta e V eacute a tensatildeo de entrada

Figura 44 Esquemaacutetico do SET e os valores de seus paracircmetros

38

A partir destes valores o inversor mono-eleacutetron foi construiacutedo colocando-se dois SETs em

seacuterie os quais compartilham da mesma entrada A Figura 45 ilustra o esquemaacutetico do

inversor mono-eleacutetron juntamente com os valores de seus paracircmetros fixos em que Vin eacute a

tensatildeo de entrada Vout eacute a tensatildeo de saiacuteda Vbias eacute a tensatildeo de polarizaccedilatildeo Cc eacute a

capacitacircncia de carga Cg1 e Cg2 satildeo as capacitacircncias de porta do SET 1 e do SET 2

respectivamente

Figura 45 Esquemaacutetico do inversor mono-eleacutetron e os valores de seus paracircmetros

(modificado de [4])

Assim apoacutes simular o inversor mono-eleacutetron a 300K obteve-se o sinal de saiacuteda mostrado

na Figura 46 Como o inversor estaacute invertendo o sinal de entrada de valor loacutegico baixo em

um sinal de saiacuteda de valor loacutegico alto ele estaacute operando corretamente

Figura 46 Curva do sinal de entrada (em verde) e do sinal de saiacuteda (em preto) do inversor

mono-eleacutetron

39

44 ANAacuteLISE DAS INTERCONEXOtildeES NO H-TREE CLOCK MONO-ELEacuteTRON

Nesta seccedilatildeo a rede H-tree clock de dois niacuteveis foi simulada com portas inversoras mono-

eleacutetron nos pontos de destino final da rede permitindo a anaacutelise de circuitos

nanoeletrocircnicos Simulou-se a rede H-tree considerando interconexotildees ideais para as

frequecircncias de 10 GHz e 100 GHz no sinal de entrada Em seguida para as mesmas duas

frequecircncias considerou-se interconexotildees natildeo-ideais de diferentes comprimentos

analisando a rede com os modelos de interconexatildeo SWCNT bundle e cobre Trecircs redes

com comprimentos de interconexotildees diferentes foram analisadas

l = 100 nm l2 = 50 nm

l = 400 nm l2 = 200 nm

l = 1 μm l2 = 500 nm

441 Anaacutelise da rede com interconexotildees ideais

A partir da simulaccedilatildeo do H-tree clock a frequecircncia em -3dB (f-3dB) da rede com

interconexotildees ideais foi obtida Na saiacuteda de cada porta inversora a banda passante do sinal

eacute 3200 GHz Dessa forma duas frequecircncias abaixo de 3200 GHz foram escolhidas para

analisar o sinal de saiacuteda da inversora em condiccedilotildees ideais As frequecircncias de 10 GHz e

100 GHz seratildeo analisadas obtendo-se as seguintes caracteriacutesticas do sinal de saiacuteda da

inversora niacutevel loacutegico baixo (NB) niacutevel loacutegico alto (NA) tempo de subida (tr) slew rate

de subida (SR) atenuaccedilatildeo (A) e tempo de atraso (td) A Tabela 47 mostra os valores

obtidos para as duas frequecircncias em anaacutelise

Tabela 47 Caracteriacutesticas dos sinais de saiacuteda da rede para interconexotildees ideais

Freq NB(mV) NA(mV) tr (ps) SR(Vns) A(dB) td (ps)

10 GHz 675 4518 356 8636 -264 412

100 GHz 678 4279 317 9088 -269 189

Os caacutelculos da potecircncia estaacutetica ( IVP DDE ) potecircncia dinacircmica ( CVfP DDD 2 ) e

potecircncia total ( DE PPP ) dissipada por cada porta inversora foram realizados bem

como o produto atraso-potecircncia (DP) Assim a Tabela 48 mostra os valores obtidos no

40

caacutelculo destes paracircmetros Como a potecircncia estaacutetica independe da frequecircncia do sinal de

entrada o seu valor eacute o mesmo nos dois casos

Tabela 48 Potecircncia dissipada por cada porta inversora para interconexotildees ideais

Frequecircncia PE (nW) PD (nW) P (nW) DP (10-18

Wmiddots)

10 GHz 4838 125 4963 020

100 GHz 4838 125 6088 012

As Tabelas 47 e 48 serviratildeo de referecircncia para as anaacutelises da rede com interconexotildees natildeo-

ideais analisadas na subseccedilatildeo seguinte As Figuras 47 e 48 ilustram o sinal de saiacuteda das

redes com frequecircncias de 10 GHz e de 100 GHz respectivamente Eacute possiacutevel observar que

na frequecircncia de 100 GHz o sinal de saiacuteda jaacute eacute distorcido em relaccedilatildeo ao sinal de referecircncia

(Figura 46)

Figura 47 Sinal de entrada (em verde) e sinal de saiacuteda (em preto) da rede a 10 GHz

Figura 48 Sinal de entrada (em verde) e sinal de saiacuteda (em preto) da rede a 100 GHz

41

442 Anaacutelise da rede com interconexotildees natildeo-ideais

Apoacutes obter as caracteriacutesticas da rede H-tree clock com interconexotildees ideais a anaacutelise da

rede com interconexotildees natildeo-ideais seraacute feita Primeiramente eacute importante verificar a

frequecircncia em -3dB do sinal depois das interconexotildees ou seja na entrada da porta

inversora Caso essa frequecircncia seja menor que a frequecircncia de 3200 GHz obtida com

interconexotildees ideais entatildeo a interconexatildeo afetaraacute o comportamento da rede A Tabela 49

mostra a frequecircncia em -3dB na entrada da inversora para interconexotildees natildeo-ideais

Tabela 49 Frequecircncia em -3dB na entrada da inversora para interconexotildees natildeo-ideais

Comprimentos (l2 l) Material f-3dB

50nm 100nm SWCNT bundle 122 THz

Cobre 175 THz

200nm 400nm SWCNT bundle 31 THz

Cobre 8606 GHz

500nm 1microm SWCNT bundle 12 THz

Cobre 1268 GHz

Assim verifica-se que a interconexatildeo de cobre da rede 500nm1microm possui frequecircncia em

-3dB abaixo da frequecircncia do circuito com interconexatildeo ideal (3200 GHz) Isso indica que

esta interconexatildeo interfere significativamente no comportamento da rede A Tabela 49

mostra tambeacutem que a banda passante da interconexatildeo de cobre soacute eacute maior que a da

interconexatildeo de SWCNT bundle no primeiro caso na rede de 50nm100nm o que mostra

uma vantagem do SWCNT bundle em relaccedilatildeo ao cobre A partir dessas informaccedilotildees a

rede H-tree clock com interconexotildees natildeo-ideais seraacute analisada detalhadamente

4421 Anaacutelise da rede a 10 GHz

As redes com interconexotildees natildeo-ideais seratildeo analisadas na frequecircncia de 10 GHz para

diferentes comprimentos Primeiramente o niacutevel loacutegico baixo (NB) o niacutevel loacutegico alto

(NA) o tempo de subida (tr) e o slew rate de subida (SR) foram obtidos conforme mostra a

Tabela 410 Com base nessa tabela verifica-se que na frequecircncia de 10 GHz essas

caracteriacutesticas natildeo foram modificadas pelas interconexotildees natildeo-ideais independentemente

do comprimento Os valores dos paracircmetros satildeo iguais aos obtidos na rede com

interconexatildeo ideal conforme Tabela 47 O sinal obtido na saiacuteda de cada inversor eacute igual

ao ilustrado na Figura 47

42

Tabela 410 Niacuteveis loacutegicos tempo de subida e slew rate dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 10 GHz

Freq L (l2l) Material NB(mV) NA(mV) tr(ps) SR(Vns)

10

GHz

50nm

100nm

SWCNT bundle 675 4518 356 8636

Cobre 675 4518 356 8636

200nm

400nm

SWCNT bundle 675 4518 356 8636

Cobre 675 4518 356 8636

500nm

1microm

SWCNT bundle 675 4518 356 8636

Cobre 675 4518 356 8636

A Tabela 411 mostra a atenuaccedilatildeo tempo de atraso potecircncia total dissipada e o produto

atraso-potecircncia obtidos a frequecircncia de 10 GHz para interconexotildees natildeo-ideais Observa-se

que a atenuaccedilatildeo do sinal e a potecircncia total dissipada por cada porta inversora permanecem

os mesmos em relaccedilatildeo agrave interconexatildeo ideal mostrando que a essa frequecircncia as

interconexotildees natildeo-ideais natildeo interferem nestes paracircmetros

Jaacute o atraso na propagaccedilatildeo do sinal no caso do cobre aumenta agrave medida que as

interconexotildees aumentam de comprimento aumentando tambeacutem o produto atraso-potecircncia

Esse atraso chega a 66 do periacuteodo do sinal de entrada para a interconexatildeo 500nm1microm

de cobre No entanto estes paracircmetros natildeo satildeo afetados pelas interconexotildees de SWCNT

bundle indicando que este material se sobressai em relaccedilatildeo ao cobre

Tabela 411 Atenuaccedilatildeo atraso potecircncia e produto atraso-potecircncia dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 10 GHz

Freq L (l2l) Material A (dB) td (ps) P (nW) DP(10-18

Wmiddots)

10

GHz

50nm

100nm

SWCNT bundle -264 412 4963 020

Cobre -264 412 4963 020

200nm

400nm

SWCNT bundle -264 412 4963 020

Cobre -264 438 4963 022

500nm

1microm

SWCNT bundle -264 412 4963 020

Cobre -264 659 4963 033

4422 Anaacutelise da rede a 100 GHz

As redes com interconexotildees natildeo-ideais seratildeo analisadas na frequecircncia de 100 GHz para

diferentes comprimentos O niacutevel loacutegico baixo (NB) o niacutevel loacutegico alto (NA) o tempo de

subida (tr) e o slew rate de subida (SR) foram obtidos conforme mostra a Tabela 412 Jaacute a

43

Tabela 413 mostra a atenuaccedilatildeo tempo de atraso potecircncia total dissipada e o produto

atraso-potecircncia obtidos a frequecircncia de 100 GHz para interconexotildees natildeo-ideais

Tabela 412 Niacuteveis loacutegicos tempo de subida e slew rate dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 100 GHz

Freq L (l2l) Material NB(mV) NA(mV) tr(ps) SR(Vns)

100

GHz

50nm

100nm

SWCNT bundle 678 4272 316 9099

Cobre 675 4277 323 9107

200nm

400nm

SWCNT bundle 678 4299 315 9196

Cobre 677 4089 289 9447

500nm

1microm

SWCNT bundle 678 4418 300 9973

Cobre 635 1766 102 6795

Tabela 413 Atenuaccedilatildeo atraso potecircncia e produto atraso-potecircncia dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 100 GHz

Freq L (l2l) Material A (dB) td (ps) P (nW) DP(10-18

Wmiddots)

100

GHz

50nm

100nm

SWCNT bundle -2703 189 6088 012

Cobre -2685 191 6088 012

200nm

400nm

SWCNT bundle -2693 188 6088 012

Cobre -2698 228 6088 014

500nm

1microm

SWCNT bundle -2673 174 6088 011

Cobre -2893 388 6088 024

A partir das Tabelas 412 e 413 o SWCNT bundle seraacute analisado Observa-se que os seus

niacuteveis loacutegicos altos aumentam com o aumento do comprimento das interconexotildees

aumentando tambeacutem o slew rate de subida Esse comportamento ocorre provavelmente

devido ao efeito ressonante provocado pela indutacircncia que provoca um pico no graacutefico da

frequumlecircncia antes dele comeccedilar a decair conforme explicado na subseccedilatildeo 421 Isso implica

na diminuiccedilatildeo da atenuaccedilatildeo do sinal e do atraso No entanto o produto atraso-potecircncia

permanece praticamente invariaacutevel jaacute que a potecircncia total dissipada natildeo se altera

Em relaccedilatildeo agraves interconexotildees de cobre verifica-se que as distorccedilotildees satildeo significativas Agrave

medida que o comprimento aumenta a atenuaccedilatildeo do sinal de saiacuteda aumenta Isso provoca

diminuiccedilatildeo no slew rate do sinal o que natildeo eacute desejado jaacute que o sinal demora mais para

atingir o niacutevel loacutegico alto Aleacutem disso o atraso na propagaccedilatildeo do sinal aumenta bastante

chegando a 388 do periacuteodo do sinal de entrada para a interconexatildeo 500nm1microm

Consequentemente o produto atraso-potecircncia tambeacutem aumenta sendo o dobro do valor de

44

referecircncia (interconexotildees ideais) A Figura 49 ilustra o sinal de saiacuteda da interconexatildeo

500nm1microm de cobre

Figura 49 Sinal de entrada (em verde) e sinal de saiacuteda (em preto) da rede a 100 GHz para

a interconexatildeo 500nm1microm de cobre

Comparando-se as potecircncias das tabelas 47 48 411 413 verifica-se que natildeo haacute

alteraccedilatildeo na potecircncia total dissipada pelo circuito com interconexotildees ideais e pelos

circuitos com interconexotildees natildeo-ideais para uma mesma frequecircncia Assim eacute importante

destacar que a dissipaccedilatildeo de potecircncia das interconexotildees de SWCNT bundle e de cobre natildeo

interfere na potecircncia total dissipada pelo circuito

443 Consideraccedilotildees Finais

Apoacutes analisar as interconexotildees locais de SWCNT de SWCNT bundle e de cobre

verificou-se que as interconexotildees de SWCNT bundle possuem desempenho comparaacutevel ao

das interconexotildees de cobre Em relaccedilatildeo agraves interconexotildees intermediaacuterias as de SWCNT

bundle apresentam desempenho superior agraves de cobre Jaacute as interconexotildees de SWCNT

isolado tanto para interconexotildees locais como para interconexotildees intermediaacuterias

apresentam desempenho inferior agraves interconexotildees de SWCNT bundle e de cobre natildeo

sendo propiacutecias a serem utilizadas em interconexotildees de circuitos integrados

Na anaacutelise das interconexotildees natildeo-ideais na rede H-tree clock mono-eleacutetron para a

frequecircncia de 10GHz observou-se que o niacutevel loacutegico baixo o niacutevel loacutegico alto o tempo de

subida o slew rate de subida a atenuaccedilatildeo do sinal e a potecircncia total dissipada por cada

porta inversora permanecem os mesmos em relaccedilatildeo agrave interconexatildeo ideal mostrando que

45

para esta frequecircncia as interconexotildees natildeo-ideais natildeo interferem nestes paracircmetros Jaacute o

atraso na propagaccedilatildeo do sinal no caso do cobre aumenta agrave medida que as interconexotildees

aumentam de comprimento aumentando tambeacutem o produto atraso-potecircncia No entanto

estes paracircmetros natildeo satildeo afetados pelas interconexotildees de SWCNT bundle indicando que

este material se sobressai em relaccedilatildeo ao cobre

Jaacute para a rede H-tree clock mono-eleacutetron a 100GHz observou-se que o circuito com

interconexotildees natildeo-ideais afetou bastante os paracircmetros em anaacutelise se comparados aos

obtidos para interconexotildees ideais Verificou-se que as distorccedilotildees provocadas pelas

interconexotildees de cobre foram significativas indicando que as interconexotildees de SWCNT

bundle possuem melhor desempenho que as de cobre

Assim constata-se que as interconexotildees de SWCNT bundle satildeo fortes candidatas a

substituirem as interconexotildees de cobre em circuitos em escala giga (GSI) e tera (TSI)

46

5 CONCLUSOtildeES

Nesta dissertaccedilatildeo o estudo das interconexotildees de SWCNT de SWCNT bundle e de cobre

foi realizado analisando e comparando os seus desempenhos para diferentes

comprimentos A partir desse estudo verificou-se que as interconexotildees de SWCNT bundle

possui desempenho comparaacutevel ao das interconexotildees de cobre no caso de interconexotildees

locais Em relaccedilatildeo agraves interconexotildees intermediaacuterias as de SWCNT bundle apresentam

desempenho superior agraves de cobre

As interconexotildees de SWCNT bundle e as interconexotildees de cobre foram entatildeo simuladas na

rede H-tree clock de dois niacuteveis para diferentes comprimentos e frequecircncias Nos pontos

de destino final da rede foram colocadas portas inversoras formadas por SETs permitindo

a anaacutelise de circuitos nanoeletrocircnicos

A partir da anaacutelise da rede H-tree clock observou-se que as interconexotildees de SWCNT

bundle possuem desempenho melhor que as de cobre principalmente em relaccedilatildeo ao slew

rate agrave atenuaccedilatildeo ao tempo de atraso e ao produto atraso-potecircncia Aleacutem disso a

dissipaccedilatildeo de potecircncia das interconexotildees natildeo-ideais natildeo interferem na potecircncia total

dissipada pelo circuito Assim as interconexotildees de SWCNT bundle satildeo fortes candidatas a

substituirem as interconexotildees de cobre em circuitos em escala giga (GSI) e tera (TSI)

Como perspectivas futuras eacute importante analisar o efeito das interconexotildees de nanotubo de

carbono em circuitos GSI e TSI com outras arquiteturas A anaacutelise das interconexotildees de

CNT tambeacutem deve ser feita em circuitos com tecnologia MOS permitindo a comparaccedilatildeo

entre diferentes tecnologias Aleacutem disso eacute interessante estudar outros tipos de materiais

que possam ser utilizados como interconexotildees em circuitos integrados

47

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Integration (VLSI) Systems vol 15 no 2 pp 135-148

[52] Linear Technology httpwwwlinearcomdesigntoolssoftwareLTspice (acessado

em agosto de 2012)

[53] J Rosenfeld E G Friedman (2009) ldquoQuasi-Resonant Interconnects A Low Power

Low Latency Design Methodologyrdquo In IEEE Transactions on Very Large Scale

Integration (VLSI) Systems vol 17 no 2 pp 181-193

53

7 APEcircNDICES

71 TABELAS COMPLEMENTARES

Tabela 71 Paracircmetros obtidos a partir do modelo de SWCNT isolado

L RQ (Ω) RS (Ω) LCNT (10-9

H) CCNT (10-18

F)

10 nm 645103 - 40010

-2 27910

-1

100 nm 645103 - 40010

-1 279

200 nm 645103 - 80010

-1 558

300 nm 645103 - 120 837

400 nm 645103 - 160 11210

1

500 nm 645103 - 200 14010

1

600 nm 645103 - 240 16710

1

700 nm 645103 - 280 19510

1

800 nm 645103 - 320 22310

1

900 nm 645103 - 360 25110

1

1 microm 645103 - 400 27910

1

10 microm 645103 64510

4 40010

1 27910

2

100 microm 645103 64510

5 40010

2 27910

3

200 microm 645103 12910

6 80010

2 55810

3

300 microm 645103 19410

6 12010

3 83710

3

400 microm

645103 25810

6 16010

3 11210

4

500 microm

645103 32310

6 20010

3 14010

4

Tabela 72 Paracircmetros obtidos a partir do modelo de SWCNT bundle

L RQ (Ω) RS (Ω) LBundle(10-9

H) CBundle(10-18

F)

10 nm 1075 - 66710-5

135

100 nm 1075 - 66710-4

135101

200 nm 1075 - 13310-3

270101

300 nm 1075 - 20010-3

405101

400 nm 1075 - 26710-3

540101

500 nm 1075 - 33310-3

675101

600 nm 1075 - 40010-3

810101

700 nm 1075 - 46710-3

945101

800 nm 1075 - 53310-3

108102

900 nm 1075 - 60010-3

122102

1 microm 1075 - 66710-3

135102

10 microm 1075 108102 66710

-2 13510

3

100 microm 1075 108103 66710

-1 13510

4

200 microm 1075 215103 133 27010

4

300 microm 1075 323103 200 40510

4

400 microm

1075 430103 267 54010

4

500 microm

1075 538103 333 67510

4

54

Tabela 73 Paracircmetros obtidos a partir do modelo de cobre

L RCu (Ω) LCu (10-9

H) CCu (10-18

F)

10 nm 06 37310-6

150

100 nm 60 63610-5

150101

200 nm 120 17510-4

300101

300 nm 180 30910-4

450101

400 nm 240 45410-4

600101

500 nm 300 61110-4

750101

600 nm 360 77510-4

900101

700 nm 420 94610-4

105102

800 nm 480 11210-3

120102

900 nm 540 13110-3

135102

1 microm 600 14910-3

150102

10 microm 60102 24010

-2 15010

3

100 microm 60103 33210

-1 15010

4

200 microm 12104 72010

-1 30010

4

300 microm 18104 113 45010

4

400 microm

24104 155 60010

4

500 microm

30104 198 75010

4

55

Tabela 74 Frequecircncia em -3dB das interconexotildees locais

Comprimento Material f-3dB

10 nm SWCNT isolado 253 GHz

SWCNT bundle 66 THz

Cobre 232 THz

100 nm SWCNT isolado 300 GHz

SWCNT bundle 20 THz

Cobre 51 THz

200 nm SWCNT isolado 342 GHz

SWCNT bundle 14 THz

Cobre 29 THz

300 nm SWCNT isolado 344 GHz

SWCNT bundle 11 THz

Cobre 20 THz

400 nm SWCNT isolado 329 GHz

SWCNT bundle 89 THz

Cobre 15 THz

500 nm SWCNT isolado 307 GHz

SWCNT bundle 76 THz

Cobre 12 THz

600 nm SWCNT isolado 288 GHz

SWCNT bundle 67 THz

Cobre 94 THz

700 nm SWCNT isolado 271 GHz

SWCNT bundle 61 THz

Cobre 76 THz

800 nm SWCNT isolado 255 GHz

SWCNT bundle 55 THz

Cobre 63 THz

900 nm SWCNT isolado 240 GHz

SWCNT bundle 51 THz

Cobre 52 THz

1 microm SWCNT isolado 230 GHz

SWCNT bundle 47 THz

Cobre 42 THz

56

Tabela 75 Frequecircncia em -3dB das interconexotildees intermediaacuterias

Comprimento Material f-3dB

10 microm SWCNT isolado 26 GHz

SWCNT bundle 527 GHz

Cobre 34 GHz

100 microm SWCNT isolado 32 MHz

SWCNT bundle 42 GHz

Cobre 345 MHz

200 microm SWCNT isolado 82 MHz

SWCNT bundle 10 GHz

Cobre 87 MHz

300 microm SWCNT isolado 36 MHz

SWCNT bundle 455 MHz

Cobre 38 MHz

400 microm SWCNT isolado 21 MHz

SWCNT bundle 256 MHz

Cobre 21 MHz

500 microm SWCNT isolado 13 MHz

SWCNT bundle 165 MHz

Cobre 14 MHz

57

8 ANEXOS

81 COacuteDIGO SPICE DO SET [44]

Transistor mono-eleacutetron (SET) conexotildees fonte | dreno | | porta1 | | | porta2 | | | | SUBCKT SET 1 2 3 4 PARAMS +C1=1E-20 Capacitacircncia da junccedilatildeo 1 +C2=1E-20 Capacitacircncia da junccedilatildeo 2 +R1=1E5 Resistecircncia da junccedilatildeo 1 +R2=1E5 Resistecircncia da junccedilatildeo 2 +Cg1=015E-18 Capacitacircncia da junccedilatildeo 1 +Cg2=0 Capacitacircncia da junccedilatildeo 2 +C0=0 Capacitacircncia proacutepria da ilha +Q0=005 Carga offset em unidades de e +TEMP=300 Temperatura PARAM E=160217733E-19 Carga do eleacutetron (e) PARAM CSUM=C1+C2+Cg1+Cg2+C0 Capacitacircncia total do SET PARAM T=TEMPCSUM53785467E14 Temperatura normalizada 53785467E14 = kBe^2 PARAM RN1=R1(R1+R2) Resistecircncia da junccedilatildeo 1 normalizada PARAM RN2=R2(R1+R2) Resistecircncia da junccedilatildeo 2 normalizada FUNC Q(v1v2v3v4) (Cg1v3+Cg2v4+C1v1+C2v2)E+Q0 Definiccedilatildeo da carga em unidades de e FUNC VN(v) CSUMvE Tensatildeo normalizada FUNC GAMMA(u) IF(T==0IF(ult0-u0)IF(u==0Tu(EXP(uT)-1))) FUNC N_OPT(v1v2v3v4) ROUND(-Q(v1v2v3v4)+(CSUME) (v1RN2+v2RN1)) A maior probabilidade de carga na ilha em unidades de e Os quarto eventos tuacuteneis FUNC R1L(nv1v2v3v4) GAMMA(05 - n - Q(v1v2v3v4) + VN(v1))RN1 FUNC R1R(nv1v2v3v4) GAMMA(05 + n + Q(v1v2v3v4) - VN(v1))RN1 FUNC R2L(nv1v2v3v4) GAMMA(05 + n + Q(v1v2v3v4) - VN(v2))RN2 FUNC R2R(nv1v2v3v4) GAMMA(05 - n - Q(v1v2v3v4) + VN(v2))RN2

58

determinaccedilatildeo das probabilidades relativas assume-se inicialmente que o estado da carga N_OPT tem probabilidade relativa igual a um FUNC PN_1(nv1v2v3v4) (R1L(nv1v2v3v4)+R2R(nv1v2v3v4))(R1R(n-1v1v2v3v4)+R2L(n-1v1v2v3v4)) FUNC PN_2(nv1v2v3v4) PN_1(nv1v2v3v4) +(R1L(n-1v1v2v3v4)+R2R(n-1v1v2v3v4))(R1R(n-2v1v2v3v4)+R2L(n-2v1v2v3v4)) FUNC PN_3(nv1v2v3v4) PN_2(nv1v2v3v4) +(R1L(n-2v1v2v3v4)+R2R(n-2v1v2v3v4))(R1R(n-3v1v2v3v4)+R2L(n-3v1v2v3v4)) FUNC PN_4(nv1v2v3v4) PN_3(nv1v2v3v4) +(R1L(n-3v1v2v3v4)+R2R(n-3v1v2v3v4))(R1R(n-4v1v2v3v4)+R2L(n-4v1v2v3v4)) FUNC PN_5(nv1v2v3v4) PN_4(nv1v2v3v4) +(R1L(n-4v1v2v3v4)+R2R(n-4v1v2v3v4))(R1R(n-5v1v2v3v4)+R2L(n-5v1v2v3v4)) FUNC PN1(nv1v2v3v4) (R2L(nv1v2v3v4) +R1R(nv1v2v3v4))(R2R(n+1v1v2v3v4)+R1L(n+1v1v2v3v4)) FUNC PN2(nv1v2v3v4) PN1(nv1v2v3v4) +(R2L(n+1v1v2v3v4)+R1R(n+1v1v2v3v4))(R2R(n+2v1v2v3v4)+R1L(n+2v1v2v3v4)) FUNC PN3(nv1v2v3v4) PN2(nv1v2v3v4) +(R2L(n+2v1v2v3v4)+R1R(n+2v1v2v3v4))(R2R(n+3v1v2v3v4)+R1L(n+3v1v2v3v4)) FUNC PN4(nv1v2v3v4) PN3(nv1v2v3v4) +(R2L(n+3v1v2v3v4)+R1R(n+3v1v2v3v4))(R2R(n+4v1v2v3v4)+R1L(n+4v1v2v3v4)) FUNC PN5(nv1v2v3v4) PN4(nv1v2v3v4) +(R2L(n+4v1v2v3v4)+R1R(n+4v1v2v3v4))(R2R(n+5v1v2v3v4)+R1L(n+5v1v2v3v4)) FUNC PSUM(nv1v2v3v4) PN_5(nv1v2v3v4)+PN_4(nv1v2v3v4)+PN_3(nv1v2v3v4)+PN_2(nv1v2v3v4) ++PN_1(nv1v2v3v4)+1+PN1(nv1v2v3v4)+PN2(nv1v2v3v4)+PN3(nv1v2v3v4) ++PN4(nv1v2v3v4)+PN5(nv1v2v3v4)

59

caacutelculo da corrente da fonte para o dreno FUNC CUR(nv1v2v3v4) PN_5(nv1v2v3v4)(R1R(n-5v1v2v3v4)-R1L(n-5v1v2v3v4)) ++PN_4(nv1v2v3v4)(R1R(n-4v1v2v3v4)-R1L(n-4v1v2v3v4)) ++PN_3(nv1v2v3v4)(R1R(n-3v1v2v3v4)-R1L(n-3v1v2v3v4)) ++PN_2(nv1v2v3v4)(R1R(n-2v1v2v3v4)-R1L(n-2v1v2v3v4)) ++PN_1(nv1v2v3v4)(R1R(n-1v1v2v3v4)-R1L(n-1v1v2v3v4)) ++(R1R(nv1v2v3v4)-R1L(nv1v2v3v4)) ++PN1(nv1v2v3v4)(R1R(n+1v1v2v3v4)-R1L(n+1v1v2v3v4)) ++PN2(nv1v2v3v4)(R1R(n+2v1v2v3v4)-R1L(n+2v1v2v3v4)) ++PN3(nv1v2v3v4)(R1R(n+3v1v2v3v4)-R1L(n+3v1v2v3v4)) ++PN4(nv1v2v3v4)(R1R(n+4v1v2v3v4)-R1L(n+4v1v2v3v4)) ++PN5(nv1v2v3v4)(R1R(n+5v1v2v3v4)-R1L(n+5v1v2v3v4)) FUNC CURRENT(nv1v2v3v4) ECUR(nv1v2v3v4)(CSUMPSUM(nv1v2v3v4)(R1+R2)) caacutelculo da tensatildeo da ilha FUNC VOLT(nv1v2v3v4) PN_5(nv1v2v3v4)(n-5+Q(v1v2v3v4)) ++PN_4(nv1v2v3v4)(n-4+Q(v1v2v3v4)) ++PN_3(nv1v2v3v4)(n-3+Q(v1v2v3v4)) ++PN_2(nv1v2v3v4)(n-2+Q(v1v2v3v4)) ++PN_1(nv1v2v3v4)(n-1+Q(v1v2v3v4)) ++n+Q(v1v2v3v4) ++PN1(nv1v2v3v4)(n+1+Q(v1v2v3v4)) ++PN2(nv1v2v3v4)(n+2+Q(v1v2v3v4)) ++PN3(nv1v2v3v4)(n+3+Q(v1v2v3v4)) ++PN4(nv1v2v3v4)(n+4+Q(v1v2v3v4)) ++PN5(nv1v2v3v4)(n+5+Q(v1v2v3v4)) FUNC VOLTAGE(nv1v2v3v4) (ECSUM)VOLT(nv1v2v3v4)PSUM(nv1v2v3v4) E1 5 0 VALUE= VOLTAGE(N_OPT(V(1)V(2)V(3)V(4))V(1)V(2)V(3)V(4)) Tensatildeo da ilha G1 1 2 VALUE= CURRENT(N_OPT(V(1)V(2)V(3)V(4))V(1)V(2)V(3)V(4)) Corrente da fonte para o dreno CT1 1 5 C1 CT2 2 5 C2 CGATE1 3 5 CG1 CGATE2 4 5 CG2 ENDS SET

Page 13: ANÁLISE COMPARATIVA ENTRE ... - repositorio.unb.brrepositorio.unb.br/.../1/2012_CamilaPeixotoSilvaMadeiraNogueira.pdf · Prof. Stefan Michael Blawid, ... Deus colocou esses dois

xiii

LISTA DE SIacuteMBOLOS NOMENCLATURA ABREVIACcedilOtildeES

CNT ndash Carbon nanotube

CVD ndash Chemical Vapor Deposition

GSI ndash Giga Scale Integration

ITRS ndash International Technology Roadmap for Semiconductors

LTSPICE ndash Linear Technology SPICE simulator

MWCNT ndash Multi-walled carbon nanotube

SET ndash Singe-electron transistor

SPICE ndash Simulated Program with Integrated Circuits Emphasis

SWCNT ndash Single-walled carbon nanotube

TSI ndash Tera Scale Integration

1

1 INTRODUCcedilAtildeO

O crescimento da microeletrocircnica e a consequumlente miniaturizaccedilatildeo dos circuitos integrados

foram previstos por Gordon Moore que enunciou que o nuacutemero de transistores em um

circuito integrado dobraria a cada 18 meses considerando a mesma aacuterea e custo previsatildeo

conhecida como Lei de Moore Devido aos problemas enfrentados pelos dispositivos

microeletrocircnicos gerados especialmente pelos efeitos quacircnticos que anteriormente eram

desprezados novas tecnologias como a nanoeletrocircnica vecircm sendo estudadas para dar

continuidade a esse processo de miniaturizaccedilatildeo dos dispositivos [1-10]

Aleacutem disso a miniaturizaccedilatildeo de circuitos integrados tem resultado em grandes desafios no

projeto de interconexotildees que satildeo responsaacuteveis principalmente pelo carregamento da

tensatildeo de alimentaccedilatildeo de cada transistor e pela distribuiccedilatildeo dos sinais de dados As

limitaccedilotildees das interconexotildees as quais podem provocar uma desaceleraccedilatildeo nos progressos

alcanccedilados ateacute hoje pela induacutestria de semicondutores satildeo fatores preocupantes Como

limitaccedilotildees das interconexotildees eacute importante citar o aumento da sua resistividade aumento da

capacitacircncia de acoplamento entre vias dificuldades no controle das suas dimensotildees entre

outras

Assim o estudo aprofundado das interconexotildees levando em consideraccedilatildeo principalmente

seu desempenho eacute de fundamental importacircncia [11-13] Novas tecnologias estatildeo sendo

estudadas para superar as limitaccedilotildees das interconexotildees de cobre no circuito como a

resistividade eleacutetrica e a resistecircncia agrave eletromigraccedilatildeo principalmente em tecnologias

abaixo de 45nm As interconexotildees oacuteticas as interconexotildees de radio frequumlecircncia ou sem fio

e as interconexotildees de nanotubo de carbono (CNT) satildeo algumas candidatas a substituir as

interconexotildees de cobre as quais satildeo as interconexotildees mais utilizadas atualmente [13-17]

Dentre essas possibilidades os CNTs possuem grandes vantagens para interconexotildees em

circuitos integrados em escala GSI (Giga Scale Integration) e TSI (Tera Scale Integration)

[18-20] Eles satildeo considerados soluccedilotildees eficientes para melhorar as limitaccedilotildees do cobre

previstas pelo ITRS (International Technology Roadmap for Semiconductors) [21] como

atraso dissipaccedilatildeo de potecircncia e resistecircncia agrave eletromigraccedilatildeo

2

11 OBJETIVOS

O objetivo desta dissertaccedilatildeo eacute fazer um estudo comparativo entre o desempenho das

interconexotildees de nanotubo de carbono e das interconexotildees de cobre Com esse intuito

preliminarmente o desempenho das interconexotildees de SWCNT (do inglecircs single-walled

carbon nanotube) de SWCNT bundle (vaacuterios SWCNTs dispostos em paralelo como uma

corda) e de cobre seraacute comparado considerando diferentes comprimentos das

interconexotildees

Por fim o efeito das interconexotildees de SWCNT bundle e de cobre seraacute analisado na rede H-

tree clock com inversores mono-eleacutetron em seus terminais tambeacutem para diferentes

comprimentos Assim seraacute possiacutevel analisar se os nanotubos de carbono poderatildeo substituir

o cobre em interconexotildees em circuitos integrados GSI e TSI

12 ORGANIZACcedilAtildeO

No capiacutetulo 2 satildeo apresentados os conceitos fundamentais necessaacuterios agrave correta

compreensatildeo desta pesquisa Seratildeo abordados conceitos referentes agraves interconexotildees de

CNT e cobre aos dispositivos de tunelamento mono-eleacutetron e agrave estrutura do H-tree clock

O capiacutetulo 3 descreve a metodologia utilizada agrave realizaccedilatildeo do objeto de pesquisa desta

dissertaccedilatildeo Assim seratildeo apresentadas as etapas que foram seguidas para analisar o efeito

das interconexotildees em circuitos com transistores mono-eleacutetron

No capiacutetulo 4 os resultados e anaacutelises das simulaccedilotildees das interconexotildees ideais e natildeo-

ideais considerando o SWCNT SWCNT bundle e o cobre satildeo apresentados As

interconexotildees satildeo analisadas tambeacutem nos circuitos H-tree clock

O capiacutetulo 5 apresenta as conclusotildees e as recomendaccedilotildees para trabalhos futuros

3

2 FUNDAMENTACcedilAtildeO TEOacuteRICA

21 INTERCONEXOtildeES

211 Limitaccedilotildees do cobre em relaccedilatildeo ao CNT

As interconexotildees de cobre sofrem inuacutemeros problemas indesejados que aumentam agrave

medida que as interconexotildees diminuem de tamanho Essa diminuiccedilatildeo de tamanho resulta

em interconexotildees menos eficientes no maior consumo de potecircncia e no aumento da

densidade de corrente transportada por cada interconexatildeo [22] De acordo com o ITRS

[21] a densidade de corrente pode atingir valores na ordem de 107 Acm

2 Este valor soacute eacute

suportado por CNTs uma vez que satildeo capazes de suportar densidades de corrente na

ordem de 1010

Acm2 [1317]

Os CNTs tecircm provocado grande interesse nos cientistas desde a sua descoberta em 1991

por Iijima devido agraves excelentes propriedades eleacutetricas teacutermicas e mecacircnicas que possuem

Suas propriedades eleacutetricas permitem que suportem densidades de ateacute 1010

Acm2 sendo

que o cobre suporta densidades inferiores a 107 Acm

2 [1317] O caminho meacutedio livre do

CNT eacute superior ao do cobre o que possibilita um transporte baliacutestico por uma ampla gama

de extensatildeo e isso resulta em uma resistividade menor do CNT [13-17] Aleacutem disso a alta

condutividade teacutermica do CNT que eacute outra limitaccedilatildeo do cobre eacute de fundamental

importacircncia na aplicaccedilatildeo em interconexotildees Essas propriedades possibilitam uma

toleracircncia do CNT agrave eletromigraccedilatildeo a qual eacute uma grande limitaccedilatildeo no desempenho das

interconexotildees de cobre [131719]

212 Caracteriacutesticas do CNT

Os nanotubos de carbono podem ser formados por uma lacircmina de grafeno enrolada

conhecida como SWCNT (single-walled carbon nanotube) ou por vaacuterios tubos

concecircntricos formando uma multicamada conhecida por MWCNT (multi-walled carbon

nanotube) [2324] A Figura 21 ilustra a estrutura de uma lacircmina de grafeno do SWCNT e

do MWCNT

4

Figura 21 ndash Estrutura de uma lacircmina de grafeno (esquerda) do SWCNT (meio) e do

MWCNT (direita) [13]

Eacute importante destacar que os MWCNTs satildeo menos favoraacuteveis para o uso em

interconexotildees jaacute que eles apresentam caminho meacutedio livre menor que os SWCNTs

[1317] Como a resistecircncia de um uacutenico SWCNT pode ter valores altos eacute necessaacuteria a

uniatildeo de vaacuterios dispostos em paralelo como uma corda chamado de bundle para diminuir

o valor da resistecircncia equivalente da interconexatildeo [1315] A Figura 22 ilustra a estrutura

do SWCNT bundle [16]

Figura 22 ndash Estrutura do SWCNT bundle [16]

Dependendo de como a lacircmina eacute enrolada que resulta no acircngulo quiral e nos iacutendices

quirais de sua estrutura o nanotubo pode ser metaacutelico ou semicondutor [131419] Os

iacutendices quirais satildeo identificados por (mn) O nanotubo seraacute metaacutelico quando a diferenccedila

entre os iacutendices quirais for um muacuteltiplo inteiro de 3 e seraacute semicondutor nos outros casos

[13] A estrutura eacute chamada de zig-zag quando m ou n eacute igual a zero podendo ser metaacutelica

ou semicondutora Quando m=n a estrutura eacute denominada armchair sendo sempre

metaacutelica Nos outros casos a estrutura eacute conhecida como quiral e pode ser metaacutelica ou

semicondutora [24] A Figura 23 mostra as estruturas do armchair zig-zag e quiral [24]

5

Figura 23 ndash Estrutura do (i) armchair (ii) zig-zag e (iii) quiral [24]

De acordo com [22] o crescimento dos CNTs geralmente eacute realizado atraveacutes de um dos

seguintes meacutetodos descarga por arco eleacutetrico ablaccedilatildeo a laser e deposiccedilatildeo quiacutemica a vapor

do inglecircs chemical vapor deposition ndash CVD O processo de descarga por arco eleacutetrico tem

sido desenvolvido para preparar MWCNTs e SWCNTs de alta qualidade Neste processo

aacutetomos de carbono satildeo evaporados com um gaacutes de plasma inerte caracterizado por altas

correntes eleacutetricas que passam entre os eletrodos opostos de carbono (caacutetodo e acircnodo)

Normalmente o acircnodo do carbono conteacutem uma pequena porcentagem de catalisador de

metal como o cobalto niacutequel ou ferro Jaacute o meacutetodo de ablaccedilatildeo a laser utiliza um pulso

duplo de lasers para evaporar varetas de grafite dopadas com uma mistura de cobalto e

niacutequel em poacute colocado em um tubo aquecido a temperatura elevada seguido de um

tratamento teacutermico a vaacutecuo

Apesar dos meacutetodos de descarga por arco eleacutetrico e ablaccedilatildeo a laser produzir grandes

quantidades de CNTs de alta qualidade e oferecer uma ampla disponibilidade de CNTs

para estudos e possiacuteveis aplicaccedilotildees existem vaacuterias preocupaccedilotildees associadas com estes dois

meacutetodos de crescimento [22] Dessa forma os meacutetodos de CVD satildeo bastante usados no

crescimento de CNTs com aplicaccedilatildeo em eletrocircnica incluindo interconexotildees [1322] O

processo de crescimento CVD envolve o aquecimento do catalisador a uma temperatura

elevada e a introduccedilatildeo de gaacutes de hidrocarboneto ou de monoacutexido de carbono para dentro

6

do reator O mecanismo de crescimento do CNT tem sido considerado como um processo

de dissociaccedilatildeo-difusatildeo-precipitaccedilatildeo em que o carbono eacute formado sobre a superfiacutecie de

uma partiacutecula de metal seguida de difusatildeo e precipitaccedilatildeo sob a forma de grafeno ciliacutendrico

[22]

213 Modelos de Interconexatildeo

Para realizar uma comparaccedilatildeo por simulaccedilatildeo entre o desempenho do CNT e do cobre

modelos equivalentes de circuito de interconexotildees que reproduzam com fidelidade o seu

comportamento fiacutesico satildeo necessaacuterios Com esse intuito eacute fundamental que os fatores que

interferem no desempenho das interconexotildees como resistecircncia indutacircncia capacitacircncia e

comprimento sejam considerados A partir do estudo desses modelos eacute possiacutevel verificar

se as interconexotildees de CNT poderatildeo substituir as de cobre e os casos em que isso eacute

possiacutevel

2131 Modelo de interconexatildeo do SWCNT isolado

A resistecircncia de um SWCNT isolado eacute composta por ateacute trecircs partes resistecircncia de contato

entre o metal e o nanotubo (Rc) resistecircncia quacircntica (Rq) e resistecircncia de espalhamento

(Rs) [192325] As resistecircncias de contato e quacircntica satildeo independentes do comprimento

do nanotubo Jaacute a resistecircncia de espalhamento depende do comprimento do nanotubo [26-

31]

Quando o comprimento do SWCNT eacute menor ou igual ao caminho meacutedio livre (lCNT le

λCNT) que eacute tipicamente 1 microm o transporte de eleacutetrons eacute essencialmente baliacutestico e a

resistecircncia independe do comprimento do nanotubo [1332] No entanto quando o

comprimento do SWCNT eacute maior que o caminho meacutedio livre (lCNT gt λCNT) haacute uma

resistecircncia adicional que depende do comprimento do SWCNT e eacute chamada de resistecircncia

de espalhamento [13-15] Assim a resistecircncia total eacute dada pela equaccedilatildeo (21) em que lCNT

eacute o comprimento do nanotubo de carbono

CNTCNT

CNTCNT

CNTlseRsRqRc

lseRqRcR

(21)

7

A resistecircncia de contato pode chegar ao valor de 100 kΩ [131533] Contudo essa

resistecircncia em nanotubos de carbono com diacircmetro maior que 1nm estaacute na ordem de

poucos kilo ohms ou ateacute mesmo centenas de ohms [1316] Neste trabalho considerou-se o

contato metal-nanotubo como sendo perfeito ou seja Rc = 0

A resistecircncia quacircntica e a de espalhamento satildeo descritas pelas equaccedilotildees (22) e (23)

respectivamente onde e eacute a carga do eleacutetron e h eacute a constante de Plank A resistecircncia

quacircntica (Rq) eacute igualmente dividida em cada lado dos contatos metal-nanotubo [13-

173435]

ke

hRq 456

4 2 (22)

CNT

CNTl

e

hRs

24 (23)

O movimento de eleacutetrons transportados por um condutor eacute modelado pela indutacircncia que

consiste na indutacircncia magneacutetica e cineacutetica [1316] No SWCNT a indutacircncia magneacutetica eacute

calculada considerando que o CNT eacute um fio muito fino com diacircmetro d e estaacute

posicionado a uma distacircncia y do plano ligado ao terra A indutacircncia cineacutetica eacute calculada

pela equaccedilatildeo da energia cineacutetica armazenada em cada canal condutor do CNT para uma

indutacircncia efetiva [141535] Assim a indutacircncia magneacutetica (LM) e a cineacutetica (LK) podem

ser calculadas pelas equaccedilotildees (24) e (25) respectivamente

d

yLM ln

2

(24)

F

Kve

hL

22 (25)

Para d = 1nm e y = 1microm LM = 14pHmicrom [141529] Como vF eacute a velocidade de Fermi

cujo valor eacute dado por 8x105 ms para o CNT o valor da indutacircncia cineacutetica eacute LK =

16nHmicrom [13-1635] Sabendo que cada CNT tem quatro canais condutores em paralelo

que natildeo interagem entre si a indutacircncia cineacutetica efetiva eacute dada por LK4 [13-15] Uma boa

aproximaccedilatildeo da indutacircncia total do CNT (LCNT) eacute 4 nHmicrom [15]

8

Por fim a capacitacircncia de um SWCNT isolado eacute constituiacuteda por duas partes que satildeo a

capacitacircncia eletrostaacutetica (CE) e a quacircntica (CQ) [13-1735] Essas capacitacircncias satildeo

calculadas pelas equaccedilotildees (26) e (27)

d

yCE

ln

2 (26)

F

Qhv

eC

22 (27)

A capacitacircncia eletrostaacutetica eacute influenciada pelo ambiente que a envolve que satildeo os seus

vizinhos e o plano ligado ao terra Considerando que o CNT eacute um fio com diacircmetro d =

1nm e a distacircncia y = 1microm obteacutem-se CE = 30 aFmicrom Jaacute a capacitacircncia quacircntica se refere agrave

influecircncia da energia quacircntica armazenada no nanotubo quando este carrega corrente O

valor da capacitacircncia eacute CQ = 100 aFmicrom [1314] Considerando os quatro canais condutores

descritos anteriormente a capacitacircncia total eacute dada por (28)

QE

QE

CNTCC

CCC

4

4

(28)

Assim o esquemaacutetico da interconexatildeo de um SWCNT isolado eacute mostrado na Figura 24

abaixo

Figura 24 ndash Modelo de interconexatildeo do SWCNT isolado (modificado de [33])

2132 Modelo de interconexatildeo do SWCNT bundle

O SWCNT bundle possui resistecircncia equivalente menor que o SWCNT isolado

caracteriacutestica necessaacuteria para alcanccedilar performances comparaacuteveis agraves interconexotildees de

9

cobre [13-2023252629-38] O SWCNT bundle eacute composto por vaacuterios SWCNTs

empacotados em paralelo Assume-se que todos os SWCNTs satildeo idecircnticos metaacutelicos e que

cada um tem o mesmo potencial [1737] Sabendo que d eacute o diacircmetro do nanotubo de

carbono e x eacute a distacircncia entre os centros de dois nanotubos adjacentes o SWCNT bundle

pode ser empacotado de forma densa se x = d ou de forma esparsa se x gt d [13-1529-

32] Sabe-se que entre os nanotubos existe uma separaccedilatildeo δmin devido agrave forccedila de Van der

Waals que eacute de pelo menos 032 nm entre cada nanotubo [13] como mostra a Figura 25

Figura 25 ndash Separaccedilatildeo miacutenima entre CNTs devido agrave forccedila de Van der Waals (modificado

de [13])

O nuacutemero de nanotubos de carbono nCNT disponiacutevel pode ser calculado pelas expressotildees

dadas em (29) e (210) [141530]

iacutemparnsen

nn

parnsen

nn

n

HH

HW

HH

HW

CNT

2

1

2

(29)

1

23

x

dtn

x

dwn HW (210)

Nas expressotildees acima w eacute a largura e t eacute a altura da interconexatildeo de SWCNT bundle

Assim nW eacute o nuacutemero de CNTs ao longo da largura do SWCNT bundle e nH eacute o nuacutemero de

CNTs ao longo da altura do SWCNT bundle [13-1530] A Figura 26 mostra esses valores

[13]

10

Figura 26 ndash Nuacutemero de CNTs ao longo da largura (nW) e da altura (nH) do CNT

bundle[13]

Na tecnologia de 22 nm considerando as dimensotildees de 22 nm de largura e 44 nm de altura

do SWCNT bundle [13173437] e a separaccedilatildeo entre cada nanotubo devido agrave forccedila de Van

der Waals a quantidade de SWCNTs eacute aproximadamente 600 Neste trabalho estas

consideraccedilotildees foram feitas e a tecnologia de 22 nm foi utilizada Esta tecnologia eacute prevista

pelo ITRS para o ano de 2016 [21]

As resistecircncias de cada SWCNT estatildeo em paralelo entre elas assim como as indutacircncias

Assim a resistecircncia e a indutacircncia do SWCNT bundle com nCNT SWCNTs satildeo calculados

respectivamente pelas expressotildees (211) e (212) [1323252629-3234]

CNT

CNTbundle

n

RR (211)

CNT

CNTbundle

n

LL (212)

Considerando que todos os SWCNTs estatildeo no mesmo potencial que os contatos entre

todos os nanotubos de carbono em um bundle satildeo idecircnticos e que cada SWCNT tem o

mesmo caminho meacutedio livre [13] eacute possiacutevel assumir que a interaccedilatildeo entre CNTs

adjacentes de um SWCNT bundle eacute fraca e que eles carregam correntes independentes

umas das outras [13-17]

A capacitacircncia do SWCNT bundle eacute obtida a partir da combinaccedilatildeo da capacitacircncia

quacircntica de todos os SWCNTs em paralelo chamada de capacitacircncia quacircntica bundle

(CQbundle

) que estaacute em seacuterie com a capacitacircncia eletrostaacutetica (CEbundle

) [13143539] A

capacitacircncia quacircntica e a capacitacircncia eletrostaacutetica satildeo calculadas pelas equaccedilotildees (213) e

(214) em que CEn e CEf satildeo as capacitacircncias de placas paralelas de CNTs isolados em

11

relaccedilatildeo aos vizinhos proacuteximos e afastados respectivamente [14293032] Assim a

capacitacircncia total do SWCNT bundle eacute obtida pela equaccedilatildeo (215)

CNT

CNT

Q

bundle

Q nCC (213)

En

HEf

WEn

bundle

E Cn

Cn

CC5

23

2

22

(214)

bundle

Q

bundle

E

bundle

Q

bundle

E

bundleCC

CCC

(215)

Analisando a equaccedilatildeo (215) o efeito da CQbundle

eacute pequeno para grandes valores de nCNT

sendo o valor da capacitacircncia do SWCNT bundle aproximadamente igual agrave sua

capacitacircncia eletrostaacutetica [13161719] Srivastava et al [13] mostra que os nanotubos no

interior do SWCNT bundle satildeo blindados eletrostaticamente dos condutores de terra

podendo ser desprezados Os CNTs de borda satildeo os principais contribuidores para a

capacitacircncia eletrostaacutetica do SWCNT bundle No entanto a equaccedilatildeo (214) natildeo reproduz

fielmente a realidade jaacute que considera a capacitacircncia eletrostaacutetica de todos os nanotubos e

natildeo soacute os CNTs de borda Segundo o mesmo autor para a tecnologia de 22 nm e uma

constante dieleacutetrica igual a 2 a capacitacircncia total do SWCNT bundle eacute aproximadamente

135 aFμm

2133 Modelo de interconexatildeo do cobre

As propriedades fiacutesicas de interconexotildees de cobre podem ser descritas por resistecircncia

capacitacircncia e indutacircncia [14-16] A resistecircncia do cobre pode ser calculada utilizando a

equaccedilatildeo (216)

tw

lRCu

(216)

em que l eacute o comprimento do cobre w eacute a sua largura t eacute a sua altura e ρ eacute a sua

resistividade A resistividade do cobre em escala nanomeacutetrica eacute moldada pela combinaccedilatildeo

dos fenocircmenos de espalhamento superficial e de espalhamento de contorno

[151627283340] Estes fenocircmenos correspondem aos paracircmetros ρFS e ρMS propostos

12

por Fuchs e Sondheimer (ρFS) e por Mayadas e Shatzkes (ρMS) [1516] Estes paracircmetros

satildeo calculados pelas expressotildees (217) (218) e (219)

)1(

4

31 p

w

o

o

FS

(217)

11ln33

2

31 22

MS

o (218)

)1( R

R

D

o

(219)

O paracircmetro ρo eacute a resistividade do material λo eacute o caminho meacutedio livre p eacute o paracircmetro

de espalhamento de Fuchs D eacute o tamanho meacutedio e R eacute o coeficiente de reflexatildeo no

contorno com valores entre 0 e 1 Assim tem-se que a resistecircncia do cobre em escala

nanomeacutetrica eacute dada pela equaccedilatildeo (220) [1516]

tw

lR MSFS

Cu

(220)

De acordo com [1433] o valor da resistividade do cobre na tecnologia de 22nm para

interconexotildees locais eacute dado por 4666 μΩ-cm No entanto este valor da resistividade do

cobre chega a 58 μΩ-cm para valores miacutenimos da largura do fio [1516203940] Neste

trabalho seraacute utilizado o valor de 58 μΩ-cm para a resistividade do cobre na tecnologia de

22 nm que vai ao encontro dos requerimentos do ITRS [21]

A indutacircncia proacutepria (L) e a muacutetua (M) da interconexatildeo de cobre em escala nanomeacutetrica

satildeo obtidas usando respectivamente as expressotildees (221) e (222)

l

tw

tw

llL o )(220

2

12ln

2

(221)

l

s

s

llM o 1

2ln

2

(222)

em que t eacute a altura do fio microo eacute a permeabilidade e s eacute o espaccedilamento entre os fios [14-16]

A indutacircncia total do cobre (LCu) eacute dada pela soma das indutacircncias proacutepria e muacutetua

13

A capacitacircncia da interconexatildeo de cobre eacute calculada pela soma da capacitacircncia de

acoplamento entre dois fios adjacentes (CC) e a capacitacircncia ligada ao plano do terra (Cg)

[14-16] Essas capacitacircncias podem ser obtidas pelas equaccedilotildees (223) e (224) [1541]

120760193

534511171

70222

ht

t

hs

s

hs

s

h

wCg (223)

181160141090

980871161

591740

062141

sh

h

sw

w

sw

w

sh

h

s

tCC (224)

em que s eacute o espaccedilamento entre dois fios adjacentes h eacute a distacircncia do fio em relaccedilatildeo ao

plano do terra e ε eacute a permissividade relativa para uma dada constante dieleacutetrica

Considerando as equaccedilotildees (223) e (224) e de acordo com [1321] para uma constante

dieleacutetrica igual a 2 o valor da capacitacircncia total do cobre (CCu) eacute aproximadamente 150

aFμm que seraacute utilizado neste trabalho

Os modelos em L em π e em T satildeo usados como modelos de interconexatildeo de cobre [11]

Como o modelo π eacute muito utilizado para uma linha distribuiacuteda [1416] este modelo seraacute

usado neste trabalho A Figura 27 mostra o modelo de interconexatildeo de cobre [11]

Figura 27 ndash Modelo de interconexatildeo de cobre

A precisatildeo do modelo eacute determinada pelo nuacutemero de seguimentos bdquoN‟ que ele possui Uma

cadeia com mais de trecircs segmentos em π fornece um erro menor que 3 [16] Neste

trabalho seratildeo utilizados trecircs segmentos em π

14

22 INVERSOR MONO-ELEacuteTRON

Os dispositivos de tunelamento mono-eleacutetron satildeo dispositivos nanoeletrocircnicos

potencialmente aplicaacuteveis em circuitos integrados em escala giga (GSI) e tera (TSI)

Apesar de apresentarem baixo ganho e alta impedacircncia de saiacuteda estes dispositivos

possuem tamanho reduzido e baixa dissipaccedilatildeo de potecircncia Estas caracteriacutesticas os tornam

atrativos em circuitos loacutegicos e circuitos de memoacuteria [1-10] Assim portas loacutegicas podem

ser implementadas utilizando dispositivos de tunelamento mono-eleacutetron [14-9]

As portas loacutegicas satildeo blocos de construccedilatildeo baacutesicos na eletrocircnica digital O inversor loacutegico

ou porta NOT eacute o principal elemento baacutesico no projeto de circuitos digitais [42] O

inversor inverte o sinal de entrada de valor loacutegico baixo ndash 0 ndash em um sinal de saiacuteda de

valor loacutegico alto ndash 1 ndash e vice-versa [442] Em outras palavras a porta NOT efetua a

negaccedilatildeo loacutegica O siacutembolo do inversor juntamente com sua tabela verdade estaacute ilustrado

na Figura 28

Figura 28 ndash Siacutembolo e tabela verdade da porta NOT

221 Dispositivo de tunelamento mono-eleacutetron

O funcionamento dos dispositivos de tunelamento mono-eleacutetron eacute baseado no controle do

movimento e da posiccedilatildeo de um uacutenico ou de um pequeno grupo de eleacutetrons no dispositivo

[17] Os seguintes conceitos satildeo essenciais na definiccedilatildeo desses dispositivos ilha junccedilatildeo-

tuacutenel tunelamento efeito de carregamento e bloqueio de Coulomb A partir desses

conceitos eacute possiacutevel definir o transistor mono-eleacutetron - SET (do inglecircs Single-electron

transistor) [24-8]

A ilha estaacute localizada entre duas paredes finas de um material normalmente isolante as

quais criam uma barreira de potencial de energia que impossibilita a movimentaccedilatildeo de

eleacutetrons pela ilha A Figura 29 mostra dois eletrodos A e B separados por uma barreira

15

isolante e no meio dessa barreira isolante encontra-se a ilha Se a energia dos eleacutetrons for

maior que a energia potencial das paredes das barreiras estes poderatildeo atravessaacute-las [6] No

dispositivo de tunelamento mono-eleacutetron o transporte de eleacutetrons entre o eletrodo A e a

ilha e entre a ilha e o eletrodo B ocorre por tunelamento mono-eleacutetron em que os eleacutetrons

atravessam as barreiras um de cada vez [10]

Figura 29 Dois eletrodos separados por uma ilha [10]

Esses dispositivos satildeo formados por junccedilotildees-tuacutenel que satildeo dois eletrodos metaacutelicos

separados por um isolante muito fino (barreira) o qual permite a passagem de eleacutetrons por

tunelamento [467] A Figura 210 ilustra a junccedilatildeo-tuacutenel e sua representaccedilatildeo simboacutelica Os

paracircmetros que caracterizam a junccedilatildeo-tuacutenel macroscopicamente satildeo a resistecircncia de

tunelamento (Rj) que depende da aacuterea e da espessura da barreira isolante e a capacitacircncia

(Cj) [10]

Figura 210 Esquemaacutetico da junccedilatildeo-tuacutenel [10]

O tunelamento eacute o transporte de partiacuteculas atraveacutes de uma regiatildeo em que a energia total de

uma partiacutecula pontual claacutessica eacute menor que a energia potencial da regiatildeo ou seja eacute o

transporte atraveacutes de uma regiatildeo classicamente proibida [10] O efeito de tunelamento

ocorre quando a barreira de potencial for suficientemente fina permitindo que o eleacutetron a

atravesse se houver niacutevel de energia desocupado do outro lado da barreira com o mesmo

valor de energia Esse fenocircmeno pode ser explicado pelo comportamento dual do eleacutetron

Diferentemente da mecacircnica claacutessica na teoria eletromagneacutetica quando uma partiacutecula

encontra uma barreira de potencial parte da onda eacute refletida e a outra parte eacute transmitida

para o outro lado da barreira [10] A teoria ortodoxa do tunelamento mono-eleacutetron eacute o

modelo mais utilizado para analisar o tunelamento [4-6] Proposto em 1987 por Averin e

Likharev [43] este modelo apresenta os seguintes postulados

16

Modelo de dimensatildeo zero as dimensotildees das ilhas satildeo despreziacuteveis

O evento de tunelamento eacute considerado instantacircneo

A redistribuiccedilatildeo das cargas apoacutes tunelamento tambeacutem eacute considerada instantacircnea

O espectro de energia em condutores e ilhas eacute considerado contiacutenuo ou seja a

quantizaccedilatildeo da energia do eleacutetron eacute ignorada dentro dos condutores

Apesar de a teoria ortodoxa assumir condiccedilotildees hipoteacuteticas ela continua sendo muito

utilizada em estudos do dispositivo mono-eleacutetron [4-6]

O efeito de carregamento ocorre quando os eleacutetrons estatildeo na iminecircncia de entrar em um

material condutor extremamente pequeno isolado eletricamente (ilha) Se houver um

eleacutetron na ilha o potencial eletrostaacutetico da ilha aumenta bastante sendo bem superior ao

ruiacutedo teacutermico em temperatura ambiente O fluxo de eleacutetrons na ilha eacute possiacutevel se o

potencial da ilha for controlado por uma fonte de tensatildeo externa Outros eleacutetrons satildeo

impedidos de entrar na ilha devido agrave repulsatildeo de Coulomb [14-9]

Assim o bloqueio de Coulomb ocorre quando um eleacutetron entra na ilha e impede o

tunelamento de outro eleacutetron nesta ilha No momento em que o eleacutetron entra na ilha a

energia eletrostaacutetica da ilha aumenta em Ce 22 em que CΣ eacute a soma das capacitacircncias

em torno da ilha [14] Dessa forma outro eleacutetron soacute conseguiraacute tunelar para dentro da ilha

se sua energia for maior que a energia eletrostaacutetica da ilha [6] A Figura 211 ilustra os

diagramas de energia no bloqueio de Coulomb e no caso de tunelamento [10]

(a) (b)

Figura 211 Diagramas de energia (a) Bloqueio de Coulomb (b) Tunelamento mono-

eleacutetron [10]

17

O bloqueio de Coulomb eacute superado ao se aplicar uma tensatildeo Vg ao circuito ateacute que esta

tensatildeo alcance um dado valor de limiar que forneceraacute energia suficiente para que ocorra o

tunelamento de um eleacutetron Assim haveraacute o fluxo de eleacutetrons havendo corrente A Figura

212 mostra a regiatildeo do bloqueio de Coulomb ao aplicar uma tensatildeo Vg ao circuito em que

Vc eacute a tensatildeo de limiar chamada de tensatildeo de bloqueio de Coulomb [5-10]

Figura 212 Caracteriacutestica do bloqueio de Coulomb [10]

Nesse contexto duas condiccedilotildees satildeo necessaacuterias para garantir que o transporte de eleacutetrons

seja controlado pelo efeito de carregamento a condiccedilatildeo para a resistecircncia de tunelamento

dada pela equaccedilatildeo (225) [1] em que a natureza corpuscular do eleacutetron predomina sobre a

natureza ondulatoacuteria e a energia eletrostaacutetica (EC) associada a uma dada temperatura (T)

deve ser significativamente maior que as flutuaccedilotildees teacutermicas existentes agravequela

temperatura como descrita na equaccedilatildeo (226) [146-9] Os paracircmetros h eacute a constante de

Planck e eacute a carga do eleacutetron kB eacute a constante de Boltzmann e C eacute capacitacircncia Na

equaccedilatildeo (226) a temperatura deve ser maior que 0K [10]

kRe

hR TT 825

2 (225)

TkC

eTkEc BB

2

2

(226)

A partir dos conceitos apresentados pode-se definir o transistor mono-eleacutetron O SET

ilustrado na Figura 213 [10] eacute composto por duas junccedilotildees-tuacutenel em seacuterie formando uma

ilha entre as junccedilotildees [246-9] Os paracircmetros R1 C1 e R2 C2 correspondem agraves

resistecircncias e capacitacircncias da primeira e da segunda junccedilatildeo-tuacutenel respectivamente A

tensatildeo de porta Vg controla a energia eletrostaacutetica da ilha atraveacutes da capacitacircncia Cg

18

Quando haacute carregamento por tunelamento de uma junccedilatildeo e descarregamento da outra

junccedilatildeo haacute um fluxo controlado de cargas o que gera a corrente I [10]

Figura 213 Transistor mono-eleacutetron [10]

Um efeito que pode ser observado na caracteriacutestica da corrente versus tensatildeo do transistor

mono-eleacutetron eacute chamado de oscilaccedilatildeo de Coulomb [24679] Se a tensatildeo V for mantida

constante com CeV e a tensatildeo Vg for aumentada ateacute atingir gg CeV 2 esse

valor de tensatildeo permitiraacute que um eleacutetron passe pela ilha Como soacute haveraacute corrente fluindo

no circuito em valores muacuteltiplos da tensatildeo gCe 2 soacute ocorreraacute o tunelamento novamente

quando )2(3 gg CeV A caracteriacutestica corrente (I) versus tensatildeo (Vg) do transistor

mono-eleacutetron eacute ilustrada na Figura 214 [10]

Figura 214 Caracteriacutestica corrente (I) versus tensatildeo (Vg) do transistor mono-eleacutetron [10]

222 Estrutura do inversor mono-eleacutetron

Um inversor pode ser construiacutedo colocando-se dois SETs em seacuterie os quais compartilham

da mesma entrada [5689] conforme mostrado na Figura 215 Vin eacute a tensatildeo de entrada

Vout eacute a tensatildeo de saiacuteda Vbias eacute a tensatildeo de polarizaccedilatildeo CC eacute a capacitacircncia de carga Cg1 e

Cg2 satildeo as capacitacircncias de porta do SET 1 e do SET 2 respectivamente

19

Figura 215 Esquemaacutetico do inversor utilizando SETs (modificado de [4])

Alguns modelos do SET desenvolvidos no software SPICE foram propostos na literatura

[4-7] Destes modelos o proposto por G Lientschnig et al [4] descreve a implementaccedilatildeo

completa da teoria ortodoxa e usa apenas os recursos em versotildees disponiacuteveis publicamente

do software SPICE Este modelo diferentemente dos modelos propostos em [5-7] natildeo estaacute

limitado a transistores mono-eleacutetron com junccedilotildees-tuacutenel que tecircm resistecircncias iguais Aleacutem

disso pode ser estendido para incluir um nuacutemero arbitraacuterio de estados de carga que

permite simulaccedilotildees definidas para altas temperaturas e tensotildees de polarizaccedilatildeo [4] O

modelo de G Lientschnig et al estaacute disponiacutevel no siacutetio eletrocircnico [44] Assim este foi o

modelo utilizado neste trabalho

23 CLOCKING DE SISTEMAS DE ALTA VELOCIDADE

Em sistemas digitais siacutencronos o sinal do clock eacute utilizado para definir uma referecircncia de

tempo agrave mudanccedila de dados dentro do sistema [1145] Assim a distribuiccedilatildeo do clock eacute de

suma importacircncia na operaccedilatildeo de circuitos integrados digitais sendo uma grande

preocupaccedilatildeo em circuitos integrados de alta velocidade [46-51] Circuitos em escala

nanomeacutetrica podem ser significativamente limitados devido ao clock skew que ocorre

quando os circuitos natildeo estatildeo equumlidistantes do sinal do clock [11454649-51] Como este

sinal eacute o sinal mais ativo em um chip pode resultar em elevado consumo de potecircncia e

grandes densidades de corrente na rede de interconexotildees do clock [454849]

Dessa forma o sinal do clock deve atingir ao mesmo tempo cada noacute para garantir que a

comutaccedilatildeo seja sincronizada bem como deve ser distribuiacutedo de forma que haja o menor

20

atraso possiacutevel [49] Com esse intuito os seguintes fatores entre outros satildeo fundamentais

no desempenho do clock dispositivos loacutegicos de tecnologia raacutepida (avanccedilada) rede de

distribuiccedilatildeo de clock que minimize o skew e interconexotildees com alto desempenho [11]

Conforme exposto anteriormente os dispositivos nanoeletrocircnicos como os transistores

mono-eleacutetron satildeo potencialmente aplicaacuteveis em circuitos integrados em escala giga (GSI)

e tera (TSI) Estes dispositivos permitem que as funccedilotildees loacutegicas sejam desempenhadas em

um tempo mais raacutepido e com menor atraso Assim satildeo fortes candidatos a serem utilizados

em circuitos integrados com clock

A adequada rede de distribuiccedilatildeo do clock assegura que a comutaccedilatildeo seja sincronizada e

que haja o menor atraso possiacutevel [1145] Aleacutem disso dependendo da arquitetura da rede o

niacutevel de sincronismo do sistema pode aumentar Diferentes tipos de abordagens tecircm sido

desenvolvidos para projetar a rede de distribuiccedilatildeo do clock em sistemas digitais de

circuitos integrados [45] Os buffered trees satildeo muito utilizados na distribuiccedilatildeo

equipotencial do clock Aleacutem dessas estruturas assimeacutetricas arquiteturas simeacutetricas como

o H-tree satildeo usadas para distribuir sinais de clock em alta velocidade podendo inclusive

ser projetadas com buffers [45-51] Algumas formas de rede de distribuiccedilatildeo do clock estatildeo

ilustradas na Figura 216 incluindo a trunk tree mesh e H-tree [45]

Figura 216 Estruturas comuns de redes de distribuiccedilatildeo de clock [45]

21

Atualmente as interconexotildees de cobre satildeo bastante utilizadas para circuitos de alto

desempenho como em redes de clock No entanto os CNTs apresentam caracteriacutesticas que

os tornam melhores para serem utilizados em interconexotildees descritas na subseccedilatildeo 221

[48] Neste trabalho seraacute realizada a comparaccedilatildeo entre interconexotildees de cobre e de CNT

na rede de distribuiccedilatildeo do H-tree clock

231 H-Tree Clock

O clock skew pode ser minimizado distribuindo-se o sinal do clock de forma que as

interconexotildees que levam o sinal aos circuitos loacutegicos tecircm o mesmo comprimento Se antes

de chegarem aos circuitos loacutegicos os sinais do clock forem igualmente atrasados eles

estaratildeo perfeitamente sincronizados [1145] Dessa forma o esquemaacutetico da Figura 217 de

distribuiccedilatildeo do clock minimiza o clock skew repetindo recursivamente uma estrutura em

forma de H [11] A Figura 217 ilustra uma rede H-tree simeacutetrica com trecircs niacuteveis [46]

Figura 217 Esquemaacutetico do H-tree clock simeacutetrico (modificado de [46])

Na estrutura do H-tree o condutor primaacuterio do clock estaacute ligado ao centro do H principal

(1ordm niacutevel) transmitindo o sinal para os quatro cantos deste H Esses quatro cantos satildeo as

entradas para o proacuteximo niacutevel do H-tree o 2ordm niacutevel que possui quatro estruturas em H O

processo de distribuiccedilatildeo continua por vaacuterios niacuteveis de H‟s cada vez menores Os pontos de

destino final do H-tree satildeo usados para conduzir os circuitos locais Assim cada caminho

do clock desde a fonte ateacute o circuito local possui praticamente o mesmo atraso [45]

22

24 MEDIDAS DE DESEMPENHO NA ANAacuteLISE DAS INTERCONEXOtildeES

As interconexotildees em circuitos integrados possuem caracteriacutesticas que modificam o sinal de

entrada O efeito das interconexotildees pode provocar atrasos e distorccedilotildees indesejaacuteveis Nesse

contexto eacute necessaacuterio analisar medidas de desempenho dos sinais sob efeito das

interconexotildees tais como velocidade maacutexima atenuaccedilatildeo tempo de atraso potecircncia

dissipada produto atraso-potecircncia e slew rate [111317202342]

241 Velocidade maacutexima - anaacutelise na frequumlecircncia

A velocidade maacutexima que as interconexotildees podem operar sem distorcer o sinal de entrada

eacute uma medida de desempenho importante [172023] Eacute possiacutevel analisar este paracircmetro

atraveacutes da frequumlecircncia maacutexima de operaccedilatildeo da interconexatildeo que eacute a largura de banda em

que o sinal comeccedila a decair em -3dB em relaccedilatildeo ao sinal de referecircncia [1742] Assim

utiliza-se a anaacutelise do moacutedulo do graacutefico de Bode para obter a frequumlecircncia de operaccedilatildeo em

-3dB [42] A Figura 218 mostra o esboccedilo do moacutedulo do ganho pela frequumlecircncia tiacutepico do

comportamento de interconexotildees

Figura 218 Graacutefico do moacutedulo do ganho pela frequumlecircncia tiacutepico do comportamento de

interconexotildees

23

242 Atenuaccedilatildeo

A transmissatildeo de um sinal pode ser expressa em funccedilatildeo do seu ganho ou da sua atenuaccedilatildeo

No caso em estudo as interconexotildees podem atenuar o sinal Essa atenuaccedilatildeo eacute geralmente

calculada pela expressatildeo (227) em que Vo eacute o sinal de saiacuteda e Vi eacute o sinal de entrada [42]

i

o

V

VA log20 (227)

243 Tempo de atraso

O tempo de atraso td ou atraso na propagaccedilatildeo ocorre devido ao

carregamentodescarregamento da capacitacircncia de carga bem como ao tempo de

chaveamento dos transistores [42]

O tempo de atraso eacute obtido pela diferenccedila entre o tempo medido a 50 da transiccedilatildeo dos

sinais de entrada e de saiacuteda [11] Em circuitos loacutegicos o atraso na propagaccedilatildeo pode ser

calculado pela meacutedia aritmeacutetica do tempo de propagaccedilatildeo do sinal de alto para baixo tPHL e

do tempo de propagaccedilatildeo do baixo para alto tPLH conforme equaccedilatildeo (228) [1142]

2

PLHPHLd

ttt

(228)

244 Potecircncia dissipada

A dissipaccedilatildeo de potecircncia eacute outra medida de desempenho bastante importante em circuitos

integrados em escala GSI e TSI Isso ocorre jaacute que ao aumentar o nuacutemero de portas

loacutegicas em uma determinada aacuterea ocupada eacute necessaacuterio que a dissipaccedilatildeo de potecircncia esteja

dentro de limites aceitaacuteveis [1142]

A dissipaccedilatildeo de potecircncia eacute composta por dois componentes potecircncia estaacutetica e potecircncia

dinacircmica A dissipaccedilatildeo de potecircncia estaacutetica eacute dada por IVP DDE e ocorre mesmo que

natildeo haja chaveamento de porta loacutegica no circuito devido ao efeito da resistecircncia do

circuito [42] A dissipaccedilatildeo de potecircncia dinacircmica eacute devido agrave capacitacircncia de carga do

24

circuito expressa por CVfP DDD 2 em que VDD eacute a tensatildeo de alimentaccedilatildeo f eacute

frequumlecircncia do circuito e C eacute a capacitacircncia de carga do circuito [1142] Assim a soma da

potecircncia dinacircmica e da potecircncia estaacutetica resulta na potecircncia total dissipada no circuito

245 Produto atraso-potecircncia

Em circuitos integrados o ideal eacute que se tenha baixo atraso na propagaccedilatildeo resultando em

uma maior velocidade de funcionamento do circuito bem como baixa dissipaccedilatildeo de

potecircncia No entanto essas duas exigecircncias satildeo conflitantes ao reduzirmos a dissipaccedilatildeo de

potecircncia de uma porta a capacidade da porta em fornecer corrente diminuiraacute isso

implicaraacute em um maior tempo de carga e descarga aumentando o atraso na propagaccedilatildeo

Assim o produto atraso-potecircncia (delay power product ndash DP) eacute uma medida de

desempenho bastante utilizada na anaacutelise de circuitos e eacute dado por dD tPDP Quanto

menor o produto atraso-potecircncia maior a eficiecircncia do circuito loacutegico [42]

246 Slew rate

A taxa maacutexima de variaccedilatildeo da tensatildeo de saiacuteda do inglecircs slew rate (SR) eacute uma

caracteriacutestica importante do sinal de saiacuteda de um circuito loacutegico A limitaccedilatildeo na taxa de

variaccedilatildeo pode provocar uma distorccedilatildeo no funcionamento do circuito O SR pode ser

calculado pela expressatildeo (229) em que Δv eacute a variaccedilatildeo da tensatildeo de saiacuteda do sinal para

uma determinada variaccedilatildeo de tempo Δt [42]

t

vSR

(229)

25 LTSPICE

O software LTSPICE eacute um simulador SPICE de alto desempenho orientado a

esquemaacuteticos e visualizador de formas de onda com modelos para facilitar a simulaccedilatildeo de

circuitos eletrocircnicos Se comparado aos outros simuladores SPICE a simulaccedilatildeo do

LTSPICE eacute bastante raacutepida O software consegue simular dispositivos de acordo com o

padratildeo industrial reproduzindo os seus comportamentos [52]

25

O LTSPICE possui vaacuterias possibilidades de simulaccedilatildeo como anaacutelise transiente anaacutelise AC

e anaacutelise DC bem como permite a simulaccedilatildeo de vaacuterios dispositivos disponiacuteveis na sua

biblioteca Aleacutem disso este software possibilita a elaboraccedilatildeo de novos esquemaacuteticos

atraveacutes de um modelo matemaacutetico ou eletrocircnico proposto O novo componente poderaacute ser

utilizado no circuito conforme seraacute feito neste trabalho utilizando-se o modelo SPICE do

SET proposto por G Lientschnig et al[4]

26

3 METODOLOGIA

31 INTRODUCcedilAtildeO

A miniaturizaccedilatildeo das interconexotildees prejudica o seu desempenho resultando no aumento

significativo do valor da resistividade da capacitacircncia de acoplamento entre vias na

dificuldade de controlar a razatildeo entre a altura e a largura do material entre outros

problemas A fim de analisar o desempenho das interconexotildees eacute necessaacuterio verificar

algumas variaacuteveis importantes como velocidade maacutexima (f-3dB) atenuaccedilatildeo (A) tempo de

atraso (td) potecircncia dissipada (P) produto atraso-potecircncia (DP) e slew rate (SR)

[111317202342]

32 ETAPAS E ESTRATEacuteGIAS ADOTADAS

Com o intuito de analisar o efeito das interconexotildees em circuitos com transistores mono-

eleacutetron foi realizada primeiramente a anaacutelise das interconexotildees de SWCNT de SWCNT

bundle e de cobre isoladamente para diferentes valores de comprimento Apoacutes a avaliaccedilatildeo

desses resultados o efeito das interconexotildees foi analisado no H-tree clock com inversores

mono-eleacutetron nos seus terminais tambeacutem considerando diferentes comprimentos Neste

trabalho a tecnologia de 22 nm prevista para o ano de 2016 [21] foi utilizada na

comparaccedilatildeo entre o desempenho do cobre e do CNT Todas as simulaccedilotildees foram realizadas

utilizando o software LTSPICE

321 Simulaccedilatildeo das interconexotildees

A partir dos modelos das interconexotildees de SWCNT SWCNT bundle e cobre apresentados

na subseccedilatildeo 213 diferentes comprimentos das interconexotildees foram simulados Assim

analisou-se as interconexotildees locais em que l le 1 μm e as intermediaacuterias em que 1 μm lt l

le 500 μm sabendo que l eacute o comprimento da interconexatildeo [29-31333638]

A fim de analisar a frequumlecircncia de corte este foi obtido para comprimentos de

interconexotildees locais (10nm 100nm 200nm 300nm 400nm 500nm 600nm 700nm

27

800nm 900nm 1μm) e interconexotildees intermediaacuterias (10μm 100μm 200μm 300μm

400μm 500μm)

Jaacute que λCNT eacute tipicamente 1 μm foram escolhidos trecircs comprimentos na faixa lCNT le λCNT

(10 nm 100 nm e 1 μm) e trecircs comprimentos na faixa lCNT gt λCNT (10 μm 100 μm 500

μm) para serem analisados detalhadamente Escolheu-se uma mesma frequecircncia abaixo da

frequecircncia de corte dos trecircs materiais considerados para analisar e comparar a atenuaccedilatildeo

(A) e o tempo de atraso na propagaccedilatildeo (td) dos diferentes comprimentos

Em seguida o mesmo procedimento foi feito para comparar somente o SWCNT bundle e o

cobre para uma mesma frequecircncia cujo valor eacute maior que a frequecircncia da anaacutelise anterior

permitindo que estes dois materiais sejam analisados detalhadamente

Essas anaacutelises foram realizadas a partir da simulaccedilatildeo do circuito da Figura 31 [2325] A

tensatildeo de entrada Vin eacute uma onda quadrada de 1V de amplitude e o capacitor de carga tem

o valor de 100 aF

Figura 31 ndash Circuito simulado para cada interconexatildeo

A Figura 32 mostra o fluxograma das etapas descritas nesta subseccedilatildeo 321

28

Figura 32 ndash Fluxograma das etapas seguidas na simulaccedilatildeo das interconexotildees

322 Simulaccedilatildeo do inversor mono-eleacutetron

Para utilizar a porta inversora da Figura 215 nos terminais do H-tree clock foi necessaacuterio

primeiramente simular o SET proposto por [4] Essa simulaccedilatildeo foi feita variando os

paracircmetros do SET como as resistecircncias e capacitacircncias das junccedilotildees as capacitacircncias de

porta a temperatura etc Os paracircmetros foram variados ateacute simular o SET a temperatura

de 300K Em seguida simulou-se a inversora da Figura 215 tambeacutem a temperatura

ambiente Dessa forma foi possiacutevel simular a inversora isoladamente obtendo as

caracteriacutesticas do sinal de saiacuteda

323 Simulaccedilatildeo do H-tree clock mono-eleacutetron

Apoacutes a simulaccedilatildeo do SET foi possiacutevel simular o H-tree clock A rede H-tree de dois niacuteveis

foi simulada com um H no primeiro niacutevel e quatro H‟s no segundo niacutevel [49] Nos pontos

de destino final da rede foram colocadas portas inversoras formadas por SETs permitindo

a anaacutelise de circuitos nanoeletrocircnicos

Modelos de SWCNT

SWCNT bundle e cobre

Obtenccedilatildeo dos paracircmetros dos modelos para

interconexotildees locais e interconexotildees intermediaacuterias

Para cada comprimento

obtenccedilatildeo de f-3dB

1ordm) Escolha de frequumlecircncia abaixo

da f-3dB do SWCNT SWCNT

bundle e cobre

2ordm) Escolha de frequumlecircncia abaixo

da f-3dB do SWCNT bundle e

cobre

Obtenccedilatildeo de A e td de

cada modelo

Obtenccedilatildeo de A e td de

cada modelo

Anaacutelise comparativa entre o

SWCNT SWCNT bundle e

cobre

Anaacutelise comparativa entre o

SWCNT bundle e cobre

Estudo de interconexotildees locais (10nm

100nm 1μm) e intermediaacuterias (10μm

100μm 500μm)

29

A partir da simulaccedilatildeo do H-tree clock obteve-se a frequecircncia em -3dB (f-3dB) da rede com

interconexotildees ideais Assim a rede H-tree foi entatildeo simulada para duas frequecircncias

diferentes do sinal de entrada abaixo da frequecircncia de -3dB 10 GHz e 100 GHz Com

essas simulaccedilotildees obtiveram-se as seguintes caracteriacutesticas do sinal de saiacuteda da inversora

niacutevel loacutegico baixo (NB) niacutevel loacutegico alto (NA) tempo de subida (tr) slew rate de subida

(SR) atenuaccedilatildeo (A) tempo de atraso (td) potecircncia dissipada (P) e produto atraso-potecircncia

(DP) As caracteriacutesticas obtidas servem como referecircncia para analisar o sinal considerando

interconexotildees natildeo-ideais ou seja incluindo os modelos das interconexotildees nas simulaccedilotildees

Em seguida a rede H-tree foi simulada considerando-se os modelos das interconexotildees de

SWCNT bundle e de cobre variando os seus comprimentos Como cada H da rede de

distribuiccedilatildeo deve ser simeacutetrico considerou-se que cada divisatildeo do H tem o mesmo

comprimento para cada niacutevel da rede [11] A Figura 33 mostra o comprimento dos

diferentes trechos da rede Assim o comprimento de cada divisatildeo dos H‟s do segundo

niacutevel eacute a metade do comprimento de cada divisatildeo do H do primeiro niacutevel Jaacute que o objetivo

eacute simular circuitos em escala nanomeacutetrica escolheu-se trecircs variaccedilotildees de comprimento

menores ou iguais a 1μm

l = 100 nm l2 = 50 nm

l = 400 nm l2 = 200 nm

l = 1 μm l2 = 500 nm

Figura 33 ndash Esquemaacutetico do H-tree clock com os comprimentos de cada seguimento

Dessa forma cada um dos trecircs circuitos foi simulado obtendo-se a frequecircncia em -3dB na

entrada das portas inversoras Em seguida as trecircs redes foram simuladas para as mesmas

30

duas frequumlecircncias do sinal de entrada (10 GHz e 100 GHz) de forma a obter as

caracteriacutesticas do sinal de saiacuteda descritas anteriormente considerando agora o efeito das

interconexotildees

Por fim a partir dos dados obtidos foram realizadas comparaccedilotildees entre as caracteriacutesticas

do sinal de saiacuteda de referecircncia (interconexotildees ideais) e o sinal de saiacuteda dos circuitos com as

interconexotildees natildeo-ideais bem como entre o comportamento das interconexotildees de SWCNT

bundle e de cobre nas diferentes frequecircncias

A Figura 34 mostra o fluxograma das etapas descritas nas subseccedilotildees 322 e 323

Figura 34 ndash Fluxograma das etapas seguidas na simulaccedilatildeo do H-tree clock

H-tree clock mono-eleacutetron

Simulaccedilatildeo do H-tree clock com

interconexotildees ideais Obtenccedilatildeo de f-3dB

da inversora

Simulaccedilatildeo do H-tree clock com

interconexotildees natildeo-ideais para os seguintes

comprimentos

l = 100 nm l2 = 50 nm

l = 400 nm l2 = 200 nm

l = 1 μm l2 = 500 nm

Validaccedilatildeo do SET e do

inversor mono-eleacutetron a

300K

Sinal de entrada a

10 GHz

Sinal de entrada a

100 GHz

Obtenccedilatildeo de NB

NA tr SR A td P e

DP do sinal de saiacuteda

da inversora

Obtenccedilatildeo de NB

NA tr SR A td P e

DP do sinal de saiacuteda

da inversora

Sinal de entrada a

10 GHz

Sinal de entrada a

100 GHz

Obtenccedilatildeo de NB

NA tr SR A td P e

DP do sinal de saiacuteda

da inversora

Obtenccedilatildeo de NB

NA tr SR A td P e

DP do sinal de saiacuteda

da inversora

Anaacutelise comparativa

dos dados obtidos

31

4 RESULTADOS E ANAacuteLISES

41 INTRODUCcedilAtildeO

Neste capiacutetulo seratildeo apresentados os procedimentos adotados e os resultados obtidos na

simulaccedilatildeo das interconexotildees SWCNT SWCNT bundle e cobre As etapas descritas na

metodologia foram seguidas obtendo-se os resultados das simulaccedilotildees das interconexotildees e

das simulaccedilotildees do H-tree clock mono-eleacutetron para interconexotildees ideais e natildeo-ideais A

partir dos resultados a anaacutelise do desempenho das interconexotildees seraacute apresentada

42 ANAacuteLISE DAS INTERCONEXOtildeES

Nesta seccedilatildeo a anaacutelise das interconexotildees de SWCNT SWCNT bundle e cobre na

tecnologia de 22 nm para diferentes comprimentos seraacute realizada Para isso analisou-se

as interconexotildees locais em que l le 1 μm e as intermediaacuterias em que 1 μm lt l le 500 μm

sabendo que l eacute o comprimento da interconexatildeo [29-31333638] Como λCNT eacute

tipicamente 1 μm trecircs comprimentos na faixa lCNT le λCNT (10 nm 100 nm e 1 μm) e trecircs

comprimentos na faixa lCNT gt λCNT (10 μm 100 μm 500 μm) de cada material seratildeo

analisados detalhadamente Os paracircmetros obtidos a partir dos modelos de SWCNT

SWCNT bundle e cobre estatildeo respectivamente nas Tabelas 71 72 e 73 do Apecircndice

421 Interconexotildees locais

Primeiramente a partir da simulaccedilatildeo da Figura 31 obteve-se a frequecircncia em -3dB (f-3dB)

das interconexotildees locais (lCNT le λCNT ) isto eacute a sua banda passante de forma a verificar a

velocidade maacutexima que cada interconexatildeo suporta A Figura 41 ilustra o comportamento

da frequecircncia das interconexotildees locais para os diferentes comprimentos Como o SWCNT

isolado possui valores de frequecircncia na faixa de centenas de giga Hertz ou seja menos de

um tera Hertz os valores de suas frequecircncias tambeacutem podem ser visualisados na Tabela

74 do Apecircndice

Verifica-se que agrave medida que o comprimento da interconexatildeo aumenta a frequecircncia

diminui Isso ocorre jaacute que os valores da capacitacircncia e indutacircncia aumentam com o

aumento do comprimento da interconexatildeo Esses paracircmetros satildeo decisivos no sinal de

32

saiacuteda sendo o sinal mais distorcido quanto maior for o valor desses paracircmetros Observa-

se que o SWCNT bundle e o cobre possuem banda passante maiores que o SWCNT

isolado para qualquer comprimento Aleacutem disso o SWCNT bundle soacute possui uma banda

passante comparaacutevel ao do cobre para comprimentos acima de 700 nm

Frequecircncia X Comprimento

0

10

20

30

40

50

60

100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

Comprimento (nm)

f -3d

B (

TH

z)

SWCNT Isolado

SWCNT bundle

Cobre

Figura 41 ndash Frequumlecircncia versus comprimento das interconexotildees locais

As interconexotildees locais de 10 nm 100 nm e 1 μm de comprimento foram analisadas

detalhadamente A Tabela 41 mostra a frequecircncia em -3dB de cada material para os

comprimentos em anaacutelise

Tabela 41 Frequecircncia em -3dB de cada material para lCNT le λCNT

Interconexatildeo Local Comprimento (L) Material f-3dB

SWCNT isolado 253 GHz

10nm SWCNT bundle 66 THz

Cobre 232 THz

SWCNT isolado 300 GHz

lCNT le λCNT 100nm SWCNT bundle 20 THz

Cobre 51 THz

SWCNT isolado 230 GHz

1microm SWCNT bundle 47 THz

Cobre 42 THz

Assim escolheu-se uma mesma frequecircncia abaixo da frequecircncia de corte dos trecircs

materiais considerados para analisar e comparar a atenuaccedilatildeo (A) e o tempo de atraso na

propagaccedilatildeo (td) dos trecircs comprimentos Isso permite verificar o comportamento do sinal na

banda passante A Tabela 42 mostra esse estudo comparativo entre o SWCNT isolado

SWCNT bundle e cobre agrave frequecircncia de 200 GHz

33

Tabela 42 Estudo das interconexotildees com comprimentos na faixa lCNT le λCNT

Freq L Material A (dB) td (ps)

SWCNT isolado -210 046

10nm SWCNT bundle 001 000

Cobre 000 000

SWCNT isolado -155 051

200 GHz 100nm SWCNT bundle 001 000

Cobre 001 000

SWCNT isolado -039 107

1microm SWCNT bundle 006 001

Cobre 000 007

A partir da anaacutelise da Tabela 42 eacute possiacutevel observar agrave frequumlecircncia de 200 GHz a

atenuaccedilatildeo do sinal e o atraso do SWCNT isolado Nessa frequumlecircncia o atraso do SWCNT

isolado eacute significativo em relaccedilatildeo ao periacuteodo do sinal que eacute 5ps jaacute que o menor atraso

(para l = 10nm) eacute aproximadamente 10 do periacuteodo do sinal de entrada No entanto para

esta mesma frequumlecircncia observa-se que a atenuaccedilatildeo e o atraso do SWCNT bundle e do

cobre satildeo insignificantes Isto indica que estes dois materiais possuem melhor

desempenho sendo favoraacuteveis para serem utilizados em interconexotildees locais

Dessa forma para analisar melhor a atenuaccedilatildeo e o tempo de atraso do SWCNT bundle e do

cobre o mesmo procedimento foi feito comparando-se somente estes dois materiais para

uma mesma frequecircncia de 1 THz A Tabela 43 mostra esse estudo comparativo entre o

SWCNT bundle e cobre

Tabela 43 Estudo das interconexotildees SWCNT bundle e cobre com comprimentos na faixa

lCNT le λCNT

Freq L Material A (dB) td (fs)

10nm SWCNT bundle 001 113

Cobre 000 022

1 THz 100nm SWCNT bundle 006 136

Cobre 001 240

1microm SWCNT bundle 145 647

Cobre -013 5623

Analisando a Tabela 43 observa-se que agrave frequumlecircncia de 1 THz a atenuaccedilatildeo do sinal e o

atraso aumentam agrave medida que o comprimento das interconexotildees aumentam A partir do

comprimento de 100nm o tempo de atraso da interconexatildeo de cobre eacute maior que o do

SWCNT bundle cujo maior valor de atraso (para l = 1microm) natildeo chega a 1 do periacuteodo do

34

sinal de entrada (1ps) Isso mostra que apesar de a banda passante do cobre ser maior o

atraso do SWCNT bundle eacute menor Dessa forma para as interconexotildees locais o SWCNT

bundle possui desempenho comparaacutevel ao do cobre [13]

Em relaccedilatildeo agrave atenuaccedilatildeo verifica-se que para alguns comprimentos este tem valor

positivo Isso ocorre principalmente quando haacute um pico no graacutefico da frequumlecircncia antes dele

comeccedilar a decair Esse pico eacute devido ao efeito ressonante provocado pela indutacircncia

quando este possui valor comparaacutevel agrave resistecircncia e agrave capacitacircncia da interconexatildeo [53]

Assim esse efeito ressonante foi observado somente nas interconexotildees locais de SWCNT

bundle e de cobre A Figura 42 ilustra o graacutefico da magnitude pela frequumlecircncia do SWCNT

isolado SWCNT bundle e cobre para o comprimento de 100nm Observa-se o efeito

ressonante nos graacuteficos do SWCNT bundle e do cobre

Figura 42 ndash Graacuteficos da magnitude das interconexotildees de SWCNT isolado (superior)

SWCNT bundle (meio) e cobre (inferior) com comprimento de 100nm

35

422 Interconexotildees intermediaacuterias

Assim como para as interconexotildees locais obteve-se a frequecircncia em -3dB (f-3dB) das

interconexotildees intermediaacuterias (lCNT gt λCNT) de forma a verificar a velocidade maacutexima que

cada interconexatildeo suporta A Figura 43 ilustra o comportamento da frequecircncia das

interconexotildees intermediaacuterias para os diferentes comprimentos Os valores das frequecircncias

de cada interconexatildeo tambeacutem podem ser visualisados na Tabela 75 do Apecircndice

Como nas interconexotildees locais agrave medida que o comprimento da interconexatildeo aumenta a

frequecircncia diminui Aleacutem disso o SWCNT bundle e o cobre possuem desempenho melhor

que o do SWCNT isolado para qualquer comprimento No entanto para interconexotildees

intermediaacuterias o SWCNT bundle possui banda passante maior que a do cobre para

qualquer comprimento

Frequecircncia X Comprimento

00

05

10

15

20

25

30

35

40

45

100 200 300 400 500

Comprimento (μm)

f -3d

B (

GH

z)

SWCNT isolado

SWCNT bundle

Cobre

Figura 43 ndash Frequumlecircncia versus comprimento das interconexotildees intermediaacuterias

As interconexotildees intermediaacuterias de 10 μm 100 μm e 500 μm de comprimento foram entatildeo

analisadas detalhadamente A Tabela 44 mostra a frequecircncia em -3dB de cada materal

para os diferentes comprimentos em anaacutelise

36

Tabela 44 Frequecircncia em -3dB de cada material para lCNT gt λCNT

Interconexatildeo

Intermediaacuteria

Comprimento (L) Material f-3dB

SWCNT isolado 26 GHz

10 microm SWCNT bundle 527 GHz

Cobre 34 GHz

SWCNT isolado 32 MHz

lCNT gt λCNT 100 microm SWCNT bundle 42 GHz

Cobre 345 MHz

SWCNT isolado 13 MHz

500 microm SWCNT bundle 165 MHz

Cobre 14 MHz

Escolheu-se a frequecircncia de 1 MHz que estaacute abaixo da frequecircncia de corte dos trecircs

materiais considerados para analisar e comparar a atenuaccedilatildeo (A) e o tempo de atraso na

propagaccedilatildeo (td) dos trecircs comprimentos A Tabela 45 mostra esse estudo comparativo entre

o SWCNT isolado SWCNT bundle e cobre

Tabela 45 Estudo das interconexotildees com comprimentos na faixa lCNT gt λCNT

Freq L Material A (dB) td (ns)

SWCNT isolado -002 008

10 microm SWCNT bundle 000 000

Cobre 000 000

SWCNT isolado -003 559

1 MHz 100 microm SWCNT bundle -001 005

Cobre -004 056

SWCNT isolado -198 10217

500 microm SWCNT bundle 000 110

Cobre -003 1301

Com base na Tabela 45 observa-se que a atenuaccedilatildeo e o tempo de atraso do SWCNT

isolado aumentam com o aumento do comprimento da interconexatildeo Nessa frequumlecircncia o

atraso na propagaccedilatildeo do SWCNT isolado eacute significativo em relaccedilatildeo ao periacuteodo do sinal de

entrada que eacute 1micros chegando a mais de 10 deste periacuteodo para o comprimento de 500microm

Verifica-se tambeacutem o aumento do tempo de atraso da interconexatildeo de cobre sendo 13

do periacuteodo do sinal de entrada para o comprimento de 500microm

Para analisar melhor a atenuaccedilatildeo e o tempo de atraso do SWCNT bundle e do cobre o

mesmo procedimento foi feito comparando-se somente estes dois materiais para uma

37

mesma frequecircncia de 10 MHz A Tabela 46 mostra esse estudo comparativo entre o

SWCNT bundle e cobre

Tabela 46 Estudo das interconexotildees SWCNT bundle e cobre com comprimentos na faixa

lCNT gt λCNT

Freq L Material A (dB) td (ns)

10 microm SWCNT bundle 000 000

Cobre 000 000

10 MHz 100 microm SWCNT bundle -001 005

Cobre -004 054

500 microm SWCNT bundle -004 107

Cobre -185 1024

Analisando a Tabela 46 observa-se que agrave medida que o comprimento das interconexotildees

aumenta a atenuaccedilatildeo e o atraso do sinal da interconexatildeo de cobre tornam-se significativos

O atraso na propagaccedilatildeo da interconexatildeo de cobre para l = 500microm chega a 10 do periacuteodo

do sinal de entrada (100ns) Jaacute o SWCNT bundle apresenta valores insignificantes de

atenuaccedilatildeo e atraso na propagaccedilatildeo Assim para as interconexotildees intermediaacuterias o SWCNT

bundle possui desempenho superior ao do cobre

43 SIMULACcedilAtildeO DO INVERSOR MONO-ELEacuteTRON

O modelo SPICE do SET proposto por G Lientschnig et al [444] foi simulado no

LTSPICE A partir da equaccedilatildeo (226) foi possiacutevel aumentar a temperatura do SET ateacute

chegar a 300K Assim o esquemaacutetico do SET e os valores de seus paracircmetros para que o

SET opere a 300K estatildeo na Figura 44 No anexo deste trabalho (subseccedilatildeo 81) encontra-

se o coacutedigo SET que foi utilizado [44] Os paracircmetros R1 C1 e R2 C2 correspondem agraves

resistecircncias e capacitacircncias das junccedilotildees-tuacutenel Cg eacute a capacitacircncia de porta (Cg1 no coacutedigo

SET) Vg eacute a tensatildeo de porta e V eacute a tensatildeo de entrada

Figura 44 Esquemaacutetico do SET e os valores de seus paracircmetros

38

A partir destes valores o inversor mono-eleacutetron foi construiacutedo colocando-se dois SETs em

seacuterie os quais compartilham da mesma entrada A Figura 45 ilustra o esquemaacutetico do

inversor mono-eleacutetron juntamente com os valores de seus paracircmetros fixos em que Vin eacute a

tensatildeo de entrada Vout eacute a tensatildeo de saiacuteda Vbias eacute a tensatildeo de polarizaccedilatildeo Cc eacute a

capacitacircncia de carga Cg1 e Cg2 satildeo as capacitacircncias de porta do SET 1 e do SET 2

respectivamente

Figura 45 Esquemaacutetico do inversor mono-eleacutetron e os valores de seus paracircmetros

(modificado de [4])

Assim apoacutes simular o inversor mono-eleacutetron a 300K obteve-se o sinal de saiacuteda mostrado

na Figura 46 Como o inversor estaacute invertendo o sinal de entrada de valor loacutegico baixo em

um sinal de saiacuteda de valor loacutegico alto ele estaacute operando corretamente

Figura 46 Curva do sinal de entrada (em verde) e do sinal de saiacuteda (em preto) do inversor

mono-eleacutetron

39

44 ANAacuteLISE DAS INTERCONEXOtildeES NO H-TREE CLOCK MONO-ELEacuteTRON

Nesta seccedilatildeo a rede H-tree clock de dois niacuteveis foi simulada com portas inversoras mono-

eleacutetron nos pontos de destino final da rede permitindo a anaacutelise de circuitos

nanoeletrocircnicos Simulou-se a rede H-tree considerando interconexotildees ideais para as

frequecircncias de 10 GHz e 100 GHz no sinal de entrada Em seguida para as mesmas duas

frequecircncias considerou-se interconexotildees natildeo-ideais de diferentes comprimentos

analisando a rede com os modelos de interconexatildeo SWCNT bundle e cobre Trecircs redes

com comprimentos de interconexotildees diferentes foram analisadas

l = 100 nm l2 = 50 nm

l = 400 nm l2 = 200 nm

l = 1 μm l2 = 500 nm

441 Anaacutelise da rede com interconexotildees ideais

A partir da simulaccedilatildeo do H-tree clock a frequecircncia em -3dB (f-3dB) da rede com

interconexotildees ideais foi obtida Na saiacuteda de cada porta inversora a banda passante do sinal

eacute 3200 GHz Dessa forma duas frequecircncias abaixo de 3200 GHz foram escolhidas para

analisar o sinal de saiacuteda da inversora em condiccedilotildees ideais As frequecircncias de 10 GHz e

100 GHz seratildeo analisadas obtendo-se as seguintes caracteriacutesticas do sinal de saiacuteda da

inversora niacutevel loacutegico baixo (NB) niacutevel loacutegico alto (NA) tempo de subida (tr) slew rate

de subida (SR) atenuaccedilatildeo (A) e tempo de atraso (td) A Tabela 47 mostra os valores

obtidos para as duas frequecircncias em anaacutelise

Tabela 47 Caracteriacutesticas dos sinais de saiacuteda da rede para interconexotildees ideais

Freq NB(mV) NA(mV) tr (ps) SR(Vns) A(dB) td (ps)

10 GHz 675 4518 356 8636 -264 412

100 GHz 678 4279 317 9088 -269 189

Os caacutelculos da potecircncia estaacutetica ( IVP DDE ) potecircncia dinacircmica ( CVfP DDD 2 ) e

potecircncia total ( DE PPP ) dissipada por cada porta inversora foram realizados bem

como o produto atraso-potecircncia (DP) Assim a Tabela 48 mostra os valores obtidos no

40

caacutelculo destes paracircmetros Como a potecircncia estaacutetica independe da frequecircncia do sinal de

entrada o seu valor eacute o mesmo nos dois casos

Tabela 48 Potecircncia dissipada por cada porta inversora para interconexotildees ideais

Frequecircncia PE (nW) PD (nW) P (nW) DP (10-18

Wmiddots)

10 GHz 4838 125 4963 020

100 GHz 4838 125 6088 012

As Tabelas 47 e 48 serviratildeo de referecircncia para as anaacutelises da rede com interconexotildees natildeo-

ideais analisadas na subseccedilatildeo seguinte As Figuras 47 e 48 ilustram o sinal de saiacuteda das

redes com frequecircncias de 10 GHz e de 100 GHz respectivamente Eacute possiacutevel observar que

na frequecircncia de 100 GHz o sinal de saiacuteda jaacute eacute distorcido em relaccedilatildeo ao sinal de referecircncia

(Figura 46)

Figura 47 Sinal de entrada (em verde) e sinal de saiacuteda (em preto) da rede a 10 GHz

Figura 48 Sinal de entrada (em verde) e sinal de saiacuteda (em preto) da rede a 100 GHz

41

442 Anaacutelise da rede com interconexotildees natildeo-ideais

Apoacutes obter as caracteriacutesticas da rede H-tree clock com interconexotildees ideais a anaacutelise da

rede com interconexotildees natildeo-ideais seraacute feita Primeiramente eacute importante verificar a

frequecircncia em -3dB do sinal depois das interconexotildees ou seja na entrada da porta

inversora Caso essa frequecircncia seja menor que a frequecircncia de 3200 GHz obtida com

interconexotildees ideais entatildeo a interconexatildeo afetaraacute o comportamento da rede A Tabela 49

mostra a frequecircncia em -3dB na entrada da inversora para interconexotildees natildeo-ideais

Tabela 49 Frequecircncia em -3dB na entrada da inversora para interconexotildees natildeo-ideais

Comprimentos (l2 l) Material f-3dB

50nm 100nm SWCNT bundle 122 THz

Cobre 175 THz

200nm 400nm SWCNT bundle 31 THz

Cobre 8606 GHz

500nm 1microm SWCNT bundle 12 THz

Cobre 1268 GHz

Assim verifica-se que a interconexatildeo de cobre da rede 500nm1microm possui frequecircncia em

-3dB abaixo da frequecircncia do circuito com interconexatildeo ideal (3200 GHz) Isso indica que

esta interconexatildeo interfere significativamente no comportamento da rede A Tabela 49

mostra tambeacutem que a banda passante da interconexatildeo de cobre soacute eacute maior que a da

interconexatildeo de SWCNT bundle no primeiro caso na rede de 50nm100nm o que mostra

uma vantagem do SWCNT bundle em relaccedilatildeo ao cobre A partir dessas informaccedilotildees a

rede H-tree clock com interconexotildees natildeo-ideais seraacute analisada detalhadamente

4421 Anaacutelise da rede a 10 GHz

As redes com interconexotildees natildeo-ideais seratildeo analisadas na frequecircncia de 10 GHz para

diferentes comprimentos Primeiramente o niacutevel loacutegico baixo (NB) o niacutevel loacutegico alto

(NA) o tempo de subida (tr) e o slew rate de subida (SR) foram obtidos conforme mostra a

Tabela 410 Com base nessa tabela verifica-se que na frequecircncia de 10 GHz essas

caracteriacutesticas natildeo foram modificadas pelas interconexotildees natildeo-ideais independentemente

do comprimento Os valores dos paracircmetros satildeo iguais aos obtidos na rede com

interconexatildeo ideal conforme Tabela 47 O sinal obtido na saiacuteda de cada inversor eacute igual

ao ilustrado na Figura 47

42

Tabela 410 Niacuteveis loacutegicos tempo de subida e slew rate dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 10 GHz

Freq L (l2l) Material NB(mV) NA(mV) tr(ps) SR(Vns)

10

GHz

50nm

100nm

SWCNT bundle 675 4518 356 8636

Cobre 675 4518 356 8636

200nm

400nm

SWCNT bundle 675 4518 356 8636

Cobre 675 4518 356 8636

500nm

1microm

SWCNT bundle 675 4518 356 8636

Cobre 675 4518 356 8636

A Tabela 411 mostra a atenuaccedilatildeo tempo de atraso potecircncia total dissipada e o produto

atraso-potecircncia obtidos a frequecircncia de 10 GHz para interconexotildees natildeo-ideais Observa-se

que a atenuaccedilatildeo do sinal e a potecircncia total dissipada por cada porta inversora permanecem

os mesmos em relaccedilatildeo agrave interconexatildeo ideal mostrando que a essa frequecircncia as

interconexotildees natildeo-ideais natildeo interferem nestes paracircmetros

Jaacute o atraso na propagaccedilatildeo do sinal no caso do cobre aumenta agrave medida que as

interconexotildees aumentam de comprimento aumentando tambeacutem o produto atraso-potecircncia

Esse atraso chega a 66 do periacuteodo do sinal de entrada para a interconexatildeo 500nm1microm

de cobre No entanto estes paracircmetros natildeo satildeo afetados pelas interconexotildees de SWCNT

bundle indicando que este material se sobressai em relaccedilatildeo ao cobre

Tabela 411 Atenuaccedilatildeo atraso potecircncia e produto atraso-potecircncia dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 10 GHz

Freq L (l2l) Material A (dB) td (ps) P (nW) DP(10-18

Wmiddots)

10

GHz

50nm

100nm

SWCNT bundle -264 412 4963 020

Cobre -264 412 4963 020

200nm

400nm

SWCNT bundle -264 412 4963 020

Cobre -264 438 4963 022

500nm

1microm

SWCNT bundle -264 412 4963 020

Cobre -264 659 4963 033

4422 Anaacutelise da rede a 100 GHz

As redes com interconexotildees natildeo-ideais seratildeo analisadas na frequecircncia de 100 GHz para

diferentes comprimentos O niacutevel loacutegico baixo (NB) o niacutevel loacutegico alto (NA) o tempo de

subida (tr) e o slew rate de subida (SR) foram obtidos conforme mostra a Tabela 412 Jaacute a

43

Tabela 413 mostra a atenuaccedilatildeo tempo de atraso potecircncia total dissipada e o produto

atraso-potecircncia obtidos a frequecircncia de 100 GHz para interconexotildees natildeo-ideais

Tabela 412 Niacuteveis loacutegicos tempo de subida e slew rate dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 100 GHz

Freq L (l2l) Material NB(mV) NA(mV) tr(ps) SR(Vns)

100

GHz

50nm

100nm

SWCNT bundle 678 4272 316 9099

Cobre 675 4277 323 9107

200nm

400nm

SWCNT bundle 678 4299 315 9196

Cobre 677 4089 289 9447

500nm

1microm

SWCNT bundle 678 4418 300 9973

Cobre 635 1766 102 6795

Tabela 413 Atenuaccedilatildeo atraso potecircncia e produto atraso-potecircncia dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 100 GHz

Freq L (l2l) Material A (dB) td (ps) P (nW) DP(10-18

Wmiddots)

100

GHz

50nm

100nm

SWCNT bundle -2703 189 6088 012

Cobre -2685 191 6088 012

200nm

400nm

SWCNT bundle -2693 188 6088 012

Cobre -2698 228 6088 014

500nm

1microm

SWCNT bundle -2673 174 6088 011

Cobre -2893 388 6088 024

A partir das Tabelas 412 e 413 o SWCNT bundle seraacute analisado Observa-se que os seus

niacuteveis loacutegicos altos aumentam com o aumento do comprimento das interconexotildees

aumentando tambeacutem o slew rate de subida Esse comportamento ocorre provavelmente

devido ao efeito ressonante provocado pela indutacircncia que provoca um pico no graacutefico da

frequumlecircncia antes dele comeccedilar a decair conforme explicado na subseccedilatildeo 421 Isso implica

na diminuiccedilatildeo da atenuaccedilatildeo do sinal e do atraso No entanto o produto atraso-potecircncia

permanece praticamente invariaacutevel jaacute que a potecircncia total dissipada natildeo se altera

Em relaccedilatildeo agraves interconexotildees de cobre verifica-se que as distorccedilotildees satildeo significativas Agrave

medida que o comprimento aumenta a atenuaccedilatildeo do sinal de saiacuteda aumenta Isso provoca

diminuiccedilatildeo no slew rate do sinal o que natildeo eacute desejado jaacute que o sinal demora mais para

atingir o niacutevel loacutegico alto Aleacutem disso o atraso na propagaccedilatildeo do sinal aumenta bastante

chegando a 388 do periacuteodo do sinal de entrada para a interconexatildeo 500nm1microm

Consequentemente o produto atraso-potecircncia tambeacutem aumenta sendo o dobro do valor de

44

referecircncia (interconexotildees ideais) A Figura 49 ilustra o sinal de saiacuteda da interconexatildeo

500nm1microm de cobre

Figura 49 Sinal de entrada (em verde) e sinal de saiacuteda (em preto) da rede a 100 GHz para

a interconexatildeo 500nm1microm de cobre

Comparando-se as potecircncias das tabelas 47 48 411 413 verifica-se que natildeo haacute

alteraccedilatildeo na potecircncia total dissipada pelo circuito com interconexotildees ideais e pelos

circuitos com interconexotildees natildeo-ideais para uma mesma frequecircncia Assim eacute importante

destacar que a dissipaccedilatildeo de potecircncia das interconexotildees de SWCNT bundle e de cobre natildeo

interfere na potecircncia total dissipada pelo circuito

443 Consideraccedilotildees Finais

Apoacutes analisar as interconexotildees locais de SWCNT de SWCNT bundle e de cobre

verificou-se que as interconexotildees de SWCNT bundle possuem desempenho comparaacutevel ao

das interconexotildees de cobre Em relaccedilatildeo agraves interconexotildees intermediaacuterias as de SWCNT

bundle apresentam desempenho superior agraves de cobre Jaacute as interconexotildees de SWCNT

isolado tanto para interconexotildees locais como para interconexotildees intermediaacuterias

apresentam desempenho inferior agraves interconexotildees de SWCNT bundle e de cobre natildeo

sendo propiacutecias a serem utilizadas em interconexotildees de circuitos integrados

Na anaacutelise das interconexotildees natildeo-ideais na rede H-tree clock mono-eleacutetron para a

frequecircncia de 10GHz observou-se que o niacutevel loacutegico baixo o niacutevel loacutegico alto o tempo de

subida o slew rate de subida a atenuaccedilatildeo do sinal e a potecircncia total dissipada por cada

porta inversora permanecem os mesmos em relaccedilatildeo agrave interconexatildeo ideal mostrando que

45

para esta frequecircncia as interconexotildees natildeo-ideais natildeo interferem nestes paracircmetros Jaacute o

atraso na propagaccedilatildeo do sinal no caso do cobre aumenta agrave medida que as interconexotildees

aumentam de comprimento aumentando tambeacutem o produto atraso-potecircncia No entanto

estes paracircmetros natildeo satildeo afetados pelas interconexotildees de SWCNT bundle indicando que

este material se sobressai em relaccedilatildeo ao cobre

Jaacute para a rede H-tree clock mono-eleacutetron a 100GHz observou-se que o circuito com

interconexotildees natildeo-ideais afetou bastante os paracircmetros em anaacutelise se comparados aos

obtidos para interconexotildees ideais Verificou-se que as distorccedilotildees provocadas pelas

interconexotildees de cobre foram significativas indicando que as interconexotildees de SWCNT

bundle possuem melhor desempenho que as de cobre

Assim constata-se que as interconexotildees de SWCNT bundle satildeo fortes candidatas a

substituirem as interconexotildees de cobre em circuitos em escala giga (GSI) e tera (TSI)

46

5 CONCLUSOtildeES

Nesta dissertaccedilatildeo o estudo das interconexotildees de SWCNT de SWCNT bundle e de cobre

foi realizado analisando e comparando os seus desempenhos para diferentes

comprimentos A partir desse estudo verificou-se que as interconexotildees de SWCNT bundle

possui desempenho comparaacutevel ao das interconexotildees de cobre no caso de interconexotildees

locais Em relaccedilatildeo agraves interconexotildees intermediaacuterias as de SWCNT bundle apresentam

desempenho superior agraves de cobre

As interconexotildees de SWCNT bundle e as interconexotildees de cobre foram entatildeo simuladas na

rede H-tree clock de dois niacuteveis para diferentes comprimentos e frequecircncias Nos pontos

de destino final da rede foram colocadas portas inversoras formadas por SETs permitindo

a anaacutelise de circuitos nanoeletrocircnicos

A partir da anaacutelise da rede H-tree clock observou-se que as interconexotildees de SWCNT

bundle possuem desempenho melhor que as de cobre principalmente em relaccedilatildeo ao slew

rate agrave atenuaccedilatildeo ao tempo de atraso e ao produto atraso-potecircncia Aleacutem disso a

dissipaccedilatildeo de potecircncia das interconexotildees natildeo-ideais natildeo interferem na potecircncia total

dissipada pelo circuito Assim as interconexotildees de SWCNT bundle satildeo fortes candidatas a

substituirem as interconexotildees de cobre em circuitos em escala giga (GSI) e tera (TSI)

Como perspectivas futuras eacute importante analisar o efeito das interconexotildees de nanotubo de

carbono em circuitos GSI e TSI com outras arquiteturas A anaacutelise das interconexotildees de

CNT tambeacutem deve ser feita em circuitos com tecnologia MOS permitindo a comparaccedilatildeo

entre diferentes tecnologias Aleacutem disso eacute interessante estudar outros tipos de materiais

que possam ser utilizados como interconexotildees em circuitos integrados

47

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53

7 APEcircNDICES

71 TABELAS COMPLEMENTARES

Tabela 71 Paracircmetros obtidos a partir do modelo de SWCNT isolado

L RQ (Ω) RS (Ω) LCNT (10-9

H) CCNT (10-18

F)

10 nm 645103 - 40010

-2 27910

-1

100 nm 645103 - 40010

-1 279

200 nm 645103 - 80010

-1 558

300 nm 645103 - 120 837

400 nm 645103 - 160 11210

1

500 nm 645103 - 200 14010

1

600 nm 645103 - 240 16710

1

700 nm 645103 - 280 19510

1

800 nm 645103 - 320 22310

1

900 nm 645103 - 360 25110

1

1 microm 645103 - 400 27910

1

10 microm 645103 64510

4 40010

1 27910

2

100 microm 645103 64510

5 40010

2 27910

3

200 microm 645103 12910

6 80010

2 55810

3

300 microm 645103 19410

6 12010

3 83710

3

400 microm

645103 25810

6 16010

3 11210

4

500 microm

645103 32310

6 20010

3 14010

4

Tabela 72 Paracircmetros obtidos a partir do modelo de SWCNT bundle

L RQ (Ω) RS (Ω) LBundle(10-9

H) CBundle(10-18

F)

10 nm 1075 - 66710-5

135

100 nm 1075 - 66710-4

135101

200 nm 1075 - 13310-3

270101

300 nm 1075 - 20010-3

405101

400 nm 1075 - 26710-3

540101

500 nm 1075 - 33310-3

675101

600 nm 1075 - 40010-3

810101

700 nm 1075 - 46710-3

945101

800 nm 1075 - 53310-3

108102

900 nm 1075 - 60010-3

122102

1 microm 1075 - 66710-3

135102

10 microm 1075 108102 66710

-2 13510

3

100 microm 1075 108103 66710

-1 13510

4

200 microm 1075 215103 133 27010

4

300 microm 1075 323103 200 40510

4

400 microm

1075 430103 267 54010

4

500 microm

1075 538103 333 67510

4

54

Tabela 73 Paracircmetros obtidos a partir do modelo de cobre

L RCu (Ω) LCu (10-9

H) CCu (10-18

F)

10 nm 06 37310-6

150

100 nm 60 63610-5

150101

200 nm 120 17510-4

300101

300 nm 180 30910-4

450101

400 nm 240 45410-4

600101

500 nm 300 61110-4

750101

600 nm 360 77510-4

900101

700 nm 420 94610-4

105102

800 nm 480 11210-3

120102

900 nm 540 13110-3

135102

1 microm 600 14910-3

150102

10 microm 60102 24010

-2 15010

3

100 microm 60103 33210

-1 15010

4

200 microm 12104 72010

-1 30010

4

300 microm 18104 113 45010

4

400 microm

24104 155 60010

4

500 microm

30104 198 75010

4

55

Tabela 74 Frequecircncia em -3dB das interconexotildees locais

Comprimento Material f-3dB

10 nm SWCNT isolado 253 GHz

SWCNT bundle 66 THz

Cobre 232 THz

100 nm SWCNT isolado 300 GHz

SWCNT bundle 20 THz

Cobre 51 THz

200 nm SWCNT isolado 342 GHz

SWCNT bundle 14 THz

Cobre 29 THz

300 nm SWCNT isolado 344 GHz

SWCNT bundle 11 THz

Cobre 20 THz

400 nm SWCNT isolado 329 GHz

SWCNT bundle 89 THz

Cobre 15 THz

500 nm SWCNT isolado 307 GHz

SWCNT bundle 76 THz

Cobre 12 THz

600 nm SWCNT isolado 288 GHz

SWCNT bundle 67 THz

Cobre 94 THz

700 nm SWCNT isolado 271 GHz

SWCNT bundle 61 THz

Cobre 76 THz

800 nm SWCNT isolado 255 GHz

SWCNT bundle 55 THz

Cobre 63 THz

900 nm SWCNT isolado 240 GHz

SWCNT bundle 51 THz

Cobre 52 THz

1 microm SWCNT isolado 230 GHz

SWCNT bundle 47 THz

Cobre 42 THz

56

Tabela 75 Frequecircncia em -3dB das interconexotildees intermediaacuterias

Comprimento Material f-3dB

10 microm SWCNT isolado 26 GHz

SWCNT bundle 527 GHz

Cobre 34 GHz

100 microm SWCNT isolado 32 MHz

SWCNT bundle 42 GHz

Cobre 345 MHz

200 microm SWCNT isolado 82 MHz

SWCNT bundle 10 GHz

Cobre 87 MHz

300 microm SWCNT isolado 36 MHz

SWCNT bundle 455 MHz

Cobre 38 MHz

400 microm SWCNT isolado 21 MHz

SWCNT bundle 256 MHz

Cobre 21 MHz

500 microm SWCNT isolado 13 MHz

SWCNT bundle 165 MHz

Cobre 14 MHz

57

8 ANEXOS

81 COacuteDIGO SPICE DO SET [44]

Transistor mono-eleacutetron (SET) conexotildees fonte | dreno | | porta1 | | | porta2 | | | | SUBCKT SET 1 2 3 4 PARAMS +C1=1E-20 Capacitacircncia da junccedilatildeo 1 +C2=1E-20 Capacitacircncia da junccedilatildeo 2 +R1=1E5 Resistecircncia da junccedilatildeo 1 +R2=1E5 Resistecircncia da junccedilatildeo 2 +Cg1=015E-18 Capacitacircncia da junccedilatildeo 1 +Cg2=0 Capacitacircncia da junccedilatildeo 2 +C0=0 Capacitacircncia proacutepria da ilha +Q0=005 Carga offset em unidades de e +TEMP=300 Temperatura PARAM E=160217733E-19 Carga do eleacutetron (e) PARAM CSUM=C1+C2+Cg1+Cg2+C0 Capacitacircncia total do SET PARAM T=TEMPCSUM53785467E14 Temperatura normalizada 53785467E14 = kBe^2 PARAM RN1=R1(R1+R2) Resistecircncia da junccedilatildeo 1 normalizada PARAM RN2=R2(R1+R2) Resistecircncia da junccedilatildeo 2 normalizada FUNC Q(v1v2v3v4) (Cg1v3+Cg2v4+C1v1+C2v2)E+Q0 Definiccedilatildeo da carga em unidades de e FUNC VN(v) CSUMvE Tensatildeo normalizada FUNC GAMMA(u) IF(T==0IF(ult0-u0)IF(u==0Tu(EXP(uT)-1))) FUNC N_OPT(v1v2v3v4) ROUND(-Q(v1v2v3v4)+(CSUME) (v1RN2+v2RN1)) A maior probabilidade de carga na ilha em unidades de e Os quarto eventos tuacuteneis FUNC R1L(nv1v2v3v4) GAMMA(05 - n - Q(v1v2v3v4) + VN(v1))RN1 FUNC R1R(nv1v2v3v4) GAMMA(05 + n + Q(v1v2v3v4) - VN(v1))RN1 FUNC R2L(nv1v2v3v4) GAMMA(05 + n + Q(v1v2v3v4) - VN(v2))RN2 FUNC R2R(nv1v2v3v4) GAMMA(05 - n - Q(v1v2v3v4) + VN(v2))RN2

58

determinaccedilatildeo das probabilidades relativas assume-se inicialmente que o estado da carga N_OPT tem probabilidade relativa igual a um FUNC PN_1(nv1v2v3v4) (R1L(nv1v2v3v4)+R2R(nv1v2v3v4))(R1R(n-1v1v2v3v4)+R2L(n-1v1v2v3v4)) FUNC PN_2(nv1v2v3v4) PN_1(nv1v2v3v4) +(R1L(n-1v1v2v3v4)+R2R(n-1v1v2v3v4))(R1R(n-2v1v2v3v4)+R2L(n-2v1v2v3v4)) FUNC PN_3(nv1v2v3v4) PN_2(nv1v2v3v4) +(R1L(n-2v1v2v3v4)+R2R(n-2v1v2v3v4))(R1R(n-3v1v2v3v4)+R2L(n-3v1v2v3v4)) FUNC PN_4(nv1v2v3v4) PN_3(nv1v2v3v4) +(R1L(n-3v1v2v3v4)+R2R(n-3v1v2v3v4))(R1R(n-4v1v2v3v4)+R2L(n-4v1v2v3v4)) FUNC PN_5(nv1v2v3v4) PN_4(nv1v2v3v4) +(R1L(n-4v1v2v3v4)+R2R(n-4v1v2v3v4))(R1R(n-5v1v2v3v4)+R2L(n-5v1v2v3v4)) FUNC PN1(nv1v2v3v4) (R2L(nv1v2v3v4) +R1R(nv1v2v3v4))(R2R(n+1v1v2v3v4)+R1L(n+1v1v2v3v4)) FUNC PN2(nv1v2v3v4) PN1(nv1v2v3v4) +(R2L(n+1v1v2v3v4)+R1R(n+1v1v2v3v4))(R2R(n+2v1v2v3v4)+R1L(n+2v1v2v3v4)) FUNC PN3(nv1v2v3v4) PN2(nv1v2v3v4) +(R2L(n+2v1v2v3v4)+R1R(n+2v1v2v3v4))(R2R(n+3v1v2v3v4)+R1L(n+3v1v2v3v4)) FUNC PN4(nv1v2v3v4) PN3(nv1v2v3v4) +(R2L(n+3v1v2v3v4)+R1R(n+3v1v2v3v4))(R2R(n+4v1v2v3v4)+R1L(n+4v1v2v3v4)) FUNC PN5(nv1v2v3v4) PN4(nv1v2v3v4) +(R2L(n+4v1v2v3v4)+R1R(n+4v1v2v3v4))(R2R(n+5v1v2v3v4)+R1L(n+5v1v2v3v4)) FUNC PSUM(nv1v2v3v4) PN_5(nv1v2v3v4)+PN_4(nv1v2v3v4)+PN_3(nv1v2v3v4)+PN_2(nv1v2v3v4) ++PN_1(nv1v2v3v4)+1+PN1(nv1v2v3v4)+PN2(nv1v2v3v4)+PN3(nv1v2v3v4) ++PN4(nv1v2v3v4)+PN5(nv1v2v3v4)

59

caacutelculo da corrente da fonte para o dreno FUNC CUR(nv1v2v3v4) PN_5(nv1v2v3v4)(R1R(n-5v1v2v3v4)-R1L(n-5v1v2v3v4)) ++PN_4(nv1v2v3v4)(R1R(n-4v1v2v3v4)-R1L(n-4v1v2v3v4)) ++PN_3(nv1v2v3v4)(R1R(n-3v1v2v3v4)-R1L(n-3v1v2v3v4)) ++PN_2(nv1v2v3v4)(R1R(n-2v1v2v3v4)-R1L(n-2v1v2v3v4)) ++PN_1(nv1v2v3v4)(R1R(n-1v1v2v3v4)-R1L(n-1v1v2v3v4)) ++(R1R(nv1v2v3v4)-R1L(nv1v2v3v4)) ++PN1(nv1v2v3v4)(R1R(n+1v1v2v3v4)-R1L(n+1v1v2v3v4)) ++PN2(nv1v2v3v4)(R1R(n+2v1v2v3v4)-R1L(n+2v1v2v3v4)) ++PN3(nv1v2v3v4)(R1R(n+3v1v2v3v4)-R1L(n+3v1v2v3v4)) ++PN4(nv1v2v3v4)(R1R(n+4v1v2v3v4)-R1L(n+4v1v2v3v4)) ++PN5(nv1v2v3v4)(R1R(n+5v1v2v3v4)-R1L(n+5v1v2v3v4)) FUNC CURRENT(nv1v2v3v4) ECUR(nv1v2v3v4)(CSUMPSUM(nv1v2v3v4)(R1+R2)) caacutelculo da tensatildeo da ilha FUNC VOLT(nv1v2v3v4) PN_5(nv1v2v3v4)(n-5+Q(v1v2v3v4)) ++PN_4(nv1v2v3v4)(n-4+Q(v1v2v3v4)) ++PN_3(nv1v2v3v4)(n-3+Q(v1v2v3v4)) ++PN_2(nv1v2v3v4)(n-2+Q(v1v2v3v4)) ++PN_1(nv1v2v3v4)(n-1+Q(v1v2v3v4)) ++n+Q(v1v2v3v4) ++PN1(nv1v2v3v4)(n+1+Q(v1v2v3v4)) ++PN2(nv1v2v3v4)(n+2+Q(v1v2v3v4)) ++PN3(nv1v2v3v4)(n+3+Q(v1v2v3v4)) ++PN4(nv1v2v3v4)(n+4+Q(v1v2v3v4)) ++PN5(nv1v2v3v4)(n+5+Q(v1v2v3v4)) FUNC VOLTAGE(nv1v2v3v4) (ECSUM)VOLT(nv1v2v3v4)PSUM(nv1v2v3v4) E1 5 0 VALUE= VOLTAGE(N_OPT(V(1)V(2)V(3)V(4))V(1)V(2)V(3)V(4)) Tensatildeo da ilha G1 1 2 VALUE= CURRENT(N_OPT(V(1)V(2)V(3)V(4))V(1)V(2)V(3)V(4)) Corrente da fonte para o dreno CT1 1 5 C1 CT2 2 5 C2 CGATE1 3 5 CG1 CGATE2 4 5 CG2 ENDS SET

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1

1 INTRODUCcedilAtildeO

O crescimento da microeletrocircnica e a consequumlente miniaturizaccedilatildeo dos circuitos integrados

foram previstos por Gordon Moore que enunciou que o nuacutemero de transistores em um

circuito integrado dobraria a cada 18 meses considerando a mesma aacuterea e custo previsatildeo

conhecida como Lei de Moore Devido aos problemas enfrentados pelos dispositivos

microeletrocircnicos gerados especialmente pelos efeitos quacircnticos que anteriormente eram

desprezados novas tecnologias como a nanoeletrocircnica vecircm sendo estudadas para dar

continuidade a esse processo de miniaturizaccedilatildeo dos dispositivos [1-10]

Aleacutem disso a miniaturizaccedilatildeo de circuitos integrados tem resultado em grandes desafios no

projeto de interconexotildees que satildeo responsaacuteveis principalmente pelo carregamento da

tensatildeo de alimentaccedilatildeo de cada transistor e pela distribuiccedilatildeo dos sinais de dados As

limitaccedilotildees das interconexotildees as quais podem provocar uma desaceleraccedilatildeo nos progressos

alcanccedilados ateacute hoje pela induacutestria de semicondutores satildeo fatores preocupantes Como

limitaccedilotildees das interconexotildees eacute importante citar o aumento da sua resistividade aumento da

capacitacircncia de acoplamento entre vias dificuldades no controle das suas dimensotildees entre

outras

Assim o estudo aprofundado das interconexotildees levando em consideraccedilatildeo principalmente

seu desempenho eacute de fundamental importacircncia [11-13] Novas tecnologias estatildeo sendo

estudadas para superar as limitaccedilotildees das interconexotildees de cobre no circuito como a

resistividade eleacutetrica e a resistecircncia agrave eletromigraccedilatildeo principalmente em tecnologias

abaixo de 45nm As interconexotildees oacuteticas as interconexotildees de radio frequumlecircncia ou sem fio

e as interconexotildees de nanotubo de carbono (CNT) satildeo algumas candidatas a substituir as

interconexotildees de cobre as quais satildeo as interconexotildees mais utilizadas atualmente [13-17]

Dentre essas possibilidades os CNTs possuem grandes vantagens para interconexotildees em

circuitos integrados em escala GSI (Giga Scale Integration) e TSI (Tera Scale Integration)

[18-20] Eles satildeo considerados soluccedilotildees eficientes para melhorar as limitaccedilotildees do cobre

previstas pelo ITRS (International Technology Roadmap for Semiconductors) [21] como

atraso dissipaccedilatildeo de potecircncia e resistecircncia agrave eletromigraccedilatildeo

2

11 OBJETIVOS

O objetivo desta dissertaccedilatildeo eacute fazer um estudo comparativo entre o desempenho das

interconexotildees de nanotubo de carbono e das interconexotildees de cobre Com esse intuito

preliminarmente o desempenho das interconexotildees de SWCNT (do inglecircs single-walled

carbon nanotube) de SWCNT bundle (vaacuterios SWCNTs dispostos em paralelo como uma

corda) e de cobre seraacute comparado considerando diferentes comprimentos das

interconexotildees

Por fim o efeito das interconexotildees de SWCNT bundle e de cobre seraacute analisado na rede H-

tree clock com inversores mono-eleacutetron em seus terminais tambeacutem para diferentes

comprimentos Assim seraacute possiacutevel analisar se os nanotubos de carbono poderatildeo substituir

o cobre em interconexotildees em circuitos integrados GSI e TSI

12 ORGANIZACcedilAtildeO

No capiacutetulo 2 satildeo apresentados os conceitos fundamentais necessaacuterios agrave correta

compreensatildeo desta pesquisa Seratildeo abordados conceitos referentes agraves interconexotildees de

CNT e cobre aos dispositivos de tunelamento mono-eleacutetron e agrave estrutura do H-tree clock

O capiacutetulo 3 descreve a metodologia utilizada agrave realizaccedilatildeo do objeto de pesquisa desta

dissertaccedilatildeo Assim seratildeo apresentadas as etapas que foram seguidas para analisar o efeito

das interconexotildees em circuitos com transistores mono-eleacutetron

No capiacutetulo 4 os resultados e anaacutelises das simulaccedilotildees das interconexotildees ideais e natildeo-

ideais considerando o SWCNT SWCNT bundle e o cobre satildeo apresentados As

interconexotildees satildeo analisadas tambeacutem nos circuitos H-tree clock

O capiacutetulo 5 apresenta as conclusotildees e as recomendaccedilotildees para trabalhos futuros

3

2 FUNDAMENTACcedilAtildeO TEOacuteRICA

21 INTERCONEXOtildeES

211 Limitaccedilotildees do cobre em relaccedilatildeo ao CNT

As interconexotildees de cobre sofrem inuacutemeros problemas indesejados que aumentam agrave

medida que as interconexotildees diminuem de tamanho Essa diminuiccedilatildeo de tamanho resulta

em interconexotildees menos eficientes no maior consumo de potecircncia e no aumento da

densidade de corrente transportada por cada interconexatildeo [22] De acordo com o ITRS

[21] a densidade de corrente pode atingir valores na ordem de 107 Acm

2 Este valor soacute eacute

suportado por CNTs uma vez que satildeo capazes de suportar densidades de corrente na

ordem de 1010

Acm2 [1317]

Os CNTs tecircm provocado grande interesse nos cientistas desde a sua descoberta em 1991

por Iijima devido agraves excelentes propriedades eleacutetricas teacutermicas e mecacircnicas que possuem

Suas propriedades eleacutetricas permitem que suportem densidades de ateacute 1010

Acm2 sendo

que o cobre suporta densidades inferiores a 107 Acm

2 [1317] O caminho meacutedio livre do

CNT eacute superior ao do cobre o que possibilita um transporte baliacutestico por uma ampla gama

de extensatildeo e isso resulta em uma resistividade menor do CNT [13-17] Aleacutem disso a alta

condutividade teacutermica do CNT que eacute outra limitaccedilatildeo do cobre eacute de fundamental

importacircncia na aplicaccedilatildeo em interconexotildees Essas propriedades possibilitam uma

toleracircncia do CNT agrave eletromigraccedilatildeo a qual eacute uma grande limitaccedilatildeo no desempenho das

interconexotildees de cobre [131719]

212 Caracteriacutesticas do CNT

Os nanotubos de carbono podem ser formados por uma lacircmina de grafeno enrolada

conhecida como SWCNT (single-walled carbon nanotube) ou por vaacuterios tubos

concecircntricos formando uma multicamada conhecida por MWCNT (multi-walled carbon

nanotube) [2324] A Figura 21 ilustra a estrutura de uma lacircmina de grafeno do SWCNT e

do MWCNT

4

Figura 21 ndash Estrutura de uma lacircmina de grafeno (esquerda) do SWCNT (meio) e do

MWCNT (direita) [13]

Eacute importante destacar que os MWCNTs satildeo menos favoraacuteveis para o uso em

interconexotildees jaacute que eles apresentam caminho meacutedio livre menor que os SWCNTs

[1317] Como a resistecircncia de um uacutenico SWCNT pode ter valores altos eacute necessaacuteria a

uniatildeo de vaacuterios dispostos em paralelo como uma corda chamado de bundle para diminuir

o valor da resistecircncia equivalente da interconexatildeo [1315] A Figura 22 ilustra a estrutura

do SWCNT bundle [16]

Figura 22 ndash Estrutura do SWCNT bundle [16]

Dependendo de como a lacircmina eacute enrolada que resulta no acircngulo quiral e nos iacutendices

quirais de sua estrutura o nanotubo pode ser metaacutelico ou semicondutor [131419] Os

iacutendices quirais satildeo identificados por (mn) O nanotubo seraacute metaacutelico quando a diferenccedila

entre os iacutendices quirais for um muacuteltiplo inteiro de 3 e seraacute semicondutor nos outros casos

[13] A estrutura eacute chamada de zig-zag quando m ou n eacute igual a zero podendo ser metaacutelica

ou semicondutora Quando m=n a estrutura eacute denominada armchair sendo sempre

metaacutelica Nos outros casos a estrutura eacute conhecida como quiral e pode ser metaacutelica ou

semicondutora [24] A Figura 23 mostra as estruturas do armchair zig-zag e quiral [24]

5

Figura 23 ndash Estrutura do (i) armchair (ii) zig-zag e (iii) quiral [24]

De acordo com [22] o crescimento dos CNTs geralmente eacute realizado atraveacutes de um dos

seguintes meacutetodos descarga por arco eleacutetrico ablaccedilatildeo a laser e deposiccedilatildeo quiacutemica a vapor

do inglecircs chemical vapor deposition ndash CVD O processo de descarga por arco eleacutetrico tem

sido desenvolvido para preparar MWCNTs e SWCNTs de alta qualidade Neste processo

aacutetomos de carbono satildeo evaporados com um gaacutes de plasma inerte caracterizado por altas

correntes eleacutetricas que passam entre os eletrodos opostos de carbono (caacutetodo e acircnodo)

Normalmente o acircnodo do carbono conteacutem uma pequena porcentagem de catalisador de

metal como o cobalto niacutequel ou ferro Jaacute o meacutetodo de ablaccedilatildeo a laser utiliza um pulso

duplo de lasers para evaporar varetas de grafite dopadas com uma mistura de cobalto e

niacutequel em poacute colocado em um tubo aquecido a temperatura elevada seguido de um

tratamento teacutermico a vaacutecuo

Apesar dos meacutetodos de descarga por arco eleacutetrico e ablaccedilatildeo a laser produzir grandes

quantidades de CNTs de alta qualidade e oferecer uma ampla disponibilidade de CNTs

para estudos e possiacuteveis aplicaccedilotildees existem vaacuterias preocupaccedilotildees associadas com estes dois

meacutetodos de crescimento [22] Dessa forma os meacutetodos de CVD satildeo bastante usados no

crescimento de CNTs com aplicaccedilatildeo em eletrocircnica incluindo interconexotildees [1322] O

processo de crescimento CVD envolve o aquecimento do catalisador a uma temperatura

elevada e a introduccedilatildeo de gaacutes de hidrocarboneto ou de monoacutexido de carbono para dentro

6

do reator O mecanismo de crescimento do CNT tem sido considerado como um processo

de dissociaccedilatildeo-difusatildeo-precipitaccedilatildeo em que o carbono eacute formado sobre a superfiacutecie de

uma partiacutecula de metal seguida de difusatildeo e precipitaccedilatildeo sob a forma de grafeno ciliacutendrico

[22]

213 Modelos de Interconexatildeo

Para realizar uma comparaccedilatildeo por simulaccedilatildeo entre o desempenho do CNT e do cobre

modelos equivalentes de circuito de interconexotildees que reproduzam com fidelidade o seu

comportamento fiacutesico satildeo necessaacuterios Com esse intuito eacute fundamental que os fatores que

interferem no desempenho das interconexotildees como resistecircncia indutacircncia capacitacircncia e

comprimento sejam considerados A partir do estudo desses modelos eacute possiacutevel verificar

se as interconexotildees de CNT poderatildeo substituir as de cobre e os casos em que isso eacute

possiacutevel

2131 Modelo de interconexatildeo do SWCNT isolado

A resistecircncia de um SWCNT isolado eacute composta por ateacute trecircs partes resistecircncia de contato

entre o metal e o nanotubo (Rc) resistecircncia quacircntica (Rq) e resistecircncia de espalhamento

(Rs) [192325] As resistecircncias de contato e quacircntica satildeo independentes do comprimento

do nanotubo Jaacute a resistecircncia de espalhamento depende do comprimento do nanotubo [26-

31]

Quando o comprimento do SWCNT eacute menor ou igual ao caminho meacutedio livre (lCNT le

λCNT) que eacute tipicamente 1 microm o transporte de eleacutetrons eacute essencialmente baliacutestico e a

resistecircncia independe do comprimento do nanotubo [1332] No entanto quando o

comprimento do SWCNT eacute maior que o caminho meacutedio livre (lCNT gt λCNT) haacute uma

resistecircncia adicional que depende do comprimento do SWCNT e eacute chamada de resistecircncia

de espalhamento [13-15] Assim a resistecircncia total eacute dada pela equaccedilatildeo (21) em que lCNT

eacute o comprimento do nanotubo de carbono

CNTCNT

CNTCNT

CNTlseRsRqRc

lseRqRcR

(21)

7

A resistecircncia de contato pode chegar ao valor de 100 kΩ [131533] Contudo essa

resistecircncia em nanotubos de carbono com diacircmetro maior que 1nm estaacute na ordem de

poucos kilo ohms ou ateacute mesmo centenas de ohms [1316] Neste trabalho considerou-se o

contato metal-nanotubo como sendo perfeito ou seja Rc = 0

A resistecircncia quacircntica e a de espalhamento satildeo descritas pelas equaccedilotildees (22) e (23)

respectivamente onde e eacute a carga do eleacutetron e h eacute a constante de Plank A resistecircncia

quacircntica (Rq) eacute igualmente dividida em cada lado dos contatos metal-nanotubo [13-

173435]

ke

hRq 456

4 2 (22)

CNT

CNTl

e

hRs

24 (23)

O movimento de eleacutetrons transportados por um condutor eacute modelado pela indutacircncia que

consiste na indutacircncia magneacutetica e cineacutetica [1316] No SWCNT a indutacircncia magneacutetica eacute

calculada considerando que o CNT eacute um fio muito fino com diacircmetro d e estaacute

posicionado a uma distacircncia y do plano ligado ao terra A indutacircncia cineacutetica eacute calculada

pela equaccedilatildeo da energia cineacutetica armazenada em cada canal condutor do CNT para uma

indutacircncia efetiva [141535] Assim a indutacircncia magneacutetica (LM) e a cineacutetica (LK) podem

ser calculadas pelas equaccedilotildees (24) e (25) respectivamente

d

yLM ln

2

(24)

F

Kve

hL

22 (25)

Para d = 1nm e y = 1microm LM = 14pHmicrom [141529] Como vF eacute a velocidade de Fermi

cujo valor eacute dado por 8x105 ms para o CNT o valor da indutacircncia cineacutetica eacute LK =

16nHmicrom [13-1635] Sabendo que cada CNT tem quatro canais condutores em paralelo

que natildeo interagem entre si a indutacircncia cineacutetica efetiva eacute dada por LK4 [13-15] Uma boa

aproximaccedilatildeo da indutacircncia total do CNT (LCNT) eacute 4 nHmicrom [15]

8

Por fim a capacitacircncia de um SWCNT isolado eacute constituiacuteda por duas partes que satildeo a

capacitacircncia eletrostaacutetica (CE) e a quacircntica (CQ) [13-1735] Essas capacitacircncias satildeo

calculadas pelas equaccedilotildees (26) e (27)

d

yCE

ln

2 (26)

F

Qhv

eC

22 (27)

A capacitacircncia eletrostaacutetica eacute influenciada pelo ambiente que a envolve que satildeo os seus

vizinhos e o plano ligado ao terra Considerando que o CNT eacute um fio com diacircmetro d =

1nm e a distacircncia y = 1microm obteacutem-se CE = 30 aFmicrom Jaacute a capacitacircncia quacircntica se refere agrave

influecircncia da energia quacircntica armazenada no nanotubo quando este carrega corrente O

valor da capacitacircncia eacute CQ = 100 aFmicrom [1314] Considerando os quatro canais condutores

descritos anteriormente a capacitacircncia total eacute dada por (28)

QE

QE

CNTCC

CCC

4

4

(28)

Assim o esquemaacutetico da interconexatildeo de um SWCNT isolado eacute mostrado na Figura 24

abaixo

Figura 24 ndash Modelo de interconexatildeo do SWCNT isolado (modificado de [33])

2132 Modelo de interconexatildeo do SWCNT bundle

O SWCNT bundle possui resistecircncia equivalente menor que o SWCNT isolado

caracteriacutestica necessaacuteria para alcanccedilar performances comparaacuteveis agraves interconexotildees de

9

cobre [13-2023252629-38] O SWCNT bundle eacute composto por vaacuterios SWCNTs

empacotados em paralelo Assume-se que todos os SWCNTs satildeo idecircnticos metaacutelicos e que

cada um tem o mesmo potencial [1737] Sabendo que d eacute o diacircmetro do nanotubo de

carbono e x eacute a distacircncia entre os centros de dois nanotubos adjacentes o SWCNT bundle

pode ser empacotado de forma densa se x = d ou de forma esparsa se x gt d [13-1529-

32] Sabe-se que entre os nanotubos existe uma separaccedilatildeo δmin devido agrave forccedila de Van der

Waals que eacute de pelo menos 032 nm entre cada nanotubo [13] como mostra a Figura 25

Figura 25 ndash Separaccedilatildeo miacutenima entre CNTs devido agrave forccedila de Van der Waals (modificado

de [13])

O nuacutemero de nanotubos de carbono nCNT disponiacutevel pode ser calculado pelas expressotildees

dadas em (29) e (210) [141530]

iacutemparnsen

nn

parnsen

nn

n

HH

HW

HH

HW

CNT

2

1

2

(29)

1

23

x

dtn

x

dwn HW (210)

Nas expressotildees acima w eacute a largura e t eacute a altura da interconexatildeo de SWCNT bundle

Assim nW eacute o nuacutemero de CNTs ao longo da largura do SWCNT bundle e nH eacute o nuacutemero de

CNTs ao longo da altura do SWCNT bundle [13-1530] A Figura 26 mostra esses valores

[13]

10

Figura 26 ndash Nuacutemero de CNTs ao longo da largura (nW) e da altura (nH) do CNT

bundle[13]

Na tecnologia de 22 nm considerando as dimensotildees de 22 nm de largura e 44 nm de altura

do SWCNT bundle [13173437] e a separaccedilatildeo entre cada nanotubo devido agrave forccedila de Van

der Waals a quantidade de SWCNTs eacute aproximadamente 600 Neste trabalho estas

consideraccedilotildees foram feitas e a tecnologia de 22 nm foi utilizada Esta tecnologia eacute prevista

pelo ITRS para o ano de 2016 [21]

As resistecircncias de cada SWCNT estatildeo em paralelo entre elas assim como as indutacircncias

Assim a resistecircncia e a indutacircncia do SWCNT bundle com nCNT SWCNTs satildeo calculados

respectivamente pelas expressotildees (211) e (212) [1323252629-3234]

CNT

CNTbundle

n

RR (211)

CNT

CNTbundle

n

LL (212)

Considerando que todos os SWCNTs estatildeo no mesmo potencial que os contatos entre

todos os nanotubos de carbono em um bundle satildeo idecircnticos e que cada SWCNT tem o

mesmo caminho meacutedio livre [13] eacute possiacutevel assumir que a interaccedilatildeo entre CNTs

adjacentes de um SWCNT bundle eacute fraca e que eles carregam correntes independentes

umas das outras [13-17]

A capacitacircncia do SWCNT bundle eacute obtida a partir da combinaccedilatildeo da capacitacircncia

quacircntica de todos os SWCNTs em paralelo chamada de capacitacircncia quacircntica bundle

(CQbundle

) que estaacute em seacuterie com a capacitacircncia eletrostaacutetica (CEbundle

) [13143539] A

capacitacircncia quacircntica e a capacitacircncia eletrostaacutetica satildeo calculadas pelas equaccedilotildees (213) e

(214) em que CEn e CEf satildeo as capacitacircncias de placas paralelas de CNTs isolados em

11

relaccedilatildeo aos vizinhos proacuteximos e afastados respectivamente [14293032] Assim a

capacitacircncia total do SWCNT bundle eacute obtida pela equaccedilatildeo (215)

CNT

CNT

Q

bundle

Q nCC (213)

En

HEf

WEn

bundle

E Cn

Cn

CC5

23

2

22

(214)

bundle

Q

bundle

E

bundle

Q

bundle

E

bundleCC

CCC

(215)

Analisando a equaccedilatildeo (215) o efeito da CQbundle

eacute pequeno para grandes valores de nCNT

sendo o valor da capacitacircncia do SWCNT bundle aproximadamente igual agrave sua

capacitacircncia eletrostaacutetica [13161719] Srivastava et al [13] mostra que os nanotubos no

interior do SWCNT bundle satildeo blindados eletrostaticamente dos condutores de terra

podendo ser desprezados Os CNTs de borda satildeo os principais contribuidores para a

capacitacircncia eletrostaacutetica do SWCNT bundle No entanto a equaccedilatildeo (214) natildeo reproduz

fielmente a realidade jaacute que considera a capacitacircncia eletrostaacutetica de todos os nanotubos e

natildeo soacute os CNTs de borda Segundo o mesmo autor para a tecnologia de 22 nm e uma

constante dieleacutetrica igual a 2 a capacitacircncia total do SWCNT bundle eacute aproximadamente

135 aFμm

2133 Modelo de interconexatildeo do cobre

As propriedades fiacutesicas de interconexotildees de cobre podem ser descritas por resistecircncia

capacitacircncia e indutacircncia [14-16] A resistecircncia do cobre pode ser calculada utilizando a

equaccedilatildeo (216)

tw

lRCu

(216)

em que l eacute o comprimento do cobre w eacute a sua largura t eacute a sua altura e ρ eacute a sua

resistividade A resistividade do cobre em escala nanomeacutetrica eacute moldada pela combinaccedilatildeo

dos fenocircmenos de espalhamento superficial e de espalhamento de contorno

[151627283340] Estes fenocircmenos correspondem aos paracircmetros ρFS e ρMS propostos

12

por Fuchs e Sondheimer (ρFS) e por Mayadas e Shatzkes (ρMS) [1516] Estes paracircmetros

satildeo calculados pelas expressotildees (217) (218) e (219)

)1(

4

31 p

w

o

o

FS

(217)

11ln33

2

31 22

MS

o (218)

)1( R

R

D

o

(219)

O paracircmetro ρo eacute a resistividade do material λo eacute o caminho meacutedio livre p eacute o paracircmetro

de espalhamento de Fuchs D eacute o tamanho meacutedio e R eacute o coeficiente de reflexatildeo no

contorno com valores entre 0 e 1 Assim tem-se que a resistecircncia do cobre em escala

nanomeacutetrica eacute dada pela equaccedilatildeo (220) [1516]

tw

lR MSFS

Cu

(220)

De acordo com [1433] o valor da resistividade do cobre na tecnologia de 22nm para

interconexotildees locais eacute dado por 4666 μΩ-cm No entanto este valor da resistividade do

cobre chega a 58 μΩ-cm para valores miacutenimos da largura do fio [1516203940] Neste

trabalho seraacute utilizado o valor de 58 μΩ-cm para a resistividade do cobre na tecnologia de

22 nm que vai ao encontro dos requerimentos do ITRS [21]

A indutacircncia proacutepria (L) e a muacutetua (M) da interconexatildeo de cobre em escala nanomeacutetrica

satildeo obtidas usando respectivamente as expressotildees (221) e (222)

l

tw

tw

llL o )(220

2

12ln

2

(221)

l

s

s

llM o 1

2ln

2

(222)

em que t eacute a altura do fio microo eacute a permeabilidade e s eacute o espaccedilamento entre os fios [14-16]

A indutacircncia total do cobre (LCu) eacute dada pela soma das indutacircncias proacutepria e muacutetua

13

A capacitacircncia da interconexatildeo de cobre eacute calculada pela soma da capacitacircncia de

acoplamento entre dois fios adjacentes (CC) e a capacitacircncia ligada ao plano do terra (Cg)

[14-16] Essas capacitacircncias podem ser obtidas pelas equaccedilotildees (223) e (224) [1541]

120760193

534511171

70222

ht

t

hs

s

hs

s

h

wCg (223)

181160141090

980871161

591740

062141

sh

h

sw

w

sw

w

sh

h

s

tCC (224)

em que s eacute o espaccedilamento entre dois fios adjacentes h eacute a distacircncia do fio em relaccedilatildeo ao

plano do terra e ε eacute a permissividade relativa para uma dada constante dieleacutetrica

Considerando as equaccedilotildees (223) e (224) e de acordo com [1321] para uma constante

dieleacutetrica igual a 2 o valor da capacitacircncia total do cobre (CCu) eacute aproximadamente 150

aFμm que seraacute utilizado neste trabalho

Os modelos em L em π e em T satildeo usados como modelos de interconexatildeo de cobre [11]

Como o modelo π eacute muito utilizado para uma linha distribuiacuteda [1416] este modelo seraacute

usado neste trabalho A Figura 27 mostra o modelo de interconexatildeo de cobre [11]

Figura 27 ndash Modelo de interconexatildeo de cobre

A precisatildeo do modelo eacute determinada pelo nuacutemero de seguimentos bdquoN‟ que ele possui Uma

cadeia com mais de trecircs segmentos em π fornece um erro menor que 3 [16] Neste

trabalho seratildeo utilizados trecircs segmentos em π

14

22 INVERSOR MONO-ELEacuteTRON

Os dispositivos de tunelamento mono-eleacutetron satildeo dispositivos nanoeletrocircnicos

potencialmente aplicaacuteveis em circuitos integrados em escala giga (GSI) e tera (TSI)

Apesar de apresentarem baixo ganho e alta impedacircncia de saiacuteda estes dispositivos

possuem tamanho reduzido e baixa dissipaccedilatildeo de potecircncia Estas caracteriacutesticas os tornam

atrativos em circuitos loacutegicos e circuitos de memoacuteria [1-10] Assim portas loacutegicas podem

ser implementadas utilizando dispositivos de tunelamento mono-eleacutetron [14-9]

As portas loacutegicas satildeo blocos de construccedilatildeo baacutesicos na eletrocircnica digital O inversor loacutegico

ou porta NOT eacute o principal elemento baacutesico no projeto de circuitos digitais [42] O

inversor inverte o sinal de entrada de valor loacutegico baixo ndash 0 ndash em um sinal de saiacuteda de

valor loacutegico alto ndash 1 ndash e vice-versa [442] Em outras palavras a porta NOT efetua a

negaccedilatildeo loacutegica O siacutembolo do inversor juntamente com sua tabela verdade estaacute ilustrado

na Figura 28

Figura 28 ndash Siacutembolo e tabela verdade da porta NOT

221 Dispositivo de tunelamento mono-eleacutetron

O funcionamento dos dispositivos de tunelamento mono-eleacutetron eacute baseado no controle do

movimento e da posiccedilatildeo de um uacutenico ou de um pequeno grupo de eleacutetrons no dispositivo

[17] Os seguintes conceitos satildeo essenciais na definiccedilatildeo desses dispositivos ilha junccedilatildeo-

tuacutenel tunelamento efeito de carregamento e bloqueio de Coulomb A partir desses

conceitos eacute possiacutevel definir o transistor mono-eleacutetron - SET (do inglecircs Single-electron

transistor) [24-8]

A ilha estaacute localizada entre duas paredes finas de um material normalmente isolante as

quais criam uma barreira de potencial de energia que impossibilita a movimentaccedilatildeo de

eleacutetrons pela ilha A Figura 29 mostra dois eletrodos A e B separados por uma barreira

15

isolante e no meio dessa barreira isolante encontra-se a ilha Se a energia dos eleacutetrons for

maior que a energia potencial das paredes das barreiras estes poderatildeo atravessaacute-las [6] No

dispositivo de tunelamento mono-eleacutetron o transporte de eleacutetrons entre o eletrodo A e a

ilha e entre a ilha e o eletrodo B ocorre por tunelamento mono-eleacutetron em que os eleacutetrons

atravessam as barreiras um de cada vez [10]

Figura 29 Dois eletrodos separados por uma ilha [10]

Esses dispositivos satildeo formados por junccedilotildees-tuacutenel que satildeo dois eletrodos metaacutelicos

separados por um isolante muito fino (barreira) o qual permite a passagem de eleacutetrons por

tunelamento [467] A Figura 210 ilustra a junccedilatildeo-tuacutenel e sua representaccedilatildeo simboacutelica Os

paracircmetros que caracterizam a junccedilatildeo-tuacutenel macroscopicamente satildeo a resistecircncia de

tunelamento (Rj) que depende da aacuterea e da espessura da barreira isolante e a capacitacircncia

(Cj) [10]

Figura 210 Esquemaacutetico da junccedilatildeo-tuacutenel [10]

O tunelamento eacute o transporte de partiacuteculas atraveacutes de uma regiatildeo em que a energia total de

uma partiacutecula pontual claacutessica eacute menor que a energia potencial da regiatildeo ou seja eacute o

transporte atraveacutes de uma regiatildeo classicamente proibida [10] O efeito de tunelamento

ocorre quando a barreira de potencial for suficientemente fina permitindo que o eleacutetron a

atravesse se houver niacutevel de energia desocupado do outro lado da barreira com o mesmo

valor de energia Esse fenocircmeno pode ser explicado pelo comportamento dual do eleacutetron

Diferentemente da mecacircnica claacutessica na teoria eletromagneacutetica quando uma partiacutecula

encontra uma barreira de potencial parte da onda eacute refletida e a outra parte eacute transmitida

para o outro lado da barreira [10] A teoria ortodoxa do tunelamento mono-eleacutetron eacute o

modelo mais utilizado para analisar o tunelamento [4-6] Proposto em 1987 por Averin e

Likharev [43] este modelo apresenta os seguintes postulados

16

Modelo de dimensatildeo zero as dimensotildees das ilhas satildeo despreziacuteveis

O evento de tunelamento eacute considerado instantacircneo

A redistribuiccedilatildeo das cargas apoacutes tunelamento tambeacutem eacute considerada instantacircnea

O espectro de energia em condutores e ilhas eacute considerado contiacutenuo ou seja a

quantizaccedilatildeo da energia do eleacutetron eacute ignorada dentro dos condutores

Apesar de a teoria ortodoxa assumir condiccedilotildees hipoteacuteticas ela continua sendo muito

utilizada em estudos do dispositivo mono-eleacutetron [4-6]

O efeito de carregamento ocorre quando os eleacutetrons estatildeo na iminecircncia de entrar em um

material condutor extremamente pequeno isolado eletricamente (ilha) Se houver um

eleacutetron na ilha o potencial eletrostaacutetico da ilha aumenta bastante sendo bem superior ao

ruiacutedo teacutermico em temperatura ambiente O fluxo de eleacutetrons na ilha eacute possiacutevel se o

potencial da ilha for controlado por uma fonte de tensatildeo externa Outros eleacutetrons satildeo

impedidos de entrar na ilha devido agrave repulsatildeo de Coulomb [14-9]

Assim o bloqueio de Coulomb ocorre quando um eleacutetron entra na ilha e impede o

tunelamento de outro eleacutetron nesta ilha No momento em que o eleacutetron entra na ilha a

energia eletrostaacutetica da ilha aumenta em Ce 22 em que CΣ eacute a soma das capacitacircncias

em torno da ilha [14] Dessa forma outro eleacutetron soacute conseguiraacute tunelar para dentro da ilha

se sua energia for maior que a energia eletrostaacutetica da ilha [6] A Figura 211 ilustra os

diagramas de energia no bloqueio de Coulomb e no caso de tunelamento [10]

(a) (b)

Figura 211 Diagramas de energia (a) Bloqueio de Coulomb (b) Tunelamento mono-

eleacutetron [10]

17

O bloqueio de Coulomb eacute superado ao se aplicar uma tensatildeo Vg ao circuito ateacute que esta

tensatildeo alcance um dado valor de limiar que forneceraacute energia suficiente para que ocorra o

tunelamento de um eleacutetron Assim haveraacute o fluxo de eleacutetrons havendo corrente A Figura

212 mostra a regiatildeo do bloqueio de Coulomb ao aplicar uma tensatildeo Vg ao circuito em que

Vc eacute a tensatildeo de limiar chamada de tensatildeo de bloqueio de Coulomb [5-10]

Figura 212 Caracteriacutestica do bloqueio de Coulomb [10]

Nesse contexto duas condiccedilotildees satildeo necessaacuterias para garantir que o transporte de eleacutetrons

seja controlado pelo efeito de carregamento a condiccedilatildeo para a resistecircncia de tunelamento

dada pela equaccedilatildeo (225) [1] em que a natureza corpuscular do eleacutetron predomina sobre a

natureza ondulatoacuteria e a energia eletrostaacutetica (EC) associada a uma dada temperatura (T)

deve ser significativamente maior que as flutuaccedilotildees teacutermicas existentes agravequela

temperatura como descrita na equaccedilatildeo (226) [146-9] Os paracircmetros h eacute a constante de

Planck e eacute a carga do eleacutetron kB eacute a constante de Boltzmann e C eacute capacitacircncia Na

equaccedilatildeo (226) a temperatura deve ser maior que 0K [10]

kRe

hR TT 825

2 (225)

TkC

eTkEc BB

2

2

(226)

A partir dos conceitos apresentados pode-se definir o transistor mono-eleacutetron O SET

ilustrado na Figura 213 [10] eacute composto por duas junccedilotildees-tuacutenel em seacuterie formando uma

ilha entre as junccedilotildees [246-9] Os paracircmetros R1 C1 e R2 C2 correspondem agraves

resistecircncias e capacitacircncias da primeira e da segunda junccedilatildeo-tuacutenel respectivamente A

tensatildeo de porta Vg controla a energia eletrostaacutetica da ilha atraveacutes da capacitacircncia Cg

18

Quando haacute carregamento por tunelamento de uma junccedilatildeo e descarregamento da outra

junccedilatildeo haacute um fluxo controlado de cargas o que gera a corrente I [10]

Figura 213 Transistor mono-eleacutetron [10]

Um efeito que pode ser observado na caracteriacutestica da corrente versus tensatildeo do transistor

mono-eleacutetron eacute chamado de oscilaccedilatildeo de Coulomb [24679] Se a tensatildeo V for mantida

constante com CeV e a tensatildeo Vg for aumentada ateacute atingir gg CeV 2 esse

valor de tensatildeo permitiraacute que um eleacutetron passe pela ilha Como soacute haveraacute corrente fluindo

no circuito em valores muacuteltiplos da tensatildeo gCe 2 soacute ocorreraacute o tunelamento novamente

quando )2(3 gg CeV A caracteriacutestica corrente (I) versus tensatildeo (Vg) do transistor

mono-eleacutetron eacute ilustrada na Figura 214 [10]

Figura 214 Caracteriacutestica corrente (I) versus tensatildeo (Vg) do transistor mono-eleacutetron [10]

222 Estrutura do inversor mono-eleacutetron

Um inversor pode ser construiacutedo colocando-se dois SETs em seacuterie os quais compartilham

da mesma entrada [5689] conforme mostrado na Figura 215 Vin eacute a tensatildeo de entrada

Vout eacute a tensatildeo de saiacuteda Vbias eacute a tensatildeo de polarizaccedilatildeo CC eacute a capacitacircncia de carga Cg1 e

Cg2 satildeo as capacitacircncias de porta do SET 1 e do SET 2 respectivamente

19

Figura 215 Esquemaacutetico do inversor utilizando SETs (modificado de [4])

Alguns modelos do SET desenvolvidos no software SPICE foram propostos na literatura

[4-7] Destes modelos o proposto por G Lientschnig et al [4] descreve a implementaccedilatildeo

completa da teoria ortodoxa e usa apenas os recursos em versotildees disponiacuteveis publicamente

do software SPICE Este modelo diferentemente dos modelos propostos em [5-7] natildeo estaacute

limitado a transistores mono-eleacutetron com junccedilotildees-tuacutenel que tecircm resistecircncias iguais Aleacutem

disso pode ser estendido para incluir um nuacutemero arbitraacuterio de estados de carga que

permite simulaccedilotildees definidas para altas temperaturas e tensotildees de polarizaccedilatildeo [4] O

modelo de G Lientschnig et al estaacute disponiacutevel no siacutetio eletrocircnico [44] Assim este foi o

modelo utilizado neste trabalho

23 CLOCKING DE SISTEMAS DE ALTA VELOCIDADE

Em sistemas digitais siacutencronos o sinal do clock eacute utilizado para definir uma referecircncia de

tempo agrave mudanccedila de dados dentro do sistema [1145] Assim a distribuiccedilatildeo do clock eacute de

suma importacircncia na operaccedilatildeo de circuitos integrados digitais sendo uma grande

preocupaccedilatildeo em circuitos integrados de alta velocidade [46-51] Circuitos em escala

nanomeacutetrica podem ser significativamente limitados devido ao clock skew que ocorre

quando os circuitos natildeo estatildeo equumlidistantes do sinal do clock [11454649-51] Como este

sinal eacute o sinal mais ativo em um chip pode resultar em elevado consumo de potecircncia e

grandes densidades de corrente na rede de interconexotildees do clock [454849]

Dessa forma o sinal do clock deve atingir ao mesmo tempo cada noacute para garantir que a

comutaccedilatildeo seja sincronizada bem como deve ser distribuiacutedo de forma que haja o menor

20

atraso possiacutevel [49] Com esse intuito os seguintes fatores entre outros satildeo fundamentais

no desempenho do clock dispositivos loacutegicos de tecnologia raacutepida (avanccedilada) rede de

distribuiccedilatildeo de clock que minimize o skew e interconexotildees com alto desempenho [11]

Conforme exposto anteriormente os dispositivos nanoeletrocircnicos como os transistores

mono-eleacutetron satildeo potencialmente aplicaacuteveis em circuitos integrados em escala giga (GSI)

e tera (TSI) Estes dispositivos permitem que as funccedilotildees loacutegicas sejam desempenhadas em

um tempo mais raacutepido e com menor atraso Assim satildeo fortes candidatos a serem utilizados

em circuitos integrados com clock

A adequada rede de distribuiccedilatildeo do clock assegura que a comutaccedilatildeo seja sincronizada e

que haja o menor atraso possiacutevel [1145] Aleacutem disso dependendo da arquitetura da rede o

niacutevel de sincronismo do sistema pode aumentar Diferentes tipos de abordagens tecircm sido

desenvolvidos para projetar a rede de distribuiccedilatildeo do clock em sistemas digitais de

circuitos integrados [45] Os buffered trees satildeo muito utilizados na distribuiccedilatildeo

equipotencial do clock Aleacutem dessas estruturas assimeacutetricas arquiteturas simeacutetricas como

o H-tree satildeo usadas para distribuir sinais de clock em alta velocidade podendo inclusive

ser projetadas com buffers [45-51] Algumas formas de rede de distribuiccedilatildeo do clock estatildeo

ilustradas na Figura 216 incluindo a trunk tree mesh e H-tree [45]

Figura 216 Estruturas comuns de redes de distribuiccedilatildeo de clock [45]

21

Atualmente as interconexotildees de cobre satildeo bastante utilizadas para circuitos de alto

desempenho como em redes de clock No entanto os CNTs apresentam caracteriacutesticas que

os tornam melhores para serem utilizados em interconexotildees descritas na subseccedilatildeo 221

[48] Neste trabalho seraacute realizada a comparaccedilatildeo entre interconexotildees de cobre e de CNT

na rede de distribuiccedilatildeo do H-tree clock

231 H-Tree Clock

O clock skew pode ser minimizado distribuindo-se o sinal do clock de forma que as

interconexotildees que levam o sinal aos circuitos loacutegicos tecircm o mesmo comprimento Se antes

de chegarem aos circuitos loacutegicos os sinais do clock forem igualmente atrasados eles

estaratildeo perfeitamente sincronizados [1145] Dessa forma o esquemaacutetico da Figura 217 de

distribuiccedilatildeo do clock minimiza o clock skew repetindo recursivamente uma estrutura em

forma de H [11] A Figura 217 ilustra uma rede H-tree simeacutetrica com trecircs niacuteveis [46]

Figura 217 Esquemaacutetico do H-tree clock simeacutetrico (modificado de [46])

Na estrutura do H-tree o condutor primaacuterio do clock estaacute ligado ao centro do H principal

(1ordm niacutevel) transmitindo o sinal para os quatro cantos deste H Esses quatro cantos satildeo as

entradas para o proacuteximo niacutevel do H-tree o 2ordm niacutevel que possui quatro estruturas em H O

processo de distribuiccedilatildeo continua por vaacuterios niacuteveis de H‟s cada vez menores Os pontos de

destino final do H-tree satildeo usados para conduzir os circuitos locais Assim cada caminho

do clock desde a fonte ateacute o circuito local possui praticamente o mesmo atraso [45]

22

24 MEDIDAS DE DESEMPENHO NA ANAacuteLISE DAS INTERCONEXOtildeES

As interconexotildees em circuitos integrados possuem caracteriacutesticas que modificam o sinal de

entrada O efeito das interconexotildees pode provocar atrasos e distorccedilotildees indesejaacuteveis Nesse

contexto eacute necessaacuterio analisar medidas de desempenho dos sinais sob efeito das

interconexotildees tais como velocidade maacutexima atenuaccedilatildeo tempo de atraso potecircncia

dissipada produto atraso-potecircncia e slew rate [111317202342]

241 Velocidade maacutexima - anaacutelise na frequumlecircncia

A velocidade maacutexima que as interconexotildees podem operar sem distorcer o sinal de entrada

eacute uma medida de desempenho importante [172023] Eacute possiacutevel analisar este paracircmetro

atraveacutes da frequumlecircncia maacutexima de operaccedilatildeo da interconexatildeo que eacute a largura de banda em

que o sinal comeccedila a decair em -3dB em relaccedilatildeo ao sinal de referecircncia [1742] Assim

utiliza-se a anaacutelise do moacutedulo do graacutefico de Bode para obter a frequumlecircncia de operaccedilatildeo em

-3dB [42] A Figura 218 mostra o esboccedilo do moacutedulo do ganho pela frequumlecircncia tiacutepico do

comportamento de interconexotildees

Figura 218 Graacutefico do moacutedulo do ganho pela frequumlecircncia tiacutepico do comportamento de

interconexotildees

23

242 Atenuaccedilatildeo

A transmissatildeo de um sinal pode ser expressa em funccedilatildeo do seu ganho ou da sua atenuaccedilatildeo

No caso em estudo as interconexotildees podem atenuar o sinal Essa atenuaccedilatildeo eacute geralmente

calculada pela expressatildeo (227) em que Vo eacute o sinal de saiacuteda e Vi eacute o sinal de entrada [42]

i

o

V

VA log20 (227)

243 Tempo de atraso

O tempo de atraso td ou atraso na propagaccedilatildeo ocorre devido ao

carregamentodescarregamento da capacitacircncia de carga bem como ao tempo de

chaveamento dos transistores [42]

O tempo de atraso eacute obtido pela diferenccedila entre o tempo medido a 50 da transiccedilatildeo dos

sinais de entrada e de saiacuteda [11] Em circuitos loacutegicos o atraso na propagaccedilatildeo pode ser

calculado pela meacutedia aritmeacutetica do tempo de propagaccedilatildeo do sinal de alto para baixo tPHL e

do tempo de propagaccedilatildeo do baixo para alto tPLH conforme equaccedilatildeo (228) [1142]

2

PLHPHLd

ttt

(228)

244 Potecircncia dissipada

A dissipaccedilatildeo de potecircncia eacute outra medida de desempenho bastante importante em circuitos

integrados em escala GSI e TSI Isso ocorre jaacute que ao aumentar o nuacutemero de portas

loacutegicas em uma determinada aacuterea ocupada eacute necessaacuterio que a dissipaccedilatildeo de potecircncia esteja

dentro de limites aceitaacuteveis [1142]

A dissipaccedilatildeo de potecircncia eacute composta por dois componentes potecircncia estaacutetica e potecircncia

dinacircmica A dissipaccedilatildeo de potecircncia estaacutetica eacute dada por IVP DDE e ocorre mesmo que

natildeo haja chaveamento de porta loacutegica no circuito devido ao efeito da resistecircncia do

circuito [42] A dissipaccedilatildeo de potecircncia dinacircmica eacute devido agrave capacitacircncia de carga do

24

circuito expressa por CVfP DDD 2 em que VDD eacute a tensatildeo de alimentaccedilatildeo f eacute

frequumlecircncia do circuito e C eacute a capacitacircncia de carga do circuito [1142] Assim a soma da

potecircncia dinacircmica e da potecircncia estaacutetica resulta na potecircncia total dissipada no circuito

245 Produto atraso-potecircncia

Em circuitos integrados o ideal eacute que se tenha baixo atraso na propagaccedilatildeo resultando em

uma maior velocidade de funcionamento do circuito bem como baixa dissipaccedilatildeo de

potecircncia No entanto essas duas exigecircncias satildeo conflitantes ao reduzirmos a dissipaccedilatildeo de

potecircncia de uma porta a capacidade da porta em fornecer corrente diminuiraacute isso

implicaraacute em um maior tempo de carga e descarga aumentando o atraso na propagaccedilatildeo

Assim o produto atraso-potecircncia (delay power product ndash DP) eacute uma medida de

desempenho bastante utilizada na anaacutelise de circuitos e eacute dado por dD tPDP Quanto

menor o produto atraso-potecircncia maior a eficiecircncia do circuito loacutegico [42]

246 Slew rate

A taxa maacutexima de variaccedilatildeo da tensatildeo de saiacuteda do inglecircs slew rate (SR) eacute uma

caracteriacutestica importante do sinal de saiacuteda de um circuito loacutegico A limitaccedilatildeo na taxa de

variaccedilatildeo pode provocar uma distorccedilatildeo no funcionamento do circuito O SR pode ser

calculado pela expressatildeo (229) em que Δv eacute a variaccedilatildeo da tensatildeo de saiacuteda do sinal para

uma determinada variaccedilatildeo de tempo Δt [42]

t

vSR

(229)

25 LTSPICE

O software LTSPICE eacute um simulador SPICE de alto desempenho orientado a

esquemaacuteticos e visualizador de formas de onda com modelos para facilitar a simulaccedilatildeo de

circuitos eletrocircnicos Se comparado aos outros simuladores SPICE a simulaccedilatildeo do

LTSPICE eacute bastante raacutepida O software consegue simular dispositivos de acordo com o

padratildeo industrial reproduzindo os seus comportamentos [52]

25

O LTSPICE possui vaacuterias possibilidades de simulaccedilatildeo como anaacutelise transiente anaacutelise AC

e anaacutelise DC bem como permite a simulaccedilatildeo de vaacuterios dispositivos disponiacuteveis na sua

biblioteca Aleacutem disso este software possibilita a elaboraccedilatildeo de novos esquemaacuteticos

atraveacutes de um modelo matemaacutetico ou eletrocircnico proposto O novo componente poderaacute ser

utilizado no circuito conforme seraacute feito neste trabalho utilizando-se o modelo SPICE do

SET proposto por G Lientschnig et al[4]

26

3 METODOLOGIA

31 INTRODUCcedilAtildeO

A miniaturizaccedilatildeo das interconexotildees prejudica o seu desempenho resultando no aumento

significativo do valor da resistividade da capacitacircncia de acoplamento entre vias na

dificuldade de controlar a razatildeo entre a altura e a largura do material entre outros

problemas A fim de analisar o desempenho das interconexotildees eacute necessaacuterio verificar

algumas variaacuteveis importantes como velocidade maacutexima (f-3dB) atenuaccedilatildeo (A) tempo de

atraso (td) potecircncia dissipada (P) produto atraso-potecircncia (DP) e slew rate (SR)

[111317202342]

32 ETAPAS E ESTRATEacuteGIAS ADOTADAS

Com o intuito de analisar o efeito das interconexotildees em circuitos com transistores mono-

eleacutetron foi realizada primeiramente a anaacutelise das interconexotildees de SWCNT de SWCNT

bundle e de cobre isoladamente para diferentes valores de comprimento Apoacutes a avaliaccedilatildeo

desses resultados o efeito das interconexotildees foi analisado no H-tree clock com inversores

mono-eleacutetron nos seus terminais tambeacutem considerando diferentes comprimentos Neste

trabalho a tecnologia de 22 nm prevista para o ano de 2016 [21] foi utilizada na

comparaccedilatildeo entre o desempenho do cobre e do CNT Todas as simulaccedilotildees foram realizadas

utilizando o software LTSPICE

321 Simulaccedilatildeo das interconexotildees

A partir dos modelos das interconexotildees de SWCNT SWCNT bundle e cobre apresentados

na subseccedilatildeo 213 diferentes comprimentos das interconexotildees foram simulados Assim

analisou-se as interconexotildees locais em que l le 1 μm e as intermediaacuterias em que 1 μm lt l

le 500 μm sabendo que l eacute o comprimento da interconexatildeo [29-31333638]

A fim de analisar a frequumlecircncia de corte este foi obtido para comprimentos de

interconexotildees locais (10nm 100nm 200nm 300nm 400nm 500nm 600nm 700nm

27

800nm 900nm 1μm) e interconexotildees intermediaacuterias (10μm 100μm 200μm 300μm

400μm 500μm)

Jaacute que λCNT eacute tipicamente 1 μm foram escolhidos trecircs comprimentos na faixa lCNT le λCNT

(10 nm 100 nm e 1 μm) e trecircs comprimentos na faixa lCNT gt λCNT (10 μm 100 μm 500

μm) para serem analisados detalhadamente Escolheu-se uma mesma frequecircncia abaixo da

frequecircncia de corte dos trecircs materiais considerados para analisar e comparar a atenuaccedilatildeo

(A) e o tempo de atraso na propagaccedilatildeo (td) dos diferentes comprimentos

Em seguida o mesmo procedimento foi feito para comparar somente o SWCNT bundle e o

cobre para uma mesma frequecircncia cujo valor eacute maior que a frequecircncia da anaacutelise anterior

permitindo que estes dois materiais sejam analisados detalhadamente

Essas anaacutelises foram realizadas a partir da simulaccedilatildeo do circuito da Figura 31 [2325] A

tensatildeo de entrada Vin eacute uma onda quadrada de 1V de amplitude e o capacitor de carga tem

o valor de 100 aF

Figura 31 ndash Circuito simulado para cada interconexatildeo

A Figura 32 mostra o fluxograma das etapas descritas nesta subseccedilatildeo 321

28

Figura 32 ndash Fluxograma das etapas seguidas na simulaccedilatildeo das interconexotildees

322 Simulaccedilatildeo do inversor mono-eleacutetron

Para utilizar a porta inversora da Figura 215 nos terminais do H-tree clock foi necessaacuterio

primeiramente simular o SET proposto por [4] Essa simulaccedilatildeo foi feita variando os

paracircmetros do SET como as resistecircncias e capacitacircncias das junccedilotildees as capacitacircncias de

porta a temperatura etc Os paracircmetros foram variados ateacute simular o SET a temperatura

de 300K Em seguida simulou-se a inversora da Figura 215 tambeacutem a temperatura

ambiente Dessa forma foi possiacutevel simular a inversora isoladamente obtendo as

caracteriacutesticas do sinal de saiacuteda

323 Simulaccedilatildeo do H-tree clock mono-eleacutetron

Apoacutes a simulaccedilatildeo do SET foi possiacutevel simular o H-tree clock A rede H-tree de dois niacuteveis

foi simulada com um H no primeiro niacutevel e quatro H‟s no segundo niacutevel [49] Nos pontos

de destino final da rede foram colocadas portas inversoras formadas por SETs permitindo

a anaacutelise de circuitos nanoeletrocircnicos

Modelos de SWCNT

SWCNT bundle e cobre

Obtenccedilatildeo dos paracircmetros dos modelos para

interconexotildees locais e interconexotildees intermediaacuterias

Para cada comprimento

obtenccedilatildeo de f-3dB

1ordm) Escolha de frequumlecircncia abaixo

da f-3dB do SWCNT SWCNT

bundle e cobre

2ordm) Escolha de frequumlecircncia abaixo

da f-3dB do SWCNT bundle e

cobre

Obtenccedilatildeo de A e td de

cada modelo

Obtenccedilatildeo de A e td de

cada modelo

Anaacutelise comparativa entre o

SWCNT SWCNT bundle e

cobre

Anaacutelise comparativa entre o

SWCNT bundle e cobre

Estudo de interconexotildees locais (10nm

100nm 1μm) e intermediaacuterias (10μm

100μm 500μm)

29

A partir da simulaccedilatildeo do H-tree clock obteve-se a frequecircncia em -3dB (f-3dB) da rede com

interconexotildees ideais Assim a rede H-tree foi entatildeo simulada para duas frequecircncias

diferentes do sinal de entrada abaixo da frequecircncia de -3dB 10 GHz e 100 GHz Com

essas simulaccedilotildees obtiveram-se as seguintes caracteriacutesticas do sinal de saiacuteda da inversora

niacutevel loacutegico baixo (NB) niacutevel loacutegico alto (NA) tempo de subida (tr) slew rate de subida

(SR) atenuaccedilatildeo (A) tempo de atraso (td) potecircncia dissipada (P) e produto atraso-potecircncia

(DP) As caracteriacutesticas obtidas servem como referecircncia para analisar o sinal considerando

interconexotildees natildeo-ideais ou seja incluindo os modelos das interconexotildees nas simulaccedilotildees

Em seguida a rede H-tree foi simulada considerando-se os modelos das interconexotildees de

SWCNT bundle e de cobre variando os seus comprimentos Como cada H da rede de

distribuiccedilatildeo deve ser simeacutetrico considerou-se que cada divisatildeo do H tem o mesmo

comprimento para cada niacutevel da rede [11] A Figura 33 mostra o comprimento dos

diferentes trechos da rede Assim o comprimento de cada divisatildeo dos H‟s do segundo

niacutevel eacute a metade do comprimento de cada divisatildeo do H do primeiro niacutevel Jaacute que o objetivo

eacute simular circuitos em escala nanomeacutetrica escolheu-se trecircs variaccedilotildees de comprimento

menores ou iguais a 1μm

l = 100 nm l2 = 50 nm

l = 400 nm l2 = 200 nm

l = 1 μm l2 = 500 nm

Figura 33 ndash Esquemaacutetico do H-tree clock com os comprimentos de cada seguimento

Dessa forma cada um dos trecircs circuitos foi simulado obtendo-se a frequecircncia em -3dB na

entrada das portas inversoras Em seguida as trecircs redes foram simuladas para as mesmas

30

duas frequumlecircncias do sinal de entrada (10 GHz e 100 GHz) de forma a obter as

caracteriacutesticas do sinal de saiacuteda descritas anteriormente considerando agora o efeito das

interconexotildees

Por fim a partir dos dados obtidos foram realizadas comparaccedilotildees entre as caracteriacutesticas

do sinal de saiacuteda de referecircncia (interconexotildees ideais) e o sinal de saiacuteda dos circuitos com as

interconexotildees natildeo-ideais bem como entre o comportamento das interconexotildees de SWCNT

bundle e de cobre nas diferentes frequecircncias

A Figura 34 mostra o fluxograma das etapas descritas nas subseccedilotildees 322 e 323

Figura 34 ndash Fluxograma das etapas seguidas na simulaccedilatildeo do H-tree clock

H-tree clock mono-eleacutetron

Simulaccedilatildeo do H-tree clock com

interconexotildees ideais Obtenccedilatildeo de f-3dB

da inversora

Simulaccedilatildeo do H-tree clock com

interconexotildees natildeo-ideais para os seguintes

comprimentos

l = 100 nm l2 = 50 nm

l = 400 nm l2 = 200 nm

l = 1 μm l2 = 500 nm

Validaccedilatildeo do SET e do

inversor mono-eleacutetron a

300K

Sinal de entrada a

10 GHz

Sinal de entrada a

100 GHz

Obtenccedilatildeo de NB

NA tr SR A td P e

DP do sinal de saiacuteda

da inversora

Obtenccedilatildeo de NB

NA tr SR A td P e

DP do sinal de saiacuteda

da inversora

Sinal de entrada a

10 GHz

Sinal de entrada a

100 GHz

Obtenccedilatildeo de NB

NA tr SR A td P e

DP do sinal de saiacuteda

da inversora

Obtenccedilatildeo de NB

NA tr SR A td P e

DP do sinal de saiacuteda

da inversora

Anaacutelise comparativa

dos dados obtidos

31

4 RESULTADOS E ANAacuteLISES

41 INTRODUCcedilAtildeO

Neste capiacutetulo seratildeo apresentados os procedimentos adotados e os resultados obtidos na

simulaccedilatildeo das interconexotildees SWCNT SWCNT bundle e cobre As etapas descritas na

metodologia foram seguidas obtendo-se os resultados das simulaccedilotildees das interconexotildees e

das simulaccedilotildees do H-tree clock mono-eleacutetron para interconexotildees ideais e natildeo-ideais A

partir dos resultados a anaacutelise do desempenho das interconexotildees seraacute apresentada

42 ANAacuteLISE DAS INTERCONEXOtildeES

Nesta seccedilatildeo a anaacutelise das interconexotildees de SWCNT SWCNT bundle e cobre na

tecnologia de 22 nm para diferentes comprimentos seraacute realizada Para isso analisou-se

as interconexotildees locais em que l le 1 μm e as intermediaacuterias em que 1 μm lt l le 500 μm

sabendo que l eacute o comprimento da interconexatildeo [29-31333638] Como λCNT eacute

tipicamente 1 μm trecircs comprimentos na faixa lCNT le λCNT (10 nm 100 nm e 1 μm) e trecircs

comprimentos na faixa lCNT gt λCNT (10 μm 100 μm 500 μm) de cada material seratildeo

analisados detalhadamente Os paracircmetros obtidos a partir dos modelos de SWCNT

SWCNT bundle e cobre estatildeo respectivamente nas Tabelas 71 72 e 73 do Apecircndice

421 Interconexotildees locais

Primeiramente a partir da simulaccedilatildeo da Figura 31 obteve-se a frequecircncia em -3dB (f-3dB)

das interconexotildees locais (lCNT le λCNT ) isto eacute a sua banda passante de forma a verificar a

velocidade maacutexima que cada interconexatildeo suporta A Figura 41 ilustra o comportamento

da frequecircncia das interconexotildees locais para os diferentes comprimentos Como o SWCNT

isolado possui valores de frequecircncia na faixa de centenas de giga Hertz ou seja menos de

um tera Hertz os valores de suas frequecircncias tambeacutem podem ser visualisados na Tabela

74 do Apecircndice

Verifica-se que agrave medida que o comprimento da interconexatildeo aumenta a frequecircncia

diminui Isso ocorre jaacute que os valores da capacitacircncia e indutacircncia aumentam com o

aumento do comprimento da interconexatildeo Esses paracircmetros satildeo decisivos no sinal de

32

saiacuteda sendo o sinal mais distorcido quanto maior for o valor desses paracircmetros Observa-

se que o SWCNT bundle e o cobre possuem banda passante maiores que o SWCNT

isolado para qualquer comprimento Aleacutem disso o SWCNT bundle soacute possui uma banda

passante comparaacutevel ao do cobre para comprimentos acima de 700 nm

Frequecircncia X Comprimento

0

10

20

30

40

50

60

100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

Comprimento (nm)

f -3d

B (

TH

z)

SWCNT Isolado

SWCNT bundle

Cobre

Figura 41 ndash Frequumlecircncia versus comprimento das interconexotildees locais

As interconexotildees locais de 10 nm 100 nm e 1 μm de comprimento foram analisadas

detalhadamente A Tabela 41 mostra a frequecircncia em -3dB de cada material para os

comprimentos em anaacutelise

Tabela 41 Frequecircncia em -3dB de cada material para lCNT le λCNT

Interconexatildeo Local Comprimento (L) Material f-3dB

SWCNT isolado 253 GHz

10nm SWCNT bundle 66 THz

Cobre 232 THz

SWCNT isolado 300 GHz

lCNT le λCNT 100nm SWCNT bundle 20 THz

Cobre 51 THz

SWCNT isolado 230 GHz

1microm SWCNT bundle 47 THz

Cobre 42 THz

Assim escolheu-se uma mesma frequecircncia abaixo da frequecircncia de corte dos trecircs

materiais considerados para analisar e comparar a atenuaccedilatildeo (A) e o tempo de atraso na

propagaccedilatildeo (td) dos trecircs comprimentos Isso permite verificar o comportamento do sinal na

banda passante A Tabela 42 mostra esse estudo comparativo entre o SWCNT isolado

SWCNT bundle e cobre agrave frequecircncia de 200 GHz

33

Tabela 42 Estudo das interconexotildees com comprimentos na faixa lCNT le λCNT

Freq L Material A (dB) td (ps)

SWCNT isolado -210 046

10nm SWCNT bundle 001 000

Cobre 000 000

SWCNT isolado -155 051

200 GHz 100nm SWCNT bundle 001 000

Cobre 001 000

SWCNT isolado -039 107

1microm SWCNT bundle 006 001

Cobre 000 007

A partir da anaacutelise da Tabela 42 eacute possiacutevel observar agrave frequumlecircncia de 200 GHz a

atenuaccedilatildeo do sinal e o atraso do SWCNT isolado Nessa frequumlecircncia o atraso do SWCNT

isolado eacute significativo em relaccedilatildeo ao periacuteodo do sinal que eacute 5ps jaacute que o menor atraso

(para l = 10nm) eacute aproximadamente 10 do periacuteodo do sinal de entrada No entanto para

esta mesma frequumlecircncia observa-se que a atenuaccedilatildeo e o atraso do SWCNT bundle e do

cobre satildeo insignificantes Isto indica que estes dois materiais possuem melhor

desempenho sendo favoraacuteveis para serem utilizados em interconexotildees locais

Dessa forma para analisar melhor a atenuaccedilatildeo e o tempo de atraso do SWCNT bundle e do

cobre o mesmo procedimento foi feito comparando-se somente estes dois materiais para

uma mesma frequecircncia de 1 THz A Tabela 43 mostra esse estudo comparativo entre o

SWCNT bundle e cobre

Tabela 43 Estudo das interconexotildees SWCNT bundle e cobre com comprimentos na faixa

lCNT le λCNT

Freq L Material A (dB) td (fs)

10nm SWCNT bundle 001 113

Cobre 000 022

1 THz 100nm SWCNT bundle 006 136

Cobre 001 240

1microm SWCNT bundle 145 647

Cobre -013 5623

Analisando a Tabela 43 observa-se que agrave frequumlecircncia de 1 THz a atenuaccedilatildeo do sinal e o

atraso aumentam agrave medida que o comprimento das interconexotildees aumentam A partir do

comprimento de 100nm o tempo de atraso da interconexatildeo de cobre eacute maior que o do

SWCNT bundle cujo maior valor de atraso (para l = 1microm) natildeo chega a 1 do periacuteodo do

34

sinal de entrada (1ps) Isso mostra que apesar de a banda passante do cobre ser maior o

atraso do SWCNT bundle eacute menor Dessa forma para as interconexotildees locais o SWCNT

bundle possui desempenho comparaacutevel ao do cobre [13]

Em relaccedilatildeo agrave atenuaccedilatildeo verifica-se que para alguns comprimentos este tem valor

positivo Isso ocorre principalmente quando haacute um pico no graacutefico da frequumlecircncia antes dele

comeccedilar a decair Esse pico eacute devido ao efeito ressonante provocado pela indutacircncia

quando este possui valor comparaacutevel agrave resistecircncia e agrave capacitacircncia da interconexatildeo [53]

Assim esse efeito ressonante foi observado somente nas interconexotildees locais de SWCNT

bundle e de cobre A Figura 42 ilustra o graacutefico da magnitude pela frequumlecircncia do SWCNT

isolado SWCNT bundle e cobre para o comprimento de 100nm Observa-se o efeito

ressonante nos graacuteficos do SWCNT bundle e do cobre

Figura 42 ndash Graacuteficos da magnitude das interconexotildees de SWCNT isolado (superior)

SWCNT bundle (meio) e cobre (inferior) com comprimento de 100nm

35

422 Interconexotildees intermediaacuterias

Assim como para as interconexotildees locais obteve-se a frequecircncia em -3dB (f-3dB) das

interconexotildees intermediaacuterias (lCNT gt λCNT) de forma a verificar a velocidade maacutexima que

cada interconexatildeo suporta A Figura 43 ilustra o comportamento da frequecircncia das

interconexotildees intermediaacuterias para os diferentes comprimentos Os valores das frequecircncias

de cada interconexatildeo tambeacutem podem ser visualisados na Tabela 75 do Apecircndice

Como nas interconexotildees locais agrave medida que o comprimento da interconexatildeo aumenta a

frequecircncia diminui Aleacutem disso o SWCNT bundle e o cobre possuem desempenho melhor

que o do SWCNT isolado para qualquer comprimento No entanto para interconexotildees

intermediaacuterias o SWCNT bundle possui banda passante maior que a do cobre para

qualquer comprimento

Frequecircncia X Comprimento

00

05

10

15

20

25

30

35

40

45

100 200 300 400 500

Comprimento (μm)

f -3d

B (

GH

z)

SWCNT isolado

SWCNT bundle

Cobre

Figura 43 ndash Frequumlecircncia versus comprimento das interconexotildees intermediaacuterias

As interconexotildees intermediaacuterias de 10 μm 100 μm e 500 μm de comprimento foram entatildeo

analisadas detalhadamente A Tabela 44 mostra a frequecircncia em -3dB de cada materal

para os diferentes comprimentos em anaacutelise

36

Tabela 44 Frequecircncia em -3dB de cada material para lCNT gt λCNT

Interconexatildeo

Intermediaacuteria

Comprimento (L) Material f-3dB

SWCNT isolado 26 GHz

10 microm SWCNT bundle 527 GHz

Cobre 34 GHz

SWCNT isolado 32 MHz

lCNT gt λCNT 100 microm SWCNT bundle 42 GHz

Cobre 345 MHz

SWCNT isolado 13 MHz

500 microm SWCNT bundle 165 MHz

Cobre 14 MHz

Escolheu-se a frequecircncia de 1 MHz que estaacute abaixo da frequecircncia de corte dos trecircs

materiais considerados para analisar e comparar a atenuaccedilatildeo (A) e o tempo de atraso na

propagaccedilatildeo (td) dos trecircs comprimentos A Tabela 45 mostra esse estudo comparativo entre

o SWCNT isolado SWCNT bundle e cobre

Tabela 45 Estudo das interconexotildees com comprimentos na faixa lCNT gt λCNT

Freq L Material A (dB) td (ns)

SWCNT isolado -002 008

10 microm SWCNT bundle 000 000

Cobre 000 000

SWCNT isolado -003 559

1 MHz 100 microm SWCNT bundle -001 005

Cobre -004 056

SWCNT isolado -198 10217

500 microm SWCNT bundle 000 110

Cobre -003 1301

Com base na Tabela 45 observa-se que a atenuaccedilatildeo e o tempo de atraso do SWCNT

isolado aumentam com o aumento do comprimento da interconexatildeo Nessa frequumlecircncia o

atraso na propagaccedilatildeo do SWCNT isolado eacute significativo em relaccedilatildeo ao periacuteodo do sinal de

entrada que eacute 1micros chegando a mais de 10 deste periacuteodo para o comprimento de 500microm

Verifica-se tambeacutem o aumento do tempo de atraso da interconexatildeo de cobre sendo 13

do periacuteodo do sinal de entrada para o comprimento de 500microm

Para analisar melhor a atenuaccedilatildeo e o tempo de atraso do SWCNT bundle e do cobre o

mesmo procedimento foi feito comparando-se somente estes dois materiais para uma

37

mesma frequecircncia de 10 MHz A Tabela 46 mostra esse estudo comparativo entre o

SWCNT bundle e cobre

Tabela 46 Estudo das interconexotildees SWCNT bundle e cobre com comprimentos na faixa

lCNT gt λCNT

Freq L Material A (dB) td (ns)

10 microm SWCNT bundle 000 000

Cobre 000 000

10 MHz 100 microm SWCNT bundle -001 005

Cobre -004 054

500 microm SWCNT bundle -004 107

Cobre -185 1024

Analisando a Tabela 46 observa-se que agrave medida que o comprimento das interconexotildees

aumenta a atenuaccedilatildeo e o atraso do sinal da interconexatildeo de cobre tornam-se significativos

O atraso na propagaccedilatildeo da interconexatildeo de cobre para l = 500microm chega a 10 do periacuteodo

do sinal de entrada (100ns) Jaacute o SWCNT bundle apresenta valores insignificantes de

atenuaccedilatildeo e atraso na propagaccedilatildeo Assim para as interconexotildees intermediaacuterias o SWCNT

bundle possui desempenho superior ao do cobre

43 SIMULACcedilAtildeO DO INVERSOR MONO-ELEacuteTRON

O modelo SPICE do SET proposto por G Lientschnig et al [444] foi simulado no

LTSPICE A partir da equaccedilatildeo (226) foi possiacutevel aumentar a temperatura do SET ateacute

chegar a 300K Assim o esquemaacutetico do SET e os valores de seus paracircmetros para que o

SET opere a 300K estatildeo na Figura 44 No anexo deste trabalho (subseccedilatildeo 81) encontra-

se o coacutedigo SET que foi utilizado [44] Os paracircmetros R1 C1 e R2 C2 correspondem agraves

resistecircncias e capacitacircncias das junccedilotildees-tuacutenel Cg eacute a capacitacircncia de porta (Cg1 no coacutedigo

SET) Vg eacute a tensatildeo de porta e V eacute a tensatildeo de entrada

Figura 44 Esquemaacutetico do SET e os valores de seus paracircmetros

38

A partir destes valores o inversor mono-eleacutetron foi construiacutedo colocando-se dois SETs em

seacuterie os quais compartilham da mesma entrada A Figura 45 ilustra o esquemaacutetico do

inversor mono-eleacutetron juntamente com os valores de seus paracircmetros fixos em que Vin eacute a

tensatildeo de entrada Vout eacute a tensatildeo de saiacuteda Vbias eacute a tensatildeo de polarizaccedilatildeo Cc eacute a

capacitacircncia de carga Cg1 e Cg2 satildeo as capacitacircncias de porta do SET 1 e do SET 2

respectivamente

Figura 45 Esquemaacutetico do inversor mono-eleacutetron e os valores de seus paracircmetros

(modificado de [4])

Assim apoacutes simular o inversor mono-eleacutetron a 300K obteve-se o sinal de saiacuteda mostrado

na Figura 46 Como o inversor estaacute invertendo o sinal de entrada de valor loacutegico baixo em

um sinal de saiacuteda de valor loacutegico alto ele estaacute operando corretamente

Figura 46 Curva do sinal de entrada (em verde) e do sinal de saiacuteda (em preto) do inversor

mono-eleacutetron

39

44 ANAacuteLISE DAS INTERCONEXOtildeES NO H-TREE CLOCK MONO-ELEacuteTRON

Nesta seccedilatildeo a rede H-tree clock de dois niacuteveis foi simulada com portas inversoras mono-

eleacutetron nos pontos de destino final da rede permitindo a anaacutelise de circuitos

nanoeletrocircnicos Simulou-se a rede H-tree considerando interconexotildees ideais para as

frequecircncias de 10 GHz e 100 GHz no sinal de entrada Em seguida para as mesmas duas

frequecircncias considerou-se interconexotildees natildeo-ideais de diferentes comprimentos

analisando a rede com os modelos de interconexatildeo SWCNT bundle e cobre Trecircs redes

com comprimentos de interconexotildees diferentes foram analisadas

l = 100 nm l2 = 50 nm

l = 400 nm l2 = 200 nm

l = 1 μm l2 = 500 nm

441 Anaacutelise da rede com interconexotildees ideais

A partir da simulaccedilatildeo do H-tree clock a frequecircncia em -3dB (f-3dB) da rede com

interconexotildees ideais foi obtida Na saiacuteda de cada porta inversora a banda passante do sinal

eacute 3200 GHz Dessa forma duas frequecircncias abaixo de 3200 GHz foram escolhidas para

analisar o sinal de saiacuteda da inversora em condiccedilotildees ideais As frequecircncias de 10 GHz e

100 GHz seratildeo analisadas obtendo-se as seguintes caracteriacutesticas do sinal de saiacuteda da

inversora niacutevel loacutegico baixo (NB) niacutevel loacutegico alto (NA) tempo de subida (tr) slew rate

de subida (SR) atenuaccedilatildeo (A) e tempo de atraso (td) A Tabela 47 mostra os valores

obtidos para as duas frequecircncias em anaacutelise

Tabela 47 Caracteriacutesticas dos sinais de saiacuteda da rede para interconexotildees ideais

Freq NB(mV) NA(mV) tr (ps) SR(Vns) A(dB) td (ps)

10 GHz 675 4518 356 8636 -264 412

100 GHz 678 4279 317 9088 -269 189

Os caacutelculos da potecircncia estaacutetica ( IVP DDE ) potecircncia dinacircmica ( CVfP DDD 2 ) e

potecircncia total ( DE PPP ) dissipada por cada porta inversora foram realizados bem

como o produto atraso-potecircncia (DP) Assim a Tabela 48 mostra os valores obtidos no

40

caacutelculo destes paracircmetros Como a potecircncia estaacutetica independe da frequecircncia do sinal de

entrada o seu valor eacute o mesmo nos dois casos

Tabela 48 Potecircncia dissipada por cada porta inversora para interconexotildees ideais

Frequecircncia PE (nW) PD (nW) P (nW) DP (10-18

Wmiddots)

10 GHz 4838 125 4963 020

100 GHz 4838 125 6088 012

As Tabelas 47 e 48 serviratildeo de referecircncia para as anaacutelises da rede com interconexotildees natildeo-

ideais analisadas na subseccedilatildeo seguinte As Figuras 47 e 48 ilustram o sinal de saiacuteda das

redes com frequecircncias de 10 GHz e de 100 GHz respectivamente Eacute possiacutevel observar que

na frequecircncia de 100 GHz o sinal de saiacuteda jaacute eacute distorcido em relaccedilatildeo ao sinal de referecircncia

(Figura 46)

Figura 47 Sinal de entrada (em verde) e sinal de saiacuteda (em preto) da rede a 10 GHz

Figura 48 Sinal de entrada (em verde) e sinal de saiacuteda (em preto) da rede a 100 GHz

41

442 Anaacutelise da rede com interconexotildees natildeo-ideais

Apoacutes obter as caracteriacutesticas da rede H-tree clock com interconexotildees ideais a anaacutelise da

rede com interconexotildees natildeo-ideais seraacute feita Primeiramente eacute importante verificar a

frequecircncia em -3dB do sinal depois das interconexotildees ou seja na entrada da porta

inversora Caso essa frequecircncia seja menor que a frequecircncia de 3200 GHz obtida com

interconexotildees ideais entatildeo a interconexatildeo afetaraacute o comportamento da rede A Tabela 49

mostra a frequecircncia em -3dB na entrada da inversora para interconexotildees natildeo-ideais

Tabela 49 Frequecircncia em -3dB na entrada da inversora para interconexotildees natildeo-ideais

Comprimentos (l2 l) Material f-3dB

50nm 100nm SWCNT bundle 122 THz

Cobre 175 THz

200nm 400nm SWCNT bundle 31 THz

Cobre 8606 GHz

500nm 1microm SWCNT bundle 12 THz

Cobre 1268 GHz

Assim verifica-se que a interconexatildeo de cobre da rede 500nm1microm possui frequecircncia em

-3dB abaixo da frequecircncia do circuito com interconexatildeo ideal (3200 GHz) Isso indica que

esta interconexatildeo interfere significativamente no comportamento da rede A Tabela 49

mostra tambeacutem que a banda passante da interconexatildeo de cobre soacute eacute maior que a da

interconexatildeo de SWCNT bundle no primeiro caso na rede de 50nm100nm o que mostra

uma vantagem do SWCNT bundle em relaccedilatildeo ao cobre A partir dessas informaccedilotildees a

rede H-tree clock com interconexotildees natildeo-ideais seraacute analisada detalhadamente

4421 Anaacutelise da rede a 10 GHz

As redes com interconexotildees natildeo-ideais seratildeo analisadas na frequecircncia de 10 GHz para

diferentes comprimentos Primeiramente o niacutevel loacutegico baixo (NB) o niacutevel loacutegico alto

(NA) o tempo de subida (tr) e o slew rate de subida (SR) foram obtidos conforme mostra a

Tabela 410 Com base nessa tabela verifica-se que na frequecircncia de 10 GHz essas

caracteriacutesticas natildeo foram modificadas pelas interconexotildees natildeo-ideais independentemente

do comprimento Os valores dos paracircmetros satildeo iguais aos obtidos na rede com

interconexatildeo ideal conforme Tabela 47 O sinal obtido na saiacuteda de cada inversor eacute igual

ao ilustrado na Figura 47

42

Tabela 410 Niacuteveis loacutegicos tempo de subida e slew rate dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 10 GHz

Freq L (l2l) Material NB(mV) NA(mV) tr(ps) SR(Vns)

10

GHz

50nm

100nm

SWCNT bundle 675 4518 356 8636

Cobre 675 4518 356 8636

200nm

400nm

SWCNT bundle 675 4518 356 8636

Cobre 675 4518 356 8636

500nm

1microm

SWCNT bundle 675 4518 356 8636

Cobre 675 4518 356 8636

A Tabela 411 mostra a atenuaccedilatildeo tempo de atraso potecircncia total dissipada e o produto

atraso-potecircncia obtidos a frequecircncia de 10 GHz para interconexotildees natildeo-ideais Observa-se

que a atenuaccedilatildeo do sinal e a potecircncia total dissipada por cada porta inversora permanecem

os mesmos em relaccedilatildeo agrave interconexatildeo ideal mostrando que a essa frequecircncia as

interconexotildees natildeo-ideais natildeo interferem nestes paracircmetros

Jaacute o atraso na propagaccedilatildeo do sinal no caso do cobre aumenta agrave medida que as

interconexotildees aumentam de comprimento aumentando tambeacutem o produto atraso-potecircncia

Esse atraso chega a 66 do periacuteodo do sinal de entrada para a interconexatildeo 500nm1microm

de cobre No entanto estes paracircmetros natildeo satildeo afetados pelas interconexotildees de SWCNT

bundle indicando que este material se sobressai em relaccedilatildeo ao cobre

Tabela 411 Atenuaccedilatildeo atraso potecircncia e produto atraso-potecircncia dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 10 GHz

Freq L (l2l) Material A (dB) td (ps) P (nW) DP(10-18

Wmiddots)

10

GHz

50nm

100nm

SWCNT bundle -264 412 4963 020

Cobre -264 412 4963 020

200nm

400nm

SWCNT bundle -264 412 4963 020

Cobre -264 438 4963 022

500nm

1microm

SWCNT bundle -264 412 4963 020

Cobre -264 659 4963 033

4422 Anaacutelise da rede a 100 GHz

As redes com interconexotildees natildeo-ideais seratildeo analisadas na frequecircncia de 100 GHz para

diferentes comprimentos O niacutevel loacutegico baixo (NB) o niacutevel loacutegico alto (NA) o tempo de

subida (tr) e o slew rate de subida (SR) foram obtidos conforme mostra a Tabela 412 Jaacute a

43

Tabela 413 mostra a atenuaccedilatildeo tempo de atraso potecircncia total dissipada e o produto

atraso-potecircncia obtidos a frequecircncia de 100 GHz para interconexotildees natildeo-ideais

Tabela 412 Niacuteveis loacutegicos tempo de subida e slew rate dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 100 GHz

Freq L (l2l) Material NB(mV) NA(mV) tr(ps) SR(Vns)

100

GHz

50nm

100nm

SWCNT bundle 678 4272 316 9099

Cobre 675 4277 323 9107

200nm

400nm

SWCNT bundle 678 4299 315 9196

Cobre 677 4089 289 9447

500nm

1microm

SWCNT bundle 678 4418 300 9973

Cobre 635 1766 102 6795

Tabela 413 Atenuaccedilatildeo atraso potecircncia e produto atraso-potecircncia dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 100 GHz

Freq L (l2l) Material A (dB) td (ps) P (nW) DP(10-18

Wmiddots)

100

GHz

50nm

100nm

SWCNT bundle -2703 189 6088 012

Cobre -2685 191 6088 012

200nm

400nm

SWCNT bundle -2693 188 6088 012

Cobre -2698 228 6088 014

500nm

1microm

SWCNT bundle -2673 174 6088 011

Cobre -2893 388 6088 024

A partir das Tabelas 412 e 413 o SWCNT bundle seraacute analisado Observa-se que os seus

niacuteveis loacutegicos altos aumentam com o aumento do comprimento das interconexotildees

aumentando tambeacutem o slew rate de subida Esse comportamento ocorre provavelmente

devido ao efeito ressonante provocado pela indutacircncia que provoca um pico no graacutefico da

frequumlecircncia antes dele comeccedilar a decair conforme explicado na subseccedilatildeo 421 Isso implica

na diminuiccedilatildeo da atenuaccedilatildeo do sinal e do atraso No entanto o produto atraso-potecircncia

permanece praticamente invariaacutevel jaacute que a potecircncia total dissipada natildeo se altera

Em relaccedilatildeo agraves interconexotildees de cobre verifica-se que as distorccedilotildees satildeo significativas Agrave

medida que o comprimento aumenta a atenuaccedilatildeo do sinal de saiacuteda aumenta Isso provoca

diminuiccedilatildeo no slew rate do sinal o que natildeo eacute desejado jaacute que o sinal demora mais para

atingir o niacutevel loacutegico alto Aleacutem disso o atraso na propagaccedilatildeo do sinal aumenta bastante

chegando a 388 do periacuteodo do sinal de entrada para a interconexatildeo 500nm1microm

Consequentemente o produto atraso-potecircncia tambeacutem aumenta sendo o dobro do valor de

44

referecircncia (interconexotildees ideais) A Figura 49 ilustra o sinal de saiacuteda da interconexatildeo

500nm1microm de cobre

Figura 49 Sinal de entrada (em verde) e sinal de saiacuteda (em preto) da rede a 100 GHz para

a interconexatildeo 500nm1microm de cobre

Comparando-se as potecircncias das tabelas 47 48 411 413 verifica-se que natildeo haacute

alteraccedilatildeo na potecircncia total dissipada pelo circuito com interconexotildees ideais e pelos

circuitos com interconexotildees natildeo-ideais para uma mesma frequecircncia Assim eacute importante

destacar que a dissipaccedilatildeo de potecircncia das interconexotildees de SWCNT bundle e de cobre natildeo

interfere na potecircncia total dissipada pelo circuito

443 Consideraccedilotildees Finais

Apoacutes analisar as interconexotildees locais de SWCNT de SWCNT bundle e de cobre

verificou-se que as interconexotildees de SWCNT bundle possuem desempenho comparaacutevel ao

das interconexotildees de cobre Em relaccedilatildeo agraves interconexotildees intermediaacuterias as de SWCNT

bundle apresentam desempenho superior agraves de cobre Jaacute as interconexotildees de SWCNT

isolado tanto para interconexotildees locais como para interconexotildees intermediaacuterias

apresentam desempenho inferior agraves interconexotildees de SWCNT bundle e de cobre natildeo

sendo propiacutecias a serem utilizadas em interconexotildees de circuitos integrados

Na anaacutelise das interconexotildees natildeo-ideais na rede H-tree clock mono-eleacutetron para a

frequecircncia de 10GHz observou-se que o niacutevel loacutegico baixo o niacutevel loacutegico alto o tempo de

subida o slew rate de subida a atenuaccedilatildeo do sinal e a potecircncia total dissipada por cada

porta inversora permanecem os mesmos em relaccedilatildeo agrave interconexatildeo ideal mostrando que

45

para esta frequecircncia as interconexotildees natildeo-ideais natildeo interferem nestes paracircmetros Jaacute o

atraso na propagaccedilatildeo do sinal no caso do cobre aumenta agrave medida que as interconexotildees

aumentam de comprimento aumentando tambeacutem o produto atraso-potecircncia No entanto

estes paracircmetros natildeo satildeo afetados pelas interconexotildees de SWCNT bundle indicando que

este material se sobressai em relaccedilatildeo ao cobre

Jaacute para a rede H-tree clock mono-eleacutetron a 100GHz observou-se que o circuito com

interconexotildees natildeo-ideais afetou bastante os paracircmetros em anaacutelise se comparados aos

obtidos para interconexotildees ideais Verificou-se que as distorccedilotildees provocadas pelas

interconexotildees de cobre foram significativas indicando que as interconexotildees de SWCNT

bundle possuem melhor desempenho que as de cobre

Assim constata-se que as interconexotildees de SWCNT bundle satildeo fortes candidatas a

substituirem as interconexotildees de cobre em circuitos em escala giga (GSI) e tera (TSI)

46

5 CONCLUSOtildeES

Nesta dissertaccedilatildeo o estudo das interconexotildees de SWCNT de SWCNT bundle e de cobre

foi realizado analisando e comparando os seus desempenhos para diferentes

comprimentos A partir desse estudo verificou-se que as interconexotildees de SWCNT bundle

possui desempenho comparaacutevel ao das interconexotildees de cobre no caso de interconexotildees

locais Em relaccedilatildeo agraves interconexotildees intermediaacuterias as de SWCNT bundle apresentam

desempenho superior agraves de cobre

As interconexotildees de SWCNT bundle e as interconexotildees de cobre foram entatildeo simuladas na

rede H-tree clock de dois niacuteveis para diferentes comprimentos e frequecircncias Nos pontos

de destino final da rede foram colocadas portas inversoras formadas por SETs permitindo

a anaacutelise de circuitos nanoeletrocircnicos

A partir da anaacutelise da rede H-tree clock observou-se que as interconexotildees de SWCNT

bundle possuem desempenho melhor que as de cobre principalmente em relaccedilatildeo ao slew

rate agrave atenuaccedilatildeo ao tempo de atraso e ao produto atraso-potecircncia Aleacutem disso a

dissipaccedilatildeo de potecircncia das interconexotildees natildeo-ideais natildeo interferem na potecircncia total

dissipada pelo circuito Assim as interconexotildees de SWCNT bundle satildeo fortes candidatas a

substituirem as interconexotildees de cobre em circuitos em escala giga (GSI) e tera (TSI)

Como perspectivas futuras eacute importante analisar o efeito das interconexotildees de nanotubo de

carbono em circuitos GSI e TSI com outras arquiteturas A anaacutelise das interconexotildees de

CNT tambeacutem deve ser feita em circuitos com tecnologia MOS permitindo a comparaccedilatildeo

entre diferentes tecnologias Aleacutem disso eacute interessante estudar outros tipos de materiais

que possam ser utilizados como interconexotildees em circuitos integrados

47

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53

7 APEcircNDICES

71 TABELAS COMPLEMENTARES

Tabela 71 Paracircmetros obtidos a partir do modelo de SWCNT isolado

L RQ (Ω) RS (Ω) LCNT (10-9

H) CCNT (10-18

F)

10 nm 645103 - 40010

-2 27910

-1

100 nm 645103 - 40010

-1 279

200 nm 645103 - 80010

-1 558

300 nm 645103 - 120 837

400 nm 645103 - 160 11210

1

500 nm 645103 - 200 14010

1

600 nm 645103 - 240 16710

1

700 nm 645103 - 280 19510

1

800 nm 645103 - 320 22310

1

900 nm 645103 - 360 25110

1

1 microm 645103 - 400 27910

1

10 microm 645103 64510

4 40010

1 27910

2

100 microm 645103 64510

5 40010

2 27910

3

200 microm 645103 12910

6 80010

2 55810

3

300 microm 645103 19410

6 12010

3 83710

3

400 microm

645103 25810

6 16010

3 11210

4

500 microm

645103 32310

6 20010

3 14010

4

Tabela 72 Paracircmetros obtidos a partir do modelo de SWCNT bundle

L RQ (Ω) RS (Ω) LBundle(10-9

H) CBundle(10-18

F)

10 nm 1075 - 66710-5

135

100 nm 1075 - 66710-4

135101

200 nm 1075 - 13310-3

270101

300 nm 1075 - 20010-3

405101

400 nm 1075 - 26710-3

540101

500 nm 1075 - 33310-3

675101

600 nm 1075 - 40010-3

810101

700 nm 1075 - 46710-3

945101

800 nm 1075 - 53310-3

108102

900 nm 1075 - 60010-3

122102

1 microm 1075 - 66710-3

135102

10 microm 1075 108102 66710

-2 13510

3

100 microm 1075 108103 66710

-1 13510

4

200 microm 1075 215103 133 27010

4

300 microm 1075 323103 200 40510

4

400 microm

1075 430103 267 54010

4

500 microm

1075 538103 333 67510

4

54

Tabela 73 Paracircmetros obtidos a partir do modelo de cobre

L RCu (Ω) LCu (10-9

H) CCu (10-18

F)

10 nm 06 37310-6

150

100 nm 60 63610-5

150101

200 nm 120 17510-4

300101

300 nm 180 30910-4

450101

400 nm 240 45410-4

600101

500 nm 300 61110-4

750101

600 nm 360 77510-4

900101

700 nm 420 94610-4

105102

800 nm 480 11210-3

120102

900 nm 540 13110-3

135102

1 microm 600 14910-3

150102

10 microm 60102 24010

-2 15010

3

100 microm 60103 33210

-1 15010

4

200 microm 12104 72010

-1 30010

4

300 microm 18104 113 45010

4

400 microm

24104 155 60010

4

500 microm

30104 198 75010

4

55

Tabela 74 Frequecircncia em -3dB das interconexotildees locais

Comprimento Material f-3dB

10 nm SWCNT isolado 253 GHz

SWCNT bundle 66 THz

Cobre 232 THz

100 nm SWCNT isolado 300 GHz

SWCNT bundle 20 THz

Cobre 51 THz

200 nm SWCNT isolado 342 GHz

SWCNT bundle 14 THz

Cobre 29 THz

300 nm SWCNT isolado 344 GHz

SWCNT bundle 11 THz

Cobre 20 THz

400 nm SWCNT isolado 329 GHz

SWCNT bundle 89 THz

Cobre 15 THz

500 nm SWCNT isolado 307 GHz

SWCNT bundle 76 THz

Cobre 12 THz

600 nm SWCNT isolado 288 GHz

SWCNT bundle 67 THz

Cobre 94 THz

700 nm SWCNT isolado 271 GHz

SWCNT bundle 61 THz

Cobre 76 THz

800 nm SWCNT isolado 255 GHz

SWCNT bundle 55 THz

Cobre 63 THz

900 nm SWCNT isolado 240 GHz

SWCNT bundle 51 THz

Cobre 52 THz

1 microm SWCNT isolado 230 GHz

SWCNT bundle 47 THz

Cobre 42 THz

56

Tabela 75 Frequecircncia em -3dB das interconexotildees intermediaacuterias

Comprimento Material f-3dB

10 microm SWCNT isolado 26 GHz

SWCNT bundle 527 GHz

Cobre 34 GHz

100 microm SWCNT isolado 32 MHz

SWCNT bundle 42 GHz

Cobre 345 MHz

200 microm SWCNT isolado 82 MHz

SWCNT bundle 10 GHz

Cobre 87 MHz

300 microm SWCNT isolado 36 MHz

SWCNT bundle 455 MHz

Cobre 38 MHz

400 microm SWCNT isolado 21 MHz

SWCNT bundle 256 MHz

Cobre 21 MHz

500 microm SWCNT isolado 13 MHz

SWCNT bundle 165 MHz

Cobre 14 MHz

57

8 ANEXOS

81 COacuteDIGO SPICE DO SET [44]

Transistor mono-eleacutetron (SET) conexotildees fonte | dreno | | porta1 | | | porta2 | | | | SUBCKT SET 1 2 3 4 PARAMS +C1=1E-20 Capacitacircncia da junccedilatildeo 1 +C2=1E-20 Capacitacircncia da junccedilatildeo 2 +R1=1E5 Resistecircncia da junccedilatildeo 1 +R2=1E5 Resistecircncia da junccedilatildeo 2 +Cg1=015E-18 Capacitacircncia da junccedilatildeo 1 +Cg2=0 Capacitacircncia da junccedilatildeo 2 +C0=0 Capacitacircncia proacutepria da ilha +Q0=005 Carga offset em unidades de e +TEMP=300 Temperatura PARAM E=160217733E-19 Carga do eleacutetron (e) PARAM CSUM=C1+C2+Cg1+Cg2+C0 Capacitacircncia total do SET PARAM T=TEMPCSUM53785467E14 Temperatura normalizada 53785467E14 = kBe^2 PARAM RN1=R1(R1+R2) Resistecircncia da junccedilatildeo 1 normalizada PARAM RN2=R2(R1+R2) Resistecircncia da junccedilatildeo 2 normalizada FUNC Q(v1v2v3v4) (Cg1v3+Cg2v4+C1v1+C2v2)E+Q0 Definiccedilatildeo da carga em unidades de e FUNC VN(v) CSUMvE Tensatildeo normalizada FUNC GAMMA(u) IF(T==0IF(ult0-u0)IF(u==0Tu(EXP(uT)-1))) FUNC N_OPT(v1v2v3v4) ROUND(-Q(v1v2v3v4)+(CSUME) (v1RN2+v2RN1)) A maior probabilidade de carga na ilha em unidades de e Os quarto eventos tuacuteneis FUNC R1L(nv1v2v3v4) GAMMA(05 - n - Q(v1v2v3v4) + VN(v1))RN1 FUNC R1R(nv1v2v3v4) GAMMA(05 + n + Q(v1v2v3v4) - VN(v1))RN1 FUNC R2L(nv1v2v3v4) GAMMA(05 + n + Q(v1v2v3v4) - VN(v2))RN2 FUNC R2R(nv1v2v3v4) GAMMA(05 - n - Q(v1v2v3v4) + VN(v2))RN2

58

determinaccedilatildeo das probabilidades relativas assume-se inicialmente que o estado da carga N_OPT tem probabilidade relativa igual a um FUNC PN_1(nv1v2v3v4) (R1L(nv1v2v3v4)+R2R(nv1v2v3v4))(R1R(n-1v1v2v3v4)+R2L(n-1v1v2v3v4)) FUNC PN_2(nv1v2v3v4) PN_1(nv1v2v3v4) +(R1L(n-1v1v2v3v4)+R2R(n-1v1v2v3v4))(R1R(n-2v1v2v3v4)+R2L(n-2v1v2v3v4)) FUNC PN_3(nv1v2v3v4) PN_2(nv1v2v3v4) +(R1L(n-2v1v2v3v4)+R2R(n-2v1v2v3v4))(R1R(n-3v1v2v3v4)+R2L(n-3v1v2v3v4)) FUNC PN_4(nv1v2v3v4) PN_3(nv1v2v3v4) +(R1L(n-3v1v2v3v4)+R2R(n-3v1v2v3v4))(R1R(n-4v1v2v3v4)+R2L(n-4v1v2v3v4)) FUNC PN_5(nv1v2v3v4) PN_4(nv1v2v3v4) +(R1L(n-4v1v2v3v4)+R2R(n-4v1v2v3v4))(R1R(n-5v1v2v3v4)+R2L(n-5v1v2v3v4)) FUNC PN1(nv1v2v3v4) (R2L(nv1v2v3v4) +R1R(nv1v2v3v4))(R2R(n+1v1v2v3v4)+R1L(n+1v1v2v3v4)) FUNC PN2(nv1v2v3v4) PN1(nv1v2v3v4) +(R2L(n+1v1v2v3v4)+R1R(n+1v1v2v3v4))(R2R(n+2v1v2v3v4)+R1L(n+2v1v2v3v4)) FUNC PN3(nv1v2v3v4) PN2(nv1v2v3v4) +(R2L(n+2v1v2v3v4)+R1R(n+2v1v2v3v4))(R2R(n+3v1v2v3v4)+R1L(n+3v1v2v3v4)) FUNC PN4(nv1v2v3v4) PN3(nv1v2v3v4) +(R2L(n+3v1v2v3v4)+R1R(n+3v1v2v3v4))(R2R(n+4v1v2v3v4)+R1L(n+4v1v2v3v4)) FUNC PN5(nv1v2v3v4) PN4(nv1v2v3v4) +(R2L(n+4v1v2v3v4)+R1R(n+4v1v2v3v4))(R2R(n+5v1v2v3v4)+R1L(n+5v1v2v3v4)) FUNC PSUM(nv1v2v3v4) PN_5(nv1v2v3v4)+PN_4(nv1v2v3v4)+PN_3(nv1v2v3v4)+PN_2(nv1v2v3v4) ++PN_1(nv1v2v3v4)+1+PN1(nv1v2v3v4)+PN2(nv1v2v3v4)+PN3(nv1v2v3v4) ++PN4(nv1v2v3v4)+PN5(nv1v2v3v4)

59

caacutelculo da corrente da fonte para o dreno FUNC CUR(nv1v2v3v4) PN_5(nv1v2v3v4)(R1R(n-5v1v2v3v4)-R1L(n-5v1v2v3v4)) ++PN_4(nv1v2v3v4)(R1R(n-4v1v2v3v4)-R1L(n-4v1v2v3v4)) ++PN_3(nv1v2v3v4)(R1R(n-3v1v2v3v4)-R1L(n-3v1v2v3v4)) ++PN_2(nv1v2v3v4)(R1R(n-2v1v2v3v4)-R1L(n-2v1v2v3v4)) ++PN_1(nv1v2v3v4)(R1R(n-1v1v2v3v4)-R1L(n-1v1v2v3v4)) ++(R1R(nv1v2v3v4)-R1L(nv1v2v3v4)) ++PN1(nv1v2v3v4)(R1R(n+1v1v2v3v4)-R1L(n+1v1v2v3v4)) ++PN2(nv1v2v3v4)(R1R(n+2v1v2v3v4)-R1L(n+2v1v2v3v4)) ++PN3(nv1v2v3v4)(R1R(n+3v1v2v3v4)-R1L(n+3v1v2v3v4)) ++PN4(nv1v2v3v4)(R1R(n+4v1v2v3v4)-R1L(n+4v1v2v3v4)) ++PN5(nv1v2v3v4)(R1R(n+5v1v2v3v4)-R1L(n+5v1v2v3v4)) FUNC CURRENT(nv1v2v3v4) ECUR(nv1v2v3v4)(CSUMPSUM(nv1v2v3v4)(R1+R2)) caacutelculo da tensatildeo da ilha FUNC VOLT(nv1v2v3v4) PN_5(nv1v2v3v4)(n-5+Q(v1v2v3v4)) ++PN_4(nv1v2v3v4)(n-4+Q(v1v2v3v4)) ++PN_3(nv1v2v3v4)(n-3+Q(v1v2v3v4)) ++PN_2(nv1v2v3v4)(n-2+Q(v1v2v3v4)) ++PN_1(nv1v2v3v4)(n-1+Q(v1v2v3v4)) ++n+Q(v1v2v3v4) ++PN1(nv1v2v3v4)(n+1+Q(v1v2v3v4)) ++PN2(nv1v2v3v4)(n+2+Q(v1v2v3v4)) ++PN3(nv1v2v3v4)(n+3+Q(v1v2v3v4)) ++PN4(nv1v2v3v4)(n+4+Q(v1v2v3v4)) ++PN5(nv1v2v3v4)(n+5+Q(v1v2v3v4)) FUNC VOLTAGE(nv1v2v3v4) (ECSUM)VOLT(nv1v2v3v4)PSUM(nv1v2v3v4) E1 5 0 VALUE= VOLTAGE(N_OPT(V(1)V(2)V(3)V(4))V(1)V(2)V(3)V(4)) Tensatildeo da ilha G1 1 2 VALUE= CURRENT(N_OPT(V(1)V(2)V(3)V(4))V(1)V(2)V(3)V(4)) Corrente da fonte para o dreno CT1 1 5 C1 CT2 2 5 C2 CGATE1 3 5 CG1 CGATE2 4 5 CG2 ENDS SET

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2

11 OBJETIVOS

O objetivo desta dissertaccedilatildeo eacute fazer um estudo comparativo entre o desempenho das

interconexotildees de nanotubo de carbono e das interconexotildees de cobre Com esse intuito

preliminarmente o desempenho das interconexotildees de SWCNT (do inglecircs single-walled

carbon nanotube) de SWCNT bundle (vaacuterios SWCNTs dispostos em paralelo como uma

corda) e de cobre seraacute comparado considerando diferentes comprimentos das

interconexotildees

Por fim o efeito das interconexotildees de SWCNT bundle e de cobre seraacute analisado na rede H-

tree clock com inversores mono-eleacutetron em seus terminais tambeacutem para diferentes

comprimentos Assim seraacute possiacutevel analisar se os nanotubos de carbono poderatildeo substituir

o cobre em interconexotildees em circuitos integrados GSI e TSI

12 ORGANIZACcedilAtildeO

No capiacutetulo 2 satildeo apresentados os conceitos fundamentais necessaacuterios agrave correta

compreensatildeo desta pesquisa Seratildeo abordados conceitos referentes agraves interconexotildees de

CNT e cobre aos dispositivos de tunelamento mono-eleacutetron e agrave estrutura do H-tree clock

O capiacutetulo 3 descreve a metodologia utilizada agrave realizaccedilatildeo do objeto de pesquisa desta

dissertaccedilatildeo Assim seratildeo apresentadas as etapas que foram seguidas para analisar o efeito

das interconexotildees em circuitos com transistores mono-eleacutetron

No capiacutetulo 4 os resultados e anaacutelises das simulaccedilotildees das interconexotildees ideais e natildeo-

ideais considerando o SWCNT SWCNT bundle e o cobre satildeo apresentados As

interconexotildees satildeo analisadas tambeacutem nos circuitos H-tree clock

O capiacutetulo 5 apresenta as conclusotildees e as recomendaccedilotildees para trabalhos futuros

3

2 FUNDAMENTACcedilAtildeO TEOacuteRICA

21 INTERCONEXOtildeES

211 Limitaccedilotildees do cobre em relaccedilatildeo ao CNT

As interconexotildees de cobre sofrem inuacutemeros problemas indesejados que aumentam agrave

medida que as interconexotildees diminuem de tamanho Essa diminuiccedilatildeo de tamanho resulta

em interconexotildees menos eficientes no maior consumo de potecircncia e no aumento da

densidade de corrente transportada por cada interconexatildeo [22] De acordo com o ITRS

[21] a densidade de corrente pode atingir valores na ordem de 107 Acm

2 Este valor soacute eacute

suportado por CNTs uma vez que satildeo capazes de suportar densidades de corrente na

ordem de 1010

Acm2 [1317]

Os CNTs tecircm provocado grande interesse nos cientistas desde a sua descoberta em 1991

por Iijima devido agraves excelentes propriedades eleacutetricas teacutermicas e mecacircnicas que possuem

Suas propriedades eleacutetricas permitem que suportem densidades de ateacute 1010

Acm2 sendo

que o cobre suporta densidades inferiores a 107 Acm

2 [1317] O caminho meacutedio livre do

CNT eacute superior ao do cobre o que possibilita um transporte baliacutestico por uma ampla gama

de extensatildeo e isso resulta em uma resistividade menor do CNT [13-17] Aleacutem disso a alta

condutividade teacutermica do CNT que eacute outra limitaccedilatildeo do cobre eacute de fundamental

importacircncia na aplicaccedilatildeo em interconexotildees Essas propriedades possibilitam uma

toleracircncia do CNT agrave eletromigraccedilatildeo a qual eacute uma grande limitaccedilatildeo no desempenho das

interconexotildees de cobre [131719]

212 Caracteriacutesticas do CNT

Os nanotubos de carbono podem ser formados por uma lacircmina de grafeno enrolada

conhecida como SWCNT (single-walled carbon nanotube) ou por vaacuterios tubos

concecircntricos formando uma multicamada conhecida por MWCNT (multi-walled carbon

nanotube) [2324] A Figura 21 ilustra a estrutura de uma lacircmina de grafeno do SWCNT e

do MWCNT

4

Figura 21 ndash Estrutura de uma lacircmina de grafeno (esquerda) do SWCNT (meio) e do

MWCNT (direita) [13]

Eacute importante destacar que os MWCNTs satildeo menos favoraacuteveis para o uso em

interconexotildees jaacute que eles apresentam caminho meacutedio livre menor que os SWCNTs

[1317] Como a resistecircncia de um uacutenico SWCNT pode ter valores altos eacute necessaacuteria a

uniatildeo de vaacuterios dispostos em paralelo como uma corda chamado de bundle para diminuir

o valor da resistecircncia equivalente da interconexatildeo [1315] A Figura 22 ilustra a estrutura

do SWCNT bundle [16]

Figura 22 ndash Estrutura do SWCNT bundle [16]

Dependendo de como a lacircmina eacute enrolada que resulta no acircngulo quiral e nos iacutendices

quirais de sua estrutura o nanotubo pode ser metaacutelico ou semicondutor [131419] Os

iacutendices quirais satildeo identificados por (mn) O nanotubo seraacute metaacutelico quando a diferenccedila

entre os iacutendices quirais for um muacuteltiplo inteiro de 3 e seraacute semicondutor nos outros casos

[13] A estrutura eacute chamada de zig-zag quando m ou n eacute igual a zero podendo ser metaacutelica

ou semicondutora Quando m=n a estrutura eacute denominada armchair sendo sempre

metaacutelica Nos outros casos a estrutura eacute conhecida como quiral e pode ser metaacutelica ou

semicondutora [24] A Figura 23 mostra as estruturas do armchair zig-zag e quiral [24]

5

Figura 23 ndash Estrutura do (i) armchair (ii) zig-zag e (iii) quiral [24]

De acordo com [22] o crescimento dos CNTs geralmente eacute realizado atraveacutes de um dos

seguintes meacutetodos descarga por arco eleacutetrico ablaccedilatildeo a laser e deposiccedilatildeo quiacutemica a vapor

do inglecircs chemical vapor deposition ndash CVD O processo de descarga por arco eleacutetrico tem

sido desenvolvido para preparar MWCNTs e SWCNTs de alta qualidade Neste processo

aacutetomos de carbono satildeo evaporados com um gaacutes de plasma inerte caracterizado por altas

correntes eleacutetricas que passam entre os eletrodos opostos de carbono (caacutetodo e acircnodo)

Normalmente o acircnodo do carbono conteacutem uma pequena porcentagem de catalisador de

metal como o cobalto niacutequel ou ferro Jaacute o meacutetodo de ablaccedilatildeo a laser utiliza um pulso

duplo de lasers para evaporar varetas de grafite dopadas com uma mistura de cobalto e

niacutequel em poacute colocado em um tubo aquecido a temperatura elevada seguido de um

tratamento teacutermico a vaacutecuo

Apesar dos meacutetodos de descarga por arco eleacutetrico e ablaccedilatildeo a laser produzir grandes

quantidades de CNTs de alta qualidade e oferecer uma ampla disponibilidade de CNTs

para estudos e possiacuteveis aplicaccedilotildees existem vaacuterias preocupaccedilotildees associadas com estes dois

meacutetodos de crescimento [22] Dessa forma os meacutetodos de CVD satildeo bastante usados no

crescimento de CNTs com aplicaccedilatildeo em eletrocircnica incluindo interconexotildees [1322] O

processo de crescimento CVD envolve o aquecimento do catalisador a uma temperatura

elevada e a introduccedilatildeo de gaacutes de hidrocarboneto ou de monoacutexido de carbono para dentro

6

do reator O mecanismo de crescimento do CNT tem sido considerado como um processo

de dissociaccedilatildeo-difusatildeo-precipitaccedilatildeo em que o carbono eacute formado sobre a superfiacutecie de

uma partiacutecula de metal seguida de difusatildeo e precipitaccedilatildeo sob a forma de grafeno ciliacutendrico

[22]

213 Modelos de Interconexatildeo

Para realizar uma comparaccedilatildeo por simulaccedilatildeo entre o desempenho do CNT e do cobre

modelos equivalentes de circuito de interconexotildees que reproduzam com fidelidade o seu

comportamento fiacutesico satildeo necessaacuterios Com esse intuito eacute fundamental que os fatores que

interferem no desempenho das interconexotildees como resistecircncia indutacircncia capacitacircncia e

comprimento sejam considerados A partir do estudo desses modelos eacute possiacutevel verificar

se as interconexotildees de CNT poderatildeo substituir as de cobre e os casos em que isso eacute

possiacutevel

2131 Modelo de interconexatildeo do SWCNT isolado

A resistecircncia de um SWCNT isolado eacute composta por ateacute trecircs partes resistecircncia de contato

entre o metal e o nanotubo (Rc) resistecircncia quacircntica (Rq) e resistecircncia de espalhamento

(Rs) [192325] As resistecircncias de contato e quacircntica satildeo independentes do comprimento

do nanotubo Jaacute a resistecircncia de espalhamento depende do comprimento do nanotubo [26-

31]

Quando o comprimento do SWCNT eacute menor ou igual ao caminho meacutedio livre (lCNT le

λCNT) que eacute tipicamente 1 microm o transporte de eleacutetrons eacute essencialmente baliacutestico e a

resistecircncia independe do comprimento do nanotubo [1332] No entanto quando o

comprimento do SWCNT eacute maior que o caminho meacutedio livre (lCNT gt λCNT) haacute uma

resistecircncia adicional que depende do comprimento do SWCNT e eacute chamada de resistecircncia

de espalhamento [13-15] Assim a resistecircncia total eacute dada pela equaccedilatildeo (21) em que lCNT

eacute o comprimento do nanotubo de carbono

CNTCNT

CNTCNT

CNTlseRsRqRc

lseRqRcR

(21)

7

A resistecircncia de contato pode chegar ao valor de 100 kΩ [131533] Contudo essa

resistecircncia em nanotubos de carbono com diacircmetro maior que 1nm estaacute na ordem de

poucos kilo ohms ou ateacute mesmo centenas de ohms [1316] Neste trabalho considerou-se o

contato metal-nanotubo como sendo perfeito ou seja Rc = 0

A resistecircncia quacircntica e a de espalhamento satildeo descritas pelas equaccedilotildees (22) e (23)

respectivamente onde e eacute a carga do eleacutetron e h eacute a constante de Plank A resistecircncia

quacircntica (Rq) eacute igualmente dividida em cada lado dos contatos metal-nanotubo [13-

173435]

ke

hRq 456

4 2 (22)

CNT

CNTl

e

hRs

24 (23)

O movimento de eleacutetrons transportados por um condutor eacute modelado pela indutacircncia que

consiste na indutacircncia magneacutetica e cineacutetica [1316] No SWCNT a indutacircncia magneacutetica eacute

calculada considerando que o CNT eacute um fio muito fino com diacircmetro d e estaacute

posicionado a uma distacircncia y do plano ligado ao terra A indutacircncia cineacutetica eacute calculada

pela equaccedilatildeo da energia cineacutetica armazenada em cada canal condutor do CNT para uma

indutacircncia efetiva [141535] Assim a indutacircncia magneacutetica (LM) e a cineacutetica (LK) podem

ser calculadas pelas equaccedilotildees (24) e (25) respectivamente

d

yLM ln

2

(24)

F

Kve

hL

22 (25)

Para d = 1nm e y = 1microm LM = 14pHmicrom [141529] Como vF eacute a velocidade de Fermi

cujo valor eacute dado por 8x105 ms para o CNT o valor da indutacircncia cineacutetica eacute LK =

16nHmicrom [13-1635] Sabendo que cada CNT tem quatro canais condutores em paralelo

que natildeo interagem entre si a indutacircncia cineacutetica efetiva eacute dada por LK4 [13-15] Uma boa

aproximaccedilatildeo da indutacircncia total do CNT (LCNT) eacute 4 nHmicrom [15]

8

Por fim a capacitacircncia de um SWCNT isolado eacute constituiacuteda por duas partes que satildeo a

capacitacircncia eletrostaacutetica (CE) e a quacircntica (CQ) [13-1735] Essas capacitacircncias satildeo

calculadas pelas equaccedilotildees (26) e (27)

d

yCE

ln

2 (26)

F

Qhv

eC

22 (27)

A capacitacircncia eletrostaacutetica eacute influenciada pelo ambiente que a envolve que satildeo os seus

vizinhos e o plano ligado ao terra Considerando que o CNT eacute um fio com diacircmetro d =

1nm e a distacircncia y = 1microm obteacutem-se CE = 30 aFmicrom Jaacute a capacitacircncia quacircntica se refere agrave

influecircncia da energia quacircntica armazenada no nanotubo quando este carrega corrente O

valor da capacitacircncia eacute CQ = 100 aFmicrom [1314] Considerando os quatro canais condutores

descritos anteriormente a capacitacircncia total eacute dada por (28)

QE

QE

CNTCC

CCC

4

4

(28)

Assim o esquemaacutetico da interconexatildeo de um SWCNT isolado eacute mostrado na Figura 24

abaixo

Figura 24 ndash Modelo de interconexatildeo do SWCNT isolado (modificado de [33])

2132 Modelo de interconexatildeo do SWCNT bundle

O SWCNT bundle possui resistecircncia equivalente menor que o SWCNT isolado

caracteriacutestica necessaacuteria para alcanccedilar performances comparaacuteveis agraves interconexotildees de

9

cobre [13-2023252629-38] O SWCNT bundle eacute composto por vaacuterios SWCNTs

empacotados em paralelo Assume-se que todos os SWCNTs satildeo idecircnticos metaacutelicos e que

cada um tem o mesmo potencial [1737] Sabendo que d eacute o diacircmetro do nanotubo de

carbono e x eacute a distacircncia entre os centros de dois nanotubos adjacentes o SWCNT bundle

pode ser empacotado de forma densa se x = d ou de forma esparsa se x gt d [13-1529-

32] Sabe-se que entre os nanotubos existe uma separaccedilatildeo δmin devido agrave forccedila de Van der

Waals que eacute de pelo menos 032 nm entre cada nanotubo [13] como mostra a Figura 25

Figura 25 ndash Separaccedilatildeo miacutenima entre CNTs devido agrave forccedila de Van der Waals (modificado

de [13])

O nuacutemero de nanotubos de carbono nCNT disponiacutevel pode ser calculado pelas expressotildees

dadas em (29) e (210) [141530]

iacutemparnsen

nn

parnsen

nn

n

HH

HW

HH

HW

CNT

2

1

2

(29)

1

23

x

dtn

x

dwn HW (210)

Nas expressotildees acima w eacute a largura e t eacute a altura da interconexatildeo de SWCNT bundle

Assim nW eacute o nuacutemero de CNTs ao longo da largura do SWCNT bundle e nH eacute o nuacutemero de

CNTs ao longo da altura do SWCNT bundle [13-1530] A Figura 26 mostra esses valores

[13]

10

Figura 26 ndash Nuacutemero de CNTs ao longo da largura (nW) e da altura (nH) do CNT

bundle[13]

Na tecnologia de 22 nm considerando as dimensotildees de 22 nm de largura e 44 nm de altura

do SWCNT bundle [13173437] e a separaccedilatildeo entre cada nanotubo devido agrave forccedila de Van

der Waals a quantidade de SWCNTs eacute aproximadamente 600 Neste trabalho estas

consideraccedilotildees foram feitas e a tecnologia de 22 nm foi utilizada Esta tecnologia eacute prevista

pelo ITRS para o ano de 2016 [21]

As resistecircncias de cada SWCNT estatildeo em paralelo entre elas assim como as indutacircncias

Assim a resistecircncia e a indutacircncia do SWCNT bundle com nCNT SWCNTs satildeo calculados

respectivamente pelas expressotildees (211) e (212) [1323252629-3234]

CNT

CNTbundle

n

RR (211)

CNT

CNTbundle

n

LL (212)

Considerando que todos os SWCNTs estatildeo no mesmo potencial que os contatos entre

todos os nanotubos de carbono em um bundle satildeo idecircnticos e que cada SWCNT tem o

mesmo caminho meacutedio livre [13] eacute possiacutevel assumir que a interaccedilatildeo entre CNTs

adjacentes de um SWCNT bundle eacute fraca e que eles carregam correntes independentes

umas das outras [13-17]

A capacitacircncia do SWCNT bundle eacute obtida a partir da combinaccedilatildeo da capacitacircncia

quacircntica de todos os SWCNTs em paralelo chamada de capacitacircncia quacircntica bundle

(CQbundle

) que estaacute em seacuterie com a capacitacircncia eletrostaacutetica (CEbundle

) [13143539] A

capacitacircncia quacircntica e a capacitacircncia eletrostaacutetica satildeo calculadas pelas equaccedilotildees (213) e

(214) em que CEn e CEf satildeo as capacitacircncias de placas paralelas de CNTs isolados em

11

relaccedilatildeo aos vizinhos proacuteximos e afastados respectivamente [14293032] Assim a

capacitacircncia total do SWCNT bundle eacute obtida pela equaccedilatildeo (215)

CNT

CNT

Q

bundle

Q nCC (213)

En

HEf

WEn

bundle

E Cn

Cn

CC5

23

2

22

(214)

bundle

Q

bundle

E

bundle

Q

bundle

E

bundleCC

CCC

(215)

Analisando a equaccedilatildeo (215) o efeito da CQbundle

eacute pequeno para grandes valores de nCNT

sendo o valor da capacitacircncia do SWCNT bundle aproximadamente igual agrave sua

capacitacircncia eletrostaacutetica [13161719] Srivastava et al [13] mostra que os nanotubos no

interior do SWCNT bundle satildeo blindados eletrostaticamente dos condutores de terra

podendo ser desprezados Os CNTs de borda satildeo os principais contribuidores para a

capacitacircncia eletrostaacutetica do SWCNT bundle No entanto a equaccedilatildeo (214) natildeo reproduz

fielmente a realidade jaacute que considera a capacitacircncia eletrostaacutetica de todos os nanotubos e

natildeo soacute os CNTs de borda Segundo o mesmo autor para a tecnologia de 22 nm e uma

constante dieleacutetrica igual a 2 a capacitacircncia total do SWCNT bundle eacute aproximadamente

135 aFμm

2133 Modelo de interconexatildeo do cobre

As propriedades fiacutesicas de interconexotildees de cobre podem ser descritas por resistecircncia

capacitacircncia e indutacircncia [14-16] A resistecircncia do cobre pode ser calculada utilizando a

equaccedilatildeo (216)

tw

lRCu

(216)

em que l eacute o comprimento do cobre w eacute a sua largura t eacute a sua altura e ρ eacute a sua

resistividade A resistividade do cobre em escala nanomeacutetrica eacute moldada pela combinaccedilatildeo

dos fenocircmenos de espalhamento superficial e de espalhamento de contorno

[151627283340] Estes fenocircmenos correspondem aos paracircmetros ρFS e ρMS propostos

12

por Fuchs e Sondheimer (ρFS) e por Mayadas e Shatzkes (ρMS) [1516] Estes paracircmetros

satildeo calculados pelas expressotildees (217) (218) e (219)

)1(

4

31 p

w

o

o

FS

(217)

11ln33

2

31 22

MS

o (218)

)1( R

R

D

o

(219)

O paracircmetro ρo eacute a resistividade do material λo eacute o caminho meacutedio livre p eacute o paracircmetro

de espalhamento de Fuchs D eacute o tamanho meacutedio e R eacute o coeficiente de reflexatildeo no

contorno com valores entre 0 e 1 Assim tem-se que a resistecircncia do cobre em escala

nanomeacutetrica eacute dada pela equaccedilatildeo (220) [1516]

tw

lR MSFS

Cu

(220)

De acordo com [1433] o valor da resistividade do cobre na tecnologia de 22nm para

interconexotildees locais eacute dado por 4666 μΩ-cm No entanto este valor da resistividade do

cobre chega a 58 μΩ-cm para valores miacutenimos da largura do fio [1516203940] Neste

trabalho seraacute utilizado o valor de 58 μΩ-cm para a resistividade do cobre na tecnologia de

22 nm que vai ao encontro dos requerimentos do ITRS [21]

A indutacircncia proacutepria (L) e a muacutetua (M) da interconexatildeo de cobre em escala nanomeacutetrica

satildeo obtidas usando respectivamente as expressotildees (221) e (222)

l

tw

tw

llL o )(220

2

12ln

2

(221)

l

s

s

llM o 1

2ln

2

(222)

em que t eacute a altura do fio microo eacute a permeabilidade e s eacute o espaccedilamento entre os fios [14-16]

A indutacircncia total do cobre (LCu) eacute dada pela soma das indutacircncias proacutepria e muacutetua

13

A capacitacircncia da interconexatildeo de cobre eacute calculada pela soma da capacitacircncia de

acoplamento entre dois fios adjacentes (CC) e a capacitacircncia ligada ao plano do terra (Cg)

[14-16] Essas capacitacircncias podem ser obtidas pelas equaccedilotildees (223) e (224) [1541]

120760193

534511171

70222

ht

t

hs

s

hs

s

h

wCg (223)

181160141090

980871161

591740

062141

sh

h

sw

w

sw

w

sh

h

s

tCC (224)

em que s eacute o espaccedilamento entre dois fios adjacentes h eacute a distacircncia do fio em relaccedilatildeo ao

plano do terra e ε eacute a permissividade relativa para uma dada constante dieleacutetrica

Considerando as equaccedilotildees (223) e (224) e de acordo com [1321] para uma constante

dieleacutetrica igual a 2 o valor da capacitacircncia total do cobre (CCu) eacute aproximadamente 150

aFμm que seraacute utilizado neste trabalho

Os modelos em L em π e em T satildeo usados como modelos de interconexatildeo de cobre [11]

Como o modelo π eacute muito utilizado para uma linha distribuiacuteda [1416] este modelo seraacute

usado neste trabalho A Figura 27 mostra o modelo de interconexatildeo de cobre [11]

Figura 27 ndash Modelo de interconexatildeo de cobre

A precisatildeo do modelo eacute determinada pelo nuacutemero de seguimentos bdquoN‟ que ele possui Uma

cadeia com mais de trecircs segmentos em π fornece um erro menor que 3 [16] Neste

trabalho seratildeo utilizados trecircs segmentos em π

14

22 INVERSOR MONO-ELEacuteTRON

Os dispositivos de tunelamento mono-eleacutetron satildeo dispositivos nanoeletrocircnicos

potencialmente aplicaacuteveis em circuitos integrados em escala giga (GSI) e tera (TSI)

Apesar de apresentarem baixo ganho e alta impedacircncia de saiacuteda estes dispositivos

possuem tamanho reduzido e baixa dissipaccedilatildeo de potecircncia Estas caracteriacutesticas os tornam

atrativos em circuitos loacutegicos e circuitos de memoacuteria [1-10] Assim portas loacutegicas podem

ser implementadas utilizando dispositivos de tunelamento mono-eleacutetron [14-9]

As portas loacutegicas satildeo blocos de construccedilatildeo baacutesicos na eletrocircnica digital O inversor loacutegico

ou porta NOT eacute o principal elemento baacutesico no projeto de circuitos digitais [42] O

inversor inverte o sinal de entrada de valor loacutegico baixo ndash 0 ndash em um sinal de saiacuteda de

valor loacutegico alto ndash 1 ndash e vice-versa [442] Em outras palavras a porta NOT efetua a

negaccedilatildeo loacutegica O siacutembolo do inversor juntamente com sua tabela verdade estaacute ilustrado

na Figura 28

Figura 28 ndash Siacutembolo e tabela verdade da porta NOT

221 Dispositivo de tunelamento mono-eleacutetron

O funcionamento dos dispositivos de tunelamento mono-eleacutetron eacute baseado no controle do

movimento e da posiccedilatildeo de um uacutenico ou de um pequeno grupo de eleacutetrons no dispositivo

[17] Os seguintes conceitos satildeo essenciais na definiccedilatildeo desses dispositivos ilha junccedilatildeo-

tuacutenel tunelamento efeito de carregamento e bloqueio de Coulomb A partir desses

conceitos eacute possiacutevel definir o transistor mono-eleacutetron - SET (do inglecircs Single-electron

transistor) [24-8]

A ilha estaacute localizada entre duas paredes finas de um material normalmente isolante as

quais criam uma barreira de potencial de energia que impossibilita a movimentaccedilatildeo de

eleacutetrons pela ilha A Figura 29 mostra dois eletrodos A e B separados por uma barreira

15

isolante e no meio dessa barreira isolante encontra-se a ilha Se a energia dos eleacutetrons for

maior que a energia potencial das paredes das barreiras estes poderatildeo atravessaacute-las [6] No

dispositivo de tunelamento mono-eleacutetron o transporte de eleacutetrons entre o eletrodo A e a

ilha e entre a ilha e o eletrodo B ocorre por tunelamento mono-eleacutetron em que os eleacutetrons

atravessam as barreiras um de cada vez [10]

Figura 29 Dois eletrodos separados por uma ilha [10]

Esses dispositivos satildeo formados por junccedilotildees-tuacutenel que satildeo dois eletrodos metaacutelicos

separados por um isolante muito fino (barreira) o qual permite a passagem de eleacutetrons por

tunelamento [467] A Figura 210 ilustra a junccedilatildeo-tuacutenel e sua representaccedilatildeo simboacutelica Os

paracircmetros que caracterizam a junccedilatildeo-tuacutenel macroscopicamente satildeo a resistecircncia de

tunelamento (Rj) que depende da aacuterea e da espessura da barreira isolante e a capacitacircncia

(Cj) [10]

Figura 210 Esquemaacutetico da junccedilatildeo-tuacutenel [10]

O tunelamento eacute o transporte de partiacuteculas atraveacutes de uma regiatildeo em que a energia total de

uma partiacutecula pontual claacutessica eacute menor que a energia potencial da regiatildeo ou seja eacute o

transporte atraveacutes de uma regiatildeo classicamente proibida [10] O efeito de tunelamento

ocorre quando a barreira de potencial for suficientemente fina permitindo que o eleacutetron a

atravesse se houver niacutevel de energia desocupado do outro lado da barreira com o mesmo

valor de energia Esse fenocircmeno pode ser explicado pelo comportamento dual do eleacutetron

Diferentemente da mecacircnica claacutessica na teoria eletromagneacutetica quando uma partiacutecula

encontra uma barreira de potencial parte da onda eacute refletida e a outra parte eacute transmitida

para o outro lado da barreira [10] A teoria ortodoxa do tunelamento mono-eleacutetron eacute o

modelo mais utilizado para analisar o tunelamento [4-6] Proposto em 1987 por Averin e

Likharev [43] este modelo apresenta os seguintes postulados

16

Modelo de dimensatildeo zero as dimensotildees das ilhas satildeo despreziacuteveis

O evento de tunelamento eacute considerado instantacircneo

A redistribuiccedilatildeo das cargas apoacutes tunelamento tambeacutem eacute considerada instantacircnea

O espectro de energia em condutores e ilhas eacute considerado contiacutenuo ou seja a

quantizaccedilatildeo da energia do eleacutetron eacute ignorada dentro dos condutores

Apesar de a teoria ortodoxa assumir condiccedilotildees hipoteacuteticas ela continua sendo muito

utilizada em estudos do dispositivo mono-eleacutetron [4-6]

O efeito de carregamento ocorre quando os eleacutetrons estatildeo na iminecircncia de entrar em um

material condutor extremamente pequeno isolado eletricamente (ilha) Se houver um

eleacutetron na ilha o potencial eletrostaacutetico da ilha aumenta bastante sendo bem superior ao

ruiacutedo teacutermico em temperatura ambiente O fluxo de eleacutetrons na ilha eacute possiacutevel se o

potencial da ilha for controlado por uma fonte de tensatildeo externa Outros eleacutetrons satildeo

impedidos de entrar na ilha devido agrave repulsatildeo de Coulomb [14-9]

Assim o bloqueio de Coulomb ocorre quando um eleacutetron entra na ilha e impede o

tunelamento de outro eleacutetron nesta ilha No momento em que o eleacutetron entra na ilha a

energia eletrostaacutetica da ilha aumenta em Ce 22 em que CΣ eacute a soma das capacitacircncias

em torno da ilha [14] Dessa forma outro eleacutetron soacute conseguiraacute tunelar para dentro da ilha

se sua energia for maior que a energia eletrostaacutetica da ilha [6] A Figura 211 ilustra os

diagramas de energia no bloqueio de Coulomb e no caso de tunelamento [10]

(a) (b)

Figura 211 Diagramas de energia (a) Bloqueio de Coulomb (b) Tunelamento mono-

eleacutetron [10]

17

O bloqueio de Coulomb eacute superado ao se aplicar uma tensatildeo Vg ao circuito ateacute que esta

tensatildeo alcance um dado valor de limiar que forneceraacute energia suficiente para que ocorra o

tunelamento de um eleacutetron Assim haveraacute o fluxo de eleacutetrons havendo corrente A Figura

212 mostra a regiatildeo do bloqueio de Coulomb ao aplicar uma tensatildeo Vg ao circuito em que

Vc eacute a tensatildeo de limiar chamada de tensatildeo de bloqueio de Coulomb [5-10]

Figura 212 Caracteriacutestica do bloqueio de Coulomb [10]

Nesse contexto duas condiccedilotildees satildeo necessaacuterias para garantir que o transporte de eleacutetrons

seja controlado pelo efeito de carregamento a condiccedilatildeo para a resistecircncia de tunelamento

dada pela equaccedilatildeo (225) [1] em que a natureza corpuscular do eleacutetron predomina sobre a

natureza ondulatoacuteria e a energia eletrostaacutetica (EC) associada a uma dada temperatura (T)

deve ser significativamente maior que as flutuaccedilotildees teacutermicas existentes agravequela

temperatura como descrita na equaccedilatildeo (226) [146-9] Os paracircmetros h eacute a constante de

Planck e eacute a carga do eleacutetron kB eacute a constante de Boltzmann e C eacute capacitacircncia Na

equaccedilatildeo (226) a temperatura deve ser maior que 0K [10]

kRe

hR TT 825

2 (225)

TkC

eTkEc BB

2

2

(226)

A partir dos conceitos apresentados pode-se definir o transistor mono-eleacutetron O SET

ilustrado na Figura 213 [10] eacute composto por duas junccedilotildees-tuacutenel em seacuterie formando uma

ilha entre as junccedilotildees [246-9] Os paracircmetros R1 C1 e R2 C2 correspondem agraves

resistecircncias e capacitacircncias da primeira e da segunda junccedilatildeo-tuacutenel respectivamente A

tensatildeo de porta Vg controla a energia eletrostaacutetica da ilha atraveacutes da capacitacircncia Cg

18

Quando haacute carregamento por tunelamento de uma junccedilatildeo e descarregamento da outra

junccedilatildeo haacute um fluxo controlado de cargas o que gera a corrente I [10]

Figura 213 Transistor mono-eleacutetron [10]

Um efeito que pode ser observado na caracteriacutestica da corrente versus tensatildeo do transistor

mono-eleacutetron eacute chamado de oscilaccedilatildeo de Coulomb [24679] Se a tensatildeo V for mantida

constante com CeV e a tensatildeo Vg for aumentada ateacute atingir gg CeV 2 esse

valor de tensatildeo permitiraacute que um eleacutetron passe pela ilha Como soacute haveraacute corrente fluindo

no circuito em valores muacuteltiplos da tensatildeo gCe 2 soacute ocorreraacute o tunelamento novamente

quando )2(3 gg CeV A caracteriacutestica corrente (I) versus tensatildeo (Vg) do transistor

mono-eleacutetron eacute ilustrada na Figura 214 [10]

Figura 214 Caracteriacutestica corrente (I) versus tensatildeo (Vg) do transistor mono-eleacutetron [10]

222 Estrutura do inversor mono-eleacutetron

Um inversor pode ser construiacutedo colocando-se dois SETs em seacuterie os quais compartilham

da mesma entrada [5689] conforme mostrado na Figura 215 Vin eacute a tensatildeo de entrada

Vout eacute a tensatildeo de saiacuteda Vbias eacute a tensatildeo de polarizaccedilatildeo CC eacute a capacitacircncia de carga Cg1 e

Cg2 satildeo as capacitacircncias de porta do SET 1 e do SET 2 respectivamente

19

Figura 215 Esquemaacutetico do inversor utilizando SETs (modificado de [4])

Alguns modelos do SET desenvolvidos no software SPICE foram propostos na literatura

[4-7] Destes modelos o proposto por G Lientschnig et al [4] descreve a implementaccedilatildeo

completa da teoria ortodoxa e usa apenas os recursos em versotildees disponiacuteveis publicamente

do software SPICE Este modelo diferentemente dos modelos propostos em [5-7] natildeo estaacute

limitado a transistores mono-eleacutetron com junccedilotildees-tuacutenel que tecircm resistecircncias iguais Aleacutem

disso pode ser estendido para incluir um nuacutemero arbitraacuterio de estados de carga que

permite simulaccedilotildees definidas para altas temperaturas e tensotildees de polarizaccedilatildeo [4] O

modelo de G Lientschnig et al estaacute disponiacutevel no siacutetio eletrocircnico [44] Assim este foi o

modelo utilizado neste trabalho

23 CLOCKING DE SISTEMAS DE ALTA VELOCIDADE

Em sistemas digitais siacutencronos o sinal do clock eacute utilizado para definir uma referecircncia de

tempo agrave mudanccedila de dados dentro do sistema [1145] Assim a distribuiccedilatildeo do clock eacute de

suma importacircncia na operaccedilatildeo de circuitos integrados digitais sendo uma grande

preocupaccedilatildeo em circuitos integrados de alta velocidade [46-51] Circuitos em escala

nanomeacutetrica podem ser significativamente limitados devido ao clock skew que ocorre

quando os circuitos natildeo estatildeo equumlidistantes do sinal do clock [11454649-51] Como este

sinal eacute o sinal mais ativo em um chip pode resultar em elevado consumo de potecircncia e

grandes densidades de corrente na rede de interconexotildees do clock [454849]

Dessa forma o sinal do clock deve atingir ao mesmo tempo cada noacute para garantir que a

comutaccedilatildeo seja sincronizada bem como deve ser distribuiacutedo de forma que haja o menor

20

atraso possiacutevel [49] Com esse intuito os seguintes fatores entre outros satildeo fundamentais

no desempenho do clock dispositivos loacutegicos de tecnologia raacutepida (avanccedilada) rede de

distribuiccedilatildeo de clock que minimize o skew e interconexotildees com alto desempenho [11]

Conforme exposto anteriormente os dispositivos nanoeletrocircnicos como os transistores

mono-eleacutetron satildeo potencialmente aplicaacuteveis em circuitos integrados em escala giga (GSI)

e tera (TSI) Estes dispositivos permitem que as funccedilotildees loacutegicas sejam desempenhadas em

um tempo mais raacutepido e com menor atraso Assim satildeo fortes candidatos a serem utilizados

em circuitos integrados com clock

A adequada rede de distribuiccedilatildeo do clock assegura que a comutaccedilatildeo seja sincronizada e

que haja o menor atraso possiacutevel [1145] Aleacutem disso dependendo da arquitetura da rede o

niacutevel de sincronismo do sistema pode aumentar Diferentes tipos de abordagens tecircm sido

desenvolvidos para projetar a rede de distribuiccedilatildeo do clock em sistemas digitais de

circuitos integrados [45] Os buffered trees satildeo muito utilizados na distribuiccedilatildeo

equipotencial do clock Aleacutem dessas estruturas assimeacutetricas arquiteturas simeacutetricas como

o H-tree satildeo usadas para distribuir sinais de clock em alta velocidade podendo inclusive

ser projetadas com buffers [45-51] Algumas formas de rede de distribuiccedilatildeo do clock estatildeo

ilustradas na Figura 216 incluindo a trunk tree mesh e H-tree [45]

Figura 216 Estruturas comuns de redes de distribuiccedilatildeo de clock [45]

21

Atualmente as interconexotildees de cobre satildeo bastante utilizadas para circuitos de alto

desempenho como em redes de clock No entanto os CNTs apresentam caracteriacutesticas que

os tornam melhores para serem utilizados em interconexotildees descritas na subseccedilatildeo 221

[48] Neste trabalho seraacute realizada a comparaccedilatildeo entre interconexotildees de cobre e de CNT

na rede de distribuiccedilatildeo do H-tree clock

231 H-Tree Clock

O clock skew pode ser minimizado distribuindo-se o sinal do clock de forma que as

interconexotildees que levam o sinal aos circuitos loacutegicos tecircm o mesmo comprimento Se antes

de chegarem aos circuitos loacutegicos os sinais do clock forem igualmente atrasados eles

estaratildeo perfeitamente sincronizados [1145] Dessa forma o esquemaacutetico da Figura 217 de

distribuiccedilatildeo do clock minimiza o clock skew repetindo recursivamente uma estrutura em

forma de H [11] A Figura 217 ilustra uma rede H-tree simeacutetrica com trecircs niacuteveis [46]

Figura 217 Esquemaacutetico do H-tree clock simeacutetrico (modificado de [46])

Na estrutura do H-tree o condutor primaacuterio do clock estaacute ligado ao centro do H principal

(1ordm niacutevel) transmitindo o sinal para os quatro cantos deste H Esses quatro cantos satildeo as

entradas para o proacuteximo niacutevel do H-tree o 2ordm niacutevel que possui quatro estruturas em H O

processo de distribuiccedilatildeo continua por vaacuterios niacuteveis de H‟s cada vez menores Os pontos de

destino final do H-tree satildeo usados para conduzir os circuitos locais Assim cada caminho

do clock desde a fonte ateacute o circuito local possui praticamente o mesmo atraso [45]

22

24 MEDIDAS DE DESEMPENHO NA ANAacuteLISE DAS INTERCONEXOtildeES

As interconexotildees em circuitos integrados possuem caracteriacutesticas que modificam o sinal de

entrada O efeito das interconexotildees pode provocar atrasos e distorccedilotildees indesejaacuteveis Nesse

contexto eacute necessaacuterio analisar medidas de desempenho dos sinais sob efeito das

interconexotildees tais como velocidade maacutexima atenuaccedilatildeo tempo de atraso potecircncia

dissipada produto atraso-potecircncia e slew rate [111317202342]

241 Velocidade maacutexima - anaacutelise na frequumlecircncia

A velocidade maacutexima que as interconexotildees podem operar sem distorcer o sinal de entrada

eacute uma medida de desempenho importante [172023] Eacute possiacutevel analisar este paracircmetro

atraveacutes da frequumlecircncia maacutexima de operaccedilatildeo da interconexatildeo que eacute a largura de banda em

que o sinal comeccedila a decair em -3dB em relaccedilatildeo ao sinal de referecircncia [1742] Assim

utiliza-se a anaacutelise do moacutedulo do graacutefico de Bode para obter a frequumlecircncia de operaccedilatildeo em

-3dB [42] A Figura 218 mostra o esboccedilo do moacutedulo do ganho pela frequumlecircncia tiacutepico do

comportamento de interconexotildees

Figura 218 Graacutefico do moacutedulo do ganho pela frequumlecircncia tiacutepico do comportamento de

interconexotildees

23

242 Atenuaccedilatildeo

A transmissatildeo de um sinal pode ser expressa em funccedilatildeo do seu ganho ou da sua atenuaccedilatildeo

No caso em estudo as interconexotildees podem atenuar o sinal Essa atenuaccedilatildeo eacute geralmente

calculada pela expressatildeo (227) em que Vo eacute o sinal de saiacuteda e Vi eacute o sinal de entrada [42]

i

o

V

VA log20 (227)

243 Tempo de atraso

O tempo de atraso td ou atraso na propagaccedilatildeo ocorre devido ao

carregamentodescarregamento da capacitacircncia de carga bem como ao tempo de

chaveamento dos transistores [42]

O tempo de atraso eacute obtido pela diferenccedila entre o tempo medido a 50 da transiccedilatildeo dos

sinais de entrada e de saiacuteda [11] Em circuitos loacutegicos o atraso na propagaccedilatildeo pode ser

calculado pela meacutedia aritmeacutetica do tempo de propagaccedilatildeo do sinal de alto para baixo tPHL e

do tempo de propagaccedilatildeo do baixo para alto tPLH conforme equaccedilatildeo (228) [1142]

2

PLHPHLd

ttt

(228)

244 Potecircncia dissipada

A dissipaccedilatildeo de potecircncia eacute outra medida de desempenho bastante importante em circuitos

integrados em escala GSI e TSI Isso ocorre jaacute que ao aumentar o nuacutemero de portas

loacutegicas em uma determinada aacuterea ocupada eacute necessaacuterio que a dissipaccedilatildeo de potecircncia esteja

dentro de limites aceitaacuteveis [1142]

A dissipaccedilatildeo de potecircncia eacute composta por dois componentes potecircncia estaacutetica e potecircncia

dinacircmica A dissipaccedilatildeo de potecircncia estaacutetica eacute dada por IVP DDE e ocorre mesmo que

natildeo haja chaveamento de porta loacutegica no circuito devido ao efeito da resistecircncia do

circuito [42] A dissipaccedilatildeo de potecircncia dinacircmica eacute devido agrave capacitacircncia de carga do

24

circuito expressa por CVfP DDD 2 em que VDD eacute a tensatildeo de alimentaccedilatildeo f eacute

frequumlecircncia do circuito e C eacute a capacitacircncia de carga do circuito [1142] Assim a soma da

potecircncia dinacircmica e da potecircncia estaacutetica resulta na potecircncia total dissipada no circuito

245 Produto atraso-potecircncia

Em circuitos integrados o ideal eacute que se tenha baixo atraso na propagaccedilatildeo resultando em

uma maior velocidade de funcionamento do circuito bem como baixa dissipaccedilatildeo de

potecircncia No entanto essas duas exigecircncias satildeo conflitantes ao reduzirmos a dissipaccedilatildeo de

potecircncia de uma porta a capacidade da porta em fornecer corrente diminuiraacute isso

implicaraacute em um maior tempo de carga e descarga aumentando o atraso na propagaccedilatildeo

Assim o produto atraso-potecircncia (delay power product ndash DP) eacute uma medida de

desempenho bastante utilizada na anaacutelise de circuitos e eacute dado por dD tPDP Quanto

menor o produto atraso-potecircncia maior a eficiecircncia do circuito loacutegico [42]

246 Slew rate

A taxa maacutexima de variaccedilatildeo da tensatildeo de saiacuteda do inglecircs slew rate (SR) eacute uma

caracteriacutestica importante do sinal de saiacuteda de um circuito loacutegico A limitaccedilatildeo na taxa de

variaccedilatildeo pode provocar uma distorccedilatildeo no funcionamento do circuito O SR pode ser

calculado pela expressatildeo (229) em que Δv eacute a variaccedilatildeo da tensatildeo de saiacuteda do sinal para

uma determinada variaccedilatildeo de tempo Δt [42]

t

vSR

(229)

25 LTSPICE

O software LTSPICE eacute um simulador SPICE de alto desempenho orientado a

esquemaacuteticos e visualizador de formas de onda com modelos para facilitar a simulaccedilatildeo de

circuitos eletrocircnicos Se comparado aos outros simuladores SPICE a simulaccedilatildeo do

LTSPICE eacute bastante raacutepida O software consegue simular dispositivos de acordo com o

padratildeo industrial reproduzindo os seus comportamentos [52]

25

O LTSPICE possui vaacuterias possibilidades de simulaccedilatildeo como anaacutelise transiente anaacutelise AC

e anaacutelise DC bem como permite a simulaccedilatildeo de vaacuterios dispositivos disponiacuteveis na sua

biblioteca Aleacutem disso este software possibilita a elaboraccedilatildeo de novos esquemaacuteticos

atraveacutes de um modelo matemaacutetico ou eletrocircnico proposto O novo componente poderaacute ser

utilizado no circuito conforme seraacute feito neste trabalho utilizando-se o modelo SPICE do

SET proposto por G Lientschnig et al[4]

26

3 METODOLOGIA

31 INTRODUCcedilAtildeO

A miniaturizaccedilatildeo das interconexotildees prejudica o seu desempenho resultando no aumento

significativo do valor da resistividade da capacitacircncia de acoplamento entre vias na

dificuldade de controlar a razatildeo entre a altura e a largura do material entre outros

problemas A fim de analisar o desempenho das interconexotildees eacute necessaacuterio verificar

algumas variaacuteveis importantes como velocidade maacutexima (f-3dB) atenuaccedilatildeo (A) tempo de

atraso (td) potecircncia dissipada (P) produto atraso-potecircncia (DP) e slew rate (SR)

[111317202342]

32 ETAPAS E ESTRATEacuteGIAS ADOTADAS

Com o intuito de analisar o efeito das interconexotildees em circuitos com transistores mono-

eleacutetron foi realizada primeiramente a anaacutelise das interconexotildees de SWCNT de SWCNT

bundle e de cobre isoladamente para diferentes valores de comprimento Apoacutes a avaliaccedilatildeo

desses resultados o efeito das interconexotildees foi analisado no H-tree clock com inversores

mono-eleacutetron nos seus terminais tambeacutem considerando diferentes comprimentos Neste

trabalho a tecnologia de 22 nm prevista para o ano de 2016 [21] foi utilizada na

comparaccedilatildeo entre o desempenho do cobre e do CNT Todas as simulaccedilotildees foram realizadas

utilizando o software LTSPICE

321 Simulaccedilatildeo das interconexotildees

A partir dos modelos das interconexotildees de SWCNT SWCNT bundle e cobre apresentados

na subseccedilatildeo 213 diferentes comprimentos das interconexotildees foram simulados Assim

analisou-se as interconexotildees locais em que l le 1 μm e as intermediaacuterias em que 1 μm lt l

le 500 μm sabendo que l eacute o comprimento da interconexatildeo [29-31333638]

A fim de analisar a frequumlecircncia de corte este foi obtido para comprimentos de

interconexotildees locais (10nm 100nm 200nm 300nm 400nm 500nm 600nm 700nm

27

800nm 900nm 1μm) e interconexotildees intermediaacuterias (10μm 100μm 200μm 300μm

400μm 500μm)

Jaacute que λCNT eacute tipicamente 1 μm foram escolhidos trecircs comprimentos na faixa lCNT le λCNT

(10 nm 100 nm e 1 μm) e trecircs comprimentos na faixa lCNT gt λCNT (10 μm 100 μm 500

μm) para serem analisados detalhadamente Escolheu-se uma mesma frequecircncia abaixo da

frequecircncia de corte dos trecircs materiais considerados para analisar e comparar a atenuaccedilatildeo

(A) e o tempo de atraso na propagaccedilatildeo (td) dos diferentes comprimentos

Em seguida o mesmo procedimento foi feito para comparar somente o SWCNT bundle e o

cobre para uma mesma frequecircncia cujo valor eacute maior que a frequecircncia da anaacutelise anterior

permitindo que estes dois materiais sejam analisados detalhadamente

Essas anaacutelises foram realizadas a partir da simulaccedilatildeo do circuito da Figura 31 [2325] A

tensatildeo de entrada Vin eacute uma onda quadrada de 1V de amplitude e o capacitor de carga tem

o valor de 100 aF

Figura 31 ndash Circuito simulado para cada interconexatildeo

A Figura 32 mostra o fluxograma das etapas descritas nesta subseccedilatildeo 321

28

Figura 32 ndash Fluxograma das etapas seguidas na simulaccedilatildeo das interconexotildees

322 Simulaccedilatildeo do inversor mono-eleacutetron

Para utilizar a porta inversora da Figura 215 nos terminais do H-tree clock foi necessaacuterio

primeiramente simular o SET proposto por [4] Essa simulaccedilatildeo foi feita variando os

paracircmetros do SET como as resistecircncias e capacitacircncias das junccedilotildees as capacitacircncias de

porta a temperatura etc Os paracircmetros foram variados ateacute simular o SET a temperatura

de 300K Em seguida simulou-se a inversora da Figura 215 tambeacutem a temperatura

ambiente Dessa forma foi possiacutevel simular a inversora isoladamente obtendo as

caracteriacutesticas do sinal de saiacuteda

323 Simulaccedilatildeo do H-tree clock mono-eleacutetron

Apoacutes a simulaccedilatildeo do SET foi possiacutevel simular o H-tree clock A rede H-tree de dois niacuteveis

foi simulada com um H no primeiro niacutevel e quatro H‟s no segundo niacutevel [49] Nos pontos

de destino final da rede foram colocadas portas inversoras formadas por SETs permitindo

a anaacutelise de circuitos nanoeletrocircnicos

Modelos de SWCNT

SWCNT bundle e cobre

Obtenccedilatildeo dos paracircmetros dos modelos para

interconexotildees locais e interconexotildees intermediaacuterias

Para cada comprimento

obtenccedilatildeo de f-3dB

1ordm) Escolha de frequumlecircncia abaixo

da f-3dB do SWCNT SWCNT

bundle e cobre

2ordm) Escolha de frequumlecircncia abaixo

da f-3dB do SWCNT bundle e

cobre

Obtenccedilatildeo de A e td de

cada modelo

Obtenccedilatildeo de A e td de

cada modelo

Anaacutelise comparativa entre o

SWCNT SWCNT bundle e

cobre

Anaacutelise comparativa entre o

SWCNT bundle e cobre

Estudo de interconexotildees locais (10nm

100nm 1μm) e intermediaacuterias (10μm

100μm 500μm)

29

A partir da simulaccedilatildeo do H-tree clock obteve-se a frequecircncia em -3dB (f-3dB) da rede com

interconexotildees ideais Assim a rede H-tree foi entatildeo simulada para duas frequecircncias

diferentes do sinal de entrada abaixo da frequecircncia de -3dB 10 GHz e 100 GHz Com

essas simulaccedilotildees obtiveram-se as seguintes caracteriacutesticas do sinal de saiacuteda da inversora

niacutevel loacutegico baixo (NB) niacutevel loacutegico alto (NA) tempo de subida (tr) slew rate de subida

(SR) atenuaccedilatildeo (A) tempo de atraso (td) potecircncia dissipada (P) e produto atraso-potecircncia

(DP) As caracteriacutesticas obtidas servem como referecircncia para analisar o sinal considerando

interconexotildees natildeo-ideais ou seja incluindo os modelos das interconexotildees nas simulaccedilotildees

Em seguida a rede H-tree foi simulada considerando-se os modelos das interconexotildees de

SWCNT bundle e de cobre variando os seus comprimentos Como cada H da rede de

distribuiccedilatildeo deve ser simeacutetrico considerou-se que cada divisatildeo do H tem o mesmo

comprimento para cada niacutevel da rede [11] A Figura 33 mostra o comprimento dos

diferentes trechos da rede Assim o comprimento de cada divisatildeo dos H‟s do segundo

niacutevel eacute a metade do comprimento de cada divisatildeo do H do primeiro niacutevel Jaacute que o objetivo

eacute simular circuitos em escala nanomeacutetrica escolheu-se trecircs variaccedilotildees de comprimento

menores ou iguais a 1μm

l = 100 nm l2 = 50 nm

l = 400 nm l2 = 200 nm

l = 1 μm l2 = 500 nm

Figura 33 ndash Esquemaacutetico do H-tree clock com os comprimentos de cada seguimento

Dessa forma cada um dos trecircs circuitos foi simulado obtendo-se a frequecircncia em -3dB na

entrada das portas inversoras Em seguida as trecircs redes foram simuladas para as mesmas

30

duas frequumlecircncias do sinal de entrada (10 GHz e 100 GHz) de forma a obter as

caracteriacutesticas do sinal de saiacuteda descritas anteriormente considerando agora o efeito das

interconexotildees

Por fim a partir dos dados obtidos foram realizadas comparaccedilotildees entre as caracteriacutesticas

do sinal de saiacuteda de referecircncia (interconexotildees ideais) e o sinal de saiacuteda dos circuitos com as

interconexotildees natildeo-ideais bem como entre o comportamento das interconexotildees de SWCNT

bundle e de cobre nas diferentes frequecircncias

A Figura 34 mostra o fluxograma das etapas descritas nas subseccedilotildees 322 e 323

Figura 34 ndash Fluxograma das etapas seguidas na simulaccedilatildeo do H-tree clock

H-tree clock mono-eleacutetron

Simulaccedilatildeo do H-tree clock com

interconexotildees ideais Obtenccedilatildeo de f-3dB

da inversora

Simulaccedilatildeo do H-tree clock com

interconexotildees natildeo-ideais para os seguintes

comprimentos

l = 100 nm l2 = 50 nm

l = 400 nm l2 = 200 nm

l = 1 μm l2 = 500 nm

Validaccedilatildeo do SET e do

inversor mono-eleacutetron a

300K

Sinal de entrada a

10 GHz

Sinal de entrada a

100 GHz

Obtenccedilatildeo de NB

NA tr SR A td P e

DP do sinal de saiacuteda

da inversora

Obtenccedilatildeo de NB

NA tr SR A td P e

DP do sinal de saiacuteda

da inversora

Sinal de entrada a

10 GHz

Sinal de entrada a

100 GHz

Obtenccedilatildeo de NB

NA tr SR A td P e

DP do sinal de saiacuteda

da inversora

Obtenccedilatildeo de NB

NA tr SR A td P e

DP do sinal de saiacuteda

da inversora

Anaacutelise comparativa

dos dados obtidos

31

4 RESULTADOS E ANAacuteLISES

41 INTRODUCcedilAtildeO

Neste capiacutetulo seratildeo apresentados os procedimentos adotados e os resultados obtidos na

simulaccedilatildeo das interconexotildees SWCNT SWCNT bundle e cobre As etapas descritas na

metodologia foram seguidas obtendo-se os resultados das simulaccedilotildees das interconexotildees e

das simulaccedilotildees do H-tree clock mono-eleacutetron para interconexotildees ideais e natildeo-ideais A

partir dos resultados a anaacutelise do desempenho das interconexotildees seraacute apresentada

42 ANAacuteLISE DAS INTERCONEXOtildeES

Nesta seccedilatildeo a anaacutelise das interconexotildees de SWCNT SWCNT bundle e cobre na

tecnologia de 22 nm para diferentes comprimentos seraacute realizada Para isso analisou-se

as interconexotildees locais em que l le 1 μm e as intermediaacuterias em que 1 μm lt l le 500 μm

sabendo que l eacute o comprimento da interconexatildeo [29-31333638] Como λCNT eacute

tipicamente 1 μm trecircs comprimentos na faixa lCNT le λCNT (10 nm 100 nm e 1 μm) e trecircs

comprimentos na faixa lCNT gt λCNT (10 μm 100 μm 500 μm) de cada material seratildeo

analisados detalhadamente Os paracircmetros obtidos a partir dos modelos de SWCNT

SWCNT bundle e cobre estatildeo respectivamente nas Tabelas 71 72 e 73 do Apecircndice

421 Interconexotildees locais

Primeiramente a partir da simulaccedilatildeo da Figura 31 obteve-se a frequecircncia em -3dB (f-3dB)

das interconexotildees locais (lCNT le λCNT ) isto eacute a sua banda passante de forma a verificar a

velocidade maacutexima que cada interconexatildeo suporta A Figura 41 ilustra o comportamento

da frequecircncia das interconexotildees locais para os diferentes comprimentos Como o SWCNT

isolado possui valores de frequecircncia na faixa de centenas de giga Hertz ou seja menos de

um tera Hertz os valores de suas frequecircncias tambeacutem podem ser visualisados na Tabela

74 do Apecircndice

Verifica-se que agrave medida que o comprimento da interconexatildeo aumenta a frequecircncia

diminui Isso ocorre jaacute que os valores da capacitacircncia e indutacircncia aumentam com o

aumento do comprimento da interconexatildeo Esses paracircmetros satildeo decisivos no sinal de

32

saiacuteda sendo o sinal mais distorcido quanto maior for o valor desses paracircmetros Observa-

se que o SWCNT bundle e o cobre possuem banda passante maiores que o SWCNT

isolado para qualquer comprimento Aleacutem disso o SWCNT bundle soacute possui uma banda

passante comparaacutevel ao do cobre para comprimentos acima de 700 nm

Frequecircncia X Comprimento

0

10

20

30

40

50

60

100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

Comprimento (nm)

f -3d

B (

TH

z)

SWCNT Isolado

SWCNT bundle

Cobre

Figura 41 ndash Frequumlecircncia versus comprimento das interconexotildees locais

As interconexotildees locais de 10 nm 100 nm e 1 μm de comprimento foram analisadas

detalhadamente A Tabela 41 mostra a frequecircncia em -3dB de cada material para os

comprimentos em anaacutelise

Tabela 41 Frequecircncia em -3dB de cada material para lCNT le λCNT

Interconexatildeo Local Comprimento (L) Material f-3dB

SWCNT isolado 253 GHz

10nm SWCNT bundle 66 THz

Cobre 232 THz

SWCNT isolado 300 GHz

lCNT le λCNT 100nm SWCNT bundle 20 THz

Cobre 51 THz

SWCNT isolado 230 GHz

1microm SWCNT bundle 47 THz

Cobre 42 THz

Assim escolheu-se uma mesma frequecircncia abaixo da frequecircncia de corte dos trecircs

materiais considerados para analisar e comparar a atenuaccedilatildeo (A) e o tempo de atraso na

propagaccedilatildeo (td) dos trecircs comprimentos Isso permite verificar o comportamento do sinal na

banda passante A Tabela 42 mostra esse estudo comparativo entre o SWCNT isolado

SWCNT bundle e cobre agrave frequecircncia de 200 GHz

33

Tabela 42 Estudo das interconexotildees com comprimentos na faixa lCNT le λCNT

Freq L Material A (dB) td (ps)

SWCNT isolado -210 046

10nm SWCNT bundle 001 000

Cobre 000 000

SWCNT isolado -155 051

200 GHz 100nm SWCNT bundle 001 000

Cobre 001 000

SWCNT isolado -039 107

1microm SWCNT bundle 006 001

Cobre 000 007

A partir da anaacutelise da Tabela 42 eacute possiacutevel observar agrave frequumlecircncia de 200 GHz a

atenuaccedilatildeo do sinal e o atraso do SWCNT isolado Nessa frequumlecircncia o atraso do SWCNT

isolado eacute significativo em relaccedilatildeo ao periacuteodo do sinal que eacute 5ps jaacute que o menor atraso

(para l = 10nm) eacute aproximadamente 10 do periacuteodo do sinal de entrada No entanto para

esta mesma frequumlecircncia observa-se que a atenuaccedilatildeo e o atraso do SWCNT bundle e do

cobre satildeo insignificantes Isto indica que estes dois materiais possuem melhor

desempenho sendo favoraacuteveis para serem utilizados em interconexotildees locais

Dessa forma para analisar melhor a atenuaccedilatildeo e o tempo de atraso do SWCNT bundle e do

cobre o mesmo procedimento foi feito comparando-se somente estes dois materiais para

uma mesma frequecircncia de 1 THz A Tabela 43 mostra esse estudo comparativo entre o

SWCNT bundle e cobre

Tabela 43 Estudo das interconexotildees SWCNT bundle e cobre com comprimentos na faixa

lCNT le λCNT

Freq L Material A (dB) td (fs)

10nm SWCNT bundle 001 113

Cobre 000 022

1 THz 100nm SWCNT bundle 006 136

Cobre 001 240

1microm SWCNT bundle 145 647

Cobre -013 5623

Analisando a Tabela 43 observa-se que agrave frequumlecircncia de 1 THz a atenuaccedilatildeo do sinal e o

atraso aumentam agrave medida que o comprimento das interconexotildees aumentam A partir do

comprimento de 100nm o tempo de atraso da interconexatildeo de cobre eacute maior que o do

SWCNT bundle cujo maior valor de atraso (para l = 1microm) natildeo chega a 1 do periacuteodo do

34

sinal de entrada (1ps) Isso mostra que apesar de a banda passante do cobre ser maior o

atraso do SWCNT bundle eacute menor Dessa forma para as interconexotildees locais o SWCNT

bundle possui desempenho comparaacutevel ao do cobre [13]

Em relaccedilatildeo agrave atenuaccedilatildeo verifica-se que para alguns comprimentos este tem valor

positivo Isso ocorre principalmente quando haacute um pico no graacutefico da frequumlecircncia antes dele

comeccedilar a decair Esse pico eacute devido ao efeito ressonante provocado pela indutacircncia

quando este possui valor comparaacutevel agrave resistecircncia e agrave capacitacircncia da interconexatildeo [53]

Assim esse efeito ressonante foi observado somente nas interconexotildees locais de SWCNT

bundle e de cobre A Figura 42 ilustra o graacutefico da magnitude pela frequumlecircncia do SWCNT

isolado SWCNT bundle e cobre para o comprimento de 100nm Observa-se o efeito

ressonante nos graacuteficos do SWCNT bundle e do cobre

Figura 42 ndash Graacuteficos da magnitude das interconexotildees de SWCNT isolado (superior)

SWCNT bundle (meio) e cobre (inferior) com comprimento de 100nm

35

422 Interconexotildees intermediaacuterias

Assim como para as interconexotildees locais obteve-se a frequecircncia em -3dB (f-3dB) das

interconexotildees intermediaacuterias (lCNT gt λCNT) de forma a verificar a velocidade maacutexima que

cada interconexatildeo suporta A Figura 43 ilustra o comportamento da frequecircncia das

interconexotildees intermediaacuterias para os diferentes comprimentos Os valores das frequecircncias

de cada interconexatildeo tambeacutem podem ser visualisados na Tabela 75 do Apecircndice

Como nas interconexotildees locais agrave medida que o comprimento da interconexatildeo aumenta a

frequecircncia diminui Aleacutem disso o SWCNT bundle e o cobre possuem desempenho melhor

que o do SWCNT isolado para qualquer comprimento No entanto para interconexotildees

intermediaacuterias o SWCNT bundle possui banda passante maior que a do cobre para

qualquer comprimento

Frequecircncia X Comprimento

00

05

10

15

20

25

30

35

40

45

100 200 300 400 500

Comprimento (μm)

f -3d

B (

GH

z)

SWCNT isolado

SWCNT bundle

Cobre

Figura 43 ndash Frequumlecircncia versus comprimento das interconexotildees intermediaacuterias

As interconexotildees intermediaacuterias de 10 μm 100 μm e 500 μm de comprimento foram entatildeo

analisadas detalhadamente A Tabela 44 mostra a frequecircncia em -3dB de cada materal

para os diferentes comprimentos em anaacutelise

36

Tabela 44 Frequecircncia em -3dB de cada material para lCNT gt λCNT

Interconexatildeo

Intermediaacuteria

Comprimento (L) Material f-3dB

SWCNT isolado 26 GHz

10 microm SWCNT bundle 527 GHz

Cobre 34 GHz

SWCNT isolado 32 MHz

lCNT gt λCNT 100 microm SWCNT bundle 42 GHz

Cobre 345 MHz

SWCNT isolado 13 MHz

500 microm SWCNT bundle 165 MHz

Cobre 14 MHz

Escolheu-se a frequecircncia de 1 MHz que estaacute abaixo da frequecircncia de corte dos trecircs

materiais considerados para analisar e comparar a atenuaccedilatildeo (A) e o tempo de atraso na

propagaccedilatildeo (td) dos trecircs comprimentos A Tabela 45 mostra esse estudo comparativo entre

o SWCNT isolado SWCNT bundle e cobre

Tabela 45 Estudo das interconexotildees com comprimentos na faixa lCNT gt λCNT

Freq L Material A (dB) td (ns)

SWCNT isolado -002 008

10 microm SWCNT bundle 000 000

Cobre 000 000

SWCNT isolado -003 559

1 MHz 100 microm SWCNT bundle -001 005

Cobre -004 056

SWCNT isolado -198 10217

500 microm SWCNT bundle 000 110

Cobre -003 1301

Com base na Tabela 45 observa-se que a atenuaccedilatildeo e o tempo de atraso do SWCNT

isolado aumentam com o aumento do comprimento da interconexatildeo Nessa frequumlecircncia o

atraso na propagaccedilatildeo do SWCNT isolado eacute significativo em relaccedilatildeo ao periacuteodo do sinal de

entrada que eacute 1micros chegando a mais de 10 deste periacuteodo para o comprimento de 500microm

Verifica-se tambeacutem o aumento do tempo de atraso da interconexatildeo de cobre sendo 13

do periacuteodo do sinal de entrada para o comprimento de 500microm

Para analisar melhor a atenuaccedilatildeo e o tempo de atraso do SWCNT bundle e do cobre o

mesmo procedimento foi feito comparando-se somente estes dois materiais para uma

37

mesma frequecircncia de 10 MHz A Tabela 46 mostra esse estudo comparativo entre o

SWCNT bundle e cobre

Tabela 46 Estudo das interconexotildees SWCNT bundle e cobre com comprimentos na faixa

lCNT gt λCNT

Freq L Material A (dB) td (ns)

10 microm SWCNT bundle 000 000

Cobre 000 000

10 MHz 100 microm SWCNT bundle -001 005

Cobre -004 054

500 microm SWCNT bundle -004 107

Cobre -185 1024

Analisando a Tabela 46 observa-se que agrave medida que o comprimento das interconexotildees

aumenta a atenuaccedilatildeo e o atraso do sinal da interconexatildeo de cobre tornam-se significativos

O atraso na propagaccedilatildeo da interconexatildeo de cobre para l = 500microm chega a 10 do periacuteodo

do sinal de entrada (100ns) Jaacute o SWCNT bundle apresenta valores insignificantes de

atenuaccedilatildeo e atraso na propagaccedilatildeo Assim para as interconexotildees intermediaacuterias o SWCNT

bundle possui desempenho superior ao do cobre

43 SIMULACcedilAtildeO DO INVERSOR MONO-ELEacuteTRON

O modelo SPICE do SET proposto por G Lientschnig et al [444] foi simulado no

LTSPICE A partir da equaccedilatildeo (226) foi possiacutevel aumentar a temperatura do SET ateacute

chegar a 300K Assim o esquemaacutetico do SET e os valores de seus paracircmetros para que o

SET opere a 300K estatildeo na Figura 44 No anexo deste trabalho (subseccedilatildeo 81) encontra-

se o coacutedigo SET que foi utilizado [44] Os paracircmetros R1 C1 e R2 C2 correspondem agraves

resistecircncias e capacitacircncias das junccedilotildees-tuacutenel Cg eacute a capacitacircncia de porta (Cg1 no coacutedigo

SET) Vg eacute a tensatildeo de porta e V eacute a tensatildeo de entrada

Figura 44 Esquemaacutetico do SET e os valores de seus paracircmetros

38

A partir destes valores o inversor mono-eleacutetron foi construiacutedo colocando-se dois SETs em

seacuterie os quais compartilham da mesma entrada A Figura 45 ilustra o esquemaacutetico do

inversor mono-eleacutetron juntamente com os valores de seus paracircmetros fixos em que Vin eacute a

tensatildeo de entrada Vout eacute a tensatildeo de saiacuteda Vbias eacute a tensatildeo de polarizaccedilatildeo Cc eacute a

capacitacircncia de carga Cg1 e Cg2 satildeo as capacitacircncias de porta do SET 1 e do SET 2

respectivamente

Figura 45 Esquemaacutetico do inversor mono-eleacutetron e os valores de seus paracircmetros

(modificado de [4])

Assim apoacutes simular o inversor mono-eleacutetron a 300K obteve-se o sinal de saiacuteda mostrado

na Figura 46 Como o inversor estaacute invertendo o sinal de entrada de valor loacutegico baixo em

um sinal de saiacuteda de valor loacutegico alto ele estaacute operando corretamente

Figura 46 Curva do sinal de entrada (em verde) e do sinal de saiacuteda (em preto) do inversor

mono-eleacutetron

39

44 ANAacuteLISE DAS INTERCONEXOtildeES NO H-TREE CLOCK MONO-ELEacuteTRON

Nesta seccedilatildeo a rede H-tree clock de dois niacuteveis foi simulada com portas inversoras mono-

eleacutetron nos pontos de destino final da rede permitindo a anaacutelise de circuitos

nanoeletrocircnicos Simulou-se a rede H-tree considerando interconexotildees ideais para as

frequecircncias de 10 GHz e 100 GHz no sinal de entrada Em seguida para as mesmas duas

frequecircncias considerou-se interconexotildees natildeo-ideais de diferentes comprimentos

analisando a rede com os modelos de interconexatildeo SWCNT bundle e cobre Trecircs redes

com comprimentos de interconexotildees diferentes foram analisadas

l = 100 nm l2 = 50 nm

l = 400 nm l2 = 200 nm

l = 1 μm l2 = 500 nm

441 Anaacutelise da rede com interconexotildees ideais

A partir da simulaccedilatildeo do H-tree clock a frequecircncia em -3dB (f-3dB) da rede com

interconexotildees ideais foi obtida Na saiacuteda de cada porta inversora a banda passante do sinal

eacute 3200 GHz Dessa forma duas frequecircncias abaixo de 3200 GHz foram escolhidas para

analisar o sinal de saiacuteda da inversora em condiccedilotildees ideais As frequecircncias de 10 GHz e

100 GHz seratildeo analisadas obtendo-se as seguintes caracteriacutesticas do sinal de saiacuteda da

inversora niacutevel loacutegico baixo (NB) niacutevel loacutegico alto (NA) tempo de subida (tr) slew rate

de subida (SR) atenuaccedilatildeo (A) e tempo de atraso (td) A Tabela 47 mostra os valores

obtidos para as duas frequecircncias em anaacutelise

Tabela 47 Caracteriacutesticas dos sinais de saiacuteda da rede para interconexotildees ideais

Freq NB(mV) NA(mV) tr (ps) SR(Vns) A(dB) td (ps)

10 GHz 675 4518 356 8636 -264 412

100 GHz 678 4279 317 9088 -269 189

Os caacutelculos da potecircncia estaacutetica ( IVP DDE ) potecircncia dinacircmica ( CVfP DDD 2 ) e

potecircncia total ( DE PPP ) dissipada por cada porta inversora foram realizados bem

como o produto atraso-potecircncia (DP) Assim a Tabela 48 mostra os valores obtidos no

40

caacutelculo destes paracircmetros Como a potecircncia estaacutetica independe da frequecircncia do sinal de

entrada o seu valor eacute o mesmo nos dois casos

Tabela 48 Potecircncia dissipada por cada porta inversora para interconexotildees ideais

Frequecircncia PE (nW) PD (nW) P (nW) DP (10-18

Wmiddots)

10 GHz 4838 125 4963 020

100 GHz 4838 125 6088 012

As Tabelas 47 e 48 serviratildeo de referecircncia para as anaacutelises da rede com interconexotildees natildeo-

ideais analisadas na subseccedilatildeo seguinte As Figuras 47 e 48 ilustram o sinal de saiacuteda das

redes com frequecircncias de 10 GHz e de 100 GHz respectivamente Eacute possiacutevel observar que

na frequecircncia de 100 GHz o sinal de saiacuteda jaacute eacute distorcido em relaccedilatildeo ao sinal de referecircncia

(Figura 46)

Figura 47 Sinal de entrada (em verde) e sinal de saiacuteda (em preto) da rede a 10 GHz

Figura 48 Sinal de entrada (em verde) e sinal de saiacuteda (em preto) da rede a 100 GHz

41

442 Anaacutelise da rede com interconexotildees natildeo-ideais

Apoacutes obter as caracteriacutesticas da rede H-tree clock com interconexotildees ideais a anaacutelise da

rede com interconexotildees natildeo-ideais seraacute feita Primeiramente eacute importante verificar a

frequecircncia em -3dB do sinal depois das interconexotildees ou seja na entrada da porta

inversora Caso essa frequecircncia seja menor que a frequecircncia de 3200 GHz obtida com

interconexotildees ideais entatildeo a interconexatildeo afetaraacute o comportamento da rede A Tabela 49

mostra a frequecircncia em -3dB na entrada da inversora para interconexotildees natildeo-ideais

Tabela 49 Frequecircncia em -3dB na entrada da inversora para interconexotildees natildeo-ideais

Comprimentos (l2 l) Material f-3dB

50nm 100nm SWCNT bundle 122 THz

Cobre 175 THz

200nm 400nm SWCNT bundle 31 THz

Cobre 8606 GHz

500nm 1microm SWCNT bundle 12 THz

Cobre 1268 GHz

Assim verifica-se que a interconexatildeo de cobre da rede 500nm1microm possui frequecircncia em

-3dB abaixo da frequecircncia do circuito com interconexatildeo ideal (3200 GHz) Isso indica que

esta interconexatildeo interfere significativamente no comportamento da rede A Tabela 49

mostra tambeacutem que a banda passante da interconexatildeo de cobre soacute eacute maior que a da

interconexatildeo de SWCNT bundle no primeiro caso na rede de 50nm100nm o que mostra

uma vantagem do SWCNT bundle em relaccedilatildeo ao cobre A partir dessas informaccedilotildees a

rede H-tree clock com interconexotildees natildeo-ideais seraacute analisada detalhadamente

4421 Anaacutelise da rede a 10 GHz

As redes com interconexotildees natildeo-ideais seratildeo analisadas na frequecircncia de 10 GHz para

diferentes comprimentos Primeiramente o niacutevel loacutegico baixo (NB) o niacutevel loacutegico alto

(NA) o tempo de subida (tr) e o slew rate de subida (SR) foram obtidos conforme mostra a

Tabela 410 Com base nessa tabela verifica-se que na frequecircncia de 10 GHz essas

caracteriacutesticas natildeo foram modificadas pelas interconexotildees natildeo-ideais independentemente

do comprimento Os valores dos paracircmetros satildeo iguais aos obtidos na rede com

interconexatildeo ideal conforme Tabela 47 O sinal obtido na saiacuteda de cada inversor eacute igual

ao ilustrado na Figura 47

42

Tabela 410 Niacuteveis loacutegicos tempo de subida e slew rate dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 10 GHz

Freq L (l2l) Material NB(mV) NA(mV) tr(ps) SR(Vns)

10

GHz

50nm

100nm

SWCNT bundle 675 4518 356 8636

Cobre 675 4518 356 8636

200nm

400nm

SWCNT bundle 675 4518 356 8636

Cobre 675 4518 356 8636

500nm

1microm

SWCNT bundle 675 4518 356 8636

Cobre 675 4518 356 8636

A Tabela 411 mostra a atenuaccedilatildeo tempo de atraso potecircncia total dissipada e o produto

atraso-potecircncia obtidos a frequecircncia de 10 GHz para interconexotildees natildeo-ideais Observa-se

que a atenuaccedilatildeo do sinal e a potecircncia total dissipada por cada porta inversora permanecem

os mesmos em relaccedilatildeo agrave interconexatildeo ideal mostrando que a essa frequecircncia as

interconexotildees natildeo-ideais natildeo interferem nestes paracircmetros

Jaacute o atraso na propagaccedilatildeo do sinal no caso do cobre aumenta agrave medida que as

interconexotildees aumentam de comprimento aumentando tambeacutem o produto atraso-potecircncia

Esse atraso chega a 66 do periacuteodo do sinal de entrada para a interconexatildeo 500nm1microm

de cobre No entanto estes paracircmetros natildeo satildeo afetados pelas interconexotildees de SWCNT

bundle indicando que este material se sobressai em relaccedilatildeo ao cobre

Tabela 411 Atenuaccedilatildeo atraso potecircncia e produto atraso-potecircncia dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 10 GHz

Freq L (l2l) Material A (dB) td (ps) P (nW) DP(10-18

Wmiddots)

10

GHz

50nm

100nm

SWCNT bundle -264 412 4963 020

Cobre -264 412 4963 020

200nm

400nm

SWCNT bundle -264 412 4963 020

Cobre -264 438 4963 022

500nm

1microm

SWCNT bundle -264 412 4963 020

Cobre -264 659 4963 033

4422 Anaacutelise da rede a 100 GHz

As redes com interconexotildees natildeo-ideais seratildeo analisadas na frequecircncia de 100 GHz para

diferentes comprimentos O niacutevel loacutegico baixo (NB) o niacutevel loacutegico alto (NA) o tempo de

subida (tr) e o slew rate de subida (SR) foram obtidos conforme mostra a Tabela 412 Jaacute a

43

Tabela 413 mostra a atenuaccedilatildeo tempo de atraso potecircncia total dissipada e o produto

atraso-potecircncia obtidos a frequecircncia de 100 GHz para interconexotildees natildeo-ideais

Tabela 412 Niacuteveis loacutegicos tempo de subida e slew rate dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 100 GHz

Freq L (l2l) Material NB(mV) NA(mV) tr(ps) SR(Vns)

100

GHz

50nm

100nm

SWCNT bundle 678 4272 316 9099

Cobre 675 4277 323 9107

200nm

400nm

SWCNT bundle 678 4299 315 9196

Cobre 677 4089 289 9447

500nm

1microm

SWCNT bundle 678 4418 300 9973

Cobre 635 1766 102 6795

Tabela 413 Atenuaccedilatildeo atraso potecircncia e produto atraso-potecircncia dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 100 GHz

Freq L (l2l) Material A (dB) td (ps) P (nW) DP(10-18

Wmiddots)

100

GHz

50nm

100nm

SWCNT bundle -2703 189 6088 012

Cobre -2685 191 6088 012

200nm

400nm

SWCNT bundle -2693 188 6088 012

Cobre -2698 228 6088 014

500nm

1microm

SWCNT bundle -2673 174 6088 011

Cobre -2893 388 6088 024

A partir das Tabelas 412 e 413 o SWCNT bundle seraacute analisado Observa-se que os seus

niacuteveis loacutegicos altos aumentam com o aumento do comprimento das interconexotildees

aumentando tambeacutem o slew rate de subida Esse comportamento ocorre provavelmente

devido ao efeito ressonante provocado pela indutacircncia que provoca um pico no graacutefico da

frequumlecircncia antes dele comeccedilar a decair conforme explicado na subseccedilatildeo 421 Isso implica

na diminuiccedilatildeo da atenuaccedilatildeo do sinal e do atraso No entanto o produto atraso-potecircncia

permanece praticamente invariaacutevel jaacute que a potecircncia total dissipada natildeo se altera

Em relaccedilatildeo agraves interconexotildees de cobre verifica-se que as distorccedilotildees satildeo significativas Agrave

medida que o comprimento aumenta a atenuaccedilatildeo do sinal de saiacuteda aumenta Isso provoca

diminuiccedilatildeo no slew rate do sinal o que natildeo eacute desejado jaacute que o sinal demora mais para

atingir o niacutevel loacutegico alto Aleacutem disso o atraso na propagaccedilatildeo do sinal aumenta bastante

chegando a 388 do periacuteodo do sinal de entrada para a interconexatildeo 500nm1microm

Consequentemente o produto atraso-potecircncia tambeacutem aumenta sendo o dobro do valor de

44

referecircncia (interconexotildees ideais) A Figura 49 ilustra o sinal de saiacuteda da interconexatildeo

500nm1microm de cobre

Figura 49 Sinal de entrada (em verde) e sinal de saiacuteda (em preto) da rede a 100 GHz para

a interconexatildeo 500nm1microm de cobre

Comparando-se as potecircncias das tabelas 47 48 411 413 verifica-se que natildeo haacute

alteraccedilatildeo na potecircncia total dissipada pelo circuito com interconexotildees ideais e pelos

circuitos com interconexotildees natildeo-ideais para uma mesma frequecircncia Assim eacute importante

destacar que a dissipaccedilatildeo de potecircncia das interconexotildees de SWCNT bundle e de cobre natildeo

interfere na potecircncia total dissipada pelo circuito

443 Consideraccedilotildees Finais

Apoacutes analisar as interconexotildees locais de SWCNT de SWCNT bundle e de cobre

verificou-se que as interconexotildees de SWCNT bundle possuem desempenho comparaacutevel ao

das interconexotildees de cobre Em relaccedilatildeo agraves interconexotildees intermediaacuterias as de SWCNT

bundle apresentam desempenho superior agraves de cobre Jaacute as interconexotildees de SWCNT

isolado tanto para interconexotildees locais como para interconexotildees intermediaacuterias

apresentam desempenho inferior agraves interconexotildees de SWCNT bundle e de cobre natildeo

sendo propiacutecias a serem utilizadas em interconexotildees de circuitos integrados

Na anaacutelise das interconexotildees natildeo-ideais na rede H-tree clock mono-eleacutetron para a

frequecircncia de 10GHz observou-se que o niacutevel loacutegico baixo o niacutevel loacutegico alto o tempo de

subida o slew rate de subida a atenuaccedilatildeo do sinal e a potecircncia total dissipada por cada

porta inversora permanecem os mesmos em relaccedilatildeo agrave interconexatildeo ideal mostrando que

45

para esta frequecircncia as interconexotildees natildeo-ideais natildeo interferem nestes paracircmetros Jaacute o

atraso na propagaccedilatildeo do sinal no caso do cobre aumenta agrave medida que as interconexotildees

aumentam de comprimento aumentando tambeacutem o produto atraso-potecircncia No entanto

estes paracircmetros natildeo satildeo afetados pelas interconexotildees de SWCNT bundle indicando que

este material se sobressai em relaccedilatildeo ao cobre

Jaacute para a rede H-tree clock mono-eleacutetron a 100GHz observou-se que o circuito com

interconexotildees natildeo-ideais afetou bastante os paracircmetros em anaacutelise se comparados aos

obtidos para interconexotildees ideais Verificou-se que as distorccedilotildees provocadas pelas

interconexotildees de cobre foram significativas indicando que as interconexotildees de SWCNT

bundle possuem melhor desempenho que as de cobre

Assim constata-se que as interconexotildees de SWCNT bundle satildeo fortes candidatas a

substituirem as interconexotildees de cobre em circuitos em escala giga (GSI) e tera (TSI)

46

5 CONCLUSOtildeES

Nesta dissertaccedilatildeo o estudo das interconexotildees de SWCNT de SWCNT bundle e de cobre

foi realizado analisando e comparando os seus desempenhos para diferentes

comprimentos A partir desse estudo verificou-se que as interconexotildees de SWCNT bundle

possui desempenho comparaacutevel ao das interconexotildees de cobre no caso de interconexotildees

locais Em relaccedilatildeo agraves interconexotildees intermediaacuterias as de SWCNT bundle apresentam

desempenho superior agraves de cobre

As interconexotildees de SWCNT bundle e as interconexotildees de cobre foram entatildeo simuladas na

rede H-tree clock de dois niacuteveis para diferentes comprimentos e frequecircncias Nos pontos

de destino final da rede foram colocadas portas inversoras formadas por SETs permitindo

a anaacutelise de circuitos nanoeletrocircnicos

A partir da anaacutelise da rede H-tree clock observou-se que as interconexotildees de SWCNT

bundle possuem desempenho melhor que as de cobre principalmente em relaccedilatildeo ao slew

rate agrave atenuaccedilatildeo ao tempo de atraso e ao produto atraso-potecircncia Aleacutem disso a

dissipaccedilatildeo de potecircncia das interconexotildees natildeo-ideais natildeo interferem na potecircncia total

dissipada pelo circuito Assim as interconexotildees de SWCNT bundle satildeo fortes candidatas a

substituirem as interconexotildees de cobre em circuitos em escala giga (GSI) e tera (TSI)

Como perspectivas futuras eacute importante analisar o efeito das interconexotildees de nanotubo de

carbono em circuitos GSI e TSI com outras arquiteturas A anaacutelise das interconexotildees de

CNT tambeacutem deve ser feita em circuitos com tecnologia MOS permitindo a comparaccedilatildeo

entre diferentes tecnologias Aleacutem disso eacute interessante estudar outros tipos de materiais

que possam ser utilizados como interconexotildees em circuitos integrados

47

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53

7 APEcircNDICES

71 TABELAS COMPLEMENTARES

Tabela 71 Paracircmetros obtidos a partir do modelo de SWCNT isolado

L RQ (Ω) RS (Ω) LCNT (10-9

H) CCNT (10-18

F)

10 nm 645103 - 40010

-2 27910

-1

100 nm 645103 - 40010

-1 279

200 nm 645103 - 80010

-1 558

300 nm 645103 - 120 837

400 nm 645103 - 160 11210

1

500 nm 645103 - 200 14010

1

600 nm 645103 - 240 16710

1

700 nm 645103 - 280 19510

1

800 nm 645103 - 320 22310

1

900 nm 645103 - 360 25110

1

1 microm 645103 - 400 27910

1

10 microm 645103 64510

4 40010

1 27910

2

100 microm 645103 64510

5 40010

2 27910

3

200 microm 645103 12910

6 80010

2 55810

3

300 microm 645103 19410

6 12010

3 83710

3

400 microm

645103 25810

6 16010

3 11210

4

500 microm

645103 32310

6 20010

3 14010

4

Tabela 72 Paracircmetros obtidos a partir do modelo de SWCNT bundle

L RQ (Ω) RS (Ω) LBundle(10-9

H) CBundle(10-18

F)

10 nm 1075 - 66710-5

135

100 nm 1075 - 66710-4

135101

200 nm 1075 - 13310-3

270101

300 nm 1075 - 20010-3

405101

400 nm 1075 - 26710-3

540101

500 nm 1075 - 33310-3

675101

600 nm 1075 - 40010-3

810101

700 nm 1075 - 46710-3

945101

800 nm 1075 - 53310-3

108102

900 nm 1075 - 60010-3

122102

1 microm 1075 - 66710-3

135102

10 microm 1075 108102 66710

-2 13510

3

100 microm 1075 108103 66710

-1 13510

4

200 microm 1075 215103 133 27010

4

300 microm 1075 323103 200 40510

4

400 microm

1075 430103 267 54010

4

500 microm

1075 538103 333 67510

4

54

Tabela 73 Paracircmetros obtidos a partir do modelo de cobre

L RCu (Ω) LCu (10-9

H) CCu (10-18

F)

10 nm 06 37310-6

150

100 nm 60 63610-5

150101

200 nm 120 17510-4

300101

300 nm 180 30910-4

450101

400 nm 240 45410-4

600101

500 nm 300 61110-4

750101

600 nm 360 77510-4

900101

700 nm 420 94610-4

105102

800 nm 480 11210-3

120102

900 nm 540 13110-3

135102

1 microm 600 14910-3

150102

10 microm 60102 24010

-2 15010

3

100 microm 60103 33210

-1 15010

4

200 microm 12104 72010

-1 30010

4

300 microm 18104 113 45010

4

400 microm

24104 155 60010

4

500 microm

30104 198 75010

4

55

Tabela 74 Frequecircncia em -3dB das interconexotildees locais

Comprimento Material f-3dB

10 nm SWCNT isolado 253 GHz

SWCNT bundle 66 THz

Cobre 232 THz

100 nm SWCNT isolado 300 GHz

SWCNT bundle 20 THz

Cobre 51 THz

200 nm SWCNT isolado 342 GHz

SWCNT bundle 14 THz

Cobre 29 THz

300 nm SWCNT isolado 344 GHz

SWCNT bundle 11 THz

Cobre 20 THz

400 nm SWCNT isolado 329 GHz

SWCNT bundle 89 THz

Cobre 15 THz

500 nm SWCNT isolado 307 GHz

SWCNT bundle 76 THz

Cobre 12 THz

600 nm SWCNT isolado 288 GHz

SWCNT bundle 67 THz

Cobre 94 THz

700 nm SWCNT isolado 271 GHz

SWCNT bundle 61 THz

Cobre 76 THz

800 nm SWCNT isolado 255 GHz

SWCNT bundle 55 THz

Cobre 63 THz

900 nm SWCNT isolado 240 GHz

SWCNT bundle 51 THz

Cobre 52 THz

1 microm SWCNT isolado 230 GHz

SWCNT bundle 47 THz

Cobre 42 THz

56

Tabela 75 Frequecircncia em -3dB das interconexotildees intermediaacuterias

Comprimento Material f-3dB

10 microm SWCNT isolado 26 GHz

SWCNT bundle 527 GHz

Cobre 34 GHz

100 microm SWCNT isolado 32 MHz

SWCNT bundle 42 GHz

Cobre 345 MHz

200 microm SWCNT isolado 82 MHz

SWCNT bundle 10 GHz

Cobre 87 MHz

300 microm SWCNT isolado 36 MHz

SWCNT bundle 455 MHz

Cobre 38 MHz

400 microm SWCNT isolado 21 MHz

SWCNT bundle 256 MHz

Cobre 21 MHz

500 microm SWCNT isolado 13 MHz

SWCNT bundle 165 MHz

Cobre 14 MHz

57

8 ANEXOS

81 COacuteDIGO SPICE DO SET [44]

Transistor mono-eleacutetron (SET) conexotildees fonte | dreno | | porta1 | | | porta2 | | | | SUBCKT SET 1 2 3 4 PARAMS +C1=1E-20 Capacitacircncia da junccedilatildeo 1 +C2=1E-20 Capacitacircncia da junccedilatildeo 2 +R1=1E5 Resistecircncia da junccedilatildeo 1 +R2=1E5 Resistecircncia da junccedilatildeo 2 +Cg1=015E-18 Capacitacircncia da junccedilatildeo 1 +Cg2=0 Capacitacircncia da junccedilatildeo 2 +C0=0 Capacitacircncia proacutepria da ilha +Q0=005 Carga offset em unidades de e +TEMP=300 Temperatura PARAM E=160217733E-19 Carga do eleacutetron (e) PARAM CSUM=C1+C2+Cg1+Cg2+C0 Capacitacircncia total do SET PARAM T=TEMPCSUM53785467E14 Temperatura normalizada 53785467E14 = kBe^2 PARAM RN1=R1(R1+R2) Resistecircncia da junccedilatildeo 1 normalizada PARAM RN2=R2(R1+R2) Resistecircncia da junccedilatildeo 2 normalizada FUNC Q(v1v2v3v4) (Cg1v3+Cg2v4+C1v1+C2v2)E+Q0 Definiccedilatildeo da carga em unidades de e FUNC VN(v) CSUMvE Tensatildeo normalizada FUNC GAMMA(u) IF(T==0IF(ult0-u0)IF(u==0Tu(EXP(uT)-1))) FUNC N_OPT(v1v2v3v4) ROUND(-Q(v1v2v3v4)+(CSUME) (v1RN2+v2RN1)) A maior probabilidade de carga na ilha em unidades de e Os quarto eventos tuacuteneis FUNC R1L(nv1v2v3v4) GAMMA(05 - n - Q(v1v2v3v4) + VN(v1))RN1 FUNC R1R(nv1v2v3v4) GAMMA(05 + n + Q(v1v2v3v4) - VN(v1))RN1 FUNC R2L(nv1v2v3v4) GAMMA(05 + n + Q(v1v2v3v4) - VN(v2))RN2 FUNC R2R(nv1v2v3v4) GAMMA(05 - n - Q(v1v2v3v4) + VN(v2))RN2

58

determinaccedilatildeo das probabilidades relativas assume-se inicialmente que o estado da carga N_OPT tem probabilidade relativa igual a um FUNC PN_1(nv1v2v3v4) (R1L(nv1v2v3v4)+R2R(nv1v2v3v4))(R1R(n-1v1v2v3v4)+R2L(n-1v1v2v3v4)) FUNC PN_2(nv1v2v3v4) PN_1(nv1v2v3v4) +(R1L(n-1v1v2v3v4)+R2R(n-1v1v2v3v4))(R1R(n-2v1v2v3v4)+R2L(n-2v1v2v3v4)) FUNC PN_3(nv1v2v3v4) PN_2(nv1v2v3v4) +(R1L(n-2v1v2v3v4)+R2R(n-2v1v2v3v4))(R1R(n-3v1v2v3v4)+R2L(n-3v1v2v3v4)) FUNC PN_4(nv1v2v3v4) PN_3(nv1v2v3v4) +(R1L(n-3v1v2v3v4)+R2R(n-3v1v2v3v4))(R1R(n-4v1v2v3v4)+R2L(n-4v1v2v3v4)) FUNC PN_5(nv1v2v3v4) PN_4(nv1v2v3v4) +(R1L(n-4v1v2v3v4)+R2R(n-4v1v2v3v4))(R1R(n-5v1v2v3v4)+R2L(n-5v1v2v3v4)) FUNC PN1(nv1v2v3v4) (R2L(nv1v2v3v4) +R1R(nv1v2v3v4))(R2R(n+1v1v2v3v4)+R1L(n+1v1v2v3v4)) FUNC PN2(nv1v2v3v4) PN1(nv1v2v3v4) +(R2L(n+1v1v2v3v4)+R1R(n+1v1v2v3v4))(R2R(n+2v1v2v3v4)+R1L(n+2v1v2v3v4)) FUNC PN3(nv1v2v3v4) PN2(nv1v2v3v4) +(R2L(n+2v1v2v3v4)+R1R(n+2v1v2v3v4))(R2R(n+3v1v2v3v4)+R1L(n+3v1v2v3v4)) FUNC PN4(nv1v2v3v4) PN3(nv1v2v3v4) +(R2L(n+3v1v2v3v4)+R1R(n+3v1v2v3v4))(R2R(n+4v1v2v3v4)+R1L(n+4v1v2v3v4)) FUNC PN5(nv1v2v3v4) PN4(nv1v2v3v4) +(R2L(n+4v1v2v3v4)+R1R(n+4v1v2v3v4))(R2R(n+5v1v2v3v4)+R1L(n+5v1v2v3v4)) FUNC PSUM(nv1v2v3v4) PN_5(nv1v2v3v4)+PN_4(nv1v2v3v4)+PN_3(nv1v2v3v4)+PN_2(nv1v2v3v4) ++PN_1(nv1v2v3v4)+1+PN1(nv1v2v3v4)+PN2(nv1v2v3v4)+PN3(nv1v2v3v4) ++PN4(nv1v2v3v4)+PN5(nv1v2v3v4)

59

caacutelculo da corrente da fonte para o dreno FUNC CUR(nv1v2v3v4) PN_5(nv1v2v3v4)(R1R(n-5v1v2v3v4)-R1L(n-5v1v2v3v4)) ++PN_4(nv1v2v3v4)(R1R(n-4v1v2v3v4)-R1L(n-4v1v2v3v4)) ++PN_3(nv1v2v3v4)(R1R(n-3v1v2v3v4)-R1L(n-3v1v2v3v4)) ++PN_2(nv1v2v3v4)(R1R(n-2v1v2v3v4)-R1L(n-2v1v2v3v4)) ++PN_1(nv1v2v3v4)(R1R(n-1v1v2v3v4)-R1L(n-1v1v2v3v4)) ++(R1R(nv1v2v3v4)-R1L(nv1v2v3v4)) ++PN1(nv1v2v3v4)(R1R(n+1v1v2v3v4)-R1L(n+1v1v2v3v4)) ++PN2(nv1v2v3v4)(R1R(n+2v1v2v3v4)-R1L(n+2v1v2v3v4)) ++PN3(nv1v2v3v4)(R1R(n+3v1v2v3v4)-R1L(n+3v1v2v3v4)) ++PN4(nv1v2v3v4)(R1R(n+4v1v2v3v4)-R1L(n+4v1v2v3v4)) ++PN5(nv1v2v3v4)(R1R(n+5v1v2v3v4)-R1L(n+5v1v2v3v4)) FUNC CURRENT(nv1v2v3v4) ECUR(nv1v2v3v4)(CSUMPSUM(nv1v2v3v4)(R1+R2)) caacutelculo da tensatildeo da ilha FUNC VOLT(nv1v2v3v4) PN_5(nv1v2v3v4)(n-5+Q(v1v2v3v4)) ++PN_4(nv1v2v3v4)(n-4+Q(v1v2v3v4)) ++PN_3(nv1v2v3v4)(n-3+Q(v1v2v3v4)) ++PN_2(nv1v2v3v4)(n-2+Q(v1v2v3v4)) ++PN_1(nv1v2v3v4)(n-1+Q(v1v2v3v4)) ++n+Q(v1v2v3v4) ++PN1(nv1v2v3v4)(n+1+Q(v1v2v3v4)) ++PN2(nv1v2v3v4)(n+2+Q(v1v2v3v4)) ++PN3(nv1v2v3v4)(n+3+Q(v1v2v3v4)) ++PN4(nv1v2v3v4)(n+4+Q(v1v2v3v4)) ++PN5(nv1v2v3v4)(n+5+Q(v1v2v3v4)) FUNC VOLTAGE(nv1v2v3v4) (ECSUM)VOLT(nv1v2v3v4)PSUM(nv1v2v3v4) E1 5 0 VALUE= VOLTAGE(N_OPT(V(1)V(2)V(3)V(4))V(1)V(2)V(3)V(4)) Tensatildeo da ilha G1 1 2 VALUE= CURRENT(N_OPT(V(1)V(2)V(3)V(4))V(1)V(2)V(3)V(4)) Corrente da fonte para o dreno CT1 1 5 C1 CT2 2 5 C2 CGATE1 3 5 CG1 CGATE2 4 5 CG2 ENDS SET

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3

2 FUNDAMENTACcedilAtildeO TEOacuteRICA

21 INTERCONEXOtildeES

211 Limitaccedilotildees do cobre em relaccedilatildeo ao CNT

As interconexotildees de cobre sofrem inuacutemeros problemas indesejados que aumentam agrave

medida que as interconexotildees diminuem de tamanho Essa diminuiccedilatildeo de tamanho resulta

em interconexotildees menos eficientes no maior consumo de potecircncia e no aumento da

densidade de corrente transportada por cada interconexatildeo [22] De acordo com o ITRS

[21] a densidade de corrente pode atingir valores na ordem de 107 Acm

2 Este valor soacute eacute

suportado por CNTs uma vez que satildeo capazes de suportar densidades de corrente na

ordem de 1010

Acm2 [1317]

Os CNTs tecircm provocado grande interesse nos cientistas desde a sua descoberta em 1991

por Iijima devido agraves excelentes propriedades eleacutetricas teacutermicas e mecacircnicas que possuem

Suas propriedades eleacutetricas permitem que suportem densidades de ateacute 1010

Acm2 sendo

que o cobre suporta densidades inferiores a 107 Acm

2 [1317] O caminho meacutedio livre do

CNT eacute superior ao do cobre o que possibilita um transporte baliacutestico por uma ampla gama

de extensatildeo e isso resulta em uma resistividade menor do CNT [13-17] Aleacutem disso a alta

condutividade teacutermica do CNT que eacute outra limitaccedilatildeo do cobre eacute de fundamental

importacircncia na aplicaccedilatildeo em interconexotildees Essas propriedades possibilitam uma

toleracircncia do CNT agrave eletromigraccedilatildeo a qual eacute uma grande limitaccedilatildeo no desempenho das

interconexotildees de cobre [131719]

212 Caracteriacutesticas do CNT

Os nanotubos de carbono podem ser formados por uma lacircmina de grafeno enrolada

conhecida como SWCNT (single-walled carbon nanotube) ou por vaacuterios tubos

concecircntricos formando uma multicamada conhecida por MWCNT (multi-walled carbon

nanotube) [2324] A Figura 21 ilustra a estrutura de uma lacircmina de grafeno do SWCNT e

do MWCNT

4

Figura 21 ndash Estrutura de uma lacircmina de grafeno (esquerda) do SWCNT (meio) e do

MWCNT (direita) [13]

Eacute importante destacar que os MWCNTs satildeo menos favoraacuteveis para o uso em

interconexotildees jaacute que eles apresentam caminho meacutedio livre menor que os SWCNTs

[1317] Como a resistecircncia de um uacutenico SWCNT pode ter valores altos eacute necessaacuteria a

uniatildeo de vaacuterios dispostos em paralelo como uma corda chamado de bundle para diminuir

o valor da resistecircncia equivalente da interconexatildeo [1315] A Figura 22 ilustra a estrutura

do SWCNT bundle [16]

Figura 22 ndash Estrutura do SWCNT bundle [16]

Dependendo de como a lacircmina eacute enrolada que resulta no acircngulo quiral e nos iacutendices

quirais de sua estrutura o nanotubo pode ser metaacutelico ou semicondutor [131419] Os

iacutendices quirais satildeo identificados por (mn) O nanotubo seraacute metaacutelico quando a diferenccedila

entre os iacutendices quirais for um muacuteltiplo inteiro de 3 e seraacute semicondutor nos outros casos

[13] A estrutura eacute chamada de zig-zag quando m ou n eacute igual a zero podendo ser metaacutelica

ou semicondutora Quando m=n a estrutura eacute denominada armchair sendo sempre

metaacutelica Nos outros casos a estrutura eacute conhecida como quiral e pode ser metaacutelica ou

semicondutora [24] A Figura 23 mostra as estruturas do armchair zig-zag e quiral [24]

5

Figura 23 ndash Estrutura do (i) armchair (ii) zig-zag e (iii) quiral [24]

De acordo com [22] o crescimento dos CNTs geralmente eacute realizado atraveacutes de um dos

seguintes meacutetodos descarga por arco eleacutetrico ablaccedilatildeo a laser e deposiccedilatildeo quiacutemica a vapor

do inglecircs chemical vapor deposition ndash CVD O processo de descarga por arco eleacutetrico tem

sido desenvolvido para preparar MWCNTs e SWCNTs de alta qualidade Neste processo

aacutetomos de carbono satildeo evaporados com um gaacutes de plasma inerte caracterizado por altas

correntes eleacutetricas que passam entre os eletrodos opostos de carbono (caacutetodo e acircnodo)

Normalmente o acircnodo do carbono conteacutem uma pequena porcentagem de catalisador de

metal como o cobalto niacutequel ou ferro Jaacute o meacutetodo de ablaccedilatildeo a laser utiliza um pulso

duplo de lasers para evaporar varetas de grafite dopadas com uma mistura de cobalto e

niacutequel em poacute colocado em um tubo aquecido a temperatura elevada seguido de um

tratamento teacutermico a vaacutecuo

Apesar dos meacutetodos de descarga por arco eleacutetrico e ablaccedilatildeo a laser produzir grandes

quantidades de CNTs de alta qualidade e oferecer uma ampla disponibilidade de CNTs

para estudos e possiacuteveis aplicaccedilotildees existem vaacuterias preocupaccedilotildees associadas com estes dois

meacutetodos de crescimento [22] Dessa forma os meacutetodos de CVD satildeo bastante usados no

crescimento de CNTs com aplicaccedilatildeo em eletrocircnica incluindo interconexotildees [1322] O

processo de crescimento CVD envolve o aquecimento do catalisador a uma temperatura

elevada e a introduccedilatildeo de gaacutes de hidrocarboneto ou de monoacutexido de carbono para dentro

6

do reator O mecanismo de crescimento do CNT tem sido considerado como um processo

de dissociaccedilatildeo-difusatildeo-precipitaccedilatildeo em que o carbono eacute formado sobre a superfiacutecie de

uma partiacutecula de metal seguida de difusatildeo e precipitaccedilatildeo sob a forma de grafeno ciliacutendrico

[22]

213 Modelos de Interconexatildeo

Para realizar uma comparaccedilatildeo por simulaccedilatildeo entre o desempenho do CNT e do cobre

modelos equivalentes de circuito de interconexotildees que reproduzam com fidelidade o seu

comportamento fiacutesico satildeo necessaacuterios Com esse intuito eacute fundamental que os fatores que

interferem no desempenho das interconexotildees como resistecircncia indutacircncia capacitacircncia e

comprimento sejam considerados A partir do estudo desses modelos eacute possiacutevel verificar

se as interconexotildees de CNT poderatildeo substituir as de cobre e os casos em que isso eacute

possiacutevel

2131 Modelo de interconexatildeo do SWCNT isolado

A resistecircncia de um SWCNT isolado eacute composta por ateacute trecircs partes resistecircncia de contato

entre o metal e o nanotubo (Rc) resistecircncia quacircntica (Rq) e resistecircncia de espalhamento

(Rs) [192325] As resistecircncias de contato e quacircntica satildeo independentes do comprimento

do nanotubo Jaacute a resistecircncia de espalhamento depende do comprimento do nanotubo [26-

31]

Quando o comprimento do SWCNT eacute menor ou igual ao caminho meacutedio livre (lCNT le

λCNT) que eacute tipicamente 1 microm o transporte de eleacutetrons eacute essencialmente baliacutestico e a

resistecircncia independe do comprimento do nanotubo [1332] No entanto quando o

comprimento do SWCNT eacute maior que o caminho meacutedio livre (lCNT gt λCNT) haacute uma

resistecircncia adicional que depende do comprimento do SWCNT e eacute chamada de resistecircncia

de espalhamento [13-15] Assim a resistecircncia total eacute dada pela equaccedilatildeo (21) em que lCNT

eacute o comprimento do nanotubo de carbono

CNTCNT

CNTCNT

CNTlseRsRqRc

lseRqRcR

(21)

7

A resistecircncia de contato pode chegar ao valor de 100 kΩ [131533] Contudo essa

resistecircncia em nanotubos de carbono com diacircmetro maior que 1nm estaacute na ordem de

poucos kilo ohms ou ateacute mesmo centenas de ohms [1316] Neste trabalho considerou-se o

contato metal-nanotubo como sendo perfeito ou seja Rc = 0

A resistecircncia quacircntica e a de espalhamento satildeo descritas pelas equaccedilotildees (22) e (23)

respectivamente onde e eacute a carga do eleacutetron e h eacute a constante de Plank A resistecircncia

quacircntica (Rq) eacute igualmente dividida em cada lado dos contatos metal-nanotubo [13-

173435]

ke

hRq 456

4 2 (22)

CNT

CNTl

e

hRs

24 (23)

O movimento de eleacutetrons transportados por um condutor eacute modelado pela indutacircncia que

consiste na indutacircncia magneacutetica e cineacutetica [1316] No SWCNT a indutacircncia magneacutetica eacute

calculada considerando que o CNT eacute um fio muito fino com diacircmetro d e estaacute

posicionado a uma distacircncia y do plano ligado ao terra A indutacircncia cineacutetica eacute calculada

pela equaccedilatildeo da energia cineacutetica armazenada em cada canal condutor do CNT para uma

indutacircncia efetiva [141535] Assim a indutacircncia magneacutetica (LM) e a cineacutetica (LK) podem

ser calculadas pelas equaccedilotildees (24) e (25) respectivamente

d

yLM ln

2

(24)

F

Kve

hL

22 (25)

Para d = 1nm e y = 1microm LM = 14pHmicrom [141529] Como vF eacute a velocidade de Fermi

cujo valor eacute dado por 8x105 ms para o CNT o valor da indutacircncia cineacutetica eacute LK =

16nHmicrom [13-1635] Sabendo que cada CNT tem quatro canais condutores em paralelo

que natildeo interagem entre si a indutacircncia cineacutetica efetiva eacute dada por LK4 [13-15] Uma boa

aproximaccedilatildeo da indutacircncia total do CNT (LCNT) eacute 4 nHmicrom [15]

8

Por fim a capacitacircncia de um SWCNT isolado eacute constituiacuteda por duas partes que satildeo a

capacitacircncia eletrostaacutetica (CE) e a quacircntica (CQ) [13-1735] Essas capacitacircncias satildeo

calculadas pelas equaccedilotildees (26) e (27)

d

yCE

ln

2 (26)

F

Qhv

eC

22 (27)

A capacitacircncia eletrostaacutetica eacute influenciada pelo ambiente que a envolve que satildeo os seus

vizinhos e o plano ligado ao terra Considerando que o CNT eacute um fio com diacircmetro d =

1nm e a distacircncia y = 1microm obteacutem-se CE = 30 aFmicrom Jaacute a capacitacircncia quacircntica se refere agrave

influecircncia da energia quacircntica armazenada no nanotubo quando este carrega corrente O

valor da capacitacircncia eacute CQ = 100 aFmicrom [1314] Considerando os quatro canais condutores

descritos anteriormente a capacitacircncia total eacute dada por (28)

QE

QE

CNTCC

CCC

4

4

(28)

Assim o esquemaacutetico da interconexatildeo de um SWCNT isolado eacute mostrado na Figura 24

abaixo

Figura 24 ndash Modelo de interconexatildeo do SWCNT isolado (modificado de [33])

2132 Modelo de interconexatildeo do SWCNT bundle

O SWCNT bundle possui resistecircncia equivalente menor que o SWCNT isolado

caracteriacutestica necessaacuteria para alcanccedilar performances comparaacuteveis agraves interconexotildees de

9

cobre [13-2023252629-38] O SWCNT bundle eacute composto por vaacuterios SWCNTs

empacotados em paralelo Assume-se que todos os SWCNTs satildeo idecircnticos metaacutelicos e que

cada um tem o mesmo potencial [1737] Sabendo que d eacute o diacircmetro do nanotubo de

carbono e x eacute a distacircncia entre os centros de dois nanotubos adjacentes o SWCNT bundle

pode ser empacotado de forma densa se x = d ou de forma esparsa se x gt d [13-1529-

32] Sabe-se que entre os nanotubos existe uma separaccedilatildeo δmin devido agrave forccedila de Van der

Waals que eacute de pelo menos 032 nm entre cada nanotubo [13] como mostra a Figura 25

Figura 25 ndash Separaccedilatildeo miacutenima entre CNTs devido agrave forccedila de Van der Waals (modificado

de [13])

O nuacutemero de nanotubos de carbono nCNT disponiacutevel pode ser calculado pelas expressotildees

dadas em (29) e (210) [141530]

iacutemparnsen

nn

parnsen

nn

n

HH

HW

HH

HW

CNT

2

1

2

(29)

1

23

x

dtn

x

dwn HW (210)

Nas expressotildees acima w eacute a largura e t eacute a altura da interconexatildeo de SWCNT bundle

Assim nW eacute o nuacutemero de CNTs ao longo da largura do SWCNT bundle e nH eacute o nuacutemero de

CNTs ao longo da altura do SWCNT bundle [13-1530] A Figura 26 mostra esses valores

[13]

10

Figura 26 ndash Nuacutemero de CNTs ao longo da largura (nW) e da altura (nH) do CNT

bundle[13]

Na tecnologia de 22 nm considerando as dimensotildees de 22 nm de largura e 44 nm de altura

do SWCNT bundle [13173437] e a separaccedilatildeo entre cada nanotubo devido agrave forccedila de Van

der Waals a quantidade de SWCNTs eacute aproximadamente 600 Neste trabalho estas

consideraccedilotildees foram feitas e a tecnologia de 22 nm foi utilizada Esta tecnologia eacute prevista

pelo ITRS para o ano de 2016 [21]

As resistecircncias de cada SWCNT estatildeo em paralelo entre elas assim como as indutacircncias

Assim a resistecircncia e a indutacircncia do SWCNT bundle com nCNT SWCNTs satildeo calculados

respectivamente pelas expressotildees (211) e (212) [1323252629-3234]

CNT

CNTbundle

n

RR (211)

CNT

CNTbundle

n

LL (212)

Considerando que todos os SWCNTs estatildeo no mesmo potencial que os contatos entre

todos os nanotubos de carbono em um bundle satildeo idecircnticos e que cada SWCNT tem o

mesmo caminho meacutedio livre [13] eacute possiacutevel assumir que a interaccedilatildeo entre CNTs

adjacentes de um SWCNT bundle eacute fraca e que eles carregam correntes independentes

umas das outras [13-17]

A capacitacircncia do SWCNT bundle eacute obtida a partir da combinaccedilatildeo da capacitacircncia

quacircntica de todos os SWCNTs em paralelo chamada de capacitacircncia quacircntica bundle

(CQbundle

) que estaacute em seacuterie com a capacitacircncia eletrostaacutetica (CEbundle

) [13143539] A

capacitacircncia quacircntica e a capacitacircncia eletrostaacutetica satildeo calculadas pelas equaccedilotildees (213) e

(214) em que CEn e CEf satildeo as capacitacircncias de placas paralelas de CNTs isolados em

11

relaccedilatildeo aos vizinhos proacuteximos e afastados respectivamente [14293032] Assim a

capacitacircncia total do SWCNT bundle eacute obtida pela equaccedilatildeo (215)

CNT

CNT

Q

bundle

Q nCC (213)

En

HEf

WEn

bundle

E Cn

Cn

CC5

23

2

22

(214)

bundle

Q

bundle

E

bundle

Q

bundle

E

bundleCC

CCC

(215)

Analisando a equaccedilatildeo (215) o efeito da CQbundle

eacute pequeno para grandes valores de nCNT

sendo o valor da capacitacircncia do SWCNT bundle aproximadamente igual agrave sua

capacitacircncia eletrostaacutetica [13161719] Srivastava et al [13] mostra que os nanotubos no

interior do SWCNT bundle satildeo blindados eletrostaticamente dos condutores de terra

podendo ser desprezados Os CNTs de borda satildeo os principais contribuidores para a

capacitacircncia eletrostaacutetica do SWCNT bundle No entanto a equaccedilatildeo (214) natildeo reproduz

fielmente a realidade jaacute que considera a capacitacircncia eletrostaacutetica de todos os nanotubos e

natildeo soacute os CNTs de borda Segundo o mesmo autor para a tecnologia de 22 nm e uma

constante dieleacutetrica igual a 2 a capacitacircncia total do SWCNT bundle eacute aproximadamente

135 aFμm

2133 Modelo de interconexatildeo do cobre

As propriedades fiacutesicas de interconexotildees de cobre podem ser descritas por resistecircncia

capacitacircncia e indutacircncia [14-16] A resistecircncia do cobre pode ser calculada utilizando a

equaccedilatildeo (216)

tw

lRCu

(216)

em que l eacute o comprimento do cobre w eacute a sua largura t eacute a sua altura e ρ eacute a sua

resistividade A resistividade do cobre em escala nanomeacutetrica eacute moldada pela combinaccedilatildeo

dos fenocircmenos de espalhamento superficial e de espalhamento de contorno

[151627283340] Estes fenocircmenos correspondem aos paracircmetros ρFS e ρMS propostos

12

por Fuchs e Sondheimer (ρFS) e por Mayadas e Shatzkes (ρMS) [1516] Estes paracircmetros

satildeo calculados pelas expressotildees (217) (218) e (219)

)1(

4

31 p

w

o

o

FS

(217)

11ln33

2

31 22

MS

o (218)

)1( R

R

D

o

(219)

O paracircmetro ρo eacute a resistividade do material λo eacute o caminho meacutedio livre p eacute o paracircmetro

de espalhamento de Fuchs D eacute o tamanho meacutedio e R eacute o coeficiente de reflexatildeo no

contorno com valores entre 0 e 1 Assim tem-se que a resistecircncia do cobre em escala

nanomeacutetrica eacute dada pela equaccedilatildeo (220) [1516]

tw

lR MSFS

Cu

(220)

De acordo com [1433] o valor da resistividade do cobre na tecnologia de 22nm para

interconexotildees locais eacute dado por 4666 μΩ-cm No entanto este valor da resistividade do

cobre chega a 58 μΩ-cm para valores miacutenimos da largura do fio [1516203940] Neste

trabalho seraacute utilizado o valor de 58 μΩ-cm para a resistividade do cobre na tecnologia de

22 nm que vai ao encontro dos requerimentos do ITRS [21]

A indutacircncia proacutepria (L) e a muacutetua (M) da interconexatildeo de cobre em escala nanomeacutetrica

satildeo obtidas usando respectivamente as expressotildees (221) e (222)

l

tw

tw

llL o )(220

2

12ln

2

(221)

l

s

s

llM o 1

2ln

2

(222)

em que t eacute a altura do fio microo eacute a permeabilidade e s eacute o espaccedilamento entre os fios [14-16]

A indutacircncia total do cobre (LCu) eacute dada pela soma das indutacircncias proacutepria e muacutetua

13

A capacitacircncia da interconexatildeo de cobre eacute calculada pela soma da capacitacircncia de

acoplamento entre dois fios adjacentes (CC) e a capacitacircncia ligada ao plano do terra (Cg)

[14-16] Essas capacitacircncias podem ser obtidas pelas equaccedilotildees (223) e (224) [1541]

120760193

534511171

70222

ht

t

hs

s

hs

s

h

wCg (223)

181160141090

980871161

591740

062141

sh

h

sw

w

sw

w

sh

h

s

tCC (224)

em que s eacute o espaccedilamento entre dois fios adjacentes h eacute a distacircncia do fio em relaccedilatildeo ao

plano do terra e ε eacute a permissividade relativa para uma dada constante dieleacutetrica

Considerando as equaccedilotildees (223) e (224) e de acordo com [1321] para uma constante

dieleacutetrica igual a 2 o valor da capacitacircncia total do cobre (CCu) eacute aproximadamente 150

aFμm que seraacute utilizado neste trabalho

Os modelos em L em π e em T satildeo usados como modelos de interconexatildeo de cobre [11]

Como o modelo π eacute muito utilizado para uma linha distribuiacuteda [1416] este modelo seraacute

usado neste trabalho A Figura 27 mostra o modelo de interconexatildeo de cobre [11]

Figura 27 ndash Modelo de interconexatildeo de cobre

A precisatildeo do modelo eacute determinada pelo nuacutemero de seguimentos bdquoN‟ que ele possui Uma

cadeia com mais de trecircs segmentos em π fornece um erro menor que 3 [16] Neste

trabalho seratildeo utilizados trecircs segmentos em π

14

22 INVERSOR MONO-ELEacuteTRON

Os dispositivos de tunelamento mono-eleacutetron satildeo dispositivos nanoeletrocircnicos

potencialmente aplicaacuteveis em circuitos integrados em escala giga (GSI) e tera (TSI)

Apesar de apresentarem baixo ganho e alta impedacircncia de saiacuteda estes dispositivos

possuem tamanho reduzido e baixa dissipaccedilatildeo de potecircncia Estas caracteriacutesticas os tornam

atrativos em circuitos loacutegicos e circuitos de memoacuteria [1-10] Assim portas loacutegicas podem

ser implementadas utilizando dispositivos de tunelamento mono-eleacutetron [14-9]

As portas loacutegicas satildeo blocos de construccedilatildeo baacutesicos na eletrocircnica digital O inversor loacutegico

ou porta NOT eacute o principal elemento baacutesico no projeto de circuitos digitais [42] O

inversor inverte o sinal de entrada de valor loacutegico baixo ndash 0 ndash em um sinal de saiacuteda de

valor loacutegico alto ndash 1 ndash e vice-versa [442] Em outras palavras a porta NOT efetua a

negaccedilatildeo loacutegica O siacutembolo do inversor juntamente com sua tabela verdade estaacute ilustrado

na Figura 28

Figura 28 ndash Siacutembolo e tabela verdade da porta NOT

221 Dispositivo de tunelamento mono-eleacutetron

O funcionamento dos dispositivos de tunelamento mono-eleacutetron eacute baseado no controle do

movimento e da posiccedilatildeo de um uacutenico ou de um pequeno grupo de eleacutetrons no dispositivo

[17] Os seguintes conceitos satildeo essenciais na definiccedilatildeo desses dispositivos ilha junccedilatildeo-

tuacutenel tunelamento efeito de carregamento e bloqueio de Coulomb A partir desses

conceitos eacute possiacutevel definir o transistor mono-eleacutetron - SET (do inglecircs Single-electron

transistor) [24-8]

A ilha estaacute localizada entre duas paredes finas de um material normalmente isolante as

quais criam uma barreira de potencial de energia que impossibilita a movimentaccedilatildeo de

eleacutetrons pela ilha A Figura 29 mostra dois eletrodos A e B separados por uma barreira

15

isolante e no meio dessa barreira isolante encontra-se a ilha Se a energia dos eleacutetrons for

maior que a energia potencial das paredes das barreiras estes poderatildeo atravessaacute-las [6] No

dispositivo de tunelamento mono-eleacutetron o transporte de eleacutetrons entre o eletrodo A e a

ilha e entre a ilha e o eletrodo B ocorre por tunelamento mono-eleacutetron em que os eleacutetrons

atravessam as barreiras um de cada vez [10]

Figura 29 Dois eletrodos separados por uma ilha [10]

Esses dispositivos satildeo formados por junccedilotildees-tuacutenel que satildeo dois eletrodos metaacutelicos

separados por um isolante muito fino (barreira) o qual permite a passagem de eleacutetrons por

tunelamento [467] A Figura 210 ilustra a junccedilatildeo-tuacutenel e sua representaccedilatildeo simboacutelica Os

paracircmetros que caracterizam a junccedilatildeo-tuacutenel macroscopicamente satildeo a resistecircncia de

tunelamento (Rj) que depende da aacuterea e da espessura da barreira isolante e a capacitacircncia

(Cj) [10]

Figura 210 Esquemaacutetico da junccedilatildeo-tuacutenel [10]

O tunelamento eacute o transporte de partiacuteculas atraveacutes de uma regiatildeo em que a energia total de

uma partiacutecula pontual claacutessica eacute menor que a energia potencial da regiatildeo ou seja eacute o

transporte atraveacutes de uma regiatildeo classicamente proibida [10] O efeito de tunelamento

ocorre quando a barreira de potencial for suficientemente fina permitindo que o eleacutetron a

atravesse se houver niacutevel de energia desocupado do outro lado da barreira com o mesmo

valor de energia Esse fenocircmeno pode ser explicado pelo comportamento dual do eleacutetron

Diferentemente da mecacircnica claacutessica na teoria eletromagneacutetica quando uma partiacutecula

encontra uma barreira de potencial parte da onda eacute refletida e a outra parte eacute transmitida

para o outro lado da barreira [10] A teoria ortodoxa do tunelamento mono-eleacutetron eacute o

modelo mais utilizado para analisar o tunelamento [4-6] Proposto em 1987 por Averin e

Likharev [43] este modelo apresenta os seguintes postulados

16

Modelo de dimensatildeo zero as dimensotildees das ilhas satildeo despreziacuteveis

O evento de tunelamento eacute considerado instantacircneo

A redistribuiccedilatildeo das cargas apoacutes tunelamento tambeacutem eacute considerada instantacircnea

O espectro de energia em condutores e ilhas eacute considerado contiacutenuo ou seja a

quantizaccedilatildeo da energia do eleacutetron eacute ignorada dentro dos condutores

Apesar de a teoria ortodoxa assumir condiccedilotildees hipoteacuteticas ela continua sendo muito

utilizada em estudos do dispositivo mono-eleacutetron [4-6]

O efeito de carregamento ocorre quando os eleacutetrons estatildeo na iminecircncia de entrar em um

material condutor extremamente pequeno isolado eletricamente (ilha) Se houver um

eleacutetron na ilha o potencial eletrostaacutetico da ilha aumenta bastante sendo bem superior ao

ruiacutedo teacutermico em temperatura ambiente O fluxo de eleacutetrons na ilha eacute possiacutevel se o

potencial da ilha for controlado por uma fonte de tensatildeo externa Outros eleacutetrons satildeo

impedidos de entrar na ilha devido agrave repulsatildeo de Coulomb [14-9]

Assim o bloqueio de Coulomb ocorre quando um eleacutetron entra na ilha e impede o

tunelamento de outro eleacutetron nesta ilha No momento em que o eleacutetron entra na ilha a

energia eletrostaacutetica da ilha aumenta em Ce 22 em que CΣ eacute a soma das capacitacircncias

em torno da ilha [14] Dessa forma outro eleacutetron soacute conseguiraacute tunelar para dentro da ilha

se sua energia for maior que a energia eletrostaacutetica da ilha [6] A Figura 211 ilustra os

diagramas de energia no bloqueio de Coulomb e no caso de tunelamento [10]

(a) (b)

Figura 211 Diagramas de energia (a) Bloqueio de Coulomb (b) Tunelamento mono-

eleacutetron [10]

17

O bloqueio de Coulomb eacute superado ao se aplicar uma tensatildeo Vg ao circuito ateacute que esta

tensatildeo alcance um dado valor de limiar que forneceraacute energia suficiente para que ocorra o

tunelamento de um eleacutetron Assim haveraacute o fluxo de eleacutetrons havendo corrente A Figura

212 mostra a regiatildeo do bloqueio de Coulomb ao aplicar uma tensatildeo Vg ao circuito em que

Vc eacute a tensatildeo de limiar chamada de tensatildeo de bloqueio de Coulomb [5-10]

Figura 212 Caracteriacutestica do bloqueio de Coulomb [10]

Nesse contexto duas condiccedilotildees satildeo necessaacuterias para garantir que o transporte de eleacutetrons

seja controlado pelo efeito de carregamento a condiccedilatildeo para a resistecircncia de tunelamento

dada pela equaccedilatildeo (225) [1] em que a natureza corpuscular do eleacutetron predomina sobre a

natureza ondulatoacuteria e a energia eletrostaacutetica (EC) associada a uma dada temperatura (T)

deve ser significativamente maior que as flutuaccedilotildees teacutermicas existentes agravequela

temperatura como descrita na equaccedilatildeo (226) [146-9] Os paracircmetros h eacute a constante de

Planck e eacute a carga do eleacutetron kB eacute a constante de Boltzmann e C eacute capacitacircncia Na

equaccedilatildeo (226) a temperatura deve ser maior que 0K [10]

kRe

hR TT 825

2 (225)

TkC

eTkEc BB

2

2

(226)

A partir dos conceitos apresentados pode-se definir o transistor mono-eleacutetron O SET

ilustrado na Figura 213 [10] eacute composto por duas junccedilotildees-tuacutenel em seacuterie formando uma

ilha entre as junccedilotildees [246-9] Os paracircmetros R1 C1 e R2 C2 correspondem agraves

resistecircncias e capacitacircncias da primeira e da segunda junccedilatildeo-tuacutenel respectivamente A

tensatildeo de porta Vg controla a energia eletrostaacutetica da ilha atraveacutes da capacitacircncia Cg

18

Quando haacute carregamento por tunelamento de uma junccedilatildeo e descarregamento da outra

junccedilatildeo haacute um fluxo controlado de cargas o que gera a corrente I [10]

Figura 213 Transistor mono-eleacutetron [10]

Um efeito que pode ser observado na caracteriacutestica da corrente versus tensatildeo do transistor

mono-eleacutetron eacute chamado de oscilaccedilatildeo de Coulomb [24679] Se a tensatildeo V for mantida

constante com CeV e a tensatildeo Vg for aumentada ateacute atingir gg CeV 2 esse

valor de tensatildeo permitiraacute que um eleacutetron passe pela ilha Como soacute haveraacute corrente fluindo

no circuito em valores muacuteltiplos da tensatildeo gCe 2 soacute ocorreraacute o tunelamento novamente

quando )2(3 gg CeV A caracteriacutestica corrente (I) versus tensatildeo (Vg) do transistor

mono-eleacutetron eacute ilustrada na Figura 214 [10]

Figura 214 Caracteriacutestica corrente (I) versus tensatildeo (Vg) do transistor mono-eleacutetron [10]

222 Estrutura do inversor mono-eleacutetron

Um inversor pode ser construiacutedo colocando-se dois SETs em seacuterie os quais compartilham

da mesma entrada [5689] conforme mostrado na Figura 215 Vin eacute a tensatildeo de entrada

Vout eacute a tensatildeo de saiacuteda Vbias eacute a tensatildeo de polarizaccedilatildeo CC eacute a capacitacircncia de carga Cg1 e

Cg2 satildeo as capacitacircncias de porta do SET 1 e do SET 2 respectivamente

19

Figura 215 Esquemaacutetico do inversor utilizando SETs (modificado de [4])

Alguns modelos do SET desenvolvidos no software SPICE foram propostos na literatura

[4-7] Destes modelos o proposto por G Lientschnig et al [4] descreve a implementaccedilatildeo

completa da teoria ortodoxa e usa apenas os recursos em versotildees disponiacuteveis publicamente

do software SPICE Este modelo diferentemente dos modelos propostos em [5-7] natildeo estaacute

limitado a transistores mono-eleacutetron com junccedilotildees-tuacutenel que tecircm resistecircncias iguais Aleacutem

disso pode ser estendido para incluir um nuacutemero arbitraacuterio de estados de carga que

permite simulaccedilotildees definidas para altas temperaturas e tensotildees de polarizaccedilatildeo [4] O

modelo de G Lientschnig et al estaacute disponiacutevel no siacutetio eletrocircnico [44] Assim este foi o

modelo utilizado neste trabalho

23 CLOCKING DE SISTEMAS DE ALTA VELOCIDADE

Em sistemas digitais siacutencronos o sinal do clock eacute utilizado para definir uma referecircncia de

tempo agrave mudanccedila de dados dentro do sistema [1145] Assim a distribuiccedilatildeo do clock eacute de

suma importacircncia na operaccedilatildeo de circuitos integrados digitais sendo uma grande

preocupaccedilatildeo em circuitos integrados de alta velocidade [46-51] Circuitos em escala

nanomeacutetrica podem ser significativamente limitados devido ao clock skew que ocorre

quando os circuitos natildeo estatildeo equumlidistantes do sinal do clock [11454649-51] Como este

sinal eacute o sinal mais ativo em um chip pode resultar em elevado consumo de potecircncia e

grandes densidades de corrente na rede de interconexotildees do clock [454849]

Dessa forma o sinal do clock deve atingir ao mesmo tempo cada noacute para garantir que a

comutaccedilatildeo seja sincronizada bem como deve ser distribuiacutedo de forma que haja o menor

20

atraso possiacutevel [49] Com esse intuito os seguintes fatores entre outros satildeo fundamentais

no desempenho do clock dispositivos loacutegicos de tecnologia raacutepida (avanccedilada) rede de

distribuiccedilatildeo de clock que minimize o skew e interconexotildees com alto desempenho [11]

Conforme exposto anteriormente os dispositivos nanoeletrocircnicos como os transistores

mono-eleacutetron satildeo potencialmente aplicaacuteveis em circuitos integrados em escala giga (GSI)

e tera (TSI) Estes dispositivos permitem que as funccedilotildees loacutegicas sejam desempenhadas em

um tempo mais raacutepido e com menor atraso Assim satildeo fortes candidatos a serem utilizados

em circuitos integrados com clock

A adequada rede de distribuiccedilatildeo do clock assegura que a comutaccedilatildeo seja sincronizada e

que haja o menor atraso possiacutevel [1145] Aleacutem disso dependendo da arquitetura da rede o

niacutevel de sincronismo do sistema pode aumentar Diferentes tipos de abordagens tecircm sido

desenvolvidos para projetar a rede de distribuiccedilatildeo do clock em sistemas digitais de

circuitos integrados [45] Os buffered trees satildeo muito utilizados na distribuiccedilatildeo

equipotencial do clock Aleacutem dessas estruturas assimeacutetricas arquiteturas simeacutetricas como

o H-tree satildeo usadas para distribuir sinais de clock em alta velocidade podendo inclusive

ser projetadas com buffers [45-51] Algumas formas de rede de distribuiccedilatildeo do clock estatildeo

ilustradas na Figura 216 incluindo a trunk tree mesh e H-tree [45]

Figura 216 Estruturas comuns de redes de distribuiccedilatildeo de clock [45]

21

Atualmente as interconexotildees de cobre satildeo bastante utilizadas para circuitos de alto

desempenho como em redes de clock No entanto os CNTs apresentam caracteriacutesticas que

os tornam melhores para serem utilizados em interconexotildees descritas na subseccedilatildeo 221

[48] Neste trabalho seraacute realizada a comparaccedilatildeo entre interconexotildees de cobre e de CNT

na rede de distribuiccedilatildeo do H-tree clock

231 H-Tree Clock

O clock skew pode ser minimizado distribuindo-se o sinal do clock de forma que as

interconexotildees que levam o sinal aos circuitos loacutegicos tecircm o mesmo comprimento Se antes

de chegarem aos circuitos loacutegicos os sinais do clock forem igualmente atrasados eles

estaratildeo perfeitamente sincronizados [1145] Dessa forma o esquemaacutetico da Figura 217 de

distribuiccedilatildeo do clock minimiza o clock skew repetindo recursivamente uma estrutura em

forma de H [11] A Figura 217 ilustra uma rede H-tree simeacutetrica com trecircs niacuteveis [46]

Figura 217 Esquemaacutetico do H-tree clock simeacutetrico (modificado de [46])

Na estrutura do H-tree o condutor primaacuterio do clock estaacute ligado ao centro do H principal

(1ordm niacutevel) transmitindo o sinal para os quatro cantos deste H Esses quatro cantos satildeo as

entradas para o proacuteximo niacutevel do H-tree o 2ordm niacutevel que possui quatro estruturas em H O

processo de distribuiccedilatildeo continua por vaacuterios niacuteveis de H‟s cada vez menores Os pontos de

destino final do H-tree satildeo usados para conduzir os circuitos locais Assim cada caminho

do clock desde a fonte ateacute o circuito local possui praticamente o mesmo atraso [45]

22

24 MEDIDAS DE DESEMPENHO NA ANAacuteLISE DAS INTERCONEXOtildeES

As interconexotildees em circuitos integrados possuem caracteriacutesticas que modificam o sinal de

entrada O efeito das interconexotildees pode provocar atrasos e distorccedilotildees indesejaacuteveis Nesse

contexto eacute necessaacuterio analisar medidas de desempenho dos sinais sob efeito das

interconexotildees tais como velocidade maacutexima atenuaccedilatildeo tempo de atraso potecircncia

dissipada produto atraso-potecircncia e slew rate [111317202342]

241 Velocidade maacutexima - anaacutelise na frequumlecircncia

A velocidade maacutexima que as interconexotildees podem operar sem distorcer o sinal de entrada

eacute uma medida de desempenho importante [172023] Eacute possiacutevel analisar este paracircmetro

atraveacutes da frequumlecircncia maacutexima de operaccedilatildeo da interconexatildeo que eacute a largura de banda em

que o sinal comeccedila a decair em -3dB em relaccedilatildeo ao sinal de referecircncia [1742] Assim

utiliza-se a anaacutelise do moacutedulo do graacutefico de Bode para obter a frequumlecircncia de operaccedilatildeo em

-3dB [42] A Figura 218 mostra o esboccedilo do moacutedulo do ganho pela frequumlecircncia tiacutepico do

comportamento de interconexotildees

Figura 218 Graacutefico do moacutedulo do ganho pela frequumlecircncia tiacutepico do comportamento de

interconexotildees

23

242 Atenuaccedilatildeo

A transmissatildeo de um sinal pode ser expressa em funccedilatildeo do seu ganho ou da sua atenuaccedilatildeo

No caso em estudo as interconexotildees podem atenuar o sinal Essa atenuaccedilatildeo eacute geralmente

calculada pela expressatildeo (227) em que Vo eacute o sinal de saiacuteda e Vi eacute o sinal de entrada [42]

i

o

V

VA log20 (227)

243 Tempo de atraso

O tempo de atraso td ou atraso na propagaccedilatildeo ocorre devido ao

carregamentodescarregamento da capacitacircncia de carga bem como ao tempo de

chaveamento dos transistores [42]

O tempo de atraso eacute obtido pela diferenccedila entre o tempo medido a 50 da transiccedilatildeo dos

sinais de entrada e de saiacuteda [11] Em circuitos loacutegicos o atraso na propagaccedilatildeo pode ser

calculado pela meacutedia aritmeacutetica do tempo de propagaccedilatildeo do sinal de alto para baixo tPHL e

do tempo de propagaccedilatildeo do baixo para alto tPLH conforme equaccedilatildeo (228) [1142]

2

PLHPHLd

ttt

(228)

244 Potecircncia dissipada

A dissipaccedilatildeo de potecircncia eacute outra medida de desempenho bastante importante em circuitos

integrados em escala GSI e TSI Isso ocorre jaacute que ao aumentar o nuacutemero de portas

loacutegicas em uma determinada aacuterea ocupada eacute necessaacuterio que a dissipaccedilatildeo de potecircncia esteja

dentro de limites aceitaacuteveis [1142]

A dissipaccedilatildeo de potecircncia eacute composta por dois componentes potecircncia estaacutetica e potecircncia

dinacircmica A dissipaccedilatildeo de potecircncia estaacutetica eacute dada por IVP DDE e ocorre mesmo que

natildeo haja chaveamento de porta loacutegica no circuito devido ao efeito da resistecircncia do

circuito [42] A dissipaccedilatildeo de potecircncia dinacircmica eacute devido agrave capacitacircncia de carga do

24

circuito expressa por CVfP DDD 2 em que VDD eacute a tensatildeo de alimentaccedilatildeo f eacute

frequumlecircncia do circuito e C eacute a capacitacircncia de carga do circuito [1142] Assim a soma da

potecircncia dinacircmica e da potecircncia estaacutetica resulta na potecircncia total dissipada no circuito

245 Produto atraso-potecircncia

Em circuitos integrados o ideal eacute que se tenha baixo atraso na propagaccedilatildeo resultando em

uma maior velocidade de funcionamento do circuito bem como baixa dissipaccedilatildeo de

potecircncia No entanto essas duas exigecircncias satildeo conflitantes ao reduzirmos a dissipaccedilatildeo de

potecircncia de uma porta a capacidade da porta em fornecer corrente diminuiraacute isso

implicaraacute em um maior tempo de carga e descarga aumentando o atraso na propagaccedilatildeo

Assim o produto atraso-potecircncia (delay power product ndash DP) eacute uma medida de

desempenho bastante utilizada na anaacutelise de circuitos e eacute dado por dD tPDP Quanto

menor o produto atraso-potecircncia maior a eficiecircncia do circuito loacutegico [42]

246 Slew rate

A taxa maacutexima de variaccedilatildeo da tensatildeo de saiacuteda do inglecircs slew rate (SR) eacute uma

caracteriacutestica importante do sinal de saiacuteda de um circuito loacutegico A limitaccedilatildeo na taxa de

variaccedilatildeo pode provocar uma distorccedilatildeo no funcionamento do circuito O SR pode ser

calculado pela expressatildeo (229) em que Δv eacute a variaccedilatildeo da tensatildeo de saiacuteda do sinal para

uma determinada variaccedilatildeo de tempo Δt [42]

t

vSR

(229)

25 LTSPICE

O software LTSPICE eacute um simulador SPICE de alto desempenho orientado a

esquemaacuteticos e visualizador de formas de onda com modelos para facilitar a simulaccedilatildeo de

circuitos eletrocircnicos Se comparado aos outros simuladores SPICE a simulaccedilatildeo do

LTSPICE eacute bastante raacutepida O software consegue simular dispositivos de acordo com o

padratildeo industrial reproduzindo os seus comportamentos [52]

25

O LTSPICE possui vaacuterias possibilidades de simulaccedilatildeo como anaacutelise transiente anaacutelise AC

e anaacutelise DC bem como permite a simulaccedilatildeo de vaacuterios dispositivos disponiacuteveis na sua

biblioteca Aleacutem disso este software possibilita a elaboraccedilatildeo de novos esquemaacuteticos

atraveacutes de um modelo matemaacutetico ou eletrocircnico proposto O novo componente poderaacute ser

utilizado no circuito conforme seraacute feito neste trabalho utilizando-se o modelo SPICE do

SET proposto por G Lientschnig et al[4]

26

3 METODOLOGIA

31 INTRODUCcedilAtildeO

A miniaturizaccedilatildeo das interconexotildees prejudica o seu desempenho resultando no aumento

significativo do valor da resistividade da capacitacircncia de acoplamento entre vias na

dificuldade de controlar a razatildeo entre a altura e a largura do material entre outros

problemas A fim de analisar o desempenho das interconexotildees eacute necessaacuterio verificar

algumas variaacuteveis importantes como velocidade maacutexima (f-3dB) atenuaccedilatildeo (A) tempo de

atraso (td) potecircncia dissipada (P) produto atraso-potecircncia (DP) e slew rate (SR)

[111317202342]

32 ETAPAS E ESTRATEacuteGIAS ADOTADAS

Com o intuito de analisar o efeito das interconexotildees em circuitos com transistores mono-

eleacutetron foi realizada primeiramente a anaacutelise das interconexotildees de SWCNT de SWCNT

bundle e de cobre isoladamente para diferentes valores de comprimento Apoacutes a avaliaccedilatildeo

desses resultados o efeito das interconexotildees foi analisado no H-tree clock com inversores

mono-eleacutetron nos seus terminais tambeacutem considerando diferentes comprimentos Neste

trabalho a tecnologia de 22 nm prevista para o ano de 2016 [21] foi utilizada na

comparaccedilatildeo entre o desempenho do cobre e do CNT Todas as simulaccedilotildees foram realizadas

utilizando o software LTSPICE

321 Simulaccedilatildeo das interconexotildees

A partir dos modelos das interconexotildees de SWCNT SWCNT bundle e cobre apresentados

na subseccedilatildeo 213 diferentes comprimentos das interconexotildees foram simulados Assim

analisou-se as interconexotildees locais em que l le 1 μm e as intermediaacuterias em que 1 μm lt l

le 500 μm sabendo que l eacute o comprimento da interconexatildeo [29-31333638]

A fim de analisar a frequumlecircncia de corte este foi obtido para comprimentos de

interconexotildees locais (10nm 100nm 200nm 300nm 400nm 500nm 600nm 700nm

27

800nm 900nm 1μm) e interconexotildees intermediaacuterias (10μm 100μm 200μm 300μm

400μm 500μm)

Jaacute que λCNT eacute tipicamente 1 μm foram escolhidos trecircs comprimentos na faixa lCNT le λCNT

(10 nm 100 nm e 1 μm) e trecircs comprimentos na faixa lCNT gt λCNT (10 μm 100 μm 500

μm) para serem analisados detalhadamente Escolheu-se uma mesma frequecircncia abaixo da

frequecircncia de corte dos trecircs materiais considerados para analisar e comparar a atenuaccedilatildeo

(A) e o tempo de atraso na propagaccedilatildeo (td) dos diferentes comprimentos

Em seguida o mesmo procedimento foi feito para comparar somente o SWCNT bundle e o

cobre para uma mesma frequecircncia cujo valor eacute maior que a frequecircncia da anaacutelise anterior

permitindo que estes dois materiais sejam analisados detalhadamente

Essas anaacutelises foram realizadas a partir da simulaccedilatildeo do circuito da Figura 31 [2325] A

tensatildeo de entrada Vin eacute uma onda quadrada de 1V de amplitude e o capacitor de carga tem

o valor de 100 aF

Figura 31 ndash Circuito simulado para cada interconexatildeo

A Figura 32 mostra o fluxograma das etapas descritas nesta subseccedilatildeo 321

28

Figura 32 ndash Fluxograma das etapas seguidas na simulaccedilatildeo das interconexotildees

322 Simulaccedilatildeo do inversor mono-eleacutetron

Para utilizar a porta inversora da Figura 215 nos terminais do H-tree clock foi necessaacuterio

primeiramente simular o SET proposto por [4] Essa simulaccedilatildeo foi feita variando os

paracircmetros do SET como as resistecircncias e capacitacircncias das junccedilotildees as capacitacircncias de

porta a temperatura etc Os paracircmetros foram variados ateacute simular o SET a temperatura

de 300K Em seguida simulou-se a inversora da Figura 215 tambeacutem a temperatura

ambiente Dessa forma foi possiacutevel simular a inversora isoladamente obtendo as

caracteriacutesticas do sinal de saiacuteda

323 Simulaccedilatildeo do H-tree clock mono-eleacutetron

Apoacutes a simulaccedilatildeo do SET foi possiacutevel simular o H-tree clock A rede H-tree de dois niacuteveis

foi simulada com um H no primeiro niacutevel e quatro H‟s no segundo niacutevel [49] Nos pontos

de destino final da rede foram colocadas portas inversoras formadas por SETs permitindo

a anaacutelise de circuitos nanoeletrocircnicos

Modelos de SWCNT

SWCNT bundle e cobre

Obtenccedilatildeo dos paracircmetros dos modelos para

interconexotildees locais e interconexotildees intermediaacuterias

Para cada comprimento

obtenccedilatildeo de f-3dB

1ordm) Escolha de frequumlecircncia abaixo

da f-3dB do SWCNT SWCNT

bundle e cobre

2ordm) Escolha de frequumlecircncia abaixo

da f-3dB do SWCNT bundle e

cobre

Obtenccedilatildeo de A e td de

cada modelo

Obtenccedilatildeo de A e td de

cada modelo

Anaacutelise comparativa entre o

SWCNT SWCNT bundle e

cobre

Anaacutelise comparativa entre o

SWCNT bundle e cobre

Estudo de interconexotildees locais (10nm

100nm 1μm) e intermediaacuterias (10μm

100μm 500μm)

29

A partir da simulaccedilatildeo do H-tree clock obteve-se a frequecircncia em -3dB (f-3dB) da rede com

interconexotildees ideais Assim a rede H-tree foi entatildeo simulada para duas frequecircncias

diferentes do sinal de entrada abaixo da frequecircncia de -3dB 10 GHz e 100 GHz Com

essas simulaccedilotildees obtiveram-se as seguintes caracteriacutesticas do sinal de saiacuteda da inversora

niacutevel loacutegico baixo (NB) niacutevel loacutegico alto (NA) tempo de subida (tr) slew rate de subida

(SR) atenuaccedilatildeo (A) tempo de atraso (td) potecircncia dissipada (P) e produto atraso-potecircncia

(DP) As caracteriacutesticas obtidas servem como referecircncia para analisar o sinal considerando

interconexotildees natildeo-ideais ou seja incluindo os modelos das interconexotildees nas simulaccedilotildees

Em seguida a rede H-tree foi simulada considerando-se os modelos das interconexotildees de

SWCNT bundle e de cobre variando os seus comprimentos Como cada H da rede de

distribuiccedilatildeo deve ser simeacutetrico considerou-se que cada divisatildeo do H tem o mesmo

comprimento para cada niacutevel da rede [11] A Figura 33 mostra o comprimento dos

diferentes trechos da rede Assim o comprimento de cada divisatildeo dos H‟s do segundo

niacutevel eacute a metade do comprimento de cada divisatildeo do H do primeiro niacutevel Jaacute que o objetivo

eacute simular circuitos em escala nanomeacutetrica escolheu-se trecircs variaccedilotildees de comprimento

menores ou iguais a 1μm

l = 100 nm l2 = 50 nm

l = 400 nm l2 = 200 nm

l = 1 μm l2 = 500 nm

Figura 33 ndash Esquemaacutetico do H-tree clock com os comprimentos de cada seguimento

Dessa forma cada um dos trecircs circuitos foi simulado obtendo-se a frequecircncia em -3dB na

entrada das portas inversoras Em seguida as trecircs redes foram simuladas para as mesmas

30

duas frequumlecircncias do sinal de entrada (10 GHz e 100 GHz) de forma a obter as

caracteriacutesticas do sinal de saiacuteda descritas anteriormente considerando agora o efeito das

interconexotildees

Por fim a partir dos dados obtidos foram realizadas comparaccedilotildees entre as caracteriacutesticas

do sinal de saiacuteda de referecircncia (interconexotildees ideais) e o sinal de saiacuteda dos circuitos com as

interconexotildees natildeo-ideais bem como entre o comportamento das interconexotildees de SWCNT

bundle e de cobre nas diferentes frequecircncias

A Figura 34 mostra o fluxograma das etapas descritas nas subseccedilotildees 322 e 323

Figura 34 ndash Fluxograma das etapas seguidas na simulaccedilatildeo do H-tree clock

H-tree clock mono-eleacutetron

Simulaccedilatildeo do H-tree clock com

interconexotildees ideais Obtenccedilatildeo de f-3dB

da inversora

Simulaccedilatildeo do H-tree clock com

interconexotildees natildeo-ideais para os seguintes

comprimentos

l = 100 nm l2 = 50 nm

l = 400 nm l2 = 200 nm

l = 1 μm l2 = 500 nm

Validaccedilatildeo do SET e do

inversor mono-eleacutetron a

300K

Sinal de entrada a

10 GHz

Sinal de entrada a

100 GHz

Obtenccedilatildeo de NB

NA tr SR A td P e

DP do sinal de saiacuteda

da inversora

Obtenccedilatildeo de NB

NA tr SR A td P e

DP do sinal de saiacuteda

da inversora

Sinal de entrada a

10 GHz

Sinal de entrada a

100 GHz

Obtenccedilatildeo de NB

NA tr SR A td P e

DP do sinal de saiacuteda

da inversora

Obtenccedilatildeo de NB

NA tr SR A td P e

DP do sinal de saiacuteda

da inversora

Anaacutelise comparativa

dos dados obtidos

31

4 RESULTADOS E ANAacuteLISES

41 INTRODUCcedilAtildeO

Neste capiacutetulo seratildeo apresentados os procedimentos adotados e os resultados obtidos na

simulaccedilatildeo das interconexotildees SWCNT SWCNT bundle e cobre As etapas descritas na

metodologia foram seguidas obtendo-se os resultados das simulaccedilotildees das interconexotildees e

das simulaccedilotildees do H-tree clock mono-eleacutetron para interconexotildees ideais e natildeo-ideais A

partir dos resultados a anaacutelise do desempenho das interconexotildees seraacute apresentada

42 ANAacuteLISE DAS INTERCONEXOtildeES

Nesta seccedilatildeo a anaacutelise das interconexotildees de SWCNT SWCNT bundle e cobre na

tecnologia de 22 nm para diferentes comprimentos seraacute realizada Para isso analisou-se

as interconexotildees locais em que l le 1 μm e as intermediaacuterias em que 1 μm lt l le 500 μm

sabendo que l eacute o comprimento da interconexatildeo [29-31333638] Como λCNT eacute

tipicamente 1 μm trecircs comprimentos na faixa lCNT le λCNT (10 nm 100 nm e 1 μm) e trecircs

comprimentos na faixa lCNT gt λCNT (10 μm 100 μm 500 μm) de cada material seratildeo

analisados detalhadamente Os paracircmetros obtidos a partir dos modelos de SWCNT

SWCNT bundle e cobre estatildeo respectivamente nas Tabelas 71 72 e 73 do Apecircndice

421 Interconexotildees locais

Primeiramente a partir da simulaccedilatildeo da Figura 31 obteve-se a frequecircncia em -3dB (f-3dB)

das interconexotildees locais (lCNT le λCNT ) isto eacute a sua banda passante de forma a verificar a

velocidade maacutexima que cada interconexatildeo suporta A Figura 41 ilustra o comportamento

da frequecircncia das interconexotildees locais para os diferentes comprimentos Como o SWCNT

isolado possui valores de frequecircncia na faixa de centenas de giga Hertz ou seja menos de

um tera Hertz os valores de suas frequecircncias tambeacutem podem ser visualisados na Tabela

74 do Apecircndice

Verifica-se que agrave medida que o comprimento da interconexatildeo aumenta a frequecircncia

diminui Isso ocorre jaacute que os valores da capacitacircncia e indutacircncia aumentam com o

aumento do comprimento da interconexatildeo Esses paracircmetros satildeo decisivos no sinal de

32

saiacuteda sendo o sinal mais distorcido quanto maior for o valor desses paracircmetros Observa-

se que o SWCNT bundle e o cobre possuem banda passante maiores que o SWCNT

isolado para qualquer comprimento Aleacutem disso o SWCNT bundle soacute possui uma banda

passante comparaacutevel ao do cobre para comprimentos acima de 700 nm

Frequecircncia X Comprimento

0

10

20

30

40

50

60

100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

Comprimento (nm)

f -3d

B (

TH

z)

SWCNT Isolado

SWCNT bundle

Cobre

Figura 41 ndash Frequumlecircncia versus comprimento das interconexotildees locais

As interconexotildees locais de 10 nm 100 nm e 1 μm de comprimento foram analisadas

detalhadamente A Tabela 41 mostra a frequecircncia em -3dB de cada material para os

comprimentos em anaacutelise

Tabela 41 Frequecircncia em -3dB de cada material para lCNT le λCNT

Interconexatildeo Local Comprimento (L) Material f-3dB

SWCNT isolado 253 GHz

10nm SWCNT bundle 66 THz

Cobre 232 THz

SWCNT isolado 300 GHz

lCNT le λCNT 100nm SWCNT bundle 20 THz

Cobre 51 THz

SWCNT isolado 230 GHz

1microm SWCNT bundle 47 THz

Cobre 42 THz

Assim escolheu-se uma mesma frequecircncia abaixo da frequecircncia de corte dos trecircs

materiais considerados para analisar e comparar a atenuaccedilatildeo (A) e o tempo de atraso na

propagaccedilatildeo (td) dos trecircs comprimentos Isso permite verificar o comportamento do sinal na

banda passante A Tabela 42 mostra esse estudo comparativo entre o SWCNT isolado

SWCNT bundle e cobre agrave frequecircncia de 200 GHz

33

Tabela 42 Estudo das interconexotildees com comprimentos na faixa lCNT le λCNT

Freq L Material A (dB) td (ps)

SWCNT isolado -210 046

10nm SWCNT bundle 001 000

Cobre 000 000

SWCNT isolado -155 051

200 GHz 100nm SWCNT bundle 001 000

Cobre 001 000

SWCNT isolado -039 107

1microm SWCNT bundle 006 001

Cobre 000 007

A partir da anaacutelise da Tabela 42 eacute possiacutevel observar agrave frequumlecircncia de 200 GHz a

atenuaccedilatildeo do sinal e o atraso do SWCNT isolado Nessa frequumlecircncia o atraso do SWCNT

isolado eacute significativo em relaccedilatildeo ao periacuteodo do sinal que eacute 5ps jaacute que o menor atraso

(para l = 10nm) eacute aproximadamente 10 do periacuteodo do sinal de entrada No entanto para

esta mesma frequumlecircncia observa-se que a atenuaccedilatildeo e o atraso do SWCNT bundle e do

cobre satildeo insignificantes Isto indica que estes dois materiais possuem melhor

desempenho sendo favoraacuteveis para serem utilizados em interconexotildees locais

Dessa forma para analisar melhor a atenuaccedilatildeo e o tempo de atraso do SWCNT bundle e do

cobre o mesmo procedimento foi feito comparando-se somente estes dois materiais para

uma mesma frequecircncia de 1 THz A Tabela 43 mostra esse estudo comparativo entre o

SWCNT bundle e cobre

Tabela 43 Estudo das interconexotildees SWCNT bundle e cobre com comprimentos na faixa

lCNT le λCNT

Freq L Material A (dB) td (fs)

10nm SWCNT bundle 001 113

Cobre 000 022

1 THz 100nm SWCNT bundle 006 136

Cobre 001 240

1microm SWCNT bundle 145 647

Cobre -013 5623

Analisando a Tabela 43 observa-se que agrave frequumlecircncia de 1 THz a atenuaccedilatildeo do sinal e o

atraso aumentam agrave medida que o comprimento das interconexotildees aumentam A partir do

comprimento de 100nm o tempo de atraso da interconexatildeo de cobre eacute maior que o do

SWCNT bundle cujo maior valor de atraso (para l = 1microm) natildeo chega a 1 do periacuteodo do

34

sinal de entrada (1ps) Isso mostra que apesar de a banda passante do cobre ser maior o

atraso do SWCNT bundle eacute menor Dessa forma para as interconexotildees locais o SWCNT

bundle possui desempenho comparaacutevel ao do cobre [13]

Em relaccedilatildeo agrave atenuaccedilatildeo verifica-se que para alguns comprimentos este tem valor

positivo Isso ocorre principalmente quando haacute um pico no graacutefico da frequumlecircncia antes dele

comeccedilar a decair Esse pico eacute devido ao efeito ressonante provocado pela indutacircncia

quando este possui valor comparaacutevel agrave resistecircncia e agrave capacitacircncia da interconexatildeo [53]

Assim esse efeito ressonante foi observado somente nas interconexotildees locais de SWCNT

bundle e de cobre A Figura 42 ilustra o graacutefico da magnitude pela frequumlecircncia do SWCNT

isolado SWCNT bundle e cobre para o comprimento de 100nm Observa-se o efeito

ressonante nos graacuteficos do SWCNT bundle e do cobre

Figura 42 ndash Graacuteficos da magnitude das interconexotildees de SWCNT isolado (superior)

SWCNT bundle (meio) e cobre (inferior) com comprimento de 100nm

35

422 Interconexotildees intermediaacuterias

Assim como para as interconexotildees locais obteve-se a frequecircncia em -3dB (f-3dB) das

interconexotildees intermediaacuterias (lCNT gt λCNT) de forma a verificar a velocidade maacutexima que

cada interconexatildeo suporta A Figura 43 ilustra o comportamento da frequecircncia das

interconexotildees intermediaacuterias para os diferentes comprimentos Os valores das frequecircncias

de cada interconexatildeo tambeacutem podem ser visualisados na Tabela 75 do Apecircndice

Como nas interconexotildees locais agrave medida que o comprimento da interconexatildeo aumenta a

frequecircncia diminui Aleacutem disso o SWCNT bundle e o cobre possuem desempenho melhor

que o do SWCNT isolado para qualquer comprimento No entanto para interconexotildees

intermediaacuterias o SWCNT bundle possui banda passante maior que a do cobre para

qualquer comprimento

Frequecircncia X Comprimento

00

05

10

15

20

25

30

35

40

45

100 200 300 400 500

Comprimento (μm)

f -3d

B (

GH

z)

SWCNT isolado

SWCNT bundle

Cobre

Figura 43 ndash Frequumlecircncia versus comprimento das interconexotildees intermediaacuterias

As interconexotildees intermediaacuterias de 10 μm 100 μm e 500 μm de comprimento foram entatildeo

analisadas detalhadamente A Tabela 44 mostra a frequecircncia em -3dB de cada materal

para os diferentes comprimentos em anaacutelise

36

Tabela 44 Frequecircncia em -3dB de cada material para lCNT gt λCNT

Interconexatildeo

Intermediaacuteria

Comprimento (L) Material f-3dB

SWCNT isolado 26 GHz

10 microm SWCNT bundle 527 GHz

Cobre 34 GHz

SWCNT isolado 32 MHz

lCNT gt λCNT 100 microm SWCNT bundle 42 GHz

Cobre 345 MHz

SWCNT isolado 13 MHz

500 microm SWCNT bundle 165 MHz

Cobre 14 MHz

Escolheu-se a frequecircncia de 1 MHz que estaacute abaixo da frequecircncia de corte dos trecircs

materiais considerados para analisar e comparar a atenuaccedilatildeo (A) e o tempo de atraso na

propagaccedilatildeo (td) dos trecircs comprimentos A Tabela 45 mostra esse estudo comparativo entre

o SWCNT isolado SWCNT bundle e cobre

Tabela 45 Estudo das interconexotildees com comprimentos na faixa lCNT gt λCNT

Freq L Material A (dB) td (ns)

SWCNT isolado -002 008

10 microm SWCNT bundle 000 000

Cobre 000 000

SWCNT isolado -003 559

1 MHz 100 microm SWCNT bundle -001 005

Cobre -004 056

SWCNT isolado -198 10217

500 microm SWCNT bundle 000 110

Cobre -003 1301

Com base na Tabela 45 observa-se que a atenuaccedilatildeo e o tempo de atraso do SWCNT

isolado aumentam com o aumento do comprimento da interconexatildeo Nessa frequumlecircncia o

atraso na propagaccedilatildeo do SWCNT isolado eacute significativo em relaccedilatildeo ao periacuteodo do sinal de

entrada que eacute 1micros chegando a mais de 10 deste periacuteodo para o comprimento de 500microm

Verifica-se tambeacutem o aumento do tempo de atraso da interconexatildeo de cobre sendo 13

do periacuteodo do sinal de entrada para o comprimento de 500microm

Para analisar melhor a atenuaccedilatildeo e o tempo de atraso do SWCNT bundle e do cobre o

mesmo procedimento foi feito comparando-se somente estes dois materiais para uma

37

mesma frequecircncia de 10 MHz A Tabela 46 mostra esse estudo comparativo entre o

SWCNT bundle e cobre

Tabela 46 Estudo das interconexotildees SWCNT bundle e cobre com comprimentos na faixa

lCNT gt λCNT

Freq L Material A (dB) td (ns)

10 microm SWCNT bundle 000 000

Cobre 000 000

10 MHz 100 microm SWCNT bundle -001 005

Cobre -004 054

500 microm SWCNT bundle -004 107

Cobre -185 1024

Analisando a Tabela 46 observa-se que agrave medida que o comprimento das interconexotildees

aumenta a atenuaccedilatildeo e o atraso do sinal da interconexatildeo de cobre tornam-se significativos

O atraso na propagaccedilatildeo da interconexatildeo de cobre para l = 500microm chega a 10 do periacuteodo

do sinal de entrada (100ns) Jaacute o SWCNT bundle apresenta valores insignificantes de

atenuaccedilatildeo e atraso na propagaccedilatildeo Assim para as interconexotildees intermediaacuterias o SWCNT

bundle possui desempenho superior ao do cobre

43 SIMULACcedilAtildeO DO INVERSOR MONO-ELEacuteTRON

O modelo SPICE do SET proposto por G Lientschnig et al [444] foi simulado no

LTSPICE A partir da equaccedilatildeo (226) foi possiacutevel aumentar a temperatura do SET ateacute

chegar a 300K Assim o esquemaacutetico do SET e os valores de seus paracircmetros para que o

SET opere a 300K estatildeo na Figura 44 No anexo deste trabalho (subseccedilatildeo 81) encontra-

se o coacutedigo SET que foi utilizado [44] Os paracircmetros R1 C1 e R2 C2 correspondem agraves

resistecircncias e capacitacircncias das junccedilotildees-tuacutenel Cg eacute a capacitacircncia de porta (Cg1 no coacutedigo

SET) Vg eacute a tensatildeo de porta e V eacute a tensatildeo de entrada

Figura 44 Esquemaacutetico do SET e os valores de seus paracircmetros

38

A partir destes valores o inversor mono-eleacutetron foi construiacutedo colocando-se dois SETs em

seacuterie os quais compartilham da mesma entrada A Figura 45 ilustra o esquemaacutetico do

inversor mono-eleacutetron juntamente com os valores de seus paracircmetros fixos em que Vin eacute a

tensatildeo de entrada Vout eacute a tensatildeo de saiacuteda Vbias eacute a tensatildeo de polarizaccedilatildeo Cc eacute a

capacitacircncia de carga Cg1 e Cg2 satildeo as capacitacircncias de porta do SET 1 e do SET 2

respectivamente

Figura 45 Esquemaacutetico do inversor mono-eleacutetron e os valores de seus paracircmetros

(modificado de [4])

Assim apoacutes simular o inversor mono-eleacutetron a 300K obteve-se o sinal de saiacuteda mostrado

na Figura 46 Como o inversor estaacute invertendo o sinal de entrada de valor loacutegico baixo em

um sinal de saiacuteda de valor loacutegico alto ele estaacute operando corretamente

Figura 46 Curva do sinal de entrada (em verde) e do sinal de saiacuteda (em preto) do inversor

mono-eleacutetron

39

44 ANAacuteLISE DAS INTERCONEXOtildeES NO H-TREE CLOCK MONO-ELEacuteTRON

Nesta seccedilatildeo a rede H-tree clock de dois niacuteveis foi simulada com portas inversoras mono-

eleacutetron nos pontos de destino final da rede permitindo a anaacutelise de circuitos

nanoeletrocircnicos Simulou-se a rede H-tree considerando interconexotildees ideais para as

frequecircncias de 10 GHz e 100 GHz no sinal de entrada Em seguida para as mesmas duas

frequecircncias considerou-se interconexotildees natildeo-ideais de diferentes comprimentos

analisando a rede com os modelos de interconexatildeo SWCNT bundle e cobre Trecircs redes

com comprimentos de interconexotildees diferentes foram analisadas

l = 100 nm l2 = 50 nm

l = 400 nm l2 = 200 nm

l = 1 μm l2 = 500 nm

441 Anaacutelise da rede com interconexotildees ideais

A partir da simulaccedilatildeo do H-tree clock a frequecircncia em -3dB (f-3dB) da rede com

interconexotildees ideais foi obtida Na saiacuteda de cada porta inversora a banda passante do sinal

eacute 3200 GHz Dessa forma duas frequecircncias abaixo de 3200 GHz foram escolhidas para

analisar o sinal de saiacuteda da inversora em condiccedilotildees ideais As frequecircncias de 10 GHz e

100 GHz seratildeo analisadas obtendo-se as seguintes caracteriacutesticas do sinal de saiacuteda da

inversora niacutevel loacutegico baixo (NB) niacutevel loacutegico alto (NA) tempo de subida (tr) slew rate

de subida (SR) atenuaccedilatildeo (A) e tempo de atraso (td) A Tabela 47 mostra os valores

obtidos para as duas frequecircncias em anaacutelise

Tabela 47 Caracteriacutesticas dos sinais de saiacuteda da rede para interconexotildees ideais

Freq NB(mV) NA(mV) tr (ps) SR(Vns) A(dB) td (ps)

10 GHz 675 4518 356 8636 -264 412

100 GHz 678 4279 317 9088 -269 189

Os caacutelculos da potecircncia estaacutetica ( IVP DDE ) potecircncia dinacircmica ( CVfP DDD 2 ) e

potecircncia total ( DE PPP ) dissipada por cada porta inversora foram realizados bem

como o produto atraso-potecircncia (DP) Assim a Tabela 48 mostra os valores obtidos no

40

caacutelculo destes paracircmetros Como a potecircncia estaacutetica independe da frequecircncia do sinal de

entrada o seu valor eacute o mesmo nos dois casos

Tabela 48 Potecircncia dissipada por cada porta inversora para interconexotildees ideais

Frequecircncia PE (nW) PD (nW) P (nW) DP (10-18

Wmiddots)

10 GHz 4838 125 4963 020

100 GHz 4838 125 6088 012

As Tabelas 47 e 48 serviratildeo de referecircncia para as anaacutelises da rede com interconexotildees natildeo-

ideais analisadas na subseccedilatildeo seguinte As Figuras 47 e 48 ilustram o sinal de saiacuteda das

redes com frequecircncias de 10 GHz e de 100 GHz respectivamente Eacute possiacutevel observar que

na frequecircncia de 100 GHz o sinal de saiacuteda jaacute eacute distorcido em relaccedilatildeo ao sinal de referecircncia

(Figura 46)

Figura 47 Sinal de entrada (em verde) e sinal de saiacuteda (em preto) da rede a 10 GHz

Figura 48 Sinal de entrada (em verde) e sinal de saiacuteda (em preto) da rede a 100 GHz

41

442 Anaacutelise da rede com interconexotildees natildeo-ideais

Apoacutes obter as caracteriacutesticas da rede H-tree clock com interconexotildees ideais a anaacutelise da

rede com interconexotildees natildeo-ideais seraacute feita Primeiramente eacute importante verificar a

frequecircncia em -3dB do sinal depois das interconexotildees ou seja na entrada da porta

inversora Caso essa frequecircncia seja menor que a frequecircncia de 3200 GHz obtida com

interconexotildees ideais entatildeo a interconexatildeo afetaraacute o comportamento da rede A Tabela 49

mostra a frequecircncia em -3dB na entrada da inversora para interconexotildees natildeo-ideais

Tabela 49 Frequecircncia em -3dB na entrada da inversora para interconexotildees natildeo-ideais

Comprimentos (l2 l) Material f-3dB

50nm 100nm SWCNT bundle 122 THz

Cobre 175 THz

200nm 400nm SWCNT bundle 31 THz

Cobre 8606 GHz

500nm 1microm SWCNT bundle 12 THz

Cobre 1268 GHz

Assim verifica-se que a interconexatildeo de cobre da rede 500nm1microm possui frequecircncia em

-3dB abaixo da frequecircncia do circuito com interconexatildeo ideal (3200 GHz) Isso indica que

esta interconexatildeo interfere significativamente no comportamento da rede A Tabela 49

mostra tambeacutem que a banda passante da interconexatildeo de cobre soacute eacute maior que a da

interconexatildeo de SWCNT bundle no primeiro caso na rede de 50nm100nm o que mostra

uma vantagem do SWCNT bundle em relaccedilatildeo ao cobre A partir dessas informaccedilotildees a

rede H-tree clock com interconexotildees natildeo-ideais seraacute analisada detalhadamente

4421 Anaacutelise da rede a 10 GHz

As redes com interconexotildees natildeo-ideais seratildeo analisadas na frequecircncia de 10 GHz para

diferentes comprimentos Primeiramente o niacutevel loacutegico baixo (NB) o niacutevel loacutegico alto

(NA) o tempo de subida (tr) e o slew rate de subida (SR) foram obtidos conforme mostra a

Tabela 410 Com base nessa tabela verifica-se que na frequecircncia de 10 GHz essas

caracteriacutesticas natildeo foram modificadas pelas interconexotildees natildeo-ideais independentemente

do comprimento Os valores dos paracircmetros satildeo iguais aos obtidos na rede com

interconexatildeo ideal conforme Tabela 47 O sinal obtido na saiacuteda de cada inversor eacute igual

ao ilustrado na Figura 47

42

Tabela 410 Niacuteveis loacutegicos tempo de subida e slew rate dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 10 GHz

Freq L (l2l) Material NB(mV) NA(mV) tr(ps) SR(Vns)

10

GHz

50nm

100nm

SWCNT bundle 675 4518 356 8636

Cobre 675 4518 356 8636

200nm

400nm

SWCNT bundle 675 4518 356 8636

Cobre 675 4518 356 8636

500nm

1microm

SWCNT bundle 675 4518 356 8636

Cobre 675 4518 356 8636

A Tabela 411 mostra a atenuaccedilatildeo tempo de atraso potecircncia total dissipada e o produto

atraso-potecircncia obtidos a frequecircncia de 10 GHz para interconexotildees natildeo-ideais Observa-se

que a atenuaccedilatildeo do sinal e a potecircncia total dissipada por cada porta inversora permanecem

os mesmos em relaccedilatildeo agrave interconexatildeo ideal mostrando que a essa frequecircncia as

interconexotildees natildeo-ideais natildeo interferem nestes paracircmetros

Jaacute o atraso na propagaccedilatildeo do sinal no caso do cobre aumenta agrave medida que as

interconexotildees aumentam de comprimento aumentando tambeacutem o produto atraso-potecircncia

Esse atraso chega a 66 do periacuteodo do sinal de entrada para a interconexatildeo 500nm1microm

de cobre No entanto estes paracircmetros natildeo satildeo afetados pelas interconexotildees de SWCNT

bundle indicando que este material se sobressai em relaccedilatildeo ao cobre

Tabela 411 Atenuaccedilatildeo atraso potecircncia e produto atraso-potecircncia dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 10 GHz

Freq L (l2l) Material A (dB) td (ps) P (nW) DP(10-18

Wmiddots)

10

GHz

50nm

100nm

SWCNT bundle -264 412 4963 020

Cobre -264 412 4963 020

200nm

400nm

SWCNT bundle -264 412 4963 020

Cobre -264 438 4963 022

500nm

1microm

SWCNT bundle -264 412 4963 020

Cobre -264 659 4963 033

4422 Anaacutelise da rede a 100 GHz

As redes com interconexotildees natildeo-ideais seratildeo analisadas na frequecircncia de 100 GHz para

diferentes comprimentos O niacutevel loacutegico baixo (NB) o niacutevel loacutegico alto (NA) o tempo de

subida (tr) e o slew rate de subida (SR) foram obtidos conforme mostra a Tabela 412 Jaacute a

43

Tabela 413 mostra a atenuaccedilatildeo tempo de atraso potecircncia total dissipada e o produto

atraso-potecircncia obtidos a frequecircncia de 100 GHz para interconexotildees natildeo-ideais

Tabela 412 Niacuteveis loacutegicos tempo de subida e slew rate dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 100 GHz

Freq L (l2l) Material NB(mV) NA(mV) tr(ps) SR(Vns)

100

GHz

50nm

100nm

SWCNT bundle 678 4272 316 9099

Cobre 675 4277 323 9107

200nm

400nm

SWCNT bundle 678 4299 315 9196

Cobre 677 4089 289 9447

500nm

1microm

SWCNT bundle 678 4418 300 9973

Cobre 635 1766 102 6795

Tabela 413 Atenuaccedilatildeo atraso potecircncia e produto atraso-potecircncia dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 100 GHz

Freq L (l2l) Material A (dB) td (ps) P (nW) DP(10-18

Wmiddots)

100

GHz

50nm

100nm

SWCNT bundle -2703 189 6088 012

Cobre -2685 191 6088 012

200nm

400nm

SWCNT bundle -2693 188 6088 012

Cobre -2698 228 6088 014

500nm

1microm

SWCNT bundle -2673 174 6088 011

Cobre -2893 388 6088 024

A partir das Tabelas 412 e 413 o SWCNT bundle seraacute analisado Observa-se que os seus

niacuteveis loacutegicos altos aumentam com o aumento do comprimento das interconexotildees

aumentando tambeacutem o slew rate de subida Esse comportamento ocorre provavelmente

devido ao efeito ressonante provocado pela indutacircncia que provoca um pico no graacutefico da

frequumlecircncia antes dele comeccedilar a decair conforme explicado na subseccedilatildeo 421 Isso implica

na diminuiccedilatildeo da atenuaccedilatildeo do sinal e do atraso No entanto o produto atraso-potecircncia

permanece praticamente invariaacutevel jaacute que a potecircncia total dissipada natildeo se altera

Em relaccedilatildeo agraves interconexotildees de cobre verifica-se que as distorccedilotildees satildeo significativas Agrave

medida que o comprimento aumenta a atenuaccedilatildeo do sinal de saiacuteda aumenta Isso provoca

diminuiccedilatildeo no slew rate do sinal o que natildeo eacute desejado jaacute que o sinal demora mais para

atingir o niacutevel loacutegico alto Aleacutem disso o atraso na propagaccedilatildeo do sinal aumenta bastante

chegando a 388 do periacuteodo do sinal de entrada para a interconexatildeo 500nm1microm

Consequentemente o produto atraso-potecircncia tambeacutem aumenta sendo o dobro do valor de

44

referecircncia (interconexotildees ideais) A Figura 49 ilustra o sinal de saiacuteda da interconexatildeo

500nm1microm de cobre

Figura 49 Sinal de entrada (em verde) e sinal de saiacuteda (em preto) da rede a 100 GHz para

a interconexatildeo 500nm1microm de cobre

Comparando-se as potecircncias das tabelas 47 48 411 413 verifica-se que natildeo haacute

alteraccedilatildeo na potecircncia total dissipada pelo circuito com interconexotildees ideais e pelos

circuitos com interconexotildees natildeo-ideais para uma mesma frequecircncia Assim eacute importante

destacar que a dissipaccedilatildeo de potecircncia das interconexotildees de SWCNT bundle e de cobre natildeo

interfere na potecircncia total dissipada pelo circuito

443 Consideraccedilotildees Finais

Apoacutes analisar as interconexotildees locais de SWCNT de SWCNT bundle e de cobre

verificou-se que as interconexotildees de SWCNT bundle possuem desempenho comparaacutevel ao

das interconexotildees de cobre Em relaccedilatildeo agraves interconexotildees intermediaacuterias as de SWCNT

bundle apresentam desempenho superior agraves de cobre Jaacute as interconexotildees de SWCNT

isolado tanto para interconexotildees locais como para interconexotildees intermediaacuterias

apresentam desempenho inferior agraves interconexotildees de SWCNT bundle e de cobre natildeo

sendo propiacutecias a serem utilizadas em interconexotildees de circuitos integrados

Na anaacutelise das interconexotildees natildeo-ideais na rede H-tree clock mono-eleacutetron para a

frequecircncia de 10GHz observou-se que o niacutevel loacutegico baixo o niacutevel loacutegico alto o tempo de

subida o slew rate de subida a atenuaccedilatildeo do sinal e a potecircncia total dissipada por cada

porta inversora permanecem os mesmos em relaccedilatildeo agrave interconexatildeo ideal mostrando que

45

para esta frequecircncia as interconexotildees natildeo-ideais natildeo interferem nestes paracircmetros Jaacute o

atraso na propagaccedilatildeo do sinal no caso do cobre aumenta agrave medida que as interconexotildees

aumentam de comprimento aumentando tambeacutem o produto atraso-potecircncia No entanto

estes paracircmetros natildeo satildeo afetados pelas interconexotildees de SWCNT bundle indicando que

este material se sobressai em relaccedilatildeo ao cobre

Jaacute para a rede H-tree clock mono-eleacutetron a 100GHz observou-se que o circuito com

interconexotildees natildeo-ideais afetou bastante os paracircmetros em anaacutelise se comparados aos

obtidos para interconexotildees ideais Verificou-se que as distorccedilotildees provocadas pelas

interconexotildees de cobre foram significativas indicando que as interconexotildees de SWCNT

bundle possuem melhor desempenho que as de cobre

Assim constata-se que as interconexotildees de SWCNT bundle satildeo fortes candidatas a

substituirem as interconexotildees de cobre em circuitos em escala giga (GSI) e tera (TSI)

46

5 CONCLUSOtildeES

Nesta dissertaccedilatildeo o estudo das interconexotildees de SWCNT de SWCNT bundle e de cobre

foi realizado analisando e comparando os seus desempenhos para diferentes

comprimentos A partir desse estudo verificou-se que as interconexotildees de SWCNT bundle

possui desempenho comparaacutevel ao das interconexotildees de cobre no caso de interconexotildees

locais Em relaccedilatildeo agraves interconexotildees intermediaacuterias as de SWCNT bundle apresentam

desempenho superior agraves de cobre

As interconexotildees de SWCNT bundle e as interconexotildees de cobre foram entatildeo simuladas na

rede H-tree clock de dois niacuteveis para diferentes comprimentos e frequecircncias Nos pontos

de destino final da rede foram colocadas portas inversoras formadas por SETs permitindo

a anaacutelise de circuitos nanoeletrocircnicos

A partir da anaacutelise da rede H-tree clock observou-se que as interconexotildees de SWCNT

bundle possuem desempenho melhor que as de cobre principalmente em relaccedilatildeo ao slew

rate agrave atenuaccedilatildeo ao tempo de atraso e ao produto atraso-potecircncia Aleacutem disso a

dissipaccedilatildeo de potecircncia das interconexotildees natildeo-ideais natildeo interferem na potecircncia total

dissipada pelo circuito Assim as interconexotildees de SWCNT bundle satildeo fortes candidatas a

substituirem as interconexotildees de cobre em circuitos em escala giga (GSI) e tera (TSI)

Como perspectivas futuras eacute importante analisar o efeito das interconexotildees de nanotubo de

carbono em circuitos GSI e TSI com outras arquiteturas A anaacutelise das interconexotildees de

CNT tambeacutem deve ser feita em circuitos com tecnologia MOS permitindo a comparaccedilatildeo

entre diferentes tecnologias Aleacutem disso eacute interessante estudar outros tipos de materiais

que possam ser utilizados como interconexotildees em circuitos integrados

47

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53

7 APEcircNDICES

71 TABELAS COMPLEMENTARES

Tabela 71 Paracircmetros obtidos a partir do modelo de SWCNT isolado

L RQ (Ω) RS (Ω) LCNT (10-9

H) CCNT (10-18

F)

10 nm 645103 - 40010

-2 27910

-1

100 nm 645103 - 40010

-1 279

200 nm 645103 - 80010

-1 558

300 nm 645103 - 120 837

400 nm 645103 - 160 11210

1

500 nm 645103 - 200 14010

1

600 nm 645103 - 240 16710

1

700 nm 645103 - 280 19510

1

800 nm 645103 - 320 22310

1

900 nm 645103 - 360 25110

1

1 microm 645103 - 400 27910

1

10 microm 645103 64510

4 40010

1 27910

2

100 microm 645103 64510

5 40010

2 27910

3

200 microm 645103 12910

6 80010

2 55810

3

300 microm 645103 19410

6 12010

3 83710

3

400 microm

645103 25810

6 16010

3 11210

4

500 microm

645103 32310

6 20010

3 14010

4

Tabela 72 Paracircmetros obtidos a partir do modelo de SWCNT bundle

L RQ (Ω) RS (Ω) LBundle(10-9

H) CBundle(10-18

F)

10 nm 1075 - 66710-5

135

100 nm 1075 - 66710-4

135101

200 nm 1075 - 13310-3

270101

300 nm 1075 - 20010-3

405101

400 nm 1075 - 26710-3

540101

500 nm 1075 - 33310-3

675101

600 nm 1075 - 40010-3

810101

700 nm 1075 - 46710-3

945101

800 nm 1075 - 53310-3

108102

900 nm 1075 - 60010-3

122102

1 microm 1075 - 66710-3

135102

10 microm 1075 108102 66710

-2 13510

3

100 microm 1075 108103 66710

-1 13510

4

200 microm 1075 215103 133 27010

4

300 microm 1075 323103 200 40510

4

400 microm

1075 430103 267 54010

4

500 microm

1075 538103 333 67510

4

54

Tabela 73 Paracircmetros obtidos a partir do modelo de cobre

L RCu (Ω) LCu (10-9

H) CCu (10-18

F)

10 nm 06 37310-6

150

100 nm 60 63610-5

150101

200 nm 120 17510-4

300101

300 nm 180 30910-4

450101

400 nm 240 45410-4

600101

500 nm 300 61110-4

750101

600 nm 360 77510-4

900101

700 nm 420 94610-4

105102

800 nm 480 11210-3

120102

900 nm 540 13110-3

135102

1 microm 600 14910-3

150102

10 microm 60102 24010

-2 15010

3

100 microm 60103 33210

-1 15010

4

200 microm 12104 72010

-1 30010

4

300 microm 18104 113 45010

4

400 microm

24104 155 60010

4

500 microm

30104 198 75010

4

55

Tabela 74 Frequecircncia em -3dB das interconexotildees locais

Comprimento Material f-3dB

10 nm SWCNT isolado 253 GHz

SWCNT bundle 66 THz

Cobre 232 THz

100 nm SWCNT isolado 300 GHz

SWCNT bundle 20 THz

Cobre 51 THz

200 nm SWCNT isolado 342 GHz

SWCNT bundle 14 THz

Cobre 29 THz

300 nm SWCNT isolado 344 GHz

SWCNT bundle 11 THz

Cobre 20 THz

400 nm SWCNT isolado 329 GHz

SWCNT bundle 89 THz

Cobre 15 THz

500 nm SWCNT isolado 307 GHz

SWCNT bundle 76 THz

Cobre 12 THz

600 nm SWCNT isolado 288 GHz

SWCNT bundle 67 THz

Cobre 94 THz

700 nm SWCNT isolado 271 GHz

SWCNT bundle 61 THz

Cobre 76 THz

800 nm SWCNT isolado 255 GHz

SWCNT bundle 55 THz

Cobre 63 THz

900 nm SWCNT isolado 240 GHz

SWCNT bundle 51 THz

Cobre 52 THz

1 microm SWCNT isolado 230 GHz

SWCNT bundle 47 THz

Cobre 42 THz

56

Tabela 75 Frequecircncia em -3dB das interconexotildees intermediaacuterias

Comprimento Material f-3dB

10 microm SWCNT isolado 26 GHz

SWCNT bundle 527 GHz

Cobre 34 GHz

100 microm SWCNT isolado 32 MHz

SWCNT bundle 42 GHz

Cobre 345 MHz

200 microm SWCNT isolado 82 MHz

SWCNT bundle 10 GHz

Cobre 87 MHz

300 microm SWCNT isolado 36 MHz

SWCNT bundle 455 MHz

Cobre 38 MHz

400 microm SWCNT isolado 21 MHz

SWCNT bundle 256 MHz

Cobre 21 MHz

500 microm SWCNT isolado 13 MHz

SWCNT bundle 165 MHz

Cobre 14 MHz

57

8 ANEXOS

81 COacuteDIGO SPICE DO SET [44]

Transistor mono-eleacutetron (SET) conexotildees fonte | dreno | | porta1 | | | porta2 | | | | SUBCKT SET 1 2 3 4 PARAMS +C1=1E-20 Capacitacircncia da junccedilatildeo 1 +C2=1E-20 Capacitacircncia da junccedilatildeo 2 +R1=1E5 Resistecircncia da junccedilatildeo 1 +R2=1E5 Resistecircncia da junccedilatildeo 2 +Cg1=015E-18 Capacitacircncia da junccedilatildeo 1 +Cg2=0 Capacitacircncia da junccedilatildeo 2 +C0=0 Capacitacircncia proacutepria da ilha +Q0=005 Carga offset em unidades de e +TEMP=300 Temperatura PARAM E=160217733E-19 Carga do eleacutetron (e) PARAM CSUM=C1+C2+Cg1+Cg2+C0 Capacitacircncia total do SET PARAM T=TEMPCSUM53785467E14 Temperatura normalizada 53785467E14 = kBe^2 PARAM RN1=R1(R1+R2) Resistecircncia da junccedilatildeo 1 normalizada PARAM RN2=R2(R1+R2) Resistecircncia da junccedilatildeo 2 normalizada FUNC Q(v1v2v3v4) (Cg1v3+Cg2v4+C1v1+C2v2)E+Q0 Definiccedilatildeo da carga em unidades de e FUNC VN(v) CSUMvE Tensatildeo normalizada FUNC GAMMA(u) IF(T==0IF(ult0-u0)IF(u==0Tu(EXP(uT)-1))) FUNC N_OPT(v1v2v3v4) ROUND(-Q(v1v2v3v4)+(CSUME) (v1RN2+v2RN1)) A maior probabilidade de carga na ilha em unidades de e Os quarto eventos tuacuteneis FUNC R1L(nv1v2v3v4) GAMMA(05 - n - Q(v1v2v3v4) + VN(v1))RN1 FUNC R1R(nv1v2v3v4) GAMMA(05 + n + Q(v1v2v3v4) - VN(v1))RN1 FUNC R2L(nv1v2v3v4) GAMMA(05 + n + Q(v1v2v3v4) - VN(v2))RN2 FUNC R2R(nv1v2v3v4) GAMMA(05 - n - Q(v1v2v3v4) + VN(v2))RN2

58

determinaccedilatildeo das probabilidades relativas assume-se inicialmente que o estado da carga N_OPT tem probabilidade relativa igual a um FUNC PN_1(nv1v2v3v4) (R1L(nv1v2v3v4)+R2R(nv1v2v3v4))(R1R(n-1v1v2v3v4)+R2L(n-1v1v2v3v4)) FUNC PN_2(nv1v2v3v4) PN_1(nv1v2v3v4) +(R1L(n-1v1v2v3v4)+R2R(n-1v1v2v3v4))(R1R(n-2v1v2v3v4)+R2L(n-2v1v2v3v4)) FUNC PN_3(nv1v2v3v4) PN_2(nv1v2v3v4) +(R1L(n-2v1v2v3v4)+R2R(n-2v1v2v3v4))(R1R(n-3v1v2v3v4)+R2L(n-3v1v2v3v4)) FUNC PN_4(nv1v2v3v4) PN_3(nv1v2v3v4) +(R1L(n-3v1v2v3v4)+R2R(n-3v1v2v3v4))(R1R(n-4v1v2v3v4)+R2L(n-4v1v2v3v4)) FUNC PN_5(nv1v2v3v4) PN_4(nv1v2v3v4) +(R1L(n-4v1v2v3v4)+R2R(n-4v1v2v3v4))(R1R(n-5v1v2v3v4)+R2L(n-5v1v2v3v4)) FUNC PN1(nv1v2v3v4) (R2L(nv1v2v3v4) +R1R(nv1v2v3v4))(R2R(n+1v1v2v3v4)+R1L(n+1v1v2v3v4)) FUNC PN2(nv1v2v3v4) PN1(nv1v2v3v4) +(R2L(n+1v1v2v3v4)+R1R(n+1v1v2v3v4))(R2R(n+2v1v2v3v4)+R1L(n+2v1v2v3v4)) FUNC PN3(nv1v2v3v4) PN2(nv1v2v3v4) +(R2L(n+2v1v2v3v4)+R1R(n+2v1v2v3v4))(R2R(n+3v1v2v3v4)+R1L(n+3v1v2v3v4)) FUNC PN4(nv1v2v3v4) PN3(nv1v2v3v4) +(R2L(n+3v1v2v3v4)+R1R(n+3v1v2v3v4))(R2R(n+4v1v2v3v4)+R1L(n+4v1v2v3v4)) FUNC PN5(nv1v2v3v4) PN4(nv1v2v3v4) +(R2L(n+4v1v2v3v4)+R1R(n+4v1v2v3v4))(R2R(n+5v1v2v3v4)+R1L(n+5v1v2v3v4)) FUNC PSUM(nv1v2v3v4) PN_5(nv1v2v3v4)+PN_4(nv1v2v3v4)+PN_3(nv1v2v3v4)+PN_2(nv1v2v3v4) ++PN_1(nv1v2v3v4)+1+PN1(nv1v2v3v4)+PN2(nv1v2v3v4)+PN3(nv1v2v3v4) ++PN4(nv1v2v3v4)+PN5(nv1v2v3v4)

59

caacutelculo da corrente da fonte para o dreno FUNC CUR(nv1v2v3v4) PN_5(nv1v2v3v4)(R1R(n-5v1v2v3v4)-R1L(n-5v1v2v3v4)) ++PN_4(nv1v2v3v4)(R1R(n-4v1v2v3v4)-R1L(n-4v1v2v3v4)) ++PN_3(nv1v2v3v4)(R1R(n-3v1v2v3v4)-R1L(n-3v1v2v3v4)) ++PN_2(nv1v2v3v4)(R1R(n-2v1v2v3v4)-R1L(n-2v1v2v3v4)) ++PN_1(nv1v2v3v4)(R1R(n-1v1v2v3v4)-R1L(n-1v1v2v3v4)) ++(R1R(nv1v2v3v4)-R1L(nv1v2v3v4)) ++PN1(nv1v2v3v4)(R1R(n+1v1v2v3v4)-R1L(n+1v1v2v3v4)) ++PN2(nv1v2v3v4)(R1R(n+2v1v2v3v4)-R1L(n+2v1v2v3v4)) ++PN3(nv1v2v3v4)(R1R(n+3v1v2v3v4)-R1L(n+3v1v2v3v4)) ++PN4(nv1v2v3v4)(R1R(n+4v1v2v3v4)-R1L(n+4v1v2v3v4)) ++PN5(nv1v2v3v4)(R1R(n+5v1v2v3v4)-R1L(n+5v1v2v3v4)) FUNC CURRENT(nv1v2v3v4) ECUR(nv1v2v3v4)(CSUMPSUM(nv1v2v3v4)(R1+R2)) caacutelculo da tensatildeo da ilha FUNC VOLT(nv1v2v3v4) PN_5(nv1v2v3v4)(n-5+Q(v1v2v3v4)) ++PN_4(nv1v2v3v4)(n-4+Q(v1v2v3v4)) ++PN_3(nv1v2v3v4)(n-3+Q(v1v2v3v4)) ++PN_2(nv1v2v3v4)(n-2+Q(v1v2v3v4)) ++PN_1(nv1v2v3v4)(n-1+Q(v1v2v3v4)) ++n+Q(v1v2v3v4) ++PN1(nv1v2v3v4)(n+1+Q(v1v2v3v4)) ++PN2(nv1v2v3v4)(n+2+Q(v1v2v3v4)) ++PN3(nv1v2v3v4)(n+3+Q(v1v2v3v4)) ++PN4(nv1v2v3v4)(n+4+Q(v1v2v3v4)) ++PN5(nv1v2v3v4)(n+5+Q(v1v2v3v4)) FUNC VOLTAGE(nv1v2v3v4) (ECSUM)VOLT(nv1v2v3v4)PSUM(nv1v2v3v4) E1 5 0 VALUE= VOLTAGE(N_OPT(V(1)V(2)V(3)V(4))V(1)V(2)V(3)V(4)) Tensatildeo da ilha G1 1 2 VALUE= CURRENT(N_OPT(V(1)V(2)V(3)V(4))V(1)V(2)V(3)V(4)) Corrente da fonte para o dreno CT1 1 5 C1 CT2 2 5 C2 CGATE1 3 5 CG1 CGATE2 4 5 CG2 ENDS SET

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4

Figura 21 ndash Estrutura de uma lacircmina de grafeno (esquerda) do SWCNT (meio) e do

MWCNT (direita) [13]

Eacute importante destacar que os MWCNTs satildeo menos favoraacuteveis para o uso em

interconexotildees jaacute que eles apresentam caminho meacutedio livre menor que os SWCNTs

[1317] Como a resistecircncia de um uacutenico SWCNT pode ter valores altos eacute necessaacuteria a

uniatildeo de vaacuterios dispostos em paralelo como uma corda chamado de bundle para diminuir

o valor da resistecircncia equivalente da interconexatildeo [1315] A Figura 22 ilustra a estrutura

do SWCNT bundle [16]

Figura 22 ndash Estrutura do SWCNT bundle [16]

Dependendo de como a lacircmina eacute enrolada que resulta no acircngulo quiral e nos iacutendices

quirais de sua estrutura o nanotubo pode ser metaacutelico ou semicondutor [131419] Os

iacutendices quirais satildeo identificados por (mn) O nanotubo seraacute metaacutelico quando a diferenccedila

entre os iacutendices quirais for um muacuteltiplo inteiro de 3 e seraacute semicondutor nos outros casos

[13] A estrutura eacute chamada de zig-zag quando m ou n eacute igual a zero podendo ser metaacutelica

ou semicondutora Quando m=n a estrutura eacute denominada armchair sendo sempre

metaacutelica Nos outros casos a estrutura eacute conhecida como quiral e pode ser metaacutelica ou

semicondutora [24] A Figura 23 mostra as estruturas do armchair zig-zag e quiral [24]

5

Figura 23 ndash Estrutura do (i) armchair (ii) zig-zag e (iii) quiral [24]

De acordo com [22] o crescimento dos CNTs geralmente eacute realizado atraveacutes de um dos

seguintes meacutetodos descarga por arco eleacutetrico ablaccedilatildeo a laser e deposiccedilatildeo quiacutemica a vapor

do inglecircs chemical vapor deposition ndash CVD O processo de descarga por arco eleacutetrico tem

sido desenvolvido para preparar MWCNTs e SWCNTs de alta qualidade Neste processo

aacutetomos de carbono satildeo evaporados com um gaacutes de plasma inerte caracterizado por altas

correntes eleacutetricas que passam entre os eletrodos opostos de carbono (caacutetodo e acircnodo)

Normalmente o acircnodo do carbono conteacutem uma pequena porcentagem de catalisador de

metal como o cobalto niacutequel ou ferro Jaacute o meacutetodo de ablaccedilatildeo a laser utiliza um pulso

duplo de lasers para evaporar varetas de grafite dopadas com uma mistura de cobalto e

niacutequel em poacute colocado em um tubo aquecido a temperatura elevada seguido de um

tratamento teacutermico a vaacutecuo

Apesar dos meacutetodos de descarga por arco eleacutetrico e ablaccedilatildeo a laser produzir grandes

quantidades de CNTs de alta qualidade e oferecer uma ampla disponibilidade de CNTs

para estudos e possiacuteveis aplicaccedilotildees existem vaacuterias preocupaccedilotildees associadas com estes dois

meacutetodos de crescimento [22] Dessa forma os meacutetodos de CVD satildeo bastante usados no

crescimento de CNTs com aplicaccedilatildeo em eletrocircnica incluindo interconexotildees [1322] O

processo de crescimento CVD envolve o aquecimento do catalisador a uma temperatura

elevada e a introduccedilatildeo de gaacutes de hidrocarboneto ou de monoacutexido de carbono para dentro

6

do reator O mecanismo de crescimento do CNT tem sido considerado como um processo

de dissociaccedilatildeo-difusatildeo-precipitaccedilatildeo em que o carbono eacute formado sobre a superfiacutecie de

uma partiacutecula de metal seguida de difusatildeo e precipitaccedilatildeo sob a forma de grafeno ciliacutendrico

[22]

213 Modelos de Interconexatildeo

Para realizar uma comparaccedilatildeo por simulaccedilatildeo entre o desempenho do CNT e do cobre

modelos equivalentes de circuito de interconexotildees que reproduzam com fidelidade o seu

comportamento fiacutesico satildeo necessaacuterios Com esse intuito eacute fundamental que os fatores que

interferem no desempenho das interconexotildees como resistecircncia indutacircncia capacitacircncia e

comprimento sejam considerados A partir do estudo desses modelos eacute possiacutevel verificar

se as interconexotildees de CNT poderatildeo substituir as de cobre e os casos em que isso eacute

possiacutevel

2131 Modelo de interconexatildeo do SWCNT isolado

A resistecircncia de um SWCNT isolado eacute composta por ateacute trecircs partes resistecircncia de contato

entre o metal e o nanotubo (Rc) resistecircncia quacircntica (Rq) e resistecircncia de espalhamento

(Rs) [192325] As resistecircncias de contato e quacircntica satildeo independentes do comprimento

do nanotubo Jaacute a resistecircncia de espalhamento depende do comprimento do nanotubo [26-

31]

Quando o comprimento do SWCNT eacute menor ou igual ao caminho meacutedio livre (lCNT le

λCNT) que eacute tipicamente 1 microm o transporte de eleacutetrons eacute essencialmente baliacutestico e a

resistecircncia independe do comprimento do nanotubo [1332] No entanto quando o

comprimento do SWCNT eacute maior que o caminho meacutedio livre (lCNT gt λCNT) haacute uma

resistecircncia adicional que depende do comprimento do SWCNT e eacute chamada de resistecircncia

de espalhamento [13-15] Assim a resistecircncia total eacute dada pela equaccedilatildeo (21) em que lCNT

eacute o comprimento do nanotubo de carbono

CNTCNT

CNTCNT

CNTlseRsRqRc

lseRqRcR

(21)

7

A resistecircncia de contato pode chegar ao valor de 100 kΩ [131533] Contudo essa

resistecircncia em nanotubos de carbono com diacircmetro maior que 1nm estaacute na ordem de

poucos kilo ohms ou ateacute mesmo centenas de ohms [1316] Neste trabalho considerou-se o

contato metal-nanotubo como sendo perfeito ou seja Rc = 0

A resistecircncia quacircntica e a de espalhamento satildeo descritas pelas equaccedilotildees (22) e (23)

respectivamente onde e eacute a carga do eleacutetron e h eacute a constante de Plank A resistecircncia

quacircntica (Rq) eacute igualmente dividida em cada lado dos contatos metal-nanotubo [13-

173435]

ke

hRq 456

4 2 (22)

CNT

CNTl

e

hRs

24 (23)

O movimento de eleacutetrons transportados por um condutor eacute modelado pela indutacircncia que

consiste na indutacircncia magneacutetica e cineacutetica [1316] No SWCNT a indutacircncia magneacutetica eacute

calculada considerando que o CNT eacute um fio muito fino com diacircmetro d e estaacute

posicionado a uma distacircncia y do plano ligado ao terra A indutacircncia cineacutetica eacute calculada

pela equaccedilatildeo da energia cineacutetica armazenada em cada canal condutor do CNT para uma

indutacircncia efetiva [141535] Assim a indutacircncia magneacutetica (LM) e a cineacutetica (LK) podem

ser calculadas pelas equaccedilotildees (24) e (25) respectivamente

d

yLM ln

2

(24)

F

Kve

hL

22 (25)

Para d = 1nm e y = 1microm LM = 14pHmicrom [141529] Como vF eacute a velocidade de Fermi

cujo valor eacute dado por 8x105 ms para o CNT o valor da indutacircncia cineacutetica eacute LK =

16nHmicrom [13-1635] Sabendo que cada CNT tem quatro canais condutores em paralelo

que natildeo interagem entre si a indutacircncia cineacutetica efetiva eacute dada por LK4 [13-15] Uma boa

aproximaccedilatildeo da indutacircncia total do CNT (LCNT) eacute 4 nHmicrom [15]

8

Por fim a capacitacircncia de um SWCNT isolado eacute constituiacuteda por duas partes que satildeo a

capacitacircncia eletrostaacutetica (CE) e a quacircntica (CQ) [13-1735] Essas capacitacircncias satildeo

calculadas pelas equaccedilotildees (26) e (27)

d

yCE

ln

2 (26)

F

Qhv

eC

22 (27)

A capacitacircncia eletrostaacutetica eacute influenciada pelo ambiente que a envolve que satildeo os seus

vizinhos e o plano ligado ao terra Considerando que o CNT eacute um fio com diacircmetro d =

1nm e a distacircncia y = 1microm obteacutem-se CE = 30 aFmicrom Jaacute a capacitacircncia quacircntica se refere agrave

influecircncia da energia quacircntica armazenada no nanotubo quando este carrega corrente O

valor da capacitacircncia eacute CQ = 100 aFmicrom [1314] Considerando os quatro canais condutores

descritos anteriormente a capacitacircncia total eacute dada por (28)

QE

QE

CNTCC

CCC

4

4

(28)

Assim o esquemaacutetico da interconexatildeo de um SWCNT isolado eacute mostrado na Figura 24

abaixo

Figura 24 ndash Modelo de interconexatildeo do SWCNT isolado (modificado de [33])

2132 Modelo de interconexatildeo do SWCNT bundle

O SWCNT bundle possui resistecircncia equivalente menor que o SWCNT isolado

caracteriacutestica necessaacuteria para alcanccedilar performances comparaacuteveis agraves interconexotildees de

9

cobre [13-2023252629-38] O SWCNT bundle eacute composto por vaacuterios SWCNTs

empacotados em paralelo Assume-se que todos os SWCNTs satildeo idecircnticos metaacutelicos e que

cada um tem o mesmo potencial [1737] Sabendo que d eacute o diacircmetro do nanotubo de

carbono e x eacute a distacircncia entre os centros de dois nanotubos adjacentes o SWCNT bundle

pode ser empacotado de forma densa se x = d ou de forma esparsa se x gt d [13-1529-

32] Sabe-se que entre os nanotubos existe uma separaccedilatildeo δmin devido agrave forccedila de Van der

Waals que eacute de pelo menos 032 nm entre cada nanotubo [13] como mostra a Figura 25

Figura 25 ndash Separaccedilatildeo miacutenima entre CNTs devido agrave forccedila de Van der Waals (modificado

de [13])

O nuacutemero de nanotubos de carbono nCNT disponiacutevel pode ser calculado pelas expressotildees

dadas em (29) e (210) [141530]

iacutemparnsen

nn

parnsen

nn

n

HH

HW

HH

HW

CNT

2

1

2

(29)

1

23

x

dtn

x

dwn HW (210)

Nas expressotildees acima w eacute a largura e t eacute a altura da interconexatildeo de SWCNT bundle

Assim nW eacute o nuacutemero de CNTs ao longo da largura do SWCNT bundle e nH eacute o nuacutemero de

CNTs ao longo da altura do SWCNT bundle [13-1530] A Figura 26 mostra esses valores

[13]

10

Figura 26 ndash Nuacutemero de CNTs ao longo da largura (nW) e da altura (nH) do CNT

bundle[13]

Na tecnologia de 22 nm considerando as dimensotildees de 22 nm de largura e 44 nm de altura

do SWCNT bundle [13173437] e a separaccedilatildeo entre cada nanotubo devido agrave forccedila de Van

der Waals a quantidade de SWCNTs eacute aproximadamente 600 Neste trabalho estas

consideraccedilotildees foram feitas e a tecnologia de 22 nm foi utilizada Esta tecnologia eacute prevista

pelo ITRS para o ano de 2016 [21]

As resistecircncias de cada SWCNT estatildeo em paralelo entre elas assim como as indutacircncias

Assim a resistecircncia e a indutacircncia do SWCNT bundle com nCNT SWCNTs satildeo calculados

respectivamente pelas expressotildees (211) e (212) [1323252629-3234]

CNT

CNTbundle

n

RR (211)

CNT

CNTbundle

n

LL (212)

Considerando que todos os SWCNTs estatildeo no mesmo potencial que os contatos entre

todos os nanotubos de carbono em um bundle satildeo idecircnticos e que cada SWCNT tem o

mesmo caminho meacutedio livre [13] eacute possiacutevel assumir que a interaccedilatildeo entre CNTs

adjacentes de um SWCNT bundle eacute fraca e que eles carregam correntes independentes

umas das outras [13-17]

A capacitacircncia do SWCNT bundle eacute obtida a partir da combinaccedilatildeo da capacitacircncia

quacircntica de todos os SWCNTs em paralelo chamada de capacitacircncia quacircntica bundle

(CQbundle

) que estaacute em seacuterie com a capacitacircncia eletrostaacutetica (CEbundle

) [13143539] A

capacitacircncia quacircntica e a capacitacircncia eletrostaacutetica satildeo calculadas pelas equaccedilotildees (213) e

(214) em que CEn e CEf satildeo as capacitacircncias de placas paralelas de CNTs isolados em

11

relaccedilatildeo aos vizinhos proacuteximos e afastados respectivamente [14293032] Assim a

capacitacircncia total do SWCNT bundle eacute obtida pela equaccedilatildeo (215)

CNT

CNT

Q

bundle

Q nCC (213)

En

HEf

WEn

bundle

E Cn

Cn

CC5

23

2

22

(214)

bundle

Q

bundle

E

bundle

Q

bundle

E

bundleCC

CCC

(215)

Analisando a equaccedilatildeo (215) o efeito da CQbundle

eacute pequeno para grandes valores de nCNT

sendo o valor da capacitacircncia do SWCNT bundle aproximadamente igual agrave sua

capacitacircncia eletrostaacutetica [13161719] Srivastava et al [13] mostra que os nanotubos no

interior do SWCNT bundle satildeo blindados eletrostaticamente dos condutores de terra

podendo ser desprezados Os CNTs de borda satildeo os principais contribuidores para a

capacitacircncia eletrostaacutetica do SWCNT bundle No entanto a equaccedilatildeo (214) natildeo reproduz

fielmente a realidade jaacute que considera a capacitacircncia eletrostaacutetica de todos os nanotubos e

natildeo soacute os CNTs de borda Segundo o mesmo autor para a tecnologia de 22 nm e uma

constante dieleacutetrica igual a 2 a capacitacircncia total do SWCNT bundle eacute aproximadamente

135 aFμm

2133 Modelo de interconexatildeo do cobre

As propriedades fiacutesicas de interconexotildees de cobre podem ser descritas por resistecircncia

capacitacircncia e indutacircncia [14-16] A resistecircncia do cobre pode ser calculada utilizando a

equaccedilatildeo (216)

tw

lRCu

(216)

em que l eacute o comprimento do cobre w eacute a sua largura t eacute a sua altura e ρ eacute a sua

resistividade A resistividade do cobre em escala nanomeacutetrica eacute moldada pela combinaccedilatildeo

dos fenocircmenos de espalhamento superficial e de espalhamento de contorno

[151627283340] Estes fenocircmenos correspondem aos paracircmetros ρFS e ρMS propostos

12

por Fuchs e Sondheimer (ρFS) e por Mayadas e Shatzkes (ρMS) [1516] Estes paracircmetros

satildeo calculados pelas expressotildees (217) (218) e (219)

)1(

4

31 p

w

o

o

FS

(217)

11ln33

2

31 22

MS

o (218)

)1( R

R

D

o

(219)

O paracircmetro ρo eacute a resistividade do material λo eacute o caminho meacutedio livre p eacute o paracircmetro

de espalhamento de Fuchs D eacute o tamanho meacutedio e R eacute o coeficiente de reflexatildeo no

contorno com valores entre 0 e 1 Assim tem-se que a resistecircncia do cobre em escala

nanomeacutetrica eacute dada pela equaccedilatildeo (220) [1516]

tw

lR MSFS

Cu

(220)

De acordo com [1433] o valor da resistividade do cobre na tecnologia de 22nm para

interconexotildees locais eacute dado por 4666 μΩ-cm No entanto este valor da resistividade do

cobre chega a 58 μΩ-cm para valores miacutenimos da largura do fio [1516203940] Neste

trabalho seraacute utilizado o valor de 58 μΩ-cm para a resistividade do cobre na tecnologia de

22 nm que vai ao encontro dos requerimentos do ITRS [21]

A indutacircncia proacutepria (L) e a muacutetua (M) da interconexatildeo de cobre em escala nanomeacutetrica

satildeo obtidas usando respectivamente as expressotildees (221) e (222)

l

tw

tw

llL o )(220

2

12ln

2

(221)

l

s

s

llM o 1

2ln

2

(222)

em que t eacute a altura do fio microo eacute a permeabilidade e s eacute o espaccedilamento entre os fios [14-16]

A indutacircncia total do cobre (LCu) eacute dada pela soma das indutacircncias proacutepria e muacutetua

13

A capacitacircncia da interconexatildeo de cobre eacute calculada pela soma da capacitacircncia de

acoplamento entre dois fios adjacentes (CC) e a capacitacircncia ligada ao plano do terra (Cg)

[14-16] Essas capacitacircncias podem ser obtidas pelas equaccedilotildees (223) e (224) [1541]

120760193

534511171

70222

ht

t

hs

s

hs

s

h

wCg (223)

181160141090

980871161

591740

062141

sh

h

sw

w

sw

w

sh

h

s

tCC (224)

em que s eacute o espaccedilamento entre dois fios adjacentes h eacute a distacircncia do fio em relaccedilatildeo ao

plano do terra e ε eacute a permissividade relativa para uma dada constante dieleacutetrica

Considerando as equaccedilotildees (223) e (224) e de acordo com [1321] para uma constante

dieleacutetrica igual a 2 o valor da capacitacircncia total do cobre (CCu) eacute aproximadamente 150

aFμm que seraacute utilizado neste trabalho

Os modelos em L em π e em T satildeo usados como modelos de interconexatildeo de cobre [11]

Como o modelo π eacute muito utilizado para uma linha distribuiacuteda [1416] este modelo seraacute

usado neste trabalho A Figura 27 mostra o modelo de interconexatildeo de cobre [11]

Figura 27 ndash Modelo de interconexatildeo de cobre

A precisatildeo do modelo eacute determinada pelo nuacutemero de seguimentos bdquoN‟ que ele possui Uma

cadeia com mais de trecircs segmentos em π fornece um erro menor que 3 [16] Neste

trabalho seratildeo utilizados trecircs segmentos em π

14

22 INVERSOR MONO-ELEacuteTRON

Os dispositivos de tunelamento mono-eleacutetron satildeo dispositivos nanoeletrocircnicos

potencialmente aplicaacuteveis em circuitos integrados em escala giga (GSI) e tera (TSI)

Apesar de apresentarem baixo ganho e alta impedacircncia de saiacuteda estes dispositivos

possuem tamanho reduzido e baixa dissipaccedilatildeo de potecircncia Estas caracteriacutesticas os tornam

atrativos em circuitos loacutegicos e circuitos de memoacuteria [1-10] Assim portas loacutegicas podem

ser implementadas utilizando dispositivos de tunelamento mono-eleacutetron [14-9]

As portas loacutegicas satildeo blocos de construccedilatildeo baacutesicos na eletrocircnica digital O inversor loacutegico

ou porta NOT eacute o principal elemento baacutesico no projeto de circuitos digitais [42] O

inversor inverte o sinal de entrada de valor loacutegico baixo ndash 0 ndash em um sinal de saiacuteda de

valor loacutegico alto ndash 1 ndash e vice-versa [442] Em outras palavras a porta NOT efetua a

negaccedilatildeo loacutegica O siacutembolo do inversor juntamente com sua tabela verdade estaacute ilustrado

na Figura 28

Figura 28 ndash Siacutembolo e tabela verdade da porta NOT

221 Dispositivo de tunelamento mono-eleacutetron

O funcionamento dos dispositivos de tunelamento mono-eleacutetron eacute baseado no controle do

movimento e da posiccedilatildeo de um uacutenico ou de um pequeno grupo de eleacutetrons no dispositivo

[17] Os seguintes conceitos satildeo essenciais na definiccedilatildeo desses dispositivos ilha junccedilatildeo-

tuacutenel tunelamento efeito de carregamento e bloqueio de Coulomb A partir desses

conceitos eacute possiacutevel definir o transistor mono-eleacutetron - SET (do inglecircs Single-electron

transistor) [24-8]

A ilha estaacute localizada entre duas paredes finas de um material normalmente isolante as

quais criam uma barreira de potencial de energia que impossibilita a movimentaccedilatildeo de

eleacutetrons pela ilha A Figura 29 mostra dois eletrodos A e B separados por uma barreira

15

isolante e no meio dessa barreira isolante encontra-se a ilha Se a energia dos eleacutetrons for

maior que a energia potencial das paredes das barreiras estes poderatildeo atravessaacute-las [6] No

dispositivo de tunelamento mono-eleacutetron o transporte de eleacutetrons entre o eletrodo A e a

ilha e entre a ilha e o eletrodo B ocorre por tunelamento mono-eleacutetron em que os eleacutetrons

atravessam as barreiras um de cada vez [10]

Figura 29 Dois eletrodos separados por uma ilha [10]

Esses dispositivos satildeo formados por junccedilotildees-tuacutenel que satildeo dois eletrodos metaacutelicos

separados por um isolante muito fino (barreira) o qual permite a passagem de eleacutetrons por

tunelamento [467] A Figura 210 ilustra a junccedilatildeo-tuacutenel e sua representaccedilatildeo simboacutelica Os

paracircmetros que caracterizam a junccedilatildeo-tuacutenel macroscopicamente satildeo a resistecircncia de

tunelamento (Rj) que depende da aacuterea e da espessura da barreira isolante e a capacitacircncia

(Cj) [10]

Figura 210 Esquemaacutetico da junccedilatildeo-tuacutenel [10]

O tunelamento eacute o transporte de partiacuteculas atraveacutes de uma regiatildeo em que a energia total de

uma partiacutecula pontual claacutessica eacute menor que a energia potencial da regiatildeo ou seja eacute o

transporte atraveacutes de uma regiatildeo classicamente proibida [10] O efeito de tunelamento

ocorre quando a barreira de potencial for suficientemente fina permitindo que o eleacutetron a

atravesse se houver niacutevel de energia desocupado do outro lado da barreira com o mesmo

valor de energia Esse fenocircmeno pode ser explicado pelo comportamento dual do eleacutetron

Diferentemente da mecacircnica claacutessica na teoria eletromagneacutetica quando uma partiacutecula

encontra uma barreira de potencial parte da onda eacute refletida e a outra parte eacute transmitida

para o outro lado da barreira [10] A teoria ortodoxa do tunelamento mono-eleacutetron eacute o

modelo mais utilizado para analisar o tunelamento [4-6] Proposto em 1987 por Averin e

Likharev [43] este modelo apresenta os seguintes postulados

16

Modelo de dimensatildeo zero as dimensotildees das ilhas satildeo despreziacuteveis

O evento de tunelamento eacute considerado instantacircneo

A redistribuiccedilatildeo das cargas apoacutes tunelamento tambeacutem eacute considerada instantacircnea

O espectro de energia em condutores e ilhas eacute considerado contiacutenuo ou seja a

quantizaccedilatildeo da energia do eleacutetron eacute ignorada dentro dos condutores

Apesar de a teoria ortodoxa assumir condiccedilotildees hipoteacuteticas ela continua sendo muito

utilizada em estudos do dispositivo mono-eleacutetron [4-6]

O efeito de carregamento ocorre quando os eleacutetrons estatildeo na iminecircncia de entrar em um

material condutor extremamente pequeno isolado eletricamente (ilha) Se houver um

eleacutetron na ilha o potencial eletrostaacutetico da ilha aumenta bastante sendo bem superior ao

ruiacutedo teacutermico em temperatura ambiente O fluxo de eleacutetrons na ilha eacute possiacutevel se o

potencial da ilha for controlado por uma fonte de tensatildeo externa Outros eleacutetrons satildeo

impedidos de entrar na ilha devido agrave repulsatildeo de Coulomb [14-9]

Assim o bloqueio de Coulomb ocorre quando um eleacutetron entra na ilha e impede o

tunelamento de outro eleacutetron nesta ilha No momento em que o eleacutetron entra na ilha a

energia eletrostaacutetica da ilha aumenta em Ce 22 em que CΣ eacute a soma das capacitacircncias

em torno da ilha [14] Dessa forma outro eleacutetron soacute conseguiraacute tunelar para dentro da ilha

se sua energia for maior que a energia eletrostaacutetica da ilha [6] A Figura 211 ilustra os

diagramas de energia no bloqueio de Coulomb e no caso de tunelamento [10]

(a) (b)

Figura 211 Diagramas de energia (a) Bloqueio de Coulomb (b) Tunelamento mono-

eleacutetron [10]

17

O bloqueio de Coulomb eacute superado ao se aplicar uma tensatildeo Vg ao circuito ateacute que esta

tensatildeo alcance um dado valor de limiar que forneceraacute energia suficiente para que ocorra o

tunelamento de um eleacutetron Assim haveraacute o fluxo de eleacutetrons havendo corrente A Figura

212 mostra a regiatildeo do bloqueio de Coulomb ao aplicar uma tensatildeo Vg ao circuito em que

Vc eacute a tensatildeo de limiar chamada de tensatildeo de bloqueio de Coulomb [5-10]

Figura 212 Caracteriacutestica do bloqueio de Coulomb [10]

Nesse contexto duas condiccedilotildees satildeo necessaacuterias para garantir que o transporte de eleacutetrons

seja controlado pelo efeito de carregamento a condiccedilatildeo para a resistecircncia de tunelamento

dada pela equaccedilatildeo (225) [1] em que a natureza corpuscular do eleacutetron predomina sobre a

natureza ondulatoacuteria e a energia eletrostaacutetica (EC) associada a uma dada temperatura (T)

deve ser significativamente maior que as flutuaccedilotildees teacutermicas existentes agravequela

temperatura como descrita na equaccedilatildeo (226) [146-9] Os paracircmetros h eacute a constante de

Planck e eacute a carga do eleacutetron kB eacute a constante de Boltzmann e C eacute capacitacircncia Na

equaccedilatildeo (226) a temperatura deve ser maior que 0K [10]

kRe

hR TT 825

2 (225)

TkC

eTkEc BB

2

2

(226)

A partir dos conceitos apresentados pode-se definir o transistor mono-eleacutetron O SET

ilustrado na Figura 213 [10] eacute composto por duas junccedilotildees-tuacutenel em seacuterie formando uma

ilha entre as junccedilotildees [246-9] Os paracircmetros R1 C1 e R2 C2 correspondem agraves

resistecircncias e capacitacircncias da primeira e da segunda junccedilatildeo-tuacutenel respectivamente A

tensatildeo de porta Vg controla a energia eletrostaacutetica da ilha atraveacutes da capacitacircncia Cg

18

Quando haacute carregamento por tunelamento de uma junccedilatildeo e descarregamento da outra

junccedilatildeo haacute um fluxo controlado de cargas o que gera a corrente I [10]

Figura 213 Transistor mono-eleacutetron [10]

Um efeito que pode ser observado na caracteriacutestica da corrente versus tensatildeo do transistor

mono-eleacutetron eacute chamado de oscilaccedilatildeo de Coulomb [24679] Se a tensatildeo V for mantida

constante com CeV e a tensatildeo Vg for aumentada ateacute atingir gg CeV 2 esse

valor de tensatildeo permitiraacute que um eleacutetron passe pela ilha Como soacute haveraacute corrente fluindo

no circuito em valores muacuteltiplos da tensatildeo gCe 2 soacute ocorreraacute o tunelamento novamente

quando )2(3 gg CeV A caracteriacutestica corrente (I) versus tensatildeo (Vg) do transistor

mono-eleacutetron eacute ilustrada na Figura 214 [10]

Figura 214 Caracteriacutestica corrente (I) versus tensatildeo (Vg) do transistor mono-eleacutetron [10]

222 Estrutura do inversor mono-eleacutetron

Um inversor pode ser construiacutedo colocando-se dois SETs em seacuterie os quais compartilham

da mesma entrada [5689] conforme mostrado na Figura 215 Vin eacute a tensatildeo de entrada

Vout eacute a tensatildeo de saiacuteda Vbias eacute a tensatildeo de polarizaccedilatildeo CC eacute a capacitacircncia de carga Cg1 e

Cg2 satildeo as capacitacircncias de porta do SET 1 e do SET 2 respectivamente

19

Figura 215 Esquemaacutetico do inversor utilizando SETs (modificado de [4])

Alguns modelos do SET desenvolvidos no software SPICE foram propostos na literatura

[4-7] Destes modelos o proposto por G Lientschnig et al [4] descreve a implementaccedilatildeo

completa da teoria ortodoxa e usa apenas os recursos em versotildees disponiacuteveis publicamente

do software SPICE Este modelo diferentemente dos modelos propostos em [5-7] natildeo estaacute

limitado a transistores mono-eleacutetron com junccedilotildees-tuacutenel que tecircm resistecircncias iguais Aleacutem

disso pode ser estendido para incluir um nuacutemero arbitraacuterio de estados de carga que

permite simulaccedilotildees definidas para altas temperaturas e tensotildees de polarizaccedilatildeo [4] O

modelo de G Lientschnig et al estaacute disponiacutevel no siacutetio eletrocircnico [44] Assim este foi o

modelo utilizado neste trabalho

23 CLOCKING DE SISTEMAS DE ALTA VELOCIDADE

Em sistemas digitais siacutencronos o sinal do clock eacute utilizado para definir uma referecircncia de

tempo agrave mudanccedila de dados dentro do sistema [1145] Assim a distribuiccedilatildeo do clock eacute de

suma importacircncia na operaccedilatildeo de circuitos integrados digitais sendo uma grande

preocupaccedilatildeo em circuitos integrados de alta velocidade [46-51] Circuitos em escala

nanomeacutetrica podem ser significativamente limitados devido ao clock skew que ocorre

quando os circuitos natildeo estatildeo equumlidistantes do sinal do clock [11454649-51] Como este

sinal eacute o sinal mais ativo em um chip pode resultar em elevado consumo de potecircncia e

grandes densidades de corrente na rede de interconexotildees do clock [454849]

Dessa forma o sinal do clock deve atingir ao mesmo tempo cada noacute para garantir que a

comutaccedilatildeo seja sincronizada bem como deve ser distribuiacutedo de forma que haja o menor

20

atraso possiacutevel [49] Com esse intuito os seguintes fatores entre outros satildeo fundamentais

no desempenho do clock dispositivos loacutegicos de tecnologia raacutepida (avanccedilada) rede de

distribuiccedilatildeo de clock que minimize o skew e interconexotildees com alto desempenho [11]

Conforme exposto anteriormente os dispositivos nanoeletrocircnicos como os transistores

mono-eleacutetron satildeo potencialmente aplicaacuteveis em circuitos integrados em escala giga (GSI)

e tera (TSI) Estes dispositivos permitem que as funccedilotildees loacutegicas sejam desempenhadas em

um tempo mais raacutepido e com menor atraso Assim satildeo fortes candidatos a serem utilizados

em circuitos integrados com clock

A adequada rede de distribuiccedilatildeo do clock assegura que a comutaccedilatildeo seja sincronizada e

que haja o menor atraso possiacutevel [1145] Aleacutem disso dependendo da arquitetura da rede o

niacutevel de sincronismo do sistema pode aumentar Diferentes tipos de abordagens tecircm sido

desenvolvidos para projetar a rede de distribuiccedilatildeo do clock em sistemas digitais de

circuitos integrados [45] Os buffered trees satildeo muito utilizados na distribuiccedilatildeo

equipotencial do clock Aleacutem dessas estruturas assimeacutetricas arquiteturas simeacutetricas como

o H-tree satildeo usadas para distribuir sinais de clock em alta velocidade podendo inclusive

ser projetadas com buffers [45-51] Algumas formas de rede de distribuiccedilatildeo do clock estatildeo

ilustradas na Figura 216 incluindo a trunk tree mesh e H-tree [45]

Figura 216 Estruturas comuns de redes de distribuiccedilatildeo de clock [45]

21

Atualmente as interconexotildees de cobre satildeo bastante utilizadas para circuitos de alto

desempenho como em redes de clock No entanto os CNTs apresentam caracteriacutesticas que

os tornam melhores para serem utilizados em interconexotildees descritas na subseccedilatildeo 221

[48] Neste trabalho seraacute realizada a comparaccedilatildeo entre interconexotildees de cobre e de CNT

na rede de distribuiccedilatildeo do H-tree clock

231 H-Tree Clock

O clock skew pode ser minimizado distribuindo-se o sinal do clock de forma que as

interconexotildees que levam o sinal aos circuitos loacutegicos tecircm o mesmo comprimento Se antes

de chegarem aos circuitos loacutegicos os sinais do clock forem igualmente atrasados eles

estaratildeo perfeitamente sincronizados [1145] Dessa forma o esquemaacutetico da Figura 217 de

distribuiccedilatildeo do clock minimiza o clock skew repetindo recursivamente uma estrutura em

forma de H [11] A Figura 217 ilustra uma rede H-tree simeacutetrica com trecircs niacuteveis [46]

Figura 217 Esquemaacutetico do H-tree clock simeacutetrico (modificado de [46])

Na estrutura do H-tree o condutor primaacuterio do clock estaacute ligado ao centro do H principal

(1ordm niacutevel) transmitindo o sinal para os quatro cantos deste H Esses quatro cantos satildeo as

entradas para o proacuteximo niacutevel do H-tree o 2ordm niacutevel que possui quatro estruturas em H O

processo de distribuiccedilatildeo continua por vaacuterios niacuteveis de H‟s cada vez menores Os pontos de

destino final do H-tree satildeo usados para conduzir os circuitos locais Assim cada caminho

do clock desde a fonte ateacute o circuito local possui praticamente o mesmo atraso [45]

22

24 MEDIDAS DE DESEMPENHO NA ANAacuteLISE DAS INTERCONEXOtildeES

As interconexotildees em circuitos integrados possuem caracteriacutesticas que modificam o sinal de

entrada O efeito das interconexotildees pode provocar atrasos e distorccedilotildees indesejaacuteveis Nesse

contexto eacute necessaacuterio analisar medidas de desempenho dos sinais sob efeito das

interconexotildees tais como velocidade maacutexima atenuaccedilatildeo tempo de atraso potecircncia

dissipada produto atraso-potecircncia e slew rate [111317202342]

241 Velocidade maacutexima - anaacutelise na frequumlecircncia

A velocidade maacutexima que as interconexotildees podem operar sem distorcer o sinal de entrada

eacute uma medida de desempenho importante [172023] Eacute possiacutevel analisar este paracircmetro

atraveacutes da frequumlecircncia maacutexima de operaccedilatildeo da interconexatildeo que eacute a largura de banda em

que o sinal comeccedila a decair em -3dB em relaccedilatildeo ao sinal de referecircncia [1742] Assim

utiliza-se a anaacutelise do moacutedulo do graacutefico de Bode para obter a frequumlecircncia de operaccedilatildeo em

-3dB [42] A Figura 218 mostra o esboccedilo do moacutedulo do ganho pela frequumlecircncia tiacutepico do

comportamento de interconexotildees

Figura 218 Graacutefico do moacutedulo do ganho pela frequumlecircncia tiacutepico do comportamento de

interconexotildees

23

242 Atenuaccedilatildeo

A transmissatildeo de um sinal pode ser expressa em funccedilatildeo do seu ganho ou da sua atenuaccedilatildeo

No caso em estudo as interconexotildees podem atenuar o sinal Essa atenuaccedilatildeo eacute geralmente

calculada pela expressatildeo (227) em que Vo eacute o sinal de saiacuteda e Vi eacute o sinal de entrada [42]

i

o

V

VA log20 (227)

243 Tempo de atraso

O tempo de atraso td ou atraso na propagaccedilatildeo ocorre devido ao

carregamentodescarregamento da capacitacircncia de carga bem como ao tempo de

chaveamento dos transistores [42]

O tempo de atraso eacute obtido pela diferenccedila entre o tempo medido a 50 da transiccedilatildeo dos

sinais de entrada e de saiacuteda [11] Em circuitos loacutegicos o atraso na propagaccedilatildeo pode ser

calculado pela meacutedia aritmeacutetica do tempo de propagaccedilatildeo do sinal de alto para baixo tPHL e

do tempo de propagaccedilatildeo do baixo para alto tPLH conforme equaccedilatildeo (228) [1142]

2

PLHPHLd

ttt

(228)

244 Potecircncia dissipada

A dissipaccedilatildeo de potecircncia eacute outra medida de desempenho bastante importante em circuitos

integrados em escala GSI e TSI Isso ocorre jaacute que ao aumentar o nuacutemero de portas

loacutegicas em uma determinada aacuterea ocupada eacute necessaacuterio que a dissipaccedilatildeo de potecircncia esteja

dentro de limites aceitaacuteveis [1142]

A dissipaccedilatildeo de potecircncia eacute composta por dois componentes potecircncia estaacutetica e potecircncia

dinacircmica A dissipaccedilatildeo de potecircncia estaacutetica eacute dada por IVP DDE e ocorre mesmo que

natildeo haja chaveamento de porta loacutegica no circuito devido ao efeito da resistecircncia do

circuito [42] A dissipaccedilatildeo de potecircncia dinacircmica eacute devido agrave capacitacircncia de carga do

24

circuito expressa por CVfP DDD 2 em que VDD eacute a tensatildeo de alimentaccedilatildeo f eacute

frequumlecircncia do circuito e C eacute a capacitacircncia de carga do circuito [1142] Assim a soma da

potecircncia dinacircmica e da potecircncia estaacutetica resulta na potecircncia total dissipada no circuito

245 Produto atraso-potecircncia

Em circuitos integrados o ideal eacute que se tenha baixo atraso na propagaccedilatildeo resultando em

uma maior velocidade de funcionamento do circuito bem como baixa dissipaccedilatildeo de

potecircncia No entanto essas duas exigecircncias satildeo conflitantes ao reduzirmos a dissipaccedilatildeo de

potecircncia de uma porta a capacidade da porta em fornecer corrente diminuiraacute isso

implicaraacute em um maior tempo de carga e descarga aumentando o atraso na propagaccedilatildeo

Assim o produto atraso-potecircncia (delay power product ndash DP) eacute uma medida de

desempenho bastante utilizada na anaacutelise de circuitos e eacute dado por dD tPDP Quanto

menor o produto atraso-potecircncia maior a eficiecircncia do circuito loacutegico [42]

246 Slew rate

A taxa maacutexima de variaccedilatildeo da tensatildeo de saiacuteda do inglecircs slew rate (SR) eacute uma

caracteriacutestica importante do sinal de saiacuteda de um circuito loacutegico A limitaccedilatildeo na taxa de

variaccedilatildeo pode provocar uma distorccedilatildeo no funcionamento do circuito O SR pode ser

calculado pela expressatildeo (229) em que Δv eacute a variaccedilatildeo da tensatildeo de saiacuteda do sinal para

uma determinada variaccedilatildeo de tempo Δt [42]

t

vSR

(229)

25 LTSPICE

O software LTSPICE eacute um simulador SPICE de alto desempenho orientado a

esquemaacuteticos e visualizador de formas de onda com modelos para facilitar a simulaccedilatildeo de

circuitos eletrocircnicos Se comparado aos outros simuladores SPICE a simulaccedilatildeo do

LTSPICE eacute bastante raacutepida O software consegue simular dispositivos de acordo com o

padratildeo industrial reproduzindo os seus comportamentos [52]

25

O LTSPICE possui vaacuterias possibilidades de simulaccedilatildeo como anaacutelise transiente anaacutelise AC

e anaacutelise DC bem como permite a simulaccedilatildeo de vaacuterios dispositivos disponiacuteveis na sua

biblioteca Aleacutem disso este software possibilita a elaboraccedilatildeo de novos esquemaacuteticos

atraveacutes de um modelo matemaacutetico ou eletrocircnico proposto O novo componente poderaacute ser

utilizado no circuito conforme seraacute feito neste trabalho utilizando-se o modelo SPICE do

SET proposto por G Lientschnig et al[4]

26

3 METODOLOGIA

31 INTRODUCcedilAtildeO

A miniaturizaccedilatildeo das interconexotildees prejudica o seu desempenho resultando no aumento

significativo do valor da resistividade da capacitacircncia de acoplamento entre vias na

dificuldade de controlar a razatildeo entre a altura e a largura do material entre outros

problemas A fim de analisar o desempenho das interconexotildees eacute necessaacuterio verificar

algumas variaacuteveis importantes como velocidade maacutexima (f-3dB) atenuaccedilatildeo (A) tempo de

atraso (td) potecircncia dissipada (P) produto atraso-potecircncia (DP) e slew rate (SR)

[111317202342]

32 ETAPAS E ESTRATEacuteGIAS ADOTADAS

Com o intuito de analisar o efeito das interconexotildees em circuitos com transistores mono-

eleacutetron foi realizada primeiramente a anaacutelise das interconexotildees de SWCNT de SWCNT

bundle e de cobre isoladamente para diferentes valores de comprimento Apoacutes a avaliaccedilatildeo

desses resultados o efeito das interconexotildees foi analisado no H-tree clock com inversores

mono-eleacutetron nos seus terminais tambeacutem considerando diferentes comprimentos Neste

trabalho a tecnologia de 22 nm prevista para o ano de 2016 [21] foi utilizada na

comparaccedilatildeo entre o desempenho do cobre e do CNT Todas as simulaccedilotildees foram realizadas

utilizando o software LTSPICE

321 Simulaccedilatildeo das interconexotildees

A partir dos modelos das interconexotildees de SWCNT SWCNT bundle e cobre apresentados

na subseccedilatildeo 213 diferentes comprimentos das interconexotildees foram simulados Assim

analisou-se as interconexotildees locais em que l le 1 μm e as intermediaacuterias em que 1 μm lt l

le 500 μm sabendo que l eacute o comprimento da interconexatildeo [29-31333638]

A fim de analisar a frequumlecircncia de corte este foi obtido para comprimentos de

interconexotildees locais (10nm 100nm 200nm 300nm 400nm 500nm 600nm 700nm

27

800nm 900nm 1μm) e interconexotildees intermediaacuterias (10μm 100μm 200μm 300μm

400μm 500μm)

Jaacute que λCNT eacute tipicamente 1 μm foram escolhidos trecircs comprimentos na faixa lCNT le λCNT

(10 nm 100 nm e 1 μm) e trecircs comprimentos na faixa lCNT gt λCNT (10 μm 100 μm 500

μm) para serem analisados detalhadamente Escolheu-se uma mesma frequecircncia abaixo da

frequecircncia de corte dos trecircs materiais considerados para analisar e comparar a atenuaccedilatildeo

(A) e o tempo de atraso na propagaccedilatildeo (td) dos diferentes comprimentos

Em seguida o mesmo procedimento foi feito para comparar somente o SWCNT bundle e o

cobre para uma mesma frequecircncia cujo valor eacute maior que a frequecircncia da anaacutelise anterior

permitindo que estes dois materiais sejam analisados detalhadamente

Essas anaacutelises foram realizadas a partir da simulaccedilatildeo do circuito da Figura 31 [2325] A

tensatildeo de entrada Vin eacute uma onda quadrada de 1V de amplitude e o capacitor de carga tem

o valor de 100 aF

Figura 31 ndash Circuito simulado para cada interconexatildeo

A Figura 32 mostra o fluxograma das etapas descritas nesta subseccedilatildeo 321

28

Figura 32 ndash Fluxograma das etapas seguidas na simulaccedilatildeo das interconexotildees

322 Simulaccedilatildeo do inversor mono-eleacutetron

Para utilizar a porta inversora da Figura 215 nos terminais do H-tree clock foi necessaacuterio

primeiramente simular o SET proposto por [4] Essa simulaccedilatildeo foi feita variando os

paracircmetros do SET como as resistecircncias e capacitacircncias das junccedilotildees as capacitacircncias de

porta a temperatura etc Os paracircmetros foram variados ateacute simular o SET a temperatura

de 300K Em seguida simulou-se a inversora da Figura 215 tambeacutem a temperatura

ambiente Dessa forma foi possiacutevel simular a inversora isoladamente obtendo as

caracteriacutesticas do sinal de saiacuteda

323 Simulaccedilatildeo do H-tree clock mono-eleacutetron

Apoacutes a simulaccedilatildeo do SET foi possiacutevel simular o H-tree clock A rede H-tree de dois niacuteveis

foi simulada com um H no primeiro niacutevel e quatro H‟s no segundo niacutevel [49] Nos pontos

de destino final da rede foram colocadas portas inversoras formadas por SETs permitindo

a anaacutelise de circuitos nanoeletrocircnicos

Modelos de SWCNT

SWCNT bundle e cobre

Obtenccedilatildeo dos paracircmetros dos modelos para

interconexotildees locais e interconexotildees intermediaacuterias

Para cada comprimento

obtenccedilatildeo de f-3dB

1ordm) Escolha de frequumlecircncia abaixo

da f-3dB do SWCNT SWCNT

bundle e cobre

2ordm) Escolha de frequumlecircncia abaixo

da f-3dB do SWCNT bundle e

cobre

Obtenccedilatildeo de A e td de

cada modelo

Obtenccedilatildeo de A e td de

cada modelo

Anaacutelise comparativa entre o

SWCNT SWCNT bundle e

cobre

Anaacutelise comparativa entre o

SWCNT bundle e cobre

Estudo de interconexotildees locais (10nm

100nm 1μm) e intermediaacuterias (10μm

100μm 500μm)

29

A partir da simulaccedilatildeo do H-tree clock obteve-se a frequecircncia em -3dB (f-3dB) da rede com

interconexotildees ideais Assim a rede H-tree foi entatildeo simulada para duas frequecircncias

diferentes do sinal de entrada abaixo da frequecircncia de -3dB 10 GHz e 100 GHz Com

essas simulaccedilotildees obtiveram-se as seguintes caracteriacutesticas do sinal de saiacuteda da inversora

niacutevel loacutegico baixo (NB) niacutevel loacutegico alto (NA) tempo de subida (tr) slew rate de subida

(SR) atenuaccedilatildeo (A) tempo de atraso (td) potecircncia dissipada (P) e produto atraso-potecircncia

(DP) As caracteriacutesticas obtidas servem como referecircncia para analisar o sinal considerando

interconexotildees natildeo-ideais ou seja incluindo os modelos das interconexotildees nas simulaccedilotildees

Em seguida a rede H-tree foi simulada considerando-se os modelos das interconexotildees de

SWCNT bundle e de cobre variando os seus comprimentos Como cada H da rede de

distribuiccedilatildeo deve ser simeacutetrico considerou-se que cada divisatildeo do H tem o mesmo

comprimento para cada niacutevel da rede [11] A Figura 33 mostra o comprimento dos

diferentes trechos da rede Assim o comprimento de cada divisatildeo dos H‟s do segundo

niacutevel eacute a metade do comprimento de cada divisatildeo do H do primeiro niacutevel Jaacute que o objetivo

eacute simular circuitos em escala nanomeacutetrica escolheu-se trecircs variaccedilotildees de comprimento

menores ou iguais a 1μm

l = 100 nm l2 = 50 nm

l = 400 nm l2 = 200 nm

l = 1 μm l2 = 500 nm

Figura 33 ndash Esquemaacutetico do H-tree clock com os comprimentos de cada seguimento

Dessa forma cada um dos trecircs circuitos foi simulado obtendo-se a frequecircncia em -3dB na

entrada das portas inversoras Em seguida as trecircs redes foram simuladas para as mesmas

30

duas frequumlecircncias do sinal de entrada (10 GHz e 100 GHz) de forma a obter as

caracteriacutesticas do sinal de saiacuteda descritas anteriormente considerando agora o efeito das

interconexotildees

Por fim a partir dos dados obtidos foram realizadas comparaccedilotildees entre as caracteriacutesticas

do sinal de saiacuteda de referecircncia (interconexotildees ideais) e o sinal de saiacuteda dos circuitos com as

interconexotildees natildeo-ideais bem como entre o comportamento das interconexotildees de SWCNT

bundle e de cobre nas diferentes frequecircncias

A Figura 34 mostra o fluxograma das etapas descritas nas subseccedilotildees 322 e 323

Figura 34 ndash Fluxograma das etapas seguidas na simulaccedilatildeo do H-tree clock

H-tree clock mono-eleacutetron

Simulaccedilatildeo do H-tree clock com

interconexotildees ideais Obtenccedilatildeo de f-3dB

da inversora

Simulaccedilatildeo do H-tree clock com

interconexotildees natildeo-ideais para os seguintes

comprimentos

l = 100 nm l2 = 50 nm

l = 400 nm l2 = 200 nm

l = 1 μm l2 = 500 nm

Validaccedilatildeo do SET e do

inversor mono-eleacutetron a

300K

Sinal de entrada a

10 GHz

Sinal de entrada a

100 GHz

Obtenccedilatildeo de NB

NA tr SR A td P e

DP do sinal de saiacuteda

da inversora

Obtenccedilatildeo de NB

NA tr SR A td P e

DP do sinal de saiacuteda

da inversora

Sinal de entrada a

10 GHz

Sinal de entrada a

100 GHz

Obtenccedilatildeo de NB

NA tr SR A td P e

DP do sinal de saiacuteda

da inversora

Obtenccedilatildeo de NB

NA tr SR A td P e

DP do sinal de saiacuteda

da inversora

Anaacutelise comparativa

dos dados obtidos

31

4 RESULTADOS E ANAacuteLISES

41 INTRODUCcedilAtildeO

Neste capiacutetulo seratildeo apresentados os procedimentos adotados e os resultados obtidos na

simulaccedilatildeo das interconexotildees SWCNT SWCNT bundle e cobre As etapas descritas na

metodologia foram seguidas obtendo-se os resultados das simulaccedilotildees das interconexotildees e

das simulaccedilotildees do H-tree clock mono-eleacutetron para interconexotildees ideais e natildeo-ideais A

partir dos resultados a anaacutelise do desempenho das interconexotildees seraacute apresentada

42 ANAacuteLISE DAS INTERCONEXOtildeES

Nesta seccedilatildeo a anaacutelise das interconexotildees de SWCNT SWCNT bundle e cobre na

tecnologia de 22 nm para diferentes comprimentos seraacute realizada Para isso analisou-se

as interconexotildees locais em que l le 1 μm e as intermediaacuterias em que 1 μm lt l le 500 μm

sabendo que l eacute o comprimento da interconexatildeo [29-31333638] Como λCNT eacute

tipicamente 1 μm trecircs comprimentos na faixa lCNT le λCNT (10 nm 100 nm e 1 μm) e trecircs

comprimentos na faixa lCNT gt λCNT (10 μm 100 μm 500 μm) de cada material seratildeo

analisados detalhadamente Os paracircmetros obtidos a partir dos modelos de SWCNT

SWCNT bundle e cobre estatildeo respectivamente nas Tabelas 71 72 e 73 do Apecircndice

421 Interconexotildees locais

Primeiramente a partir da simulaccedilatildeo da Figura 31 obteve-se a frequecircncia em -3dB (f-3dB)

das interconexotildees locais (lCNT le λCNT ) isto eacute a sua banda passante de forma a verificar a

velocidade maacutexima que cada interconexatildeo suporta A Figura 41 ilustra o comportamento

da frequecircncia das interconexotildees locais para os diferentes comprimentos Como o SWCNT

isolado possui valores de frequecircncia na faixa de centenas de giga Hertz ou seja menos de

um tera Hertz os valores de suas frequecircncias tambeacutem podem ser visualisados na Tabela

74 do Apecircndice

Verifica-se que agrave medida que o comprimento da interconexatildeo aumenta a frequecircncia

diminui Isso ocorre jaacute que os valores da capacitacircncia e indutacircncia aumentam com o

aumento do comprimento da interconexatildeo Esses paracircmetros satildeo decisivos no sinal de

32

saiacuteda sendo o sinal mais distorcido quanto maior for o valor desses paracircmetros Observa-

se que o SWCNT bundle e o cobre possuem banda passante maiores que o SWCNT

isolado para qualquer comprimento Aleacutem disso o SWCNT bundle soacute possui uma banda

passante comparaacutevel ao do cobre para comprimentos acima de 700 nm

Frequecircncia X Comprimento

0

10

20

30

40

50

60

100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

Comprimento (nm)

f -3d

B (

TH

z)

SWCNT Isolado

SWCNT bundle

Cobre

Figura 41 ndash Frequumlecircncia versus comprimento das interconexotildees locais

As interconexotildees locais de 10 nm 100 nm e 1 μm de comprimento foram analisadas

detalhadamente A Tabela 41 mostra a frequecircncia em -3dB de cada material para os

comprimentos em anaacutelise

Tabela 41 Frequecircncia em -3dB de cada material para lCNT le λCNT

Interconexatildeo Local Comprimento (L) Material f-3dB

SWCNT isolado 253 GHz

10nm SWCNT bundle 66 THz

Cobre 232 THz

SWCNT isolado 300 GHz

lCNT le λCNT 100nm SWCNT bundle 20 THz

Cobre 51 THz

SWCNT isolado 230 GHz

1microm SWCNT bundle 47 THz

Cobre 42 THz

Assim escolheu-se uma mesma frequecircncia abaixo da frequecircncia de corte dos trecircs

materiais considerados para analisar e comparar a atenuaccedilatildeo (A) e o tempo de atraso na

propagaccedilatildeo (td) dos trecircs comprimentos Isso permite verificar o comportamento do sinal na

banda passante A Tabela 42 mostra esse estudo comparativo entre o SWCNT isolado

SWCNT bundle e cobre agrave frequecircncia de 200 GHz

33

Tabela 42 Estudo das interconexotildees com comprimentos na faixa lCNT le λCNT

Freq L Material A (dB) td (ps)

SWCNT isolado -210 046

10nm SWCNT bundle 001 000

Cobre 000 000

SWCNT isolado -155 051

200 GHz 100nm SWCNT bundle 001 000

Cobre 001 000

SWCNT isolado -039 107

1microm SWCNT bundle 006 001

Cobre 000 007

A partir da anaacutelise da Tabela 42 eacute possiacutevel observar agrave frequumlecircncia de 200 GHz a

atenuaccedilatildeo do sinal e o atraso do SWCNT isolado Nessa frequumlecircncia o atraso do SWCNT

isolado eacute significativo em relaccedilatildeo ao periacuteodo do sinal que eacute 5ps jaacute que o menor atraso

(para l = 10nm) eacute aproximadamente 10 do periacuteodo do sinal de entrada No entanto para

esta mesma frequumlecircncia observa-se que a atenuaccedilatildeo e o atraso do SWCNT bundle e do

cobre satildeo insignificantes Isto indica que estes dois materiais possuem melhor

desempenho sendo favoraacuteveis para serem utilizados em interconexotildees locais

Dessa forma para analisar melhor a atenuaccedilatildeo e o tempo de atraso do SWCNT bundle e do

cobre o mesmo procedimento foi feito comparando-se somente estes dois materiais para

uma mesma frequecircncia de 1 THz A Tabela 43 mostra esse estudo comparativo entre o

SWCNT bundle e cobre

Tabela 43 Estudo das interconexotildees SWCNT bundle e cobre com comprimentos na faixa

lCNT le λCNT

Freq L Material A (dB) td (fs)

10nm SWCNT bundle 001 113

Cobre 000 022

1 THz 100nm SWCNT bundle 006 136

Cobre 001 240

1microm SWCNT bundle 145 647

Cobre -013 5623

Analisando a Tabela 43 observa-se que agrave frequumlecircncia de 1 THz a atenuaccedilatildeo do sinal e o

atraso aumentam agrave medida que o comprimento das interconexotildees aumentam A partir do

comprimento de 100nm o tempo de atraso da interconexatildeo de cobre eacute maior que o do

SWCNT bundle cujo maior valor de atraso (para l = 1microm) natildeo chega a 1 do periacuteodo do

34

sinal de entrada (1ps) Isso mostra que apesar de a banda passante do cobre ser maior o

atraso do SWCNT bundle eacute menor Dessa forma para as interconexotildees locais o SWCNT

bundle possui desempenho comparaacutevel ao do cobre [13]

Em relaccedilatildeo agrave atenuaccedilatildeo verifica-se que para alguns comprimentos este tem valor

positivo Isso ocorre principalmente quando haacute um pico no graacutefico da frequumlecircncia antes dele

comeccedilar a decair Esse pico eacute devido ao efeito ressonante provocado pela indutacircncia

quando este possui valor comparaacutevel agrave resistecircncia e agrave capacitacircncia da interconexatildeo [53]

Assim esse efeito ressonante foi observado somente nas interconexotildees locais de SWCNT

bundle e de cobre A Figura 42 ilustra o graacutefico da magnitude pela frequumlecircncia do SWCNT

isolado SWCNT bundle e cobre para o comprimento de 100nm Observa-se o efeito

ressonante nos graacuteficos do SWCNT bundle e do cobre

Figura 42 ndash Graacuteficos da magnitude das interconexotildees de SWCNT isolado (superior)

SWCNT bundle (meio) e cobre (inferior) com comprimento de 100nm

35

422 Interconexotildees intermediaacuterias

Assim como para as interconexotildees locais obteve-se a frequecircncia em -3dB (f-3dB) das

interconexotildees intermediaacuterias (lCNT gt λCNT) de forma a verificar a velocidade maacutexima que

cada interconexatildeo suporta A Figura 43 ilustra o comportamento da frequecircncia das

interconexotildees intermediaacuterias para os diferentes comprimentos Os valores das frequecircncias

de cada interconexatildeo tambeacutem podem ser visualisados na Tabela 75 do Apecircndice

Como nas interconexotildees locais agrave medida que o comprimento da interconexatildeo aumenta a

frequecircncia diminui Aleacutem disso o SWCNT bundle e o cobre possuem desempenho melhor

que o do SWCNT isolado para qualquer comprimento No entanto para interconexotildees

intermediaacuterias o SWCNT bundle possui banda passante maior que a do cobre para

qualquer comprimento

Frequecircncia X Comprimento

00

05

10

15

20

25

30

35

40

45

100 200 300 400 500

Comprimento (μm)

f -3d

B (

GH

z)

SWCNT isolado

SWCNT bundle

Cobre

Figura 43 ndash Frequumlecircncia versus comprimento das interconexotildees intermediaacuterias

As interconexotildees intermediaacuterias de 10 μm 100 μm e 500 μm de comprimento foram entatildeo

analisadas detalhadamente A Tabela 44 mostra a frequecircncia em -3dB de cada materal

para os diferentes comprimentos em anaacutelise

36

Tabela 44 Frequecircncia em -3dB de cada material para lCNT gt λCNT

Interconexatildeo

Intermediaacuteria

Comprimento (L) Material f-3dB

SWCNT isolado 26 GHz

10 microm SWCNT bundle 527 GHz

Cobre 34 GHz

SWCNT isolado 32 MHz

lCNT gt λCNT 100 microm SWCNT bundle 42 GHz

Cobre 345 MHz

SWCNT isolado 13 MHz

500 microm SWCNT bundle 165 MHz

Cobre 14 MHz

Escolheu-se a frequecircncia de 1 MHz que estaacute abaixo da frequecircncia de corte dos trecircs

materiais considerados para analisar e comparar a atenuaccedilatildeo (A) e o tempo de atraso na

propagaccedilatildeo (td) dos trecircs comprimentos A Tabela 45 mostra esse estudo comparativo entre

o SWCNT isolado SWCNT bundle e cobre

Tabela 45 Estudo das interconexotildees com comprimentos na faixa lCNT gt λCNT

Freq L Material A (dB) td (ns)

SWCNT isolado -002 008

10 microm SWCNT bundle 000 000

Cobre 000 000

SWCNT isolado -003 559

1 MHz 100 microm SWCNT bundle -001 005

Cobre -004 056

SWCNT isolado -198 10217

500 microm SWCNT bundle 000 110

Cobre -003 1301

Com base na Tabela 45 observa-se que a atenuaccedilatildeo e o tempo de atraso do SWCNT

isolado aumentam com o aumento do comprimento da interconexatildeo Nessa frequumlecircncia o

atraso na propagaccedilatildeo do SWCNT isolado eacute significativo em relaccedilatildeo ao periacuteodo do sinal de

entrada que eacute 1micros chegando a mais de 10 deste periacuteodo para o comprimento de 500microm

Verifica-se tambeacutem o aumento do tempo de atraso da interconexatildeo de cobre sendo 13

do periacuteodo do sinal de entrada para o comprimento de 500microm

Para analisar melhor a atenuaccedilatildeo e o tempo de atraso do SWCNT bundle e do cobre o

mesmo procedimento foi feito comparando-se somente estes dois materiais para uma

37

mesma frequecircncia de 10 MHz A Tabela 46 mostra esse estudo comparativo entre o

SWCNT bundle e cobre

Tabela 46 Estudo das interconexotildees SWCNT bundle e cobre com comprimentos na faixa

lCNT gt λCNT

Freq L Material A (dB) td (ns)

10 microm SWCNT bundle 000 000

Cobre 000 000

10 MHz 100 microm SWCNT bundle -001 005

Cobre -004 054

500 microm SWCNT bundle -004 107

Cobre -185 1024

Analisando a Tabela 46 observa-se que agrave medida que o comprimento das interconexotildees

aumenta a atenuaccedilatildeo e o atraso do sinal da interconexatildeo de cobre tornam-se significativos

O atraso na propagaccedilatildeo da interconexatildeo de cobre para l = 500microm chega a 10 do periacuteodo

do sinal de entrada (100ns) Jaacute o SWCNT bundle apresenta valores insignificantes de

atenuaccedilatildeo e atraso na propagaccedilatildeo Assim para as interconexotildees intermediaacuterias o SWCNT

bundle possui desempenho superior ao do cobre

43 SIMULACcedilAtildeO DO INVERSOR MONO-ELEacuteTRON

O modelo SPICE do SET proposto por G Lientschnig et al [444] foi simulado no

LTSPICE A partir da equaccedilatildeo (226) foi possiacutevel aumentar a temperatura do SET ateacute

chegar a 300K Assim o esquemaacutetico do SET e os valores de seus paracircmetros para que o

SET opere a 300K estatildeo na Figura 44 No anexo deste trabalho (subseccedilatildeo 81) encontra-

se o coacutedigo SET que foi utilizado [44] Os paracircmetros R1 C1 e R2 C2 correspondem agraves

resistecircncias e capacitacircncias das junccedilotildees-tuacutenel Cg eacute a capacitacircncia de porta (Cg1 no coacutedigo

SET) Vg eacute a tensatildeo de porta e V eacute a tensatildeo de entrada

Figura 44 Esquemaacutetico do SET e os valores de seus paracircmetros

38

A partir destes valores o inversor mono-eleacutetron foi construiacutedo colocando-se dois SETs em

seacuterie os quais compartilham da mesma entrada A Figura 45 ilustra o esquemaacutetico do

inversor mono-eleacutetron juntamente com os valores de seus paracircmetros fixos em que Vin eacute a

tensatildeo de entrada Vout eacute a tensatildeo de saiacuteda Vbias eacute a tensatildeo de polarizaccedilatildeo Cc eacute a

capacitacircncia de carga Cg1 e Cg2 satildeo as capacitacircncias de porta do SET 1 e do SET 2

respectivamente

Figura 45 Esquemaacutetico do inversor mono-eleacutetron e os valores de seus paracircmetros

(modificado de [4])

Assim apoacutes simular o inversor mono-eleacutetron a 300K obteve-se o sinal de saiacuteda mostrado

na Figura 46 Como o inversor estaacute invertendo o sinal de entrada de valor loacutegico baixo em

um sinal de saiacuteda de valor loacutegico alto ele estaacute operando corretamente

Figura 46 Curva do sinal de entrada (em verde) e do sinal de saiacuteda (em preto) do inversor

mono-eleacutetron

39

44 ANAacuteLISE DAS INTERCONEXOtildeES NO H-TREE CLOCK MONO-ELEacuteTRON

Nesta seccedilatildeo a rede H-tree clock de dois niacuteveis foi simulada com portas inversoras mono-

eleacutetron nos pontos de destino final da rede permitindo a anaacutelise de circuitos

nanoeletrocircnicos Simulou-se a rede H-tree considerando interconexotildees ideais para as

frequecircncias de 10 GHz e 100 GHz no sinal de entrada Em seguida para as mesmas duas

frequecircncias considerou-se interconexotildees natildeo-ideais de diferentes comprimentos

analisando a rede com os modelos de interconexatildeo SWCNT bundle e cobre Trecircs redes

com comprimentos de interconexotildees diferentes foram analisadas

l = 100 nm l2 = 50 nm

l = 400 nm l2 = 200 nm

l = 1 μm l2 = 500 nm

441 Anaacutelise da rede com interconexotildees ideais

A partir da simulaccedilatildeo do H-tree clock a frequecircncia em -3dB (f-3dB) da rede com

interconexotildees ideais foi obtida Na saiacuteda de cada porta inversora a banda passante do sinal

eacute 3200 GHz Dessa forma duas frequecircncias abaixo de 3200 GHz foram escolhidas para

analisar o sinal de saiacuteda da inversora em condiccedilotildees ideais As frequecircncias de 10 GHz e

100 GHz seratildeo analisadas obtendo-se as seguintes caracteriacutesticas do sinal de saiacuteda da

inversora niacutevel loacutegico baixo (NB) niacutevel loacutegico alto (NA) tempo de subida (tr) slew rate

de subida (SR) atenuaccedilatildeo (A) e tempo de atraso (td) A Tabela 47 mostra os valores

obtidos para as duas frequecircncias em anaacutelise

Tabela 47 Caracteriacutesticas dos sinais de saiacuteda da rede para interconexotildees ideais

Freq NB(mV) NA(mV) tr (ps) SR(Vns) A(dB) td (ps)

10 GHz 675 4518 356 8636 -264 412

100 GHz 678 4279 317 9088 -269 189

Os caacutelculos da potecircncia estaacutetica ( IVP DDE ) potecircncia dinacircmica ( CVfP DDD 2 ) e

potecircncia total ( DE PPP ) dissipada por cada porta inversora foram realizados bem

como o produto atraso-potecircncia (DP) Assim a Tabela 48 mostra os valores obtidos no

40

caacutelculo destes paracircmetros Como a potecircncia estaacutetica independe da frequecircncia do sinal de

entrada o seu valor eacute o mesmo nos dois casos

Tabela 48 Potecircncia dissipada por cada porta inversora para interconexotildees ideais

Frequecircncia PE (nW) PD (nW) P (nW) DP (10-18

Wmiddots)

10 GHz 4838 125 4963 020

100 GHz 4838 125 6088 012

As Tabelas 47 e 48 serviratildeo de referecircncia para as anaacutelises da rede com interconexotildees natildeo-

ideais analisadas na subseccedilatildeo seguinte As Figuras 47 e 48 ilustram o sinal de saiacuteda das

redes com frequecircncias de 10 GHz e de 100 GHz respectivamente Eacute possiacutevel observar que

na frequecircncia de 100 GHz o sinal de saiacuteda jaacute eacute distorcido em relaccedilatildeo ao sinal de referecircncia

(Figura 46)

Figura 47 Sinal de entrada (em verde) e sinal de saiacuteda (em preto) da rede a 10 GHz

Figura 48 Sinal de entrada (em verde) e sinal de saiacuteda (em preto) da rede a 100 GHz

41

442 Anaacutelise da rede com interconexotildees natildeo-ideais

Apoacutes obter as caracteriacutesticas da rede H-tree clock com interconexotildees ideais a anaacutelise da

rede com interconexotildees natildeo-ideais seraacute feita Primeiramente eacute importante verificar a

frequecircncia em -3dB do sinal depois das interconexotildees ou seja na entrada da porta

inversora Caso essa frequecircncia seja menor que a frequecircncia de 3200 GHz obtida com

interconexotildees ideais entatildeo a interconexatildeo afetaraacute o comportamento da rede A Tabela 49

mostra a frequecircncia em -3dB na entrada da inversora para interconexotildees natildeo-ideais

Tabela 49 Frequecircncia em -3dB na entrada da inversora para interconexotildees natildeo-ideais

Comprimentos (l2 l) Material f-3dB

50nm 100nm SWCNT bundle 122 THz

Cobre 175 THz

200nm 400nm SWCNT bundle 31 THz

Cobre 8606 GHz

500nm 1microm SWCNT bundle 12 THz

Cobre 1268 GHz

Assim verifica-se que a interconexatildeo de cobre da rede 500nm1microm possui frequecircncia em

-3dB abaixo da frequecircncia do circuito com interconexatildeo ideal (3200 GHz) Isso indica que

esta interconexatildeo interfere significativamente no comportamento da rede A Tabela 49

mostra tambeacutem que a banda passante da interconexatildeo de cobre soacute eacute maior que a da

interconexatildeo de SWCNT bundle no primeiro caso na rede de 50nm100nm o que mostra

uma vantagem do SWCNT bundle em relaccedilatildeo ao cobre A partir dessas informaccedilotildees a

rede H-tree clock com interconexotildees natildeo-ideais seraacute analisada detalhadamente

4421 Anaacutelise da rede a 10 GHz

As redes com interconexotildees natildeo-ideais seratildeo analisadas na frequecircncia de 10 GHz para

diferentes comprimentos Primeiramente o niacutevel loacutegico baixo (NB) o niacutevel loacutegico alto

(NA) o tempo de subida (tr) e o slew rate de subida (SR) foram obtidos conforme mostra a

Tabela 410 Com base nessa tabela verifica-se que na frequecircncia de 10 GHz essas

caracteriacutesticas natildeo foram modificadas pelas interconexotildees natildeo-ideais independentemente

do comprimento Os valores dos paracircmetros satildeo iguais aos obtidos na rede com

interconexatildeo ideal conforme Tabela 47 O sinal obtido na saiacuteda de cada inversor eacute igual

ao ilustrado na Figura 47

42

Tabela 410 Niacuteveis loacutegicos tempo de subida e slew rate dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 10 GHz

Freq L (l2l) Material NB(mV) NA(mV) tr(ps) SR(Vns)

10

GHz

50nm

100nm

SWCNT bundle 675 4518 356 8636

Cobre 675 4518 356 8636

200nm

400nm

SWCNT bundle 675 4518 356 8636

Cobre 675 4518 356 8636

500nm

1microm

SWCNT bundle 675 4518 356 8636

Cobre 675 4518 356 8636

A Tabela 411 mostra a atenuaccedilatildeo tempo de atraso potecircncia total dissipada e o produto

atraso-potecircncia obtidos a frequecircncia de 10 GHz para interconexotildees natildeo-ideais Observa-se

que a atenuaccedilatildeo do sinal e a potecircncia total dissipada por cada porta inversora permanecem

os mesmos em relaccedilatildeo agrave interconexatildeo ideal mostrando que a essa frequecircncia as

interconexotildees natildeo-ideais natildeo interferem nestes paracircmetros

Jaacute o atraso na propagaccedilatildeo do sinal no caso do cobre aumenta agrave medida que as

interconexotildees aumentam de comprimento aumentando tambeacutem o produto atraso-potecircncia

Esse atraso chega a 66 do periacuteodo do sinal de entrada para a interconexatildeo 500nm1microm

de cobre No entanto estes paracircmetros natildeo satildeo afetados pelas interconexotildees de SWCNT

bundle indicando que este material se sobressai em relaccedilatildeo ao cobre

Tabela 411 Atenuaccedilatildeo atraso potecircncia e produto atraso-potecircncia dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 10 GHz

Freq L (l2l) Material A (dB) td (ps) P (nW) DP(10-18

Wmiddots)

10

GHz

50nm

100nm

SWCNT bundle -264 412 4963 020

Cobre -264 412 4963 020

200nm

400nm

SWCNT bundle -264 412 4963 020

Cobre -264 438 4963 022

500nm

1microm

SWCNT bundle -264 412 4963 020

Cobre -264 659 4963 033

4422 Anaacutelise da rede a 100 GHz

As redes com interconexotildees natildeo-ideais seratildeo analisadas na frequecircncia de 100 GHz para

diferentes comprimentos O niacutevel loacutegico baixo (NB) o niacutevel loacutegico alto (NA) o tempo de

subida (tr) e o slew rate de subida (SR) foram obtidos conforme mostra a Tabela 412 Jaacute a

43

Tabela 413 mostra a atenuaccedilatildeo tempo de atraso potecircncia total dissipada e o produto

atraso-potecircncia obtidos a frequecircncia de 100 GHz para interconexotildees natildeo-ideais

Tabela 412 Niacuteveis loacutegicos tempo de subida e slew rate dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 100 GHz

Freq L (l2l) Material NB(mV) NA(mV) tr(ps) SR(Vns)

100

GHz

50nm

100nm

SWCNT bundle 678 4272 316 9099

Cobre 675 4277 323 9107

200nm

400nm

SWCNT bundle 678 4299 315 9196

Cobre 677 4089 289 9447

500nm

1microm

SWCNT bundle 678 4418 300 9973

Cobre 635 1766 102 6795

Tabela 413 Atenuaccedilatildeo atraso potecircncia e produto atraso-potecircncia dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 100 GHz

Freq L (l2l) Material A (dB) td (ps) P (nW) DP(10-18

Wmiddots)

100

GHz

50nm

100nm

SWCNT bundle -2703 189 6088 012

Cobre -2685 191 6088 012

200nm

400nm

SWCNT bundle -2693 188 6088 012

Cobre -2698 228 6088 014

500nm

1microm

SWCNT bundle -2673 174 6088 011

Cobre -2893 388 6088 024

A partir das Tabelas 412 e 413 o SWCNT bundle seraacute analisado Observa-se que os seus

niacuteveis loacutegicos altos aumentam com o aumento do comprimento das interconexotildees

aumentando tambeacutem o slew rate de subida Esse comportamento ocorre provavelmente

devido ao efeito ressonante provocado pela indutacircncia que provoca um pico no graacutefico da

frequumlecircncia antes dele comeccedilar a decair conforme explicado na subseccedilatildeo 421 Isso implica

na diminuiccedilatildeo da atenuaccedilatildeo do sinal e do atraso No entanto o produto atraso-potecircncia

permanece praticamente invariaacutevel jaacute que a potecircncia total dissipada natildeo se altera

Em relaccedilatildeo agraves interconexotildees de cobre verifica-se que as distorccedilotildees satildeo significativas Agrave

medida que o comprimento aumenta a atenuaccedilatildeo do sinal de saiacuteda aumenta Isso provoca

diminuiccedilatildeo no slew rate do sinal o que natildeo eacute desejado jaacute que o sinal demora mais para

atingir o niacutevel loacutegico alto Aleacutem disso o atraso na propagaccedilatildeo do sinal aumenta bastante

chegando a 388 do periacuteodo do sinal de entrada para a interconexatildeo 500nm1microm

Consequentemente o produto atraso-potecircncia tambeacutem aumenta sendo o dobro do valor de

44

referecircncia (interconexotildees ideais) A Figura 49 ilustra o sinal de saiacuteda da interconexatildeo

500nm1microm de cobre

Figura 49 Sinal de entrada (em verde) e sinal de saiacuteda (em preto) da rede a 100 GHz para

a interconexatildeo 500nm1microm de cobre

Comparando-se as potecircncias das tabelas 47 48 411 413 verifica-se que natildeo haacute

alteraccedilatildeo na potecircncia total dissipada pelo circuito com interconexotildees ideais e pelos

circuitos com interconexotildees natildeo-ideais para uma mesma frequecircncia Assim eacute importante

destacar que a dissipaccedilatildeo de potecircncia das interconexotildees de SWCNT bundle e de cobre natildeo

interfere na potecircncia total dissipada pelo circuito

443 Consideraccedilotildees Finais

Apoacutes analisar as interconexotildees locais de SWCNT de SWCNT bundle e de cobre

verificou-se que as interconexotildees de SWCNT bundle possuem desempenho comparaacutevel ao

das interconexotildees de cobre Em relaccedilatildeo agraves interconexotildees intermediaacuterias as de SWCNT

bundle apresentam desempenho superior agraves de cobre Jaacute as interconexotildees de SWCNT

isolado tanto para interconexotildees locais como para interconexotildees intermediaacuterias

apresentam desempenho inferior agraves interconexotildees de SWCNT bundle e de cobre natildeo

sendo propiacutecias a serem utilizadas em interconexotildees de circuitos integrados

Na anaacutelise das interconexotildees natildeo-ideais na rede H-tree clock mono-eleacutetron para a

frequecircncia de 10GHz observou-se que o niacutevel loacutegico baixo o niacutevel loacutegico alto o tempo de

subida o slew rate de subida a atenuaccedilatildeo do sinal e a potecircncia total dissipada por cada

porta inversora permanecem os mesmos em relaccedilatildeo agrave interconexatildeo ideal mostrando que

45

para esta frequecircncia as interconexotildees natildeo-ideais natildeo interferem nestes paracircmetros Jaacute o

atraso na propagaccedilatildeo do sinal no caso do cobre aumenta agrave medida que as interconexotildees

aumentam de comprimento aumentando tambeacutem o produto atraso-potecircncia No entanto

estes paracircmetros natildeo satildeo afetados pelas interconexotildees de SWCNT bundle indicando que

este material se sobressai em relaccedilatildeo ao cobre

Jaacute para a rede H-tree clock mono-eleacutetron a 100GHz observou-se que o circuito com

interconexotildees natildeo-ideais afetou bastante os paracircmetros em anaacutelise se comparados aos

obtidos para interconexotildees ideais Verificou-se que as distorccedilotildees provocadas pelas

interconexotildees de cobre foram significativas indicando que as interconexotildees de SWCNT

bundle possuem melhor desempenho que as de cobre

Assim constata-se que as interconexotildees de SWCNT bundle satildeo fortes candidatas a

substituirem as interconexotildees de cobre em circuitos em escala giga (GSI) e tera (TSI)

46

5 CONCLUSOtildeES

Nesta dissertaccedilatildeo o estudo das interconexotildees de SWCNT de SWCNT bundle e de cobre

foi realizado analisando e comparando os seus desempenhos para diferentes

comprimentos A partir desse estudo verificou-se que as interconexotildees de SWCNT bundle

possui desempenho comparaacutevel ao das interconexotildees de cobre no caso de interconexotildees

locais Em relaccedilatildeo agraves interconexotildees intermediaacuterias as de SWCNT bundle apresentam

desempenho superior agraves de cobre

As interconexotildees de SWCNT bundle e as interconexotildees de cobre foram entatildeo simuladas na

rede H-tree clock de dois niacuteveis para diferentes comprimentos e frequecircncias Nos pontos

de destino final da rede foram colocadas portas inversoras formadas por SETs permitindo

a anaacutelise de circuitos nanoeletrocircnicos

A partir da anaacutelise da rede H-tree clock observou-se que as interconexotildees de SWCNT

bundle possuem desempenho melhor que as de cobre principalmente em relaccedilatildeo ao slew

rate agrave atenuaccedilatildeo ao tempo de atraso e ao produto atraso-potecircncia Aleacutem disso a

dissipaccedilatildeo de potecircncia das interconexotildees natildeo-ideais natildeo interferem na potecircncia total

dissipada pelo circuito Assim as interconexotildees de SWCNT bundle satildeo fortes candidatas a

substituirem as interconexotildees de cobre em circuitos em escala giga (GSI) e tera (TSI)

Como perspectivas futuras eacute importante analisar o efeito das interconexotildees de nanotubo de

carbono em circuitos GSI e TSI com outras arquiteturas A anaacutelise das interconexotildees de

CNT tambeacutem deve ser feita em circuitos com tecnologia MOS permitindo a comparaccedilatildeo

entre diferentes tecnologias Aleacutem disso eacute interessante estudar outros tipos de materiais

que possam ser utilizados como interconexotildees em circuitos integrados

47

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53

7 APEcircNDICES

71 TABELAS COMPLEMENTARES

Tabela 71 Paracircmetros obtidos a partir do modelo de SWCNT isolado

L RQ (Ω) RS (Ω) LCNT (10-9

H) CCNT (10-18

F)

10 nm 645103 - 40010

-2 27910

-1

100 nm 645103 - 40010

-1 279

200 nm 645103 - 80010

-1 558

300 nm 645103 - 120 837

400 nm 645103 - 160 11210

1

500 nm 645103 - 200 14010

1

600 nm 645103 - 240 16710

1

700 nm 645103 - 280 19510

1

800 nm 645103 - 320 22310

1

900 nm 645103 - 360 25110

1

1 microm 645103 - 400 27910

1

10 microm 645103 64510

4 40010

1 27910

2

100 microm 645103 64510

5 40010

2 27910

3

200 microm 645103 12910

6 80010

2 55810

3

300 microm 645103 19410

6 12010

3 83710

3

400 microm

645103 25810

6 16010

3 11210

4

500 microm

645103 32310

6 20010

3 14010

4

Tabela 72 Paracircmetros obtidos a partir do modelo de SWCNT bundle

L RQ (Ω) RS (Ω) LBundle(10-9

H) CBundle(10-18

F)

10 nm 1075 - 66710-5

135

100 nm 1075 - 66710-4

135101

200 nm 1075 - 13310-3

270101

300 nm 1075 - 20010-3

405101

400 nm 1075 - 26710-3

540101

500 nm 1075 - 33310-3

675101

600 nm 1075 - 40010-3

810101

700 nm 1075 - 46710-3

945101

800 nm 1075 - 53310-3

108102

900 nm 1075 - 60010-3

122102

1 microm 1075 - 66710-3

135102

10 microm 1075 108102 66710

-2 13510

3

100 microm 1075 108103 66710

-1 13510

4

200 microm 1075 215103 133 27010

4

300 microm 1075 323103 200 40510

4

400 microm

1075 430103 267 54010

4

500 microm

1075 538103 333 67510

4

54

Tabela 73 Paracircmetros obtidos a partir do modelo de cobre

L RCu (Ω) LCu (10-9

H) CCu (10-18

F)

10 nm 06 37310-6

150

100 nm 60 63610-5

150101

200 nm 120 17510-4

300101

300 nm 180 30910-4

450101

400 nm 240 45410-4

600101

500 nm 300 61110-4

750101

600 nm 360 77510-4

900101

700 nm 420 94610-4

105102

800 nm 480 11210-3

120102

900 nm 540 13110-3

135102

1 microm 600 14910-3

150102

10 microm 60102 24010

-2 15010

3

100 microm 60103 33210

-1 15010

4

200 microm 12104 72010

-1 30010

4

300 microm 18104 113 45010

4

400 microm

24104 155 60010

4

500 microm

30104 198 75010

4

55

Tabela 74 Frequecircncia em -3dB das interconexotildees locais

Comprimento Material f-3dB

10 nm SWCNT isolado 253 GHz

SWCNT bundle 66 THz

Cobre 232 THz

100 nm SWCNT isolado 300 GHz

SWCNT bundle 20 THz

Cobre 51 THz

200 nm SWCNT isolado 342 GHz

SWCNT bundle 14 THz

Cobre 29 THz

300 nm SWCNT isolado 344 GHz

SWCNT bundle 11 THz

Cobre 20 THz

400 nm SWCNT isolado 329 GHz

SWCNT bundle 89 THz

Cobre 15 THz

500 nm SWCNT isolado 307 GHz

SWCNT bundle 76 THz

Cobre 12 THz

600 nm SWCNT isolado 288 GHz

SWCNT bundle 67 THz

Cobre 94 THz

700 nm SWCNT isolado 271 GHz

SWCNT bundle 61 THz

Cobre 76 THz

800 nm SWCNT isolado 255 GHz

SWCNT bundle 55 THz

Cobre 63 THz

900 nm SWCNT isolado 240 GHz

SWCNT bundle 51 THz

Cobre 52 THz

1 microm SWCNT isolado 230 GHz

SWCNT bundle 47 THz

Cobre 42 THz

56

Tabela 75 Frequecircncia em -3dB das interconexotildees intermediaacuterias

Comprimento Material f-3dB

10 microm SWCNT isolado 26 GHz

SWCNT bundle 527 GHz

Cobre 34 GHz

100 microm SWCNT isolado 32 MHz

SWCNT bundle 42 GHz

Cobre 345 MHz

200 microm SWCNT isolado 82 MHz

SWCNT bundle 10 GHz

Cobre 87 MHz

300 microm SWCNT isolado 36 MHz

SWCNT bundle 455 MHz

Cobre 38 MHz

400 microm SWCNT isolado 21 MHz

SWCNT bundle 256 MHz

Cobre 21 MHz

500 microm SWCNT isolado 13 MHz

SWCNT bundle 165 MHz

Cobre 14 MHz

57

8 ANEXOS

81 COacuteDIGO SPICE DO SET [44]

Transistor mono-eleacutetron (SET) conexotildees fonte | dreno | | porta1 | | | porta2 | | | | SUBCKT SET 1 2 3 4 PARAMS +C1=1E-20 Capacitacircncia da junccedilatildeo 1 +C2=1E-20 Capacitacircncia da junccedilatildeo 2 +R1=1E5 Resistecircncia da junccedilatildeo 1 +R2=1E5 Resistecircncia da junccedilatildeo 2 +Cg1=015E-18 Capacitacircncia da junccedilatildeo 1 +Cg2=0 Capacitacircncia da junccedilatildeo 2 +C0=0 Capacitacircncia proacutepria da ilha +Q0=005 Carga offset em unidades de e +TEMP=300 Temperatura PARAM E=160217733E-19 Carga do eleacutetron (e) PARAM CSUM=C1+C2+Cg1+Cg2+C0 Capacitacircncia total do SET PARAM T=TEMPCSUM53785467E14 Temperatura normalizada 53785467E14 = kBe^2 PARAM RN1=R1(R1+R2) Resistecircncia da junccedilatildeo 1 normalizada PARAM RN2=R2(R1+R2) Resistecircncia da junccedilatildeo 2 normalizada FUNC Q(v1v2v3v4) (Cg1v3+Cg2v4+C1v1+C2v2)E+Q0 Definiccedilatildeo da carga em unidades de e FUNC VN(v) CSUMvE Tensatildeo normalizada FUNC GAMMA(u) IF(T==0IF(ult0-u0)IF(u==0Tu(EXP(uT)-1))) FUNC N_OPT(v1v2v3v4) ROUND(-Q(v1v2v3v4)+(CSUME) (v1RN2+v2RN1)) A maior probabilidade de carga na ilha em unidades de e Os quarto eventos tuacuteneis FUNC R1L(nv1v2v3v4) GAMMA(05 - n - Q(v1v2v3v4) + VN(v1))RN1 FUNC R1R(nv1v2v3v4) GAMMA(05 + n + Q(v1v2v3v4) - VN(v1))RN1 FUNC R2L(nv1v2v3v4) GAMMA(05 + n + Q(v1v2v3v4) - VN(v2))RN2 FUNC R2R(nv1v2v3v4) GAMMA(05 - n - Q(v1v2v3v4) + VN(v2))RN2

58

determinaccedilatildeo das probabilidades relativas assume-se inicialmente que o estado da carga N_OPT tem probabilidade relativa igual a um FUNC PN_1(nv1v2v3v4) (R1L(nv1v2v3v4)+R2R(nv1v2v3v4))(R1R(n-1v1v2v3v4)+R2L(n-1v1v2v3v4)) FUNC PN_2(nv1v2v3v4) PN_1(nv1v2v3v4) +(R1L(n-1v1v2v3v4)+R2R(n-1v1v2v3v4))(R1R(n-2v1v2v3v4)+R2L(n-2v1v2v3v4)) FUNC PN_3(nv1v2v3v4) PN_2(nv1v2v3v4) +(R1L(n-2v1v2v3v4)+R2R(n-2v1v2v3v4))(R1R(n-3v1v2v3v4)+R2L(n-3v1v2v3v4)) FUNC PN_4(nv1v2v3v4) PN_3(nv1v2v3v4) +(R1L(n-3v1v2v3v4)+R2R(n-3v1v2v3v4))(R1R(n-4v1v2v3v4)+R2L(n-4v1v2v3v4)) FUNC PN_5(nv1v2v3v4) PN_4(nv1v2v3v4) +(R1L(n-4v1v2v3v4)+R2R(n-4v1v2v3v4))(R1R(n-5v1v2v3v4)+R2L(n-5v1v2v3v4)) FUNC PN1(nv1v2v3v4) (R2L(nv1v2v3v4) +R1R(nv1v2v3v4))(R2R(n+1v1v2v3v4)+R1L(n+1v1v2v3v4)) FUNC PN2(nv1v2v3v4) PN1(nv1v2v3v4) +(R2L(n+1v1v2v3v4)+R1R(n+1v1v2v3v4))(R2R(n+2v1v2v3v4)+R1L(n+2v1v2v3v4)) FUNC PN3(nv1v2v3v4) PN2(nv1v2v3v4) +(R2L(n+2v1v2v3v4)+R1R(n+2v1v2v3v4))(R2R(n+3v1v2v3v4)+R1L(n+3v1v2v3v4)) FUNC PN4(nv1v2v3v4) PN3(nv1v2v3v4) +(R2L(n+3v1v2v3v4)+R1R(n+3v1v2v3v4))(R2R(n+4v1v2v3v4)+R1L(n+4v1v2v3v4)) FUNC PN5(nv1v2v3v4) PN4(nv1v2v3v4) +(R2L(n+4v1v2v3v4)+R1R(n+4v1v2v3v4))(R2R(n+5v1v2v3v4)+R1L(n+5v1v2v3v4)) FUNC PSUM(nv1v2v3v4) PN_5(nv1v2v3v4)+PN_4(nv1v2v3v4)+PN_3(nv1v2v3v4)+PN_2(nv1v2v3v4) ++PN_1(nv1v2v3v4)+1+PN1(nv1v2v3v4)+PN2(nv1v2v3v4)+PN3(nv1v2v3v4) ++PN4(nv1v2v3v4)+PN5(nv1v2v3v4)

59

caacutelculo da corrente da fonte para o dreno FUNC CUR(nv1v2v3v4) PN_5(nv1v2v3v4)(R1R(n-5v1v2v3v4)-R1L(n-5v1v2v3v4)) ++PN_4(nv1v2v3v4)(R1R(n-4v1v2v3v4)-R1L(n-4v1v2v3v4)) ++PN_3(nv1v2v3v4)(R1R(n-3v1v2v3v4)-R1L(n-3v1v2v3v4)) ++PN_2(nv1v2v3v4)(R1R(n-2v1v2v3v4)-R1L(n-2v1v2v3v4)) ++PN_1(nv1v2v3v4)(R1R(n-1v1v2v3v4)-R1L(n-1v1v2v3v4)) ++(R1R(nv1v2v3v4)-R1L(nv1v2v3v4)) ++PN1(nv1v2v3v4)(R1R(n+1v1v2v3v4)-R1L(n+1v1v2v3v4)) ++PN2(nv1v2v3v4)(R1R(n+2v1v2v3v4)-R1L(n+2v1v2v3v4)) ++PN3(nv1v2v3v4)(R1R(n+3v1v2v3v4)-R1L(n+3v1v2v3v4)) ++PN4(nv1v2v3v4)(R1R(n+4v1v2v3v4)-R1L(n+4v1v2v3v4)) ++PN5(nv1v2v3v4)(R1R(n+5v1v2v3v4)-R1L(n+5v1v2v3v4)) FUNC CURRENT(nv1v2v3v4) ECUR(nv1v2v3v4)(CSUMPSUM(nv1v2v3v4)(R1+R2)) caacutelculo da tensatildeo da ilha FUNC VOLT(nv1v2v3v4) PN_5(nv1v2v3v4)(n-5+Q(v1v2v3v4)) ++PN_4(nv1v2v3v4)(n-4+Q(v1v2v3v4)) ++PN_3(nv1v2v3v4)(n-3+Q(v1v2v3v4)) ++PN_2(nv1v2v3v4)(n-2+Q(v1v2v3v4)) ++PN_1(nv1v2v3v4)(n-1+Q(v1v2v3v4)) ++n+Q(v1v2v3v4) ++PN1(nv1v2v3v4)(n+1+Q(v1v2v3v4)) ++PN2(nv1v2v3v4)(n+2+Q(v1v2v3v4)) ++PN3(nv1v2v3v4)(n+3+Q(v1v2v3v4)) ++PN4(nv1v2v3v4)(n+4+Q(v1v2v3v4)) ++PN5(nv1v2v3v4)(n+5+Q(v1v2v3v4)) FUNC VOLTAGE(nv1v2v3v4) (ECSUM)VOLT(nv1v2v3v4)PSUM(nv1v2v3v4) E1 5 0 VALUE= VOLTAGE(N_OPT(V(1)V(2)V(3)V(4))V(1)V(2)V(3)V(4)) Tensatildeo da ilha G1 1 2 VALUE= CURRENT(N_OPT(V(1)V(2)V(3)V(4))V(1)V(2)V(3)V(4)) Corrente da fonte para o dreno CT1 1 5 C1 CT2 2 5 C2 CGATE1 3 5 CG1 CGATE2 4 5 CG2 ENDS SET

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5

Figura 23 ndash Estrutura do (i) armchair (ii) zig-zag e (iii) quiral [24]

De acordo com [22] o crescimento dos CNTs geralmente eacute realizado atraveacutes de um dos

seguintes meacutetodos descarga por arco eleacutetrico ablaccedilatildeo a laser e deposiccedilatildeo quiacutemica a vapor

do inglecircs chemical vapor deposition ndash CVD O processo de descarga por arco eleacutetrico tem

sido desenvolvido para preparar MWCNTs e SWCNTs de alta qualidade Neste processo

aacutetomos de carbono satildeo evaporados com um gaacutes de plasma inerte caracterizado por altas

correntes eleacutetricas que passam entre os eletrodos opostos de carbono (caacutetodo e acircnodo)

Normalmente o acircnodo do carbono conteacutem uma pequena porcentagem de catalisador de

metal como o cobalto niacutequel ou ferro Jaacute o meacutetodo de ablaccedilatildeo a laser utiliza um pulso

duplo de lasers para evaporar varetas de grafite dopadas com uma mistura de cobalto e

niacutequel em poacute colocado em um tubo aquecido a temperatura elevada seguido de um

tratamento teacutermico a vaacutecuo

Apesar dos meacutetodos de descarga por arco eleacutetrico e ablaccedilatildeo a laser produzir grandes

quantidades de CNTs de alta qualidade e oferecer uma ampla disponibilidade de CNTs

para estudos e possiacuteveis aplicaccedilotildees existem vaacuterias preocupaccedilotildees associadas com estes dois

meacutetodos de crescimento [22] Dessa forma os meacutetodos de CVD satildeo bastante usados no

crescimento de CNTs com aplicaccedilatildeo em eletrocircnica incluindo interconexotildees [1322] O

processo de crescimento CVD envolve o aquecimento do catalisador a uma temperatura

elevada e a introduccedilatildeo de gaacutes de hidrocarboneto ou de monoacutexido de carbono para dentro

6

do reator O mecanismo de crescimento do CNT tem sido considerado como um processo

de dissociaccedilatildeo-difusatildeo-precipitaccedilatildeo em que o carbono eacute formado sobre a superfiacutecie de

uma partiacutecula de metal seguida de difusatildeo e precipitaccedilatildeo sob a forma de grafeno ciliacutendrico

[22]

213 Modelos de Interconexatildeo

Para realizar uma comparaccedilatildeo por simulaccedilatildeo entre o desempenho do CNT e do cobre

modelos equivalentes de circuito de interconexotildees que reproduzam com fidelidade o seu

comportamento fiacutesico satildeo necessaacuterios Com esse intuito eacute fundamental que os fatores que

interferem no desempenho das interconexotildees como resistecircncia indutacircncia capacitacircncia e

comprimento sejam considerados A partir do estudo desses modelos eacute possiacutevel verificar

se as interconexotildees de CNT poderatildeo substituir as de cobre e os casos em que isso eacute

possiacutevel

2131 Modelo de interconexatildeo do SWCNT isolado

A resistecircncia de um SWCNT isolado eacute composta por ateacute trecircs partes resistecircncia de contato

entre o metal e o nanotubo (Rc) resistecircncia quacircntica (Rq) e resistecircncia de espalhamento

(Rs) [192325] As resistecircncias de contato e quacircntica satildeo independentes do comprimento

do nanotubo Jaacute a resistecircncia de espalhamento depende do comprimento do nanotubo [26-

31]

Quando o comprimento do SWCNT eacute menor ou igual ao caminho meacutedio livre (lCNT le

λCNT) que eacute tipicamente 1 microm o transporte de eleacutetrons eacute essencialmente baliacutestico e a

resistecircncia independe do comprimento do nanotubo [1332] No entanto quando o

comprimento do SWCNT eacute maior que o caminho meacutedio livre (lCNT gt λCNT) haacute uma

resistecircncia adicional que depende do comprimento do SWCNT e eacute chamada de resistecircncia

de espalhamento [13-15] Assim a resistecircncia total eacute dada pela equaccedilatildeo (21) em que lCNT

eacute o comprimento do nanotubo de carbono

CNTCNT

CNTCNT

CNTlseRsRqRc

lseRqRcR

(21)

7

A resistecircncia de contato pode chegar ao valor de 100 kΩ [131533] Contudo essa

resistecircncia em nanotubos de carbono com diacircmetro maior que 1nm estaacute na ordem de

poucos kilo ohms ou ateacute mesmo centenas de ohms [1316] Neste trabalho considerou-se o

contato metal-nanotubo como sendo perfeito ou seja Rc = 0

A resistecircncia quacircntica e a de espalhamento satildeo descritas pelas equaccedilotildees (22) e (23)

respectivamente onde e eacute a carga do eleacutetron e h eacute a constante de Plank A resistecircncia

quacircntica (Rq) eacute igualmente dividida em cada lado dos contatos metal-nanotubo [13-

173435]

ke

hRq 456

4 2 (22)

CNT

CNTl

e

hRs

24 (23)

O movimento de eleacutetrons transportados por um condutor eacute modelado pela indutacircncia que

consiste na indutacircncia magneacutetica e cineacutetica [1316] No SWCNT a indutacircncia magneacutetica eacute

calculada considerando que o CNT eacute um fio muito fino com diacircmetro d e estaacute

posicionado a uma distacircncia y do plano ligado ao terra A indutacircncia cineacutetica eacute calculada

pela equaccedilatildeo da energia cineacutetica armazenada em cada canal condutor do CNT para uma

indutacircncia efetiva [141535] Assim a indutacircncia magneacutetica (LM) e a cineacutetica (LK) podem

ser calculadas pelas equaccedilotildees (24) e (25) respectivamente

d

yLM ln

2

(24)

F

Kve

hL

22 (25)

Para d = 1nm e y = 1microm LM = 14pHmicrom [141529] Como vF eacute a velocidade de Fermi

cujo valor eacute dado por 8x105 ms para o CNT o valor da indutacircncia cineacutetica eacute LK =

16nHmicrom [13-1635] Sabendo que cada CNT tem quatro canais condutores em paralelo

que natildeo interagem entre si a indutacircncia cineacutetica efetiva eacute dada por LK4 [13-15] Uma boa

aproximaccedilatildeo da indutacircncia total do CNT (LCNT) eacute 4 nHmicrom [15]

8

Por fim a capacitacircncia de um SWCNT isolado eacute constituiacuteda por duas partes que satildeo a

capacitacircncia eletrostaacutetica (CE) e a quacircntica (CQ) [13-1735] Essas capacitacircncias satildeo

calculadas pelas equaccedilotildees (26) e (27)

d

yCE

ln

2 (26)

F

Qhv

eC

22 (27)

A capacitacircncia eletrostaacutetica eacute influenciada pelo ambiente que a envolve que satildeo os seus

vizinhos e o plano ligado ao terra Considerando que o CNT eacute um fio com diacircmetro d =

1nm e a distacircncia y = 1microm obteacutem-se CE = 30 aFmicrom Jaacute a capacitacircncia quacircntica se refere agrave

influecircncia da energia quacircntica armazenada no nanotubo quando este carrega corrente O

valor da capacitacircncia eacute CQ = 100 aFmicrom [1314] Considerando os quatro canais condutores

descritos anteriormente a capacitacircncia total eacute dada por (28)

QE

QE

CNTCC

CCC

4

4

(28)

Assim o esquemaacutetico da interconexatildeo de um SWCNT isolado eacute mostrado na Figura 24

abaixo

Figura 24 ndash Modelo de interconexatildeo do SWCNT isolado (modificado de [33])

2132 Modelo de interconexatildeo do SWCNT bundle

O SWCNT bundle possui resistecircncia equivalente menor que o SWCNT isolado

caracteriacutestica necessaacuteria para alcanccedilar performances comparaacuteveis agraves interconexotildees de

9

cobre [13-2023252629-38] O SWCNT bundle eacute composto por vaacuterios SWCNTs

empacotados em paralelo Assume-se que todos os SWCNTs satildeo idecircnticos metaacutelicos e que

cada um tem o mesmo potencial [1737] Sabendo que d eacute o diacircmetro do nanotubo de

carbono e x eacute a distacircncia entre os centros de dois nanotubos adjacentes o SWCNT bundle

pode ser empacotado de forma densa se x = d ou de forma esparsa se x gt d [13-1529-

32] Sabe-se que entre os nanotubos existe uma separaccedilatildeo δmin devido agrave forccedila de Van der

Waals que eacute de pelo menos 032 nm entre cada nanotubo [13] como mostra a Figura 25

Figura 25 ndash Separaccedilatildeo miacutenima entre CNTs devido agrave forccedila de Van der Waals (modificado

de [13])

O nuacutemero de nanotubos de carbono nCNT disponiacutevel pode ser calculado pelas expressotildees

dadas em (29) e (210) [141530]

iacutemparnsen

nn

parnsen

nn

n

HH

HW

HH

HW

CNT

2

1

2

(29)

1

23

x

dtn

x

dwn HW (210)

Nas expressotildees acima w eacute a largura e t eacute a altura da interconexatildeo de SWCNT bundle

Assim nW eacute o nuacutemero de CNTs ao longo da largura do SWCNT bundle e nH eacute o nuacutemero de

CNTs ao longo da altura do SWCNT bundle [13-1530] A Figura 26 mostra esses valores

[13]

10

Figura 26 ndash Nuacutemero de CNTs ao longo da largura (nW) e da altura (nH) do CNT

bundle[13]

Na tecnologia de 22 nm considerando as dimensotildees de 22 nm de largura e 44 nm de altura

do SWCNT bundle [13173437] e a separaccedilatildeo entre cada nanotubo devido agrave forccedila de Van

der Waals a quantidade de SWCNTs eacute aproximadamente 600 Neste trabalho estas

consideraccedilotildees foram feitas e a tecnologia de 22 nm foi utilizada Esta tecnologia eacute prevista

pelo ITRS para o ano de 2016 [21]

As resistecircncias de cada SWCNT estatildeo em paralelo entre elas assim como as indutacircncias

Assim a resistecircncia e a indutacircncia do SWCNT bundle com nCNT SWCNTs satildeo calculados

respectivamente pelas expressotildees (211) e (212) [1323252629-3234]

CNT

CNTbundle

n

RR (211)

CNT

CNTbundle

n

LL (212)

Considerando que todos os SWCNTs estatildeo no mesmo potencial que os contatos entre

todos os nanotubos de carbono em um bundle satildeo idecircnticos e que cada SWCNT tem o

mesmo caminho meacutedio livre [13] eacute possiacutevel assumir que a interaccedilatildeo entre CNTs

adjacentes de um SWCNT bundle eacute fraca e que eles carregam correntes independentes

umas das outras [13-17]

A capacitacircncia do SWCNT bundle eacute obtida a partir da combinaccedilatildeo da capacitacircncia

quacircntica de todos os SWCNTs em paralelo chamada de capacitacircncia quacircntica bundle

(CQbundle

) que estaacute em seacuterie com a capacitacircncia eletrostaacutetica (CEbundle

) [13143539] A

capacitacircncia quacircntica e a capacitacircncia eletrostaacutetica satildeo calculadas pelas equaccedilotildees (213) e

(214) em que CEn e CEf satildeo as capacitacircncias de placas paralelas de CNTs isolados em

11

relaccedilatildeo aos vizinhos proacuteximos e afastados respectivamente [14293032] Assim a

capacitacircncia total do SWCNT bundle eacute obtida pela equaccedilatildeo (215)

CNT

CNT

Q

bundle

Q nCC (213)

En

HEf

WEn

bundle

E Cn

Cn

CC5

23

2

22

(214)

bundle

Q

bundle

E

bundle

Q

bundle

E

bundleCC

CCC

(215)

Analisando a equaccedilatildeo (215) o efeito da CQbundle

eacute pequeno para grandes valores de nCNT

sendo o valor da capacitacircncia do SWCNT bundle aproximadamente igual agrave sua

capacitacircncia eletrostaacutetica [13161719] Srivastava et al [13] mostra que os nanotubos no

interior do SWCNT bundle satildeo blindados eletrostaticamente dos condutores de terra

podendo ser desprezados Os CNTs de borda satildeo os principais contribuidores para a

capacitacircncia eletrostaacutetica do SWCNT bundle No entanto a equaccedilatildeo (214) natildeo reproduz

fielmente a realidade jaacute que considera a capacitacircncia eletrostaacutetica de todos os nanotubos e

natildeo soacute os CNTs de borda Segundo o mesmo autor para a tecnologia de 22 nm e uma

constante dieleacutetrica igual a 2 a capacitacircncia total do SWCNT bundle eacute aproximadamente

135 aFμm

2133 Modelo de interconexatildeo do cobre

As propriedades fiacutesicas de interconexotildees de cobre podem ser descritas por resistecircncia

capacitacircncia e indutacircncia [14-16] A resistecircncia do cobre pode ser calculada utilizando a

equaccedilatildeo (216)

tw

lRCu

(216)

em que l eacute o comprimento do cobre w eacute a sua largura t eacute a sua altura e ρ eacute a sua

resistividade A resistividade do cobre em escala nanomeacutetrica eacute moldada pela combinaccedilatildeo

dos fenocircmenos de espalhamento superficial e de espalhamento de contorno

[151627283340] Estes fenocircmenos correspondem aos paracircmetros ρFS e ρMS propostos

12

por Fuchs e Sondheimer (ρFS) e por Mayadas e Shatzkes (ρMS) [1516] Estes paracircmetros

satildeo calculados pelas expressotildees (217) (218) e (219)

)1(

4

31 p

w

o

o

FS

(217)

11ln33

2

31 22

MS

o (218)

)1( R

R

D

o

(219)

O paracircmetro ρo eacute a resistividade do material λo eacute o caminho meacutedio livre p eacute o paracircmetro

de espalhamento de Fuchs D eacute o tamanho meacutedio e R eacute o coeficiente de reflexatildeo no

contorno com valores entre 0 e 1 Assim tem-se que a resistecircncia do cobre em escala

nanomeacutetrica eacute dada pela equaccedilatildeo (220) [1516]

tw

lR MSFS

Cu

(220)

De acordo com [1433] o valor da resistividade do cobre na tecnologia de 22nm para

interconexotildees locais eacute dado por 4666 μΩ-cm No entanto este valor da resistividade do

cobre chega a 58 μΩ-cm para valores miacutenimos da largura do fio [1516203940] Neste

trabalho seraacute utilizado o valor de 58 μΩ-cm para a resistividade do cobre na tecnologia de

22 nm que vai ao encontro dos requerimentos do ITRS [21]

A indutacircncia proacutepria (L) e a muacutetua (M) da interconexatildeo de cobre em escala nanomeacutetrica

satildeo obtidas usando respectivamente as expressotildees (221) e (222)

l

tw

tw

llL o )(220

2

12ln

2

(221)

l

s

s

llM o 1

2ln

2

(222)

em que t eacute a altura do fio microo eacute a permeabilidade e s eacute o espaccedilamento entre os fios [14-16]

A indutacircncia total do cobre (LCu) eacute dada pela soma das indutacircncias proacutepria e muacutetua

13

A capacitacircncia da interconexatildeo de cobre eacute calculada pela soma da capacitacircncia de

acoplamento entre dois fios adjacentes (CC) e a capacitacircncia ligada ao plano do terra (Cg)

[14-16] Essas capacitacircncias podem ser obtidas pelas equaccedilotildees (223) e (224) [1541]

120760193

534511171

70222

ht

t

hs

s

hs

s

h

wCg (223)

181160141090

980871161

591740

062141

sh

h

sw

w

sw

w

sh

h

s

tCC (224)

em que s eacute o espaccedilamento entre dois fios adjacentes h eacute a distacircncia do fio em relaccedilatildeo ao

plano do terra e ε eacute a permissividade relativa para uma dada constante dieleacutetrica

Considerando as equaccedilotildees (223) e (224) e de acordo com [1321] para uma constante

dieleacutetrica igual a 2 o valor da capacitacircncia total do cobre (CCu) eacute aproximadamente 150

aFμm que seraacute utilizado neste trabalho

Os modelos em L em π e em T satildeo usados como modelos de interconexatildeo de cobre [11]

Como o modelo π eacute muito utilizado para uma linha distribuiacuteda [1416] este modelo seraacute

usado neste trabalho A Figura 27 mostra o modelo de interconexatildeo de cobre [11]

Figura 27 ndash Modelo de interconexatildeo de cobre

A precisatildeo do modelo eacute determinada pelo nuacutemero de seguimentos bdquoN‟ que ele possui Uma

cadeia com mais de trecircs segmentos em π fornece um erro menor que 3 [16] Neste

trabalho seratildeo utilizados trecircs segmentos em π

14

22 INVERSOR MONO-ELEacuteTRON

Os dispositivos de tunelamento mono-eleacutetron satildeo dispositivos nanoeletrocircnicos

potencialmente aplicaacuteveis em circuitos integrados em escala giga (GSI) e tera (TSI)

Apesar de apresentarem baixo ganho e alta impedacircncia de saiacuteda estes dispositivos

possuem tamanho reduzido e baixa dissipaccedilatildeo de potecircncia Estas caracteriacutesticas os tornam

atrativos em circuitos loacutegicos e circuitos de memoacuteria [1-10] Assim portas loacutegicas podem

ser implementadas utilizando dispositivos de tunelamento mono-eleacutetron [14-9]

As portas loacutegicas satildeo blocos de construccedilatildeo baacutesicos na eletrocircnica digital O inversor loacutegico

ou porta NOT eacute o principal elemento baacutesico no projeto de circuitos digitais [42] O

inversor inverte o sinal de entrada de valor loacutegico baixo ndash 0 ndash em um sinal de saiacuteda de

valor loacutegico alto ndash 1 ndash e vice-versa [442] Em outras palavras a porta NOT efetua a

negaccedilatildeo loacutegica O siacutembolo do inversor juntamente com sua tabela verdade estaacute ilustrado

na Figura 28

Figura 28 ndash Siacutembolo e tabela verdade da porta NOT

221 Dispositivo de tunelamento mono-eleacutetron

O funcionamento dos dispositivos de tunelamento mono-eleacutetron eacute baseado no controle do

movimento e da posiccedilatildeo de um uacutenico ou de um pequeno grupo de eleacutetrons no dispositivo

[17] Os seguintes conceitos satildeo essenciais na definiccedilatildeo desses dispositivos ilha junccedilatildeo-

tuacutenel tunelamento efeito de carregamento e bloqueio de Coulomb A partir desses

conceitos eacute possiacutevel definir o transistor mono-eleacutetron - SET (do inglecircs Single-electron

transistor) [24-8]

A ilha estaacute localizada entre duas paredes finas de um material normalmente isolante as

quais criam uma barreira de potencial de energia que impossibilita a movimentaccedilatildeo de

eleacutetrons pela ilha A Figura 29 mostra dois eletrodos A e B separados por uma barreira

15

isolante e no meio dessa barreira isolante encontra-se a ilha Se a energia dos eleacutetrons for

maior que a energia potencial das paredes das barreiras estes poderatildeo atravessaacute-las [6] No

dispositivo de tunelamento mono-eleacutetron o transporte de eleacutetrons entre o eletrodo A e a

ilha e entre a ilha e o eletrodo B ocorre por tunelamento mono-eleacutetron em que os eleacutetrons

atravessam as barreiras um de cada vez [10]

Figura 29 Dois eletrodos separados por uma ilha [10]

Esses dispositivos satildeo formados por junccedilotildees-tuacutenel que satildeo dois eletrodos metaacutelicos

separados por um isolante muito fino (barreira) o qual permite a passagem de eleacutetrons por

tunelamento [467] A Figura 210 ilustra a junccedilatildeo-tuacutenel e sua representaccedilatildeo simboacutelica Os

paracircmetros que caracterizam a junccedilatildeo-tuacutenel macroscopicamente satildeo a resistecircncia de

tunelamento (Rj) que depende da aacuterea e da espessura da barreira isolante e a capacitacircncia

(Cj) [10]

Figura 210 Esquemaacutetico da junccedilatildeo-tuacutenel [10]

O tunelamento eacute o transporte de partiacuteculas atraveacutes de uma regiatildeo em que a energia total de

uma partiacutecula pontual claacutessica eacute menor que a energia potencial da regiatildeo ou seja eacute o

transporte atraveacutes de uma regiatildeo classicamente proibida [10] O efeito de tunelamento

ocorre quando a barreira de potencial for suficientemente fina permitindo que o eleacutetron a

atravesse se houver niacutevel de energia desocupado do outro lado da barreira com o mesmo

valor de energia Esse fenocircmeno pode ser explicado pelo comportamento dual do eleacutetron

Diferentemente da mecacircnica claacutessica na teoria eletromagneacutetica quando uma partiacutecula

encontra uma barreira de potencial parte da onda eacute refletida e a outra parte eacute transmitida

para o outro lado da barreira [10] A teoria ortodoxa do tunelamento mono-eleacutetron eacute o

modelo mais utilizado para analisar o tunelamento [4-6] Proposto em 1987 por Averin e

Likharev [43] este modelo apresenta os seguintes postulados

16

Modelo de dimensatildeo zero as dimensotildees das ilhas satildeo despreziacuteveis

O evento de tunelamento eacute considerado instantacircneo

A redistribuiccedilatildeo das cargas apoacutes tunelamento tambeacutem eacute considerada instantacircnea

O espectro de energia em condutores e ilhas eacute considerado contiacutenuo ou seja a

quantizaccedilatildeo da energia do eleacutetron eacute ignorada dentro dos condutores

Apesar de a teoria ortodoxa assumir condiccedilotildees hipoteacuteticas ela continua sendo muito

utilizada em estudos do dispositivo mono-eleacutetron [4-6]

O efeito de carregamento ocorre quando os eleacutetrons estatildeo na iminecircncia de entrar em um

material condutor extremamente pequeno isolado eletricamente (ilha) Se houver um

eleacutetron na ilha o potencial eletrostaacutetico da ilha aumenta bastante sendo bem superior ao

ruiacutedo teacutermico em temperatura ambiente O fluxo de eleacutetrons na ilha eacute possiacutevel se o

potencial da ilha for controlado por uma fonte de tensatildeo externa Outros eleacutetrons satildeo

impedidos de entrar na ilha devido agrave repulsatildeo de Coulomb [14-9]

Assim o bloqueio de Coulomb ocorre quando um eleacutetron entra na ilha e impede o

tunelamento de outro eleacutetron nesta ilha No momento em que o eleacutetron entra na ilha a

energia eletrostaacutetica da ilha aumenta em Ce 22 em que CΣ eacute a soma das capacitacircncias

em torno da ilha [14] Dessa forma outro eleacutetron soacute conseguiraacute tunelar para dentro da ilha

se sua energia for maior que a energia eletrostaacutetica da ilha [6] A Figura 211 ilustra os

diagramas de energia no bloqueio de Coulomb e no caso de tunelamento [10]

(a) (b)

Figura 211 Diagramas de energia (a) Bloqueio de Coulomb (b) Tunelamento mono-

eleacutetron [10]

17

O bloqueio de Coulomb eacute superado ao se aplicar uma tensatildeo Vg ao circuito ateacute que esta

tensatildeo alcance um dado valor de limiar que forneceraacute energia suficiente para que ocorra o

tunelamento de um eleacutetron Assim haveraacute o fluxo de eleacutetrons havendo corrente A Figura

212 mostra a regiatildeo do bloqueio de Coulomb ao aplicar uma tensatildeo Vg ao circuito em que

Vc eacute a tensatildeo de limiar chamada de tensatildeo de bloqueio de Coulomb [5-10]

Figura 212 Caracteriacutestica do bloqueio de Coulomb [10]

Nesse contexto duas condiccedilotildees satildeo necessaacuterias para garantir que o transporte de eleacutetrons

seja controlado pelo efeito de carregamento a condiccedilatildeo para a resistecircncia de tunelamento

dada pela equaccedilatildeo (225) [1] em que a natureza corpuscular do eleacutetron predomina sobre a

natureza ondulatoacuteria e a energia eletrostaacutetica (EC) associada a uma dada temperatura (T)

deve ser significativamente maior que as flutuaccedilotildees teacutermicas existentes agravequela

temperatura como descrita na equaccedilatildeo (226) [146-9] Os paracircmetros h eacute a constante de

Planck e eacute a carga do eleacutetron kB eacute a constante de Boltzmann e C eacute capacitacircncia Na

equaccedilatildeo (226) a temperatura deve ser maior que 0K [10]

kRe

hR TT 825

2 (225)

TkC

eTkEc BB

2

2

(226)

A partir dos conceitos apresentados pode-se definir o transistor mono-eleacutetron O SET

ilustrado na Figura 213 [10] eacute composto por duas junccedilotildees-tuacutenel em seacuterie formando uma

ilha entre as junccedilotildees [246-9] Os paracircmetros R1 C1 e R2 C2 correspondem agraves

resistecircncias e capacitacircncias da primeira e da segunda junccedilatildeo-tuacutenel respectivamente A

tensatildeo de porta Vg controla a energia eletrostaacutetica da ilha atraveacutes da capacitacircncia Cg

18

Quando haacute carregamento por tunelamento de uma junccedilatildeo e descarregamento da outra

junccedilatildeo haacute um fluxo controlado de cargas o que gera a corrente I [10]

Figura 213 Transistor mono-eleacutetron [10]

Um efeito que pode ser observado na caracteriacutestica da corrente versus tensatildeo do transistor

mono-eleacutetron eacute chamado de oscilaccedilatildeo de Coulomb [24679] Se a tensatildeo V for mantida

constante com CeV e a tensatildeo Vg for aumentada ateacute atingir gg CeV 2 esse

valor de tensatildeo permitiraacute que um eleacutetron passe pela ilha Como soacute haveraacute corrente fluindo

no circuito em valores muacuteltiplos da tensatildeo gCe 2 soacute ocorreraacute o tunelamento novamente

quando )2(3 gg CeV A caracteriacutestica corrente (I) versus tensatildeo (Vg) do transistor

mono-eleacutetron eacute ilustrada na Figura 214 [10]

Figura 214 Caracteriacutestica corrente (I) versus tensatildeo (Vg) do transistor mono-eleacutetron [10]

222 Estrutura do inversor mono-eleacutetron

Um inversor pode ser construiacutedo colocando-se dois SETs em seacuterie os quais compartilham

da mesma entrada [5689] conforme mostrado na Figura 215 Vin eacute a tensatildeo de entrada

Vout eacute a tensatildeo de saiacuteda Vbias eacute a tensatildeo de polarizaccedilatildeo CC eacute a capacitacircncia de carga Cg1 e

Cg2 satildeo as capacitacircncias de porta do SET 1 e do SET 2 respectivamente

19

Figura 215 Esquemaacutetico do inversor utilizando SETs (modificado de [4])

Alguns modelos do SET desenvolvidos no software SPICE foram propostos na literatura

[4-7] Destes modelos o proposto por G Lientschnig et al [4] descreve a implementaccedilatildeo

completa da teoria ortodoxa e usa apenas os recursos em versotildees disponiacuteveis publicamente

do software SPICE Este modelo diferentemente dos modelos propostos em [5-7] natildeo estaacute

limitado a transistores mono-eleacutetron com junccedilotildees-tuacutenel que tecircm resistecircncias iguais Aleacutem

disso pode ser estendido para incluir um nuacutemero arbitraacuterio de estados de carga que

permite simulaccedilotildees definidas para altas temperaturas e tensotildees de polarizaccedilatildeo [4] O

modelo de G Lientschnig et al estaacute disponiacutevel no siacutetio eletrocircnico [44] Assim este foi o

modelo utilizado neste trabalho

23 CLOCKING DE SISTEMAS DE ALTA VELOCIDADE

Em sistemas digitais siacutencronos o sinal do clock eacute utilizado para definir uma referecircncia de

tempo agrave mudanccedila de dados dentro do sistema [1145] Assim a distribuiccedilatildeo do clock eacute de

suma importacircncia na operaccedilatildeo de circuitos integrados digitais sendo uma grande

preocupaccedilatildeo em circuitos integrados de alta velocidade [46-51] Circuitos em escala

nanomeacutetrica podem ser significativamente limitados devido ao clock skew que ocorre

quando os circuitos natildeo estatildeo equumlidistantes do sinal do clock [11454649-51] Como este

sinal eacute o sinal mais ativo em um chip pode resultar em elevado consumo de potecircncia e

grandes densidades de corrente na rede de interconexotildees do clock [454849]

Dessa forma o sinal do clock deve atingir ao mesmo tempo cada noacute para garantir que a

comutaccedilatildeo seja sincronizada bem como deve ser distribuiacutedo de forma que haja o menor

20

atraso possiacutevel [49] Com esse intuito os seguintes fatores entre outros satildeo fundamentais

no desempenho do clock dispositivos loacutegicos de tecnologia raacutepida (avanccedilada) rede de

distribuiccedilatildeo de clock que minimize o skew e interconexotildees com alto desempenho [11]

Conforme exposto anteriormente os dispositivos nanoeletrocircnicos como os transistores

mono-eleacutetron satildeo potencialmente aplicaacuteveis em circuitos integrados em escala giga (GSI)

e tera (TSI) Estes dispositivos permitem que as funccedilotildees loacutegicas sejam desempenhadas em

um tempo mais raacutepido e com menor atraso Assim satildeo fortes candidatos a serem utilizados

em circuitos integrados com clock

A adequada rede de distribuiccedilatildeo do clock assegura que a comutaccedilatildeo seja sincronizada e

que haja o menor atraso possiacutevel [1145] Aleacutem disso dependendo da arquitetura da rede o

niacutevel de sincronismo do sistema pode aumentar Diferentes tipos de abordagens tecircm sido

desenvolvidos para projetar a rede de distribuiccedilatildeo do clock em sistemas digitais de

circuitos integrados [45] Os buffered trees satildeo muito utilizados na distribuiccedilatildeo

equipotencial do clock Aleacutem dessas estruturas assimeacutetricas arquiteturas simeacutetricas como

o H-tree satildeo usadas para distribuir sinais de clock em alta velocidade podendo inclusive

ser projetadas com buffers [45-51] Algumas formas de rede de distribuiccedilatildeo do clock estatildeo

ilustradas na Figura 216 incluindo a trunk tree mesh e H-tree [45]

Figura 216 Estruturas comuns de redes de distribuiccedilatildeo de clock [45]

21

Atualmente as interconexotildees de cobre satildeo bastante utilizadas para circuitos de alto

desempenho como em redes de clock No entanto os CNTs apresentam caracteriacutesticas que

os tornam melhores para serem utilizados em interconexotildees descritas na subseccedilatildeo 221

[48] Neste trabalho seraacute realizada a comparaccedilatildeo entre interconexotildees de cobre e de CNT

na rede de distribuiccedilatildeo do H-tree clock

231 H-Tree Clock

O clock skew pode ser minimizado distribuindo-se o sinal do clock de forma que as

interconexotildees que levam o sinal aos circuitos loacutegicos tecircm o mesmo comprimento Se antes

de chegarem aos circuitos loacutegicos os sinais do clock forem igualmente atrasados eles

estaratildeo perfeitamente sincronizados [1145] Dessa forma o esquemaacutetico da Figura 217 de

distribuiccedilatildeo do clock minimiza o clock skew repetindo recursivamente uma estrutura em

forma de H [11] A Figura 217 ilustra uma rede H-tree simeacutetrica com trecircs niacuteveis [46]

Figura 217 Esquemaacutetico do H-tree clock simeacutetrico (modificado de [46])

Na estrutura do H-tree o condutor primaacuterio do clock estaacute ligado ao centro do H principal

(1ordm niacutevel) transmitindo o sinal para os quatro cantos deste H Esses quatro cantos satildeo as

entradas para o proacuteximo niacutevel do H-tree o 2ordm niacutevel que possui quatro estruturas em H O

processo de distribuiccedilatildeo continua por vaacuterios niacuteveis de H‟s cada vez menores Os pontos de

destino final do H-tree satildeo usados para conduzir os circuitos locais Assim cada caminho

do clock desde a fonte ateacute o circuito local possui praticamente o mesmo atraso [45]

22

24 MEDIDAS DE DESEMPENHO NA ANAacuteLISE DAS INTERCONEXOtildeES

As interconexotildees em circuitos integrados possuem caracteriacutesticas que modificam o sinal de

entrada O efeito das interconexotildees pode provocar atrasos e distorccedilotildees indesejaacuteveis Nesse

contexto eacute necessaacuterio analisar medidas de desempenho dos sinais sob efeito das

interconexotildees tais como velocidade maacutexima atenuaccedilatildeo tempo de atraso potecircncia

dissipada produto atraso-potecircncia e slew rate [111317202342]

241 Velocidade maacutexima - anaacutelise na frequumlecircncia

A velocidade maacutexima que as interconexotildees podem operar sem distorcer o sinal de entrada

eacute uma medida de desempenho importante [172023] Eacute possiacutevel analisar este paracircmetro

atraveacutes da frequumlecircncia maacutexima de operaccedilatildeo da interconexatildeo que eacute a largura de banda em

que o sinal comeccedila a decair em -3dB em relaccedilatildeo ao sinal de referecircncia [1742] Assim

utiliza-se a anaacutelise do moacutedulo do graacutefico de Bode para obter a frequumlecircncia de operaccedilatildeo em

-3dB [42] A Figura 218 mostra o esboccedilo do moacutedulo do ganho pela frequumlecircncia tiacutepico do

comportamento de interconexotildees

Figura 218 Graacutefico do moacutedulo do ganho pela frequumlecircncia tiacutepico do comportamento de

interconexotildees

23

242 Atenuaccedilatildeo

A transmissatildeo de um sinal pode ser expressa em funccedilatildeo do seu ganho ou da sua atenuaccedilatildeo

No caso em estudo as interconexotildees podem atenuar o sinal Essa atenuaccedilatildeo eacute geralmente

calculada pela expressatildeo (227) em que Vo eacute o sinal de saiacuteda e Vi eacute o sinal de entrada [42]

i

o

V

VA log20 (227)

243 Tempo de atraso

O tempo de atraso td ou atraso na propagaccedilatildeo ocorre devido ao

carregamentodescarregamento da capacitacircncia de carga bem como ao tempo de

chaveamento dos transistores [42]

O tempo de atraso eacute obtido pela diferenccedila entre o tempo medido a 50 da transiccedilatildeo dos

sinais de entrada e de saiacuteda [11] Em circuitos loacutegicos o atraso na propagaccedilatildeo pode ser

calculado pela meacutedia aritmeacutetica do tempo de propagaccedilatildeo do sinal de alto para baixo tPHL e

do tempo de propagaccedilatildeo do baixo para alto tPLH conforme equaccedilatildeo (228) [1142]

2

PLHPHLd

ttt

(228)

244 Potecircncia dissipada

A dissipaccedilatildeo de potecircncia eacute outra medida de desempenho bastante importante em circuitos

integrados em escala GSI e TSI Isso ocorre jaacute que ao aumentar o nuacutemero de portas

loacutegicas em uma determinada aacuterea ocupada eacute necessaacuterio que a dissipaccedilatildeo de potecircncia esteja

dentro de limites aceitaacuteveis [1142]

A dissipaccedilatildeo de potecircncia eacute composta por dois componentes potecircncia estaacutetica e potecircncia

dinacircmica A dissipaccedilatildeo de potecircncia estaacutetica eacute dada por IVP DDE e ocorre mesmo que

natildeo haja chaveamento de porta loacutegica no circuito devido ao efeito da resistecircncia do

circuito [42] A dissipaccedilatildeo de potecircncia dinacircmica eacute devido agrave capacitacircncia de carga do

24

circuito expressa por CVfP DDD 2 em que VDD eacute a tensatildeo de alimentaccedilatildeo f eacute

frequumlecircncia do circuito e C eacute a capacitacircncia de carga do circuito [1142] Assim a soma da

potecircncia dinacircmica e da potecircncia estaacutetica resulta na potecircncia total dissipada no circuito

245 Produto atraso-potecircncia

Em circuitos integrados o ideal eacute que se tenha baixo atraso na propagaccedilatildeo resultando em

uma maior velocidade de funcionamento do circuito bem como baixa dissipaccedilatildeo de

potecircncia No entanto essas duas exigecircncias satildeo conflitantes ao reduzirmos a dissipaccedilatildeo de

potecircncia de uma porta a capacidade da porta em fornecer corrente diminuiraacute isso

implicaraacute em um maior tempo de carga e descarga aumentando o atraso na propagaccedilatildeo

Assim o produto atraso-potecircncia (delay power product ndash DP) eacute uma medida de

desempenho bastante utilizada na anaacutelise de circuitos e eacute dado por dD tPDP Quanto

menor o produto atraso-potecircncia maior a eficiecircncia do circuito loacutegico [42]

246 Slew rate

A taxa maacutexima de variaccedilatildeo da tensatildeo de saiacuteda do inglecircs slew rate (SR) eacute uma

caracteriacutestica importante do sinal de saiacuteda de um circuito loacutegico A limitaccedilatildeo na taxa de

variaccedilatildeo pode provocar uma distorccedilatildeo no funcionamento do circuito O SR pode ser

calculado pela expressatildeo (229) em que Δv eacute a variaccedilatildeo da tensatildeo de saiacuteda do sinal para

uma determinada variaccedilatildeo de tempo Δt [42]

t

vSR

(229)

25 LTSPICE

O software LTSPICE eacute um simulador SPICE de alto desempenho orientado a

esquemaacuteticos e visualizador de formas de onda com modelos para facilitar a simulaccedilatildeo de

circuitos eletrocircnicos Se comparado aos outros simuladores SPICE a simulaccedilatildeo do

LTSPICE eacute bastante raacutepida O software consegue simular dispositivos de acordo com o

padratildeo industrial reproduzindo os seus comportamentos [52]

25

O LTSPICE possui vaacuterias possibilidades de simulaccedilatildeo como anaacutelise transiente anaacutelise AC

e anaacutelise DC bem como permite a simulaccedilatildeo de vaacuterios dispositivos disponiacuteveis na sua

biblioteca Aleacutem disso este software possibilita a elaboraccedilatildeo de novos esquemaacuteticos

atraveacutes de um modelo matemaacutetico ou eletrocircnico proposto O novo componente poderaacute ser

utilizado no circuito conforme seraacute feito neste trabalho utilizando-se o modelo SPICE do

SET proposto por G Lientschnig et al[4]

26

3 METODOLOGIA

31 INTRODUCcedilAtildeO

A miniaturizaccedilatildeo das interconexotildees prejudica o seu desempenho resultando no aumento

significativo do valor da resistividade da capacitacircncia de acoplamento entre vias na

dificuldade de controlar a razatildeo entre a altura e a largura do material entre outros

problemas A fim de analisar o desempenho das interconexotildees eacute necessaacuterio verificar

algumas variaacuteveis importantes como velocidade maacutexima (f-3dB) atenuaccedilatildeo (A) tempo de

atraso (td) potecircncia dissipada (P) produto atraso-potecircncia (DP) e slew rate (SR)

[111317202342]

32 ETAPAS E ESTRATEacuteGIAS ADOTADAS

Com o intuito de analisar o efeito das interconexotildees em circuitos com transistores mono-

eleacutetron foi realizada primeiramente a anaacutelise das interconexotildees de SWCNT de SWCNT

bundle e de cobre isoladamente para diferentes valores de comprimento Apoacutes a avaliaccedilatildeo

desses resultados o efeito das interconexotildees foi analisado no H-tree clock com inversores

mono-eleacutetron nos seus terminais tambeacutem considerando diferentes comprimentos Neste

trabalho a tecnologia de 22 nm prevista para o ano de 2016 [21] foi utilizada na

comparaccedilatildeo entre o desempenho do cobre e do CNT Todas as simulaccedilotildees foram realizadas

utilizando o software LTSPICE

321 Simulaccedilatildeo das interconexotildees

A partir dos modelos das interconexotildees de SWCNT SWCNT bundle e cobre apresentados

na subseccedilatildeo 213 diferentes comprimentos das interconexotildees foram simulados Assim

analisou-se as interconexotildees locais em que l le 1 μm e as intermediaacuterias em que 1 μm lt l

le 500 μm sabendo que l eacute o comprimento da interconexatildeo [29-31333638]

A fim de analisar a frequumlecircncia de corte este foi obtido para comprimentos de

interconexotildees locais (10nm 100nm 200nm 300nm 400nm 500nm 600nm 700nm

27

800nm 900nm 1μm) e interconexotildees intermediaacuterias (10μm 100μm 200μm 300μm

400μm 500μm)

Jaacute que λCNT eacute tipicamente 1 μm foram escolhidos trecircs comprimentos na faixa lCNT le λCNT

(10 nm 100 nm e 1 μm) e trecircs comprimentos na faixa lCNT gt λCNT (10 μm 100 μm 500

μm) para serem analisados detalhadamente Escolheu-se uma mesma frequecircncia abaixo da

frequecircncia de corte dos trecircs materiais considerados para analisar e comparar a atenuaccedilatildeo

(A) e o tempo de atraso na propagaccedilatildeo (td) dos diferentes comprimentos

Em seguida o mesmo procedimento foi feito para comparar somente o SWCNT bundle e o

cobre para uma mesma frequecircncia cujo valor eacute maior que a frequecircncia da anaacutelise anterior

permitindo que estes dois materiais sejam analisados detalhadamente

Essas anaacutelises foram realizadas a partir da simulaccedilatildeo do circuito da Figura 31 [2325] A

tensatildeo de entrada Vin eacute uma onda quadrada de 1V de amplitude e o capacitor de carga tem

o valor de 100 aF

Figura 31 ndash Circuito simulado para cada interconexatildeo

A Figura 32 mostra o fluxograma das etapas descritas nesta subseccedilatildeo 321

28

Figura 32 ndash Fluxograma das etapas seguidas na simulaccedilatildeo das interconexotildees

322 Simulaccedilatildeo do inversor mono-eleacutetron

Para utilizar a porta inversora da Figura 215 nos terminais do H-tree clock foi necessaacuterio

primeiramente simular o SET proposto por [4] Essa simulaccedilatildeo foi feita variando os

paracircmetros do SET como as resistecircncias e capacitacircncias das junccedilotildees as capacitacircncias de

porta a temperatura etc Os paracircmetros foram variados ateacute simular o SET a temperatura

de 300K Em seguida simulou-se a inversora da Figura 215 tambeacutem a temperatura

ambiente Dessa forma foi possiacutevel simular a inversora isoladamente obtendo as

caracteriacutesticas do sinal de saiacuteda

323 Simulaccedilatildeo do H-tree clock mono-eleacutetron

Apoacutes a simulaccedilatildeo do SET foi possiacutevel simular o H-tree clock A rede H-tree de dois niacuteveis

foi simulada com um H no primeiro niacutevel e quatro H‟s no segundo niacutevel [49] Nos pontos

de destino final da rede foram colocadas portas inversoras formadas por SETs permitindo

a anaacutelise de circuitos nanoeletrocircnicos

Modelos de SWCNT

SWCNT bundle e cobre

Obtenccedilatildeo dos paracircmetros dos modelos para

interconexotildees locais e interconexotildees intermediaacuterias

Para cada comprimento

obtenccedilatildeo de f-3dB

1ordm) Escolha de frequumlecircncia abaixo

da f-3dB do SWCNT SWCNT

bundle e cobre

2ordm) Escolha de frequumlecircncia abaixo

da f-3dB do SWCNT bundle e

cobre

Obtenccedilatildeo de A e td de

cada modelo

Obtenccedilatildeo de A e td de

cada modelo

Anaacutelise comparativa entre o

SWCNT SWCNT bundle e

cobre

Anaacutelise comparativa entre o

SWCNT bundle e cobre

Estudo de interconexotildees locais (10nm

100nm 1μm) e intermediaacuterias (10μm

100μm 500μm)

29

A partir da simulaccedilatildeo do H-tree clock obteve-se a frequecircncia em -3dB (f-3dB) da rede com

interconexotildees ideais Assim a rede H-tree foi entatildeo simulada para duas frequecircncias

diferentes do sinal de entrada abaixo da frequecircncia de -3dB 10 GHz e 100 GHz Com

essas simulaccedilotildees obtiveram-se as seguintes caracteriacutesticas do sinal de saiacuteda da inversora

niacutevel loacutegico baixo (NB) niacutevel loacutegico alto (NA) tempo de subida (tr) slew rate de subida

(SR) atenuaccedilatildeo (A) tempo de atraso (td) potecircncia dissipada (P) e produto atraso-potecircncia

(DP) As caracteriacutesticas obtidas servem como referecircncia para analisar o sinal considerando

interconexotildees natildeo-ideais ou seja incluindo os modelos das interconexotildees nas simulaccedilotildees

Em seguida a rede H-tree foi simulada considerando-se os modelos das interconexotildees de

SWCNT bundle e de cobre variando os seus comprimentos Como cada H da rede de

distribuiccedilatildeo deve ser simeacutetrico considerou-se que cada divisatildeo do H tem o mesmo

comprimento para cada niacutevel da rede [11] A Figura 33 mostra o comprimento dos

diferentes trechos da rede Assim o comprimento de cada divisatildeo dos H‟s do segundo

niacutevel eacute a metade do comprimento de cada divisatildeo do H do primeiro niacutevel Jaacute que o objetivo

eacute simular circuitos em escala nanomeacutetrica escolheu-se trecircs variaccedilotildees de comprimento

menores ou iguais a 1μm

l = 100 nm l2 = 50 nm

l = 400 nm l2 = 200 nm

l = 1 μm l2 = 500 nm

Figura 33 ndash Esquemaacutetico do H-tree clock com os comprimentos de cada seguimento

Dessa forma cada um dos trecircs circuitos foi simulado obtendo-se a frequecircncia em -3dB na

entrada das portas inversoras Em seguida as trecircs redes foram simuladas para as mesmas

30

duas frequumlecircncias do sinal de entrada (10 GHz e 100 GHz) de forma a obter as

caracteriacutesticas do sinal de saiacuteda descritas anteriormente considerando agora o efeito das

interconexotildees

Por fim a partir dos dados obtidos foram realizadas comparaccedilotildees entre as caracteriacutesticas

do sinal de saiacuteda de referecircncia (interconexotildees ideais) e o sinal de saiacuteda dos circuitos com as

interconexotildees natildeo-ideais bem como entre o comportamento das interconexotildees de SWCNT

bundle e de cobre nas diferentes frequecircncias

A Figura 34 mostra o fluxograma das etapas descritas nas subseccedilotildees 322 e 323

Figura 34 ndash Fluxograma das etapas seguidas na simulaccedilatildeo do H-tree clock

H-tree clock mono-eleacutetron

Simulaccedilatildeo do H-tree clock com

interconexotildees ideais Obtenccedilatildeo de f-3dB

da inversora

Simulaccedilatildeo do H-tree clock com

interconexotildees natildeo-ideais para os seguintes

comprimentos

l = 100 nm l2 = 50 nm

l = 400 nm l2 = 200 nm

l = 1 μm l2 = 500 nm

Validaccedilatildeo do SET e do

inversor mono-eleacutetron a

300K

Sinal de entrada a

10 GHz

Sinal de entrada a

100 GHz

Obtenccedilatildeo de NB

NA tr SR A td P e

DP do sinal de saiacuteda

da inversora

Obtenccedilatildeo de NB

NA tr SR A td P e

DP do sinal de saiacuteda

da inversora

Sinal de entrada a

10 GHz

Sinal de entrada a

100 GHz

Obtenccedilatildeo de NB

NA tr SR A td P e

DP do sinal de saiacuteda

da inversora

Obtenccedilatildeo de NB

NA tr SR A td P e

DP do sinal de saiacuteda

da inversora

Anaacutelise comparativa

dos dados obtidos

31

4 RESULTADOS E ANAacuteLISES

41 INTRODUCcedilAtildeO

Neste capiacutetulo seratildeo apresentados os procedimentos adotados e os resultados obtidos na

simulaccedilatildeo das interconexotildees SWCNT SWCNT bundle e cobre As etapas descritas na

metodologia foram seguidas obtendo-se os resultados das simulaccedilotildees das interconexotildees e

das simulaccedilotildees do H-tree clock mono-eleacutetron para interconexotildees ideais e natildeo-ideais A

partir dos resultados a anaacutelise do desempenho das interconexotildees seraacute apresentada

42 ANAacuteLISE DAS INTERCONEXOtildeES

Nesta seccedilatildeo a anaacutelise das interconexotildees de SWCNT SWCNT bundle e cobre na

tecnologia de 22 nm para diferentes comprimentos seraacute realizada Para isso analisou-se

as interconexotildees locais em que l le 1 μm e as intermediaacuterias em que 1 μm lt l le 500 μm

sabendo que l eacute o comprimento da interconexatildeo [29-31333638] Como λCNT eacute

tipicamente 1 μm trecircs comprimentos na faixa lCNT le λCNT (10 nm 100 nm e 1 μm) e trecircs

comprimentos na faixa lCNT gt λCNT (10 μm 100 μm 500 μm) de cada material seratildeo

analisados detalhadamente Os paracircmetros obtidos a partir dos modelos de SWCNT

SWCNT bundle e cobre estatildeo respectivamente nas Tabelas 71 72 e 73 do Apecircndice

421 Interconexotildees locais

Primeiramente a partir da simulaccedilatildeo da Figura 31 obteve-se a frequecircncia em -3dB (f-3dB)

das interconexotildees locais (lCNT le λCNT ) isto eacute a sua banda passante de forma a verificar a

velocidade maacutexima que cada interconexatildeo suporta A Figura 41 ilustra o comportamento

da frequecircncia das interconexotildees locais para os diferentes comprimentos Como o SWCNT

isolado possui valores de frequecircncia na faixa de centenas de giga Hertz ou seja menos de

um tera Hertz os valores de suas frequecircncias tambeacutem podem ser visualisados na Tabela

74 do Apecircndice

Verifica-se que agrave medida que o comprimento da interconexatildeo aumenta a frequecircncia

diminui Isso ocorre jaacute que os valores da capacitacircncia e indutacircncia aumentam com o

aumento do comprimento da interconexatildeo Esses paracircmetros satildeo decisivos no sinal de

32

saiacuteda sendo o sinal mais distorcido quanto maior for o valor desses paracircmetros Observa-

se que o SWCNT bundle e o cobre possuem banda passante maiores que o SWCNT

isolado para qualquer comprimento Aleacutem disso o SWCNT bundle soacute possui uma banda

passante comparaacutevel ao do cobre para comprimentos acima de 700 nm

Frequecircncia X Comprimento

0

10

20

30

40

50

60

100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

Comprimento (nm)

f -3d

B (

TH

z)

SWCNT Isolado

SWCNT bundle

Cobre

Figura 41 ndash Frequumlecircncia versus comprimento das interconexotildees locais

As interconexotildees locais de 10 nm 100 nm e 1 μm de comprimento foram analisadas

detalhadamente A Tabela 41 mostra a frequecircncia em -3dB de cada material para os

comprimentos em anaacutelise

Tabela 41 Frequecircncia em -3dB de cada material para lCNT le λCNT

Interconexatildeo Local Comprimento (L) Material f-3dB

SWCNT isolado 253 GHz

10nm SWCNT bundle 66 THz

Cobre 232 THz

SWCNT isolado 300 GHz

lCNT le λCNT 100nm SWCNT bundle 20 THz

Cobre 51 THz

SWCNT isolado 230 GHz

1microm SWCNT bundle 47 THz

Cobre 42 THz

Assim escolheu-se uma mesma frequecircncia abaixo da frequecircncia de corte dos trecircs

materiais considerados para analisar e comparar a atenuaccedilatildeo (A) e o tempo de atraso na

propagaccedilatildeo (td) dos trecircs comprimentos Isso permite verificar o comportamento do sinal na

banda passante A Tabela 42 mostra esse estudo comparativo entre o SWCNT isolado

SWCNT bundle e cobre agrave frequecircncia de 200 GHz

33

Tabela 42 Estudo das interconexotildees com comprimentos na faixa lCNT le λCNT

Freq L Material A (dB) td (ps)

SWCNT isolado -210 046

10nm SWCNT bundle 001 000

Cobre 000 000

SWCNT isolado -155 051

200 GHz 100nm SWCNT bundle 001 000

Cobre 001 000

SWCNT isolado -039 107

1microm SWCNT bundle 006 001

Cobre 000 007

A partir da anaacutelise da Tabela 42 eacute possiacutevel observar agrave frequumlecircncia de 200 GHz a

atenuaccedilatildeo do sinal e o atraso do SWCNT isolado Nessa frequumlecircncia o atraso do SWCNT

isolado eacute significativo em relaccedilatildeo ao periacuteodo do sinal que eacute 5ps jaacute que o menor atraso

(para l = 10nm) eacute aproximadamente 10 do periacuteodo do sinal de entrada No entanto para

esta mesma frequumlecircncia observa-se que a atenuaccedilatildeo e o atraso do SWCNT bundle e do

cobre satildeo insignificantes Isto indica que estes dois materiais possuem melhor

desempenho sendo favoraacuteveis para serem utilizados em interconexotildees locais

Dessa forma para analisar melhor a atenuaccedilatildeo e o tempo de atraso do SWCNT bundle e do

cobre o mesmo procedimento foi feito comparando-se somente estes dois materiais para

uma mesma frequecircncia de 1 THz A Tabela 43 mostra esse estudo comparativo entre o

SWCNT bundle e cobre

Tabela 43 Estudo das interconexotildees SWCNT bundle e cobre com comprimentos na faixa

lCNT le λCNT

Freq L Material A (dB) td (fs)

10nm SWCNT bundle 001 113

Cobre 000 022

1 THz 100nm SWCNT bundle 006 136

Cobre 001 240

1microm SWCNT bundle 145 647

Cobre -013 5623

Analisando a Tabela 43 observa-se que agrave frequumlecircncia de 1 THz a atenuaccedilatildeo do sinal e o

atraso aumentam agrave medida que o comprimento das interconexotildees aumentam A partir do

comprimento de 100nm o tempo de atraso da interconexatildeo de cobre eacute maior que o do

SWCNT bundle cujo maior valor de atraso (para l = 1microm) natildeo chega a 1 do periacuteodo do

34

sinal de entrada (1ps) Isso mostra que apesar de a banda passante do cobre ser maior o

atraso do SWCNT bundle eacute menor Dessa forma para as interconexotildees locais o SWCNT

bundle possui desempenho comparaacutevel ao do cobre [13]

Em relaccedilatildeo agrave atenuaccedilatildeo verifica-se que para alguns comprimentos este tem valor

positivo Isso ocorre principalmente quando haacute um pico no graacutefico da frequumlecircncia antes dele

comeccedilar a decair Esse pico eacute devido ao efeito ressonante provocado pela indutacircncia

quando este possui valor comparaacutevel agrave resistecircncia e agrave capacitacircncia da interconexatildeo [53]

Assim esse efeito ressonante foi observado somente nas interconexotildees locais de SWCNT

bundle e de cobre A Figura 42 ilustra o graacutefico da magnitude pela frequumlecircncia do SWCNT

isolado SWCNT bundle e cobre para o comprimento de 100nm Observa-se o efeito

ressonante nos graacuteficos do SWCNT bundle e do cobre

Figura 42 ndash Graacuteficos da magnitude das interconexotildees de SWCNT isolado (superior)

SWCNT bundle (meio) e cobre (inferior) com comprimento de 100nm

35

422 Interconexotildees intermediaacuterias

Assim como para as interconexotildees locais obteve-se a frequecircncia em -3dB (f-3dB) das

interconexotildees intermediaacuterias (lCNT gt λCNT) de forma a verificar a velocidade maacutexima que

cada interconexatildeo suporta A Figura 43 ilustra o comportamento da frequecircncia das

interconexotildees intermediaacuterias para os diferentes comprimentos Os valores das frequecircncias

de cada interconexatildeo tambeacutem podem ser visualisados na Tabela 75 do Apecircndice

Como nas interconexotildees locais agrave medida que o comprimento da interconexatildeo aumenta a

frequecircncia diminui Aleacutem disso o SWCNT bundle e o cobre possuem desempenho melhor

que o do SWCNT isolado para qualquer comprimento No entanto para interconexotildees

intermediaacuterias o SWCNT bundle possui banda passante maior que a do cobre para

qualquer comprimento

Frequecircncia X Comprimento

00

05

10

15

20

25

30

35

40

45

100 200 300 400 500

Comprimento (μm)

f -3d

B (

GH

z)

SWCNT isolado

SWCNT bundle

Cobre

Figura 43 ndash Frequumlecircncia versus comprimento das interconexotildees intermediaacuterias

As interconexotildees intermediaacuterias de 10 μm 100 μm e 500 μm de comprimento foram entatildeo

analisadas detalhadamente A Tabela 44 mostra a frequecircncia em -3dB de cada materal

para os diferentes comprimentos em anaacutelise

36

Tabela 44 Frequecircncia em -3dB de cada material para lCNT gt λCNT

Interconexatildeo

Intermediaacuteria

Comprimento (L) Material f-3dB

SWCNT isolado 26 GHz

10 microm SWCNT bundle 527 GHz

Cobre 34 GHz

SWCNT isolado 32 MHz

lCNT gt λCNT 100 microm SWCNT bundle 42 GHz

Cobre 345 MHz

SWCNT isolado 13 MHz

500 microm SWCNT bundle 165 MHz

Cobre 14 MHz

Escolheu-se a frequecircncia de 1 MHz que estaacute abaixo da frequecircncia de corte dos trecircs

materiais considerados para analisar e comparar a atenuaccedilatildeo (A) e o tempo de atraso na

propagaccedilatildeo (td) dos trecircs comprimentos A Tabela 45 mostra esse estudo comparativo entre

o SWCNT isolado SWCNT bundle e cobre

Tabela 45 Estudo das interconexotildees com comprimentos na faixa lCNT gt λCNT

Freq L Material A (dB) td (ns)

SWCNT isolado -002 008

10 microm SWCNT bundle 000 000

Cobre 000 000

SWCNT isolado -003 559

1 MHz 100 microm SWCNT bundle -001 005

Cobre -004 056

SWCNT isolado -198 10217

500 microm SWCNT bundle 000 110

Cobre -003 1301

Com base na Tabela 45 observa-se que a atenuaccedilatildeo e o tempo de atraso do SWCNT

isolado aumentam com o aumento do comprimento da interconexatildeo Nessa frequumlecircncia o

atraso na propagaccedilatildeo do SWCNT isolado eacute significativo em relaccedilatildeo ao periacuteodo do sinal de

entrada que eacute 1micros chegando a mais de 10 deste periacuteodo para o comprimento de 500microm

Verifica-se tambeacutem o aumento do tempo de atraso da interconexatildeo de cobre sendo 13

do periacuteodo do sinal de entrada para o comprimento de 500microm

Para analisar melhor a atenuaccedilatildeo e o tempo de atraso do SWCNT bundle e do cobre o

mesmo procedimento foi feito comparando-se somente estes dois materiais para uma

37

mesma frequecircncia de 10 MHz A Tabela 46 mostra esse estudo comparativo entre o

SWCNT bundle e cobre

Tabela 46 Estudo das interconexotildees SWCNT bundle e cobre com comprimentos na faixa

lCNT gt λCNT

Freq L Material A (dB) td (ns)

10 microm SWCNT bundle 000 000

Cobre 000 000

10 MHz 100 microm SWCNT bundle -001 005

Cobre -004 054

500 microm SWCNT bundle -004 107

Cobre -185 1024

Analisando a Tabela 46 observa-se que agrave medida que o comprimento das interconexotildees

aumenta a atenuaccedilatildeo e o atraso do sinal da interconexatildeo de cobre tornam-se significativos

O atraso na propagaccedilatildeo da interconexatildeo de cobre para l = 500microm chega a 10 do periacuteodo

do sinal de entrada (100ns) Jaacute o SWCNT bundle apresenta valores insignificantes de

atenuaccedilatildeo e atraso na propagaccedilatildeo Assim para as interconexotildees intermediaacuterias o SWCNT

bundle possui desempenho superior ao do cobre

43 SIMULACcedilAtildeO DO INVERSOR MONO-ELEacuteTRON

O modelo SPICE do SET proposto por G Lientschnig et al [444] foi simulado no

LTSPICE A partir da equaccedilatildeo (226) foi possiacutevel aumentar a temperatura do SET ateacute

chegar a 300K Assim o esquemaacutetico do SET e os valores de seus paracircmetros para que o

SET opere a 300K estatildeo na Figura 44 No anexo deste trabalho (subseccedilatildeo 81) encontra-

se o coacutedigo SET que foi utilizado [44] Os paracircmetros R1 C1 e R2 C2 correspondem agraves

resistecircncias e capacitacircncias das junccedilotildees-tuacutenel Cg eacute a capacitacircncia de porta (Cg1 no coacutedigo

SET) Vg eacute a tensatildeo de porta e V eacute a tensatildeo de entrada

Figura 44 Esquemaacutetico do SET e os valores de seus paracircmetros

38

A partir destes valores o inversor mono-eleacutetron foi construiacutedo colocando-se dois SETs em

seacuterie os quais compartilham da mesma entrada A Figura 45 ilustra o esquemaacutetico do

inversor mono-eleacutetron juntamente com os valores de seus paracircmetros fixos em que Vin eacute a

tensatildeo de entrada Vout eacute a tensatildeo de saiacuteda Vbias eacute a tensatildeo de polarizaccedilatildeo Cc eacute a

capacitacircncia de carga Cg1 e Cg2 satildeo as capacitacircncias de porta do SET 1 e do SET 2

respectivamente

Figura 45 Esquemaacutetico do inversor mono-eleacutetron e os valores de seus paracircmetros

(modificado de [4])

Assim apoacutes simular o inversor mono-eleacutetron a 300K obteve-se o sinal de saiacuteda mostrado

na Figura 46 Como o inversor estaacute invertendo o sinal de entrada de valor loacutegico baixo em

um sinal de saiacuteda de valor loacutegico alto ele estaacute operando corretamente

Figura 46 Curva do sinal de entrada (em verde) e do sinal de saiacuteda (em preto) do inversor

mono-eleacutetron

39

44 ANAacuteLISE DAS INTERCONEXOtildeES NO H-TREE CLOCK MONO-ELEacuteTRON

Nesta seccedilatildeo a rede H-tree clock de dois niacuteveis foi simulada com portas inversoras mono-

eleacutetron nos pontos de destino final da rede permitindo a anaacutelise de circuitos

nanoeletrocircnicos Simulou-se a rede H-tree considerando interconexotildees ideais para as

frequecircncias de 10 GHz e 100 GHz no sinal de entrada Em seguida para as mesmas duas

frequecircncias considerou-se interconexotildees natildeo-ideais de diferentes comprimentos

analisando a rede com os modelos de interconexatildeo SWCNT bundle e cobre Trecircs redes

com comprimentos de interconexotildees diferentes foram analisadas

l = 100 nm l2 = 50 nm

l = 400 nm l2 = 200 nm

l = 1 μm l2 = 500 nm

441 Anaacutelise da rede com interconexotildees ideais

A partir da simulaccedilatildeo do H-tree clock a frequecircncia em -3dB (f-3dB) da rede com

interconexotildees ideais foi obtida Na saiacuteda de cada porta inversora a banda passante do sinal

eacute 3200 GHz Dessa forma duas frequecircncias abaixo de 3200 GHz foram escolhidas para

analisar o sinal de saiacuteda da inversora em condiccedilotildees ideais As frequecircncias de 10 GHz e

100 GHz seratildeo analisadas obtendo-se as seguintes caracteriacutesticas do sinal de saiacuteda da

inversora niacutevel loacutegico baixo (NB) niacutevel loacutegico alto (NA) tempo de subida (tr) slew rate

de subida (SR) atenuaccedilatildeo (A) e tempo de atraso (td) A Tabela 47 mostra os valores

obtidos para as duas frequecircncias em anaacutelise

Tabela 47 Caracteriacutesticas dos sinais de saiacuteda da rede para interconexotildees ideais

Freq NB(mV) NA(mV) tr (ps) SR(Vns) A(dB) td (ps)

10 GHz 675 4518 356 8636 -264 412

100 GHz 678 4279 317 9088 -269 189

Os caacutelculos da potecircncia estaacutetica ( IVP DDE ) potecircncia dinacircmica ( CVfP DDD 2 ) e

potecircncia total ( DE PPP ) dissipada por cada porta inversora foram realizados bem

como o produto atraso-potecircncia (DP) Assim a Tabela 48 mostra os valores obtidos no

40

caacutelculo destes paracircmetros Como a potecircncia estaacutetica independe da frequecircncia do sinal de

entrada o seu valor eacute o mesmo nos dois casos

Tabela 48 Potecircncia dissipada por cada porta inversora para interconexotildees ideais

Frequecircncia PE (nW) PD (nW) P (nW) DP (10-18

Wmiddots)

10 GHz 4838 125 4963 020

100 GHz 4838 125 6088 012

As Tabelas 47 e 48 serviratildeo de referecircncia para as anaacutelises da rede com interconexotildees natildeo-

ideais analisadas na subseccedilatildeo seguinte As Figuras 47 e 48 ilustram o sinal de saiacuteda das

redes com frequecircncias de 10 GHz e de 100 GHz respectivamente Eacute possiacutevel observar que

na frequecircncia de 100 GHz o sinal de saiacuteda jaacute eacute distorcido em relaccedilatildeo ao sinal de referecircncia

(Figura 46)

Figura 47 Sinal de entrada (em verde) e sinal de saiacuteda (em preto) da rede a 10 GHz

Figura 48 Sinal de entrada (em verde) e sinal de saiacuteda (em preto) da rede a 100 GHz

41

442 Anaacutelise da rede com interconexotildees natildeo-ideais

Apoacutes obter as caracteriacutesticas da rede H-tree clock com interconexotildees ideais a anaacutelise da

rede com interconexotildees natildeo-ideais seraacute feita Primeiramente eacute importante verificar a

frequecircncia em -3dB do sinal depois das interconexotildees ou seja na entrada da porta

inversora Caso essa frequecircncia seja menor que a frequecircncia de 3200 GHz obtida com

interconexotildees ideais entatildeo a interconexatildeo afetaraacute o comportamento da rede A Tabela 49

mostra a frequecircncia em -3dB na entrada da inversora para interconexotildees natildeo-ideais

Tabela 49 Frequecircncia em -3dB na entrada da inversora para interconexotildees natildeo-ideais

Comprimentos (l2 l) Material f-3dB

50nm 100nm SWCNT bundle 122 THz

Cobre 175 THz

200nm 400nm SWCNT bundle 31 THz

Cobre 8606 GHz

500nm 1microm SWCNT bundle 12 THz

Cobre 1268 GHz

Assim verifica-se que a interconexatildeo de cobre da rede 500nm1microm possui frequecircncia em

-3dB abaixo da frequecircncia do circuito com interconexatildeo ideal (3200 GHz) Isso indica que

esta interconexatildeo interfere significativamente no comportamento da rede A Tabela 49

mostra tambeacutem que a banda passante da interconexatildeo de cobre soacute eacute maior que a da

interconexatildeo de SWCNT bundle no primeiro caso na rede de 50nm100nm o que mostra

uma vantagem do SWCNT bundle em relaccedilatildeo ao cobre A partir dessas informaccedilotildees a

rede H-tree clock com interconexotildees natildeo-ideais seraacute analisada detalhadamente

4421 Anaacutelise da rede a 10 GHz

As redes com interconexotildees natildeo-ideais seratildeo analisadas na frequecircncia de 10 GHz para

diferentes comprimentos Primeiramente o niacutevel loacutegico baixo (NB) o niacutevel loacutegico alto

(NA) o tempo de subida (tr) e o slew rate de subida (SR) foram obtidos conforme mostra a

Tabela 410 Com base nessa tabela verifica-se que na frequecircncia de 10 GHz essas

caracteriacutesticas natildeo foram modificadas pelas interconexotildees natildeo-ideais independentemente

do comprimento Os valores dos paracircmetros satildeo iguais aos obtidos na rede com

interconexatildeo ideal conforme Tabela 47 O sinal obtido na saiacuteda de cada inversor eacute igual

ao ilustrado na Figura 47

42

Tabela 410 Niacuteveis loacutegicos tempo de subida e slew rate dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 10 GHz

Freq L (l2l) Material NB(mV) NA(mV) tr(ps) SR(Vns)

10

GHz

50nm

100nm

SWCNT bundle 675 4518 356 8636

Cobre 675 4518 356 8636

200nm

400nm

SWCNT bundle 675 4518 356 8636

Cobre 675 4518 356 8636

500nm

1microm

SWCNT bundle 675 4518 356 8636

Cobre 675 4518 356 8636

A Tabela 411 mostra a atenuaccedilatildeo tempo de atraso potecircncia total dissipada e o produto

atraso-potecircncia obtidos a frequecircncia de 10 GHz para interconexotildees natildeo-ideais Observa-se

que a atenuaccedilatildeo do sinal e a potecircncia total dissipada por cada porta inversora permanecem

os mesmos em relaccedilatildeo agrave interconexatildeo ideal mostrando que a essa frequecircncia as

interconexotildees natildeo-ideais natildeo interferem nestes paracircmetros

Jaacute o atraso na propagaccedilatildeo do sinal no caso do cobre aumenta agrave medida que as

interconexotildees aumentam de comprimento aumentando tambeacutem o produto atraso-potecircncia

Esse atraso chega a 66 do periacuteodo do sinal de entrada para a interconexatildeo 500nm1microm

de cobre No entanto estes paracircmetros natildeo satildeo afetados pelas interconexotildees de SWCNT

bundle indicando que este material se sobressai em relaccedilatildeo ao cobre

Tabela 411 Atenuaccedilatildeo atraso potecircncia e produto atraso-potecircncia dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 10 GHz

Freq L (l2l) Material A (dB) td (ps) P (nW) DP(10-18

Wmiddots)

10

GHz

50nm

100nm

SWCNT bundle -264 412 4963 020

Cobre -264 412 4963 020

200nm

400nm

SWCNT bundle -264 412 4963 020

Cobre -264 438 4963 022

500nm

1microm

SWCNT bundle -264 412 4963 020

Cobre -264 659 4963 033

4422 Anaacutelise da rede a 100 GHz

As redes com interconexotildees natildeo-ideais seratildeo analisadas na frequecircncia de 100 GHz para

diferentes comprimentos O niacutevel loacutegico baixo (NB) o niacutevel loacutegico alto (NA) o tempo de

subida (tr) e o slew rate de subida (SR) foram obtidos conforme mostra a Tabela 412 Jaacute a

43

Tabela 413 mostra a atenuaccedilatildeo tempo de atraso potecircncia total dissipada e o produto

atraso-potecircncia obtidos a frequecircncia de 100 GHz para interconexotildees natildeo-ideais

Tabela 412 Niacuteveis loacutegicos tempo de subida e slew rate dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 100 GHz

Freq L (l2l) Material NB(mV) NA(mV) tr(ps) SR(Vns)

100

GHz

50nm

100nm

SWCNT bundle 678 4272 316 9099

Cobre 675 4277 323 9107

200nm

400nm

SWCNT bundle 678 4299 315 9196

Cobre 677 4089 289 9447

500nm

1microm

SWCNT bundle 678 4418 300 9973

Cobre 635 1766 102 6795

Tabela 413 Atenuaccedilatildeo atraso potecircncia e produto atraso-potecircncia dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 100 GHz

Freq L (l2l) Material A (dB) td (ps) P (nW) DP(10-18

Wmiddots)

100

GHz

50nm

100nm

SWCNT bundle -2703 189 6088 012

Cobre -2685 191 6088 012

200nm

400nm

SWCNT bundle -2693 188 6088 012

Cobre -2698 228 6088 014

500nm

1microm

SWCNT bundle -2673 174 6088 011

Cobre -2893 388 6088 024

A partir das Tabelas 412 e 413 o SWCNT bundle seraacute analisado Observa-se que os seus

niacuteveis loacutegicos altos aumentam com o aumento do comprimento das interconexotildees

aumentando tambeacutem o slew rate de subida Esse comportamento ocorre provavelmente

devido ao efeito ressonante provocado pela indutacircncia que provoca um pico no graacutefico da

frequumlecircncia antes dele comeccedilar a decair conforme explicado na subseccedilatildeo 421 Isso implica

na diminuiccedilatildeo da atenuaccedilatildeo do sinal e do atraso No entanto o produto atraso-potecircncia

permanece praticamente invariaacutevel jaacute que a potecircncia total dissipada natildeo se altera

Em relaccedilatildeo agraves interconexotildees de cobre verifica-se que as distorccedilotildees satildeo significativas Agrave

medida que o comprimento aumenta a atenuaccedilatildeo do sinal de saiacuteda aumenta Isso provoca

diminuiccedilatildeo no slew rate do sinal o que natildeo eacute desejado jaacute que o sinal demora mais para

atingir o niacutevel loacutegico alto Aleacutem disso o atraso na propagaccedilatildeo do sinal aumenta bastante

chegando a 388 do periacuteodo do sinal de entrada para a interconexatildeo 500nm1microm

Consequentemente o produto atraso-potecircncia tambeacutem aumenta sendo o dobro do valor de

44

referecircncia (interconexotildees ideais) A Figura 49 ilustra o sinal de saiacuteda da interconexatildeo

500nm1microm de cobre

Figura 49 Sinal de entrada (em verde) e sinal de saiacuteda (em preto) da rede a 100 GHz para

a interconexatildeo 500nm1microm de cobre

Comparando-se as potecircncias das tabelas 47 48 411 413 verifica-se que natildeo haacute

alteraccedilatildeo na potecircncia total dissipada pelo circuito com interconexotildees ideais e pelos

circuitos com interconexotildees natildeo-ideais para uma mesma frequecircncia Assim eacute importante

destacar que a dissipaccedilatildeo de potecircncia das interconexotildees de SWCNT bundle e de cobre natildeo

interfere na potecircncia total dissipada pelo circuito

443 Consideraccedilotildees Finais

Apoacutes analisar as interconexotildees locais de SWCNT de SWCNT bundle e de cobre

verificou-se que as interconexotildees de SWCNT bundle possuem desempenho comparaacutevel ao

das interconexotildees de cobre Em relaccedilatildeo agraves interconexotildees intermediaacuterias as de SWCNT

bundle apresentam desempenho superior agraves de cobre Jaacute as interconexotildees de SWCNT

isolado tanto para interconexotildees locais como para interconexotildees intermediaacuterias

apresentam desempenho inferior agraves interconexotildees de SWCNT bundle e de cobre natildeo

sendo propiacutecias a serem utilizadas em interconexotildees de circuitos integrados

Na anaacutelise das interconexotildees natildeo-ideais na rede H-tree clock mono-eleacutetron para a

frequecircncia de 10GHz observou-se que o niacutevel loacutegico baixo o niacutevel loacutegico alto o tempo de

subida o slew rate de subida a atenuaccedilatildeo do sinal e a potecircncia total dissipada por cada

porta inversora permanecem os mesmos em relaccedilatildeo agrave interconexatildeo ideal mostrando que

45

para esta frequecircncia as interconexotildees natildeo-ideais natildeo interferem nestes paracircmetros Jaacute o

atraso na propagaccedilatildeo do sinal no caso do cobre aumenta agrave medida que as interconexotildees

aumentam de comprimento aumentando tambeacutem o produto atraso-potecircncia No entanto

estes paracircmetros natildeo satildeo afetados pelas interconexotildees de SWCNT bundle indicando que

este material se sobressai em relaccedilatildeo ao cobre

Jaacute para a rede H-tree clock mono-eleacutetron a 100GHz observou-se que o circuito com

interconexotildees natildeo-ideais afetou bastante os paracircmetros em anaacutelise se comparados aos

obtidos para interconexotildees ideais Verificou-se que as distorccedilotildees provocadas pelas

interconexotildees de cobre foram significativas indicando que as interconexotildees de SWCNT

bundle possuem melhor desempenho que as de cobre

Assim constata-se que as interconexotildees de SWCNT bundle satildeo fortes candidatas a

substituirem as interconexotildees de cobre em circuitos em escala giga (GSI) e tera (TSI)

46

5 CONCLUSOtildeES

Nesta dissertaccedilatildeo o estudo das interconexotildees de SWCNT de SWCNT bundle e de cobre

foi realizado analisando e comparando os seus desempenhos para diferentes

comprimentos A partir desse estudo verificou-se que as interconexotildees de SWCNT bundle

possui desempenho comparaacutevel ao das interconexotildees de cobre no caso de interconexotildees

locais Em relaccedilatildeo agraves interconexotildees intermediaacuterias as de SWCNT bundle apresentam

desempenho superior agraves de cobre

As interconexotildees de SWCNT bundle e as interconexotildees de cobre foram entatildeo simuladas na

rede H-tree clock de dois niacuteveis para diferentes comprimentos e frequecircncias Nos pontos

de destino final da rede foram colocadas portas inversoras formadas por SETs permitindo

a anaacutelise de circuitos nanoeletrocircnicos

A partir da anaacutelise da rede H-tree clock observou-se que as interconexotildees de SWCNT

bundle possuem desempenho melhor que as de cobre principalmente em relaccedilatildeo ao slew

rate agrave atenuaccedilatildeo ao tempo de atraso e ao produto atraso-potecircncia Aleacutem disso a

dissipaccedilatildeo de potecircncia das interconexotildees natildeo-ideais natildeo interferem na potecircncia total

dissipada pelo circuito Assim as interconexotildees de SWCNT bundle satildeo fortes candidatas a

substituirem as interconexotildees de cobre em circuitos em escala giga (GSI) e tera (TSI)

Como perspectivas futuras eacute importante analisar o efeito das interconexotildees de nanotubo de

carbono em circuitos GSI e TSI com outras arquiteturas A anaacutelise das interconexotildees de

CNT tambeacutem deve ser feita em circuitos com tecnologia MOS permitindo a comparaccedilatildeo

entre diferentes tecnologias Aleacutem disso eacute interessante estudar outros tipos de materiais

que possam ser utilizados como interconexotildees em circuitos integrados

47

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53

7 APEcircNDICES

71 TABELAS COMPLEMENTARES

Tabela 71 Paracircmetros obtidos a partir do modelo de SWCNT isolado

L RQ (Ω) RS (Ω) LCNT (10-9

H) CCNT (10-18

F)

10 nm 645103 - 40010

-2 27910

-1

100 nm 645103 - 40010

-1 279

200 nm 645103 - 80010

-1 558

300 nm 645103 - 120 837

400 nm 645103 - 160 11210

1

500 nm 645103 - 200 14010

1

600 nm 645103 - 240 16710

1

700 nm 645103 - 280 19510

1

800 nm 645103 - 320 22310

1

900 nm 645103 - 360 25110

1

1 microm 645103 - 400 27910

1

10 microm 645103 64510

4 40010

1 27910

2

100 microm 645103 64510

5 40010

2 27910

3

200 microm 645103 12910

6 80010

2 55810

3

300 microm 645103 19410

6 12010

3 83710

3

400 microm

645103 25810

6 16010

3 11210

4

500 microm

645103 32310

6 20010

3 14010

4

Tabela 72 Paracircmetros obtidos a partir do modelo de SWCNT bundle

L RQ (Ω) RS (Ω) LBundle(10-9

H) CBundle(10-18

F)

10 nm 1075 - 66710-5

135

100 nm 1075 - 66710-4

135101

200 nm 1075 - 13310-3

270101

300 nm 1075 - 20010-3

405101

400 nm 1075 - 26710-3

540101

500 nm 1075 - 33310-3

675101

600 nm 1075 - 40010-3

810101

700 nm 1075 - 46710-3

945101

800 nm 1075 - 53310-3

108102

900 nm 1075 - 60010-3

122102

1 microm 1075 - 66710-3

135102

10 microm 1075 108102 66710

-2 13510

3

100 microm 1075 108103 66710

-1 13510

4

200 microm 1075 215103 133 27010

4

300 microm 1075 323103 200 40510

4

400 microm

1075 430103 267 54010

4

500 microm

1075 538103 333 67510

4

54

Tabela 73 Paracircmetros obtidos a partir do modelo de cobre

L RCu (Ω) LCu (10-9

H) CCu (10-18

F)

10 nm 06 37310-6

150

100 nm 60 63610-5

150101

200 nm 120 17510-4

300101

300 nm 180 30910-4

450101

400 nm 240 45410-4

600101

500 nm 300 61110-4

750101

600 nm 360 77510-4

900101

700 nm 420 94610-4

105102

800 nm 480 11210-3

120102

900 nm 540 13110-3

135102

1 microm 600 14910-3

150102

10 microm 60102 24010

-2 15010

3

100 microm 60103 33210

-1 15010

4

200 microm 12104 72010

-1 30010

4

300 microm 18104 113 45010

4

400 microm

24104 155 60010

4

500 microm

30104 198 75010

4

55

Tabela 74 Frequecircncia em -3dB das interconexotildees locais

Comprimento Material f-3dB

10 nm SWCNT isolado 253 GHz

SWCNT bundle 66 THz

Cobre 232 THz

100 nm SWCNT isolado 300 GHz

SWCNT bundle 20 THz

Cobre 51 THz

200 nm SWCNT isolado 342 GHz

SWCNT bundle 14 THz

Cobre 29 THz

300 nm SWCNT isolado 344 GHz

SWCNT bundle 11 THz

Cobre 20 THz

400 nm SWCNT isolado 329 GHz

SWCNT bundle 89 THz

Cobre 15 THz

500 nm SWCNT isolado 307 GHz

SWCNT bundle 76 THz

Cobre 12 THz

600 nm SWCNT isolado 288 GHz

SWCNT bundle 67 THz

Cobre 94 THz

700 nm SWCNT isolado 271 GHz

SWCNT bundle 61 THz

Cobre 76 THz

800 nm SWCNT isolado 255 GHz

SWCNT bundle 55 THz

Cobre 63 THz

900 nm SWCNT isolado 240 GHz

SWCNT bundle 51 THz

Cobre 52 THz

1 microm SWCNT isolado 230 GHz

SWCNT bundle 47 THz

Cobre 42 THz

56

Tabela 75 Frequecircncia em -3dB das interconexotildees intermediaacuterias

Comprimento Material f-3dB

10 microm SWCNT isolado 26 GHz

SWCNT bundle 527 GHz

Cobre 34 GHz

100 microm SWCNT isolado 32 MHz

SWCNT bundle 42 GHz

Cobre 345 MHz

200 microm SWCNT isolado 82 MHz

SWCNT bundle 10 GHz

Cobre 87 MHz

300 microm SWCNT isolado 36 MHz

SWCNT bundle 455 MHz

Cobre 38 MHz

400 microm SWCNT isolado 21 MHz

SWCNT bundle 256 MHz

Cobre 21 MHz

500 microm SWCNT isolado 13 MHz

SWCNT bundle 165 MHz

Cobre 14 MHz

57

8 ANEXOS

81 COacuteDIGO SPICE DO SET [44]

Transistor mono-eleacutetron (SET) conexotildees fonte | dreno | | porta1 | | | porta2 | | | | SUBCKT SET 1 2 3 4 PARAMS +C1=1E-20 Capacitacircncia da junccedilatildeo 1 +C2=1E-20 Capacitacircncia da junccedilatildeo 2 +R1=1E5 Resistecircncia da junccedilatildeo 1 +R2=1E5 Resistecircncia da junccedilatildeo 2 +Cg1=015E-18 Capacitacircncia da junccedilatildeo 1 +Cg2=0 Capacitacircncia da junccedilatildeo 2 +C0=0 Capacitacircncia proacutepria da ilha +Q0=005 Carga offset em unidades de e +TEMP=300 Temperatura PARAM E=160217733E-19 Carga do eleacutetron (e) PARAM CSUM=C1+C2+Cg1+Cg2+C0 Capacitacircncia total do SET PARAM T=TEMPCSUM53785467E14 Temperatura normalizada 53785467E14 = kBe^2 PARAM RN1=R1(R1+R2) Resistecircncia da junccedilatildeo 1 normalizada PARAM RN2=R2(R1+R2) Resistecircncia da junccedilatildeo 2 normalizada FUNC Q(v1v2v3v4) (Cg1v3+Cg2v4+C1v1+C2v2)E+Q0 Definiccedilatildeo da carga em unidades de e FUNC VN(v) CSUMvE Tensatildeo normalizada FUNC GAMMA(u) IF(T==0IF(ult0-u0)IF(u==0Tu(EXP(uT)-1))) FUNC N_OPT(v1v2v3v4) ROUND(-Q(v1v2v3v4)+(CSUME) (v1RN2+v2RN1)) A maior probabilidade de carga na ilha em unidades de e Os quarto eventos tuacuteneis FUNC R1L(nv1v2v3v4) GAMMA(05 - n - Q(v1v2v3v4) + VN(v1))RN1 FUNC R1R(nv1v2v3v4) GAMMA(05 + n + Q(v1v2v3v4) - VN(v1))RN1 FUNC R2L(nv1v2v3v4) GAMMA(05 + n + Q(v1v2v3v4) - VN(v2))RN2 FUNC R2R(nv1v2v3v4) GAMMA(05 - n - Q(v1v2v3v4) + VN(v2))RN2

58

determinaccedilatildeo das probabilidades relativas assume-se inicialmente que o estado da carga N_OPT tem probabilidade relativa igual a um FUNC PN_1(nv1v2v3v4) (R1L(nv1v2v3v4)+R2R(nv1v2v3v4))(R1R(n-1v1v2v3v4)+R2L(n-1v1v2v3v4)) FUNC PN_2(nv1v2v3v4) PN_1(nv1v2v3v4) +(R1L(n-1v1v2v3v4)+R2R(n-1v1v2v3v4))(R1R(n-2v1v2v3v4)+R2L(n-2v1v2v3v4)) FUNC PN_3(nv1v2v3v4) PN_2(nv1v2v3v4) +(R1L(n-2v1v2v3v4)+R2R(n-2v1v2v3v4))(R1R(n-3v1v2v3v4)+R2L(n-3v1v2v3v4)) FUNC PN_4(nv1v2v3v4) PN_3(nv1v2v3v4) +(R1L(n-3v1v2v3v4)+R2R(n-3v1v2v3v4))(R1R(n-4v1v2v3v4)+R2L(n-4v1v2v3v4)) FUNC PN_5(nv1v2v3v4) PN_4(nv1v2v3v4) +(R1L(n-4v1v2v3v4)+R2R(n-4v1v2v3v4))(R1R(n-5v1v2v3v4)+R2L(n-5v1v2v3v4)) FUNC PN1(nv1v2v3v4) (R2L(nv1v2v3v4) +R1R(nv1v2v3v4))(R2R(n+1v1v2v3v4)+R1L(n+1v1v2v3v4)) FUNC PN2(nv1v2v3v4) PN1(nv1v2v3v4) +(R2L(n+1v1v2v3v4)+R1R(n+1v1v2v3v4))(R2R(n+2v1v2v3v4)+R1L(n+2v1v2v3v4)) FUNC PN3(nv1v2v3v4) PN2(nv1v2v3v4) +(R2L(n+2v1v2v3v4)+R1R(n+2v1v2v3v4))(R2R(n+3v1v2v3v4)+R1L(n+3v1v2v3v4)) FUNC PN4(nv1v2v3v4) PN3(nv1v2v3v4) +(R2L(n+3v1v2v3v4)+R1R(n+3v1v2v3v4))(R2R(n+4v1v2v3v4)+R1L(n+4v1v2v3v4)) FUNC PN5(nv1v2v3v4) PN4(nv1v2v3v4) +(R2L(n+4v1v2v3v4)+R1R(n+4v1v2v3v4))(R2R(n+5v1v2v3v4)+R1L(n+5v1v2v3v4)) FUNC PSUM(nv1v2v3v4) PN_5(nv1v2v3v4)+PN_4(nv1v2v3v4)+PN_3(nv1v2v3v4)+PN_2(nv1v2v3v4) ++PN_1(nv1v2v3v4)+1+PN1(nv1v2v3v4)+PN2(nv1v2v3v4)+PN3(nv1v2v3v4) ++PN4(nv1v2v3v4)+PN5(nv1v2v3v4)

59

caacutelculo da corrente da fonte para o dreno FUNC CUR(nv1v2v3v4) PN_5(nv1v2v3v4)(R1R(n-5v1v2v3v4)-R1L(n-5v1v2v3v4)) ++PN_4(nv1v2v3v4)(R1R(n-4v1v2v3v4)-R1L(n-4v1v2v3v4)) ++PN_3(nv1v2v3v4)(R1R(n-3v1v2v3v4)-R1L(n-3v1v2v3v4)) ++PN_2(nv1v2v3v4)(R1R(n-2v1v2v3v4)-R1L(n-2v1v2v3v4)) ++PN_1(nv1v2v3v4)(R1R(n-1v1v2v3v4)-R1L(n-1v1v2v3v4)) ++(R1R(nv1v2v3v4)-R1L(nv1v2v3v4)) ++PN1(nv1v2v3v4)(R1R(n+1v1v2v3v4)-R1L(n+1v1v2v3v4)) ++PN2(nv1v2v3v4)(R1R(n+2v1v2v3v4)-R1L(n+2v1v2v3v4)) ++PN3(nv1v2v3v4)(R1R(n+3v1v2v3v4)-R1L(n+3v1v2v3v4)) ++PN4(nv1v2v3v4)(R1R(n+4v1v2v3v4)-R1L(n+4v1v2v3v4)) ++PN5(nv1v2v3v4)(R1R(n+5v1v2v3v4)-R1L(n+5v1v2v3v4)) FUNC CURRENT(nv1v2v3v4) ECUR(nv1v2v3v4)(CSUMPSUM(nv1v2v3v4)(R1+R2)) caacutelculo da tensatildeo da ilha FUNC VOLT(nv1v2v3v4) PN_5(nv1v2v3v4)(n-5+Q(v1v2v3v4)) ++PN_4(nv1v2v3v4)(n-4+Q(v1v2v3v4)) ++PN_3(nv1v2v3v4)(n-3+Q(v1v2v3v4)) ++PN_2(nv1v2v3v4)(n-2+Q(v1v2v3v4)) ++PN_1(nv1v2v3v4)(n-1+Q(v1v2v3v4)) ++n+Q(v1v2v3v4) ++PN1(nv1v2v3v4)(n+1+Q(v1v2v3v4)) ++PN2(nv1v2v3v4)(n+2+Q(v1v2v3v4)) ++PN3(nv1v2v3v4)(n+3+Q(v1v2v3v4)) ++PN4(nv1v2v3v4)(n+4+Q(v1v2v3v4)) ++PN5(nv1v2v3v4)(n+5+Q(v1v2v3v4)) FUNC VOLTAGE(nv1v2v3v4) (ECSUM)VOLT(nv1v2v3v4)PSUM(nv1v2v3v4) E1 5 0 VALUE= VOLTAGE(N_OPT(V(1)V(2)V(3)V(4))V(1)V(2)V(3)V(4)) Tensatildeo da ilha G1 1 2 VALUE= CURRENT(N_OPT(V(1)V(2)V(3)V(4))V(1)V(2)V(3)V(4)) Corrente da fonte para o dreno CT1 1 5 C1 CT2 2 5 C2 CGATE1 3 5 CG1 CGATE2 4 5 CG2 ENDS SET

Page 19: ANÁLISE COMPARATIVA ENTRE ... - repositorio.unb.brrepositorio.unb.br/.../1/2012_CamilaPeixotoSilvaMadeiraNogueira.pdf · Prof. Stefan Michael Blawid, ... Deus colocou esses dois

6

do reator O mecanismo de crescimento do CNT tem sido considerado como um processo

de dissociaccedilatildeo-difusatildeo-precipitaccedilatildeo em que o carbono eacute formado sobre a superfiacutecie de

uma partiacutecula de metal seguida de difusatildeo e precipitaccedilatildeo sob a forma de grafeno ciliacutendrico

[22]

213 Modelos de Interconexatildeo

Para realizar uma comparaccedilatildeo por simulaccedilatildeo entre o desempenho do CNT e do cobre

modelos equivalentes de circuito de interconexotildees que reproduzam com fidelidade o seu

comportamento fiacutesico satildeo necessaacuterios Com esse intuito eacute fundamental que os fatores que

interferem no desempenho das interconexotildees como resistecircncia indutacircncia capacitacircncia e

comprimento sejam considerados A partir do estudo desses modelos eacute possiacutevel verificar

se as interconexotildees de CNT poderatildeo substituir as de cobre e os casos em que isso eacute

possiacutevel

2131 Modelo de interconexatildeo do SWCNT isolado

A resistecircncia de um SWCNT isolado eacute composta por ateacute trecircs partes resistecircncia de contato

entre o metal e o nanotubo (Rc) resistecircncia quacircntica (Rq) e resistecircncia de espalhamento

(Rs) [192325] As resistecircncias de contato e quacircntica satildeo independentes do comprimento

do nanotubo Jaacute a resistecircncia de espalhamento depende do comprimento do nanotubo [26-

31]

Quando o comprimento do SWCNT eacute menor ou igual ao caminho meacutedio livre (lCNT le

λCNT) que eacute tipicamente 1 microm o transporte de eleacutetrons eacute essencialmente baliacutestico e a

resistecircncia independe do comprimento do nanotubo [1332] No entanto quando o

comprimento do SWCNT eacute maior que o caminho meacutedio livre (lCNT gt λCNT) haacute uma

resistecircncia adicional que depende do comprimento do SWCNT e eacute chamada de resistecircncia

de espalhamento [13-15] Assim a resistecircncia total eacute dada pela equaccedilatildeo (21) em que lCNT

eacute o comprimento do nanotubo de carbono

CNTCNT

CNTCNT

CNTlseRsRqRc

lseRqRcR

(21)

7

A resistecircncia de contato pode chegar ao valor de 100 kΩ [131533] Contudo essa

resistecircncia em nanotubos de carbono com diacircmetro maior que 1nm estaacute na ordem de

poucos kilo ohms ou ateacute mesmo centenas de ohms [1316] Neste trabalho considerou-se o

contato metal-nanotubo como sendo perfeito ou seja Rc = 0

A resistecircncia quacircntica e a de espalhamento satildeo descritas pelas equaccedilotildees (22) e (23)

respectivamente onde e eacute a carga do eleacutetron e h eacute a constante de Plank A resistecircncia

quacircntica (Rq) eacute igualmente dividida em cada lado dos contatos metal-nanotubo [13-

173435]

ke

hRq 456

4 2 (22)

CNT

CNTl

e

hRs

24 (23)

O movimento de eleacutetrons transportados por um condutor eacute modelado pela indutacircncia que

consiste na indutacircncia magneacutetica e cineacutetica [1316] No SWCNT a indutacircncia magneacutetica eacute

calculada considerando que o CNT eacute um fio muito fino com diacircmetro d e estaacute

posicionado a uma distacircncia y do plano ligado ao terra A indutacircncia cineacutetica eacute calculada

pela equaccedilatildeo da energia cineacutetica armazenada em cada canal condutor do CNT para uma

indutacircncia efetiva [141535] Assim a indutacircncia magneacutetica (LM) e a cineacutetica (LK) podem

ser calculadas pelas equaccedilotildees (24) e (25) respectivamente

d

yLM ln

2

(24)

F

Kve

hL

22 (25)

Para d = 1nm e y = 1microm LM = 14pHmicrom [141529] Como vF eacute a velocidade de Fermi

cujo valor eacute dado por 8x105 ms para o CNT o valor da indutacircncia cineacutetica eacute LK =

16nHmicrom [13-1635] Sabendo que cada CNT tem quatro canais condutores em paralelo

que natildeo interagem entre si a indutacircncia cineacutetica efetiva eacute dada por LK4 [13-15] Uma boa

aproximaccedilatildeo da indutacircncia total do CNT (LCNT) eacute 4 nHmicrom [15]

8

Por fim a capacitacircncia de um SWCNT isolado eacute constituiacuteda por duas partes que satildeo a

capacitacircncia eletrostaacutetica (CE) e a quacircntica (CQ) [13-1735] Essas capacitacircncias satildeo

calculadas pelas equaccedilotildees (26) e (27)

d

yCE

ln

2 (26)

F

Qhv

eC

22 (27)

A capacitacircncia eletrostaacutetica eacute influenciada pelo ambiente que a envolve que satildeo os seus

vizinhos e o plano ligado ao terra Considerando que o CNT eacute um fio com diacircmetro d =

1nm e a distacircncia y = 1microm obteacutem-se CE = 30 aFmicrom Jaacute a capacitacircncia quacircntica se refere agrave

influecircncia da energia quacircntica armazenada no nanotubo quando este carrega corrente O

valor da capacitacircncia eacute CQ = 100 aFmicrom [1314] Considerando os quatro canais condutores

descritos anteriormente a capacitacircncia total eacute dada por (28)

QE

QE

CNTCC

CCC

4

4

(28)

Assim o esquemaacutetico da interconexatildeo de um SWCNT isolado eacute mostrado na Figura 24

abaixo

Figura 24 ndash Modelo de interconexatildeo do SWCNT isolado (modificado de [33])

2132 Modelo de interconexatildeo do SWCNT bundle

O SWCNT bundle possui resistecircncia equivalente menor que o SWCNT isolado

caracteriacutestica necessaacuteria para alcanccedilar performances comparaacuteveis agraves interconexotildees de

9

cobre [13-2023252629-38] O SWCNT bundle eacute composto por vaacuterios SWCNTs

empacotados em paralelo Assume-se que todos os SWCNTs satildeo idecircnticos metaacutelicos e que

cada um tem o mesmo potencial [1737] Sabendo que d eacute o diacircmetro do nanotubo de

carbono e x eacute a distacircncia entre os centros de dois nanotubos adjacentes o SWCNT bundle

pode ser empacotado de forma densa se x = d ou de forma esparsa se x gt d [13-1529-

32] Sabe-se que entre os nanotubos existe uma separaccedilatildeo δmin devido agrave forccedila de Van der

Waals que eacute de pelo menos 032 nm entre cada nanotubo [13] como mostra a Figura 25

Figura 25 ndash Separaccedilatildeo miacutenima entre CNTs devido agrave forccedila de Van der Waals (modificado

de [13])

O nuacutemero de nanotubos de carbono nCNT disponiacutevel pode ser calculado pelas expressotildees

dadas em (29) e (210) [141530]

iacutemparnsen

nn

parnsen

nn

n

HH

HW

HH

HW

CNT

2

1

2

(29)

1

23

x

dtn

x

dwn HW (210)

Nas expressotildees acima w eacute a largura e t eacute a altura da interconexatildeo de SWCNT bundle

Assim nW eacute o nuacutemero de CNTs ao longo da largura do SWCNT bundle e nH eacute o nuacutemero de

CNTs ao longo da altura do SWCNT bundle [13-1530] A Figura 26 mostra esses valores

[13]

10

Figura 26 ndash Nuacutemero de CNTs ao longo da largura (nW) e da altura (nH) do CNT

bundle[13]

Na tecnologia de 22 nm considerando as dimensotildees de 22 nm de largura e 44 nm de altura

do SWCNT bundle [13173437] e a separaccedilatildeo entre cada nanotubo devido agrave forccedila de Van

der Waals a quantidade de SWCNTs eacute aproximadamente 600 Neste trabalho estas

consideraccedilotildees foram feitas e a tecnologia de 22 nm foi utilizada Esta tecnologia eacute prevista

pelo ITRS para o ano de 2016 [21]

As resistecircncias de cada SWCNT estatildeo em paralelo entre elas assim como as indutacircncias

Assim a resistecircncia e a indutacircncia do SWCNT bundle com nCNT SWCNTs satildeo calculados

respectivamente pelas expressotildees (211) e (212) [1323252629-3234]

CNT

CNTbundle

n

RR (211)

CNT

CNTbundle

n

LL (212)

Considerando que todos os SWCNTs estatildeo no mesmo potencial que os contatos entre

todos os nanotubos de carbono em um bundle satildeo idecircnticos e que cada SWCNT tem o

mesmo caminho meacutedio livre [13] eacute possiacutevel assumir que a interaccedilatildeo entre CNTs

adjacentes de um SWCNT bundle eacute fraca e que eles carregam correntes independentes

umas das outras [13-17]

A capacitacircncia do SWCNT bundle eacute obtida a partir da combinaccedilatildeo da capacitacircncia

quacircntica de todos os SWCNTs em paralelo chamada de capacitacircncia quacircntica bundle

(CQbundle

) que estaacute em seacuterie com a capacitacircncia eletrostaacutetica (CEbundle

) [13143539] A

capacitacircncia quacircntica e a capacitacircncia eletrostaacutetica satildeo calculadas pelas equaccedilotildees (213) e

(214) em que CEn e CEf satildeo as capacitacircncias de placas paralelas de CNTs isolados em

11

relaccedilatildeo aos vizinhos proacuteximos e afastados respectivamente [14293032] Assim a

capacitacircncia total do SWCNT bundle eacute obtida pela equaccedilatildeo (215)

CNT

CNT

Q

bundle

Q nCC (213)

En

HEf

WEn

bundle

E Cn

Cn

CC5

23

2

22

(214)

bundle

Q

bundle

E

bundle

Q

bundle

E

bundleCC

CCC

(215)

Analisando a equaccedilatildeo (215) o efeito da CQbundle

eacute pequeno para grandes valores de nCNT

sendo o valor da capacitacircncia do SWCNT bundle aproximadamente igual agrave sua

capacitacircncia eletrostaacutetica [13161719] Srivastava et al [13] mostra que os nanotubos no

interior do SWCNT bundle satildeo blindados eletrostaticamente dos condutores de terra

podendo ser desprezados Os CNTs de borda satildeo os principais contribuidores para a

capacitacircncia eletrostaacutetica do SWCNT bundle No entanto a equaccedilatildeo (214) natildeo reproduz

fielmente a realidade jaacute que considera a capacitacircncia eletrostaacutetica de todos os nanotubos e

natildeo soacute os CNTs de borda Segundo o mesmo autor para a tecnologia de 22 nm e uma

constante dieleacutetrica igual a 2 a capacitacircncia total do SWCNT bundle eacute aproximadamente

135 aFμm

2133 Modelo de interconexatildeo do cobre

As propriedades fiacutesicas de interconexotildees de cobre podem ser descritas por resistecircncia

capacitacircncia e indutacircncia [14-16] A resistecircncia do cobre pode ser calculada utilizando a

equaccedilatildeo (216)

tw

lRCu

(216)

em que l eacute o comprimento do cobre w eacute a sua largura t eacute a sua altura e ρ eacute a sua

resistividade A resistividade do cobre em escala nanomeacutetrica eacute moldada pela combinaccedilatildeo

dos fenocircmenos de espalhamento superficial e de espalhamento de contorno

[151627283340] Estes fenocircmenos correspondem aos paracircmetros ρFS e ρMS propostos

12

por Fuchs e Sondheimer (ρFS) e por Mayadas e Shatzkes (ρMS) [1516] Estes paracircmetros

satildeo calculados pelas expressotildees (217) (218) e (219)

)1(

4

31 p

w

o

o

FS

(217)

11ln33

2

31 22

MS

o (218)

)1( R

R

D

o

(219)

O paracircmetro ρo eacute a resistividade do material λo eacute o caminho meacutedio livre p eacute o paracircmetro

de espalhamento de Fuchs D eacute o tamanho meacutedio e R eacute o coeficiente de reflexatildeo no

contorno com valores entre 0 e 1 Assim tem-se que a resistecircncia do cobre em escala

nanomeacutetrica eacute dada pela equaccedilatildeo (220) [1516]

tw

lR MSFS

Cu

(220)

De acordo com [1433] o valor da resistividade do cobre na tecnologia de 22nm para

interconexotildees locais eacute dado por 4666 μΩ-cm No entanto este valor da resistividade do

cobre chega a 58 μΩ-cm para valores miacutenimos da largura do fio [1516203940] Neste

trabalho seraacute utilizado o valor de 58 μΩ-cm para a resistividade do cobre na tecnologia de

22 nm que vai ao encontro dos requerimentos do ITRS [21]

A indutacircncia proacutepria (L) e a muacutetua (M) da interconexatildeo de cobre em escala nanomeacutetrica

satildeo obtidas usando respectivamente as expressotildees (221) e (222)

l

tw

tw

llL o )(220

2

12ln

2

(221)

l

s

s

llM o 1

2ln

2

(222)

em que t eacute a altura do fio microo eacute a permeabilidade e s eacute o espaccedilamento entre os fios [14-16]

A indutacircncia total do cobre (LCu) eacute dada pela soma das indutacircncias proacutepria e muacutetua

13

A capacitacircncia da interconexatildeo de cobre eacute calculada pela soma da capacitacircncia de

acoplamento entre dois fios adjacentes (CC) e a capacitacircncia ligada ao plano do terra (Cg)

[14-16] Essas capacitacircncias podem ser obtidas pelas equaccedilotildees (223) e (224) [1541]

120760193

534511171

70222

ht

t

hs

s

hs

s

h

wCg (223)

181160141090

980871161

591740

062141

sh

h

sw

w

sw

w

sh

h

s

tCC (224)

em que s eacute o espaccedilamento entre dois fios adjacentes h eacute a distacircncia do fio em relaccedilatildeo ao

plano do terra e ε eacute a permissividade relativa para uma dada constante dieleacutetrica

Considerando as equaccedilotildees (223) e (224) e de acordo com [1321] para uma constante

dieleacutetrica igual a 2 o valor da capacitacircncia total do cobre (CCu) eacute aproximadamente 150

aFμm que seraacute utilizado neste trabalho

Os modelos em L em π e em T satildeo usados como modelos de interconexatildeo de cobre [11]

Como o modelo π eacute muito utilizado para uma linha distribuiacuteda [1416] este modelo seraacute

usado neste trabalho A Figura 27 mostra o modelo de interconexatildeo de cobre [11]

Figura 27 ndash Modelo de interconexatildeo de cobre

A precisatildeo do modelo eacute determinada pelo nuacutemero de seguimentos bdquoN‟ que ele possui Uma

cadeia com mais de trecircs segmentos em π fornece um erro menor que 3 [16] Neste

trabalho seratildeo utilizados trecircs segmentos em π

14

22 INVERSOR MONO-ELEacuteTRON

Os dispositivos de tunelamento mono-eleacutetron satildeo dispositivos nanoeletrocircnicos

potencialmente aplicaacuteveis em circuitos integrados em escala giga (GSI) e tera (TSI)

Apesar de apresentarem baixo ganho e alta impedacircncia de saiacuteda estes dispositivos

possuem tamanho reduzido e baixa dissipaccedilatildeo de potecircncia Estas caracteriacutesticas os tornam

atrativos em circuitos loacutegicos e circuitos de memoacuteria [1-10] Assim portas loacutegicas podem

ser implementadas utilizando dispositivos de tunelamento mono-eleacutetron [14-9]

As portas loacutegicas satildeo blocos de construccedilatildeo baacutesicos na eletrocircnica digital O inversor loacutegico

ou porta NOT eacute o principal elemento baacutesico no projeto de circuitos digitais [42] O

inversor inverte o sinal de entrada de valor loacutegico baixo ndash 0 ndash em um sinal de saiacuteda de

valor loacutegico alto ndash 1 ndash e vice-versa [442] Em outras palavras a porta NOT efetua a

negaccedilatildeo loacutegica O siacutembolo do inversor juntamente com sua tabela verdade estaacute ilustrado

na Figura 28

Figura 28 ndash Siacutembolo e tabela verdade da porta NOT

221 Dispositivo de tunelamento mono-eleacutetron

O funcionamento dos dispositivos de tunelamento mono-eleacutetron eacute baseado no controle do

movimento e da posiccedilatildeo de um uacutenico ou de um pequeno grupo de eleacutetrons no dispositivo

[17] Os seguintes conceitos satildeo essenciais na definiccedilatildeo desses dispositivos ilha junccedilatildeo-

tuacutenel tunelamento efeito de carregamento e bloqueio de Coulomb A partir desses

conceitos eacute possiacutevel definir o transistor mono-eleacutetron - SET (do inglecircs Single-electron

transistor) [24-8]

A ilha estaacute localizada entre duas paredes finas de um material normalmente isolante as

quais criam uma barreira de potencial de energia que impossibilita a movimentaccedilatildeo de

eleacutetrons pela ilha A Figura 29 mostra dois eletrodos A e B separados por uma barreira

15

isolante e no meio dessa barreira isolante encontra-se a ilha Se a energia dos eleacutetrons for

maior que a energia potencial das paredes das barreiras estes poderatildeo atravessaacute-las [6] No

dispositivo de tunelamento mono-eleacutetron o transporte de eleacutetrons entre o eletrodo A e a

ilha e entre a ilha e o eletrodo B ocorre por tunelamento mono-eleacutetron em que os eleacutetrons

atravessam as barreiras um de cada vez [10]

Figura 29 Dois eletrodos separados por uma ilha [10]

Esses dispositivos satildeo formados por junccedilotildees-tuacutenel que satildeo dois eletrodos metaacutelicos

separados por um isolante muito fino (barreira) o qual permite a passagem de eleacutetrons por

tunelamento [467] A Figura 210 ilustra a junccedilatildeo-tuacutenel e sua representaccedilatildeo simboacutelica Os

paracircmetros que caracterizam a junccedilatildeo-tuacutenel macroscopicamente satildeo a resistecircncia de

tunelamento (Rj) que depende da aacuterea e da espessura da barreira isolante e a capacitacircncia

(Cj) [10]

Figura 210 Esquemaacutetico da junccedilatildeo-tuacutenel [10]

O tunelamento eacute o transporte de partiacuteculas atraveacutes de uma regiatildeo em que a energia total de

uma partiacutecula pontual claacutessica eacute menor que a energia potencial da regiatildeo ou seja eacute o

transporte atraveacutes de uma regiatildeo classicamente proibida [10] O efeito de tunelamento

ocorre quando a barreira de potencial for suficientemente fina permitindo que o eleacutetron a

atravesse se houver niacutevel de energia desocupado do outro lado da barreira com o mesmo

valor de energia Esse fenocircmeno pode ser explicado pelo comportamento dual do eleacutetron

Diferentemente da mecacircnica claacutessica na teoria eletromagneacutetica quando uma partiacutecula

encontra uma barreira de potencial parte da onda eacute refletida e a outra parte eacute transmitida

para o outro lado da barreira [10] A teoria ortodoxa do tunelamento mono-eleacutetron eacute o

modelo mais utilizado para analisar o tunelamento [4-6] Proposto em 1987 por Averin e

Likharev [43] este modelo apresenta os seguintes postulados

16

Modelo de dimensatildeo zero as dimensotildees das ilhas satildeo despreziacuteveis

O evento de tunelamento eacute considerado instantacircneo

A redistribuiccedilatildeo das cargas apoacutes tunelamento tambeacutem eacute considerada instantacircnea

O espectro de energia em condutores e ilhas eacute considerado contiacutenuo ou seja a

quantizaccedilatildeo da energia do eleacutetron eacute ignorada dentro dos condutores

Apesar de a teoria ortodoxa assumir condiccedilotildees hipoteacuteticas ela continua sendo muito

utilizada em estudos do dispositivo mono-eleacutetron [4-6]

O efeito de carregamento ocorre quando os eleacutetrons estatildeo na iminecircncia de entrar em um

material condutor extremamente pequeno isolado eletricamente (ilha) Se houver um

eleacutetron na ilha o potencial eletrostaacutetico da ilha aumenta bastante sendo bem superior ao

ruiacutedo teacutermico em temperatura ambiente O fluxo de eleacutetrons na ilha eacute possiacutevel se o

potencial da ilha for controlado por uma fonte de tensatildeo externa Outros eleacutetrons satildeo

impedidos de entrar na ilha devido agrave repulsatildeo de Coulomb [14-9]

Assim o bloqueio de Coulomb ocorre quando um eleacutetron entra na ilha e impede o

tunelamento de outro eleacutetron nesta ilha No momento em que o eleacutetron entra na ilha a

energia eletrostaacutetica da ilha aumenta em Ce 22 em que CΣ eacute a soma das capacitacircncias

em torno da ilha [14] Dessa forma outro eleacutetron soacute conseguiraacute tunelar para dentro da ilha

se sua energia for maior que a energia eletrostaacutetica da ilha [6] A Figura 211 ilustra os

diagramas de energia no bloqueio de Coulomb e no caso de tunelamento [10]

(a) (b)

Figura 211 Diagramas de energia (a) Bloqueio de Coulomb (b) Tunelamento mono-

eleacutetron [10]

17

O bloqueio de Coulomb eacute superado ao se aplicar uma tensatildeo Vg ao circuito ateacute que esta

tensatildeo alcance um dado valor de limiar que forneceraacute energia suficiente para que ocorra o

tunelamento de um eleacutetron Assim haveraacute o fluxo de eleacutetrons havendo corrente A Figura

212 mostra a regiatildeo do bloqueio de Coulomb ao aplicar uma tensatildeo Vg ao circuito em que

Vc eacute a tensatildeo de limiar chamada de tensatildeo de bloqueio de Coulomb [5-10]

Figura 212 Caracteriacutestica do bloqueio de Coulomb [10]

Nesse contexto duas condiccedilotildees satildeo necessaacuterias para garantir que o transporte de eleacutetrons

seja controlado pelo efeito de carregamento a condiccedilatildeo para a resistecircncia de tunelamento

dada pela equaccedilatildeo (225) [1] em que a natureza corpuscular do eleacutetron predomina sobre a

natureza ondulatoacuteria e a energia eletrostaacutetica (EC) associada a uma dada temperatura (T)

deve ser significativamente maior que as flutuaccedilotildees teacutermicas existentes agravequela

temperatura como descrita na equaccedilatildeo (226) [146-9] Os paracircmetros h eacute a constante de

Planck e eacute a carga do eleacutetron kB eacute a constante de Boltzmann e C eacute capacitacircncia Na

equaccedilatildeo (226) a temperatura deve ser maior que 0K [10]

kRe

hR TT 825

2 (225)

TkC

eTkEc BB

2

2

(226)

A partir dos conceitos apresentados pode-se definir o transistor mono-eleacutetron O SET

ilustrado na Figura 213 [10] eacute composto por duas junccedilotildees-tuacutenel em seacuterie formando uma

ilha entre as junccedilotildees [246-9] Os paracircmetros R1 C1 e R2 C2 correspondem agraves

resistecircncias e capacitacircncias da primeira e da segunda junccedilatildeo-tuacutenel respectivamente A

tensatildeo de porta Vg controla a energia eletrostaacutetica da ilha atraveacutes da capacitacircncia Cg

18

Quando haacute carregamento por tunelamento de uma junccedilatildeo e descarregamento da outra

junccedilatildeo haacute um fluxo controlado de cargas o que gera a corrente I [10]

Figura 213 Transistor mono-eleacutetron [10]

Um efeito que pode ser observado na caracteriacutestica da corrente versus tensatildeo do transistor

mono-eleacutetron eacute chamado de oscilaccedilatildeo de Coulomb [24679] Se a tensatildeo V for mantida

constante com CeV e a tensatildeo Vg for aumentada ateacute atingir gg CeV 2 esse

valor de tensatildeo permitiraacute que um eleacutetron passe pela ilha Como soacute haveraacute corrente fluindo

no circuito em valores muacuteltiplos da tensatildeo gCe 2 soacute ocorreraacute o tunelamento novamente

quando )2(3 gg CeV A caracteriacutestica corrente (I) versus tensatildeo (Vg) do transistor

mono-eleacutetron eacute ilustrada na Figura 214 [10]

Figura 214 Caracteriacutestica corrente (I) versus tensatildeo (Vg) do transistor mono-eleacutetron [10]

222 Estrutura do inversor mono-eleacutetron

Um inversor pode ser construiacutedo colocando-se dois SETs em seacuterie os quais compartilham

da mesma entrada [5689] conforme mostrado na Figura 215 Vin eacute a tensatildeo de entrada

Vout eacute a tensatildeo de saiacuteda Vbias eacute a tensatildeo de polarizaccedilatildeo CC eacute a capacitacircncia de carga Cg1 e

Cg2 satildeo as capacitacircncias de porta do SET 1 e do SET 2 respectivamente

19

Figura 215 Esquemaacutetico do inversor utilizando SETs (modificado de [4])

Alguns modelos do SET desenvolvidos no software SPICE foram propostos na literatura

[4-7] Destes modelos o proposto por G Lientschnig et al [4] descreve a implementaccedilatildeo

completa da teoria ortodoxa e usa apenas os recursos em versotildees disponiacuteveis publicamente

do software SPICE Este modelo diferentemente dos modelos propostos em [5-7] natildeo estaacute

limitado a transistores mono-eleacutetron com junccedilotildees-tuacutenel que tecircm resistecircncias iguais Aleacutem

disso pode ser estendido para incluir um nuacutemero arbitraacuterio de estados de carga que

permite simulaccedilotildees definidas para altas temperaturas e tensotildees de polarizaccedilatildeo [4] O

modelo de G Lientschnig et al estaacute disponiacutevel no siacutetio eletrocircnico [44] Assim este foi o

modelo utilizado neste trabalho

23 CLOCKING DE SISTEMAS DE ALTA VELOCIDADE

Em sistemas digitais siacutencronos o sinal do clock eacute utilizado para definir uma referecircncia de

tempo agrave mudanccedila de dados dentro do sistema [1145] Assim a distribuiccedilatildeo do clock eacute de

suma importacircncia na operaccedilatildeo de circuitos integrados digitais sendo uma grande

preocupaccedilatildeo em circuitos integrados de alta velocidade [46-51] Circuitos em escala

nanomeacutetrica podem ser significativamente limitados devido ao clock skew que ocorre

quando os circuitos natildeo estatildeo equumlidistantes do sinal do clock [11454649-51] Como este

sinal eacute o sinal mais ativo em um chip pode resultar em elevado consumo de potecircncia e

grandes densidades de corrente na rede de interconexotildees do clock [454849]

Dessa forma o sinal do clock deve atingir ao mesmo tempo cada noacute para garantir que a

comutaccedilatildeo seja sincronizada bem como deve ser distribuiacutedo de forma que haja o menor

20

atraso possiacutevel [49] Com esse intuito os seguintes fatores entre outros satildeo fundamentais

no desempenho do clock dispositivos loacutegicos de tecnologia raacutepida (avanccedilada) rede de

distribuiccedilatildeo de clock que minimize o skew e interconexotildees com alto desempenho [11]

Conforme exposto anteriormente os dispositivos nanoeletrocircnicos como os transistores

mono-eleacutetron satildeo potencialmente aplicaacuteveis em circuitos integrados em escala giga (GSI)

e tera (TSI) Estes dispositivos permitem que as funccedilotildees loacutegicas sejam desempenhadas em

um tempo mais raacutepido e com menor atraso Assim satildeo fortes candidatos a serem utilizados

em circuitos integrados com clock

A adequada rede de distribuiccedilatildeo do clock assegura que a comutaccedilatildeo seja sincronizada e

que haja o menor atraso possiacutevel [1145] Aleacutem disso dependendo da arquitetura da rede o

niacutevel de sincronismo do sistema pode aumentar Diferentes tipos de abordagens tecircm sido

desenvolvidos para projetar a rede de distribuiccedilatildeo do clock em sistemas digitais de

circuitos integrados [45] Os buffered trees satildeo muito utilizados na distribuiccedilatildeo

equipotencial do clock Aleacutem dessas estruturas assimeacutetricas arquiteturas simeacutetricas como

o H-tree satildeo usadas para distribuir sinais de clock em alta velocidade podendo inclusive

ser projetadas com buffers [45-51] Algumas formas de rede de distribuiccedilatildeo do clock estatildeo

ilustradas na Figura 216 incluindo a trunk tree mesh e H-tree [45]

Figura 216 Estruturas comuns de redes de distribuiccedilatildeo de clock [45]

21

Atualmente as interconexotildees de cobre satildeo bastante utilizadas para circuitos de alto

desempenho como em redes de clock No entanto os CNTs apresentam caracteriacutesticas que

os tornam melhores para serem utilizados em interconexotildees descritas na subseccedilatildeo 221

[48] Neste trabalho seraacute realizada a comparaccedilatildeo entre interconexotildees de cobre e de CNT

na rede de distribuiccedilatildeo do H-tree clock

231 H-Tree Clock

O clock skew pode ser minimizado distribuindo-se o sinal do clock de forma que as

interconexotildees que levam o sinal aos circuitos loacutegicos tecircm o mesmo comprimento Se antes

de chegarem aos circuitos loacutegicos os sinais do clock forem igualmente atrasados eles

estaratildeo perfeitamente sincronizados [1145] Dessa forma o esquemaacutetico da Figura 217 de

distribuiccedilatildeo do clock minimiza o clock skew repetindo recursivamente uma estrutura em

forma de H [11] A Figura 217 ilustra uma rede H-tree simeacutetrica com trecircs niacuteveis [46]

Figura 217 Esquemaacutetico do H-tree clock simeacutetrico (modificado de [46])

Na estrutura do H-tree o condutor primaacuterio do clock estaacute ligado ao centro do H principal

(1ordm niacutevel) transmitindo o sinal para os quatro cantos deste H Esses quatro cantos satildeo as

entradas para o proacuteximo niacutevel do H-tree o 2ordm niacutevel que possui quatro estruturas em H O

processo de distribuiccedilatildeo continua por vaacuterios niacuteveis de H‟s cada vez menores Os pontos de

destino final do H-tree satildeo usados para conduzir os circuitos locais Assim cada caminho

do clock desde a fonte ateacute o circuito local possui praticamente o mesmo atraso [45]

22

24 MEDIDAS DE DESEMPENHO NA ANAacuteLISE DAS INTERCONEXOtildeES

As interconexotildees em circuitos integrados possuem caracteriacutesticas que modificam o sinal de

entrada O efeito das interconexotildees pode provocar atrasos e distorccedilotildees indesejaacuteveis Nesse

contexto eacute necessaacuterio analisar medidas de desempenho dos sinais sob efeito das

interconexotildees tais como velocidade maacutexima atenuaccedilatildeo tempo de atraso potecircncia

dissipada produto atraso-potecircncia e slew rate [111317202342]

241 Velocidade maacutexima - anaacutelise na frequumlecircncia

A velocidade maacutexima que as interconexotildees podem operar sem distorcer o sinal de entrada

eacute uma medida de desempenho importante [172023] Eacute possiacutevel analisar este paracircmetro

atraveacutes da frequumlecircncia maacutexima de operaccedilatildeo da interconexatildeo que eacute a largura de banda em

que o sinal comeccedila a decair em -3dB em relaccedilatildeo ao sinal de referecircncia [1742] Assim

utiliza-se a anaacutelise do moacutedulo do graacutefico de Bode para obter a frequumlecircncia de operaccedilatildeo em

-3dB [42] A Figura 218 mostra o esboccedilo do moacutedulo do ganho pela frequumlecircncia tiacutepico do

comportamento de interconexotildees

Figura 218 Graacutefico do moacutedulo do ganho pela frequumlecircncia tiacutepico do comportamento de

interconexotildees

23

242 Atenuaccedilatildeo

A transmissatildeo de um sinal pode ser expressa em funccedilatildeo do seu ganho ou da sua atenuaccedilatildeo

No caso em estudo as interconexotildees podem atenuar o sinal Essa atenuaccedilatildeo eacute geralmente

calculada pela expressatildeo (227) em que Vo eacute o sinal de saiacuteda e Vi eacute o sinal de entrada [42]

i

o

V

VA log20 (227)

243 Tempo de atraso

O tempo de atraso td ou atraso na propagaccedilatildeo ocorre devido ao

carregamentodescarregamento da capacitacircncia de carga bem como ao tempo de

chaveamento dos transistores [42]

O tempo de atraso eacute obtido pela diferenccedila entre o tempo medido a 50 da transiccedilatildeo dos

sinais de entrada e de saiacuteda [11] Em circuitos loacutegicos o atraso na propagaccedilatildeo pode ser

calculado pela meacutedia aritmeacutetica do tempo de propagaccedilatildeo do sinal de alto para baixo tPHL e

do tempo de propagaccedilatildeo do baixo para alto tPLH conforme equaccedilatildeo (228) [1142]

2

PLHPHLd

ttt

(228)

244 Potecircncia dissipada

A dissipaccedilatildeo de potecircncia eacute outra medida de desempenho bastante importante em circuitos

integrados em escala GSI e TSI Isso ocorre jaacute que ao aumentar o nuacutemero de portas

loacutegicas em uma determinada aacuterea ocupada eacute necessaacuterio que a dissipaccedilatildeo de potecircncia esteja

dentro de limites aceitaacuteveis [1142]

A dissipaccedilatildeo de potecircncia eacute composta por dois componentes potecircncia estaacutetica e potecircncia

dinacircmica A dissipaccedilatildeo de potecircncia estaacutetica eacute dada por IVP DDE e ocorre mesmo que

natildeo haja chaveamento de porta loacutegica no circuito devido ao efeito da resistecircncia do

circuito [42] A dissipaccedilatildeo de potecircncia dinacircmica eacute devido agrave capacitacircncia de carga do

24

circuito expressa por CVfP DDD 2 em que VDD eacute a tensatildeo de alimentaccedilatildeo f eacute

frequumlecircncia do circuito e C eacute a capacitacircncia de carga do circuito [1142] Assim a soma da

potecircncia dinacircmica e da potecircncia estaacutetica resulta na potecircncia total dissipada no circuito

245 Produto atraso-potecircncia

Em circuitos integrados o ideal eacute que se tenha baixo atraso na propagaccedilatildeo resultando em

uma maior velocidade de funcionamento do circuito bem como baixa dissipaccedilatildeo de

potecircncia No entanto essas duas exigecircncias satildeo conflitantes ao reduzirmos a dissipaccedilatildeo de

potecircncia de uma porta a capacidade da porta em fornecer corrente diminuiraacute isso

implicaraacute em um maior tempo de carga e descarga aumentando o atraso na propagaccedilatildeo

Assim o produto atraso-potecircncia (delay power product ndash DP) eacute uma medida de

desempenho bastante utilizada na anaacutelise de circuitos e eacute dado por dD tPDP Quanto

menor o produto atraso-potecircncia maior a eficiecircncia do circuito loacutegico [42]

246 Slew rate

A taxa maacutexima de variaccedilatildeo da tensatildeo de saiacuteda do inglecircs slew rate (SR) eacute uma

caracteriacutestica importante do sinal de saiacuteda de um circuito loacutegico A limitaccedilatildeo na taxa de

variaccedilatildeo pode provocar uma distorccedilatildeo no funcionamento do circuito O SR pode ser

calculado pela expressatildeo (229) em que Δv eacute a variaccedilatildeo da tensatildeo de saiacuteda do sinal para

uma determinada variaccedilatildeo de tempo Δt [42]

t

vSR

(229)

25 LTSPICE

O software LTSPICE eacute um simulador SPICE de alto desempenho orientado a

esquemaacuteticos e visualizador de formas de onda com modelos para facilitar a simulaccedilatildeo de

circuitos eletrocircnicos Se comparado aos outros simuladores SPICE a simulaccedilatildeo do

LTSPICE eacute bastante raacutepida O software consegue simular dispositivos de acordo com o

padratildeo industrial reproduzindo os seus comportamentos [52]

25

O LTSPICE possui vaacuterias possibilidades de simulaccedilatildeo como anaacutelise transiente anaacutelise AC

e anaacutelise DC bem como permite a simulaccedilatildeo de vaacuterios dispositivos disponiacuteveis na sua

biblioteca Aleacutem disso este software possibilita a elaboraccedilatildeo de novos esquemaacuteticos

atraveacutes de um modelo matemaacutetico ou eletrocircnico proposto O novo componente poderaacute ser

utilizado no circuito conforme seraacute feito neste trabalho utilizando-se o modelo SPICE do

SET proposto por G Lientschnig et al[4]

26

3 METODOLOGIA

31 INTRODUCcedilAtildeO

A miniaturizaccedilatildeo das interconexotildees prejudica o seu desempenho resultando no aumento

significativo do valor da resistividade da capacitacircncia de acoplamento entre vias na

dificuldade de controlar a razatildeo entre a altura e a largura do material entre outros

problemas A fim de analisar o desempenho das interconexotildees eacute necessaacuterio verificar

algumas variaacuteveis importantes como velocidade maacutexima (f-3dB) atenuaccedilatildeo (A) tempo de

atraso (td) potecircncia dissipada (P) produto atraso-potecircncia (DP) e slew rate (SR)

[111317202342]

32 ETAPAS E ESTRATEacuteGIAS ADOTADAS

Com o intuito de analisar o efeito das interconexotildees em circuitos com transistores mono-

eleacutetron foi realizada primeiramente a anaacutelise das interconexotildees de SWCNT de SWCNT

bundle e de cobre isoladamente para diferentes valores de comprimento Apoacutes a avaliaccedilatildeo

desses resultados o efeito das interconexotildees foi analisado no H-tree clock com inversores

mono-eleacutetron nos seus terminais tambeacutem considerando diferentes comprimentos Neste

trabalho a tecnologia de 22 nm prevista para o ano de 2016 [21] foi utilizada na

comparaccedilatildeo entre o desempenho do cobre e do CNT Todas as simulaccedilotildees foram realizadas

utilizando o software LTSPICE

321 Simulaccedilatildeo das interconexotildees

A partir dos modelos das interconexotildees de SWCNT SWCNT bundle e cobre apresentados

na subseccedilatildeo 213 diferentes comprimentos das interconexotildees foram simulados Assim

analisou-se as interconexotildees locais em que l le 1 μm e as intermediaacuterias em que 1 μm lt l

le 500 μm sabendo que l eacute o comprimento da interconexatildeo [29-31333638]

A fim de analisar a frequumlecircncia de corte este foi obtido para comprimentos de

interconexotildees locais (10nm 100nm 200nm 300nm 400nm 500nm 600nm 700nm

27

800nm 900nm 1μm) e interconexotildees intermediaacuterias (10μm 100μm 200μm 300μm

400μm 500μm)

Jaacute que λCNT eacute tipicamente 1 μm foram escolhidos trecircs comprimentos na faixa lCNT le λCNT

(10 nm 100 nm e 1 μm) e trecircs comprimentos na faixa lCNT gt λCNT (10 μm 100 μm 500

μm) para serem analisados detalhadamente Escolheu-se uma mesma frequecircncia abaixo da

frequecircncia de corte dos trecircs materiais considerados para analisar e comparar a atenuaccedilatildeo

(A) e o tempo de atraso na propagaccedilatildeo (td) dos diferentes comprimentos

Em seguida o mesmo procedimento foi feito para comparar somente o SWCNT bundle e o

cobre para uma mesma frequecircncia cujo valor eacute maior que a frequecircncia da anaacutelise anterior

permitindo que estes dois materiais sejam analisados detalhadamente

Essas anaacutelises foram realizadas a partir da simulaccedilatildeo do circuito da Figura 31 [2325] A

tensatildeo de entrada Vin eacute uma onda quadrada de 1V de amplitude e o capacitor de carga tem

o valor de 100 aF

Figura 31 ndash Circuito simulado para cada interconexatildeo

A Figura 32 mostra o fluxograma das etapas descritas nesta subseccedilatildeo 321

28

Figura 32 ndash Fluxograma das etapas seguidas na simulaccedilatildeo das interconexotildees

322 Simulaccedilatildeo do inversor mono-eleacutetron

Para utilizar a porta inversora da Figura 215 nos terminais do H-tree clock foi necessaacuterio

primeiramente simular o SET proposto por [4] Essa simulaccedilatildeo foi feita variando os

paracircmetros do SET como as resistecircncias e capacitacircncias das junccedilotildees as capacitacircncias de

porta a temperatura etc Os paracircmetros foram variados ateacute simular o SET a temperatura

de 300K Em seguida simulou-se a inversora da Figura 215 tambeacutem a temperatura

ambiente Dessa forma foi possiacutevel simular a inversora isoladamente obtendo as

caracteriacutesticas do sinal de saiacuteda

323 Simulaccedilatildeo do H-tree clock mono-eleacutetron

Apoacutes a simulaccedilatildeo do SET foi possiacutevel simular o H-tree clock A rede H-tree de dois niacuteveis

foi simulada com um H no primeiro niacutevel e quatro H‟s no segundo niacutevel [49] Nos pontos

de destino final da rede foram colocadas portas inversoras formadas por SETs permitindo

a anaacutelise de circuitos nanoeletrocircnicos

Modelos de SWCNT

SWCNT bundle e cobre

Obtenccedilatildeo dos paracircmetros dos modelos para

interconexotildees locais e interconexotildees intermediaacuterias

Para cada comprimento

obtenccedilatildeo de f-3dB

1ordm) Escolha de frequumlecircncia abaixo

da f-3dB do SWCNT SWCNT

bundle e cobre

2ordm) Escolha de frequumlecircncia abaixo

da f-3dB do SWCNT bundle e

cobre

Obtenccedilatildeo de A e td de

cada modelo

Obtenccedilatildeo de A e td de

cada modelo

Anaacutelise comparativa entre o

SWCNT SWCNT bundle e

cobre

Anaacutelise comparativa entre o

SWCNT bundle e cobre

Estudo de interconexotildees locais (10nm

100nm 1μm) e intermediaacuterias (10μm

100μm 500μm)

29

A partir da simulaccedilatildeo do H-tree clock obteve-se a frequecircncia em -3dB (f-3dB) da rede com

interconexotildees ideais Assim a rede H-tree foi entatildeo simulada para duas frequecircncias

diferentes do sinal de entrada abaixo da frequecircncia de -3dB 10 GHz e 100 GHz Com

essas simulaccedilotildees obtiveram-se as seguintes caracteriacutesticas do sinal de saiacuteda da inversora

niacutevel loacutegico baixo (NB) niacutevel loacutegico alto (NA) tempo de subida (tr) slew rate de subida

(SR) atenuaccedilatildeo (A) tempo de atraso (td) potecircncia dissipada (P) e produto atraso-potecircncia

(DP) As caracteriacutesticas obtidas servem como referecircncia para analisar o sinal considerando

interconexotildees natildeo-ideais ou seja incluindo os modelos das interconexotildees nas simulaccedilotildees

Em seguida a rede H-tree foi simulada considerando-se os modelos das interconexotildees de

SWCNT bundle e de cobre variando os seus comprimentos Como cada H da rede de

distribuiccedilatildeo deve ser simeacutetrico considerou-se que cada divisatildeo do H tem o mesmo

comprimento para cada niacutevel da rede [11] A Figura 33 mostra o comprimento dos

diferentes trechos da rede Assim o comprimento de cada divisatildeo dos H‟s do segundo

niacutevel eacute a metade do comprimento de cada divisatildeo do H do primeiro niacutevel Jaacute que o objetivo

eacute simular circuitos em escala nanomeacutetrica escolheu-se trecircs variaccedilotildees de comprimento

menores ou iguais a 1μm

l = 100 nm l2 = 50 nm

l = 400 nm l2 = 200 nm

l = 1 μm l2 = 500 nm

Figura 33 ndash Esquemaacutetico do H-tree clock com os comprimentos de cada seguimento

Dessa forma cada um dos trecircs circuitos foi simulado obtendo-se a frequecircncia em -3dB na

entrada das portas inversoras Em seguida as trecircs redes foram simuladas para as mesmas

30

duas frequumlecircncias do sinal de entrada (10 GHz e 100 GHz) de forma a obter as

caracteriacutesticas do sinal de saiacuteda descritas anteriormente considerando agora o efeito das

interconexotildees

Por fim a partir dos dados obtidos foram realizadas comparaccedilotildees entre as caracteriacutesticas

do sinal de saiacuteda de referecircncia (interconexotildees ideais) e o sinal de saiacuteda dos circuitos com as

interconexotildees natildeo-ideais bem como entre o comportamento das interconexotildees de SWCNT

bundle e de cobre nas diferentes frequecircncias

A Figura 34 mostra o fluxograma das etapas descritas nas subseccedilotildees 322 e 323

Figura 34 ndash Fluxograma das etapas seguidas na simulaccedilatildeo do H-tree clock

H-tree clock mono-eleacutetron

Simulaccedilatildeo do H-tree clock com

interconexotildees ideais Obtenccedilatildeo de f-3dB

da inversora

Simulaccedilatildeo do H-tree clock com

interconexotildees natildeo-ideais para os seguintes

comprimentos

l = 100 nm l2 = 50 nm

l = 400 nm l2 = 200 nm

l = 1 μm l2 = 500 nm

Validaccedilatildeo do SET e do

inversor mono-eleacutetron a

300K

Sinal de entrada a

10 GHz

Sinal de entrada a

100 GHz

Obtenccedilatildeo de NB

NA tr SR A td P e

DP do sinal de saiacuteda

da inversora

Obtenccedilatildeo de NB

NA tr SR A td P e

DP do sinal de saiacuteda

da inversora

Sinal de entrada a

10 GHz

Sinal de entrada a

100 GHz

Obtenccedilatildeo de NB

NA tr SR A td P e

DP do sinal de saiacuteda

da inversora

Obtenccedilatildeo de NB

NA tr SR A td P e

DP do sinal de saiacuteda

da inversora

Anaacutelise comparativa

dos dados obtidos

31

4 RESULTADOS E ANAacuteLISES

41 INTRODUCcedilAtildeO

Neste capiacutetulo seratildeo apresentados os procedimentos adotados e os resultados obtidos na

simulaccedilatildeo das interconexotildees SWCNT SWCNT bundle e cobre As etapas descritas na

metodologia foram seguidas obtendo-se os resultados das simulaccedilotildees das interconexotildees e

das simulaccedilotildees do H-tree clock mono-eleacutetron para interconexotildees ideais e natildeo-ideais A

partir dos resultados a anaacutelise do desempenho das interconexotildees seraacute apresentada

42 ANAacuteLISE DAS INTERCONEXOtildeES

Nesta seccedilatildeo a anaacutelise das interconexotildees de SWCNT SWCNT bundle e cobre na

tecnologia de 22 nm para diferentes comprimentos seraacute realizada Para isso analisou-se

as interconexotildees locais em que l le 1 μm e as intermediaacuterias em que 1 μm lt l le 500 μm

sabendo que l eacute o comprimento da interconexatildeo [29-31333638] Como λCNT eacute

tipicamente 1 μm trecircs comprimentos na faixa lCNT le λCNT (10 nm 100 nm e 1 μm) e trecircs

comprimentos na faixa lCNT gt λCNT (10 μm 100 μm 500 μm) de cada material seratildeo

analisados detalhadamente Os paracircmetros obtidos a partir dos modelos de SWCNT

SWCNT bundle e cobre estatildeo respectivamente nas Tabelas 71 72 e 73 do Apecircndice

421 Interconexotildees locais

Primeiramente a partir da simulaccedilatildeo da Figura 31 obteve-se a frequecircncia em -3dB (f-3dB)

das interconexotildees locais (lCNT le λCNT ) isto eacute a sua banda passante de forma a verificar a

velocidade maacutexima que cada interconexatildeo suporta A Figura 41 ilustra o comportamento

da frequecircncia das interconexotildees locais para os diferentes comprimentos Como o SWCNT

isolado possui valores de frequecircncia na faixa de centenas de giga Hertz ou seja menos de

um tera Hertz os valores de suas frequecircncias tambeacutem podem ser visualisados na Tabela

74 do Apecircndice

Verifica-se que agrave medida que o comprimento da interconexatildeo aumenta a frequecircncia

diminui Isso ocorre jaacute que os valores da capacitacircncia e indutacircncia aumentam com o

aumento do comprimento da interconexatildeo Esses paracircmetros satildeo decisivos no sinal de

32

saiacuteda sendo o sinal mais distorcido quanto maior for o valor desses paracircmetros Observa-

se que o SWCNT bundle e o cobre possuem banda passante maiores que o SWCNT

isolado para qualquer comprimento Aleacutem disso o SWCNT bundle soacute possui uma banda

passante comparaacutevel ao do cobre para comprimentos acima de 700 nm

Frequecircncia X Comprimento

0

10

20

30

40

50

60

100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

Comprimento (nm)

f -3d

B (

TH

z)

SWCNT Isolado

SWCNT bundle

Cobre

Figura 41 ndash Frequumlecircncia versus comprimento das interconexotildees locais

As interconexotildees locais de 10 nm 100 nm e 1 μm de comprimento foram analisadas

detalhadamente A Tabela 41 mostra a frequecircncia em -3dB de cada material para os

comprimentos em anaacutelise

Tabela 41 Frequecircncia em -3dB de cada material para lCNT le λCNT

Interconexatildeo Local Comprimento (L) Material f-3dB

SWCNT isolado 253 GHz

10nm SWCNT bundle 66 THz

Cobre 232 THz

SWCNT isolado 300 GHz

lCNT le λCNT 100nm SWCNT bundle 20 THz

Cobre 51 THz

SWCNT isolado 230 GHz

1microm SWCNT bundle 47 THz

Cobre 42 THz

Assim escolheu-se uma mesma frequecircncia abaixo da frequecircncia de corte dos trecircs

materiais considerados para analisar e comparar a atenuaccedilatildeo (A) e o tempo de atraso na

propagaccedilatildeo (td) dos trecircs comprimentos Isso permite verificar o comportamento do sinal na

banda passante A Tabela 42 mostra esse estudo comparativo entre o SWCNT isolado

SWCNT bundle e cobre agrave frequecircncia de 200 GHz

33

Tabela 42 Estudo das interconexotildees com comprimentos na faixa lCNT le λCNT

Freq L Material A (dB) td (ps)

SWCNT isolado -210 046

10nm SWCNT bundle 001 000

Cobre 000 000

SWCNT isolado -155 051

200 GHz 100nm SWCNT bundle 001 000

Cobre 001 000

SWCNT isolado -039 107

1microm SWCNT bundle 006 001

Cobre 000 007

A partir da anaacutelise da Tabela 42 eacute possiacutevel observar agrave frequumlecircncia de 200 GHz a

atenuaccedilatildeo do sinal e o atraso do SWCNT isolado Nessa frequumlecircncia o atraso do SWCNT

isolado eacute significativo em relaccedilatildeo ao periacuteodo do sinal que eacute 5ps jaacute que o menor atraso

(para l = 10nm) eacute aproximadamente 10 do periacuteodo do sinal de entrada No entanto para

esta mesma frequumlecircncia observa-se que a atenuaccedilatildeo e o atraso do SWCNT bundle e do

cobre satildeo insignificantes Isto indica que estes dois materiais possuem melhor

desempenho sendo favoraacuteveis para serem utilizados em interconexotildees locais

Dessa forma para analisar melhor a atenuaccedilatildeo e o tempo de atraso do SWCNT bundle e do

cobre o mesmo procedimento foi feito comparando-se somente estes dois materiais para

uma mesma frequecircncia de 1 THz A Tabela 43 mostra esse estudo comparativo entre o

SWCNT bundle e cobre

Tabela 43 Estudo das interconexotildees SWCNT bundle e cobre com comprimentos na faixa

lCNT le λCNT

Freq L Material A (dB) td (fs)

10nm SWCNT bundle 001 113

Cobre 000 022

1 THz 100nm SWCNT bundle 006 136

Cobre 001 240

1microm SWCNT bundle 145 647

Cobre -013 5623

Analisando a Tabela 43 observa-se que agrave frequumlecircncia de 1 THz a atenuaccedilatildeo do sinal e o

atraso aumentam agrave medida que o comprimento das interconexotildees aumentam A partir do

comprimento de 100nm o tempo de atraso da interconexatildeo de cobre eacute maior que o do

SWCNT bundle cujo maior valor de atraso (para l = 1microm) natildeo chega a 1 do periacuteodo do

34

sinal de entrada (1ps) Isso mostra que apesar de a banda passante do cobre ser maior o

atraso do SWCNT bundle eacute menor Dessa forma para as interconexotildees locais o SWCNT

bundle possui desempenho comparaacutevel ao do cobre [13]

Em relaccedilatildeo agrave atenuaccedilatildeo verifica-se que para alguns comprimentos este tem valor

positivo Isso ocorre principalmente quando haacute um pico no graacutefico da frequumlecircncia antes dele

comeccedilar a decair Esse pico eacute devido ao efeito ressonante provocado pela indutacircncia

quando este possui valor comparaacutevel agrave resistecircncia e agrave capacitacircncia da interconexatildeo [53]

Assim esse efeito ressonante foi observado somente nas interconexotildees locais de SWCNT

bundle e de cobre A Figura 42 ilustra o graacutefico da magnitude pela frequumlecircncia do SWCNT

isolado SWCNT bundle e cobre para o comprimento de 100nm Observa-se o efeito

ressonante nos graacuteficos do SWCNT bundle e do cobre

Figura 42 ndash Graacuteficos da magnitude das interconexotildees de SWCNT isolado (superior)

SWCNT bundle (meio) e cobre (inferior) com comprimento de 100nm

35

422 Interconexotildees intermediaacuterias

Assim como para as interconexotildees locais obteve-se a frequecircncia em -3dB (f-3dB) das

interconexotildees intermediaacuterias (lCNT gt λCNT) de forma a verificar a velocidade maacutexima que

cada interconexatildeo suporta A Figura 43 ilustra o comportamento da frequecircncia das

interconexotildees intermediaacuterias para os diferentes comprimentos Os valores das frequecircncias

de cada interconexatildeo tambeacutem podem ser visualisados na Tabela 75 do Apecircndice

Como nas interconexotildees locais agrave medida que o comprimento da interconexatildeo aumenta a

frequecircncia diminui Aleacutem disso o SWCNT bundle e o cobre possuem desempenho melhor

que o do SWCNT isolado para qualquer comprimento No entanto para interconexotildees

intermediaacuterias o SWCNT bundle possui banda passante maior que a do cobre para

qualquer comprimento

Frequecircncia X Comprimento

00

05

10

15

20

25

30

35

40

45

100 200 300 400 500

Comprimento (μm)

f -3d

B (

GH

z)

SWCNT isolado

SWCNT bundle

Cobre

Figura 43 ndash Frequumlecircncia versus comprimento das interconexotildees intermediaacuterias

As interconexotildees intermediaacuterias de 10 μm 100 μm e 500 μm de comprimento foram entatildeo

analisadas detalhadamente A Tabela 44 mostra a frequecircncia em -3dB de cada materal

para os diferentes comprimentos em anaacutelise

36

Tabela 44 Frequecircncia em -3dB de cada material para lCNT gt λCNT

Interconexatildeo

Intermediaacuteria

Comprimento (L) Material f-3dB

SWCNT isolado 26 GHz

10 microm SWCNT bundle 527 GHz

Cobre 34 GHz

SWCNT isolado 32 MHz

lCNT gt λCNT 100 microm SWCNT bundle 42 GHz

Cobre 345 MHz

SWCNT isolado 13 MHz

500 microm SWCNT bundle 165 MHz

Cobre 14 MHz

Escolheu-se a frequecircncia de 1 MHz que estaacute abaixo da frequecircncia de corte dos trecircs

materiais considerados para analisar e comparar a atenuaccedilatildeo (A) e o tempo de atraso na

propagaccedilatildeo (td) dos trecircs comprimentos A Tabela 45 mostra esse estudo comparativo entre

o SWCNT isolado SWCNT bundle e cobre

Tabela 45 Estudo das interconexotildees com comprimentos na faixa lCNT gt λCNT

Freq L Material A (dB) td (ns)

SWCNT isolado -002 008

10 microm SWCNT bundle 000 000

Cobre 000 000

SWCNT isolado -003 559

1 MHz 100 microm SWCNT bundle -001 005

Cobre -004 056

SWCNT isolado -198 10217

500 microm SWCNT bundle 000 110

Cobre -003 1301

Com base na Tabela 45 observa-se que a atenuaccedilatildeo e o tempo de atraso do SWCNT

isolado aumentam com o aumento do comprimento da interconexatildeo Nessa frequumlecircncia o

atraso na propagaccedilatildeo do SWCNT isolado eacute significativo em relaccedilatildeo ao periacuteodo do sinal de

entrada que eacute 1micros chegando a mais de 10 deste periacuteodo para o comprimento de 500microm

Verifica-se tambeacutem o aumento do tempo de atraso da interconexatildeo de cobre sendo 13

do periacuteodo do sinal de entrada para o comprimento de 500microm

Para analisar melhor a atenuaccedilatildeo e o tempo de atraso do SWCNT bundle e do cobre o

mesmo procedimento foi feito comparando-se somente estes dois materiais para uma

37

mesma frequecircncia de 10 MHz A Tabela 46 mostra esse estudo comparativo entre o

SWCNT bundle e cobre

Tabela 46 Estudo das interconexotildees SWCNT bundle e cobre com comprimentos na faixa

lCNT gt λCNT

Freq L Material A (dB) td (ns)

10 microm SWCNT bundle 000 000

Cobre 000 000

10 MHz 100 microm SWCNT bundle -001 005

Cobre -004 054

500 microm SWCNT bundle -004 107

Cobre -185 1024

Analisando a Tabela 46 observa-se que agrave medida que o comprimento das interconexotildees

aumenta a atenuaccedilatildeo e o atraso do sinal da interconexatildeo de cobre tornam-se significativos

O atraso na propagaccedilatildeo da interconexatildeo de cobre para l = 500microm chega a 10 do periacuteodo

do sinal de entrada (100ns) Jaacute o SWCNT bundle apresenta valores insignificantes de

atenuaccedilatildeo e atraso na propagaccedilatildeo Assim para as interconexotildees intermediaacuterias o SWCNT

bundle possui desempenho superior ao do cobre

43 SIMULACcedilAtildeO DO INVERSOR MONO-ELEacuteTRON

O modelo SPICE do SET proposto por G Lientschnig et al [444] foi simulado no

LTSPICE A partir da equaccedilatildeo (226) foi possiacutevel aumentar a temperatura do SET ateacute

chegar a 300K Assim o esquemaacutetico do SET e os valores de seus paracircmetros para que o

SET opere a 300K estatildeo na Figura 44 No anexo deste trabalho (subseccedilatildeo 81) encontra-

se o coacutedigo SET que foi utilizado [44] Os paracircmetros R1 C1 e R2 C2 correspondem agraves

resistecircncias e capacitacircncias das junccedilotildees-tuacutenel Cg eacute a capacitacircncia de porta (Cg1 no coacutedigo

SET) Vg eacute a tensatildeo de porta e V eacute a tensatildeo de entrada

Figura 44 Esquemaacutetico do SET e os valores de seus paracircmetros

38

A partir destes valores o inversor mono-eleacutetron foi construiacutedo colocando-se dois SETs em

seacuterie os quais compartilham da mesma entrada A Figura 45 ilustra o esquemaacutetico do

inversor mono-eleacutetron juntamente com os valores de seus paracircmetros fixos em que Vin eacute a

tensatildeo de entrada Vout eacute a tensatildeo de saiacuteda Vbias eacute a tensatildeo de polarizaccedilatildeo Cc eacute a

capacitacircncia de carga Cg1 e Cg2 satildeo as capacitacircncias de porta do SET 1 e do SET 2

respectivamente

Figura 45 Esquemaacutetico do inversor mono-eleacutetron e os valores de seus paracircmetros

(modificado de [4])

Assim apoacutes simular o inversor mono-eleacutetron a 300K obteve-se o sinal de saiacuteda mostrado

na Figura 46 Como o inversor estaacute invertendo o sinal de entrada de valor loacutegico baixo em

um sinal de saiacuteda de valor loacutegico alto ele estaacute operando corretamente

Figura 46 Curva do sinal de entrada (em verde) e do sinal de saiacuteda (em preto) do inversor

mono-eleacutetron

39

44 ANAacuteLISE DAS INTERCONEXOtildeES NO H-TREE CLOCK MONO-ELEacuteTRON

Nesta seccedilatildeo a rede H-tree clock de dois niacuteveis foi simulada com portas inversoras mono-

eleacutetron nos pontos de destino final da rede permitindo a anaacutelise de circuitos

nanoeletrocircnicos Simulou-se a rede H-tree considerando interconexotildees ideais para as

frequecircncias de 10 GHz e 100 GHz no sinal de entrada Em seguida para as mesmas duas

frequecircncias considerou-se interconexotildees natildeo-ideais de diferentes comprimentos

analisando a rede com os modelos de interconexatildeo SWCNT bundle e cobre Trecircs redes

com comprimentos de interconexotildees diferentes foram analisadas

l = 100 nm l2 = 50 nm

l = 400 nm l2 = 200 nm

l = 1 μm l2 = 500 nm

441 Anaacutelise da rede com interconexotildees ideais

A partir da simulaccedilatildeo do H-tree clock a frequecircncia em -3dB (f-3dB) da rede com

interconexotildees ideais foi obtida Na saiacuteda de cada porta inversora a banda passante do sinal

eacute 3200 GHz Dessa forma duas frequecircncias abaixo de 3200 GHz foram escolhidas para

analisar o sinal de saiacuteda da inversora em condiccedilotildees ideais As frequecircncias de 10 GHz e

100 GHz seratildeo analisadas obtendo-se as seguintes caracteriacutesticas do sinal de saiacuteda da

inversora niacutevel loacutegico baixo (NB) niacutevel loacutegico alto (NA) tempo de subida (tr) slew rate

de subida (SR) atenuaccedilatildeo (A) e tempo de atraso (td) A Tabela 47 mostra os valores

obtidos para as duas frequecircncias em anaacutelise

Tabela 47 Caracteriacutesticas dos sinais de saiacuteda da rede para interconexotildees ideais

Freq NB(mV) NA(mV) tr (ps) SR(Vns) A(dB) td (ps)

10 GHz 675 4518 356 8636 -264 412

100 GHz 678 4279 317 9088 -269 189

Os caacutelculos da potecircncia estaacutetica ( IVP DDE ) potecircncia dinacircmica ( CVfP DDD 2 ) e

potecircncia total ( DE PPP ) dissipada por cada porta inversora foram realizados bem

como o produto atraso-potecircncia (DP) Assim a Tabela 48 mostra os valores obtidos no

40

caacutelculo destes paracircmetros Como a potecircncia estaacutetica independe da frequecircncia do sinal de

entrada o seu valor eacute o mesmo nos dois casos

Tabela 48 Potecircncia dissipada por cada porta inversora para interconexotildees ideais

Frequecircncia PE (nW) PD (nW) P (nW) DP (10-18

Wmiddots)

10 GHz 4838 125 4963 020

100 GHz 4838 125 6088 012

As Tabelas 47 e 48 serviratildeo de referecircncia para as anaacutelises da rede com interconexotildees natildeo-

ideais analisadas na subseccedilatildeo seguinte As Figuras 47 e 48 ilustram o sinal de saiacuteda das

redes com frequecircncias de 10 GHz e de 100 GHz respectivamente Eacute possiacutevel observar que

na frequecircncia de 100 GHz o sinal de saiacuteda jaacute eacute distorcido em relaccedilatildeo ao sinal de referecircncia

(Figura 46)

Figura 47 Sinal de entrada (em verde) e sinal de saiacuteda (em preto) da rede a 10 GHz

Figura 48 Sinal de entrada (em verde) e sinal de saiacuteda (em preto) da rede a 100 GHz

41

442 Anaacutelise da rede com interconexotildees natildeo-ideais

Apoacutes obter as caracteriacutesticas da rede H-tree clock com interconexotildees ideais a anaacutelise da

rede com interconexotildees natildeo-ideais seraacute feita Primeiramente eacute importante verificar a

frequecircncia em -3dB do sinal depois das interconexotildees ou seja na entrada da porta

inversora Caso essa frequecircncia seja menor que a frequecircncia de 3200 GHz obtida com

interconexotildees ideais entatildeo a interconexatildeo afetaraacute o comportamento da rede A Tabela 49

mostra a frequecircncia em -3dB na entrada da inversora para interconexotildees natildeo-ideais

Tabela 49 Frequecircncia em -3dB na entrada da inversora para interconexotildees natildeo-ideais

Comprimentos (l2 l) Material f-3dB

50nm 100nm SWCNT bundle 122 THz

Cobre 175 THz

200nm 400nm SWCNT bundle 31 THz

Cobre 8606 GHz

500nm 1microm SWCNT bundle 12 THz

Cobre 1268 GHz

Assim verifica-se que a interconexatildeo de cobre da rede 500nm1microm possui frequecircncia em

-3dB abaixo da frequecircncia do circuito com interconexatildeo ideal (3200 GHz) Isso indica que

esta interconexatildeo interfere significativamente no comportamento da rede A Tabela 49

mostra tambeacutem que a banda passante da interconexatildeo de cobre soacute eacute maior que a da

interconexatildeo de SWCNT bundle no primeiro caso na rede de 50nm100nm o que mostra

uma vantagem do SWCNT bundle em relaccedilatildeo ao cobre A partir dessas informaccedilotildees a

rede H-tree clock com interconexotildees natildeo-ideais seraacute analisada detalhadamente

4421 Anaacutelise da rede a 10 GHz

As redes com interconexotildees natildeo-ideais seratildeo analisadas na frequecircncia de 10 GHz para

diferentes comprimentos Primeiramente o niacutevel loacutegico baixo (NB) o niacutevel loacutegico alto

(NA) o tempo de subida (tr) e o slew rate de subida (SR) foram obtidos conforme mostra a

Tabela 410 Com base nessa tabela verifica-se que na frequecircncia de 10 GHz essas

caracteriacutesticas natildeo foram modificadas pelas interconexotildees natildeo-ideais independentemente

do comprimento Os valores dos paracircmetros satildeo iguais aos obtidos na rede com

interconexatildeo ideal conforme Tabela 47 O sinal obtido na saiacuteda de cada inversor eacute igual

ao ilustrado na Figura 47

42

Tabela 410 Niacuteveis loacutegicos tempo de subida e slew rate dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 10 GHz

Freq L (l2l) Material NB(mV) NA(mV) tr(ps) SR(Vns)

10

GHz

50nm

100nm

SWCNT bundle 675 4518 356 8636

Cobre 675 4518 356 8636

200nm

400nm

SWCNT bundle 675 4518 356 8636

Cobre 675 4518 356 8636

500nm

1microm

SWCNT bundle 675 4518 356 8636

Cobre 675 4518 356 8636

A Tabela 411 mostra a atenuaccedilatildeo tempo de atraso potecircncia total dissipada e o produto

atraso-potecircncia obtidos a frequecircncia de 10 GHz para interconexotildees natildeo-ideais Observa-se

que a atenuaccedilatildeo do sinal e a potecircncia total dissipada por cada porta inversora permanecem

os mesmos em relaccedilatildeo agrave interconexatildeo ideal mostrando que a essa frequecircncia as

interconexotildees natildeo-ideais natildeo interferem nestes paracircmetros

Jaacute o atraso na propagaccedilatildeo do sinal no caso do cobre aumenta agrave medida que as

interconexotildees aumentam de comprimento aumentando tambeacutem o produto atraso-potecircncia

Esse atraso chega a 66 do periacuteodo do sinal de entrada para a interconexatildeo 500nm1microm

de cobre No entanto estes paracircmetros natildeo satildeo afetados pelas interconexotildees de SWCNT

bundle indicando que este material se sobressai em relaccedilatildeo ao cobre

Tabela 411 Atenuaccedilatildeo atraso potecircncia e produto atraso-potecircncia dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 10 GHz

Freq L (l2l) Material A (dB) td (ps) P (nW) DP(10-18

Wmiddots)

10

GHz

50nm

100nm

SWCNT bundle -264 412 4963 020

Cobre -264 412 4963 020

200nm

400nm

SWCNT bundle -264 412 4963 020

Cobre -264 438 4963 022

500nm

1microm

SWCNT bundle -264 412 4963 020

Cobre -264 659 4963 033

4422 Anaacutelise da rede a 100 GHz

As redes com interconexotildees natildeo-ideais seratildeo analisadas na frequecircncia de 100 GHz para

diferentes comprimentos O niacutevel loacutegico baixo (NB) o niacutevel loacutegico alto (NA) o tempo de

subida (tr) e o slew rate de subida (SR) foram obtidos conforme mostra a Tabela 412 Jaacute a

43

Tabela 413 mostra a atenuaccedilatildeo tempo de atraso potecircncia total dissipada e o produto

atraso-potecircncia obtidos a frequecircncia de 100 GHz para interconexotildees natildeo-ideais

Tabela 412 Niacuteveis loacutegicos tempo de subida e slew rate dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 100 GHz

Freq L (l2l) Material NB(mV) NA(mV) tr(ps) SR(Vns)

100

GHz

50nm

100nm

SWCNT bundle 678 4272 316 9099

Cobre 675 4277 323 9107

200nm

400nm

SWCNT bundle 678 4299 315 9196

Cobre 677 4089 289 9447

500nm

1microm

SWCNT bundle 678 4418 300 9973

Cobre 635 1766 102 6795

Tabela 413 Atenuaccedilatildeo atraso potecircncia e produto atraso-potecircncia dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 100 GHz

Freq L (l2l) Material A (dB) td (ps) P (nW) DP(10-18

Wmiddots)

100

GHz

50nm

100nm

SWCNT bundle -2703 189 6088 012

Cobre -2685 191 6088 012

200nm

400nm

SWCNT bundle -2693 188 6088 012

Cobre -2698 228 6088 014

500nm

1microm

SWCNT bundle -2673 174 6088 011

Cobre -2893 388 6088 024

A partir das Tabelas 412 e 413 o SWCNT bundle seraacute analisado Observa-se que os seus

niacuteveis loacutegicos altos aumentam com o aumento do comprimento das interconexotildees

aumentando tambeacutem o slew rate de subida Esse comportamento ocorre provavelmente

devido ao efeito ressonante provocado pela indutacircncia que provoca um pico no graacutefico da

frequumlecircncia antes dele comeccedilar a decair conforme explicado na subseccedilatildeo 421 Isso implica

na diminuiccedilatildeo da atenuaccedilatildeo do sinal e do atraso No entanto o produto atraso-potecircncia

permanece praticamente invariaacutevel jaacute que a potecircncia total dissipada natildeo se altera

Em relaccedilatildeo agraves interconexotildees de cobre verifica-se que as distorccedilotildees satildeo significativas Agrave

medida que o comprimento aumenta a atenuaccedilatildeo do sinal de saiacuteda aumenta Isso provoca

diminuiccedilatildeo no slew rate do sinal o que natildeo eacute desejado jaacute que o sinal demora mais para

atingir o niacutevel loacutegico alto Aleacutem disso o atraso na propagaccedilatildeo do sinal aumenta bastante

chegando a 388 do periacuteodo do sinal de entrada para a interconexatildeo 500nm1microm

Consequentemente o produto atraso-potecircncia tambeacutem aumenta sendo o dobro do valor de

44

referecircncia (interconexotildees ideais) A Figura 49 ilustra o sinal de saiacuteda da interconexatildeo

500nm1microm de cobre

Figura 49 Sinal de entrada (em verde) e sinal de saiacuteda (em preto) da rede a 100 GHz para

a interconexatildeo 500nm1microm de cobre

Comparando-se as potecircncias das tabelas 47 48 411 413 verifica-se que natildeo haacute

alteraccedilatildeo na potecircncia total dissipada pelo circuito com interconexotildees ideais e pelos

circuitos com interconexotildees natildeo-ideais para uma mesma frequecircncia Assim eacute importante

destacar que a dissipaccedilatildeo de potecircncia das interconexotildees de SWCNT bundle e de cobre natildeo

interfere na potecircncia total dissipada pelo circuito

443 Consideraccedilotildees Finais

Apoacutes analisar as interconexotildees locais de SWCNT de SWCNT bundle e de cobre

verificou-se que as interconexotildees de SWCNT bundle possuem desempenho comparaacutevel ao

das interconexotildees de cobre Em relaccedilatildeo agraves interconexotildees intermediaacuterias as de SWCNT

bundle apresentam desempenho superior agraves de cobre Jaacute as interconexotildees de SWCNT

isolado tanto para interconexotildees locais como para interconexotildees intermediaacuterias

apresentam desempenho inferior agraves interconexotildees de SWCNT bundle e de cobre natildeo

sendo propiacutecias a serem utilizadas em interconexotildees de circuitos integrados

Na anaacutelise das interconexotildees natildeo-ideais na rede H-tree clock mono-eleacutetron para a

frequecircncia de 10GHz observou-se que o niacutevel loacutegico baixo o niacutevel loacutegico alto o tempo de

subida o slew rate de subida a atenuaccedilatildeo do sinal e a potecircncia total dissipada por cada

porta inversora permanecem os mesmos em relaccedilatildeo agrave interconexatildeo ideal mostrando que

45

para esta frequecircncia as interconexotildees natildeo-ideais natildeo interferem nestes paracircmetros Jaacute o

atraso na propagaccedilatildeo do sinal no caso do cobre aumenta agrave medida que as interconexotildees

aumentam de comprimento aumentando tambeacutem o produto atraso-potecircncia No entanto

estes paracircmetros natildeo satildeo afetados pelas interconexotildees de SWCNT bundle indicando que

este material se sobressai em relaccedilatildeo ao cobre

Jaacute para a rede H-tree clock mono-eleacutetron a 100GHz observou-se que o circuito com

interconexotildees natildeo-ideais afetou bastante os paracircmetros em anaacutelise se comparados aos

obtidos para interconexotildees ideais Verificou-se que as distorccedilotildees provocadas pelas

interconexotildees de cobre foram significativas indicando que as interconexotildees de SWCNT

bundle possuem melhor desempenho que as de cobre

Assim constata-se que as interconexotildees de SWCNT bundle satildeo fortes candidatas a

substituirem as interconexotildees de cobre em circuitos em escala giga (GSI) e tera (TSI)

46

5 CONCLUSOtildeES

Nesta dissertaccedilatildeo o estudo das interconexotildees de SWCNT de SWCNT bundle e de cobre

foi realizado analisando e comparando os seus desempenhos para diferentes

comprimentos A partir desse estudo verificou-se que as interconexotildees de SWCNT bundle

possui desempenho comparaacutevel ao das interconexotildees de cobre no caso de interconexotildees

locais Em relaccedilatildeo agraves interconexotildees intermediaacuterias as de SWCNT bundle apresentam

desempenho superior agraves de cobre

As interconexotildees de SWCNT bundle e as interconexotildees de cobre foram entatildeo simuladas na

rede H-tree clock de dois niacuteveis para diferentes comprimentos e frequecircncias Nos pontos

de destino final da rede foram colocadas portas inversoras formadas por SETs permitindo

a anaacutelise de circuitos nanoeletrocircnicos

A partir da anaacutelise da rede H-tree clock observou-se que as interconexotildees de SWCNT

bundle possuem desempenho melhor que as de cobre principalmente em relaccedilatildeo ao slew

rate agrave atenuaccedilatildeo ao tempo de atraso e ao produto atraso-potecircncia Aleacutem disso a

dissipaccedilatildeo de potecircncia das interconexotildees natildeo-ideais natildeo interferem na potecircncia total

dissipada pelo circuito Assim as interconexotildees de SWCNT bundle satildeo fortes candidatas a

substituirem as interconexotildees de cobre em circuitos em escala giga (GSI) e tera (TSI)

Como perspectivas futuras eacute importante analisar o efeito das interconexotildees de nanotubo de

carbono em circuitos GSI e TSI com outras arquiteturas A anaacutelise das interconexotildees de

CNT tambeacutem deve ser feita em circuitos com tecnologia MOS permitindo a comparaccedilatildeo

entre diferentes tecnologias Aleacutem disso eacute interessante estudar outros tipos de materiais

que possam ser utilizados como interconexotildees em circuitos integrados

47

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53

7 APEcircNDICES

71 TABELAS COMPLEMENTARES

Tabela 71 Paracircmetros obtidos a partir do modelo de SWCNT isolado

L RQ (Ω) RS (Ω) LCNT (10-9

H) CCNT (10-18

F)

10 nm 645103 - 40010

-2 27910

-1

100 nm 645103 - 40010

-1 279

200 nm 645103 - 80010

-1 558

300 nm 645103 - 120 837

400 nm 645103 - 160 11210

1

500 nm 645103 - 200 14010

1

600 nm 645103 - 240 16710

1

700 nm 645103 - 280 19510

1

800 nm 645103 - 320 22310

1

900 nm 645103 - 360 25110

1

1 microm 645103 - 400 27910

1

10 microm 645103 64510

4 40010

1 27910

2

100 microm 645103 64510

5 40010

2 27910

3

200 microm 645103 12910

6 80010

2 55810

3

300 microm 645103 19410

6 12010

3 83710

3

400 microm

645103 25810

6 16010

3 11210

4

500 microm

645103 32310

6 20010

3 14010

4

Tabela 72 Paracircmetros obtidos a partir do modelo de SWCNT bundle

L RQ (Ω) RS (Ω) LBundle(10-9

H) CBundle(10-18

F)

10 nm 1075 - 66710-5

135

100 nm 1075 - 66710-4

135101

200 nm 1075 - 13310-3

270101

300 nm 1075 - 20010-3

405101

400 nm 1075 - 26710-3

540101

500 nm 1075 - 33310-3

675101

600 nm 1075 - 40010-3

810101

700 nm 1075 - 46710-3

945101

800 nm 1075 - 53310-3

108102

900 nm 1075 - 60010-3

122102

1 microm 1075 - 66710-3

135102

10 microm 1075 108102 66710

-2 13510

3

100 microm 1075 108103 66710

-1 13510

4

200 microm 1075 215103 133 27010

4

300 microm 1075 323103 200 40510

4

400 microm

1075 430103 267 54010

4

500 microm

1075 538103 333 67510

4

54

Tabela 73 Paracircmetros obtidos a partir do modelo de cobre

L RCu (Ω) LCu (10-9

H) CCu (10-18

F)

10 nm 06 37310-6

150

100 nm 60 63610-5

150101

200 nm 120 17510-4

300101

300 nm 180 30910-4

450101

400 nm 240 45410-4

600101

500 nm 300 61110-4

750101

600 nm 360 77510-4

900101

700 nm 420 94610-4

105102

800 nm 480 11210-3

120102

900 nm 540 13110-3

135102

1 microm 600 14910-3

150102

10 microm 60102 24010

-2 15010

3

100 microm 60103 33210

-1 15010

4

200 microm 12104 72010

-1 30010

4

300 microm 18104 113 45010

4

400 microm

24104 155 60010

4

500 microm

30104 198 75010

4

55

Tabela 74 Frequecircncia em -3dB das interconexotildees locais

Comprimento Material f-3dB

10 nm SWCNT isolado 253 GHz

SWCNT bundle 66 THz

Cobre 232 THz

100 nm SWCNT isolado 300 GHz

SWCNT bundle 20 THz

Cobre 51 THz

200 nm SWCNT isolado 342 GHz

SWCNT bundle 14 THz

Cobre 29 THz

300 nm SWCNT isolado 344 GHz

SWCNT bundle 11 THz

Cobre 20 THz

400 nm SWCNT isolado 329 GHz

SWCNT bundle 89 THz

Cobre 15 THz

500 nm SWCNT isolado 307 GHz

SWCNT bundle 76 THz

Cobre 12 THz

600 nm SWCNT isolado 288 GHz

SWCNT bundle 67 THz

Cobre 94 THz

700 nm SWCNT isolado 271 GHz

SWCNT bundle 61 THz

Cobre 76 THz

800 nm SWCNT isolado 255 GHz

SWCNT bundle 55 THz

Cobre 63 THz

900 nm SWCNT isolado 240 GHz

SWCNT bundle 51 THz

Cobre 52 THz

1 microm SWCNT isolado 230 GHz

SWCNT bundle 47 THz

Cobre 42 THz

56

Tabela 75 Frequecircncia em -3dB das interconexotildees intermediaacuterias

Comprimento Material f-3dB

10 microm SWCNT isolado 26 GHz

SWCNT bundle 527 GHz

Cobre 34 GHz

100 microm SWCNT isolado 32 MHz

SWCNT bundle 42 GHz

Cobre 345 MHz

200 microm SWCNT isolado 82 MHz

SWCNT bundle 10 GHz

Cobre 87 MHz

300 microm SWCNT isolado 36 MHz

SWCNT bundle 455 MHz

Cobre 38 MHz

400 microm SWCNT isolado 21 MHz

SWCNT bundle 256 MHz

Cobre 21 MHz

500 microm SWCNT isolado 13 MHz

SWCNT bundle 165 MHz

Cobre 14 MHz

57

8 ANEXOS

81 COacuteDIGO SPICE DO SET [44]

Transistor mono-eleacutetron (SET) conexotildees fonte | dreno | | porta1 | | | porta2 | | | | SUBCKT SET 1 2 3 4 PARAMS +C1=1E-20 Capacitacircncia da junccedilatildeo 1 +C2=1E-20 Capacitacircncia da junccedilatildeo 2 +R1=1E5 Resistecircncia da junccedilatildeo 1 +R2=1E5 Resistecircncia da junccedilatildeo 2 +Cg1=015E-18 Capacitacircncia da junccedilatildeo 1 +Cg2=0 Capacitacircncia da junccedilatildeo 2 +C0=0 Capacitacircncia proacutepria da ilha +Q0=005 Carga offset em unidades de e +TEMP=300 Temperatura PARAM E=160217733E-19 Carga do eleacutetron (e) PARAM CSUM=C1+C2+Cg1+Cg2+C0 Capacitacircncia total do SET PARAM T=TEMPCSUM53785467E14 Temperatura normalizada 53785467E14 = kBe^2 PARAM RN1=R1(R1+R2) Resistecircncia da junccedilatildeo 1 normalizada PARAM RN2=R2(R1+R2) Resistecircncia da junccedilatildeo 2 normalizada FUNC Q(v1v2v3v4) (Cg1v3+Cg2v4+C1v1+C2v2)E+Q0 Definiccedilatildeo da carga em unidades de e FUNC VN(v) CSUMvE Tensatildeo normalizada FUNC GAMMA(u) IF(T==0IF(ult0-u0)IF(u==0Tu(EXP(uT)-1))) FUNC N_OPT(v1v2v3v4) ROUND(-Q(v1v2v3v4)+(CSUME) (v1RN2+v2RN1)) A maior probabilidade de carga na ilha em unidades de e Os quarto eventos tuacuteneis FUNC R1L(nv1v2v3v4) GAMMA(05 - n - Q(v1v2v3v4) + VN(v1))RN1 FUNC R1R(nv1v2v3v4) GAMMA(05 + n + Q(v1v2v3v4) - VN(v1))RN1 FUNC R2L(nv1v2v3v4) GAMMA(05 + n + Q(v1v2v3v4) - VN(v2))RN2 FUNC R2R(nv1v2v3v4) GAMMA(05 - n - Q(v1v2v3v4) + VN(v2))RN2

58

determinaccedilatildeo das probabilidades relativas assume-se inicialmente que o estado da carga N_OPT tem probabilidade relativa igual a um FUNC PN_1(nv1v2v3v4) (R1L(nv1v2v3v4)+R2R(nv1v2v3v4))(R1R(n-1v1v2v3v4)+R2L(n-1v1v2v3v4)) FUNC PN_2(nv1v2v3v4) PN_1(nv1v2v3v4) +(R1L(n-1v1v2v3v4)+R2R(n-1v1v2v3v4))(R1R(n-2v1v2v3v4)+R2L(n-2v1v2v3v4)) FUNC PN_3(nv1v2v3v4) PN_2(nv1v2v3v4) +(R1L(n-2v1v2v3v4)+R2R(n-2v1v2v3v4))(R1R(n-3v1v2v3v4)+R2L(n-3v1v2v3v4)) FUNC PN_4(nv1v2v3v4) PN_3(nv1v2v3v4) +(R1L(n-3v1v2v3v4)+R2R(n-3v1v2v3v4))(R1R(n-4v1v2v3v4)+R2L(n-4v1v2v3v4)) FUNC PN_5(nv1v2v3v4) PN_4(nv1v2v3v4) +(R1L(n-4v1v2v3v4)+R2R(n-4v1v2v3v4))(R1R(n-5v1v2v3v4)+R2L(n-5v1v2v3v4)) FUNC PN1(nv1v2v3v4) (R2L(nv1v2v3v4) +R1R(nv1v2v3v4))(R2R(n+1v1v2v3v4)+R1L(n+1v1v2v3v4)) FUNC PN2(nv1v2v3v4) PN1(nv1v2v3v4) +(R2L(n+1v1v2v3v4)+R1R(n+1v1v2v3v4))(R2R(n+2v1v2v3v4)+R1L(n+2v1v2v3v4)) FUNC PN3(nv1v2v3v4) PN2(nv1v2v3v4) +(R2L(n+2v1v2v3v4)+R1R(n+2v1v2v3v4))(R2R(n+3v1v2v3v4)+R1L(n+3v1v2v3v4)) FUNC PN4(nv1v2v3v4) PN3(nv1v2v3v4) +(R2L(n+3v1v2v3v4)+R1R(n+3v1v2v3v4))(R2R(n+4v1v2v3v4)+R1L(n+4v1v2v3v4)) FUNC PN5(nv1v2v3v4) PN4(nv1v2v3v4) +(R2L(n+4v1v2v3v4)+R1R(n+4v1v2v3v4))(R2R(n+5v1v2v3v4)+R1L(n+5v1v2v3v4)) FUNC PSUM(nv1v2v3v4) PN_5(nv1v2v3v4)+PN_4(nv1v2v3v4)+PN_3(nv1v2v3v4)+PN_2(nv1v2v3v4) ++PN_1(nv1v2v3v4)+1+PN1(nv1v2v3v4)+PN2(nv1v2v3v4)+PN3(nv1v2v3v4) ++PN4(nv1v2v3v4)+PN5(nv1v2v3v4)

59

caacutelculo da corrente da fonte para o dreno FUNC CUR(nv1v2v3v4) PN_5(nv1v2v3v4)(R1R(n-5v1v2v3v4)-R1L(n-5v1v2v3v4)) ++PN_4(nv1v2v3v4)(R1R(n-4v1v2v3v4)-R1L(n-4v1v2v3v4)) ++PN_3(nv1v2v3v4)(R1R(n-3v1v2v3v4)-R1L(n-3v1v2v3v4)) ++PN_2(nv1v2v3v4)(R1R(n-2v1v2v3v4)-R1L(n-2v1v2v3v4)) ++PN_1(nv1v2v3v4)(R1R(n-1v1v2v3v4)-R1L(n-1v1v2v3v4)) ++(R1R(nv1v2v3v4)-R1L(nv1v2v3v4)) ++PN1(nv1v2v3v4)(R1R(n+1v1v2v3v4)-R1L(n+1v1v2v3v4)) ++PN2(nv1v2v3v4)(R1R(n+2v1v2v3v4)-R1L(n+2v1v2v3v4)) ++PN3(nv1v2v3v4)(R1R(n+3v1v2v3v4)-R1L(n+3v1v2v3v4)) ++PN4(nv1v2v3v4)(R1R(n+4v1v2v3v4)-R1L(n+4v1v2v3v4)) ++PN5(nv1v2v3v4)(R1R(n+5v1v2v3v4)-R1L(n+5v1v2v3v4)) FUNC CURRENT(nv1v2v3v4) ECUR(nv1v2v3v4)(CSUMPSUM(nv1v2v3v4)(R1+R2)) caacutelculo da tensatildeo da ilha FUNC VOLT(nv1v2v3v4) PN_5(nv1v2v3v4)(n-5+Q(v1v2v3v4)) ++PN_4(nv1v2v3v4)(n-4+Q(v1v2v3v4)) ++PN_3(nv1v2v3v4)(n-3+Q(v1v2v3v4)) ++PN_2(nv1v2v3v4)(n-2+Q(v1v2v3v4)) ++PN_1(nv1v2v3v4)(n-1+Q(v1v2v3v4)) ++n+Q(v1v2v3v4) ++PN1(nv1v2v3v4)(n+1+Q(v1v2v3v4)) ++PN2(nv1v2v3v4)(n+2+Q(v1v2v3v4)) ++PN3(nv1v2v3v4)(n+3+Q(v1v2v3v4)) ++PN4(nv1v2v3v4)(n+4+Q(v1v2v3v4)) ++PN5(nv1v2v3v4)(n+5+Q(v1v2v3v4)) FUNC VOLTAGE(nv1v2v3v4) (ECSUM)VOLT(nv1v2v3v4)PSUM(nv1v2v3v4) E1 5 0 VALUE= VOLTAGE(N_OPT(V(1)V(2)V(3)V(4))V(1)V(2)V(3)V(4)) Tensatildeo da ilha G1 1 2 VALUE= CURRENT(N_OPT(V(1)V(2)V(3)V(4))V(1)V(2)V(3)V(4)) Corrente da fonte para o dreno CT1 1 5 C1 CT2 2 5 C2 CGATE1 3 5 CG1 CGATE2 4 5 CG2 ENDS SET

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7

A resistecircncia de contato pode chegar ao valor de 100 kΩ [131533] Contudo essa

resistecircncia em nanotubos de carbono com diacircmetro maior que 1nm estaacute na ordem de

poucos kilo ohms ou ateacute mesmo centenas de ohms [1316] Neste trabalho considerou-se o

contato metal-nanotubo como sendo perfeito ou seja Rc = 0

A resistecircncia quacircntica e a de espalhamento satildeo descritas pelas equaccedilotildees (22) e (23)

respectivamente onde e eacute a carga do eleacutetron e h eacute a constante de Plank A resistecircncia

quacircntica (Rq) eacute igualmente dividida em cada lado dos contatos metal-nanotubo [13-

173435]

ke

hRq 456

4 2 (22)

CNT

CNTl

e

hRs

24 (23)

O movimento de eleacutetrons transportados por um condutor eacute modelado pela indutacircncia que

consiste na indutacircncia magneacutetica e cineacutetica [1316] No SWCNT a indutacircncia magneacutetica eacute

calculada considerando que o CNT eacute um fio muito fino com diacircmetro d e estaacute

posicionado a uma distacircncia y do plano ligado ao terra A indutacircncia cineacutetica eacute calculada

pela equaccedilatildeo da energia cineacutetica armazenada em cada canal condutor do CNT para uma

indutacircncia efetiva [141535] Assim a indutacircncia magneacutetica (LM) e a cineacutetica (LK) podem

ser calculadas pelas equaccedilotildees (24) e (25) respectivamente

d

yLM ln

2

(24)

F

Kve

hL

22 (25)

Para d = 1nm e y = 1microm LM = 14pHmicrom [141529] Como vF eacute a velocidade de Fermi

cujo valor eacute dado por 8x105 ms para o CNT o valor da indutacircncia cineacutetica eacute LK =

16nHmicrom [13-1635] Sabendo que cada CNT tem quatro canais condutores em paralelo

que natildeo interagem entre si a indutacircncia cineacutetica efetiva eacute dada por LK4 [13-15] Uma boa

aproximaccedilatildeo da indutacircncia total do CNT (LCNT) eacute 4 nHmicrom [15]

8

Por fim a capacitacircncia de um SWCNT isolado eacute constituiacuteda por duas partes que satildeo a

capacitacircncia eletrostaacutetica (CE) e a quacircntica (CQ) [13-1735] Essas capacitacircncias satildeo

calculadas pelas equaccedilotildees (26) e (27)

d

yCE

ln

2 (26)

F

Qhv

eC

22 (27)

A capacitacircncia eletrostaacutetica eacute influenciada pelo ambiente que a envolve que satildeo os seus

vizinhos e o plano ligado ao terra Considerando que o CNT eacute um fio com diacircmetro d =

1nm e a distacircncia y = 1microm obteacutem-se CE = 30 aFmicrom Jaacute a capacitacircncia quacircntica se refere agrave

influecircncia da energia quacircntica armazenada no nanotubo quando este carrega corrente O

valor da capacitacircncia eacute CQ = 100 aFmicrom [1314] Considerando os quatro canais condutores

descritos anteriormente a capacitacircncia total eacute dada por (28)

QE

QE

CNTCC

CCC

4

4

(28)

Assim o esquemaacutetico da interconexatildeo de um SWCNT isolado eacute mostrado na Figura 24

abaixo

Figura 24 ndash Modelo de interconexatildeo do SWCNT isolado (modificado de [33])

2132 Modelo de interconexatildeo do SWCNT bundle

O SWCNT bundle possui resistecircncia equivalente menor que o SWCNT isolado

caracteriacutestica necessaacuteria para alcanccedilar performances comparaacuteveis agraves interconexotildees de

9

cobre [13-2023252629-38] O SWCNT bundle eacute composto por vaacuterios SWCNTs

empacotados em paralelo Assume-se que todos os SWCNTs satildeo idecircnticos metaacutelicos e que

cada um tem o mesmo potencial [1737] Sabendo que d eacute o diacircmetro do nanotubo de

carbono e x eacute a distacircncia entre os centros de dois nanotubos adjacentes o SWCNT bundle

pode ser empacotado de forma densa se x = d ou de forma esparsa se x gt d [13-1529-

32] Sabe-se que entre os nanotubos existe uma separaccedilatildeo δmin devido agrave forccedila de Van der

Waals que eacute de pelo menos 032 nm entre cada nanotubo [13] como mostra a Figura 25

Figura 25 ndash Separaccedilatildeo miacutenima entre CNTs devido agrave forccedila de Van der Waals (modificado

de [13])

O nuacutemero de nanotubos de carbono nCNT disponiacutevel pode ser calculado pelas expressotildees

dadas em (29) e (210) [141530]

iacutemparnsen

nn

parnsen

nn

n

HH

HW

HH

HW

CNT

2

1

2

(29)

1

23

x

dtn

x

dwn HW (210)

Nas expressotildees acima w eacute a largura e t eacute a altura da interconexatildeo de SWCNT bundle

Assim nW eacute o nuacutemero de CNTs ao longo da largura do SWCNT bundle e nH eacute o nuacutemero de

CNTs ao longo da altura do SWCNT bundle [13-1530] A Figura 26 mostra esses valores

[13]

10

Figura 26 ndash Nuacutemero de CNTs ao longo da largura (nW) e da altura (nH) do CNT

bundle[13]

Na tecnologia de 22 nm considerando as dimensotildees de 22 nm de largura e 44 nm de altura

do SWCNT bundle [13173437] e a separaccedilatildeo entre cada nanotubo devido agrave forccedila de Van

der Waals a quantidade de SWCNTs eacute aproximadamente 600 Neste trabalho estas

consideraccedilotildees foram feitas e a tecnologia de 22 nm foi utilizada Esta tecnologia eacute prevista

pelo ITRS para o ano de 2016 [21]

As resistecircncias de cada SWCNT estatildeo em paralelo entre elas assim como as indutacircncias

Assim a resistecircncia e a indutacircncia do SWCNT bundle com nCNT SWCNTs satildeo calculados

respectivamente pelas expressotildees (211) e (212) [1323252629-3234]

CNT

CNTbundle

n

RR (211)

CNT

CNTbundle

n

LL (212)

Considerando que todos os SWCNTs estatildeo no mesmo potencial que os contatos entre

todos os nanotubos de carbono em um bundle satildeo idecircnticos e que cada SWCNT tem o

mesmo caminho meacutedio livre [13] eacute possiacutevel assumir que a interaccedilatildeo entre CNTs

adjacentes de um SWCNT bundle eacute fraca e que eles carregam correntes independentes

umas das outras [13-17]

A capacitacircncia do SWCNT bundle eacute obtida a partir da combinaccedilatildeo da capacitacircncia

quacircntica de todos os SWCNTs em paralelo chamada de capacitacircncia quacircntica bundle

(CQbundle

) que estaacute em seacuterie com a capacitacircncia eletrostaacutetica (CEbundle

) [13143539] A

capacitacircncia quacircntica e a capacitacircncia eletrostaacutetica satildeo calculadas pelas equaccedilotildees (213) e

(214) em que CEn e CEf satildeo as capacitacircncias de placas paralelas de CNTs isolados em

11

relaccedilatildeo aos vizinhos proacuteximos e afastados respectivamente [14293032] Assim a

capacitacircncia total do SWCNT bundle eacute obtida pela equaccedilatildeo (215)

CNT

CNT

Q

bundle

Q nCC (213)

En

HEf

WEn

bundle

E Cn

Cn

CC5

23

2

22

(214)

bundle

Q

bundle

E

bundle

Q

bundle

E

bundleCC

CCC

(215)

Analisando a equaccedilatildeo (215) o efeito da CQbundle

eacute pequeno para grandes valores de nCNT

sendo o valor da capacitacircncia do SWCNT bundle aproximadamente igual agrave sua

capacitacircncia eletrostaacutetica [13161719] Srivastava et al [13] mostra que os nanotubos no

interior do SWCNT bundle satildeo blindados eletrostaticamente dos condutores de terra

podendo ser desprezados Os CNTs de borda satildeo os principais contribuidores para a

capacitacircncia eletrostaacutetica do SWCNT bundle No entanto a equaccedilatildeo (214) natildeo reproduz

fielmente a realidade jaacute que considera a capacitacircncia eletrostaacutetica de todos os nanotubos e

natildeo soacute os CNTs de borda Segundo o mesmo autor para a tecnologia de 22 nm e uma

constante dieleacutetrica igual a 2 a capacitacircncia total do SWCNT bundle eacute aproximadamente

135 aFμm

2133 Modelo de interconexatildeo do cobre

As propriedades fiacutesicas de interconexotildees de cobre podem ser descritas por resistecircncia

capacitacircncia e indutacircncia [14-16] A resistecircncia do cobre pode ser calculada utilizando a

equaccedilatildeo (216)

tw

lRCu

(216)

em que l eacute o comprimento do cobre w eacute a sua largura t eacute a sua altura e ρ eacute a sua

resistividade A resistividade do cobre em escala nanomeacutetrica eacute moldada pela combinaccedilatildeo

dos fenocircmenos de espalhamento superficial e de espalhamento de contorno

[151627283340] Estes fenocircmenos correspondem aos paracircmetros ρFS e ρMS propostos

12

por Fuchs e Sondheimer (ρFS) e por Mayadas e Shatzkes (ρMS) [1516] Estes paracircmetros

satildeo calculados pelas expressotildees (217) (218) e (219)

)1(

4

31 p

w

o

o

FS

(217)

11ln33

2

31 22

MS

o (218)

)1( R

R

D

o

(219)

O paracircmetro ρo eacute a resistividade do material λo eacute o caminho meacutedio livre p eacute o paracircmetro

de espalhamento de Fuchs D eacute o tamanho meacutedio e R eacute o coeficiente de reflexatildeo no

contorno com valores entre 0 e 1 Assim tem-se que a resistecircncia do cobre em escala

nanomeacutetrica eacute dada pela equaccedilatildeo (220) [1516]

tw

lR MSFS

Cu

(220)

De acordo com [1433] o valor da resistividade do cobre na tecnologia de 22nm para

interconexotildees locais eacute dado por 4666 μΩ-cm No entanto este valor da resistividade do

cobre chega a 58 μΩ-cm para valores miacutenimos da largura do fio [1516203940] Neste

trabalho seraacute utilizado o valor de 58 μΩ-cm para a resistividade do cobre na tecnologia de

22 nm que vai ao encontro dos requerimentos do ITRS [21]

A indutacircncia proacutepria (L) e a muacutetua (M) da interconexatildeo de cobre em escala nanomeacutetrica

satildeo obtidas usando respectivamente as expressotildees (221) e (222)

l

tw

tw

llL o )(220

2

12ln

2

(221)

l

s

s

llM o 1

2ln

2

(222)

em que t eacute a altura do fio microo eacute a permeabilidade e s eacute o espaccedilamento entre os fios [14-16]

A indutacircncia total do cobre (LCu) eacute dada pela soma das indutacircncias proacutepria e muacutetua

13

A capacitacircncia da interconexatildeo de cobre eacute calculada pela soma da capacitacircncia de

acoplamento entre dois fios adjacentes (CC) e a capacitacircncia ligada ao plano do terra (Cg)

[14-16] Essas capacitacircncias podem ser obtidas pelas equaccedilotildees (223) e (224) [1541]

120760193

534511171

70222

ht

t

hs

s

hs

s

h

wCg (223)

181160141090

980871161

591740

062141

sh

h

sw

w

sw

w

sh

h

s

tCC (224)

em que s eacute o espaccedilamento entre dois fios adjacentes h eacute a distacircncia do fio em relaccedilatildeo ao

plano do terra e ε eacute a permissividade relativa para uma dada constante dieleacutetrica

Considerando as equaccedilotildees (223) e (224) e de acordo com [1321] para uma constante

dieleacutetrica igual a 2 o valor da capacitacircncia total do cobre (CCu) eacute aproximadamente 150

aFμm que seraacute utilizado neste trabalho

Os modelos em L em π e em T satildeo usados como modelos de interconexatildeo de cobre [11]

Como o modelo π eacute muito utilizado para uma linha distribuiacuteda [1416] este modelo seraacute

usado neste trabalho A Figura 27 mostra o modelo de interconexatildeo de cobre [11]

Figura 27 ndash Modelo de interconexatildeo de cobre

A precisatildeo do modelo eacute determinada pelo nuacutemero de seguimentos bdquoN‟ que ele possui Uma

cadeia com mais de trecircs segmentos em π fornece um erro menor que 3 [16] Neste

trabalho seratildeo utilizados trecircs segmentos em π

14

22 INVERSOR MONO-ELEacuteTRON

Os dispositivos de tunelamento mono-eleacutetron satildeo dispositivos nanoeletrocircnicos

potencialmente aplicaacuteveis em circuitos integrados em escala giga (GSI) e tera (TSI)

Apesar de apresentarem baixo ganho e alta impedacircncia de saiacuteda estes dispositivos

possuem tamanho reduzido e baixa dissipaccedilatildeo de potecircncia Estas caracteriacutesticas os tornam

atrativos em circuitos loacutegicos e circuitos de memoacuteria [1-10] Assim portas loacutegicas podem

ser implementadas utilizando dispositivos de tunelamento mono-eleacutetron [14-9]

As portas loacutegicas satildeo blocos de construccedilatildeo baacutesicos na eletrocircnica digital O inversor loacutegico

ou porta NOT eacute o principal elemento baacutesico no projeto de circuitos digitais [42] O

inversor inverte o sinal de entrada de valor loacutegico baixo ndash 0 ndash em um sinal de saiacuteda de

valor loacutegico alto ndash 1 ndash e vice-versa [442] Em outras palavras a porta NOT efetua a

negaccedilatildeo loacutegica O siacutembolo do inversor juntamente com sua tabela verdade estaacute ilustrado

na Figura 28

Figura 28 ndash Siacutembolo e tabela verdade da porta NOT

221 Dispositivo de tunelamento mono-eleacutetron

O funcionamento dos dispositivos de tunelamento mono-eleacutetron eacute baseado no controle do

movimento e da posiccedilatildeo de um uacutenico ou de um pequeno grupo de eleacutetrons no dispositivo

[17] Os seguintes conceitos satildeo essenciais na definiccedilatildeo desses dispositivos ilha junccedilatildeo-

tuacutenel tunelamento efeito de carregamento e bloqueio de Coulomb A partir desses

conceitos eacute possiacutevel definir o transistor mono-eleacutetron - SET (do inglecircs Single-electron

transistor) [24-8]

A ilha estaacute localizada entre duas paredes finas de um material normalmente isolante as

quais criam uma barreira de potencial de energia que impossibilita a movimentaccedilatildeo de

eleacutetrons pela ilha A Figura 29 mostra dois eletrodos A e B separados por uma barreira

15

isolante e no meio dessa barreira isolante encontra-se a ilha Se a energia dos eleacutetrons for

maior que a energia potencial das paredes das barreiras estes poderatildeo atravessaacute-las [6] No

dispositivo de tunelamento mono-eleacutetron o transporte de eleacutetrons entre o eletrodo A e a

ilha e entre a ilha e o eletrodo B ocorre por tunelamento mono-eleacutetron em que os eleacutetrons

atravessam as barreiras um de cada vez [10]

Figura 29 Dois eletrodos separados por uma ilha [10]

Esses dispositivos satildeo formados por junccedilotildees-tuacutenel que satildeo dois eletrodos metaacutelicos

separados por um isolante muito fino (barreira) o qual permite a passagem de eleacutetrons por

tunelamento [467] A Figura 210 ilustra a junccedilatildeo-tuacutenel e sua representaccedilatildeo simboacutelica Os

paracircmetros que caracterizam a junccedilatildeo-tuacutenel macroscopicamente satildeo a resistecircncia de

tunelamento (Rj) que depende da aacuterea e da espessura da barreira isolante e a capacitacircncia

(Cj) [10]

Figura 210 Esquemaacutetico da junccedilatildeo-tuacutenel [10]

O tunelamento eacute o transporte de partiacuteculas atraveacutes de uma regiatildeo em que a energia total de

uma partiacutecula pontual claacutessica eacute menor que a energia potencial da regiatildeo ou seja eacute o

transporte atraveacutes de uma regiatildeo classicamente proibida [10] O efeito de tunelamento

ocorre quando a barreira de potencial for suficientemente fina permitindo que o eleacutetron a

atravesse se houver niacutevel de energia desocupado do outro lado da barreira com o mesmo

valor de energia Esse fenocircmeno pode ser explicado pelo comportamento dual do eleacutetron

Diferentemente da mecacircnica claacutessica na teoria eletromagneacutetica quando uma partiacutecula

encontra uma barreira de potencial parte da onda eacute refletida e a outra parte eacute transmitida

para o outro lado da barreira [10] A teoria ortodoxa do tunelamento mono-eleacutetron eacute o

modelo mais utilizado para analisar o tunelamento [4-6] Proposto em 1987 por Averin e

Likharev [43] este modelo apresenta os seguintes postulados

16

Modelo de dimensatildeo zero as dimensotildees das ilhas satildeo despreziacuteveis

O evento de tunelamento eacute considerado instantacircneo

A redistribuiccedilatildeo das cargas apoacutes tunelamento tambeacutem eacute considerada instantacircnea

O espectro de energia em condutores e ilhas eacute considerado contiacutenuo ou seja a

quantizaccedilatildeo da energia do eleacutetron eacute ignorada dentro dos condutores

Apesar de a teoria ortodoxa assumir condiccedilotildees hipoteacuteticas ela continua sendo muito

utilizada em estudos do dispositivo mono-eleacutetron [4-6]

O efeito de carregamento ocorre quando os eleacutetrons estatildeo na iminecircncia de entrar em um

material condutor extremamente pequeno isolado eletricamente (ilha) Se houver um

eleacutetron na ilha o potencial eletrostaacutetico da ilha aumenta bastante sendo bem superior ao

ruiacutedo teacutermico em temperatura ambiente O fluxo de eleacutetrons na ilha eacute possiacutevel se o

potencial da ilha for controlado por uma fonte de tensatildeo externa Outros eleacutetrons satildeo

impedidos de entrar na ilha devido agrave repulsatildeo de Coulomb [14-9]

Assim o bloqueio de Coulomb ocorre quando um eleacutetron entra na ilha e impede o

tunelamento de outro eleacutetron nesta ilha No momento em que o eleacutetron entra na ilha a

energia eletrostaacutetica da ilha aumenta em Ce 22 em que CΣ eacute a soma das capacitacircncias

em torno da ilha [14] Dessa forma outro eleacutetron soacute conseguiraacute tunelar para dentro da ilha

se sua energia for maior que a energia eletrostaacutetica da ilha [6] A Figura 211 ilustra os

diagramas de energia no bloqueio de Coulomb e no caso de tunelamento [10]

(a) (b)

Figura 211 Diagramas de energia (a) Bloqueio de Coulomb (b) Tunelamento mono-

eleacutetron [10]

17

O bloqueio de Coulomb eacute superado ao se aplicar uma tensatildeo Vg ao circuito ateacute que esta

tensatildeo alcance um dado valor de limiar que forneceraacute energia suficiente para que ocorra o

tunelamento de um eleacutetron Assim haveraacute o fluxo de eleacutetrons havendo corrente A Figura

212 mostra a regiatildeo do bloqueio de Coulomb ao aplicar uma tensatildeo Vg ao circuito em que

Vc eacute a tensatildeo de limiar chamada de tensatildeo de bloqueio de Coulomb [5-10]

Figura 212 Caracteriacutestica do bloqueio de Coulomb [10]

Nesse contexto duas condiccedilotildees satildeo necessaacuterias para garantir que o transporte de eleacutetrons

seja controlado pelo efeito de carregamento a condiccedilatildeo para a resistecircncia de tunelamento

dada pela equaccedilatildeo (225) [1] em que a natureza corpuscular do eleacutetron predomina sobre a

natureza ondulatoacuteria e a energia eletrostaacutetica (EC) associada a uma dada temperatura (T)

deve ser significativamente maior que as flutuaccedilotildees teacutermicas existentes agravequela

temperatura como descrita na equaccedilatildeo (226) [146-9] Os paracircmetros h eacute a constante de

Planck e eacute a carga do eleacutetron kB eacute a constante de Boltzmann e C eacute capacitacircncia Na

equaccedilatildeo (226) a temperatura deve ser maior que 0K [10]

kRe

hR TT 825

2 (225)

TkC

eTkEc BB

2

2

(226)

A partir dos conceitos apresentados pode-se definir o transistor mono-eleacutetron O SET

ilustrado na Figura 213 [10] eacute composto por duas junccedilotildees-tuacutenel em seacuterie formando uma

ilha entre as junccedilotildees [246-9] Os paracircmetros R1 C1 e R2 C2 correspondem agraves

resistecircncias e capacitacircncias da primeira e da segunda junccedilatildeo-tuacutenel respectivamente A

tensatildeo de porta Vg controla a energia eletrostaacutetica da ilha atraveacutes da capacitacircncia Cg

18

Quando haacute carregamento por tunelamento de uma junccedilatildeo e descarregamento da outra

junccedilatildeo haacute um fluxo controlado de cargas o que gera a corrente I [10]

Figura 213 Transistor mono-eleacutetron [10]

Um efeito que pode ser observado na caracteriacutestica da corrente versus tensatildeo do transistor

mono-eleacutetron eacute chamado de oscilaccedilatildeo de Coulomb [24679] Se a tensatildeo V for mantida

constante com CeV e a tensatildeo Vg for aumentada ateacute atingir gg CeV 2 esse

valor de tensatildeo permitiraacute que um eleacutetron passe pela ilha Como soacute haveraacute corrente fluindo

no circuito em valores muacuteltiplos da tensatildeo gCe 2 soacute ocorreraacute o tunelamento novamente

quando )2(3 gg CeV A caracteriacutestica corrente (I) versus tensatildeo (Vg) do transistor

mono-eleacutetron eacute ilustrada na Figura 214 [10]

Figura 214 Caracteriacutestica corrente (I) versus tensatildeo (Vg) do transistor mono-eleacutetron [10]

222 Estrutura do inversor mono-eleacutetron

Um inversor pode ser construiacutedo colocando-se dois SETs em seacuterie os quais compartilham

da mesma entrada [5689] conforme mostrado na Figura 215 Vin eacute a tensatildeo de entrada

Vout eacute a tensatildeo de saiacuteda Vbias eacute a tensatildeo de polarizaccedilatildeo CC eacute a capacitacircncia de carga Cg1 e

Cg2 satildeo as capacitacircncias de porta do SET 1 e do SET 2 respectivamente

19

Figura 215 Esquemaacutetico do inversor utilizando SETs (modificado de [4])

Alguns modelos do SET desenvolvidos no software SPICE foram propostos na literatura

[4-7] Destes modelos o proposto por G Lientschnig et al [4] descreve a implementaccedilatildeo

completa da teoria ortodoxa e usa apenas os recursos em versotildees disponiacuteveis publicamente

do software SPICE Este modelo diferentemente dos modelos propostos em [5-7] natildeo estaacute

limitado a transistores mono-eleacutetron com junccedilotildees-tuacutenel que tecircm resistecircncias iguais Aleacutem

disso pode ser estendido para incluir um nuacutemero arbitraacuterio de estados de carga que

permite simulaccedilotildees definidas para altas temperaturas e tensotildees de polarizaccedilatildeo [4] O

modelo de G Lientschnig et al estaacute disponiacutevel no siacutetio eletrocircnico [44] Assim este foi o

modelo utilizado neste trabalho

23 CLOCKING DE SISTEMAS DE ALTA VELOCIDADE

Em sistemas digitais siacutencronos o sinal do clock eacute utilizado para definir uma referecircncia de

tempo agrave mudanccedila de dados dentro do sistema [1145] Assim a distribuiccedilatildeo do clock eacute de

suma importacircncia na operaccedilatildeo de circuitos integrados digitais sendo uma grande

preocupaccedilatildeo em circuitos integrados de alta velocidade [46-51] Circuitos em escala

nanomeacutetrica podem ser significativamente limitados devido ao clock skew que ocorre

quando os circuitos natildeo estatildeo equumlidistantes do sinal do clock [11454649-51] Como este

sinal eacute o sinal mais ativo em um chip pode resultar em elevado consumo de potecircncia e

grandes densidades de corrente na rede de interconexotildees do clock [454849]

Dessa forma o sinal do clock deve atingir ao mesmo tempo cada noacute para garantir que a

comutaccedilatildeo seja sincronizada bem como deve ser distribuiacutedo de forma que haja o menor

20

atraso possiacutevel [49] Com esse intuito os seguintes fatores entre outros satildeo fundamentais

no desempenho do clock dispositivos loacutegicos de tecnologia raacutepida (avanccedilada) rede de

distribuiccedilatildeo de clock que minimize o skew e interconexotildees com alto desempenho [11]

Conforme exposto anteriormente os dispositivos nanoeletrocircnicos como os transistores

mono-eleacutetron satildeo potencialmente aplicaacuteveis em circuitos integrados em escala giga (GSI)

e tera (TSI) Estes dispositivos permitem que as funccedilotildees loacutegicas sejam desempenhadas em

um tempo mais raacutepido e com menor atraso Assim satildeo fortes candidatos a serem utilizados

em circuitos integrados com clock

A adequada rede de distribuiccedilatildeo do clock assegura que a comutaccedilatildeo seja sincronizada e

que haja o menor atraso possiacutevel [1145] Aleacutem disso dependendo da arquitetura da rede o

niacutevel de sincronismo do sistema pode aumentar Diferentes tipos de abordagens tecircm sido

desenvolvidos para projetar a rede de distribuiccedilatildeo do clock em sistemas digitais de

circuitos integrados [45] Os buffered trees satildeo muito utilizados na distribuiccedilatildeo

equipotencial do clock Aleacutem dessas estruturas assimeacutetricas arquiteturas simeacutetricas como

o H-tree satildeo usadas para distribuir sinais de clock em alta velocidade podendo inclusive

ser projetadas com buffers [45-51] Algumas formas de rede de distribuiccedilatildeo do clock estatildeo

ilustradas na Figura 216 incluindo a trunk tree mesh e H-tree [45]

Figura 216 Estruturas comuns de redes de distribuiccedilatildeo de clock [45]

21

Atualmente as interconexotildees de cobre satildeo bastante utilizadas para circuitos de alto

desempenho como em redes de clock No entanto os CNTs apresentam caracteriacutesticas que

os tornam melhores para serem utilizados em interconexotildees descritas na subseccedilatildeo 221

[48] Neste trabalho seraacute realizada a comparaccedilatildeo entre interconexotildees de cobre e de CNT

na rede de distribuiccedilatildeo do H-tree clock

231 H-Tree Clock

O clock skew pode ser minimizado distribuindo-se o sinal do clock de forma que as

interconexotildees que levam o sinal aos circuitos loacutegicos tecircm o mesmo comprimento Se antes

de chegarem aos circuitos loacutegicos os sinais do clock forem igualmente atrasados eles

estaratildeo perfeitamente sincronizados [1145] Dessa forma o esquemaacutetico da Figura 217 de

distribuiccedilatildeo do clock minimiza o clock skew repetindo recursivamente uma estrutura em

forma de H [11] A Figura 217 ilustra uma rede H-tree simeacutetrica com trecircs niacuteveis [46]

Figura 217 Esquemaacutetico do H-tree clock simeacutetrico (modificado de [46])

Na estrutura do H-tree o condutor primaacuterio do clock estaacute ligado ao centro do H principal

(1ordm niacutevel) transmitindo o sinal para os quatro cantos deste H Esses quatro cantos satildeo as

entradas para o proacuteximo niacutevel do H-tree o 2ordm niacutevel que possui quatro estruturas em H O

processo de distribuiccedilatildeo continua por vaacuterios niacuteveis de H‟s cada vez menores Os pontos de

destino final do H-tree satildeo usados para conduzir os circuitos locais Assim cada caminho

do clock desde a fonte ateacute o circuito local possui praticamente o mesmo atraso [45]

22

24 MEDIDAS DE DESEMPENHO NA ANAacuteLISE DAS INTERCONEXOtildeES

As interconexotildees em circuitos integrados possuem caracteriacutesticas que modificam o sinal de

entrada O efeito das interconexotildees pode provocar atrasos e distorccedilotildees indesejaacuteveis Nesse

contexto eacute necessaacuterio analisar medidas de desempenho dos sinais sob efeito das

interconexotildees tais como velocidade maacutexima atenuaccedilatildeo tempo de atraso potecircncia

dissipada produto atraso-potecircncia e slew rate [111317202342]

241 Velocidade maacutexima - anaacutelise na frequumlecircncia

A velocidade maacutexima que as interconexotildees podem operar sem distorcer o sinal de entrada

eacute uma medida de desempenho importante [172023] Eacute possiacutevel analisar este paracircmetro

atraveacutes da frequumlecircncia maacutexima de operaccedilatildeo da interconexatildeo que eacute a largura de banda em

que o sinal comeccedila a decair em -3dB em relaccedilatildeo ao sinal de referecircncia [1742] Assim

utiliza-se a anaacutelise do moacutedulo do graacutefico de Bode para obter a frequumlecircncia de operaccedilatildeo em

-3dB [42] A Figura 218 mostra o esboccedilo do moacutedulo do ganho pela frequumlecircncia tiacutepico do

comportamento de interconexotildees

Figura 218 Graacutefico do moacutedulo do ganho pela frequumlecircncia tiacutepico do comportamento de

interconexotildees

23

242 Atenuaccedilatildeo

A transmissatildeo de um sinal pode ser expressa em funccedilatildeo do seu ganho ou da sua atenuaccedilatildeo

No caso em estudo as interconexotildees podem atenuar o sinal Essa atenuaccedilatildeo eacute geralmente

calculada pela expressatildeo (227) em que Vo eacute o sinal de saiacuteda e Vi eacute o sinal de entrada [42]

i

o

V

VA log20 (227)

243 Tempo de atraso

O tempo de atraso td ou atraso na propagaccedilatildeo ocorre devido ao

carregamentodescarregamento da capacitacircncia de carga bem como ao tempo de

chaveamento dos transistores [42]

O tempo de atraso eacute obtido pela diferenccedila entre o tempo medido a 50 da transiccedilatildeo dos

sinais de entrada e de saiacuteda [11] Em circuitos loacutegicos o atraso na propagaccedilatildeo pode ser

calculado pela meacutedia aritmeacutetica do tempo de propagaccedilatildeo do sinal de alto para baixo tPHL e

do tempo de propagaccedilatildeo do baixo para alto tPLH conforme equaccedilatildeo (228) [1142]

2

PLHPHLd

ttt

(228)

244 Potecircncia dissipada

A dissipaccedilatildeo de potecircncia eacute outra medida de desempenho bastante importante em circuitos

integrados em escala GSI e TSI Isso ocorre jaacute que ao aumentar o nuacutemero de portas

loacutegicas em uma determinada aacuterea ocupada eacute necessaacuterio que a dissipaccedilatildeo de potecircncia esteja

dentro de limites aceitaacuteveis [1142]

A dissipaccedilatildeo de potecircncia eacute composta por dois componentes potecircncia estaacutetica e potecircncia

dinacircmica A dissipaccedilatildeo de potecircncia estaacutetica eacute dada por IVP DDE e ocorre mesmo que

natildeo haja chaveamento de porta loacutegica no circuito devido ao efeito da resistecircncia do

circuito [42] A dissipaccedilatildeo de potecircncia dinacircmica eacute devido agrave capacitacircncia de carga do

24

circuito expressa por CVfP DDD 2 em que VDD eacute a tensatildeo de alimentaccedilatildeo f eacute

frequumlecircncia do circuito e C eacute a capacitacircncia de carga do circuito [1142] Assim a soma da

potecircncia dinacircmica e da potecircncia estaacutetica resulta na potecircncia total dissipada no circuito

245 Produto atraso-potecircncia

Em circuitos integrados o ideal eacute que se tenha baixo atraso na propagaccedilatildeo resultando em

uma maior velocidade de funcionamento do circuito bem como baixa dissipaccedilatildeo de

potecircncia No entanto essas duas exigecircncias satildeo conflitantes ao reduzirmos a dissipaccedilatildeo de

potecircncia de uma porta a capacidade da porta em fornecer corrente diminuiraacute isso

implicaraacute em um maior tempo de carga e descarga aumentando o atraso na propagaccedilatildeo

Assim o produto atraso-potecircncia (delay power product ndash DP) eacute uma medida de

desempenho bastante utilizada na anaacutelise de circuitos e eacute dado por dD tPDP Quanto

menor o produto atraso-potecircncia maior a eficiecircncia do circuito loacutegico [42]

246 Slew rate

A taxa maacutexima de variaccedilatildeo da tensatildeo de saiacuteda do inglecircs slew rate (SR) eacute uma

caracteriacutestica importante do sinal de saiacuteda de um circuito loacutegico A limitaccedilatildeo na taxa de

variaccedilatildeo pode provocar uma distorccedilatildeo no funcionamento do circuito O SR pode ser

calculado pela expressatildeo (229) em que Δv eacute a variaccedilatildeo da tensatildeo de saiacuteda do sinal para

uma determinada variaccedilatildeo de tempo Δt [42]

t

vSR

(229)

25 LTSPICE

O software LTSPICE eacute um simulador SPICE de alto desempenho orientado a

esquemaacuteticos e visualizador de formas de onda com modelos para facilitar a simulaccedilatildeo de

circuitos eletrocircnicos Se comparado aos outros simuladores SPICE a simulaccedilatildeo do

LTSPICE eacute bastante raacutepida O software consegue simular dispositivos de acordo com o

padratildeo industrial reproduzindo os seus comportamentos [52]

25

O LTSPICE possui vaacuterias possibilidades de simulaccedilatildeo como anaacutelise transiente anaacutelise AC

e anaacutelise DC bem como permite a simulaccedilatildeo de vaacuterios dispositivos disponiacuteveis na sua

biblioteca Aleacutem disso este software possibilita a elaboraccedilatildeo de novos esquemaacuteticos

atraveacutes de um modelo matemaacutetico ou eletrocircnico proposto O novo componente poderaacute ser

utilizado no circuito conforme seraacute feito neste trabalho utilizando-se o modelo SPICE do

SET proposto por G Lientschnig et al[4]

26

3 METODOLOGIA

31 INTRODUCcedilAtildeO

A miniaturizaccedilatildeo das interconexotildees prejudica o seu desempenho resultando no aumento

significativo do valor da resistividade da capacitacircncia de acoplamento entre vias na

dificuldade de controlar a razatildeo entre a altura e a largura do material entre outros

problemas A fim de analisar o desempenho das interconexotildees eacute necessaacuterio verificar

algumas variaacuteveis importantes como velocidade maacutexima (f-3dB) atenuaccedilatildeo (A) tempo de

atraso (td) potecircncia dissipada (P) produto atraso-potecircncia (DP) e slew rate (SR)

[111317202342]

32 ETAPAS E ESTRATEacuteGIAS ADOTADAS

Com o intuito de analisar o efeito das interconexotildees em circuitos com transistores mono-

eleacutetron foi realizada primeiramente a anaacutelise das interconexotildees de SWCNT de SWCNT

bundle e de cobre isoladamente para diferentes valores de comprimento Apoacutes a avaliaccedilatildeo

desses resultados o efeito das interconexotildees foi analisado no H-tree clock com inversores

mono-eleacutetron nos seus terminais tambeacutem considerando diferentes comprimentos Neste

trabalho a tecnologia de 22 nm prevista para o ano de 2016 [21] foi utilizada na

comparaccedilatildeo entre o desempenho do cobre e do CNT Todas as simulaccedilotildees foram realizadas

utilizando o software LTSPICE

321 Simulaccedilatildeo das interconexotildees

A partir dos modelos das interconexotildees de SWCNT SWCNT bundle e cobre apresentados

na subseccedilatildeo 213 diferentes comprimentos das interconexotildees foram simulados Assim

analisou-se as interconexotildees locais em que l le 1 μm e as intermediaacuterias em que 1 μm lt l

le 500 μm sabendo que l eacute o comprimento da interconexatildeo [29-31333638]

A fim de analisar a frequumlecircncia de corte este foi obtido para comprimentos de

interconexotildees locais (10nm 100nm 200nm 300nm 400nm 500nm 600nm 700nm

27

800nm 900nm 1μm) e interconexotildees intermediaacuterias (10μm 100μm 200μm 300μm

400μm 500μm)

Jaacute que λCNT eacute tipicamente 1 μm foram escolhidos trecircs comprimentos na faixa lCNT le λCNT

(10 nm 100 nm e 1 μm) e trecircs comprimentos na faixa lCNT gt λCNT (10 μm 100 μm 500

μm) para serem analisados detalhadamente Escolheu-se uma mesma frequecircncia abaixo da

frequecircncia de corte dos trecircs materiais considerados para analisar e comparar a atenuaccedilatildeo

(A) e o tempo de atraso na propagaccedilatildeo (td) dos diferentes comprimentos

Em seguida o mesmo procedimento foi feito para comparar somente o SWCNT bundle e o

cobre para uma mesma frequecircncia cujo valor eacute maior que a frequecircncia da anaacutelise anterior

permitindo que estes dois materiais sejam analisados detalhadamente

Essas anaacutelises foram realizadas a partir da simulaccedilatildeo do circuito da Figura 31 [2325] A

tensatildeo de entrada Vin eacute uma onda quadrada de 1V de amplitude e o capacitor de carga tem

o valor de 100 aF

Figura 31 ndash Circuito simulado para cada interconexatildeo

A Figura 32 mostra o fluxograma das etapas descritas nesta subseccedilatildeo 321

28

Figura 32 ndash Fluxograma das etapas seguidas na simulaccedilatildeo das interconexotildees

322 Simulaccedilatildeo do inversor mono-eleacutetron

Para utilizar a porta inversora da Figura 215 nos terminais do H-tree clock foi necessaacuterio

primeiramente simular o SET proposto por [4] Essa simulaccedilatildeo foi feita variando os

paracircmetros do SET como as resistecircncias e capacitacircncias das junccedilotildees as capacitacircncias de

porta a temperatura etc Os paracircmetros foram variados ateacute simular o SET a temperatura

de 300K Em seguida simulou-se a inversora da Figura 215 tambeacutem a temperatura

ambiente Dessa forma foi possiacutevel simular a inversora isoladamente obtendo as

caracteriacutesticas do sinal de saiacuteda

323 Simulaccedilatildeo do H-tree clock mono-eleacutetron

Apoacutes a simulaccedilatildeo do SET foi possiacutevel simular o H-tree clock A rede H-tree de dois niacuteveis

foi simulada com um H no primeiro niacutevel e quatro H‟s no segundo niacutevel [49] Nos pontos

de destino final da rede foram colocadas portas inversoras formadas por SETs permitindo

a anaacutelise de circuitos nanoeletrocircnicos

Modelos de SWCNT

SWCNT bundle e cobre

Obtenccedilatildeo dos paracircmetros dos modelos para

interconexotildees locais e interconexotildees intermediaacuterias

Para cada comprimento

obtenccedilatildeo de f-3dB

1ordm) Escolha de frequumlecircncia abaixo

da f-3dB do SWCNT SWCNT

bundle e cobre

2ordm) Escolha de frequumlecircncia abaixo

da f-3dB do SWCNT bundle e

cobre

Obtenccedilatildeo de A e td de

cada modelo

Obtenccedilatildeo de A e td de

cada modelo

Anaacutelise comparativa entre o

SWCNT SWCNT bundle e

cobre

Anaacutelise comparativa entre o

SWCNT bundle e cobre

Estudo de interconexotildees locais (10nm

100nm 1μm) e intermediaacuterias (10μm

100μm 500μm)

29

A partir da simulaccedilatildeo do H-tree clock obteve-se a frequecircncia em -3dB (f-3dB) da rede com

interconexotildees ideais Assim a rede H-tree foi entatildeo simulada para duas frequecircncias

diferentes do sinal de entrada abaixo da frequecircncia de -3dB 10 GHz e 100 GHz Com

essas simulaccedilotildees obtiveram-se as seguintes caracteriacutesticas do sinal de saiacuteda da inversora

niacutevel loacutegico baixo (NB) niacutevel loacutegico alto (NA) tempo de subida (tr) slew rate de subida

(SR) atenuaccedilatildeo (A) tempo de atraso (td) potecircncia dissipada (P) e produto atraso-potecircncia

(DP) As caracteriacutesticas obtidas servem como referecircncia para analisar o sinal considerando

interconexotildees natildeo-ideais ou seja incluindo os modelos das interconexotildees nas simulaccedilotildees

Em seguida a rede H-tree foi simulada considerando-se os modelos das interconexotildees de

SWCNT bundle e de cobre variando os seus comprimentos Como cada H da rede de

distribuiccedilatildeo deve ser simeacutetrico considerou-se que cada divisatildeo do H tem o mesmo

comprimento para cada niacutevel da rede [11] A Figura 33 mostra o comprimento dos

diferentes trechos da rede Assim o comprimento de cada divisatildeo dos H‟s do segundo

niacutevel eacute a metade do comprimento de cada divisatildeo do H do primeiro niacutevel Jaacute que o objetivo

eacute simular circuitos em escala nanomeacutetrica escolheu-se trecircs variaccedilotildees de comprimento

menores ou iguais a 1μm

l = 100 nm l2 = 50 nm

l = 400 nm l2 = 200 nm

l = 1 μm l2 = 500 nm

Figura 33 ndash Esquemaacutetico do H-tree clock com os comprimentos de cada seguimento

Dessa forma cada um dos trecircs circuitos foi simulado obtendo-se a frequecircncia em -3dB na

entrada das portas inversoras Em seguida as trecircs redes foram simuladas para as mesmas

30

duas frequumlecircncias do sinal de entrada (10 GHz e 100 GHz) de forma a obter as

caracteriacutesticas do sinal de saiacuteda descritas anteriormente considerando agora o efeito das

interconexotildees

Por fim a partir dos dados obtidos foram realizadas comparaccedilotildees entre as caracteriacutesticas

do sinal de saiacuteda de referecircncia (interconexotildees ideais) e o sinal de saiacuteda dos circuitos com as

interconexotildees natildeo-ideais bem como entre o comportamento das interconexotildees de SWCNT

bundle e de cobre nas diferentes frequecircncias

A Figura 34 mostra o fluxograma das etapas descritas nas subseccedilotildees 322 e 323

Figura 34 ndash Fluxograma das etapas seguidas na simulaccedilatildeo do H-tree clock

H-tree clock mono-eleacutetron

Simulaccedilatildeo do H-tree clock com

interconexotildees ideais Obtenccedilatildeo de f-3dB

da inversora

Simulaccedilatildeo do H-tree clock com

interconexotildees natildeo-ideais para os seguintes

comprimentos

l = 100 nm l2 = 50 nm

l = 400 nm l2 = 200 nm

l = 1 μm l2 = 500 nm

Validaccedilatildeo do SET e do

inversor mono-eleacutetron a

300K

Sinal de entrada a

10 GHz

Sinal de entrada a

100 GHz

Obtenccedilatildeo de NB

NA tr SR A td P e

DP do sinal de saiacuteda

da inversora

Obtenccedilatildeo de NB

NA tr SR A td P e

DP do sinal de saiacuteda

da inversora

Sinal de entrada a

10 GHz

Sinal de entrada a

100 GHz

Obtenccedilatildeo de NB

NA tr SR A td P e

DP do sinal de saiacuteda

da inversora

Obtenccedilatildeo de NB

NA tr SR A td P e

DP do sinal de saiacuteda

da inversora

Anaacutelise comparativa

dos dados obtidos

31

4 RESULTADOS E ANAacuteLISES

41 INTRODUCcedilAtildeO

Neste capiacutetulo seratildeo apresentados os procedimentos adotados e os resultados obtidos na

simulaccedilatildeo das interconexotildees SWCNT SWCNT bundle e cobre As etapas descritas na

metodologia foram seguidas obtendo-se os resultados das simulaccedilotildees das interconexotildees e

das simulaccedilotildees do H-tree clock mono-eleacutetron para interconexotildees ideais e natildeo-ideais A

partir dos resultados a anaacutelise do desempenho das interconexotildees seraacute apresentada

42 ANAacuteLISE DAS INTERCONEXOtildeES

Nesta seccedilatildeo a anaacutelise das interconexotildees de SWCNT SWCNT bundle e cobre na

tecnologia de 22 nm para diferentes comprimentos seraacute realizada Para isso analisou-se

as interconexotildees locais em que l le 1 μm e as intermediaacuterias em que 1 μm lt l le 500 μm

sabendo que l eacute o comprimento da interconexatildeo [29-31333638] Como λCNT eacute

tipicamente 1 μm trecircs comprimentos na faixa lCNT le λCNT (10 nm 100 nm e 1 μm) e trecircs

comprimentos na faixa lCNT gt λCNT (10 μm 100 μm 500 μm) de cada material seratildeo

analisados detalhadamente Os paracircmetros obtidos a partir dos modelos de SWCNT

SWCNT bundle e cobre estatildeo respectivamente nas Tabelas 71 72 e 73 do Apecircndice

421 Interconexotildees locais

Primeiramente a partir da simulaccedilatildeo da Figura 31 obteve-se a frequecircncia em -3dB (f-3dB)

das interconexotildees locais (lCNT le λCNT ) isto eacute a sua banda passante de forma a verificar a

velocidade maacutexima que cada interconexatildeo suporta A Figura 41 ilustra o comportamento

da frequecircncia das interconexotildees locais para os diferentes comprimentos Como o SWCNT

isolado possui valores de frequecircncia na faixa de centenas de giga Hertz ou seja menos de

um tera Hertz os valores de suas frequecircncias tambeacutem podem ser visualisados na Tabela

74 do Apecircndice

Verifica-se que agrave medida que o comprimento da interconexatildeo aumenta a frequecircncia

diminui Isso ocorre jaacute que os valores da capacitacircncia e indutacircncia aumentam com o

aumento do comprimento da interconexatildeo Esses paracircmetros satildeo decisivos no sinal de

32

saiacuteda sendo o sinal mais distorcido quanto maior for o valor desses paracircmetros Observa-

se que o SWCNT bundle e o cobre possuem banda passante maiores que o SWCNT

isolado para qualquer comprimento Aleacutem disso o SWCNT bundle soacute possui uma banda

passante comparaacutevel ao do cobre para comprimentos acima de 700 nm

Frequecircncia X Comprimento

0

10

20

30

40

50

60

100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

Comprimento (nm)

f -3d

B (

TH

z)

SWCNT Isolado

SWCNT bundle

Cobre

Figura 41 ndash Frequumlecircncia versus comprimento das interconexotildees locais

As interconexotildees locais de 10 nm 100 nm e 1 μm de comprimento foram analisadas

detalhadamente A Tabela 41 mostra a frequecircncia em -3dB de cada material para os

comprimentos em anaacutelise

Tabela 41 Frequecircncia em -3dB de cada material para lCNT le λCNT

Interconexatildeo Local Comprimento (L) Material f-3dB

SWCNT isolado 253 GHz

10nm SWCNT bundle 66 THz

Cobre 232 THz

SWCNT isolado 300 GHz

lCNT le λCNT 100nm SWCNT bundle 20 THz

Cobre 51 THz

SWCNT isolado 230 GHz

1microm SWCNT bundle 47 THz

Cobre 42 THz

Assim escolheu-se uma mesma frequecircncia abaixo da frequecircncia de corte dos trecircs

materiais considerados para analisar e comparar a atenuaccedilatildeo (A) e o tempo de atraso na

propagaccedilatildeo (td) dos trecircs comprimentos Isso permite verificar o comportamento do sinal na

banda passante A Tabela 42 mostra esse estudo comparativo entre o SWCNT isolado

SWCNT bundle e cobre agrave frequecircncia de 200 GHz

33

Tabela 42 Estudo das interconexotildees com comprimentos na faixa lCNT le λCNT

Freq L Material A (dB) td (ps)

SWCNT isolado -210 046

10nm SWCNT bundle 001 000

Cobre 000 000

SWCNT isolado -155 051

200 GHz 100nm SWCNT bundle 001 000

Cobre 001 000

SWCNT isolado -039 107

1microm SWCNT bundle 006 001

Cobre 000 007

A partir da anaacutelise da Tabela 42 eacute possiacutevel observar agrave frequumlecircncia de 200 GHz a

atenuaccedilatildeo do sinal e o atraso do SWCNT isolado Nessa frequumlecircncia o atraso do SWCNT

isolado eacute significativo em relaccedilatildeo ao periacuteodo do sinal que eacute 5ps jaacute que o menor atraso

(para l = 10nm) eacute aproximadamente 10 do periacuteodo do sinal de entrada No entanto para

esta mesma frequumlecircncia observa-se que a atenuaccedilatildeo e o atraso do SWCNT bundle e do

cobre satildeo insignificantes Isto indica que estes dois materiais possuem melhor

desempenho sendo favoraacuteveis para serem utilizados em interconexotildees locais

Dessa forma para analisar melhor a atenuaccedilatildeo e o tempo de atraso do SWCNT bundle e do

cobre o mesmo procedimento foi feito comparando-se somente estes dois materiais para

uma mesma frequecircncia de 1 THz A Tabela 43 mostra esse estudo comparativo entre o

SWCNT bundle e cobre

Tabela 43 Estudo das interconexotildees SWCNT bundle e cobre com comprimentos na faixa

lCNT le λCNT

Freq L Material A (dB) td (fs)

10nm SWCNT bundle 001 113

Cobre 000 022

1 THz 100nm SWCNT bundle 006 136

Cobre 001 240

1microm SWCNT bundle 145 647

Cobre -013 5623

Analisando a Tabela 43 observa-se que agrave frequumlecircncia de 1 THz a atenuaccedilatildeo do sinal e o

atraso aumentam agrave medida que o comprimento das interconexotildees aumentam A partir do

comprimento de 100nm o tempo de atraso da interconexatildeo de cobre eacute maior que o do

SWCNT bundle cujo maior valor de atraso (para l = 1microm) natildeo chega a 1 do periacuteodo do

34

sinal de entrada (1ps) Isso mostra que apesar de a banda passante do cobre ser maior o

atraso do SWCNT bundle eacute menor Dessa forma para as interconexotildees locais o SWCNT

bundle possui desempenho comparaacutevel ao do cobre [13]

Em relaccedilatildeo agrave atenuaccedilatildeo verifica-se que para alguns comprimentos este tem valor

positivo Isso ocorre principalmente quando haacute um pico no graacutefico da frequumlecircncia antes dele

comeccedilar a decair Esse pico eacute devido ao efeito ressonante provocado pela indutacircncia

quando este possui valor comparaacutevel agrave resistecircncia e agrave capacitacircncia da interconexatildeo [53]

Assim esse efeito ressonante foi observado somente nas interconexotildees locais de SWCNT

bundle e de cobre A Figura 42 ilustra o graacutefico da magnitude pela frequumlecircncia do SWCNT

isolado SWCNT bundle e cobre para o comprimento de 100nm Observa-se o efeito

ressonante nos graacuteficos do SWCNT bundle e do cobre

Figura 42 ndash Graacuteficos da magnitude das interconexotildees de SWCNT isolado (superior)

SWCNT bundle (meio) e cobre (inferior) com comprimento de 100nm

35

422 Interconexotildees intermediaacuterias

Assim como para as interconexotildees locais obteve-se a frequecircncia em -3dB (f-3dB) das

interconexotildees intermediaacuterias (lCNT gt λCNT) de forma a verificar a velocidade maacutexima que

cada interconexatildeo suporta A Figura 43 ilustra o comportamento da frequecircncia das

interconexotildees intermediaacuterias para os diferentes comprimentos Os valores das frequecircncias

de cada interconexatildeo tambeacutem podem ser visualisados na Tabela 75 do Apecircndice

Como nas interconexotildees locais agrave medida que o comprimento da interconexatildeo aumenta a

frequecircncia diminui Aleacutem disso o SWCNT bundle e o cobre possuem desempenho melhor

que o do SWCNT isolado para qualquer comprimento No entanto para interconexotildees

intermediaacuterias o SWCNT bundle possui banda passante maior que a do cobre para

qualquer comprimento

Frequecircncia X Comprimento

00

05

10

15

20

25

30

35

40

45

100 200 300 400 500

Comprimento (μm)

f -3d

B (

GH

z)

SWCNT isolado

SWCNT bundle

Cobre

Figura 43 ndash Frequumlecircncia versus comprimento das interconexotildees intermediaacuterias

As interconexotildees intermediaacuterias de 10 μm 100 μm e 500 μm de comprimento foram entatildeo

analisadas detalhadamente A Tabela 44 mostra a frequecircncia em -3dB de cada materal

para os diferentes comprimentos em anaacutelise

36

Tabela 44 Frequecircncia em -3dB de cada material para lCNT gt λCNT

Interconexatildeo

Intermediaacuteria

Comprimento (L) Material f-3dB

SWCNT isolado 26 GHz

10 microm SWCNT bundle 527 GHz

Cobre 34 GHz

SWCNT isolado 32 MHz

lCNT gt λCNT 100 microm SWCNT bundle 42 GHz

Cobre 345 MHz

SWCNT isolado 13 MHz

500 microm SWCNT bundle 165 MHz

Cobre 14 MHz

Escolheu-se a frequecircncia de 1 MHz que estaacute abaixo da frequecircncia de corte dos trecircs

materiais considerados para analisar e comparar a atenuaccedilatildeo (A) e o tempo de atraso na

propagaccedilatildeo (td) dos trecircs comprimentos A Tabela 45 mostra esse estudo comparativo entre

o SWCNT isolado SWCNT bundle e cobre

Tabela 45 Estudo das interconexotildees com comprimentos na faixa lCNT gt λCNT

Freq L Material A (dB) td (ns)

SWCNT isolado -002 008

10 microm SWCNT bundle 000 000

Cobre 000 000

SWCNT isolado -003 559

1 MHz 100 microm SWCNT bundle -001 005

Cobre -004 056

SWCNT isolado -198 10217

500 microm SWCNT bundle 000 110

Cobre -003 1301

Com base na Tabela 45 observa-se que a atenuaccedilatildeo e o tempo de atraso do SWCNT

isolado aumentam com o aumento do comprimento da interconexatildeo Nessa frequumlecircncia o

atraso na propagaccedilatildeo do SWCNT isolado eacute significativo em relaccedilatildeo ao periacuteodo do sinal de

entrada que eacute 1micros chegando a mais de 10 deste periacuteodo para o comprimento de 500microm

Verifica-se tambeacutem o aumento do tempo de atraso da interconexatildeo de cobre sendo 13

do periacuteodo do sinal de entrada para o comprimento de 500microm

Para analisar melhor a atenuaccedilatildeo e o tempo de atraso do SWCNT bundle e do cobre o

mesmo procedimento foi feito comparando-se somente estes dois materiais para uma

37

mesma frequecircncia de 10 MHz A Tabela 46 mostra esse estudo comparativo entre o

SWCNT bundle e cobre

Tabela 46 Estudo das interconexotildees SWCNT bundle e cobre com comprimentos na faixa

lCNT gt λCNT

Freq L Material A (dB) td (ns)

10 microm SWCNT bundle 000 000

Cobre 000 000

10 MHz 100 microm SWCNT bundle -001 005

Cobre -004 054

500 microm SWCNT bundle -004 107

Cobre -185 1024

Analisando a Tabela 46 observa-se que agrave medida que o comprimento das interconexotildees

aumenta a atenuaccedilatildeo e o atraso do sinal da interconexatildeo de cobre tornam-se significativos

O atraso na propagaccedilatildeo da interconexatildeo de cobre para l = 500microm chega a 10 do periacuteodo

do sinal de entrada (100ns) Jaacute o SWCNT bundle apresenta valores insignificantes de

atenuaccedilatildeo e atraso na propagaccedilatildeo Assim para as interconexotildees intermediaacuterias o SWCNT

bundle possui desempenho superior ao do cobre

43 SIMULACcedilAtildeO DO INVERSOR MONO-ELEacuteTRON

O modelo SPICE do SET proposto por G Lientschnig et al [444] foi simulado no

LTSPICE A partir da equaccedilatildeo (226) foi possiacutevel aumentar a temperatura do SET ateacute

chegar a 300K Assim o esquemaacutetico do SET e os valores de seus paracircmetros para que o

SET opere a 300K estatildeo na Figura 44 No anexo deste trabalho (subseccedilatildeo 81) encontra-

se o coacutedigo SET que foi utilizado [44] Os paracircmetros R1 C1 e R2 C2 correspondem agraves

resistecircncias e capacitacircncias das junccedilotildees-tuacutenel Cg eacute a capacitacircncia de porta (Cg1 no coacutedigo

SET) Vg eacute a tensatildeo de porta e V eacute a tensatildeo de entrada

Figura 44 Esquemaacutetico do SET e os valores de seus paracircmetros

38

A partir destes valores o inversor mono-eleacutetron foi construiacutedo colocando-se dois SETs em

seacuterie os quais compartilham da mesma entrada A Figura 45 ilustra o esquemaacutetico do

inversor mono-eleacutetron juntamente com os valores de seus paracircmetros fixos em que Vin eacute a

tensatildeo de entrada Vout eacute a tensatildeo de saiacuteda Vbias eacute a tensatildeo de polarizaccedilatildeo Cc eacute a

capacitacircncia de carga Cg1 e Cg2 satildeo as capacitacircncias de porta do SET 1 e do SET 2

respectivamente

Figura 45 Esquemaacutetico do inversor mono-eleacutetron e os valores de seus paracircmetros

(modificado de [4])

Assim apoacutes simular o inversor mono-eleacutetron a 300K obteve-se o sinal de saiacuteda mostrado

na Figura 46 Como o inversor estaacute invertendo o sinal de entrada de valor loacutegico baixo em

um sinal de saiacuteda de valor loacutegico alto ele estaacute operando corretamente

Figura 46 Curva do sinal de entrada (em verde) e do sinal de saiacuteda (em preto) do inversor

mono-eleacutetron

39

44 ANAacuteLISE DAS INTERCONEXOtildeES NO H-TREE CLOCK MONO-ELEacuteTRON

Nesta seccedilatildeo a rede H-tree clock de dois niacuteveis foi simulada com portas inversoras mono-

eleacutetron nos pontos de destino final da rede permitindo a anaacutelise de circuitos

nanoeletrocircnicos Simulou-se a rede H-tree considerando interconexotildees ideais para as

frequecircncias de 10 GHz e 100 GHz no sinal de entrada Em seguida para as mesmas duas

frequecircncias considerou-se interconexotildees natildeo-ideais de diferentes comprimentos

analisando a rede com os modelos de interconexatildeo SWCNT bundle e cobre Trecircs redes

com comprimentos de interconexotildees diferentes foram analisadas

l = 100 nm l2 = 50 nm

l = 400 nm l2 = 200 nm

l = 1 μm l2 = 500 nm

441 Anaacutelise da rede com interconexotildees ideais

A partir da simulaccedilatildeo do H-tree clock a frequecircncia em -3dB (f-3dB) da rede com

interconexotildees ideais foi obtida Na saiacuteda de cada porta inversora a banda passante do sinal

eacute 3200 GHz Dessa forma duas frequecircncias abaixo de 3200 GHz foram escolhidas para

analisar o sinal de saiacuteda da inversora em condiccedilotildees ideais As frequecircncias de 10 GHz e

100 GHz seratildeo analisadas obtendo-se as seguintes caracteriacutesticas do sinal de saiacuteda da

inversora niacutevel loacutegico baixo (NB) niacutevel loacutegico alto (NA) tempo de subida (tr) slew rate

de subida (SR) atenuaccedilatildeo (A) e tempo de atraso (td) A Tabela 47 mostra os valores

obtidos para as duas frequecircncias em anaacutelise

Tabela 47 Caracteriacutesticas dos sinais de saiacuteda da rede para interconexotildees ideais

Freq NB(mV) NA(mV) tr (ps) SR(Vns) A(dB) td (ps)

10 GHz 675 4518 356 8636 -264 412

100 GHz 678 4279 317 9088 -269 189

Os caacutelculos da potecircncia estaacutetica ( IVP DDE ) potecircncia dinacircmica ( CVfP DDD 2 ) e

potecircncia total ( DE PPP ) dissipada por cada porta inversora foram realizados bem

como o produto atraso-potecircncia (DP) Assim a Tabela 48 mostra os valores obtidos no

40

caacutelculo destes paracircmetros Como a potecircncia estaacutetica independe da frequecircncia do sinal de

entrada o seu valor eacute o mesmo nos dois casos

Tabela 48 Potecircncia dissipada por cada porta inversora para interconexotildees ideais

Frequecircncia PE (nW) PD (nW) P (nW) DP (10-18

Wmiddots)

10 GHz 4838 125 4963 020

100 GHz 4838 125 6088 012

As Tabelas 47 e 48 serviratildeo de referecircncia para as anaacutelises da rede com interconexotildees natildeo-

ideais analisadas na subseccedilatildeo seguinte As Figuras 47 e 48 ilustram o sinal de saiacuteda das

redes com frequecircncias de 10 GHz e de 100 GHz respectivamente Eacute possiacutevel observar que

na frequecircncia de 100 GHz o sinal de saiacuteda jaacute eacute distorcido em relaccedilatildeo ao sinal de referecircncia

(Figura 46)

Figura 47 Sinal de entrada (em verde) e sinal de saiacuteda (em preto) da rede a 10 GHz

Figura 48 Sinal de entrada (em verde) e sinal de saiacuteda (em preto) da rede a 100 GHz

41

442 Anaacutelise da rede com interconexotildees natildeo-ideais

Apoacutes obter as caracteriacutesticas da rede H-tree clock com interconexotildees ideais a anaacutelise da

rede com interconexotildees natildeo-ideais seraacute feita Primeiramente eacute importante verificar a

frequecircncia em -3dB do sinal depois das interconexotildees ou seja na entrada da porta

inversora Caso essa frequecircncia seja menor que a frequecircncia de 3200 GHz obtida com

interconexotildees ideais entatildeo a interconexatildeo afetaraacute o comportamento da rede A Tabela 49

mostra a frequecircncia em -3dB na entrada da inversora para interconexotildees natildeo-ideais

Tabela 49 Frequecircncia em -3dB na entrada da inversora para interconexotildees natildeo-ideais

Comprimentos (l2 l) Material f-3dB

50nm 100nm SWCNT bundle 122 THz

Cobre 175 THz

200nm 400nm SWCNT bundle 31 THz

Cobre 8606 GHz

500nm 1microm SWCNT bundle 12 THz

Cobre 1268 GHz

Assim verifica-se que a interconexatildeo de cobre da rede 500nm1microm possui frequecircncia em

-3dB abaixo da frequecircncia do circuito com interconexatildeo ideal (3200 GHz) Isso indica que

esta interconexatildeo interfere significativamente no comportamento da rede A Tabela 49

mostra tambeacutem que a banda passante da interconexatildeo de cobre soacute eacute maior que a da

interconexatildeo de SWCNT bundle no primeiro caso na rede de 50nm100nm o que mostra

uma vantagem do SWCNT bundle em relaccedilatildeo ao cobre A partir dessas informaccedilotildees a

rede H-tree clock com interconexotildees natildeo-ideais seraacute analisada detalhadamente

4421 Anaacutelise da rede a 10 GHz

As redes com interconexotildees natildeo-ideais seratildeo analisadas na frequecircncia de 10 GHz para

diferentes comprimentos Primeiramente o niacutevel loacutegico baixo (NB) o niacutevel loacutegico alto

(NA) o tempo de subida (tr) e o slew rate de subida (SR) foram obtidos conforme mostra a

Tabela 410 Com base nessa tabela verifica-se que na frequecircncia de 10 GHz essas

caracteriacutesticas natildeo foram modificadas pelas interconexotildees natildeo-ideais independentemente

do comprimento Os valores dos paracircmetros satildeo iguais aos obtidos na rede com

interconexatildeo ideal conforme Tabela 47 O sinal obtido na saiacuteda de cada inversor eacute igual

ao ilustrado na Figura 47

42

Tabela 410 Niacuteveis loacutegicos tempo de subida e slew rate dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 10 GHz

Freq L (l2l) Material NB(mV) NA(mV) tr(ps) SR(Vns)

10

GHz

50nm

100nm

SWCNT bundle 675 4518 356 8636

Cobre 675 4518 356 8636

200nm

400nm

SWCNT bundle 675 4518 356 8636

Cobre 675 4518 356 8636

500nm

1microm

SWCNT bundle 675 4518 356 8636

Cobre 675 4518 356 8636

A Tabela 411 mostra a atenuaccedilatildeo tempo de atraso potecircncia total dissipada e o produto

atraso-potecircncia obtidos a frequecircncia de 10 GHz para interconexotildees natildeo-ideais Observa-se

que a atenuaccedilatildeo do sinal e a potecircncia total dissipada por cada porta inversora permanecem

os mesmos em relaccedilatildeo agrave interconexatildeo ideal mostrando que a essa frequecircncia as

interconexotildees natildeo-ideais natildeo interferem nestes paracircmetros

Jaacute o atraso na propagaccedilatildeo do sinal no caso do cobre aumenta agrave medida que as

interconexotildees aumentam de comprimento aumentando tambeacutem o produto atraso-potecircncia

Esse atraso chega a 66 do periacuteodo do sinal de entrada para a interconexatildeo 500nm1microm

de cobre No entanto estes paracircmetros natildeo satildeo afetados pelas interconexotildees de SWCNT

bundle indicando que este material se sobressai em relaccedilatildeo ao cobre

Tabela 411 Atenuaccedilatildeo atraso potecircncia e produto atraso-potecircncia dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 10 GHz

Freq L (l2l) Material A (dB) td (ps) P (nW) DP(10-18

Wmiddots)

10

GHz

50nm

100nm

SWCNT bundle -264 412 4963 020

Cobre -264 412 4963 020

200nm

400nm

SWCNT bundle -264 412 4963 020

Cobre -264 438 4963 022

500nm

1microm

SWCNT bundle -264 412 4963 020

Cobre -264 659 4963 033

4422 Anaacutelise da rede a 100 GHz

As redes com interconexotildees natildeo-ideais seratildeo analisadas na frequecircncia de 100 GHz para

diferentes comprimentos O niacutevel loacutegico baixo (NB) o niacutevel loacutegico alto (NA) o tempo de

subida (tr) e o slew rate de subida (SR) foram obtidos conforme mostra a Tabela 412 Jaacute a

43

Tabela 413 mostra a atenuaccedilatildeo tempo de atraso potecircncia total dissipada e o produto

atraso-potecircncia obtidos a frequecircncia de 100 GHz para interconexotildees natildeo-ideais

Tabela 412 Niacuteveis loacutegicos tempo de subida e slew rate dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 100 GHz

Freq L (l2l) Material NB(mV) NA(mV) tr(ps) SR(Vns)

100

GHz

50nm

100nm

SWCNT bundle 678 4272 316 9099

Cobre 675 4277 323 9107

200nm

400nm

SWCNT bundle 678 4299 315 9196

Cobre 677 4089 289 9447

500nm

1microm

SWCNT bundle 678 4418 300 9973

Cobre 635 1766 102 6795

Tabela 413 Atenuaccedilatildeo atraso potecircncia e produto atraso-potecircncia dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 100 GHz

Freq L (l2l) Material A (dB) td (ps) P (nW) DP(10-18

Wmiddots)

100

GHz

50nm

100nm

SWCNT bundle -2703 189 6088 012

Cobre -2685 191 6088 012

200nm

400nm

SWCNT bundle -2693 188 6088 012

Cobre -2698 228 6088 014

500nm

1microm

SWCNT bundle -2673 174 6088 011

Cobre -2893 388 6088 024

A partir das Tabelas 412 e 413 o SWCNT bundle seraacute analisado Observa-se que os seus

niacuteveis loacutegicos altos aumentam com o aumento do comprimento das interconexotildees

aumentando tambeacutem o slew rate de subida Esse comportamento ocorre provavelmente

devido ao efeito ressonante provocado pela indutacircncia que provoca um pico no graacutefico da

frequumlecircncia antes dele comeccedilar a decair conforme explicado na subseccedilatildeo 421 Isso implica

na diminuiccedilatildeo da atenuaccedilatildeo do sinal e do atraso No entanto o produto atraso-potecircncia

permanece praticamente invariaacutevel jaacute que a potecircncia total dissipada natildeo se altera

Em relaccedilatildeo agraves interconexotildees de cobre verifica-se que as distorccedilotildees satildeo significativas Agrave

medida que o comprimento aumenta a atenuaccedilatildeo do sinal de saiacuteda aumenta Isso provoca

diminuiccedilatildeo no slew rate do sinal o que natildeo eacute desejado jaacute que o sinal demora mais para

atingir o niacutevel loacutegico alto Aleacutem disso o atraso na propagaccedilatildeo do sinal aumenta bastante

chegando a 388 do periacuteodo do sinal de entrada para a interconexatildeo 500nm1microm

Consequentemente o produto atraso-potecircncia tambeacutem aumenta sendo o dobro do valor de

44

referecircncia (interconexotildees ideais) A Figura 49 ilustra o sinal de saiacuteda da interconexatildeo

500nm1microm de cobre

Figura 49 Sinal de entrada (em verde) e sinal de saiacuteda (em preto) da rede a 100 GHz para

a interconexatildeo 500nm1microm de cobre

Comparando-se as potecircncias das tabelas 47 48 411 413 verifica-se que natildeo haacute

alteraccedilatildeo na potecircncia total dissipada pelo circuito com interconexotildees ideais e pelos

circuitos com interconexotildees natildeo-ideais para uma mesma frequecircncia Assim eacute importante

destacar que a dissipaccedilatildeo de potecircncia das interconexotildees de SWCNT bundle e de cobre natildeo

interfere na potecircncia total dissipada pelo circuito

443 Consideraccedilotildees Finais

Apoacutes analisar as interconexotildees locais de SWCNT de SWCNT bundle e de cobre

verificou-se que as interconexotildees de SWCNT bundle possuem desempenho comparaacutevel ao

das interconexotildees de cobre Em relaccedilatildeo agraves interconexotildees intermediaacuterias as de SWCNT

bundle apresentam desempenho superior agraves de cobre Jaacute as interconexotildees de SWCNT

isolado tanto para interconexotildees locais como para interconexotildees intermediaacuterias

apresentam desempenho inferior agraves interconexotildees de SWCNT bundle e de cobre natildeo

sendo propiacutecias a serem utilizadas em interconexotildees de circuitos integrados

Na anaacutelise das interconexotildees natildeo-ideais na rede H-tree clock mono-eleacutetron para a

frequecircncia de 10GHz observou-se que o niacutevel loacutegico baixo o niacutevel loacutegico alto o tempo de

subida o slew rate de subida a atenuaccedilatildeo do sinal e a potecircncia total dissipada por cada

porta inversora permanecem os mesmos em relaccedilatildeo agrave interconexatildeo ideal mostrando que

45

para esta frequecircncia as interconexotildees natildeo-ideais natildeo interferem nestes paracircmetros Jaacute o

atraso na propagaccedilatildeo do sinal no caso do cobre aumenta agrave medida que as interconexotildees

aumentam de comprimento aumentando tambeacutem o produto atraso-potecircncia No entanto

estes paracircmetros natildeo satildeo afetados pelas interconexotildees de SWCNT bundle indicando que

este material se sobressai em relaccedilatildeo ao cobre

Jaacute para a rede H-tree clock mono-eleacutetron a 100GHz observou-se que o circuito com

interconexotildees natildeo-ideais afetou bastante os paracircmetros em anaacutelise se comparados aos

obtidos para interconexotildees ideais Verificou-se que as distorccedilotildees provocadas pelas

interconexotildees de cobre foram significativas indicando que as interconexotildees de SWCNT

bundle possuem melhor desempenho que as de cobre

Assim constata-se que as interconexotildees de SWCNT bundle satildeo fortes candidatas a

substituirem as interconexotildees de cobre em circuitos em escala giga (GSI) e tera (TSI)

46

5 CONCLUSOtildeES

Nesta dissertaccedilatildeo o estudo das interconexotildees de SWCNT de SWCNT bundle e de cobre

foi realizado analisando e comparando os seus desempenhos para diferentes

comprimentos A partir desse estudo verificou-se que as interconexotildees de SWCNT bundle

possui desempenho comparaacutevel ao das interconexotildees de cobre no caso de interconexotildees

locais Em relaccedilatildeo agraves interconexotildees intermediaacuterias as de SWCNT bundle apresentam

desempenho superior agraves de cobre

As interconexotildees de SWCNT bundle e as interconexotildees de cobre foram entatildeo simuladas na

rede H-tree clock de dois niacuteveis para diferentes comprimentos e frequecircncias Nos pontos

de destino final da rede foram colocadas portas inversoras formadas por SETs permitindo

a anaacutelise de circuitos nanoeletrocircnicos

A partir da anaacutelise da rede H-tree clock observou-se que as interconexotildees de SWCNT

bundle possuem desempenho melhor que as de cobre principalmente em relaccedilatildeo ao slew

rate agrave atenuaccedilatildeo ao tempo de atraso e ao produto atraso-potecircncia Aleacutem disso a

dissipaccedilatildeo de potecircncia das interconexotildees natildeo-ideais natildeo interferem na potecircncia total

dissipada pelo circuito Assim as interconexotildees de SWCNT bundle satildeo fortes candidatas a

substituirem as interconexotildees de cobre em circuitos em escala giga (GSI) e tera (TSI)

Como perspectivas futuras eacute importante analisar o efeito das interconexotildees de nanotubo de

carbono em circuitos GSI e TSI com outras arquiteturas A anaacutelise das interconexotildees de

CNT tambeacutem deve ser feita em circuitos com tecnologia MOS permitindo a comparaccedilatildeo

entre diferentes tecnologias Aleacutem disso eacute interessante estudar outros tipos de materiais

que possam ser utilizados como interconexotildees em circuitos integrados

47

6 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS

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53

7 APEcircNDICES

71 TABELAS COMPLEMENTARES

Tabela 71 Paracircmetros obtidos a partir do modelo de SWCNT isolado

L RQ (Ω) RS (Ω) LCNT (10-9

H) CCNT (10-18

F)

10 nm 645103 - 40010

-2 27910

-1

100 nm 645103 - 40010

-1 279

200 nm 645103 - 80010

-1 558

300 nm 645103 - 120 837

400 nm 645103 - 160 11210

1

500 nm 645103 - 200 14010

1

600 nm 645103 - 240 16710

1

700 nm 645103 - 280 19510

1

800 nm 645103 - 320 22310

1

900 nm 645103 - 360 25110

1

1 microm 645103 - 400 27910

1

10 microm 645103 64510

4 40010

1 27910

2

100 microm 645103 64510

5 40010

2 27910

3

200 microm 645103 12910

6 80010

2 55810

3

300 microm 645103 19410

6 12010

3 83710

3

400 microm

645103 25810

6 16010

3 11210

4

500 microm

645103 32310

6 20010

3 14010

4

Tabela 72 Paracircmetros obtidos a partir do modelo de SWCNT bundle

L RQ (Ω) RS (Ω) LBundle(10-9

H) CBundle(10-18

F)

10 nm 1075 - 66710-5

135

100 nm 1075 - 66710-4

135101

200 nm 1075 - 13310-3

270101

300 nm 1075 - 20010-3

405101

400 nm 1075 - 26710-3

540101

500 nm 1075 - 33310-3

675101

600 nm 1075 - 40010-3

810101

700 nm 1075 - 46710-3

945101

800 nm 1075 - 53310-3

108102

900 nm 1075 - 60010-3

122102

1 microm 1075 - 66710-3

135102

10 microm 1075 108102 66710

-2 13510

3

100 microm 1075 108103 66710

-1 13510

4

200 microm 1075 215103 133 27010

4

300 microm 1075 323103 200 40510

4

400 microm

1075 430103 267 54010

4

500 microm

1075 538103 333 67510

4

54

Tabela 73 Paracircmetros obtidos a partir do modelo de cobre

L RCu (Ω) LCu (10-9

H) CCu (10-18

F)

10 nm 06 37310-6

150

100 nm 60 63610-5

150101

200 nm 120 17510-4

300101

300 nm 180 30910-4

450101

400 nm 240 45410-4

600101

500 nm 300 61110-4

750101

600 nm 360 77510-4

900101

700 nm 420 94610-4

105102

800 nm 480 11210-3

120102

900 nm 540 13110-3

135102

1 microm 600 14910-3

150102

10 microm 60102 24010

-2 15010

3

100 microm 60103 33210

-1 15010

4

200 microm 12104 72010

-1 30010

4

300 microm 18104 113 45010

4

400 microm

24104 155 60010

4

500 microm

30104 198 75010

4

55

Tabela 74 Frequecircncia em -3dB das interconexotildees locais

Comprimento Material f-3dB

10 nm SWCNT isolado 253 GHz

SWCNT bundle 66 THz

Cobre 232 THz

100 nm SWCNT isolado 300 GHz

SWCNT bundle 20 THz

Cobre 51 THz

200 nm SWCNT isolado 342 GHz

SWCNT bundle 14 THz

Cobre 29 THz

300 nm SWCNT isolado 344 GHz

SWCNT bundle 11 THz

Cobre 20 THz

400 nm SWCNT isolado 329 GHz

SWCNT bundle 89 THz

Cobre 15 THz

500 nm SWCNT isolado 307 GHz

SWCNT bundle 76 THz

Cobre 12 THz

600 nm SWCNT isolado 288 GHz

SWCNT bundle 67 THz

Cobre 94 THz

700 nm SWCNT isolado 271 GHz

SWCNT bundle 61 THz

Cobre 76 THz

800 nm SWCNT isolado 255 GHz

SWCNT bundle 55 THz

Cobre 63 THz

900 nm SWCNT isolado 240 GHz

SWCNT bundle 51 THz

Cobre 52 THz

1 microm SWCNT isolado 230 GHz

SWCNT bundle 47 THz

Cobre 42 THz

56

Tabela 75 Frequecircncia em -3dB das interconexotildees intermediaacuterias

Comprimento Material f-3dB

10 microm SWCNT isolado 26 GHz

SWCNT bundle 527 GHz

Cobre 34 GHz

100 microm SWCNT isolado 32 MHz

SWCNT bundle 42 GHz

Cobre 345 MHz

200 microm SWCNT isolado 82 MHz

SWCNT bundle 10 GHz

Cobre 87 MHz

300 microm SWCNT isolado 36 MHz

SWCNT bundle 455 MHz

Cobre 38 MHz

400 microm SWCNT isolado 21 MHz

SWCNT bundle 256 MHz

Cobre 21 MHz

500 microm SWCNT isolado 13 MHz

SWCNT bundle 165 MHz

Cobre 14 MHz

57

8 ANEXOS

81 COacuteDIGO SPICE DO SET [44]

Transistor mono-eleacutetron (SET) conexotildees fonte | dreno | | porta1 | | | porta2 | | | | SUBCKT SET 1 2 3 4 PARAMS +C1=1E-20 Capacitacircncia da junccedilatildeo 1 +C2=1E-20 Capacitacircncia da junccedilatildeo 2 +R1=1E5 Resistecircncia da junccedilatildeo 1 +R2=1E5 Resistecircncia da junccedilatildeo 2 +Cg1=015E-18 Capacitacircncia da junccedilatildeo 1 +Cg2=0 Capacitacircncia da junccedilatildeo 2 +C0=0 Capacitacircncia proacutepria da ilha +Q0=005 Carga offset em unidades de e +TEMP=300 Temperatura PARAM E=160217733E-19 Carga do eleacutetron (e) PARAM CSUM=C1+C2+Cg1+Cg2+C0 Capacitacircncia total do SET PARAM T=TEMPCSUM53785467E14 Temperatura normalizada 53785467E14 = kBe^2 PARAM RN1=R1(R1+R2) Resistecircncia da junccedilatildeo 1 normalizada PARAM RN2=R2(R1+R2) Resistecircncia da junccedilatildeo 2 normalizada FUNC Q(v1v2v3v4) (Cg1v3+Cg2v4+C1v1+C2v2)E+Q0 Definiccedilatildeo da carga em unidades de e FUNC VN(v) CSUMvE Tensatildeo normalizada FUNC GAMMA(u) IF(T==0IF(ult0-u0)IF(u==0Tu(EXP(uT)-1))) FUNC N_OPT(v1v2v3v4) ROUND(-Q(v1v2v3v4)+(CSUME) (v1RN2+v2RN1)) A maior probabilidade de carga na ilha em unidades de e Os quarto eventos tuacuteneis FUNC R1L(nv1v2v3v4) GAMMA(05 - n - Q(v1v2v3v4) + VN(v1))RN1 FUNC R1R(nv1v2v3v4) GAMMA(05 + n + Q(v1v2v3v4) - VN(v1))RN1 FUNC R2L(nv1v2v3v4) GAMMA(05 + n + Q(v1v2v3v4) - VN(v2))RN2 FUNC R2R(nv1v2v3v4) GAMMA(05 - n - Q(v1v2v3v4) + VN(v2))RN2

58

determinaccedilatildeo das probabilidades relativas assume-se inicialmente que o estado da carga N_OPT tem probabilidade relativa igual a um FUNC PN_1(nv1v2v3v4) (R1L(nv1v2v3v4)+R2R(nv1v2v3v4))(R1R(n-1v1v2v3v4)+R2L(n-1v1v2v3v4)) FUNC PN_2(nv1v2v3v4) PN_1(nv1v2v3v4) +(R1L(n-1v1v2v3v4)+R2R(n-1v1v2v3v4))(R1R(n-2v1v2v3v4)+R2L(n-2v1v2v3v4)) FUNC PN_3(nv1v2v3v4) PN_2(nv1v2v3v4) +(R1L(n-2v1v2v3v4)+R2R(n-2v1v2v3v4))(R1R(n-3v1v2v3v4)+R2L(n-3v1v2v3v4)) FUNC PN_4(nv1v2v3v4) PN_3(nv1v2v3v4) +(R1L(n-3v1v2v3v4)+R2R(n-3v1v2v3v4))(R1R(n-4v1v2v3v4)+R2L(n-4v1v2v3v4)) FUNC PN_5(nv1v2v3v4) PN_4(nv1v2v3v4) +(R1L(n-4v1v2v3v4)+R2R(n-4v1v2v3v4))(R1R(n-5v1v2v3v4)+R2L(n-5v1v2v3v4)) FUNC PN1(nv1v2v3v4) (R2L(nv1v2v3v4) +R1R(nv1v2v3v4))(R2R(n+1v1v2v3v4)+R1L(n+1v1v2v3v4)) FUNC PN2(nv1v2v3v4) PN1(nv1v2v3v4) +(R2L(n+1v1v2v3v4)+R1R(n+1v1v2v3v4))(R2R(n+2v1v2v3v4)+R1L(n+2v1v2v3v4)) FUNC PN3(nv1v2v3v4) PN2(nv1v2v3v4) +(R2L(n+2v1v2v3v4)+R1R(n+2v1v2v3v4))(R2R(n+3v1v2v3v4)+R1L(n+3v1v2v3v4)) FUNC PN4(nv1v2v3v4) PN3(nv1v2v3v4) +(R2L(n+3v1v2v3v4)+R1R(n+3v1v2v3v4))(R2R(n+4v1v2v3v4)+R1L(n+4v1v2v3v4)) FUNC PN5(nv1v2v3v4) PN4(nv1v2v3v4) +(R2L(n+4v1v2v3v4)+R1R(n+4v1v2v3v4))(R2R(n+5v1v2v3v4)+R1L(n+5v1v2v3v4)) FUNC PSUM(nv1v2v3v4) PN_5(nv1v2v3v4)+PN_4(nv1v2v3v4)+PN_3(nv1v2v3v4)+PN_2(nv1v2v3v4) ++PN_1(nv1v2v3v4)+1+PN1(nv1v2v3v4)+PN2(nv1v2v3v4)+PN3(nv1v2v3v4) ++PN4(nv1v2v3v4)+PN5(nv1v2v3v4)

59

caacutelculo da corrente da fonte para o dreno FUNC CUR(nv1v2v3v4) PN_5(nv1v2v3v4)(R1R(n-5v1v2v3v4)-R1L(n-5v1v2v3v4)) ++PN_4(nv1v2v3v4)(R1R(n-4v1v2v3v4)-R1L(n-4v1v2v3v4)) ++PN_3(nv1v2v3v4)(R1R(n-3v1v2v3v4)-R1L(n-3v1v2v3v4)) ++PN_2(nv1v2v3v4)(R1R(n-2v1v2v3v4)-R1L(n-2v1v2v3v4)) ++PN_1(nv1v2v3v4)(R1R(n-1v1v2v3v4)-R1L(n-1v1v2v3v4)) ++(R1R(nv1v2v3v4)-R1L(nv1v2v3v4)) ++PN1(nv1v2v3v4)(R1R(n+1v1v2v3v4)-R1L(n+1v1v2v3v4)) ++PN2(nv1v2v3v4)(R1R(n+2v1v2v3v4)-R1L(n+2v1v2v3v4)) ++PN3(nv1v2v3v4)(R1R(n+3v1v2v3v4)-R1L(n+3v1v2v3v4)) ++PN4(nv1v2v3v4)(R1R(n+4v1v2v3v4)-R1L(n+4v1v2v3v4)) ++PN5(nv1v2v3v4)(R1R(n+5v1v2v3v4)-R1L(n+5v1v2v3v4)) FUNC CURRENT(nv1v2v3v4) ECUR(nv1v2v3v4)(CSUMPSUM(nv1v2v3v4)(R1+R2)) caacutelculo da tensatildeo da ilha FUNC VOLT(nv1v2v3v4) PN_5(nv1v2v3v4)(n-5+Q(v1v2v3v4)) ++PN_4(nv1v2v3v4)(n-4+Q(v1v2v3v4)) ++PN_3(nv1v2v3v4)(n-3+Q(v1v2v3v4)) ++PN_2(nv1v2v3v4)(n-2+Q(v1v2v3v4)) ++PN_1(nv1v2v3v4)(n-1+Q(v1v2v3v4)) ++n+Q(v1v2v3v4) ++PN1(nv1v2v3v4)(n+1+Q(v1v2v3v4)) ++PN2(nv1v2v3v4)(n+2+Q(v1v2v3v4)) ++PN3(nv1v2v3v4)(n+3+Q(v1v2v3v4)) ++PN4(nv1v2v3v4)(n+4+Q(v1v2v3v4)) ++PN5(nv1v2v3v4)(n+5+Q(v1v2v3v4)) FUNC VOLTAGE(nv1v2v3v4) (ECSUM)VOLT(nv1v2v3v4)PSUM(nv1v2v3v4) E1 5 0 VALUE= VOLTAGE(N_OPT(V(1)V(2)V(3)V(4))V(1)V(2)V(3)V(4)) Tensatildeo da ilha G1 1 2 VALUE= CURRENT(N_OPT(V(1)V(2)V(3)V(4))V(1)V(2)V(3)V(4)) Corrente da fonte para o dreno CT1 1 5 C1 CT2 2 5 C2 CGATE1 3 5 CG1 CGATE2 4 5 CG2 ENDS SET

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8

Por fim a capacitacircncia de um SWCNT isolado eacute constituiacuteda por duas partes que satildeo a

capacitacircncia eletrostaacutetica (CE) e a quacircntica (CQ) [13-1735] Essas capacitacircncias satildeo

calculadas pelas equaccedilotildees (26) e (27)

d

yCE

ln

2 (26)

F

Qhv

eC

22 (27)

A capacitacircncia eletrostaacutetica eacute influenciada pelo ambiente que a envolve que satildeo os seus

vizinhos e o plano ligado ao terra Considerando que o CNT eacute um fio com diacircmetro d =

1nm e a distacircncia y = 1microm obteacutem-se CE = 30 aFmicrom Jaacute a capacitacircncia quacircntica se refere agrave

influecircncia da energia quacircntica armazenada no nanotubo quando este carrega corrente O

valor da capacitacircncia eacute CQ = 100 aFmicrom [1314] Considerando os quatro canais condutores

descritos anteriormente a capacitacircncia total eacute dada por (28)

QE

QE

CNTCC

CCC

4

4

(28)

Assim o esquemaacutetico da interconexatildeo de um SWCNT isolado eacute mostrado na Figura 24

abaixo

Figura 24 ndash Modelo de interconexatildeo do SWCNT isolado (modificado de [33])

2132 Modelo de interconexatildeo do SWCNT bundle

O SWCNT bundle possui resistecircncia equivalente menor que o SWCNT isolado

caracteriacutestica necessaacuteria para alcanccedilar performances comparaacuteveis agraves interconexotildees de

9

cobre [13-2023252629-38] O SWCNT bundle eacute composto por vaacuterios SWCNTs

empacotados em paralelo Assume-se que todos os SWCNTs satildeo idecircnticos metaacutelicos e que

cada um tem o mesmo potencial [1737] Sabendo que d eacute o diacircmetro do nanotubo de

carbono e x eacute a distacircncia entre os centros de dois nanotubos adjacentes o SWCNT bundle

pode ser empacotado de forma densa se x = d ou de forma esparsa se x gt d [13-1529-

32] Sabe-se que entre os nanotubos existe uma separaccedilatildeo δmin devido agrave forccedila de Van der

Waals que eacute de pelo menos 032 nm entre cada nanotubo [13] como mostra a Figura 25

Figura 25 ndash Separaccedilatildeo miacutenima entre CNTs devido agrave forccedila de Van der Waals (modificado

de [13])

O nuacutemero de nanotubos de carbono nCNT disponiacutevel pode ser calculado pelas expressotildees

dadas em (29) e (210) [141530]

iacutemparnsen

nn

parnsen

nn

n

HH

HW

HH

HW

CNT

2

1

2

(29)

1

23

x

dtn

x

dwn HW (210)

Nas expressotildees acima w eacute a largura e t eacute a altura da interconexatildeo de SWCNT bundle

Assim nW eacute o nuacutemero de CNTs ao longo da largura do SWCNT bundle e nH eacute o nuacutemero de

CNTs ao longo da altura do SWCNT bundle [13-1530] A Figura 26 mostra esses valores

[13]

10

Figura 26 ndash Nuacutemero de CNTs ao longo da largura (nW) e da altura (nH) do CNT

bundle[13]

Na tecnologia de 22 nm considerando as dimensotildees de 22 nm de largura e 44 nm de altura

do SWCNT bundle [13173437] e a separaccedilatildeo entre cada nanotubo devido agrave forccedila de Van

der Waals a quantidade de SWCNTs eacute aproximadamente 600 Neste trabalho estas

consideraccedilotildees foram feitas e a tecnologia de 22 nm foi utilizada Esta tecnologia eacute prevista

pelo ITRS para o ano de 2016 [21]

As resistecircncias de cada SWCNT estatildeo em paralelo entre elas assim como as indutacircncias

Assim a resistecircncia e a indutacircncia do SWCNT bundle com nCNT SWCNTs satildeo calculados

respectivamente pelas expressotildees (211) e (212) [1323252629-3234]

CNT

CNTbundle

n

RR (211)

CNT

CNTbundle

n

LL (212)

Considerando que todos os SWCNTs estatildeo no mesmo potencial que os contatos entre

todos os nanotubos de carbono em um bundle satildeo idecircnticos e que cada SWCNT tem o

mesmo caminho meacutedio livre [13] eacute possiacutevel assumir que a interaccedilatildeo entre CNTs

adjacentes de um SWCNT bundle eacute fraca e que eles carregam correntes independentes

umas das outras [13-17]

A capacitacircncia do SWCNT bundle eacute obtida a partir da combinaccedilatildeo da capacitacircncia

quacircntica de todos os SWCNTs em paralelo chamada de capacitacircncia quacircntica bundle

(CQbundle

) que estaacute em seacuterie com a capacitacircncia eletrostaacutetica (CEbundle

) [13143539] A

capacitacircncia quacircntica e a capacitacircncia eletrostaacutetica satildeo calculadas pelas equaccedilotildees (213) e

(214) em que CEn e CEf satildeo as capacitacircncias de placas paralelas de CNTs isolados em

11

relaccedilatildeo aos vizinhos proacuteximos e afastados respectivamente [14293032] Assim a

capacitacircncia total do SWCNT bundle eacute obtida pela equaccedilatildeo (215)

CNT

CNT

Q

bundle

Q nCC (213)

En

HEf

WEn

bundle

E Cn

Cn

CC5

23

2

22

(214)

bundle

Q

bundle

E

bundle

Q

bundle

E

bundleCC

CCC

(215)

Analisando a equaccedilatildeo (215) o efeito da CQbundle

eacute pequeno para grandes valores de nCNT

sendo o valor da capacitacircncia do SWCNT bundle aproximadamente igual agrave sua

capacitacircncia eletrostaacutetica [13161719] Srivastava et al [13] mostra que os nanotubos no

interior do SWCNT bundle satildeo blindados eletrostaticamente dos condutores de terra

podendo ser desprezados Os CNTs de borda satildeo os principais contribuidores para a

capacitacircncia eletrostaacutetica do SWCNT bundle No entanto a equaccedilatildeo (214) natildeo reproduz

fielmente a realidade jaacute que considera a capacitacircncia eletrostaacutetica de todos os nanotubos e

natildeo soacute os CNTs de borda Segundo o mesmo autor para a tecnologia de 22 nm e uma

constante dieleacutetrica igual a 2 a capacitacircncia total do SWCNT bundle eacute aproximadamente

135 aFμm

2133 Modelo de interconexatildeo do cobre

As propriedades fiacutesicas de interconexotildees de cobre podem ser descritas por resistecircncia

capacitacircncia e indutacircncia [14-16] A resistecircncia do cobre pode ser calculada utilizando a

equaccedilatildeo (216)

tw

lRCu

(216)

em que l eacute o comprimento do cobre w eacute a sua largura t eacute a sua altura e ρ eacute a sua

resistividade A resistividade do cobre em escala nanomeacutetrica eacute moldada pela combinaccedilatildeo

dos fenocircmenos de espalhamento superficial e de espalhamento de contorno

[151627283340] Estes fenocircmenos correspondem aos paracircmetros ρFS e ρMS propostos

12

por Fuchs e Sondheimer (ρFS) e por Mayadas e Shatzkes (ρMS) [1516] Estes paracircmetros

satildeo calculados pelas expressotildees (217) (218) e (219)

)1(

4

31 p

w

o

o

FS

(217)

11ln33

2

31 22

MS

o (218)

)1( R

R

D

o

(219)

O paracircmetro ρo eacute a resistividade do material λo eacute o caminho meacutedio livre p eacute o paracircmetro

de espalhamento de Fuchs D eacute o tamanho meacutedio e R eacute o coeficiente de reflexatildeo no

contorno com valores entre 0 e 1 Assim tem-se que a resistecircncia do cobre em escala

nanomeacutetrica eacute dada pela equaccedilatildeo (220) [1516]

tw

lR MSFS

Cu

(220)

De acordo com [1433] o valor da resistividade do cobre na tecnologia de 22nm para

interconexotildees locais eacute dado por 4666 μΩ-cm No entanto este valor da resistividade do

cobre chega a 58 μΩ-cm para valores miacutenimos da largura do fio [1516203940] Neste

trabalho seraacute utilizado o valor de 58 μΩ-cm para a resistividade do cobre na tecnologia de

22 nm que vai ao encontro dos requerimentos do ITRS [21]

A indutacircncia proacutepria (L) e a muacutetua (M) da interconexatildeo de cobre em escala nanomeacutetrica

satildeo obtidas usando respectivamente as expressotildees (221) e (222)

l

tw

tw

llL o )(220

2

12ln

2

(221)

l

s

s

llM o 1

2ln

2

(222)

em que t eacute a altura do fio microo eacute a permeabilidade e s eacute o espaccedilamento entre os fios [14-16]

A indutacircncia total do cobre (LCu) eacute dada pela soma das indutacircncias proacutepria e muacutetua

13

A capacitacircncia da interconexatildeo de cobre eacute calculada pela soma da capacitacircncia de

acoplamento entre dois fios adjacentes (CC) e a capacitacircncia ligada ao plano do terra (Cg)

[14-16] Essas capacitacircncias podem ser obtidas pelas equaccedilotildees (223) e (224) [1541]

120760193

534511171

70222

ht

t

hs

s

hs

s

h

wCg (223)

181160141090

980871161

591740

062141

sh

h

sw

w

sw

w

sh

h

s

tCC (224)

em que s eacute o espaccedilamento entre dois fios adjacentes h eacute a distacircncia do fio em relaccedilatildeo ao

plano do terra e ε eacute a permissividade relativa para uma dada constante dieleacutetrica

Considerando as equaccedilotildees (223) e (224) e de acordo com [1321] para uma constante

dieleacutetrica igual a 2 o valor da capacitacircncia total do cobre (CCu) eacute aproximadamente 150

aFμm que seraacute utilizado neste trabalho

Os modelos em L em π e em T satildeo usados como modelos de interconexatildeo de cobre [11]

Como o modelo π eacute muito utilizado para uma linha distribuiacuteda [1416] este modelo seraacute

usado neste trabalho A Figura 27 mostra o modelo de interconexatildeo de cobre [11]

Figura 27 ndash Modelo de interconexatildeo de cobre

A precisatildeo do modelo eacute determinada pelo nuacutemero de seguimentos bdquoN‟ que ele possui Uma

cadeia com mais de trecircs segmentos em π fornece um erro menor que 3 [16] Neste

trabalho seratildeo utilizados trecircs segmentos em π

14

22 INVERSOR MONO-ELEacuteTRON

Os dispositivos de tunelamento mono-eleacutetron satildeo dispositivos nanoeletrocircnicos

potencialmente aplicaacuteveis em circuitos integrados em escala giga (GSI) e tera (TSI)

Apesar de apresentarem baixo ganho e alta impedacircncia de saiacuteda estes dispositivos

possuem tamanho reduzido e baixa dissipaccedilatildeo de potecircncia Estas caracteriacutesticas os tornam

atrativos em circuitos loacutegicos e circuitos de memoacuteria [1-10] Assim portas loacutegicas podem

ser implementadas utilizando dispositivos de tunelamento mono-eleacutetron [14-9]

As portas loacutegicas satildeo blocos de construccedilatildeo baacutesicos na eletrocircnica digital O inversor loacutegico

ou porta NOT eacute o principal elemento baacutesico no projeto de circuitos digitais [42] O

inversor inverte o sinal de entrada de valor loacutegico baixo ndash 0 ndash em um sinal de saiacuteda de

valor loacutegico alto ndash 1 ndash e vice-versa [442] Em outras palavras a porta NOT efetua a

negaccedilatildeo loacutegica O siacutembolo do inversor juntamente com sua tabela verdade estaacute ilustrado

na Figura 28

Figura 28 ndash Siacutembolo e tabela verdade da porta NOT

221 Dispositivo de tunelamento mono-eleacutetron

O funcionamento dos dispositivos de tunelamento mono-eleacutetron eacute baseado no controle do

movimento e da posiccedilatildeo de um uacutenico ou de um pequeno grupo de eleacutetrons no dispositivo

[17] Os seguintes conceitos satildeo essenciais na definiccedilatildeo desses dispositivos ilha junccedilatildeo-

tuacutenel tunelamento efeito de carregamento e bloqueio de Coulomb A partir desses

conceitos eacute possiacutevel definir o transistor mono-eleacutetron - SET (do inglecircs Single-electron

transistor) [24-8]

A ilha estaacute localizada entre duas paredes finas de um material normalmente isolante as

quais criam uma barreira de potencial de energia que impossibilita a movimentaccedilatildeo de

eleacutetrons pela ilha A Figura 29 mostra dois eletrodos A e B separados por uma barreira

15

isolante e no meio dessa barreira isolante encontra-se a ilha Se a energia dos eleacutetrons for

maior que a energia potencial das paredes das barreiras estes poderatildeo atravessaacute-las [6] No

dispositivo de tunelamento mono-eleacutetron o transporte de eleacutetrons entre o eletrodo A e a

ilha e entre a ilha e o eletrodo B ocorre por tunelamento mono-eleacutetron em que os eleacutetrons

atravessam as barreiras um de cada vez [10]

Figura 29 Dois eletrodos separados por uma ilha [10]

Esses dispositivos satildeo formados por junccedilotildees-tuacutenel que satildeo dois eletrodos metaacutelicos

separados por um isolante muito fino (barreira) o qual permite a passagem de eleacutetrons por

tunelamento [467] A Figura 210 ilustra a junccedilatildeo-tuacutenel e sua representaccedilatildeo simboacutelica Os

paracircmetros que caracterizam a junccedilatildeo-tuacutenel macroscopicamente satildeo a resistecircncia de

tunelamento (Rj) que depende da aacuterea e da espessura da barreira isolante e a capacitacircncia

(Cj) [10]

Figura 210 Esquemaacutetico da junccedilatildeo-tuacutenel [10]

O tunelamento eacute o transporte de partiacuteculas atraveacutes de uma regiatildeo em que a energia total de

uma partiacutecula pontual claacutessica eacute menor que a energia potencial da regiatildeo ou seja eacute o

transporte atraveacutes de uma regiatildeo classicamente proibida [10] O efeito de tunelamento

ocorre quando a barreira de potencial for suficientemente fina permitindo que o eleacutetron a

atravesse se houver niacutevel de energia desocupado do outro lado da barreira com o mesmo

valor de energia Esse fenocircmeno pode ser explicado pelo comportamento dual do eleacutetron

Diferentemente da mecacircnica claacutessica na teoria eletromagneacutetica quando uma partiacutecula

encontra uma barreira de potencial parte da onda eacute refletida e a outra parte eacute transmitida

para o outro lado da barreira [10] A teoria ortodoxa do tunelamento mono-eleacutetron eacute o

modelo mais utilizado para analisar o tunelamento [4-6] Proposto em 1987 por Averin e

Likharev [43] este modelo apresenta os seguintes postulados

16

Modelo de dimensatildeo zero as dimensotildees das ilhas satildeo despreziacuteveis

O evento de tunelamento eacute considerado instantacircneo

A redistribuiccedilatildeo das cargas apoacutes tunelamento tambeacutem eacute considerada instantacircnea

O espectro de energia em condutores e ilhas eacute considerado contiacutenuo ou seja a

quantizaccedilatildeo da energia do eleacutetron eacute ignorada dentro dos condutores

Apesar de a teoria ortodoxa assumir condiccedilotildees hipoteacuteticas ela continua sendo muito

utilizada em estudos do dispositivo mono-eleacutetron [4-6]

O efeito de carregamento ocorre quando os eleacutetrons estatildeo na iminecircncia de entrar em um

material condutor extremamente pequeno isolado eletricamente (ilha) Se houver um

eleacutetron na ilha o potencial eletrostaacutetico da ilha aumenta bastante sendo bem superior ao

ruiacutedo teacutermico em temperatura ambiente O fluxo de eleacutetrons na ilha eacute possiacutevel se o

potencial da ilha for controlado por uma fonte de tensatildeo externa Outros eleacutetrons satildeo

impedidos de entrar na ilha devido agrave repulsatildeo de Coulomb [14-9]

Assim o bloqueio de Coulomb ocorre quando um eleacutetron entra na ilha e impede o

tunelamento de outro eleacutetron nesta ilha No momento em que o eleacutetron entra na ilha a

energia eletrostaacutetica da ilha aumenta em Ce 22 em que CΣ eacute a soma das capacitacircncias

em torno da ilha [14] Dessa forma outro eleacutetron soacute conseguiraacute tunelar para dentro da ilha

se sua energia for maior que a energia eletrostaacutetica da ilha [6] A Figura 211 ilustra os

diagramas de energia no bloqueio de Coulomb e no caso de tunelamento [10]

(a) (b)

Figura 211 Diagramas de energia (a) Bloqueio de Coulomb (b) Tunelamento mono-

eleacutetron [10]

17

O bloqueio de Coulomb eacute superado ao se aplicar uma tensatildeo Vg ao circuito ateacute que esta

tensatildeo alcance um dado valor de limiar que forneceraacute energia suficiente para que ocorra o

tunelamento de um eleacutetron Assim haveraacute o fluxo de eleacutetrons havendo corrente A Figura

212 mostra a regiatildeo do bloqueio de Coulomb ao aplicar uma tensatildeo Vg ao circuito em que

Vc eacute a tensatildeo de limiar chamada de tensatildeo de bloqueio de Coulomb [5-10]

Figura 212 Caracteriacutestica do bloqueio de Coulomb [10]

Nesse contexto duas condiccedilotildees satildeo necessaacuterias para garantir que o transporte de eleacutetrons

seja controlado pelo efeito de carregamento a condiccedilatildeo para a resistecircncia de tunelamento

dada pela equaccedilatildeo (225) [1] em que a natureza corpuscular do eleacutetron predomina sobre a

natureza ondulatoacuteria e a energia eletrostaacutetica (EC) associada a uma dada temperatura (T)

deve ser significativamente maior que as flutuaccedilotildees teacutermicas existentes agravequela

temperatura como descrita na equaccedilatildeo (226) [146-9] Os paracircmetros h eacute a constante de

Planck e eacute a carga do eleacutetron kB eacute a constante de Boltzmann e C eacute capacitacircncia Na

equaccedilatildeo (226) a temperatura deve ser maior que 0K [10]

kRe

hR TT 825

2 (225)

TkC

eTkEc BB

2

2

(226)

A partir dos conceitos apresentados pode-se definir o transistor mono-eleacutetron O SET

ilustrado na Figura 213 [10] eacute composto por duas junccedilotildees-tuacutenel em seacuterie formando uma

ilha entre as junccedilotildees [246-9] Os paracircmetros R1 C1 e R2 C2 correspondem agraves

resistecircncias e capacitacircncias da primeira e da segunda junccedilatildeo-tuacutenel respectivamente A

tensatildeo de porta Vg controla a energia eletrostaacutetica da ilha atraveacutes da capacitacircncia Cg

18

Quando haacute carregamento por tunelamento de uma junccedilatildeo e descarregamento da outra

junccedilatildeo haacute um fluxo controlado de cargas o que gera a corrente I [10]

Figura 213 Transistor mono-eleacutetron [10]

Um efeito que pode ser observado na caracteriacutestica da corrente versus tensatildeo do transistor

mono-eleacutetron eacute chamado de oscilaccedilatildeo de Coulomb [24679] Se a tensatildeo V for mantida

constante com CeV e a tensatildeo Vg for aumentada ateacute atingir gg CeV 2 esse

valor de tensatildeo permitiraacute que um eleacutetron passe pela ilha Como soacute haveraacute corrente fluindo

no circuito em valores muacuteltiplos da tensatildeo gCe 2 soacute ocorreraacute o tunelamento novamente

quando )2(3 gg CeV A caracteriacutestica corrente (I) versus tensatildeo (Vg) do transistor

mono-eleacutetron eacute ilustrada na Figura 214 [10]

Figura 214 Caracteriacutestica corrente (I) versus tensatildeo (Vg) do transistor mono-eleacutetron [10]

222 Estrutura do inversor mono-eleacutetron

Um inversor pode ser construiacutedo colocando-se dois SETs em seacuterie os quais compartilham

da mesma entrada [5689] conforme mostrado na Figura 215 Vin eacute a tensatildeo de entrada

Vout eacute a tensatildeo de saiacuteda Vbias eacute a tensatildeo de polarizaccedilatildeo CC eacute a capacitacircncia de carga Cg1 e

Cg2 satildeo as capacitacircncias de porta do SET 1 e do SET 2 respectivamente

19

Figura 215 Esquemaacutetico do inversor utilizando SETs (modificado de [4])

Alguns modelos do SET desenvolvidos no software SPICE foram propostos na literatura

[4-7] Destes modelos o proposto por G Lientschnig et al [4] descreve a implementaccedilatildeo

completa da teoria ortodoxa e usa apenas os recursos em versotildees disponiacuteveis publicamente

do software SPICE Este modelo diferentemente dos modelos propostos em [5-7] natildeo estaacute

limitado a transistores mono-eleacutetron com junccedilotildees-tuacutenel que tecircm resistecircncias iguais Aleacutem

disso pode ser estendido para incluir um nuacutemero arbitraacuterio de estados de carga que

permite simulaccedilotildees definidas para altas temperaturas e tensotildees de polarizaccedilatildeo [4] O

modelo de G Lientschnig et al estaacute disponiacutevel no siacutetio eletrocircnico [44] Assim este foi o

modelo utilizado neste trabalho

23 CLOCKING DE SISTEMAS DE ALTA VELOCIDADE

Em sistemas digitais siacutencronos o sinal do clock eacute utilizado para definir uma referecircncia de

tempo agrave mudanccedila de dados dentro do sistema [1145] Assim a distribuiccedilatildeo do clock eacute de

suma importacircncia na operaccedilatildeo de circuitos integrados digitais sendo uma grande

preocupaccedilatildeo em circuitos integrados de alta velocidade [46-51] Circuitos em escala

nanomeacutetrica podem ser significativamente limitados devido ao clock skew que ocorre

quando os circuitos natildeo estatildeo equumlidistantes do sinal do clock [11454649-51] Como este

sinal eacute o sinal mais ativo em um chip pode resultar em elevado consumo de potecircncia e

grandes densidades de corrente na rede de interconexotildees do clock [454849]

Dessa forma o sinal do clock deve atingir ao mesmo tempo cada noacute para garantir que a

comutaccedilatildeo seja sincronizada bem como deve ser distribuiacutedo de forma que haja o menor

20

atraso possiacutevel [49] Com esse intuito os seguintes fatores entre outros satildeo fundamentais

no desempenho do clock dispositivos loacutegicos de tecnologia raacutepida (avanccedilada) rede de

distribuiccedilatildeo de clock que minimize o skew e interconexotildees com alto desempenho [11]

Conforme exposto anteriormente os dispositivos nanoeletrocircnicos como os transistores

mono-eleacutetron satildeo potencialmente aplicaacuteveis em circuitos integrados em escala giga (GSI)

e tera (TSI) Estes dispositivos permitem que as funccedilotildees loacutegicas sejam desempenhadas em

um tempo mais raacutepido e com menor atraso Assim satildeo fortes candidatos a serem utilizados

em circuitos integrados com clock

A adequada rede de distribuiccedilatildeo do clock assegura que a comutaccedilatildeo seja sincronizada e

que haja o menor atraso possiacutevel [1145] Aleacutem disso dependendo da arquitetura da rede o

niacutevel de sincronismo do sistema pode aumentar Diferentes tipos de abordagens tecircm sido

desenvolvidos para projetar a rede de distribuiccedilatildeo do clock em sistemas digitais de

circuitos integrados [45] Os buffered trees satildeo muito utilizados na distribuiccedilatildeo

equipotencial do clock Aleacutem dessas estruturas assimeacutetricas arquiteturas simeacutetricas como

o H-tree satildeo usadas para distribuir sinais de clock em alta velocidade podendo inclusive

ser projetadas com buffers [45-51] Algumas formas de rede de distribuiccedilatildeo do clock estatildeo

ilustradas na Figura 216 incluindo a trunk tree mesh e H-tree [45]

Figura 216 Estruturas comuns de redes de distribuiccedilatildeo de clock [45]

21

Atualmente as interconexotildees de cobre satildeo bastante utilizadas para circuitos de alto

desempenho como em redes de clock No entanto os CNTs apresentam caracteriacutesticas que

os tornam melhores para serem utilizados em interconexotildees descritas na subseccedilatildeo 221

[48] Neste trabalho seraacute realizada a comparaccedilatildeo entre interconexotildees de cobre e de CNT

na rede de distribuiccedilatildeo do H-tree clock

231 H-Tree Clock

O clock skew pode ser minimizado distribuindo-se o sinal do clock de forma que as

interconexotildees que levam o sinal aos circuitos loacutegicos tecircm o mesmo comprimento Se antes

de chegarem aos circuitos loacutegicos os sinais do clock forem igualmente atrasados eles

estaratildeo perfeitamente sincronizados [1145] Dessa forma o esquemaacutetico da Figura 217 de

distribuiccedilatildeo do clock minimiza o clock skew repetindo recursivamente uma estrutura em

forma de H [11] A Figura 217 ilustra uma rede H-tree simeacutetrica com trecircs niacuteveis [46]

Figura 217 Esquemaacutetico do H-tree clock simeacutetrico (modificado de [46])

Na estrutura do H-tree o condutor primaacuterio do clock estaacute ligado ao centro do H principal

(1ordm niacutevel) transmitindo o sinal para os quatro cantos deste H Esses quatro cantos satildeo as

entradas para o proacuteximo niacutevel do H-tree o 2ordm niacutevel que possui quatro estruturas em H O

processo de distribuiccedilatildeo continua por vaacuterios niacuteveis de H‟s cada vez menores Os pontos de

destino final do H-tree satildeo usados para conduzir os circuitos locais Assim cada caminho

do clock desde a fonte ateacute o circuito local possui praticamente o mesmo atraso [45]

22

24 MEDIDAS DE DESEMPENHO NA ANAacuteLISE DAS INTERCONEXOtildeES

As interconexotildees em circuitos integrados possuem caracteriacutesticas que modificam o sinal de

entrada O efeito das interconexotildees pode provocar atrasos e distorccedilotildees indesejaacuteveis Nesse

contexto eacute necessaacuterio analisar medidas de desempenho dos sinais sob efeito das

interconexotildees tais como velocidade maacutexima atenuaccedilatildeo tempo de atraso potecircncia

dissipada produto atraso-potecircncia e slew rate [111317202342]

241 Velocidade maacutexima - anaacutelise na frequumlecircncia

A velocidade maacutexima que as interconexotildees podem operar sem distorcer o sinal de entrada

eacute uma medida de desempenho importante [172023] Eacute possiacutevel analisar este paracircmetro

atraveacutes da frequumlecircncia maacutexima de operaccedilatildeo da interconexatildeo que eacute a largura de banda em

que o sinal comeccedila a decair em -3dB em relaccedilatildeo ao sinal de referecircncia [1742] Assim

utiliza-se a anaacutelise do moacutedulo do graacutefico de Bode para obter a frequumlecircncia de operaccedilatildeo em

-3dB [42] A Figura 218 mostra o esboccedilo do moacutedulo do ganho pela frequumlecircncia tiacutepico do

comportamento de interconexotildees

Figura 218 Graacutefico do moacutedulo do ganho pela frequumlecircncia tiacutepico do comportamento de

interconexotildees

23

242 Atenuaccedilatildeo

A transmissatildeo de um sinal pode ser expressa em funccedilatildeo do seu ganho ou da sua atenuaccedilatildeo

No caso em estudo as interconexotildees podem atenuar o sinal Essa atenuaccedilatildeo eacute geralmente

calculada pela expressatildeo (227) em que Vo eacute o sinal de saiacuteda e Vi eacute o sinal de entrada [42]

i

o

V

VA log20 (227)

243 Tempo de atraso

O tempo de atraso td ou atraso na propagaccedilatildeo ocorre devido ao

carregamentodescarregamento da capacitacircncia de carga bem como ao tempo de

chaveamento dos transistores [42]

O tempo de atraso eacute obtido pela diferenccedila entre o tempo medido a 50 da transiccedilatildeo dos

sinais de entrada e de saiacuteda [11] Em circuitos loacutegicos o atraso na propagaccedilatildeo pode ser

calculado pela meacutedia aritmeacutetica do tempo de propagaccedilatildeo do sinal de alto para baixo tPHL e

do tempo de propagaccedilatildeo do baixo para alto tPLH conforme equaccedilatildeo (228) [1142]

2

PLHPHLd

ttt

(228)

244 Potecircncia dissipada

A dissipaccedilatildeo de potecircncia eacute outra medida de desempenho bastante importante em circuitos

integrados em escala GSI e TSI Isso ocorre jaacute que ao aumentar o nuacutemero de portas

loacutegicas em uma determinada aacuterea ocupada eacute necessaacuterio que a dissipaccedilatildeo de potecircncia esteja

dentro de limites aceitaacuteveis [1142]

A dissipaccedilatildeo de potecircncia eacute composta por dois componentes potecircncia estaacutetica e potecircncia

dinacircmica A dissipaccedilatildeo de potecircncia estaacutetica eacute dada por IVP DDE e ocorre mesmo que

natildeo haja chaveamento de porta loacutegica no circuito devido ao efeito da resistecircncia do

circuito [42] A dissipaccedilatildeo de potecircncia dinacircmica eacute devido agrave capacitacircncia de carga do

24

circuito expressa por CVfP DDD 2 em que VDD eacute a tensatildeo de alimentaccedilatildeo f eacute

frequumlecircncia do circuito e C eacute a capacitacircncia de carga do circuito [1142] Assim a soma da

potecircncia dinacircmica e da potecircncia estaacutetica resulta na potecircncia total dissipada no circuito

245 Produto atraso-potecircncia

Em circuitos integrados o ideal eacute que se tenha baixo atraso na propagaccedilatildeo resultando em

uma maior velocidade de funcionamento do circuito bem como baixa dissipaccedilatildeo de

potecircncia No entanto essas duas exigecircncias satildeo conflitantes ao reduzirmos a dissipaccedilatildeo de

potecircncia de uma porta a capacidade da porta em fornecer corrente diminuiraacute isso

implicaraacute em um maior tempo de carga e descarga aumentando o atraso na propagaccedilatildeo

Assim o produto atraso-potecircncia (delay power product ndash DP) eacute uma medida de

desempenho bastante utilizada na anaacutelise de circuitos e eacute dado por dD tPDP Quanto

menor o produto atraso-potecircncia maior a eficiecircncia do circuito loacutegico [42]

246 Slew rate

A taxa maacutexima de variaccedilatildeo da tensatildeo de saiacuteda do inglecircs slew rate (SR) eacute uma

caracteriacutestica importante do sinal de saiacuteda de um circuito loacutegico A limitaccedilatildeo na taxa de

variaccedilatildeo pode provocar uma distorccedilatildeo no funcionamento do circuito O SR pode ser

calculado pela expressatildeo (229) em que Δv eacute a variaccedilatildeo da tensatildeo de saiacuteda do sinal para

uma determinada variaccedilatildeo de tempo Δt [42]

t

vSR

(229)

25 LTSPICE

O software LTSPICE eacute um simulador SPICE de alto desempenho orientado a

esquemaacuteticos e visualizador de formas de onda com modelos para facilitar a simulaccedilatildeo de

circuitos eletrocircnicos Se comparado aos outros simuladores SPICE a simulaccedilatildeo do

LTSPICE eacute bastante raacutepida O software consegue simular dispositivos de acordo com o

padratildeo industrial reproduzindo os seus comportamentos [52]

25

O LTSPICE possui vaacuterias possibilidades de simulaccedilatildeo como anaacutelise transiente anaacutelise AC

e anaacutelise DC bem como permite a simulaccedilatildeo de vaacuterios dispositivos disponiacuteveis na sua

biblioteca Aleacutem disso este software possibilita a elaboraccedilatildeo de novos esquemaacuteticos

atraveacutes de um modelo matemaacutetico ou eletrocircnico proposto O novo componente poderaacute ser

utilizado no circuito conforme seraacute feito neste trabalho utilizando-se o modelo SPICE do

SET proposto por G Lientschnig et al[4]

26

3 METODOLOGIA

31 INTRODUCcedilAtildeO

A miniaturizaccedilatildeo das interconexotildees prejudica o seu desempenho resultando no aumento

significativo do valor da resistividade da capacitacircncia de acoplamento entre vias na

dificuldade de controlar a razatildeo entre a altura e a largura do material entre outros

problemas A fim de analisar o desempenho das interconexotildees eacute necessaacuterio verificar

algumas variaacuteveis importantes como velocidade maacutexima (f-3dB) atenuaccedilatildeo (A) tempo de

atraso (td) potecircncia dissipada (P) produto atraso-potecircncia (DP) e slew rate (SR)

[111317202342]

32 ETAPAS E ESTRATEacuteGIAS ADOTADAS

Com o intuito de analisar o efeito das interconexotildees em circuitos com transistores mono-

eleacutetron foi realizada primeiramente a anaacutelise das interconexotildees de SWCNT de SWCNT

bundle e de cobre isoladamente para diferentes valores de comprimento Apoacutes a avaliaccedilatildeo

desses resultados o efeito das interconexotildees foi analisado no H-tree clock com inversores

mono-eleacutetron nos seus terminais tambeacutem considerando diferentes comprimentos Neste

trabalho a tecnologia de 22 nm prevista para o ano de 2016 [21] foi utilizada na

comparaccedilatildeo entre o desempenho do cobre e do CNT Todas as simulaccedilotildees foram realizadas

utilizando o software LTSPICE

321 Simulaccedilatildeo das interconexotildees

A partir dos modelos das interconexotildees de SWCNT SWCNT bundle e cobre apresentados

na subseccedilatildeo 213 diferentes comprimentos das interconexotildees foram simulados Assim

analisou-se as interconexotildees locais em que l le 1 μm e as intermediaacuterias em que 1 μm lt l

le 500 μm sabendo que l eacute o comprimento da interconexatildeo [29-31333638]

A fim de analisar a frequumlecircncia de corte este foi obtido para comprimentos de

interconexotildees locais (10nm 100nm 200nm 300nm 400nm 500nm 600nm 700nm

27

800nm 900nm 1μm) e interconexotildees intermediaacuterias (10μm 100μm 200μm 300μm

400μm 500μm)

Jaacute que λCNT eacute tipicamente 1 μm foram escolhidos trecircs comprimentos na faixa lCNT le λCNT

(10 nm 100 nm e 1 μm) e trecircs comprimentos na faixa lCNT gt λCNT (10 μm 100 μm 500

μm) para serem analisados detalhadamente Escolheu-se uma mesma frequecircncia abaixo da

frequecircncia de corte dos trecircs materiais considerados para analisar e comparar a atenuaccedilatildeo

(A) e o tempo de atraso na propagaccedilatildeo (td) dos diferentes comprimentos

Em seguida o mesmo procedimento foi feito para comparar somente o SWCNT bundle e o

cobre para uma mesma frequecircncia cujo valor eacute maior que a frequecircncia da anaacutelise anterior

permitindo que estes dois materiais sejam analisados detalhadamente

Essas anaacutelises foram realizadas a partir da simulaccedilatildeo do circuito da Figura 31 [2325] A

tensatildeo de entrada Vin eacute uma onda quadrada de 1V de amplitude e o capacitor de carga tem

o valor de 100 aF

Figura 31 ndash Circuito simulado para cada interconexatildeo

A Figura 32 mostra o fluxograma das etapas descritas nesta subseccedilatildeo 321

28

Figura 32 ndash Fluxograma das etapas seguidas na simulaccedilatildeo das interconexotildees

322 Simulaccedilatildeo do inversor mono-eleacutetron

Para utilizar a porta inversora da Figura 215 nos terminais do H-tree clock foi necessaacuterio

primeiramente simular o SET proposto por [4] Essa simulaccedilatildeo foi feita variando os

paracircmetros do SET como as resistecircncias e capacitacircncias das junccedilotildees as capacitacircncias de

porta a temperatura etc Os paracircmetros foram variados ateacute simular o SET a temperatura

de 300K Em seguida simulou-se a inversora da Figura 215 tambeacutem a temperatura

ambiente Dessa forma foi possiacutevel simular a inversora isoladamente obtendo as

caracteriacutesticas do sinal de saiacuteda

323 Simulaccedilatildeo do H-tree clock mono-eleacutetron

Apoacutes a simulaccedilatildeo do SET foi possiacutevel simular o H-tree clock A rede H-tree de dois niacuteveis

foi simulada com um H no primeiro niacutevel e quatro H‟s no segundo niacutevel [49] Nos pontos

de destino final da rede foram colocadas portas inversoras formadas por SETs permitindo

a anaacutelise de circuitos nanoeletrocircnicos

Modelos de SWCNT

SWCNT bundle e cobre

Obtenccedilatildeo dos paracircmetros dos modelos para

interconexotildees locais e interconexotildees intermediaacuterias

Para cada comprimento

obtenccedilatildeo de f-3dB

1ordm) Escolha de frequumlecircncia abaixo

da f-3dB do SWCNT SWCNT

bundle e cobre

2ordm) Escolha de frequumlecircncia abaixo

da f-3dB do SWCNT bundle e

cobre

Obtenccedilatildeo de A e td de

cada modelo

Obtenccedilatildeo de A e td de

cada modelo

Anaacutelise comparativa entre o

SWCNT SWCNT bundle e

cobre

Anaacutelise comparativa entre o

SWCNT bundle e cobre

Estudo de interconexotildees locais (10nm

100nm 1μm) e intermediaacuterias (10μm

100μm 500μm)

29

A partir da simulaccedilatildeo do H-tree clock obteve-se a frequecircncia em -3dB (f-3dB) da rede com

interconexotildees ideais Assim a rede H-tree foi entatildeo simulada para duas frequecircncias

diferentes do sinal de entrada abaixo da frequecircncia de -3dB 10 GHz e 100 GHz Com

essas simulaccedilotildees obtiveram-se as seguintes caracteriacutesticas do sinal de saiacuteda da inversora

niacutevel loacutegico baixo (NB) niacutevel loacutegico alto (NA) tempo de subida (tr) slew rate de subida

(SR) atenuaccedilatildeo (A) tempo de atraso (td) potecircncia dissipada (P) e produto atraso-potecircncia

(DP) As caracteriacutesticas obtidas servem como referecircncia para analisar o sinal considerando

interconexotildees natildeo-ideais ou seja incluindo os modelos das interconexotildees nas simulaccedilotildees

Em seguida a rede H-tree foi simulada considerando-se os modelos das interconexotildees de

SWCNT bundle e de cobre variando os seus comprimentos Como cada H da rede de

distribuiccedilatildeo deve ser simeacutetrico considerou-se que cada divisatildeo do H tem o mesmo

comprimento para cada niacutevel da rede [11] A Figura 33 mostra o comprimento dos

diferentes trechos da rede Assim o comprimento de cada divisatildeo dos H‟s do segundo

niacutevel eacute a metade do comprimento de cada divisatildeo do H do primeiro niacutevel Jaacute que o objetivo

eacute simular circuitos em escala nanomeacutetrica escolheu-se trecircs variaccedilotildees de comprimento

menores ou iguais a 1μm

l = 100 nm l2 = 50 nm

l = 400 nm l2 = 200 nm

l = 1 μm l2 = 500 nm

Figura 33 ndash Esquemaacutetico do H-tree clock com os comprimentos de cada seguimento

Dessa forma cada um dos trecircs circuitos foi simulado obtendo-se a frequecircncia em -3dB na

entrada das portas inversoras Em seguida as trecircs redes foram simuladas para as mesmas

30

duas frequumlecircncias do sinal de entrada (10 GHz e 100 GHz) de forma a obter as

caracteriacutesticas do sinal de saiacuteda descritas anteriormente considerando agora o efeito das

interconexotildees

Por fim a partir dos dados obtidos foram realizadas comparaccedilotildees entre as caracteriacutesticas

do sinal de saiacuteda de referecircncia (interconexotildees ideais) e o sinal de saiacuteda dos circuitos com as

interconexotildees natildeo-ideais bem como entre o comportamento das interconexotildees de SWCNT

bundle e de cobre nas diferentes frequecircncias

A Figura 34 mostra o fluxograma das etapas descritas nas subseccedilotildees 322 e 323

Figura 34 ndash Fluxograma das etapas seguidas na simulaccedilatildeo do H-tree clock

H-tree clock mono-eleacutetron

Simulaccedilatildeo do H-tree clock com

interconexotildees ideais Obtenccedilatildeo de f-3dB

da inversora

Simulaccedilatildeo do H-tree clock com

interconexotildees natildeo-ideais para os seguintes

comprimentos

l = 100 nm l2 = 50 nm

l = 400 nm l2 = 200 nm

l = 1 μm l2 = 500 nm

Validaccedilatildeo do SET e do

inversor mono-eleacutetron a

300K

Sinal de entrada a

10 GHz

Sinal de entrada a

100 GHz

Obtenccedilatildeo de NB

NA tr SR A td P e

DP do sinal de saiacuteda

da inversora

Obtenccedilatildeo de NB

NA tr SR A td P e

DP do sinal de saiacuteda

da inversora

Sinal de entrada a

10 GHz

Sinal de entrada a

100 GHz

Obtenccedilatildeo de NB

NA tr SR A td P e

DP do sinal de saiacuteda

da inversora

Obtenccedilatildeo de NB

NA tr SR A td P e

DP do sinal de saiacuteda

da inversora

Anaacutelise comparativa

dos dados obtidos

31

4 RESULTADOS E ANAacuteLISES

41 INTRODUCcedilAtildeO

Neste capiacutetulo seratildeo apresentados os procedimentos adotados e os resultados obtidos na

simulaccedilatildeo das interconexotildees SWCNT SWCNT bundle e cobre As etapas descritas na

metodologia foram seguidas obtendo-se os resultados das simulaccedilotildees das interconexotildees e

das simulaccedilotildees do H-tree clock mono-eleacutetron para interconexotildees ideais e natildeo-ideais A

partir dos resultados a anaacutelise do desempenho das interconexotildees seraacute apresentada

42 ANAacuteLISE DAS INTERCONEXOtildeES

Nesta seccedilatildeo a anaacutelise das interconexotildees de SWCNT SWCNT bundle e cobre na

tecnologia de 22 nm para diferentes comprimentos seraacute realizada Para isso analisou-se

as interconexotildees locais em que l le 1 μm e as intermediaacuterias em que 1 μm lt l le 500 μm

sabendo que l eacute o comprimento da interconexatildeo [29-31333638] Como λCNT eacute

tipicamente 1 μm trecircs comprimentos na faixa lCNT le λCNT (10 nm 100 nm e 1 μm) e trecircs

comprimentos na faixa lCNT gt λCNT (10 μm 100 μm 500 μm) de cada material seratildeo

analisados detalhadamente Os paracircmetros obtidos a partir dos modelos de SWCNT

SWCNT bundle e cobre estatildeo respectivamente nas Tabelas 71 72 e 73 do Apecircndice

421 Interconexotildees locais

Primeiramente a partir da simulaccedilatildeo da Figura 31 obteve-se a frequecircncia em -3dB (f-3dB)

das interconexotildees locais (lCNT le λCNT ) isto eacute a sua banda passante de forma a verificar a

velocidade maacutexima que cada interconexatildeo suporta A Figura 41 ilustra o comportamento

da frequecircncia das interconexotildees locais para os diferentes comprimentos Como o SWCNT

isolado possui valores de frequecircncia na faixa de centenas de giga Hertz ou seja menos de

um tera Hertz os valores de suas frequecircncias tambeacutem podem ser visualisados na Tabela

74 do Apecircndice

Verifica-se que agrave medida que o comprimento da interconexatildeo aumenta a frequecircncia

diminui Isso ocorre jaacute que os valores da capacitacircncia e indutacircncia aumentam com o

aumento do comprimento da interconexatildeo Esses paracircmetros satildeo decisivos no sinal de

32

saiacuteda sendo o sinal mais distorcido quanto maior for o valor desses paracircmetros Observa-

se que o SWCNT bundle e o cobre possuem banda passante maiores que o SWCNT

isolado para qualquer comprimento Aleacutem disso o SWCNT bundle soacute possui uma banda

passante comparaacutevel ao do cobre para comprimentos acima de 700 nm

Frequecircncia X Comprimento

0

10

20

30

40

50

60

100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

Comprimento (nm)

f -3d

B (

TH

z)

SWCNT Isolado

SWCNT bundle

Cobre

Figura 41 ndash Frequumlecircncia versus comprimento das interconexotildees locais

As interconexotildees locais de 10 nm 100 nm e 1 μm de comprimento foram analisadas

detalhadamente A Tabela 41 mostra a frequecircncia em -3dB de cada material para os

comprimentos em anaacutelise

Tabela 41 Frequecircncia em -3dB de cada material para lCNT le λCNT

Interconexatildeo Local Comprimento (L) Material f-3dB

SWCNT isolado 253 GHz

10nm SWCNT bundle 66 THz

Cobre 232 THz

SWCNT isolado 300 GHz

lCNT le λCNT 100nm SWCNT bundle 20 THz

Cobre 51 THz

SWCNT isolado 230 GHz

1microm SWCNT bundle 47 THz

Cobre 42 THz

Assim escolheu-se uma mesma frequecircncia abaixo da frequecircncia de corte dos trecircs

materiais considerados para analisar e comparar a atenuaccedilatildeo (A) e o tempo de atraso na

propagaccedilatildeo (td) dos trecircs comprimentos Isso permite verificar o comportamento do sinal na

banda passante A Tabela 42 mostra esse estudo comparativo entre o SWCNT isolado

SWCNT bundle e cobre agrave frequecircncia de 200 GHz

33

Tabela 42 Estudo das interconexotildees com comprimentos na faixa lCNT le λCNT

Freq L Material A (dB) td (ps)

SWCNT isolado -210 046

10nm SWCNT bundle 001 000

Cobre 000 000

SWCNT isolado -155 051

200 GHz 100nm SWCNT bundle 001 000

Cobre 001 000

SWCNT isolado -039 107

1microm SWCNT bundle 006 001

Cobre 000 007

A partir da anaacutelise da Tabela 42 eacute possiacutevel observar agrave frequumlecircncia de 200 GHz a

atenuaccedilatildeo do sinal e o atraso do SWCNT isolado Nessa frequumlecircncia o atraso do SWCNT

isolado eacute significativo em relaccedilatildeo ao periacuteodo do sinal que eacute 5ps jaacute que o menor atraso

(para l = 10nm) eacute aproximadamente 10 do periacuteodo do sinal de entrada No entanto para

esta mesma frequumlecircncia observa-se que a atenuaccedilatildeo e o atraso do SWCNT bundle e do

cobre satildeo insignificantes Isto indica que estes dois materiais possuem melhor

desempenho sendo favoraacuteveis para serem utilizados em interconexotildees locais

Dessa forma para analisar melhor a atenuaccedilatildeo e o tempo de atraso do SWCNT bundle e do

cobre o mesmo procedimento foi feito comparando-se somente estes dois materiais para

uma mesma frequecircncia de 1 THz A Tabela 43 mostra esse estudo comparativo entre o

SWCNT bundle e cobre

Tabela 43 Estudo das interconexotildees SWCNT bundle e cobre com comprimentos na faixa

lCNT le λCNT

Freq L Material A (dB) td (fs)

10nm SWCNT bundle 001 113

Cobre 000 022

1 THz 100nm SWCNT bundle 006 136

Cobre 001 240

1microm SWCNT bundle 145 647

Cobre -013 5623

Analisando a Tabela 43 observa-se que agrave frequumlecircncia de 1 THz a atenuaccedilatildeo do sinal e o

atraso aumentam agrave medida que o comprimento das interconexotildees aumentam A partir do

comprimento de 100nm o tempo de atraso da interconexatildeo de cobre eacute maior que o do

SWCNT bundle cujo maior valor de atraso (para l = 1microm) natildeo chega a 1 do periacuteodo do

34

sinal de entrada (1ps) Isso mostra que apesar de a banda passante do cobre ser maior o

atraso do SWCNT bundle eacute menor Dessa forma para as interconexotildees locais o SWCNT

bundle possui desempenho comparaacutevel ao do cobre [13]

Em relaccedilatildeo agrave atenuaccedilatildeo verifica-se que para alguns comprimentos este tem valor

positivo Isso ocorre principalmente quando haacute um pico no graacutefico da frequumlecircncia antes dele

comeccedilar a decair Esse pico eacute devido ao efeito ressonante provocado pela indutacircncia

quando este possui valor comparaacutevel agrave resistecircncia e agrave capacitacircncia da interconexatildeo [53]

Assim esse efeito ressonante foi observado somente nas interconexotildees locais de SWCNT

bundle e de cobre A Figura 42 ilustra o graacutefico da magnitude pela frequumlecircncia do SWCNT

isolado SWCNT bundle e cobre para o comprimento de 100nm Observa-se o efeito

ressonante nos graacuteficos do SWCNT bundle e do cobre

Figura 42 ndash Graacuteficos da magnitude das interconexotildees de SWCNT isolado (superior)

SWCNT bundle (meio) e cobre (inferior) com comprimento de 100nm

35

422 Interconexotildees intermediaacuterias

Assim como para as interconexotildees locais obteve-se a frequecircncia em -3dB (f-3dB) das

interconexotildees intermediaacuterias (lCNT gt λCNT) de forma a verificar a velocidade maacutexima que

cada interconexatildeo suporta A Figura 43 ilustra o comportamento da frequecircncia das

interconexotildees intermediaacuterias para os diferentes comprimentos Os valores das frequecircncias

de cada interconexatildeo tambeacutem podem ser visualisados na Tabela 75 do Apecircndice

Como nas interconexotildees locais agrave medida que o comprimento da interconexatildeo aumenta a

frequecircncia diminui Aleacutem disso o SWCNT bundle e o cobre possuem desempenho melhor

que o do SWCNT isolado para qualquer comprimento No entanto para interconexotildees

intermediaacuterias o SWCNT bundle possui banda passante maior que a do cobre para

qualquer comprimento

Frequecircncia X Comprimento

00

05

10

15

20

25

30

35

40

45

100 200 300 400 500

Comprimento (μm)

f -3d

B (

GH

z)

SWCNT isolado

SWCNT bundle

Cobre

Figura 43 ndash Frequumlecircncia versus comprimento das interconexotildees intermediaacuterias

As interconexotildees intermediaacuterias de 10 μm 100 μm e 500 μm de comprimento foram entatildeo

analisadas detalhadamente A Tabela 44 mostra a frequecircncia em -3dB de cada materal

para os diferentes comprimentos em anaacutelise

36

Tabela 44 Frequecircncia em -3dB de cada material para lCNT gt λCNT

Interconexatildeo

Intermediaacuteria

Comprimento (L) Material f-3dB

SWCNT isolado 26 GHz

10 microm SWCNT bundle 527 GHz

Cobre 34 GHz

SWCNT isolado 32 MHz

lCNT gt λCNT 100 microm SWCNT bundle 42 GHz

Cobre 345 MHz

SWCNT isolado 13 MHz

500 microm SWCNT bundle 165 MHz

Cobre 14 MHz

Escolheu-se a frequecircncia de 1 MHz que estaacute abaixo da frequecircncia de corte dos trecircs

materiais considerados para analisar e comparar a atenuaccedilatildeo (A) e o tempo de atraso na

propagaccedilatildeo (td) dos trecircs comprimentos A Tabela 45 mostra esse estudo comparativo entre

o SWCNT isolado SWCNT bundle e cobre

Tabela 45 Estudo das interconexotildees com comprimentos na faixa lCNT gt λCNT

Freq L Material A (dB) td (ns)

SWCNT isolado -002 008

10 microm SWCNT bundle 000 000

Cobre 000 000

SWCNT isolado -003 559

1 MHz 100 microm SWCNT bundle -001 005

Cobre -004 056

SWCNT isolado -198 10217

500 microm SWCNT bundle 000 110

Cobre -003 1301

Com base na Tabela 45 observa-se que a atenuaccedilatildeo e o tempo de atraso do SWCNT

isolado aumentam com o aumento do comprimento da interconexatildeo Nessa frequumlecircncia o

atraso na propagaccedilatildeo do SWCNT isolado eacute significativo em relaccedilatildeo ao periacuteodo do sinal de

entrada que eacute 1micros chegando a mais de 10 deste periacuteodo para o comprimento de 500microm

Verifica-se tambeacutem o aumento do tempo de atraso da interconexatildeo de cobre sendo 13

do periacuteodo do sinal de entrada para o comprimento de 500microm

Para analisar melhor a atenuaccedilatildeo e o tempo de atraso do SWCNT bundle e do cobre o

mesmo procedimento foi feito comparando-se somente estes dois materiais para uma

37

mesma frequecircncia de 10 MHz A Tabela 46 mostra esse estudo comparativo entre o

SWCNT bundle e cobre

Tabela 46 Estudo das interconexotildees SWCNT bundle e cobre com comprimentos na faixa

lCNT gt λCNT

Freq L Material A (dB) td (ns)

10 microm SWCNT bundle 000 000

Cobre 000 000

10 MHz 100 microm SWCNT bundle -001 005

Cobre -004 054

500 microm SWCNT bundle -004 107

Cobre -185 1024

Analisando a Tabela 46 observa-se que agrave medida que o comprimento das interconexotildees

aumenta a atenuaccedilatildeo e o atraso do sinal da interconexatildeo de cobre tornam-se significativos

O atraso na propagaccedilatildeo da interconexatildeo de cobre para l = 500microm chega a 10 do periacuteodo

do sinal de entrada (100ns) Jaacute o SWCNT bundle apresenta valores insignificantes de

atenuaccedilatildeo e atraso na propagaccedilatildeo Assim para as interconexotildees intermediaacuterias o SWCNT

bundle possui desempenho superior ao do cobre

43 SIMULACcedilAtildeO DO INVERSOR MONO-ELEacuteTRON

O modelo SPICE do SET proposto por G Lientschnig et al [444] foi simulado no

LTSPICE A partir da equaccedilatildeo (226) foi possiacutevel aumentar a temperatura do SET ateacute

chegar a 300K Assim o esquemaacutetico do SET e os valores de seus paracircmetros para que o

SET opere a 300K estatildeo na Figura 44 No anexo deste trabalho (subseccedilatildeo 81) encontra-

se o coacutedigo SET que foi utilizado [44] Os paracircmetros R1 C1 e R2 C2 correspondem agraves

resistecircncias e capacitacircncias das junccedilotildees-tuacutenel Cg eacute a capacitacircncia de porta (Cg1 no coacutedigo

SET) Vg eacute a tensatildeo de porta e V eacute a tensatildeo de entrada

Figura 44 Esquemaacutetico do SET e os valores de seus paracircmetros

38

A partir destes valores o inversor mono-eleacutetron foi construiacutedo colocando-se dois SETs em

seacuterie os quais compartilham da mesma entrada A Figura 45 ilustra o esquemaacutetico do

inversor mono-eleacutetron juntamente com os valores de seus paracircmetros fixos em que Vin eacute a

tensatildeo de entrada Vout eacute a tensatildeo de saiacuteda Vbias eacute a tensatildeo de polarizaccedilatildeo Cc eacute a

capacitacircncia de carga Cg1 e Cg2 satildeo as capacitacircncias de porta do SET 1 e do SET 2

respectivamente

Figura 45 Esquemaacutetico do inversor mono-eleacutetron e os valores de seus paracircmetros

(modificado de [4])

Assim apoacutes simular o inversor mono-eleacutetron a 300K obteve-se o sinal de saiacuteda mostrado

na Figura 46 Como o inversor estaacute invertendo o sinal de entrada de valor loacutegico baixo em

um sinal de saiacuteda de valor loacutegico alto ele estaacute operando corretamente

Figura 46 Curva do sinal de entrada (em verde) e do sinal de saiacuteda (em preto) do inversor

mono-eleacutetron

39

44 ANAacuteLISE DAS INTERCONEXOtildeES NO H-TREE CLOCK MONO-ELEacuteTRON

Nesta seccedilatildeo a rede H-tree clock de dois niacuteveis foi simulada com portas inversoras mono-

eleacutetron nos pontos de destino final da rede permitindo a anaacutelise de circuitos

nanoeletrocircnicos Simulou-se a rede H-tree considerando interconexotildees ideais para as

frequecircncias de 10 GHz e 100 GHz no sinal de entrada Em seguida para as mesmas duas

frequecircncias considerou-se interconexotildees natildeo-ideais de diferentes comprimentos

analisando a rede com os modelos de interconexatildeo SWCNT bundle e cobre Trecircs redes

com comprimentos de interconexotildees diferentes foram analisadas

l = 100 nm l2 = 50 nm

l = 400 nm l2 = 200 nm

l = 1 μm l2 = 500 nm

441 Anaacutelise da rede com interconexotildees ideais

A partir da simulaccedilatildeo do H-tree clock a frequecircncia em -3dB (f-3dB) da rede com

interconexotildees ideais foi obtida Na saiacuteda de cada porta inversora a banda passante do sinal

eacute 3200 GHz Dessa forma duas frequecircncias abaixo de 3200 GHz foram escolhidas para

analisar o sinal de saiacuteda da inversora em condiccedilotildees ideais As frequecircncias de 10 GHz e

100 GHz seratildeo analisadas obtendo-se as seguintes caracteriacutesticas do sinal de saiacuteda da

inversora niacutevel loacutegico baixo (NB) niacutevel loacutegico alto (NA) tempo de subida (tr) slew rate

de subida (SR) atenuaccedilatildeo (A) e tempo de atraso (td) A Tabela 47 mostra os valores

obtidos para as duas frequecircncias em anaacutelise

Tabela 47 Caracteriacutesticas dos sinais de saiacuteda da rede para interconexotildees ideais

Freq NB(mV) NA(mV) tr (ps) SR(Vns) A(dB) td (ps)

10 GHz 675 4518 356 8636 -264 412

100 GHz 678 4279 317 9088 -269 189

Os caacutelculos da potecircncia estaacutetica ( IVP DDE ) potecircncia dinacircmica ( CVfP DDD 2 ) e

potecircncia total ( DE PPP ) dissipada por cada porta inversora foram realizados bem

como o produto atraso-potecircncia (DP) Assim a Tabela 48 mostra os valores obtidos no

40

caacutelculo destes paracircmetros Como a potecircncia estaacutetica independe da frequecircncia do sinal de

entrada o seu valor eacute o mesmo nos dois casos

Tabela 48 Potecircncia dissipada por cada porta inversora para interconexotildees ideais

Frequecircncia PE (nW) PD (nW) P (nW) DP (10-18

Wmiddots)

10 GHz 4838 125 4963 020

100 GHz 4838 125 6088 012

As Tabelas 47 e 48 serviratildeo de referecircncia para as anaacutelises da rede com interconexotildees natildeo-

ideais analisadas na subseccedilatildeo seguinte As Figuras 47 e 48 ilustram o sinal de saiacuteda das

redes com frequecircncias de 10 GHz e de 100 GHz respectivamente Eacute possiacutevel observar que

na frequecircncia de 100 GHz o sinal de saiacuteda jaacute eacute distorcido em relaccedilatildeo ao sinal de referecircncia

(Figura 46)

Figura 47 Sinal de entrada (em verde) e sinal de saiacuteda (em preto) da rede a 10 GHz

Figura 48 Sinal de entrada (em verde) e sinal de saiacuteda (em preto) da rede a 100 GHz

41

442 Anaacutelise da rede com interconexotildees natildeo-ideais

Apoacutes obter as caracteriacutesticas da rede H-tree clock com interconexotildees ideais a anaacutelise da

rede com interconexotildees natildeo-ideais seraacute feita Primeiramente eacute importante verificar a

frequecircncia em -3dB do sinal depois das interconexotildees ou seja na entrada da porta

inversora Caso essa frequecircncia seja menor que a frequecircncia de 3200 GHz obtida com

interconexotildees ideais entatildeo a interconexatildeo afetaraacute o comportamento da rede A Tabela 49

mostra a frequecircncia em -3dB na entrada da inversora para interconexotildees natildeo-ideais

Tabela 49 Frequecircncia em -3dB na entrada da inversora para interconexotildees natildeo-ideais

Comprimentos (l2 l) Material f-3dB

50nm 100nm SWCNT bundle 122 THz

Cobre 175 THz

200nm 400nm SWCNT bundle 31 THz

Cobre 8606 GHz

500nm 1microm SWCNT bundle 12 THz

Cobre 1268 GHz

Assim verifica-se que a interconexatildeo de cobre da rede 500nm1microm possui frequecircncia em

-3dB abaixo da frequecircncia do circuito com interconexatildeo ideal (3200 GHz) Isso indica que

esta interconexatildeo interfere significativamente no comportamento da rede A Tabela 49

mostra tambeacutem que a banda passante da interconexatildeo de cobre soacute eacute maior que a da

interconexatildeo de SWCNT bundle no primeiro caso na rede de 50nm100nm o que mostra

uma vantagem do SWCNT bundle em relaccedilatildeo ao cobre A partir dessas informaccedilotildees a

rede H-tree clock com interconexotildees natildeo-ideais seraacute analisada detalhadamente

4421 Anaacutelise da rede a 10 GHz

As redes com interconexotildees natildeo-ideais seratildeo analisadas na frequecircncia de 10 GHz para

diferentes comprimentos Primeiramente o niacutevel loacutegico baixo (NB) o niacutevel loacutegico alto

(NA) o tempo de subida (tr) e o slew rate de subida (SR) foram obtidos conforme mostra a

Tabela 410 Com base nessa tabela verifica-se que na frequecircncia de 10 GHz essas

caracteriacutesticas natildeo foram modificadas pelas interconexotildees natildeo-ideais independentemente

do comprimento Os valores dos paracircmetros satildeo iguais aos obtidos na rede com

interconexatildeo ideal conforme Tabela 47 O sinal obtido na saiacuteda de cada inversor eacute igual

ao ilustrado na Figura 47

42

Tabela 410 Niacuteveis loacutegicos tempo de subida e slew rate dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 10 GHz

Freq L (l2l) Material NB(mV) NA(mV) tr(ps) SR(Vns)

10

GHz

50nm

100nm

SWCNT bundle 675 4518 356 8636

Cobre 675 4518 356 8636

200nm

400nm

SWCNT bundle 675 4518 356 8636

Cobre 675 4518 356 8636

500nm

1microm

SWCNT bundle 675 4518 356 8636

Cobre 675 4518 356 8636

A Tabela 411 mostra a atenuaccedilatildeo tempo de atraso potecircncia total dissipada e o produto

atraso-potecircncia obtidos a frequecircncia de 10 GHz para interconexotildees natildeo-ideais Observa-se

que a atenuaccedilatildeo do sinal e a potecircncia total dissipada por cada porta inversora permanecem

os mesmos em relaccedilatildeo agrave interconexatildeo ideal mostrando que a essa frequecircncia as

interconexotildees natildeo-ideais natildeo interferem nestes paracircmetros

Jaacute o atraso na propagaccedilatildeo do sinal no caso do cobre aumenta agrave medida que as

interconexotildees aumentam de comprimento aumentando tambeacutem o produto atraso-potecircncia

Esse atraso chega a 66 do periacuteodo do sinal de entrada para a interconexatildeo 500nm1microm

de cobre No entanto estes paracircmetros natildeo satildeo afetados pelas interconexotildees de SWCNT

bundle indicando que este material se sobressai em relaccedilatildeo ao cobre

Tabela 411 Atenuaccedilatildeo atraso potecircncia e produto atraso-potecircncia dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 10 GHz

Freq L (l2l) Material A (dB) td (ps) P (nW) DP(10-18

Wmiddots)

10

GHz

50nm

100nm

SWCNT bundle -264 412 4963 020

Cobre -264 412 4963 020

200nm

400nm

SWCNT bundle -264 412 4963 020

Cobre -264 438 4963 022

500nm

1microm

SWCNT bundle -264 412 4963 020

Cobre -264 659 4963 033

4422 Anaacutelise da rede a 100 GHz

As redes com interconexotildees natildeo-ideais seratildeo analisadas na frequecircncia de 100 GHz para

diferentes comprimentos O niacutevel loacutegico baixo (NB) o niacutevel loacutegico alto (NA) o tempo de

subida (tr) e o slew rate de subida (SR) foram obtidos conforme mostra a Tabela 412 Jaacute a

43

Tabela 413 mostra a atenuaccedilatildeo tempo de atraso potecircncia total dissipada e o produto

atraso-potecircncia obtidos a frequecircncia de 100 GHz para interconexotildees natildeo-ideais

Tabela 412 Niacuteveis loacutegicos tempo de subida e slew rate dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 100 GHz

Freq L (l2l) Material NB(mV) NA(mV) tr(ps) SR(Vns)

100

GHz

50nm

100nm

SWCNT bundle 678 4272 316 9099

Cobre 675 4277 323 9107

200nm

400nm

SWCNT bundle 678 4299 315 9196

Cobre 677 4089 289 9447

500nm

1microm

SWCNT bundle 678 4418 300 9973

Cobre 635 1766 102 6795

Tabela 413 Atenuaccedilatildeo atraso potecircncia e produto atraso-potecircncia dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 100 GHz

Freq L (l2l) Material A (dB) td (ps) P (nW) DP(10-18

Wmiddots)

100

GHz

50nm

100nm

SWCNT bundle -2703 189 6088 012

Cobre -2685 191 6088 012

200nm

400nm

SWCNT bundle -2693 188 6088 012

Cobre -2698 228 6088 014

500nm

1microm

SWCNT bundle -2673 174 6088 011

Cobre -2893 388 6088 024

A partir das Tabelas 412 e 413 o SWCNT bundle seraacute analisado Observa-se que os seus

niacuteveis loacutegicos altos aumentam com o aumento do comprimento das interconexotildees

aumentando tambeacutem o slew rate de subida Esse comportamento ocorre provavelmente

devido ao efeito ressonante provocado pela indutacircncia que provoca um pico no graacutefico da

frequumlecircncia antes dele comeccedilar a decair conforme explicado na subseccedilatildeo 421 Isso implica

na diminuiccedilatildeo da atenuaccedilatildeo do sinal e do atraso No entanto o produto atraso-potecircncia

permanece praticamente invariaacutevel jaacute que a potecircncia total dissipada natildeo se altera

Em relaccedilatildeo agraves interconexotildees de cobre verifica-se que as distorccedilotildees satildeo significativas Agrave

medida que o comprimento aumenta a atenuaccedilatildeo do sinal de saiacuteda aumenta Isso provoca

diminuiccedilatildeo no slew rate do sinal o que natildeo eacute desejado jaacute que o sinal demora mais para

atingir o niacutevel loacutegico alto Aleacutem disso o atraso na propagaccedilatildeo do sinal aumenta bastante

chegando a 388 do periacuteodo do sinal de entrada para a interconexatildeo 500nm1microm

Consequentemente o produto atraso-potecircncia tambeacutem aumenta sendo o dobro do valor de

44

referecircncia (interconexotildees ideais) A Figura 49 ilustra o sinal de saiacuteda da interconexatildeo

500nm1microm de cobre

Figura 49 Sinal de entrada (em verde) e sinal de saiacuteda (em preto) da rede a 100 GHz para

a interconexatildeo 500nm1microm de cobre

Comparando-se as potecircncias das tabelas 47 48 411 413 verifica-se que natildeo haacute

alteraccedilatildeo na potecircncia total dissipada pelo circuito com interconexotildees ideais e pelos

circuitos com interconexotildees natildeo-ideais para uma mesma frequecircncia Assim eacute importante

destacar que a dissipaccedilatildeo de potecircncia das interconexotildees de SWCNT bundle e de cobre natildeo

interfere na potecircncia total dissipada pelo circuito

443 Consideraccedilotildees Finais

Apoacutes analisar as interconexotildees locais de SWCNT de SWCNT bundle e de cobre

verificou-se que as interconexotildees de SWCNT bundle possuem desempenho comparaacutevel ao

das interconexotildees de cobre Em relaccedilatildeo agraves interconexotildees intermediaacuterias as de SWCNT

bundle apresentam desempenho superior agraves de cobre Jaacute as interconexotildees de SWCNT

isolado tanto para interconexotildees locais como para interconexotildees intermediaacuterias

apresentam desempenho inferior agraves interconexotildees de SWCNT bundle e de cobre natildeo

sendo propiacutecias a serem utilizadas em interconexotildees de circuitos integrados

Na anaacutelise das interconexotildees natildeo-ideais na rede H-tree clock mono-eleacutetron para a

frequecircncia de 10GHz observou-se que o niacutevel loacutegico baixo o niacutevel loacutegico alto o tempo de

subida o slew rate de subida a atenuaccedilatildeo do sinal e a potecircncia total dissipada por cada

porta inversora permanecem os mesmos em relaccedilatildeo agrave interconexatildeo ideal mostrando que

45

para esta frequecircncia as interconexotildees natildeo-ideais natildeo interferem nestes paracircmetros Jaacute o

atraso na propagaccedilatildeo do sinal no caso do cobre aumenta agrave medida que as interconexotildees

aumentam de comprimento aumentando tambeacutem o produto atraso-potecircncia No entanto

estes paracircmetros natildeo satildeo afetados pelas interconexotildees de SWCNT bundle indicando que

este material se sobressai em relaccedilatildeo ao cobre

Jaacute para a rede H-tree clock mono-eleacutetron a 100GHz observou-se que o circuito com

interconexotildees natildeo-ideais afetou bastante os paracircmetros em anaacutelise se comparados aos

obtidos para interconexotildees ideais Verificou-se que as distorccedilotildees provocadas pelas

interconexotildees de cobre foram significativas indicando que as interconexotildees de SWCNT

bundle possuem melhor desempenho que as de cobre

Assim constata-se que as interconexotildees de SWCNT bundle satildeo fortes candidatas a

substituirem as interconexotildees de cobre em circuitos em escala giga (GSI) e tera (TSI)

46

5 CONCLUSOtildeES

Nesta dissertaccedilatildeo o estudo das interconexotildees de SWCNT de SWCNT bundle e de cobre

foi realizado analisando e comparando os seus desempenhos para diferentes

comprimentos A partir desse estudo verificou-se que as interconexotildees de SWCNT bundle

possui desempenho comparaacutevel ao das interconexotildees de cobre no caso de interconexotildees

locais Em relaccedilatildeo agraves interconexotildees intermediaacuterias as de SWCNT bundle apresentam

desempenho superior agraves de cobre

As interconexotildees de SWCNT bundle e as interconexotildees de cobre foram entatildeo simuladas na

rede H-tree clock de dois niacuteveis para diferentes comprimentos e frequecircncias Nos pontos

de destino final da rede foram colocadas portas inversoras formadas por SETs permitindo

a anaacutelise de circuitos nanoeletrocircnicos

A partir da anaacutelise da rede H-tree clock observou-se que as interconexotildees de SWCNT

bundle possuem desempenho melhor que as de cobre principalmente em relaccedilatildeo ao slew

rate agrave atenuaccedilatildeo ao tempo de atraso e ao produto atraso-potecircncia Aleacutem disso a

dissipaccedilatildeo de potecircncia das interconexotildees natildeo-ideais natildeo interferem na potecircncia total

dissipada pelo circuito Assim as interconexotildees de SWCNT bundle satildeo fortes candidatas a

substituirem as interconexotildees de cobre em circuitos em escala giga (GSI) e tera (TSI)

Como perspectivas futuras eacute importante analisar o efeito das interconexotildees de nanotubo de

carbono em circuitos GSI e TSI com outras arquiteturas A anaacutelise das interconexotildees de

CNT tambeacutem deve ser feita em circuitos com tecnologia MOS permitindo a comparaccedilatildeo

entre diferentes tecnologias Aleacutem disso eacute interessante estudar outros tipos de materiais

que possam ser utilizados como interconexotildees em circuitos integrados

47

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53

7 APEcircNDICES

71 TABELAS COMPLEMENTARES

Tabela 71 Paracircmetros obtidos a partir do modelo de SWCNT isolado

L RQ (Ω) RS (Ω) LCNT (10-9

H) CCNT (10-18

F)

10 nm 645103 - 40010

-2 27910

-1

100 nm 645103 - 40010

-1 279

200 nm 645103 - 80010

-1 558

300 nm 645103 - 120 837

400 nm 645103 - 160 11210

1

500 nm 645103 - 200 14010

1

600 nm 645103 - 240 16710

1

700 nm 645103 - 280 19510

1

800 nm 645103 - 320 22310

1

900 nm 645103 - 360 25110

1

1 microm 645103 - 400 27910

1

10 microm 645103 64510

4 40010

1 27910

2

100 microm 645103 64510

5 40010

2 27910

3

200 microm 645103 12910

6 80010

2 55810

3

300 microm 645103 19410

6 12010

3 83710

3

400 microm

645103 25810

6 16010

3 11210

4

500 microm

645103 32310

6 20010

3 14010

4

Tabela 72 Paracircmetros obtidos a partir do modelo de SWCNT bundle

L RQ (Ω) RS (Ω) LBundle(10-9

H) CBundle(10-18

F)

10 nm 1075 - 66710-5

135

100 nm 1075 - 66710-4

135101

200 nm 1075 - 13310-3

270101

300 nm 1075 - 20010-3

405101

400 nm 1075 - 26710-3

540101

500 nm 1075 - 33310-3

675101

600 nm 1075 - 40010-3

810101

700 nm 1075 - 46710-3

945101

800 nm 1075 - 53310-3

108102

900 nm 1075 - 60010-3

122102

1 microm 1075 - 66710-3

135102

10 microm 1075 108102 66710

-2 13510

3

100 microm 1075 108103 66710

-1 13510

4

200 microm 1075 215103 133 27010

4

300 microm 1075 323103 200 40510

4

400 microm

1075 430103 267 54010

4

500 microm

1075 538103 333 67510

4

54

Tabela 73 Paracircmetros obtidos a partir do modelo de cobre

L RCu (Ω) LCu (10-9

H) CCu (10-18

F)

10 nm 06 37310-6

150

100 nm 60 63610-5

150101

200 nm 120 17510-4

300101

300 nm 180 30910-4

450101

400 nm 240 45410-4

600101

500 nm 300 61110-4

750101

600 nm 360 77510-4

900101

700 nm 420 94610-4

105102

800 nm 480 11210-3

120102

900 nm 540 13110-3

135102

1 microm 600 14910-3

150102

10 microm 60102 24010

-2 15010

3

100 microm 60103 33210

-1 15010

4

200 microm 12104 72010

-1 30010

4

300 microm 18104 113 45010

4

400 microm

24104 155 60010

4

500 microm

30104 198 75010

4

55

Tabela 74 Frequecircncia em -3dB das interconexotildees locais

Comprimento Material f-3dB

10 nm SWCNT isolado 253 GHz

SWCNT bundle 66 THz

Cobre 232 THz

100 nm SWCNT isolado 300 GHz

SWCNT bundle 20 THz

Cobre 51 THz

200 nm SWCNT isolado 342 GHz

SWCNT bundle 14 THz

Cobre 29 THz

300 nm SWCNT isolado 344 GHz

SWCNT bundle 11 THz

Cobre 20 THz

400 nm SWCNT isolado 329 GHz

SWCNT bundle 89 THz

Cobre 15 THz

500 nm SWCNT isolado 307 GHz

SWCNT bundle 76 THz

Cobre 12 THz

600 nm SWCNT isolado 288 GHz

SWCNT bundle 67 THz

Cobre 94 THz

700 nm SWCNT isolado 271 GHz

SWCNT bundle 61 THz

Cobre 76 THz

800 nm SWCNT isolado 255 GHz

SWCNT bundle 55 THz

Cobre 63 THz

900 nm SWCNT isolado 240 GHz

SWCNT bundle 51 THz

Cobre 52 THz

1 microm SWCNT isolado 230 GHz

SWCNT bundle 47 THz

Cobre 42 THz

56

Tabela 75 Frequecircncia em -3dB das interconexotildees intermediaacuterias

Comprimento Material f-3dB

10 microm SWCNT isolado 26 GHz

SWCNT bundle 527 GHz

Cobre 34 GHz

100 microm SWCNT isolado 32 MHz

SWCNT bundle 42 GHz

Cobre 345 MHz

200 microm SWCNT isolado 82 MHz

SWCNT bundle 10 GHz

Cobre 87 MHz

300 microm SWCNT isolado 36 MHz

SWCNT bundle 455 MHz

Cobre 38 MHz

400 microm SWCNT isolado 21 MHz

SWCNT bundle 256 MHz

Cobre 21 MHz

500 microm SWCNT isolado 13 MHz

SWCNT bundle 165 MHz

Cobre 14 MHz

57

8 ANEXOS

81 COacuteDIGO SPICE DO SET [44]

Transistor mono-eleacutetron (SET) conexotildees fonte | dreno | | porta1 | | | porta2 | | | | SUBCKT SET 1 2 3 4 PARAMS +C1=1E-20 Capacitacircncia da junccedilatildeo 1 +C2=1E-20 Capacitacircncia da junccedilatildeo 2 +R1=1E5 Resistecircncia da junccedilatildeo 1 +R2=1E5 Resistecircncia da junccedilatildeo 2 +Cg1=015E-18 Capacitacircncia da junccedilatildeo 1 +Cg2=0 Capacitacircncia da junccedilatildeo 2 +C0=0 Capacitacircncia proacutepria da ilha +Q0=005 Carga offset em unidades de e +TEMP=300 Temperatura PARAM E=160217733E-19 Carga do eleacutetron (e) PARAM CSUM=C1+C2+Cg1+Cg2+C0 Capacitacircncia total do SET PARAM T=TEMPCSUM53785467E14 Temperatura normalizada 53785467E14 = kBe^2 PARAM RN1=R1(R1+R2) Resistecircncia da junccedilatildeo 1 normalizada PARAM RN2=R2(R1+R2) Resistecircncia da junccedilatildeo 2 normalizada FUNC Q(v1v2v3v4) (Cg1v3+Cg2v4+C1v1+C2v2)E+Q0 Definiccedilatildeo da carga em unidades de e FUNC VN(v) CSUMvE Tensatildeo normalizada FUNC GAMMA(u) IF(T==0IF(ult0-u0)IF(u==0Tu(EXP(uT)-1))) FUNC N_OPT(v1v2v3v4) ROUND(-Q(v1v2v3v4)+(CSUME) (v1RN2+v2RN1)) A maior probabilidade de carga na ilha em unidades de e Os quarto eventos tuacuteneis FUNC R1L(nv1v2v3v4) GAMMA(05 - n - Q(v1v2v3v4) + VN(v1))RN1 FUNC R1R(nv1v2v3v4) GAMMA(05 + n + Q(v1v2v3v4) - VN(v1))RN1 FUNC R2L(nv1v2v3v4) GAMMA(05 + n + Q(v1v2v3v4) - VN(v2))RN2 FUNC R2R(nv1v2v3v4) GAMMA(05 - n - Q(v1v2v3v4) + VN(v2))RN2

58

determinaccedilatildeo das probabilidades relativas assume-se inicialmente que o estado da carga N_OPT tem probabilidade relativa igual a um FUNC PN_1(nv1v2v3v4) (R1L(nv1v2v3v4)+R2R(nv1v2v3v4))(R1R(n-1v1v2v3v4)+R2L(n-1v1v2v3v4)) FUNC PN_2(nv1v2v3v4) PN_1(nv1v2v3v4) +(R1L(n-1v1v2v3v4)+R2R(n-1v1v2v3v4))(R1R(n-2v1v2v3v4)+R2L(n-2v1v2v3v4)) FUNC PN_3(nv1v2v3v4) PN_2(nv1v2v3v4) +(R1L(n-2v1v2v3v4)+R2R(n-2v1v2v3v4))(R1R(n-3v1v2v3v4)+R2L(n-3v1v2v3v4)) FUNC PN_4(nv1v2v3v4) PN_3(nv1v2v3v4) +(R1L(n-3v1v2v3v4)+R2R(n-3v1v2v3v4))(R1R(n-4v1v2v3v4)+R2L(n-4v1v2v3v4)) FUNC PN_5(nv1v2v3v4) PN_4(nv1v2v3v4) +(R1L(n-4v1v2v3v4)+R2R(n-4v1v2v3v4))(R1R(n-5v1v2v3v4)+R2L(n-5v1v2v3v4)) FUNC PN1(nv1v2v3v4) (R2L(nv1v2v3v4) +R1R(nv1v2v3v4))(R2R(n+1v1v2v3v4)+R1L(n+1v1v2v3v4)) FUNC PN2(nv1v2v3v4) PN1(nv1v2v3v4) +(R2L(n+1v1v2v3v4)+R1R(n+1v1v2v3v4))(R2R(n+2v1v2v3v4)+R1L(n+2v1v2v3v4)) FUNC PN3(nv1v2v3v4) PN2(nv1v2v3v4) +(R2L(n+2v1v2v3v4)+R1R(n+2v1v2v3v4))(R2R(n+3v1v2v3v4)+R1L(n+3v1v2v3v4)) FUNC PN4(nv1v2v3v4) PN3(nv1v2v3v4) +(R2L(n+3v1v2v3v4)+R1R(n+3v1v2v3v4))(R2R(n+4v1v2v3v4)+R1L(n+4v1v2v3v4)) FUNC PN5(nv1v2v3v4) PN4(nv1v2v3v4) +(R2L(n+4v1v2v3v4)+R1R(n+4v1v2v3v4))(R2R(n+5v1v2v3v4)+R1L(n+5v1v2v3v4)) FUNC PSUM(nv1v2v3v4) PN_5(nv1v2v3v4)+PN_4(nv1v2v3v4)+PN_3(nv1v2v3v4)+PN_2(nv1v2v3v4) ++PN_1(nv1v2v3v4)+1+PN1(nv1v2v3v4)+PN2(nv1v2v3v4)+PN3(nv1v2v3v4) ++PN4(nv1v2v3v4)+PN5(nv1v2v3v4)

59

caacutelculo da corrente da fonte para o dreno FUNC CUR(nv1v2v3v4) PN_5(nv1v2v3v4)(R1R(n-5v1v2v3v4)-R1L(n-5v1v2v3v4)) ++PN_4(nv1v2v3v4)(R1R(n-4v1v2v3v4)-R1L(n-4v1v2v3v4)) ++PN_3(nv1v2v3v4)(R1R(n-3v1v2v3v4)-R1L(n-3v1v2v3v4)) ++PN_2(nv1v2v3v4)(R1R(n-2v1v2v3v4)-R1L(n-2v1v2v3v4)) ++PN_1(nv1v2v3v4)(R1R(n-1v1v2v3v4)-R1L(n-1v1v2v3v4)) ++(R1R(nv1v2v3v4)-R1L(nv1v2v3v4)) ++PN1(nv1v2v3v4)(R1R(n+1v1v2v3v4)-R1L(n+1v1v2v3v4)) ++PN2(nv1v2v3v4)(R1R(n+2v1v2v3v4)-R1L(n+2v1v2v3v4)) ++PN3(nv1v2v3v4)(R1R(n+3v1v2v3v4)-R1L(n+3v1v2v3v4)) ++PN4(nv1v2v3v4)(R1R(n+4v1v2v3v4)-R1L(n+4v1v2v3v4)) ++PN5(nv1v2v3v4)(R1R(n+5v1v2v3v4)-R1L(n+5v1v2v3v4)) FUNC CURRENT(nv1v2v3v4) ECUR(nv1v2v3v4)(CSUMPSUM(nv1v2v3v4)(R1+R2)) caacutelculo da tensatildeo da ilha FUNC VOLT(nv1v2v3v4) PN_5(nv1v2v3v4)(n-5+Q(v1v2v3v4)) ++PN_4(nv1v2v3v4)(n-4+Q(v1v2v3v4)) ++PN_3(nv1v2v3v4)(n-3+Q(v1v2v3v4)) ++PN_2(nv1v2v3v4)(n-2+Q(v1v2v3v4)) ++PN_1(nv1v2v3v4)(n-1+Q(v1v2v3v4)) ++n+Q(v1v2v3v4) ++PN1(nv1v2v3v4)(n+1+Q(v1v2v3v4)) ++PN2(nv1v2v3v4)(n+2+Q(v1v2v3v4)) ++PN3(nv1v2v3v4)(n+3+Q(v1v2v3v4)) ++PN4(nv1v2v3v4)(n+4+Q(v1v2v3v4)) ++PN5(nv1v2v3v4)(n+5+Q(v1v2v3v4)) FUNC VOLTAGE(nv1v2v3v4) (ECSUM)VOLT(nv1v2v3v4)PSUM(nv1v2v3v4) E1 5 0 VALUE= VOLTAGE(N_OPT(V(1)V(2)V(3)V(4))V(1)V(2)V(3)V(4)) Tensatildeo da ilha G1 1 2 VALUE= CURRENT(N_OPT(V(1)V(2)V(3)V(4))V(1)V(2)V(3)V(4)) Corrente da fonte para o dreno CT1 1 5 C1 CT2 2 5 C2 CGATE1 3 5 CG1 CGATE2 4 5 CG2 ENDS SET

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9

cobre [13-2023252629-38] O SWCNT bundle eacute composto por vaacuterios SWCNTs

empacotados em paralelo Assume-se que todos os SWCNTs satildeo idecircnticos metaacutelicos e que

cada um tem o mesmo potencial [1737] Sabendo que d eacute o diacircmetro do nanotubo de

carbono e x eacute a distacircncia entre os centros de dois nanotubos adjacentes o SWCNT bundle

pode ser empacotado de forma densa se x = d ou de forma esparsa se x gt d [13-1529-

32] Sabe-se que entre os nanotubos existe uma separaccedilatildeo δmin devido agrave forccedila de Van der

Waals que eacute de pelo menos 032 nm entre cada nanotubo [13] como mostra a Figura 25

Figura 25 ndash Separaccedilatildeo miacutenima entre CNTs devido agrave forccedila de Van der Waals (modificado

de [13])

O nuacutemero de nanotubos de carbono nCNT disponiacutevel pode ser calculado pelas expressotildees

dadas em (29) e (210) [141530]

iacutemparnsen

nn

parnsen

nn

n

HH

HW

HH

HW

CNT

2

1

2

(29)

1

23

x

dtn

x

dwn HW (210)

Nas expressotildees acima w eacute a largura e t eacute a altura da interconexatildeo de SWCNT bundle

Assim nW eacute o nuacutemero de CNTs ao longo da largura do SWCNT bundle e nH eacute o nuacutemero de

CNTs ao longo da altura do SWCNT bundle [13-1530] A Figura 26 mostra esses valores

[13]

10

Figura 26 ndash Nuacutemero de CNTs ao longo da largura (nW) e da altura (nH) do CNT

bundle[13]

Na tecnologia de 22 nm considerando as dimensotildees de 22 nm de largura e 44 nm de altura

do SWCNT bundle [13173437] e a separaccedilatildeo entre cada nanotubo devido agrave forccedila de Van

der Waals a quantidade de SWCNTs eacute aproximadamente 600 Neste trabalho estas

consideraccedilotildees foram feitas e a tecnologia de 22 nm foi utilizada Esta tecnologia eacute prevista

pelo ITRS para o ano de 2016 [21]

As resistecircncias de cada SWCNT estatildeo em paralelo entre elas assim como as indutacircncias

Assim a resistecircncia e a indutacircncia do SWCNT bundle com nCNT SWCNTs satildeo calculados

respectivamente pelas expressotildees (211) e (212) [1323252629-3234]

CNT

CNTbundle

n

RR (211)

CNT

CNTbundle

n

LL (212)

Considerando que todos os SWCNTs estatildeo no mesmo potencial que os contatos entre

todos os nanotubos de carbono em um bundle satildeo idecircnticos e que cada SWCNT tem o

mesmo caminho meacutedio livre [13] eacute possiacutevel assumir que a interaccedilatildeo entre CNTs

adjacentes de um SWCNT bundle eacute fraca e que eles carregam correntes independentes

umas das outras [13-17]

A capacitacircncia do SWCNT bundle eacute obtida a partir da combinaccedilatildeo da capacitacircncia

quacircntica de todos os SWCNTs em paralelo chamada de capacitacircncia quacircntica bundle

(CQbundle

) que estaacute em seacuterie com a capacitacircncia eletrostaacutetica (CEbundle

) [13143539] A

capacitacircncia quacircntica e a capacitacircncia eletrostaacutetica satildeo calculadas pelas equaccedilotildees (213) e

(214) em que CEn e CEf satildeo as capacitacircncias de placas paralelas de CNTs isolados em

11

relaccedilatildeo aos vizinhos proacuteximos e afastados respectivamente [14293032] Assim a

capacitacircncia total do SWCNT bundle eacute obtida pela equaccedilatildeo (215)

CNT

CNT

Q

bundle

Q nCC (213)

En

HEf

WEn

bundle

E Cn

Cn

CC5

23

2

22

(214)

bundle

Q

bundle

E

bundle

Q

bundle

E

bundleCC

CCC

(215)

Analisando a equaccedilatildeo (215) o efeito da CQbundle

eacute pequeno para grandes valores de nCNT

sendo o valor da capacitacircncia do SWCNT bundle aproximadamente igual agrave sua

capacitacircncia eletrostaacutetica [13161719] Srivastava et al [13] mostra que os nanotubos no

interior do SWCNT bundle satildeo blindados eletrostaticamente dos condutores de terra

podendo ser desprezados Os CNTs de borda satildeo os principais contribuidores para a

capacitacircncia eletrostaacutetica do SWCNT bundle No entanto a equaccedilatildeo (214) natildeo reproduz

fielmente a realidade jaacute que considera a capacitacircncia eletrostaacutetica de todos os nanotubos e

natildeo soacute os CNTs de borda Segundo o mesmo autor para a tecnologia de 22 nm e uma

constante dieleacutetrica igual a 2 a capacitacircncia total do SWCNT bundle eacute aproximadamente

135 aFμm

2133 Modelo de interconexatildeo do cobre

As propriedades fiacutesicas de interconexotildees de cobre podem ser descritas por resistecircncia

capacitacircncia e indutacircncia [14-16] A resistecircncia do cobre pode ser calculada utilizando a

equaccedilatildeo (216)

tw

lRCu

(216)

em que l eacute o comprimento do cobre w eacute a sua largura t eacute a sua altura e ρ eacute a sua

resistividade A resistividade do cobre em escala nanomeacutetrica eacute moldada pela combinaccedilatildeo

dos fenocircmenos de espalhamento superficial e de espalhamento de contorno

[151627283340] Estes fenocircmenos correspondem aos paracircmetros ρFS e ρMS propostos

12

por Fuchs e Sondheimer (ρFS) e por Mayadas e Shatzkes (ρMS) [1516] Estes paracircmetros

satildeo calculados pelas expressotildees (217) (218) e (219)

)1(

4

31 p

w

o

o

FS

(217)

11ln33

2

31 22

MS

o (218)

)1( R

R

D

o

(219)

O paracircmetro ρo eacute a resistividade do material λo eacute o caminho meacutedio livre p eacute o paracircmetro

de espalhamento de Fuchs D eacute o tamanho meacutedio e R eacute o coeficiente de reflexatildeo no

contorno com valores entre 0 e 1 Assim tem-se que a resistecircncia do cobre em escala

nanomeacutetrica eacute dada pela equaccedilatildeo (220) [1516]

tw

lR MSFS

Cu

(220)

De acordo com [1433] o valor da resistividade do cobre na tecnologia de 22nm para

interconexotildees locais eacute dado por 4666 μΩ-cm No entanto este valor da resistividade do

cobre chega a 58 μΩ-cm para valores miacutenimos da largura do fio [1516203940] Neste

trabalho seraacute utilizado o valor de 58 μΩ-cm para a resistividade do cobre na tecnologia de

22 nm que vai ao encontro dos requerimentos do ITRS [21]

A indutacircncia proacutepria (L) e a muacutetua (M) da interconexatildeo de cobre em escala nanomeacutetrica

satildeo obtidas usando respectivamente as expressotildees (221) e (222)

l

tw

tw

llL o )(220

2

12ln

2

(221)

l

s

s

llM o 1

2ln

2

(222)

em que t eacute a altura do fio microo eacute a permeabilidade e s eacute o espaccedilamento entre os fios [14-16]

A indutacircncia total do cobre (LCu) eacute dada pela soma das indutacircncias proacutepria e muacutetua

13

A capacitacircncia da interconexatildeo de cobre eacute calculada pela soma da capacitacircncia de

acoplamento entre dois fios adjacentes (CC) e a capacitacircncia ligada ao plano do terra (Cg)

[14-16] Essas capacitacircncias podem ser obtidas pelas equaccedilotildees (223) e (224) [1541]

120760193

534511171

70222

ht

t

hs

s

hs

s

h

wCg (223)

181160141090

980871161

591740

062141

sh

h

sw

w

sw

w

sh

h

s

tCC (224)

em que s eacute o espaccedilamento entre dois fios adjacentes h eacute a distacircncia do fio em relaccedilatildeo ao

plano do terra e ε eacute a permissividade relativa para uma dada constante dieleacutetrica

Considerando as equaccedilotildees (223) e (224) e de acordo com [1321] para uma constante

dieleacutetrica igual a 2 o valor da capacitacircncia total do cobre (CCu) eacute aproximadamente 150

aFμm que seraacute utilizado neste trabalho

Os modelos em L em π e em T satildeo usados como modelos de interconexatildeo de cobre [11]

Como o modelo π eacute muito utilizado para uma linha distribuiacuteda [1416] este modelo seraacute

usado neste trabalho A Figura 27 mostra o modelo de interconexatildeo de cobre [11]

Figura 27 ndash Modelo de interconexatildeo de cobre

A precisatildeo do modelo eacute determinada pelo nuacutemero de seguimentos bdquoN‟ que ele possui Uma

cadeia com mais de trecircs segmentos em π fornece um erro menor que 3 [16] Neste

trabalho seratildeo utilizados trecircs segmentos em π

14

22 INVERSOR MONO-ELEacuteTRON

Os dispositivos de tunelamento mono-eleacutetron satildeo dispositivos nanoeletrocircnicos

potencialmente aplicaacuteveis em circuitos integrados em escala giga (GSI) e tera (TSI)

Apesar de apresentarem baixo ganho e alta impedacircncia de saiacuteda estes dispositivos

possuem tamanho reduzido e baixa dissipaccedilatildeo de potecircncia Estas caracteriacutesticas os tornam

atrativos em circuitos loacutegicos e circuitos de memoacuteria [1-10] Assim portas loacutegicas podem

ser implementadas utilizando dispositivos de tunelamento mono-eleacutetron [14-9]

As portas loacutegicas satildeo blocos de construccedilatildeo baacutesicos na eletrocircnica digital O inversor loacutegico

ou porta NOT eacute o principal elemento baacutesico no projeto de circuitos digitais [42] O

inversor inverte o sinal de entrada de valor loacutegico baixo ndash 0 ndash em um sinal de saiacuteda de

valor loacutegico alto ndash 1 ndash e vice-versa [442] Em outras palavras a porta NOT efetua a

negaccedilatildeo loacutegica O siacutembolo do inversor juntamente com sua tabela verdade estaacute ilustrado

na Figura 28

Figura 28 ndash Siacutembolo e tabela verdade da porta NOT

221 Dispositivo de tunelamento mono-eleacutetron

O funcionamento dos dispositivos de tunelamento mono-eleacutetron eacute baseado no controle do

movimento e da posiccedilatildeo de um uacutenico ou de um pequeno grupo de eleacutetrons no dispositivo

[17] Os seguintes conceitos satildeo essenciais na definiccedilatildeo desses dispositivos ilha junccedilatildeo-

tuacutenel tunelamento efeito de carregamento e bloqueio de Coulomb A partir desses

conceitos eacute possiacutevel definir o transistor mono-eleacutetron - SET (do inglecircs Single-electron

transistor) [24-8]

A ilha estaacute localizada entre duas paredes finas de um material normalmente isolante as

quais criam uma barreira de potencial de energia que impossibilita a movimentaccedilatildeo de

eleacutetrons pela ilha A Figura 29 mostra dois eletrodos A e B separados por uma barreira

15

isolante e no meio dessa barreira isolante encontra-se a ilha Se a energia dos eleacutetrons for

maior que a energia potencial das paredes das barreiras estes poderatildeo atravessaacute-las [6] No

dispositivo de tunelamento mono-eleacutetron o transporte de eleacutetrons entre o eletrodo A e a

ilha e entre a ilha e o eletrodo B ocorre por tunelamento mono-eleacutetron em que os eleacutetrons

atravessam as barreiras um de cada vez [10]

Figura 29 Dois eletrodos separados por uma ilha [10]

Esses dispositivos satildeo formados por junccedilotildees-tuacutenel que satildeo dois eletrodos metaacutelicos

separados por um isolante muito fino (barreira) o qual permite a passagem de eleacutetrons por

tunelamento [467] A Figura 210 ilustra a junccedilatildeo-tuacutenel e sua representaccedilatildeo simboacutelica Os

paracircmetros que caracterizam a junccedilatildeo-tuacutenel macroscopicamente satildeo a resistecircncia de

tunelamento (Rj) que depende da aacuterea e da espessura da barreira isolante e a capacitacircncia

(Cj) [10]

Figura 210 Esquemaacutetico da junccedilatildeo-tuacutenel [10]

O tunelamento eacute o transporte de partiacuteculas atraveacutes de uma regiatildeo em que a energia total de

uma partiacutecula pontual claacutessica eacute menor que a energia potencial da regiatildeo ou seja eacute o

transporte atraveacutes de uma regiatildeo classicamente proibida [10] O efeito de tunelamento

ocorre quando a barreira de potencial for suficientemente fina permitindo que o eleacutetron a

atravesse se houver niacutevel de energia desocupado do outro lado da barreira com o mesmo

valor de energia Esse fenocircmeno pode ser explicado pelo comportamento dual do eleacutetron

Diferentemente da mecacircnica claacutessica na teoria eletromagneacutetica quando uma partiacutecula

encontra uma barreira de potencial parte da onda eacute refletida e a outra parte eacute transmitida

para o outro lado da barreira [10] A teoria ortodoxa do tunelamento mono-eleacutetron eacute o

modelo mais utilizado para analisar o tunelamento [4-6] Proposto em 1987 por Averin e

Likharev [43] este modelo apresenta os seguintes postulados

16

Modelo de dimensatildeo zero as dimensotildees das ilhas satildeo despreziacuteveis

O evento de tunelamento eacute considerado instantacircneo

A redistribuiccedilatildeo das cargas apoacutes tunelamento tambeacutem eacute considerada instantacircnea

O espectro de energia em condutores e ilhas eacute considerado contiacutenuo ou seja a

quantizaccedilatildeo da energia do eleacutetron eacute ignorada dentro dos condutores

Apesar de a teoria ortodoxa assumir condiccedilotildees hipoteacuteticas ela continua sendo muito

utilizada em estudos do dispositivo mono-eleacutetron [4-6]

O efeito de carregamento ocorre quando os eleacutetrons estatildeo na iminecircncia de entrar em um

material condutor extremamente pequeno isolado eletricamente (ilha) Se houver um

eleacutetron na ilha o potencial eletrostaacutetico da ilha aumenta bastante sendo bem superior ao

ruiacutedo teacutermico em temperatura ambiente O fluxo de eleacutetrons na ilha eacute possiacutevel se o

potencial da ilha for controlado por uma fonte de tensatildeo externa Outros eleacutetrons satildeo

impedidos de entrar na ilha devido agrave repulsatildeo de Coulomb [14-9]

Assim o bloqueio de Coulomb ocorre quando um eleacutetron entra na ilha e impede o

tunelamento de outro eleacutetron nesta ilha No momento em que o eleacutetron entra na ilha a

energia eletrostaacutetica da ilha aumenta em Ce 22 em que CΣ eacute a soma das capacitacircncias

em torno da ilha [14] Dessa forma outro eleacutetron soacute conseguiraacute tunelar para dentro da ilha

se sua energia for maior que a energia eletrostaacutetica da ilha [6] A Figura 211 ilustra os

diagramas de energia no bloqueio de Coulomb e no caso de tunelamento [10]

(a) (b)

Figura 211 Diagramas de energia (a) Bloqueio de Coulomb (b) Tunelamento mono-

eleacutetron [10]

17

O bloqueio de Coulomb eacute superado ao se aplicar uma tensatildeo Vg ao circuito ateacute que esta

tensatildeo alcance um dado valor de limiar que forneceraacute energia suficiente para que ocorra o

tunelamento de um eleacutetron Assim haveraacute o fluxo de eleacutetrons havendo corrente A Figura

212 mostra a regiatildeo do bloqueio de Coulomb ao aplicar uma tensatildeo Vg ao circuito em que

Vc eacute a tensatildeo de limiar chamada de tensatildeo de bloqueio de Coulomb [5-10]

Figura 212 Caracteriacutestica do bloqueio de Coulomb [10]

Nesse contexto duas condiccedilotildees satildeo necessaacuterias para garantir que o transporte de eleacutetrons

seja controlado pelo efeito de carregamento a condiccedilatildeo para a resistecircncia de tunelamento

dada pela equaccedilatildeo (225) [1] em que a natureza corpuscular do eleacutetron predomina sobre a

natureza ondulatoacuteria e a energia eletrostaacutetica (EC) associada a uma dada temperatura (T)

deve ser significativamente maior que as flutuaccedilotildees teacutermicas existentes agravequela

temperatura como descrita na equaccedilatildeo (226) [146-9] Os paracircmetros h eacute a constante de

Planck e eacute a carga do eleacutetron kB eacute a constante de Boltzmann e C eacute capacitacircncia Na

equaccedilatildeo (226) a temperatura deve ser maior que 0K [10]

kRe

hR TT 825

2 (225)

TkC

eTkEc BB

2

2

(226)

A partir dos conceitos apresentados pode-se definir o transistor mono-eleacutetron O SET

ilustrado na Figura 213 [10] eacute composto por duas junccedilotildees-tuacutenel em seacuterie formando uma

ilha entre as junccedilotildees [246-9] Os paracircmetros R1 C1 e R2 C2 correspondem agraves

resistecircncias e capacitacircncias da primeira e da segunda junccedilatildeo-tuacutenel respectivamente A

tensatildeo de porta Vg controla a energia eletrostaacutetica da ilha atraveacutes da capacitacircncia Cg

18

Quando haacute carregamento por tunelamento de uma junccedilatildeo e descarregamento da outra

junccedilatildeo haacute um fluxo controlado de cargas o que gera a corrente I [10]

Figura 213 Transistor mono-eleacutetron [10]

Um efeito que pode ser observado na caracteriacutestica da corrente versus tensatildeo do transistor

mono-eleacutetron eacute chamado de oscilaccedilatildeo de Coulomb [24679] Se a tensatildeo V for mantida

constante com CeV e a tensatildeo Vg for aumentada ateacute atingir gg CeV 2 esse

valor de tensatildeo permitiraacute que um eleacutetron passe pela ilha Como soacute haveraacute corrente fluindo

no circuito em valores muacuteltiplos da tensatildeo gCe 2 soacute ocorreraacute o tunelamento novamente

quando )2(3 gg CeV A caracteriacutestica corrente (I) versus tensatildeo (Vg) do transistor

mono-eleacutetron eacute ilustrada na Figura 214 [10]

Figura 214 Caracteriacutestica corrente (I) versus tensatildeo (Vg) do transistor mono-eleacutetron [10]

222 Estrutura do inversor mono-eleacutetron

Um inversor pode ser construiacutedo colocando-se dois SETs em seacuterie os quais compartilham

da mesma entrada [5689] conforme mostrado na Figura 215 Vin eacute a tensatildeo de entrada

Vout eacute a tensatildeo de saiacuteda Vbias eacute a tensatildeo de polarizaccedilatildeo CC eacute a capacitacircncia de carga Cg1 e

Cg2 satildeo as capacitacircncias de porta do SET 1 e do SET 2 respectivamente

19

Figura 215 Esquemaacutetico do inversor utilizando SETs (modificado de [4])

Alguns modelos do SET desenvolvidos no software SPICE foram propostos na literatura

[4-7] Destes modelos o proposto por G Lientschnig et al [4] descreve a implementaccedilatildeo

completa da teoria ortodoxa e usa apenas os recursos em versotildees disponiacuteveis publicamente

do software SPICE Este modelo diferentemente dos modelos propostos em [5-7] natildeo estaacute

limitado a transistores mono-eleacutetron com junccedilotildees-tuacutenel que tecircm resistecircncias iguais Aleacutem

disso pode ser estendido para incluir um nuacutemero arbitraacuterio de estados de carga que

permite simulaccedilotildees definidas para altas temperaturas e tensotildees de polarizaccedilatildeo [4] O

modelo de G Lientschnig et al estaacute disponiacutevel no siacutetio eletrocircnico [44] Assim este foi o

modelo utilizado neste trabalho

23 CLOCKING DE SISTEMAS DE ALTA VELOCIDADE

Em sistemas digitais siacutencronos o sinal do clock eacute utilizado para definir uma referecircncia de

tempo agrave mudanccedila de dados dentro do sistema [1145] Assim a distribuiccedilatildeo do clock eacute de

suma importacircncia na operaccedilatildeo de circuitos integrados digitais sendo uma grande

preocupaccedilatildeo em circuitos integrados de alta velocidade [46-51] Circuitos em escala

nanomeacutetrica podem ser significativamente limitados devido ao clock skew que ocorre

quando os circuitos natildeo estatildeo equumlidistantes do sinal do clock [11454649-51] Como este

sinal eacute o sinal mais ativo em um chip pode resultar em elevado consumo de potecircncia e

grandes densidades de corrente na rede de interconexotildees do clock [454849]

Dessa forma o sinal do clock deve atingir ao mesmo tempo cada noacute para garantir que a

comutaccedilatildeo seja sincronizada bem como deve ser distribuiacutedo de forma que haja o menor

20

atraso possiacutevel [49] Com esse intuito os seguintes fatores entre outros satildeo fundamentais

no desempenho do clock dispositivos loacutegicos de tecnologia raacutepida (avanccedilada) rede de

distribuiccedilatildeo de clock que minimize o skew e interconexotildees com alto desempenho [11]

Conforme exposto anteriormente os dispositivos nanoeletrocircnicos como os transistores

mono-eleacutetron satildeo potencialmente aplicaacuteveis em circuitos integrados em escala giga (GSI)

e tera (TSI) Estes dispositivos permitem que as funccedilotildees loacutegicas sejam desempenhadas em

um tempo mais raacutepido e com menor atraso Assim satildeo fortes candidatos a serem utilizados

em circuitos integrados com clock

A adequada rede de distribuiccedilatildeo do clock assegura que a comutaccedilatildeo seja sincronizada e

que haja o menor atraso possiacutevel [1145] Aleacutem disso dependendo da arquitetura da rede o

niacutevel de sincronismo do sistema pode aumentar Diferentes tipos de abordagens tecircm sido

desenvolvidos para projetar a rede de distribuiccedilatildeo do clock em sistemas digitais de

circuitos integrados [45] Os buffered trees satildeo muito utilizados na distribuiccedilatildeo

equipotencial do clock Aleacutem dessas estruturas assimeacutetricas arquiteturas simeacutetricas como

o H-tree satildeo usadas para distribuir sinais de clock em alta velocidade podendo inclusive

ser projetadas com buffers [45-51] Algumas formas de rede de distribuiccedilatildeo do clock estatildeo

ilustradas na Figura 216 incluindo a trunk tree mesh e H-tree [45]

Figura 216 Estruturas comuns de redes de distribuiccedilatildeo de clock [45]

21

Atualmente as interconexotildees de cobre satildeo bastante utilizadas para circuitos de alto

desempenho como em redes de clock No entanto os CNTs apresentam caracteriacutesticas que

os tornam melhores para serem utilizados em interconexotildees descritas na subseccedilatildeo 221

[48] Neste trabalho seraacute realizada a comparaccedilatildeo entre interconexotildees de cobre e de CNT

na rede de distribuiccedilatildeo do H-tree clock

231 H-Tree Clock

O clock skew pode ser minimizado distribuindo-se o sinal do clock de forma que as

interconexotildees que levam o sinal aos circuitos loacutegicos tecircm o mesmo comprimento Se antes

de chegarem aos circuitos loacutegicos os sinais do clock forem igualmente atrasados eles

estaratildeo perfeitamente sincronizados [1145] Dessa forma o esquemaacutetico da Figura 217 de

distribuiccedilatildeo do clock minimiza o clock skew repetindo recursivamente uma estrutura em

forma de H [11] A Figura 217 ilustra uma rede H-tree simeacutetrica com trecircs niacuteveis [46]

Figura 217 Esquemaacutetico do H-tree clock simeacutetrico (modificado de [46])

Na estrutura do H-tree o condutor primaacuterio do clock estaacute ligado ao centro do H principal

(1ordm niacutevel) transmitindo o sinal para os quatro cantos deste H Esses quatro cantos satildeo as

entradas para o proacuteximo niacutevel do H-tree o 2ordm niacutevel que possui quatro estruturas em H O

processo de distribuiccedilatildeo continua por vaacuterios niacuteveis de H‟s cada vez menores Os pontos de

destino final do H-tree satildeo usados para conduzir os circuitos locais Assim cada caminho

do clock desde a fonte ateacute o circuito local possui praticamente o mesmo atraso [45]

22

24 MEDIDAS DE DESEMPENHO NA ANAacuteLISE DAS INTERCONEXOtildeES

As interconexotildees em circuitos integrados possuem caracteriacutesticas que modificam o sinal de

entrada O efeito das interconexotildees pode provocar atrasos e distorccedilotildees indesejaacuteveis Nesse

contexto eacute necessaacuterio analisar medidas de desempenho dos sinais sob efeito das

interconexotildees tais como velocidade maacutexima atenuaccedilatildeo tempo de atraso potecircncia

dissipada produto atraso-potecircncia e slew rate [111317202342]

241 Velocidade maacutexima - anaacutelise na frequumlecircncia

A velocidade maacutexima que as interconexotildees podem operar sem distorcer o sinal de entrada

eacute uma medida de desempenho importante [172023] Eacute possiacutevel analisar este paracircmetro

atraveacutes da frequumlecircncia maacutexima de operaccedilatildeo da interconexatildeo que eacute a largura de banda em

que o sinal comeccedila a decair em -3dB em relaccedilatildeo ao sinal de referecircncia [1742] Assim

utiliza-se a anaacutelise do moacutedulo do graacutefico de Bode para obter a frequumlecircncia de operaccedilatildeo em

-3dB [42] A Figura 218 mostra o esboccedilo do moacutedulo do ganho pela frequumlecircncia tiacutepico do

comportamento de interconexotildees

Figura 218 Graacutefico do moacutedulo do ganho pela frequumlecircncia tiacutepico do comportamento de

interconexotildees

23

242 Atenuaccedilatildeo

A transmissatildeo de um sinal pode ser expressa em funccedilatildeo do seu ganho ou da sua atenuaccedilatildeo

No caso em estudo as interconexotildees podem atenuar o sinal Essa atenuaccedilatildeo eacute geralmente

calculada pela expressatildeo (227) em que Vo eacute o sinal de saiacuteda e Vi eacute o sinal de entrada [42]

i

o

V

VA log20 (227)

243 Tempo de atraso

O tempo de atraso td ou atraso na propagaccedilatildeo ocorre devido ao

carregamentodescarregamento da capacitacircncia de carga bem como ao tempo de

chaveamento dos transistores [42]

O tempo de atraso eacute obtido pela diferenccedila entre o tempo medido a 50 da transiccedilatildeo dos

sinais de entrada e de saiacuteda [11] Em circuitos loacutegicos o atraso na propagaccedilatildeo pode ser

calculado pela meacutedia aritmeacutetica do tempo de propagaccedilatildeo do sinal de alto para baixo tPHL e

do tempo de propagaccedilatildeo do baixo para alto tPLH conforme equaccedilatildeo (228) [1142]

2

PLHPHLd

ttt

(228)

244 Potecircncia dissipada

A dissipaccedilatildeo de potecircncia eacute outra medida de desempenho bastante importante em circuitos

integrados em escala GSI e TSI Isso ocorre jaacute que ao aumentar o nuacutemero de portas

loacutegicas em uma determinada aacuterea ocupada eacute necessaacuterio que a dissipaccedilatildeo de potecircncia esteja

dentro de limites aceitaacuteveis [1142]

A dissipaccedilatildeo de potecircncia eacute composta por dois componentes potecircncia estaacutetica e potecircncia

dinacircmica A dissipaccedilatildeo de potecircncia estaacutetica eacute dada por IVP DDE e ocorre mesmo que

natildeo haja chaveamento de porta loacutegica no circuito devido ao efeito da resistecircncia do

circuito [42] A dissipaccedilatildeo de potecircncia dinacircmica eacute devido agrave capacitacircncia de carga do

24

circuito expressa por CVfP DDD 2 em que VDD eacute a tensatildeo de alimentaccedilatildeo f eacute

frequumlecircncia do circuito e C eacute a capacitacircncia de carga do circuito [1142] Assim a soma da

potecircncia dinacircmica e da potecircncia estaacutetica resulta na potecircncia total dissipada no circuito

245 Produto atraso-potecircncia

Em circuitos integrados o ideal eacute que se tenha baixo atraso na propagaccedilatildeo resultando em

uma maior velocidade de funcionamento do circuito bem como baixa dissipaccedilatildeo de

potecircncia No entanto essas duas exigecircncias satildeo conflitantes ao reduzirmos a dissipaccedilatildeo de

potecircncia de uma porta a capacidade da porta em fornecer corrente diminuiraacute isso

implicaraacute em um maior tempo de carga e descarga aumentando o atraso na propagaccedilatildeo

Assim o produto atraso-potecircncia (delay power product ndash DP) eacute uma medida de

desempenho bastante utilizada na anaacutelise de circuitos e eacute dado por dD tPDP Quanto

menor o produto atraso-potecircncia maior a eficiecircncia do circuito loacutegico [42]

246 Slew rate

A taxa maacutexima de variaccedilatildeo da tensatildeo de saiacuteda do inglecircs slew rate (SR) eacute uma

caracteriacutestica importante do sinal de saiacuteda de um circuito loacutegico A limitaccedilatildeo na taxa de

variaccedilatildeo pode provocar uma distorccedilatildeo no funcionamento do circuito O SR pode ser

calculado pela expressatildeo (229) em que Δv eacute a variaccedilatildeo da tensatildeo de saiacuteda do sinal para

uma determinada variaccedilatildeo de tempo Δt [42]

t

vSR

(229)

25 LTSPICE

O software LTSPICE eacute um simulador SPICE de alto desempenho orientado a

esquemaacuteticos e visualizador de formas de onda com modelos para facilitar a simulaccedilatildeo de

circuitos eletrocircnicos Se comparado aos outros simuladores SPICE a simulaccedilatildeo do

LTSPICE eacute bastante raacutepida O software consegue simular dispositivos de acordo com o

padratildeo industrial reproduzindo os seus comportamentos [52]

25

O LTSPICE possui vaacuterias possibilidades de simulaccedilatildeo como anaacutelise transiente anaacutelise AC

e anaacutelise DC bem como permite a simulaccedilatildeo de vaacuterios dispositivos disponiacuteveis na sua

biblioteca Aleacutem disso este software possibilita a elaboraccedilatildeo de novos esquemaacuteticos

atraveacutes de um modelo matemaacutetico ou eletrocircnico proposto O novo componente poderaacute ser

utilizado no circuito conforme seraacute feito neste trabalho utilizando-se o modelo SPICE do

SET proposto por G Lientschnig et al[4]

26

3 METODOLOGIA

31 INTRODUCcedilAtildeO

A miniaturizaccedilatildeo das interconexotildees prejudica o seu desempenho resultando no aumento

significativo do valor da resistividade da capacitacircncia de acoplamento entre vias na

dificuldade de controlar a razatildeo entre a altura e a largura do material entre outros

problemas A fim de analisar o desempenho das interconexotildees eacute necessaacuterio verificar

algumas variaacuteveis importantes como velocidade maacutexima (f-3dB) atenuaccedilatildeo (A) tempo de

atraso (td) potecircncia dissipada (P) produto atraso-potecircncia (DP) e slew rate (SR)

[111317202342]

32 ETAPAS E ESTRATEacuteGIAS ADOTADAS

Com o intuito de analisar o efeito das interconexotildees em circuitos com transistores mono-

eleacutetron foi realizada primeiramente a anaacutelise das interconexotildees de SWCNT de SWCNT

bundle e de cobre isoladamente para diferentes valores de comprimento Apoacutes a avaliaccedilatildeo

desses resultados o efeito das interconexotildees foi analisado no H-tree clock com inversores

mono-eleacutetron nos seus terminais tambeacutem considerando diferentes comprimentos Neste

trabalho a tecnologia de 22 nm prevista para o ano de 2016 [21] foi utilizada na

comparaccedilatildeo entre o desempenho do cobre e do CNT Todas as simulaccedilotildees foram realizadas

utilizando o software LTSPICE

321 Simulaccedilatildeo das interconexotildees

A partir dos modelos das interconexotildees de SWCNT SWCNT bundle e cobre apresentados

na subseccedilatildeo 213 diferentes comprimentos das interconexotildees foram simulados Assim

analisou-se as interconexotildees locais em que l le 1 μm e as intermediaacuterias em que 1 μm lt l

le 500 μm sabendo que l eacute o comprimento da interconexatildeo [29-31333638]

A fim de analisar a frequumlecircncia de corte este foi obtido para comprimentos de

interconexotildees locais (10nm 100nm 200nm 300nm 400nm 500nm 600nm 700nm

27

800nm 900nm 1μm) e interconexotildees intermediaacuterias (10μm 100μm 200μm 300μm

400μm 500μm)

Jaacute que λCNT eacute tipicamente 1 μm foram escolhidos trecircs comprimentos na faixa lCNT le λCNT

(10 nm 100 nm e 1 μm) e trecircs comprimentos na faixa lCNT gt λCNT (10 μm 100 μm 500

μm) para serem analisados detalhadamente Escolheu-se uma mesma frequecircncia abaixo da

frequecircncia de corte dos trecircs materiais considerados para analisar e comparar a atenuaccedilatildeo

(A) e o tempo de atraso na propagaccedilatildeo (td) dos diferentes comprimentos

Em seguida o mesmo procedimento foi feito para comparar somente o SWCNT bundle e o

cobre para uma mesma frequecircncia cujo valor eacute maior que a frequecircncia da anaacutelise anterior

permitindo que estes dois materiais sejam analisados detalhadamente

Essas anaacutelises foram realizadas a partir da simulaccedilatildeo do circuito da Figura 31 [2325] A

tensatildeo de entrada Vin eacute uma onda quadrada de 1V de amplitude e o capacitor de carga tem

o valor de 100 aF

Figura 31 ndash Circuito simulado para cada interconexatildeo

A Figura 32 mostra o fluxograma das etapas descritas nesta subseccedilatildeo 321

28

Figura 32 ndash Fluxograma das etapas seguidas na simulaccedilatildeo das interconexotildees

322 Simulaccedilatildeo do inversor mono-eleacutetron

Para utilizar a porta inversora da Figura 215 nos terminais do H-tree clock foi necessaacuterio

primeiramente simular o SET proposto por [4] Essa simulaccedilatildeo foi feita variando os

paracircmetros do SET como as resistecircncias e capacitacircncias das junccedilotildees as capacitacircncias de

porta a temperatura etc Os paracircmetros foram variados ateacute simular o SET a temperatura

de 300K Em seguida simulou-se a inversora da Figura 215 tambeacutem a temperatura

ambiente Dessa forma foi possiacutevel simular a inversora isoladamente obtendo as

caracteriacutesticas do sinal de saiacuteda

323 Simulaccedilatildeo do H-tree clock mono-eleacutetron

Apoacutes a simulaccedilatildeo do SET foi possiacutevel simular o H-tree clock A rede H-tree de dois niacuteveis

foi simulada com um H no primeiro niacutevel e quatro H‟s no segundo niacutevel [49] Nos pontos

de destino final da rede foram colocadas portas inversoras formadas por SETs permitindo

a anaacutelise de circuitos nanoeletrocircnicos

Modelos de SWCNT

SWCNT bundle e cobre

Obtenccedilatildeo dos paracircmetros dos modelos para

interconexotildees locais e interconexotildees intermediaacuterias

Para cada comprimento

obtenccedilatildeo de f-3dB

1ordm) Escolha de frequumlecircncia abaixo

da f-3dB do SWCNT SWCNT

bundle e cobre

2ordm) Escolha de frequumlecircncia abaixo

da f-3dB do SWCNT bundle e

cobre

Obtenccedilatildeo de A e td de

cada modelo

Obtenccedilatildeo de A e td de

cada modelo

Anaacutelise comparativa entre o

SWCNT SWCNT bundle e

cobre

Anaacutelise comparativa entre o

SWCNT bundle e cobre

Estudo de interconexotildees locais (10nm

100nm 1μm) e intermediaacuterias (10μm

100μm 500μm)

29

A partir da simulaccedilatildeo do H-tree clock obteve-se a frequecircncia em -3dB (f-3dB) da rede com

interconexotildees ideais Assim a rede H-tree foi entatildeo simulada para duas frequecircncias

diferentes do sinal de entrada abaixo da frequecircncia de -3dB 10 GHz e 100 GHz Com

essas simulaccedilotildees obtiveram-se as seguintes caracteriacutesticas do sinal de saiacuteda da inversora

niacutevel loacutegico baixo (NB) niacutevel loacutegico alto (NA) tempo de subida (tr) slew rate de subida

(SR) atenuaccedilatildeo (A) tempo de atraso (td) potecircncia dissipada (P) e produto atraso-potecircncia

(DP) As caracteriacutesticas obtidas servem como referecircncia para analisar o sinal considerando

interconexotildees natildeo-ideais ou seja incluindo os modelos das interconexotildees nas simulaccedilotildees

Em seguida a rede H-tree foi simulada considerando-se os modelos das interconexotildees de

SWCNT bundle e de cobre variando os seus comprimentos Como cada H da rede de

distribuiccedilatildeo deve ser simeacutetrico considerou-se que cada divisatildeo do H tem o mesmo

comprimento para cada niacutevel da rede [11] A Figura 33 mostra o comprimento dos

diferentes trechos da rede Assim o comprimento de cada divisatildeo dos H‟s do segundo

niacutevel eacute a metade do comprimento de cada divisatildeo do H do primeiro niacutevel Jaacute que o objetivo

eacute simular circuitos em escala nanomeacutetrica escolheu-se trecircs variaccedilotildees de comprimento

menores ou iguais a 1μm

l = 100 nm l2 = 50 nm

l = 400 nm l2 = 200 nm

l = 1 μm l2 = 500 nm

Figura 33 ndash Esquemaacutetico do H-tree clock com os comprimentos de cada seguimento

Dessa forma cada um dos trecircs circuitos foi simulado obtendo-se a frequecircncia em -3dB na

entrada das portas inversoras Em seguida as trecircs redes foram simuladas para as mesmas

30

duas frequumlecircncias do sinal de entrada (10 GHz e 100 GHz) de forma a obter as

caracteriacutesticas do sinal de saiacuteda descritas anteriormente considerando agora o efeito das

interconexotildees

Por fim a partir dos dados obtidos foram realizadas comparaccedilotildees entre as caracteriacutesticas

do sinal de saiacuteda de referecircncia (interconexotildees ideais) e o sinal de saiacuteda dos circuitos com as

interconexotildees natildeo-ideais bem como entre o comportamento das interconexotildees de SWCNT

bundle e de cobre nas diferentes frequecircncias

A Figura 34 mostra o fluxograma das etapas descritas nas subseccedilotildees 322 e 323

Figura 34 ndash Fluxograma das etapas seguidas na simulaccedilatildeo do H-tree clock

H-tree clock mono-eleacutetron

Simulaccedilatildeo do H-tree clock com

interconexotildees ideais Obtenccedilatildeo de f-3dB

da inversora

Simulaccedilatildeo do H-tree clock com

interconexotildees natildeo-ideais para os seguintes

comprimentos

l = 100 nm l2 = 50 nm

l = 400 nm l2 = 200 nm

l = 1 μm l2 = 500 nm

Validaccedilatildeo do SET e do

inversor mono-eleacutetron a

300K

Sinal de entrada a

10 GHz

Sinal de entrada a

100 GHz

Obtenccedilatildeo de NB

NA tr SR A td P e

DP do sinal de saiacuteda

da inversora

Obtenccedilatildeo de NB

NA tr SR A td P e

DP do sinal de saiacuteda

da inversora

Sinal de entrada a

10 GHz

Sinal de entrada a

100 GHz

Obtenccedilatildeo de NB

NA tr SR A td P e

DP do sinal de saiacuteda

da inversora

Obtenccedilatildeo de NB

NA tr SR A td P e

DP do sinal de saiacuteda

da inversora

Anaacutelise comparativa

dos dados obtidos

31

4 RESULTADOS E ANAacuteLISES

41 INTRODUCcedilAtildeO

Neste capiacutetulo seratildeo apresentados os procedimentos adotados e os resultados obtidos na

simulaccedilatildeo das interconexotildees SWCNT SWCNT bundle e cobre As etapas descritas na

metodologia foram seguidas obtendo-se os resultados das simulaccedilotildees das interconexotildees e

das simulaccedilotildees do H-tree clock mono-eleacutetron para interconexotildees ideais e natildeo-ideais A

partir dos resultados a anaacutelise do desempenho das interconexotildees seraacute apresentada

42 ANAacuteLISE DAS INTERCONEXOtildeES

Nesta seccedilatildeo a anaacutelise das interconexotildees de SWCNT SWCNT bundle e cobre na

tecnologia de 22 nm para diferentes comprimentos seraacute realizada Para isso analisou-se

as interconexotildees locais em que l le 1 μm e as intermediaacuterias em que 1 μm lt l le 500 μm

sabendo que l eacute o comprimento da interconexatildeo [29-31333638] Como λCNT eacute

tipicamente 1 μm trecircs comprimentos na faixa lCNT le λCNT (10 nm 100 nm e 1 μm) e trecircs

comprimentos na faixa lCNT gt λCNT (10 μm 100 μm 500 μm) de cada material seratildeo

analisados detalhadamente Os paracircmetros obtidos a partir dos modelos de SWCNT

SWCNT bundle e cobre estatildeo respectivamente nas Tabelas 71 72 e 73 do Apecircndice

421 Interconexotildees locais

Primeiramente a partir da simulaccedilatildeo da Figura 31 obteve-se a frequecircncia em -3dB (f-3dB)

das interconexotildees locais (lCNT le λCNT ) isto eacute a sua banda passante de forma a verificar a

velocidade maacutexima que cada interconexatildeo suporta A Figura 41 ilustra o comportamento

da frequecircncia das interconexotildees locais para os diferentes comprimentos Como o SWCNT

isolado possui valores de frequecircncia na faixa de centenas de giga Hertz ou seja menos de

um tera Hertz os valores de suas frequecircncias tambeacutem podem ser visualisados na Tabela

74 do Apecircndice

Verifica-se que agrave medida que o comprimento da interconexatildeo aumenta a frequecircncia

diminui Isso ocorre jaacute que os valores da capacitacircncia e indutacircncia aumentam com o

aumento do comprimento da interconexatildeo Esses paracircmetros satildeo decisivos no sinal de

32

saiacuteda sendo o sinal mais distorcido quanto maior for o valor desses paracircmetros Observa-

se que o SWCNT bundle e o cobre possuem banda passante maiores que o SWCNT

isolado para qualquer comprimento Aleacutem disso o SWCNT bundle soacute possui uma banda

passante comparaacutevel ao do cobre para comprimentos acima de 700 nm

Frequecircncia X Comprimento

0

10

20

30

40

50

60

100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

Comprimento (nm)

f -3d

B (

TH

z)

SWCNT Isolado

SWCNT bundle

Cobre

Figura 41 ndash Frequumlecircncia versus comprimento das interconexotildees locais

As interconexotildees locais de 10 nm 100 nm e 1 μm de comprimento foram analisadas

detalhadamente A Tabela 41 mostra a frequecircncia em -3dB de cada material para os

comprimentos em anaacutelise

Tabela 41 Frequecircncia em -3dB de cada material para lCNT le λCNT

Interconexatildeo Local Comprimento (L) Material f-3dB

SWCNT isolado 253 GHz

10nm SWCNT bundle 66 THz

Cobre 232 THz

SWCNT isolado 300 GHz

lCNT le λCNT 100nm SWCNT bundle 20 THz

Cobre 51 THz

SWCNT isolado 230 GHz

1microm SWCNT bundle 47 THz

Cobre 42 THz

Assim escolheu-se uma mesma frequecircncia abaixo da frequecircncia de corte dos trecircs

materiais considerados para analisar e comparar a atenuaccedilatildeo (A) e o tempo de atraso na

propagaccedilatildeo (td) dos trecircs comprimentos Isso permite verificar o comportamento do sinal na

banda passante A Tabela 42 mostra esse estudo comparativo entre o SWCNT isolado

SWCNT bundle e cobre agrave frequecircncia de 200 GHz

33

Tabela 42 Estudo das interconexotildees com comprimentos na faixa lCNT le λCNT

Freq L Material A (dB) td (ps)

SWCNT isolado -210 046

10nm SWCNT bundle 001 000

Cobre 000 000

SWCNT isolado -155 051

200 GHz 100nm SWCNT bundle 001 000

Cobre 001 000

SWCNT isolado -039 107

1microm SWCNT bundle 006 001

Cobre 000 007

A partir da anaacutelise da Tabela 42 eacute possiacutevel observar agrave frequumlecircncia de 200 GHz a

atenuaccedilatildeo do sinal e o atraso do SWCNT isolado Nessa frequumlecircncia o atraso do SWCNT

isolado eacute significativo em relaccedilatildeo ao periacuteodo do sinal que eacute 5ps jaacute que o menor atraso

(para l = 10nm) eacute aproximadamente 10 do periacuteodo do sinal de entrada No entanto para

esta mesma frequumlecircncia observa-se que a atenuaccedilatildeo e o atraso do SWCNT bundle e do

cobre satildeo insignificantes Isto indica que estes dois materiais possuem melhor

desempenho sendo favoraacuteveis para serem utilizados em interconexotildees locais

Dessa forma para analisar melhor a atenuaccedilatildeo e o tempo de atraso do SWCNT bundle e do

cobre o mesmo procedimento foi feito comparando-se somente estes dois materiais para

uma mesma frequecircncia de 1 THz A Tabela 43 mostra esse estudo comparativo entre o

SWCNT bundle e cobre

Tabela 43 Estudo das interconexotildees SWCNT bundle e cobre com comprimentos na faixa

lCNT le λCNT

Freq L Material A (dB) td (fs)

10nm SWCNT bundle 001 113

Cobre 000 022

1 THz 100nm SWCNT bundle 006 136

Cobre 001 240

1microm SWCNT bundle 145 647

Cobre -013 5623

Analisando a Tabela 43 observa-se que agrave frequumlecircncia de 1 THz a atenuaccedilatildeo do sinal e o

atraso aumentam agrave medida que o comprimento das interconexotildees aumentam A partir do

comprimento de 100nm o tempo de atraso da interconexatildeo de cobre eacute maior que o do

SWCNT bundle cujo maior valor de atraso (para l = 1microm) natildeo chega a 1 do periacuteodo do

34

sinal de entrada (1ps) Isso mostra que apesar de a banda passante do cobre ser maior o

atraso do SWCNT bundle eacute menor Dessa forma para as interconexotildees locais o SWCNT

bundle possui desempenho comparaacutevel ao do cobre [13]

Em relaccedilatildeo agrave atenuaccedilatildeo verifica-se que para alguns comprimentos este tem valor

positivo Isso ocorre principalmente quando haacute um pico no graacutefico da frequumlecircncia antes dele

comeccedilar a decair Esse pico eacute devido ao efeito ressonante provocado pela indutacircncia

quando este possui valor comparaacutevel agrave resistecircncia e agrave capacitacircncia da interconexatildeo [53]

Assim esse efeito ressonante foi observado somente nas interconexotildees locais de SWCNT

bundle e de cobre A Figura 42 ilustra o graacutefico da magnitude pela frequumlecircncia do SWCNT

isolado SWCNT bundle e cobre para o comprimento de 100nm Observa-se o efeito

ressonante nos graacuteficos do SWCNT bundle e do cobre

Figura 42 ndash Graacuteficos da magnitude das interconexotildees de SWCNT isolado (superior)

SWCNT bundle (meio) e cobre (inferior) com comprimento de 100nm

35

422 Interconexotildees intermediaacuterias

Assim como para as interconexotildees locais obteve-se a frequecircncia em -3dB (f-3dB) das

interconexotildees intermediaacuterias (lCNT gt λCNT) de forma a verificar a velocidade maacutexima que

cada interconexatildeo suporta A Figura 43 ilustra o comportamento da frequecircncia das

interconexotildees intermediaacuterias para os diferentes comprimentos Os valores das frequecircncias

de cada interconexatildeo tambeacutem podem ser visualisados na Tabela 75 do Apecircndice

Como nas interconexotildees locais agrave medida que o comprimento da interconexatildeo aumenta a

frequecircncia diminui Aleacutem disso o SWCNT bundle e o cobre possuem desempenho melhor

que o do SWCNT isolado para qualquer comprimento No entanto para interconexotildees

intermediaacuterias o SWCNT bundle possui banda passante maior que a do cobre para

qualquer comprimento

Frequecircncia X Comprimento

00

05

10

15

20

25

30

35

40

45

100 200 300 400 500

Comprimento (μm)

f -3d

B (

GH

z)

SWCNT isolado

SWCNT bundle

Cobre

Figura 43 ndash Frequumlecircncia versus comprimento das interconexotildees intermediaacuterias

As interconexotildees intermediaacuterias de 10 μm 100 μm e 500 μm de comprimento foram entatildeo

analisadas detalhadamente A Tabela 44 mostra a frequecircncia em -3dB de cada materal

para os diferentes comprimentos em anaacutelise

36

Tabela 44 Frequecircncia em -3dB de cada material para lCNT gt λCNT

Interconexatildeo

Intermediaacuteria

Comprimento (L) Material f-3dB

SWCNT isolado 26 GHz

10 microm SWCNT bundle 527 GHz

Cobre 34 GHz

SWCNT isolado 32 MHz

lCNT gt λCNT 100 microm SWCNT bundle 42 GHz

Cobre 345 MHz

SWCNT isolado 13 MHz

500 microm SWCNT bundle 165 MHz

Cobre 14 MHz

Escolheu-se a frequecircncia de 1 MHz que estaacute abaixo da frequecircncia de corte dos trecircs

materiais considerados para analisar e comparar a atenuaccedilatildeo (A) e o tempo de atraso na

propagaccedilatildeo (td) dos trecircs comprimentos A Tabela 45 mostra esse estudo comparativo entre

o SWCNT isolado SWCNT bundle e cobre

Tabela 45 Estudo das interconexotildees com comprimentos na faixa lCNT gt λCNT

Freq L Material A (dB) td (ns)

SWCNT isolado -002 008

10 microm SWCNT bundle 000 000

Cobre 000 000

SWCNT isolado -003 559

1 MHz 100 microm SWCNT bundle -001 005

Cobre -004 056

SWCNT isolado -198 10217

500 microm SWCNT bundle 000 110

Cobre -003 1301

Com base na Tabela 45 observa-se que a atenuaccedilatildeo e o tempo de atraso do SWCNT

isolado aumentam com o aumento do comprimento da interconexatildeo Nessa frequumlecircncia o

atraso na propagaccedilatildeo do SWCNT isolado eacute significativo em relaccedilatildeo ao periacuteodo do sinal de

entrada que eacute 1micros chegando a mais de 10 deste periacuteodo para o comprimento de 500microm

Verifica-se tambeacutem o aumento do tempo de atraso da interconexatildeo de cobre sendo 13

do periacuteodo do sinal de entrada para o comprimento de 500microm

Para analisar melhor a atenuaccedilatildeo e o tempo de atraso do SWCNT bundle e do cobre o

mesmo procedimento foi feito comparando-se somente estes dois materiais para uma

37

mesma frequecircncia de 10 MHz A Tabela 46 mostra esse estudo comparativo entre o

SWCNT bundle e cobre

Tabela 46 Estudo das interconexotildees SWCNT bundle e cobre com comprimentos na faixa

lCNT gt λCNT

Freq L Material A (dB) td (ns)

10 microm SWCNT bundle 000 000

Cobre 000 000

10 MHz 100 microm SWCNT bundle -001 005

Cobre -004 054

500 microm SWCNT bundle -004 107

Cobre -185 1024

Analisando a Tabela 46 observa-se que agrave medida que o comprimento das interconexotildees

aumenta a atenuaccedilatildeo e o atraso do sinal da interconexatildeo de cobre tornam-se significativos

O atraso na propagaccedilatildeo da interconexatildeo de cobre para l = 500microm chega a 10 do periacuteodo

do sinal de entrada (100ns) Jaacute o SWCNT bundle apresenta valores insignificantes de

atenuaccedilatildeo e atraso na propagaccedilatildeo Assim para as interconexotildees intermediaacuterias o SWCNT

bundle possui desempenho superior ao do cobre

43 SIMULACcedilAtildeO DO INVERSOR MONO-ELEacuteTRON

O modelo SPICE do SET proposto por G Lientschnig et al [444] foi simulado no

LTSPICE A partir da equaccedilatildeo (226) foi possiacutevel aumentar a temperatura do SET ateacute

chegar a 300K Assim o esquemaacutetico do SET e os valores de seus paracircmetros para que o

SET opere a 300K estatildeo na Figura 44 No anexo deste trabalho (subseccedilatildeo 81) encontra-

se o coacutedigo SET que foi utilizado [44] Os paracircmetros R1 C1 e R2 C2 correspondem agraves

resistecircncias e capacitacircncias das junccedilotildees-tuacutenel Cg eacute a capacitacircncia de porta (Cg1 no coacutedigo

SET) Vg eacute a tensatildeo de porta e V eacute a tensatildeo de entrada

Figura 44 Esquemaacutetico do SET e os valores de seus paracircmetros

38

A partir destes valores o inversor mono-eleacutetron foi construiacutedo colocando-se dois SETs em

seacuterie os quais compartilham da mesma entrada A Figura 45 ilustra o esquemaacutetico do

inversor mono-eleacutetron juntamente com os valores de seus paracircmetros fixos em que Vin eacute a

tensatildeo de entrada Vout eacute a tensatildeo de saiacuteda Vbias eacute a tensatildeo de polarizaccedilatildeo Cc eacute a

capacitacircncia de carga Cg1 e Cg2 satildeo as capacitacircncias de porta do SET 1 e do SET 2

respectivamente

Figura 45 Esquemaacutetico do inversor mono-eleacutetron e os valores de seus paracircmetros

(modificado de [4])

Assim apoacutes simular o inversor mono-eleacutetron a 300K obteve-se o sinal de saiacuteda mostrado

na Figura 46 Como o inversor estaacute invertendo o sinal de entrada de valor loacutegico baixo em

um sinal de saiacuteda de valor loacutegico alto ele estaacute operando corretamente

Figura 46 Curva do sinal de entrada (em verde) e do sinal de saiacuteda (em preto) do inversor

mono-eleacutetron

39

44 ANAacuteLISE DAS INTERCONEXOtildeES NO H-TREE CLOCK MONO-ELEacuteTRON

Nesta seccedilatildeo a rede H-tree clock de dois niacuteveis foi simulada com portas inversoras mono-

eleacutetron nos pontos de destino final da rede permitindo a anaacutelise de circuitos

nanoeletrocircnicos Simulou-se a rede H-tree considerando interconexotildees ideais para as

frequecircncias de 10 GHz e 100 GHz no sinal de entrada Em seguida para as mesmas duas

frequecircncias considerou-se interconexotildees natildeo-ideais de diferentes comprimentos

analisando a rede com os modelos de interconexatildeo SWCNT bundle e cobre Trecircs redes

com comprimentos de interconexotildees diferentes foram analisadas

l = 100 nm l2 = 50 nm

l = 400 nm l2 = 200 nm

l = 1 μm l2 = 500 nm

441 Anaacutelise da rede com interconexotildees ideais

A partir da simulaccedilatildeo do H-tree clock a frequecircncia em -3dB (f-3dB) da rede com

interconexotildees ideais foi obtida Na saiacuteda de cada porta inversora a banda passante do sinal

eacute 3200 GHz Dessa forma duas frequecircncias abaixo de 3200 GHz foram escolhidas para

analisar o sinal de saiacuteda da inversora em condiccedilotildees ideais As frequecircncias de 10 GHz e

100 GHz seratildeo analisadas obtendo-se as seguintes caracteriacutesticas do sinal de saiacuteda da

inversora niacutevel loacutegico baixo (NB) niacutevel loacutegico alto (NA) tempo de subida (tr) slew rate

de subida (SR) atenuaccedilatildeo (A) e tempo de atraso (td) A Tabela 47 mostra os valores

obtidos para as duas frequecircncias em anaacutelise

Tabela 47 Caracteriacutesticas dos sinais de saiacuteda da rede para interconexotildees ideais

Freq NB(mV) NA(mV) tr (ps) SR(Vns) A(dB) td (ps)

10 GHz 675 4518 356 8636 -264 412

100 GHz 678 4279 317 9088 -269 189

Os caacutelculos da potecircncia estaacutetica ( IVP DDE ) potecircncia dinacircmica ( CVfP DDD 2 ) e

potecircncia total ( DE PPP ) dissipada por cada porta inversora foram realizados bem

como o produto atraso-potecircncia (DP) Assim a Tabela 48 mostra os valores obtidos no

40

caacutelculo destes paracircmetros Como a potecircncia estaacutetica independe da frequecircncia do sinal de

entrada o seu valor eacute o mesmo nos dois casos

Tabela 48 Potecircncia dissipada por cada porta inversora para interconexotildees ideais

Frequecircncia PE (nW) PD (nW) P (nW) DP (10-18

Wmiddots)

10 GHz 4838 125 4963 020

100 GHz 4838 125 6088 012

As Tabelas 47 e 48 serviratildeo de referecircncia para as anaacutelises da rede com interconexotildees natildeo-

ideais analisadas na subseccedilatildeo seguinte As Figuras 47 e 48 ilustram o sinal de saiacuteda das

redes com frequecircncias de 10 GHz e de 100 GHz respectivamente Eacute possiacutevel observar que

na frequecircncia de 100 GHz o sinal de saiacuteda jaacute eacute distorcido em relaccedilatildeo ao sinal de referecircncia

(Figura 46)

Figura 47 Sinal de entrada (em verde) e sinal de saiacuteda (em preto) da rede a 10 GHz

Figura 48 Sinal de entrada (em verde) e sinal de saiacuteda (em preto) da rede a 100 GHz

41

442 Anaacutelise da rede com interconexotildees natildeo-ideais

Apoacutes obter as caracteriacutesticas da rede H-tree clock com interconexotildees ideais a anaacutelise da

rede com interconexotildees natildeo-ideais seraacute feita Primeiramente eacute importante verificar a

frequecircncia em -3dB do sinal depois das interconexotildees ou seja na entrada da porta

inversora Caso essa frequecircncia seja menor que a frequecircncia de 3200 GHz obtida com

interconexotildees ideais entatildeo a interconexatildeo afetaraacute o comportamento da rede A Tabela 49

mostra a frequecircncia em -3dB na entrada da inversora para interconexotildees natildeo-ideais

Tabela 49 Frequecircncia em -3dB na entrada da inversora para interconexotildees natildeo-ideais

Comprimentos (l2 l) Material f-3dB

50nm 100nm SWCNT bundle 122 THz

Cobre 175 THz

200nm 400nm SWCNT bundle 31 THz

Cobre 8606 GHz

500nm 1microm SWCNT bundle 12 THz

Cobre 1268 GHz

Assim verifica-se que a interconexatildeo de cobre da rede 500nm1microm possui frequecircncia em

-3dB abaixo da frequecircncia do circuito com interconexatildeo ideal (3200 GHz) Isso indica que

esta interconexatildeo interfere significativamente no comportamento da rede A Tabela 49

mostra tambeacutem que a banda passante da interconexatildeo de cobre soacute eacute maior que a da

interconexatildeo de SWCNT bundle no primeiro caso na rede de 50nm100nm o que mostra

uma vantagem do SWCNT bundle em relaccedilatildeo ao cobre A partir dessas informaccedilotildees a

rede H-tree clock com interconexotildees natildeo-ideais seraacute analisada detalhadamente

4421 Anaacutelise da rede a 10 GHz

As redes com interconexotildees natildeo-ideais seratildeo analisadas na frequecircncia de 10 GHz para

diferentes comprimentos Primeiramente o niacutevel loacutegico baixo (NB) o niacutevel loacutegico alto

(NA) o tempo de subida (tr) e o slew rate de subida (SR) foram obtidos conforme mostra a

Tabela 410 Com base nessa tabela verifica-se que na frequecircncia de 10 GHz essas

caracteriacutesticas natildeo foram modificadas pelas interconexotildees natildeo-ideais independentemente

do comprimento Os valores dos paracircmetros satildeo iguais aos obtidos na rede com

interconexatildeo ideal conforme Tabela 47 O sinal obtido na saiacuteda de cada inversor eacute igual

ao ilustrado na Figura 47

42

Tabela 410 Niacuteveis loacutegicos tempo de subida e slew rate dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 10 GHz

Freq L (l2l) Material NB(mV) NA(mV) tr(ps) SR(Vns)

10

GHz

50nm

100nm

SWCNT bundle 675 4518 356 8636

Cobre 675 4518 356 8636

200nm

400nm

SWCNT bundle 675 4518 356 8636

Cobre 675 4518 356 8636

500nm

1microm

SWCNT bundle 675 4518 356 8636

Cobre 675 4518 356 8636

A Tabela 411 mostra a atenuaccedilatildeo tempo de atraso potecircncia total dissipada e o produto

atraso-potecircncia obtidos a frequecircncia de 10 GHz para interconexotildees natildeo-ideais Observa-se

que a atenuaccedilatildeo do sinal e a potecircncia total dissipada por cada porta inversora permanecem

os mesmos em relaccedilatildeo agrave interconexatildeo ideal mostrando que a essa frequecircncia as

interconexotildees natildeo-ideais natildeo interferem nestes paracircmetros

Jaacute o atraso na propagaccedilatildeo do sinal no caso do cobre aumenta agrave medida que as

interconexotildees aumentam de comprimento aumentando tambeacutem o produto atraso-potecircncia

Esse atraso chega a 66 do periacuteodo do sinal de entrada para a interconexatildeo 500nm1microm

de cobre No entanto estes paracircmetros natildeo satildeo afetados pelas interconexotildees de SWCNT

bundle indicando que este material se sobressai em relaccedilatildeo ao cobre

Tabela 411 Atenuaccedilatildeo atraso potecircncia e produto atraso-potecircncia dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 10 GHz

Freq L (l2l) Material A (dB) td (ps) P (nW) DP(10-18

Wmiddots)

10

GHz

50nm

100nm

SWCNT bundle -264 412 4963 020

Cobre -264 412 4963 020

200nm

400nm

SWCNT bundle -264 412 4963 020

Cobre -264 438 4963 022

500nm

1microm

SWCNT bundle -264 412 4963 020

Cobre -264 659 4963 033

4422 Anaacutelise da rede a 100 GHz

As redes com interconexotildees natildeo-ideais seratildeo analisadas na frequecircncia de 100 GHz para

diferentes comprimentos O niacutevel loacutegico baixo (NB) o niacutevel loacutegico alto (NA) o tempo de

subida (tr) e o slew rate de subida (SR) foram obtidos conforme mostra a Tabela 412 Jaacute a

43

Tabela 413 mostra a atenuaccedilatildeo tempo de atraso potecircncia total dissipada e o produto

atraso-potecircncia obtidos a frequecircncia de 100 GHz para interconexotildees natildeo-ideais

Tabela 412 Niacuteveis loacutegicos tempo de subida e slew rate dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 100 GHz

Freq L (l2l) Material NB(mV) NA(mV) tr(ps) SR(Vns)

100

GHz

50nm

100nm

SWCNT bundle 678 4272 316 9099

Cobre 675 4277 323 9107

200nm

400nm

SWCNT bundle 678 4299 315 9196

Cobre 677 4089 289 9447

500nm

1microm

SWCNT bundle 678 4418 300 9973

Cobre 635 1766 102 6795

Tabela 413 Atenuaccedilatildeo atraso potecircncia e produto atraso-potecircncia dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 100 GHz

Freq L (l2l) Material A (dB) td (ps) P (nW) DP(10-18

Wmiddots)

100

GHz

50nm

100nm

SWCNT bundle -2703 189 6088 012

Cobre -2685 191 6088 012

200nm

400nm

SWCNT bundle -2693 188 6088 012

Cobre -2698 228 6088 014

500nm

1microm

SWCNT bundle -2673 174 6088 011

Cobre -2893 388 6088 024

A partir das Tabelas 412 e 413 o SWCNT bundle seraacute analisado Observa-se que os seus

niacuteveis loacutegicos altos aumentam com o aumento do comprimento das interconexotildees

aumentando tambeacutem o slew rate de subida Esse comportamento ocorre provavelmente

devido ao efeito ressonante provocado pela indutacircncia que provoca um pico no graacutefico da

frequumlecircncia antes dele comeccedilar a decair conforme explicado na subseccedilatildeo 421 Isso implica

na diminuiccedilatildeo da atenuaccedilatildeo do sinal e do atraso No entanto o produto atraso-potecircncia

permanece praticamente invariaacutevel jaacute que a potecircncia total dissipada natildeo se altera

Em relaccedilatildeo agraves interconexotildees de cobre verifica-se que as distorccedilotildees satildeo significativas Agrave

medida que o comprimento aumenta a atenuaccedilatildeo do sinal de saiacuteda aumenta Isso provoca

diminuiccedilatildeo no slew rate do sinal o que natildeo eacute desejado jaacute que o sinal demora mais para

atingir o niacutevel loacutegico alto Aleacutem disso o atraso na propagaccedilatildeo do sinal aumenta bastante

chegando a 388 do periacuteodo do sinal de entrada para a interconexatildeo 500nm1microm

Consequentemente o produto atraso-potecircncia tambeacutem aumenta sendo o dobro do valor de

44

referecircncia (interconexotildees ideais) A Figura 49 ilustra o sinal de saiacuteda da interconexatildeo

500nm1microm de cobre

Figura 49 Sinal de entrada (em verde) e sinal de saiacuteda (em preto) da rede a 100 GHz para

a interconexatildeo 500nm1microm de cobre

Comparando-se as potecircncias das tabelas 47 48 411 413 verifica-se que natildeo haacute

alteraccedilatildeo na potecircncia total dissipada pelo circuito com interconexotildees ideais e pelos

circuitos com interconexotildees natildeo-ideais para uma mesma frequecircncia Assim eacute importante

destacar que a dissipaccedilatildeo de potecircncia das interconexotildees de SWCNT bundle e de cobre natildeo

interfere na potecircncia total dissipada pelo circuito

443 Consideraccedilotildees Finais

Apoacutes analisar as interconexotildees locais de SWCNT de SWCNT bundle e de cobre

verificou-se que as interconexotildees de SWCNT bundle possuem desempenho comparaacutevel ao

das interconexotildees de cobre Em relaccedilatildeo agraves interconexotildees intermediaacuterias as de SWCNT

bundle apresentam desempenho superior agraves de cobre Jaacute as interconexotildees de SWCNT

isolado tanto para interconexotildees locais como para interconexotildees intermediaacuterias

apresentam desempenho inferior agraves interconexotildees de SWCNT bundle e de cobre natildeo

sendo propiacutecias a serem utilizadas em interconexotildees de circuitos integrados

Na anaacutelise das interconexotildees natildeo-ideais na rede H-tree clock mono-eleacutetron para a

frequecircncia de 10GHz observou-se que o niacutevel loacutegico baixo o niacutevel loacutegico alto o tempo de

subida o slew rate de subida a atenuaccedilatildeo do sinal e a potecircncia total dissipada por cada

porta inversora permanecem os mesmos em relaccedilatildeo agrave interconexatildeo ideal mostrando que

45

para esta frequecircncia as interconexotildees natildeo-ideais natildeo interferem nestes paracircmetros Jaacute o

atraso na propagaccedilatildeo do sinal no caso do cobre aumenta agrave medida que as interconexotildees

aumentam de comprimento aumentando tambeacutem o produto atraso-potecircncia No entanto

estes paracircmetros natildeo satildeo afetados pelas interconexotildees de SWCNT bundle indicando que

este material se sobressai em relaccedilatildeo ao cobre

Jaacute para a rede H-tree clock mono-eleacutetron a 100GHz observou-se que o circuito com

interconexotildees natildeo-ideais afetou bastante os paracircmetros em anaacutelise se comparados aos

obtidos para interconexotildees ideais Verificou-se que as distorccedilotildees provocadas pelas

interconexotildees de cobre foram significativas indicando que as interconexotildees de SWCNT

bundle possuem melhor desempenho que as de cobre

Assim constata-se que as interconexotildees de SWCNT bundle satildeo fortes candidatas a

substituirem as interconexotildees de cobre em circuitos em escala giga (GSI) e tera (TSI)

46

5 CONCLUSOtildeES

Nesta dissertaccedilatildeo o estudo das interconexotildees de SWCNT de SWCNT bundle e de cobre

foi realizado analisando e comparando os seus desempenhos para diferentes

comprimentos A partir desse estudo verificou-se que as interconexotildees de SWCNT bundle

possui desempenho comparaacutevel ao das interconexotildees de cobre no caso de interconexotildees

locais Em relaccedilatildeo agraves interconexotildees intermediaacuterias as de SWCNT bundle apresentam

desempenho superior agraves de cobre

As interconexotildees de SWCNT bundle e as interconexotildees de cobre foram entatildeo simuladas na

rede H-tree clock de dois niacuteveis para diferentes comprimentos e frequecircncias Nos pontos

de destino final da rede foram colocadas portas inversoras formadas por SETs permitindo

a anaacutelise de circuitos nanoeletrocircnicos

A partir da anaacutelise da rede H-tree clock observou-se que as interconexotildees de SWCNT

bundle possuem desempenho melhor que as de cobre principalmente em relaccedilatildeo ao slew

rate agrave atenuaccedilatildeo ao tempo de atraso e ao produto atraso-potecircncia Aleacutem disso a

dissipaccedilatildeo de potecircncia das interconexotildees natildeo-ideais natildeo interferem na potecircncia total

dissipada pelo circuito Assim as interconexotildees de SWCNT bundle satildeo fortes candidatas a

substituirem as interconexotildees de cobre em circuitos em escala giga (GSI) e tera (TSI)

Como perspectivas futuras eacute importante analisar o efeito das interconexotildees de nanotubo de

carbono em circuitos GSI e TSI com outras arquiteturas A anaacutelise das interconexotildees de

CNT tambeacutem deve ser feita em circuitos com tecnologia MOS permitindo a comparaccedilatildeo

entre diferentes tecnologias Aleacutem disso eacute interessante estudar outros tipos de materiais

que possam ser utilizados como interconexotildees em circuitos integrados

47

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53

7 APEcircNDICES

71 TABELAS COMPLEMENTARES

Tabela 71 Paracircmetros obtidos a partir do modelo de SWCNT isolado

L RQ (Ω) RS (Ω) LCNT (10-9

H) CCNT (10-18

F)

10 nm 645103 - 40010

-2 27910

-1

100 nm 645103 - 40010

-1 279

200 nm 645103 - 80010

-1 558

300 nm 645103 - 120 837

400 nm 645103 - 160 11210

1

500 nm 645103 - 200 14010

1

600 nm 645103 - 240 16710

1

700 nm 645103 - 280 19510

1

800 nm 645103 - 320 22310

1

900 nm 645103 - 360 25110

1

1 microm 645103 - 400 27910

1

10 microm 645103 64510

4 40010

1 27910

2

100 microm 645103 64510

5 40010

2 27910

3

200 microm 645103 12910

6 80010

2 55810

3

300 microm 645103 19410

6 12010

3 83710

3

400 microm

645103 25810

6 16010

3 11210

4

500 microm

645103 32310

6 20010

3 14010

4

Tabela 72 Paracircmetros obtidos a partir do modelo de SWCNT bundle

L RQ (Ω) RS (Ω) LBundle(10-9

H) CBundle(10-18

F)

10 nm 1075 - 66710-5

135

100 nm 1075 - 66710-4

135101

200 nm 1075 - 13310-3

270101

300 nm 1075 - 20010-3

405101

400 nm 1075 - 26710-3

540101

500 nm 1075 - 33310-3

675101

600 nm 1075 - 40010-3

810101

700 nm 1075 - 46710-3

945101

800 nm 1075 - 53310-3

108102

900 nm 1075 - 60010-3

122102

1 microm 1075 - 66710-3

135102

10 microm 1075 108102 66710

-2 13510

3

100 microm 1075 108103 66710

-1 13510

4

200 microm 1075 215103 133 27010

4

300 microm 1075 323103 200 40510

4

400 microm

1075 430103 267 54010

4

500 microm

1075 538103 333 67510

4

54

Tabela 73 Paracircmetros obtidos a partir do modelo de cobre

L RCu (Ω) LCu (10-9

H) CCu (10-18

F)

10 nm 06 37310-6

150

100 nm 60 63610-5

150101

200 nm 120 17510-4

300101

300 nm 180 30910-4

450101

400 nm 240 45410-4

600101

500 nm 300 61110-4

750101

600 nm 360 77510-4

900101

700 nm 420 94610-4

105102

800 nm 480 11210-3

120102

900 nm 540 13110-3

135102

1 microm 600 14910-3

150102

10 microm 60102 24010

-2 15010

3

100 microm 60103 33210

-1 15010

4

200 microm 12104 72010

-1 30010

4

300 microm 18104 113 45010

4

400 microm

24104 155 60010

4

500 microm

30104 198 75010

4

55

Tabela 74 Frequecircncia em -3dB das interconexotildees locais

Comprimento Material f-3dB

10 nm SWCNT isolado 253 GHz

SWCNT bundle 66 THz

Cobre 232 THz

100 nm SWCNT isolado 300 GHz

SWCNT bundle 20 THz

Cobre 51 THz

200 nm SWCNT isolado 342 GHz

SWCNT bundle 14 THz

Cobre 29 THz

300 nm SWCNT isolado 344 GHz

SWCNT bundle 11 THz

Cobre 20 THz

400 nm SWCNT isolado 329 GHz

SWCNT bundle 89 THz

Cobre 15 THz

500 nm SWCNT isolado 307 GHz

SWCNT bundle 76 THz

Cobre 12 THz

600 nm SWCNT isolado 288 GHz

SWCNT bundle 67 THz

Cobre 94 THz

700 nm SWCNT isolado 271 GHz

SWCNT bundle 61 THz

Cobre 76 THz

800 nm SWCNT isolado 255 GHz

SWCNT bundle 55 THz

Cobre 63 THz

900 nm SWCNT isolado 240 GHz

SWCNT bundle 51 THz

Cobre 52 THz

1 microm SWCNT isolado 230 GHz

SWCNT bundle 47 THz

Cobre 42 THz

56

Tabela 75 Frequecircncia em -3dB das interconexotildees intermediaacuterias

Comprimento Material f-3dB

10 microm SWCNT isolado 26 GHz

SWCNT bundle 527 GHz

Cobre 34 GHz

100 microm SWCNT isolado 32 MHz

SWCNT bundle 42 GHz

Cobre 345 MHz

200 microm SWCNT isolado 82 MHz

SWCNT bundle 10 GHz

Cobre 87 MHz

300 microm SWCNT isolado 36 MHz

SWCNT bundle 455 MHz

Cobre 38 MHz

400 microm SWCNT isolado 21 MHz

SWCNT bundle 256 MHz

Cobre 21 MHz

500 microm SWCNT isolado 13 MHz

SWCNT bundle 165 MHz

Cobre 14 MHz

57

8 ANEXOS

81 COacuteDIGO SPICE DO SET [44]

Transistor mono-eleacutetron (SET) conexotildees fonte | dreno | | porta1 | | | porta2 | | | | SUBCKT SET 1 2 3 4 PARAMS +C1=1E-20 Capacitacircncia da junccedilatildeo 1 +C2=1E-20 Capacitacircncia da junccedilatildeo 2 +R1=1E5 Resistecircncia da junccedilatildeo 1 +R2=1E5 Resistecircncia da junccedilatildeo 2 +Cg1=015E-18 Capacitacircncia da junccedilatildeo 1 +Cg2=0 Capacitacircncia da junccedilatildeo 2 +C0=0 Capacitacircncia proacutepria da ilha +Q0=005 Carga offset em unidades de e +TEMP=300 Temperatura PARAM E=160217733E-19 Carga do eleacutetron (e) PARAM CSUM=C1+C2+Cg1+Cg2+C0 Capacitacircncia total do SET PARAM T=TEMPCSUM53785467E14 Temperatura normalizada 53785467E14 = kBe^2 PARAM RN1=R1(R1+R2) Resistecircncia da junccedilatildeo 1 normalizada PARAM RN2=R2(R1+R2) Resistecircncia da junccedilatildeo 2 normalizada FUNC Q(v1v2v3v4) (Cg1v3+Cg2v4+C1v1+C2v2)E+Q0 Definiccedilatildeo da carga em unidades de e FUNC VN(v) CSUMvE Tensatildeo normalizada FUNC GAMMA(u) IF(T==0IF(ult0-u0)IF(u==0Tu(EXP(uT)-1))) FUNC N_OPT(v1v2v3v4) ROUND(-Q(v1v2v3v4)+(CSUME) (v1RN2+v2RN1)) A maior probabilidade de carga na ilha em unidades de e Os quarto eventos tuacuteneis FUNC R1L(nv1v2v3v4) GAMMA(05 - n - Q(v1v2v3v4) + VN(v1))RN1 FUNC R1R(nv1v2v3v4) GAMMA(05 + n + Q(v1v2v3v4) - VN(v1))RN1 FUNC R2L(nv1v2v3v4) GAMMA(05 + n + Q(v1v2v3v4) - VN(v2))RN2 FUNC R2R(nv1v2v3v4) GAMMA(05 - n - Q(v1v2v3v4) + VN(v2))RN2

58

determinaccedilatildeo das probabilidades relativas assume-se inicialmente que o estado da carga N_OPT tem probabilidade relativa igual a um FUNC PN_1(nv1v2v3v4) (R1L(nv1v2v3v4)+R2R(nv1v2v3v4))(R1R(n-1v1v2v3v4)+R2L(n-1v1v2v3v4)) FUNC PN_2(nv1v2v3v4) PN_1(nv1v2v3v4) +(R1L(n-1v1v2v3v4)+R2R(n-1v1v2v3v4))(R1R(n-2v1v2v3v4)+R2L(n-2v1v2v3v4)) FUNC PN_3(nv1v2v3v4) PN_2(nv1v2v3v4) +(R1L(n-2v1v2v3v4)+R2R(n-2v1v2v3v4))(R1R(n-3v1v2v3v4)+R2L(n-3v1v2v3v4)) FUNC PN_4(nv1v2v3v4) PN_3(nv1v2v3v4) +(R1L(n-3v1v2v3v4)+R2R(n-3v1v2v3v4))(R1R(n-4v1v2v3v4)+R2L(n-4v1v2v3v4)) FUNC PN_5(nv1v2v3v4) PN_4(nv1v2v3v4) +(R1L(n-4v1v2v3v4)+R2R(n-4v1v2v3v4))(R1R(n-5v1v2v3v4)+R2L(n-5v1v2v3v4)) FUNC PN1(nv1v2v3v4) (R2L(nv1v2v3v4) +R1R(nv1v2v3v4))(R2R(n+1v1v2v3v4)+R1L(n+1v1v2v3v4)) FUNC PN2(nv1v2v3v4) PN1(nv1v2v3v4) +(R2L(n+1v1v2v3v4)+R1R(n+1v1v2v3v4))(R2R(n+2v1v2v3v4)+R1L(n+2v1v2v3v4)) FUNC PN3(nv1v2v3v4) PN2(nv1v2v3v4) +(R2L(n+2v1v2v3v4)+R1R(n+2v1v2v3v4))(R2R(n+3v1v2v3v4)+R1L(n+3v1v2v3v4)) FUNC PN4(nv1v2v3v4) PN3(nv1v2v3v4) +(R2L(n+3v1v2v3v4)+R1R(n+3v1v2v3v4))(R2R(n+4v1v2v3v4)+R1L(n+4v1v2v3v4)) FUNC PN5(nv1v2v3v4) PN4(nv1v2v3v4) +(R2L(n+4v1v2v3v4)+R1R(n+4v1v2v3v4))(R2R(n+5v1v2v3v4)+R1L(n+5v1v2v3v4)) FUNC PSUM(nv1v2v3v4) PN_5(nv1v2v3v4)+PN_4(nv1v2v3v4)+PN_3(nv1v2v3v4)+PN_2(nv1v2v3v4) ++PN_1(nv1v2v3v4)+1+PN1(nv1v2v3v4)+PN2(nv1v2v3v4)+PN3(nv1v2v3v4) ++PN4(nv1v2v3v4)+PN5(nv1v2v3v4)

59

caacutelculo da corrente da fonte para o dreno FUNC CUR(nv1v2v3v4) PN_5(nv1v2v3v4)(R1R(n-5v1v2v3v4)-R1L(n-5v1v2v3v4)) ++PN_4(nv1v2v3v4)(R1R(n-4v1v2v3v4)-R1L(n-4v1v2v3v4)) ++PN_3(nv1v2v3v4)(R1R(n-3v1v2v3v4)-R1L(n-3v1v2v3v4)) ++PN_2(nv1v2v3v4)(R1R(n-2v1v2v3v4)-R1L(n-2v1v2v3v4)) ++PN_1(nv1v2v3v4)(R1R(n-1v1v2v3v4)-R1L(n-1v1v2v3v4)) ++(R1R(nv1v2v3v4)-R1L(nv1v2v3v4)) ++PN1(nv1v2v3v4)(R1R(n+1v1v2v3v4)-R1L(n+1v1v2v3v4)) ++PN2(nv1v2v3v4)(R1R(n+2v1v2v3v4)-R1L(n+2v1v2v3v4)) ++PN3(nv1v2v3v4)(R1R(n+3v1v2v3v4)-R1L(n+3v1v2v3v4)) ++PN4(nv1v2v3v4)(R1R(n+4v1v2v3v4)-R1L(n+4v1v2v3v4)) ++PN5(nv1v2v3v4)(R1R(n+5v1v2v3v4)-R1L(n+5v1v2v3v4)) FUNC CURRENT(nv1v2v3v4) ECUR(nv1v2v3v4)(CSUMPSUM(nv1v2v3v4)(R1+R2)) caacutelculo da tensatildeo da ilha FUNC VOLT(nv1v2v3v4) PN_5(nv1v2v3v4)(n-5+Q(v1v2v3v4)) ++PN_4(nv1v2v3v4)(n-4+Q(v1v2v3v4)) ++PN_3(nv1v2v3v4)(n-3+Q(v1v2v3v4)) ++PN_2(nv1v2v3v4)(n-2+Q(v1v2v3v4)) ++PN_1(nv1v2v3v4)(n-1+Q(v1v2v3v4)) ++n+Q(v1v2v3v4) ++PN1(nv1v2v3v4)(n+1+Q(v1v2v3v4)) ++PN2(nv1v2v3v4)(n+2+Q(v1v2v3v4)) ++PN3(nv1v2v3v4)(n+3+Q(v1v2v3v4)) ++PN4(nv1v2v3v4)(n+4+Q(v1v2v3v4)) ++PN5(nv1v2v3v4)(n+5+Q(v1v2v3v4)) FUNC VOLTAGE(nv1v2v3v4) (ECSUM)VOLT(nv1v2v3v4)PSUM(nv1v2v3v4) E1 5 0 VALUE= VOLTAGE(N_OPT(V(1)V(2)V(3)V(4))V(1)V(2)V(3)V(4)) Tensatildeo da ilha G1 1 2 VALUE= CURRENT(N_OPT(V(1)V(2)V(3)V(4))V(1)V(2)V(3)V(4)) Corrente da fonte para o dreno CT1 1 5 C1 CT2 2 5 C2 CGATE1 3 5 CG1 CGATE2 4 5 CG2 ENDS SET

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10

Figura 26 ndash Nuacutemero de CNTs ao longo da largura (nW) e da altura (nH) do CNT

bundle[13]

Na tecnologia de 22 nm considerando as dimensotildees de 22 nm de largura e 44 nm de altura

do SWCNT bundle [13173437] e a separaccedilatildeo entre cada nanotubo devido agrave forccedila de Van

der Waals a quantidade de SWCNTs eacute aproximadamente 600 Neste trabalho estas

consideraccedilotildees foram feitas e a tecnologia de 22 nm foi utilizada Esta tecnologia eacute prevista

pelo ITRS para o ano de 2016 [21]

As resistecircncias de cada SWCNT estatildeo em paralelo entre elas assim como as indutacircncias

Assim a resistecircncia e a indutacircncia do SWCNT bundle com nCNT SWCNTs satildeo calculados

respectivamente pelas expressotildees (211) e (212) [1323252629-3234]

CNT

CNTbundle

n

RR (211)

CNT

CNTbundle

n

LL (212)

Considerando que todos os SWCNTs estatildeo no mesmo potencial que os contatos entre

todos os nanotubos de carbono em um bundle satildeo idecircnticos e que cada SWCNT tem o

mesmo caminho meacutedio livre [13] eacute possiacutevel assumir que a interaccedilatildeo entre CNTs

adjacentes de um SWCNT bundle eacute fraca e que eles carregam correntes independentes

umas das outras [13-17]

A capacitacircncia do SWCNT bundle eacute obtida a partir da combinaccedilatildeo da capacitacircncia

quacircntica de todos os SWCNTs em paralelo chamada de capacitacircncia quacircntica bundle

(CQbundle

) que estaacute em seacuterie com a capacitacircncia eletrostaacutetica (CEbundle

) [13143539] A

capacitacircncia quacircntica e a capacitacircncia eletrostaacutetica satildeo calculadas pelas equaccedilotildees (213) e

(214) em que CEn e CEf satildeo as capacitacircncias de placas paralelas de CNTs isolados em

11

relaccedilatildeo aos vizinhos proacuteximos e afastados respectivamente [14293032] Assim a

capacitacircncia total do SWCNT bundle eacute obtida pela equaccedilatildeo (215)

CNT

CNT

Q

bundle

Q nCC (213)

En

HEf

WEn

bundle

E Cn

Cn

CC5

23

2

22

(214)

bundle

Q

bundle

E

bundle

Q

bundle

E

bundleCC

CCC

(215)

Analisando a equaccedilatildeo (215) o efeito da CQbundle

eacute pequeno para grandes valores de nCNT

sendo o valor da capacitacircncia do SWCNT bundle aproximadamente igual agrave sua

capacitacircncia eletrostaacutetica [13161719] Srivastava et al [13] mostra que os nanotubos no

interior do SWCNT bundle satildeo blindados eletrostaticamente dos condutores de terra

podendo ser desprezados Os CNTs de borda satildeo os principais contribuidores para a

capacitacircncia eletrostaacutetica do SWCNT bundle No entanto a equaccedilatildeo (214) natildeo reproduz

fielmente a realidade jaacute que considera a capacitacircncia eletrostaacutetica de todos os nanotubos e

natildeo soacute os CNTs de borda Segundo o mesmo autor para a tecnologia de 22 nm e uma

constante dieleacutetrica igual a 2 a capacitacircncia total do SWCNT bundle eacute aproximadamente

135 aFμm

2133 Modelo de interconexatildeo do cobre

As propriedades fiacutesicas de interconexotildees de cobre podem ser descritas por resistecircncia

capacitacircncia e indutacircncia [14-16] A resistecircncia do cobre pode ser calculada utilizando a

equaccedilatildeo (216)

tw

lRCu

(216)

em que l eacute o comprimento do cobre w eacute a sua largura t eacute a sua altura e ρ eacute a sua

resistividade A resistividade do cobre em escala nanomeacutetrica eacute moldada pela combinaccedilatildeo

dos fenocircmenos de espalhamento superficial e de espalhamento de contorno

[151627283340] Estes fenocircmenos correspondem aos paracircmetros ρFS e ρMS propostos

12

por Fuchs e Sondheimer (ρFS) e por Mayadas e Shatzkes (ρMS) [1516] Estes paracircmetros

satildeo calculados pelas expressotildees (217) (218) e (219)

)1(

4

31 p

w

o

o

FS

(217)

11ln33

2

31 22

MS

o (218)

)1( R

R

D

o

(219)

O paracircmetro ρo eacute a resistividade do material λo eacute o caminho meacutedio livre p eacute o paracircmetro

de espalhamento de Fuchs D eacute o tamanho meacutedio e R eacute o coeficiente de reflexatildeo no

contorno com valores entre 0 e 1 Assim tem-se que a resistecircncia do cobre em escala

nanomeacutetrica eacute dada pela equaccedilatildeo (220) [1516]

tw

lR MSFS

Cu

(220)

De acordo com [1433] o valor da resistividade do cobre na tecnologia de 22nm para

interconexotildees locais eacute dado por 4666 μΩ-cm No entanto este valor da resistividade do

cobre chega a 58 μΩ-cm para valores miacutenimos da largura do fio [1516203940] Neste

trabalho seraacute utilizado o valor de 58 μΩ-cm para a resistividade do cobre na tecnologia de

22 nm que vai ao encontro dos requerimentos do ITRS [21]

A indutacircncia proacutepria (L) e a muacutetua (M) da interconexatildeo de cobre em escala nanomeacutetrica

satildeo obtidas usando respectivamente as expressotildees (221) e (222)

l

tw

tw

llL o )(220

2

12ln

2

(221)

l

s

s

llM o 1

2ln

2

(222)

em que t eacute a altura do fio microo eacute a permeabilidade e s eacute o espaccedilamento entre os fios [14-16]

A indutacircncia total do cobre (LCu) eacute dada pela soma das indutacircncias proacutepria e muacutetua

13

A capacitacircncia da interconexatildeo de cobre eacute calculada pela soma da capacitacircncia de

acoplamento entre dois fios adjacentes (CC) e a capacitacircncia ligada ao plano do terra (Cg)

[14-16] Essas capacitacircncias podem ser obtidas pelas equaccedilotildees (223) e (224) [1541]

120760193

534511171

70222

ht

t

hs

s

hs

s

h

wCg (223)

181160141090

980871161

591740

062141

sh

h

sw

w

sw

w

sh

h

s

tCC (224)

em que s eacute o espaccedilamento entre dois fios adjacentes h eacute a distacircncia do fio em relaccedilatildeo ao

plano do terra e ε eacute a permissividade relativa para uma dada constante dieleacutetrica

Considerando as equaccedilotildees (223) e (224) e de acordo com [1321] para uma constante

dieleacutetrica igual a 2 o valor da capacitacircncia total do cobre (CCu) eacute aproximadamente 150

aFμm que seraacute utilizado neste trabalho

Os modelos em L em π e em T satildeo usados como modelos de interconexatildeo de cobre [11]

Como o modelo π eacute muito utilizado para uma linha distribuiacuteda [1416] este modelo seraacute

usado neste trabalho A Figura 27 mostra o modelo de interconexatildeo de cobre [11]

Figura 27 ndash Modelo de interconexatildeo de cobre

A precisatildeo do modelo eacute determinada pelo nuacutemero de seguimentos bdquoN‟ que ele possui Uma

cadeia com mais de trecircs segmentos em π fornece um erro menor que 3 [16] Neste

trabalho seratildeo utilizados trecircs segmentos em π

14

22 INVERSOR MONO-ELEacuteTRON

Os dispositivos de tunelamento mono-eleacutetron satildeo dispositivos nanoeletrocircnicos

potencialmente aplicaacuteveis em circuitos integrados em escala giga (GSI) e tera (TSI)

Apesar de apresentarem baixo ganho e alta impedacircncia de saiacuteda estes dispositivos

possuem tamanho reduzido e baixa dissipaccedilatildeo de potecircncia Estas caracteriacutesticas os tornam

atrativos em circuitos loacutegicos e circuitos de memoacuteria [1-10] Assim portas loacutegicas podem

ser implementadas utilizando dispositivos de tunelamento mono-eleacutetron [14-9]

As portas loacutegicas satildeo blocos de construccedilatildeo baacutesicos na eletrocircnica digital O inversor loacutegico

ou porta NOT eacute o principal elemento baacutesico no projeto de circuitos digitais [42] O

inversor inverte o sinal de entrada de valor loacutegico baixo ndash 0 ndash em um sinal de saiacuteda de

valor loacutegico alto ndash 1 ndash e vice-versa [442] Em outras palavras a porta NOT efetua a

negaccedilatildeo loacutegica O siacutembolo do inversor juntamente com sua tabela verdade estaacute ilustrado

na Figura 28

Figura 28 ndash Siacutembolo e tabela verdade da porta NOT

221 Dispositivo de tunelamento mono-eleacutetron

O funcionamento dos dispositivos de tunelamento mono-eleacutetron eacute baseado no controle do

movimento e da posiccedilatildeo de um uacutenico ou de um pequeno grupo de eleacutetrons no dispositivo

[17] Os seguintes conceitos satildeo essenciais na definiccedilatildeo desses dispositivos ilha junccedilatildeo-

tuacutenel tunelamento efeito de carregamento e bloqueio de Coulomb A partir desses

conceitos eacute possiacutevel definir o transistor mono-eleacutetron - SET (do inglecircs Single-electron

transistor) [24-8]

A ilha estaacute localizada entre duas paredes finas de um material normalmente isolante as

quais criam uma barreira de potencial de energia que impossibilita a movimentaccedilatildeo de

eleacutetrons pela ilha A Figura 29 mostra dois eletrodos A e B separados por uma barreira

15

isolante e no meio dessa barreira isolante encontra-se a ilha Se a energia dos eleacutetrons for

maior que a energia potencial das paredes das barreiras estes poderatildeo atravessaacute-las [6] No

dispositivo de tunelamento mono-eleacutetron o transporte de eleacutetrons entre o eletrodo A e a

ilha e entre a ilha e o eletrodo B ocorre por tunelamento mono-eleacutetron em que os eleacutetrons

atravessam as barreiras um de cada vez [10]

Figura 29 Dois eletrodos separados por uma ilha [10]

Esses dispositivos satildeo formados por junccedilotildees-tuacutenel que satildeo dois eletrodos metaacutelicos

separados por um isolante muito fino (barreira) o qual permite a passagem de eleacutetrons por

tunelamento [467] A Figura 210 ilustra a junccedilatildeo-tuacutenel e sua representaccedilatildeo simboacutelica Os

paracircmetros que caracterizam a junccedilatildeo-tuacutenel macroscopicamente satildeo a resistecircncia de

tunelamento (Rj) que depende da aacuterea e da espessura da barreira isolante e a capacitacircncia

(Cj) [10]

Figura 210 Esquemaacutetico da junccedilatildeo-tuacutenel [10]

O tunelamento eacute o transporte de partiacuteculas atraveacutes de uma regiatildeo em que a energia total de

uma partiacutecula pontual claacutessica eacute menor que a energia potencial da regiatildeo ou seja eacute o

transporte atraveacutes de uma regiatildeo classicamente proibida [10] O efeito de tunelamento

ocorre quando a barreira de potencial for suficientemente fina permitindo que o eleacutetron a

atravesse se houver niacutevel de energia desocupado do outro lado da barreira com o mesmo

valor de energia Esse fenocircmeno pode ser explicado pelo comportamento dual do eleacutetron

Diferentemente da mecacircnica claacutessica na teoria eletromagneacutetica quando uma partiacutecula

encontra uma barreira de potencial parte da onda eacute refletida e a outra parte eacute transmitida

para o outro lado da barreira [10] A teoria ortodoxa do tunelamento mono-eleacutetron eacute o

modelo mais utilizado para analisar o tunelamento [4-6] Proposto em 1987 por Averin e

Likharev [43] este modelo apresenta os seguintes postulados

16

Modelo de dimensatildeo zero as dimensotildees das ilhas satildeo despreziacuteveis

O evento de tunelamento eacute considerado instantacircneo

A redistribuiccedilatildeo das cargas apoacutes tunelamento tambeacutem eacute considerada instantacircnea

O espectro de energia em condutores e ilhas eacute considerado contiacutenuo ou seja a

quantizaccedilatildeo da energia do eleacutetron eacute ignorada dentro dos condutores

Apesar de a teoria ortodoxa assumir condiccedilotildees hipoteacuteticas ela continua sendo muito

utilizada em estudos do dispositivo mono-eleacutetron [4-6]

O efeito de carregamento ocorre quando os eleacutetrons estatildeo na iminecircncia de entrar em um

material condutor extremamente pequeno isolado eletricamente (ilha) Se houver um

eleacutetron na ilha o potencial eletrostaacutetico da ilha aumenta bastante sendo bem superior ao

ruiacutedo teacutermico em temperatura ambiente O fluxo de eleacutetrons na ilha eacute possiacutevel se o

potencial da ilha for controlado por uma fonte de tensatildeo externa Outros eleacutetrons satildeo

impedidos de entrar na ilha devido agrave repulsatildeo de Coulomb [14-9]

Assim o bloqueio de Coulomb ocorre quando um eleacutetron entra na ilha e impede o

tunelamento de outro eleacutetron nesta ilha No momento em que o eleacutetron entra na ilha a

energia eletrostaacutetica da ilha aumenta em Ce 22 em que CΣ eacute a soma das capacitacircncias

em torno da ilha [14] Dessa forma outro eleacutetron soacute conseguiraacute tunelar para dentro da ilha

se sua energia for maior que a energia eletrostaacutetica da ilha [6] A Figura 211 ilustra os

diagramas de energia no bloqueio de Coulomb e no caso de tunelamento [10]

(a) (b)

Figura 211 Diagramas de energia (a) Bloqueio de Coulomb (b) Tunelamento mono-

eleacutetron [10]

17

O bloqueio de Coulomb eacute superado ao se aplicar uma tensatildeo Vg ao circuito ateacute que esta

tensatildeo alcance um dado valor de limiar que forneceraacute energia suficiente para que ocorra o

tunelamento de um eleacutetron Assim haveraacute o fluxo de eleacutetrons havendo corrente A Figura

212 mostra a regiatildeo do bloqueio de Coulomb ao aplicar uma tensatildeo Vg ao circuito em que

Vc eacute a tensatildeo de limiar chamada de tensatildeo de bloqueio de Coulomb [5-10]

Figura 212 Caracteriacutestica do bloqueio de Coulomb [10]

Nesse contexto duas condiccedilotildees satildeo necessaacuterias para garantir que o transporte de eleacutetrons

seja controlado pelo efeito de carregamento a condiccedilatildeo para a resistecircncia de tunelamento

dada pela equaccedilatildeo (225) [1] em que a natureza corpuscular do eleacutetron predomina sobre a

natureza ondulatoacuteria e a energia eletrostaacutetica (EC) associada a uma dada temperatura (T)

deve ser significativamente maior que as flutuaccedilotildees teacutermicas existentes agravequela

temperatura como descrita na equaccedilatildeo (226) [146-9] Os paracircmetros h eacute a constante de

Planck e eacute a carga do eleacutetron kB eacute a constante de Boltzmann e C eacute capacitacircncia Na

equaccedilatildeo (226) a temperatura deve ser maior que 0K [10]

kRe

hR TT 825

2 (225)

TkC

eTkEc BB

2

2

(226)

A partir dos conceitos apresentados pode-se definir o transistor mono-eleacutetron O SET

ilustrado na Figura 213 [10] eacute composto por duas junccedilotildees-tuacutenel em seacuterie formando uma

ilha entre as junccedilotildees [246-9] Os paracircmetros R1 C1 e R2 C2 correspondem agraves

resistecircncias e capacitacircncias da primeira e da segunda junccedilatildeo-tuacutenel respectivamente A

tensatildeo de porta Vg controla a energia eletrostaacutetica da ilha atraveacutes da capacitacircncia Cg

18

Quando haacute carregamento por tunelamento de uma junccedilatildeo e descarregamento da outra

junccedilatildeo haacute um fluxo controlado de cargas o que gera a corrente I [10]

Figura 213 Transistor mono-eleacutetron [10]

Um efeito que pode ser observado na caracteriacutestica da corrente versus tensatildeo do transistor

mono-eleacutetron eacute chamado de oscilaccedilatildeo de Coulomb [24679] Se a tensatildeo V for mantida

constante com CeV e a tensatildeo Vg for aumentada ateacute atingir gg CeV 2 esse

valor de tensatildeo permitiraacute que um eleacutetron passe pela ilha Como soacute haveraacute corrente fluindo

no circuito em valores muacuteltiplos da tensatildeo gCe 2 soacute ocorreraacute o tunelamento novamente

quando )2(3 gg CeV A caracteriacutestica corrente (I) versus tensatildeo (Vg) do transistor

mono-eleacutetron eacute ilustrada na Figura 214 [10]

Figura 214 Caracteriacutestica corrente (I) versus tensatildeo (Vg) do transistor mono-eleacutetron [10]

222 Estrutura do inversor mono-eleacutetron

Um inversor pode ser construiacutedo colocando-se dois SETs em seacuterie os quais compartilham

da mesma entrada [5689] conforme mostrado na Figura 215 Vin eacute a tensatildeo de entrada

Vout eacute a tensatildeo de saiacuteda Vbias eacute a tensatildeo de polarizaccedilatildeo CC eacute a capacitacircncia de carga Cg1 e

Cg2 satildeo as capacitacircncias de porta do SET 1 e do SET 2 respectivamente

19

Figura 215 Esquemaacutetico do inversor utilizando SETs (modificado de [4])

Alguns modelos do SET desenvolvidos no software SPICE foram propostos na literatura

[4-7] Destes modelos o proposto por G Lientschnig et al [4] descreve a implementaccedilatildeo

completa da teoria ortodoxa e usa apenas os recursos em versotildees disponiacuteveis publicamente

do software SPICE Este modelo diferentemente dos modelos propostos em [5-7] natildeo estaacute

limitado a transistores mono-eleacutetron com junccedilotildees-tuacutenel que tecircm resistecircncias iguais Aleacutem

disso pode ser estendido para incluir um nuacutemero arbitraacuterio de estados de carga que

permite simulaccedilotildees definidas para altas temperaturas e tensotildees de polarizaccedilatildeo [4] O

modelo de G Lientschnig et al estaacute disponiacutevel no siacutetio eletrocircnico [44] Assim este foi o

modelo utilizado neste trabalho

23 CLOCKING DE SISTEMAS DE ALTA VELOCIDADE

Em sistemas digitais siacutencronos o sinal do clock eacute utilizado para definir uma referecircncia de

tempo agrave mudanccedila de dados dentro do sistema [1145] Assim a distribuiccedilatildeo do clock eacute de

suma importacircncia na operaccedilatildeo de circuitos integrados digitais sendo uma grande

preocupaccedilatildeo em circuitos integrados de alta velocidade [46-51] Circuitos em escala

nanomeacutetrica podem ser significativamente limitados devido ao clock skew que ocorre

quando os circuitos natildeo estatildeo equumlidistantes do sinal do clock [11454649-51] Como este

sinal eacute o sinal mais ativo em um chip pode resultar em elevado consumo de potecircncia e

grandes densidades de corrente na rede de interconexotildees do clock [454849]

Dessa forma o sinal do clock deve atingir ao mesmo tempo cada noacute para garantir que a

comutaccedilatildeo seja sincronizada bem como deve ser distribuiacutedo de forma que haja o menor

20

atraso possiacutevel [49] Com esse intuito os seguintes fatores entre outros satildeo fundamentais

no desempenho do clock dispositivos loacutegicos de tecnologia raacutepida (avanccedilada) rede de

distribuiccedilatildeo de clock que minimize o skew e interconexotildees com alto desempenho [11]

Conforme exposto anteriormente os dispositivos nanoeletrocircnicos como os transistores

mono-eleacutetron satildeo potencialmente aplicaacuteveis em circuitos integrados em escala giga (GSI)

e tera (TSI) Estes dispositivos permitem que as funccedilotildees loacutegicas sejam desempenhadas em

um tempo mais raacutepido e com menor atraso Assim satildeo fortes candidatos a serem utilizados

em circuitos integrados com clock

A adequada rede de distribuiccedilatildeo do clock assegura que a comutaccedilatildeo seja sincronizada e

que haja o menor atraso possiacutevel [1145] Aleacutem disso dependendo da arquitetura da rede o

niacutevel de sincronismo do sistema pode aumentar Diferentes tipos de abordagens tecircm sido

desenvolvidos para projetar a rede de distribuiccedilatildeo do clock em sistemas digitais de

circuitos integrados [45] Os buffered trees satildeo muito utilizados na distribuiccedilatildeo

equipotencial do clock Aleacutem dessas estruturas assimeacutetricas arquiteturas simeacutetricas como

o H-tree satildeo usadas para distribuir sinais de clock em alta velocidade podendo inclusive

ser projetadas com buffers [45-51] Algumas formas de rede de distribuiccedilatildeo do clock estatildeo

ilustradas na Figura 216 incluindo a trunk tree mesh e H-tree [45]

Figura 216 Estruturas comuns de redes de distribuiccedilatildeo de clock [45]

21

Atualmente as interconexotildees de cobre satildeo bastante utilizadas para circuitos de alto

desempenho como em redes de clock No entanto os CNTs apresentam caracteriacutesticas que

os tornam melhores para serem utilizados em interconexotildees descritas na subseccedilatildeo 221

[48] Neste trabalho seraacute realizada a comparaccedilatildeo entre interconexotildees de cobre e de CNT

na rede de distribuiccedilatildeo do H-tree clock

231 H-Tree Clock

O clock skew pode ser minimizado distribuindo-se o sinal do clock de forma que as

interconexotildees que levam o sinal aos circuitos loacutegicos tecircm o mesmo comprimento Se antes

de chegarem aos circuitos loacutegicos os sinais do clock forem igualmente atrasados eles

estaratildeo perfeitamente sincronizados [1145] Dessa forma o esquemaacutetico da Figura 217 de

distribuiccedilatildeo do clock minimiza o clock skew repetindo recursivamente uma estrutura em

forma de H [11] A Figura 217 ilustra uma rede H-tree simeacutetrica com trecircs niacuteveis [46]

Figura 217 Esquemaacutetico do H-tree clock simeacutetrico (modificado de [46])

Na estrutura do H-tree o condutor primaacuterio do clock estaacute ligado ao centro do H principal

(1ordm niacutevel) transmitindo o sinal para os quatro cantos deste H Esses quatro cantos satildeo as

entradas para o proacuteximo niacutevel do H-tree o 2ordm niacutevel que possui quatro estruturas em H O

processo de distribuiccedilatildeo continua por vaacuterios niacuteveis de H‟s cada vez menores Os pontos de

destino final do H-tree satildeo usados para conduzir os circuitos locais Assim cada caminho

do clock desde a fonte ateacute o circuito local possui praticamente o mesmo atraso [45]

22

24 MEDIDAS DE DESEMPENHO NA ANAacuteLISE DAS INTERCONEXOtildeES

As interconexotildees em circuitos integrados possuem caracteriacutesticas que modificam o sinal de

entrada O efeito das interconexotildees pode provocar atrasos e distorccedilotildees indesejaacuteveis Nesse

contexto eacute necessaacuterio analisar medidas de desempenho dos sinais sob efeito das

interconexotildees tais como velocidade maacutexima atenuaccedilatildeo tempo de atraso potecircncia

dissipada produto atraso-potecircncia e slew rate [111317202342]

241 Velocidade maacutexima - anaacutelise na frequumlecircncia

A velocidade maacutexima que as interconexotildees podem operar sem distorcer o sinal de entrada

eacute uma medida de desempenho importante [172023] Eacute possiacutevel analisar este paracircmetro

atraveacutes da frequumlecircncia maacutexima de operaccedilatildeo da interconexatildeo que eacute a largura de banda em

que o sinal comeccedila a decair em -3dB em relaccedilatildeo ao sinal de referecircncia [1742] Assim

utiliza-se a anaacutelise do moacutedulo do graacutefico de Bode para obter a frequumlecircncia de operaccedilatildeo em

-3dB [42] A Figura 218 mostra o esboccedilo do moacutedulo do ganho pela frequumlecircncia tiacutepico do

comportamento de interconexotildees

Figura 218 Graacutefico do moacutedulo do ganho pela frequumlecircncia tiacutepico do comportamento de

interconexotildees

23

242 Atenuaccedilatildeo

A transmissatildeo de um sinal pode ser expressa em funccedilatildeo do seu ganho ou da sua atenuaccedilatildeo

No caso em estudo as interconexotildees podem atenuar o sinal Essa atenuaccedilatildeo eacute geralmente

calculada pela expressatildeo (227) em que Vo eacute o sinal de saiacuteda e Vi eacute o sinal de entrada [42]

i

o

V

VA log20 (227)

243 Tempo de atraso

O tempo de atraso td ou atraso na propagaccedilatildeo ocorre devido ao

carregamentodescarregamento da capacitacircncia de carga bem como ao tempo de

chaveamento dos transistores [42]

O tempo de atraso eacute obtido pela diferenccedila entre o tempo medido a 50 da transiccedilatildeo dos

sinais de entrada e de saiacuteda [11] Em circuitos loacutegicos o atraso na propagaccedilatildeo pode ser

calculado pela meacutedia aritmeacutetica do tempo de propagaccedilatildeo do sinal de alto para baixo tPHL e

do tempo de propagaccedilatildeo do baixo para alto tPLH conforme equaccedilatildeo (228) [1142]

2

PLHPHLd

ttt

(228)

244 Potecircncia dissipada

A dissipaccedilatildeo de potecircncia eacute outra medida de desempenho bastante importante em circuitos

integrados em escala GSI e TSI Isso ocorre jaacute que ao aumentar o nuacutemero de portas

loacutegicas em uma determinada aacuterea ocupada eacute necessaacuterio que a dissipaccedilatildeo de potecircncia esteja

dentro de limites aceitaacuteveis [1142]

A dissipaccedilatildeo de potecircncia eacute composta por dois componentes potecircncia estaacutetica e potecircncia

dinacircmica A dissipaccedilatildeo de potecircncia estaacutetica eacute dada por IVP DDE e ocorre mesmo que

natildeo haja chaveamento de porta loacutegica no circuito devido ao efeito da resistecircncia do

circuito [42] A dissipaccedilatildeo de potecircncia dinacircmica eacute devido agrave capacitacircncia de carga do

24

circuito expressa por CVfP DDD 2 em que VDD eacute a tensatildeo de alimentaccedilatildeo f eacute

frequumlecircncia do circuito e C eacute a capacitacircncia de carga do circuito [1142] Assim a soma da

potecircncia dinacircmica e da potecircncia estaacutetica resulta na potecircncia total dissipada no circuito

245 Produto atraso-potecircncia

Em circuitos integrados o ideal eacute que se tenha baixo atraso na propagaccedilatildeo resultando em

uma maior velocidade de funcionamento do circuito bem como baixa dissipaccedilatildeo de

potecircncia No entanto essas duas exigecircncias satildeo conflitantes ao reduzirmos a dissipaccedilatildeo de

potecircncia de uma porta a capacidade da porta em fornecer corrente diminuiraacute isso

implicaraacute em um maior tempo de carga e descarga aumentando o atraso na propagaccedilatildeo

Assim o produto atraso-potecircncia (delay power product ndash DP) eacute uma medida de

desempenho bastante utilizada na anaacutelise de circuitos e eacute dado por dD tPDP Quanto

menor o produto atraso-potecircncia maior a eficiecircncia do circuito loacutegico [42]

246 Slew rate

A taxa maacutexima de variaccedilatildeo da tensatildeo de saiacuteda do inglecircs slew rate (SR) eacute uma

caracteriacutestica importante do sinal de saiacuteda de um circuito loacutegico A limitaccedilatildeo na taxa de

variaccedilatildeo pode provocar uma distorccedilatildeo no funcionamento do circuito O SR pode ser

calculado pela expressatildeo (229) em que Δv eacute a variaccedilatildeo da tensatildeo de saiacuteda do sinal para

uma determinada variaccedilatildeo de tempo Δt [42]

t

vSR

(229)

25 LTSPICE

O software LTSPICE eacute um simulador SPICE de alto desempenho orientado a

esquemaacuteticos e visualizador de formas de onda com modelos para facilitar a simulaccedilatildeo de

circuitos eletrocircnicos Se comparado aos outros simuladores SPICE a simulaccedilatildeo do

LTSPICE eacute bastante raacutepida O software consegue simular dispositivos de acordo com o

padratildeo industrial reproduzindo os seus comportamentos [52]

25

O LTSPICE possui vaacuterias possibilidades de simulaccedilatildeo como anaacutelise transiente anaacutelise AC

e anaacutelise DC bem como permite a simulaccedilatildeo de vaacuterios dispositivos disponiacuteveis na sua

biblioteca Aleacutem disso este software possibilita a elaboraccedilatildeo de novos esquemaacuteticos

atraveacutes de um modelo matemaacutetico ou eletrocircnico proposto O novo componente poderaacute ser

utilizado no circuito conforme seraacute feito neste trabalho utilizando-se o modelo SPICE do

SET proposto por G Lientschnig et al[4]

26

3 METODOLOGIA

31 INTRODUCcedilAtildeO

A miniaturizaccedilatildeo das interconexotildees prejudica o seu desempenho resultando no aumento

significativo do valor da resistividade da capacitacircncia de acoplamento entre vias na

dificuldade de controlar a razatildeo entre a altura e a largura do material entre outros

problemas A fim de analisar o desempenho das interconexotildees eacute necessaacuterio verificar

algumas variaacuteveis importantes como velocidade maacutexima (f-3dB) atenuaccedilatildeo (A) tempo de

atraso (td) potecircncia dissipada (P) produto atraso-potecircncia (DP) e slew rate (SR)

[111317202342]

32 ETAPAS E ESTRATEacuteGIAS ADOTADAS

Com o intuito de analisar o efeito das interconexotildees em circuitos com transistores mono-

eleacutetron foi realizada primeiramente a anaacutelise das interconexotildees de SWCNT de SWCNT

bundle e de cobre isoladamente para diferentes valores de comprimento Apoacutes a avaliaccedilatildeo

desses resultados o efeito das interconexotildees foi analisado no H-tree clock com inversores

mono-eleacutetron nos seus terminais tambeacutem considerando diferentes comprimentos Neste

trabalho a tecnologia de 22 nm prevista para o ano de 2016 [21] foi utilizada na

comparaccedilatildeo entre o desempenho do cobre e do CNT Todas as simulaccedilotildees foram realizadas

utilizando o software LTSPICE

321 Simulaccedilatildeo das interconexotildees

A partir dos modelos das interconexotildees de SWCNT SWCNT bundle e cobre apresentados

na subseccedilatildeo 213 diferentes comprimentos das interconexotildees foram simulados Assim

analisou-se as interconexotildees locais em que l le 1 μm e as intermediaacuterias em que 1 μm lt l

le 500 μm sabendo que l eacute o comprimento da interconexatildeo [29-31333638]

A fim de analisar a frequumlecircncia de corte este foi obtido para comprimentos de

interconexotildees locais (10nm 100nm 200nm 300nm 400nm 500nm 600nm 700nm

27

800nm 900nm 1μm) e interconexotildees intermediaacuterias (10μm 100μm 200μm 300μm

400μm 500μm)

Jaacute que λCNT eacute tipicamente 1 μm foram escolhidos trecircs comprimentos na faixa lCNT le λCNT

(10 nm 100 nm e 1 μm) e trecircs comprimentos na faixa lCNT gt λCNT (10 μm 100 μm 500

μm) para serem analisados detalhadamente Escolheu-se uma mesma frequecircncia abaixo da

frequecircncia de corte dos trecircs materiais considerados para analisar e comparar a atenuaccedilatildeo

(A) e o tempo de atraso na propagaccedilatildeo (td) dos diferentes comprimentos

Em seguida o mesmo procedimento foi feito para comparar somente o SWCNT bundle e o

cobre para uma mesma frequecircncia cujo valor eacute maior que a frequecircncia da anaacutelise anterior

permitindo que estes dois materiais sejam analisados detalhadamente

Essas anaacutelises foram realizadas a partir da simulaccedilatildeo do circuito da Figura 31 [2325] A

tensatildeo de entrada Vin eacute uma onda quadrada de 1V de amplitude e o capacitor de carga tem

o valor de 100 aF

Figura 31 ndash Circuito simulado para cada interconexatildeo

A Figura 32 mostra o fluxograma das etapas descritas nesta subseccedilatildeo 321

28

Figura 32 ndash Fluxograma das etapas seguidas na simulaccedilatildeo das interconexotildees

322 Simulaccedilatildeo do inversor mono-eleacutetron

Para utilizar a porta inversora da Figura 215 nos terminais do H-tree clock foi necessaacuterio

primeiramente simular o SET proposto por [4] Essa simulaccedilatildeo foi feita variando os

paracircmetros do SET como as resistecircncias e capacitacircncias das junccedilotildees as capacitacircncias de

porta a temperatura etc Os paracircmetros foram variados ateacute simular o SET a temperatura

de 300K Em seguida simulou-se a inversora da Figura 215 tambeacutem a temperatura

ambiente Dessa forma foi possiacutevel simular a inversora isoladamente obtendo as

caracteriacutesticas do sinal de saiacuteda

323 Simulaccedilatildeo do H-tree clock mono-eleacutetron

Apoacutes a simulaccedilatildeo do SET foi possiacutevel simular o H-tree clock A rede H-tree de dois niacuteveis

foi simulada com um H no primeiro niacutevel e quatro H‟s no segundo niacutevel [49] Nos pontos

de destino final da rede foram colocadas portas inversoras formadas por SETs permitindo

a anaacutelise de circuitos nanoeletrocircnicos

Modelos de SWCNT

SWCNT bundle e cobre

Obtenccedilatildeo dos paracircmetros dos modelos para

interconexotildees locais e interconexotildees intermediaacuterias

Para cada comprimento

obtenccedilatildeo de f-3dB

1ordm) Escolha de frequumlecircncia abaixo

da f-3dB do SWCNT SWCNT

bundle e cobre

2ordm) Escolha de frequumlecircncia abaixo

da f-3dB do SWCNT bundle e

cobre

Obtenccedilatildeo de A e td de

cada modelo

Obtenccedilatildeo de A e td de

cada modelo

Anaacutelise comparativa entre o

SWCNT SWCNT bundle e

cobre

Anaacutelise comparativa entre o

SWCNT bundle e cobre

Estudo de interconexotildees locais (10nm

100nm 1μm) e intermediaacuterias (10μm

100μm 500μm)

29

A partir da simulaccedilatildeo do H-tree clock obteve-se a frequecircncia em -3dB (f-3dB) da rede com

interconexotildees ideais Assim a rede H-tree foi entatildeo simulada para duas frequecircncias

diferentes do sinal de entrada abaixo da frequecircncia de -3dB 10 GHz e 100 GHz Com

essas simulaccedilotildees obtiveram-se as seguintes caracteriacutesticas do sinal de saiacuteda da inversora

niacutevel loacutegico baixo (NB) niacutevel loacutegico alto (NA) tempo de subida (tr) slew rate de subida

(SR) atenuaccedilatildeo (A) tempo de atraso (td) potecircncia dissipada (P) e produto atraso-potecircncia

(DP) As caracteriacutesticas obtidas servem como referecircncia para analisar o sinal considerando

interconexotildees natildeo-ideais ou seja incluindo os modelos das interconexotildees nas simulaccedilotildees

Em seguida a rede H-tree foi simulada considerando-se os modelos das interconexotildees de

SWCNT bundle e de cobre variando os seus comprimentos Como cada H da rede de

distribuiccedilatildeo deve ser simeacutetrico considerou-se que cada divisatildeo do H tem o mesmo

comprimento para cada niacutevel da rede [11] A Figura 33 mostra o comprimento dos

diferentes trechos da rede Assim o comprimento de cada divisatildeo dos H‟s do segundo

niacutevel eacute a metade do comprimento de cada divisatildeo do H do primeiro niacutevel Jaacute que o objetivo

eacute simular circuitos em escala nanomeacutetrica escolheu-se trecircs variaccedilotildees de comprimento

menores ou iguais a 1μm

l = 100 nm l2 = 50 nm

l = 400 nm l2 = 200 nm

l = 1 μm l2 = 500 nm

Figura 33 ndash Esquemaacutetico do H-tree clock com os comprimentos de cada seguimento

Dessa forma cada um dos trecircs circuitos foi simulado obtendo-se a frequecircncia em -3dB na

entrada das portas inversoras Em seguida as trecircs redes foram simuladas para as mesmas

30

duas frequumlecircncias do sinal de entrada (10 GHz e 100 GHz) de forma a obter as

caracteriacutesticas do sinal de saiacuteda descritas anteriormente considerando agora o efeito das

interconexotildees

Por fim a partir dos dados obtidos foram realizadas comparaccedilotildees entre as caracteriacutesticas

do sinal de saiacuteda de referecircncia (interconexotildees ideais) e o sinal de saiacuteda dos circuitos com as

interconexotildees natildeo-ideais bem como entre o comportamento das interconexotildees de SWCNT

bundle e de cobre nas diferentes frequecircncias

A Figura 34 mostra o fluxograma das etapas descritas nas subseccedilotildees 322 e 323

Figura 34 ndash Fluxograma das etapas seguidas na simulaccedilatildeo do H-tree clock

H-tree clock mono-eleacutetron

Simulaccedilatildeo do H-tree clock com

interconexotildees ideais Obtenccedilatildeo de f-3dB

da inversora

Simulaccedilatildeo do H-tree clock com

interconexotildees natildeo-ideais para os seguintes

comprimentos

l = 100 nm l2 = 50 nm

l = 400 nm l2 = 200 nm

l = 1 μm l2 = 500 nm

Validaccedilatildeo do SET e do

inversor mono-eleacutetron a

300K

Sinal de entrada a

10 GHz

Sinal de entrada a

100 GHz

Obtenccedilatildeo de NB

NA tr SR A td P e

DP do sinal de saiacuteda

da inversora

Obtenccedilatildeo de NB

NA tr SR A td P e

DP do sinal de saiacuteda

da inversora

Sinal de entrada a

10 GHz

Sinal de entrada a

100 GHz

Obtenccedilatildeo de NB

NA tr SR A td P e

DP do sinal de saiacuteda

da inversora

Obtenccedilatildeo de NB

NA tr SR A td P e

DP do sinal de saiacuteda

da inversora

Anaacutelise comparativa

dos dados obtidos

31

4 RESULTADOS E ANAacuteLISES

41 INTRODUCcedilAtildeO

Neste capiacutetulo seratildeo apresentados os procedimentos adotados e os resultados obtidos na

simulaccedilatildeo das interconexotildees SWCNT SWCNT bundle e cobre As etapas descritas na

metodologia foram seguidas obtendo-se os resultados das simulaccedilotildees das interconexotildees e

das simulaccedilotildees do H-tree clock mono-eleacutetron para interconexotildees ideais e natildeo-ideais A

partir dos resultados a anaacutelise do desempenho das interconexotildees seraacute apresentada

42 ANAacuteLISE DAS INTERCONEXOtildeES

Nesta seccedilatildeo a anaacutelise das interconexotildees de SWCNT SWCNT bundle e cobre na

tecnologia de 22 nm para diferentes comprimentos seraacute realizada Para isso analisou-se

as interconexotildees locais em que l le 1 μm e as intermediaacuterias em que 1 μm lt l le 500 μm

sabendo que l eacute o comprimento da interconexatildeo [29-31333638] Como λCNT eacute

tipicamente 1 μm trecircs comprimentos na faixa lCNT le λCNT (10 nm 100 nm e 1 μm) e trecircs

comprimentos na faixa lCNT gt λCNT (10 μm 100 μm 500 μm) de cada material seratildeo

analisados detalhadamente Os paracircmetros obtidos a partir dos modelos de SWCNT

SWCNT bundle e cobre estatildeo respectivamente nas Tabelas 71 72 e 73 do Apecircndice

421 Interconexotildees locais

Primeiramente a partir da simulaccedilatildeo da Figura 31 obteve-se a frequecircncia em -3dB (f-3dB)

das interconexotildees locais (lCNT le λCNT ) isto eacute a sua banda passante de forma a verificar a

velocidade maacutexima que cada interconexatildeo suporta A Figura 41 ilustra o comportamento

da frequecircncia das interconexotildees locais para os diferentes comprimentos Como o SWCNT

isolado possui valores de frequecircncia na faixa de centenas de giga Hertz ou seja menos de

um tera Hertz os valores de suas frequecircncias tambeacutem podem ser visualisados na Tabela

74 do Apecircndice

Verifica-se que agrave medida que o comprimento da interconexatildeo aumenta a frequecircncia

diminui Isso ocorre jaacute que os valores da capacitacircncia e indutacircncia aumentam com o

aumento do comprimento da interconexatildeo Esses paracircmetros satildeo decisivos no sinal de

32

saiacuteda sendo o sinal mais distorcido quanto maior for o valor desses paracircmetros Observa-

se que o SWCNT bundle e o cobre possuem banda passante maiores que o SWCNT

isolado para qualquer comprimento Aleacutem disso o SWCNT bundle soacute possui uma banda

passante comparaacutevel ao do cobre para comprimentos acima de 700 nm

Frequecircncia X Comprimento

0

10

20

30

40

50

60

100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

Comprimento (nm)

f -3d

B (

TH

z)

SWCNT Isolado

SWCNT bundle

Cobre

Figura 41 ndash Frequumlecircncia versus comprimento das interconexotildees locais

As interconexotildees locais de 10 nm 100 nm e 1 μm de comprimento foram analisadas

detalhadamente A Tabela 41 mostra a frequecircncia em -3dB de cada material para os

comprimentos em anaacutelise

Tabela 41 Frequecircncia em -3dB de cada material para lCNT le λCNT

Interconexatildeo Local Comprimento (L) Material f-3dB

SWCNT isolado 253 GHz

10nm SWCNT bundle 66 THz

Cobre 232 THz

SWCNT isolado 300 GHz

lCNT le λCNT 100nm SWCNT bundle 20 THz

Cobre 51 THz

SWCNT isolado 230 GHz

1microm SWCNT bundle 47 THz

Cobre 42 THz

Assim escolheu-se uma mesma frequecircncia abaixo da frequecircncia de corte dos trecircs

materiais considerados para analisar e comparar a atenuaccedilatildeo (A) e o tempo de atraso na

propagaccedilatildeo (td) dos trecircs comprimentos Isso permite verificar o comportamento do sinal na

banda passante A Tabela 42 mostra esse estudo comparativo entre o SWCNT isolado

SWCNT bundle e cobre agrave frequecircncia de 200 GHz

33

Tabela 42 Estudo das interconexotildees com comprimentos na faixa lCNT le λCNT

Freq L Material A (dB) td (ps)

SWCNT isolado -210 046

10nm SWCNT bundle 001 000

Cobre 000 000

SWCNT isolado -155 051

200 GHz 100nm SWCNT bundle 001 000

Cobre 001 000

SWCNT isolado -039 107

1microm SWCNT bundle 006 001

Cobre 000 007

A partir da anaacutelise da Tabela 42 eacute possiacutevel observar agrave frequumlecircncia de 200 GHz a

atenuaccedilatildeo do sinal e o atraso do SWCNT isolado Nessa frequumlecircncia o atraso do SWCNT

isolado eacute significativo em relaccedilatildeo ao periacuteodo do sinal que eacute 5ps jaacute que o menor atraso

(para l = 10nm) eacute aproximadamente 10 do periacuteodo do sinal de entrada No entanto para

esta mesma frequumlecircncia observa-se que a atenuaccedilatildeo e o atraso do SWCNT bundle e do

cobre satildeo insignificantes Isto indica que estes dois materiais possuem melhor

desempenho sendo favoraacuteveis para serem utilizados em interconexotildees locais

Dessa forma para analisar melhor a atenuaccedilatildeo e o tempo de atraso do SWCNT bundle e do

cobre o mesmo procedimento foi feito comparando-se somente estes dois materiais para

uma mesma frequecircncia de 1 THz A Tabela 43 mostra esse estudo comparativo entre o

SWCNT bundle e cobre

Tabela 43 Estudo das interconexotildees SWCNT bundle e cobre com comprimentos na faixa

lCNT le λCNT

Freq L Material A (dB) td (fs)

10nm SWCNT bundle 001 113

Cobre 000 022

1 THz 100nm SWCNT bundle 006 136

Cobre 001 240

1microm SWCNT bundle 145 647

Cobre -013 5623

Analisando a Tabela 43 observa-se que agrave frequumlecircncia de 1 THz a atenuaccedilatildeo do sinal e o

atraso aumentam agrave medida que o comprimento das interconexotildees aumentam A partir do

comprimento de 100nm o tempo de atraso da interconexatildeo de cobre eacute maior que o do

SWCNT bundle cujo maior valor de atraso (para l = 1microm) natildeo chega a 1 do periacuteodo do

34

sinal de entrada (1ps) Isso mostra que apesar de a banda passante do cobre ser maior o

atraso do SWCNT bundle eacute menor Dessa forma para as interconexotildees locais o SWCNT

bundle possui desempenho comparaacutevel ao do cobre [13]

Em relaccedilatildeo agrave atenuaccedilatildeo verifica-se que para alguns comprimentos este tem valor

positivo Isso ocorre principalmente quando haacute um pico no graacutefico da frequumlecircncia antes dele

comeccedilar a decair Esse pico eacute devido ao efeito ressonante provocado pela indutacircncia

quando este possui valor comparaacutevel agrave resistecircncia e agrave capacitacircncia da interconexatildeo [53]

Assim esse efeito ressonante foi observado somente nas interconexotildees locais de SWCNT

bundle e de cobre A Figura 42 ilustra o graacutefico da magnitude pela frequumlecircncia do SWCNT

isolado SWCNT bundle e cobre para o comprimento de 100nm Observa-se o efeito

ressonante nos graacuteficos do SWCNT bundle e do cobre

Figura 42 ndash Graacuteficos da magnitude das interconexotildees de SWCNT isolado (superior)

SWCNT bundle (meio) e cobre (inferior) com comprimento de 100nm

35

422 Interconexotildees intermediaacuterias

Assim como para as interconexotildees locais obteve-se a frequecircncia em -3dB (f-3dB) das

interconexotildees intermediaacuterias (lCNT gt λCNT) de forma a verificar a velocidade maacutexima que

cada interconexatildeo suporta A Figura 43 ilustra o comportamento da frequecircncia das

interconexotildees intermediaacuterias para os diferentes comprimentos Os valores das frequecircncias

de cada interconexatildeo tambeacutem podem ser visualisados na Tabela 75 do Apecircndice

Como nas interconexotildees locais agrave medida que o comprimento da interconexatildeo aumenta a

frequecircncia diminui Aleacutem disso o SWCNT bundle e o cobre possuem desempenho melhor

que o do SWCNT isolado para qualquer comprimento No entanto para interconexotildees

intermediaacuterias o SWCNT bundle possui banda passante maior que a do cobre para

qualquer comprimento

Frequecircncia X Comprimento

00

05

10

15

20

25

30

35

40

45

100 200 300 400 500

Comprimento (μm)

f -3d

B (

GH

z)

SWCNT isolado

SWCNT bundle

Cobre

Figura 43 ndash Frequumlecircncia versus comprimento das interconexotildees intermediaacuterias

As interconexotildees intermediaacuterias de 10 μm 100 μm e 500 μm de comprimento foram entatildeo

analisadas detalhadamente A Tabela 44 mostra a frequecircncia em -3dB de cada materal

para os diferentes comprimentos em anaacutelise

36

Tabela 44 Frequecircncia em -3dB de cada material para lCNT gt λCNT

Interconexatildeo

Intermediaacuteria

Comprimento (L) Material f-3dB

SWCNT isolado 26 GHz

10 microm SWCNT bundle 527 GHz

Cobre 34 GHz

SWCNT isolado 32 MHz

lCNT gt λCNT 100 microm SWCNT bundle 42 GHz

Cobre 345 MHz

SWCNT isolado 13 MHz

500 microm SWCNT bundle 165 MHz

Cobre 14 MHz

Escolheu-se a frequecircncia de 1 MHz que estaacute abaixo da frequecircncia de corte dos trecircs

materiais considerados para analisar e comparar a atenuaccedilatildeo (A) e o tempo de atraso na

propagaccedilatildeo (td) dos trecircs comprimentos A Tabela 45 mostra esse estudo comparativo entre

o SWCNT isolado SWCNT bundle e cobre

Tabela 45 Estudo das interconexotildees com comprimentos na faixa lCNT gt λCNT

Freq L Material A (dB) td (ns)

SWCNT isolado -002 008

10 microm SWCNT bundle 000 000

Cobre 000 000

SWCNT isolado -003 559

1 MHz 100 microm SWCNT bundle -001 005

Cobre -004 056

SWCNT isolado -198 10217

500 microm SWCNT bundle 000 110

Cobre -003 1301

Com base na Tabela 45 observa-se que a atenuaccedilatildeo e o tempo de atraso do SWCNT

isolado aumentam com o aumento do comprimento da interconexatildeo Nessa frequumlecircncia o

atraso na propagaccedilatildeo do SWCNT isolado eacute significativo em relaccedilatildeo ao periacuteodo do sinal de

entrada que eacute 1micros chegando a mais de 10 deste periacuteodo para o comprimento de 500microm

Verifica-se tambeacutem o aumento do tempo de atraso da interconexatildeo de cobre sendo 13

do periacuteodo do sinal de entrada para o comprimento de 500microm

Para analisar melhor a atenuaccedilatildeo e o tempo de atraso do SWCNT bundle e do cobre o

mesmo procedimento foi feito comparando-se somente estes dois materiais para uma

37

mesma frequecircncia de 10 MHz A Tabela 46 mostra esse estudo comparativo entre o

SWCNT bundle e cobre

Tabela 46 Estudo das interconexotildees SWCNT bundle e cobre com comprimentos na faixa

lCNT gt λCNT

Freq L Material A (dB) td (ns)

10 microm SWCNT bundle 000 000

Cobre 000 000

10 MHz 100 microm SWCNT bundle -001 005

Cobre -004 054

500 microm SWCNT bundle -004 107

Cobre -185 1024

Analisando a Tabela 46 observa-se que agrave medida que o comprimento das interconexotildees

aumenta a atenuaccedilatildeo e o atraso do sinal da interconexatildeo de cobre tornam-se significativos

O atraso na propagaccedilatildeo da interconexatildeo de cobre para l = 500microm chega a 10 do periacuteodo

do sinal de entrada (100ns) Jaacute o SWCNT bundle apresenta valores insignificantes de

atenuaccedilatildeo e atraso na propagaccedilatildeo Assim para as interconexotildees intermediaacuterias o SWCNT

bundle possui desempenho superior ao do cobre

43 SIMULACcedilAtildeO DO INVERSOR MONO-ELEacuteTRON

O modelo SPICE do SET proposto por G Lientschnig et al [444] foi simulado no

LTSPICE A partir da equaccedilatildeo (226) foi possiacutevel aumentar a temperatura do SET ateacute

chegar a 300K Assim o esquemaacutetico do SET e os valores de seus paracircmetros para que o

SET opere a 300K estatildeo na Figura 44 No anexo deste trabalho (subseccedilatildeo 81) encontra-

se o coacutedigo SET que foi utilizado [44] Os paracircmetros R1 C1 e R2 C2 correspondem agraves

resistecircncias e capacitacircncias das junccedilotildees-tuacutenel Cg eacute a capacitacircncia de porta (Cg1 no coacutedigo

SET) Vg eacute a tensatildeo de porta e V eacute a tensatildeo de entrada

Figura 44 Esquemaacutetico do SET e os valores de seus paracircmetros

38

A partir destes valores o inversor mono-eleacutetron foi construiacutedo colocando-se dois SETs em

seacuterie os quais compartilham da mesma entrada A Figura 45 ilustra o esquemaacutetico do

inversor mono-eleacutetron juntamente com os valores de seus paracircmetros fixos em que Vin eacute a

tensatildeo de entrada Vout eacute a tensatildeo de saiacuteda Vbias eacute a tensatildeo de polarizaccedilatildeo Cc eacute a

capacitacircncia de carga Cg1 e Cg2 satildeo as capacitacircncias de porta do SET 1 e do SET 2

respectivamente

Figura 45 Esquemaacutetico do inversor mono-eleacutetron e os valores de seus paracircmetros

(modificado de [4])

Assim apoacutes simular o inversor mono-eleacutetron a 300K obteve-se o sinal de saiacuteda mostrado

na Figura 46 Como o inversor estaacute invertendo o sinal de entrada de valor loacutegico baixo em

um sinal de saiacuteda de valor loacutegico alto ele estaacute operando corretamente

Figura 46 Curva do sinal de entrada (em verde) e do sinal de saiacuteda (em preto) do inversor

mono-eleacutetron

39

44 ANAacuteLISE DAS INTERCONEXOtildeES NO H-TREE CLOCK MONO-ELEacuteTRON

Nesta seccedilatildeo a rede H-tree clock de dois niacuteveis foi simulada com portas inversoras mono-

eleacutetron nos pontos de destino final da rede permitindo a anaacutelise de circuitos

nanoeletrocircnicos Simulou-se a rede H-tree considerando interconexotildees ideais para as

frequecircncias de 10 GHz e 100 GHz no sinal de entrada Em seguida para as mesmas duas

frequecircncias considerou-se interconexotildees natildeo-ideais de diferentes comprimentos

analisando a rede com os modelos de interconexatildeo SWCNT bundle e cobre Trecircs redes

com comprimentos de interconexotildees diferentes foram analisadas

l = 100 nm l2 = 50 nm

l = 400 nm l2 = 200 nm

l = 1 μm l2 = 500 nm

441 Anaacutelise da rede com interconexotildees ideais

A partir da simulaccedilatildeo do H-tree clock a frequecircncia em -3dB (f-3dB) da rede com

interconexotildees ideais foi obtida Na saiacuteda de cada porta inversora a banda passante do sinal

eacute 3200 GHz Dessa forma duas frequecircncias abaixo de 3200 GHz foram escolhidas para

analisar o sinal de saiacuteda da inversora em condiccedilotildees ideais As frequecircncias de 10 GHz e

100 GHz seratildeo analisadas obtendo-se as seguintes caracteriacutesticas do sinal de saiacuteda da

inversora niacutevel loacutegico baixo (NB) niacutevel loacutegico alto (NA) tempo de subida (tr) slew rate

de subida (SR) atenuaccedilatildeo (A) e tempo de atraso (td) A Tabela 47 mostra os valores

obtidos para as duas frequecircncias em anaacutelise

Tabela 47 Caracteriacutesticas dos sinais de saiacuteda da rede para interconexotildees ideais

Freq NB(mV) NA(mV) tr (ps) SR(Vns) A(dB) td (ps)

10 GHz 675 4518 356 8636 -264 412

100 GHz 678 4279 317 9088 -269 189

Os caacutelculos da potecircncia estaacutetica ( IVP DDE ) potecircncia dinacircmica ( CVfP DDD 2 ) e

potecircncia total ( DE PPP ) dissipada por cada porta inversora foram realizados bem

como o produto atraso-potecircncia (DP) Assim a Tabela 48 mostra os valores obtidos no

40

caacutelculo destes paracircmetros Como a potecircncia estaacutetica independe da frequecircncia do sinal de

entrada o seu valor eacute o mesmo nos dois casos

Tabela 48 Potecircncia dissipada por cada porta inversora para interconexotildees ideais

Frequecircncia PE (nW) PD (nW) P (nW) DP (10-18

Wmiddots)

10 GHz 4838 125 4963 020

100 GHz 4838 125 6088 012

As Tabelas 47 e 48 serviratildeo de referecircncia para as anaacutelises da rede com interconexotildees natildeo-

ideais analisadas na subseccedilatildeo seguinte As Figuras 47 e 48 ilustram o sinal de saiacuteda das

redes com frequecircncias de 10 GHz e de 100 GHz respectivamente Eacute possiacutevel observar que

na frequecircncia de 100 GHz o sinal de saiacuteda jaacute eacute distorcido em relaccedilatildeo ao sinal de referecircncia

(Figura 46)

Figura 47 Sinal de entrada (em verde) e sinal de saiacuteda (em preto) da rede a 10 GHz

Figura 48 Sinal de entrada (em verde) e sinal de saiacuteda (em preto) da rede a 100 GHz

41

442 Anaacutelise da rede com interconexotildees natildeo-ideais

Apoacutes obter as caracteriacutesticas da rede H-tree clock com interconexotildees ideais a anaacutelise da

rede com interconexotildees natildeo-ideais seraacute feita Primeiramente eacute importante verificar a

frequecircncia em -3dB do sinal depois das interconexotildees ou seja na entrada da porta

inversora Caso essa frequecircncia seja menor que a frequecircncia de 3200 GHz obtida com

interconexotildees ideais entatildeo a interconexatildeo afetaraacute o comportamento da rede A Tabela 49

mostra a frequecircncia em -3dB na entrada da inversora para interconexotildees natildeo-ideais

Tabela 49 Frequecircncia em -3dB na entrada da inversora para interconexotildees natildeo-ideais

Comprimentos (l2 l) Material f-3dB

50nm 100nm SWCNT bundle 122 THz

Cobre 175 THz

200nm 400nm SWCNT bundle 31 THz

Cobre 8606 GHz

500nm 1microm SWCNT bundle 12 THz

Cobre 1268 GHz

Assim verifica-se que a interconexatildeo de cobre da rede 500nm1microm possui frequecircncia em

-3dB abaixo da frequecircncia do circuito com interconexatildeo ideal (3200 GHz) Isso indica que

esta interconexatildeo interfere significativamente no comportamento da rede A Tabela 49

mostra tambeacutem que a banda passante da interconexatildeo de cobre soacute eacute maior que a da

interconexatildeo de SWCNT bundle no primeiro caso na rede de 50nm100nm o que mostra

uma vantagem do SWCNT bundle em relaccedilatildeo ao cobre A partir dessas informaccedilotildees a

rede H-tree clock com interconexotildees natildeo-ideais seraacute analisada detalhadamente

4421 Anaacutelise da rede a 10 GHz

As redes com interconexotildees natildeo-ideais seratildeo analisadas na frequecircncia de 10 GHz para

diferentes comprimentos Primeiramente o niacutevel loacutegico baixo (NB) o niacutevel loacutegico alto

(NA) o tempo de subida (tr) e o slew rate de subida (SR) foram obtidos conforme mostra a

Tabela 410 Com base nessa tabela verifica-se que na frequecircncia de 10 GHz essas

caracteriacutesticas natildeo foram modificadas pelas interconexotildees natildeo-ideais independentemente

do comprimento Os valores dos paracircmetros satildeo iguais aos obtidos na rede com

interconexatildeo ideal conforme Tabela 47 O sinal obtido na saiacuteda de cada inversor eacute igual

ao ilustrado na Figura 47

42

Tabela 410 Niacuteveis loacutegicos tempo de subida e slew rate dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 10 GHz

Freq L (l2l) Material NB(mV) NA(mV) tr(ps) SR(Vns)

10

GHz

50nm

100nm

SWCNT bundle 675 4518 356 8636

Cobre 675 4518 356 8636

200nm

400nm

SWCNT bundle 675 4518 356 8636

Cobre 675 4518 356 8636

500nm

1microm

SWCNT bundle 675 4518 356 8636

Cobre 675 4518 356 8636

A Tabela 411 mostra a atenuaccedilatildeo tempo de atraso potecircncia total dissipada e o produto

atraso-potecircncia obtidos a frequecircncia de 10 GHz para interconexotildees natildeo-ideais Observa-se

que a atenuaccedilatildeo do sinal e a potecircncia total dissipada por cada porta inversora permanecem

os mesmos em relaccedilatildeo agrave interconexatildeo ideal mostrando que a essa frequecircncia as

interconexotildees natildeo-ideais natildeo interferem nestes paracircmetros

Jaacute o atraso na propagaccedilatildeo do sinal no caso do cobre aumenta agrave medida que as

interconexotildees aumentam de comprimento aumentando tambeacutem o produto atraso-potecircncia

Esse atraso chega a 66 do periacuteodo do sinal de entrada para a interconexatildeo 500nm1microm

de cobre No entanto estes paracircmetros natildeo satildeo afetados pelas interconexotildees de SWCNT

bundle indicando que este material se sobressai em relaccedilatildeo ao cobre

Tabela 411 Atenuaccedilatildeo atraso potecircncia e produto atraso-potecircncia dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 10 GHz

Freq L (l2l) Material A (dB) td (ps) P (nW) DP(10-18

Wmiddots)

10

GHz

50nm

100nm

SWCNT bundle -264 412 4963 020

Cobre -264 412 4963 020

200nm

400nm

SWCNT bundle -264 412 4963 020

Cobre -264 438 4963 022

500nm

1microm

SWCNT bundle -264 412 4963 020

Cobre -264 659 4963 033

4422 Anaacutelise da rede a 100 GHz

As redes com interconexotildees natildeo-ideais seratildeo analisadas na frequecircncia de 100 GHz para

diferentes comprimentos O niacutevel loacutegico baixo (NB) o niacutevel loacutegico alto (NA) o tempo de

subida (tr) e o slew rate de subida (SR) foram obtidos conforme mostra a Tabela 412 Jaacute a

43

Tabela 413 mostra a atenuaccedilatildeo tempo de atraso potecircncia total dissipada e o produto

atraso-potecircncia obtidos a frequecircncia de 100 GHz para interconexotildees natildeo-ideais

Tabela 412 Niacuteveis loacutegicos tempo de subida e slew rate dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 100 GHz

Freq L (l2l) Material NB(mV) NA(mV) tr(ps) SR(Vns)

100

GHz

50nm

100nm

SWCNT bundle 678 4272 316 9099

Cobre 675 4277 323 9107

200nm

400nm

SWCNT bundle 678 4299 315 9196

Cobre 677 4089 289 9447

500nm

1microm

SWCNT bundle 678 4418 300 9973

Cobre 635 1766 102 6795

Tabela 413 Atenuaccedilatildeo atraso potecircncia e produto atraso-potecircncia dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 100 GHz

Freq L (l2l) Material A (dB) td (ps) P (nW) DP(10-18

Wmiddots)

100

GHz

50nm

100nm

SWCNT bundle -2703 189 6088 012

Cobre -2685 191 6088 012

200nm

400nm

SWCNT bundle -2693 188 6088 012

Cobre -2698 228 6088 014

500nm

1microm

SWCNT bundle -2673 174 6088 011

Cobre -2893 388 6088 024

A partir das Tabelas 412 e 413 o SWCNT bundle seraacute analisado Observa-se que os seus

niacuteveis loacutegicos altos aumentam com o aumento do comprimento das interconexotildees

aumentando tambeacutem o slew rate de subida Esse comportamento ocorre provavelmente

devido ao efeito ressonante provocado pela indutacircncia que provoca um pico no graacutefico da

frequumlecircncia antes dele comeccedilar a decair conforme explicado na subseccedilatildeo 421 Isso implica

na diminuiccedilatildeo da atenuaccedilatildeo do sinal e do atraso No entanto o produto atraso-potecircncia

permanece praticamente invariaacutevel jaacute que a potecircncia total dissipada natildeo se altera

Em relaccedilatildeo agraves interconexotildees de cobre verifica-se que as distorccedilotildees satildeo significativas Agrave

medida que o comprimento aumenta a atenuaccedilatildeo do sinal de saiacuteda aumenta Isso provoca

diminuiccedilatildeo no slew rate do sinal o que natildeo eacute desejado jaacute que o sinal demora mais para

atingir o niacutevel loacutegico alto Aleacutem disso o atraso na propagaccedilatildeo do sinal aumenta bastante

chegando a 388 do periacuteodo do sinal de entrada para a interconexatildeo 500nm1microm

Consequentemente o produto atraso-potecircncia tambeacutem aumenta sendo o dobro do valor de

44

referecircncia (interconexotildees ideais) A Figura 49 ilustra o sinal de saiacuteda da interconexatildeo

500nm1microm de cobre

Figura 49 Sinal de entrada (em verde) e sinal de saiacuteda (em preto) da rede a 100 GHz para

a interconexatildeo 500nm1microm de cobre

Comparando-se as potecircncias das tabelas 47 48 411 413 verifica-se que natildeo haacute

alteraccedilatildeo na potecircncia total dissipada pelo circuito com interconexotildees ideais e pelos

circuitos com interconexotildees natildeo-ideais para uma mesma frequecircncia Assim eacute importante

destacar que a dissipaccedilatildeo de potecircncia das interconexotildees de SWCNT bundle e de cobre natildeo

interfere na potecircncia total dissipada pelo circuito

443 Consideraccedilotildees Finais

Apoacutes analisar as interconexotildees locais de SWCNT de SWCNT bundle e de cobre

verificou-se que as interconexotildees de SWCNT bundle possuem desempenho comparaacutevel ao

das interconexotildees de cobre Em relaccedilatildeo agraves interconexotildees intermediaacuterias as de SWCNT

bundle apresentam desempenho superior agraves de cobre Jaacute as interconexotildees de SWCNT

isolado tanto para interconexotildees locais como para interconexotildees intermediaacuterias

apresentam desempenho inferior agraves interconexotildees de SWCNT bundle e de cobre natildeo

sendo propiacutecias a serem utilizadas em interconexotildees de circuitos integrados

Na anaacutelise das interconexotildees natildeo-ideais na rede H-tree clock mono-eleacutetron para a

frequecircncia de 10GHz observou-se que o niacutevel loacutegico baixo o niacutevel loacutegico alto o tempo de

subida o slew rate de subida a atenuaccedilatildeo do sinal e a potecircncia total dissipada por cada

porta inversora permanecem os mesmos em relaccedilatildeo agrave interconexatildeo ideal mostrando que

45

para esta frequecircncia as interconexotildees natildeo-ideais natildeo interferem nestes paracircmetros Jaacute o

atraso na propagaccedilatildeo do sinal no caso do cobre aumenta agrave medida que as interconexotildees

aumentam de comprimento aumentando tambeacutem o produto atraso-potecircncia No entanto

estes paracircmetros natildeo satildeo afetados pelas interconexotildees de SWCNT bundle indicando que

este material se sobressai em relaccedilatildeo ao cobre

Jaacute para a rede H-tree clock mono-eleacutetron a 100GHz observou-se que o circuito com

interconexotildees natildeo-ideais afetou bastante os paracircmetros em anaacutelise se comparados aos

obtidos para interconexotildees ideais Verificou-se que as distorccedilotildees provocadas pelas

interconexotildees de cobre foram significativas indicando que as interconexotildees de SWCNT

bundle possuem melhor desempenho que as de cobre

Assim constata-se que as interconexotildees de SWCNT bundle satildeo fortes candidatas a

substituirem as interconexotildees de cobre em circuitos em escala giga (GSI) e tera (TSI)

46

5 CONCLUSOtildeES

Nesta dissertaccedilatildeo o estudo das interconexotildees de SWCNT de SWCNT bundle e de cobre

foi realizado analisando e comparando os seus desempenhos para diferentes

comprimentos A partir desse estudo verificou-se que as interconexotildees de SWCNT bundle

possui desempenho comparaacutevel ao das interconexotildees de cobre no caso de interconexotildees

locais Em relaccedilatildeo agraves interconexotildees intermediaacuterias as de SWCNT bundle apresentam

desempenho superior agraves de cobre

As interconexotildees de SWCNT bundle e as interconexotildees de cobre foram entatildeo simuladas na

rede H-tree clock de dois niacuteveis para diferentes comprimentos e frequecircncias Nos pontos

de destino final da rede foram colocadas portas inversoras formadas por SETs permitindo

a anaacutelise de circuitos nanoeletrocircnicos

A partir da anaacutelise da rede H-tree clock observou-se que as interconexotildees de SWCNT

bundle possuem desempenho melhor que as de cobre principalmente em relaccedilatildeo ao slew

rate agrave atenuaccedilatildeo ao tempo de atraso e ao produto atraso-potecircncia Aleacutem disso a

dissipaccedilatildeo de potecircncia das interconexotildees natildeo-ideais natildeo interferem na potecircncia total

dissipada pelo circuito Assim as interconexotildees de SWCNT bundle satildeo fortes candidatas a

substituirem as interconexotildees de cobre em circuitos em escala giga (GSI) e tera (TSI)

Como perspectivas futuras eacute importante analisar o efeito das interconexotildees de nanotubo de

carbono em circuitos GSI e TSI com outras arquiteturas A anaacutelise das interconexotildees de

CNT tambeacutem deve ser feita em circuitos com tecnologia MOS permitindo a comparaccedilatildeo

entre diferentes tecnologias Aleacutem disso eacute interessante estudar outros tipos de materiais

que possam ser utilizados como interconexotildees em circuitos integrados

47

6 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS

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53

7 APEcircNDICES

71 TABELAS COMPLEMENTARES

Tabela 71 Paracircmetros obtidos a partir do modelo de SWCNT isolado

L RQ (Ω) RS (Ω) LCNT (10-9

H) CCNT (10-18

F)

10 nm 645103 - 40010

-2 27910

-1

100 nm 645103 - 40010

-1 279

200 nm 645103 - 80010

-1 558

300 nm 645103 - 120 837

400 nm 645103 - 160 11210

1

500 nm 645103 - 200 14010

1

600 nm 645103 - 240 16710

1

700 nm 645103 - 280 19510

1

800 nm 645103 - 320 22310

1

900 nm 645103 - 360 25110

1

1 microm 645103 - 400 27910

1

10 microm 645103 64510

4 40010

1 27910

2

100 microm 645103 64510

5 40010

2 27910

3

200 microm 645103 12910

6 80010

2 55810

3

300 microm 645103 19410

6 12010

3 83710

3

400 microm

645103 25810

6 16010

3 11210

4

500 microm

645103 32310

6 20010

3 14010

4

Tabela 72 Paracircmetros obtidos a partir do modelo de SWCNT bundle

L RQ (Ω) RS (Ω) LBundle(10-9

H) CBundle(10-18

F)

10 nm 1075 - 66710-5

135

100 nm 1075 - 66710-4

135101

200 nm 1075 - 13310-3

270101

300 nm 1075 - 20010-3

405101

400 nm 1075 - 26710-3

540101

500 nm 1075 - 33310-3

675101

600 nm 1075 - 40010-3

810101

700 nm 1075 - 46710-3

945101

800 nm 1075 - 53310-3

108102

900 nm 1075 - 60010-3

122102

1 microm 1075 - 66710-3

135102

10 microm 1075 108102 66710

-2 13510

3

100 microm 1075 108103 66710

-1 13510

4

200 microm 1075 215103 133 27010

4

300 microm 1075 323103 200 40510

4

400 microm

1075 430103 267 54010

4

500 microm

1075 538103 333 67510

4

54

Tabela 73 Paracircmetros obtidos a partir do modelo de cobre

L RCu (Ω) LCu (10-9

H) CCu (10-18

F)

10 nm 06 37310-6

150

100 nm 60 63610-5

150101

200 nm 120 17510-4

300101

300 nm 180 30910-4

450101

400 nm 240 45410-4

600101

500 nm 300 61110-4

750101

600 nm 360 77510-4

900101

700 nm 420 94610-4

105102

800 nm 480 11210-3

120102

900 nm 540 13110-3

135102

1 microm 600 14910-3

150102

10 microm 60102 24010

-2 15010

3

100 microm 60103 33210

-1 15010

4

200 microm 12104 72010

-1 30010

4

300 microm 18104 113 45010

4

400 microm

24104 155 60010

4

500 microm

30104 198 75010

4

55

Tabela 74 Frequecircncia em -3dB das interconexotildees locais

Comprimento Material f-3dB

10 nm SWCNT isolado 253 GHz

SWCNT bundle 66 THz

Cobre 232 THz

100 nm SWCNT isolado 300 GHz

SWCNT bundle 20 THz

Cobre 51 THz

200 nm SWCNT isolado 342 GHz

SWCNT bundle 14 THz

Cobre 29 THz

300 nm SWCNT isolado 344 GHz

SWCNT bundle 11 THz

Cobre 20 THz

400 nm SWCNT isolado 329 GHz

SWCNT bundle 89 THz

Cobre 15 THz

500 nm SWCNT isolado 307 GHz

SWCNT bundle 76 THz

Cobre 12 THz

600 nm SWCNT isolado 288 GHz

SWCNT bundle 67 THz

Cobre 94 THz

700 nm SWCNT isolado 271 GHz

SWCNT bundle 61 THz

Cobre 76 THz

800 nm SWCNT isolado 255 GHz

SWCNT bundle 55 THz

Cobre 63 THz

900 nm SWCNT isolado 240 GHz

SWCNT bundle 51 THz

Cobre 52 THz

1 microm SWCNT isolado 230 GHz

SWCNT bundle 47 THz

Cobre 42 THz

56

Tabela 75 Frequecircncia em -3dB das interconexotildees intermediaacuterias

Comprimento Material f-3dB

10 microm SWCNT isolado 26 GHz

SWCNT bundle 527 GHz

Cobre 34 GHz

100 microm SWCNT isolado 32 MHz

SWCNT bundle 42 GHz

Cobre 345 MHz

200 microm SWCNT isolado 82 MHz

SWCNT bundle 10 GHz

Cobre 87 MHz

300 microm SWCNT isolado 36 MHz

SWCNT bundle 455 MHz

Cobre 38 MHz

400 microm SWCNT isolado 21 MHz

SWCNT bundle 256 MHz

Cobre 21 MHz

500 microm SWCNT isolado 13 MHz

SWCNT bundle 165 MHz

Cobre 14 MHz

57

8 ANEXOS

81 COacuteDIGO SPICE DO SET [44]

Transistor mono-eleacutetron (SET) conexotildees fonte | dreno | | porta1 | | | porta2 | | | | SUBCKT SET 1 2 3 4 PARAMS +C1=1E-20 Capacitacircncia da junccedilatildeo 1 +C2=1E-20 Capacitacircncia da junccedilatildeo 2 +R1=1E5 Resistecircncia da junccedilatildeo 1 +R2=1E5 Resistecircncia da junccedilatildeo 2 +Cg1=015E-18 Capacitacircncia da junccedilatildeo 1 +Cg2=0 Capacitacircncia da junccedilatildeo 2 +C0=0 Capacitacircncia proacutepria da ilha +Q0=005 Carga offset em unidades de e +TEMP=300 Temperatura PARAM E=160217733E-19 Carga do eleacutetron (e) PARAM CSUM=C1+C2+Cg1+Cg2+C0 Capacitacircncia total do SET PARAM T=TEMPCSUM53785467E14 Temperatura normalizada 53785467E14 = kBe^2 PARAM RN1=R1(R1+R2) Resistecircncia da junccedilatildeo 1 normalizada PARAM RN2=R2(R1+R2) Resistecircncia da junccedilatildeo 2 normalizada FUNC Q(v1v2v3v4) (Cg1v3+Cg2v4+C1v1+C2v2)E+Q0 Definiccedilatildeo da carga em unidades de e FUNC VN(v) CSUMvE Tensatildeo normalizada FUNC GAMMA(u) IF(T==0IF(ult0-u0)IF(u==0Tu(EXP(uT)-1))) FUNC N_OPT(v1v2v3v4) ROUND(-Q(v1v2v3v4)+(CSUME) (v1RN2+v2RN1)) A maior probabilidade de carga na ilha em unidades de e Os quarto eventos tuacuteneis FUNC R1L(nv1v2v3v4) GAMMA(05 - n - Q(v1v2v3v4) + VN(v1))RN1 FUNC R1R(nv1v2v3v4) GAMMA(05 + n + Q(v1v2v3v4) - VN(v1))RN1 FUNC R2L(nv1v2v3v4) GAMMA(05 + n + Q(v1v2v3v4) - VN(v2))RN2 FUNC R2R(nv1v2v3v4) GAMMA(05 - n - Q(v1v2v3v4) + VN(v2))RN2

58

determinaccedilatildeo das probabilidades relativas assume-se inicialmente que o estado da carga N_OPT tem probabilidade relativa igual a um FUNC PN_1(nv1v2v3v4) (R1L(nv1v2v3v4)+R2R(nv1v2v3v4))(R1R(n-1v1v2v3v4)+R2L(n-1v1v2v3v4)) FUNC PN_2(nv1v2v3v4) PN_1(nv1v2v3v4) +(R1L(n-1v1v2v3v4)+R2R(n-1v1v2v3v4))(R1R(n-2v1v2v3v4)+R2L(n-2v1v2v3v4)) FUNC PN_3(nv1v2v3v4) PN_2(nv1v2v3v4) +(R1L(n-2v1v2v3v4)+R2R(n-2v1v2v3v4))(R1R(n-3v1v2v3v4)+R2L(n-3v1v2v3v4)) FUNC PN_4(nv1v2v3v4) PN_3(nv1v2v3v4) +(R1L(n-3v1v2v3v4)+R2R(n-3v1v2v3v4))(R1R(n-4v1v2v3v4)+R2L(n-4v1v2v3v4)) FUNC PN_5(nv1v2v3v4) PN_4(nv1v2v3v4) +(R1L(n-4v1v2v3v4)+R2R(n-4v1v2v3v4))(R1R(n-5v1v2v3v4)+R2L(n-5v1v2v3v4)) FUNC PN1(nv1v2v3v4) (R2L(nv1v2v3v4) +R1R(nv1v2v3v4))(R2R(n+1v1v2v3v4)+R1L(n+1v1v2v3v4)) FUNC PN2(nv1v2v3v4) PN1(nv1v2v3v4) +(R2L(n+1v1v2v3v4)+R1R(n+1v1v2v3v4))(R2R(n+2v1v2v3v4)+R1L(n+2v1v2v3v4)) FUNC PN3(nv1v2v3v4) PN2(nv1v2v3v4) +(R2L(n+2v1v2v3v4)+R1R(n+2v1v2v3v4))(R2R(n+3v1v2v3v4)+R1L(n+3v1v2v3v4)) FUNC PN4(nv1v2v3v4) PN3(nv1v2v3v4) +(R2L(n+3v1v2v3v4)+R1R(n+3v1v2v3v4))(R2R(n+4v1v2v3v4)+R1L(n+4v1v2v3v4)) FUNC PN5(nv1v2v3v4) PN4(nv1v2v3v4) +(R2L(n+4v1v2v3v4)+R1R(n+4v1v2v3v4))(R2R(n+5v1v2v3v4)+R1L(n+5v1v2v3v4)) FUNC PSUM(nv1v2v3v4) PN_5(nv1v2v3v4)+PN_4(nv1v2v3v4)+PN_3(nv1v2v3v4)+PN_2(nv1v2v3v4) ++PN_1(nv1v2v3v4)+1+PN1(nv1v2v3v4)+PN2(nv1v2v3v4)+PN3(nv1v2v3v4) ++PN4(nv1v2v3v4)+PN5(nv1v2v3v4)

59

caacutelculo da corrente da fonte para o dreno FUNC CUR(nv1v2v3v4) PN_5(nv1v2v3v4)(R1R(n-5v1v2v3v4)-R1L(n-5v1v2v3v4)) ++PN_4(nv1v2v3v4)(R1R(n-4v1v2v3v4)-R1L(n-4v1v2v3v4)) ++PN_3(nv1v2v3v4)(R1R(n-3v1v2v3v4)-R1L(n-3v1v2v3v4)) ++PN_2(nv1v2v3v4)(R1R(n-2v1v2v3v4)-R1L(n-2v1v2v3v4)) ++PN_1(nv1v2v3v4)(R1R(n-1v1v2v3v4)-R1L(n-1v1v2v3v4)) ++(R1R(nv1v2v3v4)-R1L(nv1v2v3v4)) ++PN1(nv1v2v3v4)(R1R(n+1v1v2v3v4)-R1L(n+1v1v2v3v4)) ++PN2(nv1v2v3v4)(R1R(n+2v1v2v3v4)-R1L(n+2v1v2v3v4)) ++PN3(nv1v2v3v4)(R1R(n+3v1v2v3v4)-R1L(n+3v1v2v3v4)) ++PN4(nv1v2v3v4)(R1R(n+4v1v2v3v4)-R1L(n+4v1v2v3v4)) ++PN5(nv1v2v3v4)(R1R(n+5v1v2v3v4)-R1L(n+5v1v2v3v4)) FUNC CURRENT(nv1v2v3v4) ECUR(nv1v2v3v4)(CSUMPSUM(nv1v2v3v4)(R1+R2)) caacutelculo da tensatildeo da ilha FUNC VOLT(nv1v2v3v4) PN_5(nv1v2v3v4)(n-5+Q(v1v2v3v4)) ++PN_4(nv1v2v3v4)(n-4+Q(v1v2v3v4)) ++PN_3(nv1v2v3v4)(n-3+Q(v1v2v3v4)) ++PN_2(nv1v2v3v4)(n-2+Q(v1v2v3v4)) ++PN_1(nv1v2v3v4)(n-1+Q(v1v2v3v4)) ++n+Q(v1v2v3v4) ++PN1(nv1v2v3v4)(n+1+Q(v1v2v3v4)) ++PN2(nv1v2v3v4)(n+2+Q(v1v2v3v4)) ++PN3(nv1v2v3v4)(n+3+Q(v1v2v3v4)) ++PN4(nv1v2v3v4)(n+4+Q(v1v2v3v4)) ++PN5(nv1v2v3v4)(n+5+Q(v1v2v3v4)) FUNC VOLTAGE(nv1v2v3v4) (ECSUM)VOLT(nv1v2v3v4)PSUM(nv1v2v3v4) E1 5 0 VALUE= VOLTAGE(N_OPT(V(1)V(2)V(3)V(4))V(1)V(2)V(3)V(4)) Tensatildeo da ilha G1 1 2 VALUE= CURRENT(N_OPT(V(1)V(2)V(3)V(4))V(1)V(2)V(3)V(4)) Corrente da fonte para o dreno CT1 1 5 C1 CT2 2 5 C2 CGATE1 3 5 CG1 CGATE2 4 5 CG2 ENDS SET

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11

relaccedilatildeo aos vizinhos proacuteximos e afastados respectivamente [14293032] Assim a

capacitacircncia total do SWCNT bundle eacute obtida pela equaccedilatildeo (215)

CNT

CNT

Q

bundle

Q nCC (213)

En

HEf

WEn

bundle

E Cn

Cn

CC5

23

2

22

(214)

bundle

Q

bundle

E

bundle

Q

bundle

E

bundleCC

CCC

(215)

Analisando a equaccedilatildeo (215) o efeito da CQbundle

eacute pequeno para grandes valores de nCNT

sendo o valor da capacitacircncia do SWCNT bundle aproximadamente igual agrave sua

capacitacircncia eletrostaacutetica [13161719] Srivastava et al [13] mostra que os nanotubos no

interior do SWCNT bundle satildeo blindados eletrostaticamente dos condutores de terra

podendo ser desprezados Os CNTs de borda satildeo os principais contribuidores para a

capacitacircncia eletrostaacutetica do SWCNT bundle No entanto a equaccedilatildeo (214) natildeo reproduz

fielmente a realidade jaacute que considera a capacitacircncia eletrostaacutetica de todos os nanotubos e

natildeo soacute os CNTs de borda Segundo o mesmo autor para a tecnologia de 22 nm e uma

constante dieleacutetrica igual a 2 a capacitacircncia total do SWCNT bundle eacute aproximadamente

135 aFμm

2133 Modelo de interconexatildeo do cobre

As propriedades fiacutesicas de interconexotildees de cobre podem ser descritas por resistecircncia

capacitacircncia e indutacircncia [14-16] A resistecircncia do cobre pode ser calculada utilizando a

equaccedilatildeo (216)

tw

lRCu

(216)

em que l eacute o comprimento do cobre w eacute a sua largura t eacute a sua altura e ρ eacute a sua

resistividade A resistividade do cobre em escala nanomeacutetrica eacute moldada pela combinaccedilatildeo

dos fenocircmenos de espalhamento superficial e de espalhamento de contorno

[151627283340] Estes fenocircmenos correspondem aos paracircmetros ρFS e ρMS propostos

12

por Fuchs e Sondheimer (ρFS) e por Mayadas e Shatzkes (ρMS) [1516] Estes paracircmetros

satildeo calculados pelas expressotildees (217) (218) e (219)

)1(

4

31 p

w

o

o

FS

(217)

11ln33

2

31 22

MS

o (218)

)1( R

R

D

o

(219)

O paracircmetro ρo eacute a resistividade do material λo eacute o caminho meacutedio livre p eacute o paracircmetro

de espalhamento de Fuchs D eacute o tamanho meacutedio e R eacute o coeficiente de reflexatildeo no

contorno com valores entre 0 e 1 Assim tem-se que a resistecircncia do cobre em escala

nanomeacutetrica eacute dada pela equaccedilatildeo (220) [1516]

tw

lR MSFS

Cu

(220)

De acordo com [1433] o valor da resistividade do cobre na tecnologia de 22nm para

interconexotildees locais eacute dado por 4666 μΩ-cm No entanto este valor da resistividade do

cobre chega a 58 μΩ-cm para valores miacutenimos da largura do fio [1516203940] Neste

trabalho seraacute utilizado o valor de 58 μΩ-cm para a resistividade do cobre na tecnologia de

22 nm que vai ao encontro dos requerimentos do ITRS [21]

A indutacircncia proacutepria (L) e a muacutetua (M) da interconexatildeo de cobre em escala nanomeacutetrica

satildeo obtidas usando respectivamente as expressotildees (221) e (222)

l

tw

tw

llL o )(220

2

12ln

2

(221)

l

s

s

llM o 1

2ln

2

(222)

em que t eacute a altura do fio microo eacute a permeabilidade e s eacute o espaccedilamento entre os fios [14-16]

A indutacircncia total do cobre (LCu) eacute dada pela soma das indutacircncias proacutepria e muacutetua

13

A capacitacircncia da interconexatildeo de cobre eacute calculada pela soma da capacitacircncia de

acoplamento entre dois fios adjacentes (CC) e a capacitacircncia ligada ao plano do terra (Cg)

[14-16] Essas capacitacircncias podem ser obtidas pelas equaccedilotildees (223) e (224) [1541]

120760193

534511171

70222

ht

t

hs

s

hs

s

h

wCg (223)

181160141090

980871161

591740

062141

sh

h

sw

w

sw

w

sh

h

s

tCC (224)

em que s eacute o espaccedilamento entre dois fios adjacentes h eacute a distacircncia do fio em relaccedilatildeo ao

plano do terra e ε eacute a permissividade relativa para uma dada constante dieleacutetrica

Considerando as equaccedilotildees (223) e (224) e de acordo com [1321] para uma constante

dieleacutetrica igual a 2 o valor da capacitacircncia total do cobre (CCu) eacute aproximadamente 150

aFμm que seraacute utilizado neste trabalho

Os modelos em L em π e em T satildeo usados como modelos de interconexatildeo de cobre [11]

Como o modelo π eacute muito utilizado para uma linha distribuiacuteda [1416] este modelo seraacute

usado neste trabalho A Figura 27 mostra o modelo de interconexatildeo de cobre [11]

Figura 27 ndash Modelo de interconexatildeo de cobre

A precisatildeo do modelo eacute determinada pelo nuacutemero de seguimentos bdquoN‟ que ele possui Uma

cadeia com mais de trecircs segmentos em π fornece um erro menor que 3 [16] Neste

trabalho seratildeo utilizados trecircs segmentos em π

14

22 INVERSOR MONO-ELEacuteTRON

Os dispositivos de tunelamento mono-eleacutetron satildeo dispositivos nanoeletrocircnicos

potencialmente aplicaacuteveis em circuitos integrados em escala giga (GSI) e tera (TSI)

Apesar de apresentarem baixo ganho e alta impedacircncia de saiacuteda estes dispositivos

possuem tamanho reduzido e baixa dissipaccedilatildeo de potecircncia Estas caracteriacutesticas os tornam

atrativos em circuitos loacutegicos e circuitos de memoacuteria [1-10] Assim portas loacutegicas podem

ser implementadas utilizando dispositivos de tunelamento mono-eleacutetron [14-9]

As portas loacutegicas satildeo blocos de construccedilatildeo baacutesicos na eletrocircnica digital O inversor loacutegico

ou porta NOT eacute o principal elemento baacutesico no projeto de circuitos digitais [42] O

inversor inverte o sinal de entrada de valor loacutegico baixo ndash 0 ndash em um sinal de saiacuteda de

valor loacutegico alto ndash 1 ndash e vice-versa [442] Em outras palavras a porta NOT efetua a

negaccedilatildeo loacutegica O siacutembolo do inversor juntamente com sua tabela verdade estaacute ilustrado

na Figura 28

Figura 28 ndash Siacutembolo e tabela verdade da porta NOT

221 Dispositivo de tunelamento mono-eleacutetron

O funcionamento dos dispositivos de tunelamento mono-eleacutetron eacute baseado no controle do

movimento e da posiccedilatildeo de um uacutenico ou de um pequeno grupo de eleacutetrons no dispositivo

[17] Os seguintes conceitos satildeo essenciais na definiccedilatildeo desses dispositivos ilha junccedilatildeo-

tuacutenel tunelamento efeito de carregamento e bloqueio de Coulomb A partir desses

conceitos eacute possiacutevel definir o transistor mono-eleacutetron - SET (do inglecircs Single-electron

transistor) [24-8]

A ilha estaacute localizada entre duas paredes finas de um material normalmente isolante as

quais criam uma barreira de potencial de energia que impossibilita a movimentaccedilatildeo de

eleacutetrons pela ilha A Figura 29 mostra dois eletrodos A e B separados por uma barreira

15

isolante e no meio dessa barreira isolante encontra-se a ilha Se a energia dos eleacutetrons for

maior que a energia potencial das paredes das barreiras estes poderatildeo atravessaacute-las [6] No

dispositivo de tunelamento mono-eleacutetron o transporte de eleacutetrons entre o eletrodo A e a

ilha e entre a ilha e o eletrodo B ocorre por tunelamento mono-eleacutetron em que os eleacutetrons

atravessam as barreiras um de cada vez [10]

Figura 29 Dois eletrodos separados por uma ilha [10]

Esses dispositivos satildeo formados por junccedilotildees-tuacutenel que satildeo dois eletrodos metaacutelicos

separados por um isolante muito fino (barreira) o qual permite a passagem de eleacutetrons por

tunelamento [467] A Figura 210 ilustra a junccedilatildeo-tuacutenel e sua representaccedilatildeo simboacutelica Os

paracircmetros que caracterizam a junccedilatildeo-tuacutenel macroscopicamente satildeo a resistecircncia de

tunelamento (Rj) que depende da aacuterea e da espessura da barreira isolante e a capacitacircncia

(Cj) [10]

Figura 210 Esquemaacutetico da junccedilatildeo-tuacutenel [10]

O tunelamento eacute o transporte de partiacuteculas atraveacutes de uma regiatildeo em que a energia total de

uma partiacutecula pontual claacutessica eacute menor que a energia potencial da regiatildeo ou seja eacute o

transporte atraveacutes de uma regiatildeo classicamente proibida [10] O efeito de tunelamento

ocorre quando a barreira de potencial for suficientemente fina permitindo que o eleacutetron a

atravesse se houver niacutevel de energia desocupado do outro lado da barreira com o mesmo

valor de energia Esse fenocircmeno pode ser explicado pelo comportamento dual do eleacutetron

Diferentemente da mecacircnica claacutessica na teoria eletromagneacutetica quando uma partiacutecula

encontra uma barreira de potencial parte da onda eacute refletida e a outra parte eacute transmitida

para o outro lado da barreira [10] A teoria ortodoxa do tunelamento mono-eleacutetron eacute o

modelo mais utilizado para analisar o tunelamento [4-6] Proposto em 1987 por Averin e

Likharev [43] este modelo apresenta os seguintes postulados

16

Modelo de dimensatildeo zero as dimensotildees das ilhas satildeo despreziacuteveis

O evento de tunelamento eacute considerado instantacircneo

A redistribuiccedilatildeo das cargas apoacutes tunelamento tambeacutem eacute considerada instantacircnea

O espectro de energia em condutores e ilhas eacute considerado contiacutenuo ou seja a

quantizaccedilatildeo da energia do eleacutetron eacute ignorada dentro dos condutores

Apesar de a teoria ortodoxa assumir condiccedilotildees hipoteacuteticas ela continua sendo muito

utilizada em estudos do dispositivo mono-eleacutetron [4-6]

O efeito de carregamento ocorre quando os eleacutetrons estatildeo na iminecircncia de entrar em um

material condutor extremamente pequeno isolado eletricamente (ilha) Se houver um

eleacutetron na ilha o potencial eletrostaacutetico da ilha aumenta bastante sendo bem superior ao

ruiacutedo teacutermico em temperatura ambiente O fluxo de eleacutetrons na ilha eacute possiacutevel se o

potencial da ilha for controlado por uma fonte de tensatildeo externa Outros eleacutetrons satildeo

impedidos de entrar na ilha devido agrave repulsatildeo de Coulomb [14-9]

Assim o bloqueio de Coulomb ocorre quando um eleacutetron entra na ilha e impede o

tunelamento de outro eleacutetron nesta ilha No momento em que o eleacutetron entra na ilha a

energia eletrostaacutetica da ilha aumenta em Ce 22 em que CΣ eacute a soma das capacitacircncias

em torno da ilha [14] Dessa forma outro eleacutetron soacute conseguiraacute tunelar para dentro da ilha

se sua energia for maior que a energia eletrostaacutetica da ilha [6] A Figura 211 ilustra os

diagramas de energia no bloqueio de Coulomb e no caso de tunelamento [10]

(a) (b)

Figura 211 Diagramas de energia (a) Bloqueio de Coulomb (b) Tunelamento mono-

eleacutetron [10]

17

O bloqueio de Coulomb eacute superado ao se aplicar uma tensatildeo Vg ao circuito ateacute que esta

tensatildeo alcance um dado valor de limiar que forneceraacute energia suficiente para que ocorra o

tunelamento de um eleacutetron Assim haveraacute o fluxo de eleacutetrons havendo corrente A Figura

212 mostra a regiatildeo do bloqueio de Coulomb ao aplicar uma tensatildeo Vg ao circuito em que

Vc eacute a tensatildeo de limiar chamada de tensatildeo de bloqueio de Coulomb [5-10]

Figura 212 Caracteriacutestica do bloqueio de Coulomb [10]

Nesse contexto duas condiccedilotildees satildeo necessaacuterias para garantir que o transporte de eleacutetrons

seja controlado pelo efeito de carregamento a condiccedilatildeo para a resistecircncia de tunelamento

dada pela equaccedilatildeo (225) [1] em que a natureza corpuscular do eleacutetron predomina sobre a

natureza ondulatoacuteria e a energia eletrostaacutetica (EC) associada a uma dada temperatura (T)

deve ser significativamente maior que as flutuaccedilotildees teacutermicas existentes agravequela

temperatura como descrita na equaccedilatildeo (226) [146-9] Os paracircmetros h eacute a constante de

Planck e eacute a carga do eleacutetron kB eacute a constante de Boltzmann e C eacute capacitacircncia Na

equaccedilatildeo (226) a temperatura deve ser maior que 0K [10]

kRe

hR TT 825

2 (225)

TkC

eTkEc BB

2

2

(226)

A partir dos conceitos apresentados pode-se definir o transistor mono-eleacutetron O SET

ilustrado na Figura 213 [10] eacute composto por duas junccedilotildees-tuacutenel em seacuterie formando uma

ilha entre as junccedilotildees [246-9] Os paracircmetros R1 C1 e R2 C2 correspondem agraves

resistecircncias e capacitacircncias da primeira e da segunda junccedilatildeo-tuacutenel respectivamente A

tensatildeo de porta Vg controla a energia eletrostaacutetica da ilha atraveacutes da capacitacircncia Cg

18

Quando haacute carregamento por tunelamento de uma junccedilatildeo e descarregamento da outra

junccedilatildeo haacute um fluxo controlado de cargas o que gera a corrente I [10]

Figura 213 Transistor mono-eleacutetron [10]

Um efeito que pode ser observado na caracteriacutestica da corrente versus tensatildeo do transistor

mono-eleacutetron eacute chamado de oscilaccedilatildeo de Coulomb [24679] Se a tensatildeo V for mantida

constante com CeV e a tensatildeo Vg for aumentada ateacute atingir gg CeV 2 esse

valor de tensatildeo permitiraacute que um eleacutetron passe pela ilha Como soacute haveraacute corrente fluindo

no circuito em valores muacuteltiplos da tensatildeo gCe 2 soacute ocorreraacute o tunelamento novamente

quando )2(3 gg CeV A caracteriacutestica corrente (I) versus tensatildeo (Vg) do transistor

mono-eleacutetron eacute ilustrada na Figura 214 [10]

Figura 214 Caracteriacutestica corrente (I) versus tensatildeo (Vg) do transistor mono-eleacutetron [10]

222 Estrutura do inversor mono-eleacutetron

Um inversor pode ser construiacutedo colocando-se dois SETs em seacuterie os quais compartilham

da mesma entrada [5689] conforme mostrado na Figura 215 Vin eacute a tensatildeo de entrada

Vout eacute a tensatildeo de saiacuteda Vbias eacute a tensatildeo de polarizaccedilatildeo CC eacute a capacitacircncia de carga Cg1 e

Cg2 satildeo as capacitacircncias de porta do SET 1 e do SET 2 respectivamente

19

Figura 215 Esquemaacutetico do inversor utilizando SETs (modificado de [4])

Alguns modelos do SET desenvolvidos no software SPICE foram propostos na literatura

[4-7] Destes modelos o proposto por G Lientschnig et al [4] descreve a implementaccedilatildeo

completa da teoria ortodoxa e usa apenas os recursos em versotildees disponiacuteveis publicamente

do software SPICE Este modelo diferentemente dos modelos propostos em [5-7] natildeo estaacute

limitado a transistores mono-eleacutetron com junccedilotildees-tuacutenel que tecircm resistecircncias iguais Aleacutem

disso pode ser estendido para incluir um nuacutemero arbitraacuterio de estados de carga que

permite simulaccedilotildees definidas para altas temperaturas e tensotildees de polarizaccedilatildeo [4] O

modelo de G Lientschnig et al estaacute disponiacutevel no siacutetio eletrocircnico [44] Assim este foi o

modelo utilizado neste trabalho

23 CLOCKING DE SISTEMAS DE ALTA VELOCIDADE

Em sistemas digitais siacutencronos o sinal do clock eacute utilizado para definir uma referecircncia de

tempo agrave mudanccedila de dados dentro do sistema [1145] Assim a distribuiccedilatildeo do clock eacute de

suma importacircncia na operaccedilatildeo de circuitos integrados digitais sendo uma grande

preocupaccedilatildeo em circuitos integrados de alta velocidade [46-51] Circuitos em escala

nanomeacutetrica podem ser significativamente limitados devido ao clock skew que ocorre

quando os circuitos natildeo estatildeo equumlidistantes do sinal do clock [11454649-51] Como este

sinal eacute o sinal mais ativo em um chip pode resultar em elevado consumo de potecircncia e

grandes densidades de corrente na rede de interconexotildees do clock [454849]

Dessa forma o sinal do clock deve atingir ao mesmo tempo cada noacute para garantir que a

comutaccedilatildeo seja sincronizada bem como deve ser distribuiacutedo de forma que haja o menor

20

atraso possiacutevel [49] Com esse intuito os seguintes fatores entre outros satildeo fundamentais

no desempenho do clock dispositivos loacutegicos de tecnologia raacutepida (avanccedilada) rede de

distribuiccedilatildeo de clock que minimize o skew e interconexotildees com alto desempenho [11]

Conforme exposto anteriormente os dispositivos nanoeletrocircnicos como os transistores

mono-eleacutetron satildeo potencialmente aplicaacuteveis em circuitos integrados em escala giga (GSI)

e tera (TSI) Estes dispositivos permitem que as funccedilotildees loacutegicas sejam desempenhadas em

um tempo mais raacutepido e com menor atraso Assim satildeo fortes candidatos a serem utilizados

em circuitos integrados com clock

A adequada rede de distribuiccedilatildeo do clock assegura que a comutaccedilatildeo seja sincronizada e

que haja o menor atraso possiacutevel [1145] Aleacutem disso dependendo da arquitetura da rede o

niacutevel de sincronismo do sistema pode aumentar Diferentes tipos de abordagens tecircm sido

desenvolvidos para projetar a rede de distribuiccedilatildeo do clock em sistemas digitais de

circuitos integrados [45] Os buffered trees satildeo muito utilizados na distribuiccedilatildeo

equipotencial do clock Aleacutem dessas estruturas assimeacutetricas arquiteturas simeacutetricas como

o H-tree satildeo usadas para distribuir sinais de clock em alta velocidade podendo inclusive

ser projetadas com buffers [45-51] Algumas formas de rede de distribuiccedilatildeo do clock estatildeo

ilustradas na Figura 216 incluindo a trunk tree mesh e H-tree [45]

Figura 216 Estruturas comuns de redes de distribuiccedilatildeo de clock [45]

21

Atualmente as interconexotildees de cobre satildeo bastante utilizadas para circuitos de alto

desempenho como em redes de clock No entanto os CNTs apresentam caracteriacutesticas que

os tornam melhores para serem utilizados em interconexotildees descritas na subseccedilatildeo 221

[48] Neste trabalho seraacute realizada a comparaccedilatildeo entre interconexotildees de cobre e de CNT

na rede de distribuiccedilatildeo do H-tree clock

231 H-Tree Clock

O clock skew pode ser minimizado distribuindo-se o sinal do clock de forma que as

interconexotildees que levam o sinal aos circuitos loacutegicos tecircm o mesmo comprimento Se antes

de chegarem aos circuitos loacutegicos os sinais do clock forem igualmente atrasados eles

estaratildeo perfeitamente sincronizados [1145] Dessa forma o esquemaacutetico da Figura 217 de

distribuiccedilatildeo do clock minimiza o clock skew repetindo recursivamente uma estrutura em

forma de H [11] A Figura 217 ilustra uma rede H-tree simeacutetrica com trecircs niacuteveis [46]

Figura 217 Esquemaacutetico do H-tree clock simeacutetrico (modificado de [46])

Na estrutura do H-tree o condutor primaacuterio do clock estaacute ligado ao centro do H principal

(1ordm niacutevel) transmitindo o sinal para os quatro cantos deste H Esses quatro cantos satildeo as

entradas para o proacuteximo niacutevel do H-tree o 2ordm niacutevel que possui quatro estruturas em H O

processo de distribuiccedilatildeo continua por vaacuterios niacuteveis de H‟s cada vez menores Os pontos de

destino final do H-tree satildeo usados para conduzir os circuitos locais Assim cada caminho

do clock desde a fonte ateacute o circuito local possui praticamente o mesmo atraso [45]

22

24 MEDIDAS DE DESEMPENHO NA ANAacuteLISE DAS INTERCONEXOtildeES

As interconexotildees em circuitos integrados possuem caracteriacutesticas que modificam o sinal de

entrada O efeito das interconexotildees pode provocar atrasos e distorccedilotildees indesejaacuteveis Nesse

contexto eacute necessaacuterio analisar medidas de desempenho dos sinais sob efeito das

interconexotildees tais como velocidade maacutexima atenuaccedilatildeo tempo de atraso potecircncia

dissipada produto atraso-potecircncia e slew rate [111317202342]

241 Velocidade maacutexima - anaacutelise na frequumlecircncia

A velocidade maacutexima que as interconexotildees podem operar sem distorcer o sinal de entrada

eacute uma medida de desempenho importante [172023] Eacute possiacutevel analisar este paracircmetro

atraveacutes da frequumlecircncia maacutexima de operaccedilatildeo da interconexatildeo que eacute a largura de banda em

que o sinal comeccedila a decair em -3dB em relaccedilatildeo ao sinal de referecircncia [1742] Assim

utiliza-se a anaacutelise do moacutedulo do graacutefico de Bode para obter a frequumlecircncia de operaccedilatildeo em

-3dB [42] A Figura 218 mostra o esboccedilo do moacutedulo do ganho pela frequumlecircncia tiacutepico do

comportamento de interconexotildees

Figura 218 Graacutefico do moacutedulo do ganho pela frequumlecircncia tiacutepico do comportamento de

interconexotildees

23

242 Atenuaccedilatildeo

A transmissatildeo de um sinal pode ser expressa em funccedilatildeo do seu ganho ou da sua atenuaccedilatildeo

No caso em estudo as interconexotildees podem atenuar o sinal Essa atenuaccedilatildeo eacute geralmente

calculada pela expressatildeo (227) em que Vo eacute o sinal de saiacuteda e Vi eacute o sinal de entrada [42]

i

o

V

VA log20 (227)

243 Tempo de atraso

O tempo de atraso td ou atraso na propagaccedilatildeo ocorre devido ao

carregamentodescarregamento da capacitacircncia de carga bem como ao tempo de

chaveamento dos transistores [42]

O tempo de atraso eacute obtido pela diferenccedila entre o tempo medido a 50 da transiccedilatildeo dos

sinais de entrada e de saiacuteda [11] Em circuitos loacutegicos o atraso na propagaccedilatildeo pode ser

calculado pela meacutedia aritmeacutetica do tempo de propagaccedilatildeo do sinal de alto para baixo tPHL e

do tempo de propagaccedilatildeo do baixo para alto tPLH conforme equaccedilatildeo (228) [1142]

2

PLHPHLd

ttt

(228)

244 Potecircncia dissipada

A dissipaccedilatildeo de potecircncia eacute outra medida de desempenho bastante importante em circuitos

integrados em escala GSI e TSI Isso ocorre jaacute que ao aumentar o nuacutemero de portas

loacutegicas em uma determinada aacuterea ocupada eacute necessaacuterio que a dissipaccedilatildeo de potecircncia esteja

dentro de limites aceitaacuteveis [1142]

A dissipaccedilatildeo de potecircncia eacute composta por dois componentes potecircncia estaacutetica e potecircncia

dinacircmica A dissipaccedilatildeo de potecircncia estaacutetica eacute dada por IVP DDE e ocorre mesmo que

natildeo haja chaveamento de porta loacutegica no circuito devido ao efeito da resistecircncia do

circuito [42] A dissipaccedilatildeo de potecircncia dinacircmica eacute devido agrave capacitacircncia de carga do

24

circuito expressa por CVfP DDD 2 em que VDD eacute a tensatildeo de alimentaccedilatildeo f eacute

frequumlecircncia do circuito e C eacute a capacitacircncia de carga do circuito [1142] Assim a soma da

potecircncia dinacircmica e da potecircncia estaacutetica resulta na potecircncia total dissipada no circuito

245 Produto atraso-potecircncia

Em circuitos integrados o ideal eacute que se tenha baixo atraso na propagaccedilatildeo resultando em

uma maior velocidade de funcionamento do circuito bem como baixa dissipaccedilatildeo de

potecircncia No entanto essas duas exigecircncias satildeo conflitantes ao reduzirmos a dissipaccedilatildeo de

potecircncia de uma porta a capacidade da porta em fornecer corrente diminuiraacute isso

implicaraacute em um maior tempo de carga e descarga aumentando o atraso na propagaccedilatildeo

Assim o produto atraso-potecircncia (delay power product ndash DP) eacute uma medida de

desempenho bastante utilizada na anaacutelise de circuitos e eacute dado por dD tPDP Quanto

menor o produto atraso-potecircncia maior a eficiecircncia do circuito loacutegico [42]

246 Slew rate

A taxa maacutexima de variaccedilatildeo da tensatildeo de saiacuteda do inglecircs slew rate (SR) eacute uma

caracteriacutestica importante do sinal de saiacuteda de um circuito loacutegico A limitaccedilatildeo na taxa de

variaccedilatildeo pode provocar uma distorccedilatildeo no funcionamento do circuito O SR pode ser

calculado pela expressatildeo (229) em que Δv eacute a variaccedilatildeo da tensatildeo de saiacuteda do sinal para

uma determinada variaccedilatildeo de tempo Δt [42]

t

vSR

(229)

25 LTSPICE

O software LTSPICE eacute um simulador SPICE de alto desempenho orientado a

esquemaacuteticos e visualizador de formas de onda com modelos para facilitar a simulaccedilatildeo de

circuitos eletrocircnicos Se comparado aos outros simuladores SPICE a simulaccedilatildeo do

LTSPICE eacute bastante raacutepida O software consegue simular dispositivos de acordo com o

padratildeo industrial reproduzindo os seus comportamentos [52]

25

O LTSPICE possui vaacuterias possibilidades de simulaccedilatildeo como anaacutelise transiente anaacutelise AC

e anaacutelise DC bem como permite a simulaccedilatildeo de vaacuterios dispositivos disponiacuteveis na sua

biblioteca Aleacutem disso este software possibilita a elaboraccedilatildeo de novos esquemaacuteticos

atraveacutes de um modelo matemaacutetico ou eletrocircnico proposto O novo componente poderaacute ser

utilizado no circuito conforme seraacute feito neste trabalho utilizando-se o modelo SPICE do

SET proposto por G Lientschnig et al[4]

26

3 METODOLOGIA

31 INTRODUCcedilAtildeO

A miniaturizaccedilatildeo das interconexotildees prejudica o seu desempenho resultando no aumento

significativo do valor da resistividade da capacitacircncia de acoplamento entre vias na

dificuldade de controlar a razatildeo entre a altura e a largura do material entre outros

problemas A fim de analisar o desempenho das interconexotildees eacute necessaacuterio verificar

algumas variaacuteveis importantes como velocidade maacutexima (f-3dB) atenuaccedilatildeo (A) tempo de

atraso (td) potecircncia dissipada (P) produto atraso-potecircncia (DP) e slew rate (SR)

[111317202342]

32 ETAPAS E ESTRATEacuteGIAS ADOTADAS

Com o intuito de analisar o efeito das interconexotildees em circuitos com transistores mono-

eleacutetron foi realizada primeiramente a anaacutelise das interconexotildees de SWCNT de SWCNT

bundle e de cobre isoladamente para diferentes valores de comprimento Apoacutes a avaliaccedilatildeo

desses resultados o efeito das interconexotildees foi analisado no H-tree clock com inversores

mono-eleacutetron nos seus terminais tambeacutem considerando diferentes comprimentos Neste

trabalho a tecnologia de 22 nm prevista para o ano de 2016 [21] foi utilizada na

comparaccedilatildeo entre o desempenho do cobre e do CNT Todas as simulaccedilotildees foram realizadas

utilizando o software LTSPICE

321 Simulaccedilatildeo das interconexotildees

A partir dos modelos das interconexotildees de SWCNT SWCNT bundle e cobre apresentados

na subseccedilatildeo 213 diferentes comprimentos das interconexotildees foram simulados Assim

analisou-se as interconexotildees locais em que l le 1 μm e as intermediaacuterias em que 1 μm lt l

le 500 μm sabendo que l eacute o comprimento da interconexatildeo [29-31333638]

A fim de analisar a frequumlecircncia de corte este foi obtido para comprimentos de

interconexotildees locais (10nm 100nm 200nm 300nm 400nm 500nm 600nm 700nm

27

800nm 900nm 1μm) e interconexotildees intermediaacuterias (10μm 100μm 200μm 300μm

400μm 500μm)

Jaacute que λCNT eacute tipicamente 1 μm foram escolhidos trecircs comprimentos na faixa lCNT le λCNT

(10 nm 100 nm e 1 μm) e trecircs comprimentos na faixa lCNT gt λCNT (10 μm 100 μm 500

μm) para serem analisados detalhadamente Escolheu-se uma mesma frequecircncia abaixo da

frequecircncia de corte dos trecircs materiais considerados para analisar e comparar a atenuaccedilatildeo

(A) e o tempo de atraso na propagaccedilatildeo (td) dos diferentes comprimentos

Em seguida o mesmo procedimento foi feito para comparar somente o SWCNT bundle e o

cobre para uma mesma frequecircncia cujo valor eacute maior que a frequecircncia da anaacutelise anterior

permitindo que estes dois materiais sejam analisados detalhadamente

Essas anaacutelises foram realizadas a partir da simulaccedilatildeo do circuito da Figura 31 [2325] A

tensatildeo de entrada Vin eacute uma onda quadrada de 1V de amplitude e o capacitor de carga tem

o valor de 100 aF

Figura 31 ndash Circuito simulado para cada interconexatildeo

A Figura 32 mostra o fluxograma das etapas descritas nesta subseccedilatildeo 321

28

Figura 32 ndash Fluxograma das etapas seguidas na simulaccedilatildeo das interconexotildees

322 Simulaccedilatildeo do inversor mono-eleacutetron

Para utilizar a porta inversora da Figura 215 nos terminais do H-tree clock foi necessaacuterio

primeiramente simular o SET proposto por [4] Essa simulaccedilatildeo foi feita variando os

paracircmetros do SET como as resistecircncias e capacitacircncias das junccedilotildees as capacitacircncias de

porta a temperatura etc Os paracircmetros foram variados ateacute simular o SET a temperatura

de 300K Em seguida simulou-se a inversora da Figura 215 tambeacutem a temperatura

ambiente Dessa forma foi possiacutevel simular a inversora isoladamente obtendo as

caracteriacutesticas do sinal de saiacuteda

323 Simulaccedilatildeo do H-tree clock mono-eleacutetron

Apoacutes a simulaccedilatildeo do SET foi possiacutevel simular o H-tree clock A rede H-tree de dois niacuteveis

foi simulada com um H no primeiro niacutevel e quatro H‟s no segundo niacutevel [49] Nos pontos

de destino final da rede foram colocadas portas inversoras formadas por SETs permitindo

a anaacutelise de circuitos nanoeletrocircnicos

Modelos de SWCNT

SWCNT bundle e cobre

Obtenccedilatildeo dos paracircmetros dos modelos para

interconexotildees locais e interconexotildees intermediaacuterias

Para cada comprimento

obtenccedilatildeo de f-3dB

1ordm) Escolha de frequumlecircncia abaixo

da f-3dB do SWCNT SWCNT

bundle e cobre

2ordm) Escolha de frequumlecircncia abaixo

da f-3dB do SWCNT bundle e

cobre

Obtenccedilatildeo de A e td de

cada modelo

Obtenccedilatildeo de A e td de

cada modelo

Anaacutelise comparativa entre o

SWCNT SWCNT bundle e

cobre

Anaacutelise comparativa entre o

SWCNT bundle e cobre

Estudo de interconexotildees locais (10nm

100nm 1μm) e intermediaacuterias (10μm

100μm 500μm)

29

A partir da simulaccedilatildeo do H-tree clock obteve-se a frequecircncia em -3dB (f-3dB) da rede com

interconexotildees ideais Assim a rede H-tree foi entatildeo simulada para duas frequecircncias

diferentes do sinal de entrada abaixo da frequecircncia de -3dB 10 GHz e 100 GHz Com

essas simulaccedilotildees obtiveram-se as seguintes caracteriacutesticas do sinal de saiacuteda da inversora

niacutevel loacutegico baixo (NB) niacutevel loacutegico alto (NA) tempo de subida (tr) slew rate de subida

(SR) atenuaccedilatildeo (A) tempo de atraso (td) potecircncia dissipada (P) e produto atraso-potecircncia

(DP) As caracteriacutesticas obtidas servem como referecircncia para analisar o sinal considerando

interconexotildees natildeo-ideais ou seja incluindo os modelos das interconexotildees nas simulaccedilotildees

Em seguida a rede H-tree foi simulada considerando-se os modelos das interconexotildees de

SWCNT bundle e de cobre variando os seus comprimentos Como cada H da rede de

distribuiccedilatildeo deve ser simeacutetrico considerou-se que cada divisatildeo do H tem o mesmo

comprimento para cada niacutevel da rede [11] A Figura 33 mostra o comprimento dos

diferentes trechos da rede Assim o comprimento de cada divisatildeo dos H‟s do segundo

niacutevel eacute a metade do comprimento de cada divisatildeo do H do primeiro niacutevel Jaacute que o objetivo

eacute simular circuitos em escala nanomeacutetrica escolheu-se trecircs variaccedilotildees de comprimento

menores ou iguais a 1μm

l = 100 nm l2 = 50 nm

l = 400 nm l2 = 200 nm

l = 1 μm l2 = 500 nm

Figura 33 ndash Esquemaacutetico do H-tree clock com os comprimentos de cada seguimento

Dessa forma cada um dos trecircs circuitos foi simulado obtendo-se a frequecircncia em -3dB na

entrada das portas inversoras Em seguida as trecircs redes foram simuladas para as mesmas

30

duas frequumlecircncias do sinal de entrada (10 GHz e 100 GHz) de forma a obter as

caracteriacutesticas do sinal de saiacuteda descritas anteriormente considerando agora o efeito das

interconexotildees

Por fim a partir dos dados obtidos foram realizadas comparaccedilotildees entre as caracteriacutesticas

do sinal de saiacuteda de referecircncia (interconexotildees ideais) e o sinal de saiacuteda dos circuitos com as

interconexotildees natildeo-ideais bem como entre o comportamento das interconexotildees de SWCNT

bundle e de cobre nas diferentes frequecircncias

A Figura 34 mostra o fluxograma das etapas descritas nas subseccedilotildees 322 e 323

Figura 34 ndash Fluxograma das etapas seguidas na simulaccedilatildeo do H-tree clock

H-tree clock mono-eleacutetron

Simulaccedilatildeo do H-tree clock com

interconexotildees ideais Obtenccedilatildeo de f-3dB

da inversora

Simulaccedilatildeo do H-tree clock com

interconexotildees natildeo-ideais para os seguintes

comprimentos

l = 100 nm l2 = 50 nm

l = 400 nm l2 = 200 nm

l = 1 μm l2 = 500 nm

Validaccedilatildeo do SET e do

inversor mono-eleacutetron a

300K

Sinal de entrada a

10 GHz

Sinal de entrada a

100 GHz

Obtenccedilatildeo de NB

NA tr SR A td P e

DP do sinal de saiacuteda

da inversora

Obtenccedilatildeo de NB

NA tr SR A td P e

DP do sinal de saiacuteda

da inversora

Sinal de entrada a

10 GHz

Sinal de entrada a

100 GHz

Obtenccedilatildeo de NB

NA tr SR A td P e

DP do sinal de saiacuteda

da inversora

Obtenccedilatildeo de NB

NA tr SR A td P e

DP do sinal de saiacuteda

da inversora

Anaacutelise comparativa

dos dados obtidos

31

4 RESULTADOS E ANAacuteLISES

41 INTRODUCcedilAtildeO

Neste capiacutetulo seratildeo apresentados os procedimentos adotados e os resultados obtidos na

simulaccedilatildeo das interconexotildees SWCNT SWCNT bundle e cobre As etapas descritas na

metodologia foram seguidas obtendo-se os resultados das simulaccedilotildees das interconexotildees e

das simulaccedilotildees do H-tree clock mono-eleacutetron para interconexotildees ideais e natildeo-ideais A

partir dos resultados a anaacutelise do desempenho das interconexotildees seraacute apresentada

42 ANAacuteLISE DAS INTERCONEXOtildeES

Nesta seccedilatildeo a anaacutelise das interconexotildees de SWCNT SWCNT bundle e cobre na

tecnologia de 22 nm para diferentes comprimentos seraacute realizada Para isso analisou-se

as interconexotildees locais em que l le 1 μm e as intermediaacuterias em que 1 μm lt l le 500 μm

sabendo que l eacute o comprimento da interconexatildeo [29-31333638] Como λCNT eacute

tipicamente 1 μm trecircs comprimentos na faixa lCNT le λCNT (10 nm 100 nm e 1 μm) e trecircs

comprimentos na faixa lCNT gt λCNT (10 μm 100 μm 500 μm) de cada material seratildeo

analisados detalhadamente Os paracircmetros obtidos a partir dos modelos de SWCNT

SWCNT bundle e cobre estatildeo respectivamente nas Tabelas 71 72 e 73 do Apecircndice

421 Interconexotildees locais

Primeiramente a partir da simulaccedilatildeo da Figura 31 obteve-se a frequecircncia em -3dB (f-3dB)

das interconexotildees locais (lCNT le λCNT ) isto eacute a sua banda passante de forma a verificar a

velocidade maacutexima que cada interconexatildeo suporta A Figura 41 ilustra o comportamento

da frequecircncia das interconexotildees locais para os diferentes comprimentos Como o SWCNT

isolado possui valores de frequecircncia na faixa de centenas de giga Hertz ou seja menos de

um tera Hertz os valores de suas frequecircncias tambeacutem podem ser visualisados na Tabela

74 do Apecircndice

Verifica-se que agrave medida que o comprimento da interconexatildeo aumenta a frequecircncia

diminui Isso ocorre jaacute que os valores da capacitacircncia e indutacircncia aumentam com o

aumento do comprimento da interconexatildeo Esses paracircmetros satildeo decisivos no sinal de

32

saiacuteda sendo o sinal mais distorcido quanto maior for o valor desses paracircmetros Observa-

se que o SWCNT bundle e o cobre possuem banda passante maiores que o SWCNT

isolado para qualquer comprimento Aleacutem disso o SWCNT bundle soacute possui uma banda

passante comparaacutevel ao do cobre para comprimentos acima de 700 nm

Frequecircncia X Comprimento

0

10

20

30

40

50

60

100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

Comprimento (nm)

f -3d

B (

TH

z)

SWCNT Isolado

SWCNT bundle

Cobre

Figura 41 ndash Frequumlecircncia versus comprimento das interconexotildees locais

As interconexotildees locais de 10 nm 100 nm e 1 μm de comprimento foram analisadas

detalhadamente A Tabela 41 mostra a frequecircncia em -3dB de cada material para os

comprimentos em anaacutelise

Tabela 41 Frequecircncia em -3dB de cada material para lCNT le λCNT

Interconexatildeo Local Comprimento (L) Material f-3dB

SWCNT isolado 253 GHz

10nm SWCNT bundle 66 THz

Cobre 232 THz

SWCNT isolado 300 GHz

lCNT le λCNT 100nm SWCNT bundle 20 THz

Cobre 51 THz

SWCNT isolado 230 GHz

1microm SWCNT bundle 47 THz

Cobre 42 THz

Assim escolheu-se uma mesma frequecircncia abaixo da frequecircncia de corte dos trecircs

materiais considerados para analisar e comparar a atenuaccedilatildeo (A) e o tempo de atraso na

propagaccedilatildeo (td) dos trecircs comprimentos Isso permite verificar o comportamento do sinal na

banda passante A Tabela 42 mostra esse estudo comparativo entre o SWCNT isolado

SWCNT bundle e cobre agrave frequecircncia de 200 GHz

33

Tabela 42 Estudo das interconexotildees com comprimentos na faixa lCNT le λCNT

Freq L Material A (dB) td (ps)

SWCNT isolado -210 046

10nm SWCNT bundle 001 000

Cobre 000 000

SWCNT isolado -155 051

200 GHz 100nm SWCNT bundle 001 000

Cobre 001 000

SWCNT isolado -039 107

1microm SWCNT bundle 006 001

Cobre 000 007

A partir da anaacutelise da Tabela 42 eacute possiacutevel observar agrave frequumlecircncia de 200 GHz a

atenuaccedilatildeo do sinal e o atraso do SWCNT isolado Nessa frequumlecircncia o atraso do SWCNT

isolado eacute significativo em relaccedilatildeo ao periacuteodo do sinal que eacute 5ps jaacute que o menor atraso

(para l = 10nm) eacute aproximadamente 10 do periacuteodo do sinal de entrada No entanto para

esta mesma frequumlecircncia observa-se que a atenuaccedilatildeo e o atraso do SWCNT bundle e do

cobre satildeo insignificantes Isto indica que estes dois materiais possuem melhor

desempenho sendo favoraacuteveis para serem utilizados em interconexotildees locais

Dessa forma para analisar melhor a atenuaccedilatildeo e o tempo de atraso do SWCNT bundle e do

cobre o mesmo procedimento foi feito comparando-se somente estes dois materiais para

uma mesma frequecircncia de 1 THz A Tabela 43 mostra esse estudo comparativo entre o

SWCNT bundle e cobre

Tabela 43 Estudo das interconexotildees SWCNT bundle e cobre com comprimentos na faixa

lCNT le λCNT

Freq L Material A (dB) td (fs)

10nm SWCNT bundle 001 113

Cobre 000 022

1 THz 100nm SWCNT bundle 006 136

Cobre 001 240

1microm SWCNT bundle 145 647

Cobre -013 5623

Analisando a Tabela 43 observa-se que agrave frequumlecircncia de 1 THz a atenuaccedilatildeo do sinal e o

atraso aumentam agrave medida que o comprimento das interconexotildees aumentam A partir do

comprimento de 100nm o tempo de atraso da interconexatildeo de cobre eacute maior que o do

SWCNT bundle cujo maior valor de atraso (para l = 1microm) natildeo chega a 1 do periacuteodo do

34

sinal de entrada (1ps) Isso mostra que apesar de a banda passante do cobre ser maior o

atraso do SWCNT bundle eacute menor Dessa forma para as interconexotildees locais o SWCNT

bundle possui desempenho comparaacutevel ao do cobre [13]

Em relaccedilatildeo agrave atenuaccedilatildeo verifica-se que para alguns comprimentos este tem valor

positivo Isso ocorre principalmente quando haacute um pico no graacutefico da frequumlecircncia antes dele

comeccedilar a decair Esse pico eacute devido ao efeito ressonante provocado pela indutacircncia

quando este possui valor comparaacutevel agrave resistecircncia e agrave capacitacircncia da interconexatildeo [53]

Assim esse efeito ressonante foi observado somente nas interconexotildees locais de SWCNT

bundle e de cobre A Figura 42 ilustra o graacutefico da magnitude pela frequumlecircncia do SWCNT

isolado SWCNT bundle e cobre para o comprimento de 100nm Observa-se o efeito

ressonante nos graacuteficos do SWCNT bundle e do cobre

Figura 42 ndash Graacuteficos da magnitude das interconexotildees de SWCNT isolado (superior)

SWCNT bundle (meio) e cobre (inferior) com comprimento de 100nm

35

422 Interconexotildees intermediaacuterias

Assim como para as interconexotildees locais obteve-se a frequecircncia em -3dB (f-3dB) das

interconexotildees intermediaacuterias (lCNT gt λCNT) de forma a verificar a velocidade maacutexima que

cada interconexatildeo suporta A Figura 43 ilustra o comportamento da frequecircncia das

interconexotildees intermediaacuterias para os diferentes comprimentos Os valores das frequecircncias

de cada interconexatildeo tambeacutem podem ser visualisados na Tabela 75 do Apecircndice

Como nas interconexotildees locais agrave medida que o comprimento da interconexatildeo aumenta a

frequecircncia diminui Aleacutem disso o SWCNT bundle e o cobre possuem desempenho melhor

que o do SWCNT isolado para qualquer comprimento No entanto para interconexotildees

intermediaacuterias o SWCNT bundle possui banda passante maior que a do cobre para

qualquer comprimento

Frequecircncia X Comprimento

00

05

10

15

20

25

30

35

40

45

100 200 300 400 500

Comprimento (μm)

f -3d

B (

GH

z)

SWCNT isolado

SWCNT bundle

Cobre

Figura 43 ndash Frequumlecircncia versus comprimento das interconexotildees intermediaacuterias

As interconexotildees intermediaacuterias de 10 μm 100 μm e 500 μm de comprimento foram entatildeo

analisadas detalhadamente A Tabela 44 mostra a frequecircncia em -3dB de cada materal

para os diferentes comprimentos em anaacutelise

36

Tabela 44 Frequecircncia em -3dB de cada material para lCNT gt λCNT

Interconexatildeo

Intermediaacuteria

Comprimento (L) Material f-3dB

SWCNT isolado 26 GHz

10 microm SWCNT bundle 527 GHz

Cobre 34 GHz

SWCNT isolado 32 MHz

lCNT gt λCNT 100 microm SWCNT bundle 42 GHz

Cobre 345 MHz

SWCNT isolado 13 MHz

500 microm SWCNT bundle 165 MHz

Cobre 14 MHz

Escolheu-se a frequecircncia de 1 MHz que estaacute abaixo da frequecircncia de corte dos trecircs

materiais considerados para analisar e comparar a atenuaccedilatildeo (A) e o tempo de atraso na

propagaccedilatildeo (td) dos trecircs comprimentos A Tabela 45 mostra esse estudo comparativo entre

o SWCNT isolado SWCNT bundle e cobre

Tabela 45 Estudo das interconexotildees com comprimentos na faixa lCNT gt λCNT

Freq L Material A (dB) td (ns)

SWCNT isolado -002 008

10 microm SWCNT bundle 000 000

Cobre 000 000

SWCNT isolado -003 559

1 MHz 100 microm SWCNT bundle -001 005

Cobre -004 056

SWCNT isolado -198 10217

500 microm SWCNT bundle 000 110

Cobre -003 1301

Com base na Tabela 45 observa-se que a atenuaccedilatildeo e o tempo de atraso do SWCNT

isolado aumentam com o aumento do comprimento da interconexatildeo Nessa frequumlecircncia o

atraso na propagaccedilatildeo do SWCNT isolado eacute significativo em relaccedilatildeo ao periacuteodo do sinal de

entrada que eacute 1micros chegando a mais de 10 deste periacuteodo para o comprimento de 500microm

Verifica-se tambeacutem o aumento do tempo de atraso da interconexatildeo de cobre sendo 13

do periacuteodo do sinal de entrada para o comprimento de 500microm

Para analisar melhor a atenuaccedilatildeo e o tempo de atraso do SWCNT bundle e do cobre o

mesmo procedimento foi feito comparando-se somente estes dois materiais para uma

37

mesma frequecircncia de 10 MHz A Tabela 46 mostra esse estudo comparativo entre o

SWCNT bundle e cobre

Tabela 46 Estudo das interconexotildees SWCNT bundle e cobre com comprimentos na faixa

lCNT gt λCNT

Freq L Material A (dB) td (ns)

10 microm SWCNT bundle 000 000

Cobre 000 000

10 MHz 100 microm SWCNT bundle -001 005

Cobre -004 054

500 microm SWCNT bundle -004 107

Cobre -185 1024

Analisando a Tabela 46 observa-se que agrave medida que o comprimento das interconexotildees

aumenta a atenuaccedilatildeo e o atraso do sinal da interconexatildeo de cobre tornam-se significativos

O atraso na propagaccedilatildeo da interconexatildeo de cobre para l = 500microm chega a 10 do periacuteodo

do sinal de entrada (100ns) Jaacute o SWCNT bundle apresenta valores insignificantes de

atenuaccedilatildeo e atraso na propagaccedilatildeo Assim para as interconexotildees intermediaacuterias o SWCNT

bundle possui desempenho superior ao do cobre

43 SIMULACcedilAtildeO DO INVERSOR MONO-ELEacuteTRON

O modelo SPICE do SET proposto por G Lientschnig et al [444] foi simulado no

LTSPICE A partir da equaccedilatildeo (226) foi possiacutevel aumentar a temperatura do SET ateacute

chegar a 300K Assim o esquemaacutetico do SET e os valores de seus paracircmetros para que o

SET opere a 300K estatildeo na Figura 44 No anexo deste trabalho (subseccedilatildeo 81) encontra-

se o coacutedigo SET que foi utilizado [44] Os paracircmetros R1 C1 e R2 C2 correspondem agraves

resistecircncias e capacitacircncias das junccedilotildees-tuacutenel Cg eacute a capacitacircncia de porta (Cg1 no coacutedigo

SET) Vg eacute a tensatildeo de porta e V eacute a tensatildeo de entrada

Figura 44 Esquemaacutetico do SET e os valores de seus paracircmetros

38

A partir destes valores o inversor mono-eleacutetron foi construiacutedo colocando-se dois SETs em

seacuterie os quais compartilham da mesma entrada A Figura 45 ilustra o esquemaacutetico do

inversor mono-eleacutetron juntamente com os valores de seus paracircmetros fixos em que Vin eacute a

tensatildeo de entrada Vout eacute a tensatildeo de saiacuteda Vbias eacute a tensatildeo de polarizaccedilatildeo Cc eacute a

capacitacircncia de carga Cg1 e Cg2 satildeo as capacitacircncias de porta do SET 1 e do SET 2

respectivamente

Figura 45 Esquemaacutetico do inversor mono-eleacutetron e os valores de seus paracircmetros

(modificado de [4])

Assim apoacutes simular o inversor mono-eleacutetron a 300K obteve-se o sinal de saiacuteda mostrado

na Figura 46 Como o inversor estaacute invertendo o sinal de entrada de valor loacutegico baixo em

um sinal de saiacuteda de valor loacutegico alto ele estaacute operando corretamente

Figura 46 Curva do sinal de entrada (em verde) e do sinal de saiacuteda (em preto) do inversor

mono-eleacutetron

39

44 ANAacuteLISE DAS INTERCONEXOtildeES NO H-TREE CLOCK MONO-ELEacuteTRON

Nesta seccedilatildeo a rede H-tree clock de dois niacuteveis foi simulada com portas inversoras mono-

eleacutetron nos pontos de destino final da rede permitindo a anaacutelise de circuitos

nanoeletrocircnicos Simulou-se a rede H-tree considerando interconexotildees ideais para as

frequecircncias de 10 GHz e 100 GHz no sinal de entrada Em seguida para as mesmas duas

frequecircncias considerou-se interconexotildees natildeo-ideais de diferentes comprimentos

analisando a rede com os modelos de interconexatildeo SWCNT bundle e cobre Trecircs redes

com comprimentos de interconexotildees diferentes foram analisadas

l = 100 nm l2 = 50 nm

l = 400 nm l2 = 200 nm

l = 1 μm l2 = 500 nm

441 Anaacutelise da rede com interconexotildees ideais

A partir da simulaccedilatildeo do H-tree clock a frequecircncia em -3dB (f-3dB) da rede com

interconexotildees ideais foi obtida Na saiacuteda de cada porta inversora a banda passante do sinal

eacute 3200 GHz Dessa forma duas frequecircncias abaixo de 3200 GHz foram escolhidas para

analisar o sinal de saiacuteda da inversora em condiccedilotildees ideais As frequecircncias de 10 GHz e

100 GHz seratildeo analisadas obtendo-se as seguintes caracteriacutesticas do sinal de saiacuteda da

inversora niacutevel loacutegico baixo (NB) niacutevel loacutegico alto (NA) tempo de subida (tr) slew rate

de subida (SR) atenuaccedilatildeo (A) e tempo de atraso (td) A Tabela 47 mostra os valores

obtidos para as duas frequecircncias em anaacutelise

Tabela 47 Caracteriacutesticas dos sinais de saiacuteda da rede para interconexotildees ideais

Freq NB(mV) NA(mV) tr (ps) SR(Vns) A(dB) td (ps)

10 GHz 675 4518 356 8636 -264 412

100 GHz 678 4279 317 9088 -269 189

Os caacutelculos da potecircncia estaacutetica ( IVP DDE ) potecircncia dinacircmica ( CVfP DDD 2 ) e

potecircncia total ( DE PPP ) dissipada por cada porta inversora foram realizados bem

como o produto atraso-potecircncia (DP) Assim a Tabela 48 mostra os valores obtidos no

40

caacutelculo destes paracircmetros Como a potecircncia estaacutetica independe da frequecircncia do sinal de

entrada o seu valor eacute o mesmo nos dois casos

Tabela 48 Potecircncia dissipada por cada porta inversora para interconexotildees ideais

Frequecircncia PE (nW) PD (nW) P (nW) DP (10-18

Wmiddots)

10 GHz 4838 125 4963 020

100 GHz 4838 125 6088 012

As Tabelas 47 e 48 serviratildeo de referecircncia para as anaacutelises da rede com interconexotildees natildeo-

ideais analisadas na subseccedilatildeo seguinte As Figuras 47 e 48 ilustram o sinal de saiacuteda das

redes com frequecircncias de 10 GHz e de 100 GHz respectivamente Eacute possiacutevel observar que

na frequecircncia de 100 GHz o sinal de saiacuteda jaacute eacute distorcido em relaccedilatildeo ao sinal de referecircncia

(Figura 46)

Figura 47 Sinal de entrada (em verde) e sinal de saiacuteda (em preto) da rede a 10 GHz

Figura 48 Sinal de entrada (em verde) e sinal de saiacuteda (em preto) da rede a 100 GHz

41

442 Anaacutelise da rede com interconexotildees natildeo-ideais

Apoacutes obter as caracteriacutesticas da rede H-tree clock com interconexotildees ideais a anaacutelise da

rede com interconexotildees natildeo-ideais seraacute feita Primeiramente eacute importante verificar a

frequecircncia em -3dB do sinal depois das interconexotildees ou seja na entrada da porta

inversora Caso essa frequecircncia seja menor que a frequecircncia de 3200 GHz obtida com

interconexotildees ideais entatildeo a interconexatildeo afetaraacute o comportamento da rede A Tabela 49

mostra a frequecircncia em -3dB na entrada da inversora para interconexotildees natildeo-ideais

Tabela 49 Frequecircncia em -3dB na entrada da inversora para interconexotildees natildeo-ideais

Comprimentos (l2 l) Material f-3dB

50nm 100nm SWCNT bundle 122 THz

Cobre 175 THz

200nm 400nm SWCNT bundle 31 THz

Cobre 8606 GHz

500nm 1microm SWCNT bundle 12 THz

Cobre 1268 GHz

Assim verifica-se que a interconexatildeo de cobre da rede 500nm1microm possui frequecircncia em

-3dB abaixo da frequecircncia do circuito com interconexatildeo ideal (3200 GHz) Isso indica que

esta interconexatildeo interfere significativamente no comportamento da rede A Tabela 49

mostra tambeacutem que a banda passante da interconexatildeo de cobre soacute eacute maior que a da

interconexatildeo de SWCNT bundle no primeiro caso na rede de 50nm100nm o que mostra

uma vantagem do SWCNT bundle em relaccedilatildeo ao cobre A partir dessas informaccedilotildees a

rede H-tree clock com interconexotildees natildeo-ideais seraacute analisada detalhadamente

4421 Anaacutelise da rede a 10 GHz

As redes com interconexotildees natildeo-ideais seratildeo analisadas na frequecircncia de 10 GHz para

diferentes comprimentos Primeiramente o niacutevel loacutegico baixo (NB) o niacutevel loacutegico alto

(NA) o tempo de subida (tr) e o slew rate de subida (SR) foram obtidos conforme mostra a

Tabela 410 Com base nessa tabela verifica-se que na frequecircncia de 10 GHz essas

caracteriacutesticas natildeo foram modificadas pelas interconexotildees natildeo-ideais independentemente

do comprimento Os valores dos paracircmetros satildeo iguais aos obtidos na rede com

interconexatildeo ideal conforme Tabela 47 O sinal obtido na saiacuteda de cada inversor eacute igual

ao ilustrado na Figura 47

42

Tabela 410 Niacuteveis loacutegicos tempo de subida e slew rate dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 10 GHz

Freq L (l2l) Material NB(mV) NA(mV) tr(ps) SR(Vns)

10

GHz

50nm

100nm

SWCNT bundle 675 4518 356 8636

Cobre 675 4518 356 8636

200nm

400nm

SWCNT bundle 675 4518 356 8636

Cobre 675 4518 356 8636

500nm

1microm

SWCNT bundle 675 4518 356 8636

Cobre 675 4518 356 8636

A Tabela 411 mostra a atenuaccedilatildeo tempo de atraso potecircncia total dissipada e o produto

atraso-potecircncia obtidos a frequecircncia de 10 GHz para interconexotildees natildeo-ideais Observa-se

que a atenuaccedilatildeo do sinal e a potecircncia total dissipada por cada porta inversora permanecem

os mesmos em relaccedilatildeo agrave interconexatildeo ideal mostrando que a essa frequecircncia as

interconexotildees natildeo-ideais natildeo interferem nestes paracircmetros

Jaacute o atraso na propagaccedilatildeo do sinal no caso do cobre aumenta agrave medida que as

interconexotildees aumentam de comprimento aumentando tambeacutem o produto atraso-potecircncia

Esse atraso chega a 66 do periacuteodo do sinal de entrada para a interconexatildeo 500nm1microm

de cobre No entanto estes paracircmetros natildeo satildeo afetados pelas interconexotildees de SWCNT

bundle indicando que este material se sobressai em relaccedilatildeo ao cobre

Tabela 411 Atenuaccedilatildeo atraso potecircncia e produto atraso-potecircncia dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 10 GHz

Freq L (l2l) Material A (dB) td (ps) P (nW) DP(10-18

Wmiddots)

10

GHz

50nm

100nm

SWCNT bundle -264 412 4963 020

Cobre -264 412 4963 020

200nm

400nm

SWCNT bundle -264 412 4963 020

Cobre -264 438 4963 022

500nm

1microm

SWCNT bundle -264 412 4963 020

Cobre -264 659 4963 033

4422 Anaacutelise da rede a 100 GHz

As redes com interconexotildees natildeo-ideais seratildeo analisadas na frequecircncia de 100 GHz para

diferentes comprimentos O niacutevel loacutegico baixo (NB) o niacutevel loacutegico alto (NA) o tempo de

subida (tr) e o slew rate de subida (SR) foram obtidos conforme mostra a Tabela 412 Jaacute a

43

Tabela 413 mostra a atenuaccedilatildeo tempo de atraso potecircncia total dissipada e o produto

atraso-potecircncia obtidos a frequecircncia de 100 GHz para interconexotildees natildeo-ideais

Tabela 412 Niacuteveis loacutegicos tempo de subida e slew rate dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 100 GHz

Freq L (l2l) Material NB(mV) NA(mV) tr(ps) SR(Vns)

100

GHz

50nm

100nm

SWCNT bundle 678 4272 316 9099

Cobre 675 4277 323 9107

200nm

400nm

SWCNT bundle 678 4299 315 9196

Cobre 677 4089 289 9447

500nm

1microm

SWCNT bundle 678 4418 300 9973

Cobre 635 1766 102 6795

Tabela 413 Atenuaccedilatildeo atraso potecircncia e produto atraso-potecircncia dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 100 GHz

Freq L (l2l) Material A (dB) td (ps) P (nW) DP(10-18

Wmiddots)

100

GHz

50nm

100nm

SWCNT bundle -2703 189 6088 012

Cobre -2685 191 6088 012

200nm

400nm

SWCNT bundle -2693 188 6088 012

Cobre -2698 228 6088 014

500nm

1microm

SWCNT bundle -2673 174 6088 011

Cobre -2893 388 6088 024

A partir das Tabelas 412 e 413 o SWCNT bundle seraacute analisado Observa-se que os seus

niacuteveis loacutegicos altos aumentam com o aumento do comprimento das interconexotildees

aumentando tambeacutem o slew rate de subida Esse comportamento ocorre provavelmente

devido ao efeito ressonante provocado pela indutacircncia que provoca um pico no graacutefico da

frequumlecircncia antes dele comeccedilar a decair conforme explicado na subseccedilatildeo 421 Isso implica

na diminuiccedilatildeo da atenuaccedilatildeo do sinal e do atraso No entanto o produto atraso-potecircncia

permanece praticamente invariaacutevel jaacute que a potecircncia total dissipada natildeo se altera

Em relaccedilatildeo agraves interconexotildees de cobre verifica-se que as distorccedilotildees satildeo significativas Agrave

medida que o comprimento aumenta a atenuaccedilatildeo do sinal de saiacuteda aumenta Isso provoca

diminuiccedilatildeo no slew rate do sinal o que natildeo eacute desejado jaacute que o sinal demora mais para

atingir o niacutevel loacutegico alto Aleacutem disso o atraso na propagaccedilatildeo do sinal aumenta bastante

chegando a 388 do periacuteodo do sinal de entrada para a interconexatildeo 500nm1microm

Consequentemente o produto atraso-potecircncia tambeacutem aumenta sendo o dobro do valor de

44

referecircncia (interconexotildees ideais) A Figura 49 ilustra o sinal de saiacuteda da interconexatildeo

500nm1microm de cobre

Figura 49 Sinal de entrada (em verde) e sinal de saiacuteda (em preto) da rede a 100 GHz para

a interconexatildeo 500nm1microm de cobre

Comparando-se as potecircncias das tabelas 47 48 411 413 verifica-se que natildeo haacute

alteraccedilatildeo na potecircncia total dissipada pelo circuito com interconexotildees ideais e pelos

circuitos com interconexotildees natildeo-ideais para uma mesma frequecircncia Assim eacute importante

destacar que a dissipaccedilatildeo de potecircncia das interconexotildees de SWCNT bundle e de cobre natildeo

interfere na potecircncia total dissipada pelo circuito

443 Consideraccedilotildees Finais

Apoacutes analisar as interconexotildees locais de SWCNT de SWCNT bundle e de cobre

verificou-se que as interconexotildees de SWCNT bundle possuem desempenho comparaacutevel ao

das interconexotildees de cobre Em relaccedilatildeo agraves interconexotildees intermediaacuterias as de SWCNT

bundle apresentam desempenho superior agraves de cobre Jaacute as interconexotildees de SWCNT

isolado tanto para interconexotildees locais como para interconexotildees intermediaacuterias

apresentam desempenho inferior agraves interconexotildees de SWCNT bundle e de cobre natildeo

sendo propiacutecias a serem utilizadas em interconexotildees de circuitos integrados

Na anaacutelise das interconexotildees natildeo-ideais na rede H-tree clock mono-eleacutetron para a

frequecircncia de 10GHz observou-se que o niacutevel loacutegico baixo o niacutevel loacutegico alto o tempo de

subida o slew rate de subida a atenuaccedilatildeo do sinal e a potecircncia total dissipada por cada

porta inversora permanecem os mesmos em relaccedilatildeo agrave interconexatildeo ideal mostrando que

45

para esta frequecircncia as interconexotildees natildeo-ideais natildeo interferem nestes paracircmetros Jaacute o

atraso na propagaccedilatildeo do sinal no caso do cobre aumenta agrave medida que as interconexotildees

aumentam de comprimento aumentando tambeacutem o produto atraso-potecircncia No entanto

estes paracircmetros natildeo satildeo afetados pelas interconexotildees de SWCNT bundle indicando que

este material se sobressai em relaccedilatildeo ao cobre

Jaacute para a rede H-tree clock mono-eleacutetron a 100GHz observou-se que o circuito com

interconexotildees natildeo-ideais afetou bastante os paracircmetros em anaacutelise se comparados aos

obtidos para interconexotildees ideais Verificou-se que as distorccedilotildees provocadas pelas

interconexotildees de cobre foram significativas indicando que as interconexotildees de SWCNT

bundle possuem melhor desempenho que as de cobre

Assim constata-se que as interconexotildees de SWCNT bundle satildeo fortes candidatas a

substituirem as interconexotildees de cobre em circuitos em escala giga (GSI) e tera (TSI)

46

5 CONCLUSOtildeES

Nesta dissertaccedilatildeo o estudo das interconexotildees de SWCNT de SWCNT bundle e de cobre

foi realizado analisando e comparando os seus desempenhos para diferentes

comprimentos A partir desse estudo verificou-se que as interconexotildees de SWCNT bundle

possui desempenho comparaacutevel ao das interconexotildees de cobre no caso de interconexotildees

locais Em relaccedilatildeo agraves interconexotildees intermediaacuterias as de SWCNT bundle apresentam

desempenho superior agraves de cobre

As interconexotildees de SWCNT bundle e as interconexotildees de cobre foram entatildeo simuladas na

rede H-tree clock de dois niacuteveis para diferentes comprimentos e frequecircncias Nos pontos

de destino final da rede foram colocadas portas inversoras formadas por SETs permitindo

a anaacutelise de circuitos nanoeletrocircnicos

A partir da anaacutelise da rede H-tree clock observou-se que as interconexotildees de SWCNT

bundle possuem desempenho melhor que as de cobre principalmente em relaccedilatildeo ao slew

rate agrave atenuaccedilatildeo ao tempo de atraso e ao produto atraso-potecircncia Aleacutem disso a

dissipaccedilatildeo de potecircncia das interconexotildees natildeo-ideais natildeo interferem na potecircncia total

dissipada pelo circuito Assim as interconexotildees de SWCNT bundle satildeo fortes candidatas a

substituirem as interconexotildees de cobre em circuitos em escala giga (GSI) e tera (TSI)

Como perspectivas futuras eacute importante analisar o efeito das interconexotildees de nanotubo de

carbono em circuitos GSI e TSI com outras arquiteturas A anaacutelise das interconexotildees de

CNT tambeacutem deve ser feita em circuitos com tecnologia MOS permitindo a comparaccedilatildeo

entre diferentes tecnologias Aleacutem disso eacute interessante estudar outros tipos de materiais

que possam ser utilizados como interconexotildees em circuitos integrados

47

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53

7 APEcircNDICES

71 TABELAS COMPLEMENTARES

Tabela 71 Paracircmetros obtidos a partir do modelo de SWCNT isolado

L RQ (Ω) RS (Ω) LCNT (10-9

H) CCNT (10-18

F)

10 nm 645103 - 40010

-2 27910

-1

100 nm 645103 - 40010

-1 279

200 nm 645103 - 80010

-1 558

300 nm 645103 - 120 837

400 nm 645103 - 160 11210

1

500 nm 645103 - 200 14010

1

600 nm 645103 - 240 16710

1

700 nm 645103 - 280 19510

1

800 nm 645103 - 320 22310

1

900 nm 645103 - 360 25110

1

1 microm 645103 - 400 27910

1

10 microm 645103 64510

4 40010

1 27910

2

100 microm 645103 64510

5 40010

2 27910

3

200 microm 645103 12910

6 80010

2 55810

3

300 microm 645103 19410

6 12010

3 83710

3

400 microm

645103 25810

6 16010

3 11210

4

500 microm

645103 32310

6 20010

3 14010

4

Tabela 72 Paracircmetros obtidos a partir do modelo de SWCNT bundle

L RQ (Ω) RS (Ω) LBundle(10-9

H) CBundle(10-18

F)

10 nm 1075 - 66710-5

135

100 nm 1075 - 66710-4

135101

200 nm 1075 - 13310-3

270101

300 nm 1075 - 20010-3

405101

400 nm 1075 - 26710-3

540101

500 nm 1075 - 33310-3

675101

600 nm 1075 - 40010-3

810101

700 nm 1075 - 46710-3

945101

800 nm 1075 - 53310-3

108102

900 nm 1075 - 60010-3

122102

1 microm 1075 - 66710-3

135102

10 microm 1075 108102 66710

-2 13510

3

100 microm 1075 108103 66710

-1 13510

4

200 microm 1075 215103 133 27010

4

300 microm 1075 323103 200 40510

4

400 microm

1075 430103 267 54010

4

500 microm

1075 538103 333 67510

4

54

Tabela 73 Paracircmetros obtidos a partir do modelo de cobre

L RCu (Ω) LCu (10-9

H) CCu (10-18

F)

10 nm 06 37310-6

150

100 nm 60 63610-5

150101

200 nm 120 17510-4

300101

300 nm 180 30910-4

450101

400 nm 240 45410-4

600101

500 nm 300 61110-4

750101

600 nm 360 77510-4

900101

700 nm 420 94610-4

105102

800 nm 480 11210-3

120102

900 nm 540 13110-3

135102

1 microm 600 14910-3

150102

10 microm 60102 24010

-2 15010

3

100 microm 60103 33210

-1 15010

4

200 microm 12104 72010

-1 30010

4

300 microm 18104 113 45010

4

400 microm

24104 155 60010

4

500 microm

30104 198 75010

4

55

Tabela 74 Frequecircncia em -3dB das interconexotildees locais

Comprimento Material f-3dB

10 nm SWCNT isolado 253 GHz

SWCNT bundle 66 THz

Cobre 232 THz

100 nm SWCNT isolado 300 GHz

SWCNT bundle 20 THz

Cobre 51 THz

200 nm SWCNT isolado 342 GHz

SWCNT bundle 14 THz

Cobre 29 THz

300 nm SWCNT isolado 344 GHz

SWCNT bundle 11 THz

Cobre 20 THz

400 nm SWCNT isolado 329 GHz

SWCNT bundle 89 THz

Cobre 15 THz

500 nm SWCNT isolado 307 GHz

SWCNT bundle 76 THz

Cobre 12 THz

600 nm SWCNT isolado 288 GHz

SWCNT bundle 67 THz

Cobre 94 THz

700 nm SWCNT isolado 271 GHz

SWCNT bundle 61 THz

Cobre 76 THz

800 nm SWCNT isolado 255 GHz

SWCNT bundle 55 THz

Cobre 63 THz

900 nm SWCNT isolado 240 GHz

SWCNT bundle 51 THz

Cobre 52 THz

1 microm SWCNT isolado 230 GHz

SWCNT bundle 47 THz

Cobre 42 THz

56

Tabela 75 Frequecircncia em -3dB das interconexotildees intermediaacuterias

Comprimento Material f-3dB

10 microm SWCNT isolado 26 GHz

SWCNT bundle 527 GHz

Cobre 34 GHz

100 microm SWCNT isolado 32 MHz

SWCNT bundle 42 GHz

Cobre 345 MHz

200 microm SWCNT isolado 82 MHz

SWCNT bundle 10 GHz

Cobre 87 MHz

300 microm SWCNT isolado 36 MHz

SWCNT bundle 455 MHz

Cobre 38 MHz

400 microm SWCNT isolado 21 MHz

SWCNT bundle 256 MHz

Cobre 21 MHz

500 microm SWCNT isolado 13 MHz

SWCNT bundle 165 MHz

Cobre 14 MHz

57

8 ANEXOS

81 COacuteDIGO SPICE DO SET [44]

Transistor mono-eleacutetron (SET) conexotildees fonte | dreno | | porta1 | | | porta2 | | | | SUBCKT SET 1 2 3 4 PARAMS +C1=1E-20 Capacitacircncia da junccedilatildeo 1 +C2=1E-20 Capacitacircncia da junccedilatildeo 2 +R1=1E5 Resistecircncia da junccedilatildeo 1 +R2=1E5 Resistecircncia da junccedilatildeo 2 +Cg1=015E-18 Capacitacircncia da junccedilatildeo 1 +Cg2=0 Capacitacircncia da junccedilatildeo 2 +C0=0 Capacitacircncia proacutepria da ilha +Q0=005 Carga offset em unidades de e +TEMP=300 Temperatura PARAM E=160217733E-19 Carga do eleacutetron (e) PARAM CSUM=C1+C2+Cg1+Cg2+C0 Capacitacircncia total do SET PARAM T=TEMPCSUM53785467E14 Temperatura normalizada 53785467E14 = kBe^2 PARAM RN1=R1(R1+R2) Resistecircncia da junccedilatildeo 1 normalizada PARAM RN2=R2(R1+R2) Resistecircncia da junccedilatildeo 2 normalizada FUNC Q(v1v2v3v4) (Cg1v3+Cg2v4+C1v1+C2v2)E+Q0 Definiccedilatildeo da carga em unidades de e FUNC VN(v) CSUMvE Tensatildeo normalizada FUNC GAMMA(u) IF(T==0IF(ult0-u0)IF(u==0Tu(EXP(uT)-1))) FUNC N_OPT(v1v2v3v4) ROUND(-Q(v1v2v3v4)+(CSUME) (v1RN2+v2RN1)) A maior probabilidade de carga na ilha em unidades de e Os quarto eventos tuacuteneis FUNC R1L(nv1v2v3v4) GAMMA(05 - n - Q(v1v2v3v4) + VN(v1))RN1 FUNC R1R(nv1v2v3v4) GAMMA(05 + n + Q(v1v2v3v4) - VN(v1))RN1 FUNC R2L(nv1v2v3v4) GAMMA(05 + n + Q(v1v2v3v4) - VN(v2))RN2 FUNC R2R(nv1v2v3v4) GAMMA(05 - n - Q(v1v2v3v4) + VN(v2))RN2

58

determinaccedilatildeo das probabilidades relativas assume-se inicialmente que o estado da carga N_OPT tem probabilidade relativa igual a um FUNC PN_1(nv1v2v3v4) (R1L(nv1v2v3v4)+R2R(nv1v2v3v4))(R1R(n-1v1v2v3v4)+R2L(n-1v1v2v3v4)) FUNC PN_2(nv1v2v3v4) PN_1(nv1v2v3v4) +(R1L(n-1v1v2v3v4)+R2R(n-1v1v2v3v4))(R1R(n-2v1v2v3v4)+R2L(n-2v1v2v3v4)) FUNC PN_3(nv1v2v3v4) PN_2(nv1v2v3v4) +(R1L(n-2v1v2v3v4)+R2R(n-2v1v2v3v4))(R1R(n-3v1v2v3v4)+R2L(n-3v1v2v3v4)) FUNC PN_4(nv1v2v3v4) PN_3(nv1v2v3v4) +(R1L(n-3v1v2v3v4)+R2R(n-3v1v2v3v4))(R1R(n-4v1v2v3v4)+R2L(n-4v1v2v3v4)) FUNC PN_5(nv1v2v3v4) PN_4(nv1v2v3v4) +(R1L(n-4v1v2v3v4)+R2R(n-4v1v2v3v4))(R1R(n-5v1v2v3v4)+R2L(n-5v1v2v3v4)) FUNC PN1(nv1v2v3v4) (R2L(nv1v2v3v4) +R1R(nv1v2v3v4))(R2R(n+1v1v2v3v4)+R1L(n+1v1v2v3v4)) FUNC PN2(nv1v2v3v4) PN1(nv1v2v3v4) +(R2L(n+1v1v2v3v4)+R1R(n+1v1v2v3v4))(R2R(n+2v1v2v3v4)+R1L(n+2v1v2v3v4)) FUNC PN3(nv1v2v3v4) PN2(nv1v2v3v4) +(R2L(n+2v1v2v3v4)+R1R(n+2v1v2v3v4))(R2R(n+3v1v2v3v4)+R1L(n+3v1v2v3v4)) FUNC PN4(nv1v2v3v4) PN3(nv1v2v3v4) +(R2L(n+3v1v2v3v4)+R1R(n+3v1v2v3v4))(R2R(n+4v1v2v3v4)+R1L(n+4v1v2v3v4)) FUNC PN5(nv1v2v3v4) PN4(nv1v2v3v4) +(R2L(n+4v1v2v3v4)+R1R(n+4v1v2v3v4))(R2R(n+5v1v2v3v4)+R1L(n+5v1v2v3v4)) FUNC PSUM(nv1v2v3v4) PN_5(nv1v2v3v4)+PN_4(nv1v2v3v4)+PN_3(nv1v2v3v4)+PN_2(nv1v2v3v4) ++PN_1(nv1v2v3v4)+1+PN1(nv1v2v3v4)+PN2(nv1v2v3v4)+PN3(nv1v2v3v4) ++PN4(nv1v2v3v4)+PN5(nv1v2v3v4)

59

caacutelculo da corrente da fonte para o dreno FUNC CUR(nv1v2v3v4) PN_5(nv1v2v3v4)(R1R(n-5v1v2v3v4)-R1L(n-5v1v2v3v4)) ++PN_4(nv1v2v3v4)(R1R(n-4v1v2v3v4)-R1L(n-4v1v2v3v4)) ++PN_3(nv1v2v3v4)(R1R(n-3v1v2v3v4)-R1L(n-3v1v2v3v4)) ++PN_2(nv1v2v3v4)(R1R(n-2v1v2v3v4)-R1L(n-2v1v2v3v4)) ++PN_1(nv1v2v3v4)(R1R(n-1v1v2v3v4)-R1L(n-1v1v2v3v4)) ++(R1R(nv1v2v3v4)-R1L(nv1v2v3v4)) ++PN1(nv1v2v3v4)(R1R(n+1v1v2v3v4)-R1L(n+1v1v2v3v4)) ++PN2(nv1v2v3v4)(R1R(n+2v1v2v3v4)-R1L(n+2v1v2v3v4)) ++PN3(nv1v2v3v4)(R1R(n+3v1v2v3v4)-R1L(n+3v1v2v3v4)) ++PN4(nv1v2v3v4)(R1R(n+4v1v2v3v4)-R1L(n+4v1v2v3v4)) ++PN5(nv1v2v3v4)(R1R(n+5v1v2v3v4)-R1L(n+5v1v2v3v4)) FUNC CURRENT(nv1v2v3v4) ECUR(nv1v2v3v4)(CSUMPSUM(nv1v2v3v4)(R1+R2)) caacutelculo da tensatildeo da ilha FUNC VOLT(nv1v2v3v4) PN_5(nv1v2v3v4)(n-5+Q(v1v2v3v4)) ++PN_4(nv1v2v3v4)(n-4+Q(v1v2v3v4)) ++PN_3(nv1v2v3v4)(n-3+Q(v1v2v3v4)) ++PN_2(nv1v2v3v4)(n-2+Q(v1v2v3v4)) ++PN_1(nv1v2v3v4)(n-1+Q(v1v2v3v4)) ++n+Q(v1v2v3v4) ++PN1(nv1v2v3v4)(n+1+Q(v1v2v3v4)) ++PN2(nv1v2v3v4)(n+2+Q(v1v2v3v4)) ++PN3(nv1v2v3v4)(n+3+Q(v1v2v3v4)) ++PN4(nv1v2v3v4)(n+4+Q(v1v2v3v4)) ++PN5(nv1v2v3v4)(n+5+Q(v1v2v3v4)) FUNC VOLTAGE(nv1v2v3v4) (ECSUM)VOLT(nv1v2v3v4)PSUM(nv1v2v3v4) E1 5 0 VALUE= VOLTAGE(N_OPT(V(1)V(2)V(3)V(4))V(1)V(2)V(3)V(4)) Tensatildeo da ilha G1 1 2 VALUE= CURRENT(N_OPT(V(1)V(2)V(3)V(4))V(1)V(2)V(3)V(4)) Corrente da fonte para o dreno CT1 1 5 C1 CT2 2 5 C2 CGATE1 3 5 CG1 CGATE2 4 5 CG2 ENDS SET

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12

por Fuchs e Sondheimer (ρFS) e por Mayadas e Shatzkes (ρMS) [1516] Estes paracircmetros

satildeo calculados pelas expressotildees (217) (218) e (219)

)1(

4

31 p

w

o

o

FS

(217)

11ln33

2

31 22

MS

o (218)

)1( R

R

D

o

(219)

O paracircmetro ρo eacute a resistividade do material λo eacute o caminho meacutedio livre p eacute o paracircmetro

de espalhamento de Fuchs D eacute o tamanho meacutedio e R eacute o coeficiente de reflexatildeo no

contorno com valores entre 0 e 1 Assim tem-se que a resistecircncia do cobre em escala

nanomeacutetrica eacute dada pela equaccedilatildeo (220) [1516]

tw

lR MSFS

Cu

(220)

De acordo com [1433] o valor da resistividade do cobre na tecnologia de 22nm para

interconexotildees locais eacute dado por 4666 μΩ-cm No entanto este valor da resistividade do

cobre chega a 58 μΩ-cm para valores miacutenimos da largura do fio [1516203940] Neste

trabalho seraacute utilizado o valor de 58 μΩ-cm para a resistividade do cobre na tecnologia de

22 nm que vai ao encontro dos requerimentos do ITRS [21]

A indutacircncia proacutepria (L) e a muacutetua (M) da interconexatildeo de cobre em escala nanomeacutetrica

satildeo obtidas usando respectivamente as expressotildees (221) e (222)

l

tw

tw

llL o )(220

2

12ln

2

(221)

l

s

s

llM o 1

2ln

2

(222)

em que t eacute a altura do fio microo eacute a permeabilidade e s eacute o espaccedilamento entre os fios [14-16]

A indutacircncia total do cobre (LCu) eacute dada pela soma das indutacircncias proacutepria e muacutetua

13

A capacitacircncia da interconexatildeo de cobre eacute calculada pela soma da capacitacircncia de

acoplamento entre dois fios adjacentes (CC) e a capacitacircncia ligada ao plano do terra (Cg)

[14-16] Essas capacitacircncias podem ser obtidas pelas equaccedilotildees (223) e (224) [1541]

120760193

534511171

70222

ht

t

hs

s

hs

s

h

wCg (223)

181160141090

980871161

591740

062141

sh

h

sw

w

sw

w

sh

h

s

tCC (224)

em que s eacute o espaccedilamento entre dois fios adjacentes h eacute a distacircncia do fio em relaccedilatildeo ao

plano do terra e ε eacute a permissividade relativa para uma dada constante dieleacutetrica

Considerando as equaccedilotildees (223) e (224) e de acordo com [1321] para uma constante

dieleacutetrica igual a 2 o valor da capacitacircncia total do cobre (CCu) eacute aproximadamente 150

aFμm que seraacute utilizado neste trabalho

Os modelos em L em π e em T satildeo usados como modelos de interconexatildeo de cobre [11]

Como o modelo π eacute muito utilizado para uma linha distribuiacuteda [1416] este modelo seraacute

usado neste trabalho A Figura 27 mostra o modelo de interconexatildeo de cobre [11]

Figura 27 ndash Modelo de interconexatildeo de cobre

A precisatildeo do modelo eacute determinada pelo nuacutemero de seguimentos bdquoN‟ que ele possui Uma

cadeia com mais de trecircs segmentos em π fornece um erro menor que 3 [16] Neste

trabalho seratildeo utilizados trecircs segmentos em π

14

22 INVERSOR MONO-ELEacuteTRON

Os dispositivos de tunelamento mono-eleacutetron satildeo dispositivos nanoeletrocircnicos

potencialmente aplicaacuteveis em circuitos integrados em escala giga (GSI) e tera (TSI)

Apesar de apresentarem baixo ganho e alta impedacircncia de saiacuteda estes dispositivos

possuem tamanho reduzido e baixa dissipaccedilatildeo de potecircncia Estas caracteriacutesticas os tornam

atrativos em circuitos loacutegicos e circuitos de memoacuteria [1-10] Assim portas loacutegicas podem

ser implementadas utilizando dispositivos de tunelamento mono-eleacutetron [14-9]

As portas loacutegicas satildeo blocos de construccedilatildeo baacutesicos na eletrocircnica digital O inversor loacutegico

ou porta NOT eacute o principal elemento baacutesico no projeto de circuitos digitais [42] O

inversor inverte o sinal de entrada de valor loacutegico baixo ndash 0 ndash em um sinal de saiacuteda de

valor loacutegico alto ndash 1 ndash e vice-versa [442] Em outras palavras a porta NOT efetua a

negaccedilatildeo loacutegica O siacutembolo do inversor juntamente com sua tabela verdade estaacute ilustrado

na Figura 28

Figura 28 ndash Siacutembolo e tabela verdade da porta NOT

221 Dispositivo de tunelamento mono-eleacutetron

O funcionamento dos dispositivos de tunelamento mono-eleacutetron eacute baseado no controle do

movimento e da posiccedilatildeo de um uacutenico ou de um pequeno grupo de eleacutetrons no dispositivo

[17] Os seguintes conceitos satildeo essenciais na definiccedilatildeo desses dispositivos ilha junccedilatildeo-

tuacutenel tunelamento efeito de carregamento e bloqueio de Coulomb A partir desses

conceitos eacute possiacutevel definir o transistor mono-eleacutetron - SET (do inglecircs Single-electron

transistor) [24-8]

A ilha estaacute localizada entre duas paredes finas de um material normalmente isolante as

quais criam uma barreira de potencial de energia que impossibilita a movimentaccedilatildeo de

eleacutetrons pela ilha A Figura 29 mostra dois eletrodos A e B separados por uma barreira

15

isolante e no meio dessa barreira isolante encontra-se a ilha Se a energia dos eleacutetrons for

maior que a energia potencial das paredes das barreiras estes poderatildeo atravessaacute-las [6] No

dispositivo de tunelamento mono-eleacutetron o transporte de eleacutetrons entre o eletrodo A e a

ilha e entre a ilha e o eletrodo B ocorre por tunelamento mono-eleacutetron em que os eleacutetrons

atravessam as barreiras um de cada vez [10]

Figura 29 Dois eletrodos separados por uma ilha [10]

Esses dispositivos satildeo formados por junccedilotildees-tuacutenel que satildeo dois eletrodos metaacutelicos

separados por um isolante muito fino (barreira) o qual permite a passagem de eleacutetrons por

tunelamento [467] A Figura 210 ilustra a junccedilatildeo-tuacutenel e sua representaccedilatildeo simboacutelica Os

paracircmetros que caracterizam a junccedilatildeo-tuacutenel macroscopicamente satildeo a resistecircncia de

tunelamento (Rj) que depende da aacuterea e da espessura da barreira isolante e a capacitacircncia

(Cj) [10]

Figura 210 Esquemaacutetico da junccedilatildeo-tuacutenel [10]

O tunelamento eacute o transporte de partiacuteculas atraveacutes de uma regiatildeo em que a energia total de

uma partiacutecula pontual claacutessica eacute menor que a energia potencial da regiatildeo ou seja eacute o

transporte atraveacutes de uma regiatildeo classicamente proibida [10] O efeito de tunelamento

ocorre quando a barreira de potencial for suficientemente fina permitindo que o eleacutetron a

atravesse se houver niacutevel de energia desocupado do outro lado da barreira com o mesmo

valor de energia Esse fenocircmeno pode ser explicado pelo comportamento dual do eleacutetron

Diferentemente da mecacircnica claacutessica na teoria eletromagneacutetica quando uma partiacutecula

encontra uma barreira de potencial parte da onda eacute refletida e a outra parte eacute transmitida

para o outro lado da barreira [10] A teoria ortodoxa do tunelamento mono-eleacutetron eacute o

modelo mais utilizado para analisar o tunelamento [4-6] Proposto em 1987 por Averin e

Likharev [43] este modelo apresenta os seguintes postulados

16

Modelo de dimensatildeo zero as dimensotildees das ilhas satildeo despreziacuteveis

O evento de tunelamento eacute considerado instantacircneo

A redistribuiccedilatildeo das cargas apoacutes tunelamento tambeacutem eacute considerada instantacircnea

O espectro de energia em condutores e ilhas eacute considerado contiacutenuo ou seja a

quantizaccedilatildeo da energia do eleacutetron eacute ignorada dentro dos condutores

Apesar de a teoria ortodoxa assumir condiccedilotildees hipoteacuteticas ela continua sendo muito

utilizada em estudos do dispositivo mono-eleacutetron [4-6]

O efeito de carregamento ocorre quando os eleacutetrons estatildeo na iminecircncia de entrar em um

material condutor extremamente pequeno isolado eletricamente (ilha) Se houver um

eleacutetron na ilha o potencial eletrostaacutetico da ilha aumenta bastante sendo bem superior ao

ruiacutedo teacutermico em temperatura ambiente O fluxo de eleacutetrons na ilha eacute possiacutevel se o

potencial da ilha for controlado por uma fonte de tensatildeo externa Outros eleacutetrons satildeo

impedidos de entrar na ilha devido agrave repulsatildeo de Coulomb [14-9]

Assim o bloqueio de Coulomb ocorre quando um eleacutetron entra na ilha e impede o

tunelamento de outro eleacutetron nesta ilha No momento em que o eleacutetron entra na ilha a

energia eletrostaacutetica da ilha aumenta em Ce 22 em que CΣ eacute a soma das capacitacircncias

em torno da ilha [14] Dessa forma outro eleacutetron soacute conseguiraacute tunelar para dentro da ilha

se sua energia for maior que a energia eletrostaacutetica da ilha [6] A Figura 211 ilustra os

diagramas de energia no bloqueio de Coulomb e no caso de tunelamento [10]

(a) (b)

Figura 211 Diagramas de energia (a) Bloqueio de Coulomb (b) Tunelamento mono-

eleacutetron [10]

17

O bloqueio de Coulomb eacute superado ao se aplicar uma tensatildeo Vg ao circuito ateacute que esta

tensatildeo alcance um dado valor de limiar que forneceraacute energia suficiente para que ocorra o

tunelamento de um eleacutetron Assim haveraacute o fluxo de eleacutetrons havendo corrente A Figura

212 mostra a regiatildeo do bloqueio de Coulomb ao aplicar uma tensatildeo Vg ao circuito em que

Vc eacute a tensatildeo de limiar chamada de tensatildeo de bloqueio de Coulomb [5-10]

Figura 212 Caracteriacutestica do bloqueio de Coulomb [10]

Nesse contexto duas condiccedilotildees satildeo necessaacuterias para garantir que o transporte de eleacutetrons

seja controlado pelo efeito de carregamento a condiccedilatildeo para a resistecircncia de tunelamento

dada pela equaccedilatildeo (225) [1] em que a natureza corpuscular do eleacutetron predomina sobre a

natureza ondulatoacuteria e a energia eletrostaacutetica (EC) associada a uma dada temperatura (T)

deve ser significativamente maior que as flutuaccedilotildees teacutermicas existentes agravequela

temperatura como descrita na equaccedilatildeo (226) [146-9] Os paracircmetros h eacute a constante de

Planck e eacute a carga do eleacutetron kB eacute a constante de Boltzmann e C eacute capacitacircncia Na

equaccedilatildeo (226) a temperatura deve ser maior que 0K [10]

kRe

hR TT 825

2 (225)

TkC

eTkEc BB

2

2

(226)

A partir dos conceitos apresentados pode-se definir o transistor mono-eleacutetron O SET

ilustrado na Figura 213 [10] eacute composto por duas junccedilotildees-tuacutenel em seacuterie formando uma

ilha entre as junccedilotildees [246-9] Os paracircmetros R1 C1 e R2 C2 correspondem agraves

resistecircncias e capacitacircncias da primeira e da segunda junccedilatildeo-tuacutenel respectivamente A

tensatildeo de porta Vg controla a energia eletrostaacutetica da ilha atraveacutes da capacitacircncia Cg

18

Quando haacute carregamento por tunelamento de uma junccedilatildeo e descarregamento da outra

junccedilatildeo haacute um fluxo controlado de cargas o que gera a corrente I [10]

Figura 213 Transistor mono-eleacutetron [10]

Um efeito que pode ser observado na caracteriacutestica da corrente versus tensatildeo do transistor

mono-eleacutetron eacute chamado de oscilaccedilatildeo de Coulomb [24679] Se a tensatildeo V for mantida

constante com CeV e a tensatildeo Vg for aumentada ateacute atingir gg CeV 2 esse

valor de tensatildeo permitiraacute que um eleacutetron passe pela ilha Como soacute haveraacute corrente fluindo

no circuito em valores muacuteltiplos da tensatildeo gCe 2 soacute ocorreraacute o tunelamento novamente

quando )2(3 gg CeV A caracteriacutestica corrente (I) versus tensatildeo (Vg) do transistor

mono-eleacutetron eacute ilustrada na Figura 214 [10]

Figura 214 Caracteriacutestica corrente (I) versus tensatildeo (Vg) do transistor mono-eleacutetron [10]

222 Estrutura do inversor mono-eleacutetron

Um inversor pode ser construiacutedo colocando-se dois SETs em seacuterie os quais compartilham

da mesma entrada [5689] conforme mostrado na Figura 215 Vin eacute a tensatildeo de entrada

Vout eacute a tensatildeo de saiacuteda Vbias eacute a tensatildeo de polarizaccedilatildeo CC eacute a capacitacircncia de carga Cg1 e

Cg2 satildeo as capacitacircncias de porta do SET 1 e do SET 2 respectivamente

19

Figura 215 Esquemaacutetico do inversor utilizando SETs (modificado de [4])

Alguns modelos do SET desenvolvidos no software SPICE foram propostos na literatura

[4-7] Destes modelos o proposto por G Lientschnig et al [4] descreve a implementaccedilatildeo

completa da teoria ortodoxa e usa apenas os recursos em versotildees disponiacuteveis publicamente

do software SPICE Este modelo diferentemente dos modelos propostos em [5-7] natildeo estaacute

limitado a transistores mono-eleacutetron com junccedilotildees-tuacutenel que tecircm resistecircncias iguais Aleacutem

disso pode ser estendido para incluir um nuacutemero arbitraacuterio de estados de carga que

permite simulaccedilotildees definidas para altas temperaturas e tensotildees de polarizaccedilatildeo [4] O

modelo de G Lientschnig et al estaacute disponiacutevel no siacutetio eletrocircnico [44] Assim este foi o

modelo utilizado neste trabalho

23 CLOCKING DE SISTEMAS DE ALTA VELOCIDADE

Em sistemas digitais siacutencronos o sinal do clock eacute utilizado para definir uma referecircncia de

tempo agrave mudanccedila de dados dentro do sistema [1145] Assim a distribuiccedilatildeo do clock eacute de

suma importacircncia na operaccedilatildeo de circuitos integrados digitais sendo uma grande

preocupaccedilatildeo em circuitos integrados de alta velocidade [46-51] Circuitos em escala

nanomeacutetrica podem ser significativamente limitados devido ao clock skew que ocorre

quando os circuitos natildeo estatildeo equumlidistantes do sinal do clock [11454649-51] Como este

sinal eacute o sinal mais ativo em um chip pode resultar em elevado consumo de potecircncia e

grandes densidades de corrente na rede de interconexotildees do clock [454849]

Dessa forma o sinal do clock deve atingir ao mesmo tempo cada noacute para garantir que a

comutaccedilatildeo seja sincronizada bem como deve ser distribuiacutedo de forma que haja o menor

20

atraso possiacutevel [49] Com esse intuito os seguintes fatores entre outros satildeo fundamentais

no desempenho do clock dispositivos loacutegicos de tecnologia raacutepida (avanccedilada) rede de

distribuiccedilatildeo de clock que minimize o skew e interconexotildees com alto desempenho [11]

Conforme exposto anteriormente os dispositivos nanoeletrocircnicos como os transistores

mono-eleacutetron satildeo potencialmente aplicaacuteveis em circuitos integrados em escala giga (GSI)

e tera (TSI) Estes dispositivos permitem que as funccedilotildees loacutegicas sejam desempenhadas em

um tempo mais raacutepido e com menor atraso Assim satildeo fortes candidatos a serem utilizados

em circuitos integrados com clock

A adequada rede de distribuiccedilatildeo do clock assegura que a comutaccedilatildeo seja sincronizada e

que haja o menor atraso possiacutevel [1145] Aleacutem disso dependendo da arquitetura da rede o

niacutevel de sincronismo do sistema pode aumentar Diferentes tipos de abordagens tecircm sido

desenvolvidos para projetar a rede de distribuiccedilatildeo do clock em sistemas digitais de

circuitos integrados [45] Os buffered trees satildeo muito utilizados na distribuiccedilatildeo

equipotencial do clock Aleacutem dessas estruturas assimeacutetricas arquiteturas simeacutetricas como

o H-tree satildeo usadas para distribuir sinais de clock em alta velocidade podendo inclusive

ser projetadas com buffers [45-51] Algumas formas de rede de distribuiccedilatildeo do clock estatildeo

ilustradas na Figura 216 incluindo a trunk tree mesh e H-tree [45]

Figura 216 Estruturas comuns de redes de distribuiccedilatildeo de clock [45]

21

Atualmente as interconexotildees de cobre satildeo bastante utilizadas para circuitos de alto

desempenho como em redes de clock No entanto os CNTs apresentam caracteriacutesticas que

os tornam melhores para serem utilizados em interconexotildees descritas na subseccedilatildeo 221

[48] Neste trabalho seraacute realizada a comparaccedilatildeo entre interconexotildees de cobre e de CNT

na rede de distribuiccedilatildeo do H-tree clock

231 H-Tree Clock

O clock skew pode ser minimizado distribuindo-se o sinal do clock de forma que as

interconexotildees que levam o sinal aos circuitos loacutegicos tecircm o mesmo comprimento Se antes

de chegarem aos circuitos loacutegicos os sinais do clock forem igualmente atrasados eles

estaratildeo perfeitamente sincronizados [1145] Dessa forma o esquemaacutetico da Figura 217 de

distribuiccedilatildeo do clock minimiza o clock skew repetindo recursivamente uma estrutura em

forma de H [11] A Figura 217 ilustra uma rede H-tree simeacutetrica com trecircs niacuteveis [46]

Figura 217 Esquemaacutetico do H-tree clock simeacutetrico (modificado de [46])

Na estrutura do H-tree o condutor primaacuterio do clock estaacute ligado ao centro do H principal

(1ordm niacutevel) transmitindo o sinal para os quatro cantos deste H Esses quatro cantos satildeo as

entradas para o proacuteximo niacutevel do H-tree o 2ordm niacutevel que possui quatro estruturas em H O

processo de distribuiccedilatildeo continua por vaacuterios niacuteveis de H‟s cada vez menores Os pontos de

destino final do H-tree satildeo usados para conduzir os circuitos locais Assim cada caminho

do clock desde a fonte ateacute o circuito local possui praticamente o mesmo atraso [45]

22

24 MEDIDAS DE DESEMPENHO NA ANAacuteLISE DAS INTERCONEXOtildeES

As interconexotildees em circuitos integrados possuem caracteriacutesticas que modificam o sinal de

entrada O efeito das interconexotildees pode provocar atrasos e distorccedilotildees indesejaacuteveis Nesse

contexto eacute necessaacuterio analisar medidas de desempenho dos sinais sob efeito das

interconexotildees tais como velocidade maacutexima atenuaccedilatildeo tempo de atraso potecircncia

dissipada produto atraso-potecircncia e slew rate [111317202342]

241 Velocidade maacutexima - anaacutelise na frequumlecircncia

A velocidade maacutexima que as interconexotildees podem operar sem distorcer o sinal de entrada

eacute uma medida de desempenho importante [172023] Eacute possiacutevel analisar este paracircmetro

atraveacutes da frequumlecircncia maacutexima de operaccedilatildeo da interconexatildeo que eacute a largura de banda em

que o sinal comeccedila a decair em -3dB em relaccedilatildeo ao sinal de referecircncia [1742] Assim

utiliza-se a anaacutelise do moacutedulo do graacutefico de Bode para obter a frequumlecircncia de operaccedilatildeo em

-3dB [42] A Figura 218 mostra o esboccedilo do moacutedulo do ganho pela frequumlecircncia tiacutepico do

comportamento de interconexotildees

Figura 218 Graacutefico do moacutedulo do ganho pela frequumlecircncia tiacutepico do comportamento de

interconexotildees

23

242 Atenuaccedilatildeo

A transmissatildeo de um sinal pode ser expressa em funccedilatildeo do seu ganho ou da sua atenuaccedilatildeo

No caso em estudo as interconexotildees podem atenuar o sinal Essa atenuaccedilatildeo eacute geralmente

calculada pela expressatildeo (227) em que Vo eacute o sinal de saiacuteda e Vi eacute o sinal de entrada [42]

i

o

V

VA log20 (227)

243 Tempo de atraso

O tempo de atraso td ou atraso na propagaccedilatildeo ocorre devido ao

carregamentodescarregamento da capacitacircncia de carga bem como ao tempo de

chaveamento dos transistores [42]

O tempo de atraso eacute obtido pela diferenccedila entre o tempo medido a 50 da transiccedilatildeo dos

sinais de entrada e de saiacuteda [11] Em circuitos loacutegicos o atraso na propagaccedilatildeo pode ser

calculado pela meacutedia aritmeacutetica do tempo de propagaccedilatildeo do sinal de alto para baixo tPHL e

do tempo de propagaccedilatildeo do baixo para alto tPLH conforme equaccedilatildeo (228) [1142]

2

PLHPHLd

ttt

(228)

244 Potecircncia dissipada

A dissipaccedilatildeo de potecircncia eacute outra medida de desempenho bastante importante em circuitos

integrados em escala GSI e TSI Isso ocorre jaacute que ao aumentar o nuacutemero de portas

loacutegicas em uma determinada aacuterea ocupada eacute necessaacuterio que a dissipaccedilatildeo de potecircncia esteja

dentro de limites aceitaacuteveis [1142]

A dissipaccedilatildeo de potecircncia eacute composta por dois componentes potecircncia estaacutetica e potecircncia

dinacircmica A dissipaccedilatildeo de potecircncia estaacutetica eacute dada por IVP DDE e ocorre mesmo que

natildeo haja chaveamento de porta loacutegica no circuito devido ao efeito da resistecircncia do

circuito [42] A dissipaccedilatildeo de potecircncia dinacircmica eacute devido agrave capacitacircncia de carga do

24

circuito expressa por CVfP DDD 2 em que VDD eacute a tensatildeo de alimentaccedilatildeo f eacute

frequumlecircncia do circuito e C eacute a capacitacircncia de carga do circuito [1142] Assim a soma da

potecircncia dinacircmica e da potecircncia estaacutetica resulta na potecircncia total dissipada no circuito

245 Produto atraso-potecircncia

Em circuitos integrados o ideal eacute que se tenha baixo atraso na propagaccedilatildeo resultando em

uma maior velocidade de funcionamento do circuito bem como baixa dissipaccedilatildeo de

potecircncia No entanto essas duas exigecircncias satildeo conflitantes ao reduzirmos a dissipaccedilatildeo de

potecircncia de uma porta a capacidade da porta em fornecer corrente diminuiraacute isso

implicaraacute em um maior tempo de carga e descarga aumentando o atraso na propagaccedilatildeo

Assim o produto atraso-potecircncia (delay power product ndash DP) eacute uma medida de

desempenho bastante utilizada na anaacutelise de circuitos e eacute dado por dD tPDP Quanto

menor o produto atraso-potecircncia maior a eficiecircncia do circuito loacutegico [42]

246 Slew rate

A taxa maacutexima de variaccedilatildeo da tensatildeo de saiacuteda do inglecircs slew rate (SR) eacute uma

caracteriacutestica importante do sinal de saiacuteda de um circuito loacutegico A limitaccedilatildeo na taxa de

variaccedilatildeo pode provocar uma distorccedilatildeo no funcionamento do circuito O SR pode ser

calculado pela expressatildeo (229) em que Δv eacute a variaccedilatildeo da tensatildeo de saiacuteda do sinal para

uma determinada variaccedilatildeo de tempo Δt [42]

t

vSR

(229)

25 LTSPICE

O software LTSPICE eacute um simulador SPICE de alto desempenho orientado a

esquemaacuteticos e visualizador de formas de onda com modelos para facilitar a simulaccedilatildeo de

circuitos eletrocircnicos Se comparado aos outros simuladores SPICE a simulaccedilatildeo do

LTSPICE eacute bastante raacutepida O software consegue simular dispositivos de acordo com o

padratildeo industrial reproduzindo os seus comportamentos [52]

25

O LTSPICE possui vaacuterias possibilidades de simulaccedilatildeo como anaacutelise transiente anaacutelise AC

e anaacutelise DC bem como permite a simulaccedilatildeo de vaacuterios dispositivos disponiacuteveis na sua

biblioteca Aleacutem disso este software possibilita a elaboraccedilatildeo de novos esquemaacuteticos

atraveacutes de um modelo matemaacutetico ou eletrocircnico proposto O novo componente poderaacute ser

utilizado no circuito conforme seraacute feito neste trabalho utilizando-se o modelo SPICE do

SET proposto por G Lientschnig et al[4]

26

3 METODOLOGIA

31 INTRODUCcedilAtildeO

A miniaturizaccedilatildeo das interconexotildees prejudica o seu desempenho resultando no aumento

significativo do valor da resistividade da capacitacircncia de acoplamento entre vias na

dificuldade de controlar a razatildeo entre a altura e a largura do material entre outros

problemas A fim de analisar o desempenho das interconexotildees eacute necessaacuterio verificar

algumas variaacuteveis importantes como velocidade maacutexima (f-3dB) atenuaccedilatildeo (A) tempo de

atraso (td) potecircncia dissipada (P) produto atraso-potecircncia (DP) e slew rate (SR)

[111317202342]

32 ETAPAS E ESTRATEacuteGIAS ADOTADAS

Com o intuito de analisar o efeito das interconexotildees em circuitos com transistores mono-

eleacutetron foi realizada primeiramente a anaacutelise das interconexotildees de SWCNT de SWCNT

bundle e de cobre isoladamente para diferentes valores de comprimento Apoacutes a avaliaccedilatildeo

desses resultados o efeito das interconexotildees foi analisado no H-tree clock com inversores

mono-eleacutetron nos seus terminais tambeacutem considerando diferentes comprimentos Neste

trabalho a tecnologia de 22 nm prevista para o ano de 2016 [21] foi utilizada na

comparaccedilatildeo entre o desempenho do cobre e do CNT Todas as simulaccedilotildees foram realizadas

utilizando o software LTSPICE

321 Simulaccedilatildeo das interconexotildees

A partir dos modelos das interconexotildees de SWCNT SWCNT bundle e cobre apresentados

na subseccedilatildeo 213 diferentes comprimentos das interconexotildees foram simulados Assim

analisou-se as interconexotildees locais em que l le 1 μm e as intermediaacuterias em que 1 μm lt l

le 500 μm sabendo que l eacute o comprimento da interconexatildeo [29-31333638]

A fim de analisar a frequumlecircncia de corte este foi obtido para comprimentos de

interconexotildees locais (10nm 100nm 200nm 300nm 400nm 500nm 600nm 700nm

27

800nm 900nm 1μm) e interconexotildees intermediaacuterias (10μm 100μm 200μm 300μm

400μm 500μm)

Jaacute que λCNT eacute tipicamente 1 μm foram escolhidos trecircs comprimentos na faixa lCNT le λCNT

(10 nm 100 nm e 1 μm) e trecircs comprimentos na faixa lCNT gt λCNT (10 μm 100 μm 500

μm) para serem analisados detalhadamente Escolheu-se uma mesma frequecircncia abaixo da

frequecircncia de corte dos trecircs materiais considerados para analisar e comparar a atenuaccedilatildeo

(A) e o tempo de atraso na propagaccedilatildeo (td) dos diferentes comprimentos

Em seguida o mesmo procedimento foi feito para comparar somente o SWCNT bundle e o

cobre para uma mesma frequecircncia cujo valor eacute maior que a frequecircncia da anaacutelise anterior

permitindo que estes dois materiais sejam analisados detalhadamente

Essas anaacutelises foram realizadas a partir da simulaccedilatildeo do circuito da Figura 31 [2325] A

tensatildeo de entrada Vin eacute uma onda quadrada de 1V de amplitude e o capacitor de carga tem

o valor de 100 aF

Figura 31 ndash Circuito simulado para cada interconexatildeo

A Figura 32 mostra o fluxograma das etapas descritas nesta subseccedilatildeo 321

28

Figura 32 ndash Fluxograma das etapas seguidas na simulaccedilatildeo das interconexotildees

322 Simulaccedilatildeo do inversor mono-eleacutetron

Para utilizar a porta inversora da Figura 215 nos terminais do H-tree clock foi necessaacuterio

primeiramente simular o SET proposto por [4] Essa simulaccedilatildeo foi feita variando os

paracircmetros do SET como as resistecircncias e capacitacircncias das junccedilotildees as capacitacircncias de

porta a temperatura etc Os paracircmetros foram variados ateacute simular o SET a temperatura

de 300K Em seguida simulou-se a inversora da Figura 215 tambeacutem a temperatura

ambiente Dessa forma foi possiacutevel simular a inversora isoladamente obtendo as

caracteriacutesticas do sinal de saiacuteda

323 Simulaccedilatildeo do H-tree clock mono-eleacutetron

Apoacutes a simulaccedilatildeo do SET foi possiacutevel simular o H-tree clock A rede H-tree de dois niacuteveis

foi simulada com um H no primeiro niacutevel e quatro H‟s no segundo niacutevel [49] Nos pontos

de destino final da rede foram colocadas portas inversoras formadas por SETs permitindo

a anaacutelise de circuitos nanoeletrocircnicos

Modelos de SWCNT

SWCNT bundle e cobre

Obtenccedilatildeo dos paracircmetros dos modelos para

interconexotildees locais e interconexotildees intermediaacuterias

Para cada comprimento

obtenccedilatildeo de f-3dB

1ordm) Escolha de frequumlecircncia abaixo

da f-3dB do SWCNT SWCNT

bundle e cobre

2ordm) Escolha de frequumlecircncia abaixo

da f-3dB do SWCNT bundle e

cobre

Obtenccedilatildeo de A e td de

cada modelo

Obtenccedilatildeo de A e td de

cada modelo

Anaacutelise comparativa entre o

SWCNT SWCNT bundle e

cobre

Anaacutelise comparativa entre o

SWCNT bundle e cobre

Estudo de interconexotildees locais (10nm

100nm 1μm) e intermediaacuterias (10μm

100μm 500μm)

29

A partir da simulaccedilatildeo do H-tree clock obteve-se a frequecircncia em -3dB (f-3dB) da rede com

interconexotildees ideais Assim a rede H-tree foi entatildeo simulada para duas frequecircncias

diferentes do sinal de entrada abaixo da frequecircncia de -3dB 10 GHz e 100 GHz Com

essas simulaccedilotildees obtiveram-se as seguintes caracteriacutesticas do sinal de saiacuteda da inversora

niacutevel loacutegico baixo (NB) niacutevel loacutegico alto (NA) tempo de subida (tr) slew rate de subida

(SR) atenuaccedilatildeo (A) tempo de atraso (td) potecircncia dissipada (P) e produto atraso-potecircncia

(DP) As caracteriacutesticas obtidas servem como referecircncia para analisar o sinal considerando

interconexotildees natildeo-ideais ou seja incluindo os modelos das interconexotildees nas simulaccedilotildees

Em seguida a rede H-tree foi simulada considerando-se os modelos das interconexotildees de

SWCNT bundle e de cobre variando os seus comprimentos Como cada H da rede de

distribuiccedilatildeo deve ser simeacutetrico considerou-se que cada divisatildeo do H tem o mesmo

comprimento para cada niacutevel da rede [11] A Figura 33 mostra o comprimento dos

diferentes trechos da rede Assim o comprimento de cada divisatildeo dos H‟s do segundo

niacutevel eacute a metade do comprimento de cada divisatildeo do H do primeiro niacutevel Jaacute que o objetivo

eacute simular circuitos em escala nanomeacutetrica escolheu-se trecircs variaccedilotildees de comprimento

menores ou iguais a 1μm

l = 100 nm l2 = 50 nm

l = 400 nm l2 = 200 nm

l = 1 μm l2 = 500 nm

Figura 33 ndash Esquemaacutetico do H-tree clock com os comprimentos de cada seguimento

Dessa forma cada um dos trecircs circuitos foi simulado obtendo-se a frequecircncia em -3dB na

entrada das portas inversoras Em seguida as trecircs redes foram simuladas para as mesmas

30

duas frequumlecircncias do sinal de entrada (10 GHz e 100 GHz) de forma a obter as

caracteriacutesticas do sinal de saiacuteda descritas anteriormente considerando agora o efeito das

interconexotildees

Por fim a partir dos dados obtidos foram realizadas comparaccedilotildees entre as caracteriacutesticas

do sinal de saiacuteda de referecircncia (interconexotildees ideais) e o sinal de saiacuteda dos circuitos com as

interconexotildees natildeo-ideais bem como entre o comportamento das interconexotildees de SWCNT

bundle e de cobre nas diferentes frequecircncias

A Figura 34 mostra o fluxograma das etapas descritas nas subseccedilotildees 322 e 323

Figura 34 ndash Fluxograma das etapas seguidas na simulaccedilatildeo do H-tree clock

H-tree clock mono-eleacutetron

Simulaccedilatildeo do H-tree clock com

interconexotildees ideais Obtenccedilatildeo de f-3dB

da inversora

Simulaccedilatildeo do H-tree clock com

interconexotildees natildeo-ideais para os seguintes

comprimentos

l = 100 nm l2 = 50 nm

l = 400 nm l2 = 200 nm

l = 1 μm l2 = 500 nm

Validaccedilatildeo do SET e do

inversor mono-eleacutetron a

300K

Sinal de entrada a

10 GHz

Sinal de entrada a

100 GHz

Obtenccedilatildeo de NB

NA tr SR A td P e

DP do sinal de saiacuteda

da inversora

Obtenccedilatildeo de NB

NA tr SR A td P e

DP do sinal de saiacuteda

da inversora

Sinal de entrada a

10 GHz

Sinal de entrada a

100 GHz

Obtenccedilatildeo de NB

NA tr SR A td P e

DP do sinal de saiacuteda

da inversora

Obtenccedilatildeo de NB

NA tr SR A td P e

DP do sinal de saiacuteda

da inversora

Anaacutelise comparativa

dos dados obtidos

31

4 RESULTADOS E ANAacuteLISES

41 INTRODUCcedilAtildeO

Neste capiacutetulo seratildeo apresentados os procedimentos adotados e os resultados obtidos na

simulaccedilatildeo das interconexotildees SWCNT SWCNT bundle e cobre As etapas descritas na

metodologia foram seguidas obtendo-se os resultados das simulaccedilotildees das interconexotildees e

das simulaccedilotildees do H-tree clock mono-eleacutetron para interconexotildees ideais e natildeo-ideais A

partir dos resultados a anaacutelise do desempenho das interconexotildees seraacute apresentada

42 ANAacuteLISE DAS INTERCONEXOtildeES

Nesta seccedilatildeo a anaacutelise das interconexotildees de SWCNT SWCNT bundle e cobre na

tecnologia de 22 nm para diferentes comprimentos seraacute realizada Para isso analisou-se

as interconexotildees locais em que l le 1 μm e as intermediaacuterias em que 1 μm lt l le 500 μm

sabendo que l eacute o comprimento da interconexatildeo [29-31333638] Como λCNT eacute

tipicamente 1 μm trecircs comprimentos na faixa lCNT le λCNT (10 nm 100 nm e 1 μm) e trecircs

comprimentos na faixa lCNT gt λCNT (10 μm 100 μm 500 μm) de cada material seratildeo

analisados detalhadamente Os paracircmetros obtidos a partir dos modelos de SWCNT

SWCNT bundle e cobre estatildeo respectivamente nas Tabelas 71 72 e 73 do Apecircndice

421 Interconexotildees locais

Primeiramente a partir da simulaccedilatildeo da Figura 31 obteve-se a frequecircncia em -3dB (f-3dB)

das interconexotildees locais (lCNT le λCNT ) isto eacute a sua banda passante de forma a verificar a

velocidade maacutexima que cada interconexatildeo suporta A Figura 41 ilustra o comportamento

da frequecircncia das interconexotildees locais para os diferentes comprimentos Como o SWCNT

isolado possui valores de frequecircncia na faixa de centenas de giga Hertz ou seja menos de

um tera Hertz os valores de suas frequecircncias tambeacutem podem ser visualisados na Tabela

74 do Apecircndice

Verifica-se que agrave medida que o comprimento da interconexatildeo aumenta a frequecircncia

diminui Isso ocorre jaacute que os valores da capacitacircncia e indutacircncia aumentam com o

aumento do comprimento da interconexatildeo Esses paracircmetros satildeo decisivos no sinal de

32

saiacuteda sendo o sinal mais distorcido quanto maior for o valor desses paracircmetros Observa-

se que o SWCNT bundle e o cobre possuem banda passante maiores que o SWCNT

isolado para qualquer comprimento Aleacutem disso o SWCNT bundle soacute possui uma banda

passante comparaacutevel ao do cobre para comprimentos acima de 700 nm

Frequecircncia X Comprimento

0

10

20

30

40

50

60

100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

Comprimento (nm)

f -3d

B (

TH

z)

SWCNT Isolado

SWCNT bundle

Cobre

Figura 41 ndash Frequumlecircncia versus comprimento das interconexotildees locais

As interconexotildees locais de 10 nm 100 nm e 1 μm de comprimento foram analisadas

detalhadamente A Tabela 41 mostra a frequecircncia em -3dB de cada material para os

comprimentos em anaacutelise

Tabela 41 Frequecircncia em -3dB de cada material para lCNT le λCNT

Interconexatildeo Local Comprimento (L) Material f-3dB

SWCNT isolado 253 GHz

10nm SWCNT bundle 66 THz

Cobre 232 THz

SWCNT isolado 300 GHz

lCNT le λCNT 100nm SWCNT bundle 20 THz

Cobre 51 THz

SWCNT isolado 230 GHz

1microm SWCNT bundle 47 THz

Cobre 42 THz

Assim escolheu-se uma mesma frequecircncia abaixo da frequecircncia de corte dos trecircs

materiais considerados para analisar e comparar a atenuaccedilatildeo (A) e o tempo de atraso na

propagaccedilatildeo (td) dos trecircs comprimentos Isso permite verificar o comportamento do sinal na

banda passante A Tabela 42 mostra esse estudo comparativo entre o SWCNT isolado

SWCNT bundle e cobre agrave frequecircncia de 200 GHz

33

Tabela 42 Estudo das interconexotildees com comprimentos na faixa lCNT le λCNT

Freq L Material A (dB) td (ps)

SWCNT isolado -210 046

10nm SWCNT bundle 001 000

Cobre 000 000

SWCNT isolado -155 051

200 GHz 100nm SWCNT bundle 001 000

Cobre 001 000

SWCNT isolado -039 107

1microm SWCNT bundle 006 001

Cobre 000 007

A partir da anaacutelise da Tabela 42 eacute possiacutevel observar agrave frequumlecircncia de 200 GHz a

atenuaccedilatildeo do sinal e o atraso do SWCNT isolado Nessa frequumlecircncia o atraso do SWCNT

isolado eacute significativo em relaccedilatildeo ao periacuteodo do sinal que eacute 5ps jaacute que o menor atraso

(para l = 10nm) eacute aproximadamente 10 do periacuteodo do sinal de entrada No entanto para

esta mesma frequumlecircncia observa-se que a atenuaccedilatildeo e o atraso do SWCNT bundle e do

cobre satildeo insignificantes Isto indica que estes dois materiais possuem melhor

desempenho sendo favoraacuteveis para serem utilizados em interconexotildees locais

Dessa forma para analisar melhor a atenuaccedilatildeo e o tempo de atraso do SWCNT bundle e do

cobre o mesmo procedimento foi feito comparando-se somente estes dois materiais para

uma mesma frequecircncia de 1 THz A Tabela 43 mostra esse estudo comparativo entre o

SWCNT bundle e cobre

Tabela 43 Estudo das interconexotildees SWCNT bundle e cobre com comprimentos na faixa

lCNT le λCNT

Freq L Material A (dB) td (fs)

10nm SWCNT bundle 001 113

Cobre 000 022

1 THz 100nm SWCNT bundle 006 136

Cobre 001 240

1microm SWCNT bundle 145 647

Cobre -013 5623

Analisando a Tabela 43 observa-se que agrave frequumlecircncia de 1 THz a atenuaccedilatildeo do sinal e o

atraso aumentam agrave medida que o comprimento das interconexotildees aumentam A partir do

comprimento de 100nm o tempo de atraso da interconexatildeo de cobre eacute maior que o do

SWCNT bundle cujo maior valor de atraso (para l = 1microm) natildeo chega a 1 do periacuteodo do

34

sinal de entrada (1ps) Isso mostra que apesar de a banda passante do cobre ser maior o

atraso do SWCNT bundle eacute menor Dessa forma para as interconexotildees locais o SWCNT

bundle possui desempenho comparaacutevel ao do cobre [13]

Em relaccedilatildeo agrave atenuaccedilatildeo verifica-se que para alguns comprimentos este tem valor

positivo Isso ocorre principalmente quando haacute um pico no graacutefico da frequumlecircncia antes dele

comeccedilar a decair Esse pico eacute devido ao efeito ressonante provocado pela indutacircncia

quando este possui valor comparaacutevel agrave resistecircncia e agrave capacitacircncia da interconexatildeo [53]

Assim esse efeito ressonante foi observado somente nas interconexotildees locais de SWCNT

bundle e de cobre A Figura 42 ilustra o graacutefico da magnitude pela frequumlecircncia do SWCNT

isolado SWCNT bundle e cobre para o comprimento de 100nm Observa-se o efeito

ressonante nos graacuteficos do SWCNT bundle e do cobre

Figura 42 ndash Graacuteficos da magnitude das interconexotildees de SWCNT isolado (superior)

SWCNT bundle (meio) e cobre (inferior) com comprimento de 100nm

35

422 Interconexotildees intermediaacuterias

Assim como para as interconexotildees locais obteve-se a frequecircncia em -3dB (f-3dB) das

interconexotildees intermediaacuterias (lCNT gt λCNT) de forma a verificar a velocidade maacutexima que

cada interconexatildeo suporta A Figura 43 ilustra o comportamento da frequecircncia das

interconexotildees intermediaacuterias para os diferentes comprimentos Os valores das frequecircncias

de cada interconexatildeo tambeacutem podem ser visualisados na Tabela 75 do Apecircndice

Como nas interconexotildees locais agrave medida que o comprimento da interconexatildeo aumenta a

frequecircncia diminui Aleacutem disso o SWCNT bundle e o cobre possuem desempenho melhor

que o do SWCNT isolado para qualquer comprimento No entanto para interconexotildees

intermediaacuterias o SWCNT bundle possui banda passante maior que a do cobre para

qualquer comprimento

Frequecircncia X Comprimento

00

05

10

15

20

25

30

35

40

45

100 200 300 400 500

Comprimento (μm)

f -3d

B (

GH

z)

SWCNT isolado

SWCNT bundle

Cobre

Figura 43 ndash Frequumlecircncia versus comprimento das interconexotildees intermediaacuterias

As interconexotildees intermediaacuterias de 10 μm 100 μm e 500 μm de comprimento foram entatildeo

analisadas detalhadamente A Tabela 44 mostra a frequecircncia em -3dB de cada materal

para os diferentes comprimentos em anaacutelise

36

Tabela 44 Frequecircncia em -3dB de cada material para lCNT gt λCNT

Interconexatildeo

Intermediaacuteria

Comprimento (L) Material f-3dB

SWCNT isolado 26 GHz

10 microm SWCNT bundle 527 GHz

Cobre 34 GHz

SWCNT isolado 32 MHz

lCNT gt λCNT 100 microm SWCNT bundle 42 GHz

Cobre 345 MHz

SWCNT isolado 13 MHz

500 microm SWCNT bundle 165 MHz

Cobre 14 MHz

Escolheu-se a frequecircncia de 1 MHz que estaacute abaixo da frequecircncia de corte dos trecircs

materiais considerados para analisar e comparar a atenuaccedilatildeo (A) e o tempo de atraso na

propagaccedilatildeo (td) dos trecircs comprimentos A Tabela 45 mostra esse estudo comparativo entre

o SWCNT isolado SWCNT bundle e cobre

Tabela 45 Estudo das interconexotildees com comprimentos na faixa lCNT gt λCNT

Freq L Material A (dB) td (ns)

SWCNT isolado -002 008

10 microm SWCNT bundle 000 000

Cobre 000 000

SWCNT isolado -003 559

1 MHz 100 microm SWCNT bundle -001 005

Cobre -004 056

SWCNT isolado -198 10217

500 microm SWCNT bundle 000 110

Cobre -003 1301

Com base na Tabela 45 observa-se que a atenuaccedilatildeo e o tempo de atraso do SWCNT

isolado aumentam com o aumento do comprimento da interconexatildeo Nessa frequumlecircncia o

atraso na propagaccedilatildeo do SWCNT isolado eacute significativo em relaccedilatildeo ao periacuteodo do sinal de

entrada que eacute 1micros chegando a mais de 10 deste periacuteodo para o comprimento de 500microm

Verifica-se tambeacutem o aumento do tempo de atraso da interconexatildeo de cobre sendo 13

do periacuteodo do sinal de entrada para o comprimento de 500microm

Para analisar melhor a atenuaccedilatildeo e o tempo de atraso do SWCNT bundle e do cobre o

mesmo procedimento foi feito comparando-se somente estes dois materiais para uma

37

mesma frequecircncia de 10 MHz A Tabela 46 mostra esse estudo comparativo entre o

SWCNT bundle e cobre

Tabela 46 Estudo das interconexotildees SWCNT bundle e cobre com comprimentos na faixa

lCNT gt λCNT

Freq L Material A (dB) td (ns)

10 microm SWCNT bundle 000 000

Cobre 000 000

10 MHz 100 microm SWCNT bundle -001 005

Cobre -004 054

500 microm SWCNT bundle -004 107

Cobre -185 1024

Analisando a Tabela 46 observa-se que agrave medida que o comprimento das interconexotildees

aumenta a atenuaccedilatildeo e o atraso do sinal da interconexatildeo de cobre tornam-se significativos

O atraso na propagaccedilatildeo da interconexatildeo de cobre para l = 500microm chega a 10 do periacuteodo

do sinal de entrada (100ns) Jaacute o SWCNT bundle apresenta valores insignificantes de

atenuaccedilatildeo e atraso na propagaccedilatildeo Assim para as interconexotildees intermediaacuterias o SWCNT

bundle possui desempenho superior ao do cobre

43 SIMULACcedilAtildeO DO INVERSOR MONO-ELEacuteTRON

O modelo SPICE do SET proposto por G Lientschnig et al [444] foi simulado no

LTSPICE A partir da equaccedilatildeo (226) foi possiacutevel aumentar a temperatura do SET ateacute

chegar a 300K Assim o esquemaacutetico do SET e os valores de seus paracircmetros para que o

SET opere a 300K estatildeo na Figura 44 No anexo deste trabalho (subseccedilatildeo 81) encontra-

se o coacutedigo SET que foi utilizado [44] Os paracircmetros R1 C1 e R2 C2 correspondem agraves

resistecircncias e capacitacircncias das junccedilotildees-tuacutenel Cg eacute a capacitacircncia de porta (Cg1 no coacutedigo

SET) Vg eacute a tensatildeo de porta e V eacute a tensatildeo de entrada

Figura 44 Esquemaacutetico do SET e os valores de seus paracircmetros

38

A partir destes valores o inversor mono-eleacutetron foi construiacutedo colocando-se dois SETs em

seacuterie os quais compartilham da mesma entrada A Figura 45 ilustra o esquemaacutetico do

inversor mono-eleacutetron juntamente com os valores de seus paracircmetros fixos em que Vin eacute a

tensatildeo de entrada Vout eacute a tensatildeo de saiacuteda Vbias eacute a tensatildeo de polarizaccedilatildeo Cc eacute a

capacitacircncia de carga Cg1 e Cg2 satildeo as capacitacircncias de porta do SET 1 e do SET 2

respectivamente

Figura 45 Esquemaacutetico do inversor mono-eleacutetron e os valores de seus paracircmetros

(modificado de [4])

Assim apoacutes simular o inversor mono-eleacutetron a 300K obteve-se o sinal de saiacuteda mostrado

na Figura 46 Como o inversor estaacute invertendo o sinal de entrada de valor loacutegico baixo em

um sinal de saiacuteda de valor loacutegico alto ele estaacute operando corretamente

Figura 46 Curva do sinal de entrada (em verde) e do sinal de saiacuteda (em preto) do inversor

mono-eleacutetron

39

44 ANAacuteLISE DAS INTERCONEXOtildeES NO H-TREE CLOCK MONO-ELEacuteTRON

Nesta seccedilatildeo a rede H-tree clock de dois niacuteveis foi simulada com portas inversoras mono-

eleacutetron nos pontos de destino final da rede permitindo a anaacutelise de circuitos

nanoeletrocircnicos Simulou-se a rede H-tree considerando interconexotildees ideais para as

frequecircncias de 10 GHz e 100 GHz no sinal de entrada Em seguida para as mesmas duas

frequecircncias considerou-se interconexotildees natildeo-ideais de diferentes comprimentos

analisando a rede com os modelos de interconexatildeo SWCNT bundle e cobre Trecircs redes

com comprimentos de interconexotildees diferentes foram analisadas

l = 100 nm l2 = 50 nm

l = 400 nm l2 = 200 nm

l = 1 μm l2 = 500 nm

441 Anaacutelise da rede com interconexotildees ideais

A partir da simulaccedilatildeo do H-tree clock a frequecircncia em -3dB (f-3dB) da rede com

interconexotildees ideais foi obtida Na saiacuteda de cada porta inversora a banda passante do sinal

eacute 3200 GHz Dessa forma duas frequecircncias abaixo de 3200 GHz foram escolhidas para

analisar o sinal de saiacuteda da inversora em condiccedilotildees ideais As frequecircncias de 10 GHz e

100 GHz seratildeo analisadas obtendo-se as seguintes caracteriacutesticas do sinal de saiacuteda da

inversora niacutevel loacutegico baixo (NB) niacutevel loacutegico alto (NA) tempo de subida (tr) slew rate

de subida (SR) atenuaccedilatildeo (A) e tempo de atraso (td) A Tabela 47 mostra os valores

obtidos para as duas frequecircncias em anaacutelise

Tabela 47 Caracteriacutesticas dos sinais de saiacuteda da rede para interconexotildees ideais

Freq NB(mV) NA(mV) tr (ps) SR(Vns) A(dB) td (ps)

10 GHz 675 4518 356 8636 -264 412

100 GHz 678 4279 317 9088 -269 189

Os caacutelculos da potecircncia estaacutetica ( IVP DDE ) potecircncia dinacircmica ( CVfP DDD 2 ) e

potecircncia total ( DE PPP ) dissipada por cada porta inversora foram realizados bem

como o produto atraso-potecircncia (DP) Assim a Tabela 48 mostra os valores obtidos no

40

caacutelculo destes paracircmetros Como a potecircncia estaacutetica independe da frequecircncia do sinal de

entrada o seu valor eacute o mesmo nos dois casos

Tabela 48 Potecircncia dissipada por cada porta inversora para interconexotildees ideais

Frequecircncia PE (nW) PD (nW) P (nW) DP (10-18

Wmiddots)

10 GHz 4838 125 4963 020

100 GHz 4838 125 6088 012

As Tabelas 47 e 48 serviratildeo de referecircncia para as anaacutelises da rede com interconexotildees natildeo-

ideais analisadas na subseccedilatildeo seguinte As Figuras 47 e 48 ilustram o sinal de saiacuteda das

redes com frequecircncias de 10 GHz e de 100 GHz respectivamente Eacute possiacutevel observar que

na frequecircncia de 100 GHz o sinal de saiacuteda jaacute eacute distorcido em relaccedilatildeo ao sinal de referecircncia

(Figura 46)

Figura 47 Sinal de entrada (em verde) e sinal de saiacuteda (em preto) da rede a 10 GHz

Figura 48 Sinal de entrada (em verde) e sinal de saiacuteda (em preto) da rede a 100 GHz

41

442 Anaacutelise da rede com interconexotildees natildeo-ideais

Apoacutes obter as caracteriacutesticas da rede H-tree clock com interconexotildees ideais a anaacutelise da

rede com interconexotildees natildeo-ideais seraacute feita Primeiramente eacute importante verificar a

frequecircncia em -3dB do sinal depois das interconexotildees ou seja na entrada da porta

inversora Caso essa frequecircncia seja menor que a frequecircncia de 3200 GHz obtida com

interconexotildees ideais entatildeo a interconexatildeo afetaraacute o comportamento da rede A Tabela 49

mostra a frequecircncia em -3dB na entrada da inversora para interconexotildees natildeo-ideais

Tabela 49 Frequecircncia em -3dB na entrada da inversora para interconexotildees natildeo-ideais

Comprimentos (l2 l) Material f-3dB

50nm 100nm SWCNT bundle 122 THz

Cobre 175 THz

200nm 400nm SWCNT bundle 31 THz

Cobre 8606 GHz

500nm 1microm SWCNT bundle 12 THz

Cobre 1268 GHz

Assim verifica-se que a interconexatildeo de cobre da rede 500nm1microm possui frequecircncia em

-3dB abaixo da frequecircncia do circuito com interconexatildeo ideal (3200 GHz) Isso indica que

esta interconexatildeo interfere significativamente no comportamento da rede A Tabela 49

mostra tambeacutem que a banda passante da interconexatildeo de cobre soacute eacute maior que a da

interconexatildeo de SWCNT bundle no primeiro caso na rede de 50nm100nm o que mostra

uma vantagem do SWCNT bundle em relaccedilatildeo ao cobre A partir dessas informaccedilotildees a

rede H-tree clock com interconexotildees natildeo-ideais seraacute analisada detalhadamente

4421 Anaacutelise da rede a 10 GHz

As redes com interconexotildees natildeo-ideais seratildeo analisadas na frequecircncia de 10 GHz para

diferentes comprimentos Primeiramente o niacutevel loacutegico baixo (NB) o niacutevel loacutegico alto

(NA) o tempo de subida (tr) e o slew rate de subida (SR) foram obtidos conforme mostra a

Tabela 410 Com base nessa tabela verifica-se que na frequecircncia de 10 GHz essas

caracteriacutesticas natildeo foram modificadas pelas interconexotildees natildeo-ideais independentemente

do comprimento Os valores dos paracircmetros satildeo iguais aos obtidos na rede com

interconexatildeo ideal conforme Tabela 47 O sinal obtido na saiacuteda de cada inversor eacute igual

ao ilustrado na Figura 47

42

Tabela 410 Niacuteveis loacutegicos tempo de subida e slew rate dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 10 GHz

Freq L (l2l) Material NB(mV) NA(mV) tr(ps) SR(Vns)

10

GHz

50nm

100nm

SWCNT bundle 675 4518 356 8636

Cobre 675 4518 356 8636

200nm

400nm

SWCNT bundle 675 4518 356 8636

Cobre 675 4518 356 8636

500nm

1microm

SWCNT bundle 675 4518 356 8636

Cobre 675 4518 356 8636

A Tabela 411 mostra a atenuaccedilatildeo tempo de atraso potecircncia total dissipada e o produto

atraso-potecircncia obtidos a frequecircncia de 10 GHz para interconexotildees natildeo-ideais Observa-se

que a atenuaccedilatildeo do sinal e a potecircncia total dissipada por cada porta inversora permanecem

os mesmos em relaccedilatildeo agrave interconexatildeo ideal mostrando que a essa frequecircncia as

interconexotildees natildeo-ideais natildeo interferem nestes paracircmetros

Jaacute o atraso na propagaccedilatildeo do sinal no caso do cobre aumenta agrave medida que as

interconexotildees aumentam de comprimento aumentando tambeacutem o produto atraso-potecircncia

Esse atraso chega a 66 do periacuteodo do sinal de entrada para a interconexatildeo 500nm1microm

de cobre No entanto estes paracircmetros natildeo satildeo afetados pelas interconexotildees de SWCNT

bundle indicando que este material se sobressai em relaccedilatildeo ao cobre

Tabela 411 Atenuaccedilatildeo atraso potecircncia e produto atraso-potecircncia dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 10 GHz

Freq L (l2l) Material A (dB) td (ps) P (nW) DP(10-18

Wmiddots)

10

GHz

50nm

100nm

SWCNT bundle -264 412 4963 020

Cobre -264 412 4963 020

200nm

400nm

SWCNT bundle -264 412 4963 020

Cobre -264 438 4963 022

500nm

1microm

SWCNT bundle -264 412 4963 020

Cobre -264 659 4963 033

4422 Anaacutelise da rede a 100 GHz

As redes com interconexotildees natildeo-ideais seratildeo analisadas na frequecircncia de 100 GHz para

diferentes comprimentos O niacutevel loacutegico baixo (NB) o niacutevel loacutegico alto (NA) o tempo de

subida (tr) e o slew rate de subida (SR) foram obtidos conforme mostra a Tabela 412 Jaacute a

43

Tabela 413 mostra a atenuaccedilatildeo tempo de atraso potecircncia total dissipada e o produto

atraso-potecircncia obtidos a frequecircncia de 100 GHz para interconexotildees natildeo-ideais

Tabela 412 Niacuteveis loacutegicos tempo de subida e slew rate dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 100 GHz

Freq L (l2l) Material NB(mV) NA(mV) tr(ps) SR(Vns)

100

GHz

50nm

100nm

SWCNT bundle 678 4272 316 9099

Cobre 675 4277 323 9107

200nm

400nm

SWCNT bundle 678 4299 315 9196

Cobre 677 4089 289 9447

500nm

1microm

SWCNT bundle 678 4418 300 9973

Cobre 635 1766 102 6795

Tabela 413 Atenuaccedilatildeo atraso potecircncia e produto atraso-potecircncia dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 100 GHz

Freq L (l2l) Material A (dB) td (ps) P (nW) DP(10-18

Wmiddots)

100

GHz

50nm

100nm

SWCNT bundle -2703 189 6088 012

Cobre -2685 191 6088 012

200nm

400nm

SWCNT bundle -2693 188 6088 012

Cobre -2698 228 6088 014

500nm

1microm

SWCNT bundle -2673 174 6088 011

Cobre -2893 388 6088 024

A partir das Tabelas 412 e 413 o SWCNT bundle seraacute analisado Observa-se que os seus

niacuteveis loacutegicos altos aumentam com o aumento do comprimento das interconexotildees

aumentando tambeacutem o slew rate de subida Esse comportamento ocorre provavelmente

devido ao efeito ressonante provocado pela indutacircncia que provoca um pico no graacutefico da

frequumlecircncia antes dele comeccedilar a decair conforme explicado na subseccedilatildeo 421 Isso implica

na diminuiccedilatildeo da atenuaccedilatildeo do sinal e do atraso No entanto o produto atraso-potecircncia

permanece praticamente invariaacutevel jaacute que a potecircncia total dissipada natildeo se altera

Em relaccedilatildeo agraves interconexotildees de cobre verifica-se que as distorccedilotildees satildeo significativas Agrave

medida que o comprimento aumenta a atenuaccedilatildeo do sinal de saiacuteda aumenta Isso provoca

diminuiccedilatildeo no slew rate do sinal o que natildeo eacute desejado jaacute que o sinal demora mais para

atingir o niacutevel loacutegico alto Aleacutem disso o atraso na propagaccedilatildeo do sinal aumenta bastante

chegando a 388 do periacuteodo do sinal de entrada para a interconexatildeo 500nm1microm

Consequentemente o produto atraso-potecircncia tambeacutem aumenta sendo o dobro do valor de

44

referecircncia (interconexotildees ideais) A Figura 49 ilustra o sinal de saiacuteda da interconexatildeo

500nm1microm de cobre

Figura 49 Sinal de entrada (em verde) e sinal de saiacuteda (em preto) da rede a 100 GHz para

a interconexatildeo 500nm1microm de cobre

Comparando-se as potecircncias das tabelas 47 48 411 413 verifica-se que natildeo haacute

alteraccedilatildeo na potecircncia total dissipada pelo circuito com interconexotildees ideais e pelos

circuitos com interconexotildees natildeo-ideais para uma mesma frequecircncia Assim eacute importante

destacar que a dissipaccedilatildeo de potecircncia das interconexotildees de SWCNT bundle e de cobre natildeo

interfere na potecircncia total dissipada pelo circuito

443 Consideraccedilotildees Finais

Apoacutes analisar as interconexotildees locais de SWCNT de SWCNT bundle e de cobre

verificou-se que as interconexotildees de SWCNT bundle possuem desempenho comparaacutevel ao

das interconexotildees de cobre Em relaccedilatildeo agraves interconexotildees intermediaacuterias as de SWCNT

bundle apresentam desempenho superior agraves de cobre Jaacute as interconexotildees de SWCNT

isolado tanto para interconexotildees locais como para interconexotildees intermediaacuterias

apresentam desempenho inferior agraves interconexotildees de SWCNT bundle e de cobre natildeo

sendo propiacutecias a serem utilizadas em interconexotildees de circuitos integrados

Na anaacutelise das interconexotildees natildeo-ideais na rede H-tree clock mono-eleacutetron para a

frequecircncia de 10GHz observou-se que o niacutevel loacutegico baixo o niacutevel loacutegico alto o tempo de

subida o slew rate de subida a atenuaccedilatildeo do sinal e a potecircncia total dissipada por cada

porta inversora permanecem os mesmos em relaccedilatildeo agrave interconexatildeo ideal mostrando que

45

para esta frequecircncia as interconexotildees natildeo-ideais natildeo interferem nestes paracircmetros Jaacute o

atraso na propagaccedilatildeo do sinal no caso do cobre aumenta agrave medida que as interconexotildees

aumentam de comprimento aumentando tambeacutem o produto atraso-potecircncia No entanto

estes paracircmetros natildeo satildeo afetados pelas interconexotildees de SWCNT bundle indicando que

este material se sobressai em relaccedilatildeo ao cobre

Jaacute para a rede H-tree clock mono-eleacutetron a 100GHz observou-se que o circuito com

interconexotildees natildeo-ideais afetou bastante os paracircmetros em anaacutelise se comparados aos

obtidos para interconexotildees ideais Verificou-se que as distorccedilotildees provocadas pelas

interconexotildees de cobre foram significativas indicando que as interconexotildees de SWCNT

bundle possuem melhor desempenho que as de cobre

Assim constata-se que as interconexotildees de SWCNT bundle satildeo fortes candidatas a

substituirem as interconexotildees de cobre em circuitos em escala giga (GSI) e tera (TSI)

46

5 CONCLUSOtildeES

Nesta dissertaccedilatildeo o estudo das interconexotildees de SWCNT de SWCNT bundle e de cobre

foi realizado analisando e comparando os seus desempenhos para diferentes

comprimentos A partir desse estudo verificou-se que as interconexotildees de SWCNT bundle

possui desempenho comparaacutevel ao das interconexotildees de cobre no caso de interconexotildees

locais Em relaccedilatildeo agraves interconexotildees intermediaacuterias as de SWCNT bundle apresentam

desempenho superior agraves de cobre

As interconexotildees de SWCNT bundle e as interconexotildees de cobre foram entatildeo simuladas na

rede H-tree clock de dois niacuteveis para diferentes comprimentos e frequecircncias Nos pontos

de destino final da rede foram colocadas portas inversoras formadas por SETs permitindo

a anaacutelise de circuitos nanoeletrocircnicos

A partir da anaacutelise da rede H-tree clock observou-se que as interconexotildees de SWCNT

bundle possuem desempenho melhor que as de cobre principalmente em relaccedilatildeo ao slew

rate agrave atenuaccedilatildeo ao tempo de atraso e ao produto atraso-potecircncia Aleacutem disso a

dissipaccedilatildeo de potecircncia das interconexotildees natildeo-ideais natildeo interferem na potecircncia total

dissipada pelo circuito Assim as interconexotildees de SWCNT bundle satildeo fortes candidatas a

substituirem as interconexotildees de cobre em circuitos em escala giga (GSI) e tera (TSI)

Como perspectivas futuras eacute importante analisar o efeito das interconexotildees de nanotubo de

carbono em circuitos GSI e TSI com outras arquiteturas A anaacutelise das interconexotildees de

CNT tambeacutem deve ser feita em circuitos com tecnologia MOS permitindo a comparaccedilatildeo

entre diferentes tecnologias Aleacutem disso eacute interessante estudar outros tipos de materiais

que possam ser utilizados como interconexotildees em circuitos integrados

47

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53

7 APEcircNDICES

71 TABELAS COMPLEMENTARES

Tabela 71 Paracircmetros obtidos a partir do modelo de SWCNT isolado

L RQ (Ω) RS (Ω) LCNT (10-9

H) CCNT (10-18

F)

10 nm 645103 - 40010

-2 27910

-1

100 nm 645103 - 40010

-1 279

200 nm 645103 - 80010

-1 558

300 nm 645103 - 120 837

400 nm 645103 - 160 11210

1

500 nm 645103 - 200 14010

1

600 nm 645103 - 240 16710

1

700 nm 645103 - 280 19510

1

800 nm 645103 - 320 22310

1

900 nm 645103 - 360 25110

1

1 microm 645103 - 400 27910

1

10 microm 645103 64510

4 40010

1 27910

2

100 microm 645103 64510

5 40010

2 27910

3

200 microm 645103 12910

6 80010

2 55810

3

300 microm 645103 19410

6 12010

3 83710

3

400 microm

645103 25810

6 16010

3 11210

4

500 microm

645103 32310

6 20010

3 14010

4

Tabela 72 Paracircmetros obtidos a partir do modelo de SWCNT bundle

L RQ (Ω) RS (Ω) LBundle(10-9

H) CBundle(10-18

F)

10 nm 1075 - 66710-5

135

100 nm 1075 - 66710-4

135101

200 nm 1075 - 13310-3

270101

300 nm 1075 - 20010-3

405101

400 nm 1075 - 26710-3

540101

500 nm 1075 - 33310-3

675101

600 nm 1075 - 40010-3

810101

700 nm 1075 - 46710-3

945101

800 nm 1075 - 53310-3

108102

900 nm 1075 - 60010-3

122102

1 microm 1075 - 66710-3

135102

10 microm 1075 108102 66710

-2 13510

3

100 microm 1075 108103 66710

-1 13510

4

200 microm 1075 215103 133 27010

4

300 microm 1075 323103 200 40510

4

400 microm

1075 430103 267 54010

4

500 microm

1075 538103 333 67510

4

54

Tabela 73 Paracircmetros obtidos a partir do modelo de cobre

L RCu (Ω) LCu (10-9

H) CCu (10-18

F)

10 nm 06 37310-6

150

100 nm 60 63610-5

150101

200 nm 120 17510-4

300101

300 nm 180 30910-4

450101

400 nm 240 45410-4

600101

500 nm 300 61110-4

750101

600 nm 360 77510-4

900101

700 nm 420 94610-4

105102

800 nm 480 11210-3

120102

900 nm 540 13110-3

135102

1 microm 600 14910-3

150102

10 microm 60102 24010

-2 15010

3

100 microm 60103 33210

-1 15010

4

200 microm 12104 72010

-1 30010

4

300 microm 18104 113 45010

4

400 microm

24104 155 60010

4

500 microm

30104 198 75010

4

55

Tabela 74 Frequecircncia em -3dB das interconexotildees locais

Comprimento Material f-3dB

10 nm SWCNT isolado 253 GHz

SWCNT bundle 66 THz

Cobre 232 THz

100 nm SWCNT isolado 300 GHz

SWCNT bundle 20 THz

Cobre 51 THz

200 nm SWCNT isolado 342 GHz

SWCNT bundle 14 THz

Cobre 29 THz

300 nm SWCNT isolado 344 GHz

SWCNT bundle 11 THz

Cobre 20 THz

400 nm SWCNT isolado 329 GHz

SWCNT bundle 89 THz

Cobre 15 THz

500 nm SWCNT isolado 307 GHz

SWCNT bundle 76 THz

Cobre 12 THz

600 nm SWCNT isolado 288 GHz

SWCNT bundle 67 THz

Cobre 94 THz

700 nm SWCNT isolado 271 GHz

SWCNT bundle 61 THz

Cobre 76 THz

800 nm SWCNT isolado 255 GHz

SWCNT bundle 55 THz

Cobre 63 THz

900 nm SWCNT isolado 240 GHz

SWCNT bundle 51 THz

Cobre 52 THz

1 microm SWCNT isolado 230 GHz

SWCNT bundle 47 THz

Cobre 42 THz

56

Tabela 75 Frequecircncia em -3dB das interconexotildees intermediaacuterias

Comprimento Material f-3dB

10 microm SWCNT isolado 26 GHz

SWCNT bundle 527 GHz

Cobre 34 GHz

100 microm SWCNT isolado 32 MHz

SWCNT bundle 42 GHz

Cobre 345 MHz

200 microm SWCNT isolado 82 MHz

SWCNT bundle 10 GHz

Cobre 87 MHz

300 microm SWCNT isolado 36 MHz

SWCNT bundle 455 MHz

Cobre 38 MHz

400 microm SWCNT isolado 21 MHz

SWCNT bundle 256 MHz

Cobre 21 MHz

500 microm SWCNT isolado 13 MHz

SWCNT bundle 165 MHz

Cobre 14 MHz

57

8 ANEXOS

81 COacuteDIGO SPICE DO SET [44]

Transistor mono-eleacutetron (SET) conexotildees fonte | dreno | | porta1 | | | porta2 | | | | SUBCKT SET 1 2 3 4 PARAMS +C1=1E-20 Capacitacircncia da junccedilatildeo 1 +C2=1E-20 Capacitacircncia da junccedilatildeo 2 +R1=1E5 Resistecircncia da junccedilatildeo 1 +R2=1E5 Resistecircncia da junccedilatildeo 2 +Cg1=015E-18 Capacitacircncia da junccedilatildeo 1 +Cg2=0 Capacitacircncia da junccedilatildeo 2 +C0=0 Capacitacircncia proacutepria da ilha +Q0=005 Carga offset em unidades de e +TEMP=300 Temperatura PARAM E=160217733E-19 Carga do eleacutetron (e) PARAM CSUM=C1+C2+Cg1+Cg2+C0 Capacitacircncia total do SET PARAM T=TEMPCSUM53785467E14 Temperatura normalizada 53785467E14 = kBe^2 PARAM RN1=R1(R1+R2) Resistecircncia da junccedilatildeo 1 normalizada PARAM RN2=R2(R1+R2) Resistecircncia da junccedilatildeo 2 normalizada FUNC Q(v1v2v3v4) (Cg1v3+Cg2v4+C1v1+C2v2)E+Q0 Definiccedilatildeo da carga em unidades de e FUNC VN(v) CSUMvE Tensatildeo normalizada FUNC GAMMA(u) IF(T==0IF(ult0-u0)IF(u==0Tu(EXP(uT)-1))) FUNC N_OPT(v1v2v3v4) ROUND(-Q(v1v2v3v4)+(CSUME) (v1RN2+v2RN1)) A maior probabilidade de carga na ilha em unidades de e Os quarto eventos tuacuteneis FUNC R1L(nv1v2v3v4) GAMMA(05 - n - Q(v1v2v3v4) + VN(v1))RN1 FUNC R1R(nv1v2v3v4) GAMMA(05 + n + Q(v1v2v3v4) - VN(v1))RN1 FUNC R2L(nv1v2v3v4) GAMMA(05 + n + Q(v1v2v3v4) - VN(v2))RN2 FUNC R2R(nv1v2v3v4) GAMMA(05 - n - Q(v1v2v3v4) + VN(v2))RN2

58

determinaccedilatildeo das probabilidades relativas assume-se inicialmente que o estado da carga N_OPT tem probabilidade relativa igual a um FUNC PN_1(nv1v2v3v4) (R1L(nv1v2v3v4)+R2R(nv1v2v3v4))(R1R(n-1v1v2v3v4)+R2L(n-1v1v2v3v4)) FUNC PN_2(nv1v2v3v4) PN_1(nv1v2v3v4) +(R1L(n-1v1v2v3v4)+R2R(n-1v1v2v3v4))(R1R(n-2v1v2v3v4)+R2L(n-2v1v2v3v4)) FUNC PN_3(nv1v2v3v4) PN_2(nv1v2v3v4) +(R1L(n-2v1v2v3v4)+R2R(n-2v1v2v3v4))(R1R(n-3v1v2v3v4)+R2L(n-3v1v2v3v4)) FUNC PN_4(nv1v2v3v4) PN_3(nv1v2v3v4) +(R1L(n-3v1v2v3v4)+R2R(n-3v1v2v3v4))(R1R(n-4v1v2v3v4)+R2L(n-4v1v2v3v4)) FUNC PN_5(nv1v2v3v4) PN_4(nv1v2v3v4) +(R1L(n-4v1v2v3v4)+R2R(n-4v1v2v3v4))(R1R(n-5v1v2v3v4)+R2L(n-5v1v2v3v4)) FUNC PN1(nv1v2v3v4) (R2L(nv1v2v3v4) +R1R(nv1v2v3v4))(R2R(n+1v1v2v3v4)+R1L(n+1v1v2v3v4)) FUNC PN2(nv1v2v3v4) PN1(nv1v2v3v4) +(R2L(n+1v1v2v3v4)+R1R(n+1v1v2v3v4))(R2R(n+2v1v2v3v4)+R1L(n+2v1v2v3v4)) FUNC PN3(nv1v2v3v4) PN2(nv1v2v3v4) +(R2L(n+2v1v2v3v4)+R1R(n+2v1v2v3v4))(R2R(n+3v1v2v3v4)+R1L(n+3v1v2v3v4)) FUNC PN4(nv1v2v3v4) PN3(nv1v2v3v4) +(R2L(n+3v1v2v3v4)+R1R(n+3v1v2v3v4))(R2R(n+4v1v2v3v4)+R1L(n+4v1v2v3v4)) FUNC PN5(nv1v2v3v4) PN4(nv1v2v3v4) +(R2L(n+4v1v2v3v4)+R1R(n+4v1v2v3v4))(R2R(n+5v1v2v3v4)+R1L(n+5v1v2v3v4)) FUNC PSUM(nv1v2v3v4) PN_5(nv1v2v3v4)+PN_4(nv1v2v3v4)+PN_3(nv1v2v3v4)+PN_2(nv1v2v3v4) ++PN_1(nv1v2v3v4)+1+PN1(nv1v2v3v4)+PN2(nv1v2v3v4)+PN3(nv1v2v3v4) ++PN4(nv1v2v3v4)+PN5(nv1v2v3v4)

59

caacutelculo da corrente da fonte para o dreno FUNC CUR(nv1v2v3v4) PN_5(nv1v2v3v4)(R1R(n-5v1v2v3v4)-R1L(n-5v1v2v3v4)) ++PN_4(nv1v2v3v4)(R1R(n-4v1v2v3v4)-R1L(n-4v1v2v3v4)) ++PN_3(nv1v2v3v4)(R1R(n-3v1v2v3v4)-R1L(n-3v1v2v3v4)) ++PN_2(nv1v2v3v4)(R1R(n-2v1v2v3v4)-R1L(n-2v1v2v3v4)) ++PN_1(nv1v2v3v4)(R1R(n-1v1v2v3v4)-R1L(n-1v1v2v3v4)) ++(R1R(nv1v2v3v4)-R1L(nv1v2v3v4)) ++PN1(nv1v2v3v4)(R1R(n+1v1v2v3v4)-R1L(n+1v1v2v3v4)) ++PN2(nv1v2v3v4)(R1R(n+2v1v2v3v4)-R1L(n+2v1v2v3v4)) ++PN3(nv1v2v3v4)(R1R(n+3v1v2v3v4)-R1L(n+3v1v2v3v4)) ++PN4(nv1v2v3v4)(R1R(n+4v1v2v3v4)-R1L(n+4v1v2v3v4)) ++PN5(nv1v2v3v4)(R1R(n+5v1v2v3v4)-R1L(n+5v1v2v3v4)) FUNC CURRENT(nv1v2v3v4) ECUR(nv1v2v3v4)(CSUMPSUM(nv1v2v3v4)(R1+R2)) caacutelculo da tensatildeo da ilha FUNC VOLT(nv1v2v3v4) PN_5(nv1v2v3v4)(n-5+Q(v1v2v3v4)) ++PN_4(nv1v2v3v4)(n-4+Q(v1v2v3v4)) ++PN_3(nv1v2v3v4)(n-3+Q(v1v2v3v4)) ++PN_2(nv1v2v3v4)(n-2+Q(v1v2v3v4)) ++PN_1(nv1v2v3v4)(n-1+Q(v1v2v3v4)) ++n+Q(v1v2v3v4) ++PN1(nv1v2v3v4)(n+1+Q(v1v2v3v4)) ++PN2(nv1v2v3v4)(n+2+Q(v1v2v3v4)) ++PN3(nv1v2v3v4)(n+3+Q(v1v2v3v4)) ++PN4(nv1v2v3v4)(n+4+Q(v1v2v3v4)) ++PN5(nv1v2v3v4)(n+5+Q(v1v2v3v4)) FUNC VOLTAGE(nv1v2v3v4) (ECSUM)VOLT(nv1v2v3v4)PSUM(nv1v2v3v4) E1 5 0 VALUE= VOLTAGE(N_OPT(V(1)V(2)V(3)V(4))V(1)V(2)V(3)V(4)) Tensatildeo da ilha G1 1 2 VALUE= CURRENT(N_OPT(V(1)V(2)V(3)V(4))V(1)V(2)V(3)V(4)) Corrente da fonte para o dreno CT1 1 5 C1 CT2 2 5 C2 CGATE1 3 5 CG1 CGATE2 4 5 CG2 ENDS SET

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13

A capacitacircncia da interconexatildeo de cobre eacute calculada pela soma da capacitacircncia de

acoplamento entre dois fios adjacentes (CC) e a capacitacircncia ligada ao plano do terra (Cg)

[14-16] Essas capacitacircncias podem ser obtidas pelas equaccedilotildees (223) e (224) [1541]

120760193

534511171

70222

ht

t

hs

s

hs

s

h

wCg (223)

181160141090

980871161

591740

062141

sh

h

sw

w

sw

w

sh

h

s

tCC (224)

em que s eacute o espaccedilamento entre dois fios adjacentes h eacute a distacircncia do fio em relaccedilatildeo ao

plano do terra e ε eacute a permissividade relativa para uma dada constante dieleacutetrica

Considerando as equaccedilotildees (223) e (224) e de acordo com [1321] para uma constante

dieleacutetrica igual a 2 o valor da capacitacircncia total do cobre (CCu) eacute aproximadamente 150

aFμm que seraacute utilizado neste trabalho

Os modelos em L em π e em T satildeo usados como modelos de interconexatildeo de cobre [11]

Como o modelo π eacute muito utilizado para uma linha distribuiacuteda [1416] este modelo seraacute

usado neste trabalho A Figura 27 mostra o modelo de interconexatildeo de cobre [11]

Figura 27 ndash Modelo de interconexatildeo de cobre

A precisatildeo do modelo eacute determinada pelo nuacutemero de seguimentos bdquoN‟ que ele possui Uma

cadeia com mais de trecircs segmentos em π fornece um erro menor que 3 [16] Neste

trabalho seratildeo utilizados trecircs segmentos em π

14

22 INVERSOR MONO-ELEacuteTRON

Os dispositivos de tunelamento mono-eleacutetron satildeo dispositivos nanoeletrocircnicos

potencialmente aplicaacuteveis em circuitos integrados em escala giga (GSI) e tera (TSI)

Apesar de apresentarem baixo ganho e alta impedacircncia de saiacuteda estes dispositivos

possuem tamanho reduzido e baixa dissipaccedilatildeo de potecircncia Estas caracteriacutesticas os tornam

atrativos em circuitos loacutegicos e circuitos de memoacuteria [1-10] Assim portas loacutegicas podem

ser implementadas utilizando dispositivos de tunelamento mono-eleacutetron [14-9]

As portas loacutegicas satildeo blocos de construccedilatildeo baacutesicos na eletrocircnica digital O inversor loacutegico

ou porta NOT eacute o principal elemento baacutesico no projeto de circuitos digitais [42] O

inversor inverte o sinal de entrada de valor loacutegico baixo ndash 0 ndash em um sinal de saiacuteda de

valor loacutegico alto ndash 1 ndash e vice-versa [442] Em outras palavras a porta NOT efetua a

negaccedilatildeo loacutegica O siacutembolo do inversor juntamente com sua tabela verdade estaacute ilustrado

na Figura 28

Figura 28 ndash Siacutembolo e tabela verdade da porta NOT

221 Dispositivo de tunelamento mono-eleacutetron

O funcionamento dos dispositivos de tunelamento mono-eleacutetron eacute baseado no controle do

movimento e da posiccedilatildeo de um uacutenico ou de um pequeno grupo de eleacutetrons no dispositivo

[17] Os seguintes conceitos satildeo essenciais na definiccedilatildeo desses dispositivos ilha junccedilatildeo-

tuacutenel tunelamento efeito de carregamento e bloqueio de Coulomb A partir desses

conceitos eacute possiacutevel definir o transistor mono-eleacutetron - SET (do inglecircs Single-electron

transistor) [24-8]

A ilha estaacute localizada entre duas paredes finas de um material normalmente isolante as

quais criam uma barreira de potencial de energia que impossibilita a movimentaccedilatildeo de

eleacutetrons pela ilha A Figura 29 mostra dois eletrodos A e B separados por uma barreira

15

isolante e no meio dessa barreira isolante encontra-se a ilha Se a energia dos eleacutetrons for

maior que a energia potencial das paredes das barreiras estes poderatildeo atravessaacute-las [6] No

dispositivo de tunelamento mono-eleacutetron o transporte de eleacutetrons entre o eletrodo A e a

ilha e entre a ilha e o eletrodo B ocorre por tunelamento mono-eleacutetron em que os eleacutetrons

atravessam as barreiras um de cada vez [10]

Figura 29 Dois eletrodos separados por uma ilha [10]

Esses dispositivos satildeo formados por junccedilotildees-tuacutenel que satildeo dois eletrodos metaacutelicos

separados por um isolante muito fino (barreira) o qual permite a passagem de eleacutetrons por

tunelamento [467] A Figura 210 ilustra a junccedilatildeo-tuacutenel e sua representaccedilatildeo simboacutelica Os

paracircmetros que caracterizam a junccedilatildeo-tuacutenel macroscopicamente satildeo a resistecircncia de

tunelamento (Rj) que depende da aacuterea e da espessura da barreira isolante e a capacitacircncia

(Cj) [10]

Figura 210 Esquemaacutetico da junccedilatildeo-tuacutenel [10]

O tunelamento eacute o transporte de partiacuteculas atraveacutes de uma regiatildeo em que a energia total de

uma partiacutecula pontual claacutessica eacute menor que a energia potencial da regiatildeo ou seja eacute o

transporte atraveacutes de uma regiatildeo classicamente proibida [10] O efeito de tunelamento

ocorre quando a barreira de potencial for suficientemente fina permitindo que o eleacutetron a

atravesse se houver niacutevel de energia desocupado do outro lado da barreira com o mesmo

valor de energia Esse fenocircmeno pode ser explicado pelo comportamento dual do eleacutetron

Diferentemente da mecacircnica claacutessica na teoria eletromagneacutetica quando uma partiacutecula

encontra uma barreira de potencial parte da onda eacute refletida e a outra parte eacute transmitida

para o outro lado da barreira [10] A teoria ortodoxa do tunelamento mono-eleacutetron eacute o

modelo mais utilizado para analisar o tunelamento [4-6] Proposto em 1987 por Averin e

Likharev [43] este modelo apresenta os seguintes postulados

16

Modelo de dimensatildeo zero as dimensotildees das ilhas satildeo despreziacuteveis

O evento de tunelamento eacute considerado instantacircneo

A redistribuiccedilatildeo das cargas apoacutes tunelamento tambeacutem eacute considerada instantacircnea

O espectro de energia em condutores e ilhas eacute considerado contiacutenuo ou seja a

quantizaccedilatildeo da energia do eleacutetron eacute ignorada dentro dos condutores

Apesar de a teoria ortodoxa assumir condiccedilotildees hipoteacuteticas ela continua sendo muito

utilizada em estudos do dispositivo mono-eleacutetron [4-6]

O efeito de carregamento ocorre quando os eleacutetrons estatildeo na iminecircncia de entrar em um

material condutor extremamente pequeno isolado eletricamente (ilha) Se houver um

eleacutetron na ilha o potencial eletrostaacutetico da ilha aumenta bastante sendo bem superior ao

ruiacutedo teacutermico em temperatura ambiente O fluxo de eleacutetrons na ilha eacute possiacutevel se o

potencial da ilha for controlado por uma fonte de tensatildeo externa Outros eleacutetrons satildeo

impedidos de entrar na ilha devido agrave repulsatildeo de Coulomb [14-9]

Assim o bloqueio de Coulomb ocorre quando um eleacutetron entra na ilha e impede o

tunelamento de outro eleacutetron nesta ilha No momento em que o eleacutetron entra na ilha a

energia eletrostaacutetica da ilha aumenta em Ce 22 em que CΣ eacute a soma das capacitacircncias

em torno da ilha [14] Dessa forma outro eleacutetron soacute conseguiraacute tunelar para dentro da ilha

se sua energia for maior que a energia eletrostaacutetica da ilha [6] A Figura 211 ilustra os

diagramas de energia no bloqueio de Coulomb e no caso de tunelamento [10]

(a) (b)

Figura 211 Diagramas de energia (a) Bloqueio de Coulomb (b) Tunelamento mono-

eleacutetron [10]

17

O bloqueio de Coulomb eacute superado ao se aplicar uma tensatildeo Vg ao circuito ateacute que esta

tensatildeo alcance um dado valor de limiar que forneceraacute energia suficiente para que ocorra o

tunelamento de um eleacutetron Assim haveraacute o fluxo de eleacutetrons havendo corrente A Figura

212 mostra a regiatildeo do bloqueio de Coulomb ao aplicar uma tensatildeo Vg ao circuito em que

Vc eacute a tensatildeo de limiar chamada de tensatildeo de bloqueio de Coulomb [5-10]

Figura 212 Caracteriacutestica do bloqueio de Coulomb [10]

Nesse contexto duas condiccedilotildees satildeo necessaacuterias para garantir que o transporte de eleacutetrons

seja controlado pelo efeito de carregamento a condiccedilatildeo para a resistecircncia de tunelamento

dada pela equaccedilatildeo (225) [1] em que a natureza corpuscular do eleacutetron predomina sobre a

natureza ondulatoacuteria e a energia eletrostaacutetica (EC) associada a uma dada temperatura (T)

deve ser significativamente maior que as flutuaccedilotildees teacutermicas existentes agravequela

temperatura como descrita na equaccedilatildeo (226) [146-9] Os paracircmetros h eacute a constante de

Planck e eacute a carga do eleacutetron kB eacute a constante de Boltzmann e C eacute capacitacircncia Na

equaccedilatildeo (226) a temperatura deve ser maior que 0K [10]

kRe

hR TT 825

2 (225)

TkC

eTkEc BB

2

2

(226)

A partir dos conceitos apresentados pode-se definir o transistor mono-eleacutetron O SET

ilustrado na Figura 213 [10] eacute composto por duas junccedilotildees-tuacutenel em seacuterie formando uma

ilha entre as junccedilotildees [246-9] Os paracircmetros R1 C1 e R2 C2 correspondem agraves

resistecircncias e capacitacircncias da primeira e da segunda junccedilatildeo-tuacutenel respectivamente A

tensatildeo de porta Vg controla a energia eletrostaacutetica da ilha atraveacutes da capacitacircncia Cg

18

Quando haacute carregamento por tunelamento de uma junccedilatildeo e descarregamento da outra

junccedilatildeo haacute um fluxo controlado de cargas o que gera a corrente I [10]

Figura 213 Transistor mono-eleacutetron [10]

Um efeito que pode ser observado na caracteriacutestica da corrente versus tensatildeo do transistor

mono-eleacutetron eacute chamado de oscilaccedilatildeo de Coulomb [24679] Se a tensatildeo V for mantida

constante com CeV e a tensatildeo Vg for aumentada ateacute atingir gg CeV 2 esse

valor de tensatildeo permitiraacute que um eleacutetron passe pela ilha Como soacute haveraacute corrente fluindo

no circuito em valores muacuteltiplos da tensatildeo gCe 2 soacute ocorreraacute o tunelamento novamente

quando )2(3 gg CeV A caracteriacutestica corrente (I) versus tensatildeo (Vg) do transistor

mono-eleacutetron eacute ilustrada na Figura 214 [10]

Figura 214 Caracteriacutestica corrente (I) versus tensatildeo (Vg) do transistor mono-eleacutetron [10]

222 Estrutura do inversor mono-eleacutetron

Um inversor pode ser construiacutedo colocando-se dois SETs em seacuterie os quais compartilham

da mesma entrada [5689] conforme mostrado na Figura 215 Vin eacute a tensatildeo de entrada

Vout eacute a tensatildeo de saiacuteda Vbias eacute a tensatildeo de polarizaccedilatildeo CC eacute a capacitacircncia de carga Cg1 e

Cg2 satildeo as capacitacircncias de porta do SET 1 e do SET 2 respectivamente

19

Figura 215 Esquemaacutetico do inversor utilizando SETs (modificado de [4])

Alguns modelos do SET desenvolvidos no software SPICE foram propostos na literatura

[4-7] Destes modelos o proposto por G Lientschnig et al [4] descreve a implementaccedilatildeo

completa da teoria ortodoxa e usa apenas os recursos em versotildees disponiacuteveis publicamente

do software SPICE Este modelo diferentemente dos modelos propostos em [5-7] natildeo estaacute

limitado a transistores mono-eleacutetron com junccedilotildees-tuacutenel que tecircm resistecircncias iguais Aleacutem

disso pode ser estendido para incluir um nuacutemero arbitraacuterio de estados de carga que

permite simulaccedilotildees definidas para altas temperaturas e tensotildees de polarizaccedilatildeo [4] O

modelo de G Lientschnig et al estaacute disponiacutevel no siacutetio eletrocircnico [44] Assim este foi o

modelo utilizado neste trabalho

23 CLOCKING DE SISTEMAS DE ALTA VELOCIDADE

Em sistemas digitais siacutencronos o sinal do clock eacute utilizado para definir uma referecircncia de

tempo agrave mudanccedila de dados dentro do sistema [1145] Assim a distribuiccedilatildeo do clock eacute de

suma importacircncia na operaccedilatildeo de circuitos integrados digitais sendo uma grande

preocupaccedilatildeo em circuitos integrados de alta velocidade [46-51] Circuitos em escala

nanomeacutetrica podem ser significativamente limitados devido ao clock skew que ocorre

quando os circuitos natildeo estatildeo equumlidistantes do sinal do clock [11454649-51] Como este

sinal eacute o sinal mais ativo em um chip pode resultar em elevado consumo de potecircncia e

grandes densidades de corrente na rede de interconexotildees do clock [454849]

Dessa forma o sinal do clock deve atingir ao mesmo tempo cada noacute para garantir que a

comutaccedilatildeo seja sincronizada bem como deve ser distribuiacutedo de forma que haja o menor

20

atraso possiacutevel [49] Com esse intuito os seguintes fatores entre outros satildeo fundamentais

no desempenho do clock dispositivos loacutegicos de tecnologia raacutepida (avanccedilada) rede de

distribuiccedilatildeo de clock que minimize o skew e interconexotildees com alto desempenho [11]

Conforme exposto anteriormente os dispositivos nanoeletrocircnicos como os transistores

mono-eleacutetron satildeo potencialmente aplicaacuteveis em circuitos integrados em escala giga (GSI)

e tera (TSI) Estes dispositivos permitem que as funccedilotildees loacutegicas sejam desempenhadas em

um tempo mais raacutepido e com menor atraso Assim satildeo fortes candidatos a serem utilizados

em circuitos integrados com clock

A adequada rede de distribuiccedilatildeo do clock assegura que a comutaccedilatildeo seja sincronizada e

que haja o menor atraso possiacutevel [1145] Aleacutem disso dependendo da arquitetura da rede o

niacutevel de sincronismo do sistema pode aumentar Diferentes tipos de abordagens tecircm sido

desenvolvidos para projetar a rede de distribuiccedilatildeo do clock em sistemas digitais de

circuitos integrados [45] Os buffered trees satildeo muito utilizados na distribuiccedilatildeo

equipotencial do clock Aleacutem dessas estruturas assimeacutetricas arquiteturas simeacutetricas como

o H-tree satildeo usadas para distribuir sinais de clock em alta velocidade podendo inclusive

ser projetadas com buffers [45-51] Algumas formas de rede de distribuiccedilatildeo do clock estatildeo

ilustradas na Figura 216 incluindo a trunk tree mesh e H-tree [45]

Figura 216 Estruturas comuns de redes de distribuiccedilatildeo de clock [45]

21

Atualmente as interconexotildees de cobre satildeo bastante utilizadas para circuitos de alto

desempenho como em redes de clock No entanto os CNTs apresentam caracteriacutesticas que

os tornam melhores para serem utilizados em interconexotildees descritas na subseccedilatildeo 221

[48] Neste trabalho seraacute realizada a comparaccedilatildeo entre interconexotildees de cobre e de CNT

na rede de distribuiccedilatildeo do H-tree clock

231 H-Tree Clock

O clock skew pode ser minimizado distribuindo-se o sinal do clock de forma que as

interconexotildees que levam o sinal aos circuitos loacutegicos tecircm o mesmo comprimento Se antes

de chegarem aos circuitos loacutegicos os sinais do clock forem igualmente atrasados eles

estaratildeo perfeitamente sincronizados [1145] Dessa forma o esquemaacutetico da Figura 217 de

distribuiccedilatildeo do clock minimiza o clock skew repetindo recursivamente uma estrutura em

forma de H [11] A Figura 217 ilustra uma rede H-tree simeacutetrica com trecircs niacuteveis [46]

Figura 217 Esquemaacutetico do H-tree clock simeacutetrico (modificado de [46])

Na estrutura do H-tree o condutor primaacuterio do clock estaacute ligado ao centro do H principal

(1ordm niacutevel) transmitindo o sinal para os quatro cantos deste H Esses quatro cantos satildeo as

entradas para o proacuteximo niacutevel do H-tree o 2ordm niacutevel que possui quatro estruturas em H O

processo de distribuiccedilatildeo continua por vaacuterios niacuteveis de H‟s cada vez menores Os pontos de

destino final do H-tree satildeo usados para conduzir os circuitos locais Assim cada caminho

do clock desde a fonte ateacute o circuito local possui praticamente o mesmo atraso [45]

22

24 MEDIDAS DE DESEMPENHO NA ANAacuteLISE DAS INTERCONEXOtildeES

As interconexotildees em circuitos integrados possuem caracteriacutesticas que modificam o sinal de

entrada O efeito das interconexotildees pode provocar atrasos e distorccedilotildees indesejaacuteveis Nesse

contexto eacute necessaacuterio analisar medidas de desempenho dos sinais sob efeito das

interconexotildees tais como velocidade maacutexima atenuaccedilatildeo tempo de atraso potecircncia

dissipada produto atraso-potecircncia e slew rate [111317202342]

241 Velocidade maacutexima - anaacutelise na frequumlecircncia

A velocidade maacutexima que as interconexotildees podem operar sem distorcer o sinal de entrada

eacute uma medida de desempenho importante [172023] Eacute possiacutevel analisar este paracircmetro

atraveacutes da frequumlecircncia maacutexima de operaccedilatildeo da interconexatildeo que eacute a largura de banda em

que o sinal comeccedila a decair em -3dB em relaccedilatildeo ao sinal de referecircncia [1742] Assim

utiliza-se a anaacutelise do moacutedulo do graacutefico de Bode para obter a frequumlecircncia de operaccedilatildeo em

-3dB [42] A Figura 218 mostra o esboccedilo do moacutedulo do ganho pela frequumlecircncia tiacutepico do

comportamento de interconexotildees

Figura 218 Graacutefico do moacutedulo do ganho pela frequumlecircncia tiacutepico do comportamento de

interconexotildees

23

242 Atenuaccedilatildeo

A transmissatildeo de um sinal pode ser expressa em funccedilatildeo do seu ganho ou da sua atenuaccedilatildeo

No caso em estudo as interconexotildees podem atenuar o sinal Essa atenuaccedilatildeo eacute geralmente

calculada pela expressatildeo (227) em que Vo eacute o sinal de saiacuteda e Vi eacute o sinal de entrada [42]

i

o

V

VA log20 (227)

243 Tempo de atraso

O tempo de atraso td ou atraso na propagaccedilatildeo ocorre devido ao

carregamentodescarregamento da capacitacircncia de carga bem como ao tempo de

chaveamento dos transistores [42]

O tempo de atraso eacute obtido pela diferenccedila entre o tempo medido a 50 da transiccedilatildeo dos

sinais de entrada e de saiacuteda [11] Em circuitos loacutegicos o atraso na propagaccedilatildeo pode ser

calculado pela meacutedia aritmeacutetica do tempo de propagaccedilatildeo do sinal de alto para baixo tPHL e

do tempo de propagaccedilatildeo do baixo para alto tPLH conforme equaccedilatildeo (228) [1142]

2

PLHPHLd

ttt

(228)

244 Potecircncia dissipada

A dissipaccedilatildeo de potecircncia eacute outra medida de desempenho bastante importante em circuitos

integrados em escala GSI e TSI Isso ocorre jaacute que ao aumentar o nuacutemero de portas

loacutegicas em uma determinada aacuterea ocupada eacute necessaacuterio que a dissipaccedilatildeo de potecircncia esteja

dentro de limites aceitaacuteveis [1142]

A dissipaccedilatildeo de potecircncia eacute composta por dois componentes potecircncia estaacutetica e potecircncia

dinacircmica A dissipaccedilatildeo de potecircncia estaacutetica eacute dada por IVP DDE e ocorre mesmo que

natildeo haja chaveamento de porta loacutegica no circuito devido ao efeito da resistecircncia do

circuito [42] A dissipaccedilatildeo de potecircncia dinacircmica eacute devido agrave capacitacircncia de carga do

24

circuito expressa por CVfP DDD 2 em que VDD eacute a tensatildeo de alimentaccedilatildeo f eacute

frequumlecircncia do circuito e C eacute a capacitacircncia de carga do circuito [1142] Assim a soma da

potecircncia dinacircmica e da potecircncia estaacutetica resulta na potecircncia total dissipada no circuito

245 Produto atraso-potecircncia

Em circuitos integrados o ideal eacute que se tenha baixo atraso na propagaccedilatildeo resultando em

uma maior velocidade de funcionamento do circuito bem como baixa dissipaccedilatildeo de

potecircncia No entanto essas duas exigecircncias satildeo conflitantes ao reduzirmos a dissipaccedilatildeo de

potecircncia de uma porta a capacidade da porta em fornecer corrente diminuiraacute isso

implicaraacute em um maior tempo de carga e descarga aumentando o atraso na propagaccedilatildeo

Assim o produto atraso-potecircncia (delay power product ndash DP) eacute uma medida de

desempenho bastante utilizada na anaacutelise de circuitos e eacute dado por dD tPDP Quanto

menor o produto atraso-potecircncia maior a eficiecircncia do circuito loacutegico [42]

246 Slew rate

A taxa maacutexima de variaccedilatildeo da tensatildeo de saiacuteda do inglecircs slew rate (SR) eacute uma

caracteriacutestica importante do sinal de saiacuteda de um circuito loacutegico A limitaccedilatildeo na taxa de

variaccedilatildeo pode provocar uma distorccedilatildeo no funcionamento do circuito O SR pode ser

calculado pela expressatildeo (229) em que Δv eacute a variaccedilatildeo da tensatildeo de saiacuteda do sinal para

uma determinada variaccedilatildeo de tempo Δt [42]

t

vSR

(229)

25 LTSPICE

O software LTSPICE eacute um simulador SPICE de alto desempenho orientado a

esquemaacuteticos e visualizador de formas de onda com modelos para facilitar a simulaccedilatildeo de

circuitos eletrocircnicos Se comparado aos outros simuladores SPICE a simulaccedilatildeo do

LTSPICE eacute bastante raacutepida O software consegue simular dispositivos de acordo com o

padratildeo industrial reproduzindo os seus comportamentos [52]

25

O LTSPICE possui vaacuterias possibilidades de simulaccedilatildeo como anaacutelise transiente anaacutelise AC

e anaacutelise DC bem como permite a simulaccedilatildeo de vaacuterios dispositivos disponiacuteveis na sua

biblioteca Aleacutem disso este software possibilita a elaboraccedilatildeo de novos esquemaacuteticos

atraveacutes de um modelo matemaacutetico ou eletrocircnico proposto O novo componente poderaacute ser

utilizado no circuito conforme seraacute feito neste trabalho utilizando-se o modelo SPICE do

SET proposto por G Lientschnig et al[4]

26

3 METODOLOGIA

31 INTRODUCcedilAtildeO

A miniaturizaccedilatildeo das interconexotildees prejudica o seu desempenho resultando no aumento

significativo do valor da resistividade da capacitacircncia de acoplamento entre vias na

dificuldade de controlar a razatildeo entre a altura e a largura do material entre outros

problemas A fim de analisar o desempenho das interconexotildees eacute necessaacuterio verificar

algumas variaacuteveis importantes como velocidade maacutexima (f-3dB) atenuaccedilatildeo (A) tempo de

atraso (td) potecircncia dissipada (P) produto atraso-potecircncia (DP) e slew rate (SR)

[111317202342]

32 ETAPAS E ESTRATEacuteGIAS ADOTADAS

Com o intuito de analisar o efeito das interconexotildees em circuitos com transistores mono-

eleacutetron foi realizada primeiramente a anaacutelise das interconexotildees de SWCNT de SWCNT

bundle e de cobre isoladamente para diferentes valores de comprimento Apoacutes a avaliaccedilatildeo

desses resultados o efeito das interconexotildees foi analisado no H-tree clock com inversores

mono-eleacutetron nos seus terminais tambeacutem considerando diferentes comprimentos Neste

trabalho a tecnologia de 22 nm prevista para o ano de 2016 [21] foi utilizada na

comparaccedilatildeo entre o desempenho do cobre e do CNT Todas as simulaccedilotildees foram realizadas

utilizando o software LTSPICE

321 Simulaccedilatildeo das interconexotildees

A partir dos modelos das interconexotildees de SWCNT SWCNT bundle e cobre apresentados

na subseccedilatildeo 213 diferentes comprimentos das interconexotildees foram simulados Assim

analisou-se as interconexotildees locais em que l le 1 μm e as intermediaacuterias em que 1 μm lt l

le 500 μm sabendo que l eacute o comprimento da interconexatildeo [29-31333638]

A fim de analisar a frequumlecircncia de corte este foi obtido para comprimentos de

interconexotildees locais (10nm 100nm 200nm 300nm 400nm 500nm 600nm 700nm

27

800nm 900nm 1μm) e interconexotildees intermediaacuterias (10μm 100μm 200μm 300μm

400μm 500μm)

Jaacute que λCNT eacute tipicamente 1 μm foram escolhidos trecircs comprimentos na faixa lCNT le λCNT

(10 nm 100 nm e 1 μm) e trecircs comprimentos na faixa lCNT gt λCNT (10 μm 100 μm 500

μm) para serem analisados detalhadamente Escolheu-se uma mesma frequecircncia abaixo da

frequecircncia de corte dos trecircs materiais considerados para analisar e comparar a atenuaccedilatildeo

(A) e o tempo de atraso na propagaccedilatildeo (td) dos diferentes comprimentos

Em seguida o mesmo procedimento foi feito para comparar somente o SWCNT bundle e o

cobre para uma mesma frequecircncia cujo valor eacute maior que a frequecircncia da anaacutelise anterior

permitindo que estes dois materiais sejam analisados detalhadamente

Essas anaacutelises foram realizadas a partir da simulaccedilatildeo do circuito da Figura 31 [2325] A

tensatildeo de entrada Vin eacute uma onda quadrada de 1V de amplitude e o capacitor de carga tem

o valor de 100 aF

Figura 31 ndash Circuito simulado para cada interconexatildeo

A Figura 32 mostra o fluxograma das etapas descritas nesta subseccedilatildeo 321

28

Figura 32 ndash Fluxograma das etapas seguidas na simulaccedilatildeo das interconexotildees

322 Simulaccedilatildeo do inversor mono-eleacutetron

Para utilizar a porta inversora da Figura 215 nos terminais do H-tree clock foi necessaacuterio

primeiramente simular o SET proposto por [4] Essa simulaccedilatildeo foi feita variando os

paracircmetros do SET como as resistecircncias e capacitacircncias das junccedilotildees as capacitacircncias de

porta a temperatura etc Os paracircmetros foram variados ateacute simular o SET a temperatura

de 300K Em seguida simulou-se a inversora da Figura 215 tambeacutem a temperatura

ambiente Dessa forma foi possiacutevel simular a inversora isoladamente obtendo as

caracteriacutesticas do sinal de saiacuteda

323 Simulaccedilatildeo do H-tree clock mono-eleacutetron

Apoacutes a simulaccedilatildeo do SET foi possiacutevel simular o H-tree clock A rede H-tree de dois niacuteveis

foi simulada com um H no primeiro niacutevel e quatro H‟s no segundo niacutevel [49] Nos pontos

de destino final da rede foram colocadas portas inversoras formadas por SETs permitindo

a anaacutelise de circuitos nanoeletrocircnicos

Modelos de SWCNT

SWCNT bundle e cobre

Obtenccedilatildeo dos paracircmetros dos modelos para

interconexotildees locais e interconexotildees intermediaacuterias

Para cada comprimento

obtenccedilatildeo de f-3dB

1ordm) Escolha de frequumlecircncia abaixo

da f-3dB do SWCNT SWCNT

bundle e cobre

2ordm) Escolha de frequumlecircncia abaixo

da f-3dB do SWCNT bundle e

cobre

Obtenccedilatildeo de A e td de

cada modelo

Obtenccedilatildeo de A e td de

cada modelo

Anaacutelise comparativa entre o

SWCNT SWCNT bundle e

cobre

Anaacutelise comparativa entre o

SWCNT bundle e cobre

Estudo de interconexotildees locais (10nm

100nm 1μm) e intermediaacuterias (10μm

100μm 500μm)

29

A partir da simulaccedilatildeo do H-tree clock obteve-se a frequecircncia em -3dB (f-3dB) da rede com

interconexotildees ideais Assim a rede H-tree foi entatildeo simulada para duas frequecircncias

diferentes do sinal de entrada abaixo da frequecircncia de -3dB 10 GHz e 100 GHz Com

essas simulaccedilotildees obtiveram-se as seguintes caracteriacutesticas do sinal de saiacuteda da inversora

niacutevel loacutegico baixo (NB) niacutevel loacutegico alto (NA) tempo de subida (tr) slew rate de subida

(SR) atenuaccedilatildeo (A) tempo de atraso (td) potecircncia dissipada (P) e produto atraso-potecircncia

(DP) As caracteriacutesticas obtidas servem como referecircncia para analisar o sinal considerando

interconexotildees natildeo-ideais ou seja incluindo os modelos das interconexotildees nas simulaccedilotildees

Em seguida a rede H-tree foi simulada considerando-se os modelos das interconexotildees de

SWCNT bundle e de cobre variando os seus comprimentos Como cada H da rede de

distribuiccedilatildeo deve ser simeacutetrico considerou-se que cada divisatildeo do H tem o mesmo

comprimento para cada niacutevel da rede [11] A Figura 33 mostra o comprimento dos

diferentes trechos da rede Assim o comprimento de cada divisatildeo dos H‟s do segundo

niacutevel eacute a metade do comprimento de cada divisatildeo do H do primeiro niacutevel Jaacute que o objetivo

eacute simular circuitos em escala nanomeacutetrica escolheu-se trecircs variaccedilotildees de comprimento

menores ou iguais a 1μm

l = 100 nm l2 = 50 nm

l = 400 nm l2 = 200 nm

l = 1 μm l2 = 500 nm

Figura 33 ndash Esquemaacutetico do H-tree clock com os comprimentos de cada seguimento

Dessa forma cada um dos trecircs circuitos foi simulado obtendo-se a frequecircncia em -3dB na

entrada das portas inversoras Em seguida as trecircs redes foram simuladas para as mesmas

30

duas frequumlecircncias do sinal de entrada (10 GHz e 100 GHz) de forma a obter as

caracteriacutesticas do sinal de saiacuteda descritas anteriormente considerando agora o efeito das

interconexotildees

Por fim a partir dos dados obtidos foram realizadas comparaccedilotildees entre as caracteriacutesticas

do sinal de saiacuteda de referecircncia (interconexotildees ideais) e o sinal de saiacuteda dos circuitos com as

interconexotildees natildeo-ideais bem como entre o comportamento das interconexotildees de SWCNT

bundle e de cobre nas diferentes frequecircncias

A Figura 34 mostra o fluxograma das etapas descritas nas subseccedilotildees 322 e 323

Figura 34 ndash Fluxograma das etapas seguidas na simulaccedilatildeo do H-tree clock

H-tree clock mono-eleacutetron

Simulaccedilatildeo do H-tree clock com

interconexotildees ideais Obtenccedilatildeo de f-3dB

da inversora

Simulaccedilatildeo do H-tree clock com

interconexotildees natildeo-ideais para os seguintes

comprimentos

l = 100 nm l2 = 50 nm

l = 400 nm l2 = 200 nm

l = 1 μm l2 = 500 nm

Validaccedilatildeo do SET e do

inversor mono-eleacutetron a

300K

Sinal de entrada a

10 GHz

Sinal de entrada a

100 GHz

Obtenccedilatildeo de NB

NA tr SR A td P e

DP do sinal de saiacuteda

da inversora

Obtenccedilatildeo de NB

NA tr SR A td P e

DP do sinal de saiacuteda

da inversora

Sinal de entrada a

10 GHz

Sinal de entrada a

100 GHz

Obtenccedilatildeo de NB

NA tr SR A td P e

DP do sinal de saiacuteda

da inversora

Obtenccedilatildeo de NB

NA tr SR A td P e

DP do sinal de saiacuteda

da inversora

Anaacutelise comparativa

dos dados obtidos

31

4 RESULTADOS E ANAacuteLISES

41 INTRODUCcedilAtildeO

Neste capiacutetulo seratildeo apresentados os procedimentos adotados e os resultados obtidos na

simulaccedilatildeo das interconexotildees SWCNT SWCNT bundle e cobre As etapas descritas na

metodologia foram seguidas obtendo-se os resultados das simulaccedilotildees das interconexotildees e

das simulaccedilotildees do H-tree clock mono-eleacutetron para interconexotildees ideais e natildeo-ideais A

partir dos resultados a anaacutelise do desempenho das interconexotildees seraacute apresentada

42 ANAacuteLISE DAS INTERCONEXOtildeES

Nesta seccedilatildeo a anaacutelise das interconexotildees de SWCNT SWCNT bundle e cobre na

tecnologia de 22 nm para diferentes comprimentos seraacute realizada Para isso analisou-se

as interconexotildees locais em que l le 1 μm e as intermediaacuterias em que 1 μm lt l le 500 μm

sabendo que l eacute o comprimento da interconexatildeo [29-31333638] Como λCNT eacute

tipicamente 1 μm trecircs comprimentos na faixa lCNT le λCNT (10 nm 100 nm e 1 μm) e trecircs

comprimentos na faixa lCNT gt λCNT (10 μm 100 μm 500 μm) de cada material seratildeo

analisados detalhadamente Os paracircmetros obtidos a partir dos modelos de SWCNT

SWCNT bundle e cobre estatildeo respectivamente nas Tabelas 71 72 e 73 do Apecircndice

421 Interconexotildees locais

Primeiramente a partir da simulaccedilatildeo da Figura 31 obteve-se a frequecircncia em -3dB (f-3dB)

das interconexotildees locais (lCNT le λCNT ) isto eacute a sua banda passante de forma a verificar a

velocidade maacutexima que cada interconexatildeo suporta A Figura 41 ilustra o comportamento

da frequecircncia das interconexotildees locais para os diferentes comprimentos Como o SWCNT

isolado possui valores de frequecircncia na faixa de centenas de giga Hertz ou seja menos de

um tera Hertz os valores de suas frequecircncias tambeacutem podem ser visualisados na Tabela

74 do Apecircndice

Verifica-se que agrave medida que o comprimento da interconexatildeo aumenta a frequecircncia

diminui Isso ocorre jaacute que os valores da capacitacircncia e indutacircncia aumentam com o

aumento do comprimento da interconexatildeo Esses paracircmetros satildeo decisivos no sinal de

32

saiacuteda sendo o sinal mais distorcido quanto maior for o valor desses paracircmetros Observa-

se que o SWCNT bundle e o cobre possuem banda passante maiores que o SWCNT

isolado para qualquer comprimento Aleacutem disso o SWCNT bundle soacute possui uma banda

passante comparaacutevel ao do cobre para comprimentos acima de 700 nm

Frequecircncia X Comprimento

0

10

20

30

40

50

60

100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

Comprimento (nm)

f -3d

B (

TH

z)

SWCNT Isolado

SWCNT bundle

Cobre

Figura 41 ndash Frequumlecircncia versus comprimento das interconexotildees locais

As interconexotildees locais de 10 nm 100 nm e 1 μm de comprimento foram analisadas

detalhadamente A Tabela 41 mostra a frequecircncia em -3dB de cada material para os

comprimentos em anaacutelise

Tabela 41 Frequecircncia em -3dB de cada material para lCNT le λCNT

Interconexatildeo Local Comprimento (L) Material f-3dB

SWCNT isolado 253 GHz

10nm SWCNT bundle 66 THz

Cobre 232 THz

SWCNT isolado 300 GHz

lCNT le λCNT 100nm SWCNT bundle 20 THz

Cobre 51 THz

SWCNT isolado 230 GHz

1microm SWCNT bundle 47 THz

Cobre 42 THz

Assim escolheu-se uma mesma frequecircncia abaixo da frequecircncia de corte dos trecircs

materiais considerados para analisar e comparar a atenuaccedilatildeo (A) e o tempo de atraso na

propagaccedilatildeo (td) dos trecircs comprimentos Isso permite verificar o comportamento do sinal na

banda passante A Tabela 42 mostra esse estudo comparativo entre o SWCNT isolado

SWCNT bundle e cobre agrave frequecircncia de 200 GHz

33

Tabela 42 Estudo das interconexotildees com comprimentos na faixa lCNT le λCNT

Freq L Material A (dB) td (ps)

SWCNT isolado -210 046

10nm SWCNT bundle 001 000

Cobre 000 000

SWCNT isolado -155 051

200 GHz 100nm SWCNT bundle 001 000

Cobre 001 000

SWCNT isolado -039 107

1microm SWCNT bundle 006 001

Cobre 000 007

A partir da anaacutelise da Tabela 42 eacute possiacutevel observar agrave frequumlecircncia de 200 GHz a

atenuaccedilatildeo do sinal e o atraso do SWCNT isolado Nessa frequumlecircncia o atraso do SWCNT

isolado eacute significativo em relaccedilatildeo ao periacuteodo do sinal que eacute 5ps jaacute que o menor atraso

(para l = 10nm) eacute aproximadamente 10 do periacuteodo do sinal de entrada No entanto para

esta mesma frequumlecircncia observa-se que a atenuaccedilatildeo e o atraso do SWCNT bundle e do

cobre satildeo insignificantes Isto indica que estes dois materiais possuem melhor

desempenho sendo favoraacuteveis para serem utilizados em interconexotildees locais

Dessa forma para analisar melhor a atenuaccedilatildeo e o tempo de atraso do SWCNT bundle e do

cobre o mesmo procedimento foi feito comparando-se somente estes dois materiais para

uma mesma frequecircncia de 1 THz A Tabela 43 mostra esse estudo comparativo entre o

SWCNT bundle e cobre

Tabela 43 Estudo das interconexotildees SWCNT bundle e cobre com comprimentos na faixa

lCNT le λCNT

Freq L Material A (dB) td (fs)

10nm SWCNT bundle 001 113

Cobre 000 022

1 THz 100nm SWCNT bundle 006 136

Cobre 001 240

1microm SWCNT bundle 145 647

Cobre -013 5623

Analisando a Tabela 43 observa-se que agrave frequumlecircncia de 1 THz a atenuaccedilatildeo do sinal e o

atraso aumentam agrave medida que o comprimento das interconexotildees aumentam A partir do

comprimento de 100nm o tempo de atraso da interconexatildeo de cobre eacute maior que o do

SWCNT bundle cujo maior valor de atraso (para l = 1microm) natildeo chega a 1 do periacuteodo do

34

sinal de entrada (1ps) Isso mostra que apesar de a banda passante do cobre ser maior o

atraso do SWCNT bundle eacute menor Dessa forma para as interconexotildees locais o SWCNT

bundle possui desempenho comparaacutevel ao do cobre [13]

Em relaccedilatildeo agrave atenuaccedilatildeo verifica-se que para alguns comprimentos este tem valor

positivo Isso ocorre principalmente quando haacute um pico no graacutefico da frequumlecircncia antes dele

comeccedilar a decair Esse pico eacute devido ao efeito ressonante provocado pela indutacircncia

quando este possui valor comparaacutevel agrave resistecircncia e agrave capacitacircncia da interconexatildeo [53]

Assim esse efeito ressonante foi observado somente nas interconexotildees locais de SWCNT

bundle e de cobre A Figura 42 ilustra o graacutefico da magnitude pela frequumlecircncia do SWCNT

isolado SWCNT bundle e cobre para o comprimento de 100nm Observa-se o efeito

ressonante nos graacuteficos do SWCNT bundle e do cobre

Figura 42 ndash Graacuteficos da magnitude das interconexotildees de SWCNT isolado (superior)

SWCNT bundle (meio) e cobre (inferior) com comprimento de 100nm

35

422 Interconexotildees intermediaacuterias

Assim como para as interconexotildees locais obteve-se a frequecircncia em -3dB (f-3dB) das

interconexotildees intermediaacuterias (lCNT gt λCNT) de forma a verificar a velocidade maacutexima que

cada interconexatildeo suporta A Figura 43 ilustra o comportamento da frequecircncia das

interconexotildees intermediaacuterias para os diferentes comprimentos Os valores das frequecircncias

de cada interconexatildeo tambeacutem podem ser visualisados na Tabela 75 do Apecircndice

Como nas interconexotildees locais agrave medida que o comprimento da interconexatildeo aumenta a

frequecircncia diminui Aleacutem disso o SWCNT bundle e o cobre possuem desempenho melhor

que o do SWCNT isolado para qualquer comprimento No entanto para interconexotildees

intermediaacuterias o SWCNT bundle possui banda passante maior que a do cobre para

qualquer comprimento

Frequecircncia X Comprimento

00

05

10

15

20

25

30

35

40

45

100 200 300 400 500

Comprimento (μm)

f -3d

B (

GH

z)

SWCNT isolado

SWCNT bundle

Cobre

Figura 43 ndash Frequumlecircncia versus comprimento das interconexotildees intermediaacuterias

As interconexotildees intermediaacuterias de 10 μm 100 μm e 500 μm de comprimento foram entatildeo

analisadas detalhadamente A Tabela 44 mostra a frequecircncia em -3dB de cada materal

para os diferentes comprimentos em anaacutelise

36

Tabela 44 Frequecircncia em -3dB de cada material para lCNT gt λCNT

Interconexatildeo

Intermediaacuteria

Comprimento (L) Material f-3dB

SWCNT isolado 26 GHz

10 microm SWCNT bundle 527 GHz

Cobre 34 GHz

SWCNT isolado 32 MHz

lCNT gt λCNT 100 microm SWCNT bundle 42 GHz

Cobre 345 MHz

SWCNT isolado 13 MHz

500 microm SWCNT bundle 165 MHz

Cobre 14 MHz

Escolheu-se a frequecircncia de 1 MHz que estaacute abaixo da frequecircncia de corte dos trecircs

materiais considerados para analisar e comparar a atenuaccedilatildeo (A) e o tempo de atraso na

propagaccedilatildeo (td) dos trecircs comprimentos A Tabela 45 mostra esse estudo comparativo entre

o SWCNT isolado SWCNT bundle e cobre

Tabela 45 Estudo das interconexotildees com comprimentos na faixa lCNT gt λCNT

Freq L Material A (dB) td (ns)

SWCNT isolado -002 008

10 microm SWCNT bundle 000 000

Cobre 000 000

SWCNT isolado -003 559

1 MHz 100 microm SWCNT bundle -001 005

Cobre -004 056

SWCNT isolado -198 10217

500 microm SWCNT bundle 000 110

Cobre -003 1301

Com base na Tabela 45 observa-se que a atenuaccedilatildeo e o tempo de atraso do SWCNT

isolado aumentam com o aumento do comprimento da interconexatildeo Nessa frequumlecircncia o

atraso na propagaccedilatildeo do SWCNT isolado eacute significativo em relaccedilatildeo ao periacuteodo do sinal de

entrada que eacute 1micros chegando a mais de 10 deste periacuteodo para o comprimento de 500microm

Verifica-se tambeacutem o aumento do tempo de atraso da interconexatildeo de cobre sendo 13

do periacuteodo do sinal de entrada para o comprimento de 500microm

Para analisar melhor a atenuaccedilatildeo e o tempo de atraso do SWCNT bundle e do cobre o

mesmo procedimento foi feito comparando-se somente estes dois materiais para uma

37

mesma frequecircncia de 10 MHz A Tabela 46 mostra esse estudo comparativo entre o

SWCNT bundle e cobre

Tabela 46 Estudo das interconexotildees SWCNT bundle e cobre com comprimentos na faixa

lCNT gt λCNT

Freq L Material A (dB) td (ns)

10 microm SWCNT bundle 000 000

Cobre 000 000

10 MHz 100 microm SWCNT bundle -001 005

Cobre -004 054

500 microm SWCNT bundle -004 107

Cobre -185 1024

Analisando a Tabela 46 observa-se que agrave medida que o comprimento das interconexotildees

aumenta a atenuaccedilatildeo e o atraso do sinal da interconexatildeo de cobre tornam-se significativos

O atraso na propagaccedilatildeo da interconexatildeo de cobre para l = 500microm chega a 10 do periacuteodo

do sinal de entrada (100ns) Jaacute o SWCNT bundle apresenta valores insignificantes de

atenuaccedilatildeo e atraso na propagaccedilatildeo Assim para as interconexotildees intermediaacuterias o SWCNT

bundle possui desempenho superior ao do cobre

43 SIMULACcedilAtildeO DO INVERSOR MONO-ELEacuteTRON

O modelo SPICE do SET proposto por G Lientschnig et al [444] foi simulado no

LTSPICE A partir da equaccedilatildeo (226) foi possiacutevel aumentar a temperatura do SET ateacute

chegar a 300K Assim o esquemaacutetico do SET e os valores de seus paracircmetros para que o

SET opere a 300K estatildeo na Figura 44 No anexo deste trabalho (subseccedilatildeo 81) encontra-

se o coacutedigo SET que foi utilizado [44] Os paracircmetros R1 C1 e R2 C2 correspondem agraves

resistecircncias e capacitacircncias das junccedilotildees-tuacutenel Cg eacute a capacitacircncia de porta (Cg1 no coacutedigo

SET) Vg eacute a tensatildeo de porta e V eacute a tensatildeo de entrada

Figura 44 Esquemaacutetico do SET e os valores de seus paracircmetros

38

A partir destes valores o inversor mono-eleacutetron foi construiacutedo colocando-se dois SETs em

seacuterie os quais compartilham da mesma entrada A Figura 45 ilustra o esquemaacutetico do

inversor mono-eleacutetron juntamente com os valores de seus paracircmetros fixos em que Vin eacute a

tensatildeo de entrada Vout eacute a tensatildeo de saiacuteda Vbias eacute a tensatildeo de polarizaccedilatildeo Cc eacute a

capacitacircncia de carga Cg1 e Cg2 satildeo as capacitacircncias de porta do SET 1 e do SET 2

respectivamente

Figura 45 Esquemaacutetico do inversor mono-eleacutetron e os valores de seus paracircmetros

(modificado de [4])

Assim apoacutes simular o inversor mono-eleacutetron a 300K obteve-se o sinal de saiacuteda mostrado

na Figura 46 Como o inversor estaacute invertendo o sinal de entrada de valor loacutegico baixo em

um sinal de saiacuteda de valor loacutegico alto ele estaacute operando corretamente

Figura 46 Curva do sinal de entrada (em verde) e do sinal de saiacuteda (em preto) do inversor

mono-eleacutetron

39

44 ANAacuteLISE DAS INTERCONEXOtildeES NO H-TREE CLOCK MONO-ELEacuteTRON

Nesta seccedilatildeo a rede H-tree clock de dois niacuteveis foi simulada com portas inversoras mono-

eleacutetron nos pontos de destino final da rede permitindo a anaacutelise de circuitos

nanoeletrocircnicos Simulou-se a rede H-tree considerando interconexotildees ideais para as

frequecircncias de 10 GHz e 100 GHz no sinal de entrada Em seguida para as mesmas duas

frequecircncias considerou-se interconexotildees natildeo-ideais de diferentes comprimentos

analisando a rede com os modelos de interconexatildeo SWCNT bundle e cobre Trecircs redes

com comprimentos de interconexotildees diferentes foram analisadas

l = 100 nm l2 = 50 nm

l = 400 nm l2 = 200 nm

l = 1 μm l2 = 500 nm

441 Anaacutelise da rede com interconexotildees ideais

A partir da simulaccedilatildeo do H-tree clock a frequecircncia em -3dB (f-3dB) da rede com

interconexotildees ideais foi obtida Na saiacuteda de cada porta inversora a banda passante do sinal

eacute 3200 GHz Dessa forma duas frequecircncias abaixo de 3200 GHz foram escolhidas para

analisar o sinal de saiacuteda da inversora em condiccedilotildees ideais As frequecircncias de 10 GHz e

100 GHz seratildeo analisadas obtendo-se as seguintes caracteriacutesticas do sinal de saiacuteda da

inversora niacutevel loacutegico baixo (NB) niacutevel loacutegico alto (NA) tempo de subida (tr) slew rate

de subida (SR) atenuaccedilatildeo (A) e tempo de atraso (td) A Tabela 47 mostra os valores

obtidos para as duas frequecircncias em anaacutelise

Tabela 47 Caracteriacutesticas dos sinais de saiacuteda da rede para interconexotildees ideais

Freq NB(mV) NA(mV) tr (ps) SR(Vns) A(dB) td (ps)

10 GHz 675 4518 356 8636 -264 412

100 GHz 678 4279 317 9088 -269 189

Os caacutelculos da potecircncia estaacutetica ( IVP DDE ) potecircncia dinacircmica ( CVfP DDD 2 ) e

potecircncia total ( DE PPP ) dissipada por cada porta inversora foram realizados bem

como o produto atraso-potecircncia (DP) Assim a Tabela 48 mostra os valores obtidos no

40

caacutelculo destes paracircmetros Como a potecircncia estaacutetica independe da frequecircncia do sinal de

entrada o seu valor eacute o mesmo nos dois casos

Tabela 48 Potecircncia dissipada por cada porta inversora para interconexotildees ideais

Frequecircncia PE (nW) PD (nW) P (nW) DP (10-18

Wmiddots)

10 GHz 4838 125 4963 020

100 GHz 4838 125 6088 012

As Tabelas 47 e 48 serviratildeo de referecircncia para as anaacutelises da rede com interconexotildees natildeo-

ideais analisadas na subseccedilatildeo seguinte As Figuras 47 e 48 ilustram o sinal de saiacuteda das

redes com frequecircncias de 10 GHz e de 100 GHz respectivamente Eacute possiacutevel observar que

na frequecircncia de 100 GHz o sinal de saiacuteda jaacute eacute distorcido em relaccedilatildeo ao sinal de referecircncia

(Figura 46)

Figura 47 Sinal de entrada (em verde) e sinal de saiacuteda (em preto) da rede a 10 GHz

Figura 48 Sinal de entrada (em verde) e sinal de saiacuteda (em preto) da rede a 100 GHz

41

442 Anaacutelise da rede com interconexotildees natildeo-ideais

Apoacutes obter as caracteriacutesticas da rede H-tree clock com interconexotildees ideais a anaacutelise da

rede com interconexotildees natildeo-ideais seraacute feita Primeiramente eacute importante verificar a

frequecircncia em -3dB do sinal depois das interconexotildees ou seja na entrada da porta

inversora Caso essa frequecircncia seja menor que a frequecircncia de 3200 GHz obtida com

interconexotildees ideais entatildeo a interconexatildeo afetaraacute o comportamento da rede A Tabela 49

mostra a frequecircncia em -3dB na entrada da inversora para interconexotildees natildeo-ideais

Tabela 49 Frequecircncia em -3dB na entrada da inversora para interconexotildees natildeo-ideais

Comprimentos (l2 l) Material f-3dB

50nm 100nm SWCNT bundle 122 THz

Cobre 175 THz

200nm 400nm SWCNT bundle 31 THz

Cobre 8606 GHz

500nm 1microm SWCNT bundle 12 THz

Cobre 1268 GHz

Assim verifica-se que a interconexatildeo de cobre da rede 500nm1microm possui frequecircncia em

-3dB abaixo da frequecircncia do circuito com interconexatildeo ideal (3200 GHz) Isso indica que

esta interconexatildeo interfere significativamente no comportamento da rede A Tabela 49

mostra tambeacutem que a banda passante da interconexatildeo de cobre soacute eacute maior que a da

interconexatildeo de SWCNT bundle no primeiro caso na rede de 50nm100nm o que mostra

uma vantagem do SWCNT bundle em relaccedilatildeo ao cobre A partir dessas informaccedilotildees a

rede H-tree clock com interconexotildees natildeo-ideais seraacute analisada detalhadamente

4421 Anaacutelise da rede a 10 GHz

As redes com interconexotildees natildeo-ideais seratildeo analisadas na frequecircncia de 10 GHz para

diferentes comprimentos Primeiramente o niacutevel loacutegico baixo (NB) o niacutevel loacutegico alto

(NA) o tempo de subida (tr) e o slew rate de subida (SR) foram obtidos conforme mostra a

Tabela 410 Com base nessa tabela verifica-se que na frequecircncia de 10 GHz essas

caracteriacutesticas natildeo foram modificadas pelas interconexotildees natildeo-ideais independentemente

do comprimento Os valores dos paracircmetros satildeo iguais aos obtidos na rede com

interconexatildeo ideal conforme Tabela 47 O sinal obtido na saiacuteda de cada inversor eacute igual

ao ilustrado na Figura 47

42

Tabela 410 Niacuteveis loacutegicos tempo de subida e slew rate dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 10 GHz

Freq L (l2l) Material NB(mV) NA(mV) tr(ps) SR(Vns)

10

GHz

50nm

100nm

SWCNT bundle 675 4518 356 8636

Cobre 675 4518 356 8636

200nm

400nm

SWCNT bundle 675 4518 356 8636

Cobre 675 4518 356 8636

500nm

1microm

SWCNT bundle 675 4518 356 8636

Cobre 675 4518 356 8636

A Tabela 411 mostra a atenuaccedilatildeo tempo de atraso potecircncia total dissipada e o produto

atraso-potecircncia obtidos a frequecircncia de 10 GHz para interconexotildees natildeo-ideais Observa-se

que a atenuaccedilatildeo do sinal e a potecircncia total dissipada por cada porta inversora permanecem

os mesmos em relaccedilatildeo agrave interconexatildeo ideal mostrando que a essa frequecircncia as

interconexotildees natildeo-ideais natildeo interferem nestes paracircmetros

Jaacute o atraso na propagaccedilatildeo do sinal no caso do cobre aumenta agrave medida que as

interconexotildees aumentam de comprimento aumentando tambeacutem o produto atraso-potecircncia

Esse atraso chega a 66 do periacuteodo do sinal de entrada para a interconexatildeo 500nm1microm

de cobre No entanto estes paracircmetros natildeo satildeo afetados pelas interconexotildees de SWCNT

bundle indicando que este material se sobressai em relaccedilatildeo ao cobre

Tabela 411 Atenuaccedilatildeo atraso potecircncia e produto atraso-potecircncia dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 10 GHz

Freq L (l2l) Material A (dB) td (ps) P (nW) DP(10-18

Wmiddots)

10

GHz

50nm

100nm

SWCNT bundle -264 412 4963 020

Cobre -264 412 4963 020

200nm

400nm

SWCNT bundle -264 412 4963 020

Cobre -264 438 4963 022

500nm

1microm

SWCNT bundle -264 412 4963 020

Cobre -264 659 4963 033

4422 Anaacutelise da rede a 100 GHz

As redes com interconexotildees natildeo-ideais seratildeo analisadas na frequecircncia de 100 GHz para

diferentes comprimentos O niacutevel loacutegico baixo (NB) o niacutevel loacutegico alto (NA) o tempo de

subida (tr) e o slew rate de subida (SR) foram obtidos conforme mostra a Tabela 412 Jaacute a

43

Tabela 413 mostra a atenuaccedilatildeo tempo de atraso potecircncia total dissipada e o produto

atraso-potecircncia obtidos a frequecircncia de 100 GHz para interconexotildees natildeo-ideais

Tabela 412 Niacuteveis loacutegicos tempo de subida e slew rate dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 100 GHz

Freq L (l2l) Material NB(mV) NA(mV) tr(ps) SR(Vns)

100

GHz

50nm

100nm

SWCNT bundle 678 4272 316 9099

Cobre 675 4277 323 9107

200nm

400nm

SWCNT bundle 678 4299 315 9196

Cobre 677 4089 289 9447

500nm

1microm

SWCNT bundle 678 4418 300 9973

Cobre 635 1766 102 6795

Tabela 413 Atenuaccedilatildeo atraso potecircncia e produto atraso-potecircncia dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 100 GHz

Freq L (l2l) Material A (dB) td (ps) P (nW) DP(10-18

Wmiddots)

100

GHz

50nm

100nm

SWCNT bundle -2703 189 6088 012

Cobre -2685 191 6088 012

200nm

400nm

SWCNT bundle -2693 188 6088 012

Cobre -2698 228 6088 014

500nm

1microm

SWCNT bundle -2673 174 6088 011

Cobre -2893 388 6088 024

A partir das Tabelas 412 e 413 o SWCNT bundle seraacute analisado Observa-se que os seus

niacuteveis loacutegicos altos aumentam com o aumento do comprimento das interconexotildees

aumentando tambeacutem o slew rate de subida Esse comportamento ocorre provavelmente

devido ao efeito ressonante provocado pela indutacircncia que provoca um pico no graacutefico da

frequumlecircncia antes dele comeccedilar a decair conforme explicado na subseccedilatildeo 421 Isso implica

na diminuiccedilatildeo da atenuaccedilatildeo do sinal e do atraso No entanto o produto atraso-potecircncia

permanece praticamente invariaacutevel jaacute que a potecircncia total dissipada natildeo se altera

Em relaccedilatildeo agraves interconexotildees de cobre verifica-se que as distorccedilotildees satildeo significativas Agrave

medida que o comprimento aumenta a atenuaccedilatildeo do sinal de saiacuteda aumenta Isso provoca

diminuiccedilatildeo no slew rate do sinal o que natildeo eacute desejado jaacute que o sinal demora mais para

atingir o niacutevel loacutegico alto Aleacutem disso o atraso na propagaccedilatildeo do sinal aumenta bastante

chegando a 388 do periacuteodo do sinal de entrada para a interconexatildeo 500nm1microm

Consequentemente o produto atraso-potecircncia tambeacutem aumenta sendo o dobro do valor de

44

referecircncia (interconexotildees ideais) A Figura 49 ilustra o sinal de saiacuteda da interconexatildeo

500nm1microm de cobre

Figura 49 Sinal de entrada (em verde) e sinal de saiacuteda (em preto) da rede a 100 GHz para

a interconexatildeo 500nm1microm de cobre

Comparando-se as potecircncias das tabelas 47 48 411 413 verifica-se que natildeo haacute

alteraccedilatildeo na potecircncia total dissipada pelo circuito com interconexotildees ideais e pelos

circuitos com interconexotildees natildeo-ideais para uma mesma frequecircncia Assim eacute importante

destacar que a dissipaccedilatildeo de potecircncia das interconexotildees de SWCNT bundle e de cobre natildeo

interfere na potecircncia total dissipada pelo circuito

443 Consideraccedilotildees Finais

Apoacutes analisar as interconexotildees locais de SWCNT de SWCNT bundle e de cobre

verificou-se que as interconexotildees de SWCNT bundle possuem desempenho comparaacutevel ao

das interconexotildees de cobre Em relaccedilatildeo agraves interconexotildees intermediaacuterias as de SWCNT

bundle apresentam desempenho superior agraves de cobre Jaacute as interconexotildees de SWCNT

isolado tanto para interconexotildees locais como para interconexotildees intermediaacuterias

apresentam desempenho inferior agraves interconexotildees de SWCNT bundle e de cobre natildeo

sendo propiacutecias a serem utilizadas em interconexotildees de circuitos integrados

Na anaacutelise das interconexotildees natildeo-ideais na rede H-tree clock mono-eleacutetron para a

frequecircncia de 10GHz observou-se que o niacutevel loacutegico baixo o niacutevel loacutegico alto o tempo de

subida o slew rate de subida a atenuaccedilatildeo do sinal e a potecircncia total dissipada por cada

porta inversora permanecem os mesmos em relaccedilatildeo agrave interconexatildeo ideal mostrando que

45

para esta frequecircncia as interconexotildees natildeo-ideais natildeo interferem nestes paracircmetros Jaacute o

atraso na propagaccedilatildeo do sinal no caso do cobre aumenta agrave medida que as interconexotildees

aumentam de comprimento aumentando tambeacutem o produto atraso-potecircncia No entanto

estes paracircmetros natildeo satildeo afetados pelas interconexotildees de SWCNT bundle indicando que

este material se sobressai em relaccedilatildeo ao cobre

Jaacute para a rede H-tree clock mono-eleacutetron a 100GHz observou-se que o circuito com

interconexotildees natildeo-ideais afetou bastante os paracircmetros em anaacutelise se comparados aos

obtidos para interconexotildees ideais Verificou-se que as distorccedilotildees provocadas pelas

interconexotildees de cobre foram significativas indicando que as interconexotildees de SWCNT

bundle possuem melhor desempenho que as de cobre

Assim constata-se que as interconexotildees de SWCNT bundle satildeo fortes candidatas a

substituirem as interconexotildees de cobre em circuitos em escala giga (GSI) e tera (TSI)

46

5 CONCLUSOtildeES

Nesta dissertaccedilatildeo o estudo das interconexotildees de SWCNT de SWCNT bundle e de cobre

foi realizado analisando e comparando os seus desempenhos para diferentes

comprimentos A partir desse estudo verificou-se que as interconexotildees de SWCNT bundle

possui desempenho comparaacutevel ao das interconexotildees de cobre no caso de interconexotildees

locais Em relaccedilatildeo agraves interconexotildees intermediaacuterias as de SWCNT bundle apresentam

desempenho superior agraves de cobre

As interconexotildees de SWCNT bundle e as interconexotildees de cobre foram entatildeo simuladas na

rede H-tree clock de dois niacuteveis para diferentes comprimentos e frequecircncias Nos pontos

de destino final da rede foram colocadas portas inversoras formadas por SETs permitindo

a anaacutelise de circuitos nanoeletrocircnicos

A partir da anaacutelise da rede H-tree clock observou-se que as interconexotildees de SWCNT

bundle possuem desempenho melhor que as de cobre principalmente em relaccedilatildeo ao slew

rate agrave atenuaccedilatildeo ao tempo de atraso e ao produto atraso-potecircncia Aleacutem disso a

dissipaccedilatildeo de potecircncia das interconexotildees natildeo-ideais natildeo interferem na potecircncia total

dissipada pelo circuito Assim as interconexotildees de SWCNT bundle satildeo fortes candidatas a

substituirem as interconexotildees de cobre em circuitos em escala giga (GSI) e tera (TSI)

Como perspectivas futuras eacute importante analisar o efeito das interconexotildees de nanotubo de

carbono em circuitos GSI e TSI com outras arquiteturas A anaacutelise das interconexotildees de

CNT tambeacutem deve ser feita em circuitos com tecnologia MOS permitindo a comparaccedilatildeo

entre diferentes tecnologias Aleacutem disso eacute interessante estudar outros tipos de materiais

que possam ser utilizados como interconexotildees em circuitos integrados

47

6 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS

[1] P I Hagouel I G Karafyllidis (2010) ldquoQuantum mechanical tunnelling in

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53

7 APEcircNDICES

71 TABELAS COMPLEMENTARES

Tabela 71 Paracircmetros obtidos a partir do modelo de SWCNT isolado

L RQ (Ω) RS (Ω) LCNT (10-9

H) CCNT (10-18

F)

10 nm 645103 - 40010

-2 27910

-1

100 nm 645103 - 40010

-1 279

200 nm 645103 - 80010

-1 558

300 nm 645103 - 120 837

400 nm 645103 - 160 11210

1

500 nm 645103 - 200 14010

1

600 nm 645103 - 240 16710

1

700 nm 645103 - 280 19510

1

800 nm 645103 - 320 22310

1

900 nm 645103 - 360 25110

1

1 microm 645103 - 400 27910

1

10 microm 645103 64510

4 40010

1 27910

2

100 microm 645103 64510

5 40010

2 27910

3

200 microm 645103 12910

6 80010

2 55810

3

300 microm 645103 19410

6 12010

3 83710

3

400 microm

645103 25810

6 16010

3 11210

4

500 microm

645103 32310

6 20010

3 14010

4

Tabela 72 Paracircmetros obtidos a partir do modelo de SWCNT bundle

L RQ (Ω) RS (Ω) LBundle(10-9

H) CBundle(10-18

F)

10 nm 1075 - 66710-5

135

100 nm 1075 - 66710-4

135101

200 nm 1075 - 13310-3

270101

300 nm 1075 - 20010-3

405101

400 nm 1075 - 26710-3

540101

500 nm 1075 - 33310-3

675101

600 nm 1075 - 40010-3

810101

700 nm 1075 - 46710-3

945101

800 nm 1075 - 53310-3

108102

900 nm 1075 - 60010-3

122102

1 microm 1075 - 66710-3

135102

10 microm 1075 108102 66710

-2 13510

3

100 microm 1075 108103 66710

-1 13510

4

200 microm 1075 215103 133 27010

4

300 microm 1075 323103 200 40510

4

400 microm

1075 430103 267 54010

4

500 microm

1075 538103 333 67510

4

54

Tabela 73 Paracircmetros obtidos a partir do modelo de cobre

L RCu (Ω) LCu (10-9

H) CCu (10-18

F)

10 nm 06 37310-6

150

100 nm 60 63610-5

150101

200 nm 120 17510-4

300101

300 nm 180 30910-4

450101

400 nm 240 45410-4

600101

500 nm 300 61110-4

750101

600 nm 360 77510-4

900101

700 nm 420 94610-4

105102

800 nm 480 11210-3

120102

900 nm 540 13110-3

135102

1 microm 600 14910-3

150102

10 microm 60102 24010

-2 15010

3

100 microm 60103 33210

-1 15010

4

200 microm 12104 72010

-1 30010

4

300 microm 18104 113 45010

4

400 microm

24104 155 60010

4

500 microm

30104 198 75010

4

55

Tabela 74 Frequecircncia em -3dB das interconexotildees locais

Comprimento Material f-3dB

10 nm SWCNT isolado 253 GHz

SWCNT bundle 66 THz

Cobre 232 THz

100 nm SWCNT isolado 300 GHz

SWCNT bundle 20 THz

Cobre 51 THz

200 nm SWCNT isolado 342 GHz

SWCNT bundle 14 THz

Cobre 29 THz

300 nm SWCNT isolado 344 GHz

SWCNT bundle 11 THz

Cobre 20 THz

400 nm SWCNT isolado 329 GHz

SWCNT bundle 89 THz

Cobre 15 THz

500 nm SWCNT isolado 307 GHz

SWCNT bundle 76 THz

Cobre 12 THz

600 nm SWCNT isolado 288 GHz

SWCNT bundle 67 THz

Cobre 94 THz

700 nm SWCNT isolado 271 GHz

SWCNT bundle 61 THz

Cobre 76 THz

800 nm SWCNT isolado 255 GHz

SWCNT bundle 55 THz

Cobre 63 THz

900 nm SWCNT isolado 240 GHz

SWCNT bundle 51 THz

Cobre 52 THz

1 microm SWCNT isolado 230 GHz

SWCNT bundle 47 THz

Cobre 42 THz

56

Tabela 75 Frequecircncia em -3dB das interconexotildees intermediaacuterias

Comprimento Material f-3dB

10 microm SWCNT isolado 26 GHz

SWCNT bundle 527 GHz

Cobre 34 GHz

100 microm SWCNT isolado 32 MHz

SWCNT bundle 42 GHz

Cobre 345 MHz

200 microm SWCNT isolado 82 MHz

SWCNT bundle 10 GHz

Cobre 87 MHz

300 microm SWCNT isolado 36 MHz

SWCNT bundle 455 MHz

Cobre 38 MHz

400 microm SWCNT isolado 21 MHz

SWCNT bundle 256 MHz

Cobre 21 MHz

500 microm SWCNT isolado 13 MHz

SWCNT bundle 165 MHz

Cobre 14 MHz

57

8 ANEXOS

81 COacuteDIGO SPICE DO SET [44]

Transistor mono-eleacutetron (SET) conexotildees fonte | dreno | | porta1 | | | porta2 | | | | SUBCKT SET 1 2 3 4 PARAMS +C1=1E-20 Capacitacircncia da junccedilatildeo 1 +C2=1E-20 Capacitacircncia da junccedilatildeo 2 +R1=1E5 Resistecircncia da junccedilatildeo 1 +R2=1E5 Resistecircncia da junccedilatildeo 2 +Cg1=015E-18 Capacitacircncia da junccedilatildeo 1 +Cg2=0 Capacitacircncia da junccedilatildeo 2 +C0=0 Capacitacircncia proacutepria da ilha +Q0=005 Carga offset em unidades de e +TEMP=300 Temperatura PARAM E=160217733E-19 Carga do eleacutetron (e) PARAM CSUM=C1+C2+Cg1+Cg2+C0 Capacitacircncia total do SET PARAM T=TEMPCSUM53785467E14 Temperatura normalizada 53785467E14 = kBe^2 PARAM RN1=R1(R1+R2) Resistecircncia da junccedilatildeo 1 normalizada PARAM RN2=R2(R1+R2) Resistecircncia da junccedilatildeo 2 normalizada FUNC Q(v1v2v3v4) (Cg1v3+Cg2v4+C1v1+C2v2)E+Q0 Definiccedilatildeo da carga em unidades de e FUNC VN(v) CSUMvE Tensatildeo normalizada FUNC GAMMA(u) IF(T==0IF(ult0-u0)IF(u==0Tu(EXP(uT)-1))) FUNC N_OPT(v1v2v3v4) ROUND(-Q(v1v2v3v4)+(CSUME) (v1RN2+v2RN1)) A maior probabilidade de carga na ilha em unidades de e Os quarto eventos tuacuteneis FUNC R1L(nv1v2v3v4) GAMMA(05 - n - Q(v1v2v3v4) + VN(v1))RN1 FUNC R1R(nv1v2v3v4) GAMMA(05 + n + Q(v1v2v3v4) - VN(v1))RN1 FUNC R2L(nv1v2v3v4) GAMMA(05 + n + Q(v1v2v3v4) - VN(v2))RN2 FUNC R2R(nv1v2v3v4) GAMMA(05 - n - Q(v1v2v3v4) + VN(v2))RN2

58

determinaccedilatildeo das probabilidades relativas assume-se inicialmente que o estado da carga N_OPT tem probabilidade relativa igual a um FUNC PN_1(nv1v2v3v4) (R1L(nv1v2v3v4)+R2R(nv1v2v3v4))(R1R(n-1v1v2v3v4)+R2L(n-1v1v2v3v4)) FUNC PN_2(nv1v2v3v4) PN_1(nv1v2v3v4) +(R1L(n-1v1v2v3v4)+R2R(n-1v1v2v3v4))(R1R(n-2v1v2v3v4)+R2L(n-2v1v2v3v4)) FUNC PN_3(nv1v2v3v4) PN_2(nv1v2v3v4) +(R1L(n-2v1v2v3v4)+R2R(n-2v1v2v3v4))(R1R(n-3v1v2v3v4)+R2L(n-3v1v2v3v4)) FUNC PN_4(nv1v2v3v4) PN_3(nv1v2v3v4) +(R1L(n-3v1v2v3v4)+R2R(n-3v1v2v3v4))(R1R(n-4v1v2v3v4)+R2L(n-4v1v2v3v4)) FUNC PN_5(nv1v2v3v4) PN_4(nv1v2v3v4) +(R1L(n-4v1v2v3v4)+R2R(n-4v1v2v3v4))(R1R(n-5v1v2v3v4)+R2L(n-5v1v2v3v4)) FUNC PN1(nv1v2v3v4) (R2L(nv1v2v3v4) +R1R(nv1v2v3v4))(R2R(n+1v1v2v3v4)+R1L(n+1v1v2v3v4)) FUNC PN2(nv1v2v3v4) PN1(nv1v2v3v4) +(R2L(n+1v1v2v3v4)+R1R(n+1v1v2v3v4))(R2R(n+2v1v2v3v4)+R1L(n+2v1v2v3v4)) FUNC PN3(nv1v2v3v4) PN2(nv1v2v3v4) +(R2L(n+2v1v2v3v4)+R1R(n+2v1v2v3v4))(R2R(n+3v1v2v3v4)+R1L(n+3v1v2v3v4)) FUNC PN4(nv1v2v3v4) PN3(nv1v2v3v4) +(R2L(n+3v1v2v3v4)+R1R(n+3v1v2v3v4))(R2R(n+4v1v2v3v4)+R1L(n+4v1v2v3v4)) FUNC PN5(nv1v2v3v4) PN4(nv1v2v3v4) +(R2L(n+4v1v2v3v4)+R1R(n+4v1v2v3v4))(R2R(n+5v1v2v3v4)+R1L(n+5v1v2v3v4)) FUNC PSUM(nv1v2v3v4) PN_5(nv1v2v3v4)+PN_4(nv1v2v3v4)+PN_3(nv1v2v3v4)+PN_2(nv1v2v3v4) ++PN_1(nv1v2v3v4)+1+PN1(nv1v2v3v4)+PN2(nv1v2v3v4)+PN3(nv1v2v3v4) ++PN4(nv1v2v3v4)+PN5(nv1v2v3v4)

59

caacutelculo da corrente da fonte para o dreno FUNC CUR(nv1v2v3v4) PN_5(nv1v2v3v4)(R1R(n-5v1v2v3v4)-R1L(n-5v1v2v3v4)) ++PN_4(nv1v2v3v4)(R1R(n-4v1v2v3v4)-R1L(n-4v1v2v3v4)) ++PN_3(nv1v2v3v4)(R1R(n-3v1v2v3v4)-R1L(n-3v1v2v3v4)) ++PN_2(nv1v2v3v4)(R1R(n-2v1v2v3v4)-R1L(n-2v1v2v3v4)) ++PN_1(nv1v2v3v4)(R1R(n-1v1v2v3v4)-R1L(n-1v1v2v3v4)) ++(R1R(nv1v2v3v4)-R1L(nv1v2v3v4)) ++PN1(nv1v2v3v4)(R1R(n+1v1v2v3v4)-R1L(n+1v1v2v3v4)) ++PN2(nv1v2v3v4)(R1R(n+2v1v2v3v4)-R1L(n+2v1v2v3v4)) ++PN3(nv1v2v3v4)(R1R(n+3v1v2v3v4)-R1L(n+3v1v2v3v4)) ++PN4(nv1v2v3v4)(R1R(n+4v1v2v3v4)-R1L(n+4v1v2v3v4)) ++PN5(nv1v2v3v4)(R1R(n+5v1v2v3v4)-R1L(n+5v1v2v3v4)) FUNC CURRENT(nv1v2v3v4) ECUR(nv1v2v3v4)(CSUMPSUM(nv1v2v3v4)(R1+R2)) caacutelculo da tensatildeo da ilha FUNC VOLT(nv1v2v3v4) PN_5(nv1v2v3v4)(n-5+Q(v1v2v3v4)) ++PN_4(nv1v2v3v4)(n-4+Q(v1v2v3v4)) ++PN_3(nv1v2v3v4)(n-3+Q(v1v2v3v4)) ++PN_2(nv1v2v3v4)(n-2+Q(v1v2v3v4)) ++PN_1(nv1v2v3v4)(n-1+Q(v1v2v3v4)) ++n+Q(v1v2v3v4) ++PN1(nv1v2v3v4)(n+1+Q(v1v2v3v4)) ++PN2(nv1v2v3v4)(n+2+Q(v1v2v3v4)) ++PN3(nv1v2v3v4)(n+3+Q(v1v2v3v4)) ++PN4(nv1v2v3v4)(n+4+Q(v1v2v3v4)) ++PN5(nv1v2v3v4)(n+5+Q(v1v2v3v4)) FUNC VOLTAGE(nv1v2v3v4) (ECSUM)VOLT(nv1v2v3v4)PSUM(nv1v2v3v4) E1 5 0 VALUE= VOLTAGE(N_OPT(V(1)V(2)V(3)V(4))V(1)V(2)V(3)V(4)) Tensatildeo da ilha G1 1 2 VALUE= CURRENT(N_OPT(V(1)V(2)V(3)V(4))V(1)V(2)V(3)V(4)) Corrente da fonte para o dreno CT1 1 5 C1 CT2 2 5 C2 CGATE1 3 5 CG1 CGATE2 4 5 CG2 ENDS SET

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14

22 INVERSOR MONO-ELEacuteTRON

Os dispositivos de tunelamento mono-eleacutetron satildeo dispositivos nanoeletrocircnicos

potencialmente aplicaacuteveis em circuitos integrados em escala giga (GSI) e tera (TSI)

Apesar de apresentarem baixo ganho e alta impedacircncia de saiacuteda estes dispositivos

possuem tamanho reduzido e baixa dissipaccedilatildeo de potecircncia Estas caracteriacutesticas os tornam

atrativos em circuitos loacutegicos e circuitos de memoacuteria [1-10] Assim portas loacutegicas podem

ser implementadas utilizando dispositivos de tunelamento mono-eleacutetron [14-9]

As portas loacutegicas satildeo blocos de construccedilatildeo baacutesicos na eletrocircnica digital O inversor loacutegico

ou porta NOT eacute o principal elemento baacutesico no projeto de circuitos digitais [42] O

inversor inverte o sinal de entrada de valor loacutegico baixo ndash 0 ndash em um sinal de saiacuteda de

valor loacutegico alto ndash 1 ndash e vice-versa [442] Em outras palavras a porta NOT efetua a

negaccedilatildeo loacutegica O siacutembolo do inversor juntamente com sua tabela verdade estaacute ilustrado

na Figura 28

Figura 28 ndash Siacutembolo e tabela verdade da porta NOT

221 Dispositivo de tunelamento mono-eleacutetron

O funcionamento dos dispositivos de tunelamento mono-eleacutetron eacute baseado no controle do

movimento e da posiccedilatildeo de um uacutenico ou de um pequeno grupo de eleacutetrons no dispositivo

[17] Os seguintes conceitos satildeo essenciais na definiccedilatildeo desses dispositivos ilha junccedilatildeo-

tuacutenel tunelamento efeito de carregamento e bloqueio de Coulomb A partir desses

conceitos eacute possiacutevel definir o transistor mono-eleacutetron - SET (do inglecircs Single-electron

transistor) [24-8]

A ilha estaacute localizada entre duas paredes finas de um material normalmente isolante as

quais criam uma barreira de potencial de energia que impossibilita a movimentaccedilatildeo de

eleacutetrons pela ilha A Figura 29 mostra dois eletrodos A e B separados por uma barreira

15

isolante e no meio dessa barreira isolante encontra-se a ilha Se a energia dos eleacutetrons for

maior que a energia potencial das paredes das barreiras estes poderatildeo atravessaacute-las [6] No

dispositivo de tunelamento mono-eleacutetron o transporte de eleacutetrons entre o eletrodo A e a

ilha e entre a ilha e o eletrodo B ocorre por tunelamento mono-eleacutetron em que os eleacutetrons

atravessam as barreiras um de cada vez [10]

Figura 29 Dois eletrodos separados por uma ilha [10]

Esses dispositivos satildeo formados por junccedilotildees-tuacutenel que satildeo dois eletrodos metaacutelicos

separados por um isolante muito fino (barreira) o qual permite a passagem de eleacutetrons por

tunelamento [467] A Figura 210 ilustra a junccedilatildeo-tuacutenel e sua representaccedilatildeo simboacutelica Os

paracircmetros que caracterizam a junccedilatildeo-tuacutenel macroscopicamente satildeo a resistecircncia de

tunelamento (Rj) que depende da aacuterea e da espessura da barreira isolante e a capacitacircncia

(Cj) [10]

Figura 210 Esquemaacutetico da junccedilatildeo-tuacutenel [10]

O tunelamento eacute o transporte de partiacuteculas atraveacutes de uma regiatildeo em que a energia total de

uma partiacutecula pontual claacutessica eacute menor que a energia potencial da regiatildeo ou seja eacute o

transporte atraveacutes de uma regiatildeo classicamente proibida [10] O efeito de tunelamento

ocorre quando a barreira de potencial for suficientemente fina permitindo que o eleacutetron a

atravesse se houver niacutevel de energia desocupado do outro lado da barreira com o mesmo

valor de energia Esse fenocircmeno pode ser explicado pelo comportamento dual do eleacutetron

Diferentemente da mecacircnica claacutessica na teoria eletromagneacutetica quando uma partiacutecula

encontra uma barreira de potencial parte da onda eacute refletida e a outra parte eacute transmitida

para o outro lado da barreira [10] A teoria ortodoxa do tunelamento mono-eleacutetron eacute o

modelo mais utilizado para analisar o tunelamento [4-6] Proposto em 1987 por Averin e

Likharev [43] este modelo apresenta os seguintes postulados

16

Modelo de dimensatildeo zero as dimensotildees das ilhas satildeo despreziacuteveis

O evento de tunelamento eacute considerado instantacircneo

A redistribuiccedilatildeo das cargas apoacutes tunelamento tambeacutem eacute considerada instantacircnea

O espectro de energia em condutores e ilhas eacute considerado contiacutenuo ou seja a

quantizaccedilatildeo da energia do eleacutetron eacute ignorada dentro dos condutores

Apesar de a teoria ortodoxa assumir condiccedilotildees hipoteacuteticas ela continua sendo muito

utilizada em estudos do dispositivo mono-eleacutetron [4-6]

O efeito de carregamento ocorre quando os eleacutetrons estatildeo na iminecircncia de entrar em um

material condutor extremamente pequeno isolado eletricamente (ilha) Se houver um

eleacutetron na ilha o potencial eletrostaacutetico da ilha aumenta bastante sendo bem superior ao

ruiacutedo teacutermico em temperatura ambiente O fluxo de eleacutetrons na ilha eacute possiacutevel se o

potencial da ilha for controlado por uma fonte de tensatildeo externa Outros eleacutetrons satildeo

impedidos de entrar na ilha devido agrave repulsatildeo de Coulomb [14-9]

Assim o bloqueio de Coulomb ocorre quando um eleacutetron entra na ilha e impede o

tunelamento de outro eleacutetron nesta ilha No momento em que o eleacutetron entra na ilha a

energia eletrostaacutetica da ilha aumenta em Ce 22 em que CΣ eacute a soma das capacitacircncias

em torno da ilha [14] Dessa forma outro eleacutetron soacute conseguiraacute tunelar para dentro da ilha

se sua energia for maior que a energia eletrostaacutetica da ilha [6] A Figura 211 ilustra os

diagramas de energia no bloqueio de Coulomb e no caso de tunelamento [10]

(a) (b)

Figura 211 Diagramas de energia (a) Bloqueio de Coulomb (b) Tunelamento mono-

eleacutetron [10]

17

O bloqueio de Coulomb eacute superado ao se aplicar uma tensatildeo Vg ao circuito ateacute que esta

tensatildeo alcance um dado valor de limiar que forneceraacute energia suficiente para que ocorra o

tunelamento de um eleacutetron Assim haveraacute o fluxo de eleacutetrons havendo corrente A Figura

212 mostra a regiatildeo do bloqueio de Coulomb ao aplicar uma tensatildeo Vg ao circuito em que

Vc eacute a tensatildeo de limiar chamada de tensatildeo de bloqueio de Coulomb [5-10]

Figura 212 Caracteriacutestica do bloqueio de Coulomb [10]

Nesse contexto duas condiccedilotildees satildeo necessaacuterias para garantir que o transporte de eleacutetrons

seja controlado pelo efeito de carregamento a condiccedilatildeo para a resistecircncia de tunelamento

dada pela equaccedilatildeo (225) [1] em que a natureza corpuscular do eleacutetron predomina sobre a

natureza ondulatoacuteria e a energia eletrostaacutetica (EC) associada a uma dada temperatura (T)

deve ser significativamente maior que as flutuaccedilotildees teacutermicas existentes agravequela

temperatura como descrita na equaccedilatildeo (226) [146-9] Os paracircmetros h eacute a constante de

Planck e eacute a carga do eleacutetron kB eacute a constante de Boltzmann e C eacute capacitacircncia Na

equaccedilatildeo (226) a temperatura deve ser maior que 0K [10]

kRe

hR TT 825

2 (225)

TkC

eTkEc BB

2

2

(226)

A partir dos conceitos apresentados pode-se definir o transistor mono-eleacutetron O SET

ilustrado na Figura 213 [10] eacute composto por duas junccedilotildees-tuacutenel em seacuterie formando uma

ilha entre as junccedilotildees [246-9] Os paracircmetros R1 C1 e R2 C2 correspondem agraves

resistecircncias e capacitacircncias da primeira e da segunda junccedilatildeo-tuacutenel respectivamente A

tensatildeo de porta Vg controla a energia eletrostaacutetica da ilha atraveacutes da capacitacircncia Cg

18

Quando haacute carregamento por tunelamento de uma junccedilatildeo e descarregamento da outra

junccedilatildeo haacute um fluxo controlado de cargas o que gera a corrente I [10]

Figura 213 Transistor mono-eleacutetron [10]

Um efeito que pode ser observado na caracteriacutestica da corrente versus tensatildeo do transistor

mono-eleacutetron eacute chamado de oscilaccedilatildeo de Coulomb [24679] Se a tensatildeo V for mantida

constante com CeV e a tensatildeo Vg for aumentada ateacute atingir gg CeV 2 esse

valor de tensatildeo permitiraacute que um eleacutetron passe pela ilha Como soacute haveraacute corrente fluindo

no circuito em valores muacuteltiplos da tensatildeo gCe 2 soacute ocorreraacute o tunelamento novamente

quando )2(3 gg CeV A caracteriacutestica corrente (I) versus tensatildeo (Vg) do transistor

mono-eleacutetron eacute ilustrada na Figura 214 [10]

Figura 214 Caracteriacutestica corrente (I) versus tensatildeo (Vg) do transistor mono-eleacutetron [10]

222 Estrutura do inversor mono-eleacutetron

Um inversor pode ser construiacutedo colocando-se dois SETs em seacuterie os quais compartilham

da mesma entrada [5689] conforme mostrado na Figura 215 Vin eacute a tensatildeo de entrada

Vout eacute a tensatildeo de saiacuteda Vbias eacute a tensatildeo de polarizaccedilatildeo CC eacute a capacitacircncia de carga Cg1 e

Cg2 satildeo as capacitacircncias de porta do SET 1 e do SET 2 respectivamente

19

Figura 215 Esquemaacutetico do inversor utilizando SETs (modificado de [4])

Alguns modelos do SET desenvolvidos no software SPICE foram propostos na literatura

[4-7] Destes modelos o proposto por G Lientschnig et al [4] descreve a implementaccedilatildeo

completa da teoria ortodoxa e usa apenas os recursos em versotildees disponiacuteveis publicamente

do software SPICE Este modelo diferentemente dos modelos propostos em [5-7] natildeo estaacute

limitado a transistores mono-eleacutetron com junccedilotildees-tuacutenel que tecircm resistecircncias iguais Aleacutem

disso pode ser estendido para incluir um nuacutemero arbitraacuterio de estados de carga que

permite simulaccedilotildees definidas para altas temperaturas e tensotildees de polarizaccedilatildeo [4] O

modelo de G Lientschnig et al estaacute disponiacutevel no siacutetio eletrocircnico [44] Assim este foi o

modelo utilizado neste trabalho

23 CLOCKING DE SISTEMAS DE ALTA VELOCIDADE

Em sistemas digitais siacutencronos o sinal do clock eacute utilizado para definir uma referecircncia de

tempo agrave mudanccedila de dados dentro do sistema [1145] Assim a distribuiccedilatildeo do clock eacute de

suma importacircncia na operaccedilatildeo de circuitos integrados digitais sendo uma grande

preocupaccedilatildeo em circuitos integrados de alta velocidade [46-51] Circuitos em escala

nanomeacutetrica podem ser significativamente limitados devido ao clock skew que ocorre

quando os circuitos natildeo estatildeo equumlidistantes do sinal do clock [11454649-51] Como este

sinal eacute o sinal mais ativo em um chip pode resultar em elevado consumo de potecircncia e

grandes densidades de corrente na rede de interconexotildees do clock [454849]

Dessa forma o sinal do clock deve atingir ao mesmo tempo cada noacute para garantir que a

comutaccedilatildeo seja sincronizada bem como deve ser distribuiacutedo de forma que haja o menor

20

atraso possiacutevel [49] Com esse intuito os seguintes fatores entre outros satildeo fundamentais

no desempenho do clock dispositivos loacutegicos de tecnologia raacutepida (avanccedilada) rede de

distribuiccedilatildeo de clock que minimize o skew e interconexotildees com alto desempenho [11]

Conforme exposto anteriormente os dispositivos nanoeletrocircnicos como os transistores

mono-eleacutetron satildeo potencialmente aplicaacuteveis em circuitos integrados em escala giga (GSI)

e tera (TSI) Estes dispositivos permitem que as funccedilotildees loacutegicas sejam desempenhadas em

um tempo mais raacutepido e com menor atraso Assim satildeo fortes candidatos a serem utilizados

em circuitos integrados com clock

A adequada rede de distribuiccedilatildeo do clock assegura que a comutaccedilatildeo seja sincronizada e

que haja o menor atraso possiacutevel [1145] Aleacutem disso dependendo da arquitetura da rede o

niacutevel de sincronismo do sistema pode aumentar Diferentes tipos de abordagens tecircm sido

desenvolvidos para projetar a rede de distribuiccedilatildeo do clock em sistemas digitais de

circuitos integrados [45] Os buffered trees satildeo muito utilizados na distribuiccedilatildeo

equipotencial do clock Aleacutem dessas estruturas assimeacutetricas arquiteturas simeacutetricas como

o H-tree satildeo usadas para distribuir sinais de clock em alta velocidade podendo inclusive

ser projetadas com buffers [45-51] Algumas formas de rede de distribuiccedilatildeo do clock estatildeo

ilustradas na Figura 216 incluindo a trunk tree mesh e H-tree [45]

Figura 216 Estruturas comuns de redes de distribuiccedilatildeo de clock [45]

21

Atualmente as interconexotildees de cobre satildeo bastante utilizadas para circuitos de alto

desempenho como em redes de clock No entanto os CNTs apresentam caracteriacutesticas que

os tornam melhores para serem utilizados em interconexotildees descritas na subseccedilatildeo 221

[48] Neste trabalho seraacute realizada a comparaccedilatildeo entre interconexotildees de cobre e de CNT

na rede de distribuiccedilatildeo do H-tree clock

231 H-Tree Clock

O clock skew pode ser minimizado distribuindo-se o sinal do clock de forma que as

interconexotildees que levam o sinal aos circuitos loacutegicos tecircm o mesmo comprimento Se antes

de chegarem aos circuitos loacutegicos os sinais do clock forem igualmente atrasados eles

estaratildeo perfeitamente sincronizados [1145] Dessa forma o esquemaacutetico da Figura 217 de

distribuiccedilatildeo do clock minimiza o clock skew repetindo recursivamente uma estrutura em

forma de H [11] A Figura 217 ilustra uma rede H-tree simeacutetrica com trecircs niacuteveis [46]

Figura 217 Esquemaacutetico do H-tree clock simeacutetrico (modificado de [46])

Na estrutura do H-tree o condutor primaacuterio do clock estaacute ligado ao centro do H principal

(1ordm niacutevel) transmitindo o sinal para os quatro cantos deste H Esses quatro cantos satildeo as

entradas para o proacuteximo niacutevel do H-tree o 2ordm niacutevel que possui quatro estruturas em H O

processo de distribuiccedilatildeo continua por vaacuterios niacuteveis de H‟s cada vez menores Os pontos de

destino final do H-tree satildeo usados para conduzir os circuitos locais Assim cada caminho

do clock desde a fonte ateacute o circuito local possui praticamente o mesmo atraso [45]

22

24 MEDIDAS DE DESEMPENHO NA ANAacuteLISE DAS INTERCONEXOtildeES

As interconexotildees em circuitos integrados possuem caracteriacutesticas que modificam o sinal de

entrada O efeito das interconexotildees pode provocar atrasos e distorccedilotildees indesejaacuteveis Nesse

contexto eacute necessaacuterio analisar medidas de desempenho dos sinais sob efeito das

interconexotildees tais como velocidade maacutexima atenuaccedilatildeo tempo de atraso potecircncia

dissipada produto atraso-potecircncia e slew rate [111317202342]

241 Velocidade maacutexima - anaacutelise na frequumlecircncia

A velocidade maacutexima que as interconexotildees podem operar sem distorcer o sinal de entrada

eacute uma medida de desempenho importante [172023] Eacute possiacutevel analisar este paracircmetro

atraveacutes da frequumlecircncia maacutexima de operaccedilatildeo da interconexatildeo que eacute a largura de banda em

que o sinal comeccedila a decair em -3dB em relaccedilatildeo ao sinal de referecircncia [1742] Assim

utiliza-se a anaacutelise do moacutedulo do graacutefico de Bode para obter a frequumlecircncia de operaccedilatildeo em

-3dB [42] A Figura 218 mostra o esboccedilo do moacutedulo do ganho pela frequumlecircncia tiacutepico do

comportamento de interconexotildees

Figura 218 Graacutefico do moacutedulo do ganho pela frequumlecircncia tiacutepico do comportamento de

interconexotildees

23

242 Atenuaccedilatildeo

A transmissatildeo de um sinal pode ser expressa em funccedilatildeo do seu ganho ou da sua atenuaccedilatildeo

No caso em estudo as interconexotildees podem atenuar o sinal Essa atenuaccedilatildeo eacute geralmente

calculada pela expressatildeo (227) em que Vo eacute o sinal de saiacuteda e Vi eacute o sinal de entrada [42]

i

o

V

VA log20 (227)

243 Tempo de atraso

O tempo de atraso td ou atraso na propagaccedilatildeo ocorre devido ao

carregamentodescarregamento da capacitacircncia de carga bem como ao tempo de

chaveamento dos transistores [42]

O tempo de atraso eacute obtido pela diferenccedila entre o tempo medido a 50 da transiccedilatildeo dos

sinais de entrada e de saiacuteda [11] Em circuitos loacutegicos o atraso na propagaccedilatildeo pode ser

calculado pela meacutedia aritmeacutetica do tempo de propagaccedilatildeo do sinal de alto para baixo tPHL e

do tempo de propagaccedilatildeo do baixo para alto tPLH conforme equaccedilatildeo (228) [1142]

2

PLHPHLd

ttt

(228)

244 Potecircncia dissipada

A dissipaccedilatildeo de potecircncia eacute outra medida de desempenho bastante importante em circuitos

integrados em escala GSI e TSI Isso ocorre jaacute que ao aumentar o nuacutemero de portas

loacutegicas em uma determinada aacuterea ocupada eacute necessaacuterio que a dissipaccedilatildeo de potecircncia esteja

dentro de limites aceitaacuteveis [1142]

A dissipaccedilatildeo de potecircncia eacute composta por dois componentes potecircncia estaacutetica e potecircncia

dinacircmica A dissipaccedilatildeo de potecircncia estaacutetica eacute dada por IVP DDE e ocorre mesmo que

natildeo haja chaveamento de porta loacutegica no circuito devido ao efeito da resistecircncia do

circuito [42] A dissipaccedilatildeo de potecircncia dinacircmica eacute devido agrave capacitacircncia de carga do

24

circuito expressa por CVfP DDD 2 em que VDD eacute a tensatildeo de alimentaccedilatildeo f eacute

frequumlecircncia do circuito e C eacute a capacitacircncia de carga do circuito [1142] Assim a soma da

potecircncia dinacircmica e da potecircncia estaacutetica resulta na potecircncia total dissipada no circuito

245 Produto atraso-potecircncia

Em circuitos integrados o ideal eacute que se tenha baixo atraso na propagaccedilatildeo resultando em

uma maior velocidade de funcionamento do circuito bem como baixa dissipaccedilatildeo de

potecircncia No entanto essas duas exigecircncias satildeo conflitantes ao reduzirmos a dissipaccedilatildeo de

potecircncia de uma porta a capacidade da porta em fornecer corrente diminuiraacute isso

implicaraacute em um maior tempo de carga e descarga aumentando o atraso na propagaccedilatildeo

Assim o produto atraso-potecircncia (delay power product ndash DP) eacute uma medida de

desempenho bastante utilizada na anaacutelise de circuitos e eacute dado por dD tPDP Quanto

menor o produto atraso-potecircncia maior a eficiecircncia do circuito loacutegico [42]

246 Slew rate

A taxa maacutexima de variaccedilatildeo da tensatildeo de saiacuteda do inglecircs slew rate (SR) eacute uma

caracteriacutestica importante do sinal de saiacuteda de um circuito loacutegico A limitaccedilatildeo na taxa de

variaccedilatildeo pode provocar uma distorccedilatildeo no funcionamento do circuito O SR pode ser

calculado pela expressatildeo (229) em que Δv eacute a variaccedilatildeo da tensatildeo de saiacuteda do sinal para

uma determinada variaccedilatildeo de tempo Δt [42]

t

vSR

(229)

25 LTSPICE

O software LTSPICE eacute um simulador SPICE de alto desempenho orientado a

esquemaacuteticos e visualizador de formas de onda com modelos para facilitar a simulaccedilatildeo de

circuitos eletrocircnicos Se comparado aos outros simuladores SPICE a simulaccedilatildeo do

LTSPICE eacute bastante raacutepida O software consegue simular dispositivos de acordo com o

padratildeo industrial reproduzindo os seus comportamentos [52]

25

O LTSPICE possui vaacuterias possibilidades de simulaccedilatildeo como anaacutelise transiente anaacutelise AC

e anaacutelise DC bem como permite a simulaccedilatildeo de vaacuterios dispositivos disponiacuteveis na sua

biblioteca Aleacutem disso este software possibilita a elaboraccedilatildeo de novos esquemaacuteticos

atraveacutes de um modelo matemaacutetico ou eletrocircnico proposto O novo componente poderaacute ser

utilizado no circuito conforme seraacute feito neste trabalho utilizando-se o modelo SPICE do

SET proposto por G Lientschnig et al[4]

26

3 METODOLOGIA

31 INTRODUCcedilAtildeO

A miniaturizaccedilatildeo das interconexotildees prejudica o seu desempenho resultando no aumento

significativo do valor da resistividade da capacitacircncia de acoplamento entre vias na

dificuldade de controlar a razatildeo entre a altura e a largura do material entre outros

problemas A fim de analisar o desempenho das interconexotildees eacute necessaacuterio verificar

algumas variaacuteveis importantes como velocidade maacutexima (f-3dB) atenuaccedilatildeo (A) tempo de

atraso (td) potecircncia dissipada (P) produto atraso-potecircncia (DP) e slew rate (SR)

[111317202342]

32 ETAPAS E ESTRATEacuteGIAS ADOTADAS

Com o intuito de analisar o efeito das interconexotildees em circuitos com transistores mono-

eleacutetron foi realizada primeiramente a anaacutelise das interconexotildees de SWCNT de SWCNT

bundle e de cobre isoladamente para diferentes valores de comprimento Apoacutes a avaliaccedilatildeo

desses resultados o efeito das interconexotildees foi analisado no H-tree clock com inversores

mono-eleacutetron nos seus terminais tambeacutem considerando diferentes comprimentos Neste

trabalho a tecnologia de 22 nm prevista para o ano de 2016 [21] foi utilizada na

comparaccedilatildeo entre o desempenho do cobre e do CNT Todas as simulaccedilotildees foram realizadas

utilizando o software LTSPICE

321 Simulaccedilatildeo das interconexotildees

A partir dos modelos das interconexotildees de SWCNT SWCNT bundle e cobre apresentados

na subseccedilatildeo 213 diferentes comprimentos das interconexotildees foram simulados Assim

analisou-se as interconexotildees locais em que l le 1 μm e as intermediaacuterias em que 1 μm lt l

le 500 μm sabendo que l eacute o comprimento da interconexatildeo [29-31333638]

A fim de analisar a frequumlecircncia de corte este foi obtido para comprimentos de

interconexotildees locais (10nm 100nm 200nm 300nm 400nm 500nm 600nm 700nm

27

800nm 900nm 1μm) e interconexotildees intermediaacuterias (10μm 100μm 200μm 300μm

400μm 500μm)

Jaacute que λCNT eacute tipicamente 1 μm foram escolhidos trecircs comprimentos na faixa lCNT le λCNT

(10 nm 100 nm e 1 μm) e trecircs comprimentos na faixa lCNT gt λCNT (10 μm 100 μm 500

μm) para serem analisados detalhadamente Escolheu-se uma mesma frequecircncia abaixo da

frequecircncia de corte dos trecircs materiais considerados para analisar e comparar a atenuaccedilatildeo

(A) e o tempo de atraso na propagaccedilatildeo (td) dos diferentes comprimentos

Em seguida o mesmo procedimento foi feito para comparar somente o SWCNT bundle e o

cobre para uma mesma frequecircncia cujo valor eacute maior que a frequecircncia da anaacutelise anterior

permitindo que estes dois materiais sejam analisados detalhadamente

Essas anaacutelises foram realizadas a partir da simulaccedilatildeo do circuito da Figura 31 [2325] A

tensatildeo de entrada Vin eacute uma onda quadrada de 1V de amplitude e o capacitor de carga tem

o valor de 100 aF

Figura 31 ndash Circuito simulado para cada interconexatildeo

A Figura 32 mostra o fluxograma das etapas descritas nesta subseccedilatildeo 321

28

Figura 32 ndash Fluxograma das etapas seguidas na simulaccedilatildeo das interconexotildees

322 Simulaccedilatildeo do inversor mono-eleacutetron

Para utilizar a porta inversora da Figura 215 nos terminais do H-tree clock foi necessaacuterio

primeiramente simular o SET proposto por [4] Essa simulaccedilatildeo foi feita variando os

paracircmetros do SET como as resistecircncias e capacitacircncias das junccedilotildees as capacitacircncias de

porta a temperatura etc Os paracircmetros foram variados ateacute simular o SET a temperatura

de 300K Em seguida simulou-se a inversora da Figura 215 tambeacutem a temperatura

ambiente Dessa forma foi possiacutevel simular a inversora isoladamente obtendo as

caracteriacutesticas do sinal de saiacuteda

323 Simulaccedilatildeo do H-tree clock mono-eleacutetron

Apoacutes a simulaccedilatildeo do SET foi possiacutevel simular o H-tree clock A rede H-tree de dois niacuteveis

foi simulada com um H no primeiro niacutevel e quatro H‟s no segundo niacutevel [49] Nos pontos

de destino final da rede foram colocadas portas inversoras formadas por SETs permitindo

a anaacutelise de circuitos nanoeletrocircnicos

Modelos de SWCNT

SWCNT bundle e cobre

Obtenccedilatildeo dos paracircmetros dos modelos para

interconexotildees locais e interconexotildees intermediaacuterias

Para cada comprimento

obtenccedilatildeo de f-3dB

1ordm) Escolha de frequumlecircncia abaixo

da f-3dB do SWCNT SWCNT

bundle e cobre

2ordm) Escolha de frequumlecircncia abaixo

da f-3dB do SWCNT bundle e

cobre

Obtenccedilatildeo de A e td de

cada modelo

Obtenccedilatildeo de A e td de

cada modelo

Anaacutelise comparativa entre o

SWCNT SWCNT bundle e

cobre

Anaacutelise comparativa entre o

SWCNT bundle e cobre

Estudo de interconexotildees locais (10nm

100nm 1μm) e intermediaacuterias (10μm

100μm 500μm)

29

A partir da simulaccedilatildeo do H-tree clock obteve-se a frequecircncia em -3dB (f-3dB) da rede com

interconexotildees ideais Assim a rede H-tree foi entatildeo simulada para duas frequecircncias

diferentes do sinal de entrada abaixo da frequecircncia de -3dB 10 GHz e 100 GHz Com

essas simulaccedilotildees obtiveram-se as seguintes caracteriacutesticas do sinal de saiacuteda da inversora

niacutevel loacutegico baixo (NB) niacutevel loacutegico alto (NA) tempo de subida (tr) slew rate de subida

(SR) atenuaccedilatildeo (A) tempo de atraso (td) potecircncia dissipada (P) e produto atraso-potecircncia

(DP) As caracteriacutesticas obtidas servem como referecircncia para analisar o sinal considerando

interconexotildees natildeo-ideais ou seja incluindo os modelos das interconexotildees nas simulaccedilotildees

Em seguida a rede H-tree foi simulada considerando-se os modelos das interconexotildees de

SWCNT bundle e de cobre variando os seus comprimentos Como cada H da rede de

distribuiccedilatildeo deve ser simeacutetrico considerou-se que cada divisatildeo do H tem o mesmo

comprimento para cada niacutevel da rede [11] A Figura 33 mostra o comprimento dos

diferentes trechos da rede Assim o comprimento de cada divisatildeo dos H‟s do segundo

niacutevel eacute a metade do comprimento de cada divisatildeo do H do primeiro niacutevel Jaacute que o objetivo

eacute simular circuitos em escala nanomeacutetrica escolheu-se trecircs variaccedilotildees de comprimento

menores ou iguais a 1μm

l = 100 nm l2 = 50 nm

l = 400 nm l2 = 200 nm

l = 1 μm l2 = 500 nm

Figura 33 ndash Esquemaacutetico do H-tree clock com os comprimentos de cada seguimento

Dessa forma cada um dos trecircs circuitos foi simulado obtendo-se a frequecircncia em -3dB na

entrada das portas inversoras Em seguida as trecircs redes foram simuladas para as mesmas

30

duas frequumlecircncias do sinal de entrada (10 GHz e 100 GHz) de forma a obter as

caracteriacutesticas do sinal de saiacuteda descritas anteriormente considerando agora o efeito das

interconexotildees

Por fim a partir dos dados obtidos foram realizadas comparaccedilotildees entre as caracteriacutesticas

do sinal de saiacuteda de referecircncia (interconexotildees ideais) e o sinal de saiacuteda dos circuitos com as

interconexotildees natildeo-ideais bem como entre o comportamento das interconexotildees de SWCNT

bundle e de cobre nas diferentes frequecircncias

A Figura 34 mostra o fluxograma das etapas descritas nas subseccedilotildees 322 e 323

Figura 34 ndash Fluxograma das etapas seguidas na simulaccedilatildeo do H-tree clock

H-tree clock mono-eleacutetron

Simulaccedilatildeo do H-tree clock com

interconexotildees ideais Obtenccedilatildeo de f-3dB

da inversora

Simulaccedilatildeo do H-tree clock com

interconexotildees natildeo-ideais para os seguintes

comprimentos

l = 100 nm l2 = 50 nm

l = 400 nm l2 = 200 nm

l = 1 μm l2 = 500 nm

Validaccedilatildeo do SET e do

inversor mono-eleacutetron a

300K

Sinal de entrada a

10 GHz

Sinal de entrada a

100 GHz

Obtenccedilatildeo de NB

NA tr SR A td P e

DP do sinal de saiacuteda

da inversora

Obtenccedilatildeo de NB

NA tr SR A td P e

DP do sinal de saiacuteda

da inversora

Sinal de entrada a

10 GHz

Sinal de entrada a

100 GHz

Obtenccedilatildeo de NB

NA tr SR A td P e

DP do sinal de saiacuteda

da inversora

Obtenccedilatildeo de NB

NA tr SR A td P e

DP do sinal de saiacuteda

da inversora

Anaacutelise comparativa

dos dados obtidos

31

4 RESULTADOS E ANAacuteLISES

41 INTRODUCcedilAtildeO

Neste capiacutetulo seratildeo apresentados os procedimentos adotados e os resultados obtidos na

simulaccedilatildeo das interconexotildees SWCNT SWCNT bundle e cobre As etapas descritas na

metodologia foram seguidas obtendo-se os resultados das simulaccedilotildees das interconexotildees e

das simulaccedilotildees do H-tree clock mono-eleacutetron para interconexotildees ideais e natildeo-ideais A

partir dos resultados a anaacutelise do desempenho das interconexotildees seraacute apresentada

42 ANAacuteLISE DAS INTERCONEXOtildeES

Nesta seccedilatildeo a anaacutelise das interconexotildees de SWCNT SWCNT bundle e cobre na

tecnologia de 22 nm para diferentes comprimentos seraacute realizada Para isso analisou-se

as interconexotildees locais em que l le 1 μm e as intermediaacuterias em que 1 μm lt l le 500 μm

sabendo que l eacute o comprimento da interconexatildeo [29-31333638] Como λCNT eacute

tipicamente 1 μm trecircs comprimentos na faixa lCNT le λCNT (10 nm 100 nm e 1 μm) e trecircs

comprimentos na faixa lCNT gt λCNT (10 μm 100 μm 500 μm) de cada material seratildeo

analisados detalhadamente Os paracircmetros obtidos a partir dos modelos de SWCNT

SWCNT bundle e cobre estatildeo respectivamente nas Tabelas 71 72 e 73 do Apecircndice

421 Interconexotildees locais

Primeiramente a partir da simulaccedilatildeo da Figura 31 obteve-se a frequecircncia em -3dB (f-3dB)

das interconexotildees locais (lCNT le λCNT ) isto eacute a sua banda passante de forma a verificar a

velocidade maacutexima que cada interconexatildeo suporta A Figura 41 ilustra o comportamento

da frequecircncia das interconexotildees locais para os diferentes comprimentos Como o SWCNT

isolado possui valores de frequecircncia na faixa de centenas de giga Hertz ou seja menos de

um tera Hertz os valores de suas frequecircncias tambeacutem podem ser visualisados na Tabela

74 do Apecircndice

Verifica-se que agrave medida que o comprimento da interconexatildeo aumenta a frequecircncia

diminui Isso ocorre jaacute que os valores da capacitacircncia e indutacircncia aumentam com o

aumento do comprimento da interconexatildeo Esses paracircmetros satildeo decisivos no sinal de

32

saiacuteda sendo o sinal mais distorcido quanto maior for o valor desses paracircmetros Observa-

se que o SWCNT bundle e o cobre possuem banda passante maiores que o SWCNT

isolado para qualquer comprimento Aleacutem disso o SWCNT bundle soacute possui uma banda

passante comparaacutevel ao do cobre para comprimentos acima de 700 nm

Frequecircncia X Comprimento

0

10

20

30

40

50

60

100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

Comprimento (nm)

f -3d

B (

TH

z)

SWCNT Isolado

SWCNT bundle

Cobre

Figura 41 ndash Frequumlecircncia versus comprimento das interconexotildees locais

As interconexotildees locais de 10 nm 100 nm e 1 μm de comprimento foram analisadas

detalhadamente A Tabela 41 mostra a frequecircncia em -3dB de cada material para os

comprimentos em anaacutelise

Tabela 41 Frequecircncia em -3dB de cada material para lCNT le λCNT

Interconexatildeo Local Comprimento (L) Material f-3dB

SWCNT isolado 253 GHz

10nm SWCNT bundle 66 THz

Cobre 232 THz

SWCNT isolado 300 GHz

lCNT le λCNT 100nm SWCNT bundle 20 THz

Cobre 51 THz

SWCNT isolado 230 GHz

1microm SWCNT bundle 47 THz

Cobre 42 THz

Assim escolheu-se uma mesma frequecircncia abaixo da frequecircncia de corte dos trecircs

materiais considerados para analisar e comparar a atenuaccedilatildeo (A) e o tempo de atraso na

propagaccedilatildeo (td) dos trecircs comprimentos Isso permite verificar o comportamento do sinal na

banda passante A Tabela 42 mostra esse estudo comparativo entre o SWCNT isolado

SWCNT bundle e cobre agrave frequecircncia de 200 GHz

33

Tabela 42 Estudo das interconexotildees com comprimentos na faixa lCNT le λCNT

Freq L Material A (dB) td (ps)

SWCNT isolado -210 046

10nm SWCNT bundle 001 000

Cobre 000 000

SWCNT isolado -155 051

200 GHz 100nm SWCNT bundle 001 000

Cobre 001 000

SWCNT isolado -039 107

1microm SWCNT bundle 006 001

Cobre 000 007

A partir da anaacutelise da Tabela 42 eacute possiacutevel observar agrave frequumlecircncia de 200 GHz a

atenuaccedilatildeo do sinal e o atraso do SWCNT isolado Nessa frequumlecircncia o atraso do SWCNT

isolado eacute significativo em relaccedilatildeo ao periacuteodo do sinal que eacute 5ps jaacute que o menor atraso

(para l = 10nm) eacute aproximadamente 10 do periacuteodo do sinal de entrada No entanto para

esta mesma frequumlecircncia observa-se que a atenuaccedilatildeo e o atraso do SWCNT bundle e do

cobre satildeo insignificantes Isto indica que estes dois materiais possuem melhor

desempenho sendo favoraacuteveis para serem utilizados em interconexotildees locais

Dessa forma para analisar melhor a atenuaccedilatildeo e o tempo de atraso do SWCNT bundle e do

cobre o mesmo procedimento foi feito comparando-se somente estes dois materiais para

uma mesma frequecircncia de 1 THz A Tabela 43 mostra esse estudo comparativo entre o

SWCNT bundle e cobre

Tabela 43 Estudo das interconexotildees SWCNT bundle e cobre com comprimentos na faixa

lCNT le λCNT

Freq L Material A (dB) td (fs)

10nm SWCNT bundle 001 113

Cobre 000 022

1 THz 100nm SWCNT bundle 006 136

Cobre 001 240

1microm SWCNT bundle 145 647

Cobre -013 5623

Analisando a Tabela 43 observa-se que agrave frequumlecircncia de 1 THz a atenuaccedilatildeo do sinal e o

atraso aumentam agrave medida que o comprimento das interconexotildees aumentam A partir do

comprimento de 100nm o tempo de atraso da interconexatildeo de cobre eacute maior que o do

SWCNT bundle cujo maior valor de atraso (para l = 1microm) natildeo chega a 1 do periacuteodo do

34

sinal de entrada (1ps) Isso mostra que apesar de a banda passante do cobre ser maior o

atraso do SWCNT bundle eacute menor Dessa forma para as interconexotildees locais o SWCNT

bundle possui desempenho comparaacutevel ao do cobre [13]

Em relaccedilatildeo agrave atenuaccedilatildeo verifica-se que para alguns comprimentos este tem valor

positivo Isso ocorre principalmente quando haacute um pico no graacutefico da frequumlecircncia antes dele

comeccedilar a decair Esse pico eacute devido ao efeito ressonante provocado pela indutacircncia

quando este possui valor comparaacutevel agrave resistecircncia e agrave capacitacircncia da interconexatildeo [53]

Assim esse efeito ressonante foi observado somente nas interconexotildees locais de SWCNT

bundle e de cobre A Figura 42 ilustra o graacutefico da magnitude pela frequumlecircncia do SWCNT

isolado SWCNT bundle e cobre para o comprimento de 100nm Observa-se o efeito

ressonante nos graacuteficos do SWCNT bundle e do cobre

Figura 42 ndash Graacuteficos da magnitude das interconexotildees de SWCNT isolado (superior)

SWCNT bundle (meio) e cobre (inferior) com comprimento de 100nm

35

422 Interconexotildees intermediaacuterias

Assim como para as interconexotildees locais obteve-se a frequecircncia em -3dB (f-3dB) das

interconexotildees intermediaacuterias (lCNT gt λCNT) de forma a verificar a velocidade maacutexima que

cada interconexatildeo suporta A Figura 43 ilustra o comportamento da frequecircncia das

interconexotildees intermediaacuterias para os diferentes comprimentos Os valores das frequecircncias

de cada interconexatildeo tambeacutem podem ser visualisados na Tabela 75 do Apecircndice

Como nas interconexotildees locais agrave medida que o comprimento da interconexatildeo aumenta a

frequecircncia diminui Aleacutem disso o SWCNT bundle e o cobre possuem desempenho melhor

que o do SWCNT isolado para qualquer comprimento No entanto para interconexotildees

intermediaacuterias o SWCNT bundle possui banda passante maior que a do cobre para

qualquer comprimento

Frequecircncia X Comprimento

00

05

10

15

20

25

30

35

40

45

100 200 300 400 500

Comprimento (μm)

f -3d

B (

GH

z)

SWCNT isolado

SWCNT bundle

Cobre

Figura 43 ndash Frequumlecircncia versus comprimento das interconexotildees intermediaacuterias

As interconexotildees intermediaacuterias de 10 μm 100 μm e 500 μm de comprimento foram entatildeo

analisadas detalhadamente A Tabela 44 mostra a frequecircncia em -3dB de cada materal

para os diferentes comprimentos em anaacutelise

36

Tabela 44 Frequecircncia em -3dB de cada material para lCNT gt λCNT

Interconexatildeo

Intermediaacuteria

Comprimento (L) Material f-3dB

SWCNT isolado 26 GHz

10 microm SWCNT bundle 527 GHz

Cobre 34 GHz

SWCNT isolado 32 MHz

lCNT gt λCNT 100 microm SWCNT bundle 42 GHz

Cobre 345 MHz

SWCNT isolado 13 MHz

500 microm SWCNT bundle 165 MHz

Cobre 14 MHz

Escolheu-se a frequecircncia de 1 MHz que estaacute abaixo da frequecircncia de corte dos trecircs

materiais considerados para analisar e comparar a atenuaccedilatildeo (A) e o tempo de atraso na

propagaccedilatildeo (td) dos trecircs comprimentos A Tabela 45 mostra esse estudo comparativo entre

o SWCNT isolado SWCNT bundle e cobre

Tabela 45 Estudo das interconexotildees com comprimentos na faixa lCNT gt λCNT

Freq L Material A (dB) td (ns)

SWCNT isolado -002 008

10 microm SWCNT bundle 000 000

Cobre 000 000

SWCNT isolado -003 559

1 MHz 100 microm SWCNT bundle -001 005

Cobre -004 056

SWCNT isolado -198 10217

500 microm SWCNT bundle 000 110

Cobre -003 1301

Com base na Tabela 45 observa-se que a atenuaccedilatildeo e o tempo de atraso do SWCNT

isolado aumentam com o aumento do comprimento da interconexatildeo Nessa frequumlecircncia o

atraso na propagaccedilatildeo do SWCNT isolado eacute significativo em relaccedilatildeo ao periacuteodo do sinal de

entrada que eacute 1micros chegando a mais de 10 deste periacuteodo para o comprimento de 500microm

Verifica-se tambeacutem o aumento do tempo de atraso da interconexatildeo de cobre sendo 13

do periacuteodo do sinal de entrada para o comprimento de 500microm

Para analisar melhor a atenuaccedilatildeo e o tempo de atraso do SWCNT bundle e do cobre o

mesmo procedimento foi feito comparando-se somente estes dois materiais para uma

37

mesma frequecircncia de 10 MHz A Tabela 46 mostra esse estudo comparativo entre o

SWCNT bundle e cobre

Tabela 46 Estudo das interconexotildees SWCNT bundle e cobre com comprimentos na faixa

lCNT gt λCNT

Freq L Material A (dB) td (ns)

10 microm SWCNT bundle 000 000

Cobre 000 000

10 MHz 100 microm SWCNT bundle -001 005

Cobre -004 054

500 microm SWCNT bundle -004 107

Cobre -185 1024

Analisando a Tabela 46 observa-se que agrave medida que o comprimento das interconexotildees

aumenta a atenuaccedilatildeo e o atraso do sinal da interconexatildeo de cobre tornam-se significativos

O atraso na propagaccedilatildeo da interconexatildeo de cobre para l = 500microm chega a 10 do periacuteodo

do sinal de entrada (100ns) Jaacute o SWCNT bundle apresenta valores insignificantes de

atenuaccedilatildeo e atraso na propagaccedilatildeo Assim para as interconexotildees intermediaacuterias o SWCNT

bundle possui desempenho superior ao do cobre

43 SIMULACcedilAtildeO DO INVERSOR MONO-ELEacuteTRON

O modelo SPICE do SET proposto por G Lientschnig et al [444] foi simulado no

LTSPICE A partir da equaccedilatildeo (226) foi possiacutevel aumentar a temperatura do SET ateacute

chegar a 300K Assim o esquemaacutetico do SET e os valores de seus paracircmetros para que o

SET opere a 300K estatildeo na Figura 44 No anexo deste trabalho (subseccedilatildeo 81) encontra-

se o coacutedigo SET que foi utilizado [44] Os paracircmetros R1 C1 e R2 C2 correspondem agraves

resistecircncias e capacitacircncias das junccedilotildees-tuacutenel Cg eacute a capacitacircncia de porta (Cg1 no coacutedigo

SET) Vg eacute a tensatildeo de porta e V eacute a tensatildeo de entrada

Figura 44 Esquemaacutetico do SET e os valores de seus paracircmetros

38

A partir destes valores o inversor mono-eleacutetron foi construiacutedo colocando-se dois SETs em

seacuterie os quais compartilham da mesma entrada A Figura 45 ilustra o esquemaacutetico do

inversor mono-eleacutetron juntamente com os valores de seus paracircmetros fixos em que Vin eacute a

tensatildeo de entrada Vout eacute a tensatildeo de saiacuteda Vbias eacute a tensatildeo de polarizaccedilatildeo Cc eacute a

capacitacircncia de carga Cg1 e Cg2 satildeo as capacitacircncias de porta do SET 1 e do SET 2

respectivamente

Figura 45 Esquemaacutetico do inversor mono-eleacutetron e os valores de seus paracircmetros

(modificado de [4])

Assim apoacutes simular o inversor mono-eleacutetron a 300K obteve-se o sinal de saiacuteda mostrado

na Figura 46 Como o inversor estaacute invertendo o sinal de entrada de valor loacutegico baixo em

um sinal de saiacuteda de valor loacutegico alto ele estaacute operando corretamente

Figura 46 Curva do sinal de entrada (em verde) e do sinal de saiacuteda (em preto) do inversor

mono-eleacutetron

39

44 ANAacuteLISE DAS INTERCONEXOtildeES NO H-TREE CLOCK MONO-ELEacuteTRON

Nesta seccedilatildeo a rede H-tree clock de dois niacuteveis foi simulada com portas inversoras mono-

eleacutetron nos pontos de destino final da rede permitindo a anaacutelise de circuitos

nanoeletrocircnicos Simulou-se a rede H-tree considerando interconexotildees ideais para as

frequecircncias de 10 GHz e 100 GHz no sinal de entrada Em seguida para as mesmas duas

frequecircncias considerou-se interconexotildees natildeo-ideais de diferentes comprimentos

analisando a rede com os modelos de interconexatildeo SWCNT bundle e cobre Trecircs redes

com comprimentos de interconexotildees diferentes foram analisadas

l = 100 nm l2 = 50 nm

l = 400 nm l2 = 200 nm

l = 1 μm l2 = 500 nm

441 Anaacutelise da rede com interconexotildees ideais

A partir da simulaccedilatildeo do H-tree clock a frequecircncia em -3dB (f-3dB) da rede com

interconexotildees ideais foi obtida Na saiacuteda de cada porta inversora a banda passante do sinal

eacute 3200 GHz Dessa forma duas frequecircncias abaixo de 3200 GHz foram escolhidas para

analisar o sinal de saiacuteda da inversora em condiccedilotildees ideais As frequecircncias de 10 GHz e

100 GHz seratildeo analisadas obtendo-se as seguintes caracteriacutesticas do sinal de saiacuteda da

inversora niacutevel loacutegico baixo (NB) niacutevel loacutegico alto (NA) tempo de subida (tr) slew rate

de subida (SR) atenuaccedilatildeo (A) e tempo de atraso (td) A Tabela 47 mostra os valores

obtidos para as duas frequecircncias em anaacutelise

Tabela 47 Caracteriacutesticas dos sinais de saiacuteda da rede para interconexotildees ideais

Freq NB(mV) NA(mV) tr (ps) SR(Vns) A(dB) td (ps)

10 GHz 675 4518 356 8636 -264 412

100 GHz 678 4279 317 9088 -269 189

Os caacutelculos da potecircncia estaacutetica ( IVP DDE ) potecircncia dinacircmica ( CVfP DDD 2 ) e

potecircncia total ( DE PPP ) dissipada por cada porta inversora foram realizados bem

como o produto atraso-potecircncia (DP) Assim a Tabela 48 mostra os valores obtidos no

40

caacutelculo destes paracircmetros Como a potecircncia estaacutetica independe da frequecircncia do sinal de

entrada o seu valor eacute o mesmo nos dois casos

Tabela 48 Potecircncia dissipada por cada porta inversora para interconexotildees ideais

Frequecircncia PE (nW) PD (nW) P (nW) DP (10-18

Wmiddots)

10 GHz 4838 125 4963 020

100 GHz 4838 125 6088 012

As Tabelas 47 e 48 serviratildeo de referecircncia para as anaacutelises da rede com interconexotildees natildeo-

ideais analisadas na subseccedilatildeo seguinte As Figuras 47 e 48 ilustram o sinal de saiacuteda das

redes com frequecircncias de 10 GHz e de 100 GHz respectivamente Eacute possiacutevel observar que

na frequecircncia de 100 GHz o sinal de saiacuteda jaacute eacute distorcido em relaccedilatildeo ao sinal de referecircncia

(Figura 46)

Figura 47 Sinal de entrada (em verde) e sinal de saiacuteda (em preto) da rede a 10 GHz

Figura 48 Sinal de entrada (em verde) e sinal de saiacuteda (em preto) da rede a 100 GHz

41

442 Anaacutelise da rede com interconexotildees natildeo-ideais

Apoacutes obter as caracteriacutesticas da rede H-tree clock com interconexotildees ideais a anaacutelise da

rede com interconexotildees natildeo-ideais seraacute feita Primeiramente eacute importante verificar a

frequecircncia em -3dB do sinal depois das interconexotildees ou seja na entrada da porta

inversora Caso essa frequecircncia seja menor que a frequecircncia de 3200 GHz obtida com

interconexotildees ideais entatildeo a interconexatildeo afetaraacute o comportamento da rede A Tabela 49

mostra a frequecircncia em -3dB na entrada da inversora para interconexotildees natildeo-ideais

Tabela 49 Frequecircncia em -3dB na entrada da inversora para interconexotildees natildeo-ideais

Comprimentos (l2 l) Material f-3dB

50nm 100nm SWCNT bundle 122 THz

Cobre 175 THz

200nm 400nm SWCNT bundle 31 THz

Cobre 8606 GHz

500nm 1microm SWCNT bundle 12 THz

Cobre 1268 GHz

Assim verifica-se que a interconexatildeo de cobre da rede 500nm1microm possui frequecircncia em

-3dB abaixo da frequecircncia do circuito com interconexatildeo ideal (3200 GHz) Isso indica que

esta interconexatildeo interfere significativamente no comportamento da rede A Tabela 49

mostra tambeacutem que a banda passante da interconexatildeo de cobre soacute eacute maior que a da

interconexatildeo de SWCNT bundle no primeiro caso na rede de 50nm100nm o que mostra

uma vantagem do SWCNT bundle em relaccedilatildeo ao cobre A partir dessas informaccedilotildees a

rede H-tree clock com interconexotildees natildeo-ideais seraacute analisada detalhadamente

4421 Anaacutelise da rede a 10 GHz

As redes com interconexotildees natildeo-ideais seratildeo analisadas na frequecircncia de 10 GHz para

diferentes comprimentos Primeiramente o niacutevel loacutegico baixo (NB) o niacutevel loacutegico alto

(NA) o tempo de subida (tr) e o slew rate de subida (SR) foram obtidos conforme mostra a

Tabela 410 Com base nessa tabela verifica-se que na frequecircncia de 10 GHz essas

caracteriacutesticas natildeo foram modificadas pelas interconexotildees natildeo-ideais independentemente

do comprimento Os valores dos paracircmetros satildeo iguais aos obtidos na rede com

interconexatildeo ideal conforme Tabela 47 O sinal obtido na saiacuteda de cada inversor eacute igual

ao ilustrado na Figura 47

42

Tabela 410 Niacuteveis loacutegicos tempo de subida e slew rate dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 10 GHz

Freq L (l2l) Material NB(mV) NA(mV) tr(ps) SR(Vns)

10

GHz

50nm

100nm

SWCNT bundle 675 4518 356 8636

Cobre 675 4518 356 8636

200nm

400nm

SWCNT bundle 675 4518 356 8636

Cobre 675 4518 356 8636

500nm

1microm

SWCNT bundle 675 4518 356 8636

Cobre 675 4518 356 8636

A Tabela 411 mostra a atenuaccedilatildeo tempo de atraso potecircncia total dissipada e o produto

atraso-potecircncia obtidos a frequecircncia de 10 GHz para interconexotildees natildeo-ideais Observa-se

que a atenuaccedilatildeo do sinal e a potecircncia total dissipada por cada porta inversora permanecem

os mesmos em relaccedilatildeo agrave interconexatildeo ideal mostrando que a essa frequecircncia as

interconexotildees natildeo-ideais natildeo interferem nestes paracircmetros

Jaacute o atraso na propagaccedilatildeo do sinal no caso do cobre aumenta agrave medida que as

interconexotildees aumentam de comprimento aumentando tambeacutem o produto atraso-potecircncia

Esse atraso chega a 66 do periacuteodo do sinal de entrada para a interconexatildeo 500nm1microm

de cobre No entanto estes paracircmetros natildeo satildeo afetados pelas interconexotildees de SWCNT

bundle indicando que este material se sobressai em relaccedilatildeo ao cobre

Tabela 411 Atenuaccedilatildeo atraso potecircncia e produto atraso-potecircncia dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 10 GHz

Freq L (l2l) Material A (dB) td (ps) P (nW) DP(10-18

Wmiddots)

10

GHz

50nm

100nm

SWCNT bundle -264 412 4963 020

Cobre -264 412 4963 020

200nm

400nm

SWCNT bundle -264 412 4963 020

Cobre -264 438 4963 022

500nm

1microm

SWCNT bundle -264 412 4963 020

Cobre -264 659 4963 033

4422 Anaacutelise da rede a 100 GHz

As redes com interconexotildees natildeo-ideais seratildeo analisadas na frequecircncia de 100 GHz para

diferentes comprimentos O niacutevel loacutegico baixo (NB) o niacutevel loacutegico alto (NA) o tempo de

subida (tr) e o slew rate de subida (SR) foram obtidos conforme mostra a Tabela 412 Jaacute a

43

Tabela 413 mostra a atenuaccedilatildeo tempo de atraso potecircncia total dissipada e o produto

atraso-potecircncia obtidos a frequecircncia de 100 GHz para interconexotildees natildeo-ideais

Tabela 412 Niacuteveis loacutegicos tempo de subida e slew rate dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 100 GHz

Freq L (l2l) Material NB(mV) NA(mV) tr(ps) SR(Vns)

100

GHz

50nm

100nm

SWCNT bundle 678 4272 316 9099

Cobre 675 4277 323 9107

200nm

400nm

SWCNT bundle 678 4299 315 9196

Cobre 677 4089 289 9447

500nm

1microm

SWCNT bundle 678 4418 300 9973

Cobre 635 1766 102 6795

Tabela 413 Atenuaccedilatildeo atraso potecircncia e produto atraso-potecircncia dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 100 GHz

Freq L (l2l) Material A (dB) td (ps) P (nW) DP(10-18

Wmiddots)

100

GHz

50nm

100nm

SWCNT bundle -2703 189 6088 012

Cobre -2685 191 6088 012

200nm

400nm

SWCNT bundle -2693 188 6088 012

Cobre -2698 228 6088 014

500nm

1microm

SWCNT bundle -2673 174 6088 011

Cobre -2893 388 6088 024

A partir das Tabelas 412 e 413 o SWCNT bundle seraacute analisado Observa-se que os seus

niacuteveis loacutegicos altos aumentam com o aumento do comprimento das interconexotildees

aumentando tambeacutem o slew rate de subida Esse comportamento ocorre provavelmente

devido ao efeito ressonante provocado pela indutacircncia que provoca um pico no graacutefico da

frequumlecircncia antes dele comeccedilar a decair conforme explicado na subseccedilatildeo 421 Isso implica

na diminuiccedilatildeo da atenuaccedilatildeo do sinal e do atraso No entanto o produto atraso-potecircncia

permanece praticamente invariaacutevel jaacute que a potecircncia total dissipada natildeo se altera

Em relaccedilatildeo agraves interconexotildees de cobre verifica-se que as distorccedilotildees satildeo significativas Agrave

medida que o comprimento aumenta a atenuaccedilatildeo do sinal de saiacuteda aumenta Isso provoca

diminuiccedilatildeo no slew rate do sinal o que natildeo eacute desejado jaacute que o sinal demora mais para

atingir o niacutevel loacutegico alto Aleacutem disso o atraso na propagaccedilatildeo do sinal aumenta bastante

chegando a 388 do periacuteodo do sinal de entrada para a interconexatildeo 500nm1microm

Consequentemente o produto atraso-potecircncia tambeacutem aumenta sendo o dobro do valor de

44

referecircncia (interconexotildees ideais) A Figura 49 ilustra o sinal de saiacuteda da interconexatildeo

500nm1microm de cobre

Figura 49 Sinal de entrada (em verde) e sinal de saiacuteda (em preto) da rede a 100 GHz para

a interconexatildeo 500nm1microm de cobre

Comparando-se as potecircncias das tabelas 47 48 411 413 verifica-se que natildeo haacute

alteraccedilatildeo na potecircncia total dissipada pelo circuito com interconexotildees ideais e pelos

circuitos com interconexotildees natildeo-ideais para uma mesma frequecircncia Assim eacute importante

destacar que a dissipaccedilatildeo de potecircncia das interconexotildees de SWCNT bundle e de cobre natildeo

interfere na potecircncia total dissipada pelo circuito

443 Consideraccedilotildees Finais

Apoacutes analisar as interconexotildees locais de SWCNT de SWCNT bundle e de cobre

verificou-se que as interconexotildees de SWCNT bundle possuem desempenho comparaacutevel ao

das interconexotildees de cobre Em relaccedilatildeo agraves interconexotildees intermediaacuterias as de SWCNT

bundle apresentam desempenho superior agraves de cobre Jaacute as interconexotildees de SWCNT

isolado tanto para interconexotildees locais como para interconexotildees intermediaacuterias

apresentam desempenho inferior agraves interconexotildees de SWCNT bundle e de cobre natildeo

sendo propiacutecias a serem utilizadas em interconexotildees de circuitos integrados

Na anaacutelise das interconexotildees natildeo-ideais na rede H-tree clock mono-eleacutetron para a

frequecircncia de 10GHz observou-se que o niacutevel loacutegico baixo o niacutevel loacutegico alto o tempo de

subida o slew rate de subida a atenuaccedilatildeo do sinal e a potecircncia total dissipada por cada

porta inversora permanecem os mesmos em relaccedilatildeo agrave interconexatildeo ideal mostrando que

45

para esta frequecircncia as interconexotildees natildeo-ideais natildeo interferem nestes paracircmetros Jaacute o

atraso na propagaccedilatildeo do sinal no caso do cobre aumenta agrave medida que as interconexotildees

aumentam de comprimento aumentando tambeacutem o produto atraso-potecircncia No entanto

estes paracircmetros natildeo satildeo afetados pelas interconexotildees de SWCNT bundle indicando que

este material se sobressai em relaccedilatildeo ao cobre

Jaacute para a rede H-tree clock mono-eleacutetron a 100GHz observou-se que o circuito com

interconexotildees natildeo-ideais afetou bastante os paracircmetros em anaacutelise se comparados aos

obtidos para interconexotildees ideais Verificou-se que as distorccedilotildees provocadas pelas

interconexotildees de cobre foram significativas indicando que as interconexotildees de SWCNT

bundle possuem melhor desempenho que as de cobre

Assim constata-se que as interconexotildees de SWCNT bundle satildeo fortes candidatas a

substituirem as interconexotildees de cobre em circuitos em escala giga (GSI) e tera (TSI)

46

5 CONCLUSOtildeES

Nesta dissertaccedilatildeo o estudo das interconexotildees de SWCNT de SWCNT bundle e de cobre

foi realizado analisando e comparando os seus desempenhos para diferentes

comprimentos A partir desse estudo verificou-se que as interconexotildees de SWCNT bundle

possui desempenho comparaacutevel ao das interconexotildees de cobre no caso de interconexotildees

locais Em relaccedilatildeo agraves interconexotildees intermediaacuterias as de SWCNT bundle apresentam

desempenho superior agraves de cobre

As interconexotildees de SWCNT bundle e as interconexotildees de cobre foram entatildeo simuladas na

rede H-tree clock de dois niacuteveis para diferentes comprimentos e frequecircncias Nos pontos

de destino final da rede foram colocadas portas inversoras formadas por SETs permitindo

a anaacutelise de circuitos nanoeletrocircnicos

A partir da anaacutelise da rede H-tree clock observou-se que as interconexotildees de SWCNT

bundle possuem desempenho melhor que as de cobre principalmente em relaccedilatildeo ao slew

rate agrave atenuaccedilatildeo ao tempo de atraso e ao produto atraso-potecircncia Aleacutem disso a

dissipaccedilatildeo de potecircncia das interconexotildees natildeo-ideais natildeo interferem na potecircncia total

dissipada pelo circuito Assim as interconexotildees de SWCNT bundle satildeo fortes candidatas a

substituirem as interconexotildees de cobre em circuitos em escala giga (GSI) e tera (TSI)

Como perspectivas futuras eacute importante analisar o efeito das interconexotildees de nanotubo de

carbono em circuitos GSI e TSI com outras arquiteturas A anaacutelise das interconexotildees de

CNT tambeacutem deve ser feita em circuitos com tecnologia MOS permitindo a comparaccedilatildeo

entre diferentes tecnologias Aleacutem disso eacute interessante estudar outros tipos de materiais

que possam ser utilizados como interconexotildees em circuitos integrados

47

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53

7 APEcircNDICES

71 TABELAS COMPLEMENTARES

Tabela 71 Paracircmetros obtidos a partir do modelo de SWCNT isolado

L RQ (Ω) RS (Ω) LCNT (10-9

H) CCNT (10-18

F)

10 nm 645103 - 40010

-2 27910

-1

100 nm 645103 - 40010

-1 279

200 nm 645103 - 80010

-1 558

300 nm 645103 - 120 837

400 nm 645103 - 160 11210

1

500 nm 645103 - 200 14010

1

600 nm 645103 - 240 16710

1

700 nm 645103 - 280 19510

1

800 nm 645103 - 320 22310

1

900 nm 645103 - 360 25110

1

1 microm 645103 - 400 27910

1

10 microm 645103 64510

4 40010

1 27910

2

100 microm 645103 64510

5 40010

2 27910

3

200 microm 645103 12910

6 80010

2 55810

3

300 microm 645103 19410

6 12010

3 83710

3

400 microm

645103 25810

6 16010

3 11210

4

500 microm

645103 32310

6 20010

3 14010

4

Tabela 72 Paracircmetros obtidos a partir do modelo de SWCNT bundle

L RQ (Ω) RS (Ω) LBundle(10-9

H) CBundle(10-18

F)

10 nm 1075 - 66710-5

135

100 nm 1075 - 66710-4

135101

200 nm 1075 - 13310-3

270101

300 nm 1075 - 20010-3

405101

400 nm 1075 - 26710-3

540101

500 nm 1075 - 33310-3

675101

600 nm 1075 - 40010-3

810101

700 nm 1075 - 46710-3

945101

800 nm 1075 - 53310-3

108102

900 nm 1075 - 60010-3

122102

1 microm 1075 - 66710-3

135102

10 microm 1075 108102 66710

-2 13510

3

100 microm 1075 108103 66710

-1 13510

4

200 microm 1075 215103 133 27010

4

300 microm 1075 323103 200 40510

4

400 microm

1075 430103 267 54010

4

500 microm

1075 538103 333 67510

4

54

Tabela 73 Paracircmetros obtidos a partir do modelo de cobre

L RCu (Ω) LCu (10-9

H) CCu (10-18

F)

10 nm 06 37310-6

150

100 nm 60 63610-5

150101

200 nm 120 17510-4

300101

300 nm 180 30910-4

450101

400 nm 240 45410-4

600101

500 nm 300 61110-4

750101

600 nm 360 77510-4

900101

700 nm 420 94610-4

105102

800 nm 480 11210-3

120102

900 nm 540 13110-3

135102

1 microm 600 14910-3

150102

10 microm 60102 24010

-2 15010

3

100 microm 60103 33210

-1 15010

4

200 microm 12104 72010

-1 30010

4

300 microm 18104 113 45010

4

400 microm

24104 155 60010

4

500 microm

30104 198 75010

4

55

Tabela 74 Frequecircncia em -3dB das interconexotildees locais

Comprimento Material f-3dB

10 nm SWCNT isolado 253 GHz

SWCNT bundle 66 THz

Cobre 232 THz

100 nm SWCNT isolado 300 GHz

SWCNT bundle 20 THz

Cobre 51 THz

200 nm SWCNT isolado 342 GHz

SWCNT bundle 14 THz

Cobre 29 THz

300 nm SWCNT isolado 344 GHz

SWCNT bundle 11 THz

Cobre 20 THz

400 nm SWCNT isolado 329 GHz

SWCNT bundle 89 THz

Cobre 15 THz

500 nm SWCNT isolado 307 GHz

SWCNT bundle 76 THz

Cobre 12 THz

600 nm SWCNT isolado 288 GHz

SWCNT bundle 67 THz

Cobre 94 THz

700 nm SWCNT isolado 271 GHz

SWCNT bundle 61 THz

Cobre 76 THz

800 nm SWCNT isolado 255 GHz

SWCNT bundle 55 THz

Cobre 63 THz

900 nm SWCNT isolado 240 GHz

SWCNT bundle 51 THz

Cobre 52 THz

1 microm SWCNT isolado 230 GHz

SWCNT bundle 47 THz

Cobre 42 THz

56

Tabela 75 Frequecircncia em -3dB das interconexotildees intermediaacuterias

Comprimento Material f-3dB

10 microm SWCNT isolado 26 GHz

SWCNT bundle 527 GHz

Cobre 34 GHz

100 microm SWCNT isolado 32 MHz

SWCNT bundle 42 GHz

Cobre 345 MHz

200 microm SWCNT isolado 82 MHz

SWCNT bundle 10 GHz

Cobre 87 MHz

300 microm SWCNT isolado 36 MHz

SWCNT bundle 455 MHz

Cobre 38 MHz

400 microm SWCNT isolado 21 MHz

SWCNT bundle 256 MHz

Cobre 21 MHz

500 microm SWCNT isolado 13 MHz

SWCNT bundle 165 MHz

Cobre 14 MHz

57

8 ANEXOS

81 COacuteDIGO SPICE DO SET [44]

Transistor mono-eleacutetron (SET) conexotildees fonte | dreno | | porta1 | | | porta2 | | | | SUBCKT SET 1 2 3 4 PARAMS +C1=1E-20 Capacitacircncia da junccedilatildeo 1 +C2=1E-20 Capacitacircncia da junccedilatildeo 2 +R1=1E5 Resistecircncia da junccedilatildeo 1 +R2=1E5 Resistecircncia da junccedilatildeo 2 +Cg1=015E-18 Capacitacircncia da junccedilatildeo 1 +Cg2=0 Capacitacircncia da junccedilatildeo 2 +C0=0 Capacitacircncia proacutepria da ilha +Q0=005 Carga offset em unidades de e +TEMP=300 Temperatura PARAM E=160217733E-19 Carga do eleacutetron (e) PARAM CSUM=C1+C2+Cg1+Cg2+C0 Capacitacircncia total do SET PARAM T=TEMPCSUM53785467E14 Temperatura normalizada 53785467E14 = kBe^2 PARAM RN1=R1(R1+R2) Resistecircncia da junccedilatildeo 1 normalizada PARAM RN2=R2(R1+R2) Resistecircncia da junccedilatildeo 2 normalizada FUNC Q(v1v2v3v4) (Cg1v3+Cg2v4+C1v1+C2v2)E+Q0 Definiccedilatildeo da carga em unidades de e FUNC VN(v) CSUMvE Tensatildeo normalizada FUNC GAMMA(u) IF(T==0IF(ult0-u0)IF(u==0Tu(EXP(uT)-1))) FUNC N_OPT(v1v2v3v4) ROUND(-Q(v1v2v3v4)+(CSUME) (v1RN2+v2RN1)) A maior probabilidade de carga na ilha em unidades de e Os quarto eventos tuacuteneis FUNC R1L(nv1v2v3v4) GAMMA(05 - n - Q(v1v2v3v4) + VN(v1))RN1 FUNC R1R(nv1v2v3v4) GAMMA(05 + n + Q(v1v2v3v4) - VN(v1))RN1 FUNC R2L(nv1v2v3v4) GAMMA(05 + n + Q(v1v2v3v4) - VN(v2))RN2 FUNC R2R(nv1v2v3v4) GAMMA(05 - n - Q(v1v2v3v4) + VN(v2))RN2

58

determinaccedilatildeo das probabilidades relativas assume-se inicialmente que o estado da carga N_OPT tem probabilidade relativa igual a um FUNC PN_1(nv1v2v3v4) (R1L(nv1v2v3v4)+R2R(nv1v2v3v4))(R1R(n-1v1v2v3v4)+R2L(n-1v1v2v3v4)) FUNC PN_2(nv1v2v3v4) PN_1(nv1v2v3v4) +(R1L(n-1v1v2v3v4)+R2R(n-1v1v2v3v4))(R1R(n-2v1v2v3v4)+R2L(n-2v1v2v3v4)) FUNC PN_3(nv1v2v3v4) PN_2(nv1v2v3v4) +(R1L(n-2v1v2v3v4)+R2R(n-2v1v2v3v4))(R1R(n-3v1v2v3v4)+R2L(n-3v1v2v3v4)) FUNC PN_4(nv1v2v3v4) PN_3(nv1v2v3v4) +(R1L(n-3v1v2v3v4)+R2R(n-3v1v2v3v4))(R1R(n-4v1v2v3v4)+R2L(n-4v1v2v3v4)) FUNC PN_5(nv1v2v3v4) PN_4(nv1v2v3v4) +(R1L(n-4v1v2v3v4)+R2R(n-4v1v2v3v4))(R1R(n-5v1v2v3v4)+R2L(n-5v1v2v3v4)) FUNC PN1(nv1v2v3v4) (R2L(nv1v2v3v4) +R1R(nv1v2v3v4))(R2R(n+1v1v2v3v4)+R1L(n+1v1v2v3v4)) FUNC PN2(nv1v2v3v4) PN1(nv1v2v3v4) +(R2L(n+1v1v2v3v4)+R1R(n+1v1v2v3v4))(R2R(n+2v1v2v3v4)+R1L(n+2v1v2v3v4)) FUNC PN3(nv1v2v3v4) PN2(nv1v2v3v4) +(R2L(n+2v1v2v3v4)+R1R(n+2v1v2v3v4))(R2R(n+3v1v2v3v4)+R1L(n+3v1v2v3v4)) FUNC PN4(nv1v2v3v4) PN3(nv1v2v3v4) +(R2L(n+3v1v2v3v4)+R1R(n+3v1v2v3v4))(R2R(n+4v1v2v3v4)+R1L(n+4v1v2v3v4)) FUNC PN5(nv1v2v3v4) PN4(nv1v2v3v4) +(R2L(n+4v1v2v3v4)+R1R(n+4v1v2v3v4))(R2R(n+5v1v2v3v4)+R1L(n+5v1v2v3v4)) FUNC PSUM(nv1v2v3v4) PN_5(nv1v2v3v4)+PN_4(nv1v2v3v4)+PN_3(nv1v2v3v4)+PN_2(nv1v2v3v4) ++PN_1(nv1v2v3v4)+1+PN1(nv1v2v3v4)+PN2(nv1v2v3v4)+PN3(nv1v2v3v4) ++PN4(nv1v2v3v4)+PN5(nv1v2v3v4)

59

caacutelculo da corrente da fonte para o dreno FUNC CUR(nv1v2v3v4) PN_5(nv1v2v3v4)(R1R(n-5v1v2v3v4)-R1L(n-5v1v2v3v4)) ++PN_4(nv1v2v3v4)(R1R(n-4v1v2v3v4)-R1L(n-4v1v2v3v4)) ++PN_3(nv1v2v3v4)(R1R(n-3v1v2v3v4)-R1L(n-3v1v2v3v4)) ++PN_2(nv1v2v3v4)(R1R(n-2v1v2v3v4)-R1L(n-2v1v2v3v4)) ++PN_1(nv1v2v3v4)(R1R(n-1v1v2v3v4)-R1L(n-1v1v2v3v4)) ++(R1R(nv1v2v3v4)-R1L(nv1v2v3v4)) ++PN1(nv1v2v3v4)(R1R(n+1v1v2v3v4)-R1L(n+1v1v2v3v4)) ++PN2(nv1v2v3v4)(R1R(n+2v1v2v3v4)-R1L(n+2v1v2v3v4)) ++PN3(nv1v2v3v4)(R1R(n+3v1v2v3v4)-R1L(n+3v1v2v3v4)) ++PN4(nv1v2v3v4)(R1R(n+4v1v2v3v4)-R1L(n+4v1v2v3v4)) ++PN5(nv1v2v3v4)(R1R(n+5v1v2v3v4)-R1L(n+5v1v2v3v4)) FUNC CURRENT(nv1v2v3v4) ECUR(nv1v2v3v4)(CSUMPSUM(nv1v2v3v4)(R1+R2)) caacutelculo da tensatildeo da ilha FUNC VOLT(nv1v2v3v4) PN_5(nv1v2v3v4)(n-5+Q(v1v2v3v4)) ++PN_4(nv1v2v3v4)(n-4+Q(v1v2v3v4)) ++PN_3(nv1v2v3v4)(n-3+Q(v1v2v3v4)) ++PN_2(nv1v2v3v4)(n-2+Q(v1v2v3v4)) ++PN_1(nv1v2v3v4)(n-1+Q(v1v2v3v4)) ++n+Q(v1v2v3v4) ++PN1(nv1v2v3v4)(n+1+Q(v1v2v3v4)) ++PN2(nv1v2v3v4)(n+2+Q(v1v2v3v4)) ++PN3(nv1v2v3v4)(n+3+Q(v1v2v3v4)) ++PN4(nv1v2v3v4)(n+4+Q(v1v2v3v4)) ++PN5(nv1v2v3v4)(n+5+Q(v1v2v3v4)) FUNC VOLTAGE(nv1v2v3v4) (ECSUM)VOLT(nv1v2v3v4)PSUM(nv1v2v3v4) E1 5 0 VALUE= VOLTAGE(N_OPT(V(1)V(2)V(3)V(4))V(1)V(2)V(3)V(4)) Tensatildeo da ilha G1 1 2 VALUE= CURRENT(N_OPT(V(1)V(2)V(3)V(4))V(1)V(2)V(3)V(4)) Corrente da fonte para o dreno CT1 1 5 C1 CT2 2 5 C2 CGATE1 3 5 CG1 CGATE2 4 5 CG2 ENDS SET

Page 28: ANÁLISE COMPARATIVA ENTRE ... - repositorio.unb.brrepositorio.unb.br/.../1/2012_CamilaPeixotoSilvaMadeiraNogueira.pdf · Prof. Stefan Michael Blawid, ... Deus colocou esses dois

15

isolante e no meio dessa barreira isolante encontra-se a ilha Se a energia dos eleacutetrons for

maior que a energia potencial das paredes das barreiras estes poderatildeo atravessaacute-las [6] No

dispositivo de tunelamento mono-eleacutetron o transporte de eleacutetrons entre o eletrodo A e a

ilha e entre a ilha e o eletrodo B ocorre por tunelamento mono-eleacutetron em que os eleacutetrons

atravessam as barreiras um de cada vez [10]

Figura 29 Dois eletrodos separados por uma ilha [10]

Esses dispositivos satildeo formados por junccedilotildees-tuacutenel que satildeo dois eletrodos metaacutelicos

separados por um isolante muito fino (barreira) o qual permite a passagem de eleacutetrons por

tunelamento [467] A Figura 210 ilustra a junccedilatildeo-tuacutenel e sua representaccedilatildeo simboacutelica Os

paracircmetros que caracterizam a junccedilatildeo-tuacutenel macroscopicamente satildeo a resistecircncia de

tunelamento (Rj) que depende da aacuterea e da espessura da barreira isolante e a capacitacircncia

(Cj) [10]

Figura 210 Esquemaacutetico da junccedilatildeo-tuacutenel [10]

O tunelamento eacute o transporte de partiacuteculas atraveacutes de uma regiatildeo em que a energia total de

uma partiacutecula pontual claacutessica eacute menor que a energia potencial da regiatildeo ou seja eacute o

transporte atraveacutes de uma regiatildeo classicamente proibida [10] O efeito de tunelamento

ocorre quando a barreira de potencial for suficientemente fina permitindo que o eleacutetron a

atravesse se houver niacutevel de energia desocupado do outro lado da barreira com o mesmo

valor de energia Esse fenocircmeno pode ser explicado pelo comportamento dual do eleacutetron

Diferentemente da mecacircnica claacutessica na teoria eletromagneacutetica quando uma partiacutecula

encontra uma barreira de potencial parte da onda eacute refletida e a outra parte eacute transmitida

para o outro lado da barreira [10] A teoria ortodoxa do tunelamento mono-eleacutetron eacute o

modelo mais utilizado para analisar o tunelamento [4-6] Proposto em 1987 por Averin e

Likharev [43] este modelo apresenta os seguintes postulados

16

Modelo de dimensatildeo zero as dimensotildees das ilhas satildeo despreziacuteveis

O evento de tunelamento eacute considerado instantacircneo

A redistribuiccedilatildeo das cargas apoacutes tunelamento tambeacutem eacute considerada instantacircnea

O espectro de energia em condutores e ilhas eacute considerado contiacutenuo ou seja a

quantizaccedilatildeo da energia do eleacutetron eacute ignorada dentro dos condutores

Apesar de a teoria ortodoxa assumir condiccedilotildees hipoteacuteticas ela continua sendo muito

utilizada em estudos do dispositivo mono-eleacutetron [4-6]

O efeito de carregamento ocorre quando os eleacutetrons estatildeo na iminecircncia de entrar em um

material condutor extremamente pequeno isolado eletricamente (ilha) Se houver um

eleacutetron na ilha o potencial eletrostaacutetico da ilha aumenta bastante sendo bem superior ao

ruiacutedo teacutermico em temperatura ambiente O fluxo de eleacutetrons na ilha eacute possiacutevel se o

potencial da ilha for controlado por uma fonte de tensatildeo externa Outros eleacutetrons satildeo

impedidos de entrar na ilha devido agrave repulsatildeo de Coulomb [14-9]

Assim o bloqueio de Coulomb ocorre quando um eleacutetron entra na ilha e impede o

tunelamento de outro eleacutetron nesta ilha No momento em que o eleacutetron entra na ilha a

energia eletrostaacutetica da ilha aumenta em Ce 22 em que CΣ eacute a soma das capacitacircncias

em torno da ilha [14] Dessa forma outro eleacutetron soacute conseguiraacute tunelar para dentro da ilha

se sua energia for maior que a energia eletrostaacutetica da ilha [6] A Figura 211 ilustra os

diagramas de energia no bloqueio de Coulomb e no caso de tunelamento [10]

(a) (b)

Figura 211 Diagramas de energia (a) Bloqueio de Coulomb (b) Tunelamento mono-

eleacutetron [10]

17

O bloqueio de Coulomb eacute superado ao se aplicar uma tensatildeo Vg ao circuito ateacute que esta

tensatildeo alcance um dado valor de limiar que forneceraacute energia suficiente para que ocorra o

tunelamento de um eleacutetron Assim haveraacute o fluxo de eleacutetrons havendo corrente A Figura

212 mostra a regiatildeo do bloqueio de Coulomb ao aplicar uma tensatildeo Vg ao circuito em que

Vc eacute a tensatildeo de limiar chamada de tensatildeo de bloqueio de Coulomb [5-10]

Figura 212 Caracteriacutestica do bloqueio de Coulomb [10]

Nesse contexto duas condiccedilotildees satildeo necessaacuterias para garantir que o transporte de eleacutetrons

seja controlado pelo efeito de carregamento a condiccedilatildeo para a resistecircncia de tunelamento

dada pela equaccedilatildeo (225) [1] em que a natureza corpuscular do eleacutetron predomina sobre a

natureza ondulatoacuteria e a energia eletrostaacutetica (EC) associada a uma dada temperatura (T)

deve ser significativamente maior que as flutuaccedilotildees teacutermicas existentes agravequela

temperatura como descrita na equaccedilatildeo (226) [146-9] Os paracircmetros h eacute a constante de

Planck e eacute a carga do eleacutetron kB eacute a constante de Boltzmann e C eacute capacitacircncia Na

equaccedilatildeo (226) a temperatura deve ser maior que 0K [10]

kRe

hR TT 825

2 (225)

TkC

eTkEc BB

2

2

(226)

A partir dos conceitos apresentados pode-se definir o transistor mono-eleacutetron O SET

ilustrado na Figura 213 [10] eacute composto por duas junccedilotildees-tuacutenel em seacuterie formando uma

ilha entre as junccedilotildees [246-9] Os paracircmetros R1 C1 e R2 C2 correspondem agraves

resistecircncias e capacitacircncias da primeira e da segunda junccedilatildeo-tuacutenel respectivamente A

tensatildeo de porta Vg controla a energia eletrostaacutetica da ilha atraveacutes da capacitacircncia Cg

18

Quando haacute carregamento por tunelamento de uma junccedilatildeo e descarregamento da outra

junccedilatildeo haacute um fluxo controlado de cargas o que gera a corrente I [10]

Figura 213 Transistor mono-eleacutetron [10]

Um efeito que pode ser observado na caracteriacutestica da corrente versus tensatildeo do transistor

mono-eleacutetron eacute chamado de oscilaccedilatildeo de Coulomb [24679] Se a tensatildeo V for mantida

constante com CeV e a tensatildeo Vg for aumentada ateacute atingir gg CeV 2 esse

valor de tensatildeo permitiraacute que um eleacutetron passe pela ilha Como soacute haveraacute corrente fluindo

no circuito em valores muacuteltiplos da tensatildeo gCe 2 soacute ocorreraacute o tunelamento novamente

quando )2(3 gg CeV A caracteriacutestica corrente (I) versus tensatildeo (Vg) do transistor

mono-eleacutetron eacute ilustrada na Figura 214 [10]

Figura 214 Caracteriacutestica corrente (I) versus tensatildeo (Vg) do transistor mono-eleacutetron [10]

222 Estrutura do inversor mono-eleacutetron

Um inversor pode ser construiacutedo colocando-se dois SETs em seacuterie os quais compartilham

da mesma entrada [5689] conforme mostrado na Figura 215 Vin eacute a tensatildeo de entrada

Vout eacute a tensatildeo de saiacuteda Vbias eacute a tensatildeo de polarizaccedilatildeo CC eacute a capacitacircncia de carga Cg1 e

Cg2 satildeo as capacitacircncias de porta do SET 1 e do SET 2 respectivamente

19

Figura 215 Esquemaacutetico do inversor utilizando SETs (modificado de [4])

Alguns modelos do SET desenvolvidos no software SPICE foram propostos na literatura

[4-7] Destes modelos o proposto por G Lientschnig et al [4] descreve a implementaccedilatildeo

completa da teoria ortodoxa e usa apenas os recursos em versotildees disponiacuteveis publicamente

do software SPICE Este modelo diferentemente dos modelos propostos em [5-7] natildeo estaacute

limitado a transistores mono-eleacutetron com junccedilotildees-tuacutenel que tecircm resistecircncias iguais Aleacutem

disso pode ser estendido para incluir um nuacutemero arbitraacuterio de estados de carga que

permite simulaccedilotildees definidas para altas temperaturas e tensotildees de polarizaccedilatildeo [4] O

modelo de G Lientschnig et al estaacute disponiacutevel no siacutetio eletrocircnico [44] Assim este foi o

modelo utilizado neste trabalho

23 CLOCKING DE SISTEMAS DE ALTA VELOCIDADE

Em sistemas digitais siacutencronos o sinal do clock eacute utilizado para definir uma referecircncia de

tempo agrave mudanccedila de dados dentro do sistema [1145] Assim a distribuiccedilatildeo do clock eacute de

suma importacircncia na operaccedilatildeo de circuitos integrados digitais sendo uma grande

preocupaccedilatildeo em circuitos integrados de alta velocidade [46-51] Circuitos em escala

nanomeacutetrica podem ser significativamente limitados devido ao clock skew que ocorre

quando os circuitos natildeo estatildeo equumlidistantes do sinal do clock [11454649-51] Como este

sinal eacute o sinal mais ativo em um chip pode resultar em elevado consumo de potecircncia e

grandes densidades de corrente na rede de interconexotildees do clock [454849]

Dessa forma o sinal do clock deve atingir ao mesmo tempo cada noacute para garantir que a

comutaccedilatildeo seja sincronizada bem como deve ser distribuiacutedo de forma que haja o menor

20

atraso possiacutevel [49] Com esse intuito os seguintes fatores entre outros satildeo fundamentais

no desempenho do clock dispositivos loacutegicos de tecnologia raacutepida (avanccedilada) rede de

distribuiccedilatildeo de clock que minimize o skew e interconexotildees com alto desempenho [11]

Conforme exposto anteriormente os dispositivos nanoeletrocircnicos como os transistores

mono-eleacutetron satildeo potencialmente aplicaacuteveis em circuitos integrados em escala giga (GSI)

e tera (TSI) Estes dispositivos permitem que as funccedilotildees loacutegicas sejam desempenhadas em

um tempo mais raacutepido e com menor atraso Assim satildeo fortes candidatos a serem utilizados

em circuitos integrados com clock

A adequada rede de distribuiccedilatildeo do clock assegura que a comutaccedilatildeo seja sincronizada e

que haja o menor atraso possiacutevel [1145] Aleacutem disso dependendo da arquitetura da rede o

niacutevel de sincronismo do sistema pode aumentar Diferentes tipos de abordagens tecircm sido

desenvolvidos para projetar a rede de distribuiccedilatildeo do clock em sistemas digitais de

circuitos integrados [45] Os buffered trees satildeo muito utilizados na distribuiccedilatildeo

equipotencial do clock Aleacutem dessas estruturas assimeacutetricas arquiteturas simeacutetricas como

o H-tree satildeo usadas para distribuir sinais de clock em alta velocidade podendo inclusive

ser projetadas com buffers [45-51] Algumas formas de rede de distribuiccedilatildeo do clock estatildeo

ilustradas na Figura 216 incluindo a trunk tree mesh e H-tree [45]

Figura 216 Estruturas comuns de redes de distribuiccedilatildeo de clock [45]

21

Atualmente as interconexotildees de cobre satildeo bastante utilizadas para circuitos de alto

desempenho como em redes de clock No entanto os CNTs apresentam caracteriacutesticas que

os tornam melhores para serem utilizados em interconexotildees descritas na subseccedilatildeo 221

[48] Neste trabalho seraacute realizada a comparaccedilatildeo entre interconexotildees de cobre e de CNT

na rede de distribuiccedilatildeo do H-tree clock

231 H-Tree Clock

O clock skew pode ser minimizado distribuindo-se o sinal do clock de forma que as

interconexotildees que levam o sinal aos circuitos loacutegicos tecircm o mesmo comprimento Se antes

de chegarem aos circuitos loacutegicos os sinais do clock forem igualmente atrasados eles

estaratildeo perfeitamente sincronizados [1145] Dessa forma o esquemaacutetico da Figura 217 de

distribuiccedilatildeo do clock minimiza o clock skew repetindo recursivamente uma estrutura em

forma de H [11] A Figura 217 ilustra uma rede H-tree simeacutetrica com trecircs niacuteveis [46]

Figura 217 Esquemaacutetico do H-tree clock simeacutetrico (modificado de [46])

Na estrutura do H-tree o condutor primaacuterio do clock estaacute ligado ao centro do H principal

(1ordm niacutevel) transmitindo o sinal para os quatro cantos deste H Esses quatro cantos satildeo as

entradas para o proacuteximo niacutevel do H-tree o 2ordm niacutevel que possui quatro estruturas em H O

processo de distribuiccedilatildeo continua por vaacuterios niacuteveis de H‟s cada vez menores Os pontos de

destino final do H-tree satildeo usados para conduzir os circuitos locais Assim cada caminho

do clock desde a fonte ateacute o circuito local possui praticamente o mesmo atraso [45]

22

24 MEDIDAS DE DESEMPENHO NA ANAacuteLISE DAS INTERCONEXOtildeES

As interconexotildees em circuitos integrados possuem caracteriacutesticas que modificam o sinal de

entrada O efeito das interconexotildees pode provocar atrasos e distorccedilotildees indesejaacuteveis Nesse

contexto eacute necessaacuterio analisar medidas de desempenho dos sinais sob efeito das

interconexotildees tais como velocidade maacutexima atenuaccedilatildeo tempo de atraso potecircncia

dissipada produto atraso-potecircncia e slew rate [111317202342]

241 Velocidade maacutexima - anaacutelise na frequumlecircncia

A velocidade maacutexima que as interconexotildees podem operar sem distorcer o sinal de entrada

eacute uma medida de desempenho importante [172023] Eacute possiacutevel analisar este paracircmetro

atraveacutes da frequumlecircncia maacutexima de operaccedilatildeo da interconexatildeo que eacute a largura de banda em

que o sinal comeccedila a decair em -3dB em relaccedilatildeo ao sinal de referecircncia [1742] Assim

utiliza-se a anaacutelise do moacutedulo do graacutefico de Bode para obter a frequumlecircncia de operaccedilatildeo em

-3dB [42] A Figura 218 mostra o esboccedilo do moacutedulo do ganho pela frequumlecircncia tiacutepico do

comportamento de interconexotildees

Figura 218 Graacutefico do moacutedulo do ganho pela frequumlecircncia tiacutepico do comportamento de

interconexotildees

23

242 Atenuaccedilatildeo

A transmissatildeo de um sinal pode ser expressa em funccedilatildeo do seu ganho ou da sua atenuaccedilatildeo

No caso em estudo as interconexotildees podem atenuar o sinal Essa atenuaccedilatildeo eacute geralmente

calculada pela expressatildeo (227) em que Vo eacute o sinal de saiacuteda e Vi eacute o sinal de entrada [42]

i

o

V

VA log20 (227)

243 Tempo de atraso

O tempo de atraso td ou atraso na propagaccedilatildeo ocorre devido ao

carregamentodescarregamento da capacitacircncia de carga bem como ao tempo de

chaveamento dos transistores [42]

O tempo de atraso eacute obtido pela diferenccedila entre o tempo medido a 50 da transiccedilatildeo dos

sinais de entrada e de saiacuteda [11] Em circuitos loacutegicos o atraso na propagaccedilatildeo pode ser

calculado pela meacutedia aritmeacutetica do tempo de propagaccedilatildeo do sinal de alto para baixo tPHL e

do tempo de propagaccedilatildeo do baixo para alto tPLH conforme equaccedilatildeo (228) [1142]

2

PLHPHLd

ttt

(228)

244 Potecircncia dissipada

A dissipaccedilatildeo de potecircncia eacute outra medida de desempenho bastante importante em circuitos

integrados em escala GSI e TSI Isso ocorre jaacute que ao aumentar o nuacutemero de portas

loacutegicas em uma determinada aacuterea ocupada eacute necessaacuterio que a dissipaccedilatildeo de potecircncia esteja

dentro de limites aceitaacuteveis [1142]

A dissipaccedilatildeo de potecircncia eacute composta por dois componentes potecircncia estaacutetica e potecircncia

dinacircmica A dissipaccedilatildeo de potecircncia estaacutetica eacute dada por IVP DDE e ocorre mesmo que

natildeo haja chaveamento de porta loacutegica no circuito devido ao efeito da resistecircncia do

circuito [42] A dissipaccedilatildeo de potecircncia dinacircmica eacute devido agrave capacitacircncia de carga do

24

circuito expressa por CVfP DDD 2 em que VDD eacute a tensatildeo de alimentaccedilatildeo f eacute

frequumlecircncia do circuito e C eacute a capacitacircncia de carga do circuito [1142] Assim a soma da

potecircncia dinacircmica e da potecircncia estaacutetica resulta na potecircncia total dissipada no circuito

245 Produto atraso-potecircncia

Em circuitos integrados o ideal eacute que se tenha baixo atraso na propagaccedilatildeo resultando em

uma maior velocidade de funcionamento do circuito bem como baixa dissipaccedilatildeo de

potecircncia No entanto essas duas exigecircncias satildeo conflitantes ao reduzirmos a dissipaccedilatildeo de

potecircncia de uma porta a capacidade da porta em fornecer corrente diminuiraacute isso

implicaraacute em um maior tempo de carga e descarga aumentando o atraso na propagaccedilatildeo

Assim o produto atraso-potecircncia (delay power product ndash DP) eacute uma medida de

desempenho bastante utilizada na anaacutelise de circuitos e eacute dado por dD tPDP Quanto

menor o produto atraso-potecircncia maior a eficiecircncia do circuito loacutegico [42]

246 Slew rate

A taxa maacutexima de variaccedilatildeo da tensatildeo de saiacuteda do inglecircs slew rate (SR) eacute uma

caracteriacutestica importante do sinal de saiacuteda de um circuito loacutegico A limitaccedilatildeo na taxa de

variaccedilatildeo pode provocar uma distorccedilatildeo no funcionamento do circuito O SR pode ser

calculado pela expressatildeo (229) em que Δv eacute a variaccedilatildeo da tensatildeo de saiacuteda do sinal para

uma determinada variaccedilatildeo de tempo Δt [42]

t

vSR

(229)

25 LTSPICE

O software LTSPICE eacute um simulador SPICE de alto desempenho orientado a

esquemaacuteticos e visualizador de formas de onda com modelos para facilitar a simulaccedilatildeo de

circuitos eletrocircnicos Se comparado aos outros simuladores SPICE a simulaccedilatildeo do

LTSPICE eacute bastante raacutepida O software consegue simular dispositivos de acordo com o

padratildeo industrial reproduzindo os seus comportamentos [52]

25

O LTSPICE possui vaacuterias possibilidades de simulaccedilatildeo como anaacutelise transiente anaacutelise AC

e anaacutelise DC bem como permite a simulaccedilatildeo de vaacuterios dispositivos disponiacuteveis na sua

biblioteca Aleacutem disso este software possibilita a elaboraccedilatildeo de novos esquemaacuteticos

atraveacutes de um modelo matemaacutetico ou eletrocircnico proposto O novo componente poderaacute ser

utilizado no circuito conforme seraacute feito neste trabalho utilizando-se o modelo SPICE do

SET proposto por G Lientschnig et al[4]

26

3 METODOLOGIA

31 INTRODUCcedilAtildeO

A miniaturizaccedilatildeo das interconexotildees prejudica o seu desempenho resultando no aumento

significativo do valor da resistividade da capacitacircncia de acoplamento entre vias na

dificuldade de controlar a razatildeo entre a altura e a largura do material entre outros

problemas A fim de analisar o desempenho das interconexotildees eacute necessaacuterio verificar

algumas variaacuteveis importantes como velocidade maacutexima (f-3dB) atenuaccedilatildeo (A) tempo de

atraso (td) potecircncia dissipada (P) produto atraso-potecircncia (DP) e slew rate (SR)

[111317202342]

32 ETAPAS E ESTRATEacuteGIAS ADOTADAS

Com o intuito de analisar o efeito das interconexotildees em circuitos com transistores mono-

eleacutetron foi realizada primeiramente a anaacutelise das interconexotildees de SWCNT de SWCNT

bundle e de cobre isoladamente para diferentes valores de comprimento Apoacutes a avaliaccedilatildeo

desses resultados o efeito das interconexotildees foi analisado no H-tree clock com inversores

mono-eleacutetron nos seus terminais tambeacutem considerando diferentes comprimentos Neste

trabalho a tecnologia de 22 nm prevista para o ano de 2016 [21] foi utilizada na

comparaccedilatildeo entre o desempenho do cobre e do CNT Todas as simulaccedilotildees foram realizadas

utilizando o software LTSPICE

321 Simulaccedilatildeo das interconexotildees

A partir dos modelos das interconexotildees de SWCNT SWCNT bundle e cobre apresentados

na subseccedilatildeo 213 diferentes comprimentos das interconexotildees foram simulados Assim

analisou-se as interconexotildees locais em que l le 1 μm e as intermediaacuterias em que 1 μm lt l

le 500 μm sabendo que l eacute o comprimento da interconexatildeo [29-31333638]

A fim de analisar a frequumlecircncia de corte este foi obtido para comprimentos de

interconexotildees locais (10nm 100nm 200nm 300nm 400nm 500nm 600nm 700nm

27

800nm 900nm 1μm) e interconexotildees intermediaacuterias (10μm 100μm 200μm 300μm

400μm 500μm)

Jaacute que λCNT eacute tipicamente 1 μm foram escolhidos trecircs comprimentos na faixa lCNT le λCNT

(10 nm 100 nm e 1 μm) e trecircs comprimentos na faixa lCNT gt λCNT (10 μm 100 μm 500

μm) para serem analisados detalhadamente Escolheu-se uma mesma frequecircncia abaixo da

frequecircncia de corte dos trecircs materiais considerados para analisar e comparar a atenuaccedilatildeo

(A) e o tempo de atraso na propagaccedilatildeo (td) dos diferentes comprimentos

Em seguida o mesmo procedimento foi feito para comparar somente o SWCNT bundle e o

cobre para uma mesma frequecircncia cujo valor eacute maior que a frequecircncia da anaacutelise anterior

permitindo que estes dois materiais sejam analisados detalhadamente

Essas anaacutelises foram realizadas a partir da simulaccedilatildeo do circuito da Figura 31 [2325] A

tensatildeo de entrada Vin eacute uma onda quadrada de 1V de amplitude e o capacitor de carga tem

o valor de 100 aF

Figura 31 ndash Circuito simulado para cada interconexatildeo

A Figura 32 mostra o fluxograma das etapas descritas nesta subseccedilatildeo 321

28

Figura 32 ndash Fluxograma das etapas seguidas na simulaccedilatildeo das interconexotildees

322 Simulaccedilatildeo do inversor mono-eleacutetron

Para utilizar a porta inversora da Figura 215 nos terminais do H-tree clock foi necessaacuterio

primeiramente simular o SET proposto por [4] Essa simulaccedilatildeo foi feita variando os

paracircmetros do SET como as resistecircncias e capacitacircncias das junccedilotildees as capacitacircncias de

porta a temperatura etc Os paracircmetros foram variados ateacute simular o SET a temperatura

de 300K Em seguida simulou-se a inversora da Figura 215 tambeacutem a temperatura

ambiente Dessa forma foi possiacutevel simular a inversora isoladamente obtendo as

caracteriacutesticas do sinal de saiacuteda

323 Simulaccedilatildeo do H-tree clock mono-eleacutetron

Apoacutes a simulaccedilatildeo do SET foi possiacutevel simular o H-tree clock A rede H-tree de dois niacuteveis

foi simulada com um H no primeiro niacutevel e quatro H‟s no segundo niacutevel [49] Nos pontos

de destino final da rede foram colocadas portas inversoras formadas por SETs permitindo

a anaacutelise de circuitos nanoeletrocircnicos

Modelos de SWCNT

SWCNT bundle e cobre

Obtenccedilatildeo dos paracircmetros dos modelos para

interconexotildees locais e interconexotildees intermediaacuterias

Para cada comprimento

obtenccedilatildeo de f-3dB

1ordm) Escolha de frequumlecircncia abaixo

da f-3dB do SWCNT SWCNT

bundle e cobre

2ordm) Escolha de frequumlecircncia abaixo

da f-3dB do SWCNT bundle e

cobre

Obtenccedilatildeo de A e td de

cada modelo

Obtenccedilatildeo de A e td de

cada modelo

Anaacutelise comparativa entre o

SWCNT SWCNT bundle e

cobre

Anaacutelise comparativa entre o

SWCNT bundle e cobre

Estudo de interconexotildees locais (10nm

100nm 1μm) e intermediaacuterias (10μm

100μm 500μm)

29

A partir da simulaccedilatildeo do H-tree clock obteve-se a frequecircncia em -3dB (f-3dB) da rede com

interconexotildees ideais Assim a rede H-tree foi entatildeo simulada para duas frequecircncias

diferentes do sinal de entrada abaixo da frequecircncia de -3dB 10 GHz e 100 GHz Com

essas simulaccedilotildees obtiveram-se as seguintes caracteriacutesticas do sinal de saiacuteda da inversora

niacutevel loacutegico baixo (NB) niacutevel loacutegico alto (NA) tempo de subida (tr) slew rate de subida

(SR) atenuaccedilatildeo (A) tempo de atraso (td) potecircncia dissipada (P) e produto atraso-potecircncia

(DP) As caracteriacutesticas obtidas servem como referecircncia para analisar o sinal considerando

interconexotildees natildeo-ideais ou seja incluindo os modelos das interconexotildees nas simulaccedilotildees

Em seguida a rede H-tree foi simulada considerando-se os modelos das interconexotildees de

SWCNT bundle e de cobre variando os seus comprimentos Como cada H da rede de

distribuiccedilatildeo deve ser simeacutetrico considerou-se que cada divisatildeo do H tem o mesmo

comprimento para cada niacutevel da rede [11] A Figura 33 mostra o comprimento dos

diferentes trechos da rede Assim o comprimento de cada divisatildeo dos H‟s do segundo

niacutevel eacute a metade do comprimento de cada divisatildeo do H do primeiro niacutevel Jaacute que o objetivo

eacute simular circuitos em escala nanomeacutetrica escolheu-se trecircs variaccedilotildees de comprimento

menores ou iguais a 1μm

l = 100 nm l2 = 50 nm

l = 400 nm l2 = 200 nm

l = 1 μm l2 = 500 nm

Figura 33 ndash Esquemaacutetico do H-tree clock com os comprimentos de cada seguimento

Dessa forma cada um dos trecircs circuitos foi simulado obtendo-se a frequecircncia em -3dB na

entrada das portas inversoras Em seguida as trecircs redes foram simuladas para as mesmas

30

duas frequumlecircncias do sinal de entrada (10 GHz e 100 GHz) de forma a obter as

caracteriacutesticas do sinal de saiacuteda descritas anteriormente considerando agora o efeito das

interconexotildees

Por fim a partir dos dados obtidos foram realizadas comparaccedilotildees entre as caracteriacutesticas

do sinal de saiacuteda de referecircncia (interconexotildees ideais) e o sinal de saiacuteda dos circuitos com as

interconexotildees natildeo-ideais bem como entre o comportamento das interconexotildees de SWCNT

bundle e de cobre nas diferentes frequecircncias

A Figura 34 mostra o fluxograma das etapas descritas nas subseccedilotildees 322 e 323

Figura 34 ndash Fluxograma das etapas seguidas na simulaccedilatildeo do H-tree clock

H-tree clock mono-eleacutetron

Simulaccedilatildeo do H-tree clock com

interconexotildees ideais Obtenccedilatildeo de f-3dB

da inversora

Simulaccedilatildeo do H-tree clock com

interconexotildees natildeo-ideais para os seguintes

comprimentos

l = 100 nm l2 = 50 nm

l = 400 nm l2 = 200 nm

l = 1 μm l2 = 500 nm

Validaccedilatildeo do SET e do

inversor mono-eleacutetron a

300K

Sinal de entrada a

10 GHz

Sinal de entrada a

100 GHz

Obtenccedilatildeo de NB

NA tr SR A td P e

DP do sinal de saiacuteda

da inversora

Obtenccedilatildeo de NB

NA tr SR A td P e

DP do sinal de saiacuteda

da inversora

Sinal de entrada a

10 GHz

Sinal de entrada a

100 GHz

Obtenccedilatildeo de NB

NA tr SR A td P e

DP do sinal de saiacuteda

da inversora

Obtenccedilatildeo de NB

NA tr SR A td P e

DP do sinal de saiacuteda

da inversora

Anaacutelise comparativa

dos dados obtidos

31

4 RESULTADOS E ANAacuteLISES

41 INTRODUCcedilAtildeO

Neste capiacutetulo seratildeo apresentados os procedimentos adotados e os resultados obtidos na

simulaccedilatildeo das interconexotildees SWCNT SWCNT bundle e cobre As etapas descritas na

metodologia foram seguidas obtendo-se os resultados das simulaccedilotildees das interconexotildees e

das simulaccedilotildees do H-tree clock mono-eleacutetron para interconexotildees ideais e natildeo-ideais A

partir dos resultados a anaacutelise do desempenho das interconexotildees seraacute apresentada

42 ANAacuteLISE DAS INTERCONEXOtildeES

Nesta seccedilatildeo a anaacutelise das interconexotildees de SWCNT SWCNT bundle e cobre na

tecnologia de 22 nm para diferentes comprimentos seraacute realizada Para isso analisou-se

as interconexotildees locais em que l le 1 μm e as intermediaacuterias em que 1 μm lt l le 500 μm

sabendo que l eacute o comprimento da interconexatildeo [29-31333638] Como λCNT eacute

tipicamente 1 μm trecircs comprimentos na faixa lCNT le λCNT (10 nm 100 nm e 1 μm) e trecircs

comprimentos na faixa lCNT gt λCNT (10 μm 100 μm 500 μm) de cada material seratildeo

analisados detalhadamente Os paracircmetros obtidos a partir dos modelos de SWCNT

SWCNT bundle e cobre estatildeo respectivamente nas Tabelas 71 72 e 73 do Apecircndice

421 Interconexotildees locais

Primeiramente a partir da simulaccedilatildeo da Figura 31 obteve-se a frequecircncia em -3dB (f-3dB)

das interconexotildees locais (lCNT le λCNT ) isto eacute a sua banda passante de forma a verificar a

velocidade maacutexima que cada interconexatildeo suporta A Figura 41 ilustra o comportamento

da frequecircncia das interconexotildees locais para os diferentes comprimentos Como o SWCNT

isolado possui valores de frequecircncia na faixa de centenas de giga Hertz ou seja menos de

um tera Hertz os valores de suas frequecircncias tambeacutem podem ser visualisados na Tabela

74 do Apecircndice

Verifica-se que agrave medida que o comprimento da interconexatildeo aumenta a frequecircncia

diminui Isso ocorre jaacute que os valores da capacitacircncia e indutacircncia aumentam com o

aumento do comprimento da interconexatildeo Esses paracircmetros satildeo decisivos no sinal de

32

saiacuteda sendo o sinal mais distorcido quanto maior for o valor desses paracircmetros Observa-

se que o SWCNT bundle e o cobre possuem banda passante maiores que o SWCNT

isolado para qualquer comprimento Aleacutem disso o SWCNT bundle soacute possui uma banda

passante comparaacutevel ao do cobre para comprimentos acima de 700 nm

Frequecircncia X Comprimento

0

10

20

30

40

50

60

100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

Comprimento (nm)

f -3d

B (

TH

z)

SWCNT Isolado

SWCNT bundle

Cobre

Figura 41 ndash Frequumlecircncia versus comprimento das interconexotildees locais

As interconexotildees locais de 10 nm 100 nm e 1 μm de comprimento foram analisadas

detalhadamente A Tabela 41 mostra a frequecircncia em -3dB de cada material para os

comprimentos em anaacutelise

Tabela 41 Frequecircncia em -3dB de cada material para lCNT le λCNT

Interconexatildeo Local Comprimento (L) Material f-3dB

SWCNT isolado 253 GHz

10nm SWCNT bundle 66 THz

Cobre 232 THz

SWCNT isolado 300 GHz

lCNT le λCNT 100nm SWCNT bundle 20 THz

Cobre 51 THz

SWCNT isolado 230 GHz

1microm SWCNT bundle 47 THz

Cobre 42 THz

Assim escolheu-se uma mesma frequecircncia abaixo da frequecircncia de corte dos trecircs

materiais considerados para analisar e comparar a atenuaccedilatildeo (A) e o tempo de atraso na

propagaccedilatildeo (td) dos trecircs comprimentos Isso permite verificar o comportamento do sinal na

banda passante A Tabela 42 mostra esse estudo comparativo entre o SWCNT isolado

SWCNT bundle e cobre agrave frequecircncia de 200 GHz

33

Tabela 42 Estudo das interconexotildees com comprimentos na faixa lCNT le λCNT

Freq L Material A (dB) td (ps)

SWCNT isolado -210 046

10nm SWCNT bundle 001 000

Cobre 000 000

SWCNT isolado -155 051

200 GHz 100nm SWCNT bundle 001 000

Cobre 001 000

SWCNT isolado -039 107

1microm SWCNT bundle 006 001

Cobre 000 007

A partir da anaacutelise da Tabela 42 eacute possiacutevel observar agrave frequumlecircncia de 200 GHz a

atenuaccedilatildeo do sinal e o atraso do SWCNT isolado Nessa frequumlecircncia o atraso do SWCNT

isolado eacute significativo em relaccedilatildeo ao periacuteodo do sinal que eacute 5ps jaacute que o menor atraso

(para l = 10nm) eacute aproximadamente 10 do periacuteodo do sinal de entrada No entanto para

esta mesma frequumlecircncia observa-se que a atenuaccedilatildeo e o atraso do SWCNT bundle e do

cobre satildeo insignificantes Isto indica que estes dois materiais possuem melhor

desempenho sendo favoraacuteveis para serem utilizados em interconexotildees locais

Dessa forma para analisar melhor a atenuaccedilatildeo e o tempo de atraso do SWCNT bundle e do

cobre o mesmo procedimento foi feito comparando-se somente estes dois materiais para

uma mesma frequecircncia de 1 THz A Tabela 43 mostra esse estudo comparativo entre o

SWCNT bundle e cobre

Tabela 43 Estudo das interconexotildees SWCNT bundle e cobre com comprimentos na faixa

lCNT le λCNT

Freq L Material A (dB) td (fs)

10nm SWCNT bundle 001 113

Cobre 000 022

1 THz 100nm SWCNT bundle 006 136

Cobre 001 240

1microm SWCNT bundle 145 647

Cobre -013 5623

Analisando a Tabela 43 observa-se que agrave frequumlecircncia de 1 THz a atenuaccedilatildeo do sinal e o

atraso aumentam agrave medida que o comprimento das interconexotildees aumentam A partir do

comprimento de 100nm o tempo de atraso da interconexatildeo de cobre eacute maior que o do

SWCNT bundle cujo maior valor de atraso (para l = 1microm) natildeo chega a 1 do periacuteodo do

34

sinal de entrada (1ps) Isso mostra que apesar de a banda passante do cobre ser maior o

atraso do SWCNT bundle eacute menor Dessa forma para as interconexotildees locais o SWCNT

bundle possui desempenho comparaacutevel ao do cobre [13]

Em relaccedilatildeo agrave atenuaccedilatildeo verifica-se que para alguns comprimentos este tem valor

positivo Isso ocorre principalmente quando haacute um pico no graacutefico da frequumlecircncia antes dele

comeccedilar a decair Esse pico eacute devido ao efeito ressonante provocado pela indutacircncia

quando este possui valor comparaacutevel agrave resistecircncia e agrave capacitacircncia da interconexatildeo [53]

Assim esse efeito ressonante foi observado somente nas interconexotildees locais de SWCNT

bundle e de cobre A Figura 42 ilustra o graacutefico da magnitude pela frequumlecircncia do SWCNT

isolado SWCNT bundle e cobre para o comprimento de 100nm Observa-se o efeito

ressonante nos graacuteficos do SWCNT bundle e do cobre

Figura 42 ndash Graacuteficos da magnitude das interconexotildees de SWCNT isolado (superior)

SWCNT bundle (meio) e cobre (inferior) com comprimento de 100nm

35

422 Interconexotildees intermediaacuterias

Assim como para as interconexotildees locais obteve-se a frequecircncia em -3dB (f-3dB) das

interconexotildees intermediaacuterias (lCNT gt λCNT) de forma a verificar a velocidade maacutexima que

cada interconexatildeo suporta A Figura 43 ilustra o comportamento da frequecircncia das

interconexotildees intermediaacuterias para os diferentes comprimentos Os valores das frequecircncias

de cada interconexatildeo tambeacutem podem ser visualisados na Tabela 75 do Apecircndice

Como nas interconexotildees locais agrave medida que o comprimento da interconexatildeo aumenta a

frequecircncia diminui Aleacutem disso o SWCNT bundle e o cobre possuem desempenho melhor

que o do SWCNT isolado para qualquer comprimento No entanto para interconexotildees

intermediaacuterias o SWCNT bundle possui banda passante maior que a do cobre para

qualquer comprimento

Frequecircncia X Comprimento

00

05

10

15

20

25

30

35

40

45

100 200 300 400 500

Comprimento (μm)

f -3d

B (

GH

z)

SWCNT isolado

SWCNT bundle

Cobre

Figura 43 ndash Frequumlecircncia versus comprimento das interconexotildees intermediaacuterias

As interconexotildees intermediaacuterias de 10 μm 100 μm e 500 μm de comprimento foram entatildeo

analisadas detalhadamente A Tabela 44 mostra a frequecircncia em -3dB de cada materal

para os diferentes comprimentos em anaacutelise

36

Tabela 44 Frequecircncia em -3dB de cada material para lCNT gt λCNT

Interconexatildeo

Intermediaacuteria

Comprimento (L) Material f-3dB

SWCNT isolado 26 GHz

10 microm SWCNT bundle 527 GHz

Cobre 34 GHz

SWCNT isolado 32 MHz

lCNT gt λCNT 100 microm SWCNT bundle 42 GHz

Cobre 345 MHz

SWCNT isolado 13 MHz

500 microm SWCNT bundle 165 MHz

Cobre 14 MHz

Escolheu-se a frequecircncia de 1 MHz que estaacute abaixo da frequecircncia de corte dos trecircs

materiais considerados para analisar e comparar a atenuaccedilatildeo (A) e o tempo de atraso na

propagaccedilatildeo (td) dos trecircs comprimentos A Tabela 45 mostra esse estudo comparativo entre

o SWCNT isolado SWCNT bundle e cobre

Tabela 45 Estudo das interconexotildees com comprimentos na faixa lCNT gt λCNT

Freq L Material A (dB) td (ns)

SWCNT isolado -002 008

10 microm SWCNT bundle 000 000

Cobre 000 000

SWCNT isolado -003 559

1 MHz 100 microm SWCNT bundle -001 005

Cobre -004 056

SWCNT isolado -198 10217

500 microm SWCNT bundle 000 110

Cobre -003 1301

Com base na Tabela 45 observa-se que a atenuaccedilatildeo e o tempo de atraso do SWCNT

isolado aumentam com o aumento do comprimento da interconexatildeo Nessa frequumlecircncia o

atraso na propagaccedilatildeo do SWCNT isolado eacute significativo em relaccedilatildeo ao periacuteodo do sinal de

entrada que eacute 1micros chegando a mais de 10 deste periacuteodo para o comprimento de 500microm

Verifica-se tambeacutem o aumento do tempo de atraso da interconexatildeo de cobre sendo 13

do periacuteodo do sinal de entrada para o comprimento de 500microm

Para analisar melhor a atenuaccedilatildeo e o tempo de atraso do SWCNT bundle e do cobre o

mesmo procedimento foi feito comparando-se somente estes dois materiais para uma

37

mesma frequecircncia de 10 MHz A Tabela 46 mostra esse estudo comparativo entre o

SWCNT bundle e cobre

Tabela 46 Estudo das interconexotildees SWCNT bundle e cobre com comprimentos na faixa

lCNT gt λCNT

Freq L Material A (dB) td (ns)

10 microm SWCNT bundle 000 000

Cobre 000 000

10 MHz 100 microm SWCNT bundle -001 005

Cobre -004 054

500 microm SWCNT bundle -004 107

Cobre -185 1024

Analisando a Tabela 46 observa-se que agrave medida que o comprimento das interconexotildees

aumenta a atenuaccedilatildeo e o atraso do sinal da interconexatildeo de cobre tornam-se significativos

O atraso na propagaccedilatildeo da interconexatildeo de cobre para l = 500microm chega a 10 do periacuteodo

do sinal de entrada (100ns) Jaacute o SWCNT bundle apresenta valores insignificantes de

atenuaccedilatildeo e atraso na propagaccedilatildeo Assim para as interconexotildees intermediaacuterias o SWCNT

bundle possui desempenho superior ao do cobre

43 SIMULACcedilAtildeO DO INVERSOR MONO-ELEacuteTRON

O modelo SPICE do SET proposto por G Lientschnig et al [444] foi simulado no

LTSPICE A partir da equaccedilatildeo (226) foi possiacutevel aumentar a temperatura do SET ateacute

chegar a 300K Assim o esquemaacutetico do SET e os valores de seus paracircmetros para que o

SET opere a 300K estatildeo na Figura 44 No anexo deste trabalho (subseccedilatildeo 81) encontra-

se o coacutedigo SET que foi utilizado [44] Os paracircmetros R1 C1 e R2 C2 correspondem agraves

resistecircncias e capacitacircncias das junccedilotildees-tuacutenel Cg eacute a capacitacircncia de porta (Cg1 no coacutedigo

SET) Vg eacute a tensatildeo de porta e V eacute a tensatildeo de entrada

Figura 44 Esquemaacutetico do SET e os valores de seus paracircmetros

38

A partir destes valores o inversor mono-eleacutetron foi construiacutedo colocando-se dois SETs em

seacuterie os quais compartilham da mesma entrada A Figura 45 ilustra o esquemaacutetico do

inversor mono-eleacutetron juntamente com os valores de seus paracircmetros fixos em que Vin eacute a

tensatildeo de entrada Vout eacute a tensatildeo de saiacuteda Vbias eacute a tensatildeo de polarizaccedilatildeo Cc eacute a

capacitacircncia de carga Cg1 e Cg2 satildeo as capacitacircncias de porta do SET 1 e do SET 2

respectivamente

Figura 45 Esquemaacutetico do inversor mono-eleacutetron e os valores de seus paracircmetros

(modificado de [4])

Assim apoacutes simular o inversor mono-eleacutetron a 300K obteve-se o sinal de saiacuteda mostrado

na Figura 46 Como o inversor estaacute invertendo o sinal de entrada de valor loacutegico baixo em

um sinal de saiacuteda de valor loacutegico alto ele estaacute operando corretamente

Figura 46 Curva do sinal de entrada (em verde) e do sinal de saiacuteda (em preto) do inversor

mono-eleacutetron

39

44 ANAacuteLISE DAS INTERCONEXOtildeES NO H-TREE CLOCK MONO-ELEacuteTRON

Nesta seccedilatildeo a rede H-tree clock de dois niacuteveis foi simulada com portas inversoras mono-

eleacutetron nos pontos de destino final da rede permitindo a anaacutelise de circuitos

nanoeletrocircnicos Simulou-se a rede H-tree considerando interconexotildees ideais para as

frequecircncias de 10 GHz e 100 GHz no sinal de entrada Em seguida para as mesmas duas

frequecircncias considerou-se interconexotildees natildeo-ideais de diferentes comprimentos

analisando a rede com os modelos de interconexatildeo SWCNT bundle e cobre Trecircs redes

com comprimentos de interconexotildees diferentes foram analisadas

l = 100 nm l2 = 50 nm

l = 400 nm l2 = 200 nm

l = 1 μm l2 = 500 nm

441 Anaacutelise da rede com interconexotildees ideais

A partir da simulaccedilatildeo do H-tree clock a frequecircncia em -3dB (f-3dB) da rede com

interconexotildees ideais foi obtida Na saiacuteda de cada porta inversora a banda passante do sinal

eacute 3200 GHz Dessa forma duas frequecircncias abaixo de 3200 GHz foram escolhidas para

analisar o sinal de saiacuteda da inversora em condiccedilotildees ideais As frequecircncias de 10 GHz e

100 GHz seratildeo analisadas obtendo-se as seguintes caracteriacutesticas do sinal de saiacuteda da

inversora niacutevel loacutegico baixo (NB) niacutevel loacutegico alto (NA) tempo de subida (tr) slew rate

de subida (SR) atenuaccedilatildeo (A) e tempo de atraso (td) A Tabela 47 mostra os valores

obtidos para as duas frequecircncias em anaacutelise

Tabela 47 Caracteriacutesticas dos sinais de saiacuteda da rede para interconexotildees ideais

Freq NB(mV) NA(mV) tr (ps) SR(Vns) A(dB) td (ps)

10 GHz 675 4518 356 8636 -264 412

100 GHz 678 4279 317 9088 -269 189

Os caacutelculos da potecircncia estaacutetica ( IVP DDE ) potecircncia dinacircmica ( CVfP DDD 2 ) e

potecircncia total ( DE PPP ) dissipada por cada porta inversora foram realizados bem

como o produto atraso-potecircncia (DP) Assim a Tabela 48 mostra os valores obtidos no

40

caacutelculo destes paracircmetros Como a potecircncia estaacutetica independe da frequecircncia do sinal de

entrada o seu valor eacute o mesmo nos dois casos

Tabela 48 Potecircncia dissipada por cada porta inversora para interconexotildees ideais

Frequecircncia PE (nW) PD (nW) P (nW) DP (10-18

Wmiddots)

10 GHz 4838 125 4963 020

100 GHz 4838 125 6088 012

As Tabelas 47 e 48 serviratildeo de referecircncia para as anaacutelises da rede com interconexotildees natildeo-

ideais analisadas na subseccedilatildeo seguinte As Figuras 47 e 48 ilustram o sinal de saiacuteda das

redes com frequecircncias de 10 GHz e de 100 GHz respectivamente Eacute possiacutevel observar que

na frequecircncia de 100 GHz o sinal de saiacuteda jaacute eacute distorcido em relaccedilatildeo ao sinal de referecircncia

(Figura 46)

Figura 47 Sinal de entrada (em verde) e sinal de saiacuteda (em preto) da rede a 10 GHz

Figura 48 Sinal de entrada (em verde) e sinal de saiacuteda (em preto) da rede a 100 GHz

41

442 Anaacutelise da rede com interconexotildees natildeo-ideais

Apoacutes obter as caracteriacutesticas da rede H-tree clock com interconexotildees ideais a anaacutelise da

rede com interconexotildees natildeo-ideais seraacute feita Primeiramente eacute importante verificar a

frequecircncia em -3dB do sinal depois das interconexotildees ou seja na entrada da porta

inversora Caso essa frequecircncia seja menor que a frequecircncia de 3200 GHz obtida com

interconexotildees ideais entatildeo a interconexatildeo afetaraacute o comportamento da rede A Tabela 49

mostra a frequecircncia em -3dB na entrada da inversora para interconexotildees natildeo-ideais

Tabela 49 Frequecircncia em -3dB na entrada da inversora para interconexotildees natildeo-ideais

Comprimentos (l2 l) Material f-3dB

50nm 100nm SWCNT bundle 122 THz

Cobre 175 THz

200nm 400nm SWCNT bundle 31 THz

Cobre 8606 GHz

500nm 1microm SWCNT bundle 12 THz

Cobre 1268 GHz

Assim verifica-se que a interconexatildeo de cobre da rede 500nm1microm possui frequecircncia em

-3dB abaixo da frequecircncia do circuito com interconexatildeo ideal (3200 GHz) Isso indica que

esta interconexatildeo interfere significativamente no comportamento da rede A Tabela 49

mostra tambeacutem que a banda passante da interconexatildeo de cobre soacute eacute maior que a da

interconexatildeo de SWCNT bundle no primeiro caso na rede de 50nm100nm o que mostra

uma vantagem do SWCNT bundle em relaccedilatildeo ao cobre A partir dessas informaccedilotildees a

rede H-tree clock com interconexotildees natildeo-ideais seraacute analisada detalhadamente

4421 Anaacutelise da rede a 10 GHz

As redes com interconexotildees natildeo-ideais seratildeo analisadas na frequecircncia de 10 GHz para

diferentes comprimentos Primeiramente o niacutevel loacutegico baixo (NB) o niacutevel loacutegico alto

(NA) o tempo de subida (tr) e o slew rate de subida (SR) foram obtidos conforme mostra a

Tabela 410 Com base nessa tabela verifica-se que na frequecircncia de 10 GHz essas

caracteriacutesticas natildeo foram modificadas pelas interconexotildees natildeo-ideais independentemente

do comprimento Os valores dos paracircmetros satildeo iguais aos obtidos na rede com

interconexatildeo ideal conforme Tabela 47 O sinal obtido na saiacuteda de cada inversor eacute igual

ao ilustrado na Figura 47

42

Tabela 410 Niacuteveis loacutegicos tempo de subida e slew rate dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 10 GHz

Freq L (l2l) Material NB(mV) NA(mV) tr(ps) SR(Vns)

10

GHz

50nm

100nm

SWCNT bundle 675 4518 356 8636

Cobre 675 4518 356 8636

200nm

400nm

SWCNT bundle 675 4518 356 8636

Cobre 675 4518 356 8636

500nm

1microm

SWCNT bundle 675 4518 356 8636

Cobre 675 4518 356 8636

A Tabela 411 mostra a atenuaccedilatildeo tempo de atraso potecircncia total dissipada e o produto

atraso-potecircncia obtidos a frequecircncia de 10 GHz para interconexotildees natildeo-ideais Observa-se

que a atenuaccedilatildeo do sinal e a potecircncia total dissipada por cada porta inversora permanecem

os mesmos em relaccedilatildeo agrave interconexatildeo ideal mostrando que a essa frequecircncia as

interconexotildees natildeo-ideais natildeo interferem nestes paracircmetros

Jaacute o atraso na propagaccedilatildeo do sinal no caso do cobre aumenta agrave medida que as

interconexotildees aumentam de comprimento aumentando tambeacutem o produto atraso-potecircncia

Esse atraso chega a 66 do periacuteodo do sinal de entrada para a interconexatildeo 500nm1microm

de cobre No entanto estes paracircmetros natildeo satildeo afetados pelas interconexotildees de SWCNT

bundle indicando que este material se sobressai em relaccedilatildeo ao cobre

Tabela 411 Atenuaccedilatildeo atraso potecircncia e produto atraso-potecircncia dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 10 GHz

Freq L (l2l) Material A (dB) td (ps) P (nW) DP(10-18

Wmiddots)

10

GHz

50nm

100nm

SWCNT bundle -264 412 4963 020

Cobre -264 412 4963 020

200nm

400nm

SWCNT bundle -264 412 4963 020

Cobre -264 438 4963 022

500nm

1microm

SWCNT bundle -264 412 4963 020

Cobre -264 659 4963 033

4422 Anaacutelise da rede a 100 GHz

As redes com interconexotildees natildeo-ideais seratildeo analisadas na frequecircncia de 100 GHz para

diferentes comprimentos O niacutevel loacutegico baixo (NB) o niacutevel loacutegico alto (NA) o tempo de

subida (tr) e o slew rate de subida (SR) foram obtidos conforme mostra a Tabela 412 Jaacute a

43

Tabela 413 mostra a atenuaccedilatildeo tempo de atraso potecircncia total dissipada e o produto

atraso-potecircncia obtidos a frequecircncia de 100 GHz para interconexotildees natildeo-ideais

Tabela 412 Niacuteveis loacutegicos tempo de subida e slew rate dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 100 GHz

Freq L (l2l) Material NB(mV) NA(mV) tr(ps) SR(Vns)

100

GHz

50nm

100nm

SWCNT bundle 678 4272 316 9099

Cobre 675 4277 323 9107

200nm

400nm

SWCNT bundle 678 4299 315 9196

Cobre 677 4089 289 9447

500nm

1microm

SWCNT bundle 678 4418 300 9973

Cobre 635 1766 102 6795

Tabela 413 Atenuaccedilatildeo atraso potecircncia e produto atraso-potecircncia dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 100 GHz

Freq L (l2l) Material A (dB) td (ps) P (nW) DP(10-18

Wmiddots)

100

GHz

50nm

100nm

SWCNT bundle -2703 189 6088 012

Cobre -2685 191 6088 012

200nm

400nm

SWCNT bundle -2693 188 6088 012

Cobre -2698 228 6088 014

500nm

1microm

SWCNT bundle -2673 174 6088 011

Cobre -2893 388 6088 024

A partir das Tabelas 412 e 413 o SWCNT bundle seraacute analisado Observa-se que os seus

niacuteveis loacutegicos altos aumentam com o aumento do comprimento das interconexotildees

aumentando tambeacutem o slew rate de subida Esse comportamento ocorre provavelmente

devido ao efeito ressonante provocado pela indutacircncia que provoca um pico no graacutefico da

frequumlecircncia antes dele comeccedilar a decair conforme explicado na subseccedilatildeo 421 Isso implica

na diminuiccedilatildeo da atenuaccedilatildeo do sinal e do atraso No entanto o produto atraso-potecircncia

permanece praticamente invariaacutevel jaacute que a potecircncia total dissipada natildeo se altera

Em relaccedilatildeo agraves interconexotildees de cobre verifica-se que as distorccedilotildees satildeo significativas Agrave

medida que o comprimento aumenta a atenuaccedilatildeo do sinal de saiacuteda aumenta Isso provoca

diminuiccedilatildeo no slew rate do sinal o que natildeo eacute desejado jaacute que o sinal demora mais para

atingir o niacutevel loacutegico alto Aleacutem disso o atraso na propagaccedilatildeo do sinal aumenta bastante

chegando a 388 do periacuteodo do sinal de entrada para a interconexatildeo 500nm1microm

Consequentemente o produto atraso-potecircncia tambeacutem aumenta sendo o dobro do valor de

44

referecircncia (interconexotildees ideais) A Figura 49 ilustra o sinal de saiacuteda da interconexatildeo

500nm1microm de cobre

Figura 49 Sinal de entrada (em verde) e sinal de saiacuteda (em preto) da rede a 100 GHz para

a interconexatildeo 500nm1microm de cobre

Comparando-se as potecircncias das tabelas 47 48 411 413 verifica-se que natildeo haacute

alteraccedilatildeo na potecircncia total dissipada pelo circuito com interconexotildees ideais e pelos

circuitos com interconexotildees natildeo-ideais para uma mesma frequecircncia Assim eacute importante

destacar que a dissipaccedilatildeo de potecircncia das interconexotildees de SWCNT bundle e de cobre natildeo

interfere na potecircncia total dissipada pelo circuito

443 Consideraccedilotildees Finais

Apoacutes analisar as interconexotildees locais de SWCNT de SWCNT bundle e de cobre

verificou-se que as interconexotildees de SWCNT bundle possuem desempenho comparaacutevel ao

das interconexotildees de cobre Em relaccedilatildeo agraves interconexotildees intermediaacuterias as de SWCNT

bundle apresentam desempenho superior agraves de cobre Jaacute as interconexotildees de SWCNT

isolado tanto para interconexotildees locais como para interconexotildees intermediaacuterias

apresentam desempenho inferior agraves interconexotildees de SWCNT bundle e de cobre natildeo

sendo propiacutecias a serem utilizadas em interconexotildees de circuitos integrados

Na anaacutelise das interconexotildees natildeo-ideais na rede H-tree clock mono-eleacutetron para a

frequecircncia de 10GHz observou-se que o niacutevel loacutegico baixo o niacutevel loacutegico alto o tempo de

subida o slew rate de subida a atenuaccedilatildeo do sinal e a potecircncia total dissipada por cada

porta inversora permanecem os mesmos em relaccedilatildeo agrave interconexatildeo ideal mostrando que

45

para esta frequecircncia as interconexotildees natildeo-ideais natildeo interferem nestes paracircmetros Jaacute o

atraso na propagaccedilatildeo do sinal no caso do cobre aumenta agrave medida que as interconexotildees

aumentam de comprimento aumentando tambeacutem o produto atraso-potecircncia No entanto

estes paracircmetros natildeo satildeo afetados pelas interconexotildees de SWCNT bundle indicando que

este material se sobressai em relaccedilatildeo ao cobre

Jaacute para a rede H-tree clock mono-eleacutetron a 100GHz observou-se que o circuito com

interconexotildees natildeo-ideais afetou bastante os paracircmetros em anaacutelise se comparados aos

obtidos para interconexotildees ideais Verificou-se que as distorccedilotildees provocadas pelas

interconexotildees de cobre foram significativas indicando que as interconexotildees de SWCNT

bundle possuem melhor desempenho que as de cobre

Assim constata-se que as interconexotildees de SWCNT bundle satildeo fortes candidatas a

substituirem as interconexotildees de cobre em circuitos em escala giga (GSI) e tera (TSI)

46

5 CONCLUSOtildeES

Nesta dissertaccedilatildeo o estudo das interconexotildees de SWCNT de SWCNT bundle e de cobre

foi realizado analisando e comparando os seus desempenhos para diferentes

comprimentos A partir desse estudo verificou-se que as interconexotildees de SWCNT bundle

possui desempenho comparaacutevel ao das interconexotildees de cobre no caso de interconexotildees

locais Em relaccedilatildeo agraves interconexotildees intermediaacuterias as de SWCNT bundle apresentam

desempenho superior agraves de cobre

As interconexotildees de SWCNT bundle e as interconexotildees de cobre foram entatildeo simuladas na

rede H-tree clock de dois niacuteveis para diferentes comprimentos e frequecircncias Nos pontos

de destino final da rede foram colocadas portas inversoras formadas por SETs permitindo

a anaacutelise de circuitos nanoeletrocircnicos

A partir da anaacutelise da rede H-tree clock observou-se que as interconexotildees de SWCNT

bundle possuem desempenho melhor que as de cobre principalmente em relaccedilatildeo ao slew

rate agrave atenuaccedilatildeo ao tempo de atraso e ao produto atraso-potecircncia Aleacutem disso a

dissipaccedilatildeo de potecircncia das interconexotildees natildeo-ideais natildeo interferem na potecircncia total

dissipada pelo circuito Assim as interconexotildees de SWCNT bundle satildeo fortes candidatas a

substituirem as interconexotildees de cobre em circuitos em escala giga (GSI) e tera (TSI)

Como perspectivas futuras eacute importante analisar o efeito das interconexotildees de nanotubo de

carbono em circuitos GSI e TSI com outras arquiteturas A anaacutelise das interconexotildees de

CNT tambeacutem deve ser feita em circuitos com tecnologia MOS permitindo a comparaccedilatildeo

entre diferentes tecnologias Aleacutem disso eacute interessante estudar outros tipos de materiais

que possam ser utilizados como interconexotildees em circuitos integrados

47

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53

7 APEcircNDICES

71 TABELAS COMPLEMENTARES

Tabela 71 Paracircmetros obtidos a partir do modelo de SWCNT isolado

L RQ (Ω) RS (Ω) LCNT (10-9

H) CCNT (10-18

F)

10 nm 645103 - 40010

-2 27910

-1

100 nm 645103 - 40010

-1 279

200 nm 645103 - 80010

-1 558

300 nm 645103 - 120 837

400 nm 645103 - 160 11210

1

500 nm 645103 - 200 14010

1

600 nm 645103 - 240 16710

1

700 nm 645103 - 280 19510

1

800 nm 645103 - 320 22310

1

900 nm 645103 - 360 25110

1

1 microm 645103 - 400 27910

1

10 microm 645103 64510

4 40010

1 27910

2

100 microm 645103 64510

5 40010

2 27910

3

200 microm 645103 12910

6 80010

2 55810

3

300 microm 645103 19410

6 12010

3 83710

3

400 microm

645103 25810

6 16010

3 11210

4

500 microm

645103 32310

6 20010

3 14010

4

Tabela 72 Paracircmetros obtidos a partir do modelo de SWCNT bundle

L RQ (Ω) RS (Ω) LBundle(10-9

H) CBundle(10-18

F)

10 nm 1075 - 66710-5

135

100 nm 1075 - 66710-4

135101

200 nm 1075 - 13310-3

270101

300 nm 1075 - 20010-3

405101

400 nm 1075 - 26710-3

540101

500 nm 1075 - 33310-3

675101

600 nm 1075 - 40010-3

810101

700 nm 1075 - 46710-3

945101

800 nm 1075 - 53310-3

108102

900 nm 1075 - 60010-3

122102

1 microm 1075 - 66710-3

135102

10 microm 1075 108102 66710

-2 13510

3

100 microm 1075 108103 66710

-1 13510

4

200 microm 1075 215103 133 27010

4

300 microm 1075 323103 200 40510

4

400 microm

1075 430103 267 54010

4

500 microm

1075 538103 333 67510

4

54

Tabela 73 Paracircmetros obtidos a partir do modelo de cobre

L RCu (Ω) LCu (10-9

H) CCu (10-18

F)

10 nm 06 37310-6

150

100 nm 60 63610-5

150101

200 nm 120 17510-4

300101

300 nm 180 30910-4

450101

400 nm 240 45410-4

600101

500 nm 300 61110-4

750101

600 nm 360 77510-4

900101

700 nm 420 94610-4

105102

800 nm 480 11210-3

120102

900 nm 540 13110-3

135102

1 microm 600 14910-3

150102

10 microm 60102 24010

-2 15010

3

100 microm 60103 33210

-1 15010

4

200 microm 12104 72010

-1 30010

4

300 microm 18104 113 45010

4

400 microm

24104 155 60010

4

500 microm

30104 198 75010

4

55

Tabela 74 Frequecircncia em -3dB das interconexotildees locais

Comprimento Material f-3dB

10 nm SWCNT isolado 253 GHz

SWCNT bundle 66 THz

Cobre 232 THz

100 nm SWCNT isolado 300 GHz

SWCNT bundle 20 THz

Cobre 51 THz

200 nm SWCNT isolado 342 GHz

SWCNT bundle 14 THz

Cobre 29 THz

300 nm SWCNT isolado 344 GHz

SWCNT bundle 11 THz

Cobre 20 THz

400 nm SWCNT isolado 329 GHz

SWCNT bundle 89 THz

Cobre 15 THz

500 nm SWCNT isolado 307 GHz

SWCNT bundle 76 THz

Cobre 12 THz

600 nm SWCNT isolado 288 GHz

SWCNT bundle 67 THz

Cobre 94 THz

700 nm SWCNT isolado 271 GHz

SWCNT bundle 61 THz

Cobre 76 THz

800 nm SWCNT isolado 255 GHz

SWCNT bundle 55 THz

Cobre 63 THz

900 nm SWCNT isolado 240 GHz

SWCNT bundle 51 THz

Cobre 52 THz

1 microm SWCNT isolado 230 GHz

SWCNT bundle 47 THz

Cobre 42 THz

56

Tabela 75 Frequecircncia em -3dB das interconexotildees intermediaacuterias

Comprimento Material f-3dB

10 microm SWCNT isolado 26 GHz

SWCNT bundle 527 GHz

Cobre 34 GHz

100 microm SWCNT isolado 32 MHz

SWCNT bundle 42 GHz

Cobre 345 MHz

200 microm SWCNT isolado 82 MHz

SWCNT bundle 10 GHz

Cobre 87 MHz

300 microm SWCNT isolado 36 MHz

SWCNT bundle 455 MHz

Cobre 38 MHz

400 microm SWCNT isolado 21 MHz

SWCNT bundle 256 MHz

Cobre 21 MHz

500 microm SWCNT isolado 13 MHz

SWCNT bundle 165 MHz

Cobre 14 MHz

57

8 ANEXOS

81 COacuteDIGO SPICE DO SET [44]

Transistor mono-eleacutetron (SET) conexotildees fonte | dreno | | porta1 | | | porta2 | | | | SUBCKT SET 1 2 3 4 PARAMS +C1=1E-20 Capacitacircncia da junccedilatildeo 1 +C2=1E-20 Capacitacircncia da junccedilatildeo 2 +R1=1E5 Resistecircncia da junccedilatildeo 1 +R2=1E5 Resistecircncia da junccedilatildeo 2 +Cg1=015E-18 Capacitacircncia da junccedilatildeo 1 +Cg2=0 Capacitacircncia da junccedilatildeo 2 +C0=0 Capacitacircncia proacutepria da ilha +Q0=005 Carga offset em unidades de e +TEMP=300 Temperatura PARAM E=160217733E-19 Carga do eleacutetron (e) PARAM CSUM=C1+C2+Cg1+Cg2+C0 Capacitacircncia total do SET PARAM T=TEMPCSUM53785467E14 Temperatura normalizada 53785467E14 = kBe^2 PARAM RN1=R1(R1+R2) Resistecircncia da junccedilatildeo 1 normalizada PARAM RN2=R2(R1+R2) Resistecircncia da junccedilatildeo 2 normalizada FUNC Q(v1v2v3v4) (Cg1v3+Cg2v4+C1v1+C2v2)E+Q0 Definiccedilatildeo da carga em unidades de e FUNC VN(v) CSUMvE Tensatildeo normalizada FUNC GAMMA(u) IF(T==0IF(ult0-u0)IF(u==0Tu(EXP(uT)-1))) FUNC N_OPT(v1v2v3v4) ROUND(-Q(v1v2v3v4)+(CSUME) (v1RN2+v2RN1)) A maior probabilidade de carga na ilha em unidades de e Os quarto eventos tuacuteneis FUNC R1L(nv1v2v3v4) GAMMA(05 - n - Q(v1v2v3v4) + VN(v1))RN1 FUNC R1R(nv1v2v3v4) GAMMA(05 + n + Q(v1v2v3v4) - VN(v1))RN1 FUNC R2L(nv1v2v3v4) GAMMA(05 + n + Q(v1v2v3v4) - VN(v2))RN2 FUNC R2R(nv1v2v3v4) GAMMA(05 - n - Q(v1v2v3v4) + VN(v2))RN2

58

determinaccedilatildeo das probabilidades relativas assume-se inicialmente que o estado da carga N_OPT tem probabilidade relativa igual a um FUNC PN_1(nv1v2v3v4) (R1L(nv1v2v3v4)+R2R(nv1v2v3v4))(R1R(n-1v1v2v3v4)+R2L(n-1v1v2v3v4)) FUNC PN_2(nv1v2v3v4) PN_1(nv1v2v3v4) +(R1L(n-1v1v2v3v4)+R2R(n-1v1v2v3v4))(R1R(n-2v1v2v3v4)+R2L(n-2v1v2v3v4)) FUNC PN_3(nv1v2v3v4) PN_2(nv1v2v3v4) +(R1L(n-2v1v2v3v4)+R2R(n-2v1v2v3v4))(R1R(n-3v1v2v3v4)+R2L(n-3v1v2v3v4)) FUNC PN_4(nv1v2v3v4) PN_3(nv1v2v3v4) +(R1L(n-3v1v2v3v4)+R2R(n-3v1v2v3v4))(R1R(n-4v1v2v3v4)+R2L(n-4v1v2v3v4)) FUNC PN_5(nv1v2v3v4) PN_4(nv1v2v3v4) +(R1L(n-4v1v2v3v4)+R2R(n-4v1v2v3v4))(R1R(n-5v1v2v3v4)+R2L(n-5v1v2v3v4)) FUNC PN1(nv1v2v3v4) (R2L(nv1v2v3v4) +R1R(nv1v2v3v4))(R2R(n+1v1v2v3v4)+R1L(n+1v1v2v3v4)) FUNC PN2(nv1v2v3v4) PN1(nv1v2v3v4) +(R2L(n+1v1v2v3v4)+R1R(n+1v1v2v3v4))(R2R(n+2v1v2v3v4)+R1L(n+2v1v2v3v4)) FUNC PN3(nv1v2v3v4) PN2(nv1v2v3v4) +(R2L(n+2v1v2v3v4)+R1R(n+2v1v2v3v4))(R2R(n+3v1v2v3v4)+R1L(n+3v1v2v3v4)) FUNC PN4(nv1v2v3v4) PN3(nv1v2v3v4) +(R2L(n+3v1v2v3v4)+R1R(n+3v1v2v3v4))(R2R(n+4v1v2v3v4)+R1L(n+4v1v2v3v4)) FUNC PN5(nv1v2v3v4) PN4(nv1v2v3v4) +(R2L(n+4v1v2v3v4)+R1R(n+4v1v2v3v4))(R2R(n+5v1v2v3v4)+R1L(n+5v1v2v3v4)) FUNC PSUM(nv1v2v3v4) PN_5(nv1v2v3v4)+PN_4(nv1v2v3v4)+PN_3(nv1v2v3v4)+PN_2(nv1v2v3v4) ++PN_1(nv1v2v3v4)+1+PN1(nv1v2v3v4)+PN2(nv1v2v3v4)+PN3(nv1v2v3v4) ++PN4(nv1v2v3v4)+PN5(nv1v2v3v4)

59

caacutelculo da corrente da fonte para o dreno FUNC CUR(nv1v2v3v4) PN_5(nv1v2v3v4)(R1R(n-5v1v2v3v4)-R1L(n-5v1v2v3v4)) ++PN_4(nv1v2v3v4)(R1R(n-4v1v2v3v4)-R1L(n-4v1v2v3v4)) ++PN_3(nv1v2v3v4)(R1R(n-3v1v2v3v4)-R1L(n-3v1v2v3v4)) ++PN_2(nv1v2v3v4)(R1R(n-2v1v2v3v4)-R1L(n-2v1v2v3v4)) ++PN_1(nv1v2v3v4)(R1R(n-1v1v2v3v4)-R1L(n-1v1v2v3v4)) ++(R1R(nv1v2v3v4)-R1L(nv1v2v3v4)) ++PN1(nv1v2v3v4)(R1R(n+1v1v2v3v4)-R1L(n+1v1v2v3v4)) ++PN2(nv1v2v3v4)(R1R(n+2v1v2v3v4)-R1L(n+2v1v2v3v4)) ++PN3(nv1v2v3v4)(R1R(n+3v1v2v3v4)-R1L(n+3v1v2v3v4)) ++PN4(nv1v2v3v4)(R1R(n+4v1v2v3v4)-R1L(n+4v1v2v3v4)) ++PN5(nv1v2v3v4)(R1R(n+5v1v2v3v4)-R1L(n+5v1v2v3v4)) FUNC CURRENT(nv1v2v3v4) ECUR(nv1v2v3v4)(CSUMPSUM(nv1v2v3v4)(R1+R2)) caacutelculo da tensatildeo da ilha FUNC VOLT(nv1v2v3v4) PN_5(nv1v2v3v4)(n-5+Q(v1v2v3v4)) ++PN_4(nv1v2v3v4)(n-4+Q(v1v2v3v4)) ++PN_3(nv1v2v3v4)(n-3+Q(v1v2v3v4)) ++PN_2(nv1v2v3v4)(n-2+Q(v1v2v3v4)) ++PN_1(nv1v2v3v4)(n-1+Q(v1v2v3v4)) ++n+Q(v1v2v3v4) ++PN1(nv1v2v3v4)(n+1+Q(v1v2v3v4)) ++PN2(nv1v2v3v4)(n+2+Q(v1v2v3v4)) ++PN3(nv1v2v3v4)(n+3+Q(v1v2v3v4)) ++PN4(nv1v2v3v4)(n+4+Q(v1v2v3v4)) ++PN5(nv1v2v3v4)(n+5+Q(v1v2v3v4)) FUNC VOLTAGE(nv1v2v3v4) (ECSUM)VOLT(nv1v2v3v4)PSUM(nv1v2v3v4) E1 5 0 VALUE= VOLTAGE(N_OPT(V(1)V(2)V(3)V(4))V(1)V(2)V(3)V(4)) Tensatildeo da ilha G1 1 2 VALUE= CURRENT(N_OPT(V(1)V(2)V(3)V(4))V(1)V(2)V(3)V(4)) Corrente da fonte para o dreno CT1 1 5 C1 CT2 2 5 C2 CGATE1 3 5 CG1 CGATE2 4 5 CG2 ENDS SET

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16

Modelo de dimensatildeo zero as dimensotildees das ilhas satildeo despreziacuteveis

O evento de tunelamento eacute considerado instantacircneo

A redistribuiccedilatildeo das cargas apoacutes tunelamento tambeacutem eacute considerada instantacircnea

O espectro de energia em condutores e ilhas eacute considerado contiacutenuo ou seja a

quantizaccedilatildeo da energia do eleacutetron eacute ignorada dentro dos condutores

Apesar de a teoria ortodoxa assumir condiccedilotildees hipoteacuteticas ela continua sendo muito

utilizada em estudos do dispositivo mono-eleacutetron [4-6]

O efeito de carregamento ocorre quando os eleacutetrons estatildeo na iminecircncia de entrar em um

material condutor extremamente pequeno isolado eletricamente (ilha) Se houver um

eleacutetron na ilha o potencial eletrostaacutetico da ilha aumenta bastante sendo bem superior ao

ruiacutedo teacutermico em temperatura ambiente O fluxo de eleacutetrons na ilha eacute possiacutevel se o

potencial da ilha for controlado por uma fonte de tensatildeo externa Outros eleacutetrons satildeo

impedidos de entrar na ilha devido agrave repulsatildeo de Coulomb [14-9]

Assim o bloqueio de Coulomb ocorre quando um eleacutetron entra na ilha e impede o

tunelamento de outro eleacutetron nesta ilha No momento em que o eleacutetron entra na ilha a

energia eletrostaacutetica da ilha aumenta em Ce 22 em que CΣ eacute a soma das capacitacircncias

em torno da ilha [14] Dessa forma outro eleacutetron soacute conseguiraacute tunelar para dentro da ilha

se sua energia for maior que a energia eletrostaacutetica da ilha [6] A Figura 211 ilustra os

diagramas de energia no bloqueio de Coulomb e no caso de tunelamento [10]

(a) (b)

Figura 211 Diagramas de energia (a) Bloqueio de Coulomb (b) Tunelamento mono-

eleacutetron [10]

17

O bloqueio de Coulomb eacute superado ao se aplicar uma tensatildeo Vg ao circuito ateacute que esta

tensatildeo alcance um dado valor de limiar que forneceraacute energia suficiente para que ocorra o

tunelamento de um eleacutetron Assim haveraacute o fluxo de eleacutetrons havendo corrente A Figura

212 mostra a regiatildeo do bloqueio de Coulomb ao aplicar uma tensatildeo Vg ao circuito em que

Vc eacute a tensatildeo de limiar chamada de tensatildeo de bloqueio de Coulomb [5-10]

Figura 212 Caracteriacutestica do bloqueio de Coulomb [10]

Nesse contexto duas condiccedilotildees satildeo necessaacuterias para garantir que o transporte de eleacutetrons

seja controlado pelo efeito de carregamento a condiccedilatildeo para a resistecircncia de tunelamento

dada pela equaccedilatildeo (225) [1] em que a natureza corpuscular do eleacutetron predomina sobre a

natureza ondulatoacuteria e a energia eletrostaacutetica (EC) associada a uma dada temperatura (T)

deve ser significativamente maior que as flutuaccedilotildees teacutermicas existentes agravequela

temperatura como descrita na equaccedilatildeo (226) [146-9] Os paracircmetros h eacute a constante de

Planck e eacute a carga do eleacutetron kB eacute a constante de Boltzmann e C eacute capacitacircncia Na

equaccedilatildeo (226) a temperatura deve ser maior que 0K [10]

kRe

hR TT 825

2 (225)

TkC

eTkEc BB

2

2

(226)

A partir dos conceitos apresentados pode-se definir o transistor mono-eleacutetron O SET

ilustrado na Figura 213 [10] eacute composto por duas junccedilotildees-tuacutenel em seacuterie formando uma

ilha entre as junccedilotildees [246-9] Os paracircmetros R1 C1 e R2 C2 correspondem agraves

resistecircncias e capacitacircncias da primeira e da segunda junccedilatildeo-tuacutenel respectivamente A

tensatildeo de porta Vg controla a energia eletrostaacutetica da ilha atraveacutes da capacitacircncia Cg

18

Quando haacute carregamento por tunelamento de uma junccedilatildeo e descarregamento da outra

junccedilatildeo haacute um fluxo controlado de cargas o que gera a corrente I [10]

Figura 213 Transistor mono-eleacutetron [10]

Um efeito que pode ser observado na caracteriacutestica da corrente versus tensatildeo do transistor

mono-eleacutetron eacute chamado de oscilaccedilatildeo de Coulomb [24679] Se a tensatildeo V for mantida

constante com CeV e a tensatildeo Vg for aumentada ateacute atingir gg CeV 2 esse

valor de tensatildeo permitiraacute que um eleacutetron passe pela ilha Como soacute haveraacute corrente fluindo

no circuito em valores muacuteltiplos da tensatildeo gCe 2 soacute ocorreraacute o tunelamento novamente

quando )2(3 gg CeV A caracteriacutestica corrente (I) versus tensatildeo (Vg) do transistor

mono-eleacutetron eacute ilustrada na Figura 214 [10]

Figura 214 Caracteriacutestica corrente (I) versus tensatildeo (Vg) do transistor mono-eleacutetron [10]

222 Estrutura do inversor mono-eleacutetron

Um inversor pode ser construiacutedo colocando-se dois SETs em seacuterie os quais compartilham

da mesma entrada [5689] conforme mostrado na Figura 215 Vin eacute a tensatildeo de entrada

Vout eacute a tensatildeo de saiacuteda Vbias eacute a tensatildeo de polarizaccedilatildeo CC eacute a capacitacircncia de carga Cg1 e

Cg2 satildeo as capacitacircncias de porta do SET 1 e do SET 2 respectivamente

19

Figura 215 Esquemaacutetico do inversor utilizando SETs (modificado de [4])

Alguns modelos do SET desenvolvidos no software SPICE foram propostos na literatura

[4-7] Destes modelos o proposto por G Lientschnig et al [4] descreve a implementaccedilatildeo

completa da teoria ortodoxa e usa apenas os recursos em versotildees disponiacuteveis publicamente

do software SPICE Este modelo diferentemente dos modelos propostos em [5-7] natildeo estaacute

limitado a transistores mono-eleacutetron com junccedilotildees-tuacutenel que tecircm resistecircncias iguais Aleacutem

disso pode ser estendido para incluir um nuacutemero arbitraacuterio de estados de carga que

permite simulaccedilotildees definidas para altas temperaturas e tensotildees de polarizaccedilatildeo [4] O

modelo de G Lientschnig et al estaacute disponiacutevel no siacutetio eletrocircnico [44] Assim este foi o

modelo utilizado neste trabalho

23 CLOCKING DE SISTEMAS DE ALTA VELOCIDADE

Em sistemas digitais siacutencronos o sinal do clock eacute utilizado para definir uma referecircncia de

tempo agrave mudanccedila de dados dentro do sistema [1145] Assim a distribuiccedilatildeo do clock eacute de

suma importacircncia na operaccedilatildeo de circuitos integrados digitais sendo uma grande

preocupaccedilatildeo em circuitos integrados de alta velocidade [46-51] Circuitos em escala

nanomeacutetrica podem ser significativamente limitados devido ao clock skew que ocorre

quando os circuitos natildeo estatildeo equumlidistantes do sinal do clock [11454649-51] Como este

sinal eacute o sinal mais ativo em um chip pode resultar em elevado consumo de potecircncia e

grandes densidades de corrente na rede de interconexotildees do clock [454849]

Dessa forma o sinal do clock deve atingir ao mesmo tempo cada noacute para garantir que a

comutaccedilatildeo seja sincronizada bem como deve ser distribuiacutedo de forma que haja o menor

20

atraso possiacutevel [49] Com esse intuito os seguintes fatores entre outros satildeo fundamentais

no desempenho do clock dispositivos loacutegicos de tecnologia raacutepida (avanccedilada) rede de

distribuiccedilatildeo de clock que minimize o skew e interconexotildees com alto desempenho [11]

Conforme exposto anteriormente os dispositivos nanoeletrocircnicos como os transistores

mono-eleacutetron satildeo potencialmente aplicaacuteveis em circuitos integrados em escala giga (GSI)

e tera (TSI) Estes dispositivos permitem que as funccedilotildees loacutegicas sejam desempenhadas em

um tempo mais raacutepido e com menor atraso Assim satildeo fortes candidatos a serem utilizados

em circuitos integrados com clock

A adequada rede de distribuiccedilatildeo do clock assegura que a comutaccedilatildeo seja sincronizada e

que haja o menor atraso possiacutevel [1145] Aleacutem disso dependendo da arquitetura da rede o

niacutevel de sincronismo do sistema pode aumentar Diferentes tipos de abordagens tecircm sido

desenvolvidos para projetar a rede de distribuiccedilatildeo do clock em sistemas digitais de

circuitos integrados [45] Os buffered trees satildeo muito utilizados na distribuiccedilatildeo

equipotencial do clock Aleacutem dessas estruturas assimeacutetricas arquiteturas simeacutetricas como

o H-tree satildeo usadas para distribuir sinais de clock em alta velocidade podendo inclusive

ser projetadas com buffers [45-51] Algumas formas de rede de distribuiccedilatildeo do clock estatildeo

ilustradas na Figura 216 incluindo a trunk tree mesh e H-tree [45]

Figura 216 Estruturas comuns de redes de distribuiccedilatildeo de clock [45]

21

Atualmente as interconexotildees de cobre satildeo bastante utilizadas para circuitos de alto

desempenho como em redes de clock No entanto os CNTs apresentam caracteriacutesticas que

os tornam melhores para serem utilizados em interconexotildees descritas na subseccedilatildeo 221

[48] Neste trabalho seraacute realizada a comparaccedilatildeo entre interconexotildees de cobre e de CNT

na rede de distribuiccedilatildeo do H-tree clock

231 H-Tree Clock

O clock skew pode ser minimizado distribuindo-se o sinal do clock de forma que as

interconexotildees que levam o sinal aos circuitos loacutegicos tecircm o mesmo comprimento Se antes

de chegarem aos circuitos loacutegicos os sinais do clock forem igualmente atrasados eles

estaratildeo perfeitamente sincronizados [1145] Dessa forma o esquemaacutetico da Figura 217 de

distribuiccedilatildeo do clock minimiza o clock skew repetindo recursivamente uma estrutura em

forma de H [11] A Figura 217 ilustra uma rede H-tree simeacutetrica com trecircs niacuteveis [46]

Figura 217 Esquemaacutetico do H-tree clock simeacutetrico (modificado de [46])

Na estrutura do H-tree o condutor primaacuterio do clock estaacute ligado ao centro do H principal

(1ordm niacutevel) transmitindo o sinal para os quatro cantos deste H Esses quatro cantos satildeo as

entradas para o proacuteximo niacutevel do H-tree o 2ordm niacutevel que possui quatro estruturas em H O

processo de distribuiccedilatildeo continua por vaacuterios niacuteveis de H‟s cada vez menores Os pontos de

destino final do H-tree satildeo usados para conduzir os circuitos locais Assim cada caminho

do clock desde a fonte ateacute o circuito local possui praticamente o mesmo atraso [45]

22

24 MEDIDAS DE DESEMPENHO NA ANAacuteLISE DAS INTERCONEXOtildeES

As interconexotildees em circuitos integrados possuem caracteriacutesticas que modificam o sinal de

entrada O efeito das interconexotildees pode provocar atrasos e distorccedilotildees indesejaacuteveis Nesse

contexto eacute necessaacuterio analisar medidas de desempenho dos sinais sob efeito das

interconexotildees tais como velocidade maacutexima atenuaccedilatildeo tempo de atraso potecircncia

dissipada produto atraso-potecircncia e slew rate [111317202342]

241 Velocidade maacutexima - anaacutelise na frequumlecircncia

A velocidade maacutexima que as interconexotildees podem operar sem distorcer o sinal de entrada

eacute uma medida de desempenho importante [172023] Eacute possiacutevel analisar este paracircmetro

atraveacutes da frequumlecircncia maacutexima de operaccedilatildeo da interconexatildeo que eacute a largura de banda em

que o sinal comeccedila a decair em -3dB em relaccedilatildeo ao sinal de referecircncia [1742] Assim

utiliza-se a anaacutelise do moacutedulo do graacutefico de Bode para obter a frequumlecircncia de operaccedilatildeo em

-3dB [42] A Figura 218 mostra o esboccedilo do moacutedulo do ganho pela frequumlecircncia tiacutepico do

comportamento de interconexotildees

Figura 218 Graacutefico do moacutedulo do ganho pela frequumlecircncia tiacutepico do comportamento de

interconexotildees

23

242 Atenuaccedilatildeo

A transmissatildeo de um sinal pode ser expressa em funccedilatildeo do seu ganho ou da sua atenuaccedilatildeo

No caso em estudo as interconexotildees podem atenuar o sinal Essa atenuaccedilatildeo eacute geralmente

calculada pela expressatildeo (227) em que Vo eacute o sinal de saiacuteda e Vi eacute o sinal de entrada [42]

i

o

V

VA log20 (227)

243 Tempo de atraso

O tempo de atraso td ou atraso na propagaccedilatildeo ocorre devido ao

carregamentodescarregamento da capacitacircncia de carga bem como ao tempo de

chaveamento dos transistores [42]

O tempo de atraso eacute obtido pela diferenccedila entre o tempo medido a 50 da transiccedilatildeo dos

sinais de entrada e de saiacuteda [11] Em circuitos loacutegicos o atraso na propagaccedilatildeo pode ser

calculado pela meacutedia aritmeacutetica do tempo de propagaccedilatildeo do sinal de alto para baixo tPHL e

do tempo de propagaccedilatildeo do baixo para alto tPLH conforme equaccedilatildeo (228) [1142]

2

PLHPHLd

ttt

(228)

244 Potecircncia dissipada

A dissipaccedilatildeo de potecircncia eacute outra medida de desempenho bastante importante em circuitos

integrados em escala GSI e TSI Isso ocorre jaacute que ao aumentar o nuacutemero de portas

loacutegicas em uma determinada aacuterea ocupada eacute necessaacuterio que a dissipaccedilatildeo de potecircncia esteja

dentro de limites aceitaacuteveis [1142]

A dissipaccedilatildeo de potecircncia eacute composta por dois componentes potecircncia estaacutetica e potecircncia

dinacircmica A dissipaccedilatildeo de potecircncia estaacutetica eacute dada por IVP DDE e ocorre mesmo que

natildeo haja chaveamento de porta loacutegica no circuito devido ao efeito da resistecircncia do

circuito [42] A dissipaccedilatildeo de potecircncia dinacircmica eacute devido agrave capacitacircncia de carga do

24

circuito expressa por CVfP DDD 2 em que VDD eacute a tensatildeo de alimentaccedilatildeo f eacute

frequumlecircncia do circuito e C eacute a capacitacircncia de carga do circuito [1142] Assim a soma da

potecircncia dinacircmica e da potecircncia estaacutetica resulta na potecircncia total dissipada no circuito

245 Produto atraso-potecircncia

Em circuitos integrados o ideal eacute que se tenha baixo atraso na propagaccedilatildeo resultando em

uma maior velocidade de funcionamento do circuito bem como baixa dissipaccedilatildeo de

potecircncia No entanto essas duas exigecircncias satildeo conflitantes ao reduzirmos a dissipaccedilatildeo de

potecircncia de uma porta a capacidade da porta em fornecer corrente diminuiraacute isso

implicaraacute em um maior tempo de carga e descarga aumentando o atraso na propagaccedilatildeo

Assim o produto atraso-potecircncia (delay power product ndash DP) eacute uma medida de

desempenho bastante utilizada na anaacutelise de circuitos e eacute dado por dD tPDP Quanto

menor o produto atraso-potecircncia maior a eficiecircncia do circuito loacutegico [42]

246 Slew rate

A taxa maacutexima de variaccedilatildeo da tensatildeo de saiacuteda do inglecircs slew rate (SR) eacute uma

caracteriacutestica importante do sinal de saiacuteda de um circuito loacutegico A limitaccedilatildeo na taxa de

variaccedilatildeo pode provocar uma distorccedilatildeo no funcionamento do circuito O SR pode ser

calculado pela expressatildeo (229) em que Δv eacute a variaccedilatildeo da tensatildeo de saiacuteda do sinal para

uma determinada variaccedilatildeo de tempo Δt [42]

t

vSR

(229)

25 LTSPICE

O software LTSPICE eacute um simulador SPICE de alto desempenho orientado a

esquemaacuteticos e visualizador de formas de onda com modelos para facilitar a simulaccedilatildeo de

circuitos eletrocircnicos Se comparado aos outros simuladores SPICE a simulaccedilatildeo do

LTSPICE eacute bastante raacutepida O software consegue simular dispositivos de acordo com o

padratildeo industrial reproduzindo os seus comportamentos [52]

25

O LTSPICE possui vaacuterias possibilidades de simulaccedilatildeo como anaacutelise transiente anaacutelise AC

e anaacutelise DC bem como permite a simulaccedilatildeo de vaacuterios dispositivos disponiacuteveis na sua

biblioteca Aleacutem disso este software possibilita a elaboraccedilatildeo de novos esquemaacuteticos

atraveacutes de um modelo matemaacutetico ou eletrocircnico proposto O novo componente poderaacute ser

utilizado no circuito conforme seraacute feito neste trabalho utilizando-se o modelo SPICE do

SET proposto por G Lientschnig et al[4]

26

3 METODOLOGIA

31 INTRODUCcedilAtildeO

A miniaturizaccedilatildeo das interconexotildees prejudica o seu desempenho resultando no aumento

significativo do valor da resistividade da capacitacircncia de acoplamento entre vias na

dificuldade de controlar a razatildeo entre a altura e a largura do material entre outros

problemas A fim de analisar o desempenho das interconexotildees eacute necessaacuterio verificar

algumas variaacuteveis importantes como velocidade maacutexima (f-3dB) atenuaccedilatildeo (A) tempo de

atraso (td) potecircncia dissipada (P) produto atraso-potecircncia (DP) e slew rate (SR)

[111317202342]

32 ETAPAS E ESTRATEacuteGIAS ADOTADAS

Com o intuito de analisar o efeito das interconexotildees em circuitos com transistores mono-

eleacutetron foi realizada primeiramente a anaacutelise das interconexotildees de SWCNT de SWCNT

bundle e de cobre isoladamente para diferentes valores de comprimento Apoacutes a avaliaccedilatildeo

desses resultados o efeito das interconexotildees foi analisado no H-tree clock com inversores

mono-eleacutetron nos seus terminais tambeacutem considerando diferentes comprimentos Neste

trabalho a tecnologia de 22 nm prevista para o ano de 2016 [21] foi utilizada na

comparaccedilatildeo entre o desempenho do cobre e do CNT Todas as simulaccedilotildees foram realizadas

utilizando o software LTSPICE

321 Simulaccedilatildeo das interconexotildees

A partir dos modelos das interconexotildees de SWCNT SWCNT bundle e cobre apresentados

na subseccedilatildeo 213 diferentes comprimentos das interconexotildees foram simulados Assim

analisou-se as interconexotildees locais em que l le 1 μm e as intermediaacuterias em que 1 μm lt l

le 500 μm sabendo que l eacute o comprimento da interconexatildeo [29-31333638]

A fim de analisar a frequumlecircncia de corte este foi obtido para comprimentos de

interconexotildees locais (10nm 100nm 200nm 300nm 400nm 500nm 600nm 700nm

27

800nm 900nm 1μm) e interconexotildees intermediaacuterias (10μm 100μm 200μm 300μm

400μm 500μm)

Jaacute que λCNT eacute tipicamente 1 μm foram escolhidos trecircs comprimentos na faixa lCNT le λCNT

(10 nm 100 nm e 1 μm) e trecircs comprimentos na faixa lCNT gt λCNT (10 μm 100 μm 500

μm) para serem analisados detalhadamente Escolheu-se uma mesma frequecircncia abaixo da

frequecircncia de corte dos trecircs materiais considerados para analisar e comparar a atenuaccedilatildeo

(A) e o tempo de atraso na propagaccedilatildeo (td) dos diferentes comprimentos

Em seguida o mesmo procedimento foi feito para comparar somente o SWCNT bundle e o

cobre para uma mesma frequecircncia cujo valor eacute maior que a frequecircncia da anaacutelise anterior

permitindo que estes dois materiais sejam analisados detalhadamente

Essas anaacutelises foram realizadas a partir da simulaccedilatildeo do circuito da Figura 31 [2325] A

tensatildeo de entrada Vin eacute uma onda quadrada de 1V de amplitude e o capacitor de carga tem

o valor de 100 aF

Figura 31 ndash Circuito simulado para cada interconexatildeo

A Figura 32 mostra o fluxograma das etapas descritas nesta subseccedilatildeo 321

28

Figura 32 ndash Fluxograma das etapas seguidas na simulaccedilatildeo das interconexotildees

322 Simulaccedilatildeo do inversor mono-eleacutetron

Para utilizar a porta inversora da Figura 215 nos terminais do H-tree clock foi necessaacuterio

primeiramente simular o SET proposto por [4] Essa simulaccedilatildeo foi feita variando os

paracircmetros do SET como as resistecircncias e capacitacircncias das junccedilotildees as capacitacircncias de

porta a temperatura etc Os paracircmetros foram variados ateacute simular o SET a temperatura

de 300K Em seguida simulou-se a inversora da Figura 215 tambeacutem a temperatura

ambiente Dessa forma foi possiacutevel simular a inversora isoladamente obtendo as

caracteriacutesticas do sinal de saiacuteda

323 Simulaccedilatildeo do H-tree clock mono-eleacutetron

Apoacutes a simulaccedilatildeo do SET foi possiacutevel simular o H-tree clock A rede H-tree de dois niacuteveis

foi simulada com um H no primeiro niacutevel e quatro H‟s no segundo niacutevel [49] Nos pontos

de destino final da rede foram colocadas portas inversoras formadas por SETs permitindo

a anaacutelise de circuitos nanoeletrocircnicos

Modelos de SWCNT

SWCNT bundle e cobre

Obtenccedilatildeo dos paracircmetros dos modelos para

interconexotildees locais e interconexotildees intermediaacuterias

Para cada comprimento

obtenccedilatildeo de f-3dB

1ordm) Escolha de frequumlecircncia abaixo

da f-3dB do SWCNT SWCNT

bundle e cobre

2ordm) Escolha de frequumlecircncia abaixo

da f-3dB do SWCNT bundle e

cobre

Obtenccedilatildeo de A e td de

cada modelo

Obtenccedilatildeo de A e td de

cada modelo

Anaacutelise comparativa entre o

SWCNT SWCNT bundle e

cobre

Anaacutelise comparativa entre o

SWCNT bundle e cobre

Estudo de interconexotildees locais (10nm

100nm 1μm) e intermediaacuterias (10μm

100μm 500μm)

29

A partir da simulaccedilatildeo do H-tree clock obteve-se a frequecircncia em -3dB (f-3dB) da rede com

interconexotildees ideais Assim a rede H-tree foi entatildeo simulada para duas frequecircncias

diferentes do sinal de entrada abaixo da frequecircncia de -3dB 10 GHz e 100 GHz Com

essas simulaccedilotildees obtiveram-se as seguintes caracteriacutesticas do sinal de saiacuteda da inversora

niacutevel loacutegico baixo (NB) niacutevel loacutegico alto (NA) tempo de subida (tr) slew rate de subida

(SR) atenuaccedilatildeo (A) tempo de atraso (td) potecircncia dissipada (P) e produto atraso-potecircncia

(DP) As caracteriacutesticas obtidas servem como referecircncia para analisar o sinal considerando

interconexotildees natildeo-ideais ou seja incluindo os modelos das interconexotildees nas simulaccedilotildees

Em seguida a rede H-tree foi simulada considerando-se os modelos das interconexotildees de

SWCNT bundle e de cobre variando os seus comprimentos Como cada H da rede de

distribuiccedilatildeo deve ser simeacutetrico considerou-se que cada divisatildeo do H tem o mesmo

comprimento para cada niacutevel da rede [11] A Figura 33 mostra o comprimento dos

diferentes trechos da rede Assim o comprimento de cada divisatildeo dos H‟s do segundo

niacutevel eacute a metade do comprimento de cada divisatildeo do H do primeiro niacutevel Jaacute que o objetivo

eacute simular circuitos em escala nanomeacutetrica escolheu-se trecircs variaccedilotildees de comprimento

menores ou iguais a 1μm

l = 100 nm l2 = 50 nm

l = 400 nm l2 = 200 nm

l = 1 μm l2 = 500 nm

Figura 33 ndash Esquemaacutetico do H-tree clock com os comprimentos de cada seguimento

Dessa forma cada um dos trecircs circuitos foi simulado obtendo-se a frequecircncia em -3dB na

entrada das portas inversoras Em seguida as trecircs redes foram simuladas para as mesmas

30

duas frequumlecircncias do sinal de entrada (10 GHz e 100 GHz) de forma a obter as

caracteriacutesticas do sinal de saiacuteda descritas anteriormente considerando agora o efeito das

interconexotildees

Por fim a partir dos dados obtidos foram realizadas comparaccedilotildees entre as caracteriacutesticas

do sinal de saiacuteda de referecircncia (interconexotildees ideais) e o sinal de saiacuteda dos circuitos com as

interconexotildees natildeo-ideais bem como entre o comportamento das interconexotildees de SWCNT

bundle e de cobre nas diferentes frequecircncias

A Figura 34 mostra o fluxograma das etapas descritas nas subseccedilotildees 322 e 323

Figura 34 ndash Fluxograma das etapas seguidas na simulaccedilatildeo do H-tree clock

H-tree clock mono-eleacutetron

Simulaccedilatildeo do H-tree clock com

interconexotildees ideais Obtenccedilatildeo de f-3dB

da inversora

Simulaccedilatildeo do H-tree clock com

interconexotildees natildeo-ideais para os seguintes

comprimentos

l = 100 nm l2 = 50 nm

l = 400 nm l2 = 200 nm

l = 1 μm l2 = 500 nm

Validaccedilatildeo do SET e do

inversor mono-eleacutetron a

300K

Sinal de entrada a

10 GHz

Sinal de entrada a

100 GHz

Obtenccedilatildeo de NB

NA tr SR A td P e

DP do sinal de saiacuteda

da inversora

Obtenccedilatildeo de NB

NA tr SR A td P e

DP do sinal de saiacuteda

da inversora

Sinal de entrada a

10 GHz

Sinal de entrada a

100 GHz

Obtenccedilatildeo de NB

NA tr SR A td P e

DP do sinal de saiacuteda

da inversora

Obtenccedilatildeo de NB

NA tr SR A td P e

DP do sinal de saiacuteda

da inversora

Anaacutelise comparativa

dos dados obtidos

31

4 RESULTADOS E ANAacuteLISES

41 INTRODUCcedilAtildeO

Neste capiacutetulo seratildeo apresentados os procedimentos adotados e os resultados obtidos na

simulaccedilatildeo das interconexotildees SWCNT SWCNT bundle e cobre As etapas descritas na

metodologia foram seguidas obtendo-se os resultados das simulaccedilotildees das interconexotildees e

das simulaccedilotildees do H-tree clock mono-eleacutetron para interconexotildees ideais e natildeo-ideais A

partir dos resultados a anaacutelise do desempenho das interconexotildees seraacute apresentada

42 ANAacuteLISE DAS INTERCONEXOtildeES

Nesta seccedilatildeo a anaacutelise das interconexotildees de SWCNT SWCNT bundle e cobre na

tecnologia de 22 nm para diferentes comprimentos seraacute realizada Para isso analisou-se

as interconexotildees locais em que l le 1 μm e as intermediaacuterias em que 1 μm lt l le 500 μm

sabendo que l eacute o comprimento da interconexatildeo [29-31333638] Como λCNT eacute

tipicamente 1 μm trecircs comprimentos na faixa lCNT le λCNT (10 nm 100 nm e 1 μm) e trecircs

comprimentos na faixa lCNT gt λCNT (10 μm 100 μm 500 μm) de cada material seratildeo

analisados detalhadamente Os paracircmetros obtidos a partir dos modelos de SWCNT

SWCNT bundle e cobre estatildeo respectivamente nas Tabelas 71 72 e 73 do Apecircndice

421 Interconexotildees locais

Primeiramente a partir da simulaccedilatildeo da Figura 31 obteve-se a frequecircncia em -3dB (f-3dB)

das interconexotildees locais (lCNT le λCNT ) isto eacute a sua banda passante de forma a verificar a

velocidade maacutexima que cada interconexatildeo suporta A Figura 41 ilustra o comportamento

da frequecircncia das interconexotildees locais para os diferentes comprimentos Como o SWCNT

isolado possui valores de frequecircncia na faixa de centenas de giga Hertz ou seja menos de

um tera Hertz os valores de suas frequecircncias tambeacutem podem ser visualisados na Tabela

74 do Apecircndice

Verifica-se que agrave medida que o comprimento da interconexatildeo aumenta a frequecircncia

diminui Isso ocorre jaacute que os valores da capacitacircncia e indutacircncia aumentam com o

aumento do comprimento da interconexatildeo Esses paracircmetros satildeo decisivos no sinal de

32

saiacuteda sendo o sinal mais distorcido quanto maior for o valor desses paracircmetros Observa-

se que o SWCNT bundle e o cobre possuem banda passante maiores que o SWCNT

isolado para qualquer comprimento Aleacutem disso o SWCNT bundle soacute possui uma banda

passante comparaacutevel ao do cobre para comprimentos acima de 700 nm

Frequecircncia X Comprimento

0

10

20

30

40

50

60

100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

Comprimento (nm)

f -3d

B (

TH

z)

SWCNT Isolado

SWCNT bundle

Cobre

Figura 41 ndash Frequumlecircncia versus comprimento das interconexotildees locais

As interconexotildees locais de 10 nm 100 nm e 1 μm de comprimento foram analisadas

detalhadamente A Tabela 41 mostra a frequecircncia em -3dB de cada material para os

comprimentos em anaacutelise

Tabela 41 Frequecircncia em -3dB de cada material para lCNT le λCNT

Interconexatildeo Local Comprimento (L) Material f-3dB

SWCNT isolado 253 GHz

10nm SWCNT bundle 66 THz

Cobre 232 THz

SWCNT isolado 300 GHz

lCNT le λCNT 100nm SWCNT bundle 20 THz

Cobre 51 THz

SWCNT isolado 230 GHz

1microm SWCNT bundle 47 THz

Cobre 42 THz

Assim escolheu-se uma mesma frequecircncia abaixo da frequecircncia de corte dos trecircs

materiais considerados para analisar e comparar a atenuaccedilatildeo (A) e o tempo de atraso na

propagaccedilatildeo (td) dos trecircs comprimentos Isso permite verificar o comportamento do sinal na

banda passante A Tabela 42 mostra esse estudo comparativo entre o SWCNT isolado

SWCNT bundle e cobre agrave frequecircncia de 200 GHz

33

Tabela 42 Estudo das interconexotildees com comprimentos na faixa lCNT le λCNT

Freq L Material A (dB) td (ps)

SWCNT isolado -210 046

10nm SWCNT bundle 001 000

Cobre 000 000

SWCNT isolado -155 051

200 GHz 100nm SWCNT bundle 001 000

Cobre 001 000

SWCNT isolado -039 107

1microm SWCNT bundle 006 001

Cobre 000 007

A partir da anaacutelise da Tabela 42 eacute possiacutevel observar agrave frequumlecircncia de 200 GHz a

atenuaccedilatildeo do sinal e o atraso do SWCNT isolado Nessa frequumlecircncia o atraso do SWCNT

isolado eacute significativo em relaccedilatildeo ao periacuteodo do sinal que eacute 5ps jaacute que o menor atraso

(para l = 10nm) eacute aproximadamente 10 do periacuteodo do sinal de entrada No entanto para

esta mesma frequumlecircncia observa-se que a atenuaccedilatildeo e o atraso do SWCNT bundle e do

cobre satildeo insignificantes Isto indica que estes dois materiais possuem melhor

desempenho sendo favoraacuteveis para serem utilizados em interconexotildees locais

Dessa forma para analisar melhor a atenuaccedilatildeo e o tempo de atraso do SWCNT bundle e do

cobre o mesmo procedimento foi feito comparando-se somente estes dois materiais para

uma mesma frequecircncia de 1 THz A Tabela 43 mostra esse estudo comparativo entre o

SWCNT bundle e cobre

Tabela 43 Estudo das interconexotildees SWCNT bundle e cobre com comprimentos na faixa

lCNT le λCNT

Freq L Material A (dB) td (fs)

10nm SWCNT bundle 001 113

Cobre 000 022

1 THz 100nm SWCNT bundle 006 136

Cobre 001 240

1microm SWCNT bundle 145 647

Cobre -013 5623

Analisando a Tabela 43 observa-se que agrave frequumlecircncia de 1 THz a atenuaccedilatildeo do sinal e o

atraso aumentam agrave medida que o comprimento das interconexotildees aumentam A partir do

comprimento de 100nm o tempo de atraso da interconexatildeo de cobre eacute maior que o do

SWCNT bundle cujo maior valor de atraso (para l = 1microm) natildeo chega a 1 do periacuteodo do

34

sinal de entrada (1ps) Isso mostra que apesar de a banda passante do cobre ser maior o

atraso do SWCNT bundle eacute menor Dessa forma para as interconexotildees locais o SWCNT

bundle possui desempenho comparaacutevel ao do cobre [13]

Em relaccedilatildeo agrave atenuaccedilatildeo verifica-se que para alguns comprimentos este tem valor

positivo Isso ocorre principalmente quando haacute um pico no graacutefico da frequumlecircncia antes dele

comeccedilar a decair Esse pico eacute devido ao efeito ressonante provocado pela indutacircncia

quando este possui valor comparaacutevel agrave resistecircncia e agrave capacitacircncia da interconexatildeo [53]

Assim esse efeito ressonante foi observado somente nas interconexotildees locais de SWCNT

bundle e de cobre A Figura 42 ilustra o graacutefico da magnitude pela frequumlecircncia do SWCNT

isolado SWCNT bundle e cobre para o comprimento de 100nm Observa-se o efeito

ressonante nos graacuteficos do SWCNT bundle e do cobre

Figura 42 ndash Graacuteficos da magnitude das interconexotildees de SWCNT isolado (superior)

SWCNT bundle (meio) e cobre (inferior) com comprimento de 100nm

35

422 Interconexotildees intermediaacuterias

Assim como para as interconexotildees locais obteve-se a frequecircncia em -3dB (f-3dB) das

interconexotildees intermediaacuterias (lCNT gt λCNT) de forma a verificar a velocidade maacutexima que

cada interconexatildeo suporta A Figura 43 ilustra o comportamento da frequecircncia das

interconexotildees intermediaacuterias para os diferentes comprimentos Os valores das frequecircncias

de cada interconexatildeo tambeacutem podem ser visualisados na Tabela 75 do Apecircndice

Como nas interconexotildees locais agrave medida que o comprimento da interconexatildeo aumenta a

frequecircncia diminui Aleacutem disso o SWCNT bundle e o cobre possuem desempenho melhor

que o do SWCNT isolado para qualquer comprimento No entanto para interconexotildees

intermediaacuterias o SWCNT bundle possui banda passante maior que a do cobre para

qualquer comprimento

Frequecircncia X Comprimento

00

05

10

15

20

25

30

35

40

45

100 200 300 400 500

Comprimento (μm)

f -3d

B (

GH

z)

SWCNT isolado

SWCNT bundle

Cobre

Figura 43 ndash Frequumlecircncia versus comprimento das interconexotildees intermediaacuterias

As interconexotildees intermediaacuterias de 10 μm 100 μm e 500 μm de comprimento foram entatildeo

analisadas detalhadamente A Tabela 44 mostra a frequecircncia em -3dB de cada materal

para os diferentes comprimentos em anaacutelise

36

Tabela 44 Frequecircncia em -3dB de cada material para lCNT gt λCNT

Interconexatildeo

Intermediaacuteria

Comprimento (L) Material f-3dB

SWCNT isolado 26 GHz

10 microm SWCNT bundle 527 GHz

Cobre 34 GHz

SWCNT isolado 32 MHz

lCNT gt λCNT 100 microm SWCNT bundle 42 GHz

Cobre 345 MHz

SWCNT isolado 13 MHz

500 microm SWCNT bundle 165 MHz

Cobre 14 MHz

Escolheu-se a frequecircncia de 1 MHz que estaacute abaixo da frequecircncia de corte dos trecircs

materiais considerados para analisar e comparar a atenuaccedilatildeo (A) e o tempo de atraso na

propagaccedilatildeo (td) dos trecircs comprimentos A Tabela 45 mostra esse estudo comparativo entre

o SWCNT isolado SWCNT bundle e cobre

Tabela 45 Estudo das interconexotildees com comprimentos na faixa lCNT gt λCNT

Freq L Material A (dB) td (ns)

SWCNT isolado -002 008

10 microm SWCNT bundle 000 000

Cobre 000 000

SWCNT isolado -003 559

1 MHz 100 microm SWCNT bundle -001 005

Cobre -004 056

SWCNT isolado -198 10217

500 microm SWCNT bundle 000 110

Cobre -003 1301

Com base na Tabela 45 observa-se que a atenuaccedilatildeo e o tempo de atraso do SWCNT

isolado aumentam com o aumento do comprimento da interconexatildeo Nessa frequumlecircncia o

atraso na propagaccedilatildeo do SWCNT isolado eacute significativo em relaccedilatildeo ao periacuteodo do sinal de

entrada que eacute 1micros chegando a mais de 10 deste periacuteodo para o comprimento de 500microm

Verifica-se tambeacutem o aumento do tempo de atraso da interconexatildeo de cobre sendo 13

do periacuteodo do sinal de entrada para o comprimento de 500microm

Para analisar melhor a atenuaccedilatildeo e o tempo de atraso do SWCNT bundle e do cobre o

mesmo procedimento foi feito comparando-se somente estes dois materiais para uma

37

mesma frequecircncia de 10 MHz A Tabela 46 mostra esse estudo comparativo entre o

SWCNT bundle e cobre

Tabela 46 Estudo das interconexotildees SWCNT bundle e cobre com comprimentos na faixa

lCNT gt λCNT

Freq L Material A (dB) td (ns)

10 microm SWCNT bundle 000 000

Cobre 000 000

10 MHz 100 microm SWCNT bundle -001 005

Cobre -004 054

500 microm SWCNT bundle -004 107

Cobre -185 1024

Analisando a Tabela 46 observa-se que agrave medida que o comprimento das interconexotildees

aumenta a atenuaccedilatildeo e o atraso do sinal da interconexatildeo de cobre tornam-se significativos

O atraso na propagaccedilatildeo da interconexatildeo de cobre para l = 500microm chega a 10 do periacuteodo

do sinal de entrada (100ns) Jaacute o SWCNT bundle apresenta valores insignificantes de

atenuaccedilatildeo e atraso na propagaccedilatildeo Assim para as interconexotildees intermediaacuterias o SWCNT

bundle possui desempenho superior ao do cobre

43 SIMULACcedilAtildeO DO INVERSOR MONO-ELEacuteTRON

O modelo SPICE do SET proposto por G Lientschnig et al [444] foi simulado no

LTSPICE A partir da equaccedilatildeo (226) foi possiacutevel aumentar a temperatura do SET ateacute

chegar a 300K Assim o esquemaacutetico do SET e os valores de seus paracircmetros para que o

SET opere a 300K estatildeo na Figura 44 No anexo deste trabalho (subseccedilatildeo 81) encontra-

se o coacutedigo SET que foi utilizado [44] Os paracircmetros R1 C1 e R2 C2 correspondem agraves

resistecircncias e capacitacircncias das junccedilotildees-tuacutenel Cg eacute a capacitacircncia de porta (Cg1 no coacutedigo

SET) Vg eacute a tensatildeo de porta e V eacute a tensatildeo de entrada

Figura 44 Esquemaacutetico do SET e os valores de seus paracircmetros

38

A partir destes valores o inversor mono-eleacutetron foi construiacutedo colocando-se dois SETs em

seacuterie os quais compartilham da mesma entrada A Figura 45 ilustra o esquemaacutetico do

inversor mono-eleacutetron juntamente com os valores de seus paracircmetros fixos em que Vin eacute a

tensatildeo de entrada Vout eacute a tensatildeo de saiacuteda Vbias eacute a tensatildeo de polarizaccedilatildeo Cc eacute a

capacitacircncia de carga Cg1 e Cg2 satildeo as capacitacircncias de porta do SET 1 e do SET 2

respectivamente

Figura 45 Esquemaacutetico do inversor mono-eleacutetron e os valores de seus paracircmetros

(modificado de [4])

Assim apoacutes simular o inversor mono-eleacutetron a 300K obteve-se o sinal de saiacuteda mostrado

na Figura 46 Como o inversor estaacute invertendo o sinal de entrada de valor loacutegico baixo em

um sinal de saiacuteda de valor loacutegico alto ele estaacute operando corretamente

Figura 46 Curva do sinal de entrada (em verde) e do sinal de saiacuteda (em preto) do inversor

mono-eleacutetron

39

44 ANAacuteLISE DAS INTERCONEXOtildeES NO H-TREE CLOCK MONO-ELEacuteTRON

Nesta seccedilatildeo a rede H-tree clock de dois niacuteveis foi simulada com portas inversoras mono-

eleacutetron nos pontos de destino final da rede permitindo a anaacutelise de circuitos

nanoeletrocircnicos Simulou-se a rede H-tree considerando interconexotildees ideais para as

frequecircncias de 10 GHz e 100 GHz no sinal de entrada Em seguida para as mesmas duas

frequecircncias considerou-se interconexotildees natildeo-ideais de diferentes comprimentos

analisando a rede com os modelos de interconexatildeo SWCNT bundle e cobre Trecircs redes

com comprimentos de interconexotildees diferentes foram analisadas

l = 100 nm l2 = 50 nm

l = 400 nm l2 = 200 nm

l = 1 μm l2 = 500 nm

441 Anaacutelise da rede com interconexotildees ideais

A partir da simulaccedilatildeo do H-tree clock a frequecircncia em -3dB (f-3dB) da rede com

interconexotildees ideais foi obtida Na saiacuteda de cada porta inversora a banda passante do sinal

eacute 3200 GHz Dessa forma duas frequecircncias abaixo de 3200 GHz foram escolhidas para

analisar o sinal de saiacuteda da inversora em condiccedilotildees ideais As frequecircncias de 10 GHz e

100 GHz seratildeo analisadas obtendo-se as seguintes caracteriacutesticas do sinal de saiacuteda da

inversora niacutevel loacutegico baixo (NB) niacutevel loacutegico alto (NA) tempo de subida (tr) slew rate

de subida (SR) atenuaccedilatildeo (A) e tempo de atraso (td) A Tabela 47 mostra os valores

obtidos para as duas frequecircncias em anaacutelise

Tabela 47 Caracteriacutesticas dos sinais de saiacuteda da rede para interconexotildees ideais

Freq NB(mV) NA(mV) tr (ps) SR(Vns) A(dB) td (ps)

10 GHz 675 4518 356 8636 -264 412

100 GHz 678 4279 317 9088 -269 189

Os caacutelculos da potecircncia estaacutetica ( IVP DDE ) potecircncia dinacircmica ( CVfP DDD 2 ) e

potecircncia total ( DE PPP ) dissipada por cada porta inversora foram realizados bem

como o produto atraso-potecircncia (DP) Assim a Tabela 48 mostra os valores obtidos no

40

caacutelculo destes paracircmetros Como a potecircncia estaacutetica independe da frequecircncia do sinal de

entrada o seu valor eacute o mesmo nos dois casos

Tabela 48 Potecircncia dissipada por cada porta inversora para interconexotildees ideais

Frequecircncia PE (nW) PD (nW) P (nW) DP (10-18

Wmiddots)

10 GHz 4838 125 4963 020

100 GHz 4838 125 6088 012

As Tabelas 47 e 48 serviratildeo de referecircncia para as anaacutelises da rede com interconexotildees natildeo-

ideais analisadas na subseccedilatildeo seguinte As Figuras 47 e 48 ilustram o sinal de saiacuteda das

redes com frequecircncias de 10 GHz e de 100 GHz respectivamente Eacute possiacutevel observar que

na frequecircncia de 100 GHz o sinal de saiacuteda jaacute eacute distorcido em relaccedilatildeo ao sinal de referecircncia

(Figura 46)

Figura 47 Sinal de entrada (em verde) e sinal de saiacuteda (em preto) da rede a 10 GHz

Figura 48 Sinal de entrada (em verde) e sinal de saiacuteda (em preto) da rede a 100 GHz

41

442 Anaacutelise da rede com interconexotildees natildeo-ideais

Apoacutes obter as caracteriacutesticas da rede H-tree clock com interconexotildees ideais a anaacutelise da

rede com interconexotildees natildeo-ideais seraacute feita Primeiramente eacute importante verificar a

frequecircncia em -3dB do sinal depois das interconexotildees ou seja na entrada da porta

inversora Caso essa frequecircncia seja menor que a frequecircncia de 3200 GHz obtida com

interconexotildees ideais entatildeo a interconexatildeo afetaraacute o comportamento da rede A Tabela 49

mostra a frequecircncia em -3dB na entrada da inversora para interconexotildees natildeo-ideais

Tabela 49 Frequecircncia em -3dB na entrada da inversora para interconexotildees natildeo-ideais

Comprimentos (l2 l) Material f-3dB

50nm 100nm SWCNT bundle 122 THz

Cobre 175 THz

200nm 400nm SWCNT bundle 31 THz

Cobre 8606 GHz

500nm 1microm SWCNT bundle 12 THz

Cobre 1268 GHz

Assim verifica-se que a interconexatildeo de cobre da rede 500nm1microm possui frequecircncia em

-3dB abaixo da frequecircncia do circuito com interconexatildeo ideal (3200 GHz) Isso indica que

esta interconexatildeo interfere significativamente no comportamento da rede A Tabela 49

mostra tambeacutem que a banda passante da interconexatildeo de cobre soacute eacute maior que a da

interconexatildeo de SWCNT bundle no primeiro caso na rede de 50nm100nm o que mostra

uma vantagem do SWCNT bundle em relaccedilatildeo ao cobre A partir dessas informaccedilotildees a

rede H-tree clock com interconexotildees natildeo-ideais seraacute analisada detalhadamente

4421 Anaacutelise da rede a 10 GHz

As redes com interconexotildees natildeo-ideais seratildeo analisadas na frequecircncia de 10 GHz para

diferentes comprimentos Primeiramente o niacutevel loacutegico baixo (NB) o niacutevel loacutegico alto

(NA) o tempo de subida (tr) e o slew rate de subida (SR) foram obtidos conforme mostra a

Tabela 410 Com base nessa tabela verifica-se que na frequecircncia de 10 GHz essas

caracteriacutesticas natildeo foram modificadas pelas interconexotildees natildeo-ideais independentemente

do comprimento Os valores dos paracircmetros satildeo iguais aos obtidos na rede com

interconexatildeo ideal conforme Tabela 47 O sinal obtido na saiacuteda de cada inversor eacute igual

ao ilustrado na Figura 47

42

Tabela 410 Niacuteveis loacutegicos tempo de subida e slew rate dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 10 GHz

Freq L (l2l) Material NB(mV) NA(mV) tr(ps) SR(Vns)

10

GHz

50nm

100nm

SWCNT bundle 675 4518 356 8636

Cobre 675 4518 356 8636

200nm

400nm

SWCNT bundle 675 4518 356 8636

Cobre 675 4518 356 8636

500nm

1microm

SWCNT bundle 675 4518 356 8636

Cobre 675 4518 356 8636

A Tabela 411 mostra a atenuaccedilatildeo tempo de atraso potecircncia total dissipada e o produto

atraso-potecircncia obtidos a frequecircncia de 10 GHz para interconexotildees natildeo-ideais Observa-se

que a atenuaccedilatildeo do sinal e a potecircncia total dissipada por cada porta inversora permanecem

os mesmos em relaccedilatildeo agrave interconexatildeo ideal mostrando que a essa frequecircncia as

interconexotildees natildeo-ideais natildeo interferem nestes paracircmetros

Jaacute o atraso na propagaccedilatildeo do sinal no caso do cobre aumenta agrave medida que as

interconexotildees aumentam de comprimento aumentando tambeacutem o produto atraso-potecircncia

Esse atraso chega a 66 do periacuteodo do sinal de entrada para a interconexatildeo 500nm1microm

de cobre No entanto estes paracircmetros natildeo satildeo afetados pelas interconexotildees de SWCNT

bundle indicando que este material se sobressai em relaccedilatildeo ao cobre

Tabela 411 Atenuaccedilatildeo atraso potecircncia e produto atraso-potecircncia dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 10 GHz

Freq L (l2l) Material A (dB) td (ps) P (nW) DP(10-18

Wmiddots)

10

GHz

50nm

100nm

SWCNT bundle -264 412 4963 020

Cobre -264 412 4963 020

200nm

400nm

SWCNT bundle -264 412 4963 020

Cobre -264 438 4963 022

500nm

1microm

SWCNT bundle -264 412 4963 020

Cobre -264 659 4963 033

4422 Anaacutelise da rede a 100 GHz

As redes com interconexotildees natildeo-ideais seratildeo analisadas na frequecircncia de 100 GHz para

diferentes comprimentos O niacutevel loacutegico baixo (NB) o niacutevel loacutegico alto (NA) o tempo de

subida (tr) e o slew rate de subida (SR) foram obtidos conforme mostra a Tabela 412 Jaacute a

43

Tabela 413 mostra a atenuaccedilatildeo tempo de atraso potecircncia total dissipada e o produto

atraso-potecircncia obtidos a frequecircncia de 100 GHz para interconexotildees natildeo-ideais

Tabela 412 Niacuteveis loacutegicos tempo de subida e slew rate dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 100 GHz

Freq L (l2l) Material NB(mV) NA(mV) tr(ps) SR(Vns)

100

GHz

50nm

100nm

SWCNT bundle 678 4272 316 9099

Cobre 675 4277 323 9107

200nm

400nm

SWCNT bundle 678 4299 315 9196

Cobre 677 4089 289 9447

500nm

1microm

SWCNT bundle 678 4418 300 9973

Cobre 635 1766 102 6795

Tabela 413 Atenuaccedilatildeo atraso potecircncia e produto atraso-potecircncia dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 100 GHz

Freq L (l2l) Material A (dB) td (ps) P (nW) DP(10-18

Wmiddots)

100

GHz

50nm

100nm

SWCNT bundle -2703 189 6088 012

Cobre -2685 191 6088 012

200nm

400nm

SWCNT bundle -2693 188 6088 012

Cobre -2698 228 6088 014

500nm

1microm

SWCNT bundle -2673 174 6088 011

Cobre -2893 388 6088 024

A partir das Tabelas 412 e 413 o SWCNT bundle seraacute analisado Observa-se que os seus

niacuteveis loacutegicos altos aumentam com o aumento do comprimento das interconexotildees

aumentando tambeacutem o slew rate de subida Esse comportamento ocorre provavelmente

devido ao efeito ressonante provocado pela indutacircncia que provoca um pico no graacutefico da

frequumlecircncia antes dele comeccedilar a decair conforme explicado na subseccedilatildeo 421 Isso implica

na diminuiccedilatildeo da atenuaccedilatildeo do sinal e do atraso No entanto o produto atraso-potecircncia

permanece praticamente invariaacutevel jaacute que a potecircncia total dissipada natildeo se altera

Em relaccedilatildeo agraves interconexotildees de cobre verifica-se que as distorccedilotildees satildeo significativas Agrave

medida que o comprimento aumenta a atenuaccedilatildeo do sinal de saiacuteda aumenta Isso provoca

diminuiccedilatildeo no slew rate do sinal o que natildeo eacute desejado jaacute que o sinal demora mais para

atingir o niacutevel loacutegico alto Aleacutem disso o atraso na propagaccedilatildeo do sinal aumenta bastante

chegando a 388 do periacuteodo do sinal de entrada para a interconexatildeo 500nm1microm

Consequentemente o produto atraso-potecircncia tambeacutem aumenta sendo o dobro do valor de

44

referecircncia (interconexotildees ideais) A Figura 49 ilustra o sinal de saiacuteda da interconexatildeo

500nm1microm de cobre

Figura 49 Sinal de entrada (em verde) e sinal de saiacuteda (em preto) da rede a 100 GHz para

a interconexatildeo 500nm1microm de cobre

Comparando-se as potecircncias das tabelas 47 48 411 413 verifica-se que natildeo haacute

alteraccedilatildeo na potecircncia total dissipada pelo circuito com interconexotildees ideais e pelos

circuitos com interconexotildees natildeo-ideais para uma mesma frequecircncia Assim eacute importante

destacar que a dissipaccedilatildeo de potecircncia das interconexotildees de SWCNT bundle e de cobre natildeo

interfere na potecircncia total dissipada pelo circuito

443 Consideraccedilotildees Finais

Apoacutes analisar as interconexotildees locais de SWCNT de SWCNT bundle e de cobre

verificou-se que as interconexotildees de SWCNT bundle possuem desempenho comparaacutevel ao

das interconexotildees de cobre Em relaccedilatildeo agraves interconexotildees intermediaacuterias as de SWCNT

bundle apresentam desempenho superior agraves de cobre Jaacute as interconexotildees de SWCNT

isolado tanto para interconexotildees locais como para interconexotildees intermediaacuterias

apresentam desempenho inferior agraves interconexotildees de SWCNT bundle e de cobre natildeo

sendo propiacutecias a serem utilizadas em interconexotildees de circuitos integrados

Na anaacutelise das interconexotildees natildeo-ideais na rede H-tree clock mono-eleacutetron para a

frequecircncia de 10GHz observou-se que o niacutevel loacutegico baixo o niacutevel loacutegico alto o tempo de

subida o slew rate de subida a atenuaccedilatildeo do sinal e a potecircncia total dissipada por cada

porta inversora permanecem os mesmos em relaccedilatildeo agrave interconexatildeo ideal mostrando que

45

para esta frequecircncia as interconexotildees natildeo-ideais natildeo interferem nestes paracircmetros Jaacute o

atraso na propagaccedilatildeo do sinal no caso do cobre aumenta agrave medida que as interconexotildees

aumentam de comprimento aumentando tambeacutem o produto atraso-potecircncia No entanto

estes paracircmetros natildeo satildeo afetados pelas interconexotildees de SWCNT bundle indicando que

este material se sobressai em relaccedilatildeo ao cobre

Jaacute para a rede H-tree clock mono-eleacutetron a 100GHz observou-se que o circuito com

interconexotildees natildeo-ideais afetou bastante os paracircmetros em anaacutelise se comparados aos

obtidos para interconexotildees ideais Verificou-se que as distorccedilotildees provocadas pelas

interconexotildees de cobre foram significativas indicando que as interconexotildees de SWCNT

bundle possuem melhor desempenho que as de cobre

Assim constata-se que as interconexotildees de SWCNT bundle satildeo fortes candidatas a

substituirem as interconexotildees de cobre em circuitos em escala giga (GSI) e tera (TSI)

46

5 CONCLUSOtildeES

Nesta dissertaccedilatildeo o estudo das interconexotildees de SWCNT de SWCNT bundle e de cobre

foi realizado analisando e comparando os seus desempenhos para diferentes

comprimentos A partir desse estudo verificou-se que as interconexotildees de SWCNT bundle

possui desempenho comparaacutevel ao das interconexotildees de cobre no caso de interconexotildees

locais Em relaccedilatildeo agraves interconexotildees intermediaacuterias as de SWCNT bundle apresentam

desempenho superior agraves de cobre

As interconexotildees de SWCNT bundle e as interconexotildees de cobre foram entatildeo simuladas na

rede H-tree clock de dois niacuteveis para diferentes comprimentos e frequecircncias Nos pontos

de destino final da rede foram colocadas portas inversoras formadas por SETs permitindo

a anaacutelise de circuitos nanoeletrocircnicos

A partir da anaacutelise da rede H-tree clock observou-se que as interconexotildees de SWCNT

bundle possuem desempenho melhor que as de cobre principalmente em relaccedilatildeo ao slew

rate agrave atenuaccedilatildeo ao tempo de atraso e ao produto atraso-potecircncia Aleacutem disso a

dissipaccedilatildeo de potecircncia das interconexotildees natildeo-ideais natildeo interferem na potecircncia total

dissipada pelo circuito Assim as interconexotildees de SWCNT bundle satildeo fortes candidatas a

substituirem as interconexotildees de cobre em circuitos em escala giga (GSI) e tera (TSI)

Como perspectivas futuras eacute importante analisar o efeito das interconexotildees de nanotubo de

carbono em circuitos GSI e TSI com outras arquiteturas A anaacutelise das interconexotildees de

CNT tambeacutem deve ser feita em circuitos com tecnologia MOS permitindo a comparaccedilatildeo

entre diferentes tecnologias Aleacutem disso eacute interessante estudar outros tipos de materiais

que possam ser utilizados como interconexotildees em circuitos integrados

47

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53

7 APEcircNDICES

71 TABELAS COMPLEMENTARES

Tabela 71 Paracircmetros obtidos a partir do modelo de SWCNT isolado

L RQ (Ω) RS (Ω) LCNT (10-9

H) CCNT (10-18

F)

10 nm 645103 - 40010

-2 27910

-1

100 nm 645103 - 40010

-1 279

200 nm 645103 - 80010

-1 558

300 nm 645103 - 120 837

400 nm 645103 - 160 11210

1

500 nm 645103 - 200 14010

1

600 nm 645103 - 240 16710

1

700 nm 645103 - 280 19510

1

800 nm 645103 - 320 22310

1

900 nm 645103 - 360 25110

1

1 microm 645103 - 400 27910

1

10 microm 645103 64510

4 40010

1 27910

2

100 microm 645103 64510

5 40010

2 27910

3

200 microm 645103 12910

6 80010

2 55810

3

300 microm 645103 19410

6 12010

3 83710

3

400 microm

645103 25810

6 16010

3 11210

4

500 microm

645103 32310

6 20010

3 14010

4

Tabela 72 Paracircmetros obtidos a partir do modelo de SWCNT bundle

L RQ (Ω) RS (Ω) LBundle(10-9

H) CBundle(10-18

F)

10 nm 1075 - 66710-5

135

100 nm 1075 - 66710-4

135101

200 nm 1075 - 13310-3

270101

300 nm 1075 - 20010-3

405101

400 nm 1075 - 26710-3

540101

500 nm 1075 - 33310-3

675101

600 nm 1075 - 40010-3

810101

700 nm 1075 - 46710-3

945101

800 nm 1075 - 53310-3

108102

900 nm 1075 - 60010-3

122102

1 microm 1075 - 66710-3

135102

10 microm 1075 108102 66710

-2 13510

3

100 microm 1075 108103 66710

-1 13510

4

200 microm 1075 215103 133 27010

4

300 microm 1075 323103 200 40510

4

400 microm

1075 430103 267 54010

4

500 microm

1075 538103 333 67510

4

54

Tabela 73 Paracircmetros obtidos a partir do modelo de cobre

L RCu (Ω) LCu (10-9

H) CCu (10-18

F)

10 nm 06 37310-6

150

100 nm 60 63610-5

150101

200 nm 120 17510-4

300101

300 nm 180 30910-4

450101

400 nm 240 45410-4

600101

500 nm 300 61110-4

750101

600 nm 360 77510-4

900101

700 nm 420 94610-4

105102

800 nm 480 11210-3

120102

900 nm 540 13110-3

135102

1 microm 600 14910-3

150102

10 microm 60102 24010

-2 15010

3

100 microm 60103 33210

-1 15010

4

200 microm 12104 72010

-1 30010

4

300 microm 18104 113 45010

4

400 microm

24104 155 60010

4

500 microm

30104 198 75010

4

55

Tabela 74 Frequecircncia em -3dB das interconexotildees locais

Comprimento Material f-3dB

10 nm SWCNT isolado 253 GHz

SWCNT bundle 66 THz

Cobre 232 THz

100 nm SWCNT isolado 300 GHz

SWCNT bundle 20 THz

Cobre 51 THz

200 nm SWCNT isolado 342 GHz

SWCNT bundle 14 THz

Cobre 29 THz

300 nm SWCNT isolado 344 GHz

SWCNT bundle 11 THz

Cobre 20 THz

400 nm SWCNT isolado 329 GHz

SWCNT bundle 89 THz

Cobre 15 THz

500 nm SWCNT isolado 307 GHz

SWCNT bundle 76 THz

Cobre 12 THz

600 nm SWCNT isolado 288 GHz

SWCNT bundle 67 THz

Cobre 94 THz

700 nm SWCNT isolado 271 GHz

SWCNT bundle 61 THz

Cobre 76 THz

800 nm SWCNT isolado 255 GHz

SWCNT bundle 55 THz

Cobre 63 THz

900 nm SWCNT isolado 240 GHz

SWCNT bundle 51 THz

Cobre 52 THz

1 microm SWCNT isolado 230 GHz

SWCNT bundle 47 THz

Cobre 42 THz

56

Tabela 75 Frequecircncia em -3dB das interconexotildees intermediaacuterias

Comprimento Material f-3dB

10 microm SWCNT isolado 26 GHz

SWCNT bundle 527 GHz

Cobre 34 GHz

100 microm SWCNT isolado 32 MHz

SWCNT bundle 42 GHz

Cobre 345 MHz

200 microm SWCNT isolado 82 MHz

SWCNT bundle 10 GHz

Cobre 87 MHz

300 microm SWCNT isolado 36 MHz

SWCNT bundle 455 MHz

Cobre 38 MHz

400 microm SWCNT isolado 21 MHz

SWCNT bundle 256 MHz

Cobre 21 MHz

500 microm SWCNT isolado 13 MHz

SWCNT bundle 165 MHz

Cobre 14 MHz

57

8 ANEXOS

81 COacuteDIGO SPICE DO SET [44]

Transistor mono-eleacutetron (SET) conexotildees fonte | dreno | | porta1 | | | porta2 | | | | SUBCKT SET 1 2 3 4 PARAMS +C1=1E-20 Capacitacircncia da junccedilatildeo 1 +C2=1E-20 Capacitacircncia da junccedilatildeo 2 +R1=1E5 Resistecircncia da junccedilatildeo 1 +R2=1E5 Resistecircncia da junccedilatildeo 2 +Cg1=015E-18 Capacitacircncia da junccedilatildeo 1 +Cg2=0 Capacitacircncia da junccedilatildeo 2 +C0=0 Capacitacircncia proacutepria da ilha +Q0=005 Carga offset em unidades de e +TEMP=300 Temperatura PARAM E=160217733E-19 Carga do eleacutetron (e) PARAM CSUM=C1+C2+Cg1+Cg2+C0 Capacitacircncia total do SET PARAM T=TEMPCSUM53785467E14 Temperatura normalizada 53785467E14 = kBe^2 PARAM RN1=R1(R1+R2) Resistecircncia da junccedilatildeo 1 normalizada PARAM RN2=R2(R1+R2) Resistecircncia da junccedilatildeo 2 normalizada FUNC Q(v1v2v3v4) (Cg1v3+Cg2v4+C1v1+C2v2)E+Q0 Definiccedilatildeo da carga em unidades de e FUNC VN(v) CSUMvE Tensatildeo normalizada FUNC GAMMA(u) IF(T==0IF(ult0-u0)IF(u==0Tu(EXP(uT)-1))) FUNC N_OPT(v1v2v3v4) ROUND(-Q(v1v2v3v4)+(CSUME) (v1RN2+v2RN1)) A maior probabilidade de carga na ilha em unidades de e Os quarto eventos tuacuteneis FUNC R1L(nv1v2v3v4) GAMMA(05 - n - Q(v1v2v3v4) + VN(v1))RN1 FUNC R1R(nv1v2v3v4) GAMMA(05 + n + Q(v1v2v3v4) - VN(v1))RN1 FUNC R2L(nv1v2v3v4) GAMMA(05 + n + Q(v1v2v3v4) - VN(v2))RN2 FUNC R2R(nv1v2v3v4) GAMMA(05 - n - Q(v1v2v3v4) + VN(v2))RN2

58

determinaccedilatildeo das probabilidades relativas assume-se inicialmente que o estado da carga N_OPT tem probabilidade relativa igual a um FUNC PN_1(nv1v2v3v4) (R1L(nv1v2v3v4)+R2R(nv1v2v3v4))(R1R(n-1v1v2v3v4)+R2L(n-1v1v2v3v4)) FUNC PN_2(nv1v2v3v4) PN_1(nv1v2v3v4) +(R1L(n-1v1v2v3v4)+R2R(n-1v1v2v3v4))(R1R(n-2v1v2v3v4)+R2L(n-2v1v2v3v4)) FUNC PN_3(nv1v2v3v4) PN_2(nv1v2v3v4) +(R1L(n-2v1v2v3v4)+R2R(n-2v1v2v3v4))(R1R(n-3v1v2v3v4)+R2L(n-3v1v2v3v4)) FUNC PN_4(nv1v2v3v4) PN_3(nv1v2v3v4) +(R1L(n-3v1v2v3v4)+R2R(n-3v1v2v3v4))(R1R(n-4v1v2v3v4)+R2L(n-4v1v2v3v4)) FUNC PN_5(nv1v2v3v4) PN_4(nv1v2v3v4) +(R1L(n-4v1v2v3v4)+R2R(n-4v1v2v3v4))(R1R(n-5v1v2v3v4)+R2L(n-5v1v2v3v4)) FUNC PN1(nv1v2v3v4) (R2L(nv1v2v3v4) +R1R(nv1v2v3v4))(R2R(n+1v1v2v3v4)+R1L(n+1v1v2v3v4)) FUNC PN2(nv1v2v3v4) PN1(nv1v2v3v4) +(R2L(n+1v1v2v3v4)+R1R(n+1v1v2v3v4))(R2R(n+2v1v2v3v4)+R1L(n+2v1v2v3v4)) FUNC PN3(nv1v2v3v4) PN2(nv1v2v3v4) +(R2L(n+2v1v2v3v4)+R1R(n+2v1v2v3v4))(R2R(n+3v1v2v3v4)+R1L(n+3v1v2v3v4)) FUNC PN4(nv1v2v3v4) PN3(nv1v2v3v4) +(R2L(n+3v1v2v3v4)+R1R(n+3v1v2v3v4))(R2R(n+4v1v2v3v4)+R1L(n+4v1v2v3v4)) FUNC PN5(nv1v2v3v4) PN4(nv1v2v3v4) +(R2L(n+4v1v2v3v4)+R1R(n+4v1v2v3v4))(R2R(n+5v1v2v3v4)+R1L(n+5v1v2v3v4)) FUNC PSUM(nv1v2v3v4) PN_5(nv1v2v3v4)+PN_4(nv1v2v3v4)+PN_3(nv1v2v3v4)+PN_2(nv1v2v3v4) ++PN_1(nv1v2v3v4)+1+PN1(nv1v2v3v4)+PN2(nv1v2v3v4)+PN3(nv1v2v3v4) ++PN4(nv1v2v3v4)+PN5(nv1v2v3v4)

59

caacutelculo da corrente da fonte para o dreno FUNC CUR(nv1v2v3v4) PN_5(nv1v2v3v4)(R1R(n-5v1v2v3v4)-R1L(n-5v1v2v3v4)) ++PN_4(nv1v2v3v4)(R1R(n-4v1v2v3v4)-R1L(n-4v1v2v3v4)) ++PN_3(nv1v2v3v4)(R1R(n-3v1v2v3v4)-R1L(n-3v1v2v3v4)) ++PN_2(nv1v2v3v4)(R1R(n-2v1v2v3v4)-R1L(n-2v1v2v3v4)) ++PN_1(nv1v2v3v4)(R1R(n-1v1v2v3v4)-R1L(n-1v1v2v3v4)) ++(R1R(nv1v2v3v4)-R1L(nv1v2v3v4)) ++PN1(nv1v2v3v4)(R1R(n+1v1v2v3v4)-R1L(n+1v1v2v3v4)) ++PN2(nv1v2v3v4)(R1R(n+2v1v2v3v4)-R1L(n+2v1v2v3v4)) ++PN3(nv1v2v3v4)(R1R(n+3v1v2v3v4)-R1L(n+3v1v2v3v4)) ++PN4(nv1v2v3v4)(R1R(n+4v1v2v3v4)-R1L(n+4v1v2v3v4)) ++PN5(nv1v2v3v4)(R1R(n+5v1v2v3v4)-R1L(n+5v1v2v3v4)) FUNC CURRENT(nv1v2v3v4) ECUR(nv1v2v3v4)(CSUMPSUM(nv1v2v3v4)(R1+R2)) caacutelculo da tensatildeo da ilha FUNC VOLT(nv1v2v3v4) PN_5(nv1v2v3v4)(n-5+Q(v1v2v3v4)) ++PN_4(nv1v2v3v4)(n-4+Q(v1v2v3v4)) ++PN_3(nv1v2v3v4)(n-3+Q(v1v2v3v4)) ++PN_2(nv1v2v3v4)(n-2+Q(v1v2v3v4)) ++PN_1(nv1v2v3v4)(n-1+Q(v1v2v3v4)) ++n+Q(v1v2v3v4) ++PN1(nv1v2v3v4)(n+1+Q(v1v2v3v4)) ++PN2(nv1v2v3v4)(n+2+Q(v1v2v3v4)) ++PN3(nv1v2v3v4)(n+3+Q(v1v2v3v4)) ++PN4(nv1v2v3v4)(n+4+Q(v1v2v3v4)) ++PN5(nv1v2v3v4)(n+5+Q(v1v2v3v4)) FUNC VOLTAGE(nv1v2v3v4) (ECSUM)VOLT(nv1v2v3v4)PSUM(nv1v2v3v4) E1 5 0 VALUE= VOLTAGE(N_OPT(V(1)V(2)V(3)V(4))V(1)V(2)V(3)V(4)) Tensatildeo da ilha G1 1 2 VALUE= CURRENT(N_OPT(V(1)V(2)V(3)V(4))V(1)V(2)V(3)V(4)) Corrente da fonte para o dreno CT1 1 5 C1 CT2 2 5 C2 CGATE1 3 5 CG1 CGATE2 4 5 CG2 ENDS SET

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17

O bloqueio de Coulomb eacute superado ao se aplicar uma tensatildeo Vg ao circuito ateacute que esta

tensatildeo alcance um dado valor de limiar que forneceraacute energia suficiente para que ocorra o

tunelamento de um eleacutetron Assim haveraacute o fluxo de eleacutetrons havendo corrente A Figura

212 mostra a regiatildeo do bloqueio de Coulomb ao aplicar uma tensatildeo Vg ao circuito em que

Vc eacute a tensatildeo de limiar chamada de tensatildeo de bloqueio de Coulomb [5-10]

Figura 212 Caracteriacutestica do bloqueio de Coulomb [10]

Nesse contexto duas condiccedilotildees satildeo necessaacuterias para garantir que o transporte de eleacutetrons

seja controlado pelo efeito de carregamento a condiccedilatildeo para a resistecircncia de tunelamento

dada pela equaccedilatildeo (225) [1] em que a natureza corpuscular do eleacutetron predomina sobre a

natureza ondulatoacuteria e a energia eletrostaacutetica (EC) associada a uma dada temperatura (T)

deve ser significativamente maior que as flutuaccedilotildees teacutermicas existentes agravequela

temperatura como descrita na equaccedilatildeo (226) [146-9] Os paracircmetros h eacute a constante de

Planck e eacute a carga do eleacutetron kB eacute a constante de Boltzmann e C eacute capacitacircncia Na

equaccedilatildeo (226) a temperatura deve ser maior que 0K [10]

kRe

hR TT 825

2 (225)

TkC

eTkEc BB

2

2

(226)

A partir dos conceitos apresentados pode-se definir o transistor mono-eleacutetron O SET

ilustrado na Figura 213 [10] eacute composto por duas junccedilotildees-tuacutenel em seacuterie formando uma

ilha entre as junccedilotildees [246-9] Os paracircmetros R1 C1 e R2 C2 correspondem agraves

resistecircncias e capacitacircncias da primeira e da segunda junccedilatildeo-tuacutenel respectivamente A

tensatildeo de porta Vg controla a energia eletrostaacutetica da ilha atraveacutes da capacitacircncia Cg

18

Quando haacute carregamento por tunelamento de uma junccedilatildeo e descarregamento da outra

junccedilatildeo haacute um fluxo controlado de cargas o que gera a corrente I [10]

Figura 213 Transistor mono-eleacutetron [10]

Um efeito que pode ser observado na caracteriacutestica da corrente versus tensatildeo do transistor

mono-eleacutetron eacute chamado de oscilaccedilatildeo de Coulomb [24679] Se a tensatildeo V for mantida

constante com CeV e a tensatildeo Vg for aumentada ateacute atingir gg CeV 2 esse

valor de tensatildeo permitiraacute que um eleacutetron passe pela ilha Como soacute haveraacute corrente fluindo

no circuito em valores muacuteltiplos da tensatildeo gCe 2 soacute ocorreraacute o tunelamento novamente

quando )2(3 gg CeV A caracteriacutestica corrente (I) versus tensatildeo (Vg) do transistor

mono-eleacutetron eacute ilustrada na Figura 214 [10]

Figura 214 Caracteriacutestica corrente (I) versus tensatildeo (Vg) do transistor mono-eleacutetron [10]

222 Estrutura do inversor mono-eleacutetron

Um inversor pode ser construiacutedo colocando-se dois SETs em seacuterie os quais compartilham

da mesma entrada [5689] conforme mostrado na Figura 215 Vin eacute a tensatildeo de entrada

Vout eacute a tensatildeo de saiacuteda Vbias eacute a tensatildeo de polarizaccedilatildeo CC eacute a capacitacircncia de carga Cg1 e

Cg2 satildeo as capacitacircncias de porta do SET 1 e do SET 2 respectivamente

19

Figura 215 Esquemaacutetico do inversor utilizando SETs (modificado de [4])

Alguns modelos do SET desenvolvidos no software SPICE foram propostos na literatura

[4-7] Destes modelos o proposto por G Lientschnig et al [4] descreve a implementaccedilatildeo

completa da teoria ortodoxa e usa apenas os recursos em versotildees disponiacuteveis publicamente

do software SPICE Este modelo diferentemente dos modelos propostos em [5-7] natildeo estaacute

limitado a transistores mono-eleacutetron com junccedilotildees-tuacutenel que tecircm resistecircncias iguais Aleacutem

disso pode ser estendido para incluir um nuacutemero arbitraacuterio de estados de carga que

permite simulaccedilotildees definidas para altas temperaturas e tensotildees de polarizaccedilatildeo [4] O

modelo de G Lientschnig et al estaacute disponiacutevel no siacutetio eletrocircnico [44] Assim este foi o

modelo utilizado neste trabalho

23 CLOCKING DE SISTEMAS DE ALTA VELOCIDADE

Em sistemas digitais siacutencronos o sinal do clock eacute utilizado para definir uma referecircncia de

tempo agrave mudanccedila de dados dentro do sistema [1145] Assim a distribuiccedilatildeo do clock eacute de

suma importacircncia na operaccedilatildeo de circuitos integrados digitais sendo uma grande

preocupaccedilatildeo em circuitos integrados de alta velocidade [46-51] Circuitos em escala

nanomeacutetrica podem ser significativamente limitados devido ao clock skew que ocorre

quando os circuitos natildeo estatildeo equumlidistantes do sinal do clock [11454649-51] Como este

sinal eacute o sinal mais ativo em um chip pode resultar em elevado consumo de potecircncia e

grandes densidades de corrente na rede de interconexotildees do clock [454849]

Dessa forma o sinal do clock deve atingir ao mesmo tempo cada noacute para garantir que a

comutaccedilatildeo seja sincronizada bem como deve ser distribuiacutedo de forma que haja o menor

20

atraso possiacutevel [49] Com esse intuito os seguintes fatores entre outros satildeo fundamentais

no desempenho do clock dispositivos loacutegicos de tecnologia raacutepida (avanccedilada) rede de

distribuiccedilatildeo de clock que minimize o skew e interconexotildees com alto desempenho [11]

Conforme exposto anteriormente os dispositivos nanoeletrocircnicos como os transistores

mono-eleacutetron satildeo potencialmente aplicaacuteveis em circuitos integrados em escala giga (GSI)

e tera (TSI) Estes dispositivos permitem que as funccedilotildees loacutegicas sejam desempenhadas em

um tempo mais raacutepido e com menor atraso Assim satildeo fortes candidatos a serem utilizados

em circuitos integrados com clock

A adequada rede de distribuiccedilatildeo do clock assegura que a comutaccedilatildeo seja sincronizada e

que haja o menor atraso possiacutevel [1145] Aleacutem disso dependendo da arquitetura da rede o

niacutevel de sincronismo do sistema pode aumentar Diferentes tipos de abordagens tecircm sido

desenvolvidos para projetar a rede de distribuiccedilatildeo do clock em sistemas digitais de

circuitos integrados [45] Os buffered trees satildeo muito utilizados na distribuiccedilatildeo

equipotencial do clock Aleacutem dessas estruturas assimeacutetricas arquiteturas simeacutetricas como

o H-tree satildeo usadas para distribuir sinais de clock em alta velocidade podendo inclusive

ser projetadas com buffers [45-51] Algumas formas de rede de distribuiccedilatildeo do clock estatildeo

ilustradas na Figura 216 incluindo a trunk tree mesh e H-tree [45]

Figura 216 Estruturas comuns de redes de distribuiccedilatildeo de clock [45]

21

Atualmente as interconexotildees de cobre satildeo bastante utilizadas para circuitos de alto

desempenho como em redes de clock No entanto os CNTs apresentam caracteriacutesticas que

os tornam melhores para serem utilizados em interconexotildees descritas na subseccedilatildeo 221

[48] Neste trabalho seraacute realizada a comparaccedilatildeo entre interconexotildees de cobre e de CNT

na rede de distribuiccedilatildeo do H-tree clock

231 H-Tree Clock

O clock skew pode ser minimizado distribuindo-se o sinal do clock de forma que as

interconexotildees que levam o sinal aos circuitos loacutegicos tecircm o mesmo comprimento Se antes

de chegarem aos circuitos loacutegicos os sinais do clock forem igualmente atrasados eles

estaratildeo perfeitamente sincronizados [1145] Dessa forma o esquemaacutetico da Figura 217 de

distribuiccedilatildeo do clock minimiza o clock skew repetindo recursivamente uma estrutura em

forma de H [11] A Figura 217 ilustra uma rede H-tree simeacutetrica com trecircs niacuteveis [46]

Figura 217 Esquemaacutetico do H-tree clock simeacutetrico (modificado de [46])

Na estrutura do H-tree o condutor primaacuterio do clock estaacute ligado ao centro do H principal

(1ordm niacutevel) transmitindo o sinal para os quatro cantos deste H Esses quatro cantos satildeo as

entradas para o proacuteximo niacutevel do H-tree o 2ordm niacutevel que possui quatro estruturas em H O

processo de distribuiccedilatildeo continua por vaacuterios niacuteveis de H‟s cada vez menores Os pontos de

destino final do H-tree satildeo usados para conduzir os circuitos locais Assim cada caminho

do clock desde a fonte ateacute o circuito local possui praticamente o mesmo atraso [45]

22

24 MEDIDAS DE DESEMPENHO NA ANAacuteLISE DAS INTERCONEXOtildeES

As interconexotildees em circuitos integrados possuem caracteriacutesticas que modificam o sinal de

entrada O efeito das interconexotildees pode provocar atrasos e distorccedilotildees indesejaacuteveis Nesse

contexto eacute necessaacuterio analisar medidas de desempenho dos sinais sob efeito das

interconexotildees tais como velocidade maacutexima atenuaccedilatildeo tempo de atraso potecircncia

dissipada produto atraso-potecircncia e slew rate [111317202342]

241 Velocidade maacutexima - anaacutelise na frequumlecircncia

A velocidade maacutexima que as interconexotildees podem operar sem distorcer o sinal de entrada

eacute uma medida de desempenho importante [172023] Eacute possiacutevel analisar este paracircmetro

atraveacutes da frequumlecircncia maacutexima de operaccedilatildeo da interconexatildeo que eacute a largura de banda em

que o sinal comeccedila a decair em -3dB em relaccedilatildeo ao sinal de referecircncia [1742] Assim

utiliza-se a anaacutelise do moacutedulo do graacutefico de Bode para obter a frequumlecircncia de operaccedilatildeo em

-3dB [42] A Figura 218 mostra o esboccedilo do moacutedulo do ganho pela frequumlecircncia tiacutepico do

comportamento de interconexotildees

Figura 218 Graacutefico do moacutedulo do ganho pela frequumlecircncia tiacutepico do comportamento de

interconexotildees

23

242 Atenuaccedilatildeo

A transmissatildeo de um sinal pode ser expressa em funccedilatildeo do seu ganho ou da sua atenuaccedilatildeo

No caso em estudo as interconexotildees podem atenuar o sinal Essa atenuaccedilatildeo eacute geralmente

calculada pela expressatildeo (227) em que Vo eacute o sinal de saiacuteda e Vi eacute o sinal de entrada [42]

i

o

V

VA log20 (227)

243 Tempo de atraso

O tempo de atraso td ou atraso na propagaccedilatildeo ocorre devido ao

carregamentodescarregamento da capacitacircncia de carga bem como ao tempo de

chaveamento dos transistores [42]

O tempo de atraso eacute obtido pela diferenccedila entre o tempo medido a 50 da transiccedilatildeo dos

sinais de entrada e de saiacuteda [11] Em circuitos loacutegicos o atraso na propagaccedilatildeo pode ser

calculado pela meacutedia aritmeacutetica do tempo de propagaccedilatildeo do sinal de alto para baixo tPHL e

do tempo de propagaccedilatildeo do baixo para alto tPLH conforme equaccedilatildeo (228) [1142]

2

PLHPHLd

ttt

(228)

244 Potecircncia dissipada

A dissipaccedilatildeo de potecircncia eacute outra medida de desempenho bastante importante em circuitos

integrados em escala GSI e TSI Isso ocorre jaacute que ao aumentar o nuacutemero de portas

loacutegicas em uma determinada aacuterea ocupada eacute necessaacuterio que a dissipaccedilatildeo de potecircncia esteja

dentro de limites aceitaacuteveis [1142]

A dissipaccedilatildeo de potecircncia eacute composta por dois componentes potecircncia estaacutetica e potecircncia

dinacircmica A dissipaccedilatildeo de potecircncia estaacutetica eacute dada por IVP DDE e ocorre mesmo que

natildeo haja chaveamento de porta loacutegica no circuito devido ao efeito da resistecircncia do

circuito [42] A dissipaccedilatildeo de potecircncia dinacircmica eacute devido agrave capacitacircncia de carga do

24

circuito expressa por CVfP DDD 2 em que VDD eacute a tensatildeo de alimentaccedilatildeo f eacute

frequumlecircncia do circuito e C eacute a capacitacircncia de carga do circuito [1142] Assim a soma da

potecircncia dinacircmica e da potecircncia estaacutetica resulta na potecircncia total dissipada no circuito

245 Produto atraso-potecircncia

Em circuitos integrados o ideal eacute que se tenha baixo atraso na propagaccedilatildeo resultando em

uma maior velocidade de funcionamento do circuito bem como baixa dissipaccedilatildeo de

potecircncia No entanto essas duas exigecircncias satildeo conflitantes ao reduzirmos a dissipaccedilatildeo de

potecircncia de uma porta a capacidade da porta em fornecer corrente diminuiraacute isso

implicaraacute em um maior tempo de carga e descarga aumentando o atraso na propagaccedilatildeo

Assim o produto atraso-potecircncia (delay power product ndash DP) eacute uma medida de

desempenho bastante utilizada na anaacutelise de circuitos e eacute dado por dD tPDP Quanto

menor o produto atraso-potecircncia maior a eficiecircncia do circuito loacutegico [42]

246 Slew rate

A taxa maacutexima de variaccedilatildeo da tensatildeo de saiacuteda do inglecircs slew rate (SR) eacute uma

caracteriacutestica importante do sinal de saiacuteda de um circuito loacutegico A limitaccedilatildeo na taxa de

variaccedilatildeo pode provocar uma distorccedilatildeo no funcionamento do circuito O SR pode ser

calculado pela expressatildeo (229) em que Δv eacute a variaccedilatildeo da tensatildeo de saiacuteda do sinal para

uma determinada variaccedilatildeo de tempo Δt [42]

t

vSR

(229)

25 LTSPICE

O software LTSPICE eacute um simulador SPICE de alto desempenho orientado a

esquemaacuteticos e visualizador de formas de onda com modelos para facilitar a simulaccedilatildeo de

circuitos eletrocircnicos Se comparado aos outros simuladores SPICE a simulaccedilatildeo do

LTSPICE eacute bastante raacutepida O software consegue simular dispositivos de acordo com o

padratildeo industrial reproduzindo os seus comportamentos [52]

25

O LTSPICE possui vaacuterias possibilidades de simulaccedilatildeo como anaacutelise transiente anaacutelise AC

e anaacutelise DC bem como permite a simulaccedilatildeo de vaacuterios dispositivos disponiacuteveis na sua

biblioteca Aleacutem disso este software possibilita a elaboraccedilatildeo de novos esquemaacuteticos

atraveacutes de um modelo matemaacutetico ou eletrocircnico proposto O novo componente poderaacute ser

utilizado no circuito conforme seraacute feito neste trabalho utilizando-se o modelo SPICE do

SET proposto por G Lientschnig et al[4]

26

3 METODOLOGIA

31 INTRODUCcedilAtildeO

A miniaturizaccedilatildeo das interconexotildees prejudica o seu desempenho resultando no aumento

significativo do valor da resistividade da capacitacircncia de acoplamento entre vias na

dificuldade de controlar a razatildeo entre a altura e a largura do material entre outros

problemas A fim de analisar o desempenho das interconexotildees eacute necessaacuterio verificar

algumas variaacuteveis importantes como velocidade maacutexima (f-3dB) atenuaccedilatildeo (A) tempo de

atraso (td) potecircncia dissipada (P) produto atraso-potecircncia (DP) e slew rate (SR)

[111317202342]

32 ETAPAS E ESTRATEacuteGIAS ADOTADAS

Com o intuito de analisar o efeito das interconexotildees em circuitos com transistores mono-

eleacutetron foi realizada primeiramente a anaacutelise das interconexotildees de SWCNT de SWCNT

bundle e de cobre isoladamente para diferentes valores de comprimento Apoacutes a avaliaccedilatildeo

desses resultados o efeito das interconexotildees foi analisado no H-tree clock com inversores

mono-eleacutetron nos seus terminais tambeacutem considerando diferentes comprimentos Neste

trabalho a tecnologia de 22 nm prevista para o ano de 2016 [21] foi utilizada na

comparaccedilatildeo entre o desempenho do cobre e do CNT Todas as simulaccedilotildees foram realizadas

utilizando o software LTSPICE

321 Simulaccedilatildeo das interconexotildees

A partir dos modelos das interconexotildees de SWCNT SWCNT bundle e cobre apresentados

na subseccedilatildeo 213 diferentes comprimentos das interconexotildees foram simulados Assim

analisou-se as interconexotildees locais em que l le 1 μm e as intermediaacuterias em que 1 μm lt l

le 500 μm sabendo que l eacute o comprimento da interconexatildeo [29-31333638]

A fim de analisar a frequumlecircncia de corte este foi obtido para comprimentos de

interconexotildees locais (10nm 100nm 200nm 300nm 400nm 500nm 600nm 700nm

27

800nm 900nm 1μm) e interconexotildees intermediaacuterias (10μm 100μm 200μm 300μm

400μm 500μm)

Jaacute que λCNT eacute tipicamente 1 μm foram escolhidos trecircs comprimentos na faixa lCNT le λCNT

(10 nm 100 nm e 1 μm) e trecircs comprimentos na faixa lCNT gt λCNT (10 μm 100 μm 500

μm) para serem analisados detalhadamente Escolheu-se uma mesma frequecircncia abaixo da

frequecircncia de corte dos trecircs materiais considerados para analisar e comparar a atenuaccedilatildeo

(A) e o tempo de atraso na propagaccedilatildeo (td) dos diferentes comprimentos

Em seguida o mesmo procedimento foi feito para comparar somente o SWCNT bundle e o

cobre para uma mesma frequecircncia cujo valor eacute maior que a frequecircncia da anaacutelise anterior

permitindo que estes dois materiais sejam analisados detalhadamente

Essas anaacutelises foram realizadas a partir da simulaccedilatildeo do circuito da Figura 31 [2325] A

tensatildeo de entrada Vin eacute uma onda quadrada de 1V de amplitude e o capacitor de carga tem

o valor de 100 aF

Figura 31 ndash Circuito simulado para cada interconexatildeo

A Figura 32 mostra o fluxograma das etapas descritas nesta subseccedilatildeo 321

28

Figura 32 ndash Fluxograma das etapas seguidas na simulaccedilatildeo das interconexotildees

322 Simulaccedilatildeo do inversor mono-eleacutetron

Para utilizar a porta inversora da Figura 215 nos terminais do H-tree clock foi necessaacuterio

primeiramente simular o SET proposto por [4] Essa simulaccedilatildeo foi feita variando os

paracircmetros do SET como as resistecircncias e capacitacircncias das junccedilotildees as capacitacircncias de

porta a temperatura etc Os paracircmetros foram variados ateacute simular o SET a temperatura

de 300K Em seguida simulou-se a inversora da Figura 215 tambeacutem a temperatura

ambiente Dessa forma foi possiacutevel simular a inversora isoladamente obtendo as

caracteriacutesticas do sinal de saiacuteda

323 Simulaccedilatildeo do H-tree clock mono-eleacutetron

Apoacutes a simulaccedilatildeo do SET foi possiacutevel simular o H-tree clock A rede H-tree de dois niacuteveis

foi simulada com um H no primeiro niacutevel e quatro H‟s no segundo niacutevel [49] Nos pontos

de destino final da rede foram colocadas portas inversoras formadas por SETs permitindo

a anaacutelise de circuitos nanoeletrocircnicos

Modelos de SWCNT

SWCNT bundle e cobre

Obtenccedilatildeo dos paracircmetros dos modelos para

interconexotildees locais e interconexotildees intermediaacuterias

Para cada comprimento

obtenccedilatildeo de f-3dB

1ordm) Escolha de frequumlecircncia abaixo

da f-3dB do SWCNT SWCNT

bundle e cobre

2ordm) Escolha de frequumlecircncia abaixo

da f-3dB do SWCNT bundle e

cobre

Obtenccedilatildeo de A e td de

cada modelo

Obtenccedilatildeo de A e td de

cada modelo

Anaacutelise comparativa entre o

SWCNT SWCNT bundle e

cobre

Anaacutelise comparativa entre o

SWCNT bundle e cobre

Estudo de interconexotildees locais (10nm

100nm 1μm) e intermediaacuterias (10μm

100μm 500μm)

29

A partir da simulaccedilatildeo do H-tree clock obteve-se a frequecircncia em -3dB (f-3dB) da rede com

interconexotildees ideais Assim a rede H-tree foi entatildeo simulada para duas frequecircncias

diferentes do sinal de entrada abaixo da frequecircncia de -3dB 10 GHz e 100 GHz Com

essas simulaccedilotildees obtiveram-se as seguintes caracteriacutesticas do sinal de saiacuteda da inversora

niacutevel loacutegico baixo (NB) niacutevel loacutegico alto (NA) tempo de subida (tr) slew rate de subida

(SR) atenuaccedilatildeo (A) tempo de atraso (td) potecircncia dissipada (P) e produto atraso-potecircncia

(DP) As caracteriacutesticas obtidas servem como referecircncia para analisar o sinal considerando

interconexotildees natildeo-ideais ou seja incluindo os modelos das interconexotildees nas simulaccedilotildees

Em seguida a rede H-tree foi simulada considerando-se os modelos das interconexotildees de

SWCNT bundle e de cobre variando os seus comprimentos Como cada H da rede de

distribuiccedilatildeo deve ser simeacutetrico considerou-se que cada divisatildeo do H tem o mesmo

comprimento para cada niacutevel da rede [11] A Figura 33 mostra o comprimento dos

diferentes trechos da rede Assim o comprimento de cada divisatildeo dos H‟s do segundo

niacutevel eacute a metade do comprimento de cada divisatildeo do H do primeiro niacutevel Jaacute que o objetivo

eacute simular circuitos em escala nanomeacutetrica escolheu-se trecircs variaccedilotildees de comprimento

menores ou iguais a 1μm

l = 100 nm l2 = 50 nm

l = 400 nm l2 = 200 nm

l = 1 μm l2 = 500 nm

Figura 33 ndash Esquemaacutetico do H-tree clock com os comprimentos de cada seguimento

Dessa forma cada um dos trecircs circuitos foi simulado obtendo-se a frequecircncia em -3dB na

entrada das portas inversoras Em seguida as trecircs redes foram simuladas para as mesmas

30

duas frequumlecircncias do sinal de entrada (10 GHz e 100 GHz) de forma a obter as

caracteriacutesticas do sinal de saiacuteda descritas anteriormente considerando agora o efeito das

interconexotildees

Por fim a partir dos dados obtidos foram realizadas comparaccedilotildees entre as caracteriacutesticas

do sinal de saiacuteda de referecircncia (interconexotildees ideais) e o sinal de saiacuteda dos circuitos com as

interconexotildees natildeo-ideais bem como entre o comportamento das interconexotildees de SWCNT

bundle e de cobre nas diferentes frequecircncias

A Figura 34 mostra o fluxograma das etapas descritas nas subseccedilotildees 322 e 323

Figura 34 ndash Fluxograma das etapas seguidas na simulaccedilatildeo do H-tree clock

H-tree clock mono-eleacutetron

Simulaccedilatildeo do H-tree clock com

interconexotildees ideais Obtenccedilatildeo de f-3dB

da inversora

Simulaccedilatildeo do H-tree clock com

interconexotildees natildeo-ideais para os seguintes

comprimentos

l = 100 nm l2 = 50 nm

l = 400 nm l2 = 200 nm

l = 1 μm l2 = 500 nm

Validaccedilatildeo do SET e do

inversor mono-eleacutetron a

300K

Sinal de entrada a

10 GHz

Sinal de entrada a

100 GHz

Obtenccedilatildeo de NB

NA tr SR A td P e

DP do sinal de saiacuteda

da inversora

Obtenccedilatildeo de NB

NA tr SR A td P e

DP do sinal de saiacuteda

da inversora

Sinal de entrada a

10 GHz

Sinal de entrada a

100 GHz

Obtenccedilatildeo de NB

NA tr SR A td P e

DP do sinal de saiacuteda

da inversora

Obtenccedilatildeo de NB

NA tr SR A td P e

DP do sinal de saiacuteda

da inversora

Anaacutelise comparativa

dos dados obtidos

31

4 RESULTADOS E ANAacuteLISES

41 INTRODUCcedilAtildeO

Neste capiacutetulo seratildeo apresentados os procedimentos adotados e os resultados obtidos na

simulaccedilatildeo das interconexotildees SWCNT SWCNT bundle e cobre As etapas descritas na

metodologia foram seguidas obtendo-se os resultados das simulaccedilotildees das interconexotildees e

das simulaccedilotildees do H-tree clock mono-eleacutetron para interconexotildees ideais e natildeo-ideais A

partir dos resultados a anaacutelise do desempenho das interconexotildees seraacute apresentada

42 ANAacuteLISE DAS INTERCONEXOtildeES

Nesta seccedilatildeo a anaacutelise das interconexotildees de SWCNT SWCNT bundle e cobre na

tecnologia de 22 nm para diferentes comprimentos seraacute realizada Para isso analisou-se

as interconexotildees locais em que l le 1 μm e as intermediaacuterias em que 1 μm lt l le 500 μm

sabendo que l eacute o comprimento da interconexatildeo [29-31333638] Como λCNT eacute

tipicamente 1 μm trecircs comprimentos na faixa lCNT le λCNT (10 nm 100 nm e 1 μm) e trecircs

comprimentos na faixa lCNT gt λCNT (10 μm 100 μm 500 μm) de cada material seratildeo

analisados detalhadamente Os paracircmetros obtidos a partir dos modelos de SWCNT

SWCNT bundle e cobre estatildeo respectivamente nas Tabelas 71 72 e 73 do Apecircndice

421 Interconexotildees locais

Primeiramente a partir da simulaccedilatildeo da Figura 31 obteve-se a frequecircncia em -3dB (f-3dB)

das interconexotildees locais (lCNT le λCNT ) isto eacute a sua banda passante de forma a verificar a

velocidade maacutexima que cada interconexatildeo suporta A Figura 41 ilustra o comportamento

da frequecircncia das interconexotildees locais para os diferentes comprimentos Como o SWCNT

isolado possui valores de frequecircncia na faixa de centenas de giga Hertz ou seja menos de

um tera Hertz os valores de suas frequecircncias tambeacutem podem ser visualisados na Tabela

74 do Apecircndice

Verifica-se que agrave medida que o comprimento da interconexatildeo aumenta a frequecircncia

diminui Isso ocorre jaacute que os valores da capacitacircncia e indutacircncia aumentam com o

aumento do comprimento da interconexatildeo Esses paracircmetros satildeo decisivos no sinal de

32

saiacuteda sendo o sinal mais distorcido quanto maior for o valor desses paracircmetros Observa-

se que o SWCNT bundle e o cobre possuem banda passante maiores que o SWCNT

isolado para qualquer comprimento Aleacutem disso o SWCNT bundle soacute possui uma banda

passante comparaacutevel ao do cobre para comprimentos acima de 700 nm

Frequecircncia X Comprimento

0

10

20

30

40

50

60

100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

Comprimento (nm)

f -3d

B (

TH

z)

SWCNT Isolado

SWCNT bundle

Cobre

Figura 41 ndash Frequumlecircncia versus comprimento das interconexotildees locais

As interconexotildees locais de 10 nm 100 nm e 1 μm de comprimento foram analisadas

detalhadamente A Tabela 41 mostra a frequecircncia em -3dB de cada material para os

comprimentos em anaacutelise

Tabela 41 Frequecircncia em -3dB de cada material para lCNT le λCNT

Interconexatildeo Local Comprimento (L) Material f-3dB

SWCNT isolado 253 GHz

10nm SWCNT bundle 66 THz

Cobre 232 THz

SWCNT isolado 300 GHz

lCNT le λCNT 100nm SWCNT bundle 20 THz

Cobre 51 THz

SWCNT isolado 230 GHz

1microm SWCNT bundle 47 THz

Cobre 42 THz

Assim escolheu-se uma mesma frequecircncia abaixo da frequecircncia de corte dos trecircs

materiais considerados para analisar e comparar a atenuaccedilatildeo (A) e o tempo de atraso na

propagaccedilatildeo (td) dos trecircs comprimentos Isso permite verificar o comportamento do sinal na

banda passante A Tabela 42 mostra esse estudo comparativo entre o SWCNT isolado

SWCNT bundle e cobre agrave frequecircncia de 200 GHz

33

Tabela 42 Estudo das interconexotildees com comprimentos na faixa lCNT le λCNT

Freq L Material A (dB) td (ps)

SWCNT isolado -210 046

10nm SWCNT bundle 001 000

Cobre 000 000

SWCNT isolado -155 051

200 GHz 100nm SWCNT bundle 001 000

Cobre 001 000

SWCNT isolado -039 107

1microm SWCNT bundle 006 001

Cobre 000 007

A partir da anaacutelise da Tabela 42 eacute possiacutevel observar agrave frequumlecircncia de 200 GHz a

atenuaccedilatildeo do sinal e o atraso do SWCNT isolado Nessa frequumlecircncia o atraso do SWCNT

isolado eacute significativo em relaccedilatildeo ao periacuteodo do sinal que eacute 5ps jaacute que o menor atraso

(para l = 10nm) eacute aproximadamente 10 do periacuteodo do sinal de entrada No entanto para

esta mesma frequumlecircncia observa-se que a atenuaccedilatildeo e o atraso do SWCNT bundle e do

cobre satildeo insignificantes Isto indica que estes dois materiais possuem melhor

desempenho sendo favoraacuteveis para serem utilizados em interconexotildees locais

Dessa forma para analisar melhor a atenuaccedilatildeo e o tempo de atraso do SWCNT bundle e do

cobre o mesmo procedimento foi feito comparando-se somente estes dois materiais para

uma mesma frequecircncia de 1 THz A Tabela 43 mostra esse estudo comparativo entre o

SWCNT bundle e cobre

Tabela 43 Estudo das interconexotildees SWCNT bundle e cobre com comprimentos na faixa

lCNT le λCNT

Freq L Material A (dB) td (fs)

10nm SWCNT bundle 001 113

Cobre 000 022

1 THz 100nm SWCNT bundle 006 136

Cobre 001 240

1microm SWCNT bundle 145 647

Cobre -013 5623

Analisando a Tabela 43 observa-se que agrave frequumlecircncia de 1 THz a atenuaccedilatildeo do sinal e o

atraso aumentam agrave medida que o comprimento das interconexotildees aumentam A partir do

comprimento de 100nm o tempo de atraso da interconexatildeo de cobre eacute maior que o do

SWCNT bundle cujo maior valor de atraso (para l = 1microm) natildeo chega a 1 do periacuteodo do

34

sinal de entrada (1ps) Isso mostra que apesar de a banda passante do cobre ser maior o

atraso do SWCNT bundle eacute menor Dessa forma para as interconexotildees locais o SWCNT

bundle possui desempenho comparaacutevel ao do cobre [13]

Em relaccedilatildeo agrave atenuaccedilatildeo verifica-se que para alguns comprimentos este tem valor

positivo Isso ocorre principalmente quando haacute um pico no graacutefico da frequumlecircncia antes dele

comeccedilar a decair Esse pico eacute devido ao efeito ressonante provocado pela indutacircncia

quando este possui valor comparaacutevel agrave resistecircncia e agrave capacitacircncia da interconexatildeo [53]

Assim esse efeito ressonante foi observado somente nas interconexotildees locais de SWCNT

bundle e de cobre A Figura 42 ilustra o graacutefico da magnitude pela frequumlecircncia do SWCNT

isolado SWCNT bundle e cobre para o comprimento de 100nm Observa-se o efeito

ressonante nos graacuteficos do SWCNT bundle e do cobre

Figura 42 ndash Graacuteficos da magnitude das interconexotildees de SWCNT isolado (superior)

SWCNT bundle (meio) e cobre (inferior) com comprimento de 100nm

35

422 Interconexotildees intermediaacuterias

Assim como para as interconexotildees locais obteve-se a frequecircncia em -3dB (f-3dB) das

interconexotildees intermediaacuterias (lCNT gt λCNT) de forma a verificar a velocidade maacutexima que

cada interconexatildeo suporta A Figura 43 ilustra o comportamento da frequecircncia das

interconexotildees intermediaacuterias para os diferentes comprimentos Os valores das frequecircncias

de cada interconexatildeo tambeacutem podem ser visualisados na Tabela 75 do Apecircndice

Como nas interconexotildees locais agrave medida que o comprimento da interconexatildeo aumenta a

frequecircncia diminui Aleacutem disso o SWCNT bundle e o cobre possuem desempenho melhor

que o do SWCNT isolado para qualquer comprimento No entanto para interconexotildees

intermediaacuterias o SWCNT bundle possui banda passante maior que a do cobre para

qualquer comprimento

Frequecircncia X Comprimento

00

05

10

15

20

25

30

35

40

45

100 200 300 400 500

Comprimento (μm)

f -3d

B (

GH

z)

SWCNT isolado

SWCNT bundle

Cobre

Figura 43 ndash Frequumlecircncia versus comprimento das interconexotildees intermediaacuterias

As interconexotildees intermediaacuterias de 10 μm 100 μm e 500 μm de comprimento foram entatildeo

analisadas detalhadamente A Tabela 44 mostra a frequecircncia em -3dB de cada materal

para os diferentes comprimentos em anaacutelise

36

Tabela 44 Frequecircncia em -3dB de cada material para lCNT gt λCNT

Interconexatildeo

Intermediaacuteria

Comprimento (L) Material f-3dB

SWCNT isolado 26 GHz

10 microm SWCNT bundle 527 GHz

Cobre 34 GHz

SWCNT isolado 32 MHz

lCNT gt λCNT 100 microm SWCNT bundle 42 GHz

Cobre 345 MHz

SWCNT isolado 13 MHz

500 microm SWCNT bundle 165 MHz

Cobre 14 MHz

Escolheu-se a frequecircncia de 1 MHz que estaacute abaixo da frequecircncia de corte dos trecircs

materiais considerados para analisar e comparar a atenuaccedilatildeo (A) e o tempo de atraso na

propagaccedilatildeo (td) dos trecircs comprimentos A Tabela 45 mostra esse estudo comparativo entre

o SWCNT isolado SWCNT bundle e cobre

Tabela 45 Estudo das interconexotildees com comprimentos na faixa lCNT gt λCNT

Freq L Material A (dB) td (ns)

SWCNT isolado -002 008

10 microm SWCNT bundle 000 000

Cobre 000 000

SWCNT isolado -003 559

1 MHz 100 microm SWCNT bundle -001 005

Cobre -004 056

SWCNT isolado -198 10217

500 microm SWCNT bundle 000 110

Cobre -003 1301

Com base na Tabela 45 observa-se que a atenuaccedilatildeo e o tempo de atraso do SWCNT

isolado aumentam com o aumento do comprimento da interconexatildeo Nessa frequumlecircncia o

atraso na propagaccedilatildeo do SWCNT isolado eacute significativo em relaccedilatildeo ao periacuteodo do sinal de

entrada que eacute 1micros chegando a mais de 10 deste periacuteodo para o comprimento de 500microm

Verifica-se tambeacutem o aumento do tempo de atraso da interconexatildeo de cobre sendo 13

do periacuteodo do sinal de entrada para o comprimento de 500microm

Para analisar melhor a atenuaccedilatildeo e o tempo de atraso do SWCNT bundle e do cobre o

mesmo procedimento foi feito comparando-se somente estes dois materiais para uma

37

mesma frequecircncia de 10 MHz A Tabela 46 mostra esse estudo comparativo entre o

SWCNT bundle e cobre

Tabela 46 Estudo das interconexotildees SWCNT bundle e cobre com comprimentos na faixa

lCNT gt λCNT

Freq L Material A (dB) td (ns)

10 microm SWCNT bundle 000 000

Cobre 000 000

10 MHz 100 microm SWCNT bundle -001 005

Cobre -004 054

500 microm SWCNT bundle -004 107

Cobre -185 1024

Analisando a Tabela 46 observa-se que agrave medida que o comprimento das interconexotildees

aumenta a atenuaccedilatildeo e o atraso do sinal da interconexatildeo de cobre tornam-se significativos

O atraso na propagaccedilatildeo da interconexatildeo de cobre para l = 500microm chega a 10 do periacuteodo

do sinal de entrada (100ns) Jaacute o SWCNT bundle apresenta valores insignificantes de

atenuaccedilatildeo e atraso na propagaccedilatildeo Assim para as interconexotildees intermediaacuterias o SWCNT

bundle possui desempenho superior ao do cobre

43 SIMULACcedilAtildeO DO INVERSOR MONO-ELEacuteTRON

O modelo SPICE do SET proposto por G Lientschnig et al [444] foi simulado no

LTSPICE A partir da equaccedilatildeo (226) foi possiacutevel aumentar a temperatura do SET ateacute

chegar a 300K Assim o esquemaacutetico do SET e os valores de seus paracircmetros para que o

SET opere a 300K estatildeo na Figura 44 No anexo deste trabalho (subseccedilatildeo 81) encontra-

se o coacutedigo SET que foi utilizado [44] Os paracircmetros R1 C1 e R2 C2 correspondem agraves

resistecircncias e capacitacircncias das junccedilotildees-tuacutenel Cg eacute a capacitacircncia de porta (Cg1 no coacutedigo

SET) Vg eacute a tensatildeo de porta e V eacute a tensatildeo de entrada

Figura 44 Esquemaacutetico do SET e os valores de seus paracircmetros

38

A partir destes valores o inversor mono-eleacutetron foi construiacutedo colocando-se dois SETs em

seacuterie os quais compartilham da mesma entrada A Figura 45 ilustra o esquemaacutetico do

inversor mono-eleacutetron juntamente com os valores de seus paracircmetros fixos em que Vin eacute a

tensatildeo de entrada Vout eacute a tensatildeo de saiacuteda Vbias eacute a tensatildeo de polarizaccedilatildeo Cc eacute a

capacitacircncia de carga Cg1 e Cg2 satildeo as capacitacircncias de porta do SET 1 e do SET 2

respectivamente

Figura 45 Esquemaacutetico do inversor mono-eleacutetron e os valores de seus paracircmetros

(modificado de [4])

Assim apoacutes simular o inversor mono-eleacutetron a 300K obteve-se o sinal de saiacuteda mostrado

na Figura 46 Como o inversor estaacute invertendo o sinal de entrada de valor loacutegico baixo em

um sinal de saiacuteda de valor loacutegico alto ele estaacute operando corretamente

Figura 46 Curva do sinal de entrada (em verde) e do sinal de saiacuteda (em preto) do inversor

mono-eleacutetron

39

44 ANAacuteLISE DAS INTERCONEXOtildeES NO H-TREE CLOCK MONO-ELEacuteTRON

Nesta seccedilatildeo a rede H-tree clock de dois niacuteveis foi simulada com portas inversoras mono-

eleacutetron nos pontos de destino final da rede permitindo a anaacutelise de circuitos

nanoeletrocircnicos Simulou-se a rede H-tree considerando interconexotildees ideais para as

frequecircncias de 10 GHz e 100 GHz no sinal de entrada Em seguida para as mesmas duas

frequecircncias considerou-se interconexotildees natildeo-ideais de diferentes comprimentos

analisando a rede com os modelos de interconexatildeo SWCNT bundle e cobre Trecircs redes

com comprimentos de interconexotildees diferentes foram analisadas

l = 100 nm l2 = 50 nm

l = 400 nm l2 = 200 nm

l = 1 μm l2 = 500 nm

441 Anaacutelise da rede com interconexotildees ideais

A partir da simulaccedilatildeo do H-tree clock a frequecircncia em -3dB (f-3dB) da rede com

interconexotildees ideais foi obtida Na saiacuteda de cada porta inversora a banda passante do sinal

eacute 3200 GHz Dessa forma duas frequecircncias abaixo de 3200 GHz foram escolhidas para

analisar o sinal de saiacuteda da inversora em condiccedilotildees ideais As frequecircncias de 10 GHz e

100 GHz seratildeo analisadas obtendo-se as seguintes caracteriacutesticas do sinal de saiacuteda da

inversora niacutevel loacutegico baixo (NB) niacutevel loacutegico alto (NA) tempo de subida (tr) slew rate

de subida (SR) atenuaccedilatildeo (A) e tempo de atraso (td) A Tabela 47 mostra os valores

obtidos para as duas frequecircncias em anaacutelise

Tabela 47 Caracteriacutesticas dos sinais de saiacuteda da rede para interconexotildees ideais

Freq NB(mV) NA(mV) tr (ps) SR(Vns) A(dB) td (ps)

10 GHz 675 4518 356 8636 -264 412

100 GHz 678 4279 317 9088 -269 189

Os caacutelculos da potecircncia estaacutetica ( IVP DDE ) potecircncia dinacircmica ( CVfP DDD 2 ) e

potecircncia total ( DE PPP ) dissipada por cada porta inversora foram realizados bem

como o produto atraso-potecircncia (DP) Assim a Tabela 48 mostra os valores obtidos no

40

caacutelculo destes paracircmetros Como a potecircncia estaacutetica independe da frequecircncia do sinal de

entrada o seu valor eacute o mesmo nos dois casos

Tabela 48 Potecircncia dissipada por cada porta inversora para interconexotildees ideais

Frequecircncia PE (nW) PD (nW) P (nW) DP (10-18

Wmiddots)

10 GHz 4838 125 4963 020

100 GHz 4838 125 6088 012

As Tabelas 47 e 48 serviratildeo de referecircncia para as anaacutelises da rede com interconexotildees natildeo-

ideais analisadas na subseccedilatildeo seguinte As Figuras 47 e 48 ilustram o sinal de saiacuteda das

redes com frequecircncias de 10 GHz e de 100 GHz respectivamente Eacute possiacutevel observar que

na frequecircncia de 100 GHz o sinal de saiacuteda jaacute eacute distorcido em relaccedilatildeo ao sinal de referecircncia

(Figura 46)

Figura 47 Sinal de entrada (em verde) e sinal de saiacuteda (em preto) da rede a 10 GHz

Figura 48 Sinal de entrada (em verde) e sinal de saiacuteda (em preto) da rede a 100 GHz

41

442 Anaacutelise da rede com interconexotildees natildeo-ideais

Apoacutes obter as caracteriacutesticas da rede H-tree clock com interconexotildees ideais a anaacutelise da

rede com interconexotildees natildeo-ideais seraacute feita Primeiramente eacute importante verificar a

frequecircncia em -3dB do sinal depois das interconexotildees ou seja na entrada da porta

inversora Caso essa frequecircncia seja menor que a frequecircncia de 3200 GHz obtida com

interconexotildees ideais entatildeo a interconexatildeo afetaraacute o comportamento da rede A Tabela 49

mostra a frequecircncia em -3dB na entrada da inversora para interconexotildees natildeo-ideais

Tabela 49 Frequecircncia em -3dB na entrada da inversora para interconexotildees natildeo-ideais

Comprimentos (l2 l) Material f-3dB

50nm 100nm SWCNT bundle 122 THz

Cobre 175 THz

200nm 400nm SWCNT bundle 31 THz

Cobre 8606 GHz

500nm 1microm SWCNT bundle 12 THz

Cobre 1268 GHz

Assim verifica-se que a interconexatildeo de cobre da rede 500nm1microm possui frequecircncia em

-3dB abaixo da frequecircncia do circuito com interconexatildeo ideal (3200 GHz) Isso indica que

esta interconexatildeo interfere significativamente no comportamento da rede A Tabela 49

mostra tambeacutem que a banda passante da interconexatildeo de cobre soacute eacute maior que a da

interconexatildeo de SWCNT bundle no primeiro caso na rede de 50nm100nm o que mostra

uma vantagem do SWCNT bundle em relaccedilatildeo ao cobre A partir dessas informaccedilotildees a

rede H-tree clock com interconexotildees natildeo-ideais seraacute analisada detalhadamente

4421 Anaacutelise da rede a 10 GHz

As redes com interconexotildees natildeo-ideais seratildeo analisadas na frequecircncia de 10 GHz para

diferentes comprimentos Primeiramente o niacutevel loacutegico baixo (NB) o niacutevel loacutegico alto

(NA) o tempo de subida (tr) e o slew rate de subida (SR) foram obtidos conforme mostra a

Tabela 410 Com base nessa tabela verifica-se que na frequecircncia de 10 GHz essas

caracteriacutesticas natildeo foram modificadas pelas interconexotildees natildeo-ideais independentemente

do comprimento Os valores dos paracircmetros satildeo iguais aos obtidos na rede com

interconexatildeo ideal conforme Tabela 47 O sinal obtido na saiacuteda de cada inversor eacute igual

ao ilustrado na Figura 47

42

Tabela 410 Niacuteveis loacutegicos tempo de subida e slew rate dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 10 GHz

Freq L (l2l) Material NB(mV) NA(mV) tr(ps) SR(Vns)

10

GHz

50nm

100nm

SWCNT bundle 675 4518 356 8636

Cobre 675 4518 356 8636

200nm

400nm

SWCNT bundle 675 4518 356 8636

Cobre 675 4518 356 8636

500nm

1microm

SWCNT bundle 675 4518 356 8636

Cobre 675 4518 356 8636

A Tabela 411 mostra a atenuaccedilatildeo tempo de atraso potecircncia total dissipada e o produto

atraso-potecircncia obtidos a frequecircncia de 10 GHz para interconexotildees natildeo-ideais Observa-se

que a atenuaccedilatildeo do sinal e a potecircncia total dissipada por cada porta inversora permanecem

os mesmos em relaccedilatildeo agrave interconexatildeo ideal mostrando que a essa frequecircncia as

interconexotildees natildeo-ideais natildeo interferem nestes paracircmetros

Jaacute o atraso na propagaccedilatildeo do sinal no caso do cobre aumenta agrave medida que as

interconexotildees aumentam de comprimento aumentando tambeacutem o produto atraso-potecircncia

Esse atraso chega a 66 do periacuteodo do sinal de entrada para a interconexatildeo 500nm1microm

de cobre No entanto estes paracircmetros natildeo satildeo afetados pelas interconexotildees de SWCNT

bundle indicando que este material se sobressai em relaccedilatildeo ao cobre

Tabela 411 Atenuaccedilatildeo atraso potecircncia e produto atraso-potecircncia dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 10 GHz

Freq L (l2l) Material A (dB) td (ps) P (nW) DP(10-18

Wmiddots)

10

GHz

50nm

100nm

SWCNT bundle -264 412 4963 020

Cobre -264 412 4963 020

200nm

400nm

SWCNT bundle -264 412 4963 020

Cobre -264 438 4963 022

500nm

1microm

SWCNT bundle -264 412 4963 020

Cobre -264 659 4963 033

4422 Anaacutelise da rede a 100 GHz

As redes com interconexotildees natildeo-ideais seratildeo analisadas na frequecircncia de 100 GHz para

diferentes comprimentos O niacutevel loacutegico baixo (NB) o niacutevel loacutegico alto (NA) o tempo de

subida (tr) e o slew rate de subida (SR) foram obtidos conforme mostra a Tabela 412 Jaacute a

43

Tabela 413 mostra a atenuaccedilatildeo tempo de atraso potecircncia total dissipada e o produto

atraso-potecircncia obtidos a frequecircncia de 100 GHz para interconexotildees natildeo-ideais

Tabela 412 Niacuteveis loacutegicos tempo de subida e slew rate dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 100 GHz

Freq L (l2l) Material NB(mV) NA(mV) tr(ps) SR(Vns)

100

GHz

50nm

100nm

SWCNT bundle 678 4272 316 9099

Cobre 675 4277 323 9107

200nm

400nm

SWCNT bundle 678 4299 315 9196

Cobre 677 4089 289 9447

500nm

1microm

SWCNT bundle 678 4418 300 9973

Cobre 635 1766 102 6795

Tabela 413 Atenuaccedilatildeo atraso potecircncia e produto atraso-potecircncia dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 100 GHz

Freq L (l2l) Material A (dB) td (ps) P (nW) DP(10-18

Wmiddots)

100

GHz

50nm

100nm

SWCNT bundle -2703 189 6088 012

Cobre -2685 191 6088 012

200nm

400nm

SWCNT bundle -2693 188 6088 012

Cobre -2698 228 6088 014

500nm

1microm

SWCNT bundle -2673 174 6088 011

Cobre -2893 388 6088 024

A partir das Tabelas 412 e 413 o SWCNT bundle seraacute analisado Observa-se que os seus

niacuteveis loacutegicos altos aumentam com o aumento do comprimento das interconexotildees

aumentando tambeacutem o slew rate de subida Esse comportamento ocorre provavelmente

devido ao efeito ressonante provocado pela indutacircncia que provoca um pico no graacutefico da

frequumlecircncia antes dele comeccedilar a decair conforme explicado na subseccedilatildeo 421 Isso implica

na diminuiccedilatildeo da atenuaccedilatildeo do sinal e do atraso No entanto o produto atraso-potecircncia

permanece praticamente invariaacutevel jaacute que a potecircncia total dissipada natildeo se altera

Em relaccedilatildeo agraves interconexotildees de cobre verifica-se que as distorccedilotildees satildeo significativas Agrave

medida que o comprimento aumenta a atenuaccedilatildeo do sinal de saiacuteda aumenta Isso provoca

diminuiccedilatildeo no slew rate do sinal o que natildeo eacute desejado jaacute que o sinal demora mais para

atingir o niacutevel loacutegico alto Aleacutem disso o atraso na propagaccedilatildeo do sinal aumenta bastante

chegando a 388 do periacuteodo do sinal de entrada para a interconexatildeo 500nm1microm

Consequentemente o produto atraso-potecircncia tambeacutem aumenta sendo o dobro do valor de

44

referecircncia (interconexotildees ideais) A Figura 49 ilustra o sinal de saiacuteda da interconexatildeo

500nm1microm de cobre

Figura 49 Sinal de entrada (em verde) e sinal de saiacuteda (em preto) da rede a 100 GHz para

a interconexatildeo 500nm1microm de cobre

Comparando-se as potecircncias das tabelas 47 48 411 413 verifica-se que natildeo haacute

alteraccedilatildeo na potecircncia total dissipada pelo circuito com interconexotildees ideais e pelos

circuitos com interconexotildees natildeo-ideais para uma mesma frequecircncia Assim eacute importante

destacar que a dissipaccedilatildeo de potecircncia das interconexotildees de SWCNT bundle e de cobre natildeo

interfere na potecircncia total dissipada pelo circuito

443 Consideraccedilotildees Finais

Apoacutes analisar as interconexotildees locais de SWCNT de SWCNT bundle e de cobre

verificou-se que as interconexotildees de SWCNT bundle possuem desempenho comparaacutevel ao

das interconexotildees de cobre Em relaccedilatildeo agraves interconexotildees intermediaacuterias as de SWCNT

bundle apresentam desempenho superior agraves de cobre Jaacute as interconexotildees de SWCNT

isolado tanto para interconexotildees locais como para interconexotildees intermediaacuterias

apresentam desempenho inferior agraves interconexotildees de SWCNT bundle e de cobre natildeo

sendo propiacutecias a serem utilizadas em interconexotildees de circuitos integrados

Na anaacutelise das interconexotildees natildeo-ideais na rede H-tree clock mono-eleacutetron para a

frequecircncia de 10GHz observou-se que o niacutevel loacutegico baixo o niacutevel loacutegico alto o tempo de

subida o slew rate de subida a atenuaccedilatildeo do sinal e a potecircncia total dissipada por cada

porta inversora permanecem os mesmos em relaccedilatildeo agrave interconexatildeo ideal mostrando que

45

para esta frequecircncia as interconexotildees natildeo-ideais natildeo interferem nestes paracircmetros Jaacute o

atraso na propagaccedilatildeo do sinal no caso do cobre aumenta agrave medida que as interconexotildees

aumentam de comprimento aumentando tambeacutem o produto atraso-potecircncia No entanto

estes paracircmetros natildeo satildeo afetados pelas interconexotildees de SWCNT bundle indicando que

este material se sobressai em relaccedilatildeo ao cobre

Jaacute para a rede H-tree clock mono-eleacutetron a 100GHz observou-se que o circuito com

interconexotildees natildeo-ideais afetou bastante os paracircmetros em anaacutelise se comparados aos

obtidos para interconexotildees ideais Verificou-se que as distorccedilotildees provocadas pelas

interconexotildees de cobre foram significativas indicando que as interconexotildees de SWCNT

bundle possuem melhor desempenho que as de cobre

Assim constata-se que as interconexotildees de SWCNT bundle satildeo fortes candidatas a

substituirem as interconexotildees de cobre em circuitos em escala giga (GSI) e tera (TSI)

46

5 CONCLUSOtildeES

Nesta dissertaccedilatildeo o estudo das interconexotildees de SWCNT de SWCNT bundle e de cobre

foi realizado analisando e comparando os seus desempenhos para diferentes

comprimentos A partir desse estudo verificou-se que as interconexotildees de SWCNT bundle

possui desempenho comparaacutevel ao das interconexotildees de cobre no caso de interconexotildees

locais Em relaccedilatildeo agraves interconexotildees intermediaacuterias as de SWCNT bundle apresentam

desempenho superior agraves de cobre

As interconexotildees de SWCNT bundle e as interconexotildees de cobre foram entatildeo simuladas na

rede H-tree clock de dois niacuteveis para diferentes comprimentos e frequecircncias Nos pontos

de destino final da rede foram colocadas portas inversoras formadas por SETs permitindo

a anaacutelise de circuitos nanoeletrocircnicos

A partir da anaacutelise da rede H-tree clock observou-se que as interconexotildees de SWCNT

bundle possuem desempenho melhor que as de cobre principalmente em relaccedilatildeo ao slew

rate agrave atenuaccedilatildeo ao tempo de atraso e ao produto atraso-potecircncia Aleacutem disso a

dissipaccedilatildeo de potecircncia das interconexotildees natildeo-ideais natildeo interferem na potecircncia total

dissipada pelo circuito Assim as interconexotildees de SWCNT bundle satildeo fortes candidatas a

substituirem as interconexotildees de cobre em circuitos em escala giga (GSI) e tera (TSI)

Como perspectivas futuras eacute importante analisar o efeito das interconexotildees de nanotubo de

carbono em circuitos GSI e TSI com outras arquiteturas A anaacutelise das interconexotildees de

CNT tambeacutem deve ser feita em circuitos com tecnologia MOS permitindo a comparaccedilatildeo

entre diferentes tecnologias Aleacutem disso eacute interessante estudar outros tipos de materiais

que possam ser utilizados como interconexotildees em circuitos integrados

47

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53

7 APEcircNDICES

71 TABELAS COMPLEMENTARES

Tabela 71 Paracircmetros obtidos a partir do modelo de SWCNT isolado

L RQ (Ω) RS (Ω) LCNT (10-9

H) CCNT (10-18

F)

10 nm 645103 - 40010

-2 27910

-1

100 nm 645103 - 40010

-1 279

200 nm 645103 - 80010

-1 558

300 nm 645103 - 120 837

400 nm 645103 - 160 11210

1

500 nm 645103 - 200 14010

1

600 nm 645103 - 240 16710

1

700 nm 645103 - 280 19510

1

800 nm 645103 - 320 22310

1

900 nm 645103 - 360 25110

1

1 microm 645103 - 400 27910

1

10 microm 645103 64510

4 40010

1 27910

2

100 microm 645103 64510

5 40010

2 27910

3

200 microm 645103 12910

6 80010

2 55810

3

300 microm 645103 19410

6 12010

3 83710

3

400 microm

645103 25810

6 16010

3 11210

4

500 microm

645103 32310

6 20010

3 14010

4

Tabela 72 Paracircmetros obtidos a partir do modelo de SWCNT bundle

L RQ (Ω) RS (Ω) LBundle(10-9

H) CBundle(10-18

F)

10 nm 1075 - 66710-5

135

100 nm 1075 - 66710-4

135101

200 nm 1075 - 13310-3

270101

300 nm 1075 - 20010-3

405101

400 nm 1075 - 26710-3

540101

500 nm 1075 - 33310-3

675101

600 nm 1075 - 40010-3

810101

700 nm 1075 - 46710-3

945101

800 nm 1075 - 53310-3

108102

900 nm 1075 - 60010-3

122102

1 microm 1075 - 66710-3

135102

10 microm 1075 108102 66710

-2 13510

3

100 microm 1075 108103 66710

-1 13510

4

200 microm 1075 215103 133 27010

4

300 microm 1075 323103 200 40510

4

400 microm

1075 430103 267 54010

4

500 microm

1075 538103 333 67510

4

54

Tabela 73 Paracircmetros obtidos a partir do modelo de cobre

L RCu (Ω) LCu (10-9

H) CCu (10-18

F)

10 nm 06 37310-6

150

100 nm 60 63610-5

150101

200 nm 120 17510-4

300101

300 nm 180 30910-4

450101

400 nm 240 45410-4

600101

500 nm 300 61110-4

750101

600 nm 360 77510-4

900101

700 nm 420 94610-4

105102

800 nm 480 11210-3

120102

900 nm 540 13110-3

135102

1 microm 600 14910-3

150102

10 microm 60102 24010

-2 15010

3

100 microm 60103 33210

-1 15010

4

200 microm 12104 72010

-1 30010

4

300 microm 18104 113 45010

4

400 microm

24104 155 60010

4

500 microm

30104 198 75010

4

55

Tabela 74 Frequecircncia em -3dB das interconexotildees locais

Comprimento Material f-3dB

10 nm SWCNT isolado 253 GHz

SWCNT bundle 66 THz

Cobre 232 THz

100 nm SWCNT isolado 300 GHz

SWCNT bundle 20 THz

Cobre 51 THz

200 nm SWCNT isolado 342 GHz

SWCNT bundle 14 THz

Cobre 29 THz

300 nm SWCNT isolado 344 GHz

SWCNT bundle 11 THz

Cobre 20 THz

400 nm SWCNT isolado 329 GHz

SWCNT bundle 89 THz

Cobre 15 THz

500 nm SWCNT isolado 307 GHz

SWCNT bundle 76 THz

Cobre 12 THz

600 nm SWCNT isolado 288 GHz

SWCNT bundle 67 THz

Cobre 94 THz

700 nm SWCNT isolado 271 GHz

SWCNT bundle 61 THz

Cobre 76 THz

800 nm SWCNT isolado 255 GHz

SWCNT bundle 55 THz

Cobre 63 THz

900 nm SWCNT isolado 240 GHz

SWCNT bundle 51 THz

Cobre 52 THz

1 microm SWCNT isolado 230 GHz

SWCNT bundle 47 THz

Cobre 42 THz

56

Tabela 75 Frequecircncia em -3dB das interconexotildees intermediaacuterias

Comprimento Material f-3dB

10 microm SWCNT isolado 26 GHz

SWCNT bundle 527 GHz

Cobre 34 GHz

100 microm SWCNT isolado 32 MHz

SWCNT bundle 42 GHz

Cobre 345 MHz

200 microm SWCNT isolado 82 MHz

SWCNT bundle 10 GHz

Cobre 87 MHz

300 microm SWCNT isolado 36 MHz

SWCNT bundle 455 MHz

Cobre 38 MHz

400 microm SWCNT isolado 21 MHz

SWCNT bundle 256 MHz

Cobre 21 MHz

500 microm SWCNT isolado 13 MHz

SWCNT bundle 165 MHz

Cobre 14 MHz

57

8 ANEXOS

81 COacuteDIGO SPICE DO SET [44]

Transistor mono-eleacutetron (SET) conexotildees fonte | dreno | | porta1 | | | porta2 | | | | SUBCKT SET 1 2 3 4 PARAMS +C1=1E-20 Capacitacircncia da junccedilatildeo 1 +C2=1E-20 Capacitacircncia da junccedilatildeo 2 +R1=1E5 Resistecircncia da junccedilatildeo 1 +R2=1E5 Resistecircncia da junccedilatildeo 2 +Cg1=015E-18 Capacitacircncia da junccedilatildeo 1 +Cg2=0 Capacitacircncia da junccedilatildeo 2 +C0=0 Capacitacircncia proacutepria da ilha +Q0=005 Carga offset em unidades de e +TEMP=300 Temperatura PARAM E=160217733E-19 Carga do eleacutetron (e) PARAM CSUM=C1+C2+Cg1+Cg2+C0 Capacitacircncia total do SET PARAM T=TEMPCSUM53785467E14 Temperatura normalizada 53785467E14 = kBe^2 PARAM RN1=R1(R1+R2) Resistecircncia da junccedilatildeo 1 normalizada PARAM RN2=R2(R1+R2) Resistecircncia da junccedilatildeo 2 normalizada FUNC Q(v1v2v3v4) (Cg1v3+Cg2v4+C1v1+C2v2)E+Q0 Definiccedilatildeo da carga em unidades de e FUNC VN(v) CSUMvE Tensatildeo normalizada FUNC GAMMA(u) IF(T==0IF(ult0-u0)IF(u==0Tu(EXP(uT)-1))) FUNC N_OPT(v1v2v3v4) ROUND(-Q(v1v2v3v4)+(CSUME) (v1RN2+v2RN1)) A maior probabilidade de carga na ilha em unidades de e Os quarto eventos tuacuteneis FUNC R1L(nv1v2v3v4) GAMMA(05 - n - Q(v1v2v3v4) + VN(v1))RN1 FUNC R1R(nv1v2v3v4) GAMMA(05 + n + Q(v1v2v3v4) - VN(v1))RN1 FUNC R2L(nv1v2v3v4) GAMMA(05 + n + Q(v1v2v3v4) - VN(v2))RN2 FUNC R2R(nv1v2v3v4) GAMMA(05 - n - Q(v1v2v3v4) + VN(v2))RN2

58

determinaccedilatildeo das probabilidades relativas assume-se inicialmente que o estado da carga N_OPT tem probabilidade relativa igual a um FUNC PN_1(nv1v2v3v4) (R1L(nv1v2v3v4)+R2R(nv1v2v3v4))(R1R(n-1v1v2v3v4)+R2L(n-1v1v2v3v4)) FUNC PN_2(nv1v2v3v4) PN_1(nv1v2v3v4) +(R1L(n-1v1v2v3v4)+R2R(n-1v1v2v3v4))(R1R(n-2v1v2v3v4)+R2L(n-2v1v2v3v4)) FUNC PN_3(nv1v2v3v4) PN_2(nv1v2v3v4) +(R1L(n-2v1v2v3v4)+R2R(n-2v1v2v3v4))(R1R(n-3v1v2v3v4)+R2L(n-3v1v2v3v4)) FUNC PN_4(nv1v2v3v4) PN_3(nv1v2v3v4) +(R1L(n-3v1v2v3v4)+R2R(n-3v1v2v3v4))(R1R(n-4v1v2v3v4)+R2L(n-4v1v2v3v4)) FUNC PN_5(nv1v2v3v4) PN_4(nv1v2v3v4) +(R1L(n-4v1v2v3v4)+R2R(n-4v1v2v3v4))(R1R(n-5v1v2v3v4)+R2L(n-5v1v2v3v4)) FUNC PN1(nv1v2v3v4) (R2L(nv1v2v3v4) +R1R(nv1v2v3v4))(R2R(n+1v1v2v3v4)+R1L(n+1v1v2v3v4)) FUNC PN2(nv1v2v3v4) PN1(nv1v2v3v4) +(R2L(n+1v1v2v3v4)+R1R(n+1v1v2v3v4))(R2R(n+2v1v2v3v4)+R1L(n+2v1v2v3v4)) FUNC PN3(nv1v2v3v4) PN2(nv1v2v3v4) +(R2L(n+2v1v2v3v4)+R1R(n+2v1v2v3v4))(R2R(n+3v1v2v3v4)+R1L(n+3v1v2v3v4)) FUNC PN4(nv1v2v3v4) PN3(nv1v2v3v4) +(R2L(n+3v1v2v3v4)+R1R(n+3v1v2v3v4))(R2R(n+4v1v2v3v4)+R1L(n+4v1v2v3v4)) FUNC PN5(nv1v2v3v4) PN4(nv1v2v3v4) +(R2L(n+4v1v2v3v4)+R1R(n+4v1v2v3v4))(R2R(n+5v1v2v3v4)+R1L(n+5v1v2v3v4)) FUNC PSUM(nv1v2v3v4) PN_5(nv1v2v3v4)+PN_4(nv1v2v3v4)+PN_3(nv1v2v3v4)+PN_2(nv1v2v3v4) ++PN_1(nv1v2v3v4)+1+PN1(nv1v2v3v4)+PN2(nv1v2v3v4)+PN3(nv1v2v3v4) ++PN4(nv1v2v3v4)+PN5(nv1v2v3v4)

59

caacutelculo da corrente da fonte para o dreno FUNC CUR(nv1v2v3v4) PN_5(nv1v2v3v4)(R1R(n-5v1v2v3v4)-R1L(n-5v1v2v3v4)) ++PN_4(nv1v2v3v4)(R1R(n-4v1v2v3v4)-R1L(n-4v1v2v3v4)) ++PN_3(nv1v2v3v4)(R1R(n-3v1v2v3v4)-R1L(n-3v1v2v3v4)) ++PN_2(nv1v2v3v4)(R1R(n-2v1v2v3v4)-R1L(n-2v1v2v3v4)) ++PN_1(nv1v2v3v4)(R1R(n-1v1v2v3v4)-R1L(n-1v1v2v3v4)) ++(R1R(nv1v2v3v4)-R1L(nv1v2v3v4)) ++PN1(nv1v2v3v4)(R1R(n+1v1v2v3v4)-R1L(n+1v1v2v3v4)) ++PN2(nv1v2v3v4)(R1R(n+2v1v2v3v4)-R1L(n+2v1v2v3v4)) ++PN3(nv1v2v3v4)(R1R(n+3v1v2v3v4)-R1L(n+3v1v2v3v4)) ++PN4(nv1v2v3v4)(R1R(n+4v1v2v3v4)-R1L(n+4v1v2v3v4)) ++PN5(nv1v2v3v4)(R1R(n+5v1v2v3v4)-R1L(n+5v1v2v3v4)) FUNC CURRENT(nv1v2v3v4) ECUR(nv1v2v3v4)(CSUMPSUM(nv1v2v3v4)(R1+R2)) caacutelculo da tensatildeo da ilha FUNC VOLT(nv1v2v3v4) PN_5(nv1v2v3v4)(n-5+Q(v1v2v3v4)) ++PN_4(nv1v2v3v4)(n-4+Q(v1v2v3v4)) ++PN_3(nv1v2v3v4)(n-3+Q(v1v2v3v4)) ++PN_2(nv1v2v3v4)(n-2+Q(v1v2v3v4)) ++PN_1(nv1v2v3v4)(n-1+Q(v1v2v3v4)) ++n+Q(v1v2v3v4) ++PN1(nv1v2v3v4)(n+1+Q(v1v2v3v4)) ++PN2(nv1v2v3v4)(n+2+Q(v1v2v3v4)) ++PN3(nv1v2v3v4)(n+3+Q(v1v2v3v4)) ++PN4(nv1v2v3v4)(n+4+Q(v1v2v3v4)) ++PN5(nv1v2v3v4)(n+5+Q(v1v2v3v4)) FUNC VOLTAGE(nv1v2v3v4) (ECSUM)VOLT(nv1v2v3v4)PSUM(nv1v2v3v4) E1 5 0 VALUE= VOLTAGE(N_OPT(V(1)V(2)V(3)V(4))V(1)V(2)V(3)V(4)) Tensatildeo da ilha G1 1 2 VALUE= CURRENT(N_OPT(V(1)V(2)V(3)V(4))V(1)V(2)V(3)V(4)) Corrente da fonte para o dreno CT1 1 5 C1 CT2 2 5 C2 CGATE1 3 5 CG1 CGATE2 4 5 CG2 ENDS SET

Page 31: ANÁLISE COMPARATIVA ENTRE ... - repositorio.unb.brrepositorio.unb.br/.../1/2012_CamilaPeixotoSilvaMadeiraNogueira.pdf · Prof. Stefan Michael Blawid, ... Deus colocou esses dois

18

Quando haacute carregamento por tunelamento de uma junccedilatildeo e descarregamento da outra

junccedilatildeo haacute um fluxo controlado de cargas o que gera a corrente I [10]

Figura 213 Transistor mono-eleacutetron [10]

Um efeito que pode ser observado na caracteriacutestica da corrente versus tensatildeo do transistor

mono-eleacutetron eacute chamado de oscilaccedilatildeo de Coulomb [24679] Se a tensatildeo V for mantida

constante com CeV e a tensatildeo Vg for aumentada ateacute atingir gg CeV 2 esse

valor de tensatildeo permitiraacute que um eleacutetron passe pela ilha Como soacute haveraacute corrente fluindo

no circuito em valores muacuteltiplos da tensatildeo gCe 2 soacute ocorreraacute o tunelamento novamente

quando )2(3 gg CeV A caracteriacutestica corrente (I) versus tensatildeo (Vg) do transistor

mono-eleacutetron eacute ilustrada na Figura 214 [10]

Figura 214 Caracteriacutestica corrente (I) versus tensatildeo (Vg) do transistor mono-eleacutetron [10]

222 Estrutura do inversor mono-eleacutetron

Um inversor pode ser construiacutedo colocando-se dois SETs em seacuterie os quais compartilham

da mesma entrada [5689] conforme mostrado na Figura 215 Vin eacute a tensatildeo de entrada

Vout eacute a tensatildeo de saiacuteda Vbias eacute a tensatildeo de polarizaccedilatildeo CC eacute a capacitacircncia de carga Cg1 e

Cg2 satildeo as capacitacircncias de porta do SET 1 e do SET 2 respectivamente

19

Figura 215 Esquemaacutetico do inversor utilizando SETs (modificado de [4])

Alguns modelos do SET desenvolvidos no software SPICE foram propostos na literatura

[4-7] Destes modelos o proposto por G Lientschnig et al [4] descreve a implementaccedilatildeo

completa da teoria ortodoxa e usa apenas os recursos em versotildees disponiacuteveis publicamente

do software SPICE Este modelo diferentemente dos modelos propostos em [5-7] natildeo estaacute

limitado a transistores mono-eleacutetron com junccedilotildees-tuacutenel que tecircm resistecircncias iguais Aleacutem

disso pode ser estendido para incluir um nuacutemero arbitraacuterio de estados de carga que

permite simulaccedilotildees definidas para altas temperaturas e tensotildees de polarizaccedilatildeo [4] O

modelo de G Lientschnig et al estaacute disponiacutevel no siacutetio eletrocircnico [44] Assim este foi o

modelo utilizado neste trabalho

23 CLOCKING DE SISTEMAS DE ALTA VELOCIDADE

Em sistemas digitais siacutencronos o sinal do clock eacute utilizado para definir uma referecircncia de

tempo agrave mudanccedila de dados dentro do sistema [1145] Assim a distribuiccedilatildeo do clock eacute de

suma importacircncia na operaccedilatildeo de circuitos integrados digitais sendo uma grande

preocupaccedilatildeo em circuitos integrados de alta velocidade [46-51] Circuitos em escala

nanomeacutetrica podem ser significativamente limitados devido ao clock skew que ocorre

quando os circuitos natildeo estatildeo equumlidistantes do sinal do clock [11454649-51] Como este

sinal eacute o sinal mais ativo em um chip pode resultar em elevado consumo de potecircncia e

grandes densidades de corrente na rede de interconexotildees do clock [454849]

Dessa forma o sinal do clock deve atingir ao mesmo tempo cada noacute para garantir que a

comutaccedilatildeo seja sincronizada bem como deve ser distribuiacutedo de forma que haja o menor

20

atraso possiacutevel [49] Com esse intuito os seguintes fatores entre outros satildeo fundamentais

no desempenho do clock dispositivos loacutegicos de tecnologia raacutepida (avanccedilada) rede de

distribuiccedilatildeo de clock que minimize o skew e interconexotildees com alto desempenho [11]

Conforme exposto anteriormente os dispositivos nanoeletrocircnicos como os transistores

mono-eleacutetron satildeo potencialmente aplicaacuteveis em circuitos integrados em escala giga (GSI)

e tera (TSI) Estes dispositivos permitem que as funccedilotildees loacutegicas sejam desempenhadas em

um tempo mais raacutepido e com menor atraso Assim satildeo fortes candidatos a serem utilizados

em circuitos integrados com clock

A adequada rede de distribuiccedilatildeo do clock assegura que a comutaccedilatildeo seja sincronizada e

que haja o menor atraso possiacutevel [1145] Aleacutem disso dependendo da arquitetura da rede o

niacutevel de sincronismo do sistema pode aumentar Diferentes tipos de abordagens tecircm sido

desenvolvidos para projetar a rede de distribuiccedilatildeo do clock em sistemas digitais de

circuitos integrados [45] Os buffered trees satildeo muito utilizados na distribuiccedilatildeo

equipotencial do clock Aleacutem dessas estruturas assimeacutetricas arquiteturas simeacutetricas como

o H-tree satildeo usadas para distribuir sinais de clock em alta velocidade podendo inclusive

ser projetadas com buffers [45-51] Algumas formas de rede de distribuiccedilatildeo do clock estatildeo

ilustradas na Figura 216 incluindo a trunk tree mesh e H-tree [45]

Figura 216 Estruturas comuns de redes de distribuiccedilatildeo de clock [45]

21

Atualmente as interconexotildees de cobre satildeo bastante utilizadas para circuitos de alto

desempenho como em redes de clock No entanto os CNTs apresentam caracteriacutesticas que

os tornam melhores para serem utilizados em interconexotildees descritas na subseccedilatildeo 221

[48] Neste trabalho seraacute realizada a comparaccedilatildeo entre interconexotildees de cobre e de CNT

na rede de distribuiccedilatildeo do H-tree clock

231 H-Tree Clock

O clock skew pode ser minimizado distribuindo-se o sinal do clock de forma que as

interconexotildees que levam o sinal aos circuitos loacutegicos tecircm o mesmo comprimento Se antes

de chegarem aos circuitos loacutegicos os sinais do clock forem igualmente atrasados eles

estaratildeo perfeitamente sincronizados [1145] Dessa forma o esquemaacutetico da Figura 217 de

distribuiccedilatildeo do clock minimiza o clock skew repetindo recursivamente uma estrutura em

forma de H [11] A Figura 217 ilustra uma rede H-tree simeacutetrica com trecircs niacuteveis [46]

Figura 217 Esquemaacutetico do H-tree clock simeacutetrico (modificado de [46])

Na estrutura do H-tree o condutor primaacuterio do clock estaacute ligado ao centro do H principal

(1ordm niacutevel) transmitindo o sinal para os quatro cantos deste H Esses quatro cantos satildeo as

entradas para o proacuteximo niacutevel do H-tree o 2ordm niacutevel que possui quatro estruturas em H O

processo de distribuiccedilatildeo continua por vaacuterios niacuteveis de H‟s cada vez menores Os pontos de

destino final do H-tree satildeo usados para conduzir os circuitos locais Assim cada caminho

do clock desde a fonte ateacute o circuito local possui praticamente o mesmo atraso [45]

22

24 MEDIDAS DE DESEMPENHO NA ANAacuteLISE DAS INTERCONEXOtildeES

As interconexotildees em circuitos integrados possuem caracteriacutesticas que modificam o sinal de

entrada O efeito das interconexotildees pode provocar atrasos e distorccedilotildees indesejaacuteveis Nesse

contexto eacute necessaacuterio analisar medidas de desempenho dos sinais sob efeito das

interconexotildees tais como velocidade maacutexima atenuaccedilatildeo tempo de atraso potecircncia

dissipada produto atraso-potecircncia e slew rate [111317202342]

241 Velocidade maacutexima - anaacutelise na frequumlecircncia

A velocidade maacutexima que as interconexotildees podem operar sem distorcer o sinal de entrada

eacute uma medida de desempenho importante [172023] Eacute possiacutevel analisar este paracircmetro

atraveacutes da frequumlecircncia maacutexima de operaccedilatildeo da interconexatildeo que eacute a largura de banda em

que o sinal comeccedila a decair em -3dB em relaccedilatildeo ao sinal de referecircncia [1742] Assim

utiliza-se a anaacutelise do moacutedulo do graacutefico de Bode para obter a frequumlecircncia de operaccedilatildeo em

-3dB [42] A Figura 218 mostra o esboccedilo do moacutedulo do ganho pela frequumlecircncia tiacutepico do

comportamento de interconexotildees

Figura 218 Graacutefico do moacutedulo do ganho pela frequumlecircncia tiacutepico do comportamento de

interconexotildees

23

242 Atenuaccedilatildeo

A transmissatildeo de um sinal pode ser expressa em funccedilatildeo do seu ganho ou da sua atenuaccedilatildeo

No caso em estudo as interconexotildees podem atenuar o sinal Essa atenuaccedilatildeo eacute geralmente

calculada pela expressatildeo (227) em que Vo eacute o sinal de saiacuteda e Vi eacute o sinal de entrada [42]

i

o

V

VA log20 (227)

243 Tempo de atraso

O tempo de atraso td ou atraso na propagaccedilatildeo ocorre devido ao

carregamentodescarregamento da capacitacircncia de carga bem como ao tempo de

chaveamento dos transistores [42]

O tempo de atraso eacute obtido pela diferenccedila entre o tempo medido a 50 da transiccedilatildeo dos

sinais de entrada e de saiacuteda [11] Em circuitos loacutegicos o atraso na propagaccedilatildeo pode ser

calculado pela meacutedia aritmeacutetica do tempo de propagaccedilatildeo do sinal de alto para baixo tPHL e

do tempo de propagaccedilatildeo do baixo para alto tPLH conforme equaccedilatildeo (228) [1142]

2

PLHPHLd

ttt

(228)

244 Potecircncia dissipada

A dissipaccedilatildeo de potecircncia eacute outra medida de desempenho bastante importante em circuitos

integrados em escala GSI e TSI Isso ocorre jaacute que ao aumentar o nuacutemero de portas

loacutegicas em uma determinada aacuterea ocupada eacute necessaacuterio que a dissipaccedilatildeo de potecircncia esteja

dentro de limites aceitaacuteveis [1142]

A dissipaccedilatildeo de potecircncia eacute composta por dois componentes potecircncia estaacutetica e potecircncia

dinacircmica A dissipaccedilatildeo de potecircncia estaacutetica eacute dada por IVP DDE e ocorre mesmo que

natildeo haja chaveamento de porta loacutegica no circuito devido ao efeito da resistecircncia do

circuito [42] A dissipaccedilatildeo de potecircncia dinacircmica eacute devido agrave capacitacircncia de carga do

24

circuito expressa por CVfP DDD 2 em que VDD eacute a tensatildeo de alimentaccedilatildeo f eacute

frequumlecircncia do circuito e C eacute a capacitacircncia de carga do circuito [1142] Assim a soma da

potecircncia dinacircmica e da potecircncia estaacutetica resulta na potecircncia total dissipada no circuito

245 Produto atraso-potecircncia

Em circuitos integrados o ideal eacute que se tenha baixo atraso na propagaccedilatildeo resultando em

uma maior velocidade de funcionamento do circuito bem como baixa dissipaccedilatildeo de

potecircncia No entanto essas duas exigecircncias satildeo conflitantes ao reduzirmos a dissipaccedilatildeo de

potecircncia de uma porta a capacidade da porta em fornecer corrente diminuiraacute isso

implicaraacute em um maior tempo de carga e descarga aumentando o atraso na propagaccedilatildeo

Assim o produto atraso-potecircncia (delay power product ndash DP) eacute uma medida de

desempenho bastante utilizada na anaacutelise de circuitos e eacute dado por dD tPDP Quanto

menor o produto atraso-potecircncia maior a eficiecircncia do circuito loacutegico [42]

246 Slew rate

A taxa maacutexima de variaccedilatildeo da tensatildeo de saiacuteda do inglecircs slew rate (SR) eacute uma

caracteriacutestica importante do sinal de saiacuteda de um circuito loacutegico A limitaccedilatildeo na taxa de

variaccedilatildeo pode provocar uma distorccedilatildeo no funcionamento do circuito O SR pode ser

calculado pela expressatildeo (229) em que Δv eacute a variaccedilatildeo da tensatildeo de saiacuteda do sinal para

uma determinada variaccedilatildeo de tempo Δt [42]

t

vSR

(229)

25 LTSPICE

O software LTSPICE eacute um simulador SPICE de alto desempenho orientado a

esquemaacuteticos e visualizador de formas de onda com modelos para facilitar a simulaccedilatildeo de

circuitos eletrocircnicos Se comparado aos outros simuladores SPICE a simulaccedilatildeo do

LTSPICE eacute bastante raacutepida O software consegue simular dispositivos de acordo com o

padratildeo industrial reproduzindo os seus comportamentos [52]

25

O LTSPICE possui vaacuterias possibilidades de simulaccedilatildeo como anaacutelise transiente anaacutelise AC

e anaacutelise DC bem como permite a simulaccedilatildeo de vaacuterios dispositivos disponiacuteveis na sua

biblioteca Aleacutem disso este software possibilita a elaboraccedilatildeo de novos esquemaacuteticos

atraveacutes de um modelo matemaacutetico ou eletrocircnico proposto O novo componente poderaacute ser

utilizado no circuito conforme seraacute feito neste trabalho utilizando-se o modelo SPICE do

SET proposto por G Lientschnig et al[4]

26

3 METODOLOGIA

31 INTRODUCcedilAtildeO

A miniaturizaccedilatildeo das interconexotildees prejudica o seu desempenho resultando no aumento

significativo do valor da resistividade da capacitacircncia de acoplamento entre vias na

dificuldade de controlar a razatildeo entre a altura e a largura do material entre outros

problemas A fim de analisar o desempenho das interconexotildees eacute necessaacuterio verificar

algumas variaacuteveis importantes como velocidade maacutexima (f-3dB) atenuaccedilatildeo (A) tempo de

atraso (td) potecircncia dissipada (P) produto atraso-potecircncia (DP) e slew rate (SR)

[111317202342]

32 ETAPAS E ESTRATEacuteGIAS ADOTADAS

Com o intuito de analisar o efeito das interconexotildees em circuitos com transistores mono-

eleacutetron foi realizada primeiramente a anaacutelise das interconexotildees de SWCNT de SWCNT

bundle e de cobre isoladamente para diferentes valores de comprimento Apoacutes a avaliaccedilatildeo

desses resultados o efeito das interconexotildees foi analisado no H-tree clock com inversores

mono-eleacutetron nos seus terminais tambeacutem considerando diferentes comprimentos Neste

trabalho a tecnologia de 22 nm prevista para o ano de 2016 [21] foi utilizada na

comparaccedilatildeo entre o desempenho do cobre e do CNT Todas as simulaccedilotildees foram realizadas

utilizando o software LTSPICE

321 Simulaccedilatildeo das interconexotildees

A partir dos modelos das interconexotildees de SWCNT SWCNT bundle e cobre apresentados

na subseccedilatildeo 213 diferentes comprimentos das interconexotildees foram simulados Assim

analisou-se as interconexotildees locais em que l le 1 μm e as intermediaacuterias em que 1 μm lt l

le 500 μm sabendo que l eacute o comprimento da interconexatildeo [29-31333638]

A fim de analisar a frequumlecircncia de corte este foi obtido para comprimentos de

interconexotildees locais (10nm 100nm 200nm 300nm 400nm 500nm 600nm 700nm

27

800nm 900nm 1μm) e interconexotildees intermediaacuterias (10μm 100μm 200μm 300μm

400μm 500μm)

Jaacute que λCNT eacute tipicamente 1 μm foram escolhidos trecircs comprimentos na faixa lCNT le λCNT

(10 nm 100 nm e 1 μm) e trecircs comprimentos na faixa lCNT gt λCNT (10 μm 100 μm 500

μm) para serem analisados detalhadamente Escolheu-se uma mesma frequecircncia abaixo da

frequecircncia de corte dos trecircs materiais considerados para analisar e comparar a atenuaccedilatildeo

(A) e o tempo de atraso na propagaccedilatildeo (td) dos diferentes comprimentos

Em seguida o mesmo procedimento foi feito para comparar somente o SWCNT bundle e o

cobre para uma mesma frequecircncia cujo valor eacute maior que a frequecircncia da anaacutelise anterior

permitindo que estes dois materiais sejam analisados detalhadamente

Essas anaacutelises foram realizadas a partir da simulaccedilatildeo do circuito da Figura 31 [2325] A

tensatildeo de entrada Vin eacute uma onda quadrada de 1V de amplitude e o capacitor de carga tem

o valor de 100 aF

Figura 31 ndash Circuito simulado para cada interconexatildeo

A Figura 32 mostra o fluxograma das etapas descritas nesta subseccedilatildeo 321

28

Figura 32 ndash Fluxograma das etapas seguidas na simulaccedilatildeo das interconexotildees

322 Simulaccedilatildeo do inversor mono-eleacutetron

Para utilizar a porta inversora da Figura 215 nos terminais do H-tree clock foi necessaacuterio

primeiramente simular o SET proposto por [4] Essa simulaccedilatildeo foi feita variando os

paracircmetros do SET como as resistecircncias e capacitacircncias das junccedilotildees as capacitacircncias de

porta a temperatura etc Os paracircmetros foram variados ateacute simular o SET a temperatura

de 300K Em seguida simulou-se a inversora da Figura 215 tambeacutem a temperatura

ambiente Dessa forma foi possiacutevel simular a inversora isoladamente obtendo as

caracteriacutesticas do sinal de saiacuteda

323 Simulaccedilatildeo do H-tree clock mono-eleacutetron

Apoacutes a simulaccedilatildeo do SET foi possiacutevel simular o H-tree clock A rede H-tree de dois niacuteveis

foi simulada com um H no primeiro niacutevel e quatro H‟s no segundo niacutevel [49] Nos pontos

de destino final da rede foram colocadas portas inversoras formadas por SETs permitindo

a anaacutelise de circuitos nanoeletrocircnicos

Modelos de SWCNT

SWCNT bundle e cobre

Obtenccedilatildeo dos paracircmetros dos modelos para

interconexotildees locais e interconexotildees intermediaacuterias

Para cada comprimento

obtenccedilatildeo de f-3dB

1ordm) Escolha de frequumlecircncia abaixo

da f-3dB do SWCNT SWCNT

bundle e cobre

2ordm) Escolha de frequumlecircncia abaixo

da f-3dB do SWCNT bundle e

cobre

Obtenccedilatildeo de A e td de

cada modelo

Obtenccedilatildeo de A e td de

cada modelo

Anaacutelise comparativa entre o

SWCNT SWCNT bundle e

cobre

Anaacutelise comparativa entre o

SWCNT bundle e cobre

Estudo de interconexotildees locais (10nm

100nm 1μm) e intermediaacuterias (10μm

100μm 500μm)

29

A partir da simulaccedilatildeo do H-tree clock obteve-se a frequecircncia em -3dB (f-3dB) da rede com

interconexotildees ideais Assim a rede H-tree foi entatildeo simulada para duas frequecircncias

diferentes do sinal de entrada abaixo da frequecircncia de -3dB 10 GHz e 100 GHz Com

essas simulaccedilotildees obtiveram-se as seguintes caracteriacutesticas do sinal de saiacuteda da inversora

niacutevel loacutegico baixo (NB) niacutevel loacutegico alto (NA) tempo de subida (tr) slew rate de subida

(SR) atenuaccedilatildeo (A) tempo de atraso (td) potecircncia dissipada (P) e produto atraso-potecircncia

(DP) As caracteriacutesticas obtidas servem como referecircncia para analisar o sinal considerando

interconexotildees natildeo-ideais ou seja incluindo os modelos das interconexotildees nas simulaccedilotildees

Em seguida a rede H-tree foi simulada considerando-se os modelos das interconexotildees de

SWCNT bundle e de cobre variando os seus comprimentos Como cada H da rede de

distribuiccedilatildeo deve ser simeacutetrico considerou-se que cada divisatildeo do H tem o mesmo

comprimento para cada niacutevel da rede [11] A Figura 33 mostra o comprimento dos

diferentes trechos da rede Assim o comprimento de cada divisatildeo dos H‟s do segundo

niacutevel eacute a metade do comprimento de cada divisatildeo do H do primeiro niacutevel Jaacute que o objetivo

eacute simular circuitos em escala nanomeacutetrica escolheu-se trecircs variaccedilotildees de comprimento

menores ou iguais a 1μm

l = 100 nm l2 = 50 nm

l = 400 nm l2 = 200 nm

l = 1 μm l2 = 500 nm

Figura 33 ndash Esquemaacutetico do H-tree clock com os comprimentos de cada seguimento

Dessa forma cada um dos trecircs circuitos foi simulado obtendo-se a frequecircncia em -3dB na

entrada das portas inversoras Em seguida as trecircs redes foram simuladas para as mesmas

30

duas frequumlecircncias do sinal de entrada (10 GHz e 100 GHz) de forma a obter as

caracteriacutesticas do sinal de saiacuteda descritas anteriormente considerando agora o efeito das

interconexotildees

Por fim a partir dos dados obtidos foram realizadas comparaccedilotildees entre as caracteriacutesticas

do sinal de saiacuteda de referecircncia (interconexotildees ideais) e o sinal de saiacuteda dos circuitos com as

interconexotildees natildeo-ideais bem como entre o comportamento das interconexotildees de SWCNT

bundle e de cobre nas diferentes frequecircncias

A Figura 34 mostra o fluxograma das etapas descritas nas subseccedilotildees 322 e 323

Figura 34 ndash Fluxograma das etapas seguidas na simulaccedilatildeo do H-tree clock

H-tree clock mono-eleacutetron

Simulaccedilatildeo do H-tree clock com

interconexotildees ideais Obtenccedilatildeo de f-3dB

da inversora

Simulaccedilatildeo do H-tree clock com

interconexotildees natildeo-ideais para os seguintes

comprimentos

l = 100 nm l2 = 50 nm

l = 400 nm l2 = 200 nm

l = 1 μm l2 = 500 nm

Validaccedilatildeo do SET e do

inversor mono-eleacutetron a

300K

Sinal de entrada a

10 GHz

Sinal de entrada a

100 GHz

Obtenccedilatildeo de NB

NA tr SR A td P e

DP do sinal de saiacuteda

da inversora

Obtenccedilatildeo de NB

NA tr SR A td P e

DP do sinal de saiacuteda

da inversora

Sinal de entrada a

10 GHz

Sinal de entrada a

100 GHz

Obtenccedilatildeo de NB

NA tr SR A td P e

DP do sinal de saiacuteda

da inversora

Obtenccedilatildeo de NB

NA tr SR A td P e

DP do sinal de saiacuteda

da inversora

Anaacutelise comparativa

dos dados obtidos

31

4 RESULTADOS E ANAacuteLISES

41 INTRODUCcedilAtildeO

Neste capiacutetulo seratildeo apresentados os procedimentos adotados e os resultados obtidos na

simulaccedilatildeo das interconexotildees SWCNT SWCNT bundle e cobre As etapas descritas na

metodologia foram seguidas obtendo-se os resultados das simulaccedilotildees das interconexotildees e

das simulaccedilotildees do H-tree clock mono-eleacutetron para interconexotildees ideais e natildeo-ideais A

partir dos resultados a anaacutelise do desempenho das interconexotildees seraacute apresentada

42 ANAacuteLISE DAS INTERCONEXOtildeES

Nesta seccedilatildeo a anaacutelise das interconexotildees de SWCNT SWCNT bundle e cobre na

tecnologia de 22 nm para diferentes comprimentos seraacute realizada Para isso analisou-se

as interconexotildees locais em que l le 1 μm e as intermediaacuterias em que 1 μm lt l le 500 μm

sabendo que l eacute o comprimento da interconexatildeo [29-31333638] Como λCNT eacute

tipicamente 1 μm trecircs comprimentos na faixa lCNT le λCNT (10 nm 100 nm e 1 μm) e trecircs

comprimentos na faixa lCNT gt λCNT (10 μm 100 μm 500 μm) de cada material seratildeo

analisados detalhadamente Os paracircmetros obtidos a partir dos modelos de SWCNT

SWCNT bundle e cobre estatildeo respectivamente nas Tabelas 71 72 e 73 do Apecircndice

421 Interconexotildees locais

Primeiramente a partir da simulaccedilatildeo da Figura 31 obteve-se a frequecircncia em -3dB (f-3dB)

das interconexotildees locais (lCNT le λCNT ) isto eacute a sua banda passante de forma a verificar a

velocidade maacutexima que cada interconexatildeo suporta A Figura 41 ilustra o comportamento

da frequecircncia das interconexotildees locais para os diferentes comprimentos Como o SWCNT

isolado possui valores de frequecircncia na faixa de centenas de giga Hertz ou seja menos de

um tera Hertz os valores de suas frequecircncias tambeacutem podem ser visualisados na Tabela

74 do Apecircndice

Verifica-se que agrave medida que o comprimento da interconexatildeo aumenta a frequecircncia

diminui Isso ocorre jaacute que os valores da capacitacircncia e indutacircncia aumentam com o

aumento do comprimento da interconexatildeo Esses paracircmetros satildeo decisivos no sinal de

32

saiacuteda sendo o sinal mais distorcido quanto maior for o valor desses paracircmetros Observa-

se que o SWCNT bundle e o cobre possuem banda passante maiores que o SWCNT

isolado para qualquer comprimento Aleacutem disso o SWCNT bundle soacute possui uma banda

passante comparaacutevel ao do cobre para comprimentos acima de 700 nm

Frequecircncia X Comprimento

0

10

20

30

40

50

60

100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

Comprimento (nm)

f -3d

B (

TH

z)

SWCNT Isolado

SWCNT bundle

Cobre

Figura 41 ndash Frequumlecircncia versus comprimento das interconexotildees locais

As interconexotildees locais de 10 nm 100 nm e 1 μm de comprimento foram analisadas

detalhadamente A Tabela 41 mostra a frequecircncia em -3dB de cada material para os

comprimentos em anaacutelise

Tabela 41 Frequecircncia em -3dB de cada material para lCNT le λCNT

Interconexatildeo Local Comprimento (L) Material f-3dB

SWCNT isolado 253 GHz

10nm SWCNT bundle 66 THz

Cobre 232 THz

SWCNT isolado 300 GHz

lCNT le λCNT 100nm SWCNT bundle 20 THz

Cobre 51 THz

SWCNT isolado 230 GHz

1microm SWCNT bundle 47 THz

Cobre 42 THz

Assim escolheu-se uma mesma frequecircncia abaixo da frequecircncia de corte dos trecircs

materiais considerados para analisar e comparar a atenuaccedilatildeo (A) e o tempo de atraso na

propagaccedilatildeo (td) dos trecircs comprimentos Isso permite verificar o comportamento do sinal na

banda passante A Tabela 42 mostra esse estudo comparativo entre o SWCNT isolado

SWCNT bundle e cobre agrave frequecircncia de 200 GHz

33

Tabela 42 Estudo das interconexotildees com comprimentos na faixa lCNT le λCNT

Freq L Material A (dB) td (ps)

SWCNT isolado -210 046

10nm SWCNT bundle 001 000

Cobre 000 000

SWCNT isolado -155 051

200 GHz 100nm SWCNT bundle 001 000

Cobre 001 000

SWCNT isolado -039 107

1microm SWCNT bundle 006 001

Cobre 000 007

A partir da anaacutelise da Tabela 42 eacute possiacutevel observar agrave frequumlecircncia de 200 GHz a

atenuaccedilatildeo do sinal e o atraso do SWCNT isolado Nessa frequumlecircncia o atraso do SWCNT

isolado eacute significativo em relaccedilatildeo ao periacuteodo do sinal que eacute 5ps jaacute que o menor atraso

(para l = 10nm) eacute aproximadamente 10 do periacuteodo do sinal de entrada No entanto para

esta mesma frequumlecircncia observa-se que a atenuaccedilatildeo e o atraso do SWCNT bundle e do

cobre satildeo insignificantes Isto indica que estes dois materiais possuem melhor

desempenho sendo favoraacuteveis para serem utilizados em interconexotildees locais

Dessa forma para analisar melhor a atenuaccedilatildeo e o tempo de atraso do SWCNT bundle e do

cobre o mesmo procedimento foi feito comparando-se somente estes dois materiais para

uma mesma frequecircncia de 1 THz A Tabela 43 mostra esse estudo comparativo entre o

SWCNT bundle e cobre

Tabela 43 Estudo das interconexotildees SWCNT bundle e cobre com comprimentos na faixa

lCNT le λCNT

Freq L Material A (dB) td (fs)

10nm SWCNT bundle 001 113

Cobre 000 022

1 THz 100nm SWCNT bundle 006 136

Cobre 001 240

1microm SWCNT bundle 145 647

Cobre -013 5623

Analisando a Tabela 43 observa-se que agrave frequumlecircncia de 1 THz a atenuaccedilatildeo do sinal e o

atraso aumentam agrave medida que o comprimento das interconexotildees aumentam A partir do

comprimento de 100nm o tempo de atraso da interconexatildeo de cobre eacute maior que o do

SWCNT bundle cujo maior valor de atraso (para l = 1microm) natildeo chega a 1 do periacuteodo do

34

sinal de entrada (1ps) Isso mostra que apesar de a banda passante do cobre ser maior o

atraso do SWCNT bundle eacute menor Dessa forma para as interconexotildees locais o SWCNT

bundle possui desempenho comparaacutevel ao do cobre [13]

Em relaccedilatildeo agrave atenuaccedilatildeo verifica-se que para alguns comprimentos este tem valor

positivo Isso ocorre principalmente quando haacute um pico no graacutefico da frequumlecircncia antes dele

comeccedilar a decair Esse pico eacute devido ao efeito ressonante provocado pela indutacircncia

quando este possui valor comparaacutevel agrave resistecircncia e agrave capacitacircncia da interconexatildeo [53]

Assim esse efeito ressonante foi observado somente nas interconexotildees locais de SWCNT

bundle e de cobre A Figura 42 ilustra o graacutefico da magnitude pela frequumlecircncia do SWCNT

isolado SWCNT bundle e cobre para o comprimento de 100nm Observa-se o efeito

ressonante nos graacuteficos do SWCNT bundle e do cobre

Figura 42 ndash Graacuteficos da magnitude das interconexotildees de SWCNT isolado (superior)

SWCNT bundle (meio) e cobre (inferior) com comprimento de 100nm

35

422 Interconexotildees intermediaacuterias

Assim como para as interconexotildees locais obteve-se a frequecircncia em -3dB (f-3dB) das

interconexotildees intermediaacuterias (lCNT gt λCNT) de forma a verificar a velocidade maacutexima que

cada interconexatildeo suporta A Figura 43 ilustra o comportamento da frequecircncia das

interconexotildees intermediaacuterias para os diferentes comprimentos Os valores das frequecircncias

de cada interconexatildeo tambeacutem podem ser visualisados na Tabela 75 do Apecircndice

Como nas interconexotildees locais agrave medida que o comprimento da interconexatildeo aumenta a

frequecircncia diminui Aleacutem disso o SWCNT bundle e o cobre possuem desempenho melhor

que o do SWCNT isolado para qualquer comprimento No entanto para interconexotildees

intermediaacuterias o SWCNT bundle possui banda passante maior que a do cobre para

qualquer comprimento

Frequecircncia X Comprimento

00

05

10

15

20

25

30

35

40

45

100 200 300 400 500

Comprimento (μm)

f -3d

B (

GH

z)

SWCNT isolado

SWCNT bundle

Cobre

Figura 43 ndash Frequumlecircncia versus comprimento das interconexotildees intermediaacuterias

As interconexotildees intermediaacuterias de 10 μm 100 μm e 500 μm de comprimento foram entatildeo

analisadas detalhadamente A Tabela 44 mostra a frequecircncia em -3dB de cada materal

para os diferentes comprimentos em anaacutelise

36

Tabela 44 Frequecircncia em -3dB de cada material para lCNT gt λCNT

Interconexatildeo

Intermediaacuteria

Comprimento (L) Material f-3dB

SWCNT isolado 26 GHz

10 microm SWCNT bundle 527 GHz

Cobre 34 GHz

SWCNT isolado 32 MHz

lCNT gt λCNT 100 microm SWCNT bundle 42 GHz

Cobre 345 MHz

SWCNT isolado 13 MHz

500 microm SWCNT bundle 165 MHz

Cobre 14 MHz

Escolheu-se a frequecircncia de 1 MHz que estaacute abaixo da frequecircncia de corte dos trecircs

materiais considerados para analisar e comparar a atenuaccedilatildeo (A) e o tempo de atraso na

propagaccedilatildeo (td) dos trecircs comprimentos A Tabela 45 mostra esse estudo comparativo entre

o SWCNT isolado SWCNT bundle e cobre

Tabela 45 Estudo das interconexotildees com comprimentos na faixa lCNT gt λCNT

Freq L Material A (dB) td (ns)

SWCNT isolado -002 008

10 microm SWCNT bundle 000 000

Cobre 000 000

SWCNT isolado -003 559

1 MHz 100 microm SWCNT bundle -001 005

Cobre -004 056

SWCNT isolado -198 10217

500 microm SWCNT bundle 000 110

Cobre -003 1301

Com base na Tabela 45 observa-se que a atenuaccedilatildeo e o tempo de atraso do SWCNT

isolado aumentam com o aumento do comprimento da interconexatildeo Nessa frequumlecircncia o

atraso na propagaccedilatildeo do SWCNT isolado eacute significativo em relaccedilatildeo ao periacuteodo do sinal de

entrada que eacute 1micros chegando a mais de 10 deste periacuteodo para o comprimento de 500microm

Verifica-se tambeacutem o aumento do tempo de atraso da interconexatildeo de cobre sendo 13

do periacuteodo do sinal de entrada para o comprimento de 500microm

Para analisar melhor a atenuaccedilatildeo e o tempo de atraso do SWCNT bundle e do cobre o

mesmo procedimento foi feito comparando-se somente estes dois materiais para uma

37

mesma frequecircncia de 10 MHz A Tabela 46 mostra esse estudo comparativo entre o

SWCNT bundle e cobre

Tabela 46 Estudo das interconexotildees SWCNT bundle e cobre com comprimentos na faixa

lCNT gt λCNT

Freq L Material A (dB) td (ns)

10 microm SWCNT bundle 000 000

Cobre 000 000

10 MHz 100 microm SWCNT bundle -001 005

Cobre -004 054

500 microm SWCNT bundle -004 107

Cobre -185 1024

Analisando a Tabela 46 observa-se que agrave medida que o comprimento das interconexotildees

aumenta a atenuaccedilatildeo e o atraso do sinal da interconexatildeo de cobre tornam-se significativos

O atraso na propagaccedilatildeo da interconexatildeo de cobre para l = 500microm chega a 10 do periacuteodo

do sinal de entrada (100ns) Jaacute o SWCNT bundle apresenta valores insignificantes de

atenuaccedilatildeo e atraso na propagaccedilatildeo Assim para as interconexotildees intermediaacuterias o SWCNT

bundle possui desempenho superior ao do cobre

43 SIMULACcedilAtildeO DO INVERSOR MONO-ELEacuteTRON

O modelo SPICE do SET proposto por G Lientschnig et al [444] foi simulado no

LTSPICE A partir da equaccedilatildeo (226) foi possiacutevel aumentar a temperatura do SET ateacute

chegar a 300K Assim o esquemaacutetico do SET e os valores de seus paracircmetros para que o

SET opere a 300K estatildeo na Figura 44 No anexo deste trabalho (subseccedilatildeo 81) encontra-

se o coacutedigo SET que foi utilizado [44] Os paracircmetros R1 C1 e R2 C2 correspondem agraves

resistecircncias e capacitacircncias das junccedilotildees-tuacutenel Cg eacute a capacitacircncia de porta (Cg1 no coacutedigo

SET) Vg eacute a tensatildeo de porta e V eacute a tensatildeo de entrada

Figura 44 Esquemaacutetico do SET e os valores de seus paracircmetros

38

A partir destes valores o inversor mono-eleacutetron foi construiacutedo colocando-se dois SETs em

seacuterie os quais compartilham da mesma entrada A Figura 45 ilustra o esquemaacutetico do

inversor mono-eleacutetron juntamente com os valores de seus paracircmetros fixos em que Vin eacute a

tensatildeo de entrada Vout eacute a tensatildeo de saiacuteda Vbias eacute a tensatildeo de polarizaccedilatildeo Cc eacute a

capacitacircncia de carga Cg1 e Cg2 satildeo as capacitacircncias de porta do SET 1 e do SET 2

respectivamente

Figura 45 Esquemaacutetico do inversor mono-eleacutetron e os valores de seus paracircmetros

(modificado de [4])

Assim apoacutes simular o inversor mono-eleacutetron a 300K obteve-se o sinal de saiacuteda mostrado

na Figura 46 Como o inversor estaacute invertendo o sinal de entrada de valor loacutegico baixo em

um sinal de saiacuteda de valor loacutegico alto ele estaacute operando corretamente

Figura 46 Curva do sinal de entrada (em verde) e do sinal de saiacuteda (em preto) do inversor

mono-eleacutetron

39

44 ANAacuteLISE DAS INTERCONEXOtildeES NO H-TREE CLOCK MONO-ELEacuteTRON

Nesta seccedilatildeo a rede H-tree clock de dois niacuteveis foi simulada com portas inversoras mono-

eleacutetron nos pontos de destino final da rede permitindo a anaacutelise de circuitos

nanoeletrocircnicos Simulou-se a rede H-tree considerando interconexotildees ideais para as

frequecircncias de 10 GHz e 100 GHz no sinal de entrada Em seguida para as mesmas duas

frequecircncias considerou-se interconexotildees natildeo-ideais de diferentes comprimentos

analisando a rede com os modelos de interconexatildeo SWCNT bundle e cobre Trecircs redes

com comprimentos de interconexotildees diferentes foram analisadas

l = 100 nm l2 = 50 nm

l = 400 nm l2 = 200 nm

l = 1 μm l2 = 500 nm

441 Anaacutelise da rede com interconexotildees ideais

A partir da simulaccedilatildeo do H-tree clock a frequecircncia em -3dB (f-3dB) da rede com

interconexotildees ideais foi obtida Na saiacuteda de cada porta inversora a banda passante do sinal

eacute 3200 GHz Dessa forma duas frequecircncias abaixo de 3200 GHz foram escolhidas para

analisar o sinal de saiacuteda da inversora em condiccedilotildees ideais As frequecircncias de 10 GHz e

100 GHz seratildeo analisadas obtendo-se as seguintes caracteriacutesticas do sinal de saiacuteda da

inversora niacutevel loacutegico baixo (NB) niacutevel loacutegico alto (NA) tempo de subida (tr) slew rate

de subida (SR) atenuaccedilatildeo (A) e tempo de atraso (td) A Tabela 47 mostra os valores

obtidos para as duas frequecircncias em anaacutelise

Tabela 47 Caracteriacutesticas dos sinais de saiacuteda da rede para interconexotildees ideais

Freq NB(mV) NA(mV) tr (ps) SR(Vns) A(dB) td (ps)

10 GHz 675 4518 356 8636 -264 412

100 GHz 678 4279 317 9088 -269 189

Os caacutelculos da potecircncia estaacutetica ( IVP DDE ) potecircncia dinacircmica ( CVfP DDD 2 ) e

potecircncia total ( DE PPP ) dissipada por cada porta inversora foram realizados bem

como o produto atraso-potecircncia (DP) Assim a Tabela 48 mostra os valores obtidos no

40

caacutelculo destes paracircmetros Como a potecircncia estaacutetica independe da frequecircncia do sinal de

entrada o seu valor eacute o mesmo nos dois casos

Tabela 48 Potecircncia dissipada por cada porta inversora para interconexotildees ideais

Frequecircncia PE (nW) PD (nW) P (nW) DP (10-18

Wmiddots)

10 GHz 4838 125 4963 020

100 GHz 4838 125 6088 012

As Tabelas 47 e 48 serviratildeo de referecircncia para as anaacutelises da rede com interconexotildees natildeo-

ideais analisadas na subseccedilatildeo seguinte As Figuras 47 e 48 ilustram o sinal de saiacuteda das

redes com frequecircncias de 10 GHz e de 100 GHz respectivamente Eacute possiacutevel observar que

na frequecircncia de 100 GHz o sinal de saiacuteda jaacute eacute distorcido em relaccedilatildeo ao sinal de referecircncia

(Figura 46)

Figura 47 Sinal de entrada (em verde) e sinal de saiacuteda (em preto) da rede a 10 GHz

Figura 48 Sinal de entrada (em verde) e sinal de saiacuteda (em preto) da rede a 100 GHz

41

442 Anaacutelise da rede com interconexotildees natildeo-ideais

Apoacutes obter as caracteriacutesticas da rede H-tree clock com interconexotildees ideais a anaacutelise da

rede com interconexotildees natildeo-ideais seraacute feita Primeiramente eacute importante verificar a

frequecircncia em -3dB do sinal depois das interconexotildees ou seja na entrada da porta

inversora Caso essa frequecircncia seja menor que a frequecircncia de 3200 GHz obtida com

interconexotildees ideais entatildeo a interconexatildeo afetaraacute o comportamento da rede A Tabela 49

mostra a frequecircncia em -3dB na entrada da inversora para interconexotildees natildeo-ideais

Tabela 49 Frequecircncia em -3dB na entrada da inversora para interconexotildees natildeo-ideais

Comprimentos (l2 l) Material f-3dB

50nm 100nm SWCNT bundle 122 THz

Cobre 175 THz

200nm 400nm SWCNT bundle 31 THz

Cobre 8606 GHz

500nm 1microm SWCNT bundle 12 THz

Cobre 1268 GHz

Assim verifica-se que a interconexatildeo de cobre da rede 500nm1microm possui frequecircncia em

-3dB abaixo da frequecircncia do circuito com interconexatildeo ideal (3200 GHz) Isso indica que

esta interconexatildeo interfere significativamente no comportamento da rede A Tabela 49

mostra tambeacutem que a banda passante da interconexatildeo de cobre soacute eacute maior que a da

interconexatildeo de SWCNT bundle no primeiro caso na rede de 50nm100nm o que mostra

uma vantagem do SWCNT bundle em relaccedilatildeo ao cobre A partir dessas informaccedilotildees a

rede H-tree clock com interconexotildees natildeo-ideais seraacute analisada detalhadamente

4421 Anaacutelise da rede a 10 GHz

As redes com interconexotildees natildeo-ideais seratildeo analisadas na frequecircncia de 10 GHz para

diferentes comprimentos Primeiramente o niacutevel loacutegico baixo (NB) o niacutevel loacutegico alto

(NA) o tempo de subida (tr) e o slew rate de subida (SR) foram obtidos conforme mostra a

Tabela 410 Com base nessa tabela verifica-se que na frequecircncia de 10 GHz essas

caracteriacutesticas natildeo foram modificadas pelas interconexotildees natildeo-ideais independentemente

do comprimento Os valores dos paracircmetros satildeo iguais aos obtidos na rede com

interconexatildeo ideal conforme Tabela 47 O sinal obtido na saiacuteda de cada inversor eacute igual

ao ilustrado na Figura 47

42

Tabela 410 Niacuteveis loacutegicos tempo de subida e slew rate dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 10 GHz

Freq L (l2l) Material NB(mV) NA(mV) tr(ps) SR(Vns)

10

GHz

50nm

100nm

SWCNT bundle 675 4518 356 8636

Cobre 675 4518 356 8636

200nm

400nm

SWCNT bundle 675 4518 356 8636

Cobre 675 4518 356 8636

500nm

1microm

SWCNT bundle 675 4518 356 8636

Cobre 675 4518 356 8636

A Tabela 411 mostra a atenuaccedilatildeo tempo de atraso potecircncia total dissipada e o produto

atraso-potecircncia obtidos a frequecircncia de 10 GHz para interconexotildees natildeo-ideais Observa-se

que a atenuaccedilatildeo do sinal e a potecircncia total dissipada por cada porta inversora permanecem

os mesmos em relaccedilatildeo agrave interconexatildeo ideal mostrando que a essa frequecircncia as

interconexotildees natildeo-ideais natildeo interferem nestes paracircmetros

Jaacute o atraso na propagaccedilatildeo do sinal no caso do cobre aumenta agrave medida que as

interconexotildees aumentam de comprimento aumentando tambeacutem o produto atraso-potecircncia

Esse atraso chega a 66 do periacuteodo do sinal de entrada para a interconexatildeo 500nm1microm

de cobre No entanto estes paracircmetros natildeo satildeo afetados pelas interconexotildees de SWCNT

bundle indicando que este material se sobressai em relaccedilatildeo ao cobre

Tabela 411 Atenuaccedilatildeo atraso potecircncia e produto atraso-potecircncia dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 10 GHz

Freq L (l2l) Material A (dB) td (ps) P (nW) DP(10-18

Wmiddots)

10

GHz

50nm

100nm

SWCNT bundle -264 412 4963 020

Cobre -264 412 4963 020

200nm

400nm

SWCNT bundle -264 412 4963 020

Cobre -264 438 4963 022

500nm

1microm

SWCNT bundle -264 412 4963 020

Cobre -264 659 4963 033

4422 Anaacutelise da rede a 100 GHz

As redes com interconexotildees natildeo-ideais seratildeo analisadas na frequecircncia de 100 GHz para

diferentes comprimentos O niacutevel loacutegico baixo (NB) o niacutevel loacutegico alto (NA) o tempo de

subida (tr) e o slew rate de subida (SR) foram obtidos conforme mostra a Tabela 412 Jaacute a

43

Tabela 413 mostra a atenuaccedilatildeo tempo de atraso potecircncia total dissipada e o produto

atraso-potecircncia obtidos a frequecircncia de 100 GHz para interconexotildees natildeo-ideais

Tabela 412 Niacuteveis loacutegicos tempo de subida e slew rate dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 100 GHz

Freq L (l2l) Material NB(mV) NA(mV) tr(ps) SR(Vns)

100

GHz

50nm

100nm

SWCNT bundle 678 4272 316 9099

Cobre 675 4277 323 9107

200nm

400nm

SWCNT bundle 678 4299 315 9196

Cobre 677 4089 289 9447

500nm

1microm

SWCNT bundle 678 4418 300 9973

Cobre 635 1766 102 6795

Tabela 413 Atenuaccedilatildeo atraso potecircncia e produto atraso-potecircncia dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 100 GHz

Freq L (l2l) Material A (dB) td (ps) P (nW) DP(10-18

Wmiddots)

100

GHz

50nm

100nm

SWCNT bundle -2703 189 6088 012

Cobre -2685 191 6088 012

200nm

400nm

SWCNT bundle -2693 188 6088 012

Cobre -2698 228 6088 014

500nm

1microm

SWCNT bundle -2673 174 6088 011

Cobre -2893 388 6088 024

A partir das Tabelas 412 e 413 o SWCNT bundle seraacute analisado Observa-se que os seus

niacuteveis loacutegicos altos aumentam com o aumento do comprimento das interconexotildees

aumentando tambeacutem o slew rate de subida Esse comportamento ocorre provavelmente

devido ao efeito ressonante provocado pela indutacircncia que provoca um pico no graacutefico da

frequumlecircncia antes dele comeccedilar a decair conforme explicado na subseccedilatildeo 421 Isso implica

na diminuiccedilatildeo da atenuaccedilatildeo do sinal e do atraso No entanto o produto atraso-potecircncia

permanece praticamente invariaacutevel jaacute que a potecircncia total dissipada natildeo se altera

Em relaccedilatildeo agraves interconexotildees de cobre verifica-se que as distorccedilotildees satildeo significativas Agrave

medida que o comprimento aumenta a atenuaccedilatildeo do sinal de saiacuteda aumenta Isso provoca

diminuiccedilatildeo no slew rate do sinal o que natildeo eacute desejado jaacute que o sinal demora mais para

atingir o niacutevel loacutegico alto Aleacutem disso o atraso na propagaccedilatildeo do sinal aumenta bastante

chegando a 388 do periacuteodo do sinal de entrada para a interconexatildeo 500nm1microm

Consequentemente o produto atraso-potecircncia tambeacutem aumenta sendo o dobro do valor de

44

referecircncia (interconexotildees ideais) A Figura 49 ilustra o sinal de saiacuteda da interconexatildeo

500nm1microm de cobre

Figura 49 Sinal de entrada (em verde) e sinal de saiacuteda (em preto) da rede a 100 GHz para

a interconexatildeo 500nm1microm de cobre

Comparando-se as potecircncias das tabelas 47 48 411 413 verifica-se que natildeo haacute

alteraccedilatildeo na potecircncia total dissipada pelo circuito com interconexotildees ideais e pelos

circuitos com interconexotildees natildeo-ideais para uma mesma frequecircncia Assim eacute importante

destacar que a dissipaccedilatildeo de potecircncia das interconexotildees de SWCNT bundle e de cobre natildeo

interfere na potecircncia total dissipada pelo circuito

443 Consideraccedilotildees Finais

Apoacutes analisar as interconexotildees locais de SWCNT de SWCNT bundle e de cobre

verificou-se que as interconexotildees de SWCNT bundle possuem desempenho comparaacutevel ao

das interconexotildees de cobre Em relaccedilatildeo agraves interconexotildees intermediaacuterias as de SWCNT

bundle apresentam desempenho superior agraves de cobre Jaacute as interconexotildees de SWCNT

isolado tanto para interconexotildees locais como para interconexotildees intermediaacuterias

apresentam desempenho inferior agraves interconexotildees de SWCNT bundle e de cobre natildeo

sendo propiacutecias a serem utilizadas em interconexotildees de circuitos integrados

Na anaacutelise das interconexotildees natildeo-ideais na rede H-tree clock mono-eleacutetron para a

frequecircncia de 10GHz observou-se que o niacutevel loacutegico baixo o niacutevel loacutegico alto o tempo de

subida o slew rate de subida a atenuaccedilatildeo do sinal e a potecircncia total dissipada por cada

porta inversora permanecem os mesmos em relaccedilatildeo agrave interconexatildeo ideal mostrando que

45

para esta frequecircncia as interconexotildees natildeo-ideais natildeo interferem nestes paracircmetros Jaacute o

atraso na propagaccedilatildeo do sinal no caso do cobre aumenta agrave medida que as interconexotildees

aumentam de comprimento aumentando tambeacutem o produto atraso-potecircncia No entanto

estes paracircmetros natildeo satildeo afetados pelas interconexotildees de SWCNT bundle indicando que

este material se sobressai em relaccedilatildeo ao cobre

Jaacute para a rede H-tree clock mono-eleacutetron a 100GHz observou-se que o circuito com

interconexotildees natildeo-ideais afetou bastante os paracircmetros em anaacutelise se comparados aos

obtidos para interconexotildees ideais Verificou-se que as distorccedilotildees provocadas pelas

interconexotildees de cobre foram significativas indicando que as interconexotildees de SWCNT

bundle possuem melhor desempenho que as de cobre

Assim constata-se que as interconexotildees de SWCNT bundle satildeo fortes candidatas a

substituirem as interconexotildees de cobre em circuitos em escala giga (GSI) e tera (TSI)

46

5 CONCLUSOtildeES

Nesta dissertaccedilatildeo o estudo das interconexotildees de SWCNT de SWCNT bundle e de cobre

foi realizado analisando e comparando os seus desempenhos para diferentes

comprimentos A partir desse estudo verificou-se que as interconexotildees de SWCNT bundle

possui desempenho comparaacutevel ao das interconexotildees de cobre no caso de interconexotildees

locais Em relaccedilatildeo agraves interconexotildees intermediaacuterias as de SWCNT bundle apresentam

desempenho superior agraves de cobre

As interconexotildees de SWCNT bundle e as interconexotildees de cobre foram entatildeo simuladas na

rede H-tree clock de dois niacuteveis para diferentes comprimentos e frequecircncias Nos pontos

de destino final da rede foram colocadas portas inversoras formadas por SETs permitindo

a anaacutelise de circuitos nanoeletrocircnicos

A partir da anaacutelise da rede H-tree clock observou-se que as interconexotildees de SWCNT

bundle possuem desempenho melhor que as de cobre principalmente em relaccedilatildeo ao slew

rate agrave atenuaccedilatildeo ao tempo de atraso e ao produto atraso-potecircncia Aleacutem disso a

dissipaccedilatildeo de potecircncia das interconexotildees natildeo-ideais natildeo interferem na potecircncia total

dissipada pelo circuito Assim as interconexotildees de SWCNT bundle satildeo fortes candidatas a

substituirem as interconexotildees de cobre em circuitos em escala giga (GSI) e tera (TSI)

Como perspectivas futuras eacute importante analisar o efeito das interconexotildees de nanotubo de

carbono em circuitos GSI e TSI com outras arquiteturas A anaacutelise das interconexotildees de

CNT tambeacutem deve ser feita em circuitos com tecnologia MOS permitindo a comparaccedilatildeo

entre diferentes tecnologias Aleacutem disso eacute interessante estudar outros tipos de materiais

que possam ser utilizados como interconexotildees em circuitos integrados

47

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53

7 APEcircNDICES

71 TABELAS COMPLEMENTARES

Tabela 71 Paracircmetros obtidos a partir do modelo de SWCNT isolado

L RQ (Ω) RS (Ω) LCNT (10-9

H) CCNT (10-18

F)

10 nm 645103 - 40010

-2 27910

-1

100 nm 645103 - 40010

-1 279

200 nm 645103 - 80010

-1 558

300 nm 645103 - 120 837

400 nm 645103 - 160 11210

1

500 nm 645103 - 200 14010

1

600 nm 645103 - 240 16710

1

700 nm 645103 - 280 19510

1

800 nm 645103 - 320 22310

1

900 nm 645103 - 360 25110

1

1 microm 645103 - 400 27910

1

10 microm 645103 64510

4 40010

1 27910

2

100 microm 645103 64510

5 40010

2 27910

3

200 microm 645103 12910

6 80010

2 55810

3

300 microm 645103 19410

6 12010

3 83710

3

400 microm

645103 25810

6 16010

3 11210

4

500 microm

645103 32310

6 20010

3 14010

4

Tabela 72 Paracircmetros obtidos a partir do modelo de SWCNT bundle

L RQ (Ω) RS (Ω) LBundle(10-9

H) CBundle(10-18

F)

10 nm 1075 - 66710-5

135

100 nm 1075 - 66710-4

135101

200 nm 1075 - 13310-3

270101

300 nm 1075 - 20010-3

405101

400 nm 1075 - 26710-3

540101

500 nm 1075 - 33310-3

675101

600 nm 1075 - 40010-3

810101

700 nm 1075 - 46710-3

945101

800 nm 1075 - 53310-3

108102

900 nm 1075 - 60010-3

122102

1 microm 1075 - 66710-3

135102

10 microm 1075 108102 66710

-2 13510

3

100 microm 1075 108103 66710

-1 13510

4

200 microm 1075 215103 133 27010

4

300 microm 1075 323103 200 40510

4

400 microm

1075 430103 267 54010

4

500 microm

1075 538103 333 67510

4

54

Tabela 73 Paracircmetros obtidos a partir do modelo de cobre

L RCu (Ω) LCu (10-9

H) CCu (10-18

F)

10 nm 06 37310-6

150

100 nm 60 63610-5

150101

200 nm 120 17510-4

300101

300 nm 180 30910-4

450101

400 nm 240 45410-4

600101

500 nm 300 61110-4

750101

600 nm 360 77510-4

900101

700 nm 420 94610-4

105102

800 nm 480 11210-3

120102

900 nm 540 13110-3

135102

1 microm 600 14910-3

150102

10 microm 60102 24010

-2 15010

3

100 microm 60103 33210

-1 15010

4

200 microm 12104 72010

-1 30010

4

300 microm 18104 113 45010

4

400 microm

24104 155 60010

4

500 microm

30104 198 75010

4

55

Tabela 74 Frequecircncia em -3dB das interconexotildees locais

Comprimento Material f-3dB

10 nm SWCNT isolado 253 GHz

SWCNT bundle 66 THz

Cobre 232 THz

100 nm SWCNT isolado 300 GHz

SWCNT bundle 20 THz

Cobre 51 THz

200 nm SWCNT isolado 342 GHz

SWCNT bundle 14 THz

Cobre 29 THz

300 nm SWCNT isolado 344 GHz

SWCNT bundle 11 THz

Cobre 20 THz

400 nm SWCNT isolado 329 GHz

SWCNT bundle 89 THz

Cobre 15 THz

500 nm SWCNT isolado 307 GHz

SWCNT bundle 76 THz

Cobre 12 THz

600 nm SWCNT isolado 288 GHz

SWCNT bundle 67 THz

Cobre 94 THz

700 nm SWCNT isolado 271 GHz

SWCNT bundle 61 THz

Cobre 76 THz

800 nm SWCNT isolado 255 GHz

SWCNT bundle 55 THz

Cobre 63 THz

900 nm SWCNT isolado 240 GHz

SWCNT bundle 51 THz

Cobre 52 THz

1 microm SWCNT isolado 230 GHz

SWCNT bundle 47 THz

Cobre 42 THz

56

Tabela 75 Frequecircncia em -3dB das interconexotildees intermediaacuterias

Comprimento Material f-3dB

10 microm SWCNT isolado 26 GHz

SWCNT bundle 527 GHz

Cobre 34 GHz

100 microm SWCNT isolado 32 MHz

SWCNT bundle 42 GHz

Cobre 345 MHz

200 microm SWCNT isolado 82 MHz

SWCNT bundle 10 GHz

Cobre 87 MHz

300 microm SWCNT isolado 36 MHz

SWCNT bundle 455 MHz

Cobre 38 MHz

400 microm SWCNT isolado 21 MHz

SWCNT bundle 256 MHz

Cobre 21 MHz

500 microm SWCNT isolado 13 MHz

SWCNT bundle 165 MHz

Cobre 14 MHz

57

8 ANEXOS

81 COacuteDIGO SPICE DO SET [44]

Transistor mono-eleacutetron (SET) conexotildees fonte | dreno | | porta1 | | | porta2 | | | | SUBCKT SET 1 2 3 4 PARAMS +C1=1E-20 Capacitacircncia da junccedilatildeo 1 +C2=1E-20 Capacitacircncia da junccedilatildeo 2 +R1=1E5 Resistecircncia da junccedilatildeo 1 +R2=1E5 Resistecircncia da junccedilatildeo 2 +Cg1=015E-18 Capacitacircncia da junccedilatildeo 1 +Cg2=0 Capacitacircncia da junccedilatildeo 2 +C0=0 Capacitacircncia proacutepria da ilha +Q0=005 Carga offset em unidades de e +TEMP=300 Temperatura PARAM E=160217733E-19 Carga do eleacutetron (e) PARAM CSUM=C1+C2+Cg1+Cg2+C0 Capacitacircncia total do SET PARAM T=TEMPCSUM53785467E14 Temperatura normalizada 53785467E14 = kBe^2 PARAM RN1=R1(R1+R2) Resistecircncia da junccedilatildeo 1 normalizada PARAM RN2=R2(R1+R2) Resistecircncia da junccedilatildeo 2 normalizada FUNC Q(v1v2v3v4) (Cg1v3+Cg2v4+C1v1+C2v2)E+Q0 Definiccedilatildeo da carga em unidades de e FUNC VN(v) CSUMvE Tensatildeo normalizada FUNC GAMMA(u) IF(T==0IF(ult0-u0)IF(u==0Tu(EXP(uT)-1))) FUNC N_OPT(v1v2v3v4) ROUND(-Q(v1v2v3v4)+(CSUME) (v1RN2+v2RN1)) A maior probabilidade de carga na ilha em unidades de e Os quarto eventos tuacuteneis FUNC R1L(nv1v2v3v4) GAMMA(05 - n - Q(v1v2v3v4) + VN(v1))RN1 FUNC R1R(nv1v2v3v4) GAMMA(05 + n + Q(v1v2v3v4) - VN(v1))RN1 FUNC R2L(nv1v2v3v4) GAMMA(05 + n + Q(v1v2v3v4) - VN(v2))RN2 FUNC R2R(nv1v2v3v4) GAMMA(05 - n - Q(v1v2v3v4) + VN(v2))RN2

58

determinaccedilatildeo das probabilidades relativas assume-se inicialmente que o estado da carga N_OPT tem probabilidade relativa igual a um FUNC PN_1(nv1v2v3v4) (R1L(nv1v2v3v4)+R2R(nv1v2v3v4))(R1R(n-1v1v2v3v4)+R2L(n-1v1v2v3v4)) FUNC PN_2(nv1v2v3v4) PN_1(nv1v2v3v4) +(R1L(n-1v1v2v3v4)+R2R(n-1v1v2v3v4))(R1R(n-2v1v2v3v4)+R2L(n-2v1v2v3v4)) FUNC PN_3(nv1v2v3v4) PN_2(nv1v2v3v4) +(R1L(n-2v1v2v3v4)+R2R(n-2v1v2v3v4))(R1R(n-3v1v2v3v4)+R2L(n-3v1v2v3v4)) FUNC PN_4(nv1v2v3v4) PN_3(nv1v2v3v4) +(R1L(n-3v1v2v3v4)+R2R(n-3v1v2v3v4))(R1R(n-4v1v2v3v4)+R2L(n-4v1v2v3v4)) FUNC PN_5(nv1v2v3v4) PN_4(nv1v2v3v4) +(R1L(n-4v1v2v3v4)+R2R(n-4v1v2v3v4))(R1R(n-5v1v2v3v4)+R2L(n-5v1v2v3v4)) FUNC PN1(nv1v2v3v4) (R2L(nv1v2v3v4) +R1R(nv1v2v3v4))(R2R(n+1v1v2v3v4)+R1L(n+1v1v2v3v4)) FUNC PN2(nv1v2v3v4) PN1(nv1v2v3v4) +(R2L(n+1v1v2v3v4)+R1R(n+1v1v2v3v4))(R2R(n+2v1v2v3v4)+R1L(n+2v1v2v3v4)) FUNC PN3(nv1v2v3v4) PN2(nv1v2v3v4) +(R2L(n+2v1v2v3v4)+R1R(n+2v1v2v3v4))(R2R(n+3v1v2v3v4)+R1L(n+3v1v2v3v4)) FUNC PN4(nv1v2v3v4) PN3(nv1v2v3v4) +(R2L(n+3v1v2v3v4)+R1R(n+3v1v2v3v4))(R2R(n+4v1v2v3v4)+R1L(n+4v1v2v3v4)) FUNC PN5(nv1v2v3v4) PN4(nv1v2v3v4) +(R2L(n+4v1v2v3v4)+R1R(n+4v1v2v3v4))(R2R(n+5v1v2v3v4)+R1L(n+5v1v2v3v4)) FUNC PSUM(nv1v2v3v4) PN_5(nv1v2v3v4)+PN_4(nv1v2v3v4)+PN_3(nv1v2v3v4)+PN_2(nv1v2v3v4) ++PN_1(nv1v2v3v4)+1+PN1(nv1v2v3v4)+PN2(nv1v2v3v4)+PN3(nv1v2v3v4) ++PN4(nv1v2v3v4)+PN5(nv1v2v3v4)

59

caacutelculo da corrente da fonte para o dreno FUNC CUR(nv1v2v3v4) PN_5(nv1v2v3v4)(R1R(n-5v1v2v3v4)-R1L(n-5v1v2v3v4)) ++PN_4(nv1v2v3v4)(R1R(n-4v1v2v3v4)-R1L(n-4v1v2v3v4)) ++PN_3(nv1v2v3v4)(R1R(n-3v1v2v3v4)-R1L(n-3v1v2v3v4)) ++PN_2(nv1v2v3v4)(R1R(n-2v1v2v3v4)-R1L(n-2v1v2v3v4)) ++PN_1(nv1v2v3v4)(R1R(n-1v1v2v3v4)-R1L(n-1v1v2v3v4)) ++(R1R(nv1v2v3v4)-R1L(nv1v2v3v4)) ++PN1(nv1v2v3v4)(R1R(n+1v1v2v3v4)-R1L(n+1v1v2v3v4)) ++PN2(nv1v2v3v4)(R1R(n+2v1v2v3v4)-R1L(n+2v1v2v3v4)) ++PN3(nv1v2v3v4)(R1R(n+3v1v2v3v4)-R1L(n+3v1v2v3v4)) ++PN4(nv1v2v3v4)(R1R(n+4v1v2v3v4)-R1L(n+4v1v2v3v4)) ++PN5(nv1v2v3v4)(R1R(n+5v1v2v3v4)-R1L(n+5v1v2v3v4)) FUNC CURRENT(nv1v2v3v4) ECUR(nv1v2v3v4)(CSUMPSUM(nv1v2v3v4)(R1+R2)) caacutelculo da tensatildeo da ilha FUNC VOLT(nv1v2v3v4) PN_5(nv1v2v3v4)(n-5+Q(v1v2v3v4)) ++PN_4(nv1v2v3v4)(n-4+Q(v1v2v3v4)) ++PN_3(nv1v2v3v4)(n-3+Q(v1v2v3v4)) ++PN_2(nv1v2v3v4)(n-2+Q(v1v2v3v4)) ++PN_1(nv1v2v3v4)(n-1+Q(v1v2v3v4)) ++n+Q(v1v2v3v4) ++PN1(nv1v2v3v4)(n+1+Q(v1v2v3v4)) ++PN2(nv1v2v3v4)(n+2+Q(v1v2v3v4)) ++PN3(nv1v2v3v4)(n+3+Q(v1v2v3v4)) ++PN4(nv1v2v3v4)(n+4+Q(v1v2v3v4)) ++PN5(nv1v2v3v4)(n+5+Q(v1v2v3v4)) FUNC VOLTAGE(nv1v2v3v4) (ECSUM)VOLT(nv1v2v3v4)PSUM(nv1v2v3v4) E1 5 0 VALUE= VOLTAGE(N_OPT(V(1)V(2)V(3)V(4))V(1)V(2)V(3)V(4)) Tensatildeo da ilha G1 1 2 VALUE= CURRENT(N_OPT(V(1)V(2)V(3)V(4))V(1)V(2)V(3)V(4)) Corrente da fonte para o dreno CT1 1 5 C1 CT2 2 5 C2 CGATE1 3 5 CG1 CGATE2 4 5 CG2 ENDS SET

Page 32: ANÁLISE COMPARATIVA ENTRE ... - repositorio.unb.brrepositorio.unb.br/.../1/2012_CamilaPeixotoSilvaMadeiraNogueira.pdf · Prof. Stefan Michael Blawid, ... Deus colocou esses dois

19

Figura 215 Esquemaacutetico do inversor utilizando SETs (modificado de [4])

Alguns modelos do SET desenvolvidos no software SPICE foram propostos na literatura

[4-7] Destes modelos o proposto por G Lientschnig et al [4] descreve a implementaccedilatildeo

completa da teoria ortodoxa e usa apenas os recursos em versotildees disponiacuteveis publicamente

do software SPICE Este modelo diferentemente dos modelos propostos em [5-7] natildeo estaacute

limitado a transistores mono-eleacutetron com junccedilotildees-tuacutenel que tecircm resistecircncias iguais Aleacutem

disso pode ser estendido para incluir um nuacutemero arbitraacuterio de estados de carga que

permite simulaccedilotildees definidas para altas temperaturas e tensotildees de polarizaccedilatildeo [4] O

modelo de G Lientschnig et al estaacute disponiacutevel no siacutetio eletrocircnico [44] Assim este foi o

modelo utilizado neste trabalho

23 CLOCKING DE SISTEMAS DE ALTA VELOCIDADE

Em sistemas digitais siacutencronos o sinal do clock eacute utilizado para definir uma referecircncia de

tempo agrave mudanccedila de dados dentro do sistema [1145] Assim a distribuiccedilatildeo do clock eacute de

suma importacircncia na operaccedilatildeo de circuitos integrados digitais sendo uma grande

preocupaccedilatildeo em circuitos integrados de alta velocidade [46-51] Circuitos em escala

nanomeacutetrica podem ser significativamente limitados devido ao clock skew que ocorre

quando os circuitos natildeo estatildeo equumlidistantes do sinal do clock [11454649-51] Como este

sinal eacute o sinal mais ativo em um chip pode resultar em elevado consumo de potecircncia e

grandes densidades de corrente na rede de interconexotildees do clock [454849]

Dessa forma o sinal do clock deve atingir ao mesmo tempo cada noacute para garantir que a

comutaccedilatildeo seja sincronizada bem como deve ser distribuiacutedo de forma que haja o menor

20

atraso possiacutevel [49] Com esse intuito os seguintes fatores entre outros satildeo fundamentais

no desempenho do clock dispositivos loacutegicos de tecnologia raacutepida (avanccedilada) rede de

distribuiccedilatildeo de clock que minimize o skew e interconexotildees com alto desempenho [11]

Conforme exposto anteriormente os dispositivos nanoeletrocircnicos como os transistores

mono-eleacutetron satildeo potencialmente aplicaacuteveis em circuitos integrados em escala giga (GSI)

e tera (TSI) Estes dispositivos permitem que as funccedilotildees loacutegicas sejam desempenhadas em

um tempo mais raacutepido e com menor atraso Assim satildeo fortes candidatos a serem utilizados

em circuitos integrados com clock

A adequada rede de distribuiccedilatildeo do clock assegura que a comutaccedilatildeo seja sincronizada e

que haja o menor atraso possiacutevel [1145] Aleacutem disso dependendo da arquitetura da rede o

niacutevel de sincronismo do sistema pode aumentar Diferentes tipos de abordagens tecircm sido

desenvolvidos para projetar a rede de distribuiccedilatildeo do clock em sistemas digitais de

circuitos integrados [45] Os buffered trees satildeo muito utilizados na distribuiccedilatildeo

equipotencial do clock Aleacutem dessas estruturas assimeacutetricas arquiteturas simeacutetricas como

o H-tree satildeo usadas para distribuir sinais de clock em alta velocidade podendo inclusive

ser projetadas com buffers [45-51] Algumas formas de rede de distribuiccedilatildeo do clock estatildeo

ilustradas na Figura 216 incluindo a trunk tree mesh e H-tree [45]

Figura 216 Estruturas comuns de redes de distribuiccedilatildeo de clock [45]

21

Atualmente as interconexotildees de cobre satildeo bastante utilizadas para circuitos de alto

desempenho como em redes de clock No entanto os CNTs apresentam caracteriacutesticas que

os tornam melhores para serem utilizados em interconexotildees descritas na subseccedilatildeo 221

[48] Neste trabalho seraacute realizada a comparaccedilatildeo entre interconexotildees de cobre e de CNT

na rede de distribuiccedilatildeo do H-tree clock

231 H-Tree Clock

O clock skew pode ser minimizado distribuindo-se o sinal do clock de forma que as

interconexotildees que levam o sinal aos circuitos loacutegicos tecircm o mesmo comprimento Se antes

de chegarem aos circuitos loacutegicos os sinais do clock forem igualmente atrasados eles

estaratildeo perfeitamente sincronizados [1145] Dessa forma o esquemaacutetico da Figura 217 de

distribuiccedilatildeo do clock minimiza o clock skew repetindo recursivamente uma estrutura em

forma de H [11] A Figura 217 ilustra uma rede H-tree simeacutetrica com trecircs niacuteveis [46]

Figura 217 Esquemaacutetico do H-tree clock simeacutetrico (modificado de [46])

Na estrutura do H-tree o condutor primaacuterio do clock estaacute ligado ao centro do H principal

(1ordm niacutevel) transmitindo o sinal para os quatro cantos deste H Esses quatro cantos satildeo as

entradas para o proacuteximo niacutevel do H-tree o 2ordm niacutevel que possui quatro estruturas em H O

processo de distribuiccedilatildeo continua por vaacuterios niacuteveis de H‟s cada vez menores Os pontos de

destino final do H-tree satildeo usados para conduzir os circuitos locais Assim cada caminho

do clock desde a fonte ateacute o circuito local possui praticamente o mesmo atraso [45]

22

24 MEDIDAS DE DESEMPENHO NA ANAacuteLISE DAS INTERCONEXOtildeES

As interconexotildees em circuitos integrados possuem caracteriacutesticas que modificam o sinal de

entrada O efeito das interconexotildees pode provocar atrasos e distorccedilotildees indesejaacuteveis Nesse

contexto eacute necessaacuterio analisar medidas de desempenho dos sinais sob efeito das

interconexotildees tais como velocidade maacutexima atenuaccedilatildeo tempo de atraso potecircncia

dissipada produto atraso-potecircncia e slew rate [111317202342]

241 Velocidade maacutexima - anaacutelise na frequumlecircncia

A velocidade maacutexima que as interconexotildees podem operar sem distorcer o sinal de entrada

eacute uma medida de desempenho importante [172023] Eacute possiacutevel analisar este paracircmetro

atraveacutes da frequumlecircncia maacutexima de operaccedilatildeo da interconexatildeo que eacute a largura de banda em

que o sinal comeccedila a decair em -3dB em relaccedilatildeo ao sinal de referecircncia [1742] Assim

utiliza-se a anaacutelise do moacutedulo do graacutefico de Bode para obter a frequumlecircncia de operaccedilatildeo em

-3dB [42] A Figura 218 mostra o esboccedilo do moacutedulo do ganho pela frequumlecircncia tiacutepico do

comportamento de interconexotildees

Figura 218 Graacutefico do moacutedulo do ganho pela frequumlecircncia tiacutepico do comportamento de

interconexotildees

23

242 Atenuaccedilatildeo

A transmissatildeo de um sinal pode ser expressa em funccedilatildeo do seu ganho ou da sua atenuaccedilatildeo

No caso em estudo as interconexotildees podem atenuar o sinal Essa atenuaccedilatildeo eacute geralmente

calculada pela expressatildeo (227) em que Vo eacute o sinal de saiacuteda e Vi eacute o sinal de entrada [42]

i

o

V

VA log20 (227)

243 Tempo de atraso

O tempo de atraso td ou atraso na propagaccedilatildeo ocorre devido ao

carregamentodescarregamento da capacitacircncia de carga bem como ao tempo de

chaveamento dos transistores [42]

O tempo de atraso eacute obtido pela diferenccedila entre o tempo medido a 50 da transiccedilatildeo dos

sinais de entrada e de saiacuteda [11] Em circuitos loacutegicos o atraso na propagaccedilatildeo pode ser

calculado pela meacutedia aritmeacutetica do tempo de propagaccedilatildeo do sinal de alto para baixo tPHL e

do tempo de propagaccedilatildeo do baixo para alto tPLH conforme equaccedilatildeo (228) [1142]

2

PLHPHLd

ttt

(228)

244 Potecircncia dissipada

A dissipaccedilatildeo de potecircncia eacute outra medida de desempenho bastante importante em circuitos

integrados em escala GSI e TSI Isso ocorre jaacute que ao aumentar o nuacutemero de portas

loacutegicas em uma determinada aacuterea ocupada eacute necessaacuterio que a dissipaccedilatildeo de potecircncia esteja

dentro de limites aceitaacuteveis [1142]

A dissipaccedilatildeo de potecircncia eacute composta por dois componentes potecircncia estaacutetica e potecircncia

dinacircmica A dissipaccedilatildeo de potecircncia estaacutetica eacute dada por IVP DDE e ocorre mesmo que

natildeo haja chaveamento de porta loacutegica no circuito devido ao efeito da resistecircncia do

circuito [42] A dissipaccedilatildeo de potecircncia dinacircmica eacute devido agrave capacitacircncia de carga do

24

circuito expressa por CVfP DDD 2 em que VDD eacute a tensatildeo de alimentaccedilatildeo f eacute

frequumlecircncia do circuito e C eacute a capacitacircncia de carga do circuito [1142] Assim a soma da

potecircncia dinacircmica e da potecircncia estaacutetica resulta na potecircncia total dissipada no circuito

245 Produto atraso-potecircncia

Em circuitos integrados o ideal eacute que se tenha baixo atraso na propagaccedilatildeo resultando em

uma maior velocidade de funcionamento do circuito bem como baixa dissipaccedilatildeo de

potecircncia No entanto essas duas exigecircncias satildeo conflitantes ao reduzirmos a dissipaccedilatildeo de

potecircncia de uma porta a capacidade da porta em fornecer corrente diminuiraacute isso

implicaraacute em um maior tempo de carga e descarga aumentando o atraso na propagaccedilatildeo

Assim o produto atraso-potecircncia (delay power product ndash DP) eacute uma medida de

desempenho bastante utilizada na anaacutelise de circuitos e eacute dado por dD tPDP Quanto

menor o produto atraso-potecircncia maior a eficiecircncia do circuito loacutegico [42]

246 Slew rate

A taxa maacutexima de variaccedilatildeo da tensatildeo de saiacuteda do inglecircs slew rate (SR) eacute uma

caracteriacutestica importante do sinal de saiacuteda de um circuito loacutegico A limitaccedilatildeo na taxa de

variaccedilatildeo pode provocar uma distorccedilatildeo no funcionamento do circuito O SR pode ser

calculado pela expressatildeo (229) em que Δv eacute a variaccedilatildeo da tensatildeo de saiacuteda do sinal para

uma determinada variaccedilatildeo de tempo Δt [42]

t

vSR

(229)

25 LTSPICE

O software LTSPICE eacute um simulador SPICE de alto desempenho orientado a

esquemaacuteticos e visualizador de formas de onda com modelos para facilitar a simulaccedilatildeo de

circuitos eletrocircnicos Se comparado aos outros simuladores SPICE a simulaccedilatildeo do

LTSPICE eacute bastante raacutepida O software consegue simular dispositivos de acordo com o

padratildeo industrial reproduzindo os seus comportamentos [52]

25

O LTSPICE possui vaacuterias possibilidades de simulaccedilatildeo como anaacutelise transiente anaacutelise AC

e anaacutelise DC bem como permite a simulaccedilatildeo de vaacuterios dispositivos disponiacuteveis na sua

biblioteca Aleacutem disso este software possibilita a elaboraccedilatildeo de novos esquemaacuteticos

atraveacutes de um modelo matemaacutetico ou eletrocircnico proposto O novo componente poderaacute ser

utilizado no circuito conforme seraacute feito neste trabalho utilizando-se o modelo SPICE do

SET proposto por G Lientschnig et al[4]

26

3 METODOLOGIA

31 INTRODUCcedilAtildeO

A miniaturizaccedilatildeo das interconexotildees prejudica o seu desempenho resultando no aumento

significativo do valor da resistividade da capacitacircncia de acoplamento entre vias na

dificuldade de controlar a razatildeo entre a altura e a largura do material entre outros

problemas A fim de analisar o desempenho das interconexotildees eacute necessaacuterio verificar

algumas variaacuteveis importantes como velocidade maacutexima (f-3dB) atenuaccedilatildeo (A) tempo de

atraso (td) potecircncia dissipada (P) produto atraso-potecircncia (DP) e slew rate (SR)

[111317202342]

32 ETAPAS E ESTRATEacuteGIAS ADOTADAS

Com o intuito de analisar o efeito das interconexotildees em circuitos com transistores mono-

eleacutetron foi realizada primeiramente a anaacutelise das interconexotildees de SWCNT de SWCNT

bundle e de cobre isoladamente para diferentes valores de comprimento Apoacutes a avaliaccedilatildeo

desses resultados o efeito das interconexotildees foi analisado no H-tree clock com inversores

mono-eleacutetron nos seus terminais tambeacutem considerando diferentes comprimentos Neste

trabalho a tecnologia de 22 nm prevista para o ano de 2016 [21] foi utilizada na

comparaccedilatildeo entre o desempenho do cobre e do CNT Todas as simulaccedilotildees foram realizadas

utilizando o software LTSPICE

321 Simulaccedilatildeo das interconexotildees

A partir dos modelos das interconexotildees de SWCNT SWCNT bundle e cobre apresentados

na subseccedilatildeo 213 diferentes comprimentos das interconexotildees foram simulados Assim

analisou-se as interconexotildees locais em que l le 1 μm e as intermediaacuterias em que 1 μm lt l

le 500 μm sabendo que l eacute o comprimento da interconexatildeo [29-31333638]

A fim de analisar a frequumlecircncia de corte este foi obtido para comprimentos de

interconexotildees locais (10nm 100nm 200nm 300nm 400nm 500nm 600nm 700nm

27

800nm 900nm 1μm) e interconexotildees intermediaacuterias (10μm 100μm 200μm 300μm

400μm 500μm)

Jaacute que λCNT eacute tipicamente 1 μm foram escolhidos trecircs comprimentos na faixa lCNT le λCNT

(10 nm 100 nm e 1 μm) e trecircs comprimentos na faixa lCNT gt λCNT (10 μm 100 μm 500

μm) para serem analisados detalhadamente Escolheu-se uma mesma frequecircncia abaixo da

frequecircncia de corte dos trecircs materiais considerados para analisar e comparar a atenuaccedilatildeo

(A) e o tempo de atraso na propagaccedilatildeo (td) dos diferentes comprimentos

Em seguida o mesmo procedimento foi feito para comparar somente o SWCNT bundle e o

cobre para uma mesma frequecircncia cujo valor eacute maior que a frequecircncia da anaacutelise anterior

permitindo que estes dois materiais sejam analisados detalhadamente

Essas anaacutelises foram realizadas a partir da simulaccedilatildeo do circuito da Figura 31 [2325] A

tensatildeo de entrada Vin eacute uma onda quadrada de 1V de amplitude e o capacitor de carga tem

o valor de 100 aF

Figura 31 ndash Circuito simulado para cada interconexatildeo

A Figura 32 mostra o fluxograma das etapas descritas nesta subseccedilatildeo 321

28

Figura 32 ndash Fluxograma das etapas seguidas na simulaccedilatildeo das interconexotildees

322 Simulaccedilatildeo do inversor mono-eleacutetron

Para utilizar a porta inversora da Figura 215 nos terminais do H-tree clock foi necessaacuterio

primeiramente simular o SET proposto por [4] Essa simulaccedilatildeo foi feita variando os

paracircmetros do SET como as resistecircncias e capacitacircncias das junccedilotildees as capacitacircncias de

porta a temperatura etc Os paracircmetros foram variados ateacute simular o SET a temperatura

de 300K Em seguida simulou-se a inversora da Figura 215 tambeacutem a temperatura

ambiente Dessa forma foi possiacutevel simular a inversora isoladamente obtendo as

caracteriacutesticas do sinal de saiacuteda

323 Simulaccedilatildeo do H-tree clock mono-eleacutetron

Apoacutes a simulaccedilatildeo do SET foi possiacutevel simular o H-tree clock A rede H-tree de dois niacuteveis

foi simulada com um H no primeiro niacutevel e quatro H‟s no segundo niacutevel [49] Nos pontos

de destino final da rede foram colocadas portas inversoras formadas por SETs permitindo

a anaacutelise de circuitos nanoeletrocircnicos

Modelos de SWCNT

SWCNT bundle e cobre

Obtenccedilatildeo dos paracircmetros dos modelos para

interconexotildees locais e interconexotildees intermediaacuterias

Para cada comprimento

obtenccedilatildeo de f-3dB

1ordm) Escolha de frequumlecircncia abaixo

da f-3dB do SWCNT SWCNT

bundle e cobre

2ordm) Escolha de frequumlecircncia abaixo

da f-3dB do SWCNT bundle e

cobre

Obtenccedilatildeo de A e td de

cada modelo

Obtenccedilatildeo de A e td de

cada modelo

Anaacutelise comparativa entre o

SWCNT SWCNT bundle e

cobre

Anaacutelise comparativa entre o

SWCNT bundle e cobre

Estudo de interconexotildees locais (10nm

100nm 1μm) e intermediaacuterias (10μm

100μm 500μm)

29

A partir da simulaccedilatildeo do H-tree clock obteve-se a frequecircncia em -3dB (f-3dB) da rede com

interconexotildees ideais Assim a rede H-tree foi entatildeo simulada para duas frequecircncias

diferentes do sinal de entrada abaixo da frequecircncia de -3dB 10 GHz e 100 GHz Com

essas simulaccedilotildees obtiveram-se as seguintes caracteriacutesticas do sinal de saiacuteda da inversora

niacutevel loacutegico baixo (NB) niacutevel loacutegico alto (NA) tempo de subida (tr) slew rate de subida

(SR) atenuaccedilatildeo (A) tempo de atraso (td) potecircncia dissipada (P) e produto atraso-potecircncia

(DP) As caracteriacutesticas obtidas servem como referecircncia para analisar o sinal considerando

interconexotildees natildeo-ideais ou seja incluindo os modelos das interconexotildees nas simulaccedilotildees

Em seguida a rede H-tree foi simulada considerando-se os modelos das interconexotildees de

SWCNT bundle e de cobre variando os seus comprimentos Como cada H da rede de

distribuiccedilatildeo deve ser simeacutetrico considerou-se que cada divisatildeo do H tem o mesmo

comprimento para cada niacutevel da rede [11] A Figura 33 mostra o comprimento dos

diferentes trechos da rede Assim o comprimento de cada divisatildeo dos H‟s do segundo

niacutevel eacute a metade do comprimento de cada divisatildeo do H do primeiro niacutevel Jaacute que o objetivo

eacute simular circuitos em escala nanomeacutetrica escolheu-se trecircs variaccedilotildees de comprimento

menores ou iguais a 1μm

l = 100 nm l2 = 50 nm

l = 400 nm l2 = 200 nm

l = 1 μm l2 = 500 nm

Figura 33 ndash Esquemaacutetico do H-tree clock com os comprimentos de cada seguimento

Dessa forma cada um dos trecircs circuitos foi simulado obtendo-se a frequecircncia em -3dB na

entrada das portas inversoras Em seguida as trecircs redes foram simuladas para as mesmas

30

duas frequumlecircncias do sinal de entrada (10 GHz e 100 GHz) de forma a obter as

caracteriacutesticas do sinal de saiacuteda descritas anteriormente considerando agora o efeito das

interconexotildees

Por fim a partir dos dados obtidos foram realizadas comparaccedilotildees entre as caracteriacutesticas

do sinal de saiacuteda de referecircncia (interconexotildees ideais) e o sinal de saiacuteda dos circuitos com as

interconexotildees natildeo-ideais bem como entre o comportamento das interconexotildees de SWCNT

bundle e de cobre nas diferentes frequecircncias

A Figura 34 mostra o fluxograma das etapas descritas nas subseccedilotildees 322 e 323

Figura 34 ndash Fluxograma das etapas seguidas na simulaccedilatildeo do H-tree clock

H-tree clock mono-eleacutetron

Simulaccedilatildeo do H-tree clock com

interconexotildees ideais Obtenccedilatildeo de f-3dB

da inversora

Simulaccedilatildeo do H-tree clock com

interconexotildees natildeo-ideais para os seguintes

comprimentos

l = 100 nm l2 = 50 nm

l = 400 nm l2 = 200 nm

l = 1 μm l2 = 500 nm

Validaccedilatildeo do SET e do

inversor mono-eleacutetron a

300K

Sinal de entrada a

10 GHz

Sinal de entrada a

100 GHz

Obtenccedilatildeo de NB

NA tr SR A td P e

DP do sinal de saiacuteda

da inversora

Obtenccedilatildeo de NB

NA tr SR A td P e

DP do sinal de saiacuteda

da inversora

Sinal de entrada a

10 GHz

Sinal de entrada a

100 GHz

Obtenccedilatildeo de NB

NA tr SR A td P e

DP do sinal de saiacuteda

da inversora

Obtenccedilatildeo de NB

NA tr SR A td P e

DP do sinal de saiacuteda

da inversora

Anaacutelise comparativa

dos dados obtidos

31

4 RESULTADOS E ANAacuteLISES

41 INTRODUCcedilAtildeO

Neste capiacutetulo seratildeo apresentados os procedimentos adotados e os resultados obtidos na

simulaccedilatildeo das interconexotildees SWCNT SWCNT bundle e cobre As etapas descritas na

metodologia foram seguidas obtendo-se os resultados das simulaccedilotildees das interconexotildees e

das simulaccedilotildees do H-tree clock mono-eleacutetron para interconexotildees ideais e natildeo-ideais A

partir dos resultados a anaacutelise do desempenho das interconexotildees seraacute apresentada

42 ANAacuteLISE DAS INTERCONEXOtildeES

Nesta seccedilatildeo a anaacutelise das interconexotildees de SWCNT SWCNT bundle e cobre na

tecnologia de 22 nm para diferentes comprimentos seraacute realizada Para isso analisou-se

as interconexotildees locais em que l le 1 μm e as intermediaacuterias em que 1 μm lt l le 500 μm

sabendo que l eacute o comprimento da interconexatildeo [29-31333638] Como λCNT eacute

tipicamente 1 μm trecircs comprimentos na faixa lCNT le λCNT (10 nm 100 nm e 1 μm) e trecircs

comprimentos na faixa lCNT gt λCNT (10 μm 100 μm 500 μm) de cada material seratildeo

analisados detalhadamente Os paracircmetros obtidos a partir dos modelos de SWCNT

SWCNT bundle e cobre estatildeo respectivamente nas Tabelas 71 72 e 73 do Apecircndice

421 Interconexotildees locais

Primeiramente a partir da simulaccedilatildeo da Figura 31 obteve-se a frequecircncia em -3dB (f-3dB)

das interconexotildees locais (lCNT le λCNT ) isto eacute a sua banda passante de forma a verificar a

velocidade maacutexima que cada interconexatildeo suporta A Figura 41 ilustra o comportamento

da frequecircncia das interconexotildees locais para os diferentes comprimentos Como o SWCNT

isolado possui valores de frequecircncia na faixa de centenas de giga Hertz ou seja menos de

um tera Hertz os valores de suas frequecircncias tambeacutem podem ser visualisados na Tabela

74 do Apecircndice

Verifica-se que agrave medida que o comprimento da interconexatildeo aumenta a frequecircncia

diminui Isso ocorre jaacute que os valores da capacitacircncia e indutacircncia aumentam com o

aumento do comprimento da interconexatildeo Esses paracircmetros satildeo decisivos no sinal de

32

saiacuteda sendo o sinal mais distorcido quanto maior for o valor desses paracircmetros Observa-

se que o SWCNT bundle e o cobre possuem banda passante maiores que o SWCNT

isolado para qualquer comprimento Aleacutem disso o SWCNT bundle soacute possui uma banda

passante comparaacutevel ao do cobre para comprimentos acima de 700 nm

Frequecircncia X Comprimento

0

10

20

30

40

50

60

100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

Comprimento (nm)

f -3d

B (

TH

z)

SWCNT Isolado

SWCNT bundle

Cobre

Figura 41 ndash Frequumlecircncia versus comprimento das interconexotildees locais

As interconexotildees locais de 10 nm 100 nm e 1 μm de comprimento foram analisadas

detalhadamente A Tabela 41 mostra a frequecircncia em -3dB de cada material para os

comprimentos em anaacutelise

Tabela 41 Frequecircncia em -3dB de cada material para lCNT le λCNT

Interconexatildeo Local Comprimento (L) Material f-3dB

SWCNT isolado 253 GHz

10nm SWCNT bundle 66 THz

Cobre 232 THz

SWCNT isolado 300 GHz

lCNT le λCNT 100nm SWCNT bundle 20 THz

Cobre 51 THz

SWCNT isolado 230 GHz

1microm SWCNT bundle 47 THz

Cobre 42 THz

Assim escolheu-se uma mesma frequecircncia abaixo da frequecircncia de corte dos trecircs

materiais considerados para analisar e comparar a atenuaccedilatildeo (A) e o tempo de atraso na

propagaccedilatildeo (td) dos trecircs comprimentos Isso permite verificar o comportamento do sinal na

banda passante A Tabela 42 mostra esse estudo comparativo entre o SWCNT isolado

SWCNT bundle e cobre agrave frequecircncia de 200 GHz

33

Tabela 42 Estudo das interconexotildees com comprimentos na faixa lCNT le λCNT

Freq L Material A (dB) td (ps)

SWCNT isolado -210 046

10nm SWCNT bundle 001 000

Cobre 000 000

SWCNT isolado -155 051

200 GHz 100nm SWCNT bundle 001 000

Cobre 001 000

SWCNT isolado -039 107

1microm SWCNT bundle 006 001

Cobre 000 007

A partir da anaacutelise da Tabela 42 eacute possiacutevel observar agrave frequumlecircncia de 200 GHz a

atenuaccedilatildeo do sinal e o atraso do SWCNT isolado Nessa frequumlecircncia o atraso do SWCNT

isolado eacute significativo em relaccedilatildeo ao periacuteodo do sinal que eacute 5ps jaacute que o menor atraso

(para l = 10nm) eacute aproximadamente 10 do periacuteodo do sinal de entrada No entanto para

esta mesma frequumlecircncia observa-se que a atenuaccedilatildeo e o atraso do SWCNT bundle e do

cobre satildeo insignificantes Isto indica que estes dois materiais possuem melhor

desempenho sendo favoraacuteveis para serem utilizados em interconexotildees locais

Dessa forma para analisar melhor a atenuaccedilatildeo e o tempo de atraso do SWCNT bundle e do

cobre o mesmo procedimento foi feito comparando-se somente estes dois materiais para

uma mesma frequecircncia de 1 THz A Tabela 43 mostra esse estudo comparativo entre o

SWCNT bundle e cobre

Tabela 43 Estudo das interconexotildees SWCNT bundle e cobre com comprimentos na faixa

lCNT le λCNT

Freq L Material A (dB) td (fs)

10nm SWCNT bundle 001 113

Cobre 000 022

1 THz 100nm SWCNT bundle 006 136

Cobre 001 240

1microm SWCNT bundle 145 647

Cobre -013 5623

Analisando a Tabela 43 observa-se que agrave frequumlecircncia de 1 THz a atenuaccedilatildeo do sinal e o

atraso aumentam agrave medida que o comprimento das interconexotildees aumentam A partir do

comprimento de 100nm o tempo de atraso da interconexatildeo de cobre eacute maior que o do

SWCNT bundle cujo maior valor de atraso (para l = 1microm) natildeo chega a 1 do periacuteodo do

34

sinal de entrada (1ps) Isso mostra que apesar de a banda passante do cobre ser maior o

atraso do SWCNT bundle eacute menor Dessa forma para as interconexotildees locais o SWCNT

bundle possui desempenho comparaacutevel ao do cobre [13]

Em relaccedilatildeo agrave atenuaccedilatildeo verifica-se que para alguns comprimentos este tem valor

positivo Isso ocorre principalmente quando haacute um pico no graacutefico da frequumlecircncia antes dele

comeccedilar a decair Esse pico eacute devido ao efeito ressonante provocado pela indutacircncia

quando este possui valor comparaacutevel agrave resistecircncia e agrave capacitacircncia da interconexatildeo [53]

Assim esse efeito ressonante foi observado somente nas interconexotildees locais de SWCNT

bundle e de cobre A Figura 42 ilustra o graacutefico da magnitude pela frequumlecircncia do SWCNT

isolado SWCNT bundle e cobre para o comprimento de 100nm Observa-se o efeito

ressonante nos graacuteficos do SWCNT bundle e do cobre

Figura 42 ndash Graacuteficos da magnitude das interconexotildees de SWCNT isolado (superior)

SWCNT bundle (meio) e cobre (inferior) com comprimento de 100nm

35

422 Interconexotildees intermediaacuterias

Assim como para as interconexotildees locais obteve-se a frequecircncia em -3dB (f-3dB) das

interconexotildees intermediaacuterias (lCNT gt λCNT) de forma a verificar a velocidade maacutexima que

cada interconexatildeo suporta A Figura 43 ilustra o comportamento da frequecircncia das

interconexotildees intermediaacuterias para os diferentes comprimentos Os valores das frequecircncias

de cada interconexatildeo tambeacutem podem ser visualisados na Tabela 75 do Apecircndice

Como nas interconexotildees locais agrave medida que o comprimento da interconexatildeo aumenta a

frequecircncia diminui Aleacutem disso o SWCNT bundle e o cobre possuem desempenho melhor

que o do SWCNT isolado para qualquer comprimento No entanto para interconexotildees

intermediaacuterias o SWCNT bundle possui banda passante maior que a do cobre para

qualquer comprimento

Frequecircncia X Comprimento

00

05

10

15

20

25

30

35

40

45

100 200 300 400 500

Comprimento (μm)

f -3d

B (

GH

z)

SWCNT isolado

SWCNT bundle

Cobre

Figura 43 ndash Frequumlecircncia versus comprimento das interconexotildees intermediaacuterias

As interconexotildees intermediaacuterias de 10 μm 100 μm e 500 μm de comprimento foram entatildeo

analisadas detalhadamente A Tabela 44 mostra a frequecircncia em -3dB de cada materal

para os diferentes comprimentos em anaacutelise

36

Tabela 44 Frequecircncia em -3dB de cada material para lCNT gt λCNT

Interconexatildeo

Intermediaacuteria

Comprimento (L) Material f-3dB

SWCNT isolado 26 GHz

10 microm SWCNT bundle 527 GHz

Cobre 34 GHz

SWCNT isolado 32 MHz

lCNT gt λCNT 100 microm SWCNT bundle 42 GHz

Cobre 345 MHz

SWCNT isolado 13 MHz

500 microm SWCNT bundle 165 MHz

Cobre 14 MHz

Escolheu-se a frequecircncia de 1 MHz que estaacute abaixo da frequecircncia de corte dos trecircs

materiais considerados para analisar e comparar a atenuaccedilatildeo (A) e o tempo de atraso na

propagaccedilatildeo (td) dos trecircs comprimentos A Tabela 45 mostra esse estudo comparativo entre

o SWCNT isolado SWCNT bundle e cobre

Tabela 45 Estudo das interconexotildees com comprimentos na faixa lCNT gt λCNT

Freq L Material A (dB) td (ns)

SWCNT isolado -002 008

10 microm SWCNT bundle 000 000

Cobre 000 000

SWCNT isolado -003 559

1 MHz 100 microm SWCNT bundle -001 005

Cobre -004 056

SWCNT isolado -198 10217

500 microm SWCNT bundle 000 110

Cobre -003 1301

Com base na Tabela 45 observa-se que a atenuaccedilatildeo e o tempo de atraso do SWCNT

isolado aumentam com o aumento do comprimento da interconexatildeo Nessa frequumlecircncia o

atraso na propagaccedilatildeo do SWCNT isolado eacute significativo em relaccedilatildeo ao periacuteodo do sinal de

entrada que eacute 1micros chegando a mais de 10 deste periacuteodo para o comprimento de 500microm

Verifica-se tambeacutem o aumento do tempo de atraso da interconexatildeo de cobre sendo 13

do periacuteodo do sinal de entrada para o comprimento de 500microm

Para analisar melhor a atenuaccedilatildeo e o tempo de atraso do SWCNT bundle e do cobre o

mesmo procedimento foi feito comparando-se somente estes dois materiais para uma

37

mesma frequecircncia de 10 MHz A Tabela 46 mostra esse estudo comparativo entre o

SWCNT bundle e cobre

Tabela 46 Estudo das interconexotildees SWCNT bundle e cobre com comprimentos na faixa

lCNT gt λCNT

Freq L Material A (dB) td (ns)

10 microm SWCNT bundle 000 000

Cobre 000 000

10 MHz 100 microm SWCNT bundle -001 005

Cobre -004 054

500 microm SWCNT bundle -004 107

Cobre -185 1024

Analisando a Tabela 46 observa-se que agrave medida que o comprimento das interconexotildees

aumenta a atenuaccedilatildeo e o atraso do sinal da interconexatildeo de cobre tornam-se significativos

O atraso na propagaccedilatildeo da interconexatildeo de cobre para l = 500microm chega a 10 do periacuteodo

do sinal de entrada (100ns) Jaacute o SWCNT bundle apresenta valores insignificantes de

atenuaccedilatildeo e atraso na propagaccedilatildeo Assim para as interconexotildees intermediaacuterias o SWCNT

bundle possui desempenho superior ao do cobre

43 SIMULACcedilAtildeO DO INVERSOR MONO-ELEacuteTRON

O modelo SPICE do SET proposto por G Lientschnig et al [444] foi simulado no

LTSPICE A partir da equaccedilatildeo (226) foi possiacutevel aumentar a temperatura do SET ateacute

chegar a 300K Assim o esquemaacutetico do SET e os valores de seus paracircmetros para que o

SET opere a 300K estatildeo na Figura 44 No anexo deste trabalho (subseccedilatildeo 81) encontra-

se o coacutedigo SET que foi utilizado [44] Os paracircmetros R1 C1 e R2 C2 correspondem agraves

resistecircncias e capacitacircncias das junccedilotildees-tuacutenel Cg eacute a capacitacircncia de porta (Cg1 no coacutedigo

SET) Vg eacute a tensatildeo de porta e V eacute a tensatildeo de entrada

Figura 44 Esquemaacutetico do SET e os valores de seus paracircmetros

38

A partir destes valores o inversor mono-eleacutetron foi construiacutedo colocando-se dois SETs em

seacuterie os quais compartilham da mesma entrada A Figura 45 ilustra o esquemaacutetico do

inversor mono-eleacutetron juntamente com os valores de seus paracircmetros fixos em que Vin eacute a

tensatildeo de entrada Vout eacute a tensatildeo de saiacuteda Vbias eacute a tensatildeo de polarizaccedilatildeo Cc eacute a

capacitacircncia de carga Cg1 e Cg2 satildeo as capacitacircncias de porta do SET 1 e do SET 2

respectivamente

Figura 45 Esquemaacutetico do inversor mono-eleacutetron e os valores de seus paracircmetros

(modificado de [4])

Assim apoacutes simular o inversor mono-eleacutetron a 300K obteve-se o sinal de saiacuteda mostrado

na Figura 46 Como o inversor estaacute invertendo o sinal de entrada de valor loacutegico baixo em

um sinal de saiacuteda de valor loacutegico alto ele estaacute operando corretamente

Figura 46 Curva do sinal de entrada (em verde) e do sinal de saiacuteda (em preto) do inversor

mono-eleacutetron

39

44 ANAacuteLISE DAS INTERCONEXOtildeES NO H-TREE CLOCK MONO-ELEacuteTRON

Nesta seccedilatildeo a rede H-tree clock de dois niacuteveis foi simulada com portas inversoras mono-

eleacutetron nos pontos de destino final da rede permitindo a anaacutelise de circuitos

nanoeletrocircnicos Simulou-se a rede H-tree considerando interconexotildees ideais para as

frequecircncias de 10 GHz e 100 GHz no sinal de entrada Em seguida para as mesmas duas

frequecircncias considerou-se interconexotildees natildeo-ideais de diferentes comprimentos

analisando a rede com os modelos de interconexatildeo SWCNT bundle e cobre Trecircs redes

com comprimentos de interconexotildees diferentes foram analisadas

l = 100 nm l2 = 50 nm

l = 400 nm l2 = 200 nm

l = 1 μm l2 = 500 nm

441 Anaacutelise da rede com interconexotildees ideais

A partir da simulaccedilatildeo do H-tree clock a frequecircncia em -3dB (f-3dB) da rede com

interconexotildees ideais foi obtida Na saiacuteda de cada porta inversora a banda passante do sinal

eacute 3200 GHz Dessa forma duas frequecircncias abaixo de 3200 GHz foram escolhidas para

analisar o sinal de saiacuteda da inversora em condiccedilotildees ideais As frequecircncias de 10 GHz e

100 GHz seratildeo analisadas obtendo-se as seguintes caracteriacutesticas do sinal de saiacuteda da

inversora niacutevel loacutegico baixo (NB) niacutevel loacutegico alto (NA) tempo de subida (tr) slew rate

de subida (SR) atenuaccedilatildeo (A) e tempo de atraso (td) A Tabela 47 mostra os valores

obtidos para as duas frequecircncias em anaacutelise

Tabela 47 Caracteriacutesticas dos sinais de saiacuteda da rede para interconexotildees ideais

Freq NB(mV) NA(mV) tr (ps) SR(Vns) A(dB) td (ps)

10 GHz 675 4518 356 8636 -264 412

100 GHz 678 4279 317 9088 -269 189

Os caacutelculos da potecircncia estaacutetica ( IVP DDE ) potecircncia dinacircmica ( CVfP DDD 2 ) e

potecircncia total ( DE PPP ) dissipada por cada porta inversora foram realizados bem

como o produto atraso-potecircncia (DP) Assim a Tabela 48 mostra os valores obtidos no

40

caacutelculo destes paracircmetros Como a potecircncia estaacutetica independe da frequecircncia do sinal de

entrada o seu valor eacute o mesmo nos dois casos

Tabela 48 Potecircncia dissipada por cada porta inversora para interconexotildees ideais

Frequecircncia PE (nW) PD (nW) P (nW) DP (10-18

Wmiddots)

10 GHz 4838 125 4963 020

100 GHz 4838 125 6088 012

As Tabelas 47 e 48 serviratildeo de referecircncia para as anaacutelises da rede com interconexotildees natildeo-

ideais analisadas na subseccedilatildeo seguinte As Figuras 47 e 48 ilustram o sinal de saiacuteda das

redes com frequecircncias de 10 GHz e de 100 GHz respectivamente Eacute possiacutevel observar que

na frequecircncia de 100 GHz o sinal de saiacuteda jaacute eacute distorcido em relaccedilatildeo ao sinal de referecircncia

(Figura 46)

Figura 47 Sinal de entrada (em verde) e sinal de saiacuteda (em preto) da rede a 10 GHz

Figura 48 Sinal de entrada (em verde) e sinal de saiacuteda (em preto) da rede a 100 GHz

41

442 Anaacutelise da rede com interconexotildees natildeo-ideais

Apoacutes obter as caracteriacutesticas da rede H-tree clock com interconexotildees ideais a anaacutelise da

rede com interconexotildees natildeo-ideais seraacute feita Primeiramente eacute importante verificar a

frequecircncia em -3dB do sinal depois das interconexotildees ou seja na entrada da porta

inversora Caso essa frequecircncia seja menor que a frequecircncia de 3200 GHz obtida com

interconexotildees ideais entatildeo a interconexatildeo afetaraacute o comportamento da rede A Tabela 49

mostra a frequecircncia em -3dB na entrada da inversora para interconexotildees natildeo-ideais

Tabela 49 Frequecircncia em -3dB na entrada da inversora para interconexotildees natildeo-ideais

Comprimentos (l2 l) Material f-3dB

50nm 100nm SWCNT bundle 122 THz

Cobre 175 THz

200nm 400nm SWCNT bundle 31 THz

Cobre 8606 GHz

500nm 1microm SWCNT bundle 12 THz

Cobre 1268 GHz

Assim verifica-se que a interconexatildeo de cobre da rede 500nm1microm possui frequecircncia em

-3dB abaixo da frequecircncia do circuito com interconexatildeo ideal (3200 GHz) Isso indica que

esta interconexatildeo interfere significativamente no comportamento da rede A Tabela 49

mostra tambeacutem que a banda passante da interconexatildeo de cobre soacute eacute maior que a da

interconexatildeo de SWCNT bundle no primeiro caso na rede de 50nm100nm o que mostra

uma vantagem do SWCNT bundle em relaccedilatildeo ao cobre A partir dessas informaccedilotildees a

rede H-tree clock com interconexotildees natildeo-ideais seraacute analisada detalhadamente

4421 Anaacutelise da rede a 10 GHz

As redes com interconexotildees natildeo-ideais seratildeo analisadas na frequecircncia de 10 GHz para

diferentes comprimentos Primeiramente o niacutevel loacutegico baixo (NB) o niacutevel loacutegico alto

(NA) o tempo de subida (tr) e o slew rate de subida (SR) foram obtidos conforme mostra a

Tabela 410 Com base nessa tabela verifica-se que na frequecircncia de 10 GHz essas

caracteriacutesticas natildeo foram modificadas pelas interconexotildees natildeo-ideais independentemente

do comprimento Os valores dos paracircmetros satildeo iguais aos obtidos na rede com

interconexatildeo ideal conforme Tabela 47 O sinal obtido na saiacuteda de cada inversor eacute igual

ao ilustrado na Figura 47

42

Tabela 410 Niacuteveis loacutegicos tempo de subida e slew rate dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 10 GHz

Freq L (l2l) Material NB(mV) NA(mV) tr(ps) SR(Vns)

10

GHz

50nm

100nm

SWCNT bundle 675 4518 356 8636

Cobre 675 4518 356 8636

200nm

400nm

SWCNT bundle 675 4518 356 8636

Cobre 675 4518 356 8636

500nm

1microm

SWCNT bundle 675 4518 356 8636

Cobre 675 4518 356 8636

A Tabela 411 mostra a atenuaccedilatildeo tempo de atraso potecircncia total dissipada e o produto

atraso-potecircncia obtidos a frequecircncia de 10 GHz para interconexotildees natildeo-ideais Observa-se

que a atenuaccedilatildeo do sinal e a potecircncia total dissipada por cada porta inversora permanecem

os mesmos em relaccedilatildeo agrave interconexatildeo ideal mostrando que a essa frequecircncia as

interconexotildees natildeo-ideais natildeo interferem nestes paracircmetros

Jaacute o atraso na propagaccedilatildeo do sinal no caso do cobre aumenta agrave medida que as

interconexotildees aumentam de comprimento aumentando tambeacutem o produto atraso-potecircncia

Esse atraso chega a 66 do periacuteodo do sinal de entrada para a interconexatildeo 500nm1microm

de cobre No entanto estes paracircmetros natildeo satildeo afetados pelas interconexotildees de SWCNT

bundle indicando que este material se sobressai em relaccedilatildeo ao cobre

Tabela 411 Atenuaccedilatildeo atraso potecircncia e produto atraso-potecircncia dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 10 GHz

Freq L (l2l) Material A (dB) td (ps) P (nW) DP(10-18

Wmiddots)

10

GHz

50nm

100nm

SWCNT bundle -264 412 4963 020

Cobre -264 412 4963 020

200nm

400nm

SWCNT bundle -264 412 4963 020

Cobre -264 438 4963 022

500nm

1microm

SWCNT bundle -264 412 4963 020

Cobre -264 659 4963 033

4422 Anaacutelise da rede a 100 GHz

As redes com interconexotildees natildeo-ideais seratildeo analisadas na frequecircncia de 100 GHz para

diferentes comprimentos O niacutevel loacutegico baixo (NB) o niacutevel loacutegico alto (NA) o tempo de

subida (tr) e o slew rate de subida (SR) foram obtidos conforme mostra a Tabela 412 Jaacute a

43

Tabela 413 mostra a atenuaccedilatildeo tempo de atraso potecircncia total dissipada e o produto

atraso-potecircncia obtidos a frequecircncia de 100 GHz para interconexotildees natildeo-ideais

Tabela 412 Niacuteveis loacutegicos tempo de subida e slew rate dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 100 GHz

Freq L (l2l) Material NB(mV) NA(mV) tr(ps) SR(Vns)

100

GHz

50nm

100nm

SWCNT bundle 678 4272 316 9099

Cobre 675 4277 323 9107

200nm

400nm

SWCNT bundle 678 4299 315 9196

Cobre 677 4089 289 9447

500nm

1microm

SWCNT bundle 678 4418 300 9973

Cobre 635 1766 102 6795

Tabela 413 Atenuaccedilatildeo atraso potecircncia e produto atraso-potecircncia dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 100 GHz

Freq L (l2l) Material A (dB) td (ps) P (nW) DP(10-18

Wmiddots)

100

GHz

50nm

100nm

SWCNT bundle -2703 189 6088 012

Cobre -2685 191 6088 012

200nm

400nm

SWCNT bundle -2693 188 6088 012

Cobre -2698 228 6088 014

500nm

1microm

SWCNT bundle -2673 174 6088 011

Cobre -2893 388 6088 024

A partir das Tabelas 412 e 413 o SWCNT bundle seraacute analisado Observa-se que os seus

niacuteveis loacutegicos altos aumentam com o aumento do comprimento das interconexotildees

aumentando tambeacutem o slew rate de subida Esse comportamento ocorre provavelmente

devido ao efeito ressonante provocado pela indutacircncia que provoca um pico no graacutefico da

frequumlecircncia antes dele comeccedilar a decair conforme explicado na subseccedilatildeo 421 Isso implica

na diminuiccedilatildeo da atenuaccedilatildeo do sinal e do atraso No entanto o produto atraso-potecircncia

permanece praticamente invariaacutevel jaacute que a potecircncia total dissipada natildeo se altera

Em relaccedilatildeo agraves interconexotildees de cobre verifica-se que as distorccedilotildees satildeo significativas Agrave

medida que o comprimento aumenta a atenuaccedilatildeo do sinal de saiacuteda aumenta Isso provoca

diminuiccedilatildeo no slew rate do sinal o que natildeo eacute desejado jaacute que o sinal demora mais para

atingir o niacutevel loacutegico alto Aleacutem disso o atraso na propagaccedilatildeo do sinal aumenta bastante

chegando a 388 do periacuteodo do sinal de entrada para a interconexatildeo 500nm1microm

Consequentemente o produto atraso-potecircncia tambeacutem aumenta sendo o dobro do valor de

44

referecircncia (interconexotildees ideais) A Figura 49 ilustra o sinal de saiacuteda da interconexatildeo

500nm1microm de cobre

Figura 49 Sinal de entrada (em verde) e sinal de saiacuteda (em preto) da rede a 100 GHz para

a interconexatildeo 500nm1microm de cobre

Comparando-se as potecircncias das tabelas 47 48 411 413 verifica-se que natildeo haacute

alteraccedilatildeo na potecircncia total dissipada pelo circuito com interconexotildees ideais e pelos

circuitos com interconexotildees natildeo-ideais para uma mesma frequecircncia Assim eacute importante

destacar que a dissipaccedilatildeo de potecircncia das interconexotildees de SWCNT bundle e de cobre natildeo

interfere na potecircncia total dissipada pelo circuito

443 Consideraccedilotildees Finais

Apoacutes analisar as interconexotildees locais de SWCNT de SWCNT bundle e de cobre

verificou-se que as interconexotildees de SWCNT bundle possuem desempenho comparaacutevel ao

das interconexotildees de cobre Em relaccedilatildeo agraves interconexotildees intermediaacuterias as de SWCNT

bundle apresentam desempenho superior agraves de cobre Jaacute as interconexotildees de SWCNT

isolado tanto para interconexotildees locais como para interconexotildees intermediaacuterias

apresentam desempenho inferior agraves interconexotildees de SWCNT bundle e de cobre natildeo

sendo propiacutecias a serem utilizadas em interconexotildees de circuitos integrados

Na anaacutelise das interconexotildees natildeo-ideais na rede H-tree clock mono-eleacutetron para a

frequecircncia de 10GHz observou-se que o niacutevel loacutegico baixo o niacutevel loacutegico alto o tempo de

subida o slew rate de subida a atenuaccedilatildeo do sinal e a potecircncia total dissipada por cada

porta inversora permanecem os mesmos em relaccedilatildeo agrave interconexatildeo ideal mostrando que

45

para esta frequecircncia as interconexotildees natildeo-ideais natildeo interferem nestes paracircmetros Jaacute o

atraso na propagaccedilatildeo do sinal no caso do cobre aumenta agrave medida que as interconexotildees

aumentam de comprimento aumentando tambeacutem o produto atraso-potecircncia No entanto

estes paracircmetros natildeo satildeo afetados pelas interconexotildees de SWCNT bundle indicando que

este material se sobressai em relaccedilatildeo ao cobre

Jaacute para a rede H-tree clock mono-eleacutetron a 100GHz observou-se que o circuito com

interconexotildees natildeo-ideais afetou bastante os paracircmetros em anaacutelise se comparados aos

obtidos para interconexotildees ideais Verificou-se que as distorccedilotildees provocadas pelas

interconexotildees de cobre foram significativas indicando que as interconexotildees de SWCNT

bundle possuem melhor desempenho que as de cobre

Assim constata-se que as interconexotildees de SWCNT bundle satildeo fortes candidatas a

substituirem as interconexotildees de cobre em circuitos em escala giga (GSI) e tera (TSI)

46

5 CONCLUSOtildeES

Nesta dissertaccedilatildeo o estudo das interconexotildees de SWCNT de SWCNT bundle e de cobre

foi realizado analisando e comparando os seus desempenhos para diferentes

comprimentos A partir desse estudo verificou-se que as interconexotildees de SWCNT bundle

possui desempenho comparaacutevel ao das interconexotildees de cobre no caso de interconexotildees

locais Em relaccedilatildeo agraves interconexotildees intermediaacuterias as de SWCNT bundle apresentam

desempenho superior agraves de cobre

As interconexotildees de SWCNT bundle e as interconexotildees de cobre foram entatildeo simuladas na

rede H-tree clock de dois niacuteveis para diferentes comprimentos e frequecircncias Nos pontos

de destino final da rede foram colocadas portas inversoras formadas por SETs permitindo

a anaacutelise de circuitos nanoeletrocircnicos

A partir da anaacutelise da rede H-tree clock observou-se que as interconexotildees de SWCNT

bundle possuem desempenho melhor que as de cobre principalmente em relaccedilatildeo ao slew

rate agrave atenuaccedilatildeo ao tempo de atraso e ao produto atraso-potecircncia Aleacutem disso a

dissipaccedilatildeo de potecircncia das interconexotildees natildeo-ideais natildeo interferem na potecircncia total

dissipada pelo circuito Assim as interconexotildees de SWCNT bundle satildeo fortes candidatas a

substituirem as interconexotildees de cobre em circuitos em escala giga (GSI) e tera (TSI)

Como perspectivas futuras eacute importante analisar o efeito das interconexotildees de nanotubo de

carbono em circuitos GSI e TSI com outras arquiteturas A anaacutelise das interconexotildees de

CNT tambeacutem deve ser feita em circuitos com tecnologia MOS permitindo a comparaccedilatildeo

entre diferentes tecnologias Aleacutem disso eacute interessante estudar outros tipos de materiais

que possam ser utilizados como interconexotildees em circuitos integrados

47

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53

7 APEcircNDICES

71 TABELAS COMPLEMENTARES

Tabela 71 Paracircmetros obtidos a partir do modelo de SWCNT isolado

L RQ (Ω) RS (Ω) LCNT (10-9

H) CCNT (10-18

F)

10 nm 645103 - 40010

-2 27910

-1

100 nm 645103 - 40010

-1 279

200 nm 645103 - 80010

-1 558

300 nm 645103 - 120 837

400 nm 645103 - 160 11210

1

500 nm 645103 - 200 14010

1

600 nm 645103 - 240 16710

1

700 nm 645103 - 280 19510

1

800 nm 645103 - 320 22310

1

900 nm 645103 - 360 25110

1

1 microm 645103 - 400 27910

1

10 microm 645103 64510

4 40010

1 27910

2

100 microm 645103 64510

5 40010

2 27910

3

200 microm 645103 12910

6 80010

2 55810

3

300 microm 645103 19410

6 12010

3 83710

3

400 microm

645103 25810

6 16010

3 11210

4

500 microm

645103 32310

6 20010

3 14010

4

Tabela 72 Paracircmetros obtidos a partir do modelo de SWCNT bundle

L RQ (Ω) RS (Ω) LBundle(10-9

H) CBundle(10-18

F)

10 nm 1075 - 66710-5

135

100 nm 1075 - 66710-4

135101

200 nm 1075 - 13310-3

270101

300 nm 1075 - 20010-3

405101

400 nm 1075 - 26710-3

540101

500 nm 1075 - 33310-3

675101

600 nm 1075 - 40010-3

810101

700 nm 1075 - 46710-3

945101

800 nm 1075 - 53310-3

108102

900 nm 1075 - 60010-3

122102

1 microm 1075 - 66710-3

135102

10 microm 1075 108102 66710

-2 13510

3

100 microm 1075 108103 66710

-1 13510

4

200 microm 1075 215103 133 27010

4

300 microm 1075 323103 200 40510

4

400 microm

1075 430103 267 54010

4

500 microm

1075 538103 333 67510

4

54

Tabela 73 Paracircmetros obtidos a partir do modelo de cobre

L RCu (Ω) LCu (10-9

H) CCu (10-18

F)

10 nm 06 37310-6

150

100 nm 60 63610-5

150101

200 nm 120 17510-4

300101

300 nm 180 30910-4

450101

400 nm 240 45410-4

600101

500 nm 300 61110-4

750101

600 nm 360 77510-4

900101

700 nm 420 94610-4

105102

800 nm 480 11210-3

120102

900 nm 540 13110-3

135102

1 microm 600 14910-3

150102

10 microm 60102 24010

-2 15010

3

100 microm 60103 33210

-1 15010

4

200 microm 12104 72010

-1 30010

4

300 microm 18104 113 45010

4

400 microm

24104 155 60010

4

500 microm

30104 198 75010

4

55

Tabela 74 Frequecircncia em -3dB das interconexotildees locais

Comprimento Material f-3dB

10 nm SWCNT isolado 253 GHz

SWCNT bundle 66 THz

Cobre 232 THz

100 nm SWCNT isolado 300 GHz

SWCNT bundle 20 THz

Cobre 51 THz

200 nm SWCNT isolado 342 GHz

SWCNT bundle 14 THz

Cobre 29 THz

300 nm SWCNT isolado 344 GHz

SWCNT bundle 11 THz

Cobre 20 THz

400 nm SWCNT isolado 329 GHz

SWCNT bundle 89 THz

Cobre 15 THz

500 nm SWCNT isolado 307 GHz

SWCNT bundle 76 THz

Cobre 12 THz

600 nm SWCNT isolado 288 GHz

SWCNT bundle 67 THz

Cobre 94 THz

700 nm SWCNT isolado 271 GHz

SWCNT bundle 61 THz

Cobre 76 THz

800 nm SWCNT isolado 255 GHz

SWCNT bundle 55 THz

Cobre 63 THz

900 nm SWCNT isolado 240 GHz

SWCNT bundle 51 THz

Cobre 52 THz

1 microm SWCNT isolado 230 GHz

SWCNT bundle 47 THz

Cobre 42 THz

56

Tabela 75 Frequecircncia em -3dB das interconexotildees intermediaacuterias

Comprimento Material f-3dB

10 microm SWCNT isolado 26 GHz

SWCNT bundle 527 GHz

Cobre 34 GHz

100 microm SWCNT isolado 32 MHz

SWCNT bundle 42 GHz

Cobre 345 MHz

200 microm SWCNT isolado 82 MHz

SWCNT bundle 10 GHz

Cobre 87 MHz

300 microm SWCNT isolado 36 MHz

SWCNT bundle 455 MHz

Cobre 38 MHz

400 microm SWCNT isolado 21 MHz

SWCNT bundle 256 MHz

Cobre 21 MHz

500 microm SWCNT isolado 13 MHz

SWCNT bundle 165 MHz

Cobre 14 MHz

57

8 ANEXOS

81 COacuteDIGO SPICE DO SET [44]

Transistor mono-eleacutetron (SET) conexotildees fonte | dreno | | porta1 | | | porta2 | | | | SUBCKT SET 1 2 3 4 PARAMS +C1=1E-20 Capacitacircncia da junccedilatildeo 1 +C2=1E-20 Capacitacircncia da junccedilatildeo 2 +R1=1E5 Resistecircncia da junccedilatildeo 1 +R2=1E5 Resistecircncia da junccedilatildeo 2 +Cg1=015E-18 Capacitacircncia da junccedilatildeo 1 +Cg2=0 Capacitacircncia da junccedilatildeo 2 +C0=0 Capacitacircncia proacutepria da ilha +Q0=005 Carga offset em unidades de e +TEMP=300 Temperatura PARAM E=160217733E-19 Carga do eleacutetron (e) PARAM CSUM=C1+C2+Cg1+Cg2+C0 Capacitacircncia total do SET PARAM T=TEMPCSUM53785467E14 Temperatura normalizada 53785467E14 = kBe^2 PARAM RN1=R1(R1+R2) Resistecircncia da junccedilatildeo 1 normalizada PARAM RN2=R2(R1+R2) Resistecircncia da junccedilatildeo 2 normalizada FUNC Q(v1v2v3v4) (Cg1v3+Cg2v4+C1v1+C2v2)E+Q0 Definiccedilatildeo da carga em unidades de e FUNC VN(v) CSUMvE Tensatildeo normalizada FUNC GAMMA(u) IF(T==0IF(ult0-u0)IF(u==0Tu(EXP(uT)-1))) FUNC N_OPT(v1v2v3v4) ROUND(-Q(v1v2v3v4)+(CSUME) (v1RN2+v2RN1)) A maior probabilidade de carga na ilha em unidades de e Os quarto eventos tuacuteneis FUNC R1L(nv1v2v3v4) GAMMA(05 - n - Q(v1v2v3v4) + VN(v1))RN1 FUNC R1R(nv1v2v3v4) GAMMA(05 + n + Q(v1v2v3v4) - VN(v1))RN1 FUNC R2L(nv1v2v3v4) GAMMA(05 + n + Q(v1v2v3v4) - VN(v2))RN2 FUNC R2R(nv1v2v3v4) GAMMA(05 - n - Q(v1v2v3v4) + VN(v2))RN2

58

determinaccedilatildeo das probabilidades relativas assume-se inicialmente que o estado da carga N_OPT tem probabilidade relativa igual a um FUNC PN_1(nv1v2v3v4) (R1L(nv1v2v3v4)+R2R(nv1v2v3v4))(R1R(n-1v1v2v3v4)+R2L(n-1v1v2v3v4)) FUNC PN_2(nv1v2v3v4) PN_1(nv1v2v3v4) +(R1L(n-1v1v2v3v4)+R2R(n-1v1v2v3v4))(R1R(n-2v1v2v3v4)+R2L(n-2v1v2v3v4)) FUNC PN_3(nv1v2v3v4) PN_2(nv1v2v3v4) +(R1L(n-2v1v2v3v4)+R2R(n-2v1v2v3v4))(R1R(n-3v1v2v3v4)+R2L(n-3v1v2v3v4)) FUNC PN_4(nv1v2v3v4) PN_3(nv1v2v3v4) +(R1L(n-3v1v2v3v4)+R2R(n-3v1v2v3v4))(R1R(n-4v1v2v3v4)+R2L(n-4v1v2v3v4)) FUNC PN_5(nv1v2v3v4) PN_4(nv1v2v3v4) +(R1L(n-4v1v2v3v4)+R2R(n-4v1v2v3v4))(R1R(n-5v1v2v3v4)+R2L(n-5v1v2v3v4)) FUNC PN1(nv1v2v3v4) (R2L(nv1v2v3v4) +R1R(nv1v2v3v4))(R2R(n+1v1v2v3v4)+R1L(n+1v1v2v3v4)) FUNC PN2(nv1v2v3v4) PN1(nv1v2v3v4) +(R2L(n+1v1v2v3v4)+R1R(n+1v1v2v3v4))(R2R(n+2v1v2v3v4)+R1L(n+2v1v2v3v4)) FUNC PN3(nv1v2v3v4) PN2(nv1v2v3v4) +(R2L(n+2v1v2v3v4)+R1R(n+2v1v2v3v4))(R2R(n+3v1v2v3v4)+R1L(n+3v1v2v3v4)) FUNC PN4(nv1v2v3v4) PN3(nv1v2v3v4) +(R2L(n+3v1v2v3v4)+R1R(n+3v1v2v3v4))(R2R(n+4v1v2v3v4)+R1L(n+4v1v2v3v4)) FUNC PN5(nv1v2v3v4) PN4(nv1v2v3v4) +(R2L(n+4v1v2v3v4)+R1R(n+4v1v2v3v4))(R2R(n+5v1v2v3v4)+R1L(n+5v1v2v3v4)) FUNC PSUM(nv1v2v3v4) PN_5(nv1v2v3v4)+PN_4(nv1v2v3v4)+PN_3(nv1v2v3v4)+PN_2(nv1v2v3v4) ++PN_1(nv1v2v3v4)+1+PN1(nv1v2v3v4)+PN2(nv1v2v3v4)+PN3(nv1v2v3v4) ++PN4(nv1v2v3v4)+PN5(nv1v2v3v4)

59

caacutelculo da corrente da fonte para o dreno FUNC CUR(nv1v2v3v4) PN_5(nv1v2v3v4)(R1R(n-5v1v2v3v4)-R1L(n-5v1v2v3v4)) ++PN_4(nv1v2v3v4)(R1R(n-4v1v2v3v4)-R1L(n-4v1v2v3v4)) ++PN_3(nv1v2v3v4)(R1R(n-3v1v2v3v4)-R1L(n-3v1v2v3v4)) ++PN_2(nv1v2v3v4)(R1R(n-2v1v2v3v4)-R1L(n-2v1v2v3v4)) ++PN_1(nv1v2v3v4)(R1R(n-1v1v2v3v4)-R1L(n-1v1v2v3v4)) ++(R1R(nv1v2v3v4)-R1L(nv1v2v3v4)) ++PN1(nv1v2v3v4)(R1R(n+1v1v2v3v4)-R1L(n+1v1v2v3v4)) ++PN2(nv1v2v3v4)(R1R(n+2v1v2v3v4)-R1L(n+2v1v2v3v4)) ++PN3(nv1v2v3v4)(R1R(n+3v1v2v3v4)-R1L(n+3v1v2v3v4)) ++PN4(nv1v2v3v4)(R1R(n+4v1v2v3v4)-R1L(n+4v1v2v3v4)) ++PN5(nv1v2v3v4)(R1R(n+5v1v2v3v4)-R1L(n+5v1v2v3v4)) FUNC CURRENT(nv1v2v3v4) ECUR(nv1v2v3v4)(CSUMPSUM(nv1v2v3v4)(R1+R2)) caacutelculo da tensatildeo da ilha FUNC VOLT(nv1v2v3v4) PN_5(nv1v2v3v4)(n-5+Q(v1v2v3v4)) ++PN_4(nv1v2v3v4)(n-4+Q(v1v2v3v4)) ++PN_3(nv1v2v3v4)(n-3+Q(v1v2v3v4)) ++PN_2(nv1v2v3v4)(n-2+Q(v1v2v3v4)) ++PN_1(nv1v2v3v4)(n-1+Q(v1v2v3v4)) ++n+Q(v1v2v3v4) ++PN1(nv1v2v3v4)(n+1+Q(v1v2v3v4)) ++PN2(nv1v2v3v4)(n+2+Q(v1v2v3v4)) ++PN3(nv1v2v3v4)(n+3+Q(v1v2v3v4)) ++PN4(nv1v2v3v4)(n+4+Q(v1v2v3v4)) ++PN5(nv1v2v3v4)(n+5+Q(v1v2v3v4)) FUNC VOLTAGE(nv1v2v3v4) (ECSUM)VOLT(nv1v2v3v4)PSUM(nv1v2v3v4) E1 5 0 VALUE= VOLTAGE(N_OPT(V(1)V(2)V(3)V(4))V(1)V(2)V(3)V(4)) Tensatildeo da ilha G1 1 2 VALUE= CURRENT(N_OPT(V(1)V(2)V(3)V(4))V(1)V(2)V(3)V(4)) Corrente da fonte para o dreno CT1 1 5 C1 CT2 2 5 C2 CGATE1 3 5 CG1 CGATE2 4 5 CG2 ENDS SET

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20

atraso possiacutevel [49] Com esse intuito os seguintes fatores entre outros satildeo fundamentais

no desempenho do clock dispositivos loacutegicos de tecnologia raacutepida (avanccedilada) rede de

distribuiccedilatildeo de clock que minimize o skew e interconexotildees com alto desempenho [11]

Conforme exposto anteriormente os dispositivos nanoeletrocircnicos como os transistores

mono-eleacutetron satildeo potencialmente aplicaacuteveis em circuitos integrados em escala giga (GSI)

e tera (TSI) Estes dispositivos permitem que as funccedilotildees loacutegicas sejam desempenhadas em

um tempo mais raacutepido e com menor atraso Assim satildeo fortes candidatos a serem utilizados

em circuitos integrados com clock

A adequada rede de distribuiccedilatildeo do clock assegura que a comutaccedilatildeo seja sincronizada e

que haja o menor atraso possiacutevel [1145] Aleacutem disso dependendo da arquitetura da rede o

niacutevel de sincronismo do sistema pode aumentar Diferentes tipos de abordagens tecircm sido

desenvolvidos para projetar a rede de distribuiccedilatildeo do clock em sistemas digitais de

circuitos integrados [45] Os buffered trees satildeo muito utilizados na distribuiccedilatildeo

equipotencial do clock Aleacutem dessas estruturas assimeacutetricas arquiteturas simeacutetricas como

o H-tree satildeo usadas para distribuir sinais de clock em alta velocidade podendo inclusive

ser projetadas com buffers [45-51] Algumas formas de rede de distribuiccedilatildeo do clock estatildeo

ilustradas na Figura 216 incluindo a trunk tree mesh e H-tree [45]

Figura 216 Estruturas comuns de redes de distribuiccedilatildeo de clock [45]

21

Atualmente as interconexotildees de cobre satildeo bastante utilizadas para circuitos de alto

desempenho como em redes de clock No entanto os CNTs apresentam caracteriacutesticas que

os tornam melhores para serem utilizados em interconexotildees descritas na subseccedilatildeo 221

[48] Neste trabalho seraacute realizada a comparaccedilatildeo entre interconexotildees de cobre e de CNT

na rede de distribuiccedilatildeo do H-tree clock

231 H-Tree Clock

O clock skew pode ser minimizado distribuindo-se o sinal do clock de forma que as

interconexotildees que levam o sinal aos circuitos loacutegicos tecircm o mesmo comprimento Se antes

de chegarem aos circuitos loacutegicos os sinais do clock forem igualmente atrasados eles

estaratildeo perfeitamente sincronizados [1145] Dessa forma o esquemaacutetico da Figura 217 de

distribuiccedilatildeo do clock minimiza o clock skew repetindo recursivamente uma estrutura em

forma de H [11] A Figura 217 ilustra uma rede H-tree simeacutetrica com trecircs niacuteveis [46]

Figura 217 Esquemaacutetico do H-tree clock simeacutetrico (modificado de [46])

Na estrutura do H-tree o condutor primaacuterio do clock estaacute ligado ao centro do H principal

(1ordm niacutevel) transmitindo o sinal para os quatro cantos deste H Esses quatro cantos satildeo as

entradas para o proacuteximo niacutevel do H-tree o 2ordm niacutevel que possui quatro estruturas em H O

processo de distribuiccedilatildeo continua por vaacuterios niacuteveis de H‟s cada vez menores Os pontos de

destino final do H-tree satildeo usados para conduzir os circuitos locais Assim cada caminho

do clock desde a fonte ateacute o circuito local possui praticamente o mesmo atraso [45]

22

24 MEDIDAS DE DESEMPENHO NA ANAacuteLISE DAS INTERCONEXOtildeES

As interconexotildees em circuitos integrados possuem caracteriacutesticas que modificam o sinal de

entrada O efeito das interconexotildees pode provocar atrasos e distorccedilotildees indesejaacuteveis Nesse

contexto eacute necessaacuterio analisar medidas de desempenho dos sinais sob efeito das

interconexotildees tais como velocidade maacutexima atenuaccedilatildeo tempo de atraso potecircncia

dissipada produto atraso-potecircncia e slew rate [111317202342]

241 Velocidade maacutexima - anaacutelise na frequumlecircncia

A velocidade maacutexima que as interconexotildees podem operar sem distorcer o sinal de entrada

eacute uma medida de desempenho importante [172023] Eacute possiacutevel analisar este paracircmetro

atraveacutes da frequumlecircncia maacutexima de operaccedilatildeo da interconexatildeo que eacute a largura de banda em

que o sinal comeccedila a decair em -3dB em relaccedilatildeo ao sinal de referecircncia [1742] Assim

utiliza-se a anaacutelise do moacutedulo do graacutefico de Bode para obter a frequumlecircncia de operaccedilatildeo em

-3dB [42] A Figura 218 mostra o esboccedilo do moacutedulo do ganho pela frequumlecircncia tiacutepico do

comportamento de interconexotildees

Figura 218 Graacutefico do moacutedulo do ganho pela frequumlecircncia tiacutepico do comportamento de

interconexotildees

23

242 Atenuaccedilatildeo

A transmissatildeo de um sinal pode ser expressa em funccedilatildeo do seu ganho ou da sua atenuaccedilatildeo

No caso em estudo as interconexotildees podem atenuar o sinal Essa atenuaccedilatildeo eacute geralmente

calculada pela expressatildeo (227) em que Vo eacute o sinal de saiacuteda e Vi eacute o sinal de entrada [42]

i

o

V

VA log20 (227)

243 Tempo de atraso

O tempo de atraso td ou atraso na propagaccedilatildeo ocorre devido ao

carregamentodescarregamento da capacitacircncia de carga bem como ao tempo de

chaveamento dos transistores [42]

O tempo de atraso eacute obtido pela diferenccedila entre o tempo medido a 50 da transiccedilatildeo dos

sinais de entrada e de saiacuteda [11] Em circuitos loacutegicos o atraso na propagaccedilatildeo pode ser

calculado pela meacutedia aritmeacutetica do tempo de propagaccedilatildeo do sinal de alto para baixo tPHL e

do tempo de propagaccedilatildeo do baixo para alto tPLH conforme equaccedilatildeo (228) [1142]

2

PLHPHLd

ttt

(228)

244 Potecircncia dissipada

A dissipaccedilatildeo de potecircncia eacute outra medida de desempenho bastante importante em circuitos

integrados em escala GSI e TSI Isso ocorre jaacute que ao aumentar o nuacutemero de portas

loacutegicas em uma determinada aacuterea ocupada eacute necessaacuterio que a dissipaccedilatildeo de potecircncia esteja

dentro de limites aceitaacuteveis [1142]

A dissipaccedilatildeo de potecircncia eacute composta por dois componentes potecircncia estaacutetica e potecircncia

dinacircmica A dissipaccedilatildeo de potecircncia estaacutetica eacute dada por IVP DDE e ocorre mesmo que

natildeo haja chaveamento de porta loacutegica no circuito devido ao efeito da resistecircncia do

circuito [42] A dissipaccedilatildeo de potecircncia dinacircmica eacute devido agrave capacitacircncia de carga do

24

circuito expressa por CVfP DDD 2 em que VDD eacute a tensatildeo de alimentaccedilatildeo f eacute

frequumlecircncia do circuito e C eacute a capacitacircncia de carga do circuito [1142] Assim a soma da

potecircncia dinacircmica e da potecircncia estaacutetica resulta na potecircncia total dissipada no circuito

245 Produto atraso-potecircncia

Em circuitos integrados o ideal eacute que se tenha baixo atraso na propagaccedilatildeo resultando em

uma maior velocidade de funcionamento do circuito bem como baixa dissipaccedilatildeo de

potecircncia No entanto essas duas exigecircncias satildeo conflitantes ao reduzirmos a dissipaccedilatildeo de

potecircncia de uma porta a capacidade da porta em fornecer corrente diminuiraacute isso

implicaraacute em um maior tempo de carga e descarga aumentando o atraso na propagaccedilatildeo

Assim o produto atraso-potecircncia (delay power product ndash DP) eacute uma medida de

desempenho bastante utilizada na anaacutelise de circuitos e eacute dado por dD tPDP Quanto

menor o produto atraso-potecircncia maior a eficiecircncia do circuito loacutegico [42]

246 Slew rate

A taxa maacutexima de variaccedilatildeo da tensatildeo de saiacuteda do inglecircs slew rate (SR) eacute uma

caracteriacutestica importante do sinal de saiacuteda de um circuito loacutegico A limitaccedilatildeo na taxa de

variaccedilatildeo pode provocar uma distorccedilatildeo no funcionamento do circuito O SR pode ser

calculado pela expressatildeo (229) em que Δv eacute a variaccedilatildeo da tensatildeo de saiacuteda do sinal para

uma determinada variaccedilatildeo de tempo Δt [42]

t

vSR

(229)

25 LTSPICE

O software LTSPICE eacute um simulador SPICE de alto desempenho orientado a

esquemaacuteticos e visualizador de formas de onda com modelos para facilitar a simulaccedilatildeo de

circuitos eletrocircnicos Se comparado aos outros simuladores SPICE a simulaccedilatildeo do

LTSPICE eacute bastante raacutepida O software consegue simular dispositivos de acordo com o

padratildeo industrial reproduzindo os seus comportamentos [52]

25

O LTSPICE possui vaacuterias possibilidades de simulaccedilatildeo como anaacutelise transiente anaacutelise AC

e anaacutelise DC bem como permite a simulaccedilatildeo de vaacuterios dispositivos disponiacuteveis na sua

biblioteca Aleacutem disso este software possibilita a elaboraccedilatildeo de novos esquemaacuteticos

atraveacutes de um modelo matemaacutetico ou eletrocircnico proposto O novo componente poderaacute ser

utilizado no circuito conforme seraacute feito neste trabalho utilizando-se o modelo SPICE do

SET proposto por G Lientschnig et al[4]

26

3 METODOLOGIA

31 INTRODUCcedilAtildeO

A miniaturizaccedilatildeo das interconexotildees prejudica o seu desempenho resultando no aumento

significativo do valor da resistividade da capacitacircncia de acoplamento entre vias na

dificuldade de controlar a razatildeo entre a altura e a largura do material entre outros

problemas A fim de analisar o desempenho das interconexotildees eacute necessaacuterio verificar

algumas variaacuteveis importantes como velocidade maacutexima (f-3dB) atenuaccedilatildeo (A) tempo de

atraso (td) potecircncia dissipada (P) produto atraso-potecircncia (DP) e slew rate (SR)

[111317202342]

32 ETAPAS E ESTRATEacuteGIAS ADOTADAS

Com o intuito de analisar o efeito das interconexotildees em circuitos com transistores mono-

eleacutetron foi realizada primeiramente a anaacutelise das interconexotildees de SWCNT de SWCNT

bundle e de cobre isoladamente para diferentes valores de comprimento Apoacutes a avaliaccedilatildeo

desses resultados o efeito das interconexotildees foi analisado no H-tree clock com inversores

mono-eleacutetron nos seus terminais tambeacutem considerando diferentes comprimentos Neste

trabalho a tecnologia de 22 nm prevista para o ano de 2016 [21] foi utilizada na

comparaccedilatildeo entre o desempenho do cobre e do CNT Todas as simulaccedilotildees foram realizadas

utilizando o software LTSPICE

321 Simulaccedilatildeo das interconexotildees

A partir dos modelos das interconexotildees de SWCNT SWCNT bundle e cobre apresentados

na subseccedilatildeo 213 diferentes comprimentos das interconexotildees foram simulados Assim

analisou-se as interconexotildees locais em que l le 1 μm e as intermediaacuterias em que 1 μm lt l

le 500 μm sabendo que l eacute o comprimento da interconexatildeo [29-31333638]

A fim de analisar a frequumlecircncia de corte este foi obtido para comprimentos de

interconexotildees locais (10nm 100nm 200nm 300nm 400nm 500nm 600nm 700nm

27

800nm 900nm 1μm) e interconexotildees intermediaacuterias (10μm 100μm 200μm 300μm

400μm 500μm)

Jaacute que λCNT eacute tipicamente 1 μm foram escolhidos trecircs comprimentos na faixa lCNT le λCNT

(10 nm 100 nm e 1 μm) e trecircs comprimentos na faixa lCNT gt λCNT (10 μm 100 μm 500

μm) para serem analisados detalhadamente Escolheu-se uma mesma frequecircncia abaixo da

frequecircncia de corte dos trecircs materiais considerados para analisar e comparar a atenuaccedilatildeo

(A) e o tempo de atraso na propagaccedilatildeo (td) dos diferentes comprimentos

Em seguida o mesmo procedimento foi feito para comparar somente o SWCNT bundle e o

cobre para uma mesma frequecircncia cujo valor eacute maior que a frequecircncia da anaacutelise anterior

permitindo que estes dois materiais sejam analisados detalhadamente

Essas anaacutelises foram realizadas a partir da simulaccedilatildeo do circuito da Figura 31 [2325] A

tensatildeo de entrada Vin eacute uma onda quadrada de 1V de amplitude e o capacitor de carga tem

o valor de 100 aF

Figura 31 ndash Circuito simulado para cada interconexatildeo

A Figura 32 mostra o fluxograma das etapas descritas nesta subseccedilatildeo 321

28

Figura 32 ndash Fluxograma das etapas seguidas na simulaccedilatildeo das interconexotildees

322 Simulaccedilatildeo do inversor mono-eleacutetron

Para utilizar a porta inversora da Figura 215 nos terminais do H-tree clock foi necessaacuterio

primeiramente simular o SET proposto por [4] Essa simulaccedilatildeo foi feita variando os

paracircmetros do SET como as resistecircncias e capacitacircncias das junccedilotildees as capacitacircncias de

porta a temperatura etc Os paracircmetros foram variados ateacute simular o SET a temperatura

de 300K Em seguida simulou-se a inversora da Figura 215 tambeacutem a temperatura

ambiente Dessa forma foi possiacutevel simular a inversora isoladamente obtendo as

caracteriacutesticas do sinal de saiacuteda

323 Simulaccedilatildeo do H-tree clock mono-eleacutetron

Apoacutes a simulaccedilatildeo do SET foi possiacutevel simular o H-tree clock A rede H-tree de dois niacuteveis

foi simulada com um H no primeiro niacutevel e quatro H‟s no segundo niacutevel [49] Nos pontos

de destino final da rede foram colocadas portas inversoras formadas por SETs permitindo

a anaacutelise de circuitos nanoeletrocircnicos

Modelos de SWCNT

SWCNT bundle e cobre

Obtenccedilatildeo dos paracircmetros dos modelos para

interconexotildees locais e interconexotildees intermediaacuterias

Para cada comprimento

obtenccedilatildeo de f-3dB

1ordm) Escolha de frequumlecircncia abaixo

da f-3dB do SWCNT SWCNT

bundle e cobre

2ordm) Escolha de frequumlecircncia abaixo

da f-3dB do SWCNT bundle e

cobre

Obtenccedilatildeo de A e td de

cada modelo

Obtenccedilatildeo de A e td de

cada modelo

Anaacutelise comparativa entre o

SWCNT SWCNT bundle e

cobre

Anaacutelise comparativa entre o

SWCNT bundle e cobre

Estudo de interconexotildees locais (10nm

100nm 1μm) e intermediaacuterias (10μm

100μm 500μm)

29

A partir da simulaccedilatildeo do H-tree clock obteve-se a frequecircncia em -3dB (f-3dB) da rede com

interconexotildees ideais Assim a rede H-tree foi entatildeo simulada para duas frequecircncias

diferentes do sinal de entrada abaixo da frequecircncia de -3dB 10 GHz e 100 GHz Com

essas simulaccedilotildees obtiveram-se as seguintes caracteriacutesticas do sinal de saiacuteda da inversora

niacutevel loacutegico baixo (NB) niacutevel loacutegico alto (NA) tempo de subida (tr) slew rate de subida

(SR) atenuaccedilatildeo (A) tempo de atraso (td) potecircncia dissipada (P) e produto atraso-potecircncia

(DP) As caracteriacutesticas obtidas servem como referecircncia para analisar o sinal considerando

interconexotildees natildeo-ideais ou seja incluindo os modelos das interconexotildees nas simulaccedilotildees

Em seguida a rede H-tree foi simulada considerando-se os modelos das interconexotildees de

SWCNT bundle e de cobre variando os seus comprimentos Como cada H da rede de

distribuiccedilatildeo deve ser simeacutetrico considerou-se que cada divisatildeo do H tem o mesmo

comprimento para cada niacutevel da rede [11] A Figura 33 mostra o comprimento dos

diferentes trechos da rede Assim o comprimento de cada divisatildeo dos H‟s do segundo

niacutevel eacute a metade do comprimento de cada divisatildeo do H do primeiro niacutevel Jaacute que o objetivo

eacute simular circuitos em escala nanomeacutetrica escolheu-se trecircs variaccedilotildees de comprimento

menores ou iguais a 1μm

l = 100 nm l2 = 50 nm

l = 400 nm l2 = 200 nm

l = 1 μm l2 = 500 nm

Figura 33 ndash Esquemaacutetico do H-tree clock com os comprimentos de cada seguimento

Dessa forma cada um dos trecircs circuitos foi simulado obtendo-se a frequecircncia em -3dB na

entrada das portas inversoras Em seguida as trecircs redes foram simuladas para as mesmas

30

duas frequumlecircncias do sinal de entrada (10 GHz e 100 GHz) de forma a obter as

caracteriacutesticas do sinal de saiacuteda descritas anteriormente considerando agora o efeito das

interconexotildees

Por fim a partir dos dados obtidos foram realizadas comparaccedilotildees entre as caracteriacutesticas

do sinal de saiacuteda de referecircncia (interconexotildees ideais) e o sinal de saiacuteda dos circuitos com as

interconexotildees natildeo-ideais bem como entre o comportamento das interconexotildees de SWCNT

bundle e de cobre nas diferentes frequecircncias

A Figura 34 mostra o fluxograma das etapas descritas nas subseccedilotildees 322 e 323

Figura 34 ndash Fluxograma das etapas seguidas na simulaccedilatildeo do H-tree clock

H-tree clock mono-eleacutetron

Simulaccedilatildeo do H-tree clock com

interconexotildees ideais Obtenccedilatildeo de f-3dB

da inversora

Simulaccedilatildeo do H-tree clock com

interconexotildees natildeo-ideais para os seguintes

comprimentos

l = 100 nm l2 = 50 nm

l = 400 nm l2 = 200 nm

l = 1 μm l2 = 500 nm

Validaccedilatildeo do SET e do

inversor mono-eleacutetron a

300K

Sinal de entrada a

10 GHz

Sinal de entrada a

100 GHz

Obtenccedilatildeo de NB

NA tr SR A td P e

DP do sinal de saiacuteda

da inversora

Obtenccedilatildeo de NB

NA tr SR A td P e

DP do sinal de saiacuteda

da inversora

Sinal de entrada a

10 GHz

Sinal de entrada a

100 GHz

Obtenccedilatildeo de NB

NA tr SR A td P e

DP do sinal de saiacuteda

da inversora

Obtenccedilatildeo de NB

NA tr SR A td P e

DP do sinal de saiacuteda

da inversora

Anaacutelise comparativa

dos dados obtidos

31

4 RESULTADOS E ANAacuteLISES

41 INTRODUCcedilAtildeO

Neste capiacutetulo seratildeo apresentados os procedimentos adotados e os resultados obtidos na

simulaccedilatildeo das interconexotildees SWCNT SWCNT bundle e cobre As etapas descritas na

metodologia foram seguidas obtendo-se os resultados das simulaccedilotildees das interconexotildees e

das simulaccedilotildees do H-tree clock mono-eleacutetron para interconexotildees ideais e natildeo-ideais A

partir dos resultados a anaacutelise do desempenho das interconexotildees seraacute apresentada

42 ANAacuteLISE DAS INTERCONEXOtildeES

Nesta seccedilatildeo a anaacutelise das interconexotildees de SWCNT SWCNT bundle e cobre na

tecnologia de 22 nm para diferentes comprimentos seraacute realizada Para isso analisou-se

as interconexotildees locais em que l le 1 μm e as intermediaacuterias em que 1 μm lt l le 500 μm

sabendo que l eacute o comprimento da interconexatildeo [29-31333638] Como λCNT eacute

tipicamente 1 μm trecircs comprimentos na faixa lCNT le λCNT (10 nm 100 nm e 1 μm) e trecircs

comprimentos na faixa lCNT gt λCNT (10 μm 100 μm 500 μm) de cada material seratildeo

analisados detalhadamente Os paracircmetros obtidos a partir dos modelos de SWCNT

SWCNT bundle e cobre estatildeo respectivamente nas Tabelas 71 72 e 73 do Apecircndice

421 Interconexotildees locais

Primeiramente a partir da simulaccedilatildeo da Figura 31 obteve-se a frequecircncia em -3dB (f-3dB)

das interconexotildees locais (lCNT le λCNT ) isto eacute a sua banda passante de forma a verificar a

velocidade maacutexima que cada interconexatildeo suporta A Figura 41 ilustra o comportamento

da frequecircncia das interconexotildees locais para os diferentes comprimentos Como o SWCNT

isolado possui valores de frequecircncia na faixa de centenas de giga Hertz ou seja menos de

um tera Hertz os valores de suas frequecircncias tambeacutem podem ser visualisados na Tabela

74 do Apecircndice

Verifica-se que agrave medida que o comprimento da interconexatildeo aumenta a frequecircncia

diminui Isso ocorre jaacute que os valores da capacitacircncia e indutacircncia aumentam com o

aumento do comprimento da interconexatildeo Esses paracircmetros satildeo decisivos no sinal de

32

saiacuteda sendo o sinal mais distorcido quanto maior for o valor desses paracircmetros Observa-

se que o SWCNT bundle e o cobre possuem banda passante maiores que o SWCNT

isolado para qualquer comprimento Aleacutem disso o SWCNT bundle soacute possui uma banda

passante comparaacutevel ao do cobre para comprimentos acima de 700 nm

Frequecircncia X Comprimento

0

10

20

30

40

50

60

100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

Comprimento (nm)

f -3d

B (

TH

z)

SWCNT Isolado

SWCNT bundle

Cobre

Figura 41 ndash Frequumlecircncia versus comprimento das interconexotildees locais

As interconexotildees locais de 10 nm 100 nm e 1 μm de comprimento foram analisadas

detalhadamente A Tabela 41 mostra a frequecircncia em -3dB de cada material para os

comprimentos em anaacutelise

Tabela 41 Frequecircncia em -3dB de cada material para lCNT le λCNT

Interconexatildeo Local Comprimento (L) Material f-3dB

SWCNT isolado 253 GHz

10nm SWCNT bundle 66 THz

Cobre 232 THz

SWCNT isolado 300 GHz

lCNT le λCNT 100nm SWCNT bundle 20 THz

Cobre 51 THz

SWCNT isolado 230 GHz

1microm SWCNT bundle 47 THz

Cobre 42 THz

Assim escolheu-se uma mesma frequecircncia abaixo da frequecircncia de corte dos trecircs

materiais considerados para analisar e comparar a atenuaccedilatildeo (A) e o tempo de atraso na

propagaccedilatildeo (td) dos trecircs comprimentos Isso permite verificar o comportamento do sinal na

banda passante A Tabela 42 mostra esse estudo comparativo entre o SWCNT isolado

SWCNT bundle e cobre agrave frequecircncia de 200 GHz

33

Tabela 42 Estudo das interconexotildees com comprimentos na faixa lCNT le λCNT

Freq L Material A (dB) td (ps)

SWCNT isolado -210 046

10nm SWCNT bundle 001 000

Cobre 000 000

SWCNT isolado -155 051

200 GHz 100nm SWCNT bundle 001 000

Cobre 001 000

SWCNT isolado -039 107

1microm SWCNT bundle 006 001

Cobre 000 007

A partir da anaacutelise da Tabela 42 eacute possiacutevel observar agrave frequumlecircncia de 200 GHz a

atenuaccedilatildeo do sinal e o atraso do SWCNT isolado Nessa frequumlecircncia o atraso do SWCNT

isolado eacute significativo em relaccedilatildeo ao periacuteodo do sinal que eacute 5ps jaacute que o menor atraso

(para l = 10nm) eacute aproximadamente 10 do periacuteodo do sinal de entrada No entanto para

esta mesma frequumlecircncia observa-se que a atenuaccedilatildeo e o atraso do SWCNT bundle e do

cobre satildeo insignificantes Isto indica que estes dois materiais possuem melhor

desempenho sendo favoraacuteveis para serem utilizados em interconexotildees locais

Dessa forma para analisar melhor a atenuaccedilatildeo e o tempo de atraso do SWCNT bundle e do

cobre o mesmo procedimento foi feito comparando-se somente estes dois materiais para

uma mesma frequecircncia de 1 THz A Tabela 43 mostra esse estudo comparativo entre o

SWCNT bundle e cobre

Tabela 43 Estudo das interconexotildees SWCNT bundle e cobre com comprimentos na faixa

lCNT le λCNT

Freq L Material A (dB) td (fs)

10nm SWCNT bundle 001 113

Cobre 000 022

1 THz 100nm SWCNT bundle 006 136

Cobre 001 240

1microm SWCNT bundle 145 647

Cobre -013 5623

Analisando a Tabela 43 observa-se que agrave frequumlecircncia de 1 THz a atenuaccedilatildeo do sinal e o

atraso aumentam agrave medida que o comprimento das interconexotildees aumentam A partir do

comprimento de 100nm o tempo de atraso da interconexatildeo de cobre eacute maior que o do

SWCNT bundle cujo maior valor de atraso (para l = 1microm) natildeo chega a 1 do periacuteodo do

34

sinal de entrada (1ps) Isso mostra que apesar de a banda passante do cobre ser maior o

atraso do SWCNT bundle eacute menor Dessa forma para as interconexotildees locais o SWCNT

bundle possui desempenho comparaacutevel ao do cobre [13]

Em relaccedilatildeo agrave atenuaccedilatildeo verifica-se que para alguns comprimentos este tem valor

positivo Isso ocorre principalmente quando haacute um pico no graacutefico da frequumlecircncia antes dele

comeccedilar a decair Esse pico eacute devido ao efeito ressonante provocado pela indutacircncia

quando este possui valor comparaacutevel agrave resistecircncia e agrave capacitacircncia da interconexatildeo [53]

Assim esse efeito ressonante foi observado somente nas interconexotildees locais de SWCNT

bundle e de cobre A Figura 42 ilustra o graacutefico da magnitude pela frequumlecircncia do SWCNT

isolado SWCNT bundle e cobre para o comprimento de 100nm Observa-se o efeito

ressonante nos graacuteficos do SWCNT bundle e do cobre

Figura 42 ndash Graacuteficos da magnitude das interconexotildees de SWCNT isolado (superior)

SWCNT bundle (meio) e cobre (inferior) com comprimento de 100nm

35

422 Interconexotildees intermediaacuterias

Assim como para as interconexotildees locais obteve-se a frequecircncia em -3dB (f-3dB) das

interconexotildees intermediaacuterias (lCNT gt λCNT) de forma a verificar a velocidade maacutexima que

cada interconexatildeo suporta A Figura 43 ilustra o comportamento da frequecircncia das

interconexotildees intermediaacuterias para os diferentes comprimentos Os valores das frequecircncias

de cada interconexatildeo tambeacutem podem ser visualisados na Tabela 75 do Apecircndice

Como nas interconexotildees locais agrave medida que o comprimento da interconexatildeo aumenta a

frequecircncia diminui Aleacutem disso o SWCNT bundle e o cobre possuem desempenho melhor

que o do SWCNT isolado para qualquer comprimento No entanto para interconexotildees

intermediaacuterias o SWCNT bundle possui banda passante maior que a do cobre para

qualquer comprimento

Frequecircncia X Comprimento

00

05

10

15

20

25

30

35

40

45

100 200 300 400 500

Comprimento (μm)

f -3d

B (

GH

z)

SWCNT isolado

SWCNT bundle

Cobre

Figura 43 ndash Frequumlecircncia versus comprimento das interconexotildees intermediaacuterias

As interconexotildees intermediaacuterias de 10 μm 100 μm e 500 μm de comprimento foram entatildeo

analisadas detalhadamente A Tabela 44 mostra a frequecircncia em -3dB de cada materal

para os diferentes comprimentos em anaacutelise

36

Tabela 44 Frequecircncia em -3dB de cada material para lCNT gt λCNT

Interconexatildeo

Intermediaacuteria

Comprimento (L) Material f-3dB

SWCNT isolado 26 GHz

10 microm SWCNT bundle 527 GHz

Cobre 34 GHz

SWCNT isolado 32 MHz

lCNT gt λCNT 100 microm SWCNT bundle 42 GHz

Cobre 345 MHz

SWCNT isolado 13 MHz

500 microm SWCNT bundle 165 MHz

Cobre 14 MHz

Escolheu-se a frequecircncia de 1 MHz que estaacute abaixo da frequecircncia de corte dos trecircs

materiais considerados para analisar e comparar a atenuaccedilatildeo (A) e o tempo de atraso na

propagaccedilatildeo (td) dos trecircs comprimentos A Tabela 45 mostra esse estudo comparativo entre

o SWCNT isolado SWCNT bundle e cobre

Tabela 45 Estudo das interconexotildees com comprimentos na faixa lCNT gt λCNT

Freq L Material A (dB) td (ns)

SWCNT isolado -002 008

10 microm SWCNT bundle 000 000

Cobre 000 000

SWCNT isolado -003 559

1 MHz 100 microm SWCNT bundle -001 005

Cobre -004 056

SWCNT isolado -198 10217

500 microm SWCNT bundle 000 110

Cobre -003 1301

Com base na Tabela 45 observa-se que a atenuaccedilatildeo e o tempo de atraso do SWCNT

isolado aumentam com o aumento do comprimento da interconexatildeo Nessa frequumlecircncia o

atraso na propagaccedilatildeo do SWCNT isolado eacute significativo em relaccedilatildeo ao periacuteodo do sinal de

entrada que eacute 1micros chegando a mais de 10 deste periacuteodo para o comprimento de 500microm

Verifica-se tambeacutem o aumento do tempo de atraso da interconexatildeo de cobre sendo 13

do periacuteodo do sinal de entrada para o comprimento de 500microm

Para analisar melhor a atenuaccedilatildeo e o tempo de atraso do SWCNT bundle e do cobre o

mesmo procedimento foi feito comparando-se somente estes dois materiais para uma

37

mesma frequecircncia de 10 MHz A Tabela 46 mostra esse estudo comparativo entre o

SWCNT bundle e cobre

Tabela 46 Estudo das interconexotildees SWCNT bundle e cobre com comprimentos na faixa

lCNT gt λCNT

Freq L Material A (dB) td (ns)

10 microm SWCNT bundle 000 000

Cobre 000 000

10 MHz 100 microm SWCNT bundle -001 005

Cobre -004 054

500 microm SWCNT bundle -004 107

Cobre -185 1024

Analisando a Tabela 46 observa-se que agrave medida que o comprimento das interconexotildees

aumenta a atenuaccedilatildeo e o atraso do sinal da interconexatildeo de cobre tornam-se significativos

O atraso na propagaccedilatildeo da interconexatildeo de cobre para l = 500microm chega a 10 do periacuteodo

do sinal de entrada (100ns) Jaacute o SWCNT bundle apresenta valores insignificantes de

atenuaccedilatildeo e atraso na propagaccedilatildeo Assim para as interconexotildees intermediaacuterias o SWCNT

bundle possui desempenho superior ao do cobre

43 SIMULACcedilAtildeO DO INVERSOR MONO-ELEacuteTRON

O modelo SPICE do SET proposto por G Lientschnig et al [444] foi simulado no

LTSPICE A partir da equaccedilatildeo (226) foi possiacutevel aumentar a temperatura do SET ateacute

chegar a 300K Assim o esquemaacutetico do SET e os valores de seus paracircmetros para que o

SET opere a 300K estatildeo na Figura 44 No anexo deste trabalho (subseccedilatildeo 81) encontra-

se o coacutedigo SET que foi utilizado [44] Os paracircmetros R1 C1 e R2 C2 correspondem agraves

resistecircncias e capacitacircncias das junccedilotildees-tuacutenel Cg eacute a capacitacircncia de porta (Cg1 no coacutedigo

SET) Vg eacute a tensatildeo de porta e V eacute a tensatildeo de entrada

Figura 44 Esquemaacutetico do SET e os valores de seus paracircmetros

38

A partir destes valores o inversor mono-eleacutetron foi construiacutedo colocando-se dois SETs em

seacuterie os quais compartilham da mesma entrada A Figura 45 ilustra o esquemaacutetico do

inversor mono-eleacutetron juntamente com os valores de seus paracircmetros fixos em que Vin eacute a

tensatildeo de entrada Vout eacute a tensatildeo de saiacuteda Vbias eacute a tensatildeo de polarizaccedilatildeo Cc eacute a

capacitacircncia de carga Cg1 e Cg2 satildeo as capacitacircncias de porta do SET 1 e do SET 2

respectivamente

Figura 45 Esquemaacutetico do inversor mono-eleacutetron e os valores de seus paracircmetros

(modificado de [4])

Assim apoacutes simular o inversor mono-eleacutetron a 300K obteve-se o sinal de saiacuteda mostrado

na Figura 46 Como o inversor estaacute invertendo o sinal de entrada de valor loacutegico baixo em

um sinal de saiacuteda de valor loacutegico alto ele estaacute operando corretamente

Figura 46 Curva do sinal de entrada (em verde) e do sinal de saiacuteda (em preto) do inversor

mono-eleacutetron

39

44 ANAacuteLISE DAS INTERCONEXOtildeES NO H-TREE CLOCK MONO-ELEacuteTRON

Nesta seccedilatildeo a rede H-tree clock de dois niacuteveis foi simulada com portas inversoras mono-

eleacutetron nos pontos de destino final da rede permitindo a anaacutelise de circuitos

nanoeletrocircnicos Simulou-se a rede H-tree considerando interconexotildees ideais para as

frequecircncias de 10 GHz e 100 GHz no sinal de entrada Em seguida para as mesmas duas

frequecircncias considerou-se interconexotildees natildeo-ideais de diferentes comprimentos

analisando a rede com os modelos de interconexatildeo SWCNT bundle e cobre Trecircs redes

com comprimentos de interconexotildees diferentes foram analisadas

l = 100 nm l2 = 50 nm

l = 400 nm l2 = 200 nm

l = 1 μm l2 = 500 nm

441 Anaacutelise da rede com interconexotildees ideais

A partir da simulaccedilatildeo do H-tree clock a frequecircncia em -3dB (f-3dB) da rede com

interconexotildees ideais foi obtida Na saiacuteda de cada porta inversora a banda passante do sinal

eacute 3200 GHz Dessa forma duas frequecircncias abaixo de 3200 GHz foram escolhidas para

analisar o sinal de saiacuteda da inversora em condiccedilotildees ideais As frequecircncias de 10 GHz e

100 GHz seratildeo analisadas obtendo-se as seguintes caracteriacutesticas do sinal de saiacuteda da

inversora niacutevel loacutegico baixo (NB) niacutevel loacutegico alto (NA) tempo de subida (tr) slew rate

de subida (SR) atenuaccedilatildeo (A) e tempo de atraso (td) A Tabela 47 mostra os valores

obtidos para as duas frequecircncias em anaacutelise

Tabela 47 Caracteriacutesticas dos sinais de saiacuteda da rede para interconexotildees ideais

Freq NB(mV) NA(mV) tr (ps) SR(Vns) A(dB) td (ps)

10 GHz 675 4518 356 8636 -264 412

100 GHz 678 4279 317 9088 -269 189

Os caacutelculos da potecircncia estaacutetica ( IVP DDE ) potecircncia dinacircmica ( CVfP DDD 2 ) e

potecircncia total ( DE PPP ) dissipada por cada porta inversora foram realizados bem

como o produto atraso-potecircncia (DP) Assim a Tabela 48 mostra os valores obtidos no

40

caacutelculo destes paracircmetros Como a potecircncia estaacutetica independe da frequecircncia do sinal de

entrada o seu valor eacute o mesmo nos dois casos

Tabela 48 Potecircncia dissipada por cada porta inversora para interconexotildees ideais

Frequecircncia PE (nW) PD (nW) P (nW) DP (10-18

Wmiddots)

10 GHz 4838 125 4963 020

100 GHz 4838 125 6088 012

As Tabelas 47 e 48 serviratildeo de referecircncia para as anaacutelises da rede com interconexotildees natildeo-

ideais analisadas na subseccedilatildeo seguinte As Figuras 47 e 48 ilustram o sinal de saiacuteda das

redes com frequecircncias de 10 GHz e de 100 GHz respectivamente Eacute possiacutevel observar que

na frequecircncia de 100 GHz o sinal de saiacuteda jaacute eacute distorcido em relaccedilatildeo ao sinal de referecircncia

(Figura 46)

Figura 47 Sinal de entrada (em verde) e sinal de saiacuteda (em preto) da rede a 10 GHz

Figura 48 Sinal de entrada (em verde) e sinal de saiacuteda (em preto) da rede a 100 GHz

41

442 Anaacutelise da rede com interconexotildees natildeo-ideais

Apoacutes obter as caracteriacutesticas da rede H-tree clock com interconexotildees ideais a anaacutelise da

rede com interconexotildees natildeo-ideais seraacute feita Primeiramente eacute importante verificar a

frequecircncia em -3dB do sinal depois das interconexotildees ou seja na entrada da porta

inversora Caso essa frequecircncia seja menor que a frequecircncia de 3200 GHz obtida com

interconexotildees ideais entatildeo a interconexatildeo afetaraacute o comportamento da rede A Tabela 49

mostra a frequecircncia em -3dB na entrada da inversora para interconexotildees natildeo-ideais

Tabela 49 Frequecircncia em -3dB na entrada da inversora para interconexotildees natildeo-ideais

Comprimentos (l2 l) Material f-3dB

50nm 100nm SWCNT bundle 122 THz

Cobre 175 THz

200nm 400nm SWCNT bundle 31 THz

Cobre 8606 GHz

500nm 1microm SWCNT bundle 12 THz

Cobre 1268 GHz

Assim verifica-se que a interconexatildeo de cobre da rede 500nm1microm possui frequecircncia em

-3dB abaixo da frequecircncia do circuito com interconexatildeo ideal (3200 GHz) Isso indica que

esta interconexatildeo interfere significativamente no comportamento da rede A Tabela 49

mostra tambeacutem que a banda passante da interconexatildeo de cobre soacute eacute maior que a da

interconexatildeo de SWCNT bundle no primeiro caso na rede de 50nm100nm o que mostra

uma vantagem do SWCNT bundle em relaccedilatildeo ao cobre A partir dessas informaccedilotildees a

rede H-tree clock com interconexotildees natildeo-ideais seraacute analisada detalhadamente

4421 Anaacutelise da rede a 10 GHz

As redes com interconexotildees natildeo-ideais seratildeo analisadas na frequecircncia de 10 GHz para

diferentes comprimentos Primeiramente o niacutevel loacutegico baixo (NB) o niacutevel loacutegico alto

(NA) o tempo de subida (tr) e o slew rate de subida (SR) foram obtidos conforme mostra a

Tabela 410 Com base nessa tabela verifica-se que na frequecircncia de 10 GHz essas

caracteriacutesticas natildeo foram modificadas pelas interconexotildees natildeo-ideais independentemente

do comprimento Os valores dos paracircmetros satildeo iguais aos obtidos na rede com

interconexatildeo ideal conforme Tabela 47 O sinal obtido na saiacuteda de cada inversor eacute igual

ao ilustrado na Figura 47

42

Tabela 410 Niacuteveis loacutegicos tempo de subida e slew rate dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 10 GHz

Freq L (l2l) Material NB(mV) NA(mV) tr(ps) SR(Vns)

10

GHz

50nm

100nm

SWCNT bundle 675 4518 356 8636

Cobre 675 4518 356 8636

200nm

400nm

SWCNT bundle 675 4518 356 8636

Cobre 675 4518 356 8636

500nm

1microm

SWCNT bundle 675 4518 356 8636

Cobre 675 4518 356 8636

A Tabela 411 mostra a atenuaccedilatildeo tempo de atraso potecircncia total dissipada e o produto

atraso-potecircncia obtidos a frequecircncia de 10 GHz para interconexotildees natildeo-ideais Observa-se

que a atenuaccedilatildeo do sinal e a potecircncia total dissipada por cada porta inversora permanecem

os mesmos em relaccedilatildeo agrave interconexatildeo ideal mostrando que a essa frequecircncia as

interconexotildees natildeo-ideais natildeo interferem nestes paracircmetros

Jaacute o atraso na propagaccedilatildeo do sinal no caso do cobre aumenta agrave medida que as

interconexotildees aumentam de comprimento aumentando tambeacutem o produto atraso-potecircncia

Esse atraso chega a 66 do periacuteodo do sinal de entrada para a interconexatildeo 500nm1microm

de cobre No entanto estes paracircmetros natildeo satildeo afetados pelas interconexotildees de SWCNT

bundle indicando que este material se sobressai em relaccedilatildeo ao cobre

Tabela 411 Atenuaccedilatildeo atraso potecircncia e produto atraso-potecircncia dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 10 GHz

Freq L (l2l) Material A (dB) td (ps) P (nW) DP(10-18

Wmiddots)

10

GHz

50nm

100nm

SWCNT bundle -264 412 4963 020

Cobre -264 412 4963 020

200nm

400nm

SWCNT bundle -264 412 4963 020

Cobre -264 438 4963 022

500nm

1microm

SWCNT bundle -264 412 4963 020

Cobre -264 659 4963 033

4422 Anaacutelise da rede a 100 GHz

As redes com interconexotildees natildeo-ideais seratildeo analisadas na frequecircncia de 100 GHz para

diferentes comprimentos O niacutevel loacutegico baixo (NB) o niacutevel loacutegico alto (NA) o tempo de

subida (tr) e o slew rate de subida (SR) foram obtidos conforme mostra a Tabela 412 Jaacute a

43

Tabela 413 mostra a atenuaccedilatildeo tempo de atraso potecircncia total dissipada e o produto

atraso-potecircncia obtidos a frequecircncia de 100 GHz para interconexotildees natildeo-ideais

Tabela 412 Niacuteveis loacutegicos tempo de subida e slew rate dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 100 GHz

Freq L (l2l) Material NB(mV) NA(mV) tr(ps) SR(Vns)

100

GHz

50nm

100nm

SWCNT bundle 678 4272 316 9099

Cobre 675 4277 323 9107

200nm

400nm

SWCNT bundle 678 4299 315 9196

Cobre 677 4089 289 9447

500nm

1microm

SWCNT bundle 678 4418 300 9973

Cobre 635 1766 102 6795

Tabela 413 Atenuaccedilatildeo atraso potecircncia e produto atraso-potecircncia dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 100 GHz

Freq L (l2l) Material A (dB) td (ps) P (nW) DP(10-18

Wmiddots)

100

GHz

50nm

100nm

SWCNT bundle -2703 189 6088 012

Cobre -2685 191 6088 012

200nm

400nm

SWCNT bundle -2693 188 6088 012

Cobre -2698 228 6088 014

500nm

1microm

SWCNT bundle -2673 174 6088 011

Cobre -2893 388 6088 024

A partir das Tabelas 412 e 413 o SWCNT bundle seraacute analisado Observa-se que os seus

niacuteveis loacutegicos altos aumentam com o aumento do comprimento das interconexotildees

aumentando tambeacutem o slew rate de subida Esse comportamento ocorre provavelmente

devido ao efeito ressonante provocado pela indutacircncia que provoca um pico no graacutefico da

frequumlecircncia antes dele comeccedilar a decair conforme explicado na subseccedilatildeo 421 Isso implica

na diminuiccedilatildeo da atenuaccedilatildeo do sinal e do atraso No entanto o produto atraso-potecircncia

permanece praticamente invariaacutevel jaacute que a potecircncia total dissipada natildeo se altera

Em relaccedilatildeo agraves interconexotildees de cobre verifica-se que as distorccedilotildees satildeo significativas Agrave

medida que o comprimento aumenta a atenuaccedilatildeo do sinal de saiacuteda aumenta Isso provoca

diminuiccedilatildeo no slew rate do sinal o que natildeo eacute desejado jaacute que o sinal demora mais para

atingir o niacutevel loacutegico alto Aleacutem disso o atraso na propagaccedilatildeo do sinal aumenta bastante

chegando a 388 do periacuteodo do sinal de entrada para a interconexatildeo 500nm1microm

Consequentemente o produto atraso-potecircncia tambeacutem aumenta sendo o dobro do valor de

44

referecircncia (interconexotildees ideais) A Figura 49 ilustra o sinal de saiacuteda da interconexatildeo

500nm1microm de cobre

Figura 49 Sinal de entrada (em verde) e sinal de saiacuteda (em preto) da rede a 100 GHz para

a interconexatildeo 500nm1microm de cobre

Comparando-se as potecircncias das tabelas 47 48 411 413 verifica-se que natildeo haacute

alteraccedilatildeo na potecircncia total dissipada pelo circuito com interconexotildees ideais e pelos

circuitos com interconexotildees natildeo-ideais para uma mesma frequecircncia Assim eacute importante

destacar que a dissipaccedilatildeo de potecircncia das interconexotildees de SWCNT bundle e de cobre natildeo

interfere na potecircncia total dissipada pelo circuito

443 Consideraccedilotildees Finais

Apoacutes analisar as interconexotildees locais de SWCNT de SWCNT bundle e de cobre

verificou-se que as interconexotildees de SWCNT bundle possuem desempenho comparaacutevel ao

das interconexotildees de cobre Em relaccedilatildeo agraves interconexotildees intermediaacuterias as de SWCNT

bundle apresentam desempenho superior agraves de cobre Jaacute as interconexotildees de SWCNT

isolado tanto para interconexotildees locais como para interconexotildees intermediaacuterias

apresentam desempenho inferior agraves interconexotildees de SWCNT bundle e de cobre natildeo

sendo propiacutecias a serem utilizadas em interconexotildees de circuitos integrados

Na anaacutelise das interconexotildees natildeo-ideais na rede H-tree clock mono-eleacutetron para a

frequecircncia de 10GHz observou-se que o niacutevel loacutegico baixo o niacutevel loacutegico alto o tempo de

subida o slew rate de subida a atenuaccedilatildeo do sinal e a potecircncia total dissipada por cada

porta inversora permanecem os mesmos em relaccedilatildeo agrave interconexatildeo ideal mostrando que

45

para esta frequecircncia as interconexotildees natildeo-ideais natildeo interferem nestes paracircmetros Jaacute o

atraso na propagaccedilatildeo do sinal no caso do cobre aumenta agrave medida que as interconexotildees

aumentam de comprimento aumentando tambeacutem o produto atraso-potecircncia No entanto

estes paracircmetros natildeo satildeo afetados pelas interconexotildees de SWCNT bundle indicando que

este material se sobressai em relaccedilatildeo ao cobre

Jaacute para a rede H-tree clock mono-eleacutetron a 100GHz observou-se que o circuito com

interconexotildees natildeo-ideais afetou bastante os paracircmetros em anaacutelise se comparados aos

obtidos para interconexotildees ideais Verificou-se que as distorccedilotildees provocadas pelas

interconexotildees de cobre foram significativas indicando que as interconexotildees de SWCNT

bundle possuem melhor desempenho que as de cobre

Assim constata-se que as interconexotildees de SWCNT bundle satildeo fortes candidatas a

substituirem as interconexotildees de cobre em circuitos em escala giga (GSI) e tera (TSI)

46

5 CONCLUSOtildeES

Nesta dissertaccedilatildeo o estudo das interconexotildees de SWCNT de SWCNT bundle e de cobre

foi realizado analisando e comparando os seus desempenhos para diferentes

comprimentos A partir desse estudo verificou-se que as interconexotildees de SWCNT bundle

possui desempenho comparaacutevel ao das interconexotildees de cobre no caso de interconexotildees

locais Em relaccedilatildeo agraves interconexotildees intermediaacuterias as de SWCNT bundle apresentam

desempenho superior agraves de cobre

As interconexotildees de SWCNT bundle e as interconexotildees de cobre foram entatildeo simuladas na

rede H-tree clock de dois niacuteveis para diferentes comprimentos e frequecircncias Nos pontos

de destino final da rede foram colocadas portas inversoras formadas por SETs permitindo

a anaacutelise de circuitos nanoeletrocircnicos

A partir da anaacutelise da rede H-tree clock observou-se que as interconexotildees de SWCNT

bundle possuem desempenho melhor que as de cobre principalmente em relaccedilatildeo ao slew

rate agrave atenuaccedilatildeo ao tempo de atraso e ao produto atraso-potecircncia Aleacutem disso a

dissipaccedilatildeo de potecircncia das interconexotildees natildeo-ideais natildeo interferem na potecircncia total

dissipada pelo circuito Assim as interconexotildees de SWCNT bundle satildeo fortes candidatas a

substituirem as interconexotildees de cobre em circuitos em escala giga (GSI) e tera (TSI)

Como perspectivas futuras eacute importante analisar o efeito das interconexotildees de nanotubo de

carbono em circuitos GSI e TSI com outras arquiteturas A anaacutelise das interconexotildees de

CNT tambeacutem deve ser feita em circuitos com tecnologia MOS permitindo a comparaccedilatildeo

entre diferentes tecnologias Aleacutem disso eacute interessante estudar outros tipos de materiais

que possam ser utilizados como interconexotildees em circuitos integrados

47

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53

7 APEcircNDICES

71 TABELAS COMPLEMENTARES

Tabela 71 Paracircmetros obtidos a partir do modelo de SWCNT isolado

L RQ (Ω) RS (Ω) LCNT (10-9

H) CCNT (10-18

F)

10 nm 645103 - 40010

-2 27910

-1

100 nm 645103 - 40010

-1 279

200 nm 645103 - 80010

-1 558

300 nm 645103 - 120 837

400 nm 645103 - 160 11210

1

500 nm 645103 - 200 14010

1

600 nm 645103 - 240 16710

1

700 nm 645103 - 280 19510

1

800 nm 645103 - 320 22310

1

900 nm 645103 - 360 25110

1

1 microm 645103 - 400 27910

1

10 microm 645103 64510

4 40010

1 27910

2

100 microm 645103 64510

5 40010

2 27910

3

200 microm 645103 12910

6 80010

2 55810

3

300 microm 645103 19410

6 12010

3 83710

3

400 microm

645103 25810

6 16010

3 11210

4

500 microm

645103 32310

6 20010

3 14010

4

Tabela 72 Paracircmetros obtidos a partir do modelo de SWCNT bundle

L RQ (Ω) RS (Ω) LBundle(10-9

H) CBundle(10-18

F)

10 nm 1075 - 66710-5

135

100 nm 1075 - 66710-4

135101

200 nm 1075 - 13310-3

270101

300 nm 1075 - 20010-3

405101

400 nm 1075 - 26710-3

540101

500 nm 1075 - 33310-3

675101

600 nm 1075 - 40010-3

810101

700 nm 1075 - 46710-3

945101

800 nm 1075 - 53310-3

108102

900 nm 1075 - 60010-3

122102

1 microm 1075 - 66710-3

135102

10 microm 1075 108102 66710

-2 13510

3

100 microm 1075 108103 66710

-1 13510

4

200 microm 1075 215103 133 27010

4

300 microm 1075 323103 200 40510

4

400 microm

1075 430103 267 54010

4

500 microm

1075 538103 333 67510

4

54

Tabela 73 Paracircmetros obtidos a partir do modelo de cobre

L RCu (Ω) LCu (10-9

H) CCu (10-18

F)

10 nm 06 37310-6

150

100 nm 60 63610-5

150101

200 nm 120 17510-4

300101

300 nm 180 30910-4

450101

400 nm 240 45410-4

600101

500 nm 300 61110-4

750101

600 nm 360 77510-4

900101

700 nm 420 94610-4

105102

800 nm 480 11210-3

120102

900 nm 540 13110-3

135102

1 microm 600 14910-3

150102

10 microm 60102 24010

-2 15010

3

100 microm 60103 33210

-1 15010

4

200 microm 12104 72010

-1 30010

4

300 microm 18104 113 45010

4

400 microm

24104 155 60010

4

500 microm

30104 198 75010

4

55

Tabela 74 Frequecircncia em -3dB das interconexotildees locais

Comprimento Material f-3dB

10 nm SWCNT isolado 253 GHz

SWCNT bundle 66 THz

Cobre 232 THz

100 nm SWCNT isolado 300 GHz

SWCNT bundle 20 THz

Cobre 51 THz

200 nm SWCNT isolado 342 GHz

SWCNT bundle 14 THz

Cobre 29 THz

300 nm SWCNT isolado 344 GHz

SWCNT bundle 11 THz

Cobre 20 THz

400 nm SWCNT isolado 329 GHz

SWCNT bundle 89 THz

Cobre 15 THz

500 nm SWCNT isolado 307 GHz

SWCNT bundle 76 THz

Cobre 12 THz

600 nm SWCNT isolado 288 GHz

SWCNT bundle 67 THz

Cobre 94 THz

700 nm SWCNT isolado 271 GHz

SWCNT bundle 61 THz

Cobre 76 THz

800 nm SWCNT isolado 255 GHz

SWCNT bundle 55 THz

Cobre 63 THz

900 nm SWCNT isolado 240 GHz

SWCNT bundle 51 THz

Cobre 52 THz

1 microm SWCNT isolado 230 GHz

SWCNT bundle 47 THz

Cobre 42 THz

56

Tabela 75 Frequecircncia em -3dB das interconexotildees intermediaacuterias

Comprimento Material f-3dB

10 microm SWCNT isolado 26 GHz

SWCNT bundle 527 GHz

Cobre 34 GHz

100 microm SWCNT isolado 32 MHz

SWCNT bundle 42 GHz

Cobre 345 MHz

200 microm SWCNT isolado 82 MHz

SWCNT bundle 10 GHz

Cobre 87 MHz

300 microm SWCNT isolado 36 MHz

SWCNT bundle 455 MHz

Cobre 38 MHz

400 microm SWCNT isolado 21 MHz

SWCNT bundle 256 MHz

Cobre 21 MHz

500 microm SWCNT isolado 13 MHz

SWCNT bundle 165 MHz

Cobre 14 MHz

57

8 ANEXOS

81 COacuteDIGO SPICE DO SET [44]

Transistor mono-eleacutetron (SET) conexotildees fonte | dreno | | porta1 | | | porta2 | | | | SUBCKT SET 1 2 3 4 PARAMS +C1=1E-20 Capacitacircncia da junccedilatildeo 1 +C2=1E-20 Capacitacircncia da junccedilatildeo 2 +R1=1E5 Resistecircncia da junccedilatildeo 1 +R2=1E5 Resistecircncia da junccedilatildeo 2 +Cg1=015E-18 Capacitacircncia da junccedilatildeo 1 +Cg2=0 Capacitacircncia da junccedilatildeo 2 +C0=0 Capacitacircncia proacutepria da ilha +Q0=005 Carga offset em unidades de e +TEMP=300 Temperatura PARAM E=160217733E-19 Carga do eleacutetron (e) PARAM CSUM=C1+C2+Cg1+Cg2+C0 Capacitacircncia total do SET PARAM T=TEMPCSUM53785467E14 Temperatura normalizada 53785467E14 = kBe^2 PARAM RN1=R1(R1+R2) Resistecircncia da junccedilatildeo 1 normalizada PARAM RN2=R2(R1+R2) Resistecircncia da junccedilatildeo 2 normalizada FUNC Q(v1v2v3v4) (Cg1v3+Cg2v4+C1v1+C2v2)E+Q0 Definiccedilatildeo da carga em unidades de e FUNC VN(v) CSUMvE Tensatildeo normalizada FUNC GAMMA(u) IF(T==0IF(ult0-u0)IF(u==0Tu(EXP(uT)-1))) FUNC N_OPT(v1v2v3v4) ROUND(-Q(v1v2v3v4)+(CSUME) (v1RN2+v2RN1)) A maior probabilidade de carga na ilha em unidades de e Os quarto eventos tuacuteneis FUNC R1L(nv1v2v3v4) GAMMA(05 - n - Q(v1v2v3v4) + VN(v1))RN1 FUNC R1R(nv1v2v3v4) GAMMA(05 + n + Q(v1v2v3v4) - VN(v1))RN1 FUNC R2L(nv1v2v3v4) GAMMA(05 + n + Q(v1v2v3v4) - VN(v2))RN2 FUNC R2R(nv1v2v3v4) GAMMA(05 - n - Q(v1v2v3v4) + VN(v2))RN2

58

determinaccedilatildeo das probabilidades relativas assume-se inicialmente que o estado da carga N_OPT tem probabilidade relativa igual a um FUNC PN_1(nv1v2v3v4) (R1L(nv1v2v3v4)+R2R(nv1v2v3v4))(R1R(n-1v1v2v3v4)+R2L(n-1v1v2v3v4)) FUNC PN_2(nv1v2v3v4) PN_1(nv1v2v3v4) +(R1L(n-1v1v2v3v4)+R2R(n-1v1v2v3v4))(R1R(n-2v1v2v3v4)+R2L(n-2v1v2v3v4)) FUNC PN_3(nv1v2v3v4) PN_2(nv1v2v3v4) +(R1L(n-2v1v2v3v4)+R2R(n-2v1v2v3v4))(R1R(n-3v1v2v3v4)+R2L(n-3v1v2v3v4)) FUNC PN_4(nv1v2v3v4) PN_3(nv1v2v3v4) +(R1L(n-3v1v2v3v4)+R2R(n-3v1v2v3v4))(R1R(n-4v1v2v3v4)+R2L(n-4v1v2v3v4)) FUNC PN_5(nv1v2v3v4) PN_4(nv1v2v3v4) +(R1L(n-4v1v2v3v4)+R2R(n-4v1v2v3v4))(R1R(n-5v1v2v3v4)+R2L(n-5v1v2v3v4)) FUNC PN1(nv1v2v3v4) (R2L(nv1v2v3v4) +R1R(nv1v2v3v4))(R2R(n+1v1v2v3v4)+R1L(n+1v1v2v3v4)) FUNC PN2(nv1v2v3v4) PN1(nv1v2v3v4) +(R2L(n+1v1v2v3v4)+R1R(n+1v1v2v3v4))(R2R(n+2v1v2v3v4)+R1L(n+2v1v2v3v4)) FUNC PN3(nv1v2v3v4) PN2(nv1v2v3v4) +(R2L(n+2v1v2v3v4)+R1R(n+2v1v2v3v4))(R2R(n+3v1v2v3v4)+R1L(n+3v1v2v3v4)) FUNC PN4(nv1v2v3v4) PN3(nv1v2v3v4) +(R2L(n+3v1v2v3v4)+R1R(n+3v1v2v3v4))(R2R(n+4v1v2v3v4)+R1L(n+4v1v2v3v4)) FUNC PN5(nv1v2v3v4) PN4(nv1v2v3v4) +(R2L(n+4v1v2v3v4)+R1R(n+4v1v2v3v4))(R2R(n+5v1v2v3v4)+R1L(n+5v1v2v3v4)) FUNC PSUM(nv1v2v3v4) PN_5(nv1v2v3v4)+PN_4(nv1v2v3v4)+PN_3(nv1v2v3v4)+PN_2(nv1v2v3v4) ++PN_1(nv1v2v3v4)+1+PN1(nv1v2v3v4)+PN2(nv1v2v3v4)+PN3(nv1v2v3v4) ++PN4(nv1v2v3v4)+PN5(nv1v2v3v4)

59

caacutelculo da corrente da fonte para o dreno FUNC CUR(nv1v2v3v4) PN_5(nv1v2v3v4)(R1R(n-5v1v2v3v4)-R1L(n-5v1v2v3v4)) ++PN_4(nv1v2v3v4)(R1R(n-4v1v2v3v4)-R1L(n-4v1v2v3v4)) ++PN_3(nv1v2v3v4)(R1R(n-3v1v2v3v4)-R1L(n-3v1v2v3v4)) ++PN_2(nv1v2v3v4)(R1R(n-2v1v2v3v4)-R1L(n-2v1v2v3v4)) ++PN_1(nv1v2v3v4)(R1R(n-1v1v2v3v4)-R1L(n-1v1v2v3v4)) ++(R1R(nv1v2v3v4)-R1L(nv1v2v3v4)) ++PN1(nv1v2v3v4)(R1R(n+1v1v2v3v4)-R1L(n+1v1v2v3v4)) ++PN2(nv1v2v3v4)(R1R(n+2v1v2v3v4)-R1L(n+2v1v2v3v4)) ++PN3(nv1v2v3v4)(R1R(n+3v1v2v3v4)-R1L(n+3v1v2v3v4)) ++PN4(nv1v2v3v4)(R1R(n+4v1v2v3v4)-R1L(n+4v1v2v3v4)) ++PN5(nv1v2v3v4)(R1R(n+5v1v2v3v4)-R1L(n+5v1v2v3v4)) FUNC CURRENT(nv1v2v3v4) ECUR(nv1v2v3v4)(CSUMPSUM(nv1v2v3v4)(R1+R2)) caacutelculo da tensatildeo da ilha FUNC VOLT(nv1v2v3v4) PN_5(nv1v2v3v4)(n-5+Q(v1v2v3v4)) ++PN_4(nv1v2v3v4)(n-4+Q(v1v2v3v4)) ++PN_3(nv1v2v3v4)(n-3+Q(v1v2v3v4)) ++PN_2(nv1v2v3v4)(n-2+Q(v1v2v3v4)) ++PN_1(nv1v2v3v4)(n-1+Q(v1v2v3v4)) ++n+Q(v1v2v3v4) ++PN1(nv1v2v3v4)(n+1+Q(v1v2v3v4)) ++PN2(nv1v2v3v4)(n+2+Q(v1v2v3v4)) ++PN3(nv1v2v3v4)(n+3+Q(v1v2v3v4)) ++PN4(nv1v2v3v4)(n+4+Q(v1v2v3v4)) ++PN5(nv1v2v3v4)(n+5+Q(v1v2v3v4)) FUNC VOLTAGE(nv1v2v3v4) (ECSUM)VOLT(nv1v2v3v4)PSUM(nv1v2v3v4) E1 5 0 VALUE= VOLTAGE(N_OPT(V(1)V(2)V(3)V(4))V(1)V(2)V(3)V(4)) Tensatildeo da ilha G1 1 2 VALUE= CURRENT(N_OPT(V(1)V(2)V(3)V(4))V(1)V(2)V(3)V(4)) Corrente da fonte para o dreno CT1 1 5 C1 CT2 2 5 C2 CGATE1 3 5 CG1 CGATE2 4 5 CG2 ENDS SET

Page 34: ANÁLISE COMPARATIVA ENTRE ... - repositorio.unb.brrepositorio.unb.br/.../1/2012_CamilaPeixotoSilvaMadeiraNogueira.pdf · Prof. Stefan Michael Blawid, ... Deus colocou esses dois

21

Atualmente as interconexotildees de cobre satildeo bastante utilizadas para circuitos de alto

desempenho como em redes de clock No entanto os CNTs apresentam caracteriacutesticas que

os tornam melhores para serem utilizados em interconexotildees descritas na subseccedilatildeo 221

[48] Neste trabalho seraacute realizada a comparaccedilatildeo entre interconexotildees de cobre e de CNT

na rede de distribuiccedilatildeo do H-tree clock

231 H-Tree Clock

O clock skew pode ser minimizado distribuindo-se o sinal do clock de forma que as

interconexotildees que levam o sinal aos circuitos loacutegicos tecircm o mesmo comprimento Se antes

de chegarem aos circuitos loacutegicos os sinais do clock forem igualmente atrasados eles

estaratildeo perfeitamente sincronizados [1145] Dessa forma o esquemaacutetico da Figura 217 de

distribuiccedilatildeo do clock minimiza o clock skew repetindo recursivamente uma estrutura em

forma de H [11] A Figura 217 ilustra uma rede H-tree simeacutetrica com trecircs niacuteveis [46]

Figura 217 Esquemaacutetico do H-tree clock simeacutetrico (modificado de [46])

Na estrutura do H-tree o condutor primaacuterio do clock estaacute ligado ao centro do H principal

(1ordm niacutevel) transmitindo o sinal para os quatro cantos deste H Esses quatro cantos satildeo as

entradas para o proacuteximo niacutevel do H-tree o 2ordm niacutevel que possui quatro estruturas em H O

processo de distribuiccedilatildeo continua por vaacuterios niacuteveis de H‟s cada vez menores Os pontos de

destino final do H-tree satildeo usados para conduzir os circuitos locais Assim cada caminho

do clock desde a fonte ateacute o circuito local possui praticamente o mesmo atraso [45]

22

24 MEDIDAS DE DESEMPENHO NA ANAacuteLISE DAS INTERCONEXOtildeES

As interconexotildees em circuitos integrados possuem caracteriacutesticas que modificam o sinal de

entrada O efeito das interconexotildees pode provocar atrasos e distorccedilotildees indesejaacuteveis Nesse

contexto eacute necessaacuterio analisar medidas de desempenho dos sinais sob efeito das

interconexotildees tais como velocidade maacutexima atenuaccedilatildeo tempo de atraso potecircncia

dissipada produto atraso-potecircncia e slew rate [111317202342]

241 Velocidade maacutexima - anaacutelise na frequumlecircncia

A velocidade maacutexima que as interconexotildees podem operar sem distorcer o sinal de entrada

eacute uma medida de desempenho importante [172023] Eacute possiacutevel analisar este paracircmetro

atraveacutes da frequumlecircncia maacutexima de operaccedilatildeo da interconexatildeo que eacute a largura de banda em

que o sinal comeccedila a decair em -3dB em relaccedilatildeo ao sinal de referecircncia [1742] Assim

utiliza-se a anaacutelise do moacutedulo do graacutefico de Bode para obter a frequumlecircncia de operaccedilatildeo em

-3dB [42] A Figura 218 mostra o esboccedilo do moacutedulo do ganho pela frequumlecircncia tiacutepico do

comportamento de interconexotildees

Figura 218 Graacutefico do moacutedulo do ganho pela frequumlecircncia tiacutepico do comportamento de

interconexotildees

23

242 Atenuaccedilatildeo

A transmissatildeo de um sinal pode ser expressa em funccedilatildeo do seu ganho ou da sua atenuaccedilatildeo

No caso em estudo as interconexotildees podem atenuar o sinal Essa atenuaccedilatildeo eacute geralmente

calculada pela expressatildeo (227) em que Vo eacute o sinal de saiacuteda e Vi eacute o sinal de entrada [42]

i

o

V

VA log20 (227)

243 Tempo de atraso

O tempo de atraso td ou atraso na propagaccedilatildeo ocorre devido ao

carregamentodescarregamento da capacitacircncia de carga bem como ao tempo de

chaveamento dos transistores [42]

O tempo de atraso eacute obtido pela diferenccedila entre o tempo medido a 50 da transiccedilatildeo dos

sinais de entrada e de saiacuteda [11] Em circuitos loacutegicos o atraso na propagaccedilatildeo pode ser

calculado pela meacutedia aritmeacutetica do tempo de propagaccedilatildeo do sinal de alto para baixo tPHL e

do tempo de propagaccedilatildeo do baixo para alto tPLH conforme equaccedilatildeo (228) [1142]

2

PLHPHLd

ttt

(228)

244 Potecircncia dissipada

A dissipaccedilatildeo de potecircncia eacute outra medida de desempenho bastante importante em circuitos

integrados em escala GSI e TSI Isso ocorre jaacute que ao aumentar o nuacutemero de portas

loacutegicas em uma determinada aacuterea ocupada eacute necessaacuterio que a dissipaccedilatildeo de potecircncia esteja

dentro de limites aceitaacuteveis [1142]

A dissipaccedilatildeo de potecircncia eacute composta por dois componentes potecircncia estaacutetica e potecircncia

dinacircmica A dissipaccedilatildeo de potecircncia estaacutetica eacute dada por IVP DDE e ocorre mesmo que

natildeo haja chaveamento de porta loacutegica no circuito devido ao efeito da resistecircncia do

circuito [42] A dissipaccedilatildeo de potecircncia dinacircmica eacute devido agrave capacitacircncia de carga do

24

circuito expressa por CVfP DDD 2 em que VDD eacute a tensatildeo de alimentaccedilatildeo f eacute

frequumlecircncia do circuito e C eacute a capacitacircncia de carga do circuito [1142] Assim a soma da

potecircncia dinacircmica e da potecircncia estaacutetica resulta na potecircncia total dissipada no circuito

245 Produto atraso-potecircncia

Em circuitos integrados o ideal eacute que se tenha baixo atraso na propagaccedilatildeo resultando em

uma maior velocidade de funcionamento do circuito bem como baixa dissipaccedilatildeo de

potecircncia No entanto essas duas exigecircncias satildeo conflitantes ao reduzirmos a dissipaccedilatildeo de

potecircncia de uma porta a capacidade da porta em fornecer corrente diminuiraacute isso

implicaraacute em um maior tempo de carga e descarga aumentando o atraso na propagaccedilatildeo

Assim o produto atraso-potecircncia (delay power product ndash DP) eacute uma medida de

desempenho bastante utilizada na anaacutelise de circuitos e eacute dado por dD tPDP Quanto

menor o produto atraso-potecircncia maior a eficiecircncia do circuito loacutegico [42]

246 Slew rate

A taxa maacutexima de variaccedilatildeo da tensatildeo de saiacuteda do inglecircs slew rate (SR) eacute uma

caracteriacutestica importante do sinal de saiacuteda de um circuito loacutegico A limitaccedilatildeo na taxa de

variaccedilatildeo pode provocar uma distorccedilatildeo no funcionamento do circuito O SR pode ser

calculado pela expressatildeo (229) em que Δv eacute a variaccedilatildeo da tensatildeo de saiacuteda do sinal para

uma determinada variaccedilatildeo de tempo Δt [42]

t

vSR

(229)

25 LTSPICE

O software LTSPICE eacute um simulador SPICE de alto desempenho orientado a

esquemaacuteticos e visualizador de formas de onda com modelos para facilitar a simulaccedilatildeo de

circuitos eletrocircnicos Se comparado aos outros simuladores SPICE a simulaccedilatildeo do

LTSPICE eacute bastante raacutepida O software consegue simular dispositivos de acordo com o

padratildeo industrial reproduzindo os seus comportamentos [52]

25

O LTSPICE possui vaacuterias possibilidades de simulaccedilatildeo como anaacutelise transiente anaacutelise AC

e anaacutelise DC bem como permite a simulaccedilatildeo de vaacuterios dispositivos disponiacuteveis na sua

biblioteca Aleacutem disso este software possibilita a elaboraccedilatildeo de novos esquemaacuteticos

atraveacutes de um modelo matemaacutetico ou eletrocircnico proposto O novo componente poderaacute ser

utilizado no circuito conforme seraacute feito neste trabalho utilizando-se o modelo SPICE do

SET proposto por G Lientschnig et al[4]

26

3 METODOLOGIA

31 INTRODUCcedilAtildeO

A miniaturizaccedilatildeo das interconexotildees prejudica o seu desempenho resultando no aumento

significativo do valor da resistividade da capacitacircncia de acoplamento entre vias na

dificuldade de controlar a razatildeo entre a altura e a largura do material entre outros

problemas A fim de analisar o desempenho das interconexotildees eacute necessaacuterio verificar

algumas variaacuteveis importantes como velocidade maacutexima (f-3dB) atenuaccedilatildeo (A) tempo de

atraso (td) potecircncia dissipada (P) produto atraso-potecircncia (DP) e slew rate (SR)

[111317202342]

32 ETAPAS E ESTRATEacuteGIAS ADOTADAS

Com o intuito de analisar o efeito das interconexotildees em circuitos com transistores mono-

eleacutetron foi realizada primeiramente a anaacutelise das interconexotildees de SWCNT de SWCNT

bundle e de cobre isoladamente para diferentes valores de comprimento Apoacutes a avaliaccedilatildeo

desses resultados o efeito das interconexotildees foi analisado no H-tree clock com inversores

mono-eleacutetron nos seus terminais tambeacutem considerando diferentes comprimentos Neste

trabalho a tecnologia de 22 nm prevista para o ano de 2016 [21] foi utilizada na

comparaccedilatildeo entre o desempenho do cobre e do CNT Todas as simulaccedilotildees foram realizadas

utilizando o software LTSPICE

321 Simulaccedilatildeo das interconexotildees

A partir dos modelos das interconexotildees de SWCNT SWCNT bundle e cobre apresentados

na subseccedilatildeo 213 diferentes comprimentos das interconexotildees foram simulados Assim

analisou-se as interconexotildees locais em que l le 1 μm e as intermediaacuterias em que 1 μm lt l

le 500 μm sabendo que l eacute o comprimento da interconexatildeo [29-31333638]

A fim de analisar a frequumlecircncia de corte este foi obtido para comprimentos de

interconexotildees locais (10nm 100nm 200nm 300nm 400nm 500nm 600nm 700nm

27

800nm 900nm 1μm) e interconexotildees intermediaacuterias (10μm 100μm 200μm 300μm

400μm 500μm)

Jaacute que λCNT eacute tipicamente 1 μm foram escolhidos trecircs comprimentos na faixa lCNT le λCNT

(10 nm 100 nm e 1 μm) e trecircs comprimentos na faixa lCNT gt λCNT (10 μm 100 μm 500

μm) para serem analisados detalhadamente Escolheu-se uma mesma frequecircncia abaixo da

frequecircncia de corte dos trecircs materiais considerados para analisar e comparar a atenuaccedilatildeo

(A) e o tempo de atraso na propagaccedilatildeo (td) dos diferentes comprimentos

Em seguida o mesmo procedimento foi feito para comparar somente o SWCNT bundle e o

cobre para uma mesma frequecircncia cujo valor eacute maior que a frequecircncia da anaacutelise anterior

permitindo que estes dois materiais sejam analisados detalhadamente

Essas anaacutelises foram realizadas a partir da simulaccedilatildeo do circuito da Figura 31 [2325] A

tensatildeo de entrada Vin eacute uma onda quadrada de 1V de amplitude e o capacitor de carga tem

o valor de 100 aF

Figura 31 ndash Circuito simulado para cada interconexatildeo

A Figura 32 mostra o fluxograma das etapas descritas nesta subseccedilatildeo 321

28

Figura 32 ndash Fluxograma das etapas seguidas na simulaccedilatildeo das interconexotildees

322 Simulaccedilatildeo do inversor mono-eleacutetron

Para utilizar a porta inversora da Figura 215 nos terminais do H-tree clock foi necessaacuterio

primeiramente simular o SET proposto por [4] Essa simulaccedilatildeo foi feita variando os

paracircmetros do SET como as resistecircncias e capacitacircncias das junccedilotildees as capacitacircncias de

porta a temperatura etc Os paracircmetros foram variados ateacute simular o SET a temperatura

de 300K Em seguida simulou-se a inversora da Figura 215 tambeacutem a temperatura

ambiente Dessa forma foi possiacutevel simular a inversora isoladamente obtendo as

caracteriacutesticas do sinal de saiacuteda

323 Simulaccedilatildeo do H-tree clock mono-eleacutetron

Apoacutes a simulaccedilatildeo do SET foi possiacutevel simular o H-tree clock A rede H-tree de dois niacuteveis

foi simulada com um H no primeiro niacutevel e quatro H‟s no segundo niacutevel [49] Nos pontos

de destino final da rede foram colocadas portas inversoras formadas por SETs permitindo

a anaacutelise de circuitos nanoeletrocircnicos

Modelos de SWCNT

SWCNT bundle e cobre

Obtenccedilatildeo dos paracircmetros dos modelos para

interconexotildees locais e interconexotildees intermediaacuterias

Para cada comprimento

obtenccedilatildeo de f-3dB

1ordm) Escolha de frequumlecircncia abaixo

da f-3dB do SWCNT SWCNT

bundle e cobre

2ordm) Escolha de frequumlecircncia abaixo

da f-3dB do SWCNT bundle e

cobre

Obtenccedilatildeo de A e td de

cada modelo

Obtenccedilatildeo de A e td de

cada modelo

Anaacutelise comparativa entre o

SWCNT SWCNT bundle e

cobre

Anaacutelise comparativa entre o

SWCNT bundle e cobre

Estudo de interconexotildees locais (10nm

100nm 1μm) e intermediaacuterias (10μm

100μm 500μm)

29

A partir da simulaccedilatildeo do H-tree clock obteve-se a frequecircncia em -3dB (f-3dB) da rede com

interconexotildees ideais Assim a rede H-tree foi entatildeo simulada para duas frequecircncias

diferentes do sinal de entrada abaixo da frequecircncia de -3dB 10 GHz e 100 GHz Com

essas simulaccedilotildees obtiveram-se as seguintes caracteriacutesticas do sinal de saiacuteda da inversora

niacutevel loacutegico baixo (NB) niacutevel loacutegico alto (NA) tempo de subida (tr) slew rate de subida

(SR) atenuaccedilatildeo (A) tempo de atraso (td) potecircncia dissipada (P) e produto atraso-potecircncia

(DP) As caracteriacutesticas obtidas servem como referecircncia para analisar o sinal considerando

interconexotildees natildeo-ideais ou seja incluindo os modelos das interconexotildees nas simulaccedilotildees

Em seguida a rede H-tree foi simulada considerando-se os modelos das interconexotildees de

SWCNT bundle e de cobre variando os seus comprimentos Como cada H da rede de

distribuiccedilatildeo deve ser simeacutetrico considerou-se que cada divisatildeo do H tem o mesmo

comprimento para cada niacutevel da rede [11] A Figura 33 mostra o comprimento dos

diferentes trechos da rede Assim o comprimento de cada divisatildeo dos H‟s do segundo

niacutevel eacute a metade do comprimento de cada divisatildeo do H do primeiro niacutevel Jaacute que o objetivo

eacute simular circuitos em escala nanomeacutetrica escolheu-se trecircs variaccedilotildees de comprimento

menores ou iguais a 1μm

l = 100 nm l2 = 50 nm

l = 400 nm l2 = 200 nm

l = 1 μm l2 = 500 nm

Figura 33 ndash Esquemaacutetico do H-tree clock com os comprimentos de cada seguimento

Dessa forma cada um dos trecircs circuitos foi simulado obtendo-se a frequecircncia em -3dB na

entrada das portas inversoras Em seguida as trecircs redes foram simuladas para as mesmas

30

duas frequumlecircncias do sinal de entrada (10 GHz e 100 GHz) de forma a obter as

caracteriacutesticas do sinal de saiacuteda descritas anteriormente considerando agora o efeito das

interconexotildees

Por fim a partir dos dados obtidos foram realizadas comparaccedilotildees entre as caracteriacutesticas

do sinal de saiacuteda de referecircncia (interconexotildees ideais) e o sinal de saiacuteda dos circuitos com as

interconexotildees natildeo-ideais bem como entre o comportamento das interconexotildees de SWCNT

bundle e de cobre nas diferentes frequecircncias

A Figura 34 mostra o fluxograma das etapas descritas nas subseccedilotildees 322 e 323

Figura 34 ndash Fluxograma das etapas seguidas na simulaccedilatildeo do H-tree clock

H-tree clock mono-eleacutetron

Simulaccedilatildeo do H-tree clock com

interconexotildees ideais Obtenccedilatildeo de f-3dB

da inversora

Simulaccedilatildeo do H-tree clock com

interconexotildees natildeo-ideais para os seguintes

comprimentos

l = 100 nm l2 = 50 nm

l = 400 nm l2 = 200 nm

l = 1 μm l2 = 500 nm

Validaccedilatildeo do SET e do

inversor mono-eleacutetron a

300K

Sinal de entrada a

10 GHz

Sinal de entrada a

100 GHz

Obtenccedilatildeo de NB

NA tr SR A td P e

DP do sinal de saiacuteda

da inversora

Obtenccedilatildeo de NB

NA tr SR A td P e

DP do sinal de saiacuteda

da inversora

Sinal de entrada a

10 GHz

Sinal de entrada a

100 GHz

Obtenccedilatildeo de NB

NA tr SR A td P e

DP do sinal de saiacuteda

da inversora

Obtenccedilatildeo de NB

NA tr SR A td P e

DP do sinal de saiacuteda

da inversora

Anaacutelise comparativa

dos dados obtidos

31

4 RESULTADOS E ANAacuteLISES

41 INTRODUCcedilAtildeO

Neste capiacutetulo seratildeo apresentados os procedimentos adotados e os resultados obtidos na

simulaccedilatildeo das interconexotildees SWCNT SWCNT bundle e cobre As etapas descritas na

metodologia foram seguidas obtendo-se os resultados das simulaccedilotildees das interconexotildees e

das simulaccedilotildees do H-tree clock mono-eleacutetron para interconexotildees ideais e natildeo-ideais A

partir dos resultados a anaacutelise do desempenho das interconexotildees seraacute apresentada

42 ANAacuteLISE DAS INTERCONEXOtildeES

Nesta seccedilatildeo a anaacutelise das interconexotildees de SWCNT SWCNT bundle e cobre na

tecnologia de 22 nm para diferentes comprimentos seraacute realizada Para isso analisou-se

as interconexotildees locais em que l le 1 μm e as intermediaacuterias em que 1 μm lt l le 500 μm

sabendo que l eacute o comprimento da interconexatildeo [29-31333638] Como λCNT eacute

tipicamente 1 μm trecircs comprimentos na faixa lCNT le λCNT (10 nm 100 nm e 1 μm) e trecircs

comprimentos na faixa lCNT gt λCNT (10 μm 100 μm 500 μm) de cada material seratildeo

analisados detalhadamente Os paracircmetros obtidos a partir dos modelos de SWCNT

SWCNT bundle e cobre estatildeo respectivamente nas Tabelas 71 72 e 73 do Apecircndice

421 Interconexotildees locais

Primeiramente a partir da simulaccedilatildeo da Figura 31 obteve-se a frequecircncia em -3dB (f-3dB)

das interconexotildees locais (lCNT le λCNT ) isto eacute a sua banda passante de forma a verificar a

velocidade maacutexima que cada interconexatildeo suporta A Figura 41 ilustra o comportamento

da frequecircncia das interconexotildees locais para os diferentes comprimentos Como o SWCNT

isolado possui valores de frequecircncia na faixa de centenas de giga Hertz ou seja menos de

um tera Hertz os valores de suas frequecircncias tambeacutem podem ser visualisados na Tabela

74 do Apecircndice

Verifica-se que agrave medida que o comprimento da interconexatildeo aumenta a frequecircncia

diminui Isso ocorre jaacute que os valores da capacitacircncia e indutacircncia aumentam com o

aumento do comprimento da interconexatildeo Esses paracircmetros satildeo decisivos no sinal de

32

saiacuteda sendo o sinal mais distorcido quanto maior for o valor desses paracircmetros Observa-

se que o SWCNT bundle e o cobre possuem banda passante maiores que o SWCNT

isolado para qualquer comprimento Aleacutem disso o SWCNT bundle soacute possui uma banda

passante comparaacutevel ao do cobre para comprimentos acima de 700 nm

Frequecircncia X Comprimento

0

10

20

30

40

50

60

100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

Comprimento (nm)

f -3d

B (

TH

z)

SWCNT Isolado

SWCNT bundle

Cobre

Figura 41 ndash Frequumlecircncia versus comprimento das interconexotildees locais

As interconexotildees locais de 10 nm 100 nm e 1 μm de comprimento foram analisadas

detalhadamente A Tabela 41 mostra a frequecircncia em -3dB de cada material para os

comprimentos em anaacutelise

Tabela 41 Frequecircncia em -3dB de cada material para lCNT le λCNT

Interconexatildeo Local Comprimento (L) Material f-3dB

SWCNT isolado 253 GHz

10nm SWCNT bundle 66 THz

Cobre 232 THz

SWCNT isolado 300 GHz

lCNT le λCNT 100nm SWCNT bundle 20 THz

Cobre 51 THz

SWCNT isolado 230 GHz

1microm SWCNT bundle 47 THz

Cobre 42 THz

Assim escolheu-se uma mesma frequecircncia abaixo da frequecircncia de corte dos trecircs

materiais considerados para analisar e comparar a atenuaccedilatildeo (A) e o tempo de atraso na

propagaccedilatildeo (td) dos trecircs comprimentos Isso permite verificar o comportamento do sinal na

banda passante A Tabela 42 mostra esse estudo comparativo entre o SWCNT isolado

SWCNT bundle e cobre agrave frequecircncia de 200 GHz

33

Tabela 42 Estudo das interconexotildees com comprimentos na faixa lCNT le λCNT

Freq L Material A (dB) td (ps)

SWCNT isolado -210 046

10nm SWCNT bundle 001 000

Cobre 000 000

SWCNT isolado -155 051

200 GHz 100nm SWCNT bundle 001 000

Cobre 001 000

SWCNT isolado -039 107

1microm SWCNT bundle 006 001

Cobre 000 007

A partir da anaacutelise da Tabela 42 eacute possiacutevel observar agrave frequumlecircncia de 200 GHz a

atenuaccedilatildeo do sinal e o atraso do SWCNT isolado Nessa frequumlecircncia o atraso do SWCNT

isolado eacute significativo em relaccedilatildeo ao periacuteodo do sinal que eacute 5ps jaacute que o menor atraso

(para l = 10nm) eacute aproximadamente 10 do periacuteodo do sinal de entrada No entanto para

esta mesma frequumlecircncia observa-se que a atenuaccedilatildeo e o atraso do SWCNT bundle e do

cobre satildeo insignificantes Isto indica que estes dois materiais possuem melhor

desempenho sendo favoraacuteveis para serem utilizados em interconexotildees locais

Dessa forma para analisar melhor a atenuaccedilatildeo e o tempo de atraso do SWCNT bundle e do

cobre o mesmo procedimento foi feito comparando-se somente estes dois materiais para

uma mesma frequecircncia de 1 THz A Tabela 43 mostra esse estudo comparativo entre o

SWCNT bundle e cobre

Tabela 43 Estudo das interconexotildees SWCNT bundle e cobre com comprimentos na faixa

lCNT le λCNT

Freq L Material A (dB) td (fs)

10nm SWCNT bundle 001 113

Cobre 000 022

1 THz 100nm SWCNT bundle 006 136

Cobre 001 240

1microm SWCNT bundle 145 647

Cobre -013 5623

Analisando a Tabela 43 observa-se que agrave frequumlecircncia de 1 THz a atenuaccedilatildeo do sinal e o

atraso aumentam agrave medida que o comprimento das interconexotildees aumentam A partir do

comprimento de 100nm o tempo de atraso da interconexatildeo de cobre eacute maior que o do

SWCNT bundle cujo maior valor de atraso (para l = 1microm) natildeo chega a 1 do periacuteodo do

34

sinal de entrada (1ps) Isso mostra que apesar de a banda passante do cobre ser maior o

atraso do SWCNT bundle eacute menor Dessa forma para as interconexotildees locais o SWCNT

bundle possui desempenho comparaacutevel ao do cobre [13]

Em relaccedilatildeo agrave atenuaccedilatildeo verifica-se que para alguns comprimentos este tem valor

positivo Isso ocorre principalmente quando haacute um pico no graacutefico da frequumlecircncia antes dele

comeccedilar a decair Esse pico eacute devido ao efeito ressonante provocado pela indutacircncia

quando este possui valor comparaacutevel agrave resistecircncia e agrave capacitacircncia da interconexatildeo [53]

Assim esse efeito ressonante foi observado somente nas interconexotildees locais de SWCNT

bundle e de cobre A Figura 42 ilustra o graacutefico da magnitude pela frequumlecircncia do SWCNT

isolado SWCNT bundle e cobre para o comprimento de 100nm Observa-se o efeito

ressonante nos graacuteficos do SWCNT bundle e do cobre

Figura 42 ndash Graacuteficos da magnitude das interconexotildees de SWCNT isolado (superior)

SWCNT bundle (meio) e cobre (inferior) com comprimento de 100nm

35

422 Interconexotildees intermediaacuterias

Assim como para as interconexotildees locais obteve-se a frequecircncia em -3dB (f-3dB) das

interconexotildees intermediaacuterias (lCNT gt λCNT) de forma a verificar a velocidade maacutexima que

cada interconexatildeo suporta A Figura 43 ilustra o comportamento da frequecircncia das

interconexotildees intermediaacuterias para os diferentes comprimentos Os valores das frequecircncias

de cada interconexatildeo tambeacutem podem ser visualisados na Tabela 75 do Apecircndice

Como nas interconexotildees locais agrave medida que o comprimento da interconexatildeo aumenta a

frequecircncia diminui Aleacutem disso o SWCNT bundle e o cobre possuem desempenho melhor

que o do SWCNT isolado para qualquer comprimento No entanto para interconexotildees

intermediaacuterias o SWCNT bundle possui banda passante maior que a do cobre para

qualquer comprimento

Frequecircncia X Comprimento

00

05

10

15

20

25

30

35

40

45

100 200 300 400 500

Comprimento (μm)

f -3d

B (

GH

z)

SWCNT isolado

SWCNT bundle

Cobre

Figura 43 ndash Frequumlecircncia versus comprimento das interconexotildees intermediaacuterias

As interconexotildees intermediaacuterias de 10 μm 100 μm e 500 μm de comprimento foram entatildeo

analisadas detalhadamente A Tabela 44 mostra a frequecircncia em -3dB de cada materal

para os diferentes comprimentos em anaacutelise

36

Tabela 44 Frequecircncia em -3dB de cada material para lCNT gt λCNT

Interconexatildeo

Intermediaacuteria

Comprimento (L) Material f-3dB

SWCNT isolado 26 GHz

10 microm SWCNT bundle 527 GHz

Cobre 34 GHz

SWCNT isolado 32 MHz

lCNT gt λCNT 100 microm SWCNT bundle 42 GHz

Cobre 345 MHz

SWCNT isolado 13 MHz

500 microm SWCNT bundle 165 MHz

Cobre 14 MHz

Escolheu-se a frequecircncia de 1 MHz que estaacute abaixo da frequecircncia de corte dos trecircs

materiais considerados para analisar e comparar a atenuaccedilatildeo (A) e o tempo de atraso na

propagaccedilatildeo (td) dos trecircs comprimentos A Tabela 45 mostra esse estudo comparativo entre

o SWCNT isolado SWCNT bundle e cobre

Tabela 45 Estudo das interconexotildees com comprimentos na faixa lCNT gt λCNT

Freq L Material A (dB) td (ns)

SWCNT isolado -002 008

10 microm SWCNT bundle 000 000

Cobre 000 000

SWCNT isolado -003 559

1 MHz 100 microm SWCNT bundle -001 005

Cobre -004 056

SWCNT isolado -198 10217

500 microm SWCNT bundle 000 110

Cobre -003 1301

Com base na Tabela 45 observa-se que a atenuaccedilatildeo e o tempo de atraso do SWCNT

isolado aumentam com o aumento do comprimento da interconexatildeo Nessa frequumlecircncia o

atraso na propagaccedilatildeo do SWCNT isolado eacute significativo em relaccedilatildeo ao periacuteodo do sinal de

entrada que eacute 1micros chegando a mais de 10 deste periacuteodo para o comprimento de 500microm

Verifica-se tambeacutem o aumento do tempo de atraso da interconexatildeo de cobre sendo 13

do periacuteodo do sinal de entrada para o comprimento de 500microm

Para analisar melhor a atenuaccedilatildeo e o tempo de atraso do SWCNT bundle e do cobre o

mesmo procedimento foi feito comparando-se somente estes dois materiais para uma

37

mesma frequecircncia de 10 MHz A Tabela 46 mostra esse estudo comparativo entre o

SWCNT bundle e cobre

Tabela 46 Estudo das interconexotildees SWCNT bundle e cobre com comprimentos na faixa

lCNT gt λCNT

Freq L Material A (dB) td (ns)

10 microm SWCNT bundle 000 000

Cobre 000 000

10 MHz 100 microm SWCNT bundle -001 005

Cobre -004 054

500 microm SWCNT bundle -004 107

Cobre -185 1024

Analisando a Tabela 46 observa-se que agrave medida que o comprimento das interconexotildees

aumenta a atenuaccedilatildeo e o atraso do sinal da interconexatildeo de cobre tornam-se significativos

O atraso na propagaccedilatildeo da interconexatildeo de cobre para l = 500microm chega a 10 do periacuteodo

do sinal de entrada (100ns) Jaacute o SWCNT bundle apresenta valores insignificantes de

atenuaccedilatildeo e atraso na propagaccedilatildeo Assim para as interconexotildees intermediaacuterias o SWCNT

bundle possui desempenho superior ao do cobre

43 SIMULACcedilAtildeO DO INVERSOR MONO-ELEacuteTRON

O modelo SPICE do SET proposto por G Lientschnig et al [444] foi simulado no

LTSPICE A partir da equaccedilatildeo (226) foi possiacutevel aumentar a temperatura do SET ateacute

chegar a 300K Assim o esquemaacutetico do SET e os valores de seus paracircmetros para que o

SET opere a 300K estatildeo na Figura 44 No anexo deste trabalho (subseccedilatildeo 81) encontra-

se o coacutedigo SET que foi utilizado [44] Os paracircmetros R1 C1 e R2 C2 correspondem agraves

resistecircncias e capacitacircncias das junccedilotildees-tuacutenel Cg eacute a capacitacircncia de porta (Cg1 no coacutedigo

SET) Vg eacute a tensatildeo de porta e V eacute a tensatildeo de entrada

Figura 44 Esquemaacutetico do SET e os valores de seus paracircmetros

38

A partir destes valores o inversor mono-eleacutetron foi construiacutedo colocando-se dois SETs em

seacuterie os quais compartilham da mesma entrada A Figura 45 ilustra o esquemaacutetico do

inversor mono-eleacutetron juntamente com os valores de seus paracircmetros fixos em que Vin eacute a

tensatildeo de entrada Vout eacute a tensatildeo de saiacuteda Vbias eacute a tensatildeo de polarizaccedilatildeo Cc eacute a

capacitacircncia de carga Cg1 e Cg2 satildeo as capacitacircncias de porta do SET 1 e do SET 2

respectivamente

Figura 45 Esquemaacutetico do inversor mono-eleacutetron e os valores de seus paracircmetros

(modificado de [4])

Assim apoacutes simular o inversor mono-eleacutetron a 300K obteve-se o sinal de saiacuteda mostrado

na Figura 46 Como o inversor estaacute invertendo o sinal de entrada de valor loacutegico baixo em

um sinal de saiacuteda de valor loacutegico alto ele estaacute operando corretamente

Figura 46 Curva do sinal de entrada (em verde) e do sinal de saiacuteda (em preto) do inversor

mono-eleacutetron

39

44 ANAacuteLISE DAS INTERCONEXOtildeES NO H-TREE CLOCK MONO-ELEacuteTRON

Nesta seccedilatildeo a rede H-tree clock de dois niacuteveis foi simulada com portas inversoras mono-

eleacutetron nos pontos de destino final da rede permitindo a anaacutelise de circuitos

nanoeletrocircnicos Simulou-se a rede H-tree considerando interconexotildees ideais para as

frequecircncias de 10 GHz e 100 GHz no sinal de entrada Em seguida para as mesmas duas

frequecircncias considerou-se interconexotildees natildeo-ideais de diferentes comprimentos

analisando a rede com os modelos de interconexatildeo SWCNT bundle e cobre Trecircs redes

com comprimentos de interconexotildees diferentes foram analisadas

l = 100 nm l2 = 50 nm

l = 400 nm l2 = 200 nm

l = 1 μm l2 = 500 nm

441 Anaacutelise da rede com interconexotildees ideais

A partir da simulaccedilatildeo do H-tree clock a frequecircncia em -3dB (f-3dB) da rede com

interconexotildees ideais foi obtida Na saiacuteda de cada porta inversora a banda passante do sinal

eacute 3200 GHz Dessa forma duas frequecircncias abaixo de 3200 GHz foram escolhidas para

analisar o sinal de saiacuteda da inversora em condiccedilotildees ideais As frequecircncias de 10 GHz e

100 GHz seratildeo analisadas obtendo-se as seguintes caracteriacutesticas do sinal de saiacuteda da

inversora niacutevel loacutegico baixo (NB) niacutevel loacutegico alto (NA) tempo de subida (tr) slew rate

de subida (SR) atenuaccedilatildeo (A) e tempo de atraso (td) A Tabela 47 mostra os valores

obtidos para as duas frequecircncias em anaacutelise

Tabela 47 Caracteriacutesticas dos sinais de saiacuteda da rede para interconexotildees ideais

Freq NB(mV) NA(mV) tr (ps) SR(Vns) A(dB) td (ps)

10 GHz 675 4518 356 8636 -264 412

100 GHz 678 4279 317 9088 -269 189

Os caacutelculos da potecircncia estaacutetica ( IVP DDE ) potecircncia dinacircmica ( CVfP DDD 2 ) e

potecircncia total ( DE PPP ) dissipada por cada porta inversora foram realizados bem

como o produto atraso-potecircncia (DP) Assim a Tabela 48 mostra os valores obtidos no

40

caacutelculo destes paracircmetros Como a potecircncia estaacutetica independe da frequecircncia do sinal de

entrada o seu valor eacute o mesmo nos dois casos

Tabela 48 Potecircncia dissipada por cada porta inversora para interconexotildees ideais

Frequecircncia PE (nW) PD (nW) P (nW) DP (10-18

Wmiddots)

10 GHz 4838 125 4963 020

100 GHz 4838 125 6088 012

As Tabelas 47 e 48 serviratildeo de referecircncia para as anaacutelises da rede com interconexotildees natildeo-

ideais analisadas na subseccedilatildeo seguinte As Figuras 47 e 48 ilustram o sinal de saiacuteda das

redes com frequecircncias de 10 GHz e de 100 GHz respectivamente Eacute possiacutevel observar que

na frequecircncia de 100 GHz o sinal de saiacuteda jaacute eacute distorcido em relaccedilatildeo ao sinal de referecircncia

(Figura 46)

Figura 47 Sinal de entrada (em verde) e sinal de saiacuteda (em preto) da rede a 10 GHz

Figura 48 Sinal de entrada (em verde) e sinal de saiacuteda (em preto) da rede a 100 GHz

41

442 Anaacutelise da rede com interconexotildees natildeo-ideais

Apoacutes obter as caracteriacutesticas da rede H-tree clock com interconexotildees ideais a anaacutelise da

rede com interconexotildees natildeo-ideais seraacute feita Primeiramente eacute importante verificar a

frequecircncia em -3dB do sinal depois das interconexotildees ou seja na entrada da porta

inversora Caso essa frequecircncia seja menor que a frequecircncia de 3200 GHz obtida com

interconexotildees ideais entatildeo a interconexatildeo afetaraacute o comportamento da rede A Tabela 49

mostra a frequecircncia em -3dB na entrada da inversora para interconexotildees natildeo-ideais

Tabela 49 Frequecircncia em -3dB na entrada da inversora para interconexotildees natildeo-ideais

Comprimentos (l2 l) Material f-3dB

50nm 100nm SWCNT bundle 122 THz

Cobre 175 THz

200nm 400nm SWCNT bundle 31 THz

Cobre 8606 GHz

500nm 1microm SWCNT bundle 12 THz

Cobre 1268 GHz

Assim verifica-se que a interconexatildeo de cobre da rede 500nm1microm possui frequecircncia em

-3dB abaixo da frequecircncia do circuito com interconexatildeo ideal (3200 GHz) Isso indica que

esta interconexatildeo interfere significativamente no comportamento da rede A Tabela 49

mostra tambeacutem que a banda passante da interconexatildeo de cobre soacute eacute maior que a da

interconexatildeo de SWCNT bundle no primeiro caso na rede de 50nm100nm o que mostra

uma vantagem do SWCNT bundle em relaccedilatildeo ao cobre A partir dessas informaccedilotildees a

rede H-tree clock com interconexotildees natildeo-ideais seraacute analisada detalhadamente

4421 Anaacutelise da rede a 10 GHz

As redes com interconexotildees natildeo-ideais seratildeo analisadas na frequecircncia de 10 GHz para

diferentes comprimentos Primeiramente o niacutevel loacutegico baixo (NB) o niacutevel loacutegico alto

(NA) o tempo de subida (tr) e o slew rate de subida (SR) foram obtidos conforme mostra a

Tabela 410 Com base nessa tabela verifica-se que na frequecircncia de 10 GHz essas

caracteriacutesticas natildeo foram modificadas pelas interconexotildees natildeo-ideais independentemente

do comprimento Os valores dos paracircmetros satildeo iguais aos obtidos na rede com

interconexatildeo ideal conforme Tabela 47 O sinal obtido na saiacuteda de cada inversor eacute igual

ao ilustrado na Figura 47

42

Tabela 410 Niacuteveis loacutegicos tempo de subida e slew rate dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 10 GHz

Freq L (l2l) Material NB(mV) NA(mV) tr(ps) SR(Vns)

10

GHz

50nm

100nm

SWCNT bundle 675 4518 356 8636

Cobre 675 4518 356 8636

200nm

400nm

SWCNT bundle 675 4518 356 8636

Cobre 675 4518 356 8636

500nm

1microm

SWCNT bundle 675 4518 356 8636

Cobre 675 4518 356 8636

A Tabela 411 mostra a atenuaccedilatildeo tempo de atraso potecircncia total dissipada e o produto

atraso-potecircncia obtidos a frequecircncia de 10 GHz para interconexotildees natildeo-ideais Observa-se

que a atenuaccedilatildeo do sinal e a potecircncia total dissipada por cada porta inversora permanecem

os mesmos em relaccedilatildeo agrave interconexatildeo ideal mostrando que a essa frequecircncia as

interconexotildees natildeo-ideais natildeo interferem nestes paracircmetros

Jaacute o atraso na propagaccedilatildeo do sinal no caso do cobre aumenta agrave medida que as

interconexotildees aumentam de comprimento aumentando tambeacutem o produto atraso-potecircncia

Esse atraso chega a 66 do periacuteodo do sinal de entrada para a interconexatildeo 500nm1microm

de cobre No entanto estes paracircmetros natildeo satildeo afetados pelas interconexotildees de SWCNT

bundle indicando que este material se sobressai em relaccedilatildeo ao cobre

Tabela 411 Atenuaccedilatildeo atraso potecircncia e produto atraso-potecircncia dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 10 GHz

Freq L (l2l) Material A (dB) td (ps) P (nW) DP(10-18

Wmiddots)

10

GHz

50nm

100nm

SWCNT bundle -264 412 4963 020

Cobre -264 412 4963 020

200nm

400nm

SWCNT bundle -264 412 4963 020

Cobre -264 438 4963 022

500nm

1microm

SWCNT bundle -264 412 4963 020

Cobre -264 659 4963 033

4422 Anaacutelise da rede a 100 GHz

As redes com interconexotildees natildeo-ideais seratildeo analisadas na frequecircncia de 100 GHz para

diferentes comprimentos O niacutevel loacutegico baixo (NB) o niacutevel loacutegico alto (NA) o tempo de

subida (tr) e o slew rate de subida (SR) foram obtidos conforme mostra a Tabela 412 Jaacute a

43

Tabela 413 mostra a atenuaccedilatildeo tempo de atraso potecircncia total dissipada e o produto

atraso-potecircncia obtidos a frequecircncia de 100 GHz para interconexotildees natildeo-ideais

Tabela 412 Niacuteveis loacutegicos tempo de subida e slew rate dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 100 GHz

Freq L (l2l) Material NB(mV) NA(mV) tr(ps) SR(Vns)

100

GHz

50nm

100nm

SWCNT bundle 678 4272 316 9099

Cobre 675 4277 323 9107

200nm

400nm

SWCNT bundle 678 4299 315 9196

Cobre 677 4089 289 9447

500nm

1microm

SWCNT bundle 678 4418 300 9973

Cobre 635 1766 102 6795

Tabela 413 Atenuaccedilatildeo atraso potecircncia e produto atraso-potecircncia dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 100 GHz

Freq L (l2l) Material A (dB) td (ps) P (nW) DP(10-18

Wmiddots)

100

GHz

50nm

100nm

SWCNT bundle -2703 189 6088 012

Cobre -2685 191 6088 012

200nm

400nm

SWCNT bundle -2693 188 6088 012

Cobre -2698 228 6088 014

500nm

1microm

SWCNT bundle -2673 174 6088 011

Cobre -2893 388 6088 024

A partir das Tabelas 412 e 413 o SWCNT bundle seraacute analisado Observa-se que os seus

niacuteveis loacutegicos altos aumentam com o aumento do comprimento das interconexotildees

aumentando tambeacutem o slew rate de subida Esse comportamento ocorre provavelmente

devido ao efeito ressonante provocado pela indutacircncia que provoca um pico no graacutefico da

frequumlecircncia antes dele comeccedilar a decair conforme explicado na subseccedilatildeo 421 Isso implica

na diminuiccedilatildeo da atenuaccedilatildeo do sinal e do atraso No entanto o produto atraso-potecircncia

permanece praticamente invariaacutevel jaacute que a potecircncia total dissipada natildeo se altera

Em relaccedilatildeo agraves interconexotildees de cobre verifica-se que as distorccedilotildees satildeo significativas Agrave

medida que o comprimento aumenta a atenuaccedilatildeo do sinal de saiacuteda aumenta Isso provoca

diminuiccedilatildeo no slew rate do sinal o que natildeo eacute desejado jaacute que o sinal demora mais para

atingir o niacutevel loacutegico alto Aleacutem disso o atraso na propagaccedilatildeo do sinal aumenta bastante

chegando a 388 do periacuteodo do sinal de entrada para a interconexatildeo 500nm1microm

Consequentemente o produto atraso-potecircncia tambeacutem aumenta sendo o dobro do valor de

44

referecircncia (interconexotildees ideais) A Figura 49 ilustra o sinal de saiacuteda da interconexatildeo

500nm1microm de cobre

Figura 49 Sinal de entrada (em verde) e sinal de saiacuteda (em preto) da rede a 100 GHz para

a interconexatildeo 500nm1microm de cobre

Comparando-se as potecircncias das tabelas 47 48 411 413 verifica-se que natildeo haacute

alteraccedilatildeo na potecircncia total dissipada pelo circuito com interconexotildees ideais e pelos

circuitos com interconexotildees natildeo-ideais para uma mesma frequecircncia Assim eacute importante

destacar que a dissipaccedilatildeo de potecircncia das interconexotildees de SWCNT bundle e de cobre natildeo

interfere na potecircncia total dissipada pelo circuito

443 Consideraccedilotildees Finais

Apoacutes analisar as interconexotildees locais de SWCNT de SWCNT bundle e de cobre

verificou-se que as interconexotildees de SWCNT bundle possuem desempenho comparaacutevel ao

das interconexotildees de cobre Em relaccedilatildeo agraves interconexotildees intermediaacuterias as de SWCNT

bundle apresentam desempenho superior agraves de cobre Jaacute as interconexotildees de SWCNT

isolado tanto para interconexotildees locais como para interconexotildees intermediaacuterias

apresentam desempenho inferior agraves interconexotildees de SWCNT bundle e de cobre natildeo

sendo propiacutecias a serem utilizadas em interconexotildees de circuitos integrados

Na anaacutelise das interconexotildees natildeo-ideais na rede H-tree clock mono-eleacutetron para a

frequecircncia de 10GHz observou-se que o niacutevel loacutegico baixo o niacutevel loacutegico alto o tempo de

subida o slew rate de subida a atenuaccedilatildeo do sinal e a potecircncia total dissipada por cada

porta inversora permanecem os mesmos em relaccedilatildeo agrave interconexatildeo ideal mostrando que

45

para esta frequecircncia as interconexotildees natildeo-ideais natildeo interferem nestes paracircmetros Jaacute o

atraso na propagaccedilatildeo do sinal no caso do cobre aumenta agrave medida que as interconexotildees

aumentam de comprimento aumentando tambeacutem o produto atraso-potecircncia No entanto

estes paracircmetros natildeo satildeo afetados pelas interconexotildees de SWCNT bundle indicando que

este material se sobressai em relaccedilatildeo ao cobre

Jaacute para a rede H-tree clock mono-eleacutetron a 100GHz observou-se que o circuito com

interconexotildees natildeo-ideais afetou bastante os paracircmetros em anaacutelise se comparados aos

obtidos para interconexotildees ideais Verificou-se que as distorccedilotildees provocadas pelas

interconexotildees de cobre foram significativas indicando que as interconexotildees de SWCNT

bundle possuem melhor desempenho que as de cobre

Assim constata-se que as interconexotildees de SWCNT bundle satildeo fortes candidatas a

substituirem as interconexotildees de cobre em circuitos em escala giga (GSI) e tera (TSI)

46

5 CONCLUSOtildeES

Nesta dissertaccedilatildeo o estudo das interconexotildees de SWCNT de SWCNT bundle e de cobre

foi realizado analisando e comparando os seus desempenhos para diferentes

comprimentos A partir desse estudo verificou-se que as interconexotildees de SWCNT bundle

possui desempenho comparaacutevel ao das interconexotildees de cobre no caso de interconexotildees

locais Em relaccedilatildeo agraves interconexotildees intermediaacuterias as de SWCNT bundle apresentam

desempenho superior agraves de cobre

As interconexotildees de SWCNT bundle e as interconexotildees de cobre foram entatildeo simuladas na

rede H-tree clock de dois niacuteveis para diferentes comprimentos e frequecircncias Nos pontos

de destino final da rede foram colocadas portas inversoras formadas por SETs permitindo

a anaacutelise de circuitos nanoeletrocircnicos

A partir da anaacutelise da rede H-tree clock observou-se que as interconexotildees de SWCNT

bundle possuem desempenho melhor que as de cobre principalmente em relaccedilatildeo ao slew

rate agrave atenuaccedilatildeo ao tempo de atraso e ao produto atraso-potecircncia Aleacutem disso a

dissipaccedilatildeo de potecircncia das interconexotildees natildeo-ideais natildeo interferem na potecircncia total

dissipada pelo circuito Assim as interconexotildees de SWCNT bundle satildeo fortes candidatas a

substituirem as interconexotildees de cobre em circuitos em escala giga (GSI) e tera (TSI)

Como perspectivas futuras eacute importante analisar o efeito das interconexotildees de nanotubo de

carbono em circuitos GSI e TSI com outras arquiteturas A anaacutelise das interconexotildees de

CNT tambeacutem deve ser feita em circuitos com tecnologia MOS permitindo a comparaccedilatildeo

entre diferentes tecnologias Aleacutem disso eacute interessante estudar outros tipos de materiais

que possam ser utilizados como interconexotildees em circuitos integrados

47

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53

7 APEcircNDICES

71 TABELAS COMPLEMENTARES

Tabela 71 Paracircmetros obtidos a partir do modelo de SWCNT isolado

L RQ (Ω) RS (Ω) LCNT (10-9

H) CCNT (10-18

F)

10 nm 645103 - 40010

-2 27910

-1

100 nm 645103 - 40010

-1 279

200 nm 645103 - 80010

-1 558

300 nm 645103 - 120 837

400 nm 645103 - 160 11210

1

500 nm 645103 - 200 14010

1

600 nm 645103 - 240 16710

1

700 nm 645103 - 280 19510

1

800 nm 645103 - 320 22310

1

900 nm 645103 - 360 25110

1

1 microm 645103 - 400 27910

1

10 microm 645103 64510

4 40010

1 27910

2

100 microm 645103 64510

5 40010

2 27910

3

200 microm 645103 12910

6 80010

2 55810

3

300 microm 645103 19410

6 12010

3 83710

3

400 microm

645103 25810

6 16010

3 11210

4

500 microm

645103 32310

6 20010

3 14010

4

Tabela 72 Paracircmetros obtidos a partir do modelo de SWCNT bundle

L RQ (Ω) RS (Ω) LBundle(10-9

H) CBundle(10-18

F)

10 nm 1075 - 66710-5

135

100 nm 1075 - 66710-4

135101

200 nm 1075 - 13310-3

270101

300 nm 1075 - 20010-3

405101

400 nm 1075 - 26710-3

540101

500 nm 1075 - 33310-3

675101

600 nm 1075 - 40010-3

810101

700 nm 1075 - 46710-3

945101

800 nm 1075 - 53310-3

108102

900 nm 1075 - 60010-3

122102

1 microm 1075 - 66710-3

135102

10 microm 1075 108102 66710

-2 13510

3

100 microm 1075 108103 66710

-1 13510

4

200 microm 1075 215103 133 27010

4

300 microm 1075 323103 200 40510

4

400 microm

1075 430103 267 54010

4

500 microm

1075 538103 333 67510

4

54

Tabela 73 Paracircmetros obtidos a partir do modelo de cobre

L RCu (Ω) LCu (10-9

H) CCu (10-18

F)

10 nm 06 37310-6

150

100 nm 60 63610-5

150101

200 nm 120 17510-4

300101

300 nm 180 30910-4

450101

400 nm 240 45410-4

600101

500 nm 300 61110-4

750101

600 nm 360 77510-4

900101

700 nm 420 94610-4

105102

800 nm 480 11210-3

120102

900 nm 540 13110-3

135102

1 microm 600 14910-3

150102

10 microm 60102 24010

-2 15010

3

100 microm 60103 33210

-1 15010

4

200 microm 12104 72010

-1 30010

4

300 microm 18104 113 45010

4

400 microm

24104 155 60010

4

500 microm

30104 198 75010

4

55

Tabela 74 Frequecircncia em -3dB das interconexotildees locais

Comprimento Material f-3dB

10 nm SWCNT isolado 253 GHz

SWCNT bundle 66 THz

Cobre 232 THz

100 nm SWCNT isolado 300 GHz

SWCNT bundle 20 THz

Cobre 51 THz

200 nm SWCNT isolado 342 GHz

SWCNT bundle 14 THz

Cobre 29 THz

300 nm SWCNT isolado 344 GHz

SWCNT bundle 11 THz

Cobre 20 THz

400 nm SWCNT isolado 329 GHz

SWCNT bundle 89 THz

Cobre 15 THz

500 nm SWCNT isolado 307 GHz

SWCNT bundle 76 THz

Cobre 12 THz

600 nm SWCNT isolado 288 GHz

SWCNT bundle 67 THz

Cobre 94 THz

700 nm SWCNT isolado 271 GHz

SWCNT bundle 61 THz

Cobre 76 THz

800 nm SWCNT isolado 255 GHz

SWCNT bundle 55 THz

Cobre 63 THz

900 nm SWCNT isolado 240 GHz

SWCNT bundle 51 THz

Cobre 52 THz

1 microm SWCNT isolado 230 GHz

SWCNT bundle 47 THz

Cobre 42 THz

56

Tabela 75 Frequecircncia em -3dB das interconexotildees intermediaacuterias

Comprimento Material f-3dB

10 microm SWCNT isolado 26 GHz

SWCNT bundle 527 GHz

Cobre 34 GHz

100 microm SWCNT isolado 32 MHz

SWCNT bundle 42 GHz

Cobre 345 MHz

200 microm SWCNT isolado 82 MHz

SWCNT bundle 10 GHz

Cobre 87 MHz

300 microm SWCNT isolado 36 MHz

SWCNT bundle 455 MHz

Cobre 38 MHz

400 microm SWCNT isolado 21 MHz

SWCNT bundle 256 MHz

Cobre 21 MHz

500 microm SWCNT isolado 13 MHz

SWCNT bundle 165 MHz

Cobre 14 MHz

57

8 ANEXOS

81 COacuteDIGO SPICE DO SET [44]

Transistor mono-eleacutetron (SET) conexotildees fonte | dreno | | porta1 | | | porta2 | | | | SUBCKT SET 1 2 3 4 PARAMS +C1=1E-20 Capacitacircncia da junccedilatildeo 1 +C2=1E-20 Capacitacircncia da junccedilatildeo 2 +R1=1E5 Resistecircncia da junccedilatildeo 1 +R2=1E5 Resistecircncia da junccedilatildeo 2 +Cg1=015E-18 Capacitacircncia da junccedilatildeo 1 +Cg2=0 Capacitacircncia da junccedilatildeo 2 +C0=0 Capacitacircncia proacutepria da ilha +Q0=005 Carga offset em unidades de e +TEMP=300 Temperatura PARAM E=160217733E-19 Carga do eleacutetron (e) PARAM CSUM=C1+C2+Cg1+Cg2+C0 Capacitacircncia total do SET PARAM T=TEMPCSUM53785467E14 Temperatura normalizada 53785467E14 = kBe^2 PARAM RN1=R1(R1+R2) Resistecircncia da junccedilatildeo 1 normalizada PARAM RN2=R2(R1+R2) Resistecircncia da junccedilatildeo 2 normalizada FUNC Q(v1v2v3v4) (Cg1v3+Cg2v4+C1v1+C2v2)E+Q0 Definiccedilatildeo da carga em unidades de e FUNC VN(v) CSUMvE Tensatildeo normalizada FUNC GAMMA(u) IF(T==0IF(ult0-u0)IF(u==0Tu(EXP(uT)-1))) FUNC N_OPT(v1v2v3v4) ROUND(-Q(v1v2v3v4)+(CSUME) (v1RN2+v2RN1)) A maior probabilidade de carga na ilha em unidades de e Os quarto eventos tuacuteneis FUNC R1L(nv1v2v3v4) GAMMA(05 - n - Q(v1v2v3v4) + VN(v1))RN1 FUNC R1R(nv1v2v3v4) GAMMA(05 + n + Q(v1v2v3v4) - VN(v1))RN1 FUNC R2L(nv1v2v3v4) GAMMA(05 + n + Q(v1v2v3v4) - VN(v2))RN2 FUNC R2R(nv1v2v3v4) GAMMA(05 - n - Q(v1v2v3v4) + VN(v2))RN2

58

determinaccedilatildeo das probabilidades relativas assume-se inicialmente que o estado da carga N_OPT tem probabilidade relativa igual a um FUNC PN_1(nv1v2v3v4) (R1L(nv1v2v3v4)+R2R(nv1v2v3v4))(R1R(n-1v1v2v3v4)+R2L(n-1v1v2v3v4)) FUNC PN_2(nv1v2v3v4) PN_1(nv1v2v3v4) +(R1L(n-1v1v2v3v4)+R2R(n-1v1v2v3v4))(R1R(n-2v1v2v3v4)+R2L(n-2v1v2v3v4)) FUNC PN_3(nv1v2v3v4) PN_2(nv1v2v3v4) +(R1L(n-2v1v2v3v4)+R2R(n-2v1v2v3v4))(R1R(n-3v1v2v3v4)+R2L(n-3v1v2v3v4)) FUNC PN_4(nv1v2v3v4) PN_3(nv1v2v3v4) +(R1L(n-3v1v2v3v4)+R2R(n-3v1v2v3v4))(R1R(n-4v1v2v3v4)+R2L(n-4v1v2v3v4)) FUNC PN_5(nv1v2v3v4) PN_4(nv1v2v3v4) +(R1L(n-4v1v2v3v4)+R2R(n-4v1v2v3v4))(R1R(n-5v1v2v3v4)+R2L(n-5v1v2v3v4)) FUNC PN1(nv1v2v3v4) (R2L(nv1v2v3v4) +R1R(nv1v2v3v4))(R2R(n+1v1v2v3v4)+R1L(n+1v1v2v3v4)) FUNC PN2(nv1v2v3v4) PN1(nv1v2v3v4) +(R2L(n+1v1v2v3v4)+R1R(n+1v1v2v3v4))(R2R(n+2v1v2v3v4)+R1L(n+2v1v2v3v4)) FUNC PN3(nv1v2v3v4) PN2(nv1v2v3v4) +(R2L(n+2v1v2v3v4)+R1R(n+2v1v2v3v4))(R2R(n+3v1v2v3v4)+R1L(n+3v1v2v3v4)) FUNC PN4(nv1v2v3v4) PN3(nv1v2v3v4) +(R2L(n+3v1v2v3v4)+R1R(n+3v1v2v3v4))(R2R(n+4v1v2v3v4)+R1L(n+4v1v2v3v4)) FUNC PN5(nv1v2v3v4) PN4(nv1v2v3v4) +(R2L(n+4v1v2v3v4)+R1R(n+4v1v2v3v4))(R2R(n+5v1v2v3v4)+R1L(n+5v1v2v3v4)) FUNC PSUM(nv1v2v3v4) PN_5(nv1v2v3v4)+PN_4(nv1v2v3v4)+PN_3(nv1v2v3v4)+PN_2(nv1v2v3v4) ++PN_1(nv1v2v3v4)+1+PN1(nv1v2v3v4)+PN2(nv1v2v3v4)+PN3(nv1v2v3v4) ++PN4(nv1v2v3v4)+PN5(nv1v2v3v4)

59

caacutelculo da corrente da fonte para o dreno FUNC CUR(nv1v2v3v4) PN_5(nv1v2v3v4)(R1R(n-5v1v2v3v4)-R1L(n-5v1v2v3v4)) ++PN_4(nv1v2v3v4)(R1R(n-4v1v2v3v4)-R1L(n-4v1v2v3v4)) ++PN_3(nv1v2v3v4)(R1R(n-3v1v2v3v4)-R1L(n-3v1v2v3v4)) ++PN_2(nv1v2v3v4)(R1R(n-2v1v2v3v4)-R1L(n-2v1v2v3v4)) ++PN_1(nv1v2v3v4)(R1R(n-1v1v2v3v4)-R1L(n-1v1v2v3v4)) ++(R1R(nv1v2v3v4)-R1L(nv1v2v3v4)) ++PN1(nv1v2v3v4)(R1R(n+1v1v2v3v4)-R1L(n+1v1v2v3v4)) ++PN2(nv1v2v3v4)(R1R(n+2v1v2v3v4)-R1L(n+2v1v2v3v4)) ++PN3(nv1v2v3v4)(R1R(n+3v1v2v3v4)-R1L(n+3v1v2v3v4)) ++PN4(nv1v2v3v4)(R1R(n+4v1v2v3v4)-R1L(n+4v1v2v3v4)) ++PN5(nv1v2v3v4)(R1R(n+5v1v2v3v4)-R1L(n+5v1v2v3v4)) FUNC CURRENT(nv1v2v3v4) ECUR(nv1v2v3v4)(CSUMPSUM(nv1v2v3v4)(R1+R2)) caacutelculo da tensatildeo da ilha FUNC VOLT(nv1v2v3v4) PN_5(nv1v2v3v4)(n-5+Q(v1v2v3v4)) ++PN_4(nv1v2v3v4)(n-4+Q(v1v2v3v4)) ++PN_3(nv1v2v3v4)(n-3+Q(v1v2v3v4)) ++PN_2(nv1v2v3v4)(n-2+Q(v1v2v3v4)) ++PN_1(nv1v2v3v4)(n-1+Q(v1v2v3v4)) ++n+Q(v1v2v3v4) ++PN1(nv1v2v3v4)(n+1+Q(v1v2v3v4)) ++PN2(nv1v2v3v4)(n+2+Q(v1v2v3v4)) ++PN3(nv1v2v3v4)(n+3+Q(v1v2v3v4)) ++PN4(nv1v2v3v4)(n+4+Q(v1v2v3v4)) ++PN5(nv1v2v3v4)(n+5+Q(v1v2v3v4)) FUNC VOLTAGE(nv1v2v3v4) (ECSUM)VOLT(nv1v2v3v4)PSUM(nv1v2v3v4) E1 5 0 VALUE= VOLTAGE(N_OPT(V(1)V(2)V(3)V(4))V(1)V(2)V(3)V(4)) Tensatildeo da ilha G1 1 2 VALUE= CURRENT(N_OPT(V(1)V(2)V(3)V(4))V(1)V(2)V(3)V(4)) Corrente da fonte para o dreno CT1 1 5 C1 CT2 2 5 C2 CGATE1 3 5 CG1 CGATE2 4 5 CG2 ENDS SET

Page 35: ANÁLISE COMPARATIVA ENTRE ... - repositorio.unb.brrepositorio.unb.br/.../1/2012_CamilaPeixotoSilvaMadeiraNogueira.pdf · Prof. Stefan Michael Blawid, ... Deus colocou esses dois

22

24 MEDIDAS DE DESEMPENHO NA ANAacuteLISE DAS INTERCONEXOtildeES

As interconexotildees em circuitos integrados possuem caracteriacutesticas que modificam o sinal de

entrada O efeito das interconexotildees pode provocar atrasos e distorccedilotildees indesejaacuteveis Nesse

contexto eacute necessaacuterio analisar medidas de desempenho dos sinais sob efeito das

interconexotildees tais como velocidade maacutexima atenuaccedilatildeo tempo de atraso potecircncia

dissipada produto atraso-potecircncia e slew rate [111317202342]

241 Velocidade maacutexima - anaacutelise na frequumlecircncia

A velocidade maacutexima que as interconexotildees podem operar sem distorcer o sinal de entrada

eacute uma medida de desempenho importante [172023] Eacute possiacutevel analisar este paracircmetro

atraveacutes da frequumlecircncia maacutexima de operaccedilatildeo da interconexatildeo que eacute a largura de banda em

que o sinal comeccedila a decair em -3dB em relaccedilatildeo ao sinal de referecircncia [1742] Assim

utiliza-se a anaacutelise do moacutedulo do graacutefico de Bode para obter a frequumlecircncia de operaccedilatildeo em

-3dB [42] A Figura 218 mostra o esboccedilo do moacutedulo do ganho pela frequumlecircncia tiacutepico do

comportamento de interconexotildees

Figura 218 Graacutefico do moacutedulo do ganho pela frequumlecircncia tiacutepico do comportamento de

interconexotildees

23

242 Atenuaccedilatildeo

A transmissatildeo de um sinal pode ser expressa em funccedilatildeo do seu ganho ou da sua atenuaccedilatildeo

No caso em estudo as interconexotildees podem atenuar o sinal Essa atenuaccedilatildeo eacute geralmente

calculada pela expressatildeo (227) em que Vo eacute o sinal de saiacuteda e Vi eacute o sinal de entrada [42]

i

o

V

VA log20 (227)

243 Tempo de atraso

O tempo de atraso td ou atraso na propagaccedilatildeo ocorre devido ao

carregamentodescarregamento da capacitacircncia de carga bem como ao tempo de

chaveamento dos transistores [42]

O tempo de atraso eacute obtido pela diferenccedila entre o tempo medido a 50 da transiccedilatildeo dos

sinais de entrada e de saiacuteda [11] Em circuitos loacutegicos o atraso na propagaccedilatildeo pode ser

calculado pela meacutedia aritmeacutetica do tempo de propagaccedilatildeo do sinal de alto para baixo tPHL e

do tempo de propagaccedilatildeo do baixo para alto tPLH conforme equaccedilatildeo (228) [1142]

2

PLHPHLd

ttt

(228)

244 Potecircncia dissipada

A dissipaccedilatildeo de potecircncia eacute outra medida de desempenho bastante importante em circuitos

integrados em escala GSI e TSI Isso ocorre jaacute que ao aumentar o nuacutemero de portas

loacutegicas em uma determinada aacuterea ocupada eacute necessaacuterio que a dissipaccedilatildeo de potecircncia esteja

dentro de limites aceitaacuteveis [1142]

A dissipaccedilatildeo de potecircncia eacute composta por dois componentes potecircncia estaacutetica e potecircncia

dinacircmica A dissipaccedilatildeo de potecircncia estaacutetica eacute dada por IVP DDE e ocorre mesmo que

natildeo haja chaveamento de porta loacutegica no circuito devido ao efeito da resistecircncia do

circuito [42] A dissipaccedilatildeo de potecircncia dinacircmica eacute devido agrave capacitacircncia de carga do

24

circuito expressa por CVfP DDD 2 em que VDD eacute a tensatildeo de alimentaccedilatildeo f eacute

frequumlecircncia do circuito e C eacute a capacitacircncia de carga do circuito [1142] Assim a soma da

potecircncia dinacircmica e da potecircncia estaacutetica resulta na potecircncia total dissipada no circuito

245 Produto atraso-potecircncia

Em circuitos integrados o ideal eacute que se tenha baixo atraso na propagaccedilatildeo resultando em

uma maior velocidade de funcionamento do circuito bem como baixa dissipaccedilatildeo de

potecircncia No entanto essas duas exigecircncias satildeo conflitantes ao reduzirmos a dissipaccedilatildeo de

potecircncia de uma porta a capacidade da porta em fornecer corrente diminuiraacute isso

implicaraacute em um maior tempo de carga e descarga aumentando o atraso na propagaccedilatildeo

Assim o produto atraso-potecircncia (delay power product ndash DP) eacute uma medida de

desempenho bastante utilizada na anaacutelise de circuitos e eacute dado por dD tPDP Quanto

menor o produto atraso-potecircncia maior a eficiecircncia do circuito loacutegico [42]

246 Slew rate

A taxa maacutexima de variaccedilatildeo da tensatildeo de saiacuteda do inglecircs slew rate (SR) eacute uma

caracteriacutestica importante do sinal de saiacuteda de um circuito loacutegico A limitaccedilatildeo na taxa de

variaccedilatildeo pode provocar uma distorccedilatildeo no funcionamento do circuito O SR pode ser

calculado pela expressatildeo (229) em que Δv eacute a variaccedilatildeo da tensatildeo de saiacuteda do sinal para

uma determinada variaccedilatildeo de tempo Δt [42]

t

vSR

(229)

25 LTSPICE

O software LTSPICE eacute um simulador SPICE de alto desempenho orientado a

esquemaacuteticos e visualizador de formas de onda com modelos para facilitar a simulaccedilatildeo de

circuitos eletrocircnicos Se comparado aos outros simuladores SPICE a simulaccedilatildeo do

LTSPICE eacute bastante raacutepida O software consegue simular dispositivos de acordo com o

padratildeo industrial reproduzindo os seus comportamentos [52]

25

O LTSPICE possui vaacuterias possibilidades de simulaccedilatildeo como anaacutelise transiente anaacutelise AC

e anaacutelise DC bem como permite a simulaccedilatildeo de vaacuterios dispositivos disponiacuteveis na sua

biblioteca Aleacutem disso este software possibilita a elaboraccedilatildeo de novos esquemaacuteticos

atraveacutes de um modelo matemaacutetico ou eletrocircnico proposto O novo componente poderaacute ser

utilizado no circuito conforme seraacute feito neste trabalho utilizando-se o modelo SPICE do

SET proposto por G Lientschnig et al[4]

26

3 METODOLOGIA

31 INTRODUCcedilAtildeO

A miniaturizaccedilatildeo das interconexotildees prejudica o seu desempenho resultando no aumento

significativo do valor da resistividade da capacitacircncia de acoplamento entre vias na

dificuldade de controlar a razatildeo entre a altura e a largura do material entre outros

problemas A fim de analisar o desempenho das interconexotildees eacute necessaacuterio verificar

algumas variaacuteveis importantes como velocidade maacutexima (f-3dB) atenuaccedilatildeo (A) tempo de

atraso (td) potecircncia dissipada (P) produto atraso-potecircncia (DP) e slew rate (SR)

[111317202342]

32 ETAPAS E ESTRATEacuteGIAS ADOTADAS

Com o intuito de analisar o efeito das interconexotildees em circuitos com transistores mono-

eleacutetron foi realizada primeiramente a anaacutelise das interconexotildees de SWCNT de SWCNT

bundle e de cobre isoladamente para diferentes valores de comprimento Apoacutes a avaliaccedilatildeo

desses resultados o efeito das interconexotildees foi analisado no H-tree clock com inversores

mono-eleacutetron nos seus terminais tambeacutem considerando diferentes comprimentos Neste

trabalho a tecnologia de 22 nm prevista para o ano de 2016 [21] foi utilizada na

comparaccedilatildeo entre o desempenho do cobre e do CNT Todas as simulaccedilotildees foram realizadas

utilizando o software LTSPICE

321 Simulaccedilatildeo das interconexotildees

A partir dos modelos das interconexotildees de SWCNT SWCNT bundle e cobre apresentados

na subseccedilatildeo 213 diferentes comprimentos das interconexotildees foram simulados Assim

analisou-se as interconexotildees locais em que l le 1 μm e as intermediaacuterias em que 1 μm lt l

le 500 μm sabendo que l eacute o comprimento da interconexatildeo [29-31333638]

A fim de analisar a frequumlecircncia de corte este foi obtido para comprimentos de

interconexotildees locais (10nm 100nm 200nm 300nm 400nm 500nm 600nm 700nm

27

800nm 900nm 1μm) e interconexotildees intermediaacuterias (10μm 100μm 200μm 300μm

400μm 500μm)

Jaacute que λCNT eacute tipicamente 1 μm foram escolhidos trecircs comprimentos na faixa lCNT le λCNT

(10 nm 100 nm e 1 μm) e trecircs comprimentos na faixa lCNT gt λCNT (10 μm 100 μm 500

μm) para serem analisados detalhadamente Escolheu-se uma mesma frequecircncia abaixo da

frequecircncia de corte dos trecircs materiais considerados para analisar e comparar a atenuaccedilatildeo

(A) e o tempo de atraso na propagaccedilatildeo (td) dos diferentes comprimentos

Em seguida o mesmo procedimento foi feito para comparar somente o SWCNT bundle e o

cobre para uma mesma frequecircncia cujo valor eacute maior que a frequecircncia da anaacutelise anterior

permitindo que estes dois materiais sejam analisados detalhadamente

Essas anaacutelises foram realizadas a partir da simulaccedilatildeo do circuito da Figura 31 [2325] A

tensatildeo de entrada Vin eacute uma onda quadrada de 1V de amplitude e o capacitor de carga tem

o valor de 100 aF

Figura 31 ndash Circuito simulado para cada interconexatildeo

A Figura 32 mostra o fluxograma das etapas descritas nesta subseccedilatildeo 321

28

Figura 32 ndash Fluxograma das etapas seguidas na simulaccedilatildeo das interconexotildees

322 Simulaccedilatildeo do inversor mono-eleacutetron

Para utilizar a porta inversora da Figura 215 nos terminais do H-tree clock foi necessaacuterio

primeiramente simular o SET proposto por [4] Essa simulaccedilatildeo foi feita variando os

paracircmetros do SET como as resistecircncias e capacitacircncias das junccedilotildees as capacitacircncias de

porta a temperatura etc Os paracircmetros foram variados ateacute simular o SET a temperatura

de 300K Em seguida simulou-se a inversora da Figura 215 tambeacutem a temperatura

ambiente Dessa forma foi possiacutevel simular a inversora isoladamente obtendo as

caracteriacutesticas do sinal de saiacuteda

323 Simulaccedilatildeo do H-tree clock mono-eleacutetron

Apoacutes a simulaccedilatildeo do SET foi possiacutevel simular o H-tree clock A rede H-tree de dois niacuteveis

foi simulada com um H no primeiro niacutevel e quatro H‟s no segundo niacutevel [49] Nos pontos

de destino final da rede foram colocadas portas inversoras formadas por SETs permitindo

a anaacutelise de circuitos nanoeletrocircnicos

Modelos de SWCNT

SWCNT bundle e cobre

Obtenccedilatildeo dos paracircmetros dos modelos para

interconexotildees locais e interconexotildees intermediaacuterias

Para cada comprimento

obtenccedilatildeo de f-3dB

1ordm) Escolha de frequumlecircncia abaixo

da f-3dB do SWCNT SWCNT

bundle e cobre

2ordm) Escolha de frequumlecircncia abaixo

da f-3dB do SWCNT bundle e

cobre

Obtenccedilatildeo de A e td de

cada modelo

Obtenccedilatildeo de A e td de

cada modelo

Anaacutelise comparativa entre o

SWCNT SWCNT bundle e

cobre

Anaacutelise comparativa entre o

SWCNT bundle e cobre

Estudo de interconexotildees locais (10nm

100nm 1μm) e intermediaacuterias (10μm

100μm 500μm)

29

A partir da simulaccedilatildeo do H-tree clock obteve-se a frequecircncia em -3dB (f-3dB) da rede com

interconexotildees ideais Assim a rede H-tree foi entatildeo simulada para duas frequecircncias

diferentes do sinal de entrada abaixo da frequecircncia de -3dB 10 GHz e 100 GHz Com

essas simulaccedilotildees obtiveram-se as seguintes caracteriacutesticas do sinal de saiacuteda da inversora

niacutevel loacutegico baixo (NB) niacutevel loacutegico alto (NA) tempo de subida (tr) slew rate de subida

(SR) atenuaccedilatildeo (A) tempo de atraso (td) potecircncia dissipada (P) e produto atraso-potecircncia

(DP) As caracteriacutesticas obtidas servem como referecircncia para analisar o sinal considerando

interconexotildees natildeo-ideais ou seja incluindo os modelos das interconexotildees nas simulaccedilotildees

Em seguida a rede H-tree foi simulada considerando-se os modelos das interconexotildees de

SWCNT bundle e de cobre variando os seus comprimentos Como cada H da rede de

distribuiccedilatildeo deve ser simeacutetrico considerou-se que cada divisatildeo do H tem o mesmo

comprimento para cada niacutevel da rede [11] A Figura 33 mostra o comprimento dos

diferentes trechos da rede Assim o comprimento de cada divisatildeo dos H‟s do segundo

niacutevel eacute a metade do comprimento de cada divisatildeo do H do primeiro niacutevel Jaacute que o objetivo

eacute simular circuitos em escala nanomeacutetrica escolheu-se trecircs variaccedilotildees de comprimento

menores ou iguais a 1μm

l = 100 nm l2 = 50 nm

l = 400 nm l2 = 200 nm

l = 1 μm l2 = 500 nm

Figura 33 ndash Esquemaacutetico do H-tree clock com os comprimentos de cada seguimento

Dessa forma cada um dos trecircs circuitos foi simulado obtendo-se a frequecircncia em -3dB na

entrada das portas inversoras Em seguida as trecircs redes foram simuladas para as mesmas

30

duas frequumlecircncias do sinal de entrada (10 GHz e 100 GHz) de forma a obter as

caracteriacutesticas do sinal de saiacuteda descritas anteriormente considerando agora o efeito das

interconexotildees

Por fim a partir dos dados obtidos foram realizadas comparaccedilotildees entre as caracteriacutesticas

do sinal de saiacuteda de referecircncia (interconexotildees ideais) e o sinal de saiacuteda dos circuitos com as

interconexotildees natildeo-ideais bem como entre o comportamento das interconexotildees de SWCNT

bundle e de cobre nas diferentes frequecircncias

A Figura 34 mostra o fluxograma das etapas descritas nas subseccedilotildees 322 e 323

Figura 34 ndash Fluxograma das etapas seguidas na simulaccedilatildeo do H-tree clock

H-tree clock mono-eleacutetron

Simulaccedilatildeo do H-tree clock com

interconexotildees ideais Obtenccedilatildeo de f-3dB

da inversora

Simulaccedilatildeo do H-tree clock com

interconexotildees natildeo-ideais para os seguintes

comprimentos

l = 100 nm l2 = 50 nm

l = 400 nm l2 = 200 nm

l = 1 μm l2 = 500 nm

Validaccedilatildeo do SET e do

inversor mono-eleacutetron a

300K

Sinal de entrada a

10 GHz

Sinal de entrada a

100 GHz

Obtenccedilatildeo de NB

NA tr SR A td P e

DP do sinal de saiacuteda

da inversora

Obtenccedilatildeo de NB

NA tr SR A td P e

DP do sinal de saiacuteda

da inversora

Sinal de entrada a

10 GHz

Sinal de entrada a

100 GHz

Obtenccedilatildeo de NB

NA tr SR A td P e

DP do sinal de saiacuteda

da inversora

Obtenccedilatildeo de NB

NA tr SR A td P e

DP do sinal de saiacuteda

da inversora

Anaacutelise comparativa

dos dados obtidos

31

4 RESULTADOS E ANAacuteLISES

41 INTRODUCcedilAtildeO

Neste capiacutetulo seratildeo apresentados os procedimentos adotados e os resultados obtidos na

simulaccedilatildeo das interconexotildees SWCNT SWCNT bundle e cobre As etapas descritas na

metodologia foram seguidas obtendo-se os resultados das simulaccedilotildees das interconexotildees e

das simulaccedilotildees do H-tree clock mono-eleacutetron para interconexotildees ideais e natildeo-ideais A

partir dos resultados a anaacutelise do desempenho das interconexotildees seraacute apresentada

42 ANAacuteLISE DAS INTERCONEXOtildeES

Nesta seccedilatildeo a anaacutelise das interconexotildees de SWCNT SWCNT bundle e cobre na

tecnologia de 22 nm para diferentes comprimentos seraacute realizada Para isso analisou-se

as interconexotildees locais em que l le 1 μm e as intermediaacuterias em que 1 μm lt l le 500 μm

sabendo que l eacute o comprimento da interconexatildeo [29-31333638] Como λCNT eacute

tipicamente 1 μm trecircs comprimentos na faixa lCNT le λCNT (10 nm 100 nm e 1 μm) e trecircs

comprimentos na faixa lCNT gt λCNT (10 μm 100 μm 500 μm) de cada material seratildeo

analisados detalhadamente Os paracircmetros obtidos a partir dos modelos de SWCNT

SWCNT bundle e cobre estatildeo respectivamente nas Tabelas 71 72 e 73 do Apecircndice

421 Interconexotildees locais

Primeiramente a partir da simulaccedilatildeo da Figura 31 obteve-se a frequecircncia em -3dB (f-3dB)

das interconexotildees locais (lCNT le λCNT ) isto eacute a sua banda passante de forma a verificar a

velocidade maacutexima que cada interconexatildeo suporta A Figura 41 ilustra o comportamento

da frequecircncia das interconexotildees locais para os diferentes comprimentos Como o SWCNT

isolado possui valores de frequecircncia na faixa de centenas de giga Hertz ou seja menos de

um tera Hertz os valores de suas frequecircncias tambeacutem podem ser visualisados na Tabela

74 do Apecircndice

Verifica-se que agrave medida que o comprimento da interconexatildeo aumenta a frequecircncia

diminui Isso ocorre jaacute que os valores da capacitacircncia e indutacircncia aumentam com o

aumento do comprimento da interconexatildeo Esses paracircmetros satildeo decisivos no sinal de

32

saiacuteda sendo o sinal mais distorcido quanto maior for o valor desses paracircmetros Observa-

se que o SWCNT bundle e o cobre possuem banda passante maiores que o SWCNT

isolado para qualquer comprimento Aleacutem disso o SWCNT bundle soacute possui uma banda

passante comparaacutevel ao do cobre para comprimentos acima de 700 nm

Frequecircncia X Comprimento

0

10

20

30

40

50

60

100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

Comprimento (nm)

f -3d

B (

TH

z)

SWCNT Isolado

SWCNT bundle

Cobre

Figura 41 ndash Frequumlecircncia versus comprimento das interconexotildees locais

As interconexotildees locais de 10 nm 100 nm e 1 μm de comprimento foram analisadas

detalhadamente A Tabela 41 mostra a frequecircncia em -3dB de cada material para os

comprimentos em anaacutelise

Tabela 41 Frequecircncia em -3dB de cada material para lCNT le λCNT

Interconexatildeo Local Comprimento (L) Material f-3dB

SWCNT isolado 253 GHz

10nm SWCNT bundle 66 THz

Cobre 232 THz

SWCNT isolado 300 GHz

lCNT le λCNT 100nm SWCNT bundle 20 THz

Cobre 51 THz

SWCNT isolado 230 GHz

1microm SWCNT bundle 47 THz

Cobre 42 THz

Assim escolheu-se uma mesma frequecircncia abaixo da frequecircncia de corte dos trecircs

materiais considerados para analisar e comparar a atenuaccedilatildeo (A) e o tempo de atraso na

propagaccedilatildeo (td) dos trecircs comprimentos Isso permite verificar o comportamento do sinal na

banda passante A Tabela 42 mostra esse estudo comparativo entre o SWCNT isolado

SWCNT bundle e cobre agrave frequecircncia de 200 GHz

33

Tabela 42 Estudo das interconexotildees com comprimentos na faixa lCNT le λCNT

Freq L Material A (dB) td (ps)

SWCNT isolado -210 046

10nm SWCNT bundle 001 000

Cobre 000 000

SWCNT isolado -155 051

200 GHz 100nm SWCNT bundle 001 000

Cobre 001 000

SWCNT isolado -039 107

1microm SWCNT bundle 006 001

Cobre 000 007

A partir da anaacutelise da Tabela 42 eacute possiacutevel observar agrave frequumlecircncia de 200 GHz a

atenuaccedilatildeo do sinal e o atraso do SWCNT isolado Nessa frequumlecircncia o atraso do SWCNT

isolado eacute significativo em relaccedilatildeo ao periacuteodo do sinal que eacute 5ps jaacute que o menor atraso

(para l = 10nm) eacute aproximadamente 10 do periacuteodo do sinal de entrada No entanto para

esta mesma frequumlecircncia observa-se que a atenuaccedilatildeo e o atraso do SWCNT bundle e do

cobre satildeo insignificantes Isto indica que estes dois materiais possuem melhor

desempenho sendo favoraacuteveis para serem utilizados em interconexotildees locais

Dessa forma para analisar melhor a atenuaccedilatildeo e o tempo de atraso do SWCNT bundle e do

cobre o mesmo procedimento foi feito comparando-se somente estes dois materiais para

uma mesma frequecircncia de 1 THz A Tabela 43 mostra esse estudo comparativo entre o

SWCNT bundle e cobre

Tabela 43 Estudo das interconexotildees SWCNT bundle e cobre com comprimentos na faixa

lCNT le λCNT

Freq L Material A (dB) td (fs)

10nm SWCNT bundle 001 113

Cobre 000 022

1 THz 100nm SWCNT bundle 006 136

Cobre 001 240

1microm SWCNT bundle 145 647

Cobre -013 5623

Analisando a Tabela 43 observa-se que agrave frequumlecircncia de 1 THz a atenuaccedilatildeo do sinal e o

atraso aumentam agrave medida que o comprimento das interconexotildees aumentam A partir do

comprimento de 100nm o tempo de atraso da interconexatildeo de cobre eacute maior que o do

SWCNT bundle cujo maior valor de atraso (para l = 1microm) natildeo chega a 1 do periacuteodo do

34

sinal de entrada (1ps) Isso mostra que apesar de a banda passante do cobre ser maior o

atraso do SWCNT bundle eacute menor Dessa forma para as interconexotildees locais o SWCNT

bundle possui desempenho comparaacutevel ao do cobre [13]

Em relaccedilatildeo agrave atenuaccedilatildeo verifica-se que para alguns comprimentos este tem valor

positivo Isso ocorre principalmente quando haacute um pico no graacutefico da frequumlecircncia antes dele

comeccedilar a decair Esse pico eacute devido ao efeito ressonante provocado pela indutacircncia

quando este possui valor comparaacutevel agrave resistecircncia e agrave capacitacircncia da interconexatildeo [53]

Assim esse efeito ressonante foi observado somente nas interconexotildees locais de SWCNT

bundle e de cobre A Figura 42 ilustra o graacutefico da magnitude pela frequumlecircncia do SWCNT

isolado SWCNT bundle e cobre para o comprimento de 100nm Observa-se o efeito

ressonante nos graacuteficos do SWCNT bundle e do cobre

Figura 42 ndash Graacuteficos da magnitude das interconexotildees de SWCNT isolado (superior)

SWCNT bundle (meio) e cobre (inferior) com comprimento de 100nm

35

422 Interconexotildees intermediaacuterias

Assim como para as interconexotildees locais obteve-se a frequecircncia em -3dB (f-3dB) das

interconexotildees intermediaacuterias (lCNT gt λCNT) de forma a verificar a velocidade maacutexima que

cada interconexatildeo suporta A Figura 43 ilustra o comportamento da frequecircncia das

interconexotildees intermediaacuterias para os diferentes comprimentos Os valores das frequecircncias

de cada interconexatildeo tambeacutem podem ser visualisados na Tabela 75 do Apecircndice

Como nas interconexotildees locais agrave medida que o comprimento da interconexatildeo aumenta a

frequecircncia diminui Aleacutem disso o SWCNT bundle e o cobre possuem desempenho melhor

que o do SWCNT isolado para qualquer comprimento No entanto para interconexotildees

intermediaacuterias o SWCNT bundle possui banda passante maior que a do cobre para

qualquer comprimento

Frequecircncia X Comprimento

00

05

10

15

20

25

30

35

40

45

100 200 300 400 500

Comprimento (μm)

f -3d

B (

GH

z)

SWCNT isolado

SWCNT bundle

Cobre

Figura 43 ndash Frequumlecircncia versus comprimento das interconexotildees intermediaacuterias

As interconexotildees intermediaacuterias de 10 μm 100 μm e 500 μm de comprimento foram entatildeo

analisadas detalhadamente A Tabela 44 mostra a frequecircncia em -3dB de cada materal

para os diferentes comprimentos em anaacutelise

36

Tabela 44 Frequecircncia em -3dB de cada material para lCNT gt λCNT

Interconexatildeo

Intermediaacuteria

Comprimento (L) Material f-3dB

SWCNT isolado 26 GHz

10 microm SWCNT bundle 527 GHz

Cobre 34 GHz

SWCNT isolado 32 MHz

lCNT gt λCNT 100 microm SWCNT bundle 42 GHz

Cobre 345 MHz

SWCNT isolado 13 MHz

500 microm SWCNT bundle 165 MHz

Cobre 14 MHz

Escolheu-se a frequecircncia de 1 MHz que estaacute abaixo da frequecircncia de corte dos trecircs

materiais considerados para analisar e comparar a atenuaccedilatildeo (A) e o tempo de atraso na

propagaccedilatildeo (td) dos trecircs comprimentos A Tabela 45 mostra esse estudo comparativo entre

o SWCNT isolado SWCNT bundle e cobre

Tabela 45 Estudo das interconexotildees com comprimentos na faixa lCNT gt λCNT

Freq L Material A (dB) td (ns)

SWCNT isolado -002 008

10 microm SWCNT bundle 000 000

Cobre 000 000

SWCNT isolado -003 559

1 MHz 100 microm SWCNT bundle -001 005

Cobre -004 056

SWCNT isolado -198 10217

500 microm SWCNT bundle 000 110

Cobre -003 1301

Com base na Tabela 45 observa-se que a atenuaccedilatildeo e o tempo de atraso do SWCNT

isolado aumentam com o aumento do comprimento da interconexatildeo Nessa frequumlecircncia o

atraso na propagaccedilatildeo do SWCNT isolado eacute significativo em relaccedilatildeo ao periacuteodo do sinal de

entrada que eacute 1micros chegando a mais de 10 deste periacuteodo para o comprimento de 500microm

Verifica-se tambeacutem o aumento do tempo de atraso da interconexatildeo de cobre sendo 13

do periacuteodo do sinal de entrada para o comprimento de 500microm

Para analisar melhor a atenuaccedilatildeo e o tempo de atraso do SWCNT bundle e do cobre o

mesmo procedimento foi feito comparando-se somente estes dois materiais para uma

37

mesma frequecircncia de 10 MHz A Tabela 46 mostra esse estudo comparativo entre o

SWCNT bundle e cobre

Tabela 46 Estudo das interconexotildees SWCNT bundle e cobre com comprimentos na faixa

lCNT gt λCNT

Freq L Material A (dB) td (ns)

10 microm SWCNT bundle 000 000

Cobre 000 000

10 MHz 100 microm SWCNT bundle -001 005

Cobre -004 054

500 microm SWCNT bundle -004 107

Cobre -185 1024

Analisando a Tabela 46 observa-se que agrave medida que o comprimento das interconexotildees

aumenta a atenuaccedilatildeo e o atraso do sinal da interconexatildeo de cobre tornam-se significativos

O atraso na propagaccedilatildeo da interconexatildeo de cobre para l = 500microm chega a 10 do periacuteodo

do sinal de entrada (100ns) Jaacute o SWCNT bundle apresenta valores insignificantes de

atenuaccedilatildeo e atraso na propagaccedilatildeo Assim para as interconexotildees intermediaacuterias o SWCNT

bundle possui desempenho superior ao do cobre

43 SIMULACcedilAtildeO DO INVERSOR MONO-ELEacuteTRON

O modelo SPICE do SET proposto por G Lientschnig et al [444] foi simulado no

LTSPICE A partir da equaccedilatildeo (226) foi possiacutevel aumentar a temperatura do SET ateacute

chegar a 300K Assim o esquemaacutetico do SET e os valores de seus paracircmetros para que o

SET opere a 300K estatildeo na Figura 44 No anexo deste trabalho (subseccedilatildeo 81) encontra-

se o coacutedigo SET que foi utilizado [44] Os paracircmetros R1 C1 e R2 C2 correspondem agraves

resistecircncias e capacitacircncias das junccedilotildees-tuacutenel Cg eacute a capacitacircncia de porta (Cg1 no coacutedigo

SET) Vg eacute a tensatildeo de porta e V eacute a tensatildeo de entrada

Figura 44 Esquemaacutetico do SET e os valores de seus paracircmetros

38

A partir destes valores o inversor mono-eleacutetron foi construiacutedo colocando-se dois SETs em

seacuterie os quais compartilham da mesma entrada A Figura 45 ilustra o esquemaacutetico do

inversor mono-eleacutetron juntamente com os valores de seus paracircmetros fixos em que Vin eacute a

tensatildeo de entrada Vout eacute a tensatildeo de saiacuteda Vbias eacute a tensatildeo de polarizaccedilatildeo Cc eacute a

capacitacircncia de carga Cg1 e Cg2 satildeo as capacitacircncias de porta do SET 1 e do SET 2

respectivamente

Figura 45 Esquemaacutetico do inversor mono-eleacutetron e os valores de seus paracircmetros

(modificado de [4])

Assim apoacutes simular o inversor mono-eleacutetron a 300K obteve-se o sinal de saiacuteda mostrado

na Figura 46 Como o inversor estaacute invertendo o sinal de entrada de valor loacutegico baixo em

um sinal de saiacuteda de valor loacutegico alto ele estaacute operando corretamente

Figura 46 Curva do sinal de entrada (em verde) e do sinal de saiacuteda (em preto) do inversor

mono-eleacutetron

39

44 ANAacuteLISE DAS INTERCONEXOtildeES NO H-TREE CLOCK MONO-ELEacuteTRON

Nesta seccedilatildeo a rede H-tree clock de dois niacuteveis foi simulada com portas inversoras mono-

eleacutetron nos pontos de destino final da rede permitindo a anaacutelise de circuitos

nanoeletrocircnicos Simulou-se a rede H-tree considerando interconexotildees ideais para as

frequecircncias de 10 GHz e 100 GHz no sinal de entrada Em seguida para as mesmas duas

frequecircncias considerou-se interconexotildees natildeo-ideais de diferentes comprimentos

analisando a rede com os modelos de interconexatildeo SWCNT bundle e cobre Trecircs redes

com comprimentos de interconexotildees diferentes foram analisadas

l = 100 nm l2 = 50 nm

l = 400 nm l2 = 200 nm

l = 1 μm l2 = 500 nm

441 Anaacutelise da rede com interconexotildees ideais

A partir da simulaccedilatildeo do H-tree clock a frequecircncia em -3dB (f-3dB) da rede com

interconexotildees ideais foi obtida Na saiacuteda de cada porta inversora a banda passante do sinal

eacute 3200 GHz Dessa forma duas frequecircncias abaixo de 3200 GHz foram escolhidas para

analisar o sinal de saiacuteda da inversora em condiccedilotildees ideais As frequecircncias de 10 GHz e

100 GHz seratildeo analisadas obtendo-se as seguintes caracteriacutesticas do sinal de saiacuteda da

inversora niacutevel loacutegico baixo (NB) niacutevel loacutegico alto (NA) tempo de subida (tr) slew rate

de subida (SR) atenuaccedilatildeo (A) e tempo de atraso (td) A Tabela 47 mostra os valores

obtidos para as duas frequecircncias em anaacutelise

Tabela 47 Caracteriacutesticas dos sinais de saiacuteda da rede para interconexotildees ideais

Freq NB(mV) NA(mV) tr (ps) SR(Vns) A(dB) td (ps)

10 GHz 675 4518 356 8636 -264 412

100 GHz 678 4279 317 9088 -269 189

Os caacutelculos da potecircncia estaacutetica ( IVP DDE ) potecircncia dinacircmica ( CVfP DDD 2 ) e

potecircncia total ( DE PPP ) dissipada por cada porta inversora foram realizados bem

como o produto atraso-potecircncia (DP) Assim a Tabela 48 mostra os valores obtidos no

40

caacutelculo destes paracircmetros Como a potecircncia estaacutetica independe da frequecircncia do sinal de

entrada o seu valor eacute o mesmo nos dois casos

Tabela 48 Potecircncia dissipada por cada porta inversora para interconexotildees ideais

Frequecircncia PE (nW) PD (nW) P (nW) DP (10-18

Wmiddots)

10 GHz 4838 125 4963 020

100 GHz 4838 125 6088 012

As Tabelas 47 e 48 serviratildeo de referecircncia para as anaacutelises da rede com interconexotildees natildeo-

ideais analisadas na subseccedilatildeo seguinte As Figuras 47 e 48 ilustram o sinal de saiacuteda das

redes com frequecircncias de 10 GHz e de 100 GHz respectivamente Eacute possiacutevel observar que

na frequecircncia de 100 GHz o sinal de saiacuteda jaacute eacute distorcido em relaccedilatildeo ao sinal de referecircncia

(Figura 46)

Figura 47 Sinal de entrada (em verde) e sinal de saiacuteda (em preto) da rede a 10 GHz

Figura 48 Sinal de entrada (em verde) e sinal de saiacuteda (em preto) da rede a 100 GHz

41

442 Anaacutelise da rede com interconexotildees natildeo-ideais

Apoacutes obter as caracteriacutesticas da rede H-tree clock com interconexotildees ideais a anaacutelise da

rede com interconexotildees natildeo-ideais seraacute feita Primeiramente eacute importante verificar a

frequecircncia em -3dB do sinal depois das interconexotildees ou seja na entrada da porta

inversora Caso essa frequecircncia seja menor que a frequecircncia de 3200 GHz obtida com

interconexotildees ideais entatildeo a interconexatildeo afetaraacute o comportamento da rede A Tabela 49

mostra a frequecircncia em -3dB na entrada da inversora para interconexotildees natildeo-ideais

Tabela 49 Frequecircncia em -3dB na entrada da inversora para interconexotildees natildeo-ideais

Comprimentos (l2 l) Material f-3dB

50nm 100nm SWCNT bundle 122 THz

Cobre 175 THz

200nm 400nm SWCNT bundle 31 THz

Cobre 8606 GHz

500nm 1microm SWCNT bundle 12 THz

Cobre 1268 GHz

Assim verifica-se que a interconexatildeo de cobre da rede 500nm1microm possui frequecircncia em

-3dB abaixo da frequecircncia do circuito com interconexatildeo ideal (3200 GHz) Isso indica que

esta interconexatildeo interfere significativamente no comportamento da rede A Tabela 49

mostra tambeacutem que a banda passante da interconexatildeo de cobre soacute eacute maior que a da

interconexatildeo de SWCNT bundle no primeiro caso na rede de 50nm100nm o que mostra

uma vantagem do SWCNT bundle em relaccedilatildeo ao cobre A partir dessas informaccedilotildees a

rede H-tree clock com interconexotildees natildeo-ideais seraacute analisada detalhadamente

4421 Anaacutelise da rede a 10 GHz

As redes com interconexotildees natildeo-ideais seratildeo analisadas na frequecircncia de 10 GHz para

diferentes comprimentos Primeiramente o niacutevel loacutegico baixo (NB) o niacutevel loacutegico alto

(NA) o tempo de subida (tr) e o slew rate de subida (SR) foram obtidos conforme mostra a

Tabela 410 Com base nessa tabela verifica-se que na frequecircncia de 10 GHz essas

caracteriacutesticas natildeo foram modificadas pelas interconexotildees natildeo-ideais independentemente

do comprimento Os valores dos paracircmetros satildeo iguais aos obtidos na rede com

interconexatildeo ideal conforme Tabela 47 O sinal obtido na saiacuteda de cada inversor eacute igual

ao ilustrado na Figura 47

42

Tabela 410 Niacuteveis loacutegicos tempo de subida e slew rate dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 10 GHz

Freq L (l2l) Material NB(mV) NA(mV) tr(ps) SR(Vns)

10

GHz

50nm

100nm

SWCNT bundle 675 4518 356 8636

Cobre 675 4518 356 8636

200nm

400nm

SWCNT bundle 675 4518 356 8636

Cobre 675 4518 356 8636

500nm

1microm

SWCNT bundle 675 4518 356 8636

Cobre 675 4518 356 8636

A Tabela 411 mostra a atenuaccedilatildeo tempo de atraso potecircncia total dissipada e o produto

atraso-potecircncia obtidos a frequecircncia de 10 GHz para interconexotildees natildeo-ideais Observa-se

que a atenuaccedilatildeo do sinal e a potecircncia total dissipada por cada porta inversora permanecem

os mesmos em relaccedilatildeo agrave interconexatildeo ideal mostrando que a essa frequecircncia as

interconexotildees natildeo-ideais natildeo interferem nestes paracircmetros

Jaacute o atraso na propagaccedilatildeo do sinal no caso do cobre aumenta agrave medida que as

interconexotildees aumentam de comprimento aumentando tambeacutem o produto atraso-potecircncia

Esse atraso chega a 66 do periacuteodo do sinal de entrada para a interconexatildeo 500nm1microm

de cobre No entanto estes paracircmetros natildeo satildeo afetados pelas interconexotildees de SWCNT

bundle indicando que este material se sobressai em relaccedilatildeo ao cobre

Tabela 411 Atenuaccedilatildeo atraso potecircncia e produto atraso-potecircncia dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 10 GHz

Freq L (l2l) Material A (dB) td (ps) P (nW) DP(10-18

Wmiddots)

10

GHz

50nm

100nm

SWCNT bundle -264 412 4963 020

Cobre -264 412 4963 020

200nm

400nm

SWCNT bundle -264 412 4963 020

Cobre -264 438 4963 022

500nm

1microm

SWCNT bundle -264 412 4963 020

Cobre -264 659 4963 033

4422 Anaacutelise da rede a 100 GHz

As redes com interconexotildees natildeo-ideais seratildeo analisadas na frequecircncia de 100 GHz para

diferentes comprimentos O niacutevel loacutegico baixo (NB) o niacutevel loacutegico alto (NA) o tempo de

subida (tr) e o slew rate de subida (SR) foram obtidos conforme mostra a Tabela 412 Jaacute a

43

Tabela 413 mostra a atenuaccedilatildeo tempo de atraso potecircncia total dissipada e o produto

atraso-potecircncia obtidos a frequecircncia de 100 GHz para interconexotildees natildeo-ideais

Tabela 412 Niacuteveis loacutegicos tempo de subida e slew rate dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 100 GHz

Freq L (l2l) Material NB(mV) NA(mV) tr(ps) SR(Vns)

100

GHz

50nm

100nm

SWCNT bundle 678 4272 316 9099

Cobre 675 4277 323 9107

200nm

400nm

SWCNT bundle 678 4299 315 9196

Cobre 677 4089 289 9447

500nm

1microm

SWCNT bundle 678 4418 300 9973

Cobre 635 1766 102 6795

Tabela 413 Atenuaccedilatildeo atraso potecircncia e produto atraso-potecircncia dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 100 GHz

Freq L (l2l) Material A (dB) td (ps) P (nW) DP(10-18

Wmiddots)

100

GHz

50nm

100nm

SWCNT bundle -2703 189 6088 012

Cobre -2685 191 6088 012

200nm

400nm

SWCNT bundle -2693 188 6088 012

Cobre -2698 228 6088 014

500nm

1microm

SWCNT bundle -2673 174 6088 011

Cobre -2893 388 6088 024

A partir das Tabelas 412 e 413 o SWCNT bundle seraacute analisado Observa-se que os seus

niacuteveis loacutegicos altos aumentam com o aumento do comprimento das interconexotildees

aumentando tambeacutem o slew rate de subida Esse comportamento ocorre provavelmente

devido ao efeito ressonante provocado pela indutacircncia que provoca um pico no graacutefico da

frequumlecircncia antes dele comeccedilar a decair conforme explicado na subseccedilatildeo 421 Isso implica

na diminuiccedilatildeo da atenuaccedilatildeo do sinal e do atraso No entanto o produto atraso-potecircncia

permanece praticamente invariaacutevel jaacute que a potecircncia total dissipada natildeo se altera

Em relaccedilatildeo agraves interconexotildees de cobre verifica-se que as distorccedilotildees satildeo significativas Agrave

medida que o comprimento aumenta a atenuaccedilatildeo do sinal de saiacuteda aumenta Isso provoca

diminuiccedilatildeo no slew rate do sinal o que natildeo eacute desejado jaacute que o sinal demora mais para

atingir o niacutevel loacutegico alto Aleacutem disso o atraso na propagaccedilatildeo do sinal aumenta bastante

chegando a 388 do periacuteodo do sinal de entrada para a interconexatildeo 500nm1microm

Consequentemente o produto atraso-potecircncia tambeacutem aumenta sendo o dobro do valor de

44

referecircncia (interconexotildees ideais) A Figura 49 ilustra o sinal de saiacuteda da interconexatildeo

500nm1microm de cobre

Figura 49 Sinal de entrada (em verde) e sinal de saiacuteda (em preto) da rede a 100 GHz para

a interconexatildeo 500nm1microm de cobre

Comparando-se as potecircncias das tabelas 47 48 411 413 verifica-se que natildeo haacute

alteraccedilatildeo na potecircncia total dissipada pelo circuito com interconexotildees ideais e pelos

circuitos com interconexotildees natildeo-ideais para uma mesma frequecircncia Assim eacute importante

destacar que a dissipaccedilatildeo de potecircncia das interconexotildees de SWCNT bundle e de cobre natildeo

interfere na potecircncia total dissipada pelo circuito

443 Consideraccedilotildees Finais

Apoacutes analisar as interconexotildees locais de SWCNT de SWCNT bundle e de cobre

verificou-se que as interconexotildees de SWCNT bundle possuem desempenho comparaacutevel ao

das interconexotildees de cobre Em relaccedilatildeo agraves interconexotildees intermediaacuterias as de SWCNT

bundle apresentam desempenho superior agraves de cobre Jaacute as interconexotildees de SWCNT

isolado tanto para interconexotildees locais como para interconexotildees intermediaacuterias

apresentam desempenho inferior agraves interconexotildees de SWCNT bundle e de cobre natildeo

sendo propiacutecias a serem utilizadas em interconexotildees de circuitos integrados

Na anaacutelise das interconexotildees natildeo-ideais na rede H-tree clock mono-eleacutetron para a

frequecircncia de 10GHz observou-se que o niacutevel loacutegico baixo o niacutevel loacutegico alto o tempo de

subida o slew rate de subida a atenuaccedilatildeo do sinal e a potecircncia total dissipada por cada

porta inversora permanecem os mesmos em relaccedilatildeo agrave interconexatildeo ideal mostrando que

45

para esta frequecircncia as interconexotildees natildeo-ideais natildeo interferem nestes paracircmetros Jaacute o

atraso na propagaccedilatildeo do sinal no caso do cobre aumenta agrave medida que as interconexotildees

aumentam de comprimento aumentando tambeacutem o produto atraso-potecircncia No entanto

estes paracircmetros natildeo satildeo afetados pelas interconexotildees de SWCNT bundle indicando que

este material se sobressai em relaccedilatildeo ao cobre

Jaacute para a rede H-tree clock mono-eleacutetron a 100GHz observou-se que o circuito com

interconexotildees natildeo-ideais afetou bastante os paracircmetros em anaacutelise se comparados aos

obtidos para interconexotildees ideais Verificou-se que as distorccedilotildees provocadas pelas

interconexotildees de cobre foram significativas indicando que as interconexotildees de SWCNT

bundle possuem melhor desempenho que as de cobre

Assim constata-se que as interconexotildees de SWCNT bundle satildeo fortes candidatas a

substituirem as interconexotildees de cobre em circuitos em escala giga (GSI) e tera (TSI)

46

5 CONCLUSOtildeES

Nesta dissertaccedilatildeo o estudo das interconexotildees de SWCNT de SWCNT bundle e de cobre

foi realizado analisando e comparando os seus desempenhos para diferentes

comprimentos A partir desse estudo verificou-se que as interconexotildees de SWCNT bundle

possui desempenho comparaacutevel ao das interconexotildees de cobre no caso de interconexotildees

locais Em relaccedilatildeo agraves interconexotildees intermediaacuterias as de SWCNT bundle apresentam

desempenho superior agraves de cobre

As interconexotildees de SWCNT bundle e as interconexotildees de cobre foram entatildeo simuladas na

rede H-tree clock de dois niacuteveis para diferentes comprimentos e frequecircncias Nos pontos

de destino final da rede foram colocadas portas inversoras formadas por SETs permitindo

a anaacutelise de circuitos nanoeletrocircnicos

A partir da anaacutelise da rede H-tree clock observou-se que as interconexotildees de SWCNT

bundle possuem desempenho melhor que as de cobre principalmente em relaccedilatildeo ao slew

rate agrave atenuaccedilatildeo ao tempo de atraso e ao produto atraso-potecircncia Aleacutem disso a

dissipaccedilatildeo de potecircncia das interconexotildees natildeo-ideais natildeo interferem na potecircncia total

dissipada pelo circuito Assim as interconexotildees de SWCNT bundle satildeo fortes candidatas a

substituirem as interconexotildees de cobre em circuitos em escala giga (GSI) e tera (TSI)

Como perspectivas futuras eacute importante analisar o efeito das interconexotildees de nanotubo de

carbono em circuitos GSI e TSI com outras arquiteturas A anaacutelise das interconexotildees de

CNT tambeacutem deve ser feita em circuitos com tecnologia MOS permitindo a comparaccedilatildeo

entre diferentes tecnologias Aleacutem disso eacute interessante estudar outros tipos de materiais

que possam ser utilizados como interconexotildees em circuitos integrados

47

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53

7 APEcircNDICES

71 TABELAS COMPLEMENTARES

Tabela 71 Paracircmetros obtidos a partir do modelo de SWCNT isolado

L RQ (Ω) RS (Ω) LCNT (10-9

H) CCNT (10-18

F)

10 nm 645103 - 40010

-2 27910

-1

100 nm 645103 - 40010

-1 279

200 nm 645103 - 80010

-1 558

300 nm 645103 - 120 837

400 nm 645103 - 160 11210

1

500 nm 645103 - 200 14010

1

600 nm 645103 - 240 16710

1

700 nm 645103 - 280 19510

1

800 nm 645103 - 320 22310

1

900 nm 645103 - 360 25110

1

1 microm 645103 - 400 27910

1

10 microm 645103 64510

4 40010

1 27910

2

100 microm 645103 64510

5 40010

2 27910

3

200 microm 645103 12910

6 80010

2 55810

3

300 microm 645103 19410

6 12010

3 83710

3

400 microm

645103 25810

6 16010

3 11210

4

500 microm

645103 32310

6 20010

3 14010

4

Tabela 72 Paracircmetros obtidos a partir do modelo de SWCNT bundle

L RQ (Ω) RS (Ω) LBundle(10-9

H) CBundle(10-18

F)

10 nm 1075 - 66710-5

135

100 nm 1075 - 66710-4

135101

200 nm 1075 - 13310-3

270101

300 nm 1075 - 20010-3

405101

400 nm 1075 - 26710-3

540101

500 nm 1075 - 33310-3

675101

600 nm 1075 - 40010-3

810101

700 nm 1075 - 46710-3

945101

800 nm 1075 - 53310-3

108102

900 nm 1075 - 60010-3

122102

1 microm 1075 - 66710-3

135102

10 microm 1075 108102 66710

-2 13510

3

100 microm 1075 108103 66710

-1 13510

4

200 microm 1075 215103 133 27010

4

300 microm 1075 323103 200 40510

4

400 microm

1075 430103 267 54010

4

500 microm

1075 538103 333 67510

4

54

Tabela 73 Paracircmetros obtidos a partir do modelo de cobre

L RCu (Ω) LCu (10-9

H) CCu (10-18

F)

10 nm 06 37310-6

150

100 nm 60 63610-5

150101

200 nm 120 17510-4

300101

300 nm 180 30910-4

450101

400 nm 240 45410-4

600101

500 nm 300 61110-4

750101

600 nm 360 77510-4

900101

700 nm 420 94610-4

105102

800 nm 480 11210-3

120102

900 nm 540 13110-3

135102

1 microm 600 14910-3

150102

10 microm 60102 24010

-2 15010

3

100 microm 60103 33210

-1 15010

4

200 microm 12104 72010

-1 30010

4

300 microm 18104 113 45010

4

400 microm

24104 155 60010

4

500 microm

30104 198 75010

4

55

Tabela 74 Frequecircncia em -3dB das interconexotildees locais

Comprimento Material f-3dB

10 nm SWCNT isolado 253 GHz

SWCNT bundle 66 THz

Cobre 232 THz

100 nm SWCNT isolado 300 GHz

SWCNT bundle 20 THz

Cobre 51 THz

200 nm SWCNT isolado 342 GHz

SWCNT bundle 14 THz

Cobre 29 THz

300 nm SWCNT isolado 344 GHz

SWCNT bundle 11 THz

Cobre 20 THz

400 nm SWCNT isolado 329 GHz

SWCNT bundle 89 THz

Cobre 15 THz

500 nm SWCNT isolado 307 GHz

SWCNT bundle 76 THz

Cobre 12 THz

600 nm SWCNT isolado 288 GHz

SWCNT bundle 67 THz

Cobre 94 THz

700 nm SWCNT isolado 271 GHz

SWCNT bundle 61 THz

Cobre 76 THz

800 nm SWCNT isolado 255 GHz

SWCNT bundle 55 THz

Cobre 63 THz

900 nm SWCNT isolado 240 GHz

SWCNT bundle 51 THz

Cobre 52 THz

1 microm SWCNT isolado 230 GHz

SWCNT bundle 47 THz

Cobre 42 THz

56

Tabela 75 Frequecircncia em -3dB das interconexotildees intermediaacuterias

Comprimento Material f-3dB

10 microm SWCNT isolado 26 GHz

SWCNT bundle 527 GHz

Cobre 34 GHz

100 microm SWCNT isolado 32 MHz

SWCNT bundle 42 GHz

Cobre 345 MHz

200 microm SWCNT isolado 82 MHz

SWCNT bundle 10 GHz

Cobre 87 MHz

300 microm SWCNT isolado 36 MHz

SWCNT bundle 455 MHz

Cobre 38 MHz

400 microm SWCNT isolado 21 MHz

SWCNT bundle 256 MHz

Cobre 21 MHz

500 microm SWCNT isolado 13 MHz

SWCNT bundle 165 MHz

Cobre 14 MHz

57

8 ANEXOS

81 COacuteDIGO SPICE DO SET [44]

Transistor mono-eleacutetron (SET) conexotildees fonte | dreno | | porta1 | | | porta2 | | | | SUBCKT SET 1 2 3 4 PARAMS +C1=1E-20 Capacitacircncia da junccedilatildeo 1 +C2=1E-20 Capacitacircncia da junccedilatildeo 2 +R1=1E5 Resistecircncia da junccedilatildeo 1 +R2=1E5 Resistecircncia da junccedilatildeo 2 +Cg1=015E-18 Capacitacircncia da junccedilatildeo 1 +Cg2=0 Capacitacircncia da junccedilatildeo 2 +C0=0 Capacitacircncia proacutepria da ilha +Q0=005 Carga offset em unidades de e +TEMP=300 Temperatura PARAM E=160217733E-19 Carga do eleacutetron (e) PARAM CSUM=C1+C2+Cg1+Cg2+C0 Capacitacircncia total do SET PARAM T=TEMPCSUM53785467E14 Temperatura normalizada 53785467E14 = kBe^2 PARAM RN1=R1(R1+R2) Resistecircncia da junccedilatildeo 1 normalizada PARAM RN2=R2(R1+R2) Resistecircncia da junccedilatildeo 2 normalizada FUNC Q(v1v2v3v4) (Cg1v3+Cg2v4+C1v1+C2v2)E+Q0 Definiccedilatildeo da carga em unidades de e FUNC VN(v) CSUMvE Tensatildeo normalizada FUNC GAMMA(u) IF(T==0IF(ult0-u0)IF(u==0Tu(EXP(uT)-1))) FUNC N_OPT(v1v2v3v4) ROUND(-Q(v1v2v3v4)+(CSUME) (v1RN2+v2RN1)) A maior probabilidade de carga na ilha em unidades de e Os quarto eventos tuacuteneis FUNC R1L(nv1v2v3v4) GAMMA(05 - n - Q(v1v2v3v4) + VN(v1))RN1 FUNC R1R(nv1v2v3v4) GAMMA(05 + n + Q(v1v2v3v4) - VN(v1))RN1 FUNC R2L(nv1v2v3v4) GAMMA(05 + n + Q(v1v2v3v4) - VN(v2))RN2 FUNC R2R(nv1v2v3v4) GAMMA(05 - n - Q(v1v2v3v4) + VN(v2))RN2

58

determinaccedilatildeo das probabilidades relativas assume-se inicialmente que o estado da carga N_OPT tem probabilidade relativa igual a um FUNC PN_1(nv1v2v3v4) (R1L(nv1v2v3v4)+R2R(nv1v2v3v4))(R1R(n-1v1v2v3v4)+R2L(n-1v1v2v3v4)) FUNC PN_2(nv1v2v3v4) PN_1(nv1v2v3v4) +(R1L(n-1v1v2v3v4)+R2R(n-1v1v2v3v4))(R1R(n-2v1v2v3v4)+R2L(n-2v1v2v3v4)) FUNC PN_3(nv1v2v3v4) PN_2(nv1v2v3v4) +(R1L(n-2v1v2v3v4)+R2R(n-2v1v2v3v4))(R1R(n-3v1v2v3v4)+R2L(n-3v1v2v3v4)) FUNC PN_4(nv1v2v3v4) PN_3(nv1v2v3v4) +(R1L(n-3v1v2v3v4)+R2R(n-3v1v2v3v4))(R1R(n-4v1v2v3v4)+R2L(n-4v1v2v3v4)) FUNC PN_5(nv1v2v3v4) PN_4(nv1v2v3v4) +(R1L(n-4v1v2v3v4)+R2R(n-4v1v2v3v4))(R1R(n-5v1v2v3v4)+R2L(n-5v1v2v3v4)) FUNC PN1(nv1v2v3v4) (R2L(nv1v2v3v4) +R1R(nv1v2v3v4))(R2R(n+1v1v2v3v4)+R1L(n+1v1v2v3v4)) FUNC PN2(nv1v2v3v4) PN1(nv1v2v3v4) +(R2L(n+1v1v2v3v4)+R1R(n+1v1v2v3v4))(R2R(n+2v1v2v3v4)+R1L(n+2v1v2v3v4)) FUNC PN3(nv1v2v3v4) PN2(nv1v2v3v4) +(R2L(n+2v1v2v3v4)+R1R(n+2v1v2v3v4))(R2R(n+3v1v2v3v4)+R1L(n+3v1v2v3v4)) FUNC PN4(nv1v2v3v4) PN3(nv1v2v3v4) +(R2L(n+3v1v2v3v4)+R1R(n+3v1v2v3v4))(R2R(n+4v1v2v3v4)+R1L(n+4v1v2v3v4)) FUNC PN5(nv1v2v3v4) PN4(nv1v2v3v4) +(R2L(n+4v1v2v3v4)+R1R(n+4v1v2v3v4))(R2R(n+5v1v2v3v4)+R1L(n+5v1v2v3v4)) FUNC PSUM(nv1v2v3v4) PN_5(nv1v2v3v4)+PN_4(nv1v2v3v4)+PN_3(nv1v2v3v4)+PN_2(nv1v2v3v4) ++PN_1(nv1v2v3v4)+1+PN1(nv1v2v3v4)+PN2(nv1v2v3v4)+PN3(nv1v2v3v4) ++PN4(nv1v2v3v4)+PN5(nv1v2v3v4)

59

caacutelculo da corrente da fonte para o dreno FUNC CUR(nv1v2v3v4) PN_5(nv1v2v3v4)(R1R(n-5v1v2v3v4)-R1L(n-5v1v2v3v4)) ++PN_4(nv1v2v3v4)(R1R(n-4v1v2v3v4)-R1L(n-4v1v2v3v4)) ++PN_3(nv1v2v3v4)(R1R(n-3v1v2v3v4)-R1L(n-3v1v2v3v4)) ++PN_2(nv1v2v3v4)(R1R(n-2v1v2v3v4)-R1L(n-2v1v2v3v4)) ++PN_1(nv1v2v3v4)(R1R(n-1v1v2v3v4)-R1L(n-1v1v2v3v4)) ++(R1R(nv1v2v3v4)-R1L(nv1v2v3v4)) ++PN1(nv1v2v3v4)(R1R(n+1v1v2v3v4)-R1L(n+1v1v2v3v4)) ++PN2(nv1v2v3v4)(R1R(n+2v1v2v3v4)-R1L(n+2v1v2v3v4)) ++PN3(nv1v2v3v4)(R1R(n+3v1v2v3v4)-R1L(n+3v1v2v3v4)) ++PN4(nv1v2v3v4)(R1R(n+4v1v2v3v4)-R1L(n+4v1v2v3v4)) ++PN5(nv1v2v3v4)(R1R(n+5v1v2v3v4)-R1L(n+5v1v2v3v4)) FUNC CURRENT(nv1v2v3v4) ECUR(nv1v2v3v4)(CSUMPSUM(nv1v2v3v4)(R1+R2)) caacutelculo da tensatildeo da ilha FUNC VOLT(nv1v2v3v4) PN_5(nv1v2v3v4)(n-5+Q(v1v2v3v4)) ++PN_4(nv1v2v3v4)(n-4+Q(v1v2v3v4)) ++PN_3(nv1v2v3v4)(n-3+Q(v1v2v3v4)) ++PN_2(nv1v2v3v4)(n-2+Q(v1v2v3v4)) ++PN_1(nv1v2v3v4)(n-1+Q(v1v2v3v4)) ++n+Q(v1v2v3v4) ++PN1(nv1v2v3v4)(n+1+Q(v1v2v3v4)) ++PN2(nv1v2v3v4)(n+2+Q(v1v2v3v4)) ++PN3(nv1v2v3v4)(n+3+Q(v1v2v3v4)) ++PN4(nv1v2v3v4)(n+4+Q(v1v2v3v4)) ++PN5(nv1v2v3v4)(n+5+Q(v1v2v3v4)) FUNC VOLTAGE(nv1v2v3v4) (ECSUM)VOLT(nv1v2v3v4)PSUM(nv1v2v3v4) E1 5 0 VALUE= VOLTAGE(N_OPT(V(1)V(2)V(3)V(4))V(1)V(2)V(3)V(4)) Tensatildeo da ilha G1 1 2 VALUE= CURRENT(N_OPT(V(1)V(2)V(3)V(4))V(1)V(2)V(3)V(4)) Corrente da fonte para o dreno CT1 1 5 C1 CT2 2 5 C2 CGATE1 3 5 CG1 CGATE2 4 5 CG2 ENDS SET

Page 36: ANÁLISE COMPARATIVA ENTRE ... - repositorio.unb.brrepositorio.unb.br/.../1/2012_CamilaPeixotoSilvaMadeiraNogueira.pdf · Prof. Stefan Michael Blawid, ... Deus colocou esses dois

23

242 Atenuaccedilatildeo

A transmissatildeo de um sinal pode ser expressa em funccedilatildeo do seu ganho ou da sua atenuaccedilatildeo

No caso em estudo as interconexotildees podem atenuar o sinal Essa atenuaccedilatildeo eacute geralmente

calculada pela expressatildeo (227) em que Vo eacute o sinal de saiacuteda e Vi eacute o sinal de entrada [42]

i

o

V

VA log20 (227)

243 Tempo de atraso

O tempo de atraso td ou atraso na propagaccedilatildeo ocorre devido ao

carregamentodescarregamento da capacitacircncia de carga bem como ao tempo de

chaveamento dos transistores [42]

O tempo de atraso eacute obtido pela diferenccedila entre o tempo medido a 50 da transiccedilatildeo dos

sinais de entrada e de saiacuteda [11] Em circuitos loacutegicos o atraso na propagaccedilatildeo pode ser

calculado pela meacutedia aritmeacutetica do tempo de propagaccedilatildeo do sinal de alto para baixo tPHL e

do tempo de propagaccedilatildeo do baixo para alto tPLH conforme equaccedilatildeo (228) [1142]

2

PLHPHLd

ttt

(228)

244 Potecircncia dissipada

A dissipaccedilatildeo de potecircncia eacute outra medida de desempenho bastante importante em circuitos

integrados em escala GSI e TSI Isso ocorre jaacute que ao aumentar o nuacutemero de portas

loacutegicas em uma determinada aacuterea ocupada eacute necessaacuterio que a dissipaccedilatildeo de potecircncia esteja

dentro de limites aceitaacuteveis [1142]

A dissipaccedilatildeo de potecircncia eacute composta por dois componentes potecircncia estaacutetica e potecircncia

dinacircmica A dissipaccedilatildeo de potecircncia estaacutetica eacute dada por IVP DDE e ocorre mesmo que

natildeo haja chaveamento de porta loacutegica no circuito devido ao efeito da resistecircncia do

circuito [42] A dissipaccedilatildeo de potecircncia dinacircmica eacute devido agrave capacitacircncia de carga do

24

circuito expressa por CVfP DDD 2 em que VDD eacute a tensatildeo de alimentaccedilatildeo f eacute

frequumlecircncia do circuito e C eacute a capacitacircncia de carga do circuito [1142] Assim a soma da

potecircncia dinacircmica e da potecircncia estaacutetica resulta na potecircncia total dissipada no circuito

245 Produto atraso-potecircncia

Em circuitos integrados o ideal eacute que se tenha baixo atraso na propagaccedilatildeo resultando em

uma maior velocidade de funcionamento do circuito bem como baixa dissipaccedilatildeo de

potecircncia No entanto essas duas exigecircncias satildeo conflitantes ao reduzirmos a dissipaccedilatildeo de

potecircncia de uma porta a capacidade da porta em fornecer corrente diminuiraacute isso

implicaraacute em um maior tempo de carga e descarga aumentando o atraso na propagaccedilatildeo

Assim o produto atraso-potecircncia (delay power product ndash DP) eacute uma medida de

desempenho bastante utilizada na anaacutelise de circuitos e eacute dado por dD tPDP Quanto

menor o produto atraso-potecircncia maior a eficiecircncia do circuito loacutegico [42]

246 Slew rate

A taxa maacutexima de variaccedilatildeo da tensatildeo de saiacuteda do inglecircs slew rate (SR) eacute uma

caracteriacutestica importante do sinal de saiacuteda de um circuito loacutegico A limitaccedilatildeo na taxa de

variaccedilatildeo pode provocar uma distorccedilatildeo no funcionamento do circuito O SR pode ser

calculado pela expressatildeo (229) em que Δv eacute a variaccedilatildeo da tensatildeo de saiacuteda do sinal para

uma determinada variaccedilatildeo de tempo Δt [42]

t

vSR

(229)

25 LTSPICE

O software LTSPICE eacute um simulador SPICE de alto desempenho orientado a

esquemaacuteticos e visualizador de formas de onda com modelos para facilitar a simulaccedilatildeo de

circuitos eletrocircnicos Se comparado aos outros simuladores SPICE a simulaccedilatildeo do

LTSPICE eacute bastante raacutepida O software consegue simular dispositivos de acordo com o

padratildeo industrial reproduzindo os seus comportamentos [52]

25

O LTSPICE possui vaacuterias possibilidades de simulaccedilatildeo como anaacutelise transiente anaacutelise AC

e anaacutelise DC bem como permite a simulaccedilatildeo de vaacuterios dispositivos disponiacuteveis na sua

biblioteca Aleacutem disso este software possibilita a elaboraccedilatildeo de novos esquemaacuteticos

atraveacutes de um modelo matemaacutetico ou eletrocircnico proposto O novo componente poderaacute ser

utilizado no circuito conforme seraacute feito neste trabalho utilizando-se o modelo SPICE do

SET proposto por G Lientschnig et al[4]

26

3 METODOLOGIA

31 INTRODUCcedilAtildeO

A miniaturizaccedilatildeo das interconexotildees prejudica o seu desempenho resultando no aumento

significativo do valor da resistividade da capacitacircncia de acoplamento entre vias na

dificuldade de controlar a razatildeo entre a altura e a largura do material entre outros

problemas A fim de analisar o desempenho das interconexotildees eacute necessaacuterio verificar

algumas variaacuteveis importantes como velocidade maacutexima (f-3dB) atenuaccedilatildeo (A) tempo de

atraso (td) potecircncia dissipada (P) produto atraso-potecircncia (DP) e slew rate (SR)

[111317202342]

32 ETAPAS E ESTRATEacuteGIAS ADOTADAS

Com o intuito de analisar o efeito das interconexotildees em circuitos com transistores mono-

eleacutetron foi realizada primeiramente a anaacutelise das interconexotildees de SWCNT de SWCNT

bundle e de cobre isoladamente para diferentes valores de comprimento Apoacutes a avaliaccedilatildeo

desses resultados o efeito das interconexotildees foi analisado no H-tree clock com inversores

mono-eleacutetron nos seus terminais tambeacutem considerando diferentes comprimentos Neste

trabalho a tecnologia de 22 nm prevista para o ano de 2016 [21] foi utilizada na

comparaccedilatildeo entre o desempenho do cobre e do CNT Todas as simulaccedilotildees foram realizadas

utilizando o software LTSPICE

321 Simulaccedilatildeo das interconexotildees

A partir dos modelos das interconexotildees de SWCNT SWCNT bundle e cobre apresentados

na subseccedilatildeo 213 diferentes comprimentos das interconexotildees foram simulados Assim

analisou-se as interconexotildees locais em que l le 1 μm e as intermediaacuterias em que 1 μm lt l

le 500 μm sabendo que l eacute o comprimento da interconexatildeo [29-31333638]

A fim de analisar a frequumlecircncia de corte este foi obtido para comprimentos de

interconexotildees locais (10nm 100nm 200nm 300nm 400nm 500nm 600nm 700nm

27

800nm 900nm 1μm) e interconexotildees intermediaacuterias (10μm 100μm 200μm 300μm

400μm 500μm)

Jaacute que λCNT eacute tipicamente 1 μm foram escolhidos trecircs comprimentos na faixa lCNT le λCNT

(10 nm 100 nm e 1 μm) e trecircs comprimentos na faixa lCNT gt λCNT (10 μm 100 μm 500

μm) para serem analisados detalhadamente Escolheu-se uma mesma frequecircncia abaixo da

frequecircncia de corte dos trecircs materiais considerados para analisar e comparar a atenuaccedilatildeo

(A) e o tempo de atraso na propagaccedilatildeo (td) dos diferentes comprimentos

Em seguida o mesmo procedimento foi feito para comparar somente o SWCNT bundle e o

cobre para uma mesma frequecircncia cujo valor eacute maior que a frequecircncia da anaacutelise anterior

permitindo que estes dois materiais sejam analisados detalhadamente

Essas anaacutelises foram realizadas a partir da simulaccedilatildeo do circuito da Figura 31 [2325] A

tensatildeo de entrada Vin eacute uma onda quadrada de 1V de amplitude e o capacitor de carga tem

o valor de 100 aF

Figura 31 ndash Circuito simulado para cada interconexatildeo

A Figura 32 mostra o fluxograma das etapas descritas nesta subseccedilatildeo 321

28

Figura 32 ndash Fluxograma das etapas seguidas na simulaccedilatildeo das interconexotildees

322 Simulaccedilatildeo do inversor mono-eleacutetron

Para utilizar a porta inversora da Figura 215 nos terminais do H-tree clock foi necessaacuterio

primeiramente simular o SET proposto por [4] Essa simulaccedilatildeo foi feita variando os

paracircmetros do SET como as resistecircncias e capacitacircncias das junccedilotildees as capacitacircncias de

porta a temperatura etc Os paracircmetros foram variados ateacute simular o SET a temperatura

de 300K Em seguida simulou-se a inversora da Figura 215 tambeacutem a temperatura

ambiente Dessa forma foi possiacutevel simular a inversora isoladamente obtendo as

caracteriacutesticas do sinal de saiacuteda

323 Simulaccedilatildeo do H-tree clock mono-eleacutetron

Apoacutes a simulaccedilatildeo do SET foi possiacutevel simular o H-tree clock A rede H-tree de dois niacuteveis

foi simulada com um H no primeiro niacutevel e quatro H‟s no segundo niacutevel [49] Nos pontos

de destino final da rede foram colocadas portas inversoras formadas por SETs permitindo

a anaacutelise de circuitos nanoeletrocircnicos

Modelos de SWCNT

SWCNT bundle e cobre

Obtenccedilatildeo dos paracircmetros dos modelos para

interconexotildees locais e interconexotildees intermediaacuterias

Para cada comprimento

obtenccedilatildeo de f-3dB

1ordm) Escolha de frequumlecircncia abaixo

da f-3dB do SWCNT SWCNT

bundle e cobre

2ordm) Escolha de frequumlecircncia abaixo

da f-3dB do SWCNT bundle e

cobre

Obtenccedilatildeo de A e td de

cada modelo

Obtenccedilatildeo de A e td de

cada modelo

Anaacutelise comparativa entre o

SWCNT SWCNT bundle e

cobre

Anaacutelise comparativa entre o

SWCNT bundle e cobre

Estudo de interconexotildees locais (10nm

100nm 1μm) e intermediaacuterias (10μm

100μm 500μm)

29

A partir da simulaccedilatildeo do H-tree clock obteve-se a frequecircncia em -3dB (f-3dB) da rede com

interconexotildees ideais Assim a rede H-tree foi entatildeo simulada para duas frequecircncias

diferentes do sinal de entrada abaixo da frequecircncia de -3dB 10 GHz e 100 GHz Com

essas simulaccedilotildees obtiveram-se as seguintes caracteriacutesticas do sinal de saiacuteda da inversora

niacutevel loacutegico baixo (NB) niacutevel loacutegico alto (NA) tempo de subida (tr) slew rate de subida

(SR) atenuaccedilatildeo (A) tempo de atraso (td) potecircncia dissipada (P) e produto atraso-potecircncia

(DP) As caracteriacutesticas obtidas servem como referecircncia para analisar o sinal considerando

interconexotildees natildeo-ideais ou seja incluindo os modelos das interconexotildees nas simulaccedilotildees

Em seguida a rede H-tree foi simulada considerando-se os modelos das interconexotildees de

SWCNT bundle e de cobre variando os seus comprimentos Como cada H da rede de

distribuiccedilatildeo deve ser simeacutetrico considerou-se que cada divisatildeo do H tem o mesmo

comprimento para cada niacutevel da rede [11] A Figura 33 mostra o comprimento dos

diferentes trechos da rede Assim o comprimento de cada divisatildeo dos H‟s do segundo

niacutevel eacute a metade do comprimento de cada divisatildeo do H do primeiro niacutevel Jaacute que o objetivo

eacute simular circuitos em escala nanomeacutetrica escolheu-se trecircs variaccedilotildees de comprimento

menores ou iguais a 1μm

l = 100 nm l2 = 50 nm

l = 400 nm l2 = 200 nm

l = 1 μm l2 = 500 nm

Figura 33 ndash Esquemaacutetico do H-tree clock com os comprimentos de cada seguimento

Dessa forma cada um dos trecircs circuitos foi simulado obtendo-se a frequecircncia em -3dB na

entrada das portas inversoras Em seguida as trecircs redes foram simuladas para as mesmas

30

duas frequumlecircncias do sinal de entrada (10 GHz e 100 GHz) de forma a obter as

caracteriacutesticas do sinal de saiacuteda descritas anteriormente considerando agora o efeito das

interconexotildees

Por fim a partir dos dados obtidos foram realizadas comparaccedilotildees entre as caracteriacutesticas

do sinal de saiacuteda de referecircncia (interconexotildees ideais) e o sinal de saiacuteda dos circuitos com as

interconexotildees natildeo-ideais bem como entre o comportamento das interconexotildees de SWCNT

bundle e de cobre nas diferentes frequecircncias

A Figura 34 mostra o fluxograma das etapas descritas nas subseccedilotildees 322 e 323

Figura 34 ndash Fluxograma das etapas seguidas na simulaccedilatildeo do H-tree clock

H-tree clock mono-eleacutetron

Simulaccedilatildeo do H-tree clock com

interconexotildees ideais Obtenccedilatildeo de f-3dB

da inversora

Simulaccedilatildeo do H-tree clock com

interconexotildees natildeo-ideais para os seguintes

comprimentos

l = 100 nm l2 = 50 nm

l = 400 nm l2 = 200 nm

l = 1 μm l2 = 500 nm

Validaccedilatildeo do SET e do

inversor mono-eleacutetron a

300K

Sinal de entrada a

10 GHz

Sinal de entrada a

100 GHz

Obtenccedilatildeo de NB

NA tr SR A td P e

DP do sinal de saiacuteda

da inversora

Obtenccedilatildeo de NB

NA tr SR A td P e

DP do sinal de saiacuteda

da inversora

Sinal de entrada a

10 GHz

Sinal de entrada a

100 GHz

Obtenccedilatildeo de NB

NA tr SR A td P e

DP do sinal de saiacuteda

da inversora

Obtenccedilatildeo de NB

NA tr SR A td P e

DP do sinal de saiacuteda

da inversora

Anaacutelise comparativa

dos dados obtidos

31

4 RESULTADOS E ANAacuteLISES

41 INTRODUCcedilAtildeO

Neste capiacutetulo seratildeo apresentados os procedimentos adotados e os resultados obtidos na

simulaccedilatildeo das interconexotildees SWCNT SWCNT bundle e cobre As etapas descritas na

metodologia foram seguidas obtendo-se os resultados das simulaccedilotildees das interconexotildees e

das simulaccedilotildees do H-tree clock mono-eleacutetron para interconexotildees ideais e natildeo-ideais A

partir dos resultados a anaacutelise do desempenho das interconexotildees seraacute apresentada

42 ANAacuteLISE DAS INTERCONEXOtildeES

Nesta seccedilatildeo a anaacutelise das interconexotildees de SWCNT SWCNT bundle e cobre na

tecnologia de 22 nm para diferentes comprimentos seraacute realizada Para isso analisou-se

as interconexotildees locais em que l le 1 μm e as intermediaacuterias em que 1 μm lt l le 500 μm

sabendo que l eacute o comprimento da interconexatildeo [29-31333638] Como λCNT eacute

tipicamente 1 μm trecircs comprimentos na faixa lCNT le λCNT (10 nm 100 nm e 1 μm) e trecircs

comprimentos na faixa lCNT gt λCNT (10 μm 100 μm 500 μm) de cada material seratildeo

analisados detalhadamente Os paracircmetros obtidos a partir dos modelos de SWCNT

SWCNT bundle e cobre estatildeo respectivamente nas Tabelas 71 72 e 73 do Apecircndice

421 Interconexotildees locais

Primeiramente a partir da simulaccedilatildeo da Figura 31 obteve-se a frequecircncia em -3dB (f-3dB)

das interconexotildees locais (lCNT le λCNT ) isto eacute a sua banda passante de forma a verificar a

velocidade maacutexima que cada interconexatildeo suporta A Figura 41 ilustra o comportamento

da frequecircncia das interconexotildees locais para os diferentes comprimentos Como o SWCNT

isolado possui valores de frequecircncia na faixa de centenas de giga Hertz ou seja menos de

um tera Hertz os valores de suas frequecircncias tambeacutem podem ser visualisados na Tabela

74 do Apecircndice

Verifica-se que agrave medida que o comprimento da interconexatildeo aumenta a frequecircncia

diminui Isso ocorre jaacute que os valores da capacitacircncia e indutacircncia aumentam com o

aumento do comprimento da interconexatildeo Esses paracircmetros satildeo decisivos no sinal de

32

saiacuteda sendo o sinal mais distorcido quanto maior for o valor desses paracircmetros Observa-

se que o SWCNT bundle e o cobre possuem banda passante maiores que o SWCNT

isolado para qualquer comprimento Aleacutem disso o SWCNT bundle soacute possui uma banda

passante comparaacutevel ao do cobre para comprimentos acima de 700 nm

Frequecircncia X Comprimento

0

10

20

30

40

50

60

100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

Comprimento (nm)

f -3d

B (

TH

z)

SWCNT Isolado

SWCNT bundle

Cobre

Figura 41 ndash Frequumlecircncia versus comprimento das interconexotildees locais

As interconexotildees locais de 10 nm 100 nm e 1 μm de comprimento foram analisadas

detalhadamente A Tabela 41 mostra a frequecircncia em -3dB de cada material para os

comprimentos em anaacutelise

Tabela 41 Frequecircncia em -3dB de cada material para lCNT le λCNT

Interconexatildeo Local Comprimento (L) Material f-3dB

SWCNT isolado 253 GHz

10nm SWCNT bundle 66 THz

Cobre 232 THz

SWCNT isolado 300 GHz

lCNT le λCNT 100nm SWCNT bundle 20 THz

Cobre 51 THz

SWCNT isolado 230 GHz

1microm SWCNT bundle 47 THz

Cobre 42 THz

Assim escolheu-se uma mesma frequecircncia abaixo da frequecircncia de corte dos trecircs

materiais considerados para analisar e comparar a atenuaccedilatildeo (A) e o tempo de atraso na

propagaccedilatildeo (td) dos trecircs comprimentos Isso permite verificar o comportamento do sinal na

banda passante A Tabela 42 mostra esse estudo comparativo entre o SWCNT isolado

SWCNT bundle e cobre agrave frequecircncia de 200 GHz

33

Tabela 42 Estudo das interconexotildees com comprimentos na faixa lCNT le λCNT

Freq L Material A (dB) td (ps)

SWCNT isolado -210 046

10nm SWCNT bundle 001 000

Cobre 000 000

SWCNT isolado -155 051

200 GHz 100nm SWCNT bundle 001 000

Cobre 001 000

SWCNT isolado -039 107

1microm SWCNT bundle 006 001

Cobre 000 007

A partir da anaacutelise da Tabela 42 eacute possiacutevel observar agrave frequumlecircncia de 200 GHz a

atenuaccedilatildeo do sinal e o atraso do SWCNT isolado Nessa frequumlecircncia o atraso do SWCNT

isolado eacute significativo em relaccedilatildeo ao periacuteodo do sinal que eacute 5ps jaacute que o menor atraso

(para l = 10nm) eacute aproximadamente 10 do periacuteodo do sinal de entrada No entanto para

esta mesma frequumlecircncia observa-se que a atenuaccedilatildeo e o atraso do SWCNT bundle e do

cobre satildeo insignificantes Isto indica que estes dois materiais possuem melhor

desempenho sendo favoraacuteveis para serem utilizados em interconexotildees locais

Dessa forma para analisar melhor a atenuaccedilatildeo e o tempo de atraso do SWCNT bundle e do

cobre o mesmo procedimento foi feito comparando-se somente estes dois materiais para

uma mesma frequecircncia de 1 THz A Tabela 43 mostra esse estudo comparativo entre o

SWCNT bundle e cobre

Tabela 43 Estudo das interconexotildees SWCNT bundle e cobre com comprimentos na faixa

lCNT le λCNT

Freq L Material A (dB) td (fs)

10nm SWCNT bundle 001 113

Cobre 000 022

1 THz 100nm SWCNT bundle 006 136

Cobre 001 240

1microm SWCNT bundle 145 647

Cobre -013 5623

Analisando a Tabela 43 observa-se que agrave frequumlecircncia de 1 THz a atenuaccedilatildeo do sinal e o

atraso aumentam agrave medida que o comprimento das interconexotildees aumentam A partir do

comprimento de 100nm o tempo de atraso da interconexatildeo de cobre eacute maior que o do

SWCNT bundle cujo maior valor de atraso (para l = 1microm) natildeo chega a 1 do periacuteodo do

34

sinal de entrada (1ps) Isso mostra que apesar de a banda passante do cobre ser maior o

atraso do SWCNT bundle eacute menor Dessa forma para as interconexotildees locais o SWCNT

bundle possui desempenho comparaacutevel ao do cobre [13]

Em relaccedilatildeo agrave atenuaccedilatildeo verifica-se que para alguns comprimentos este tem valor

positivo Isso ocorre principalmente quando haacute um pico no graacutefico da frequumlecircncia antes dele

comeccedilar a decair Esse pico eacute devido ao efeito ressonante provocado pela indutacircncia

quando este possui valor comparaacutevel agrave resistecircncia e agrave capacitacircncia da interconexatildeo [53]

Assim esse efeito ressonante foi observado somente nas interconexotildees locais de SWCNT

bundle e de cobre A Figura 42 ilustra o graacutefico da magnitude pela frequumlecircncia do SWCNT

isolado SWCNT bundle e cobre para o comprimento de 100nm Observa-se o efeito

ressonante nos graacuteficos do SWCNT bundle e do cobre

Figura 42 ndash Graacuteficos da magnitude das interconexotildees de SWCNT isolado (superior)

SWCNT bundle (meio) e cobre (inferior) com comprimento de 100nm

35

422 Interconexotildees intermediaacuterias

Assim como para as interconexotildees locais obteve-se a frequecircncia em -3dB (f-3dB) das

interconexotildees intermediaacuterias (lCNT gt λCNT) de forma a verificar a velocidade maacutexima que

cada interconexatildeo suporta A Figura 43 ilustra o comportamento da frequecircncia das

interconexotildees intermediaacuterias para os diferentes comprimentos Os valores das frequecircncias

de cada interconexatildeo tambeacutem podem ser visualisados na Tabela 75 do Apecircndice

Como nas interconexotildees locais agrave medida que o comprimento da interconexatildeo aumenta a

frequecircncia diminui Aleacutem disso o SWCNT bundle e o cobre possuem desempenho melhor

que o do SWCNT isolado para qualquer comprimento No entanto para interconexotildees

intermediaacuterias o SWCNT bundle possui banda passante maior que a do cobre para

qualquer comprimento

Frequecircncia X Comprimento

00

05

10

15

20

25

30

35

40

45

100 200 300 400 500

Comprimento (μm)

f -3d

B (

GH

z)

SWCNT isolado

SWCNT bundle

Cobre

Figura 43 ndash Frequumlecircncia versus comprimento das interconexotildees intermediaacuterias

As interconexotildees intermediaacuterias de 10 μm 100 μm e 500 μm de comprimento foram entatildeo

analisadas detalhadamente A Tabela 44 mostra a frequecircncia em -3dB de cada materal

para os diferentes comprimentos em anaacutelise

36

Tabela 44 Frequecircncia em -3dB de cada material para lCNT gt λCNT

Interconexatildeo

Intermediaacuteria

Comprimento (L) Material f-3dB

SWCNT isolado 26 GHz

10 microm SWCNT bundle 527 GHz

Cobre 34 GHz

SWCNT isolado 32 MHz

lCNT gt λCNT 100 microm SWCNT bundle 42 GHz

Cobre 345 MHz

SWCNT isolado 13 MHz

500 microm SWCNT bundle 165 MHz

Cobre 14 MHz

Escolheu-se a frequecircncia de 1 MHz que estaacute abaixo da frequecircncia de corte dos trecircs

materiais considerados para analisar e comparar a atenuaccedilatildeo (A) e o tempo de atraso na

propagaccedilatildeo (td) dos trecircs comprimentos A Tabela 45 mostra esse estudo comparativo entre

o SWCNT isolado SWCNT bundle e cobre

Tabela 45 Estudo das interconexotildees com comprimentos na faixa lCNT gt λCNT

Freq L Material A (dB) td (ns)

SWCNT isolado -002 008

10 microm SWCNT bundle 000 000

Cobre 000 000

SWCNT isolado -003 559

1 MHz 100 microm SWCNT bundle -001 005

Cobre -004 056

SWCNT isolado -198 10217

500 microm SWCNT bundle 000 110

Cobre -003 1301

Com base na Tabela 45 observa-se que a atenuaccedilatildeo e o tempo de atraso do SWCNT

isolado aumentam com o aumento do comprimento da interconexatildeo Nessa frequumlecircncia o

atraso na propagaccedilatildeo do SWCNT isolado eacute significativo em relaccedilatildeo ao periacuteodo do sinal de

entrada que eacute 1micros chegando a mais de 10 deste periacuteodo para o comprimento de 500microm

Verifica-se tambeacutem o aumento do tempo de atraso da interconexatildeo de cobre sendo 13

do periacuteodo do sinal de entrada para o comprimento de 500microm

Para analisar melhor a atenuaccedilatildeo e o tempo de atraso do SWCNT bundle e do cobre o

mesmo procedimento foi feito comparando-se somente estes dois materiais para uma

37

mesma frequecircncia de 10 MHz A Tabela 46 mostra esse estudo comparativo entre o

SWCNT bundle e cobre

Tabela 46 Estudo das interconexotildees SWCNT bundle e cobre com comprimentos na faixa

lCNT gt λCNT

Freq L Material A (dB) td (ns)

10 microm SWCNT bundle 000 000

Cobre 000 000

10 MHz 100 microm SWCNT bundle -001 005

Cobre -004 054

500 microm SWCNT bundle -004 107

Cobre -185 1024

Analisando a Tabela 46 observa-se que agrave medida que o comprimento das interconexotildees

aumenta a atenuaccedilatildeo e o atraso do sinal da interconexatildeo de cobre tornam-se significativos

O atraso na propagaccedilatildeo da interconexatildeo de cobre para l = 500microm chega a 10 do periacuteodo

do sinal de entrada (100ns) Jaacute o SWCNT bundle apresenta valores insignificantes de

atenuaccedilatildeo e atraso na propagaccedilatildeo Assim para as interconexotildees intermediaacuterias o SWCNT

bundle possui desempenho superior ao do cobre

43 SIMULACcedilAtildeO DO INVERSOR MONO-ELEacuteTRON

O modelo SPICE do SET proposto por G Lientschnig et al [444] foi simulado no

LTSPICE A partir da equaccedilatildeo (226) foi possiacutevel aumentar a temperatura do SET ateacute

chegar a 300K Assim o esquemaacutetico do SET e os valores de seus paracircmetros para que o

SET opere a 300K estatildeo na Figura 44 No anexo deste trabalho (subseccedilatildeo 81) encontra-

se o coacutedigo SET que foi utilizado [44] Os paracircmetros R1 C1 e R2 C2 correspondem agraves

resistecircncias e capacitacircncias das junccedilotildees-tuacutenel Cg eacute a capacitacircncia de porta (Cg1 no coacutedigo

SET) Vg eacute a tensatildeo de porta e V eacute a tensatildeo de entrada

Figura 44 Esquemaacutetico do SET e os valores de seus paracircmetros

38

A partir destes valores o inversor mono-eleacutetron foi construiacutedo colocando-se dois SETs em

seacuterie os quais compartilham da mesma entrada A Figura 45 ilustra o esquemaacutetico do

inversor mono-eleacutetron juntamente com os valores de seus paracircmetros fixos em que Vin eacute a

tensatildeo de entrada Vout eacute a tensatildeo de saiacuteda Vbias eacute a tensatildeo de polarizaccedilatildeo Cc eacute a

capacitacircncia de carga Cg1 e Cg2 satildeo as capacitacircncias de porta do SET 1 e do SET 2

respectivamente

Figura 45 Esquemaacutetico do inversor mono-eleacutetron e os valores de seus paracircmetros

(modificado de [4])

Assim apoacutes simular o inversor mono-eleacutetron a 300K obteve-se o sinal de saiacuteda mostrado

na Figura 46 Como o inversor estaacute invertendo o sinal de entrada de valor loacutegico baixo em

um sinal de saiacuteda de valor loacutegico alto ele estaacute operando corretamente

Figura 46 Curva do sinal de entrada (em verde) e do sinal de saiacuteda (em preto) do inversor

mono-eleacutetron

39

44 ANAacuteLISE DAS INTERCONEXOtildeES NO H-TREE CLOCK MONO-ELEacuteTRON

Nesta seccedilatildeo a rede H-tree clock de dois niacuteveis foi simulada com portas inversoras mono-

eleacutetron nos pontos de destino final da rede permitindo a anaacutelise de circuitos

nanoeletrocircnicos Simulou-se a rede H-tree considerando interconexotildees ideais para as

frequecircncias de 10 GHz e 100 GHz no sinal de entrada Em seguida para as mesmas duas

frequecircncias considerou-se interconexotildees natildeo-ideais de diferentes comprimentos

analisando a rede com os modelos de interconexatildeo SWCNT bundle e cobre Trecircs redes

com comprimentos de interconexotildees diferentes foram analisadas

l = 100 nm l2 = 50 nm

l = 400 nm l2 = 200 nm

l = 1 μm l2 = 500 nm

441 Anaacutelise da rede com interconexotildees ideais

A partir da simulaccedilatildeo do H-tree clock a frequecircncia em -3dB (f-3dB) da rede com

interconexotildees ideais foi obtida Na saiacuteda de cada porta inversora a banda passante do sinal

eacute 3200 GHz Dessa forma duas frequecircncias abaixo de 3200 GHz foram escolhidas para

analisar o sinal de saiacuteda da inversora em condiccedilotildees ideais As frequecircncias de 10 GHz e

100 GHz seratildeo analisadas obtendo-se as seguintes caracteriacutesticas do sinal de saiacuteda da

inversora niacutevel loacutegico baixo (NB) niacutevel loacutegico alto (NA) tempo de subida (tr) slew rate

de subida (SR) atenuaccedilatildeo (A) e tempo de atraso (td) A Tabela 47 mostra os valores

obtidos para as duas frequecircncias em anaacutelise

Tabela 47 Caracteriacutesticas dos sinais de saiacuteda da rede para interconexotildees ideais

Freq NB(mV) NA(mV) tr (ps) SR(Vns) A(dB) td (ps)

10 GHz 675 4518 356 8636 -264 412

100 GHz 678 4279 317 9088 -269 189

Os caacutelculos da potecircncia estaacutetica ( IVP DDE ) potecircncia dinacircmica ( CVfP DDD 2 ) e

potecircncia total ( DE PPP ) dissipada por cada porta inversora foram realizados bem

como o produto atraso-potecircncia (DP) Assim a Tabela 48 mostra os valores obtidos no

40

caacutelculo destes paracircmetros Como a potecircncia estaacutetica independe da frequecircncia do sinal de

entrada o seu valor eacute o mesmo nos dois casos

Tabela 48 Potecircncia dissipada por cada porta inversora para interconexotildees ideais

Frequecircncia PE (nW) PD (nW) P (nW) DP (10-18

Wmiddots)

10 GHz 4838 125 4963 020

100 GHz 4838 125 6088 012

As Tabelas 47 e 48 serviratildeo de referecircncia para as anaacutelises da rede com interconexotildees natildeo-

ideais analisadas na subseccedilatildeo seguinte As Figuras 47 e 48 ilustram o sinal de saiacuteda das

redes com frequecircncias de 10 GHz e de 100 GHz respectivamente Eacute possiacutevel observar que

na frequecircncia de 100 GHz o sinal de saiacuteda jaacute eacute distorcido em relaccedilatildeo ao sinal de referecircncia

(Figura 46)

Figura 47 Sinal de entrada (em verde) e sinal de saiacuteda (em preto) da rede a 10 GHz

Figura 48 Sinal de entrada (em verde) e sinal de saiacuteda (em preto) da rede a 100 GHz

41

442 Anaacutelise da rede com interconexotildees natildeo-ideais

Apoacutes obter as caracteriacutesticas da rede H-tree clock com interconexotildees ideais a anaacutelise da

rede com interconexotildees natildeo-ideais seraacute feita Primeiramente eacute importante verificar a

frequecircncia em -3dB do sinal depois das interconexotildees ou seja na entrada da porta

inversora Caso essa frequecircncia seja menor que a frequecircncia de 3200 GHz obtida com

interconexotildees ideais entatildeo a interconexatildeo afetaraacute o comportamento da rede A Tabela 49

mostra a frequecircncia em -3dB na entrada da inversora para interconexotildees natildeo-ideais

Tabela 49 Frequecircncia em -3dB na entrada da inversora para interconexotildees natildeo-ideais

Comprimentos (l2 l) Material f-3dB

50nm 100nm SWCNT bundle 122 THz

Cobre 175 THz

200nm 400nm SWCNT bundle 31 THz

Cobre 8606 GHz

500nm 1microm SWCNT bundle 12 THz

Cobre 1268 GHz

Assim verifica-se que a interconexatildeo de cobre da rede 500nm1microm possui frequecircncia em

-3dB abaixo da frequecircncia do circuito com interconexatildeo ideal (3200 GHz) Isso indica que

esta interconexatildeo interfere significativamente no comportamento da rede A Tabela 49

mostra tambeacutem que a banda passante da interconexatildeo de cobre soacute eacute maior que a da

interconexatildeo de SWCNT bundle no primeiro caso na rede de 50nm100nm o que mostra

uma vantagem do SWCNT bundle em relaccedilatildeo ao cobre A partir dessas informaccedilotildees a

rede H-tree clock com interconexotildees natildeo-ideais seraacute analisada detalhadamente

4421 Anaacutelise da rede a 10 GHz

As redes com interconexotildees natildeo-ideais seratildeo analisadas na frequecircncia de 10 GHz para

diferentes comprimentos Primeiramente o niacutevel loacutegico baixo (NB) o niacutevel loacutegico alto

(NA) o tempo de subida (tr) e o slew rate de subida (SR) foram obtidos conforme mostra a

Tabela 410 Com base nessa tabela verifica-se que na frequecircncia de 10 GHz essas

caracteriacutesticas natildeo foram modificadas pelas interconexotildees natildeo-ideais independentemente

do comprimento Os valores dos paracircmetros satildeo iguais aos obtidos na rede com

interconexatildeo ideal conforme Tabela 47 O sinal obtido na saiacuteda de cada inversor eacute igual

ao ilustrado na Figura 47

42

Tabela 410 Niacuteveis loacutegicos tempo de subida e slew rate dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 10 GHz

Freq L (l2l) Material NB(mV) NA(mV) tr(ps) SR(Vns)

10

GHz

50nm

100nm

SWCNT bundle 675 4518 356 8636

Cobre 675 4518 356 8636

200nm

400nm

SWCNT bundle 675 4518 356 8636

Cobre 675 4518 356 8636

500nm

1microm

SWCNT bundle 675 4518 356 8636

Cobre 675 4518 356 8636

A Tabela 411 mostra a atenuaccedilatildeo tempo de atraso potecircncia total dissipada e o produto

atraso-potecircncia obtidos a frequecircncia de 10 GHz para interconexotildees natildeo-ideais Observa-se

que a atenuaccedilatildeo do sinal e a potecircncia total dissipada por cada porta inversora permanecem

os mesmos em relaccedilatildeo agrave interconexatildeo ideal mostrando que a essa frequecircncia as

interconexotildees natildeo-ideais natildeo interferem nestes paracircmetros

Jaacute o atraso na propagaccedilatildeo do sinal no caso do cobre aumenta agrave medida que as

interconexotildees aumentam de comprimento aumentando tambeacutem o produto atraso-potecircncia

Esse atraso chega a 66 do periacuteodo do sinal de entrada para a interconexatildeo 500nm1microm

de cobre No entanto estes paracircmetros natildeo satildeo afetados pelas interconexotildees de SWCNT

bundle indicando que este material se sobressai em relaccedilatildeo ao cobre

Tabela 411 Atenuaccedilatildeo atraso potecircncia e produto atraso-potecircncia dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 10 GHz

Freq L (l2l) Material A (dB) td (ps) P (nW) DP(10-18

Wmiddots)

10

GHz

50nm

100nm

SWCNT bundle -264 412 4963 020

Cobre -264 412 4963 020

200nm

400nm

SWCNT bundle -264 412 4963 020

Cobre -264 438 4963 022

500nm

1microm

SWCNT bundle -264 412 4963 020

Cobre -264 659 4963 033

4422 Anaacutelise da rede a 100 GHz

As redes com interconexotildees natildeo-ideais seratildeo analisadas na frequecircncia de 100 GHz para

diferentes comprimentos O niacutevel loacutegico baixo (NB) o niacutevel loacutegico alto (NA) o tempo de

subida (tr) e o slew rate de subida (SR) foram obtidos conforme mostra a Tabela 412 Jaacute a

43

Tabela 413 mostra a atenuaccedilatildeo tempo de atraso potecircncia total dissipada e o produto

atraso-potecircncia obtidos a frequecircncia de 100 GHz para interconexotildees natildeo-ideais

Tabela 412 Niacuteveis loacutegicos tempo de subida e slew rate dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 100 GHz

Freq L (l2l) Material NB(mV) NA(mV) tr(ps) SR(Vns)

100

GHz

50nm

100nm

SWCNT bundle 678 4272 316 9099

Cobre 675 4277 323 9107

200nm

400nm

SWCNT bundle 678 4299 315 9196

Cobre 677 4089 289 9447

500nm

1microm

SWCNT bundle 678 4418 300 9973

Cobre 635 1766 102 6795

Tabela 413 Atenuaccedilatildeo atraso potecircncia e produto atraso-potecircncia dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 100 GHz

Freq L (l2l) Material A (dB) td (ps) P (nW) DP(10-18

Wmiddots)

100

GHz

50nm

100nm

SWCNT bundle -2703 189 6088 012

Cobre -2685 191 6088 012

200nm

400nm

SWCNT bundle -2693 188 6088 012

Cobre -2698 228 6088 014

500nm

1microm

SWCNT bundle -2673 174 6088 011

Cobre -2893 388 6088 024

A partir das Tabelas 412 e 413 o SWCNT bundle seraacute analisado Observa-se que os seus

niacuteveis loacutegicos altos aumentam com o aumento do comprimento das interconexotildees

aumentando tambeacutem o slew rate de subida Esse comportamento ocorre provavelmente

devido ao efeito ressonante provocado pela indutacircncia que provoca um pico no graacutefico da

frequumlecircncia antes dele comeccedilar a decair conforme explicado na subseccedilatildeo 421 Isso implica

na diminuiccedilatildeo da atenuaccedilatildeo do sinal e do atraso No entanto o produto atraso-potecircncia

permanece praticamente invariaacutevel jaacute que a potecircncia total dissipada natildeo se altera

Em relaccedilatildeo agraves interconexotildees de cobre verifica-se que as distorccedilotildees satildeo significativas Agrave

medida que o comprimento aumenta a atenuaccedilatildeo do sinal de saiacuteda aumenta Isso provoca

diminuiccedilatildeo no slew rate do sinal o que natildeo eacute desejado jaacute que o sinal demora mais para

atingir o niacutevel loacutegico alto Aleacutem disso o atraso na propagaccedilatildeo do sinal aumenta bastante

chegando a 388 do periacuteodo do sinal de entrada para a interconexatildeo 500nm1microm

Consequentemente o produto atraso-potecircncia tambeacutem aumenta sendo o dobro do valor de

44

referecircncia (interconexotildees ideais) A Figura 49 ilustra o sinal de saiacuteda da interconexatildeo

500nm1microm de cobre

Figura 49 Sinal de entrada (em verde) e sinal de saiacuteda (em preto) da rede a 100 GHz para

a interconexatildeo 500nm1microm de cobre

Comparando-se as potecircncias das tabelas 47 48 411 413 verifica-se que natildeo haacute

alteraccedilatildeo na potecircncia total dissipada pelo circuito com interconexotildees ideais e pelos

circuitos com interconexotildees natildeo-ideais para uma mesma frequecircncia Assim eacute importante

destacar que a dissipaccedilatildeo de potecircncia das interconexotildees de SWCNT bundle e de cobre natildeo

interfere na potecircncia total dissipada pelo circuito

443 Consideraccedilotildees Finais

Apoacutes analisar as interconexotildees locais de SWCNT de SWCNT bundle e de cobre

verificou-se que as interconexotildees de SWCNT bundle possuem desempenho comparaacutevel ao

das interconexotildees de cobre Em relaccedilatildeo agraves interconexotildees intermediaacuterias as de SWCNT

bundle apresentam desempenho superior agraves de cobre Jaacute as interconexotildees de SWCNT

isolado tanto para interconexotildees locais como para interconexotildees intermediaacuterias

apresentam desempenho inferior agraves interconexotildees de SWCNT bundle e de cobre natildeo

sendo propiacutecias a serem utilizadas em interconexotildees de circuitos integrados

Na anaacutelise das interconexotildees natildeo-ideais na rede H-tree clock mono-eleacutetron para a

frequecircncia de 10GHz observou-se que o niacutevel loacutegico baixo o niacutevel loacutegico alto o tempo de

subida o slew rate de subida a atenuaccedilatildeo do sinal e a potecircncia total dissipada por cada

porta inversora permanecem os mesmos em relaccedilatildeo agrave interconexatildeo ideal mostrando que

45

para esta frequecircncia as interconexotildees natildeo-ideais natildeo interferem nestes paracircmetros Jaacute o

atraso na propagaccedilatildeo do sinal no caso do cobre aumenta agrave medida que as interconexotildees

aumentam de comprimento aumentando tambeacutem o produto atraso-potecircncia No entanto

estes paracircmetros natildeo satildeo afetados pelas interconexotildees de SWCNT bundle indicando que

este material se sobressai em relaccedilatildeo ao cobre

Jaacute para a rede H-tree clock mono-eleacutetron a 100GHz observou-se que o circuito com

interconexotildees natildeo-ideais afetou bastante os paracircmetros em anaacutelise se comparados aos

obtidos para interconexotildees ideais Verificou-se que as distorccedilotildees provocadas pelas

interconexotildees de cobre foram significativas indicando que as interconexotildees de SWCNT

bundle possuem melhor desempenho que as de cobre

Assim constata-se que as interconexotildees de SWCNT bundle satildeo fortes candidatas a

substituirem as interconexotildees de cobre em circuitos em escala giga (GSI) e tera (TSI)

46

5 CONCLUSOtildeES

Nesta dissertaccedilatildeo o estudo das interconexotildees de SWCNT de SWCNT bundle e de cobre

foi realizado analisando e comparando os seus desempenhos para diferentes

comprimentos A partir desse estudo verificou-se que as interconexotildees de SWCNT bundle

possui desempenho comparaacutevel ao das interconexotildees de cobre no caso de interconexotildees

locais Em relaccedilatildeo agraves interconexotildees intermediaacuterias as de SWCNT bundle apresentam

desempenho superior agraves de cobre

As interconexotildees de SWCNT bundle e as interconexotildees de cobre foram entatildeo simuladas na

rede H-tree clock de dois niacuteveis para diferentes comprimentos e frequecircncias Nos pontos

de destino final da rede foram colocadas portas inversoras formadas por SETs permitindo

a anaacutelise de circuitos nanoeletrocircnicos

A partir da anaacutelise da rede H-tree clock observou-se que as interconexotildees de SWCNT

bundle possuem desempenho melhor que as de cobre principalmente em relaccedilatildeo ao slew

rate agrave atenuaccedilatildeo ao tempo de atraso e ao produto atraso-potecircncia Aleacutem disso a

dissipaccedilatildeo de potecircncia das interconexotildees natildeo-ideais natildeo interferem na potecircncia total

dissipada pelo circuito Assim as interconexotildees de SWCNT bundle satildeo fortes candidatas a

substituirem as interconexotildees de cobre em circuitos em escala giga (GSI) e tera (TSI)

Como perspectivas futuras eacute importante analisar o efeito das interconexotildees de nanotubo de

carbono em circuitos GSI e TSI com outras arquiteturas A anaacutelise das interconexotildees de

CNT tambeacutem deve ser feita em circuitos com tecnologia MOS permitindo a comparaccedilatildeo

entre diferentes tecnologias Aleacutem disso eacute interessante estudar outros tipos de materiais

que possam ser utilizados como interconexotildees em circuitos integrados

47

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53

7 APEcircNDICES

71 TABELAS COMPLEMENTARES

Tabela 71 Paracircmetros obtidos a partir do modelo de SWCNT isolado

L RQ (Ω) RS (Ω) LCNT (10-9

H) CCNT (10-18

F)

10 nm 645103 - 40010

-2 27910

-1

100 nm 645103 - 40010

-1 279

200 nm 645103 - 80010

-1 558

300 nm 645103 - 120 837

400 nm 645103 - 160 11210

1

500 nm 645103 - 200 14010

1

600 nm 645103 - 240 16710

1

700 nm 645103 - 280 19510

1

800 nm 645103 - 320 22310

1

900 nm 645103 - 360 25110

1

1 microm 645103 - 400 27910

1

10 microm 645103 64510

4 40010

1 27910

2

100 microm 645103 64510

5 40010

2 27910

3

200 microm 645103 12910

6 80010

2 55810

3

300 microm 645103 19410

6 12010

3 83710

3

400 microm

645103 25810

6 16010

3 11210

4

500 microm

645103 32310

6 20010

3 14010

4

Tabela 72 Paracircmetros obtidos a partir do modelo de SWCNT bundle

L RQ (Ω) RS (Ω) LBundle(10-9

H) CBundle(10-18

F)

10 nm 1075 - 66710-5

135

100 nm 1075 - 66710-4

135101

200 nm 1075 - 13310-3

270101

300 nm 1075 - 20010-3

405101

400 nm 1075 - 26710-3

540101

500 nm 1075 - 33310-3

675101

600 nm 1075 - 40010-3

810101

700 nm 1075 - 46710-3

945101

800 nm 1075 - 53310-3

108102

900 nm 1075 - 60010-3

122102

1 microm 1075 - 66710-3

135102

10 microm 1075 108102 66710

-2 13510

3

100 microm 1075 108103 66710

-1 13510

4

200 microm 1075 215103 133 27010

4

300 microm 1075 323103 200 40510

4

400 microm

1075 430103 267 54010

4

500 microm

1075 538103 333 67510

4

54

Tabela 73 Paracircmetros obtidos a partir do modelo de cobre

L RCu (Ω) LCu (10-9

H) CCu (10-18

F)

10 nm 06 37310-6

150

100 nm 60 63610-5

150101

200 nm 120 17510-4

300101

300 nm 180 30910-4

450101

400 nm 240 45410-4

600101

500 nm 300 61110-4

750101

600 nm 360 77510-4

900101

700 nm 420 94610-4

105102

800 nm 480 11210-3

120102

900 nm 540 13110-3

135102

1 microm 600 14910-3

150102

10 microm 60102 24010

-2 15010

3

100 microm 60103 33210

-1 15010

4

200 microm 12104 72010

-1 30010

4

300 microm 18104 113 45010

4

400 microm

24104 155 60010

4

500 microm

30104 198 75010

4

55

Tabela 74 Frequecircncia em -3dB das interconexotildees locais

Comprimento Material f-3dB

10 nm SWCNT isolado 253 GHz

SWCNT bundle 66 THz

Cobre 232 THz

100 nm SWCNT isolado 300 GHz

SWCNT bundle 20 THz

Cobre 51 THz

200 nm SWCNT isolado 342 GHz

SWCNT bundle 14 THz

Cobre 29 THz

300 nm SWCNT isolado 344 GHz

SWCNT bundle 11 THz

Cobre 20 THz

400 nm SWCNT isolado 329 GHz

SWCNT bundle 89 THz

Cobre 15 THz

500 nm SWCNT isolado 307 GHz

SWCNT bundle 76 THz

Cobre 12 THz

600 nm SWCNT isolado 288 GHz

SWCNT bundle 67 THz

Cobre 94 THz

700 nm SWCNT isolado 271 GHz

SWCNT bundle 61 THz

Cobre 76 THz

800 nm SWCNT isolado 255 GHz

SWCNT bundle 55 THz

Cobre 63 THz

900 nm SWCNT isolado 240 GHz

SWCNT bundle 51 THz

Cobre 52 THz

1 microm SWCNT isolado 230 GHz

SWCNT bundle 47 THz

Cobre 42 THz

56

Tabela 75 Frequecircncia em -3dB das interconexotildees intermediaacuterias

Comprimento Material f-3dB

10 microm SWCNT isolado 26 GHz

SWCNT bundle 527 GHz

Cobre 34 GHz

100 microm SWCNT isolado 32 MHz

SWCNT bundle 42 GHz

Cobre 345 MHz

200 microm SWCNT isolado 82 MHz

SWCNT bundle 10 GHz

Cobre 87 MHz

300 microm SWCNT isolado 36 MHz

SWCNT bundle 455 MHz

Cobre 38 MHz

400 microm SWCNT isolado 21 MHz

SWCNT bundle 256 MHz

Cobre 21 MHz

500 microm SWCNT isolado 13 MHz

SWCNT bundle 165 MHz

Cobre 14 MHz

57

8 ANEXOS

81 COacuteDIGO SPICE DO SET [44]

Transistor mono-eleacutetron (SET) conexotildees fonte | dreno | | porta1 | | | porta2 | | | | SUBCKT SET 1 2 3 4 PARAMS +C1=1E-20 Capacitacircncia da junccedilatildeo 1 +C2=1E-20 Capacitacircncia da junccedilatildeo 2 +R1=1E5 Resistecircncia da junccedilatildeo 1 +R2=1E5 Resistecircncia da junccedilatildeo 2 +Cg1=015E-18 Capacitacircncia da junccedilatildeo 1 +Cg2=0 Capacitacircncia da junccedilatildeo 2 +C0=0 Capacitacircncia proacutepria da ilha +Q0=005 Carga offset em unidades de e +TEMP=300 Temperatura PARAM E=160217733E-19 Carga do eleacutetron (e) PARAM CSUM=C1+C2+Cg1+Cg2+C0 Capacitacircncia total do SET PARAM T=TEMPCSUM53785467E14 Temperatura normalizada 53785467E14 = kBe^2 PARAM RN1=R1(R1+R2) Resistecircncia da junccedilatildeo 1 normalizada PARAM RN2=R2(R1+R2) Resistecircncia da junccedilatildeo 2 normalizada FUNC Q(v1v2v3v4) (Cg1v3+Cg2v4+C1v1+C2v2)E+Q0 Definiccedilatildeo da carga em unidades de e FUNC VN(v) CSUMvE Tensatildeo normalizada FUNC GAMMA(u) IF(T==0IF(ult0-u0)IF(u==0Tu(EXP(uT)-1))) FUNC N_OPT(v1v2v3v4) ROUND(-Q(v1v2v3v4)+(CSUME) (v1RN2+v2RN1)) A maior probabilidade de carga na ilha em unidades de e Os quarto eventos tuacuteneis FUNC R1L(nv1v2v3v4) GAMMA(05 - n - Q(v1v2v3v4) + VN(v1))RN1 FUNC R1R(nv1v2v3v4) GAMMA(05 + n + Q(v1v2v3v4) - VN(v1))RN1 FUNC R2L(nv1v2v3v4) GAMMA(05 + n + Q(v1v2v3v4) - VN(v2))RN2 FUNC R2R(nv1v2v3v4) GAMMA(05 - n - Q(v1v2v3v4) + VN(v2))RN2

58

determinaccedilatildeo das probabilidades relativas assume-se inicialmente que o estado da carga N_OPT tem probabilidade relativa igual a um FUNC PN_1(nv1v2v3v4) (R1L(nv1v2v3v4)+R2R(nv1v2v3v4))(R1R(n-1v1v2v3v4)+R2L(n-1v1v2v3v4)) FUNC PN_2(nv1v2v3v4) PN_1(nv1v2v3v4) +(R1L(n-1v1v2v3v4)+R2R(n-1v1v2v3v4))(R1R(n-2v1v2v3v4)+R2L(n-2v1v2v3v4)) FUNC PN_3(nv1v2v3v4) PN_2(nv1v2v3v4) +(R1L(n-2v1v2v3v4)+R2R(n-2v1v2v3v4))(R1R(n-3v1v2v3v4)+R2L(n-3v1v2v3v4)) FUNC PN_4(nv1v2v3v4) PN_3(nv1v2v3v4) +(R1L(n-3v1v2v3v4)+R2R(n-3v1v2v3v4))(R1R(n-4v1v2v3v4)+R2L(n-4v1v2v3v4)) FUNC PN_5(nv1v2v3v4) PN_4(nv1v2v3v4) +(R1L(n-4v1v2v3v4)+R2R(n-4v1v2v3v4))(R1R(n-5v1v2v3v4)+R2L(n-5v1v2v3v4)) FUNC PN1(nv1v2v3v4) (R2L(nv1v2v3v4) +R1R(nv1v2v3v4))(R2R(n+1v1v2v3v4)+R1L(n+1v1v2v3v4)) FUNC PN2(nv1v2v3v4) PN1(nv1v2v3v4) +(R2L(n+1v1v2v3v4)+R1R(n+1v1v2v3v4))(R2R(n+2v1v2v3v4)+R1L(n+2v1v2v3v4)) FUNC PN3(nv1v2v3v4) PN2(nv1v2v3v4) +(R2L(n+2v1v2v3v4)+R1R(n+2v1v2v3v4))(R2R(n+3v1v2v3v4)+R1L(n+3v1v2v3v4)) FUNC PN4(nv1v2v3v4) PN3(nv1v2v3v4) +(R2L(n+3v1v2v3v4)+R1R(n+3v1v2v3v4))(R2R(n+4v1v2v3v4)+R1L(n+4v1v2v3v4)) FUNC PN5(nv1v2v3v4) PN4(nv1v2v3v4) +(R2L(n+4v1v2v3v4)+R1R(n+4v1v2v3v4))(R2R(n+5v1v2v3v4)+R1L(n+5v1v2v3v4)) FUNC PSUM(nv1v2v3v4) PN_5(nv1v2v3v4)+PN_4(nv1v2v3v4)+PN_3(nv1v2v3v4)+PN_2(nv1v2v3v4) ++PN_1(nv1v2v3v4)+1+PN1(nv1v2v3v4)+PN2(nv1v2v3v4)+PN3(nv1v2v3v4) ++PN4(nv1v2v3v4)+PN5(nv1v2v3v4)

59

caacutelculo da corrente da fonte para o dreno FUNC CUR(nv1v2v3v4) PN_5(nv1v2v3v4)(R1R(n-5v1v2v3v4)-R1L(n-5v1v2v3v4)) ++PN_4(nv1v2v3v4)(R1R(n-4v1v2v3v4)-R1L(n-4v1v2v3v4)) ++PN_3(nv1v2v3v4)(R1R(n-3v1v2v3v4)-R1L(n-3v1v2v3v4)) ++PN_2(nv1v2v3v4)(R1R(n-2v1v2v3v4)-R1L(n-2v1v2v3v4)) ++PN_1(nv1v2v3v4)(R1R(n-1v1v2v3v4)-R1L(n-1v1v2v3v4)) ++(R1R(nv1v2v3v4)-R1L(nv1v2v3v4)) ++PN1(nv1v2v3v4)(R1R(n+1v1v2v3v4)-R1L(n+1v1v2v3v4)) ++PN2(nv1v2v3v4)(R1R(n+2v1v2v3v4)-R1L(n+2v1v2v3v4)) ++PN3(nv1v2v3v4)(R1R(n+3v1v2v3v4)-R1L(n+3v1v2v3v4)) ++PN4(nv1v2v3v4)(R1R(n+4v1v2v3v4)-R1L(n+4v1v2v3v4)) ++PN5(nv1v2v3v4)(R1R(n+5v1v2v3v4)-R1L(n+5v1v2v3v4)) FUNC CURRENT(nv1v2v3v4) ECUR(nv1v2v3v4)(CSUMPSUM(nv1v2v3v4)(R1+R2)) caacutelculo da tensatildeo da ilha FUNC VOLT(nv1v2v3v4) PN_5(nv1v2v3v4)(n-5+Q(v1v2v3v4)) ++PN_4(nv1v2v3v4)(n-4+Q(v1v2v3v4)) ++PN_3(nv1v2v3v4)(n-3+Q(v1v2v3v4)) ++PN_2(nv1v2v3v4)(n-2+Q(v1v2v3v4)) ++PN_1(nv1v2v3v4)(n-1+Q(v1v2v3v4)) ++n+Q(v1v2v3v4) ++PN1(nv1v2v3v4)(n+1+Q(v1v2v3v4)) ++PN2(nv1v2v3v4)(n+2+Q(v1v2v3v4)) ++PN3(nv1v2v3v4)(n+3+Q(v1v2v3v4)) ++PN4(nv1v2v3v4)(n+4+Q(v1v2v3v4)) ++PN5(nv1v2v3v4)(n+5+Q(v1v2v3v4)) FUNC VOLTAGE(nv1v2v3v4) (ECSUM)VOLT(nv1v2v3v4)PSUM(nv1v2v3v4) E1 5 0 VALUE= VOLTAGE(N_OPT(V(1)V(2)V(3)V(4))V(1)V(2)V(3)V(4)) Tensatildeo da ilha G1 1 2 VALUE= CURRENT(N_OPT(V(1)V(2)V(3)V(4))V(1)V(2)V(3)V(4)) Corrente da fonte para o dreno CT1 1 5 C1 CT2 2 5 C2 CGATE1 3 5 CG1 CGATE2 4 5 CG2 ENDS SET

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24

circuito expressa por CVfP DDD 2 em que VDD eacute a tensatildeo de alimentaccedilatildeo f eacute

frequumlecircncia do circuito e C eacute a capacitacircncia de carga do circuito [1142] Assim a soma da

potecircncia dinacircmica e da potecircncia estaacutetica resulta na potecircncia total dissipada no circuito

245 Produto atraso-potecircncia

Em circuitos integrados o ideal eacute que se tenha baixo atraso na propagaccedilatildeo resultando em

uma maior velocidade de funcionamento do circuito bem como baixa dissipaccedilatildeo de

potecircncia No entanto essas duas exigecircncias satildeo conflitantes ao reduzirmos a dissipaccedilatildeo de

potecircncia de uma porta a capacidade da porta em fornecer corrente diminuiraacute isso

implicaraacute em um maior tempo de carga e descarga aumentando o atraso na propagaccedilatildeo

Assim o produto atraso-potecircncia (delay power product ndash DP) eacute uma medida de

desempenho bastante utilizada na anaacutelise de circuitos e eacute dado por dD tPDP Quanto

menor o produto atraso-potecircncia maior a eficiecircncia do circuito loacutegico [42]

246 Slew rate

A taxa maacutexima de variaccedilatildeo da tensatildeo de saiacuteda do inglecircs slew rate (SR) eacute uma

caracteriacutestica importante do sinal de saiacuteda de um circuito loacutegico A limitaccedilatildeo na taxa de

variaccedilatildeo pode provocar uma distorccedilatildeo no funcionamento do circuito O SR pode ser

calculado pela expressatildeo (229) em que Δv eacute a variaccedilatildeo da tensatildeo de saiacuteda do sinal para

uma determinada variaccedilatildeo de tempo Δt [42]

t

vSR

(229)

25 LTSPICE

O software LTSPICE eacute um simulador SPICE de alto desempenho orientado a

esquemaacuteticos e visualizador de formas de onda com modelos para facilitar a simulaccedilatildeo de

circuitos eletrocircnicos Se comparado aos outros simuladores SPICE a simulaccedilatildeo do

LTSPICE eacute bastante raacutepida O software consegue simular dispositivos de acordo com o

padratildeo industrial reproduzindo os seus comportamentos [52]

25

O LTSPICE possui vaacuterias possibilidades de simulaccedilatildeo como anaacutelise transiente anaacutelise AC

e anaacutelise DC bem como permite a simulaccedilatildeo de vaacuterios dispositivos disponiacuteveis na sua

biblioteca Aleacutem disso este software possibilita a elaboraccedilatildeo de novos esquemaacuteticos

atraveacutes de um modelo matemaacutetico ou eletrocircnico proposto O novo componente poderaacute ser

utilizado no circuito conforme seraacute feito neste trabalho utilizando-se o modelo SPICE do

SET proposto por G Lientschnig et al[4]

26

3 METODOLOGIA

31 INTRODUCcedilAtildeO

A miniaturizaccedilatildeo das interconexotildees prejudica o seu desempenho resultando no aumento

significativo do valor da resistividade da capacitacircncia de acoplamento entre vias na

dificuldade de controlar a razatildeo entre a altura e a largura do material entre outros

problemas A fim de analisar o desempenho das interconexotildees eacute necessaacuterio verificar

algumas variaacuteveis importantes como velocidade maacutexima (f-3dB) atenuaccedilatildeo (A) tempo de

atraso (td) potecircncia dissipada (P) produto atraso-potecircncia (DP) e slew rate (SR)

[111317202342]

32 ETAPAS E ESTRATEacuteGIAS ADOTADAS

Com o intuito de analisar o efeito das interconexotildees em circuitos com transistores mono-

eleacutetron foi realizada primeiramente a anaacutelise das interconexotildees de SWCNT de SWCNT

bundle e de cobre isoladamente para diferentes valores de comprimento Apoacutes a avaliaccedilatildeo

desses resultados o efeito das interconexotildees foi analisado no H-tree clock com inversores

mono-eleacutetron nos seus terminais tambeacutem considerando diferentes comprimentos Neste

trabalho a tecnologia de 22 nm prevista para o ano de 2016 [21] foi utilizada na

comparaccedilatildeo entre o desempenho do cobre e do CNT Todas as simulaccedilotildees foram realizadas

utilizando o software LTSPICE

321 Simulaccedilatildeo das interconexotildees

A partir dos modelos das interconexotildees de SWCNT SWCNT bundle e cobre apresentados

na subseccedilatildeo 213 diferentes comprimentos das interconexotildees foram simulados Assim

analisou-se as interconexotildees locais em que l le 1 μm e as intermediaacuterias em que 1 μm lt l

le 500 μm sabendo que l eacute o comprimento da interconexatildeo [29-31333638]

A fim de analisar a frequumlecircncia de corte este foi obtido para comprimentos de

interconexotildees locais (10nm 100nm 200nm 300nm 400nm 500nm 600nm 700nm

27

800nm 900nm 1μm) e interconexotildees intermediaacuterias (10μm 100μm 200μm 300μm

400μm 500μm)

Jaacute que λCNT eacute tipicamente 1 μm foram escolhidos trecircs comprimentos na faixa lCNT le λCNT

(10 nm 100 nm e 1 μm) e trecircs comprimentos na faixa lCNT gt λCNT (10 μm 100 μm 500

μm) para serem analisados detalhadamente Escolheu-se uma mesma frequecircncia abaixo da

frequecircncia de corte dos trecircs materiais considerados para analisar e comparar a atenuaccedilatildeo

(A) e o tempo de atraso na propagaccedilatildeo (td) dos diferentes comprimentos

Em seguida o mesmo procedimento foi feito para comparar somente o SWCNT bundle e o

cobre para uma mesma frequecircncia cujo valor eacute maior que a frequecircncia da anaacutelise anterior

permitindo que estes dois materiais sejam analisados detalhadamente

Essas anaacutelises foram realizadas a partir da simulaccedilatildeo do circuito da Figura 31 [2325] A

tensatildeo de entrada Vin eacute uma onda quadrada de 1V de amplitude e o capacitor de carga tem

o valor de 100 aF

Figura 31 ndash Circuito simulado para cada interconexatildeo

A Figura 32 mostra o fluxograma das etapas descritas nesta subseccedilatildeo 321

28

Figura 32 ndash Fluxograma das etapas seguidas na simulaccedilatildeo das interconexotildees

322 Simulaccedilatildeo do inversor mono-eleacutetron

Para utilizar a porta inversora da Figura 215 nos terminais do H-tree clock foi necessaacuterio

primeiramente simular o SET proposto por [4] Essa simulaccedilatildeo foi feita variando os

paracircmetros do SET como as resistecircncias e capacitacircncias das junccedilotildees as capacitacircncias de

porta a temperatura etc Os paracircmetros foram variados ateacute simular o SET a temperatura

de 300K Em seguida simulou-se a inversora da Figura 215 tambeacutem a temperatura

ambiente Dessa forma foi possiacutevel simular a inversora isoladamente obtendo as

caracteriacutesticas do sinal de saiacuteda

323 Simulaccedilatildeo do H-tree clock mono-eleacutetron

Apoacutes a simulaccedilatildeo do SET foi possiacutevel simular o H-tree clock A rede H-tree de dois niacuteveis

foi simulada com um H no primeiro niacutevel e quatro H‟s no segundo niacutevel [49] Nos pontos

de destino final da rede foram colocadas portas inversoras formadas por SETs permitindo

a anaacutelise de circuitos nanoeletrocircnicos

Modelos de SWCNT

SWCNT bundle e cobre

Obtenccedilatildeo dos paracircmetros dos modelos para

interconexotildees locais e interconexotildees intermediaacuterias

Para cada comprimento

obtenccedilatildeo de f-3dB

1ordm) Escolha de frequumlecircncia abaixo

da f-3dB do SWCNT SWCNT

bundle e cobre

2ordm) Escolha de frequumlecircncia abaixo

da f-3dB do SWCNT bundle e

cobre

Obtenccedilatildeo de A e td de

cada modelo

Obtenccedilatildeo de A e td de

cada modelo

Anaacutelise comparativa entre o

SWCNT SWCNT bundle e

cobre

Anaacutelise comparativa entre o

SWCNT bundle e cobre

Estudo de interconexotildees locais (10nm

100nm 1μm) e intermediaacuterias (10μm

100μm 500μm)

29

A partir da simulaccedilatildeo do H-tree clock obteve-se a frequecircncia em -3dB (f-3dB) da rede com

interconexotildees ideais Assim a rede H-tree foi entatildeo simulada para duas frequecircncias

diferentes do sinal de entrada abaixo da frequecircncia de -3dB 10 GHz e 100 GHz Com

essas simulaccedilotildees obtiveram-se as seguintes caracteriacutesticas do sinal de saiacuteda da inversora

niacutevel loacutegico baixo (NB) niacutevel loacutegico alto (NA) tempo de subida (tr) slew rate de subida

(SR) atenuaccedilatildeo (A) tempo de atraso (td) potecircncia dissipada (P) e produto atraso-potecircncia

(DP) As caracteriacutesticas obtidas servem como referecircncia para analisar o sinal considerando

interconexotildees natildeo-ideais ou seja incluindo os modelos das interconexotildees nas simulaccedilotildees

Em seguida a rede H-tree foi simulada considerando-se os modelos das interconexotildees de

SWCNT bundle e de cobre variando os seus comprimentos Como cada H da rede de

distribuiccedilatildeo deve ser simeacutetrico considerou-se que cada divisatildeo do H tem o mesmo

comprimento para cada niacutevel da rede [11] A Figura 33 mostra o comprimento dos

diferentes trechos da rede Assim o comprimento de cada divisatildeo dos H‟s do segundo

niacutevel eacute a metade do comprimento de cada divisatildeo do H do primeiro niacutevel Jaacute que o objetivo

eacute simular circuitos em escala nanomeacutetrica escolheu-se trecircs variaccedilotildees de comprimento

menores ou iguais a 1μm

l = 100 nm l2 = 50 nm

l = 400 nm l2 = 200 nm

l = 1 μm l2 = 500 nm

Figura 33 ndash Esquemaacutetico do H-tree clock com os comprimentos de cada seguimento

Dessa forma cada um dos trecircs circuitos foi simulado obtendo-se a frequecircncia em -3dB na

entrada das portas inversoras Em seguida as trecircs redes foram simuladas para as mesmas

30

duas frequumlecircncias do sinal de entrada (10 GHz e 100 GHz) de forma a obter as

caracteriacutesticas do sinal de saiacuteda descritas anteriormente considerando agora o efeito das

interconexotildees

Por fim a partir dos dados obtidos foram realizadas comparaccedilotildees entre as caracteriacutesticas

do sinal de saiacuteda de referecircncia (interconexotildees ideais) e o sinal de saiacuteda dos circuitos com as

interconexotildees natildeo-ideais bem como entre o comportamento das interconexotildees de SWCNT

bundle e de cobre nas diferentes frequecircncias

A Figura 34 mostra o fluxograma das etapas descritas nas subseccedilotildees 322 e 323

Figura 34 ndash Fluxograma das etapas seguidas na simulaccedilatildeo do H-tree clock

H-tree clock mono-eleacutetron

Simulaccedilatildeo do H-tree clock com

interconexotildees ideais Obtenccedilatildeo de f-3dB

da inversora

Simulaccedilatildeo do H-tree clock com

interconexotildees natildeo-ideais para os seguintes

comprimentos

l = 100 nm l2 = 50 nm

l = 400 nm l2 = 200 nm

l = 1 μm l2 = 500 nm

Validaccedilatildeo do SET e do

inversor mono-eleacutetron a

300K

Sinal de entrada a

10 GHz

Sinal de entrada a

100 GHz

Obtenccedilatildeo de NB

NA tr SR A td P e

DP do sinal de saiacuteda

da inversora

Obtenccedilatildeo de NB

NA tr SR A td P e

DP do sinal de saiacuteda

da inversora

Sinal de entrada a

10 GHz

Sinal de entrada a

100 GHz

Obtenccedilatildeo de NB

NA tr SR A td P e

DP do sinal de saiacuteda

da inversora

Obtenccedilatildeo de NB

NA tr SR A td P e

DP do sinal de saiacuteda

da inversora

Anaacutelise comparativa

dos dados obtidos

31

4 RESULTADOS E ANAacuteLISES

41 INTRODUCcedilAtildeO

Neste capiacutetulo seratildeo apresentados os procedimentos adotados e os resultados obtidos na

simulaccedilatildeo das interconexotildees SWCNT SWCNT bundle e cobre As etapas descritas na

metodologia foram seguidas obtendo-se os resultados das simulaccedilotildees das interconexotildees e

das simulaccedilotildees do H-tree clock mono-eleacutetron para interconexotildees ideais e natildeo-ideais A

partir dos resultados a anaacutelise do desempenho das interconexotildees seraacute apresentada

42 ANAacuteLISE DAS INTERCONEXOtildeES

Nesta seccedilatildeo a anaacutelise das interconexotildees de SWCNT SWCNT bundle e cobre na

tecnologia de 22 nm para diferentes comprimentos seraacute realizada Para isso analisou-se

as interconexotildees locais em que l le 1 μm e as intermediaacuterias em que 1 μm lt l le 500 μm

sabendo que l eacute o comprimento da interconexatildeo [29-31333638] Como λCNT eacute

tipicamente 1 μm trecircs comprimentos na faixa lCNT le λCNT (10 nm 100 nm e 1 μm) e trecircs

comprimentos na faixa lCNT gt λCNT (10 μm 100 μm 500 μm) de cada material seratildeo

analisados detalhadamente Os paracircmetros obtidos a partir dos modelos de SWCNT

SWCNT bundle e cobre estatildeo respectivamente nas Tabelas 71 72 e 73 do Apecircndice

421 Interconexotildees locais

Primeiramente a partir da simulaccedilatildeo da Figura 31 obteve-se a frequecircncia em -3dB (f-3dB)

das interconexotildees locais (lCNT le λCNT ) isto eacute a sua banda passante de forma a verificar a

velocidade maacutexima que cada interconexatildeo suporta A Figura 41 ilustra o comportamento

da frequecircncia das interconexotildees locais para os diferentes comprimentos Como o SWCNT

isolado possui valores de frequecircncia na faixa de centenas de giga Hertz ou seja menos de

um tera Hertz os valores de suas frequecircncias tambeacutem podem ser visualisados na Tabela

74 do Apecircndice

Verifica-se que agrave medida que o comprimento da interconexatildeo aumenta a frequecircncia

diminui Isso ocorre jaacute que os valores da capacitacircncia e indutacircncia aumentam com o

aumento do comprimento da interconexatildeo Esses paracircmetros satildeo decisivos no sinal de

32

saiacuteda sendo o sinal mais distorcido quanto maior for o valor desses paracircmetros Observa-

se que o SWCNT bundle e o cobre possuem banda passante maiores que o SWCNT

isolado para qualquer comprimento Aleacutem disso o SWCNT bundle soacute possui uma banda

passante comparaacutevel ao do cobre para comprimentos acima de 700 nm

Frequecircncia X Comprimento

0

10

20

30

40

50

60

100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

Comprimento (nm)

f -3d

B (

TH

z)

SWCNT Isolado

SWCNT bundle

Cobre

Figura 41 ndash Frequumlecircncia versus comprimento das interconexotildees locais

As interconexotildees locais de 10 nm 100 nm e 1 μm de comprimento foram analisadas

detalhadamente A Tabela 41 mostra a frequecircncia em -3dB de cada material para os

comprimentos em anaacutelise

Tabela 41 Frequecircncia em -3dB de cada material para lCNT le λCNT

Interconexatildeo Local Comprimento (L) Material f-3dB

SWCNT isolado 253 GHz

10nm SWCNT bundle 66 THz

Cobre 232 THz

SWCNT isolado 300 GHz

lCNT le λCNT 100nm SWCNT bundle 20 THz

Cobre 51 THz

SWCNT isolado 230 GHz

1microm SWCNT bundle 47 THz

Cobre 42 THz

Assim escolheu-se uma mesma frequecircncia abaixo da frequecircncia de corte dos trecircs

materiais considerados para analisar e comparar a atenuaccedilatildeo (A) e o tempo de atraso na

propagaccedilatildeo (td) dos trecircs comprimentos Isso permite verificar o comportamento do sinal na

banda passante A Tabela 42 mostra esse estudo comparativo entre o SWCNT isolado

SWCNT bundle e cobre agrave frequecircncia de 200 GHz

33

Tabela 42 Estudo das interconexotildees com comprimentos na faixa lCNT le λCNT

Freq L Material A (dB) td (ps)

SWCNT isolado -210 046

10nm SWCNT bundle 001 000

Cobre 000 000

SWCNT isolado -155 051

200 GHz 100nm SWCNT bundle 001 000

Cobre 001 000

SWCNT isolado -039 107

1microm SWCNT bundle 006 001

Cobre 000 007

A partir da anaacutelise da Tabela 42 eacute possiacutevel observar agrave frequumlecircncia de 200 GHz a

atenuaccedilatildeo do sinal e o atraso do SWCNT isolado Nessa frequumlecircncia o atraso do SWCNT

isolado eacute significativo em relaccedilatildeo ao periacuteodo do sinal que eacute 5ps jaacute que o menor atraso

(para l = 10nm) eacute aproximadamente 10 do periacuteodo do sinal de entrada No entanto para

esta mesma frequumlecircncia observa-se que a atenuaccedilatildeo e o atraso do SWCNT bundle e do

cobre satildeo insignificantes Isto indica que estes dois materiais possuem melhor

desempenho sendo favoraacuteveis para serem utilizados em interconexotildees locais

Dessa forma para analisar melhor a atenuaccedilatildeo e o tempo de atraso do SWCNT bundle e do

cobre o mesmo procedimento foi feito comparando-se somente estes dois materiais para

uma mesma frequecircncia de 1 THz A Tabela 43 mostra esse estudo comparativo entre o

SWCNT bundle e cobre

Tabela 43 Estudo das interconexotildees SWCNT bundle e cobre com comprimentos na faixa

lCNT le λCNT

Freq L Material A (dB) td (fs)

10nm SWCNT bundle 001 113

Cobre 000 022

1 THz 100nm SWCNT bundle 006 136

Cobre 001 240

1microm SWCNT bundle 145 647

Cobre -013 5623

Analisando a Tabela 43 observa-se que agrave frequumlecircncia de 1 THz a atenuaccedilatildeo do sinal e o

atraso aumentam agrave medida que o comprimento das interconexotildees aumentam A partir do

comprimento de 100nm o tempo de atraso da interconexatildeo de cobre eacute maior que o do

SWCNT bundle cujo maior valor de atraso (para l = 1microm) natildeo chega a 1 do periacuteodo do

34

sinal de entrada (1ps) Isso mostra que apesar de a banda passante do cobre ser maior o

atraso do SWCNT bundle eacute menor Dessa forma para as interconexotildees locais o SWCNT

bundle possui desempenho comparaacutevel ao do cobre [13]

Em relaccedilatildeo agrave atenuaccedilatildeo verifica-se que para alguns comprimentos este tem valor

positivo Isso ocorre principalmente quando haacute um pico no graacutefico da frequumlecircncia antes dele

comeccedilar a decair Esse pico eacute devido ao efeito ressonante provocado pela indutacircncia

quando este possui valor comparaacutevel agrave resistecircncia e agrave capacitacircncia da interconexatildeo [53]

Assim esse efeito ressonante foi observado somente nas interconexotildees locais de SWCNT

bundle e de cobre A Figura 42 ilustra o graacutefico da magnitude pela frequumlecircncia do SWCNT

isolado SWCNT bundle e cobre para o comprimento de 100nm Observa-se o efeito

ressonante nos graacuteficos do SWCNT bundle e do cobre

Figura 42 ndash Graacuteficos da magnitude das interconexotildees de SWCNT isolado (superior)

SWCNT bundle (meio) e cobre (inferior) com comprimento de 100nm

35

422 Interconexotildees intermediaacuterias

Assim como para as interconexotildees locais obteve-se a frequecircncia em -3dB (f-3dB) das

interconexotildees intermediaacuterias (lCNT gt λCNT) de forma a verificar a velocidade maacutexima que

cada interconexatildeo suporta A Figura 43 ilustra o comportamento da frequecircncia das

interconexotildees intermediaacuterias para os diferentes comprimentos Os valores das frequecircncias

de cada interconexatildeo tambeacutem podem ser visualisados na Tabela 75 do Apecircndice

Como nas interconexotildees locais agrave medida que o comprimento da interconexatildeo aumenta a

frequecircncia diminui Aleacutem disso o SWCNT bundle e o cobre possuem desempenho melhor

que o do SWCNT isolado para qualquer comprimento No entanto para interconexotildees

intermediaacuterias o SWCNT bundle possui banda passante maior que a do cobre para

qualquer comprimento

Frequecircncia X Comprimento

00

05

10

15

20

25

30

35

40

45

100 200 300 400 500

Comprimento (μm)

f -3d

B (

GH

z)

SWCNT isolado

SWCNT bundle

Cobre

Figura 43 ndash Frequumlecircncia versus comprimento das interconexotildees intermediaacuterias

As interconexotildees intermediaacuterias de 10 μm 100 μm e 500 μm de comprimento foram entatildeo

analisadas detalhadamente A Tabela 44 mostra a frequecircncia em -3dB de cada materal

para os diferentes comprimentos em anaacutelise

36

Tabela 44 Frequecircncia em -3dB de cada material para lCNT gt λCNT

Interconexatildeo

Intermediaacuteria

Comprimento (L) Material f-3dB

SWCNT isolado 26 GHz

10 microm SWCNT bundle 527 GHz

Cobre 34 GHz

SWCNT isolado 32 MHz

lCNT gt λCNT 100 microm SWCNT bundle 42 GHz

Cobre 345 MHz

SWCNT isolado 13 MHz

500 microm SWCNT bundle 165 MHz

Cobre 14 MHz

Escolheu-se a frequecircncia de 1 MHz que estaacute abaixo da frequecircncia de corte dos trecircs

materiais considerados para analisar e comparar a atenuaccedilatildeo (A) e o tempo de atraso na

propagaccedilatildeo (td) dos trecircs comprimentos A Tabela 45 mostra esse estudo comparativo entre

o SWCNT isolado SWCNT bundle e cobre

Tabela 45 Estudo das interconexotildees com comprimentos na faixa lCNT gt λCNT

Freq L Material A (dB) td (ns)

SWCNT isolado -002 008

10 microm SWCNT bundle 000 000

Cobre 000 000

SWCNT isolado -003 559

1 MHz 100 microm SWCNT bundle -001 005

Cobre -004 056

SWCNT isolado -198 10217

500 microm SWCNT bundle 000 110

Cobre -003 1301

Com base na Tabela 45 observa-se que a atenuaccedilatildeo e o tempo de atraso do SWCNT

isolado aumentam com o aumento do comprimento da interconexatildeo Nessa frequumlecircncia o

atraso na propagaccedilatildeo do SWCNT isolado eacute significativo em relaccedilatildeo ao periacuteodo do sinal de

entrada que eacute 1micros chegando a mais de 10 deste periacuteodo para o comprimento de 500microm

Verifica-se tambeacutem o aumento do tempo de atraso da interconexatildeo de cobre sendo 13

do periacuteodo do sinal de entrada para o comprimento de 500microm

Para analisar melhor a atenuaccedilatildeo e o tempo de atraso do SWCNT bundle e do cobre o

mesmo procedimento foi feito comparando-se somente estes dois materiais para uma

37

mesma frequecircncia de 10 MHz A Tabela 46 mostra esse estudo comparativo entre o

SWCNT bundle e cobre

Tabela 46 Estudo das interconexotildees SWCNT bundle e cobre com comprimentos na faixa

lCNT gt λCNT

Freq L Material A (dB) td (ns)

10 microm SWCNT bundle 000 000

Cobre 000 000

10 MHz 100 microm SWCNT bundle -001 005

Cobre -004 054

500 microm SWCNT bundle -004 107

Cobre -185 1024

Analisando a Tabela 46 observa-se que agrave medida que o comprimento das interconexotildees

aumenta a atenuaccedilatildeo e o atraso do sinal da interconexatildeo de cobre tornam-se significativos

O atraso na propagaccedilatildeo da interconexatildeo de cobre para l = 500microm chega a 10 do periacuteodo

do sinal de entrada (100ns) Jaacute o SWCNT bundle apresenta valores insignificantes de

atenuaccedilatildeo e atraso na propagaccedilatildeo Assim para as interconexotildees intermediaacuterias o SWCNT

bundle possui desempenho superior ao do cobre

43 SIMULACcedilAtildeO DO INVERSOR MONO-ELEacuteTRON

O modelo SPICE do SET proposto por G Lientschnig et al [444] foi simulado no

LTSPICE A partir da equaccedilatildeo (226) foi possiacutevel aumentar a temperatura do SET ateacute

chegar a 300K Assim o esquemaacutetico do SET e os valores de seus paracircmetros para que o

SET opere a 300K estatildeo na Figura 44 No anexo deste trabalho (subseccedilatildeo 81) encontra-

se o coacutedigo SET que foi utilizado [44] Os paracircmetros R1 C1 e R2 C2 correspondem agraves

resistecircncias e capacitacircncias das junccedilotildees-tuacutenel Cg eacute a capacitacircncia de porta (Cg1 no coacutedigo

SET) Vg eacute a tensatildeo de porta e V eacute a tensatildeo de entrada

Figura 44 Esquemaacutetico do SET e os valores de seus paracircmetros

38

A partir destes valores o inversor mono-eleacutetron foi construiacutedo colocando-se dois SETs em

seacuterie os quais compartilham da mesma entrada A Figura 45 ilustra o esquemaacutetico do

inversor mono-eleacutetron juntamente com os valores de seus paracircmetros fixos em que Vin eacute a

tensatildeo de entrada Vout eacute a tensatildeo de saiacuteda Vbias eacute a tensatildeo de polarizaccedilatildeo Cc eacute a

capacitacircncia de carga Cg1 e Cg2 satildeo as capacitacircncias de porta do SET 1 e do SET 2

respectivamente

Figura 45 Esquemaacutetico do inversor mono-eleacutetron e os valores de seus paracircmetros

(modificado de [4])

Assim apoacutes simular o inversor mono-eleacutetron a 300K obteve-se o sinal de saiacuteda mostrado

na Figura 46 Como o inversor estaacute invertendo o sinal de entrada de valor loacutegico baixo em

um sinal de saiacuteda de valor loacutegico alto ele estaacute operando corretamente

Figura 46 Curva do sinal de entrada (em verde) e do sinal de saiacuteda (em preto) do inversor

mono-eleacutetron

39

44 ANAacuteLISE DAS INTERCONEXOtildeES NO H-TREE CLOCK MONO-ELEacuteTRON

Nesta seccedilatildeo a rede H-tree clock de dois niacuteveis foi simulada com portas inversoras mono-

eleacutetron nos pontos de destino final da rede permitindo a anaacutelise de circuitos

nanoeletrocircnicos Simulou-se a rede H-tree considerando interconexotildees ideais para as

frequecircncias de 10 GHz e 100 GHz no sinal de entrada Em seguida para as mesmas duas

frequecircncias considerou-se interconexotildees natildeo-ideais de diferentes comprimentos

analisando a rede com os modelos de interconexatildeo SWCNT bundle e cobre Trecircs redes

com comprimentos de interconexotildees diferentes foram analisadas

l = 100 nm l2 = 50 nm

l = 400 nm l2 = 200 nm

l = 1 μm l2 = 500 nm

441 Anaacutelise da rede com interconexotildees ideais

A partir da simulaccedilatildeo do H-tree clock a frequecircncia em -3dB (f-3dB) da rede com

interconexotildees ideais foi obtida Na saiacuteda de cada porta inversora a banda passante do sinal

eacute 3200 GHz Dessa forma duas frequecircncias abaixo de 3200 GHz foram escolhidas para

analisar o sinal de saiacuteda da inversora em condiccedilotildees ideais As frequecircncias de 10 GHz e

100 GHz seratildeo analisadas obtendo-se as seguintes caracteriacutesticas do sinal de saiacuteda da

inversora niacutevel loacutegico baixo (NB) niacutevel loacutegico alto (NA) tempo de subida (tr) slew rate

de subida (SR) atenuaccedilatildeo (A) e tempo de atraso (td) A Tabela 47 mostra os valores

obtidos para as duas frequecircncias em anaacutelise

Tabela 47 Caracteriacutesticas dos sinais de saiacuteda da rede para interconexotildees ideais

Freq NB(mV) NA(mV) tr (ps) SR(Vns) A(dB) td (ps)

10 GHz 675 4518 356 8636 -264 412

100 GHz 678 4279 317 9088 -269 189

Os caacutelculos da potecircncia estaacutetica ( IVP DDE ) potecircncia dinacircmica ( CVfP DDD 2 ) e

potecircncia total ( DE PPP ) dissipada por cada porta inversora foram realizados bem

como o produto atraso-potecircncia (DP) Assim a Tabela 48 mostra os valores obtidos no

40

caacutelculo destes paracircmetros Como a potecircncia estaacutetica independe da frequecircncia do sinal de

entrada o seu valor eacute o mesmo nos dois casos

Tabela 48 Potecircncia dissipada por cada porta inversora para interconexotildees ideais

Frequecircncia PE (nW) PD (nW) P (nW) DP (10-18

Wmiddots)

10 GHz 4838 125 4963 020

100 GHz 4838 125 6088 012

As Tabelas 47 e 48 serviratildeo de referecircncia para as anaacutelises da rede com interconexotildees natildeo-

ideais analisadas na subseccedilatildeo seguinte As Figuras 47 e 48 ilustram o sinal de saiacuteda das

redes com frequecircncias de 10 GHz e de 100 GHz respectivamente Eacute possiacutevel observar que

na frequecircncia de 100 GHz o sinal de saiacuteda jaacute eacute distorcido em relaccedilatildeo ao sinal de referecircncia

(Figura 46)

Figura 47 Sinal de entrada (em verde) e sinal de saiacuteda (em preto) da rede a 10 GHz

Figura 48 Sinal de entrada (em verde) e sinal de saiacuteda (em preto) da rede a 100 GHz

41

442 Anaacutelise da rede com interconexotildees natildeo-ideais

Apoacutes obter as caracteriacutesticas da rede H-tree clock com interconexotildees ideais a anaacutelise da

rede com interconexotildees natildeo-ideais seraacute feita Primeiramente eacute importante verificar a

frequecircncia em -3dB do sinal depois das interconexotildees ou seja na entrada da porta

inversora Caso essa frequecircncia seja menor que a frequecircncia de 3200 GHz obtida com

interconexotildees ideais entatildeo a interconexatildeo afetaraacute o comportamento da rede A Tabela 49

mostra a frequecircncia em -3dB na entrada da inversora para interconexotildees natildeo-ideais

Tabela 49 Frequecircncia em -3dB na entrada da inversora para interconexotildees natildeo-ideais

Comprimentos (l2 l) Material f-3dB

50nm 100nm SWCNT bundle 122 THz

Cobre 175 THz

200nm 400nm SWCNT bundle 31 THz

Cobre 8606 GHz

500nm 1microm SWCNT bundle 12 THz

Cobre 1268 GHz

Assim verifica-se que a interconexatildeo de cobre da rede 500nm1microm possui frequecircncia em

-3dB abaixo da frequecircncia do circuito com interconexatildeo ideal (3200 GHz) Isso indica que

esta interconexatildeo interfere significativamente no comportamento da rede A Tabela 49

mostra tambeacutem que a banda passante da interconexatildeo de cobre soacute eacute maior que a da

interconexatildeo de SWCNT bundle no primeiro caso na rede de 50nm100nm o que mostra

uma vantagem do SWCNT bundle em relaccedilatildeo ao cobre A partir dessas informaccedilotildees a

rede H-tree clock com interconexotildees natildeo-ideais seraacute analisada detalhadamente

4421 Anaacutelise da rede a 10 GHz

As redes com interconexotildees natildeo-ideais seratildeo analisadas na frequecircncia de 10 GHz para

diferentes comprimentos Primeiramente o niacutevel loacutegico baixo (NB) o niacutevel loacutegico alto

(NA) o tempo de subida (tr) e o slew rate de subida (SR) foram obtidos conforme mostra a

Tabela 410 Com base nessa tabela verifica-se que na frequecircncia de 10 GHz essas

caracteriacutesticas natildeo foram modificadas pelas interconexotildees natildeo-ideais independentemente

do comprimento Os valores dos paracircmetros satildeo iguais aos obtidos na rede com

interconexatildeo ideal conforme Tabela 47 O sinal obtido na saiacuteda de cada inversor eacute igual

ao ilustrado na Figura 47

42

Tabela 410 Niacuteveis loacutegicos tempo de subida e slew rate dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 10 GHz

Freq L (l2l) Material NB(mV) NA(mV) tr(ps) SR(Vns)

10

GHz

50nm

100nm

SWCNT bundle 675 4518 356 8636

Cobre 675 4518 356 8636

200nm

400nm

SWCNT bundle 675 4518 356 8636

Cobre 675 4518 356 8636

500nm

1microm

SWCNT bundle 675 4518 356 8636

Cobre 675 4518 356 8636

A Tabela 411 mostra a atenuaccedilatildeo tempo de atraso potecircncia total dissipada e o produto

atraso-potecircncia obtidos a frequecircncia de 10 GHz para interconexotildees natildeo-ideais Observa-se

que a atenuaccedilatildeo do sinal e a potecircncia total dissipada por cada porta inversora permanecem

os mesmos em relaccedilatildeo agrave interconexatildeo ideal mostrando que a essa frequecircncia as

interconexotildees natildeo-ideais natildeo interferem nestes paracircmetros

Jaacute o atraso na propagaccedilatildeo do sinal no caso do cobre aumenta agrave medida que as

interconexotildees aumentam de comprimento aumentando tambeacutem o produto atraso-potecircncia

Esse atraso chega a 66 do periacuteodo do sinal de entrada para a interconexatildeo 500nm1microm

de cobre No entanto estes paracircmetros natildeo satildeo afetados pelas interconexotildees de SWCNT

bundle indicando que este material se sobressai em relaccedilatildeo ao cobre

Tabela 411 Atenuaccedilatildeo atraso potecircncia e produto atraso-potecircncia dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 10 GHz

Freq L (l2l) Material A (dB) td (ps) P (nW) DP(10-18

Wmiddots)

10

GHz

50nm

100nm

SWCNT bundle -264 412 4963 020

Cobre -264 412 4963 020

200nm

400nm

SWCNT bundle -264 412 4963 020

Cobre -264 438 4963 022

500nm

1microm

SWCNT bundle -264 412 4963 020

Cobre -264 659 4963 033

4422 Anaacutelise da rede a 100 GHz

As redes com interconexotildees natildeo-ideais seratildeo analisadas na frequecircncia de 100 GHz para

diferentes comprimentos O niacutevel loacutegico baixo (NB) o niacutevel loacutegico alto (NA) o tempo de

subida (tr) e o slew rate de subida (SR) foram obtidos conforme mostra a Tabela 412 Jaacute a

43

Tabela 413 mostra a atenuaccedilatildeo tempo de atraso potecircncia total dissipada e o produto

atraso-potecircncia obtidos a frequecircncia de 100 GHz para interconexotildees natildeo-ideais

Tabela 412 Niacuteveis loacutegicos tempo de subida e slew rate dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 100 GHz

Freq L (l2l) Material NB(mV) NA(mV) tr(ps) SR(Vns)

100

GHz

50nm

100nm

SWCNT bundle 678 4272 316 9099

Cobre 675 4277 323 9107

200nm

400nm

SWCNT bundle 678 4299 315 9196

Cobre 677 4089 289 9447

500nm

1microm

SWCNT bundle 678 4418 300 9973

Cobre 635 1766 102 6795

Tabela 413 Atenuaccedilatildeo atraso potecircncia e produto atraso-potecircncia dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 100 GHz

Freq L (l2l) Material A (dB) td (ps) P (nW) DP(10-18

Wmiddots)

100

GHz

50nm

100nm

SWCNT bundle -2703 189 6088 012

Cobre -2685 191 6088 012

200nm

400nm

SWCNT bundle -2693 188 6088 012

Cobre -2698 228 6088 014

500nm

1microm

SWCNT bundle -2673 174 6088 011

Cobre -2893 388 6088 024

A partir das Tabelas 412 e 413 o SWCNT bundle seraacute analisado Observa-se que os seus

niacuteveis loacutegicos altos aumentam com o aumento do comprimento das interconexotildees

aumentando tambeacutem o slew rate de subida Esse comportamento ocorre provavelmente

devido ao efeito ressonante provocado pela indutacircncia que provoca um pico no graacutefico da

frequumlecircncia antes dele comeccedilar a decair conforme explicado na subseccedilatildeo 421 Isso implica

na diminuiccedilatildeo da atenuaccedilatildeo do sinal e do atraso No entanto o produto atraso-potecircncia

permanece praticamente invariaacutevel jaacute que a potecircncia total dissipada natildeo se altera

Em relaccedilatildeo agraves interconexotildees de cobre verifica-se que as distorccedilotildees satildeo significativas Agrave

medida que o comprimento aumenta a atenuaccedilatildeo do sinal de saiacuteda aumenta Isso provoca

diminuiccedilatildeo no slew rate do sinal o que natildeo eacute desejado jaacute que o sinal demora mais para

atingir o niacutevel loacutegico alto Aleacutem disso o atraso na propagaccedilatildeo do sinal aumenta bastante

chegando a 388 do periacuteodo do sinal de entrada para a interconexatildeo 500nm1microm

Consequentemente o produto atraso-potecircncia tambeacutem aumenta sendo o dobro do valor de

44

referecircncia (interconexotildees ideais) A Figura 49 ilustra o sinal de saiacuteda da interconexatildeo

500nm1microm de cobre

Figura 49 Sinal de entrada (em verde) e sinal de saiacuteda (em preto) da rede a 100 GHz para

a interconexatildeo 500nm1microm de cobre

Comparando-se as potecircncias das tabelas 47 48 411 413 verifica-se que natildeo haacute

alteraccedilatildeo na potecircncia total dissipada pelo circuito com interconexotildees ideais e pelos

circuitos com interconexotildees natildeo-ideais para uma mesma frequecircncia Assim eacute importante

destacar que a dissipaccedilatildeo de potecircncia das interconexotildees de SWCNT bundle e de cobre natildeo

interfere na potecircncia total dissipada pelo circuito

443 Consideraccedilotildees Finais

Apoacutes analisar as interconexotildees locais de SWCNT de SWCNT bundle e de cobre

verificou-se que as interconexotildees de SWCNT bundle possuem desempenho comparaacutevel ao

das interconexotildees de cobre Em relaccedilatildeo agraves interconexotildees intermediaacuterias as de SWCNT

bundle apresentam desempenho superior agraves de cobre Jaacute as interconexotildees de SWCNT

isolado tanto para interconexotildees locais como para interconexotildees intermediaacuterias

apresentam desempenho inferior agraves interconexotildees de SWCNT bundle e de cobre natildeo

sendo propiacutecias a serem utilizadas em interconexotildees de circuitos integrados

Na anaacutelise das interconexotildees natildeo-ideais na rede H-tree clock mono-eleacutetron para a

frequecircncia de 10GHz observou-se que o niacutevel loacutegico baixo o niacutevel loacutegico alto o tempo de

subida o slew rate de subida a atenuaccedilatildeo do sinal e a potecircncia total dissipada por cada

porta inversora permanecem os mesmos em relaccedilatildeo agrave interconexatildeo ideal mostrando que

45

para esta frequecircncia as interconexotildees natildeo-ideais natildeo interferem nestes paracircmetros Jaacute o

atraso na propagaccedilatildeo do sinal no caso do cobre aumenta agrave medida que as interconexotildees

aumentam de comprimento aumentando tambeacutem o produto atraso-potecircncia No entanto

estes paracircmetros natildeo satildeo afetados pelas interconexotildees de SWCNT bundle indicando que

este material se sobressai em relaccedilatildeo ao cobre

Jaacute para a rede H-tree clock mono-eleacutetron a 100GHz observou-se que o circuito com

interconexotildees natildeo-ideais afetou bastante os paracircmetros em anaacutelise se comparados aos

obtidos para interconexotildees ideais Verificou-se que as distorccedilotildees provocadas pelas

interconexotildees de cobre foram significativas indicando que as interconexotildees de SWCNT

bundle possuem melhor desempenho que as de cobre

Assim constata-se que as interconexotildees de SWCNT bundle satildeo fortes candidatas a

substituirem as interconexotildees de cobre em circuitos em escala giga (GSI) e tera (TSI)

46

5 CONCLUSOtildeES

Nesta dissertaccedilatildeo o estudo das interconexotildees de SWCNT de SWCNT bundle e de cobre

foi realizado analisando e comparando os seus desempenhos para diferentes

comprimentos A partir desse estudo verificou-se que as interconexotildees de SWCNT bundle

possui desempenho comparaacutevel ao das interconexotildees de cobre no caso de interconexotildees

locais Em relaccedilatildeo agraves interconexotildees intermediaacuterias as de SWCNT bundle apresentam

desempenho superior agraves de cobre

As interconexotildees de SWCNT bundle e as interconexotildees de cobre foram entatildeo simuladas na

rede H-tree clock de dois niacuteveis para diferentes comprimentos e frequecircncias Nos pontos

de destino final da rede foram colocadas portas inversoras formadas por SETs permitindo

a anaacutelise de circuitos nanoeletrocircnicos

A partir da anaacutelise da rede H-tree clock observou-se que as interconexotildees de SWCNT

bundle possuem desempenho melhor que as de cobre principalmente em relaccedilatildeo ao slew

rate agrave atenuaccedilatildeo ao tempo de atraso e ao produto atraso-potecircncia Aleacutem disso a

dissipaccedilatildeo de potecircncia das interconexotildees natildeo-ideais natildeo interferem na potecircncia total

dissipada pelo circuito Assim as interconexotildees de SWCNT bundle satildeo fortes candidatas a

substituirem as interconexotildees de cobre em circuitos em escala giga (GSI) e tera (TSI)

Como perspectivas futuras eacute importante analisar o efeito das interconexotildees de nanotubo de

carbono em circuitos GSI e TSI com outras arquiteturas A anaacutelise das interconexotildees de

CNT tambeacutem deve ser feita em circuitos com tecnologia MOS permitindo a comparaccedilatildeo

entre diferentes tecnologias Aleacutem disso eacute interessante estudar outros tipos de materiais

que possam ser utilizados como interconexotildees em circuitos integrados

47

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53

7 APEcircNDICES

71 TABELAS COMPLEMENTARES

Tabela 71 Paracircmetros obtidos a partir do modelo de SWCNT isolado

L RQ (Ω) RS (Ω) LCNT (10-9

H) CCNT (10-18

F)

10 nm 645103 - 40010

-2 27910

-1

100 nm 645103 - 40010

-1 279

200 nm 645103 - 80010

-1 558

300 nm 645103 - 120 837

400 nm 645103 - 160 11210

1

500 nm 645103 - 200 14010

1

600 nm 645103 - 240 16710

1

700 nm 645103 - 280 19510

1

800 nm 645103 - 320 22310

1

900 nm 645103 - 360 25110

1

1 microm 645103 - 400 27910

1

10 microm 645103 64510

4 40010

1 27910

2

100 microm 645103 64510

5 40010

2 27910

3

200 microm 645103 12910

6 80010

2 55810

3

300 microm 645103 19410

6 12010

3 83710

3

400 microm

645103 25810

6 16010

3 11210

4

500 microm

645103 32310

6 20010

3 14010

4

Tabela 72 Paracircmetros obtidos a partir do modelo de SWCNT bundle

L RQ (Ω) RS (Ω) LBundle(10-9

H) CBundle(10-18

F)

10 nm 1075 - 66710-5

135

100 nm 1075 - 66710-4

135101

200 nm 1075 - 13310-3

270101

300 nm 1075 - 20010-3

405101

400 nm 1075 - 26710-3

540101

500 nm 1075 - 33310-3

675101

600 nm 1075 - 40010-3

810101

700 nm 1075 - 46710-3

945101

800 nm 1075 - 53310-3

108102

900 nm 1075 - 60010-3

122102

1 microm 1075 - 66710-3

135102

10 microm 1075 108102 66710

-2 13510

3

100 microm 1075 108103 66710

-1 13510

4

200 microm 1075 215103 133 27010

4

300 microm 1075 323103 200 40510

4

400 microm

1075 430103 267 54010

4

500 microm

1075 538103 333 67510

4

54

Tabela 73 Paracircmetros obtidos a partir do modelo de cobre

L RCu (Ω) LCu (10-9

H) CCu (10-18

F)

10 nm 06 37310-6

150

100 nm 60 63610-5

150101

200 nm 120 17510-4

300101

300 nm 180 30910-4

450101

400 nm 240 45410-4

600101

500 nm 300 61110-4

750101

600 nm 360 77510-4

900101

700 nm 420 94610-4

105102

800 nm 480 11210-3

120102

900 nm 540 13110-3

135102

1 microm 600 14910-3

150102

10 microm 60102 24010

-2 15010

3

100 microm 60103 33210

-1 15010

4

200 microm 12104 72010

-1 30010

4

300 microm 18104 113 45010

4

400 microm

24104 155 60010

4

500 microm

30104 198 75010

4

55

Tabela 74 Frequecircncia em -3dB das interconexotildees locais

Comprimento Material f-3dB

10 nm SWCNT isolado 253 GHz

SWCNT bundle 66 THz

Cobre 232 THz

100 nm SWCNT isolado 300 GHz

SWCNT bundle 20 THz

Cobre 51 THz

200 nm SWCNT isolado 342 GHz

SWCNT bundle 14 THz

Cobre 29 THz

300 nm SWCNT isolado 344 GHz

SWCNT bundle 11 THz

Cobre 20 THz

400 nm SWCNT isolado 329 GHz

SWCNT bundle 89 THz

Cobre 15 THz

500 nm SWCNT isolado 307 GHz

SWCNT bundle 76 THz

Cobre 12 THz

600 nm SWCNT isolado 288 GHz

SWCNT bundle 67 THz

Cobre 94 THz

700 nm SWCNT isolado 271 GHz

SWCNT bundle 61 THz

Cobre 76 THz

800 nm SWCNT isolado 255 GHz

SWCNT bundle 55 THz

Cobre 63 THz

900 nm SWCNT isolado 240 GHz

SWCNT bundle 51 THz

Cobre 52 THz

1 microm SWCNT isolado 230 GHz

SWCNT bundle 47 THz

Cobre 42 THz

56

Tabela 75 Frequecircncia em -3dB das interconexotildees intermediaacuterias

Comprimento Material f-3dB

10 microm SWCNT isolado 26 GHz

SWCNT bundle 527 GHz

Cobre 34 GHz

100 microm SWCNT isolado 32 MHz

SWCNT bundle 42 GHz

Cobre 345 MHz

200 microm SWCNT isolado 82 MHz

SWCNT bundle 10 GHz

Cobre 87 MHz

300 microm SWCNT isolado 36 MHz

SWCNT bundle 455 MHz

Cobre 38 MHz

400 microm SWCNT isolado 21 MHz

SWCNT bundle 256 MHz

Cobre 21 MHz

500 microm SWCNT isolado 13 MHz

SWCNT bundle 165 MHz

Cobre 14 MHz

57

8 ANEXOS

81 COacuteDIGO SPICE DO SET [44]

Transistor mono-eleacutetron (SET) conexotildees fonte | dreno | | porta1 | | | porta2 | | | | SUBCKT SET 1 2 3 4 PARAMS +C1=1E-20 Capacitacircncia da junccedilatildeo 1 +C2=1E-20 Capacitacircncia da junccedilatildeo 2 +R1=1E5 Resistecircncia da junccedilatildeo 1 +R2=1E5 Resistecircncia da junccedilatildeo 2 +Cg1=015E-18 Capacitacircncia da junccedilatildeo 1 +Cg2=0 Capacitacircncia da junccedilatildeo 2 +C0=0 Capacitacircncia proacutepria da ilha +Q0=005 Carga offset em unidades de e +TEMP=300 Temperatura PARAM E=160217733E-19 Carga do eleacutetron (e) PARAM CSUM=C1+C2+Cg1+Cg2+C0 Capacitacircncia total do SET PARAM T=TEMPCSUM53785467E14 Temperatura normalizada 53785467E14 = kBe^2 PARAM RN1=R1(R1+R2) Resistecircncia da junccedilatildeo 1 normalizada PARAM RN2=R2(R1+R2) Resistecircncia da junccedilatildeo 2 normalizada FUNC Q(v1v2v3v4) (Cg1v3+Cg2v4+C1v1+C2v2)E+Q0 Definiccedilatildeo da carga em unidades de e FUNC VN(v) CSUMvE Tensatildeo normalizada FUNC GAMMA(u) IF(T==0IF(ult0-u0)IF(u==0Tu(EXP(uT)-1))) FUNC N_OPT(v1v2v3v4) ROUND(-Q(v1v2v3v4)+(CSUME) (v1RN2+v2RN1)) A maior probabilidade de carga na ilha em unidades de e Os quarto eventos tuacuteneis FUNC R1L(nv1v2v3v4) GAMMA(05 - n - Q(v1v2v3v4) + VN(v1))RN1 FUNC R1R(nv1v2v3v4) GAMMA(05 + n + Q(v1v2v3v4) - VN(v1))RN1 FUNC R2L(nv1v2v3v4) GAMMA(05 + n + Q(v1v2v3v4) - VN(v2))RN2 FUNC R2R(nv1v2v3v4) GAMMA(05 - n - Q(v1v2v3v4) + VN(v2))RN2

58

determinaccedilatildeo das probabilidades relativas assume-se inicialmente que o estado da carga N_OPT tem probabilidade relativa igual a um FUNC PN_1(nv1v2v3v4) (R1L(nv1v2v3v4)+R2R(nv1v2v3v4))(R1R(n-1v1v2v3v4)+R2L(n-1v1v2v3v4)) FUNC PN_2(nv1v2v3v4) PN_1(nv1v2v3v4) +(R1L(n-1v1v2v3v4)+R2R(n-1v1v2v3v4))(R1R(n-2v1v2v3v4)+R2L(n-2v1v2v3v4)) FUNC PN_3(nv1v2v3v4) PN_2(nv1v2v3v4) +(R1L(n-2v1v2v3v4)+R2R(n-2v1v2v3v4))(R1R(n-3v1v2v3v4)+R2L(n-3v1v2v3v4)) FUNC PN_4(nv1v2v3v4) PN_3(nv1v2v3v4) +(R1L(n-3v1v2v3v4)+R2R(n-3v1v2v3v4))(R1R(n-4v1v2v3v4)+R2L(n-4v1v2v3v4)) FUNC PN_5(nv1v2v3v4) PN_4(nv1v2v3v4) +(R1L(n-4v1v2v3v4)+R2R(n-4v1v2v3v4))(R1R(n-5v1v2v3v4)+R2L(n-5v1v2v3v4)) FUNC PN1(nv1v2v3v4) (R2L(nv1v2v3v4) +R1R(nv1v2v3v4))(R2R(n+1v1v2v3v4)+R1L(n+1v1v2v3v4)) FUNC PN2(nv1v2v3v4) PN1(nv1v2v3v4) +(R2L(n+1v1v2v3v4)+R1R(n+1v1v2v3v4))(R2R(n+2v1v2v3v4)+R1L(n+2v1v2v3v4)) FUNC PN3(nv1v2v3v4) PN2(nv1v2v3v4) +(R2L(n+2v1v2v3v4)+R1R(n+2v1v2v3v4))(R2R(n+3v1v2v3v4)+R1L(n+3v1v2v3v4)) FUNC PN4(nv1v2v3v4) PN3(nv1v2v3v4) +(R2L(n+3v1v2v3v4)+R1R(n+3v1v2v3v4))(R2R(n+4v1v2v3v4)+R1L(n+4v1v2v3v4)) FUNC PN5(nv1v2v3v4) PN4(nv1v2v3v4) +(R2L(n+4v1v2v3v4)+R1R(n+4v1v2v3v4))(R2R(n+5v1v2v3v4)+R1L(n+5v1v2v3v4)) FUNC PSUM(nv1v2v3v4) PN_5(nv1v2v3v4)+PN_4(nv1v2v3v4)+PN_3(nv1v2v3v4)+PN_2(nv1v2v3v4) ++PN_1(nv1v2v3v4)+1+PN1(nv1v2v3v4)+PN2(nv1v2v3v4)+PN3(nv1v2v3v4) ++PN4(nv1v2v3v4)+PN5(nv1v2v3v4)

59

caacutelculo da corrente da fonte para o dreno FUNC CUR(nv1v2v3v4) PN_5(nv1v2v3v4)(R1R(n-5v1v2v3v4)-R1L(n-5v1v2v3v4)) ++PN_4(nv1v2v3v4)(R1R(n-4v1v2v3v4)-R1L(n-4v1v2v3v4)) ++PN_3(nv1v2v3v4)(R1R(n-3v1v2v3v4)-R1L(n-3v1v2v3v4)) ++PN_2(nv1v2v3v4)(R1R(n-2v1v2v3v4)-R1L(n-2v1v2v3v4)) ++PN_1(nv1v2v3v4)(R1R(n-1v1v2v3v4)-R1L(n-1v1v2v3v4)) ++(R1R(nv1v2v3v4)-R1L(nv1v2v3v4)) ++PN1(nv1v2v3v4)(R1R(n+1v1v2v3v4)-R1L(n+1v1v2v3v4)) ++PN2(nv1v2v3v4)(R1R(n+2v1v2v3v4)-R1L(n+2v1v2v3v4)) ++PN3(nv1v2v3v4)(R1R(n+3v1v2v3v4)-R1L(n+3v1v2v3v4)) ++PN4(nv1v2v3v4)(R1R(n+4v1v2v3v4)-R1L(n+4v1v2v3v4)) ++PN5(nv1v2v3v4)(R1R(n+5v1v2v3v4)-R1L(n+5v1v2v3v4)) FUNC CURRENT(nv1v2v3v4) ECUR(nv1v2v3v4)(CSUMPSUM(nv1v2v3v4)(R1+R2)) caacutelculo da tensatildeo da ilha FUNC VOLT(nv1v2v3v4) PN_5(nv1v2v3v4)(n-5+Q(v1v2v3v4)) ++PN_4(nv1v2v3v4)(n-4+Q(v1v2v3v4)) ++PN_3(nv1v2v3v4)(n-3+Q(v1v2v3v4)) ++PN_2(nv1v2v3v4)(n-2+Q(v1v2v3v4)) ++PN_1(nv1v2v3v4)(n-1+Q(v1v2v3v4)) ++n+Q(v1v2v3v4) ++PN1(nv1v2v3v4)(n+1+Q(v1v2v3v4)) ++PN2(nv1v2v3v4)(n+2+Q(v1v2v3v4)) ++PN3(nv1v2v3v4)(n+3+Q(v1v2v3v4)) ++PN4(nv1v2v3v4)(n+4+Q(v1v2v3v4)) ++PN5(nv1v2v3v4)(n+5+Q(v1v2v3v4)) FUNC VOLTAGE(nv1v2v3v4) (ECSUM)VOLT(nv1v2v3v4)PSUM(nv1v2v3v4) E1 5 0 VALUE= VOLTAGE(N_OPT(V(1)V(2)V(3)V(4))V(1)V(2)V(3)V(4)) Tensatildeo da ilha G1 1 2 VALUE= CURRENT(N_OPT(V(1)V(2)V(3)V(4))V(1)V(2)V(3)V(4)) Corrente da fonte para o dreno CT1 1 5 C1 CT2 2 5 C2 CGATE1 3 5 CG1 CGATE2 4 5 CG2 ENDS SET

Page 38: ANÁLISE COMPARATIVA ENTRE ... - repositorio.unb.brrepositorio.unb.br/.../1/2012_CamilaPeixotoSilvaMadeiraNogueira.pdf · Prof. Stefan Michael Blawid, ... Deus colocou esses dois

25

O LTSPICE possui vaacuterias possibilidades de simulaccedilatildeo como anaacutelise transiente anaacutelise AC

e anaacutelise DC bem como permite a simulaccedilatildeo de vaacuterios dispositivos disponiacuteveis na sua

biblioteca Aleacutem disso este software possibilita a elaboraccedilatildeo de novos esquemaacuteticos

atraveacutes de um modelo matemaacutetico ou eletrocircnico proposto O novo componente poderaacute ser

utilizado no circuito conforme seraacute feito neste trabalho utilizando-se o modelo SPICE do

SET proposto por G Lientschnig et al[4]

26

3 METODOLOGIA

31 INTRODUCcedilAtildeO

A miniaturizaccedilatildeo das interconexotildees prejudica o seu desempenho resultando no aumento

significativo do valor da resistividade da capacitacircncia de acoplamento entre vias na

dificuldade de controlar a razatildeo entre a altura e a largura do material entre outros

problemas A fim de analisar o desempenho das interconexotildees eacute necessaacuterio verificar

algumas variaacuteveis importantes como velocidade maacutexima (f-3dB) atenuaccedilatildeo (A) tempo de

atraso (td) potecircncia dissipada (P) produto atraso-potecircncia (DP) e slew rate (SR)

[111317202342]

32 ETAPAS E ESTRATEacuteGIAS ADOTADAS

Com o intuito de analisar o efeito das interconexotildees em circuitos com transistores mono-

eleacutetron foi realizada primeiramente a anaacutelise das interconexotildees de SWCNT de SWCNT

bundle e de cobre isoladamente para diferentes valores de comprimento Apoacutes a avaliaccedilatildeo

desses resultados o efeito das interconexotildees foi analisado no H-tree clock com inversores

mono-eleacutetron nos seus terminais tambeacutem considerando diferentes comprimentos Neste

trabalho a tecnologia de 22 nm prevista para o ano de 2016 [21] foi utilizada na

comparaccedilatildeo entre o desempenho do cobre e do CNT Todas as simulaccedilotildees foram realizadas

utilizando o software LTSPICE

321 Simulaccedilatildeo das interconexotildees

A partir dos modelos das interconexotildees de SWCNT SWCNT bundle e cobre apresentados

na subseccedilatildeo 213 diferentes comprimentos das interconexotildees foram simulados Assim

analisou-se as interconexotildees locais em que l le 1 μm e as intermediaacuterias em que 1 μm lt l

le 500 μm sabendo que l eacute o comprimento da interconexatildeo [29-31333638]

A fim de analisar a frequumlecircncia de corte este foi obtido para comprimentos de

interconexotildees locais (10nm 100nm 200nm 300nm 400nm 500nm 600nm 700nm

27

800nm 900nm 1μm) e interconexotildees intermediaacuterias (10μm 100μm 200μm 300μm

400μm 500μm)

Jaacute que λCNT eacute tipicamente 1 μm foram escolhidos trecircs comprimentos na faixa lCNT le λCNT

(10 nm 100 nm e 1 μm) e trecircs comprimentos na faixa lCNT gt λCNT (10 μm 100 μm 500

μm) para serem analisados detalhadamente Escolheu-se uma mesma frequecircncia abaixo da

frequecircncia de corte dos trecircs materiais considerados para analisar e comparar a atenuaccedilatildeo

(A) e o tempo de atraso na propagaccedilatildeo (td) dos diferentes comprimentos

Em seguida o mesmo procedimento foi feito para comparar somente o SWCNT bundle e o

cobre para uma mesma frequecircncia cujo valor eacute maior que a frequecircncia da anaacutelise anterior

permitindo que estes dois materiais sejam analisados detalhadamente

Essas anaacutelises foram realizadas a partir da simulaccedilatildeo do circuito da Figura 31 [2325] A

tensatildeo de entrada Vin eacute uma onda quadrada de 1V de amplitude e o capacitor de carga tem

o valor de 100 aF

Figura 31 ndash Circuito simulado para cada interconexatildeo

A Figura 32 mostra o fluxograma das etapas descritas nesta subseccedilatildeo 321

28

Figura 32 ndash Fluxograma das etapas seguidas na simulaccedilatildeo das interconexotildees

322 Simulaccedilatildeo do inversor mono-eleacutetron

Para utilizar a porta inversora da Figura 215 nos terminais do H-tree clock foi necessaacuterio

primeiramente simular o SET proposto por [4] Essa simulaccedilatildeo foi feita variando os

paracircmetros do SET como as resistecircncias e capacitacircncias das junccedilotildees as capacitacircncias de

porta a temperatura etc Os paracircmetros foram variados ateacute simular o SET a temperatura

de 300K Em seguida simulou-se a inversora da Figura 215 tambeacutem a temperatura

ambiente Dessa forma foi possiacutevel simular a inversora isoladamente obtendo as

caracteriacutesticas do sinal de saiacuteda

323 Simulaccedilatildeo do H-tree clock mono-eleacutetron

Apoacutes a simulaccedilatildeo do SET foi possiacutevel simular o H-tree clock A rede H-tree de dois niacuteveis

foi simulada com um H no primeiro niacutevel e quatro H‟s no segundo niacutevel [49] Nos pontos

de destino final da rede foram colocadas portas inversoras formadas por SETs permitindo

a anaacutelise de circuitos nanoeletrocircnicos

Modelos de SWCNT

SWCNT bundle e cobre

Obtenccedilatildeo dos paracircmetros dos modelos para

interconexotildees locais e interconexotildees intermediaacuterias

Para cada comprimento

obtenccedilatildeo de f-3dB

1ordm) Escolha de frequumlecircncia abaixo

da f-3dB do SWCNT SWCNT

bundle e cobre

2ordm) Escolha de frequumlecircncia abaixo

da f-3dB do SWCNT bundle e

cobre

Obtenccedilatildeo de A e td de

cada modelo

Obtenccedilatildeo de A e td de

cada modelo

Anaacutelise comparativa entre o

SWCNT SWCNT bundle e

cobre

Anaacutelise comparativa entre o

SWCNT bundle e cobre

Estudo de interconexotildees locais (10nm

100nm 1μm) e intermediaacuterias (10μm

100μm 500μm)

29

A partir da simulaccedilatildeo do H-tree clock obteve-se a frequecircncia em -3dB (f-3dB) da rede com

interconexotildees ideais Assim a rede H-tree foi entatildeo simulada para duas frequecircncias

diferentes do sinal de entrada abaixo da frequecircncia de -3dB 10 GHz e 100 GHz Com

essas simulaccedilotildees obtiveram-se as seguintes caracteriacutesticas do sinal de saiacuteda da inversora

niacutevel loacutegico baixo (NB) niacutevel loacutegico alto (NA) tempo de subida (tr) slew rate de subida

(SR) atenuaccedilatildeo (A) tempo de atraso (td) potecircncia dissipada (P) e produto atraso-potecircncia

(DP) As caracteriacutesticas obtidas servem como referecircncia para analisar o sinal considerando

interconexotildees natildeo-ideais ou seja incluindo os modelos das interconexotildees nas simulaccedilotildees

Em seguida a rede H-tree foi simulada considerando-se os modelos das interconexotildees de

SWCNT bundle e de cobre variando os seus comprimentos Como cada H da rede de

distribuiccedilatildeo deve ser simeacutetrico considerou-se que cada divisatildeo do H tem o mesmo

comprimento para cada niacutevel da rede [11] A Figura 33 mostra o comprimento dos

diferentes trechos da rede Assim o comprimento de cada divisatildeo dos H‟s do segundo

niacutevel eacute a metade do comprimento de cada divisatildeo do H do primeiro niacutevel Jaacute que o objetivo

eacute simular circuitos em escala nanomeacutetrica escolheu-se trecircs variaccedilotildees de comprimento

menores ou iguais a 1μm

l = 100 nm l2 = 50 nm

l = 400 nm l2 = 200 nm

l = 1 μm l2 = 500 nm

Figura 33 ndash Esquemaacutetico do H-tree clock com os comprimentos de cada seguimento

Dessa forma cada um dos trecircs circuitos foi simulado obtendo-se a frequecircncia em -3dB na

entrada das portas inversoras Em seguida as trecircs redes foram simuladas para as mesmas

30

duas frequumlecircncias do sinal de entrada (10 GHz e 100 GHz) de forma a obter as

caracteriacutesticas do sinal de saiacuteda descritas anteriormente considerando agora o efeito das

interconexotildees

Por fim a partir dos dados obtidos foram realizadas comparaccedilotildees entre as caracteriacutesticas

do sinal de saiacuteda de referecircncia (interconexotildees ideais) e o sinal de saiacuteda dos circuitos com as

interconexotildees natildeo-ideais bem como entre o comportamento das interconexotildees de SWCNT

bundle e de cobre nas diferentes frequecircncias

A Figura 34 mostra o fluxograma das etapas descritas nas subseccedilotildees 322 e 323

Figura 34 ndash Fluxograma das etapas seguidas na simulaccedilatildeo do H-tree clock

H-tree clock mono-eleacutetron

Simulaccedilatildeo do H-tree clock com

interconexotildees ideais Obtenccedilatildeo de f-3dB

da inversora

Simulaccedilatildeo do H-tree clock com

interconexotildees natildeo-ideais para os seguintes

comprimentos

l = 100 nm l2 = 50 nm

l = 400 nm l2 = 200 nm

l = 1 μm l2 = 500 nm

Validaccedilatildeo do SET e do

inversor mono-eleacutetron a

300K

Sinal de entrada a

10 GHz

Sinal de entrada a

100 GHz

Obtenccedilatildeo de NB

NA tr SR A td P e

DP do sinal de saiacuteda

da inversora

Obtenccedilatildeo de NB

NA tr SR A td P e

DP do sinal de saiacuteda

da inversora

Sinal de entrada a

10 GHz

Sinal de entrada a

100 GHz

Obtenccedilatildeo de NB

NA tr SR A td P e

DP do sinal de saiacuteda

da inversora

Obtenccedilatildeo de NB

NA tr SR A td P e

DP do sinal de saiacuteda

da inversora

Anaacutelise comparativa

dos dados obtidos

31

4 RESULTADOS E ANAacuteLISES

41 INTRODUCcedilAtildeO

Neste capiacutetulo seratildeo apresentados os procedimentos adotados e os resultados obtidos na

simulaccedilatildeo das interconexotildees SWCNT SWCNT bundle e cobre As etapas descritas na

metodologia foram seguidas obtendo-se os resultados das simulaccedilotildees das interconexotildees e

das simulaccedilotildees do H-tree clock mono-eleacutetron para interconexotildees ideais e natildeo-ideais A

partir dos resultados a anaacutelise do desempenho das interconexotildees seraacute apresentada

42 ANAacuteLISE DAS INTERCONEXOtildeES

Nesta seccedilatildeo a anaacutelise das interconexotildees de SWCNT SWCNT bundle e cobre na

tecnologia de 22 nm para diferentes comprimentos seraacute realizada Para isso analisou-se

as interconexotildees locais em que l le 1 μm e as intermediaacuterias em que 1 μm lt l le 500 μm

sabendo que l eacute o comprimento da interconexatildeo [29-31333638] Como λCNT eacute

tipicamente 1 μm trecircs comprimentos na faixa lCNT le λCNT (10 nm 100 nm e 1 μm) e trecircs

comprimentos na faixa lCNT gt λCNT (10 μm 100 μm 500 μm) de cada material seratildeo

analisados detalhadamente Os paracircmetros obtidos a partir dos modelos de SWCNT

SWCNT bundle e cobre estatildeo respectivamente nas Tabelas 71 72 e 73 do Apecircndice

421 Interconexotildees locais

Primeiramente a partir da simulaccedilatildeo da Figura 31 obteve-se a frequecircncia em -3dB (f-3dB)

das interconexotildees locais (lCNT le λCNT ) isto eacute a sua banda passante de forma a verificar a

velocidade maacutexima que cada interconexatildeo suporta A Figura 41 ilustra o comportamento

da frequecircncia das interconexotildees locais para os diferentes comprimentos Como o SWCNT

isolado possui valores de frequecircncia na faixa de centenas de giga Hertz ou seja menos de

um tera Hertz os valores de suas frequecircncias tambeacutem podem ser visualisados na Tabela

74 do Apecircndice

Verifica-se que agrave medida que o comprimento da interconexatildeo aumenta a frequecircncia

diminui Isso ocorre jaacute que os valores da capacitacircncia e indutacircncia aumentam com o

aumento do comprimento da interconexatildeo Esses paracircmetros satildeo decisivos no sinal de

32

saiacuteda sendo o sinal mais distorcido quanto maior for o valor desses paracircmetros Observa-

se que o SWCNT bundle e o cobre possuem banda passante maiores que o SWCNT

isolado para qualquer comprimento Aleacutem disso o SWCNT bundle soacute possui uma banda

passante comparaacutevel ao do cobre para comprimentos acima de 700 nm

Frequecircncia X Comprimento

0

10

20

30

40

50

60

100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

Comprimento (nm)

f -3d

B (

TH

z)

SWCNT Isolado

SWCNT bundle

Cobre

Figura 41 ndash Frequumlecircncia versus comprimento das interconexotildees locais

As interconexotildees locais de 10 nm 100 nm e 1 μm de comprimento foram analisadas

detalhadamente A Tabela 41 mostra a frequecircncia em -3dB de cada material para os

comprimentos em anaacutelise

Tabela 41 Frequecircncia em -3dB de cada material para lCNT le λCNT

Interconexatildeo Local Comprimento (L) Material f-3dB

SWCNT isolado 253 GHz

10nm SWCNT bundle 66 THz

Cobre 232 THz

SWCNT isolado 300 GHz

lCNT le λCNT 100nm SWCNT bundle 20 THz

Cobre 51 THz

SWCNT isolado 230 GHz

1microm SWCNT bundle 47 THz

Cobre 42 THz

Assim escolheu-se uma mesma frequecircncia abaixo da frequecircncia de corte dos trecircs

materiais considerados para analisar e comparar a atenuaccedilatildeo (A) e o tempo de atraso na

propagaccedilatildeo (td) dos trecircs comprimentos Isso permite verificar o comportamento do sinal na

banda passante A Tabela 42 mostra esse estudo comparativo entre o SWCNT isolado

SWCNT bundle e cobre agrave frequecircncia de 200 GHz

33

Tabela 42 Estudo das interconexotildees com comprimentos na faixa lCNT le λCNT

Freq L Material A (dB) td (ps)

SWCNT isolado -210 046

10nm SWCNT bundle 001 000

Cobre 000 000

SWCNT isolado -155 051

200 GHz 100nm SWCNT bundle 001 000

Cobre 001 000

SWCNT isolado -039 107

1microm SWCNT bundle 006 001

Cobre 000 007

A partir da anaacutelise da Tabela 42 eacute possiacutevel observar agrave frequumlecircncia de 200 GHz a

atenuaccedilatildeo do sinal e o atraso do SWCNT isolado Nessa frequumlecircncia o atraso do SWCNT

isolado eacute significativo em relaccedilatildeo ao periacuteodo do sinal que eacute 5ps jaacute que o menor atraso

(para l = 10nm) eacute aproximadamente 10 do periacuteodo do sinal de entrada No entanto para

esta mesma frequumlecircncia observa-se que a atenuaccedilatildeo e o atraso do SWCNT bundle e do

cobre satildeo insignificantes Isto indica que estes dois materiais possuem melhor

desempenho sendo favoraacuteveis para serem utilizados em interconexotildees locais

Dessa forma para analisar melhor a atenuaccedilatildeo e o tempo de atraso do SWCNT bundle e do

cobre o mesmo procedimento foi feito comparando-se somente estes dois materiais para

uma mesma frequecircncia de 1 THz A Tabela 43 mostra esse estudo comparativo entre o

SWCNT bundle e cobre

Tabela 43 Estudo das interconexotildees SWCNT bundle e cobre com comprimentos na faixa

lCNT le λCNT

Freq L Material A (dB) td (fs)

10nm SWCNT bundle 001 113

Cobre 000 022

1 THz 100nm SWCNT bundle 006 136

Cobre 001 240

1microm SWCNT bundle 145 647

Cobre -013 5623

Analisando a Tabela 43 observa-se que agrave frequumlecircncia de 1 THz a atenuaccedilatildeo do sinal e o

atraso aumentam agrave medida que o comprimento das interconexotildees aumentam A partir do

comprimento de 100nm o tempo de atraso da interconexatildeo de cobre eacute maior que o do

SWCNT bundle cujo maior valor de atraso (para l = 1microm) natildeo chega a 1 do periacuteodo do

34

sinal de entrada (1ps) Isso mostra que apesar de a banda passante do cobre ser maior o

atraso do SWCNT bundle eacute menor Dessa forma para as interconexotildees locais o SWCNT

bundle possui desempenho comparaacutevel ao do cobre [13]

Em relaccedilatildeo agrave atenuaccedilatildeo verifica-se que para alguns comprimentos este tem valor

positivo Isso ocorre principalmente quando haacute um pico no graacutefico da frequumlecircncia antes dele

comeccedilar a decair Esse pico eacute devido ao efeito ressonante provocado pela indutacircncia

quando este possui valor comparaacutevel agrave resistecircncia e agrave capacitacircncia da interconexatildeo [53]

Assim esse efeito ressonante foi observado somente nas interconexotildees locais de SWCNT

bundle e de cobre A Figura 42 ilustra o graacutefico da magnitude pela frequumlecircncia do SWCNT

isolado SWCNT bundle e cobre para o comprimento de 100nm Observa-se o efeito

ressonante nos graacuteficos do SWCNT bundle e do cobre

Figura 42 ndash Graacuteficos da magnitude das interconexotildees de SWCNT isolado (superior)

SWCNT bundle (meio) e cobre (inferior) com comprimento de 100nm

35

422 Interconexotildees intermediaacuterias

Assim como para as interconexotildees locais obteve-se a frequecircncia em -3dB (f-3dB) das

interconexotildees intermediaacuterias (lCNT gt λCNT) de forma a verificar a velocidade maacutexima que

cada interconexatildeo suporta A Figura 43 ilustra o comportamento da frequecircncia das

interconexotildees intermediaacuterias para os diferentes comprimentos Os valores das frequecircncias

de cada interconexatildeo tambeacutem podem ser visualisados na Tabela 75 do Apecircndice

Como nas interconexotildees locais agrave medida que o comprimento da interconexatildeo aumenta a

frequecircncia diminui Aleacutem disso o SWCNT bundle e o cobre possuem desempenho melhor

que o do SWCNT isolado para qualquer comprimento No entanto para interconexotildees

intermediaacuterias o SWCNT bundle possui banda passante maior que a do cobre para

qualquer comprimento

Frequecircncia X Comprimento

00

05

10

15

20

25

30

35

40

45

100 200 300 400 500

Comprimento (μm)

f -3d

B (

GH

z)

SWCNT isolado

SWCNT bundle

Cobre

Figura 43 ndash Frequumlecircncia versus comprimento das interconexotildees intermediaacuterias

As interconexotildees intermediaacuterias de 10 μm 100 μm e 500 μm de comprimento foram entatildeo

analisadas detalhadamente A Tabela 44 mostra a frequecircncia em -3dB de cada materal

para os diferentes comprimentos em anaacutelise

36

Tabela 44 Frequecircncia em -3dB de cada material para lCNT gt λCNT

Interconexatildeo

Intermediaacuteria

Comprimento (L) Material f-3dB

SWCNT isolado 26 GHz

10 microm SWCNT bundle 527 GHz

Cobre 34 GHz

SWCNT isolado 32 MHz

lCNT gt λCNT 100 microm SWCNT bundle 42 GHz

Cobre 345 MHz

SWCNT isolado 13 MHz

500 microm SWCNT bundle 165 MHz

Cobre 14 MHz

Escolheu-se a frequecircncia de 1 MHz que estaacute abaixo da frequecircncia de corte dos trecircs

materiais considerados para analisar e comparar a atenuaccedilatildeo (A) e o tempo de atraso na

propagaccedilatildeo (td) dos trecircs comprimentos A Tabela 45 mostra esse estudo comparativo entre

o SWCNT isolado SWCNT bundle e cobre

Tabela 45 Estudo das interconexotildees com comprimentos na faixa lCNT gt λCNT

Freq L Material A (dB) td (ns)

SWCNT isolado -002 008

10 microm SWCNT bundle 000 000

Cobre 000 000

SWCNT isolado -003 559

1 MHz 100 microm SWCNT bundle -001 005

Cobre -004 056

SWCNT isolado -198 10217

500 microm SWCNT bundle 000 110

Cobre -003 1301

Com base na Tabela 45 observa-se que a atenuaccedilatildeo e o tempo de atraso do SWCNT

isolado aumentam com o aumento do comprimento da interconexatildeo Nessa frequumlecircncia o

atraso na propagaccedilatildeo do SWCNT isolado eacute significativo em relaccedilatildeo ao periacuteodo do sinal de

entrada que eacute 1micros chegando a mais de 10 deste periacuteodo para o comprimento de 500microm

Verifica-se tambeacutem o aumento do tempo de atraso da interconexatildeo de cobre sendo 13

do periacuteodo do sinal de entrada para o comprimento de 500microm

Para analisar melhor a atenuaccedilatildeo e o tempo de atraso do SWCNT bundle e do cobre o

mesmo procedimento foi feito comparando-se somente estes dois materiais para uma

37

mesma frequecircncia de 10 MHz A Tabela 46 mostra esse estudo comparativo entre o

SWCNT bundle e cobre

Tabela 46 Estudo das interconexotildees SWCNT bundle e cobre com comprimentos na faixa

lCNT gt λCNT

Freq L Material A (dB) td (ns)

10 microm SWCNT bundle 000 000

Cobre 000 000

10 MHz 100 microm SWCNT bundle -001 005

Cobre -004 054

500 microm SWCNT bundle -004 107

Cobre -185 1024

Analisando a Tabela 46 observa-se que agrave medida que o comprimento das interconexotildees

aumenta a atenuaccedilatildeo e o atraso do sinal da interconexatildeo de cobre tornam-se significativos

O atraso na propagaccedilatildeo da interconexatildeo de cobre para l = 500microm chega a 10 do periacuteodo

do sinal de entrada (100ns) Jaacute o SWCNT bundle apresenta valores insignificantes de

atenuaccedilatildeo e atraso na propagaccedilatildeo Assim para as interconexotildees intermediaacuterias o SWCNT

bundle possui desempenho superior ao do cobre

43 SIMULACcedilAtildeO DO INVERSOR MONO-ELEacuteTRON

O modelo SPICE do SET proposto por G Lientschnig et al [444] foi simulado no

LTSPICE A partir da equaccedilatildeo (226) foi possiacutevel aumentar a temperatura do SET ateacute

chegar a 300K Assim o esquemaacutetico do SET e os valores de seus paracircmetros para que o

SET opere a 300K estatildeo na Figura 44 No anexo deste trabalho (subseccedilatildeo 81) encontra-

se o coacutedigo SET que foi utilizado [44] Os paracircmetros R1 C1 e R2 C2 correspondem agraves

resistecircncias e capacitacircncias das junccedilotildees-tuacutenel Cg eacute a capacitacircncia de porta (Cg1 no coacutedigo

SET) Vg eacute a tensatildeo de porta e V eacute a tensatildeo de entrada

Figura 44 Esquemaacutetico do SET e os valores de seus paracircmetros

38

A partir destes valores o inversor mono-eleacutetron foi construiacutedo colocando-se dois SETs em

seacuterie os quais compartilham da mesma entrada A Figura 45 ilustra o esquemaacutetico do

inversor mono-eleacutetron juntamente com os valores de seus paracircmetros fixos em que Vin eacute a

tensatildeo de entrada Vout eacute a tensatildeo de saiacuteda Vbias eacute a tensatildeo de polarizaccedilatildeo Cc eacute a

capacitacircncia de carga Cg1 e Cg2 satildeo as capacitacircncias de porta do SET 1 e do SET 2

respectivamente

Figura 45 Esquemaacutetico do inversor mono-eleacutetron e os valores de seus paracircmetros

(modificado de [4])

Assim apoacutes simular o inversor mono-eleacutetron a 300K obteve-se o sinal de saiacuteda mostrado

na Figura 46 Como o inversor estaacute invertendo o sinal de entrada de valor loacutegico baixo em

um sinal de saiacuteda de valor loacutegico alto ele estaacute operando corretamente

Figura 46 Curva do sinal de entrada (em verde) e do sinal de saiacuteda (em preto) do inversor

mono-eleacutetron

39

44 ANAacuteLISE DAS INTERCONEXOtildeES NO H-TREE CLOCK MONO-ELEacuteTRON

Nesta seccedilatildeo a rede H-tree clock de dois niacuteveis foi simulada com portas inversoras mono-

eleacutetron nos pontos de destino final da rede permitindo a anaacutelise de circuitos

nanoeletrocircnicos Simulou-se a rede H-tree considerando interconexotildees ideais para as

frequecircncias de 10 GHz e 100 GHz no sinal de entrada Em seguida para as mesmas duas

frequecircncias considerou-se interconexotildees natildeo-ideais de diferentes comprimentos

analisando a rede com os modelos de interconexatildeo SWCNT bundle e cobre Trecircs redes

com comprimentos de interconexotildees diferentes foram analisadas

l = 100 nm l2 = 50 nm

l = 400 nm l2 = 200 nm

l = 1 μm l2 = 500 nm

441 Anaacutelise da rede com interconexotildees ideais

A partir da simulaccedilatildeo do H-tree clock a frequecircncia em -3dB (f-3dB) da rede com

interconexotildees ideais foi obtida Na saiacuteda de cada porta inversora a banda passante do sinal

eacute 3200 GHz Dessa forma duas frequecircncias abaixo de 3200 GHz foram escolhidas para

analisar o sinal de saiacuteda da inversora em condiccedilotildees ideais As frequecircncias de 10 GHz e

100 GHz seratildeo analisadas obtendo-se as seguintes caracteriacutesticas do sinal de saiacuteda da

inversora niacutevel loacutegico baixo (NB) niacutevel loacutegico alto (NA) tempo de subida (tr) slew rate

de subida (SR) atenuaccedilatildeo (A) e tempo de atraso (td) A Tabela 47 mostra os valores

obtidos para as duas frequecircncias em anaacutelise

Tabela 47 Caracteriacutesticas dos sinais de saiacuteda da rede para interconexotildees ideais

Freq NB(mV) NA(mV) tr (ps) SR(Vns) A(dB) td (ps)

10 GHz 675 4518 356 8636 -264 412

100 GHz 678 4279 317 9088 -269 189

Os caacutelculos da potecircncia estaacutetica ( IVP DDE ) potecircncia dinacircmica ( CVfP DDD 2 ) e

potecircncia total ( DE PPP ) dissipada por cada porta inversora foram realizados bem

como o produto atraso-potecircncia (DP) Assim a Tabela 48 mostra os valores obtidos no

40

caacutelculo destes paracircmetros Como a potecircncia estaacutetica independe da frequecircncia do sinal de

entrada o seu valor eacute o mesmo nos dois casos

Tabela 48 Potecircncia dissipada por cada porta inversora para interconexotildees ideais

Frequecircncia PE (nW) PD (nW) P (nW) DP (10-18

Wmiddots)

10 GHz 4838 125 4963 020

100 GHz 4838 125 6088 012

As Tabelas 47 e 48 serviratildeo de referecircncia para as anaacutelises da rede com interconexotildees natildeo-

ideais analisadas na subseccedilatildeo seguinte As Figuras 47 e 48 ilustram o sinal de saiacuteda das

redes com frequecircncias de 10 GHz e de 100 GHz respectivamente Eacute possiacutevel observar que

na frequecircncia de 100 GHz o sinal de saiacuteda jaacute eacute distorcido em relaccedilatildeo ao sinal de referecircncia

(Figura 46)

Figura 47 Sinal de entrada (em verde) e sinal de saiacuteda (em preto) da rede a 10 GHz

Figura 48 Sinal de entrada (em verde) e sinal de saiacuteda (em preto) da rede a 100 GHz

41

442 Anaacutelise da rede com interconexotildees natildeo-ideais

Apoacutes obter as caracteriacutesticas da rede H-tree clock com interconexotildees ideais a anaacutelise da

rede com interconexotildees natildeo-ideais seraacute feita Primeiramente eacute importante verificar a

frequecircncia em -3dB do sinal depois das interconexotildees ou seja na entrada da porta

inversora Caso essa frequecircncia seja menor que a frequecircncia de 3200 GHz obtida com

interconexotildees ideais entatildeo a interconexatildeo afetaraacute o comportamento da rede A Tabela 49

mostra a frequecircncia em -3dB na entrada da inversora para interconexotildees natildeo-ideais

Tabela 49 Frequecircncia em -3dB na entrada da inversora para interconexotildees natildeo-ideais

Comprimentos (l2 l) Material f-3dB

50nm 100nm SWCNT bundle 122 THz

Cobre 175 THz

200nm 400nm SWCNT bundle 31 THz

Cobre 8606 GHz

500nm 1microm SWCNT bundle 12 THz

Cobre 1268 GHz

Assim verifica-se que a interconexatildeo de cobre da rede 500nm1microm possui frequecircncia em

-3dB abaixo da frequecircncia do circuito com interconexatildeo ideal (3200 GHz) Isso indica que

esta interconexatildeo interfere significativamente no comportamento da rede A Tabela 49

mostra tambeacutem que a banda passante da interconexatildeo de cobre soacute eacute maior que a da

interconexatildeo de SWCNT bundle no primeiro caso na rede de 50nm100nm o que mostra

uma vantagem do SWCNT bundle em relaccedilatildeo ao cobre A partir dessas informaccedilotildees a

rede H-tree clock com interconexotildees natildeo-ideais seraacute analisada detalhadamente

4421 Anaacutelise da rede a 10 GHz

As redes com interconexotildees natildeo-ideais seratildeo analisadas na frequecircncia de 10 GHz para

diferentes comprimentos Primeiramente o niacutevel loacutegico baixo (NB) o niacutevel loacutegico alto

(NA) o tempo de subida (tr) e o slew rate de subida (SR) foram obtidos conforme mostra a

Tabela 410 Com base nessa tabela verifica-se que na frequecircncia de 10 GHz essas

caracteriacutesticas natildeo foram modificadas pelas interconexotildees natildeo-ideais independentemente

do comprimento Os valores dos paracircmetros satildeo iguais aos obtidos na rede com

interconexatildeo ideal conforme Tabela 47 O sinal obtido na saiacuteda de cada inversor eacute igual

ao ilustrado na Figura 47

42

Tabela 410 Niacuteveis loacutegicos tempo de subida e slew rate dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 10 GHz

Freq L (l2l) Material NB(mV) NA(mV) tr(ps) SR(Vns)

10

GHz

50nm

100nm

SWCNT bundle 675 4518 356 8636

Cobre 675 4518 356 8636

200nm

400nm

SWCNT bundle 675 4518 356 8636

Cobre 675 4518 356 8636

500nm

1microm

SWCNT bundle 675 4518 356 8636

Cobre 675 4518 356 8636

A Tabela 411 mostra a atenuaccedilatildeo tempo de atraso potecircncia total dissipada e o produto

atraso-potecircncia obtidos a frequecircncia de 10 GHz para interconexotildees natildeo-ideais Observa-se

que a atenuaccedilatildeo do sinal e a potecircncia total dissipada por cada porta inversora permanecem

os mesmos em relaccedilatildeo agrave interconexatildeo ideal mostrando que a essa frequecircncia as

interconexotildees natildeo-ideais natildeo interferem nestes paracircmetros

Jaacute o atraso na propagaccedilatildeo do sinal no caso do cobre aumenta agrave medida que as

interconexotildees aumentam de comprimento aumentando tambeacutem o produto atraso-potecircncia

Esse atraso chega a 66 do periacuteodo do sinal de entrada para a interconexatildeo 500nm1microm

de cobre No entanto estes paracircmetros natildeo satildeo afetados pelas interconexotildees de SWCNT

bundle indicando que este material se sobressai em relaccedilatildeo ao cobre

Tabela 411 Atenuaccedilatildeo atraso potecircncia e produto atraso-potecircncia dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 10 GHz

Freq L (l2l) Material A (dB) td (ps) P (nW) DP(10-18

Wmiddots)

10

GHz

50nm

100nm

SWCNT bundle -264 412 4963 020

Cobre -264 412 4963 020

200nm

400nm

SWCNT bundle -264 412 4963 020

Cobre -264 438 4963 022

500nm

1microm

SWCNT bundle -264 412 4963 020

Cobre -264 659 4963 033

4422 Anaacutelise da rede a 100 GHz

As redes com interconexotildees natildeo-ideais seratildeo analisadas na frequecircncia de 100 GHz para

diferentes comprimentos O niacutevel loacutegico baixo (NB) o niacutevel loacutegico alto (NA) o tempo de

subida (tr) e o slew rate de subida (SR) foram obtidos conforme mostra a Tabela 412 Jaacute a

43

Tabela 413 mostra a atenuaccedilatildeo tempo de atraso potecircncia total dissipada e o produto

atraso-potecircncia obtidos a frequecircncia de 100 GHz para interconexotildees natildeo-ideais

Tabela 412 Niacuteveis loacutegicos tempo de subida e slew rate dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 100 GHz

Freq L (l2l) Material NB(mV) NA(mV) tr(ps) SR(Vns)

100

GHz

50nm

100nm

SWCNT bundle 678 4272 316 9099

Cobre 675 4277 323 9107

200nm

400nm

SWCNT bundle 678 4299 315 9196

Cobre 677 4089 289 9447

500nm

1microm

SWCNT bundle 678 4418 300 9973

Cobre 635 1766 102 6795

Tabela 413 Atenuaccedilatildeo atraso potecircncia e produto atraso-potecircncia dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 100 GHz

Freq L (l2l) Material A (dB) td (ps) P (nW) DP(10-18

Wmiddots)

100

GHz

50nm

100nm

SWCNT bundle -2703 189 6088 012

Cobre -2685 191 6088 012

200nm

400nm

SWCNT bundle -2693 188 6088 012

Cobre -2698 228 6088 014

500nm

1microm

SWCNT bundle -2673 174 6088 011

Cobre -2893 388 6088 024

A partir das Tabelas 412 e 413 o SWCNT bundle seraacute analisado Observa-se que os seus

niacuteveis loacutegicos altos aumentam com o aumento do comprimento das interconexotildees

aumentando tambeacutem o slew rate de subida Esse comportamento ocorre provavelmente

devido ao efeito ressonante provocado pela indutacircncia que provoca um pico no graacutefico da

frequumlecircncia antes dele comeccedilar a decair conforme explicado na subseccedilatildeo 421 Isso implica

na diminuiccedilatildeo da atenuaccedilatildeo do sinal e do atraso No entanto o produto atraso-potecircncia

permanece praticamente invariaacutevel jaacute que a potecircncia total dissipada natildeo se altera

Em relaccedilatildeo agraves interconexotildees de cobre verifica-se que as distorccedilotildees satildeo significativas Agrave

medida que o comprimento aumenta a atenuaccedilatildeo do sinal de saiacuteda aumenta Isso provoca

diminuiccedilatildeo no slew rate do sinal o que natildeo eacute desejado jaacute que o sinal demora mais para

atingir o niacutevel loacutegico alto Aleacutem disso o atraso na propagaccedilatildeo do sinal aumenta bastante

chegando a 388 do periacuteodo do sinal de entrada para a interconexatildeo 500nm1microm

Consequentemente o produto atraso-potecircncia tambeacutem aumenta sendo o dobro do valor de

44

referecircncia (interconexotildees ideais) A Figura 49 ilustra o sinal de saiacuteda da interconexatildeo

500nm1microm de cobre

Figura 49 Sinal de entrada (em verde) e sinal de saiacuteda (em preto) da rede a 100 GHz para

a interconexatildeo 500nm1microm de cobre

Comparando-se as potecircncias das tabelas 47 48 411 413 verifica-se que natildeo haacute

alteraccedilatildeo na potecircncia total dissipada pelo circuito com interconexotildees ideais e pelos

circuitos com interconexotildees natildeo-ideais para uma mesma frequecircncia Assim eacute importante

destacar que a dissipaccedilatildeo de potecircncia das interconexotildees de SWCNT bundle e de cobre natildeo

interfere na potecircncia total dissipada pelo circuito

443 Consideraccedilotildees Finais

Apoacutes analisar as interconexotildees locais de SWCNT de SWCNT bundle e de cobre

verificou-se que as interconexotildees de SWCNT bundle possuem desempenho comparaacutevel ao

das interconexotildees de cobre Em relaccedilatildeo agraves interconexotildees intermediaacuterias as de SWCNT

bundle apresentam desempenho superior agraves de cobre Jaacute as interconexotildees de SWCNT

isolado tanto para interconexotildees locais como para interconexotildees intermediaacuterias

apresentam desempenho inferior agraves interconexotildees de SWCNT bundle e de cobre natildeo

sendo propiacutecias a serem utilizadas em interconexotildees de circuitos integrados

Na anaacutelise das interconexotildees natildeo-ideais na rede H-tree clock mono-eleacutetron para a

frequecircncia de 10GHz observou-se que o niacutevel loacutegico baixo o niacutevel loacutegico alto o tempo de

subida o slew rate de subida a atenuaccedilatildeo do sinal e a potecircncia total dissipada por cada

porta inversora permanecem os mesmos em relaccedilatildeo agrave interconexatildeo ideal mostrando que

45

para esta frequecircncia as interconexotildees natildeo-ideais natildeo interferem nestes paracircmetros Jaacute o

atraso na propagaccedilatildeo do sinal no caso do cobre aumenta agrave medida que as interconexotildees

aumentam de comprimento aumentando tambeacutem o produto atraso-potecircncia No entanto

estes paracircmetros natildeo satildeo afetados pelas interconexotildees de SWCNT bundle indicando que

este material se sobressai em relaccedilatildeo ao cobre

Jaacute para a rede H-tree clock mono-eleacutetron a 100GHz observou-se que o circuito com

interconexotildees natildeo-ideais afetou bastante os paracircmetros em anaacutelise se comparados aos

obtidos para interconexotildees ideais Verificou-se que as distorccedilotildees provocadas pelas

interconexotildees de cobre foram significativas indicando que as interconexotildees de SWCNT

bundle possuem melhor desempenho que as de cobre

Assim constata-se que as interconexotildees de SWCNT bundle satildeo fortes candidatas a

substituirem as interconexotildees de cobre em circuitos em escala giga (GSI) e tera (TSI)

46

5 CONCLUSOtildeES

Nesta dissertaccedilatildeo o estudo das interconexotildees de SWCNT de SWCNT bundle e de cobre

foi realizado analisando e comparando os seus desempenhos para diferentes

comprimentos A partir desse estudo verificou-se que as interconexotildees de SWCNT bundle

possui desempenho comparaacutevel ao das interconexotildees de cobre no caso de interconexotildees

locais Em relaccedilatildeo agraves interconexotildees intermediaacuterias as de SWCNT bundle apresentam

desempenho superior agraves de cobre

As interconexotildees de SWCNT bundle e as interconexotildees de cobre foram entatildeo simuladas na

rede H-tree clock de dois niacuteveis para diferentes comprimentos e frequecircncias Nos pontos

de destino final da rede foram colocadas portas inversoras formadas por SETs permitindo

a anaacutelise de circuitos nanoeletrocircnicos

A partir da anaacutelise da rede H-tree clock observou-se que as interconexotildees de SWCNT

bundle possuem desempenho melhor que as de cobre principalmente em relaccedilatildeo ao slew

rate agrave atenuaccedilatildeo ao tempo de atraso e ao produto atraso-potecircncia Aleacutem disso a

dissipaccedilatildeo de potecircncia das interconexotildees natildeo-ideais natildeo interferem na potecircncia total

dissipada pelo circuito Assim as interconexotildees de SWCNT bundle satildeo fortes candidatas a

substituirem as interconexotildees de cobre em circuitos em escala giga (GSI) e tera (TSI)

Como perspectivas futuras eacute importante analisar o efeito das interconexotildees de nanotubo de

carbono em circuitos GSI e TSI com outras arquiteturas A anaacutelise das interconexotildees de

CNT tambeacutem deve ser feita em circuitos com tecnologia MOS permitindo a comparaccedilatildeo

entre diferentes tecnologias Aleacutem disso eacute interessante estudar outros tipos de materiais

que possam ser utilizados como interconexotildees em circuitos integrados

47

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53

7 APEcircNDICES

71 TABELAS COMPLEMENTARES

Tabela 71 Paracircmetros obtidos a partir do modelo de SWCNT isolado

L RQ (Ω) RS (Ω) LCNT (10-9

H) CCNT (10-18

F)

10 nm 645103 - 40010

-2 27910

-1

100 nm 645103 - 40010

-1 279

200 nm 645103 - 80010

-1 558

300 nm 645103 - 120 837

400 nm 645103 - 160 11210

1

500 nm 645103 - 200 14010

1

600 nm 645103 - 240 16710

1

700 nm 645103 - 280 19510

1

800 nm 645103 - 320 22310

1

900 nm 645103 - 360 25110

1

1 microm 645103 - 400 27910

1

10 microm 645103 64510

4 40010

1 27910

2

100 microm 645103 64510

5 40010

2 27910

3

200 microm 645103 12910

6 80010

2 55810

3

300 microm 645103 19410

6 12010

3 83710

3

400 microm

645103 25810

6 16010

3 11210

4

500 microm

645103 32310

6 20010

3 14010

4

Tabela 72 Paracircmetros obtidos a partir do modelo de SWCNT bundle

L RQ (Ω) RS (Ω) LBundle(10-9

H) CBundle(10-18

F)

10 nm 1075 - 66710-5

135

100 nm 1075 - 66710-4

135101

200 nm 1075 - 13310-3

270101

300 nm 1075 - 20010-3

405101

400 nm 1075 - 26710-3

540101

500 nm 1075 - 33310-3

675101

600 nm 1075 - 40010-3

810101

700 nm 1075 - 46710-3

945101

800 nm 1075 - 53310-3

108102

900 nm 1075 - 60010-3

122102

1 microm 1075 - 66710-3

135102

10 microm 1075 108102 66710

-2 13510

3

100 microm 1075 108103 66710

-1 13510

4

200 microm 1075 215103 133 27010

4

300 microm 1075 323103 200 40510

4

400 microm

1075 430103 267 54010

4

500 microm

1075 538103 333 67510

4

54

Tabela 73 Paracircmetros obtidos a partir do modelo de cobre

L RCu (Ω) LCu (10-9

H) CCu (10-18

F)

10 nm 06 37310-6

150

100 nm 60 63610-5

150101

200 nm 120 17510-4

300101

300 nm 180 30910-4

450101

400 nm 240 45410-4

600101

500 nm 300 61110-4

750101

600 nm 360 77510-4

900101

700 nm 420 94610-4

105102

800 nm 480 11210-3

120102

900 nm 540 13110-3

135102

1 microm 600 14910-3

150102

10 microm 60102 24010

-2 15010

3

100 microm 60103 33210

-1 15010

4

200 microm 12104 72010

-1 30010

4

300 microm 18104 113 45010

4

400 microm

24104 155 60010

4

500 microm

30104 198 75010

4

55

Tabela 74 Frequecircncia em -3dB das interconexotildees locais

Comprimento Material f-3dB

10 nm SWCNT isolado 253 GHz

SWCNT bundle 66 THz

Cobre 232 THz

100 nm SWCNT isolado 300 GHz

SWCNT bundle 20 THz

Cobre 51 THz

200 nm SWCNT isolado 342 GHz

SWCNT bundle 14 THz

Cobre 29 THz

300 nm SWCNT isolado 344 GHz

SWCNT bundle 11 THz

Cobre 20 THz

400 nm SWCNT isolado 329 GHz

SWCNT bundle 89 THz

Cobre 15 THz

500 nm SWCNT isolado 307 GHz

SWCNT bundle 76 THz

Cobre 12 THz

600 nm SWCNT isolado 288 GHz

SWCNT bundle 67 THz

Cobre 94 THz

700 nm SWCNT isolado 271 GHz

SWCNT bundle 61 THz

Cobre 76 THz

800 nm SWCNT isolado 255 GHz

SWCNT bundle 55 THz

Cobre 63 THz

900 nm SWCNT isolado 240 GHz

SWCNT bundle 51 THz

Cobre 52 THz

1 microm SWCNT isolado 230 GHz

SWCNT bundle 47 THz

Cobre 42 THz

56

Tabela 75 Frequecircncia em -3dB das interconexotildees intermediaacuterias

Comprimento Material f-3dB

10 microm SWCNT isolado 26 GHz

SWCNT bundle 527 GHz

Cobre 34 GHz

100 microm SWCNT isolado 32 MHz

SWCNT bundle 42 GHz

Cobre 345 MHz

200 microm SWCNT isolado 82 MHz

SWCNT bundle 10 GHz

Cobre 87 MHz

300 microm SWCNT isolado 36 MHz

SWCNT bundle 455 MHz

Cobre 38 MHz

400 microm SWCNT isolado 21 MHz

SWCNT bundle 256 MHz

Cobre 21 MHz

500 microm SWCNT isolado 13 MHz

SWCNT bundle 165 MHz

Cobre 14 MHz

57

8 ANEXOS

81 COacuteDIGO SPICE DO SET [44]

Transistor mono-eleacutetron (SET) conexotildees fonte | dreno | | porta1 | | | porta2 | | | | SUBCKT SET 1 2 3 4 PARAMS +C1=1E-20 Capacitacircncia da junccedilatildeo 1 +C2=1E-20 Capacitacircncia da junccedilatildeo 2 +R1=1E5 Resistecircncia da junccedilatildeo 1 +R2=1E5 Resistecircncia da junccedilatildeo 2 +Cg1=015E-18 Capacitacircncia da junccedilatildeo 1 +Cg2=0 Capacitacircncia da junccedilatildeo 2 +C0=0 Capacitacircncia proacutepria da ilha +Q0=005 Carga offset em unidades de e +TEMP=300 Temperatura PARAM E=160217733E-19 Carga do eleacutetron (e) PARAM CSUM=C1+C2+Cg1+Cg2+C0 Capacitacircncia total do SET PARAM T=TEMPCSUM53785467E14 Temperatura normalizada 53785467E14 = kBe^2 PARAM RN1=R1(R1+R2) Resistecircncia da junccedilatildeo 1 normalizada PARAM RN2=R2(R1+R2) Resistecircncia da junccedilatildeo 2 normalizada FUNC Q(v1v2v3v4) (Cg1v3+Cg2v4+C1v1+C2v2)E+Q0 Definiccedilatildeo da carga em unidades de e FUNC VN(v) CSUMvE Tensatildeo normalizada FUNC GAMMA(u) IF(T==0IF(ult0-u0)IF(u==0Tu(EXP(uT)-1))) FUNC N_OPT(v1v2v3v4) ROUND(-Q(v1v2v3v4)+(CSUME) (v1RN2+v2RN1)) A maior probabilidade de carga na ilha em unidades de e Os quarto eventos tuacuteneis FUNC R1L(nv1v2v3v4) GAMMA(05 - n - Q(v1v2v3v4) + VN(v1))RN1 FUNC R1R(nv1v2v3v4) GAMMA(05 + n + Q(v1v2v3v4) - VN(v1))RN1 FUNC R2L(nv1v2v3v4) GAMMA(05 + n + Q(v1v2v3v4) - VN(v2))RN2 FUNC R2R(nv1v2v3v4) GAMMA(05 - n - Q(v1v2v3v4) + VN(v2))RN2

58

determinaccedilatildeo das probabilidades relativas assume-se inicialmente que o estado da carga N_OPT tem probabilidade relativa igual a um FUNC PN_1(nv1v2v3v4) (R1L(nv1v2v3v4)+R2R(nv1v2v3v4))(R1R(n-1v1v2v3v4)+R2L(n-1v1v2v3v4)) FUNC PN_2(nv1v2v3v4) PN_1(nv1v2v3v4) +(R1L(n-1v1v2v3v4)+R2R(n-1v1v2v3v4))(R1R(n-2v1v2v3v4)+R2L(n-2v1v2v3v4)) FUNC PN_3(nv1v2v3v4) PN_2(nv1v2v3v4) +(R1L(n-2v1v2v3v4)+R2R(n-2v1v2v3v4))(R1R(n-3v1v2v3v4)+R2L(n-3v1v2v3v4)) FUNC PN_4(nv1v2v3v4) PN_3(nv1v2v3v4) +(R1L(n-3v1v2v3v4)+R2R(n-3v1v2v3v4))(R1R(n-4v1v2v3v4)+R2L(n-4v1v2v3v4)) FUNC PN_5(nv1v2v3v4) PN_4(nv1v2v3v4) +(R1L(n-4v1v2v3v4)+R2R(n-4v1v2v3v4))(R1R(n-5v1v2v3v4)+R2L(n-5v1v2v3v4)) FUNC PN1(nv1v2v3v4) (R2L(nv1v2v3v4) +R1R(nv1v2v3v4))(R2R(n+1v1v2v3v4)+R1L(n+1v1v2v3v4)) FUNC PN2(nv1v2v3v4) PN1(nv1v2v3v4) +(R2L(n+1v1v2v3v4)+R1R(n+1v1v2v3v4))(R2R(n+2v1v2v3v4)+R1L(n+2v1v2v3v4)) FUNC PN3(nv1v2v3v4) PN2(nv1v2v3v4) +(R2L(n+2v1v2v3v4)+R1R(n+2v1v2v3v4))(R2R(n+3v1v2v3v4)+R1L(n+3v1v2v3v4)) FUNC PN4(nv1v2v3v4) PN3(nv1v2v3v4) +(R2L(n+3v1v2v3v4)+R1R(n+3v1v2v3v4))(R2R(n+4v1v2v3v4)+R1L(n+4v1v2v3v4)) FUNC PN5(nv1v2v3v4) PN4(nv1v2v3v4) +(R2L(n+4v1v2v3v4)+R1R(n+4v1v2v3v4))(R2R(n+5v1v2v3v4)+R1L(n+5v1v2v3v4)) FUNC PSUM(nv1v2v3v4) PN_5(nv1v2v3v4)+PN_4(nv1v2v3v4)+PN_3(nv1v2v3v4)+PN_2(nv1v2v3v4) ++PN_1(nv1v2v3v4)+1+PN1(nv1v2v3v4)+PN2(nv1v2v3v4)+PN3(nv1v2v3v4) ++PN4(nv1v2v3v4)+PN5(nv1v2v3v4)

59

caacutelculo da corrente da fonte para o dreno FUNC CUR(nv1v2v3v4) PN_5(nv1v2v3v4)(R1R(n-5v1v2v3v4)-R1L(n-5v1v2v3v4)) ++PN_4(nv1v2v3v4)(R1R(n-4v1v2v3v4)-R1L(n-4v1v2v3v4)) ++PN_3(nv1v2v3v4)(R1R(n-3v1v2v3v4)-R1L(n-3v1v2v3v4)) ++PN_2(nv1v2v3v4)(R1R(n-2v1v2v3v4)-R1L(n-2v1v2v3v4)) ++PN_1(nv1v2v3v4)(R1R(n-1v1v2v3v4)-R1L(n-1v1v2v3v4)) ++(R1R(nv1v2v3v4)-R1L(nv1v2v3v4)) ++PN1(nv1v2v3v4)(R1R(n+1v1v2v3v4)-R1L(n+1v1v2v3v4)) ++PN2(nv1v2v3v4)(R1R(n+2v1v2v3v4)-R1L(n+2v1v2v3v4)) ++PN3(nv1v2v3v4)(R1R(n+3v1v2v3v4)-R1L(n+3v1v2v3v4)) ++PN4(nv1v2v3v4)(R1R(n+4v1v2v3v4)-R1L(n+4v1v2v3v4)) ++PN5(nv1v2v3v4)(R1R(n+5v1v2v3v4)-R1L(n+5v1v2v3v4)) FUNC CURRENT(nv1v2v3v4) ECUR(nv1v2v3v4)(CSUMPSUM(nv1v2v3v4)(R1+R2)) caacutelculo da tensatildeo da ilha FUNC VOLT(nv1v2v3v4) PN_5(nv1v2v3v4)(n-5+Q(v1v2v3v4)) ++PN_4(nv1v2v3v4)(n-4+Q(v1v2v3v4)) ++PN_3(nv1v2v3v4)(n-3+Q(v1v2v3v4)) ++PN_2(nv1v2v3v4)(n-2+Q(v1v2v3v4)) ++PN_1(nv1v2v3v4)(n-1+Q(v1v2v3v4)) ++n+Q(v1v2v3v4) ++PN1(nv1v2v3v4)(n+1+Q(v1v2v3v4)) ++PN2(nv1v2v3v4)(n+2+Q(v1v2v3v4)) ++PN3(nv1v2v3v4)(n+3+Q(v1v2v3v4)) ++PN4(nv1v2v3v4)(n+4+Q(v1v2v3v4)) ++PN5(nv1v2v3v4)(n+5+Q(v1v2v3v4)) FUNC VOLTAGE(nv1v2v3v4) (ECSUM)VOLT(nv1v2v3v4)PSUM(nv1v2v3v4) E1 5 0 VALUE= VOLTAGE(N_OPT(V(1)V(2)V(3)V(4))V(1)V(2)V(3)V(4)) Tensatildeo da ilha G1 1 2 VALUE= CURRENT(N_OPT(V(1)V(2)V(3)V(4))V(1)V(2)V(3)V(4)) Corrente da fonte para o dreno CT1 1 5 C1 CT2 2 5 C2 CGATE1 3 5 CG1 CGATE2 4 5 CG2 ENDS SET

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26

3 METODOLOGIA

31 INTRODUCcedilAtildeO

A miniaturizaccedilatildeo das interconexotildees prejudica o seu desempenho resultando no aumento

significativo do valor da resistividade da capacitacircncia de acoplamento entre vias na

dificuldade de controlar a razatildeo entre a altura e a largura do material entre outros

problemas A fim de analisar o desempenho das interconexotildees eacute necessaacuterio verificar

algumas variaacuteveis importantes como velocidade maacutexima (f-3dB) atenuaccedilatildeo (A) tempo de

atraso (td) potecircncia dissipada (P) produto atraso-potecircncia (DP) e slew rate (SR)

[111317202342]

32 ETAPAS E ESTRATEacuteGIAS ADOTADAS

Com o intuito de analisar o efeito das interconexotildees em circuitos com transistores mono-

eleacutetron foi realizada primeiramente a anaacutelise das interconexotildees de SWCNT de SWCNT

bundle e de cobre isoladamente para diferentes valores de comprimento Apoacutes a avaliaccedilatildeo

desses resultados o efeito das interconexotildees foi analisado no H-tree clock com inversores

mono-eleacutetron nos seus terminais tambeacutem considerando diferentes comprimentos Neste

trabalho a tecnologia de 22 nm prevista para o ano de 2016 [21] foi utilizada na

comparaccedilatildeo entre o desempenho do cobre e do CNT Todas as simulaccedilotildees foram realizadas

utilizando o software LTSPICE

321 Simulaccedilatildeo das interconexotildees

A partir dos modelos das interconexotildees de SWCNT SWCNT bundle e cobre apresentados

na subseccedilatildeo 213 diferentes comprimentos das interconexotildees foram simulados Assim

analisou-se as interconexotildees locais em que l le 1 μm e as intermediaacuterias em que 1 μm lt l

le 500 μm sabendo que l eacute o comprimento da interconexatildeo [29-31333638]

A fim de analisar a frequumlecircncia de corte este foi obtido para comprimentos de

interconexotildees locais (10nm 100nm 200nm 300nm 400nm 500nm 600nm 700nm

27

800nm 900nm 1μm) e interconexotildees intermediaacuterias (10μm 100μm 200μm 300μm

400μm 500μm)

Jaacute que λCNT eacute tipicamente 1 μm foram escolhidos trecircs comprimentos na faixa lCNT le λCNT

(10 nm 100 nm e 1 μm) e trecircs comprimentos na faixa lCNT gt λCNT (10 μm 100 μm 500

μm) para serem analisados detalhadamente Escolheu-se uma mesma frequecircncia abaixo da

frequecircncia de corte dos trecircs materiais considerados para analisar e comparar a atenuaccedilatildeo

(A) e o tempo de atraso na propagaccedilatildeo (td) dos diferentes comprimentos

Em seguida o mesmo procedimento foi feito para comparar somente o SWCNT bundle e o

cobre para uma mesma frequecircncia cujo valor eacute maior que a frequecircncia da anaacutelise anterior

permitindo que estes dois materiais sejam analisados detalhadamente

Essas anaacutelises foram realizadas a partir da simulaccedilatildeo do circuito da Figura 31 [2325] A

tensatildeo de entrada Vin eacute uma onda quadrada de 1V de amplitude e o capacitor de carga tem

o valor de 100 aF

Figura 31 ndash Circuito simulado para cada interconexatildeo

A Figura 32 mostra o fluxograma das etapas descritas nesta subseccedilatildeo 321

28

Figura 32 ndash Fluxograma das etapas seguidas na simulaccedilatildeo das interconexotildees

322 Simulaccedilatildeo do inversor mono-eleacutetron

Para utilizar a porta inversora da Figura 215 nos terminais do H-tree clock foi necessaacuterio

primeiramente simular o SET proposto por [4] Essa simulaccedilatildeo foi feita variando os

paracircmetros do SET como as resistecircncias e capacitacircncias das junccedilotildees as capacitacircncias de

porta a temperatura etc Os paracircmetros foram variados ateacute simular o SET a temperatura

de 300K Em seguida simulou-se a inversora da Figura 215 tambeacutem a temperatura

ambiente Dessa forma foi possiacutevel simular a inversora isoladamente obtendo as

caracteriacutesticas do sinal de saiacuteda

323 Simulaccedilatildeo do H-tree clock mono-eleacutetron

Apoacutes a simulaccedilatildeo do SET foi possiacutevel simular o H-tree clock A rede H-tree de dois niacuteveis

foi simulada com um H no primeiro niacutevel e quatro H‟s no segundo niacutevel [49] Nos pontos

de destino final da rede foram colocadas portas inversoras formadas por SETs permitindo

a anaacutelise de circuitos nanoeletrocircnicos

Modelos de SWCNT

SWCNT bundle e cobre

Obtenccedilatildeo dos paracircmetros dos modelos para

interconexotildees locais e interconexotildees intermediaacuterias

Para cada comprimento

obtenccedilatildeo de f-3dB

1ordm) Escolha de frequumlecircncia abaixo

da f-3dB do SWCNT SWCNT

bundle e cobre

2ordm) Escolha de frequumlecircncia abaixo

da f-3dB do SWCNT bundle e

cobre

Obtenccedilatildeo de A e td de

cada modelo

Obtenccedilatildeo de A e td de

cada modelo

Anaacutelise comparativa entre o

SWCNT SWCNT bundle e

cobre

Anaacutelise comparativa entre o

SWCNT bundle e cobre

Estudo de interconexotildees locais (10nm

100nm 1μm) e intermediaacuterias (10μm

100μm 500μm)

29

A partir da simulaccedilatildeo do H-tree clock obteve-se a frequecircncia em -3dB (f-3dB) da rede com

interconexotildees ideais Assim a rede H-tree foi entatildeo simulada para duas frequecircncias

diferentes do sinal de entrada abaixo da frequecircncia de -3dB 10 GHz e 100 GHz Com

essas simulaccedilotildees obtiveram-se as seguintes caracteriacutesticas do sinal de saiacuteda da inversora

niacutevel loacutegico baixo (NB) niacutevel loacutegico alto (NA) tempo de subida (tr) slew rate de subida

(SR) atenuaccedilatildeo (A) tempo de atraso (td) potecircncia dissipada (P) e produto atraso-potecircncia

(DP) As caracteriacutesticas obtidas servem como referecircncia para analisar o sinal considerando

interconexotildees natildeo-ideais ou seja incluindo os modelos das interconexotildees nas simulaccedilotildees

Em seguida a rede H-tree foi simulada considerando-se os modelos das interconexotildees de

SWCNT bundle e de cobre variando os seus comprimentos Como cada H da rede de

distribuiccedilatildeo deve ser simeacutetrico considerou-se que cada divisatildeo do H tem o mesmo

comprimento para cada niacutevel da rede [11] A Figura 33 mostra o comprimento dos

diferentes trechos da rede Assim o comprimento de cada divisatildeo dos H‟s do segundo

niacutevel eacute a metade do comprimento de cada divisatildeo do H do primeiro niacutevel Jaacute que o objetivo

eacute simular circuitos em escala nanomeacutetrica escolheu-se trecircs variaccedilotildees de comprimento

menores ou iguais a 1μm

l = 100 nm l2 = 50 nm

l = 400 nm l2 = 200 nm

l = 1 μm l2 = 500 nm

Figura 33 ndash Esquemaacutetico do H-tree clock com os comprimentos de cada seguimento

Dessa forma cada um dos trecircs circuitos foi simulado obtendo-se a frequecircncia em -3dB na

entrada das portas inversoras Em seguida as trecircs redes foram simuladas para as mesmas

30

duas frequumlecircncias do sinal de entrada (10 GHz e 100 GHz) de forma a obter as

caracteriacutesticas do sinal de saiacuteda descritas anteriormente considerando agora o efeito das

interconexotildees

Por fim a partir dos dados obtidos foram realizadas comparaccedilotildees entre as caracteriacutesticas

do sinal de saiacuteda de referecircncia (interconexotildees ideais) e o sinal de saiacuteda dos circuitos com as

interconexotildees natildeo-ideais bem como entre o comportamento das interconexotildees de SWCNT

bundle e de cobre nas diferentes frequecircncias

A Figura 34 mostra o fluxograma das etapas descritas nas subseccedilotildees 322 e 323

Figura 34 ndash Fluxograma das etapas seguidas na simulaccedilatildeo do H-tree clock

H-tree clock mono-eleacutetron

Simulaccedilatildeo do H-tree clock com

interconexotildees ideais Obtenccedilatildeo de f-3dB

da inversora

Simulaccedilatildeo do H-tree clock com

interconexotildees natildeo-ideais para os seguintes

comprimentos

l = 100 nm l2 = 50 nm

l = 400 nm l2 = 200 nm

l = 1 μm l2 = 500 nm

Validaccedilatildeo do SET e do

inversor mono-eleacutetron a

300K

Sinal de entrada a

10 GHz

Sinal de entrada a

100 GHz

Obtenccedilatildeo de NB

NA tr SR A td P e

DP do sinal de saiacuteda

da inversora

Obtenccedilatildeo de NB

NA tr SR A td P e

DP do sinal de saiacuteda

da inversora

Sinal de entrada a

10 GHz

Sinal de entrada a

100 GHz

Obtenccedilatildeo de NB

NA tr SR A td P e

DP do sinal de saiacuteda

da inversora

Obtenccedilatildeo de NB

NA tr SR A td P e

DP do sinal de saiacuteda

da inversora

Anaacutelise comparativa

dos dados obtidos

31

4 RESULTADOS E ANAacuteLISES

41 INTRODUCcedilAtildeO

Neste capiacutetulo seratildeo apresentados os procedimentos adotados e os resultados obtidos na

simulaccedilatildeo das interconexotildees SWCNT SWCNT bundle e cobre As etapas descritas na

metodologia foram seguidas obtendo-se os resultados das simulaccedilotildees das interconexotildees e

das simulaccedilotildees do H-tree clock mono-eleacutetron para interconexotildees ideais e natildeo-ideais A

partir dos resultados a anaacutelise do desempenho das interconexotildees seraacute apresentada

42 ANAacuteLISE DAS INTERCONEXOtildeES

Nesta seccedilatildeo a anaacutelise das interconexotildees de SWCNT SWCNT bundle e cobre na

tecnologia de 22 nm para diferentes comprimentos seraacute realizada Para isso analisou-se

as interconexotildees locais em que l le 1 μm e as intermediaacuterias em que 1 μm lt l le 500 μm

sabendo que l eacute o comprimento da interconexatildeo [29-31333638] Como λCNT eacute

tipicamente 1 μm trecircs comprimentos na faixa lCNT le λCNT (10 nm 100 nm e 1 μm) e trecircs

comprimentos na faixa lCNT gt λCNT (10 μm 100 μm 500 μm) de cada material seratildeo

analisados detalhadamente Os paracircmetros obtidos a partir dos modelos de SWCNT

SWCNT bundle e cobre estatildeo respectivamente nas Tabelas 71 72 e 73 do Apecircndice

421 Interconexotildees locais

Primeiramente a partir da simulaccedilatildeo da Figura 31 obteve-se a frequecircncia em -3dB (f-3dB)

das interconexotildees locais (lCNT le λCNT ) isto eacute a sua banda passante de forma a verificar a

velocidade maacutexima que cada interconexatildeo suporta A Figura 41 ilustra o comportamento

da frequecircncia das interconexotildees locais para os diferentes comprimentos Como o SWCNT

isolado possui valores de frequecircncia na faixa de centenas de giga Hertz ou seja menos de

um tera Hertz os valores de suas frequecircncias tambeacutem podem ser visualisados na Tabela

74 do Apecircndice

Verifica-se que agrave medida que o comprimento da interconexatildeo aumenta a frequecircncia

diminui Isso ocorre jaacute que os valores da capacitacircncia e indutacircncia aumentam com o

aumento do comprimento da interconexatildeo Esses paracircmetros satildeo decisivos no sinal de

32

saiacuteda sendo o sinal mais distorcido quanto maior for o valor desses paracircmetros Observa-

se que o SWCNT bundle e o cobre possuem banda passante maiores que o SWCNT

isolado para qualquer comprimento Aleacutem disso o SWCNT bundle soacute possui uma banda

passante comparaacutevel ao do cobre para comprimentos acima de 700 nm

Frequecircncia X Comprimento

0

10

20

30

40

50

60

100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

Comprimento (nm)

f -3d

B (

TH

z)

SWCNT Isolado

SWCNT bundle

Cobre

Figura 41 ndash Frequumlecircncia versus comprimento das interconexotildees locais

As interconexotildees locais de 10 nm 100 nm e 1 μm de comprimento foram analisadas

detalhadamente A Tabela 41 mostra a frequecircncia em -3dB de cada material para os

comprimentos em anaacutelise

Tabela 41 Frequecircncia em -3dB de cada material para lCNT le λCNT

Interconexatildeo Local Comprimento (L) Material f-3dB

SWCNT isolado 253 GHz

10nm SWCNT bundle 66 THz

Cobre 232 THz

SWCNT isolado 300 GHz

lCNT le λCNT 100nm SWCNT bundle 20 THz

Cobre 51 THz

SWCNT isolado 230 GHz

1microm SWCNT bundle 47 THz

Cobre 42 THz

Assim escolheu-se uma mesma frequecircncia abaixo da frequecircncia de corte dos trecircs

materiais considerados para analisar e comparar a atenuaccedilatildeo (A) e o tempo de atraso na

propagaccedilatildeo (td) dos trecircs comprimentos Isso permite verificar o comportamento do sinal na

banda passante A Tabela 42 mostra esse estudo comparativo entre o SWCNT isolado

SWCNT bundle e cobre agrave frequecircncia de 200 GHz

33

Tabela 42 Estudo das interconexotildees com comprimentos na faixa lCNT le λCNT

Freq L Material A (dB) td (ps)

SWCNT isolado -210 046

10nm SWCNT bundle 001 000

Cobre 000 000

SWCNT isolado -155 051

200 GHz 100nm SWCNT bundle 001 000

Cobre 001 000

SWCNT isolado -039 107

1microm SWCNT bundle 006 001

Cobre 000 007

A partir da anaacutelise da Tabela 42 eacute possiacutevel observar agrave frequumlecircncia de 200 GHz a

atenuaccedilatildeo do sinal e o atraso do SWCNT isolado Nessa frequumlecircncia o atraso do SWCNT

isolado eacute significativo em relaccedilatildeo ao periacuteodo do sinal que eacute 5ps jaacute que o menor atraso

(para l = 10nm) eacute aproximadamente 10 do periacuteodo do sinal de entrada No entanto para

esta mesma frequumlecircncia observa-se que a atenuaccedilatildeo e o atraso do SWCNT bundle e do

cobre satildeo insignificantes Isto indica que estes dois materiais possuem melhor

desempenho sendo favoraacuteveis para serem utilizados em interconexotildees locais

Dessa forma para analisar melhor a atenuaccedilatildeo e o tempo de atraso do SWCNT bundle e do

cobre o mesmo procedimento foi feito comparando-se somente estes dois materiais para

uma mesma frequecircncia de 1 THz A Tabela 43 mostra esse estudo comparativo entre o

SWCNT bundle e cobre

Tabela 43 Estudo das interconexotildees SWCNT bundle e cobre com comprimentos na faixa

lCNT le λCNT

Freq L Material A (dB) td (fs)

10nm SWCNT bundle 001 113

Cobre 000 022

1 THz 100nm SWCNT bundle 006 136

Cobre 001 240

1microm SWCNT bundle 145 647

Cobre -013 5623

Analisando a Tabela 43 observa-se que agrave frequumlecircncia de 1 THz a atenuaccedilatildeo do sinal e o

atraso aumentam agrave medida que o comprimento das interconexotildees aumentam A partir do

comprimento de 100nm o tempo de atraso da interconexatildeo de cobre eacute maior que o do

SWCNT bundle cujo maior valor de atraso (para l = 1microm) natildeo chega a 1 do periacuteodo do

34

sinal de entrada (1ps) Isso mostra que apesar de a banda passante do cobre ser maior o

atraso do SWCNT bundle eacute menor Dessa forma para as interconexotildees locais o SWCNT

bundle possui desempenho comparaacutevel ao do cobre [13]

Em relaccedilatildeo agrave atenuaccedilatildeo verifica-se que para alguns comprimentos este tem valor

positivo Isso ocorre principalmente quando haacute um pico no graacutefico da frequumlecircncia antes dele

comeccedilar a decair Esse pico eacute devido ao efeito ressonante provocado pela indutacircncia

quando este possui valor comparaacutevel agrave resistecircncia e agrave capacitacircncia da interconexatildeo [53]

Assim esse efeito ressonante foi observado somente nas interconexotildees locais de SWCNT

bundle e de cobre A Figura 42 ilustra o graacutefico da magnitude pela frequumlecircncia do SWCNT

isolado SWCNT bundle e cobre para o comprimento de 100nm Observa-se o efeito

ressonante nos graacuteficos do SWCNT bundle e do cobre

Figura 42 ndash Graacuteficos da magnitude das interconexotildees de SWCNT isolado (superior)

SWCNT bundle (meio) e cobre (inferior) com comprimento de 100nm

35

422 Interconexotildees intermediaacuterias

Assim como para as interconexotildees locais obteve-se a frequecircncia em -3dB (f-3dB) das

interconexotildees intermediaacuterias (lCNT gt λCNT) de forma a verificar a velocidade maacutexima que

cada interconexatildeo suporta A Figura 43 ilustra o comportamento da frequecircncia das

interconexotildees intermediaacuterias para os diferentes comprimentos Os valores das frequecircncias

de cada interconexatildeo tambeacutem podem ser visualisados na Tabela 75 do Apecircndice

Como nas interconexotildees locais agrave medida que o comprimento da interconexatildeo aumenta a

frequecircncia diminui Aleacutem disso o SWCNT bundle e o cobre possuem desempenho melhor

que o do SWCNT isolado para qualquer comprimento No entanto para interconexotildees

intermediaacuterias o SWCNT bundle possui banda passante maior que a do cobre para

qualquer comprimento

Frequecircncia X Comprimento

00

05

10

15

20

25

30

35

40

45

100 200 300 400 500

Comprimento (μm)

f -3d

B (

GH

z)

SWCNT isolado

SWCNT bundle

Cobre

Figura 43 ndash Frequumlecircncia versus comprimento das interconexotildees intermediaacuterias

As interconexotildees intermediaacuterias de 10 μm 100 μm e 500 μm de comprimento foram entatildeo

analisadas detalhadamente A Tabela 44 mostra a frequecircncia em -3dB de cada materal

para os diferentes comprimentos em anaacutelise

36

Tabela 44 Frequecircncia em -3dB de cada material para lCNT gt λCNT

Interconexatildeo

Intermediaacuteria

Comprimento (L) Material f-3dB

SWCNT isolado 26 GHz

10 microm SWCNT bundle 527 GHz

Cobre 34 GHz

SWCNT isolado 32 MHz

lCNT gt λCNT 100 microm SWCNT bundle 42 GHz

Cobre 345 MHz

SWCNT isolado 13 MHz

500 microm SWCNT bundle 165 MHz

Cobre 14 MHz

Escolheu-se a frequecircncia de 1 MHz que estaacute abaixo da frequecircncia de corte dos trecircs

materiais considerados para analisar e comparar a atenuaccedilatildeo (A) e o tempo de atraso na

propagaccedilatildeo (td) dos trecircs comprimentos A Tabela 45 mostra esse estudo comparativo entre

o SWCNT isolado SWCNT bundle e cobre

Tabela 45 Estudo das interconexotildees com comprimentos na faixa lCNT gt λCNT

Freq L Material A (dB) td (ns)

SWCNT isolado -002 008

10 microm SWCNT bundle 000 000

Cobre 000 000

SWCNT isolado -003 559

1 MHz 100 microm SWCNT bundle -001 005

Cobre -004 056

SWCNT isolado -198 10217

500 microm SWCNT bundle 000 110

Cobre -003 1301

Com base na Tabela 45 observa-se que a atenuaccedilatildeo e o tempo de atraso do SWCNT

isolado aumentam com o aumento do comprimento da interconexatildeo Nessa frequumlecircncia o

atraso na propagaccedilatildeo do SWCNT isolado eacute significativo em relaccedilatildeo ao periacuteodo do sinal de

entrada que eacute 1micros chegando a mais de 10 deste periacuteodo para o comprimento de 500microm

Verifica-se tambeacutem o aumento do tempo de atraso da interconexatildeo de cobre sendo 13

do periacuteodo do sinal de entrada para o comprimento de 500microm

Para analisar melhor a atenuaccedilatildeo e o tempo de atraso do SWCNT bundle e do cobre o

mesmo procedimento foi feito comparando-se somente estes dois materiais para uma

37

mesma frequecircncia de 10 MHz A Tabela 46 mostra esse estudo comparativo entre o

SWCNT bundle e cobre

Tabela 46 Estudo das interconexotildees SWCNT bundle e cobre com comprimentos na faixa

lCNT gt λCNT

Freq L Material A (dB) td (ns)

10 microm SWCNT bundle 000 000

Cobre 000 000

10 MHz 100 microm SWCNT bundle -001 005

Cobre -004 054

500 microm SWCNT bundle -004 107

Cobre -185 1024

Analisando a Tabela 46 observa-se que agrave medida que o comprimento das interconexotildees

aumenta a atenuaccedilatildeo e o atraso do sinal da interconexatildeo de cobre tornam-se significativos

O atraso na propagaccedilatildeo da interconexatildeo de cobre para l = 500microm chega a 10 do periacuteodo

do sinal de entrada (100ns) Jaacute o SWCNT bundle apresenta valores insignificantes de

atenuaccedilatildeo e atraso na propagaccedilatildeo Assim para as interconexotildees intermediaacuterias o SWCNT

bundle possui desempenho superior ao do cobre

43 SIMULACcedilAtildeO DO INVERSOR MONO-ELEacuteTRON

O modelo SPICE do SET proposto por G Lientschnig et al [444] foi simulado no

LTSPICE A partir da equaccedilatildeo (226) foi possiacutevel aumentar a temperatura do SET ateacute

chegar a 300K Assim o esquemaacutetico do SET e os valores de seus paracircmetros para que o

SET opere a 300K estatildeo na Figura 44 No anexo deste trabalho (subseccedilatildeo 81) encontra-

se o coacutedigo SET que foi utilizado [44] Os paracircmetros R1 C1 e R2 C2 correspondem agraves

resistecircncias e capacitacircncias das junccedilotildees-tuacutenel Cg eacute a capacitacircncia de porta (Cg1 no coacutedigo

SET) Vg eacute a tensatildeo de porta e V eacute a tensatildeo de entrada

Figura 44 Esquemaacutetico do SET e os valores de seus paracircmetros

38

A partir destes valores o inversor mono-eleacutetron foi construiacutedo colocando-se dois SETs em

seacuterie os quais compartilham da mesma entrada A Figura 45 ilustra o esquemaacutetico do

inversor mono-eleacutetron juntamente com os valores de seus paracircmetros fixos em que Vin eacute a

tensatildeo de entrada Vout eacute a tensatildeo de saiacuteda Vbias eacute a tensatildeo de polarizaccedilatildeo Cc eacute a

capacitacircncia de carga Cg1 e Cg2 satildeo as capacitacircncias de porta do SET 1 e do SET 2

respectivamente

Figura 45 Esquemaacutetico do inversor mono-eleacutetron e os valores de seus paracircmetros

(modificado de [4])

Assim apoacutes simular o inversor mono-eleacutetron a 300K obteve-se o sinal de saiacuteda mostrado

na Figura 46 Como o inversor estaacute invertendo o sinal de entrada de valor loacutegico baixo em

um sinal de saiacuteda de valor loacutegico alto ele estaacute operando corretamente

Figura 46 Curva do sinal de entrada (em verde) e do sinal de saiacuteda (em preto) do inversor

mono-eleacutetron

39

44 ANAacuteLISE DAS INTERCONEXOtildeES NO H-TREE CLOCK MONO-ELEacuteTRON

Nesta seccedilatildeo a rede H-tree clock de dois niacuteveis foi simulada com portas inversoras mono-

eleacutetron nos pontos de destino final da rede permitindo a anaacutelise de circuitos

nanoeletrocircnicos Simulou-se a rede H-tree considerando interconexotildees ideais para as

frequecircncias de 10 GHz e 100 GHz no sinal de entrada Em seguida para as mesmas duas

frequecircncias considerou-se interconexotildees natildeo-ideais de diferentes comprimentos

analisando a rede com os modelos de interconexatildeo SWCNT bundle e cobre Trecircs redes

com comprimentos de interconexotildees diferentes foram analisadas

l = 100 nm l2 = 50 nm

l = 400 nm l2 = 200 nm

l = 1 μm l2 = 500 nm

441 Anaacutelise da rede com interconexotildees ideais

A partir da simulaccedilatildeo do H-tree clock a frequecircncia em -3dB (f-3dB) da rede com

interconexotildees ideais foi obtida Na saiacuteda de cada porta inversora a banda passante do sinal

eacute 3200 GHz Dessa forma duas frequecircncias abaixo de 3200 GHz foram escolhidas para

analisar o sinal de saiacuteda da inversora em condiccedilotildees ideais As frequecircncias de 10 GHz e

100 GHz seratildeo analisadas obtendo-se as seguintes caracteriacutesticas do sinal de saiacuteda da

inversora niacutevel loacutegico baixo (NB) niacutevel loacutegico alto (NA) tempo de subida (tr) slew rate

de subida (SR) atenuaccedilatildeo (A) e tempo de atraso (td) A Tabela 47 mostra os valores

obtidos para as duas frequecircncias em anaacutelise

Tabela 47 Caracteriacutesticas dos sinais de saiacuteda da rede para interconexotildees ideais

Freq NB(mV) NA(mV) tr (ps) SR(Vns) A(dB) td (ps)

10 GHz 675 4518 356 8636 -264 412

100 GHz 678 4279 317 9088 -269 189

Os caacutelculos da potecircncia estaacutetica ( IVP DDE ) potecircncia dinacircmica ( CVfP DDD 2 ) e

potecircncia total ( DE PPP ) dissipada por cada porta inversora foram realizados bem

como o produto atraso-potecircncia (DP) Assim a Tabela 48 mostra os valores obtidos no

40

caacutelculo destes paracircmetros Como a potecircncia estaacutetica independe da frequecircncia do sinal de

entrada o seu valor eacute o mesmo nos dois casos

Tabela 48 Potecircncia dissipada por cada porta inversora para interconexotildees ideais

Frequecircncia PE (nW) PD (nW) P (nW) DP (10-18

Wmiddots)

10 GHz 4838 125 4963 020

100 GHz 4838 125 6088 012

As Tabelas 47 e 48 serviratildeo de referecircncia para as anaacutelises da rede com interconexotildees natildeo-

ideais analisadas na subseccedilatildeo seguinte As Figuras 47 e 48 ilustram o sinal de saiacuteda das

redes com frequecircncias de 10 GHz e de 100 GHz respectivamente Eacute possiacutevel observar que

na frequecircncia de 100 GHz o sinal de saiacuteda jaacute eacute distorcido em relaccedilatildeo ao sinal de referecircncia

(Figura 46)

Figura 47 Sinal de entrada (em verde) e sinal de saiacuteda (em preto) da rede a 10 GHz

Figura 48 Sinal de entrada (em verde) e sinal de saiacuteda (em preto) da rede a 100 GHz

41

442 Anaacutelise da rede com interconexotildees natildeo-ideais

Apoacutes obter as caracteriacutesticas da rede H-tree clock com interconexotildees ideais a anaacutelise da

rede com interconexotildees natildeo-ideais seraacute feita Primeiramente eacute importante verificar a

frequecircncia em -3dB do sinal depois das interconexotildees ou seja na entrada da porta

inversora Caso essa frequecircncia seja menor que a frequecircncia de 3200 GHz obtida com

interconexotildees ideais entatildeo a interconexatildeo afetaraacute o comportamento da rede A Tabela 49

mostra a frequecircncia em -3dB na entrada da inversora para interconexotildees natildeo-ideais

Tabela 49 Frequecircncia em -3dB na entrada da inversora para interconexotildees natildeo-ideais

Comprimentos (l2 l) Material f-3dB

50nm 100nm SWCNT bundle 122 THz

Cobre 175 THz

200nm 400nm SWCNT bundle 31 THz

Cobre 8606 GHz

500nm 1microm SWCNT bundle 12 THz

Cobre 1268 GHz

Assim verifica-se que a interconexatildeo de cobre da rede 500nm1microm possui frequecircncia em

-3dB abaixo da frequecircncia do circuito com interconexatildeo ideal (3200 GHz) Isso indica que

esta interconexatildeo interfere significativamente no comportamento da rede A Tabela 49

mostra tambeacutem que a banda passante da interconexatildeo de cobre soacute eacute maior que a da

interconexatildeo de SWCNT bundle no primeiro caso na rede de 50nm100nm o que mostra

uma vantagem do SWCNT bundle em relaccedilatildeo ao cobre A partir dessas informaccedilotildees a

rede H-tree clock com interconexotildees natildeo-ideais seraacute analisada detalhadamente

4421 Anaacutelise da rede a 10 GHz

As redes com interconexotildees natildeo-ideais seratildeo analisadas na frequecircncia de 10 GHz para

diferentes comprimentos Primeiramente o niacutevel loacutegico baixo (NB) o niacutevel loacutegico alto

(NA) o tempo de subida (tr) e o slew rate de subida (SR) foram obtidos conforme mostra a

Tabela 410 Com base nessa tabela verifica-se que na frequecircncia de 10 GHz essas

caracteriacutesticas natildeo foram modificadas pelas interconexotildees natildeo-ideais independentemente

do comprimento Os valores dos paracircmetros satildeo iguais aos obtidos na rede com

interconexatildeo ideal conforme Tabela 47 O sinal obtido na saiacuteda de cada inversor eacute igual

ao ilustrado na Figura 47

42

Tabela 410 Niacuteveis loacutegicos tempo de subida e slew rate dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 10 GHz

Freq L (l2l) Material NB(mV) NA(mV) tr(ps) SR(Vns)

10

GHz

50nm

100nm

SWCNT bundle 675 4518 356 8636

Cobre 675 4518 356 8636

200nm

400nm

SWCNT bundle 675 4518 356 8636

Cobre 675 4518 356 8636

500nm

1microm

SWCNT bundle 675 4518 356 8636

Cobre 675 4518 356 8636

A Tabela 411 mostra a atenuaccedilatildeo tempo de atraso potecircncia total dissipada e o produto

atraso-potecircncia obtidos a frequecircncia de 10 GHz para interconexotildees natildeo-ideais Observa-se

que a atenuaccedilatildeo do sinal e a potecircncia total dissipada por cada porta inversora permanecem

os mesmos em relaccedilatildeo agrave interconexatildeo ideal mostrando que a essa frequecircncia as

interconexotildees natildeo-ideais natildeo interferem nestes paracircmetros

Jaacute o atraso na propagaccedilatildeo do sinal no caso do cobre aumenta agrave medida que as

interconexotildees aumentam de comprimento aumentando tambeacutem o produto atraso-potecircncia

Esse atraso chega a 66 do periacuteodo do sinal de entrada para a interconexatildeo 500nm1microm

de cobre No entanto estes paracircmetros natildeo satildeo afetados pelas interconexotildees de SWCNT

bundle indicando que este material se sobressai em relaccedilatildeo ao cobre

Tabela 411 Atenuaccedilatildeo atraso potecircncia e produto atraso-potecircncia dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 10 GHz

Freq L (l2l) Material A (dB) td (ps) P (nW) DP(10-18

Wmiddots)

10

GHz

50nm

100nm

SWCNT bundle -264 412 4963 020

Cobre -264 412 4963 020

200nm

400nm

SWCNT bundle -264 412 4963 020

Cobre -264 438 4963 022

500nm

1microm

SWCNT bundle -264 412 4963 020

Cobre -264 659 4963 033

4422 Anaacutelise da rede a 100 GHz

As redes com interconexotildees natildeo-ideais seratildeo analisadas na frequecircncia de 100 GHz para

diferentes comprimentos O niacutevel loacutegico baixo (NB) o niacutevel loacutegico alto (NA) o tempo de

subida (tr) e o slew rate de subida (SR) foram obtidos conforme mostra a Tabela 412 Jaacute a

43

Tabela 413 mostra a atenuaccedilatildeo tempo de atraso potecircncia total dissipada e o produto

atraso-potecircncia obtidos a frequecircncia de 100 GHz para interconexotildees natildeo-ideais

Tabela 412 Niacuteveis loacutegicos tempo de subida e slew rate dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 100 GHz

Freq L (l2l) Material NB(mV) NA(mV) tr(ps) SR(Vns)

100

GHz

50nm

100nm

SWCNT bundle 678 4272 316 9099

Cobre 675 4277 323 9107

200nm

400nm

SWCNT bundle 678 4299 315 9196

Cobre 677 4089 289 9447

500nm

1microm

SWCNT bundle 678 4418 300 9973

Cobre 635 1766 102 6795

Tabela 413 Atenuaccedilatildeo atraso potecircncia e produto atraso-potecircncia dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 100 GHz

Freq L (l2l) Material A (dB) td (ps) P (nW) DP(10-18

Wmiddots)

100

GHz

50nm

100nm

SWCNT bundle -2703 189 6088 012

Cobre -2685 191 6088 012

200nm

400nm

SWCNT bundle -2693 188 6088 012

Cobre -2698 228 6088 014

500nm

1microm

SWCNT bundle -2673 174 6088 011

Cobre -2893 388 6088 024

A partir das Tabelas 412 e 413 o SWCNT bundle seraacute analisado Observa-se que os seus

niacuteveis loacutegicos altos aumentam com o aumento do comprimento das interconexotildees

aumentando tambeacutem o slew rate de subida Esse comportamento ocorre provavelmente

devido ao efeito ressonante provocado pela indutacircncia que provoca um pico no graacutefico da

frequumlecircncia antes dele comeccedilar a decair conforme explicado na subseccedilatildeo 421 Isso implica

na diminuiccedilatildeo da atenuaccedilatildeo do sinal e do atraso No entanto o produto atraso-potecircncia

permanece praticamente invariaacutevel jaacute que a potecircncia total dissipada natildeo se altera

Em relaccedilatildeo agraves interconexotildees de cobre verifica-se que as distorccedilotildees satildeo significativas Agrave

medida que o comprimento aumenta a atenuaccedilatildeo do sinal de saiacuteda aumenta Isso provoca

diminuiccedilatildeo no slew rate do sinal o que natildeo eacute desejado jaacute que o sinal demora mais para

atingir o niacutevel loacutegico alto Aleacutem disso o atraso na propagaccedilatildeo do sinal aumenta bastante

chegando a 388 do periacuteodo do sinal de entrada para a interconexatildeo 500nm1microm

Consequentemente o produto atraso-potecircncia tambeacutem aumenta sendo o dobro do valor de

44

referecircncia (interconexotildees ideais) A Figura 49 ilustra o sinal de saiacuteda da interconexatildeo

500nm1microm de cobre

Figura 49 Sinal de entrada (em verde) e sinal de saiacuteda (em preto) da rede a 100 GHz para

a interconexatildeo 500nm1microm de cobre

Comparando-se as potecircncias das tabelas 47 48 411 413 verifica-se que natildeo haacute

alteraccedilatildeo na potecircncia total dissipada pelo circuito com interconexotildees ideais e pelos

circuitos com interconexotildees natildeo-ideais para uma mesma frequecircncia Assim eacute importante

destacar que a dissipaccedilatildeo de potecircncia das interconexotildees de SWCNT bundle e de cobre natildeo

interfere na potecircncia total dissipada pelo circuito

443 Consideraccedilotildees Finais

Apoacutes analisar as interconexotildees locais de SWCNT de SWCNT bundle e de cobre

verificou-se que as interconexotildees de SWCNT bundle possuem desempenho comparaacutevel ao

das interconexotildees de cobre Em relaccedilatildeo agraves interconexotildees intermediaacuterias as de SWCNT

bundle apresentam desempenho superior agraves de cobre Jaacute as interconexotildees de SWCNT

isolado tanto para interconexotildees locais como para interconexotildees intermediaacuterias

apresentam desempenho inferior agraves interconexotildees de SWCNT bundle e de cobre natildeo

sendo propiacutecias a serem utilizadas em interconexotildees de circuitos integrados

Na anaacutelise das interconexotildees natildeo-ideais na rede H-tree clock mono-eleacutetron para a

frequecircncia de 10GHz observou-se que o niacutevel loacutegico baixo o niacutevel loacutegico alto o tempo de

subida o slew rate de subida a atenuaccedilatildeo do sinal e a potecircncia total dissipada por cada

porta inversora permanecem os mesmos em relaccedilatildeo agrave interconexatildeo ideal mostrando que

45

para esta frequecircncia as interconexotildees natildeo-ideais natildeo interferem nestes paracircmetros Jaacute o

atraso na propagaccedilatildeo do sinal no caso do cobre aumenta agrave medida que as interconexotildees

aumentam de comprimento aumentando tambeacutem o produto atraso-potecircncia No entanto

estes paracircmetros natildeo satildeo afetados pelas interconexotildees de SWCNT bundle indicando que

este material se sobressai em relaccedilatildeo ao cobre

Jaacute para a rede H-tree clock mono-eleacutetron a 100GHz observou-se que o circuito com

interconexotildees natildeo-ideais afetou bastante os paracircmetros em anaacutelise se comparados aos

obtidos para interconexotildees ideais Verificou-se que as distorccedilotildees provocadas pelas

interconexotildees de cobre foram significativas indicando que as interconexotildees de SWCNT

bundle possuem melhor desempenho que as de cobre

Assim constata-se que as interconexotildees de SWCNT bundle satildeo fortes candidatas a

substituirem as interconexotildees de cobre em circuitos em escala giga (GSI) e tera (TSI)

46

5 CONCLUSOtildeES

Nesta dissertaccedilatildeo o estudo das interconexotildees de SWCNT de SWCNT bundle e de cobre

foi realizado analisando e comparando os seus desempenhos para diferentes

comprimentos A partir desse estudo verificou-se que as interconexotildees de SWCNT bundle

possui desempenho comparaacutevel ao das interconexotildees de cobre no caso de interconexotildees

locais Em relaccedilatildeo agraves interconexotildees intermediaacuterias as de SWCNT bundle apresentam

desempenho superior agraves de cobre

As interconexotildees de SWCNT bundle e as interconexotildees de cobre foram entatildeo simuladas na

rede H-tree clock de dois niacuteveis para diferentes comprimentos e frequecircncias Nos pontos

de destino final da rede foram colocadas portas inversoras formadas por SETs permitindo

a anaacutelise de circuitos nanoeletrocircnicos

A partir da anaacutelise da rede H-tree clock observou-se que as interconexotildees de SWCNT

bundle possuem desempenho melhor que as de cobre principalmente em relaccedilatildeo ao slew

rate agrave atenuaccedilatildeo ao tempo de atraso e ao produto atraso-potecircncia Aleacutem disso a

dissipaccedilatildeo de potecircncia das interconexotildees natildeo-ideais natildeo interferem na potecircncia total

dissipada pelo circuito Assim as interconexotildees de SWCNT bundle satildeo fortes candidatas a

substituirem as interconexotildees de cobre em circuitos em escala giga (GSI) e tera (TSI)

Como perspectivas futuras eacute importante analisar o efeito das interconexotildees de nanotubo de

carbono em circuitos GSI e TSI com outras arquiteturas A anaacutelise das interconexotildees de

CNT tambeacutem deve ser feita em circuitos com tecnologia MOS permitindo a comparaccedilatildeo

entre diferentes tecnologias Aleacutem disso eacute interessante estudar outros tipos de materiais

que possam ser utilizados como interconexotildees em circuitos integrados

47

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53

7 APEcircNDICES

71 TABELAS COMPLEMENTARES

Tabela 71 Paracircmetros obtidos a partir do modelo de SWCNT isolado

L RQ (Ω) RS (Ω) LCNT (10-9

H) CCNT (10-18

F)

10 nm 645103 - 40010

-2 27910

-1

100 nm 645103 - 40010

-1 279

200 nm 645103 - 80010

-1 558

300 nm 645103 - 120 837

400 nm 645103 - 160 11210

1

500 nm 645103 - 200 14010

1

600 nm 645103 - 240 16710

1

700 nm 645103 - 280 19510

1

800 nm 645103 - 320 22310

1

900 nm 645103 - 360 25110

1

1 microm 645103 - 400 27910

1

10 microm 645103 64510

4 40010

1 27910

2

100 microm 645103 64510

5 40010

2 27910

3

200 microm 645103 12910

6 80010

2 55810

3

300 microm 645103 19410

6 12010

3 83710

3

400 microm

645103 25810

6 16010

3 11210

4

500 microm

645103 32310

6 20010

3 14010

4

Tabela 72 Paracircmetros obtidos a partir do modelo de SWCNT bundle

L RQ (Ω) RS (Ω) LBundle(10-9

H) CBundle(10-18

F)

10 nm 1075 - 66710-5

135

100 nm 1075 - 66710-4

135101

200 nm 1075 - 13310-3

270101

300 nm 1075 - 20010-3

405101

400 nm 1075 - 26710-3

540101

500 nm 1075 - 33310-3

675101

600 nm 1075 - 40010-3

810101

700 nm 1075 - 46710-3

945101

800 nm 1075 - 53310-3

108102

900 nm 1075 - 60010-3

122102

1 microm 1075 - 66710-3

135102

10 microm 1075 108102 66710

-2 13510

3

100 microm 1075 108103 66710

-1 13510

4

200 microm 1075 215103 133 27010

4

300 microm 1075 323103 200 40510

4

400 microm

1075 430103 267 54010

4

500 microm

1075 538103 333 67510

4

54

Tabela 73 Paracircmetros obtidos a partir do modelo de cobre

L RCu (Ω) LCu (10-9

H) CCu (10-18

F)

10 nm 06 37310-6

150

100 nm 60 63610-5

150101

200 nm 120 17510-4

300101

300 nm 180 30910-4

450101

400 nm 240 45410-4

600101

500 nm 300 61110-4

750101

600 nm 360 77510-4

900101

700 nm 420 94610-4

105102

800 nm 480 11210-3

120102

900 nm 540 13110-3

135102

1 microm 600 14910-3

150102

10 microm 60102 24010

-2 15010

3

100 microm 60103 33210

-1 15010

4

200 microm 12104 72010

-1 30010

4

300 microm 18104 113 45010

4

400 microm

24104 155 60010

4

500 microm

30104 198 75010

4

55

Tabela 74 Frequecircncia em -3dB das interconexotildees locais

Comprimento Material f-3dB

10 nm SWCNT isolado 253 GHz

SWCNT bundle 66 THz

Cobre 232 THz

100 nm SWCNT isolado 300 GHz

SWCNT bundle 20 THz

Cobre 51 THz

200 nm SWCNT isolado 342 GHz

SWCNT bundle 14 THz

Cobre 29 THz

300 nm SWCNT isolado 344 GHz

SWCNT bundle 11 THz

Cobre 20 THz

400 nm SWCNT isolado 329 GHz

SWCNT bundle 89 THz

Cobre 15 THz

500 nm SWCNT isolado 307 GHz

SWCNT bundle 76 THz

Cobre 12 THz

600 nm SWCNT isolado 288 GHz

SWCNT bundle 67 THz

Cobre 94 THz

700 nm SWCNT isolado 271 GHz

SWCNT bundle 61 THz

Cobre 76 THz

800 nm SWCNT isolado 255 GHz

SWCNT bundle 55 THz

Cobre 63 THz

900 nm SWCNT isolado 240 GHz

SWCNT bundle 51 THz

Cobre 52 THz

1 microm SWCNT isolado 230 GHz

SWCNT bundle 47 THz

Cobre 42 THz

56

Tabela 75 Frequecircncia em -3dB das interconexotildees intermediaacuterias

Comprimento Material f-3dB

10 microm SWCNT isolado 26 GHz

SWCNT bundle 527 GHz

Cobre 34 GHz

100 microm SWCNT isolado 32 MHz

SWCNT bundle 42 GHz

Cobre 345 MHz

200 microm SWCNT isolado 82 MHz

SWCNT bundle 10 GHz

Cobre 87 MHz

300 microm SWCNT isolado 36 MHz

SWCNT bundle 455 MHz

Cobre 38 MHz

400 microm SWCNT isolado 21 MHz

SWCNT bundle 256 MHz

Cobre 21 MHz

500 microm SWCNT isolado 13 MHz

SWCNT bundle 165 MHz

Cobre 14 MHz

57

8 ANEXOS

81 COacuteDIGO SPICE DO SET [44]

Transistor mono-eleacutetron (SET) conexotildees fonte | dreno | | porta1 | | | porta2 | | | | SUBCKT SET 1 2 3 4 PARAMS +C1=1E-20 Capacitacircncia da junccedilatildeo 1 +C2=1E-20 Capacitacircncia da junccedilatildeo 2 +R1=1E5 Resistecircncia da junccedilatildeo 1 +R2=1E5 Resistecircncia da junccedilatildeo 2 +Cg1=015E-18 Capacitacircncia da junccedilatildeo 1 +Cg2=0 Capacitacircncia da junccedilatildeo 2 +C0=0 Capacitacircncia proacutepria da ilha +Q0=005 Carga offset em unidades de e +TEMP=300 Temperatura PARAM E=160217733E-19 Carga do eleacutetron (e) PARAM CSUM=C1+C2+Cg1+Cg2+C0 Capacitacircncia total do SET PARAM T=TEMPCSUM53785467E14 Temperatura normalizada 53785467E14 = kBe^2 PARAM RN1=R1(R1+R2) Resistecircncia da junccedilatildeo 1 normalizada PARAM RN2=R2(R1+R2) Resistecircncia da junccedilatildeo 2 normalizada FUNC Q(v1v2v3v4) (Cg1v3+Cg2v4+C1v1+C2v2)E+Q0 Definiccedilatildeo da carga em unidades de e FUNC VN(v) CSUMvE Tensatildeo normalizada FUNC GAMMA(u) IF(T==0IF(ult0-u0)IF(u==0Tu(EXP(uT)-1))) FUNC N_OPT(v1v2v3v4) ROUND(-Q(v1v2v3v4)+(CSUME) (v1RN2+v2RN1)) A maior probabilidade de carga na ilha em unidades de e Os quarto eventos tuacuteneis FUNC R1L(nv1v2v3v4) GAMMA(05 - n - Q(v1v2v3v4) + VN(v1))RN1 FUNC R1R(nv1v2v3v4) GAMMA(05 + n + Q(v1v2v3v4) - VN(v1))RN1 FUNC R2L(nv1v2v3v4) GAMMA(05 + n + Q(v1v2v3v4) - VN(v2))RN2 FUNC R2R(nv1v2v3v4) GAMMA(05 - n - Q(v1v2v3v4) + VN(v2))RN2

58

determinaccedilatildeo das probabilidades relativas assume-se inicialmente que o estado da carga N_OPT tem probabilidade relativa igual a um FUNC PN_1(nv1v2v3v4) (R1L(nv1v2v3v4)+R2R(nv1v2v3v4))(R1R(n-1v1v2v3v4)+R2L(n-1v1v2v3v4)) FUNC PN_2(nv1v2v3v4) PN_1(nv1v2v3v4) +(R1L(n-1v1v2v3v4)+R2R(n-1v1v2v3v4))(R1R(n-2v1v2v3v4)+R2L(n-2v1v2v3v4)) FUNC PN_3(nv1v2v3v4) PN_2(nv1v2v3v4) +(R1L(n-2v1v2v3v4)+R2R(n-2v1v2v3v4))(R1R(n-3v1v2v3v4)+R2L(n-3v1v2v3v4)) FUNC PN_4(nv1v2v3v4) PN_3(nv1v2v3v4) +(R1L(n-3v1v2v3v4)+R2R(n-3v1v2v3v4))(R1R(n-4v1v2v3v4)+R2L(n-4v1v2v3v4)) FUNC PN_5(nv1v2v3v4) PN_4(nv1v2v3v4) +(R1L(n-4v1v2v3v4)+R2R(n-4v1v2v3v4))(R1R(n-5v1v2v3v4)+R2L(n-5v1v2v3v4)) FUNC PN1(nv1v2v3v4) (R2L(nv1v2v3v4) +R1R(nv1v2v3v4))(R2R(n+1v1v2v3v4)+R1L(n+1v1v2v3v4)) FUNC PN2(nv1v2v3v4) PN1(nv1v2v3v4) +(R2L(n+1v1v2v3v4)+R1R(n+1v1v2v3v4))(R2R(n+2v1v2v3v4)+R1L(n+2v1v2v3v4)) FUNC PN3(nv1v2v3v4) PN2(nv1v2v3v4) +(R2L(n+2v1v2v3v4)+R1R(n+2v1v2v3v4))(R2R(n+3v1v2v3v4)+R1L(n+3v1v2v3v4)) FUNC PN4(nv1v2v3v4) PN3(nv1v2v3v4) +(R2L(n+3v1v2v3v4)+R1R(n+3v1v2v3v4))(R2R(n+4v1v2v3v4)+R1L(n+4v1v2v3v4)) FUNC PN5(nv1v2v3v4) PN4(nv1v2v3v4) +(R2L(n+4v1v2v3v4)+R1R(n+4v1v2v3v4))(R2R(n+5v1v2v3v4)+R1L(n+5v1v2v3v4)) FUNC PSUM(nv1v2v3v4) PN_5(nv1v2v3v4)+PN_4(nv1v2v3v4)+PN_3(nv1v2v3v4)+PN_2(nv1v2v3v4) ++PN_1(nv1v2v3v4)+1+PN1(nv1v2v3v4)+PN2(nv1v2v3v4)+PN3(nv1v2v3v4) ++PN4(nv1v2v3v4)+PN5(nv1v2v3v4)

59

caacutelculo da corrente da fonte para o dreno FUNC CUR(nv1v2v3v4) PN_5(nv1v2v3v4)(R1R(n-5v1v2v3v4)-R1L(n-5v1v2v3v4)) ++PN_4(nv1v2v3v4)(R1R(n-4v1v2v3v4)-R1L(n-4v1v2v3v4)) ++PN_3(nv1v2v3v4)(R1R(n-3v1v2v3v4)-R1L(n-3v1v2v3v4)) ++PN_2(nv1v2v3v4)(R1R(n-2v1v2v3v4)-R1L(n-2v1v2v3v4)) ++PN_1(nv1v2v3v4)(R1R(n-1v1v2v3v4)-R1L(n-1v1v2v3v4)) ++(R1R(nv1v2v3v4)-R1L(nv1v2v3v4)) ++PN1(nv1v2v3v4)(R1R(n+1v1v2v3v4)-R1L(n+1v1v2v3v4)) ++PN2(nv1v2v3v4)(R1R(n+2v1v2v3v4)-R1L(n+2v1v2v3v4)) ++PN3(nv1v2v3v4)(R1R(n+3v1v2v3v4)-R1L(n+3v1v2v3v4)) ++PN4(nv1v2v3v4)(R1R(n+4v1v2v3v4)-R1L(n+4v1v2v3v4)) ++PN5(nv1v2v3v4)(R1R(n+5v1v2v3v4)-R1L(n+5v1v2v3v4)) FUNC CURRENT(nv1v2v3v4) ECUR(nv1v2v3v4)(CSUMPSUM(nv1v2v3v4)(R1+R2)) caacutelculo da tensatildeo da ilha FUNC VOLT(nv1v2v3v4) PN_5(nv1v2v3v4)(n-5+Q(v1v2v3v4)) ++PN_4(nv1v2v3v4)(n-4+Q(v1v2v3v4)) ++PN_3(nv1v2v3v4)(n-3+Q(v1v2v3v4)) ++PN_2(nv1v2v3v4)(n-2+Q(v1v2v3v4)) ++PN_1(nv1v2v3v4)(n-1+Q(v1v2v3v4)) ++n+Q(v1v2v3v4) ++PN1(nv1v2v3v4)(n+1+Q(v1v2v3v4)) ++PN2(nv1v2v3v4)(n+2+Q(v1v2v3v4)) ++PN3(nv1v2v3v4)(n+3+Q(v1v2v3v4)) ++PN4(nv1v2v3v4)(n+4+Q(v1v2v3v4)) ++PN5(nv1v2v3v4)(n+5+Q(v1v2v3v4)) FUNC VOLTAGE(nv1v2v3v4) (ECSUM)VOLT(nv1v2v3v4)PSUM(nv1v2v3v4) E1 5 0 VALUE= VOLTAGE(N_OPT(V(1)V(2)V(3)V(4))V(1)V(2)V(3)V(4)) Tensatildeo da ilha G1 1 2 VALUE= CURRENT(N_OPT(V(1)V(2)V(3)V(4))V(1)V(2)V(3)V(4)) Corrente da fonte para o dreno CT1 1 5 C1 CT2 2 5 C2 CGATE1 3 5 CG1 CGATE2 4 5 CG2 ENDS SET

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27

800nm 900nm 1μm) e interconexotildees intermediaacuterias (10μm 100μm 200μm 300μm

400μm 500μm)

Jaacute que λCNT eacute tipicamente 1 μm foram escolhidos trecircs comprimentos na faixa lCNT le λCNT

(10 nm 100 nm e 1 μm) e trecircs comprimentos na faixa lCNT gt λCNT (10 μm 100 μm 500

μm) para serem analisados detalhadamente Escolheu-se uma mesma frequecircncia abaixo da

frequecircncia de corte dos trecircs materiais considerados para analisar e comparar a atenuaccedilatildeo

(A) e o tempo de atraso na propagaccedilatildeo (td) dos diferentes comprimentos

Em seguida o mesmo procedimento foi feito para comparar somente o SWCNT bundle e o

cobre para uma mesma frequecircncia cujo valor eacute maior que a frequecircncia da anaacutelise anterior

permitindo que estes dois materiais sejam analisados detalhadamente

Essas anaacutelises foram realizadas a partir da simulaccedilatildeo do circuito da Figura 31 [2325] A

tensatildeo de entrada Vin eacute uma onda quadrada de 1V de amplitude e o capacitor de carga tem

o valor de 100 aF

Figura 31 ndash Circuito simulado para cada interconexatildeo

A Figura 32 mostra o fluxograma das etapas descritas nesta subseccedilatildeo 321

28

Figura 32 ndash Fluxograma das etapas seguidas na simulaccedilatildeo das interconexotildees

322 Simulaccedilatildeo do inversor mono-eleacutetron

Para utilizar a porta inversora da Figura 215 nos terminais do H-tree clock foi necessaacuterio

primeiramente simular o SET proposto por [4] Essa simulaccedilatildeo foi feita variando os

paracircmetros do SET como as resistecircncias e capacitacircncias das junccedilotildees as capacitacircncias de

porta a temperatura etc Os paracircmetros foram variados ateacute simular o SET a temperatura

de 300K Em seguida simulou-se a inversora da Figura 215 tambeacutem a temperatura

ambiente Dessa forma foi possiacutevel simular a inversora isoladamente obtendo as

caracteriacutesticas do sinal de saiacuteda

323 Simulaccedilatildeo do H-tree clock mono-eleacutetron

Apoacutes a simulaccedilatildeo do SET foi possiacutevel simular o H-tree clock A rede H-tree de dois niacuteveis

foi simulada com um H no primeiro niacutevel e quatro H‟s no segundo niacutevel [49] Nos pontos

de destino final da rede foram colocadas portas inversoras formadas por SETs permitindo

a anaacutelise de circuitos nanoeletrocircnicos

Modelos de SWCNT

SWCNT bundle e cobre

Obtenccedilatildeo dos paracircmetros dos modelos para

interconexotildees locais e interconexotildees intermediaacuterias

Para cada comprimento

obtenccedilatildeo de f-3dB

1ordm) Escolha de frequumlecircncia abaixo

da f-3dB do SWCNT SWCNT

bundle e cobre

2ordm) Escolha de frequumlecircncia abaixo

da f-3dB do SWCNT bundle e

cobre

Obtenccedilatildeo de A e td de

cada modelo

Obtenccedilatildeo de A e td de

cada modelo

Anaacutelise comparativa entre o

SWCNT SWCNT bundle e

cobre

Anaacutelise comparativa entre o

SWCNT bundle e cobre

Estudo de interconexotildees locais (10nm

100nm 1μm) e intermediaacuterias (10μm

100μm 500μm)

29

A partir da simulaccedilatildeo do H-tree clock obteve-se a frequecircncia em -3dB (f-3dB) da rede com

interconexotildees ideais Assim a rede H-tree foi entatildeo simulada para duas frequecircncias

diferentes do sinal de entrada abaixo da frequecircncia de -3dB 10 GHz e 100 GHz Com

essas simulaccedilotildees obtiveram-se as seguintes caracteriacutesticas do sinal de saiacuteda da inversora

niacutevel loacutegico baixo (NB) niacutevel loacutegico alto (NA) tempo de subida (tr) slew rate de subida

(SR) atenuaccedilatildeo (A) tempo de atraso (td) potecircncia dissipada (P) e produto atraso-potecircncia

(DP) As caracteriacutesticas obtidas servem como referecircncia para analisar o sinal considerando

interconexotildees natildeo-ideais ou seja incluindo os modelos das interconexotildees nas simulaccedilotildees

Em seguida a rede H-tree foi simulada considerando-se os modelos das interconexotildees de

SWCNT bundle e de cobre variando os seus comprimentos Como cada H da rede de

distribuiccedilatildeo deve ser simeacutetrico considerou-se que cada divisatildeo do H tem o mesmo

comprimento para cada niacutevel da rede [11] A Figura 33 mostra o comprimento dos

diferentes trechos da rede Assim o comprimento de cada divisatildeo dos H‟s do segundo

niacutevel eacute a metade do comprimento de cada divisatildeo do H do primeiro niacutevel Jaacute que o objetivo

eacute simular circuitos em escala nanomeacutetrica escolheu-se trecircs variaccedilotildees de comprimento

menores ou iguais a 1μm

l = 100 nm l2 = 50 nm

l = 400 nm l2 = 200 nm

l = 1 μm l2 = 500 nm

Figura 33 ndash Esquemaacutetico do H-tree clock com os comprimentos de cada seguimento

Dessa forma cada um dos trecircs circuitos foi simulado obtendo-se a frequecircncia em -3dB na

entrada das portas inversoras Em seguida as trecircs redes foram simuladas para as mesmas

30

duas frequumlecircncias do sinal de entrada (10 GHz e 100 GHz) de forma a obter as

caracteriacutesticas do sinal de saiacuteda descritas anteriormente considerando agora o efeito das

interconexotildees

Por fim a partir dos dados obtidos foram realizadas comparaccedilotildees entre as caracteriacutesticas

do sinal de saiacuteda de referecircncia (interconexotildees ideais) e o sinal de saiacuteda dos circuitos com as

interconexotildees natildeo-ideais bem como entre o comportamento das interconexotildees de SWCNT

bundle e de cobre nas diferentes frequecircncias

A Figura 34 mostra o fluxograma das etapas descritas nas subseccedilotildees 322 e 323

Figura 34 ndash Fluxograma das etapas seguidas na simulaccedilatildeo do H-tree clock

H-tree clock mono-eleacutetron

Simulaccedilatildeo do H-tree clock com

interconexotildees ideais Obtenccedilatildeo de f-3dB

da inversora

Simulaccedilatildeo do H-tree clock com

interconexotildees natildeo-ideais para os seguintes

comprimentos

l = 100 nm l2 = 50 nm

l = 400 nm l2 = 200 nm

l = 1 μm l2 = 500 nm

Validaccedilatildeo do SET e do

inversor mono-eleacutetron a

300K

Sinal de entrada a

10 GHz

Sinal de entrada a

100 GHz

Obtenccedilatildeo de NB

NA tr SR A td P e

DP do sinal de saiacuteda

da inversora

Obtenccedilatildeo de NB

NA tr SR A td P e

DP do sinal de saiacuteda

da inversora

Sinal de entrada a

10 GHz

Sinal de entrada a

100 GHz

Obtenccedilatildeo de NB

NA tr SR A td P e

DP do sinal de saiacuteda

da inversora

Obtenccedilatildeo de NB

NA tr SR A td P e

DP do sinal de saiacuteda

da inversora

Anaacutelise comparativa

dos dados obtidos

31

4 RESULTADOS E ANAacuteLISES

41 INTRODUCcedilAtildeO

Neste capiacutetulo seratildeo apresentados os procedimentos adotados e os resultados obtidos na

simulaccedilatildeo das interconexotildees SWCNT SWCNT bundle e cobre As etapas descritas na

metodologia foram seguidas obtendo-se os resultados das simulaccedilotildees das interconexotildees e

das simulaccedilotildees do H-tree clock mono-eleacutetron para interconexotildees ideais e natildeo-ideais A

partir dos resultados a anaacutelise do desempenho das interconexotildees seraacute apresentada

42 ANAacuteLISE DAS INTERCONEXOtildeES

Nesta seccedilatildeo a anaacutelise das interconexotildees de SWCNT SWCNT bundle e cobre na

tecnologia de 22 nm para diferentes comprimentos seraacute realizada Para isso analisou-se

as interconexotildees locais em que l le 1 μm e as intermediaacuterias em que 1 μm lt l le 500 μm

sabendo que l eacute o comprimento da interconexatildeo [29-31333638] Como λCNT eacute

tipicamente 1 μm trecircs comprimentos na faixa lCNT le λCNT (10 nm 100 nm e 1 μm) e trecircs

comprimentos na faixa lCNT gt λCNT (10 μm 100 μm 500 μm) de cada material seratildeo

analisados detalhadamente Os paracircmetros obtidos a partir dos modelos de SWCNT

SWCNT bundle e cobre estatildeo respectivamente nas Tabelas 71 72 e 73 do Apecircndice

421 Interconexotildees locais

Primeiramente a partir da simulaccedilatildeo da Figura 31 obteve-se a frequecircncia em -3dB (f-3dB)

das interconexotildees locais (lCNT le λCNT ) isto eacute a sua banda passante de forma a verificar a

velocidade maacutexima que cada interconexatildeo suporta A Figura 41 ilustra o comportamento

da frequecircncia das interconexotildees locais para os diferentes comprimentos Como o SWCNT

isolado possui valores de frequecircncia na faixa de centenas de giga Hertz ou seja menos de

um tera Hertz os valores de suas frequecircncias tambeacutem podem ser visualisados na Tabela

74 do Apecircndice

Verifica-se que agrave medida que o comprimento da interconexatildeo aumenta a frequecircncia

diminui Isso ocorre jaacute que os valores da capacitacircncia e indutacircncia aumentam com o

aumento do comprimento da interconexatildeo Esses paracircmetros satildeo decisivos no sinal de

32

saiacuteda sendo o sinal mais distorcido quanto maior for o valor desses paracircmetros Observa-

se que o SWCNT bundle e o cobre possuem banda passante maiores que o SWCNT

isolado para qualquer comprimento Aleacutem disso o SWCNT bundle soacute possui uma banda

passante comparaacutevel ao do cobre para comprimentos acima de 700 nm

Frequecircncia X Comprimento

0

10

20

30

40

50

60

100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

Comprimento (nm)

f -3d

B (

TH

z)

SWCNT Isolado

SWCNT bundle

Cobre

Figura 41 ndash Frequumlecircncia versus comprimento das interconexotildees locais

As interconexotildees locais de 10 nm 100 nm e 1 μm de comprimento foram analisadas

detalhadamente A Tabela 41 mostra a frequecircncia em -3dB de cada material para os

comprimentos em anaacutelise

Tabela 41 Frequecircncia em -3dB de cada material para lCNT le λCNT

Interconexatildeo Local Comprimento (L) Material f-3dB

SWCNT isolado 253 GHz

10nm SWCNT bundle 66 THz

Cobre 232 THz

SWCNT isolado 300 GHz

lCNT le λCNT 100nm SWCNT bundle 20 THz

Cobre 51 THz

SWCNT isolado 230 GHz

1microm SWCNT bundle 47 THz

Cobre 42 THz

Assim escolheu-se uma mesma frequecircncia abaixo da frequecircncia de corte dos trecircs

materiais considerados para analisar e comparar a atenuaccedilatildeo (A) e o tempo de atraso na

propagaccedilatildeo (td) dos trecircs comprimentos Isso permite verificar o comportamento do sinal na

banda passante A Tabela 42 mostra esse estudo comparativo entre o SWCNT isolado

SWCNT bundle e cobre agrave frequecircncia de 200 GHz

33

Tabela 42 Estudo das interconexotildees com comprimentos na faixa lCNT le λCNT

Freq L Material A (dB) td (ps)

SWCNT isolado -210 046

10nm SWCNT bundle 001 000

Cobre 000 000

SWCNT isolado -155 051

200 GHz 100nm SWCNT bundle 001 000

Cobre 001 000

SWCNT isolado -039 107

1microm SWCNT bundle 006 001

Cobre 000 007

A partir da anaacutelise da Tabela 42 eacute possiacutevel observar agrave frequumlecircncia de 200 GHz a

atenuaccedilatildeo do sinal e o atraso do SWCNT isolado Nessa frequumlecircncia o atraso do SWCNT

isolado eacute significativo em relaccedilatildeo ao periacuteodo do sinal que eacute 5ps jaacute que o menor atraso

(para l = 10nm) eacute aproximadamente 10 do periacuteodo do sinal de entrada No entanto para

esta mesma frequumlecircncia observa-se que a atenuaccedilatildeo e o atraso do SWCNT bundle e do

cobre satildeo insignificantes Isto indica que estes dois materiais possuem melhor

desempenho sendo favoraacuteveis para serem utilizados em interconexotildees locais

Dessa forma para analisar melhor a atenuaccedilatildeo e o tempo de atraso do SWCNT bundle e do

cobre o mesmo procedimento foi feito comparando-se somente estes dois materiais para

uma mesma frequecircncia de 1 THz A Tabela 43 mostra esse estudo comparativo entre o

SWCNT bundle e cobre

Tabela 43 Estudo das interconexotildees SWCNT bundle e cobre com comprimentos na faixa

lCNT le λCNT

Freq L Material A (dB) td (fs)

10nm SWCNT bundle 001 113

Cobre 000 022

1 THz 100nm SWCNT bundle 006 136

Cobre 001 240

1microm SWCNT bundle 145 647

Cobre -013 5623

Analisando a Tabela 43 observa-se que agrave frequumlecircncia de 1 THz a atenuaccedilatildeo do sinal e o

atraso aumentam agrave medida que o comprimento das interconexotildees aumentam A partir do

comprimento de 100nm o tempo de atraso da interconexatildeo de cobre eacute maior que o do

SWCNT bundle cujo maior valor de atraso (para l = 1microm) natildeo chega a 1 do periacuteodo do

34

sinal de entrada (1ps) Isso mostra que apesar de a banda passante do cobre ser maior o

atraso do SWCNT bundle eacute menor Dessa forma para as interconexotildees locais o SWCNT

bundle possui desempenho comparaacutevel ao do cobre [13]

Em relaccedilatildeo agrave atenuaccedilatildeo verifica-se que para alguns comprimentos este tem valor

positivo Isso ocorre principalmente quando haacute um pico no graacutefico da frequumlecircncia antes dele

comeccedilar a decair Esse pico eacute devido ao efeito ressonante provocado pela indutacircncia

quando este possui valor comparaacutevel agrave resistecircncia e agrave capacitacircncia da interconexatildeo [53]

Assim esse efeito ressonante foi observado somente nas interconexotildees locais de SWCNT

bundle e de cobre A Figura 42 ilustra o graacutefico da magnitude pela frequumlecircncia do SWCNT

isolado SWCNT bundle e cobre para o comprimento de 100nm Observa-se o efeito

ressonante nos graacuteficos do SWCNT bundle e do cobre

Figura 42 ndash Graacuteficos da magnitude das interconexotildees de SWCNT isolado (superior)

SWCNT bundle (meio) e cobre (inferior) com comprimento de 100nm

35

422 Interconexotildees intermediaacuterias

Assim como para as interconexotildees locais obteve-se a frequecircncia em -3dB (f-3dB) das

interconexotildees intermediaacuterias (lCNT gt λCNT) de forma a verificar a velocidade maacutexima que

cada interconexatildeo suporta A Figura 43 ilustra o comportamento da frequecircncia das

interconexotildees intermediaacuterias para os diferentes comprimentos Os valores das frequecircncias

de cada interconexatildeo tambeacutem podem ser visualisados na Tabela 75 do Apecircndice

Como nas interconexotildees locais agrave medida que o comprimento da interconexatildeo aumenta a

frequecircncia diminui Aleacutem disso o SWCNT bundle e o cobre possuem desempenho melhor

que o do SWCNT isolado para qualquer comprimento No entanto para interconexotildees

intermediaacuterias o SWCNT bundle possui banda passante maior que a do cobre para

qualquer comprimento

Frequecircncia X Comprimento

00

05

10

15

20

25

30

35

40

45

100 200 300 400 500

Comprimento (μm)

f -3d

B (

GH

z)

SWCNT isolado

SWCNT bundle

Cobre

Figura 43 ndash Frequumlecircncia versus comprimento das interconexotildees intermediaacuterias

As interconexotildees intermediaacuterias de 10 μm 100 μm e 500 μm de comprimento foram entatildeo

analisadas detalhadamente A Tabela 44 mostra a frequecircncia em -3dB de cada materal

para os diferentes comprimentos em anaacutelise

36

Tabela 44 Frequecircncia em -3dB de cada material para lCNT gt λCNT

Interconexatildeo

Intermediaacuteria

Comprimento (L) Material f-3dB

SWCNT isolado 26 GHz

10 microm SWCNT bundle 527 GHz

Cobre 34 GHz

SWCNT isolado 32 MHz

lCNT gt λCNT 100 microm SWCNT bundle 42 GHz

Cobre 345 MHz

SWCNT isolado 13 MHz

500 microm SWCNT bundle 165 MHz

Cobre 14 MHz

Escolheu-se a frequecircncia de 1 MHz que estaacute abaixo da frequecircncia de corte dos trecircs

materiais considerados para analisar e comparar a atenuaccedilatildeo (A) e o tempo de atraso na

propagaccedilatildeo (td) dos trecircs comprimentos A Tabela 45 mostra esse estudo comparativo entre

o SWCNT isolado SWCNT bundle e cobre

Tabela 45 Estudo das interconexotildees com comprimentos na faixa lCNT gt λCNT

Freq L Material A (dB) td (ns)

SWCNT isolado -002 008

10 microm SWCNT bundle 000 000

Cobre 000 000

SWCNT isolado -003 559

1 MHz 100 microm SWCNT bundle -001 005

Cobre -004 056

SWCNT isolado -198 10217

500 microm SWCNT bundle 000 110

Cobre -003 1301

Com base na Tabela 45 observa-se que a atenuaccedilatildeo e o tempo de atraso do SWCNT

isolado aumentam com o aumento do comprimento da interconexatildeo Nessa frequumlecircncia o

atraso na propagaccedilatildeo do SWCNT isolado eacute significativo em relaccedilatildeo ao periacuteodo do sinal de

entrada que eacute 1micros chegando a mais de 10 deste periacuteodo para o comprimento de 500microm

Verifica-se tambeacutem o aumento do tempo de atraso da interconexatildeo de cobre sendo 13

do periacuteodo do sinal de entrada para o comprimento de 500microm

Para analisar melhor a atenuaccedilatildeo e o tempo de atraso do SWCNT bundle e do cobre o

mesmo procedimento foi feito comparando-se somente estes dois materiais para uma

37

mesma frequecircncia de 10 MHz A Tabela 46 mostra esse estudo comparativo entre o

SWCNT bundle e cobre

Tabela 46 Estudo das interconexotildees SWCNT bundle e cobre com comprimentos na faixa

lCNT gt λCNT

Freq L Material A (dB) td (ns)

10 microm SWCNT bundle 000 000

Cobre 000 000

10 MHz 100 microm SWCNT bundle -001 005

Cobre -004 054

500 microm SWCNT bundle -004 107

Cobre -185 1024

Analisando a Tabela 46 observa-se que agrave medida que o comprimento das interconexotildees

aumenta a atenuaccedilatildeo e o atraso do sinal da interconexatildeo de cobre tornam-se significativos

O atraso na propagaccedilatildeo da interconexatildeo de cobre para l = 500microm chega a 10 do periacuteodo

do sinal de entrada (100ns) Jaacute o SWCNT bundle apresenta valores insignificantes de

atenuaccedilatildeo e atraso na propagaccedilatildeo Assim para as interconexotildees intermediaacuterias o SWCNT

bundle possui desempenho superior ao do cobre

43 SIMULACcedilAtildeO DO INVERSOR MONO-ELEacuteTRON

O modelo SPICE do SET proposto por G Lientschnig et al [444] foi simulado no

LTSPICE A partir da equaccedilatildeo (226) foi possiacutevel aumentar a temperatura do SET ateacute

chegar a 300K Assim o esquemaacutetico do SET e os valores de seus paracircmetros para que o

SET opere a 300K estatildeo na Figura 44 No anexo deste trabalho (subseccedilatildeo 81) encontra-

se o coacutedigo SET que foi utilizado [44] Os paracircmetros R1 C1 e R2 C2 correspondem agraves

resistecircncias e capacitacircncias das junccedilotildees-tuacutenel Cg eacute a capacitacircncia de porta (Cg1 no coacutedigo

SET) Vg eacute a tensatildeo de porta e V eacute a tensatildeo de entrada

Figura 44 Esquemaacutetico do SET e os valores de seus paracircmetros

38

A partir destes valores o inversor mono-eleacutetron foi construiacutedo colocando-se dois SETs em

seacuterie os quais compartilham da mesma entrada A Figura 45 ilustra o esquemaacutetico do

inversor mono-eleacutetron juntamente com os valores de seus paracircmetros fixos em que Vin eacute a

tensatildeo de entrada Vout eacute a tensatildeo de saiacuteda Vbias eacute a tensatildeo de polarizaccedilatildeo Cc eacute a

capacitacircncia de carga Cg1 e Cg2 satildeo as capacitacircncias de porta do SET 1 e do SET 2

respectivamente

Figura 45 Esquemaacutetico do inversor mono-eleacutetron e os valores de seus paracircmetros

(modificado de [4])

Assim apoacutes simular o inversor mono-eleacutetron a 300K obteve-se o sinal de saiacuteda mostrado

na Figura 46 Como o inversor estaacute invertendo o sinal de entrada de valor loacutegico baixo em

um sinal de saiacuteda de valor loacutegico alto ele estaacute operando corretamente

Figura 46 Curva do sinal de entrada (em verde) e do sinal de saiacuteda (em preto) do inversor

mono-eleacutetron

39

44 ANAacuteLISE DAS INTERCONEXOtildeES NO H-TREE CLOCK MONO-ELEacuteTRON

Nesta seccedilatildeo a rede H-tree clock de dois niacuteveis foi simulada com portas inversoras mono-

eleacutetron nos pontos de destino final da rede permitindo a anaacutelise de circuitos

nanoeletrocircnicos Simulou-se a rede H-tree considerando interconexotildees ideais para as

frequecircncias de 10 GHz e 100 GHz no sinal de entrada Em seguida para as mesmas duas

frequecircncias considerou-se interconexotildees natildeo-ideais de diferentes comprimentos

analisando a rede com os modelos de interconexatildeo SWCNT bundle e cobre Trecircs redes

com comprimentos de interconexotildees diferentes foram analisadas

l = 100 nm l2 = 50 nm

l = 400 nm l2 = 200 nm

l = 1 μm l2 = 500 nm

441 Anaacutelise da rede com interconexotildees ideais

A partir da simulaccedilatildeo do H-tree clock a frequecircncia em -3dB (f-3dB) da rede com

interconexotildees ideais foi obtida Na saiacuteda de cada porta inversora a banda passante do sinal

eacute 3200 GHz Dessa forma duas frequecircncias abaixo de 3200 GHz foram escolhidas para

analisar o sinal de saiacuteda da inversora em condiccedilotildees ideais As frequecircncias de 10 GHz e

100 GHz seratildeo analisadas obtendo-se as seguintes caracteriacutesticas do sinal de saiacuteda da

inversora niacutevel loacutegico baixo (NB) niacutevel loacutegico alto (NA) tempo de subida (tr) slew rate

de subida (SR) atenuaccedilatildeo (A) e tempo de atraso (td) A Tabela 47 mostra os valores

obtidos para as duas frequecircncias em anaacutelise

Tabela 47 Caracteriacutesticas dos sinais de saiacuteda da rede para interconexotildees ideais

Freq NB(mV) NA(mV) tr (ps) SR(Vns) A(dB) td (ps)

10 GHz 675 4518 356 8636 -264 412

100 GHz 678 4279 317 9088 -269 189

Os caacutelculos da potecircncia estaacutetica ( IVP DDE ) potecircncia dinacircmica ( CVfP DDD 2 ) e

potecircncia total ( DE PPP ) dissipada por cada porta inversora foram realizados bem

como o produto atraso-potecircncia (DP) Assim a Tabela 48 mostra os valores obtidos no

40

caacutelculo destes paracircmetros Como a potecircncia estaacutetica independe da frequecircncia do sinal de

entrada o seu valor eacute o mesmo nos dois casos

Tabela 48 Potecircncia dissipada por cada porta inversora para interconexotildees ideais

Frequecircncia PE (nW) PD (nW) P (nW) DP (10-18

Wmiddots)

10 GHz 4838 125 4963 020

100 GHz 4838 125 6088 012

As Tabelas 47 e 48 serviratildeo de referecircncia para as anaacutelises da rede com interconexotildees natildeo-

ideais analisadas na subseccedilatildeo seguinte As Figuras 47 e 48 ilustram o sinal de saiacuteda das

redes com frequecircncias de 10 GHz e de 100 GHz respectivamente Eacute possiacutevel observar que

na frequecircncia de 100 GHz o sinal de saiacuteda jaacute eacute distorcido em relaccedilatildeo ao sinal de referecircncia

(Figura 46)

Figura 47 Sinal de entrada (em verde) e sinal de saiacuteda (em preto) da rede a 10 GHz

Figura 48 Sinal de entrada (em verde) e sinal de saiacuteda (em preto) da rede a 100 GHz

41

442 Anaacutelise da rede com interconexotildees natildeo-ideais

Apoacutes obter as caracteriacutesticas da rede H-tree clock com interconexotildees ideais a anaacutelise da

rede com interconexotildees natildeo-ideais seraacute feita Primeiramente eacute importante verificar a

frequecircncia em -3dB do sinal depois das interconexotildees ou seja na entrada da porta

inversora Caso essa frequecircncia seja menor que a frequecircncia de 3200 GHz obtida com

interconexotildees ideais entatildeo a interconexatildeo afetaraacute o comportamento da rede A Tabela 49

mostra a frequecircncia em -3dB na entrada da inversora para interconexotildees natildeo-ideais

Tabela 49 Frequecircncia em -3dB na entrada da inversora para interconexotildees natildeo-ideais

Comprimentos (l2 l) Material f-3dB

50nm 100nm SWCNT bundle 122 THz

Cobre 175 THz

200nm 400nm SWCNT bundle 31 THz

Cobre 8606 GHz

500nm 1microm SWCNT bundle 12 THz

Cobre 1268 GHz

Assim verifica-se que a interconexatildeo de cobre da rede 500nm1microm possui frequecircncia em

-3dB abaixo da frequecircncia do circuito com interconexatildeo ideal (3200 GHz) Isso indica que

esta interconexatildeo interfere significativamente no comportamento da rede A Tabela 49

mostra tambeacutem que a banda passante da interconexatildeo de cobre soacute eacute maior que a da

interconexatildeo de SWCNT bundle no primeiro caso na rede de 50nm100nm o que mostra

uma vantagem do SWCNT bundle em relaccedilatildeo ao cobre A partir dessas informaccedilotildees a

rede H-tree clock com interconexotildees natildeo-ideais seraacute analisada detalhadamente

4421 Anaacutelise da rede a 10 GHz

As redes com interconexotildees natildeo-ideais seratildeo analisadas na frequecircncia de 10 GHz para

diferentes comprimentos Primeiramente o niacutevel loacutegico baixo (NB) o niacutevel loacutegico alto

(NA) o tempo de subida (tr) e o slew rate de subida (SR) foram obtidos conforme mostra a

Tabela 410 Com base nessa tabela verifica-se que na frequecircncia de 10 GHz essas

caracteriacutesticas natildeo foram modificadas pelas interconexotildees natildeo-ideais independentemente

do comprimento Os valores dos paracircmetros satildeo iguais aos obtidos na rede com

interconexatildeo ideal conforme Tabela 47 O sinal obtido na saiacuteda de cada inversor eacute igual

ao ilustrado na Figura 47

42

Tabela 410 Niacuteveis loacutegicos tempo de subida e slew rate dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 10 GHz

Freq L (l2l) Material NB(mV) NA(mV) tr(ps) SR(Vns)

10

GHz

50nm

100nm

SWCNT bundle 675 4518 356 8636

Cobre 675 4518 356 8636

200nm

400nm

SWCNT bundle 675 4518 356 8636

Cobre 675 4518 356 8636

500nm

1microm

SWCNT bundle 675 4518 356 8636

Cobre 675 4518 356 8636

A Tabela 411 mostra a atenuaccedilatildeo tempo de atraso potecircncia total dissipada e o produto

atraso-potecircncia obtidos a frequecircncia de 10 GHz para interconexotildees natildeo-ideais Observa-se

que a atenuaccedilatildeo do sinal e a potecircncia total dissipada por cada porta inversora permanecem

os mesmos em relaccedilatildeo agrave interconexatildeo ideal mostrando que a essa frequecircncia as

interconexotildees natildeo-ideais natildeo interferem nestes paracircmetros

Jaacute o atraso na propagaccedilatildeo do sinal no caso do cobre aumenta agrave medida que as

interconexotildees aumentam de comprimento aumentando tambeacutem o produto atraso-potecircncia

Esse atraso chega a 66 do periacuteodo do sinal de entrada para a interconexatildeo 500nm1microm

de cobre No entanto estes paracircmetros natildeo satildeo afetados pelas interconexotildees de SWCNT

bundle indicando que este material se sobressai em relaccedilatildeo ao cobre

Tabela 411 Atenuaccedilatildeo atraso potecircncia e produto atraso-potecircncia dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 10 GHz

Freq L (l2l) Material A (dB) td (ps) P (nW) DP(10-18

Wmiddots)

10

GHz

50nm

100nm

SWCNT bundle -264 412 4963 020

Cobre -264 412 4963 020

200nm

400nm

SWCNT bundle -264 412 4963 020

Cobre -264 438 4963 022

500nm

1microm

SWCNT bundle -264 412 4963 020

Cobre -264 659 4963 033

4422 Anaacutelise da rede a 100 GHz

As redes com interconexotildees natildeo-ideais seratildeo analisadas na frequecircncia de 100 GHz para

diferentes comprimentos O niacutevel loacutegico baixo (NB) o niacutevel loacutegico alto (NA) o tempo de

subida (tr) e o slew rate de subida (SR) foram obtidos conforme mostra a Tabela 412 Jaacute a

43

Tabela 413 mostra a atenuaccedilatildeo tempo de atraso potecircncia total dissipada e o produto

atraso-potecircncia obtidos a frequecircncia de 100 GHz para interconexotildees natildeo-ideais

Tabela 412 Niacuteveis loacutegicos tempo de subida e slew rate dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 100 GHz

Freq L (l2l) Material NB(mV) NA(mV) tr(ps) SR(Vns)

100

GHz

50nm

100nm

SWCNT bundle 678 4272 316 9099

Cobre 675 4277 323 9107

200nm

400nm

SWCNT bundle 678 4299 315 9196

Cobre 677 4089 289 9447

500nm

1microm

SWCNT bundle 678 4418 300 9973

Cobre 635 1766 102 6795

Tabela 413 Atenuaccedilatildeo atraso potecircncia e produto atraso-potecircncia dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 100 GHz

Freq L (l2l) Material A (dB) td (ps) P (nW) DP(10-18

Wmiddots)

100

GHz

50nm

100nm

SWCNT bundle -2703 189 6088 012

Cobre -2685 191 6088 012

200nm

400nm

SWCNT bundle -2693 188 6088 012

Cobre -2698 228 6088 014

500nm

1microm

SWCNT bundle -2673 174 6088 011

Cobre -2893 388 6088 024

A partir das Tabelas 412 e 413 o SWCNT bundle seraacute analisado Observa-se que os seus

niacuteveis loacutegicos altos aumentam com o aumento do comprimento das interconexotildees

aumentando tambeacutem o slew rate de subida Esse comportamento ocorre provavelmente

devido ao efeito ressonante provocado pela indutacircncia que provoca um pico no graacutefico da

frequumlecircncia antes dele comeccedilar a decair conforme explicado na subseccedilatildeo 421 Isso implica

na diminuiccedilatildeo da atenuaccedilatildeo do sinal e do atraso No entanto o produto atraso-potecircncia

permanece praticamente invariaacutevel jaacute que a potecircncia total dissipada natildeo se altera

Em relaccedilatildeo agraves interconexotildees de cobre verifica-se que as distorccedilotildees satildeo significativas Agrave

medida que o comprimento aumenta a atenuaccedilatildeo do sinal de saiacuteda aumenta Isso provoca

diminuiccedilatildeo no slew rate do sinal o que natildeo eacute desejado jaacute que o sinal demora mais para

atingir o niacutevel loacutegico alto Aleacutem disso o atraso na propagaccedilatildeo do sinal aumenta bastante

chegando a 388 do periacuteodo do sinal de entrada para a interconexatildeo 500nm1microm

Consequentemente o produto atraso-potecircncia tambeacutem aumenta sendo o dobro do valor de

44

referecircncia (interconexotildees ideais) A Figura 49 ilustra o sinal de saiacuteda da interconexatildeo

500nm1microm de cobre

Figura 49 Sinal de entrada (em verde) e sinal de saiacuteda (em preto) da rede a 100 GHz para

a interconexatildeo 500nm1microm de cobre

Comparando-se as potecircncias das tabelas 47 48 411 413 verifica-se que natildeo haacute

alteraccedilatildeo na potecircncia total dissipada pelo circuito com interconexotildees ideais e pelos

circuitos com interconexotildees natildeo-ideais para uma mesma frequecircncia Assim eacute importante

destacar que a dissipaccedilatildeo de potecircncia das interconexotildees de SWCNT bundle e de cobre natildeo

interfere na potecircncia total dissipada pelo circuito

443 Consideraccedilotildees Finais

Apoacutes analisar as interconexotildees locais de SWCNT de SWCNT bundle e de cobre

verificou-se que as interconexotildees de SWCNT bundle possuem desempenho comparaacutevel ao

das interconexotildees de cobre Em relaccedilatildeo agraves interconexotildees intermediaacuterias as de SWCNT

bundle apresentam desempenho superior agraves de cobre Jaacute as interconexotildees de SWCNT

isolado tanto para interconexotildees locais como para interconexotildees intermediaacuterias

apresentam desempenho inferior agraves interconexotildees de SWCNT bundle e de cobre natildeo

sendo propiacutecias a serem utilizadas em interconexotildees de circuitos integrados

Na anaacutelise das interconexotildees natildeo-ideais na rede H-tree clock mono-eleacutetron para a

frequecircncia de 10GHz observou-se que o niacutevel loacutegico baixo o niacutevel loacutegico alto o tempo de

subida o slew rate de subida a atenuaccedilatildeo do sinal e a potecircncia total dissipada por cada

porta inversora permanecem os mesmos em relaccedilatildeo agrave interconexatildeo ideal mostrando que

45

para esta frequecircncia as interconexotildees natildeo-ideais natildeo interferem nestes paracircmetros Jaacute o

atraso na propagaccedilatildeo do sinal no caso do cobre aumenta agrave medida que as interconexotildees

aumentam de comprimento aumentando tambeacutem o produto atraso-potecircncia No entanto

estes paracircmetros natildeo satildeo afetados pelas interconexotildees de SWCNT bundle indicando que

este material se sobressai em relaccedilatildeo ao cobre

Jaacute para a rede H-tree clock mono-eleacutetron a 100GHz observou-se que o circuito com

interconexotildees natildeo-ideais afetou bastante os paracircmetros em anaacutelise se comparados aos

obtidos para interconexotildees ideais Verificou-se que as distorccedilotildees provocadas pelas

interconexotildees de cobre foram significativas indicando que as interconexotildees de SWCNT

bundle possuem melhor desempenho que as de cobre

Assim constata-se que as interconexotildees de SWCNT bundle satildeo fortes candidatas a

substituirem as interconexotildees de cobre em circuitos em escala giga (GSI) e tera (TSI)

46

5 CONCLUSOtildeES

Nesta dissertaccedilatildeo o estudo das interconexotildees de SWCNT de SWCNT bundle e de cobre

foi realizado analisando e comparando os seus desempenhos para diferentes

comprimentos A partir desse estudo verificou-se que as interconexotildees de SWCNT bundle

possui desempenho comparaacutevel ao das interconexotildees de cobre no caso de interconexotildees

locais Em relaccedilatildeo agraves interconexotildees intermediaacuterias as de SWCNT bundle apresentam

desempenho superior agraves de cobre

As interconexotildees de SWCNT bundle e as interconexotildees de cobre foram entatildeo simuladas na

rede H-tree clock de dois niacuteveis para diferentes comprimentos e frequecircncias Nos pontos

de destino final da rede foram colocadas portas inversoras formadas por SETs permitindo

a anaacutelise de circuitos nanoeletrocircnicos

A partir da anaacutelise da rede H-tree clock observou-se que as interconexotildees de SWCNT

bundle possuem desempenho melhor que as de cobre principalmente em relaccedilatildeo ao slew

rate agrave atenuaccedilatildeo ao tempo de atraso e ao produto atraso-potecircncia Aleacutem disso a

dissipaccedilatildeo de potecircncia das interconexotildees natildeo-ideais natildeo interferem na potecircncia total

dissipada pelo circuito Assim as interconexotildees de SWCNT bundle satildeo fortes candidatas a

substituirem as interconexotildees de cobre em circuitos em escala giga (GSI) e tera (TSI)

Como perspectivas futuras eacute importante analisar o efeito das interconexotildees de nanotubo de

carbono em circuitos GSI e TSI com outras arquiteturas A anaacutelise das interconexotildees de

CNT tambeacutem deve ser feita em circuitos com tecnologia MOS permitindo a comparaccedilatildeo

entre diferentes tecnologias Aleacutem disso eacute interessante estudar outros tipos de materiais

que possam ser utilizados como interconexotildees em circuitos integrados

47

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53

7 APEcircNDICES

71 TABELAS COMPLEMENTARES

Tabela 71 Paracircmetros obtidos a partir do modelo de SWCNT isolado

L RQ (Ω) RS (Ω) LCNT (10-9

H) CCNT (10-18

F)

10 nm 645103 - 40010

-2 27910

-1

100 nm 645103 - 40010

-1 279

200 nm 645103 - 80010

-1 558

300 nm 645103 - 120 837

400 nm 645103 - 160 11210

1

500 nm 645103 - 200 14010

1

600 nm 645103 - 240 16710

1

700 nm 645103 - 280 19510

1

800 nm 645103 - 320 22310

1

900 nm 645103 - 360 25110

1

1 microm 645103 - 400 27910

1

10 microm 645103 64510

4 40010

1 27910

2

100 microm 645103 64510

5 40010

2 27910

3

200 microm 645103 12910

6 80010

2 55810

3

300 microm 645103 19410

6 12010

3 83710

3

400 microm

645103 25810

6 16010

3 11210

4

500 microm

645103 32310

6 20010

3 14010

4

Tabela 72 Paracircmetros obtidos a partir do modelo de SWCNT bundle

L RQ (Ω) RS (Ω) LBundle(10-9

H) CBundle(10-18

F)

10 nm 1075 - 66710-5

135

100 nm 1075 - 66710-4

135101

200 nm 1075 - 13310-3

270101

300 nm 1075 - 20010-3

405101

400 nm 1075 - 26710-3

540101

500 nm 1075 - 33310-3

675101

600 nm 1075 - 40010-3

810101

700 nm 1075 - 46710-3

945101

800 nm 1075 - 53310-3

108102

900 nm 1075 - 60010-3

122102

1 microm 1075 - 66710-3

135102

10 microm 1075 108102 66710

-2 13510

3

100 microm 1075 108103 66710

-1 13510

4

200 microm 1075 215103 133 27010

4

300 microm 1075 323103 200 40510

4

400 microm

1075 430103 267 54010

4

500 microm

1075 538103 333 67510

4

54

Tabela 73 Paracircmetros obtidos a partir do modelo de cobre

L RCu (Ω) LCu (10-9

H) CCu (10-18

F)

10 nm 06 37310-6

150

100 nm 60 63610-5

150101

200 nm 120 17510-4

300101

300 nm 180 30910-4

450101

400 nm 240 45410-4

600101

500 nm 300 61110-4

750101

600 nm 360 77510-4

900101

700 nm 420 94610-4

105102

800 nm 480 11210-3

120102

900 nm 540 13110-3

135102

1 microm 600 14910-3

150102

10 microm 60102 24010

-2 15010

3

100 microm 60103 33210

-1 15010

4

200 microm 12104 72010

-1 30010

4

300 microm 18104 113 45010

4

400 microm

24104 155 60010

4

500 microm

30104 198 75010

4

55

Tabela 74 Frequecircncia em -3dB das interconexotildees locais

Comprimento Material f-3dB

10 nm SWCNT isolado 253 GHz

SWCNT bundle 66 THz

Cobre 232 THz

100 nm SWCNT isolado 300 GHz

SWCNT bundle 20 THz

Cobre 51 THz

200 nm SWCNT isolado 342 GHz

SWCNT bundle 14 THz

Cobre 29 THz

300 nm SWCNT isolado 344 GHz

SWCNT bundle 11 THz

Cobre 20 THz

400 nm SWCNT isolado 329 GHz

SWCNT bundle 89 THz

Cobre 15 THz

500 nm SWCNT isolado 307 GHz

SWCNT bundle 76 THz

Cobre 12 THz

600 nm SWCNT isolado 288 GHz

SWCNT bundle 67 THz

Cobre 94 THz

700 nm SWCNT isolado 271 GHz

SWCNT bundle 61 THz

Cobre 76 THz

800 nm SWCNT isolado 255 GHz

SWCNT bundle 55 THz

Cobre 63 THz

900 nm SWCNT isolado 240 GHz

SWCNT bundle 51 THz

Cobre 52 THz

1 microm SWCNT isolado 230 GHz

SWCNT bundle 47 THz

Cobre 42 THz

56

Tabela 75 Frequecircncia em -3dB das interconexotildees intermediaacuterias

Comprimento Material f-3dB

10 microm SWCNT isolado 26 GHz

SWCNT bundle 527 GHz

Cobre 34 GHz

100 microm SWCNT isolado 32 MHz

SWCNT bundle 42 GHz

Cobre 345 MHz

200 microm SWCNT isolado 82 MHz

SWCNT bundle 10 GHz

Cobre 87 MHz

300 microm SWCNT isolado 36 MHz

SWCNT bundle 455 MHz

Cobre 38 MHz

400 microm SWCNT isolado 21 MHz

SWCNT bundle 256 MHz

Cobre 21 MHz

500 microm SWCNT isolado 13 MHz

SWCNT bundle 165 MHz

Cobre 14 MHz

57

8 ANEXOS

81 COacuteDIGO SPICE DO SET [44]

Transistor mono-eleacutetron (SET) conexotildees fonte | dreno | | porta1 | | | porta2 | | | | SUBCKT SET 1 2 3 4 PARAMS +C1=1E-20 Capacitacircncia da junccedilatildeo 1 +C2=1E-20 Capacitacircncia da junccedilatildeo 2 +R1=1E5 Resistecircncia da junccedilatildeo 1 +R2=1E5 Resistecircncia da junccedilatildeo 2 +Cg1=015E-18 Capacitacircncia da junccedilatildeo 1 +Cg2=0 Capacitacircncia da junccedilatildeo 2 +C0=0 Capacitacircncia proacutepria da ilha +Q0=005 Carga offset em unidades de e +TEMP=300 Temperatura PARAM E=160217733E-19 Carga do eleacutetron (e) PARAM CSUM=C1+C2+Cg1+Cg2+C0 Capacitacircncia total do SET PARAM T=TEMPCSUM53785467E14 Temperatura normalizada 53785467E14 = kBe^2 PARAM RN1=R1(R1+R2) Resistecircncia da junccedilatildeo 1 normalizada PARAM RN2=R2(R1+R2) Resistecircncia da junccedilatildeo 2 normalizada FUNC Q(v1v2v3v4) (Cg1v3+Cg2v4+C1v1+C2v2)E+Q0 Definiccedilatildeo da carga em unidades de e FUNC VN(v) CSUMvE Tensatildeo normalizada FUNC GAMMA(u) IF(T==0IF(ult0-u0)IF(u==0Tu(EXP(uT)-1))) FUNC N_OPT(v1v2v3v4) ROUND(-Q(v1v2v3v4)+(CSUME) (v1RN2+v2RN1)) A maior probabilidade de carga na ilha em unidades de e Os quarto eventos tuacuteneis FUNC R1L(nv1v2v3v4) GAMMA(05 - n - Q(v1v2v3v4) + VN(v1))RN1 FUNC R1R(nv1v2v3v4) GAMMA(05 + n + Q(v1v2v3v4) - VN(v1))RN1 FUNC R2L(nv1v2v3v4) GAMMA(05 + n + Q(v1v2v3v4) - VN(v2))RN2 FUNC R2R(nv1v2v3v4) GAMMA(05 - n - Q(v1v2v3v4) + VN(v2))RN2

58

determinaccedilatildeo das probabilidades relativas assume-se inicialmente que o estado da carga N_OPT tem probabilidade relativa igual a um FUNC PN_1(nv1v2v3v4) (R1L(nv1v2v3v4)+R2R(nv1v2v3v4))(R1R(n-1v1v2v3v4)+R2L(n-1v1v2v3v4)) FUNC PN_2(nv1v2v3v4) PN_1(nv1v2v3v4) +(R1L(n-1v1v2v3v4)+R2R(n-1v1v2v3v4))(R1R(n-2v1v2v3v4)+R2L(n-2v1v2v3v4)) FUNC PN_3(nv1v2v3v4) PN_2(nv1v2v3v4) +(R1L(n-2v1v2v3v4)+R2R(n-2v1v2v3v4))(R1R(n-3v1v2v3v4)+R2L(n-3v1v2v3v4)) FUNC PN_4(nv1v2v3v4) PN_3(nv1v2v3v4) +(R1L(n-3v1v2v3v4)+R2R(n-3v1v2v3v4))(R1R(n-4v1v2v3v4)+R2L(n-4v1v2v3v4)) FUNC PN_5(nv1v2v3v4) PN_4(nv1v2v3v4) +(R1L(n-4v1v2v3v4)+R2R(n-4v1v2v3v4))(R1R(n-5v1v2v3v4)+R2L(n-5v1v2v3v4)) FUNC PN1(nv1v2v3v4) (R2L(nv1v2v3v4) +R1R(nv1v2v3v4))(R2R(n+1v1v2v3v4)+R1L(n+1v1v2v3v4)) FUNC PN2(nv1v2v3v4) PN1(nv1v2v3v4) +(R2L(n+1v1v2v3v4)+R1R(n+1v1v2v3v4))(R2R(n+2v1v2v3v4)+R1L(n+2v1v2v3v4)) FUNC PN3(nv1v2v3v4) PN2(nv1v2v3v4) +(R2L(n+2v1v2v3v4)+R1R(n+2v1v2v3v4))(R2R(n+3v1v2v3v4)+R1L(n+3v1v2v3v4)) FUNC PN4(nv1v2v3v4) PN3(nv1v2v3v4) +(R2L(n+3v1v2v3v4)+R1R(n+3v1v2v3v4))(R2R(n+4v1v2v3v4)+R1L(n+4v1v2v3v4)) FUNC PN5(nv1v2v3v4) PN4(nv1v2v3v4) +(R2L(n+4v1v2v3v4)+R1R(n+4v1v2v3v4))(R2R(n+5v1v2v3v4)+R1L(n+5v1v2v3v4)) FUNC PSUM(nv1v2v3v4) PN_5(nv1v2v3v4)+PN_4(nv1v2v3v4)+PN_3(nv1v2v3v4)+PN_2(nv1v2v3v4) ++PN_1(nv1v2v3v4)+1+PN1(nv1v2v3v4)+PN2(nv1v2v3v4)+PN3(nv1v2v3v4) ++PN4(nv1v2v3v4)+PN5(nv1v2v3v4)

59

caacutelculo da corrente da fonte para o dreno FUNC CUR(nv1v2v3v4) PN_5(nv1v2v3v4)(R1R(n-5v1v2v3v4)-R1L(n-5v1v2v3v4)) ++PN_4(nv1v2v3v4)(R1R(n-4v1v2v3v4)-R1L(n-4v1v2v3v4)) ++PN_3(nv1v2v3v4)(R1R(n-3v1v2v3v4)-R1L(n-3v1v2v3v4)) ++PN_2(nv1v2v3v4)(R1R(n-2v1v2v3v4)-R1L(n-2v1v2v3v4)) ++PN_1(nv1v2v3v4)(R1R(n-1v1v2v3v4)-R1L(n-1v1v2v3v4)) ++(R1R(nv1v2v3v4)-R1L(nv1v2v3v4)) ++PN1(nv1v2v3v4)(R1R(n+1v1v2v3v4)-R1L(n+1v1v2v3v4)) ++PN2(nv1v2v3v4)(R1R(n+2v1v2v3v4)-R1L(n+2v1v2v3v4)) ++PN3(nv1v2v3v4)(R1R(n+3v1v2v3v4)-R1L(n+3v1v2v3v4)) ++PN4(nv1v2v3v4)(R1R(n+4v1v2v3v4)-R1L(n+4v1v2v3v4)) ++PN5(nv1v2v3v4)(R1R(n+5v1v2v3v4)-R1L(n+5v1v2v3v4)) FUNC CURRENT(nv1v2v3v4) ECUR(nv1v2v3v4)(CSUMPSUM(nv1v2v3v4)(R1+R2)) caacutelculo da tensatildeo da ilha FUNC VOLT(nv1v2v3v4) PN_5(nv1v2v3v4)(n-5+Q(v1v2v3v4)) ++PN_4(nv1v2v3v4)(n-4+Q(v1v2v3v4)) ++PN_3(nv1v2v3v4)(n-3+Q(v1v2v3v4)) ++PN_2(nv1v2v3v4)(n-2+Q(v1v2v3v4)) ++PN_1(nv1v2v3v4)(n-1+Q(v1v2v3v4)) ++n+Q(v1v2v3v4) ++PN1(nv1v2v3v4)(n+1+Q(v1v2v3v4)) ++PN2(nv1v2v3v4)(n+2+Q(v1v2v3v4)) ++PN3(nv1v2v3v4)(n+3+Q(v1v2v3v4)) ++PN4(nv1v2v3v4)(n+4+Q(v1v2v3v4)) ++PN5(nv1v2v3v4)(n+5+Q(v1v2v3v4)) FUNC VOLTAGE(nv1v2v3v4) (ECSUM)VOLT(nv1v2v3v4)PSUM(nv1v2v3v4) E1 5 0 VALUE= VOLTAGE(N_OPT(V(1)V(2)V(3)V(4))V(1)V(2)V(3)V(4)) Tensatildeo da ilha G1 1 2 VALUE= CURRENT(N_OPT(V(1)V(2)V(3)V(4))V(1)V(2)V(3)V(4)) Corrente da fonte para o dreno CT1 1 5 C1 CT2 2 5 C2 CGATE1 3 5 CG1 CGATE2 4 5 CG2 ENDS SET

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28

Figura 32 ndash Fluxograma das etapas seguidas na simulaccedilatildeo das interconexotildees

322 Simulaccedilatildeo do inversor mono-eleacutetron

Para utilizar a porta inversora da Figura 215 nos terminais do H-tree clock foi necessaacuterio

primeiramente simular o SET proposto por [4] Essa simulaccedilatildeo foi feita variando os

paracircmetros do SET como as resistecircncias e capacitacircncias das junccedilotildees as capacitacircncias de

porta a temperatura etc Os paracircmetros foram variados ateacute simular o SET a temperatura

de 300K Em seguida simulou-se a inversora da Figura 215 tambeacutem a temperatura

ambiente Dessa forma foi possiacutevel simular a inversora isoladamente obtendo as

caracteriacutesticas do sinal de saiacuteda

323 Simulaccedilatildeo do H-tree clock mono-eleacutetron

Apoacutes a simulaccedilatildeo do SET foi possiacutevel simular o H-tree clock A rede H-tree de dois niacuteveis

foi simulada com um H no primeiro niacutevel e quatro H‟s no segundo niacutevel [49] Nos pontos

de destino final da rede foram colocadas portas inversoras formadas por SETs permitindo

a anaacutelise de circuitos nanoeletrocircnicos

Modelos de SWCNT

SWCNT bundle e cobre

Obtenccedilatildeo dos paracircmetros dos modelos para

interconexotildees locais e interconexotildees intermediaacuterias

Para cada comprimento

obtenccedilatildeo de f-3dB

1ordm) Escolha de frequumlecircncia abaixo

da f-3dB do SWCNT SWCNT

bundle e cobre

2ordm) Escolha de frequumlecircncia abaixo

da f-3dB do SWCNT bundle e

cobre

Obtenccedilatildeo de A e td de

cada modelo

Obtenccedilatildeo de A e td de

cada modelo

Anaacutelise comparativa entre o

SWCNT SWCNT bundle e

cobre

Anaacutelise comparativa entre o

SWCNT bundle e cobre

Estudo de interconexotildees locais (10nm

100nm 1μm) e intermediaacuterias (10μm

100μm 500μm)

29

A partir da simulaccedilatildeo do H-tree clock obteve-se a frequecircncia em -3dB (f-3dB) da rede com

interconexotildees ideais Assim a rede H-tree foi entatildeo simulada para duas frequecircncias

diferentes do sinal de entrada abaixo da frequecircncia de -3dB 10 GHz e 100 GHz Com

essas simulaccedilotildees obtiveram-se as seguintes caracteriacutesticas do sinal de saiacuteda da inversora

niacutevel loacutegico baixo (NB) niacutevel loacutegico alto (NA) tempo de subida (tr) slew rate de subida

(SR) atenuaccedilatildeo (A) tempo de atraso (td) potecircncia dissipada (P) e produto atraso-potecircncia

(DP) As caracteriacutesticas obtidas servem como referecircncia para analisar o sinal considerando

interconexotildees natildeo-ideais ou seja incluindo os modelos das interconexotildees nas simulaccedilotildees

Em seguida a rede H-tree foi simulada considerando-se os modelos das interconexotildees de

SWCNT bundle e de cobre variando os seus comprimentos Como cada H da rede de

distribuiccedilatildeo deve ser simeacutetrico considerou-se que cada divisatildeo do H tem o mesmo

comprimento para cada niacutevel da rede [11] A Figura 33 mostra o comprimento dos

diferentes trechos da rede Assim o comprimento de cada divisatildeo dos H‟s do segundo

niacutevel eacute a metade do comprimento de cada divisatildeo do H do primeiro niacutevel Jaacute que o objetivo

eacute simular circuitos em escala nanomeacutetrica escolheu-se trecircs variaccedilotildees de comprimento

menores ou iguais a 1μm

l = 100 nm l2 = 50 nm

l = 400 nm l2 = 200 nm

l = 1 μm l2 = 500 nm

Figura 33 ndash Esquemaacutetico do H-tree clock com os comprimentos de cada seguimento

Dessa forma cada um dos trecircs circuitos foi simulado obtendo-se a frequecircncia em -3dB na

entrada das portas inversoras Em seguida as trecircs redes foram simuladas para as mesmas

30

duas frequumlecircncias do sinal de entrada (10 GHz e 100 GHz) de forma a obter as

caracteriacutesticas do sinal de saiacuteda descritas anteriormente considerando agora o efeito das

interconexotildees

Por fim a partir dos dados obtidos foram realizadas comparaccedilotildees entre as caracteriacutesticas

do sinal de saiacuteda de referecircncia (interconexotildees ideais) e o sinal de saiacuteda dos circuitos com as

interconexotildees natildeo-ideais bem como entre o comportamento das interconexotildees de SWCNT

bundle e de cobre nas diferentes frequecircncias

A Figura 34 mostra o fluxograma das etapas descritas nas subseccedilotildees 322 e 323

Figura 34 ndash Fluxograma das etapas seguidas na simulaccedilatildeo do H-tree clock

H-tree clock mono-eleacutetron

Simulaccedilatildeo do H-tree clock com

interconexotildees ideais Obtenccedilatildeo de f-3dB

da inversora

Simulaccedilatildeo do H-tree clock com

interconexotildees natildeo-ideais para os seguintes

comprimentos

l = 100 nm l2 = 50 nm

l = 400 nm l2 = 200 nm

l = 1 μm l2 = 500 nm

Validaccedilatildeo do SET e do

inversor mono-eleacutetron a

300K

Sinal de entrada a

10 GHz

Sinal de entrada a

100 GHz

Obtenccedilatildeo de NB

NA tr SR A td P e

DP do sinal de saiacuteda

da inversora

Obtenccedilatildeo de NB

NA tr SR A td P e

DP do sinal de saiacuteda

da inversora

Sinal de entrada a

10 GHz

Sinal de entrada a

100 GHz

Obtenccedilatildeo de NB

NA tr SR A td P e

DP do sinal de saiacuteda

da inversora

Obtenccedilatildeo de NB

NA tr SR A td P e

DP do sinal de saiacuteda

da inversora

Anaacutelise comparativa

dos dados obtidos

31

4 RESULTADOS E ANAacuteLISES

41 INTRODUCcedilAtildeO

Neste capiacutetulo seratildeo apresentados os procedimentos adotados e os resultados obtidos na

simulaccedilatildeo das interconexotildees SWCNT SWCNT bundle e cobre As etapas descritas na

metodologia foram seguidas obtendo-se os resultados das simulaccedilotildees das interconexotildees e

das simulaccedilotildees do H-tree clock mono-eleacutetron para interconexotildees ideais e natildeo-ideais A

partir dos resultados a anaacutelise do desempenho das interconexotildees seraacute apresentada

42 ANAacuteLISE DAS INTERCONEXOtildeES

Nesta seccedilatildeo a anaacutelise das interconexotildees de SWCNT SWCNT bundle e cobre na

tecnologia de 22 nm para diferentes comprimentos seraacute realizada Para isso analisou-se

as interconexotildees locais em que l le 1 μm e as intermediaacuterias em que 1 μm lt l le 500 μm

sabendo que l eacute o comprimento da interconexatildeo [29-31333638] Como λCNT eacute

tipicamente 1 μm trecircs comprimentos na faixa lCNT le λCNT (10 nm 100 nm e 1 μm) e trecircs

comprimentos na faixa lCNT gt λCNT (10 μm 100 μm 500 μm) de cada material seratildeo

analisados detalhadamente Os paracircmetros obtidos a partir dos modelos de SWCNT

SWCNT bundle e cobre estatildeo respectivamente nas Tabelas 71 72 e 73 do Apecircndice

421 Interconexotildees locais

Primeiramente a partir da simulaccedilatildeo da Figura 31 obteve-se a frequecircncia em -3dB (f-3dB)

das interconexotildees locais (lCNT le λCNT ) isto eacute a sua banda passante de forma a verificar a

velocidade maacutexima que cada interconexatildeo suporta A Figura 41 ilustra o comportamento

da frequecircncia das interconexotildees locais para os diferentes comprimentos Como o SWCNT

isolado possui valores de frequecircncia na faixa de centenas de giga Hertz ou seja menos de

um tera Hertz os valores de suas frequecircncias tambeacutem podem ser visualisados na Tabela

74 do Apecircndice

Verifica-se que agrave medida que o comprimento da interconexatildeo aumenta a frequecircncia

diminui Isso ocorre jaacute que os valores da capacitacircncia e indutacircncia aumentam com o

aumento do comprimento da interconexatildeo Esses paracircmetros satildeo decisivos no sinal de

32

saiacuteda sendo o sinal mais distorcido quanto maior for o valor desses paracircmetros Observa-

se que o SWCNT bundle e o cobre possuem banda passante maiores que o SWCNT

isolado para qualquer comprimento Aleacutem disso o SWCNT bundle soacute possui uma banda

passante comparaacutevel ao do cobre para comprimentos acima de 700 nm

Frequecircncia X Comprimento

0

10

20

30

40

50

60

100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

Comprimento (nm)

f -3d

B (

TH

z)

SWCNT Isolado

SWCNT bundle

Cobre

Figura 41 ndash Frequumlecircncia versus comprimento das interconexotildees locais

As interconexotildees locais de 10 nm 100 nm e 1 μm de comprimento foram analisadas

detalhadamente A Tabela 41 mostra a frequecircncia em -3dB de cada material para os

comprimentos em anaacutelise

Tabela 41 Frequecircncia em -3dB de cada material para lCNT le λCNT

Interconexatildeo Local Comprimento (L) Material f-3dB

SWCNT isolado 253 GHz

10nm SWCNT bundle 66 THz

Cobre 232 THz

SWCNT isolado 300 GHz

lCNT le λCNT 100nm SWCNT bundle 20 THz

Cobre 51 THz

SWCNT isolado 230 GHz

1microm SWCNT bundle 47 THz

Cobre 42 THz

Assim escolheu-se uma mesma frequecircncia abaixo da frequecircncia de corte dos trecircs

materiais considerados para analisar e comparar a atenuaccedilatildeo (A) e o tempo de atraso na

propagaccedilatildeo (td) dos trecircs comprimentos Isso permite verificar o comportamento do sinal na

banda passante A Tabela 42 mostra esse estudo comparativo entre o SWCNT isolado

SWCNT bundle e cobre agrave frequecircncia de 200 GHz

33

Tabela 42 Estudo das interconexotildees com comprimentos na faixa lCNT le λCNT

Freq L Material A (dB) td (ps)

SWCNT isolado -210 046

10nm SWCNT bundle 001 000

Cobre 000 000

SWCNT isolado -155 051

200 GHz 100nm SWCNT bundle 001 000

Cobre 001 000

SWCNT isolado -039 107

1microm SWCNT bundle 006 001

Cobre 000 007

A partir da anaacutelise da Tabela 42 eacute possiacutevel observar agrave frequumlecircncia de 200 GHz a

atenuaccedilatildeo do sinal e o atraso do SWCNT isolado Nessa frequumlecircncia o atraso do SWCNT

isolado eacute significativo em relaccedilatildeo ao periacuteodo do sinal que eacute 5ps jaacute que o menor atraso

(para l = 10nm) eacute aproximadamente 10 do periacuteodo do sinal de entrada No entanto para

esta mesma frequumlecircncia observa-se que a atenuaccedilatildeo e o atraso do SWCNT bundle e do

cobre satildeo insignificantes Isto indica que estes dois materiais possuem melhor

desempenho sendo favoraacuteveis para serem utilizados em interconexotildees locais

Dessa forma para analisar melhor a atenuaccedilatildeo e o tempo de atraso do SWCNT bundle e do

cobre o mesmo procedimento foi feito comparando-se somente estes dois materiais para

uma mesma frequecircncia de 1 THz A Tabela 43 mostra esse estudo comparativo entre o

SWCNT bundle e cobre

Tabela 43 Estudo das interconexotildees SWCNT bundle e cobre com comprimentos na faixa

lCNT le λCNT

Freq L Material A (dB) td (fs)

10nm SWCNT bundle 001 113

Cobre 000 022

1 THz 100nm SWCNT bundle 006 136

Cobre 001 240

1microm SWCNT bundle 145 647

Cobre -013 5623

Analisando a Tabela 43 observa-se que agrave frequumlecircncia de 1 THz a atenuaccedilatildeo do sinal e o

atraso aumentam agrave medida que o comprimento das interconexotildees aumentam A partir do

comprimento de 100nm o tempo de atraso da interconexatildeo de cobre eacute maior que o do

SWCNT bundle cujo maior valor de atraso (para l = 1microm) natildeo chega a 1 do periacuteodo do

34

sinal de entrada (1ps) Isso mostra que apesar de a banda passante do cobre ser maior o

atraso do SWCNT bundle eacute menor Dessa forma para as interconexotildees locais o SWCNT

bundle possui desempenho comparaacutevel ao do cobre [13]

Em relaccedilatildeo agrave atenuaccedilatildeo verifica-se que para alguns comprimentos este tem valor

positivo Isso ocorre principalmente quando haacute um pico no graacutefico da frequumlecircncia antes dele

comeccedilar a decair Esse pico eacute devido ao efeito ressonante provocado pela indutacircncia

quando este possui valor comparaacutevel agrave resistecircncia e agrave capacitacircncia da interconexatildeo [53]

Assim esse efeito ressonante foi observado somente nas interconexotildees locais de SWCNT

bundle e de cobre A Figura 42 ilustra o graacutefico da magnitude pela frequumlecircncia do SWCNT

isolado SWCNT bundle e cobre para o comprimento de 100nm Observa-se o efeito

ressonante nos graacuteficos do SWCNT bundle e do cobre

Figura 42 ndash Graacuteficos da magnitude das interconexotildees de SWCNT isolado (superior)

SWCNT bundle (meio) e cobre (inferior) com comprimento de 100nm

35

422 Interconexotildees intermediaacuterias

Assim como para as interconexotildees locais obteve-se a frequecircncia em -3dB (f-3dB) das

interconexotildees intermediaacuterias (lCNT gt λCNT) de forma a verificar a velocidade maacutexima que

cada interconexatildeo suporta A Figura 43 ilustra o comportamento da frequecircncia das

interconexotildees intermediaacuterias para os diferentes comprimentos Os valores das frequecircncias

de cada interconexatildeo tambeacutem podem ser visualisados na Tabela 75 do Apecircndice

Como nas interconexotildees locais agrave medida que o comprimento da interconexatildeo aumenta a

frequecircncia diminui Aleacutem disso o SWCNT bundle e o cobre possuem desempenho melhor

que o do SWCNT isolado para qualquer comprimento No entanto para interconexotildees

intermediaacuterias o SWCNT bundle possui banda passante maior que a do cobre para

qualquer comprimento

Frequecircncia X Comprimento

00

05

10

15

20

25

30

35

40

45

100 200 300 400 500

Comprimento (μm)

f -3d

B (

GH

z)

SWCNT isolado

SWCNT bundle

Cobre

Figura 43 ndash Frequumlecircncia versus comprimento das interconexotildees intermediaacuterias

As interconexotildees intermediaacuterias de 10 μm 100 μm e 500 μm de comprimento foram entatildeo

analisadas detalhadamente A Tabela 44 mostra a frequecircncia em -3dB de cada materal

para os diferentes comprimentos em anaacutelise

36

Tabela 44 Frequecircncia em -3dB de cada material para lCNT gt λCNT

Interconexatildeo

Intermediaacuteria

Comprimento (L) Material f-3dB

SWCNT isolado 26 GHz

10 microm SWCNT bundle 527 GHz

Cobre 34 GHz

SWCNT isolado 32 MHz

lCNT gt λCNT 100 microm SWCNT bundle 42 GHz

Cobre 345 MHz

SWCNT isolado 13 MHz

500 microm SWCNT bundle 165 MHz

Cobre 14 MHz

Escolheu-se a frequecircncia de 1 MHz que estaacute abaixo da frequecircncia de corte dos trecircs

materiais considerados para analisar e comparar a atenuaccedilatildeo (A) e o tempo de atraso na

propagaccedilatildeo (td) dos trecircs comprimentos A Tabela 45 mostra esse estudo comparativo entre

o SWCNT isolado SWCNT bundle e cobre

Tabela 45 Estudo das interconexotildees com comprimentos na faixa lCNT gt λCNT

Freq L Material A (dB) td (ns)

SWCNT isolado -002 008

10 microm SWCNT bundle 000 000

Cobre 000 000

SWCNT isolado -003 559

1 MHz 100 microm SWCNT bundle -001 005

Cobre -004 056

SWCNT isolado -198 10217

500 microm SWCNT bundle 000 110

Cobre -003 1301

Com base na Tabela 45 observa-se que a atenuaccedilatildeo e o tempo de atraso do SWCNT

isolado aumentam com o aumento do comprimento da interconexatildeo Nessa frequumlecircncia o

atraso na propagaccedilatildeo do SWCNT isolado eacute significativo em relaccedilatildeo ao periacuteodo do sinal de

entrada que eacute 1micros chegando a mais de 10 deste periacuteodo para o comprimento de 500microm

Verifica-se tambeacutem o aumento do tempo de atraso da interconexatildeo de cobre sendo 13

do periacuteodo do sinal de entrada para o comprimento de 500microm

Para analisar melhor a atenuaccedilatildeo e o tempo de atraso do SWCNT bundle e do cobre o

mesmo procedimento foi feito comparando-se somente estes dois materiais para uma

37

mesma frequecircncia de 10 MHz A Tabela 46 mostra esse estudo comparativo entre o

SWCNT bundle e cobre

Tabela 46 Estudo das interconexotildees SWCNT bundle e cobre com comprimentos na faixa

lCNT gt λCNT

Freq L Material A (dB) td (ns)

10 microm SWCNT bundle 000 000

Cobre 000 000

10 MHz 100 microm SWCNT bundle -001 005

Cobre -004 054

500 microm SWCNT bundle -004 107

Cobre -185 1024

Analisando a Tabela 46 observa-se que agrave medida que o comprimento das interconexotildees

aumenta a atenuaccedilatildeo e o atraso do sinal da interconexatildeo de cobre tornam-se significativos

O atraso na propagaccedilatildeo da interconexatildeo de cobre para l = 500microm chega a 10 do periacuteodo

do sinal de entrada (100ns) Jaacute o SWCNT bundle apresenta valores insignificantes de

atenuaccedilatildeo e atraso na propagaccedilatildeo Assim para as interconexotildees intermediaacuterias o SWCNT

bundle possui desempenho superior ao do cobre

43 SIMULACcedilAtildeO DO INVERSOR MONO-ELEacuteTRON

O modelo SPICE do SET proposto por G Lientschnig et al [444] foi simulado no

LTSPICE A partir da equaccedilatildeo (226) foi possiacutevel aumentar a temperatura do SET ateacute

chegar a 300K Assim o esquemaacutetico do SET e os valores de seus paracircmetros para que o

SET opere a 300K estatildeo na Figura 44 No anexo deste trabalho (subseccedilatildeo 81) encontra-

se o coacutedigo SET que foi utilizado [44] Os paracircmetros R1 C1 e R2 C2 correspondem agraves

resistecircncias e capacitacircncias das junccedilotildees-tuacutenel Cg eacute a capacitacircncia de porta (Cg1 no coacutedigo

SET) Vg eacute a tensatildeo de porta e V eacute a tensatildeo de entrada

Figura 44 Esquemaacutetico do SET e os valores de seus paracircmetros

38

A partir destes valores o inversor mono-eleacutetron foi construiacutedo colocando-se dois SETs em

seacuterie os quais compartilham da mesma entrada A Figura 45 ilustra o esquemaacutetico do

inversor mono-eleacutetron juntamente com os valores de seus paracircmetros fixos em que Vin eacute a

tensatildeo de entrada Vout eacute a tensatildeo de saiacuteda Vbias eacute a tensatildeo de polarizaccedilatildeo Cc eacute a

capacitacircncia de carga Cg1 e Cg2 satildeo as capacitacircncias de porta do SET 1 e do SET 2

respectivamente

Figura 45 Esquemaacutetico do inversor mono-eleacutetron e os valores de seus paracircmetros

(modificado de [4])

Assim apoacutes simular o inversor mono-eleacutetron a 300K obteve-se o sinal de saiacuteda mostrado

na Figura 46 Como o inversor estaacute invertendo o sinal de entrada de valor loacutegico baixo em

um sinal de saiacuteda de valor loacutegico alto ele estaacute operando corretamente

Figura 46 Curva do sinal de entrada (em verde) e do sinal de saiacuteda (em preto) do inversor

mono-eleacutetron

39

44 ANAacuteLISE DAS INTERCONEXOtildeES NO H-TREE CLOCK MONO-ELEacuteTRON

Nesta seccedilatildeo a rede H-tree clock de dois niacuteveis foi simulada com portas inversoras mono-

eleacutetron nos pontos de destino final da rede permitindo a anaacutelise de circuitos

nanoeletrocircnicos Simulou-se a rede H-tree considerando interconexotildees ideais para as

frequecircncias de 10 GHz e 100 GHz no sinal de entrada Em seguida para as mesmas duas

frequecircncias considerou-se interconexotildees natildeo-ideais de diferentes comprimentos

analisando a rede com os modelos de interconexatildeo SWCNT bundle e cobre Trecircs redes

com comprimentos de interconexotildees diferentes foram analisadas

l = 100 nm l2 = 50 nm

l = 400 nm l2 = 200 nm

l = 1 μm l2 = 500 nm

441 Anaacutelise da rede com interconexotildees ideais

A partir da simulaccedilatildeo do H-tree clock a frequecircncia em -3dB (f-3dB) da rede com

interconexotildees ideais foi obtida Na saiacuteda de cada porta inversora a banda passante do sinal

eacute 3200 GHz Dessa forma duas frequecircncias abaixo de 3200 GHz foram escolhidas para

analisar o sinal de saiacuteda da inversora em condiccedilotildees ideais As frequecircncias de 10 GHz e

100 GHz seratildeo analisadas obtendo-se as seguintes caracteriacutesticas do sinal de saiacuteda da

inversora niacutevel loacutegico baixo (NB) niacutevel loacutegico alto (NA) tempo de subida (tr) slew rate

de subida (SR) atenuaccedilatildeo (A) e tempo de atraso (td) A Tabela 47 mostra os valores

obtidos para as duas frequecircncias em anaacutelise

Tabela 47 Caracteriacutesticas dos sinais de saiacuteda da rede para interconexotildees ideais

Freq NB(mV) NA(mV) tr (ps) SR(Vns) A(dB) td (ps)

10 GHz 675 4518 356 8636 -264 412

100 GHz 678 4279 317 9088 -269 189

Os caacutelculos da potecircncia estaacutetica ( IVP DDE ) potecircncia dinacircmica ( CVfP DDD 2 ) e

potecircncia total ( DE PPP ) dissipada por cada porta inversora foram realizados bem

como o produto atraso-potecircncia (DP) Assim a Tabela 48 mostra os valores obtidos no

40

caacutelculo destes paracircmetros Como a potecircncia estaacutetica independe da frequecircncia do sinal de

entrada o seu valor eacute o mesmo nos dois casos

Tabela 48 Potecircncia dissipada por cada porta inversora para interconexotildees ideais

Frequecircncia PE (nW) PD (nW) P (nW) DP (10-18

Wmiddots)

10 GHz 4838 125 4963 020

100 GHz 4838 125 6088 012

As Tabelas 47 e 48 serviratildeo de referecircncia para as anaacutelises da rede com interconexotildees natildeo-

ideais analisadas na subseccedilatildeo seguinte As Figuras 47 e 48 ilustram o sinal de saiacuteda das

redes com frequecircncias de 10 GHz e de 100 GHz respectivamente Eacute possiacutevel observar que

na frequecircncia de 100 GHz o sinal de saiacuteda jaacute eacute distorcido em relaccedilatildeo ao sinal de referecircncia

(Figura 46)

Figura 47 Sinal de entrada (em verde) e sinal de saiacuteda (em preto) da rede a 10 GHz

Figura 48 Sinal de entrada (em verde) e sinal de saiacuteda (em preto) da rede a 100 GHz

41

442 Anaacutelise da rede com interconexotildees natildeo-ideais

Apoacutes obter as caracteriacutesticas da rede H-tree clock com interconexotildees ideais a anaacutelise da

rede com interconexotildees natildeo-ideais seraacute feita Primeiramente eacute importante verificar a

frequecircncia em -3dB do sinal depois das interconexotildees ou seja na entrada da porta

inversora Caso essa frequecircncia seja menor que a frequecircncia de 3200 GHz obtida com

interconexotildees ideais entatildeo a interconexatildeo afetaraacute o comportamento da rede A Tabela 49

mostra a frequecircncia em -3dB na entrada da inversora para interconexotildees natildeo-ideais

Tabela 49 Frequecircncia em -3dB na entrada da inversora para interconexotildees natildeo-ideais

Comprimentos (l2 l) Material f-3dB

50nm 100nm SWCNT bundle 122 THz

Cobre 175 THz

200nm 400nm SWCNT bundle 31 THz

Cobre 8606 GHz

500nm 1microm SWCNT bundle 12 THz

Cobre 1268 GHz

Assim verifica-se que a interconexatildeo de cobre da rede 500nm1microm possui frequecircncia em

-3dB abaixo da frequecircncia do circuito com interconexatildeo ideal (3200 GHz) Isso indica que

esta interconexatildeo interfere significativamente no comportamento da rede A Tabela 49

mostra tambeacutem que a banda passante da interconexatildeo de cobre soacute eacute maior que a da

interconexatildeo de SWCNT bundle no primeiro caso na rede de 50nm100nm o que mostra

uma vantagem do SWCNT bundle em relaccedilatildeo ao cobre A partir dessas informaccedilotildees a

rede H-tree clock com interconexotildees natildeo-ideais seraacute analisada detalhadamente

4421 Anaacutelise da rede a 10 GHz

As redes com interconexotildees natildeo-ideais seratildeo analisadas na frequecircncia de 10 GHz para

diferentes comprimentos Primeiramente o niacutevel loacutegico baixo (NB) o niacutevel loacutegico alto

(NA) o tempo de subida (tr) e o slew rate de subida (SR) foram obtidos conforme mostra a

Tabela 410 Com base nessa tabela verifica-se que na frequecircncia de 10 GHz essas

caracteriacutesticas natildeo foram modificadas pelas interconexotildees natildeo-ideais independentemente

do comprimento Os valores dos paracircmetros satildeo iguais aos obtidos na rede com

interconexatildeo ideal conforme Tabela 47 O sinal obtido na saiacuteda de cada inversor eacute igual

ao ilustrado na Figura 47

42

Tabela 410 Niacuteveis loacutegicos tempo de subida e slew rate dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 10 GHz

Freq L (l2l) Material NB(mV) NA(mV) tr(ps) SR(Vns)

10

GHz

50nm

100nm

SWCNT bundle 675 4518 356 8636

Cobre 675 4518 356 8636

200nm

400nm

SWCNT bundle 675 4518 356 8636

Cobre 675 4518 356 8636

500nm

1microm

SWCNT bundle 675 4518 356 8636

Cobre 675 4518 356 8636

A Tabela 411 mostra a atenuaccedilatildeo tempo de atraso potecircncia total dissipada e o produto

atraso-potecircncia obtidos a frequecircncia de 10 GHz para interconexotildees natildeo-ideais Observa-se

que a atenuaccedilatildeo do sinal e a potecircncia total dissipada por cada porta inversora permanecem

os mesmos em relaccedilatildeo agrave interconexatildeo ideal mostrando que a essa frequecircncia as

interconexotildees natildeo-ideais natildeo interferem nestes paracircmetros

Jaacute o atraso na propagaccedilatildeo do sinal no caso do cobre aumenta agrave medida que as

interconexotildees aumentam de comprimento aumentando tambeacutem o produto atraso-potecircncia

Esse atraso chega a 66 do periacuteodo do sinal de entrada para a interconexatildeo 500nm1microm

de cobre No entanto estes paracircmetros natildeo satildeo afetados pelas interconexotildees de SWCNT

bundle indicando que este material se sobressai em relaccedilatildeo ao cobre

Tabela 411 Atenuaccedilatildeo atraso potecircncia e produto atraso-potecircncia dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 10 GHz

Freq L (l2l) Material A (dB) td (ps) P (nW) DP(10-18

Wmiddots)

10

GHz

50nm

100nm

SWCNT bundle -264 412 4963 020

Cobre -264 412 4963 020

200nm

400nm

SWCNT bundle -264 412 4963 020

Cobre -264 438 4963 022

500nm

1microm

SWCNT bundle -264 412 4963 020

Cobre -264 659 4963 033

4422 Anaacutelise da rede a 100 GHz

As redes com interconexotildees natildeo-ideais seratildeo analisadas na frequecircncia de 100 GHz para

diferentes comprimentos O niacutevel loacutegico baixo (NB) o niacutevel loacutegico alto (NA) o tempo de

subida (tr) e o slew rate de subida (SR) foram obtidos conforme mostra a Tabela 412 Jaacute a

43

Tabela 413 mostra a atenuaccedilatildeo tempo de atraso potecircncia total dissipada e o produto

atraso-potecircncia obtidos a frequecircncia de 100 GHz para interconexotildees natildeo-ideais

Tabela 412 Niacuteveis loacutegicos tempo de subida e slew rate dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 100 GHz

Freq L (l2l) Material NB(mV) NA(mV) tr(ps) SR(Vns)

100

GHz

50nm

100nm

SWCNT bundle 678 4272 316 9099

Cobre 675 4277 323 9107

200nm

400nm

SWCNT bundle 678 4299 315 9196

Cobre 677 4089 289 9447

500nm

1microm

SWCNT bundle 678 4418 300 9973

Cobre 635 1766 102 6795

Tabela 413 Atenuaccedilatildeo atraso potecircncia e produto atraso-potecircncia dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 100 GHz

Freq L (l2l) Material A (dB) td (ps) P (nW) DP(10-18

Wmiddots)

100

GHz

50nm

100nm

SWCNT bundle -2703 189 6088 012

Cobre -2685 191 6088 012

200nm

400nm

SWCNT bundle -2693 188 6088 012

Cobre -2698 228 6088 014

500nm

1microm

SWCNT bundle -2673 174 6088 011

Cobre -2893 388 6088 024

A partir das Tabelas 412 e 413 o SWCNT bundle seraacute analisado Observa-se que os seus

niacuteveis loacutegicos altos aumentam com o aumento do comprimento das interconexotildees

aumentando tambeacutem o slew rate de subida Esse comportamento ocorre provavelmente

devido ao efeito ressonante provocado pela indutacircncia que provoca um pico no graacutefico da

frequumlecircncia antes dele comeccedilar a decair conforme explicado na subseccedilatildeo 421 Isso implica

na diminuiccedilatildeo da atenuaccedilatildeo do sinal e do atraso No entanto o produto atraso-potecircncia

permanece praticamente invariaacutevel jaacute que a potecircncia total dissipada natildeo se altera

Em relaccedilatildeo agraves interconexotildees de cobre verifica-se que as distorccedilotildees satildeo significativas Agrave

medida que o comprimento aumenta a atenuaccedilatildeo do sinal de saiacuteda aumenta Isso provoca

diminuiccedilatildeo no slew rate do sinal o que natildeo eacute desejado jaacute que o sinal demora mais para

atingir o niacutevel loacutegico alto Aleacutem disso o atraso na propagaccedilatildeo do sinal aumenta bastante

chegando a 388 do periacuteodo do sinal de entrada para a interconexatildeo 500nm1microm

Consequentemente o produto atraso-potecircncia tambeacutem aumenta sendo o dobro do valor de

44

referecircncia (interconexotildees ideais) A Figura 49 ilustra o sinal de saiacuteda da interconexatildeo

500nm1microm de cobre

Figura 49 Sinal de entrada (em verde) e sinal de saiacuteda (em preto) da rede a 100 GHz para

a interconexatildeo 500nm1microm de cobre

Comparando-se as potecircncias das tabelas 47 48 411 413 verifica-se que natildeo haacute

alteraccedilatildeo na potecircncia total dissipada pelo circuito com interconexotildees ideais e pelos

circuitos com interconexotildees natildeo-ideais para uma mesma frequecircncia Assim eacute importante

destacar que a dissipaccedilatildeo de potecircncia das interconexotildees de SWCNT bundle e de cobre natildeo

interfere na potecircncia total dissipada pelo circuito

443 Consideraccedilotildees Finais

Apoacutes analisar as interconexotildees locais de SWCNT de SWCNT bundle e de cobre

verificou-se que as interconexotildees de SWCNT bundle possuem desempenho comparaacutevel ao

das interconexotildees de cobre Em relaccedilatildeo agraves interconexotildees intermediaacuterias as de SWCNT

bundle apresentam desempenho superior agraves de cobre Jaacute as interconexotildees de SWCNT

isolado tanto para interconexotildees locais como para interconexotildees intermediaacuterias

apresentam desempenho inferior agraves interconexotildees de SWCNT bundle e de cobre natildeo

sendo propiacutecias a serem utilizadas em interconexotildees de circuitos integrados

Na anaacutelise das interconexotildees natildeo-ideais na rede H-tree clock mono-eleacutetron para a

frequecircncia de 10GHz observou-se que o niacutevel loacutegico baixo o niacutevel loacutegico alto o tempo de

subida o slew rate de subida a atenuaccedilatildeo do sinal e a potecircncia total dissipada por cada

porta inversora permanecem os mesmos em relaccedilatildeo agrave interconexatildeo ideal mostrando que

45

para esta frequecircncia as interconexotildees natildeo-ideais natildeo interferem nestes paracircmetros Jaacute o

atraso na propagaccedilatildeo do sinal no caso do cobre aumenta agrave medida que as interconexotildees

aumentam de comprimento aumentando tambeacutem o produto atraso-potecircncia No entanto

estes paracircmetros natildeo satildeo afetados pelas interconexotildees de SWCNT bundle indicando que

este material se sobressai em relaccedilatildeo ao cobre

Jaacute para a rede H-tree clock mono-eleacutetron a 100GHz observou-se que o circuito com

interconexotildees natildeo-ideais afetou bastante os paracircmetros em anaacutelise se comparados aos

obtidos para interconexotildees ideais Verificou-se que as distorccedilotildees provocadas pelas

interconexotildees de cobre foram significativas indicando que as interconexotildees de SWCNT

bundle possuem melhor desempenho que as de cobre

Assim constata-se que as interconexotildees de SWCNT bundle satildeo fortes candidatas a

substituirem as interconexotildees de cobre em circuitos em escala giga (GSI) e tera (TSI)

46

5 CONCLUSOtildeES

Nesta dissertaccedilatildeo o estudo das interconexotildees de SWCNT de SWCNT bundle e de cobre

foi realizado analisando e comparando os seus desempenhos para diferentes

comprimentos A partir desse estudo verificou-se que as interconexotildees de SWCNT bundle

possui desempenho comparaacutevel ao das interconexotildees de cobre no caso de interconexotildees

locais Em relaccedilatildeo agraves interconexotildees intermediaacuterias as de SWCNT bundle apresentam

desempenho superior agraves de cobre

As interconexotildees de SWCNT bundle e as interconexotildees de cobre foram entatildeo simuladas na

rede H-tree clock de dois niacuteveis para diferentes comprimentos e frequecircncias Nos pontos

de destino final da rede foram colocadas portas inversoras formadas por SETs permitindo

a anaacutelise de circuitos nanoeletrocircnicos

A partir da anaacutelise da rede H-tree clock observou-se que as interconexotildees de SWCNT

bundle possuem desempenho melhor que as de cobre principalmente em relaccedilatildeo ao slew

rate agrave atenuaccedilatildeo ao tempo de atraso e ao produto atraso-potecircncia Aleacutem disso a

dissipaccedilatildeo de potecircncia das interconexotildees natildeo-ideais natildeo interferem na potecircncia total

dissipada pelo circuito Assim as interconexotildees de SWCNT bundle satildeo fortes candidatas a

substituirem as interconexotildees de cobre em circuitos em escala giga (GSI) e tera (TSI)

Como perspectivas futuras eacute importante analisar o efeito das interconexotildees de nanotubo de

carbono em circuitos GSI e TSI com outras arquiteturas A anaacutelise das interconexotildees de

CNT tambeacutem deve ser feita em circuitos com tecnologia MOS permitindo a comparaccedilatildeo

entre diferentes tecnologias Aleacutem disso eacute interessante estudar outros tipos de materiais

que possam ser utilizados como interconexotildees em circuitos integrados

47

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53

7 APEcircNDICES

71 TABELAS COMPLEMENTARES

Tabela 71 Paracircmetros obtidos a partir do modelo de SWCNT isolado

L RQ (Ω) RS (Ω) LCNT (10-9

H) CCNT (10-18

F)

10 nm 645103 - 40010

-2 27910

-1

100 nm 645103 - 40010

-1 279

200 nm 645103 - 80010

-1 558

300 nm 645103 - 120 837

400 nm 645103 - 160 11210

1

500 nm 645103 - 200 14010

1

600 nm 645103 - 240 16710

1

700 nm 645103 - 280 19510

1

800 nm 645103 - 320 22310

1

900 nm 645103 - 360 25110

1

1 microm 645103 - 400 27910

1

10 microm 645103 64510

4 40010

1 27910

2

100 microm 645103 64510

5 40010

2 27910

3

200 microm 645103 12910

6 80010

2 55810

3

300 microm 645103 19410

6 12010

3 83710

3

400 microm

645103 25810

6 16010

3 11210

4

500 microm

645103 32310

6 20010

3 14010

4

Tabela 72 Paracircmetros obtidos a partir do modelo de SWCNT bundle

L RQ (Ω) RS (Ω) LBundle(10-9

H) CBundle(10-18

F)

10 nm 1075 - 66710-5

135

100 nm 1075 - 66710-4

135101

200 nm 1075 - 13310-3

270101

300 nm 1075 - 20010-3

405101

400 nm 1075 - 26710-3

540101

500 nm 1075 - 33310-3

675101

600 nm 1075 - 40010-3

810101

700 nm 1075 - 46710-3

945101

800 nm 1075 - 53310-3

108102

900 nm 1075 - 60010-3

122102

1 microm 1075 - 66710-3

135102

10 microm 1075 108102 66710

-2 13510

3

100 microm 1075 108103 66710

-1 13510

4

200 microm 1075 215103 133 27010

4

300 microm 1075 323103 200 40510

4

400 microm

1075 430103 267 54010

4

500 microm

1075 538103 333 67510

4

54

Tabela 73 Paracircmetros obtidos a partir do modelo de cobre

L RCu (Ω) LCu (10-9

H) CCu (10-18

F)

10 nm 06 37310-6

150

100 nm 60 63610-5

150101

200 nm 120 17510-4

300101

300 nm 180 30910-4

450101

400 nm 240 45410-4

600101

500 nm 300 61110-4

750101

600 nm 360 77510-4

900101

700 nm 420 94610-4

105102

800 nm 480 11210-3

120102

900 nm 540 13110-3

135102

1 microm 600 14910-3

150102

10 microm 60102 24010

-2 15010

3

100 microm 60103 33210

-1 15010

4

200 microm 12104 72010

-1 30010

4

300 microm 18104 113 45010

4

400 microm

24104 155 60010

4

500 microm

30104 198 75010

4

55

Tabela 74 Frequecircncia em -3dB das interconexotildees locais

Comprimento Material f-3dB

10 nm SWCNT isolado 253 GHz

SWCNT bundle 66 THz

Cobre 232 THz

100 nm SWCNT isolado 300 GHz

SWCNT bundle 20 THz

Cobre 51 THz

200 nm SWCNT isolado 342 GHz

SWCNT bundle 14 THz

Cobre 29 THz

300 nm SWCNT isolado 344 GHz

SWCNT bundle 11 THz

Cobre 20 THz

400 nm SWCNT isolado 329 GHz

SWCNT bundle 89 THz

Cobre 15 THz

500 nm SWCNT isolado 307 GHz

SWCNT bundle 76 THz

Cobre 12 THz

600 nm SWCNT isolado 288 GHz

SWCNT bundle 67 THz

Cobre 94 THz

700 nm SWCNT isolado 271 GHz

SWCNT bundle 61 THz

Cobre 76 THz

800 nm SWCNT isolado 255 GHz

SWCNT bundle 55 THz

Cobre 63 THz

900 nm SWCNT isolado 240 GHz

SWCNT bundle 51 THz

Cobre 52 THz

1 microm SWCNT isolado 230 GHz

SWCNT bundle 47 THz

Cobre 42 THz

56

Tabela 75 Frequecircncia em -3dB das interconexotildees intermediaacuterias

Comprimento Material f-3dB

10 microm SWCNT isolado 26 GHz

SWCNT bundle 527 GHz

Cobre 34 GHz

100 microm SWCNT isolado 32 MHz

SWCNT bundle 42 GHz

Cobre 345 MHz

200 microm SWCNT isolado 82 MHz

SWCNT bundle 10 GHz

Cobre 87 MHz

300 microm SWCNT isolado 36 MHz

SWCNT bundle 455 MHz

Cobre 38 MHz

400 microm SWCNT isolado 21 MHz

SWCNT bundle 256 MHz

Cobre 21 MHz

500 microm SWCNT isolado 13 MHz

SWCNT bundle 165 MHz

Cobre 14 MHz

57

8 ANEXOS

81 COacuteDIGO SPICE DO SET [44]

Transistor mono-eleacutetron (SET) conexotildees fonte | dreno | | porta1 | | | porta2 | | | | SUBCKT SET 1 2 3 4 PARAMS +C1=1E-20 Capacitacircncia da junccedilatildeo 1 +C2=1E-20 Capacitacircncia da junccedilatildeo 2 +R1=1E5 Resistecircncia da junccedilatildeo 1 +R2=1E5 Resistecircncia da junccedilatildeo 2 +Cg1=015E-18 Capacitacircncia da junccedilatildeo 1 +Cg2=0 Capacitacircncia da junccedilatildeo 2 +C0=0 Capacitacircncia proacutepria da ilha +Q0=005 Carga offset em unidades de e +TEMP=300 Temperatura PARAM E=160217733E-19 Carga do eleacutetron (e) PARAM CSUM=C1+C2+Cg1+Cg2+C0 Capacitacircncia total do SET PARAM T=TEMPCSUM53785467E14 Temperatura normalizada 53785467E14 = kBe^2 PARAM RN1=R1(R1+R2) Resistecircncia da junccedilatildeo 1 normalizada PARAM RN2=R2(R1+R2) Resistecircncia da junccedilatildeo 2 normalizada FUNC Q(v1v2v3v4) (Cg1v3+Cg2v4+C1v1+C2v2)E+Q0 Definiccedilatildeo da carga em unidades de e FUNC VN(v) CSUMvE Tensatildeo normalizada FUNC GAMMA(u) IF(T==0IF(ult0-u0)IF(u==0Tu(EXP(uT)-1))) FUNC N_OPT(v1v2v3v4) ROUND(-Q(v1v2v3v4)+(CSUME) (v1RN2+v2RN1)) A maior probabilidade de carga na ilha em unidades de e Os quarto eventos tuacuteneis FUNC R1L(nv1v2v3v4) GAMMA(05 - n - Q(v1v2v3v4) + VN(v1))RN1 FUNC R1R(nv1v2v3v4) GAMMA(05 + n + Q(v1v2v3v4) - VN(v1))RN1 FUNC R2L(nv1v2v3v4) GAMMA(05 + n + Q(v1v2v3v4) - VN(v2))RN2 FUNC R2R(nv1v2v3v4) GAMMA(05 - n - Q(v1v2v3v4) + VN(v2))RN2

58

determinaccedilatildeo das probabilidades relativas assume-se inicialmente que o estado da carga N_OPT tem probabilidade relativa igual a um FUNC PN_1(nv1v2v3v4) (R1L(nv1v2v3v4)+R2R(nv1v2v3v4))(R1R(n-1v1v2v3v4)+R2L(n-1v1v2v3v4)) FUNC PN_2(nv1v2v3v4) PN_1(nv1v2v3v4) +(R1L(n-1v1v2v3v4)+R2R(n-1v1v2v3v4))(R1R(n-2v1v2v3v4)+R2L(n-2v1v2v3v4)) FUNC PN_3(nv1v2v3v4) PN_2(nv1v2v3v4) +(R1L(n-2v1v2v3v4)+R2R(n-2v1v2v3v4))(R1R(n-3v1v2v3v4)+R2L(n-3v1v2v3v4)) FUNC PN_4(nv1v2v3v4) PN_3(nv1v2v3v4) +(R1L(n-3v1v2v3v4)+R2R(n-3v1v2v3v4))(R1R(n-4v1v2v3v4)+R2L(n-4v1v2v3v4)) FUNC PN_5(nv1v2v3v4) PN_4(nv1v2v3v4) +(R1L(n-4v1v2v3v4)+R2R(n-4v1v2v3v4))(R1R(n-5v1v2v3v4)+R2L(n-5v1v2v3v4)) FUNC PN1(nv1v2v3v4) (R2L(nv1v2v3v4) +R1R(nv1v2v3v4))(R2R(n+1v1v2v3v4)+R1L(n+1v1v2v3v4)) FUNC PN2(nv1v2v3v4) PN1(nv1v2v3v4) +(R2L(n+1v1v2v3v4)+R1R(n+1v1v2v3v4))(R2R(n+2v1v2v3v4)+R1L(n+2v1v2v3v4)) FUNC PN3(nv1v2v3v4) PN2(nv1v2v3v4) +(R2L(n+2v1v2v3v4)+R1R(n+2v1v2v3v4))(R2R(n+3v1v2v3v4)+R1L(n+3v1v2v3v4)) FUNC PN4(nv1v2v3v4) PN3(nv1v2v3v4) +(R2L(n+3v1v2v3v4)+R1R(n+3v1v2v3v4))(R2R(n+4v1v2v3v4)+R1L(n+4v1v2v3v4)) FUNC PN5(nv1v2v3v4) PN4(nv1v2v3v4) +(R2L(n+4v1v2v3v4)+R1R(n+4v1v2v3v4))(R2R(n+5v1v2v3v4)+R1L(n+5v1v2v3v4)) FUNC PSUM(nv1v2v3v4) PN_5(nv1v2v3v4)+PN_4(nv1v2v3v4)+PN_3(nv1v2v3v4)+PN_2(nv1v2v3v4) ++PN_1(nv1v2v3v4)+1+PN1(nv1v2v3v4)+PN2(nv1v2v3v4)+PN3(nv1v2v3v4) ++PN4(nv1v2v3v4)+PN5(nv1v2v3v4)

59

caacutelculo da corrente da fonte para o dreno FUNC CUR(nv1v2v3v4) PN_5(nv1v2v3v4)(R1R(n-5v1v2v3v4)-R1L(n-5v1v2v3v4)) ++PN_4(nv1v2v3v4)(R1R(n-4v1v2v3v4)-R1L(n-4v1v2v3v4)) ++PN_3(nv1v2v3v4)(R1R(n-3v1v2v3v4)-R1L(n-3v1v2v3v4)) ++PN_2(nv1v2v3v4)(R1R(n-2v1v2v3v4)-R1L(n-2v1v2v3v4)) ++PN_1(nv1v2v3v4)(R1R(n-1v1v2v3v4)-R1L(n-1v1v2v3v4)) ++(R1R(nv1v2v3v4)-R1L(nv1v2v3v4)) ++PN1(nv1v2v3v4)(R1R(n+1v1v2v3v4)-R1L(n+1v1v2v3v4)) ++PN2(nv1v2v3v4)(R1R(n+2v1v2v3v4)-R1L(n+2v1v2v3v4)) ++PN3(nv1v2v3v4)(R1R(n+3v1v2v3v4)-R1L(n+3v1v2v3v4)) ++PN4(nv1v2v3v4)(R1R(n+4v1v2v3v4)-R1L(n+4v1v2v3v4)) ++PN5(nv1v2v3v4)(R1R(n+5v1v2v3v4)-R1L(n+5v1v2v3v4)) FUNC CURRENT(nv1v2v3v4) ECUR(nv1v2v3v4)(CSUMPSUM(nv1v2v3v4)(R1+R2)) caacutelculo da tensatildeo da ilha FUNC VOLT(nv1v2v3v4) PN_5(nv1v2v3v4)(n-5+Q(v1v2v3v4)) ++PN_4(nv1v2v3v4)(n-4+Q(v1v2v3v4)) ++PN_3(nv1v2v3v4)(n-3+Q(v1v2v3v4)) ++PN_2(nv1v2v3v4)(n-2+Q(v1v2v3v4)) ++PN_1(nv1v2v3v4)(n-1+Q(v1v2v3v4)) ++n+Q(v1v2v3v4) ++PN1(nv1v2v3v4)(n+1+Q(v1v2v3v4)) ++PN2(nv1v2v3v4)(n+2+Q(v1v2v3v4)) ++PN3(nv1v2v3v4)(n+3+Q(v1v2v3v4)) ++PN4(nv1v2v3v4)(n+4+Q(v1v2v3v4)) ++PN5(nv1v2v3v4)(n+5+Q(v1v2v3v4)) FUNC VOLTAGE(nv1v2v3v4) (ECSUM)VOLT(nv1v2v3v4)PSUM(nv1v2v3v4) E1 5 0 VALUE= VOLTAGE(N_OPT(V(1)V(2)V(3)V(4))V(1)V(2)V(3)V(4)) Tensatildeo da ilha G1 1 2 VALUE= CURRENT(N_OPT(V(1)V(2)V(3)V(4))V(1)V(2)V(3)V(4)) Corrente da fonte para o dreno CT1 1 5 C1 CT2 2 5 C2 CGATE1 3 5 CG1 CGATE2 4 5 CG2 ENDS SET

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29

A partir da simulaccedilatildeo do H-tree clock obteve-se a frequecircncia em -3dB (f-3dB) da rede com

interconexotildees ideais Assim a rede H-tree foi entatildeo simulada para duas frequecircncias

diferentes do sinal de entrada abaixo da frequecircncia de -3dB 10 GHz e 100 GHz Com

essas simulaccedilotildees obtiveram-se as seguintes caracteriacutesticas do sinal de saiacuteda da inversora

niacutevel loacutegico baixo (NB) niacutevel loacutegico alto (NA) tempo de subida (tr) slew rate de subida

(SR) atenuaccedilatildeo (A) tempo de atraso (td) potecircncia dissipada (P) e produto atraso-potecircncia

(DP) As caracteriacutesticas obtidas servem como referecircncia para analisar o sinal considerando

interconexotildees natildeo-ideais ou seja incluindo os modelos das interconexotildees nas simulaccedilotildees

Em seguida a rede H-tree foi simulada considerando-se os modelos das interconexotildees de

SWCNT bundle e de cobre variando os seus comprimentos Como cada H da rede de

distribuiccedilatildeo deve ser simeacutetrico considerou-se que cada divisatildeo do H tem o mesmo

comprimento para cada niacutevel da rede [11] A Figura 33 mostra o comprimento dos

diferentes trechos da rede Assim o comprimento de cada divisatildeo dos H‟s do segundo

niacutevel eacute a metade do comprimento de cada divisatildeo do H do primeiro niacutevel Jaacute que o objetivo

eacute simular circuitos em escala nanomeacutetrica escolheu-se trecircs variaccedilotildees de comprimento

menores ou iguais a 1μm

l = 100 nm l2 = 50 nm

l = 400 nm l2 = 200 nm

l = 1 μm l2 = 500 nm

Figura 33 ndash Esquemaacutetico do H-tree clock com os comprimentos de cada seguimento

Dessa forma cada um dos trecircs circuitos foi simulado obtendo-se a frequecircncia em -3dB na

entrada das portas inversoras Em seguida as trecircs redes foram simuladas para as mesmas

30

duas frequumlecircncias do sinal de entrada (10 GHz e 100 GHz) de forma a obter as

caracteriacutesticas do sinal de saiacuteda descritas anteriormente considerando agora o efeito das

interconexotildees

Por fim a partir dos dados obtidos foram realizadas comparaccedilotildees entre as caracteriacutesticas

do sinal de saiacuteda de referecircncia (interconexotildees ideais) e o sinal de saiacuteda dos circuitos com as

interconexotildees natildeo-ideais bem como entre o comportamento das interconexotildees de SWCNT

bundle e de cobre nas diferentes frequecircncias

A Figura 34 mostra o fluxograma das etapas descritas nas subseccedilotildees 322 e 323

Figura 34 ndash Fluxograma das etapas seguidas na simulaccedilatildeo do H-tree clock

H-tree clock mono-eleacutetron

Simulaccedilatildeo do H-tree clock com

interconexotildees ideais Obtenccedilatildeo de f-3dB

da inversora

Simulaccedilatildeo do H-tree clock com

interconexotildees natildeo-ideais para os seguintes

comprimentos

l = 100 nm l2 = 50 nm

l = 400 nm l2 = 200 nm

l = 1 μm l2 = 500 nm

Validaccedilatildeo do SET e do

inversor mono-eleacutetron a

300K

Sinal de entrada a

10 GHz

Sinal de entrada a

100 GHz

Obtenccedilatildeo de NB

NA tr SR A td P e

DP do sinal de saiacuteda

da inversora

Obtenccedilatildeo de NB

NA tr SR A td P e

DP do sinal de saiacuteda

da inversora

Sinal de entrada a

10 GHz

Sinal de entrada a

100 GHz

Obtenccedilatildeo de NB

NA tr SR A td P e

DP do sinal de saiacuteda

da inversora

Obtenccedilatildeo de NB

NA tr SR A td P e

DP do sinal de saiacuteda

da inversora

Anaacutelise comparativa

dos dados obtidos

31

4 RESULTADOS E ANAacuteLISES

41 INTRODUCcedilAtildeO

Neste capiacutetulo seratildeo apresentados os procedimentos adotados e os resultados obtidos na

simulaccedilatildeo das interconexotildees SWCNT SWCNT bundle e cobre As etapas descritas na

metodologia foram seguidas obtendo-se os resultados das simulaccedilotildees das interconexotildees e

das simulaccedilotildees do H-tree clock mono-eleacutetron para interconexotildees ideais e natildeo-ideais A

partir dos resultados a anaacutelise do desempenho das interconexotildees seraacute apresentada

42 ANAacuteLISE DAS INTERCONEXOtildeES

Nesta seccedilatildeo a anaacutelise das interconexotildees de SWCNT SWCNT bundle e cobre na

tecnologia de 22 nm para diferentes comprimentos seraacute realizada Para isso analisou-se

as interconexotildees locais em que l le 1 μm e as intermediaacuterias em que 1 μm lt l le 500 μm

sabendo que l eacute o comprimento da interconexatildeo [29-31333638] Como λCNT eacute

tipicamente 1 μm trecircs comprimentos na faixa lCNT le λCNT (10 nm 100 nm e 1 μm) e trecircs

comprimentos na faixa lCNT gt λCNT (10 μm 100 μm 500 μm) de cada material seratildeo

analisados detalhadamente Os paracircmetros obtidos a partir dos modelos de SWCNT

SWCNT bundle e cobre estatildeo respectivamente nas Tabelas 71 72 e 73 do Apecircndice

421 Interconexotildees locais

Primeiramente a partir da simulaccedilatildeo da Figura 31 obteve-se a frequecircncia em -3dB (f-3dB)

das interconexotildees locais (lCNT le λCNT ) isto eacute a sua banda passante de forma a verificar a

velocidade maacutexima que cada interconexatildeo suporta A Figura 41 ilustra o comportamento

da frequecircncia das interconexotildees locais para os diferentes comprimentos Como o SWCNT

isolado possui valores de frequecircncia na faixa de centenas de giga Hertz ou seja menos de

um tera Hertz os valores de suas frequecircncias tambeacutem podem ser visualisados na Tabela

74 do Apecircndice

Verifica-se que agrave medida que o comprimento da interconexatildeo aumenta a frequecircncia

diminui Isso ocorre jaacute que os valores da capacitacircncia e indutacircncia aumentam com o

aumento do comprimento da interconexatildeo Esses paracircmetros satildeo decisivos no sinal de

32

saiacuteda sendo o sinal mais distorcido quanto maior for o valor desses paracircmetros Observa-

se que o SWCNT bundle e o cobre possuem banda passante maiores que o SWCNT

isolado para qualquer comprimento Aleacutem disso o SWCNT bundle soacute possui uma banda

passante comparaacutevel ao do cobre para comprimentos acima de 700 nm

Frequecircncia X Comprimento

0

10

20

30

40

50

60

100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

Comprimento (nm)

f -3d

B (

TH

z)

SWCNT Isolado

SWCNT bundle

Cobre

Figura 41 ndash Frequumlecircncia versus comprimento das interconexotildees locais

As interconexotildees locais de 10 nm 100 nm e 1 μm de comprimento foram analisadas

detalhadamente A Tabela 41 mostra a frequecircncia em -3dB de cada material para os

comprimentos em anaacutelise

Tabela 41 Frequecircncia em -3dB de cada material para lCNT le λCNT

Interconexatildeo Local Comprimento (L) Material f-3dB

SWCNT isolado 253 GHz

10nm SWCNT bundle 66 THz

Cobre 232 THz

SWCNT isolado 300 GHz

lCNT le λCNT 100nm SWCNT bundle 20 THz

Cobre 51 THz

SWCNT isolado 230 GHz

1microm SWCNT bundle 47 THz

Cobre 42 THz

Assim escolheu-se uma mesma frequecircncia abaixo da frequecircncia de corte dos trecircs

materiais considerados para analisar e comparar a atenuaccedilatildeo (A) e o tempo de atraso na

propagaccedilatildeo (td) dos trecircs comprimentos Isso permite verificar o comportamento do sinal na

banda passante A Tabela 42 mostra esse estudo comparativo entre o SWCNT isolado

SWCNT bundle e cobre agrave frequecircncia de 200 GHz

33

Tabela 42 Estudo das interconexotildees com comprimentos na faixa lCNT le λCNT

Freq L Material A (dB) td (ps)

SWCNT isolado -210 046

10nm SWCNT bundle 001 000

Cobre 000 000

SWCNT isolado -155 051

200 GHz 100nm SWCNT bundle 001 000

Cobre 001 000

SWCNT isolado -039 107

1microm SWCNT bundle 006 001

Cobre 000 007

A partir da anaacutelise da Tabela 42 eacute possiacutevel observar agrave frequumlecircncia de 200 GHz a

atenuaccedilatildeo do sinal e o atraso do SWCNT isolado Nessa frequumlecircncia o atraso do SWCNT

isolado eacute significativo em relaccedilatildeo ao periacuteodo do sinal que eacute 5ps jaacute que o menor atraso

(para l = 10nm) eacute aproximadamente 10 do periacuteodo do sinal de entrada No entanto para

esta mesma frequumlecircncia observa-se que a atenuaccedilatildeo e o atraso do SWCNT bundle e do

cobre satildeo insignificantes Isto indica que estes dois materiais possuem melhor

desempenho sendo favoraacuteveis para serem utilizados em interconexotildees locais

Dessa forma para analisar melhor a atenuaccedilatildeo e o tempo de atraso do SWCNT bundle e do

cobre o mesmo procedimento foi feito comparando-se somente estes dois materiais para

uma mesma frequecircncia de 1 THz A Tabela 43 mostra esse estudo comparativo entre o

SWCNT bundle e cobre

Tabela 43 Estudo das interconexotildees SWCNT bundle e cobre com comprimentos na faixa

lCNT le λCNT

Freq L Material A (dB) td (fs)

10nm SWCNT bundle 001 113

Cobre 000 022

1 THz 100nm SWCNT bundle 006 136

Cobre 001 240

1microm SWCNT bundle 145 647

Cobre -013 5623

Analisando a Tabela 43 observa-se que agrave frequumlecircncia de 1 THz a atenuaccedilatildeo do sinal e o

atraso aumentam agrave medida que o comprimento das interconexotildees aumentam A partir do

comprimento de 100nm o tempo de atraso da interconexatildeo de cobre eacute maior que o do

SWCNT bundle cujo maior valor de atraso (para l = 1microm) natildeo chega a 1 do periacuteodo do

34

sinal de entrada (1ps) Isso mostra que apesar de a banda passante do cobre ser maior o

atraso do SWCNT bundle eacute menor Dessa forma para as interconexotildees locais o SWCNT

bundle possui desempenho comparaacutevel ao do cobre [13]

Em relaccedilatildeo agrave atenuaccedilatildeo verifica-se que para alguns comprimentos este tem valor

positivo Isso ocorre principalmente quando haacute um pico no graacutefico da frequumlecircncia antes dele

comeccedilar a decair Esse pico eacute devido ao efeito ressonante provocado pela indutacircncia

quando este possui valor comparaacutevel agrave resistecircncia e agrave capacitacircncia da interconexatildeo [53]

Assim esse efeito ressonante foi observado somente nas interconexotildees locais de SWCNT

bundle e de cobre A Figura 42 ilustra o graacutefico da magnitude pela frequumlecircncia do SWCNT

isolado SWCNT bundle e cobre para o comprimento de 100nm Observa-se o efeito

ressonante nos graacuteficos do SWCNT bundle e do cobre

Figura 42 ndash Graacuteficos da magnitude das interconexotildees de SWCNT isolado (superior)

SWCNT bundle (meio) e cobre (inferior) com comprimento de 100nm

35

422 Interconexotildees intermediaacuterias

Assim como para as interconexotildees locais obteve-se a frequecircncia em -3dB (f-3dB) das

interconexotildees intermediaacuterias (lCNT gt λCNT) de forma a verificar a velocidade maacutexima que

cada interconexatildeo suporta A Figura 43 ilustra o comportamento da frequecircncia das

interconexotildees intermediaacuterias para os diferentes comprimentos Os valores das frequecircncias

de cada interconexatildeo tambeacutem podem ser visualisados na Tabela 75 do Apecircndice

Como nas interconexotildees locais agrave medida que o comprimento da interconexatildeo aumenta a

frequecircncia diminui Aleacutem disso o SWCNT bundle e o cobre possuem desempenho melhor

que o do SWCNT isolado para qualquer comprimento No entanto para interconexotildees

intermediaacuterias o SWCNT bundle possui banda passante maior que a do cobre para

qualquer comprimento

Frequecircncia X Comprimento

00

05

10

15

20

25

30

35

40

45

100 200 300 400 500

Comprimento (μm)

f -3d

B (

GH

z)

SWCNT isolado

SWCNT bundle

Cobre

Figura 43 ndash Frequumlecircncia versus comprimento das interconexotildees intermediaacuterias

As interconexotildees intermediaacuterias de 10 μm 100 μm e 500 μm de comprimento foram entatildeo

analisadas detalhadamente A Tabela 44 mostra a frequecircncia em -3dB de cada materal

para os diferentes comprimentos em anaacutelise

36

Tabela 44 Frequecircncia em -3dB de cada material para lCNT gt λCNT

Interconexatildeo

Intermediaacuteria

Comprimento (L) Material f-3dB

SWCNT isolado 26 GHz

10 microm SWCNT bundle 527 GHz

Cobre 34 GHz

SWCNT isolado 32 MHz

lCNT gt λCNT 100 microm SWCNT bundle 42 GHz

Cobre 345 MHz

SWCNT isolado 13 MHz

500 microm SWCNT bundle 165 MHz

Cobre 14 MHz

Escolheu-se a frequecircncia de 1 MHz que estaacute abaixo da frequecircncia de corte dos trecircs

materiais considerados para analisar e comparar a atenuaccedilatildeo (A) e o tempo de atraso na

propagaccedilatildeo (td) dos trecircs comprimentos A Tabela 45 mostra esse estudo comparativo entre

o SWCNT isolado SWCNT bundle e cobre

Tabela 45 Estudo das interconexotildees com comprimentos na faixa lCNT gt λCNT

Freq L Material A (dB) td (ns)

SWCNT isolado -002 008

10 microm SWCNT bundle 000 000

Cobre 000 000

SWCNT isolado -003 559

1 MHz 100 microm SWCNT bundle -001 005

Cobre -004 056

SWCNT isolado -198 10217

500 microm SWCNT bundle 000 110

Cobre -003 1301

Com base na Tabela 45 observa-se que a atenuaccedilatildeo e o tempo de atraso do SWCNT

isolado aumentam com o aumento do comprimento da interconexatildeo Nessa frequumlecircncia o

atraso na propagaccedilatildeo do SWCNT isolado eacute significativo em relaccedilatildeo ao periacuteodo do sinal de

entrada que eacute 1micros chegando a mais de 10 deste periacuteodo para o comprimento de 500microm

Verifica-se tambeacutem o aumento do tempo de atraso da interconexatildeo de cobre sendo 13

do periacuteodo do sinal de entrada para o comprimento de 500microm

Para analisar melhor a atenuaccedilatildeo e o tempo de atraso do SWCNT bundle e do cobre o

mesmo procedimento foi feito comparando-se somente estes dois materiais para uma

37

mesma frequecircncia de 10 MHz A Tabela 46 mostra esse estudo comparativo entre o

SWCNT bundle e cobre

Tabela 46 Estudo das interconexotildees SWCNT bundle e cobre com comprimentos na faixa

lCNT gt λCNT

Freq L Material A (dB) td (ns)

10 microm SWCNT bundle 000 000

Cobre 000 000

10 MHz 100 microm SWCNT bundle -001 005

Cobre -004 054

500 microm SWCNT bundle -004 107

Cobre -185 1024

Analisando a Tabela 46 observa-se que agrave medida que o comprimento das interconexotildees

aumenta a atenuaccedilatildeo e o atraso do sinal da interconexatildeo de cobre tornam-se significativos

O atraso na propagaccedilatildeo da interconexatildeo de cobre para l = 500microm chega a 10 do periacuteodo

do sinal de entrada (100ns) Jaacute o SWCNT bundle apresenta valores insignificantes de

atenuaccedilatildeo e atraso na propagaccedilatildeo Assim para as interconexotildees intermediaacuterias o SWCNT

bundle possui desempenho superior ao do cobre

43 SIMULACcedilAtildeO DO INVERSOR MONO-ELEacuteTRON

O modelo SPICE do SET proposto por G Lientschnig et al [444] foi simulado no

LTSPICE A partir da equaccedilatildeo (226) foi possiacutevel aumentar a temperatura do SET ateacute

chegar a 300K Assim o esquemaacutetico do SET e os valores de seus paracircmetros para que o

SET opere a 300K estatildeo na Figura 44 No anexo deste trabalho (subseccedilatildeo 81) encontra-

se o coacutedigo SET que foi utilizado [44] Os paracircmetros R1 C1 e R2 C2 correspondem agraves

resistecircncias e capacitacircncias das junccedilotildees-tuacutenel Cg eacute a capacitacircncia de porta (Cg1 no coacutedigo

SET) Vg eacute a tensatildeo de porta e V eacute a tensatildeo de entrada

Figura 44 Esquemaacutetico do SET e os valores de seus paracircmetros

38

A partir destes valores o inversor mono-eleacutetron foi construiacutedo colocando-se dois SETs em

seacuterie os quais compartilham da mesma entrada A Figura 45 ilustra o esquemaacutetico do

inversor mono-eleacutetron juntamente com os valores de seus paracircmetros fixos em que Vin eacute a

tensatildeo de entrada Vout eacute a tensatildeo de saiacuteda Vbias eacute a tensatildeo de polarizaccedilatildeo Cc eacute a

capacitacircncia de carga Cg1 e Cg2 satildeo as capacitacircncias de porta do SET 1 e do SET 2

respectivamente

Figura 45 Esquemaacutetico do inversor mono-eleacutetron e os valores de seus paracircmetros

(modificado de [4])

Assim apoacutes simular o inversor mono-eleacutetron a 300K obteve-se o sinal de saiacuteda mostrado

na Figura 46 Como o inversor estaacute invertendo o sinal de entrada de valor loacutegico baixo em

um sinal de saiacuteda de valor loacutegico alto ele estaacute operando corretamente

Figura 46 Curva do sinal de entrada (em verde) e do sinal de saiacuteda (em preto) do inversor

mono-eleacutetron

39

44 ANAacuteLISE DAS INTERCONEXOtildeES NO H-TREE CLOCK MONO-ELEacuteTRON

Nesta seccedilatildeo a rede H-tree clock de dois niacuteveis foi simulada com portas inversoras mono-

eleacutetron nos pontos de destino final da rede permitindo a anaacutelise de circuitos

nanoeletrocircnicos Simulou-se a rede H-tree considerando interconexotildees ideais para as

frequecircncias de 10 GHz e 100 GHz no sinal de entrada Em seguida para as mesmas duas

frequecircncias considerou-se interconexotildees natildeo-ideais de diferentes comprimentos

analisando a rede com os modelos de interconexatildeo SWCNT bundle e cobre Trecircs redes

com comprimentos de interconexotildees diferentes foram analisadas

l = 100 nm l2 = 50 nm

l = 400 nm l2 = 200 nm

l = 1 μm l2 = 500 nm

441 Anaacutelise da rede com interconexotildees ideais

A partir da simulaccedilatildeo do H-tree clock a frequecircncia em -3dB (f-3dB) da rede com

interconexotildees ideais foi obtida Na saiacuteda de cada porta inversora a banda passante do sinal

eacute 3200 GHz Dessa forma duas frequecircncias abaixo de 3200 GHz foram escolhidas para

analisar o sinal de saiacuteda da inversora em condiccedilotildees ideais As frequecircncias de 10 GHz e

100 GHz seratildeo analisadas obtendo-se as seguintes caracteriacutesticas do sinal de saiacuteda da

inversora niacutevel loacutegico baixo (NB) niacutevel loacutegico alto (NA) tempo de subida (tr) slew rate

de subida (SR) atenuaccedilatildeo (A) e tempo de atraso (td) A Tabela 47 mostra os valores

obtidos para as duas frequecircncias em anaacutelise

Tabela 47 Caracteriacutesticas dos sinais de saiacuteda da rede para interconexotildees ideais

Freq NB(mV) NA(mV) tr (ps) SR(Vns) A(dB) td (ps)

10 GHz 675 4518 356 8636 -264 412

100 GHz 678 4279 317 9088 -269 189

Os caacutelculos da potecircncia estaacutetica ( IVP DDE ) potecircncia dinacircmica ( CVfP DDD 2 ) e

potecircncia total ( DE PPP ) dissipada por cada porta inversora foram realizados bem

como o produto atraso-potecircncia (DP) Assim a Tabela 48 mostra os valores obtidos no

40

caacutelculo destes paracircmetros Como a potecircncia estaacutetica independe da frequecircncia do sinal de

entrada o seu valor eacute o mesmo nos dois casos

Tabela 48 Potecircncia dissipada por cada porta inversora para interconexotildees ideais

Frequecircncia PE (nW) PD (nW) P (nW) DP (10-18

Wmiddots)

10 GHz 4838 125 4963 020

100 GHz 4838 125 6088 012

As Tabelas 47 e 48 serviratildeo de referecircncia para as anaacutelises da rede com interconexotildees natildeo-

ideais analisadas na subseccedilatildeo seguinte As Figuras 47 e 48 ilustram o sinal de saiacuteda das

redes com frequecircncias de 10 GHz e de 100 GHz respectivamente Eacute possiacutevel observar que

na frequecircncia de 100 GHz o sinal de saiacuteda jaacute eacute distorcido em relaccedilatildeo ao sinal de referecircncia

(Figura 46)

Figura 47 Sinal de entrada (em verde) e sinal de saiacuteda (em preto) da rede a 10 GHz

Figura 48 Sinal de entrada (em verde) e sinal de saiacuteda (em preto) da rede a 100 GHz

41

442 Anaacutelise da rede com interconexotildees natildeo-ideais

Apoacutes obter as caracteriacutesticas da rede H-tree clock com interconexotildees ideais a anaacutelise da

rede com interconexotildees natildeo-ideais seraacute feita Primeiramente eacute importante verificar a

frequecircncia em -3dB do sinal depois das interconexotildees ou seja na entrada da porta

inversora Caso essa frequecircncia seja menor que a frequecircncia de 3200 GHz obtida com

interconexotildees ideais entatildeo a interconexatildeo afetaraacute o comportamento da rede A Tabela 49

mostra a frequecircncia em -3dB na entrada da inversora para interconexotildees natildeo-ideais

Tabela 49 Frequecircncia em -3dB na entrada da inversora para interconexotildees natildeo-ideais

Comprimentos (l2 l) Material f-3dB

50nm 100nm SWCNT bundle 122 THz

Cobre 175 THz

200nm 400nm SWCNT bundle 31 THz

Cobre 8606 GHz

500nm 1microm SWCNT bundle 12 THz

Cobre 1268 GHz

Assim verifica-se que a interconexatildeo de cobre da rede 500nm1microm possui frequecircncia em

-3dB abaixo da frequecircncia do circuito com interconexatildeo ideal (3200 GHz) Isso indica que

esta interconexatildeo interfere significativamente no comportamento da rede A Tabela 49

mostra tambeacutem que a banda passante da interconexatildeo de cobre soacute eacute maior que a da

interconexatildeo de SWCNT bundle no primeiro caso na rede de 50nm100nm o que mostra

uma vantagem do SWCNT bundle em relaccedilatildeo ao cobre A partir dessas informaccedilotildees a

rede H-tree clock com interconexotildees natildeo-ideais seraacute analisada detalhadamente

4421 Anaacutelise da rede a 10 GHz

As redes com interconexotildees natildeo-ideais seratildeo analisadas na frequecircncia de 10 GHz para

diferentes comprimentos Primeiramente o niacutevel loacutegico baixo (NB) o niacutevel loacutegico alto

(NA) o tempo de subida (tr) e o slew rate de subida (SR) foram obtidos conforme mostra a

Tabela 410 Com base nessa tabela verifica-se que na frequecircncia de 10 GHz essas

caracteriacutesticas natildeo foram modificadas pelas interconexotildees natildeo-ideais independentemente

do comprimento Os valores dos paracircmetros satildeo iguais aos obtidos na rede com

interconexatildeo ideal conforme Tabela 47 O sinal obtido na saiacuteda de cada inversor eacute igual

ao ilustrado na Figura 47

42

Tabela 410 Niacuteveis loacutegicos tempo de subida e slew rate dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 10 GHz

Freq L (l2l) Material NB(mV) NA(mV) tr(ps) SR(Vns)

10

GHz

50nm

100nm

SWCNT bundle 675 4518 356 8636

Cobre 675 4518 356 8636

200nm

400nm

SWCNT bundle 675 4518 356 8636

Cobre 675 4518 356 8636

500nm

1microm

SWCNT bundle 675 4518 356 8636

Cobre 675 4518 356 8636

A Tabela 411 mostra a atenuaccedilatildeo tempo de atraso potecircncia total dissipada e o produto

atraso-potecircncia obtidos a frequecircncia de 10 GHz para interconexotildees natildeo-ideais Observa-se

que a atenuaccedilatildeo do sinal e a potecircncia total dissipada por cada porta inversora permanecem

os mesmos em relaccedilatildeo agrave interconexatildeo ideal mostrando que a essa frequecircncia as

interconexotildees natildeo-ideais natildeo interferem nestes paracircmetros

Jaacute o atraso na propagaccedilatildeo do sinal no caso do cobre aumenta agrave medida que as

interconexotildees aumentam de comprimento aumentando tambeacutem o produto atraso-potecircncia

Esse atraso chega a 66 do periacuteodo do sinal de entrada para a interconexatildeo 500nm1microm

de cobre No entanto estes paracircmetros natildeo satildeo afetados pelas interconexotildees de SWCNT

bundle indicando que este material se sobressai em relaccedilatildeo ao cobre

Tabela 411 Atenuaccedilatildeo atraso potecircncia e produto atraso-potecircncia dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 10 GHz

Freq L (l2l) Material A (dB) td (ps) P (nW) DP(10-18

Wmiddots)

10

GHz

50nm

100nm

SWCNT bundle -264 412 4963 020

Cobre -264 412 4963 020

200nm

400nm

SWCNT bundle -264 412 4963 020

Cobre -264 438 4963 022

500nm

1microm

SWCNT bundle -264 412 4963 020

Cobre -264 659 4963 033

4422 Anaacutelise da rede a 100 GHz

As redes com interconexotildees natildeo-ideais seratildeo analisadas na frequecircncia de 100 GHz para

diferentes comprimentos O niacutevel loacutegico baixo (NB) o niacutevel loacutegico alto (NA) o tempo de

subida (tr) e o slew rate de subida (SR) foram obtidos conforme mostra a Tabela 412 Jaacute a

43

Tabela 413 mostra a atenuaccedilatildeo tempo de atraso potecircncia total dissipada e o produto

atraso-potecircncia obtidos a frequecircncia de 100 GHz para interconexotildees natildeo-ideais

Tabela 412 Niacuteveis loacutegicos tempo de subida e slew rate dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 100 GHz

Freq L (l2l) Material NB(mV) NA(mV) tr(ps) SR(Vns)

100

GHz

50nm

100nm

SWCNT bundle 678 4272 316 9099

Cobre 675 4277 323 9107

200nm

400nm

SWCNT bundle 678 4299 315 9196

Cobre 677 4089 289 9447

500nm

1microm

SWCNT bundle 678 4418 300 9973

Cobre 635 1766 102 6795

Tabela 413 Atenuaccedilatildeo atraso potecircncia e produto atraso-potecircncia dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 100 GHz

Freq L (l2l) Material A (dB) td (ps) P (nW) DP(10-18

Wmiddots)

100

GHz

50nm

100nm

SWCNT bundle -2703 189 6088 012

Cobre -2685 191 6088 012

200nm

400nm

SWCNT bundle -2693 188 6088 012

Cobre -2698 228 6088 014

500nm

1microm

SWCNT bundle -2673 174 6088 011

Cobre -2893 388 6088 024

A partir das Tabelas 412 e 413 o SWCNT bundle seraacute analisado Observa-se que os seus

niacuteveis loacutegicos altos aumentam com o aumento do comprimento das interconexotildees

aumentando tambeacutem o slew rate de subida Esse comportamento ocorre provavelmente

devido ao efeito ressonante provocado pela indutacircncia que provoca um pico no graacutefico da

frequumlecircncia antes dele comeccedilar a decair conforme explicado na subseccedilatildeo 421 Isso implica

na diminuiccedilatildeo da atenuaccedilatildeo do sinal e do atraso No entanto o produto atraso-potecircncia

permanece praticamente invariaacutevel jaacute que a potecircncia total dissipada natildeo se altera

Em relaccedilatildeo agraves interconexotildees de cobre verifica-se que as distorccedilotildees satildeo significativas Agrave

medida que o comprimento aumenta a atenuaccedilatildeo do sinal de saiacuteda aumenta Isso provoca

diminuiccedilatildeo no slew rate do sinal o que natildeo eacute desejado jaacute que o sinal demora mais para

atingir o niacutevel loacutegico alto Aleacutem disso o atraso na propagaccedilatildeo do sinal aumenta bastante

chegando a 388 do periacuteodo do sinal de entrada para a interconexatildeo 500nm1microm

Consequentemente o produto atraso-potecircncia tambeacutem aumenta sendo o dobro do valor de

44

referecircncia (interconexotildees ideais) A Figura 49 ilustra o sinal de saiacuteda da interconexatildeo

500nm1microm de cobre

Figura 49 Sinal de entrada (em verde) e sinal de saiacuteda (em preto) da rede a 100 GHz para

a interconexatildeo 500nm1microm de cobre

Comparando-se as potecircncias das tabelas 47 48 411 413 verifica-se que natildeo haacute

alteraccedilatildeo na potecircncia total dissipada pelo circuito com interconexotildees ideais e pelos

circuitos com interconexotildees natildeo-ideais para uma mesma frequecircncia Assim eacute importante

destacar que a dissipaccedilatildeo de potecircncia das interconexotildees de SWCNT bundle e de cobre natildeo

interfere na potecircncia total dissipada pelo circuito

443 Consideraccedilotildees Finais

Apoacutes analisar as interconexotildees locais de SWCNT de SWCNT bundle e de cobre

verificou-se que as interconexotildees de SWCNT bundle possuem desempenho comparaacutevel ao

das interconexotildees de cobre Em relaccedilatildeo agraves interconexotildees intermediaacuterias as de SWCNT

bundle apresentam desempenho superior agraves de cobre Jaacute as interconexotildees de SWCNT

isolado tanto para interconexotildees locais como para interconexotildees intermediaacuterias

apresentam desempenho inferior agraves interconexotildees de SWCNT bundle e de cobre natildeo

sendo propiacutecias a serem utilizadas em interconexotildees de circuitos integrados

Na anaacutelise das interconexotildees natildeo-ideais na rede H-tree clock mono-eleacutetron para a

frequecircncia de 10GHz observou-se que o niacutevel loacutegico baixo o niacutevel loacutegico alto o tempo de

subida o slew rate de subida a atenuaccedilatildeo do sinal e a potecircncia total dissipada por cada

porta inversora permanecem os mesmos em relaccedilatildeo agrave interconexatildeo ideal mostrando que

45

para esta frequecircncia as interconexotildees natildeo-ideais natildeo interferem nestes paracircmetros Jaacute o

atraso na propagaccedilatildeo do sinal no caso do cobre aumenta agrave medida que as interconexotildees

aumentam de comprimento aumentando tambeacutem o produto atraso-potecircncia No entanto

estes paracircmetros natildeo satildeo afetados pelas interconexotildees de SWCNT bundle indicando que

este material se sobressai em relaccedilatildeo ao cobre

Jaacute para a rede H-tree clock mono-eleacutetron a 100GHz observou-se que o circuito com

interconexotildees natildeo-ideais afetou bastante os paracircmetros em anaacutelise se comparados aos

obtidos para interconexotildees ideais Verificou-se que as distorccedilotildees provocadas pelas

interconexotildees de cobre foram significativas indicando que as interconexotildees de SWCNT

bundle possuem melhor desempenho que as de cobre

Assim constata-se que as interconexotildees de SWCNT bundle satildeo fortes candidatas a

substituirem as interconexotildees de cobre em circuitos em escala giga (GSI) e tera (TSI)

46

5 CONCLUSOtildeES

Nesta dissertaccedilatildeo o estudo das interconexotildees de SWCNT de SWCNT bundle e de cobre

foi realizado analisando e comparando os seus desempenhos para diferentes

comprimentos A partir desse estudo verificou-se que as interconexotildees de SWCNT bundle

possui desempenho comparaacutevel ao das interconexotildees de cobre no caso de interconexotildees

locais Em relaccedilatildeo agraves interconexotildees intermediaacuterias as de SWCNT bundle apresentam

desempenho superior agraves de cobre

As interconexotildees de SWCNT bundle e as interconexotildees de cobre foram entatildeo simuladas na

rede H-tree clock de dois niacuteveis para diferentes comprimentos e frequecircncias Nos pontos

de destino final da rede foram colocadas portas inversoras formadas por SETs permitindo

a anaacutelise de circuitos nanoeletrocircnicos

A partir da anaacutelise da rede H-tree clock observou-se que as interconexotildees de SWCNT

bundle possuem desempenho melhor que as de cobre principalmente em relaccedilatildeo ao slew

rate agrave atenuaccedilatildeo ao tempo de atraso e ao produto atraso-potecircncia Aleacutem disso a

dissipaccedilatildeo de potecircncia das interconexotildees natildeo-ideais natildeo interferem na potecircncia total

dissipada pelo circuito Assim as interconexotildees de SWCNT bundle satildeo fortes candidatas a

substituirem as interconexotildees de cobre em circuitos em escala giga (GSI) e tera (TSI)

Como perspectivas futuras eacute importante analisar o efeito das interconexotildees de nanotubo de

carbono em circuitos GSI e TSI com outras arquiteturas A anaacutelise das interconexotildees de

CNT tambeacutem deve ser feita em circuitos com tecnologia MOS permitindo a comparaccedilatildeo

entre diferentes tecnologias Aleacutem disso eacute interessante estudar outros tipos de materiais

que possam ser utilizados como interconexotildees em circuitos integrados

47

6 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS

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53

7 APEcircNDICES

71 TABELAS COMPLEMENTARES

Tabela 71 Paracircmetros obtidos a partir do modelo de SWCNT isolado

L RQ (Ω) RS (Ω) LCNT (10-9

H) CCNT (10-18

F)

10 nm 645103 - 40010

-2 27910

-1

100 nm 645103 - 40010

-1 279

200 nm 645103 - 80010

-1 558

300 nm 645103 - 120 837

400 nm 645103 - 160 11210

1

500 nm 645103 - 200 14010

1

600 nm 645103 - 240 16710

1

700 nm 645103 - 280 19510

1

800 nm 645103 - 320 22310

1

900 nm 645103 - 360 25110

1

1 microm 645103 - 400 27910

1

10 microm 645103 64510

4 40010

1 27910

2

100 microm 645103 64510

5 40010

2 27910

3

200 microm 645103 12910

6 80010

2 55810

3

300 microm 645103 19410

6 12010

3 83710

3

400 microm

645103 25810

6 16010

3 11210

4

500 microm

645103 32310

6 20010

3 14010

4

Tabela 72 Paracircmetros obtidos a partir do modelo de SWCNT bundle

L RQ (Ω) RS (Ω) LBundle(10-9

H) CBundle(10-18

F)

10 nm 1075 - 66710-5

135

100 nm 1075 - 66710-4

135101

200 nm 1075 - 13310-3

270101

300 nm 1075 - 20010-3

405101

400 nm 1075 - 26710-3

540101

500 nm 1075 - 33310-3

675101

600 nm 1075 - 40010-3

810101

700 nm 1075 - 46710-3

945101

800 nm 1075 - 53310-3

108102

900 nm 1075 - 60010-3

122102

1 microm 1075 - 66710-3

135102

10 microm 1075 108102 66710

-2 13510

3

100 microm 1075 108103 66710

-1 13510

4

200 microm 1075 215103 133 27010

4

300 microm 1075 323103 200 40510

4

400 microm

1075 430103 267 54010

4

500 microm

1075 538103 333 67510

4

54

Tabela 73 Paracircmetros obtidos a partir do modelo de cobre

L RCu (Ω) LCu (10-9

H) CCu (10-18

F)

10 nm 06 37310-6

150

100 nm 60 63610-5

150101

200 nm 120 17510-4

300101

300 nm 180 30910-4

450101

400 nm 240 45410-4

600101

500 nm 300 61110-4

750101

600 nm 360 77510-4

900101

700 nm 420 94610-4

105102

800 nm 480 11210-3

120102

900 nm 540 13110-3

135102

1 microm 600 14910-3

150102

10 microm 60102 24010

-2 15010

3

100 microm 60103 33210

-1 15010

4

200 microm 12104 72010

-1 30010

4

300 microm 18104 113 45010

4

400 microm

24104 155 60010

4

500 microm

30104 198 75010

4

55

Tabela 74 Frequecircncia em -3dB das interconexotildees locais

Comprimento Material f-3dB

10 nm SWCNT isolado 253 GHz

SWCNT bundle 66 THz

Cobre 232 THz

100 nm SWCNT isolado 300 GHz

SWCNT bundle 20 THz

Cobre 51 THz

200 nm SWCNT isolado 342 GHz

SWCNT bundle 14 THz

Cobre 29 THz

300 nm SWCNT isolado 344 GHz

SWCNT bundle 11 THz

Cobre 20 THz

400 nm SWCNT isolado 329 GHz

SWCNT bundle 89 THz

Cobre 15 THz

500 nm SWCNT isolado 307 GHz

SWCNT bundle 76 THz

Cobre 12 THz

600 nm SWCNT isolado 288 GHz

SWCNT bundle 67 THz

Cobre 94 THz

700 nm SWCNT isolado 271 GHz

SWCNT bundle 61 THz

Cobre 76 THz

800 nm SWCNT isolado 255 GHz

SWCNT bundle 55 THz

Cobre 63 THz

900 nm SWCNT isolado 240 GHz

SWCNT bundle 51 THz

Cobre 52 THz

1 microm SWCNT isolado 230 GHz

SWCNT bundle 47 THz

Cobre 42 THz

56

Tabela 75 Frequecircncia em -3dB das interconexotildees intermediaacuterias

Comprimento Material f-3dB

10 microm SWCNT isolado 26 GHz

SWCNT bundle 527 GHz

Cobre 34 GHz

100 microm SWCNT isolado 32 MHz

SWCNT bundle 42 GHz

Cobre 345 MHz

200 microm SWCNT isolado 82 MHz

SWCNT bundle 10 GHz

Cobre 87 MHz

300 microm SWCNT isolado 36 MHz

SWCNT bundle 455 MHz

Cobre 38 MHz

400 microm SWCNT isolado 21 MHz

SWCNT bundle 256 MHz

Cobre 21 MHz

500 microm SWCNT isolado 13 MHz

SWCNT bundle 165 MHz

Cobre 14 MHz

57

8 ANEXOS

81 COacuteDIGO SPICE DO SET [44]

Transistor mono-eleacutetron (SET) conexotildees fonte | dreno | | porta1 | | | porta2 | | | | SUBCKT SET 1 2 3 4 PARAMS +C1=1E-20 Capacitacircncia da junccedilatildeo 1 +C2=1E-20 Capacitacircncia da junccedilatildeo 2 +R1=1E5 Resistecircncia da junccedilatildeo 1 +R2=1E5 Resistecircncia da junccedilatildeo 2 +Cg1=015E-18 Capacitacircncia da junccedilatildeo 1 +Cg2=0 Capacitacircncia da junccedilatildeo 2 +C0=0 Capacitacircncia proacutepria da ilha +Q0=005 Carga offset em unidades de e +TEMP=300 Temperatura PARAM E=160217733E-19 Carga do eleacutetron (e) PARAM CSUM=C1+C2+Cg1+Cg2+C0 Capacitacircncia total do SET PARAM T=TEMPCSUM53785467E14 Temperatura normalizada 53785467E14 = kBe^2 PARAM RN1=R1(R1+R2) Resistecircncia da junccedilatildeo 1 normalizada PARAM RN2=R2(R1+R2) Resistecircncia da junccedilatildeo 2 normalizada FUNC Q(v1v2v3v4) (Cg1v3+Cg2v4+C1v1+C2v2)E+Q0 Definiccedilatildeo da carga em unidades de e FUNC VN(v) CSUMvE Tensatildeo normalizada FUNC GAMMA(u) IF(T==0IF(ult0-u0)IF(u==0Tu(EXP(uT)-1))) FUNC N_OPT(v1v2v3v4) ROUND(-Q(v1v2v3v4)+(CSUME) (v1RN2+v2RN1)) A maior probabilidade de carga na ilha em unidades de e Os quarto eventos tuacuteneis FUNC R1L(nv1v2v3v4) GAMMA(05 - n - Q(v1v2v3v4) + VN(v1))RN1 FUNC R1R(nv1v2v3v4) GAMMA(05 + n + Q(v1v2v3v4) - VN(v1))RN1 FUNC R2L(nv1v2v3v4) GAMMA(05 + n + Q(v1v2v3v4) - VN(v2))RN2 FUNC R2R(nv1v2v3v4) GAMMA(05 - n - Q(v1v2v3v4) + VN(v2))RN2

58

determinaccedilatildeo das probabilidades relativas assume-se inicialmente que o estado da carga N_OPT tem probabilidade relativa igual a um FUNC PN_1(nv1v2v3v4) (R1L(nv1v2v3v4)+R2R(nv1v2v3v4))(R1R(n-1v1v2v3v4)+R2L(n-1v1v2v3v4)) FUNC PN_2(nv1v2v3v4) PN_1(nv1v2v3v4) +(R1L(n-1v1v2v3v4)+R2R(n-1v1v2v3v4))(R1R(n-2v1v2v3v4)+R2L(n-2v1v2v3v4)) FUNC PN_3(nv1v2v3v4) PN_2(nv1v2v3v4) +(R1L(n-2v1v2v3v4)+R2R(n-2v1v2v3v4))(R1R(n-3v1v2v3v4)+R2L(n-3v1v2v3v4)) FUNC PN_4(nv1v2v3v4) PN_3(nv1v2v3v4) +(R1L(n-3v1v2v3v4)+R2R(n-3v1v2v3v4))(R1R(n-4v1v2v3v4)+R2L(n-4v1v2v3v4)) FUNC PN_5(nv1v2v3v4) PN_4(nv1v2v3v4) +(R1L(n-4v1v2v3v4)+R2R(n-4v1v2v3v4))(R1R(n-5v1v2v3v4)+R2L(n-5v1v2v3v4)) FUNC PN1(nv1v2v3v4) (R2L(nv1v2v3v4) +R1R(nv1v2v3v4))(R2R(n+1v1v2v3v4)+R1L(n+1v1v2v3v4)) FUNC PN2(nv1v2v3v4) PN1(nv1v2v3v4) +(R2L(n+1v1v2v3v4)+R1R(n+1v1v2v3v4))(R2R(n+2v1v2v3v4)+R1L(n+2v1v2v3v4)) FUNC PN3(nv1v2v3v4) PN2(nv1v2v3v4) +(R2L(n+2v1v2v3v4)+R1R(n+2v1v2v3v4))(R2R(n+3v1v2v3v4)+R1L(n+3v1v2v3v4)) FUNC PN4(nv1v2v3v4) PN3(nv1v2v3v4) +(R2L(n+3v1v2v3v4)+R1R(n+3v1v2v3v4))(R2R(n+4v1v2v3v4)+R1L(n+4v1v2v3v4)) FUNC PN5(nv1v2v3v4) PN4(nv1v2v3v4) +(R2L(n+4v1v2v3v4)+R1R(n+4v1v2v3v4))(R2R(n+5v1v2v3v4)+R1L(n+5v1v2v3v4)) FUNC PSUM(nv1v2v3v4) PN_5(nv1v2v3v4)+PN_4(nv1v2v3v4)+PN_3(nv1v2v3v4)+PN_2(nv1v2v3v4) ++PN_1(nv1v2v3v4)+1+PN1(nv1v2v3v4)+PN2(nv1v2v3v4)+PN3(nv1v2v3v4) ++PN4(nv1v2v3v4)+PN5(nv1v2v3v4)

59

caacutelculo da corrente da fonte para o dreno FUNC CUR(nv1v2v3v4) PN_5(nv1v2v3v4)(R1R(n-5v1v2v3v4)-R1L(n-5v1v2v3v4)) ++PN_4(nv1v2v3v4)(R1R(n-4v1v2v3v4)-R1L(n-4v1v2v3v4)) ++PN_3(nv1v2v3v4)(R1R(n-3v1v2v3v4)-R1L(n-3v1v2v3v4)) ++PN_2(nv1v2v3v4)(R1R(n-2v1v2v3v4)-R1L(n-2v1v2v3v4)) ++PN_1(nv1v2v3v4)(R1R(n-1v1v2v3v4)-R1L(n-1v1v2v3v4)) ++(R1R(nv1v2v3v4)-R1L(nv1v2v3v4)) ++PN1(nv1v2v3v4)(R1R(n+1v1v2v3v4)-R1L(n+1v1v2v3v4)) ++PN2(nv1v2v3v4)(R1R(n+2v1v2v3v4)-R1L(n+2v1v2v3v4)) ++PN3(nv1v2v3v4)(R1R(n+3v1v2v3v4)-R1L(n+3v1v2v3v4)) ++PN4(nv1v2v3v4)(R1R(n+4v1v2v3v4)-R1L(n+4v1v2v3v4)) ++PN5(nv1v2v3v4)(R1R(n+5v1v2v3v4)-R1L(n+5v1v2v3v4)) FUNC CURRENT(nv1v2v3v4) ECUR(nv1v2v3v4)(CSUMPSUM(nv1v2v3v4)(R1+R2)) caacutelculo da tensatildeo da ilha FUNC VOLT(nv1v2v3v4) PN_5(nv1v2v3v4)(n-5+Q(v1v2v3v4)) ++PN_4(nv1v2v3v4)(n-4+Q(v1v2v3v4)) ++PN_3(nv1v2v3v4)(n-3+Q(v1v2v3v4)) ++PN_2(nv1v2v3v4)(n-2+Q(v1v2v3v4)) ++PN_1(nv1v2v3v4)(n-1+Q(v1v2v3v4)) ++n+Q(v1v2v3v4) ++PN1(nv1v2v3v4)(n+1+Q(v1v2v3v4)) ++PN2(nv1v2v3v4)(n+2+Q(v1v2v3v4)) ++PN3(nv1v2v3v4)(n+3+Q(v1v2v3v4)) ++PN4(nv1v2v3v4)(n+4+Q(v1v2v3v4)) ++PN5(nv1v2v3v4)(n+5+Q(v1v2v3v4)) FUNC VOLTAGE(nv1v2v3v4) (ECSUM)VOLT(nv1v2v3v4)PSUM(nv1v2v3v4) E1 5 0 VALUE= VOLTAGE(N_OPT(V(1)V(2)V(3)V(4))V(1)V(2)V(3)V(4)) Tensatildeo da ilha G1 1 2 VALUE= CURRENT(N_OPT(V(1)V(2)V(3)V(4))V(1)V(2)V(3)V(4)) Corrente da fonte para o dreno CT1 1 5 C1 CT2 2 5 C2 CGATE1 3 5 CG1 CGATE2 4 5 CG2 ENDS SET

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30

duas frequumlecircncias do sinal de entrada (10 GHz e 100 GHz) de forma a obter as

caracteriacutesticas do sinal de saiacuteda descritas anteriormente considerando agora o efeito das

interconexotildees

Por fim a partir dos dados obtidos foram realizadas comparaccedilotildees entre as caracteriacutesticas

do sinal de saiacuteda de referecircncia (interconexotildees ideais) e o sinal de saiacuteda dos circuitos com as

interconexotildees natildeo-ideais bem como entre o comportamento das interconexotildees de SWCNT

bundle e de cobre nas diferentes frequecircncias

A Figura 34 mostra o fluxograma das etapas descritas nas subseccedilotildees 322 e 323

Figura 34 ndash Fluxograma das etapas seguidas na simulaccedilatildeo do H-tree clock

H-tree clock mono-eleacutetron

Simulaccedilatildeo do H-tree clock com

interconexotildees ideais Obtenccedilatildeo de f-3dB

da inversora

Simulaccedilatildeo do H-tree clock com

interconexotildees natildeo-ideais para os seguintes

comprimentos

l = 100 nm l2 = 50 nm

l = 400 nm l2 = 200 nm

l = 1 μm l2 = 500 nm

Validaccedilatildeo do SET e do

inversor mono-eleacutetron a

300K

Sinal de entrada a

10 GHz

Sinal de entrada a

100 GHz

Obtenccedilatildeo de NB

NA tr SR A td P e

DP do sinal de saiacuteda

da inversora

Obtenccedilatildeo de NB

NA tr SR A td P e

DP do sinal de saiacuteda

da inversora

Sinal de entrada a

10 GHz

Sinal de entrada a

100 GHz

Obtenccedilatildeo de NB

NA tr SR A td P e

DP do sinal de saiacuteda

da inversora

Obtenccedilatildeo de NB

NA tr SR A td P e

DP do sinal de saiacuteda

da inversora

Anaacutelise comparativa

dos dados obtidos

31

4 RESULTADOS E ANAacuteLISES

41 INTRODUCcedilAtildeO

Neste capiacutetulo seratildeo apresentados os procedimentos adotados e os resultados obtidos na

simulaccedilatildeo das interconexotildees SWCNT SWCNT bundle e cobre As etapas descritas na

metodologia foram seguidas obtendo-se os resultados das simulaccedilotildees das interconexotildees e

das simulaccedilotildees do H-tree clock mono-eleacutetron para interconexotildees ideais e natildeo-ideais A

partir dos resultados a anaacutelise do desempenho das interconexotildees seraacute apresentada

42 ANAacuteLISE DAS INTERCONEXOtildeES

Nesta seccedilatildeo a anaacutelise das interconexotildees de SWCNT SWCNT bundle e cobre na

tecnologia de 22 nm para diferentes comprimentos seraacute realizada Para isso analisou-se

as interconexotildees locais em que l le 1 μm e as intermediaacuterias em que 1 μm lt l le 500 μm

sabendo que l eacute o comprimento da interconexatildeo [29-31333638] Como λCNT eacute

tipicamente 1 μm trecircs comprimentos na faixa lCNT le λCNT (10 nm 100 nm e 1 μm) e trecircs

comprimentos na faixa lCNT gt λCNT (10 μm 100 μm 500 μm) de cada material seratildeo

analisados detalhadamente Os paracircmetros obtidos a partir dos modelos de SWCNT

SWCNT bundle e cobre estatildeo respectivamente nas Tabelas 71 72 e 73 do Apecircndice

421 Interconexotildees locais

Primeiramente a partir da simulaccedilatildeo da Figura 31 obteve-se a frequecircncia em -3dB (f-3dB)

das interconexotildees locais (lCNT le λCNT ) isto eacute a sua banda passante de forma a verificar a

velocidade maacutexima que cada interconexatildeo suporta A Figura 41 ilustra o comportamento

da frequecircncia das interconexotildees locais para os diferentes comprimentos Como o SWCNT

isolado possui valores de frequecircncia na faixa de centenas de giga Hertz ou seja menos de

um tera Hertz os valores de suas frequecircncias tambeacutem podem ser visualisados na Tabela

74 do Apecircndice

Verifica-se que agrave medida que o comprimento da interconexatildeo aumenta a frequecircncia

diminui Isso ocorre jaacute que os valores da capacitacircncia e indutacircncia aumentam com o

aumento do comprimento da interconexatildeo Esses paracircmetros satildeo decisivos no sinal de

32

saiacuteda sendo o sinal mais distorcido quanto maior for o valor desses paracircmetros Observa-

se que o SWCNT bundle e o cobre possuem banda passante maiores que o SWCNT

isolado para qualquer comprimento Aleacutem disso o SWCNT bundle soacute possui uma banda

passante comparaacutevel ao do cobre para comprimentos acima de 700 nm

Frequecircncia X Comprimento

0

10

20

30

40

50

60

100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

Comprimento (nm)

f -3d

B (

TH

z)

SWCNT Isolado

SWCNT bundle

Cobre

Figura 41 ndash Frequumlecircncia versus comprimento das interconexotildees locais

As interconexotildees locais de 10 nm 100 nm e 1 μm de comprimento foram analisadas

detalhadamente A Tabela 41 mostra a frequecircncia em -3dB de cada material para os

comprimentos em anaacutelise

Tabela 41 Frequecircncia em -3dB de cada material para lCNT le λCNT

Interconexatildeo Local Comprimento (L) Material f-3dB

SWCNT isolado 253 GHz

10nm SWCNT bundle 66 THz

Cobre 232 THz

SWCNT isolado 300 GHz

lCNT le λCNT 100nm SWCNT bundle 20 THz

Cobre 51 THz

SWCNT isolado 230 GHz

1microm SWCNT bundle 47 THz

Cobre 42 THz

Assim escolheu-se uma mesma frequecircncia abaixo da frequecircncia de corte dos trecircs

materiais considerados para analisar e comparar a atenuaccedilatildeo (A) e o tempo de atraso na

propagaccedilatildeo (td) dos trecircs comprimentos Isso permite verificar o comportamento do sinal na

banda passante A Tabela 42 mostra esse estudo comparativo entre o SWCNT isolado

SWCNT bundle e cobre agrave frequecircncia de 200 GHz

33

Tabela 42 Estudo das interconexotildees com comprimentos na faixa lCNT le λCNT

Freq L Material A (dB) td (ps)

SWCNT isolado -210 046

10nm SWCNT bundle 001 000

Cobre 000 000

SWCNT isolado -155 051

200 GHz 100nm SWCNT bundle 001 000

Cobre 001 000

SWCNT isolado -039 107

1microm SWCNT bundle 006 001

Cobre 000 007

A partir da anaacutelise da Tabela 42 eacute possiacutevel observar agrave frequumlecircncia de 200 GHz a

atenuaccedilatildeo do sinal e o atraso do SWCNT isolado Nessa frequumlecircncia o atraso do SWCNT

isolado eacute significativo em relaccedilatildeo ao periacuteodo do sinal que eacute 5ps jaacute que o menor atraso

(para l = 10nm) eacute aproximadamente 10 do periacuteodo do sinal de entrada No entanto para

esta mesma frequumlecircncia observa-se que a atenuaccedilatildeo e o atraso do SWCNT bundle e do

cobre satildeo insignificantes Isto indica que estes dois materiais possuem melhor

desempenho sendo favoraacuteveis para serem utilizados em interconexotildees locais

Dessa forma para analisar melhor a atenuaccedilatildeo e o tempo de atraso do SWCNT bundle e do

cobre o mesmo procedimento foi feito comparando-se somente estes dois materiais para

uma mesma frequecircncia de 1 THz A Tabela 43 mostra esse estudo comparativo entre o

SWCNT bundle e cobre

Tabela 43 Estudo das interconexotildees SWCNT bundle e cobre com comprimentos na faixa

lCNT le λCNT

Freq L Material A (dB) td (fs)

10nm SWCNT bundle 001 113

Cobre 000 022

1 THz 100nm SWCNT bundle 006 136

Cobre 001 240

1microm SWCNT bundle 145 647

Cobre -013 5623

Analisando a Tabela 43 observa-se que agrave frequumlecircncia de 1 THz a atenuaccedilatildeo do sinal e o

atraso aumentam agrave medida que o comprimento das interconexotildees aumentam A partir do

comprimento de 100nm o tempo de atraso da interconexatildeo de cobre eacute maior que o do

SWCNT bundle cujo maior valor de atraso (para l = 1microm) natildeo chega a 1 do periacuteodo do

34

sinal de entrada (1ps) Isso mostra que apesar de a banda passante do cobre ser maior o

atraso do SWCNT bundle eacute menor Dessa forma para as interconexotildees locais o SWCNT

bundle possui desempenho comparaacutevel ao do cobre [13]

Em relaccedilatildeo agrave atenuaccedilatildeo verifica-se que para alguns comprimentos este tem valor

positivo Isso ocorre principalmente quando haacute um pico no graacutefico da frequumlecircncia antes dele

comeccedilar a decair Esse pico eacute devido ao efeito ressonante provocado pela indutacircncia

quando este possui valor comparaacutevel agrave resistecircncia e agrave capacitacircncia da interconexatildeo [53]

Assim esse efeito ressonante foi observado somente nas interconexotildees locais de SWCNT

bundle e de cobre A Figura 42 ilustra o graacutefico da magnitude pela frequumlecircncia do SWCNT

isolado SWCNT bundle e cobre para o comprimento de 100nm Observa-se o efeito

ressonante nos graacuteficos do SWCNT bundle e do cobre

Figura 42 ndash Graacuteficos da magnitude das interconexotildees de SWCNT isolado (superior)

SWCNT bundle (meio) e cobre (inferior) com comprimento de 100nm

35

422 Interconexotildees intermediaacuterias

Assim como para as interconexotildees locais obteve-se a frequecircncia em -3dB (f-3dB) das

interconexotildees intermediaacuterias (lCNT gt λCNT) de forma a verificar a velocidade maacutexima que

cada interconexatildeo suporta A Figura 43 ilustra o comportamento da frequecircncia das

interconexotildees intermediaacuterias para os diferentes comprimentos Os valores das frequecircncias

de cada interconexatildeo tambeacutem podem ser visualisados na Tabela 75 do Apecircndice

Como nas interconexotildees locais agrave medida que o comprimento da interconexatildeo aumenta a

frequecircncia diminui Aleacutem disso o SWCNT bundle e o cobre possuem desempenho melhor

que o do SWCNT isolado para qualquer comprimento No entanto para interconexotildees

intermediaacuterias o SWCNT bundle possui banda passante maior que a do cobre para

qualquer comprimento

Frequecircncia X Comprimento

00

05

10

15

20

25

30

35

40

45

100 200 300 400 500

Comprimento (μm)

f -3d

B (

GH

z)

SWCNT isolado

SWCNT bundle

Cobre

Figura 43 ndash Frequumlecircncia versus comprimento das interconexotildees intermediaacuterias

As interconexotildees intermediaacuterias de 10 μm 100 μm e 500 μm de comprimento foram entatildeo

analisadas detalhadamente A Tabela 44 mostra a frequecircncia em -3dB de cada materal

para os diferentes comprimentos em anaacutelise

36

Tabela 44 Frequecircncia em -3dB de cada material para lCNT gt λCNT

Interconexatildeo

Intermediaacuteria

Comprimento (L) Material f-3dB

SWCNT isolado 26 GHz

10 microm SWCNT bundle 527 GHz

Cobre 34 GHz

SWCNT isolado 32 MHz

lCNT gt λCNT 100 microm SWCNT bundle 42 GHz

Cobre 345 MHz

SWCNT isolado 13 MHz

500 microm SWCNT bundle 165 MHz

Cobre 14 MHz

Escolheu-se a frequecircncia de 1 MHz que estaacute abaixo da frequecircncia de corte dos trecircs

materiais considerados para analisar e comparar a atenuaccedilatildeo (A) e o tempo de atraso na

propagaccedilatildeo (td) dos trecircs comprimentos A Tabela 45 mostra esse estudo comparativo entre

o SWCNT isolado SWCNT bundle e cobre

Tabela 45 Estudo das interconexotildees com comprimentos na faixa lCNT gt λCNT

Freq L Material A (dB) td (ns)

SWCNT isolado -002 008

10 microm SWCNT bundle 000 000

Cobre 000 000

SWCNT isolado -003 559

1 MHz 100 microm SWCNT bundle -001 005

Cobre -004 056

SWCNT isolado -198 10217

500 microm SWCNT bundle 000 110

Cobre -003 1301

Com base na Tabela 45 observa-se que a atenuaccedilatildeo e o tempo de atraso do SWCNT

isolado aumentam com o aumento do comprimento da interconexatildeo Nessa frequumlecircncia o

atraso na propagaccedilatildeo do SWCNT isolado eacute significativo em relaccedilatildeo ao periacuteodo do sinal de

entrada que eacute 1micros chegando a mais de 10 deste periacuteodo para o comprimento de 500microm

Verifica-se tambeacutem o aumento do tempo de atraso da interconexatildeo de cobre sendo 13

do periacuteodo do sinal de entrada para o comprimento de 500microm

Para analisar melhor a atenuaccedilatildeo e o tempo de atraso do SWCNT bundle e do cobre o

mesmo procedimento foi feito comparando-se somente estes dois materiais para uma

37

mesma frequecircncia de 10 MHz A Tabela 46 mostra esse estudo comparativo entre o

SWCNT bundle e cobre

Tabela 46 Estudo das interconexotildees SWCNT bundle e cobre com comprimentos na faixa

lCNT gt λCNT

Freq L Material A (dB) td (ns)

10 microm SWCNT bundle 000 000

Cobre 000 000

10 MHz 100 microm SWCNT bundle -001 005

Cobre -004 054

500 microm SWCNT bundle -004 107

Cobre -185 1024

Analisando a Tabela 46 observa-se que agrave medida que o comprimento das interconexotildees

aumenta a atenuaccedilatildeo e o atraso do sinal da interconexatildeo de cobre tornam-se significativos

O atraso na propagaccedilatildeo da interconexatildeo de cobre para l = 500microm chega a 10 do periacuteodo

do sinal de entrada (100ns) Jaacute o SWCNT bundle apresenta valores insignificantes de

atenuaccedilatildeo e atraso na propagaccedilatildeo Assim para as interconexotildees intermediaacuterias o SWCNT

bundle possui desempenho superior ao do cobre

43 SIMULACcedilAtildeO DO INVERSOR MONO-ELEacuteTRON

O modelo SPICE do SET proposto por G Lientschnig et al [444] foi simulado no

LTSPICE A partir da equaccedilatildeo (226) foi possiacutevel aumentar a temperatura do SET ateacute

chegar a 300K Assim o esquemaacutetico do SET e os valores de seus paracircmetros para que o

SET opere a 300K estatildeo na Figura 44 No anexo deste trabalho (subseccedilatildeo 81) encontra-

se o coacutedigo SET que foi utilizado [44] Os paracircmetros R1 C1 e R2 C2 correspondem agraves

resistecircncias e capacitacircncias das junccedilotildees-tuacutenel Cg eacute a capacitacircncia de porta (Cg1 no coacutedigo

SET) Vg eacute a tensatildeo de porta e V eacute a tensatildeo de entrada

Figura 44 Esquemaacutetico do SET e os valores de seus paracircmetros

38

A partir destes valores o inversor mono-eleacutetron foi construiacutedo colocando-se dois SETs em

seacuterie os quais compartilham da mesma entrada A Figura 45 ilustra o esquemaacutetico do

inversor mono-eleacutetron juntamente com os valores de seus paracircmetros fixos em que Vin eacute a

tensatildeo de entrada Vout eacute a tensatildeo de saiacuteda Vbias eacute a tensatildeo de polarizaccedilatildeo Cc eacute a

capacitacircncia de carga Cg1 e Cg2 satildeo as capacitacircncias de porta do SET 1 e do SET 2

respectivamente

Figura 45 Esquemaacutetico do inversor mono-eleacutetron e os valores de seus paracircmetros

(modificado de [4])

Assim apoacutes simular o inversor mono-eleacutetron a 300K obteve-se o sinal de saiacuteda mostrado

na Figura 46 Como o inversor estaacute invertendo o sinal de entrada de valor loacutegico baixo em

um sinal de saiacuteda de valor loacutegico alto ele estaacute operando corretamente

Figura 46 Curva do sinal de entrada (em verde) e do sinal de saiacuteda (em preto) do inversor

mono-eleacutetron

39

44 ANAacuteLISE DAS INTERCONEXOtildeES NO H-TREE CLOCK MONO-ELEacuteTRON

Nesta seccedilatildeo a rede H-tree clock de dois niacuteveis foi simulada com portas inversoras mono-

eleacutetron nos pontos de destino final da rede permitindo a anaacutelise de circuitos

nanoeletrocircnicos Simulou-se a rede H-tree considerando interconexotildees ideais para as

frequecircncias de 10 GHz e 100 GHz no sinal de entrada Em seguida para as mesmas duas

frequecircncias considerou-se interconexotildees natildeo-ideais de diferentes comprimentos

analisando a rede com os modelos de interconexatildeo SWCNT bundle e cobre Trecircs redes

com comprimentos de interconexotildees diferentes foram analisadas

l = 100 nm l2 = 50 nm

l = 400 nm l2 = 200 nm

l = 1 μm l2 = 500 nm

441 Anaacutelise da rede com interconexotildees ideais

A partir da simulaccedilatildeo do H-tree clock a frequecircncia em -3dB (f-3dB) da rede com

interconexotildees ideais foi obtida Na saiacuteda de cada porta inversora a banda passante do sinal

eacute 3200 GHz Dessa forma duas frequecircncias abaixo de 3200 GHz foram escolhidas para

analisar o sinal de saiacuteda da inversora em condiccedilotildees ideais As frequecircncias de 10 GHz e

100 GHz seratildeo analisadas obtendo-se as seguintes caracteriacutesticas do sinal de saiacuteda da

inversora niacutevel loacutegico baixo (NB) niacutevel loacutegico alto (NA) tempo de subida (tr) slew rate

de subida (SR) atenuaccedilatildeo (A) e tempo de atraso (td) A Tabela 47 mostra os valores

obtidos para as duas frequecircncias em anaacutelise

Tabela 47 Caracteriacutesticas dos sinais de saiacuteda da rede para interconexotildees ideais

Freq NB(mV) NA(mV) tr (ps) SR(Vns) A(dB) td (ps)

10 GHz 675 4518 356 8636 -264 412

100 GHz 678 4279 317 9088 -269 189

Os caacutelculos da potecircncia estaacutetica ( IVP DDE ) potecircncia dinacircmica ( CVfP DDD 2 ) e

potecircncia total ( DE PPP ) dissipada por cada porta inversora foram realizados bem

como o produto atraso-potecircncia (DP) Assim a Tabela 48 mostra os valores obtidos no

40

caacutelculo destes paracircmetros Como a potecircncia estaacutetica independe da frequecircncia do sinal de

entrada o seu valor eacute o mesmo nos dois casos

Tabela 48 Potecircncia dissipada por cada porta inversora para interconexotildees ideais

Frequecircncia PE (nW) PD (nW) P (nW) DP (10-18

Wmiddots)

10 GHz 4838 125 4963 020

100 GHz 4838 125 6088 012

As Tabelas 47 e 48 serviratildeo de referecircncia para as anaacutelises da rede com interconexotildees natildeo-

ideais analisadas na subseccedilatildeo seguinte As Figuras 47 e 48 ilustram o sinal de saiacuteda das

redes com frequecircncias de 10 GHz e de 100 GHz respectivamente Eacute possiacutevel observar que

na frequecircncia de 100 GHz o sinal de saiacuteda jaacute eacute distorcido em relaccedilatildeo ao sinal de referecircncia

(Figura 46)

Figura 47 Sinal de entrada (em verde) e sinal de saiacuteda (em preto) da rede a 10 GHz

Figura 48 Sinal de entrada (em verde) e sinal de saiacuteda (em preto) da rede a 100 GHz

41

442 Anaacutelise da rede com interconexotildees natildeo-ideais

Apoacutes obter as caracteriacutesticas da rede H-tree clock com interconexotildees ideais a anaacutelise da

rede com interconexotildees natildeo-ideais seraacute feita Primeiramente eacute importante verificar a

frequecircncia em -3dB do sinal depois das interconexotildees ou seja na entrada da porta

inversora Caso essa frequecircncia seja menor que a frequecircncia de 3200 GHz obtida com

interconexotildees ideais entatildeo a interconexatildeo afetaraacute o comportamento da rede A Tabela 49

mostra a frequecircncia em -3dB na entrada da inversora para interconexotildees natildeo-ideais

Tabela 49 Frequecircncia em -3dB na entrada da inversora para interconexotildees natildeo-ideais

Comprimentos (l2 l) Material f-3dB

50nm 100nm SWCNT bundle 122 THz

Cobre 175 THz

200nm 400nm SWCNT bundle 31 THz

Cobre 8606 GHz

500nm 1microm SWCNT bundle 12 THz

Cobre 1268 GHz

Assim verifica-se que a interconexatildeo de cobre da rede 500nm1microm possui frequecircncia em

-3dB abaixo da frequecircncia do circuito com interconexatildeo ideal (3200 GHz) Isso indica que

esta interconexatildeo interfere significativamente no comportamento da rede A Tabela 49

mostra tambeacutem que a banda passante da interconexatildeo de cobre soacute eacute maior que a da

interconexatildeo de SWCNT bundle no primeiro caso na rede de 50nm100nm o que mostra

uma vantagem do SWCNT bundle em relaccedilatildeo ao cobre A partir dessas informaccedilotildees a

rede H-tree clock com interconexotildees natildeo-ideais seraacute analisada detalhadamente

4421 Anaacutelise da rede a 10 GHz

As redes com interconexotildees natildeo-ideais seratildeo analisadas na frequecircncia de 10 GHz para

diferentes comprimentos Primeiramente o niacutevel loacutegico baixo (NB) o niacutevel loacutegico alto

(NA) o tempo de subida (tr) e o slew rate de subida (SR) foram obtidos conforme mostra a

Tabela 410 Com base nessa tabela verifica-se que na frequecircncia de 10 GHz essas

caracteriacutesticas natildeo foram modificadas pelas interconexotildees natildeo-ideais independentemente

do comprimento Os valores dos paracircmetros satildeo iguais aos obtidos na rede com

interconexatildeo ideal conforme Tabela 47 O sinal obtido na saiacuteda de cada inversor eacute igual

ao ilustrado na Figura 47

42

Tabela 410 Niacuteveis loacutegicos tempo de subida e slew rate dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 10 GHz

Freq L (l2l) Material NB(mV) NA(mV) tr(ps) SR(Vns)

10

GHz

50nm

100nm

SWCNT bundle 675 4518 356 8636

Cobre 675 4518 356 8636

200nm

400nm

SWCNT bundle 675 4518 356 8636

Cobre 675 4518 356 8636

500nm

1microm

SWCNT bundle 675 4518 356 8636

Cobre 675 4518 356 8636

A Tabela 411 mostra a atenuaccedilatildeo tempo de atraso potecircncia total dissipada e o produto

atraso-potecircncia obtidos a frequecircncia de 10 GHz para interconexotildees natildeo-ideais Observa-se

que a atenuaccedilatildeo do sinal e a potecircncia total dissipada por cada porta inversora permanecem

os mesmos em relaccedilatildeo agrave interconexatildeo ideal mostrando que a essa frequecircncia as

interconexotildees natildeo-ideais natildeo interferem nestes paracircmetros

Jaacute o atraso na propagaccedilatildeo do sinal no caso do cobre aumenta agrave medida que as

interconexotildees aumentam de comprimento aumentando tambeacutem o produto atraso-potecircncia

Esse atraso chega a 66 do periacuteodo do sinal de entrada para a interconexatildeo 500nm1microm

de cobre No entanto estes paracircmetros natildeo satildeo afetados pelas interconexotildees de SWCNT

bundle indicando que este material se sobressai em relaccedilatildeo ao cobre

Tabela 411 Atenuaccedilatildeo atraso potecircncia e produto atraso-potecircncia dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 10 GHz

Freq L (l2l) Material A (dB) td (ps) P (nW) DP(10-18

Wmiddots)

10

GHz

50nm

100nm

SWCNT bundle -264 412 4963 020

Cobre -264 412 4963 020

200nm

400nm

SWCNT bundle -264 412 4963 020

Cobre -264 438 4963 022

500nm

1microm

SWCNT bundle -264 412 4963 020

Cobre -264 659 4963 033

4422 Anaacutelise da rede a 100 GHz

As redes com interconexotildees natildeo-ideais seratildeo analisadas na frequecircncia de 100 GHz para

diferentes comprimentos O niacutevel loacutegico baixo (NB) o niacutevel loacutegico alto (NA) o tempo de

subida (tr) e o slew rate de subida (SR) foram obtidos conforme mostra a Tabela 412 Jaacute a

43

Tabela 413 mostra a atenuaccedilatildeo tempo de atraso potecircncia total dissipada e o produto

atraso-potecircncia obtidos a frequecircncia de 100 GHz para interconexotildees natildeo-ideais

Tabela 412 Niacuteveis loacutegicos tempo de subida e slew rate dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 100 GHz

Freq L (l2l) Material NB(mV) NA(mV) tr(ps) SR(Vns)

100

GHz

50nm

100nm

SWCNT bundle 678 4272 316 9099

Cobre 675 4277 323 9107

200nm

400nm

SWCNT bundle 678 4299 315 9196

Cobre 677 4089 289 9447

500nm

1microm

SWCNT bundle 678 4418 300 9973

Cobre 635 1766 102 6795

Tabela 413 Atenuaccedilatildeo atraso potecircncia e produto atraso-potecircncia dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 100 GHz

Freq L (l2l) Material A (dB) td (ps) P (nW) DP(10-18

Wmiddots)

100

GHz

50nm

100nm

SWCNT bundle -2703 189 6088 012

Cobre -2685 191 6088 012

200nm

400nm

SWCNT bundle -2693 188 6088 012

Cobre -2698 228 6088 014

500nm

1microm

SWCNT bundle -2673 174 6088 011

Cobre -2893 388 6088 024

A partir das Tabelas 412 e 413 o SWCNT bundle seraacute analisado Observa-se que os seus

niacuteveis loacutegicos altos aumentam com o aumento do comprimento das interconexotildees

aumentando tambeacutem o slew rate de subida Esse comportamento ocorre provavelmente

devido ao efeito ressonante provocado pela indutacircncia que provoca um pico no graacutefico da

frequumlecircncia antes dele comeccedilar a decair conforme explicado na subseccedilatildeo 421 Isso implica

na diminuiccedilatildeo da atenuaccedilatildeo do sinal e do atraso No entanto o produto atraso-potecircncia

permanece praticamente invariaacutevel jaacute que a potecircncia total dissipada natildeo se altera

Em relaccedilatildeo agraves interconexotildees de cobre verifica-se que as distorccedilotildees satildeo significativas Agrave

medida que o comprimento aumenta a atenuaccedilatildeo do sinal de saiacuteda aumenta Isso provoca

diminuiccedilatildeo no slew rate do sinal o que natildeo eacute desejado jaacute que o sinal demora mais para

atingir o niacutevel loacutegico alto Aleacutem disso o atraso na propagaccedilatildeo do sinal aumenta bastante

chegando a 388 do periacuteodo do sinal de entrada para a interconexatildeo 500nm1microm

Consequentemente o produto atraso-potecircncia tambeacutem aumenta sendo o dobro do valor de

44

referecircncia (interconexotildees ideais) A Figura 49 ilustra o sinal de saiacuteda da interconexatildeo

500nm1microm de cobre

Figura 49 Sinal de entrada (em verde) e sinal de saiacuteda (em preto) da rede a 100 GHz para

a interconexatildeo 500nm1microm de cobre

Comparando-se as potecircncias das tabelas 47 48 411 413 verifica-se que natildeo haacute

alteraccedilatildeo na potecircncia total dissipada pelo circuito com interconexotildees ideais e pelos

circuitos com interconexotildees natildeo-ideais para uma mesma frequecircncia Assim eacute importante

destacar que a dissipaccedilatildeo de potecircncia das interconexotildees de SWCNT bundle e de cobre natildeo

interfere na potecircncia total dissipada pelo circuito

443 Consideraccedilotildees Finais

Apoacutes analisar as interconexotildees locais de SWCNT de SWCNT bundle e de cobre

verificou-se que as interconexotildees de SWCNT bundle possuem desempenho comparaacutevel ao

das interconexotildees de cobre Em relaccedilatildeo agraves interconexotildees intermediaacuterias as de SWCNT

bundle apresentam desempenho superior agraves de cobre Jaacute as interconexotildees de SWCNT

isolado tanto para interconexotildees locais como para interconexotildees intermediaacuterias

apresentam desempenho inferior agraves interconexotildees de SWCNT bundle e de cobre natildeo

sendo propiacutecias a serem utilizadas em interconexotildees de circuitos integrados

Na anaacutelise das interconexotildees natildeo-ideais na rede H-tree clock mono-eleacutetron para a

frequecircncia de 10GHz observou-se que o niacutevel loacutegico baixo o niacutevel loacutegico alto o tempo de

subida o slew rate de subida a atenuaccedilatildeo do sinal e a potecircncia total dissipada por cada

porta inversora permanecem os mesmos em relaccedilatildeo agrave interconexatildeo ideal mostrando que

45

para esta frequecircncia as interconexotildees natildeo-ideais natildeo interferem nestes paracircmetros Jaacute o

atraso na propagaccedilatildeo do sinal no caso do cobre aumenta agrave medida que as interconexotildees

aumentam de comprimento aumentando tambeacutem o produto atraso-potecircncia No entanto

estes paracircmetros natildeo satildeo afetados pelas interconexotildees de SWCNT bundle indicando que

este material se sobressai em relaccedilatildeo ao cobre

Jaacute para a rede H-tree clock mono-eleacutetron a 100GHz observou-se que o circuito com

interconexotildees natildeo-ideais afetou bastante os paracircmetros em anaacutelise se comparados aos

obtidos para interconexotildees ideais Verificou-se que as distorccedilotildees provocadas pelas

interconexotildees de cobre foram significativas indicando que as interconexotildees de SWCNT

bundle possuem melhor desempenho que as de cobre

Assim constata-se que as interconexotildees de SWCNT bundle satildeo fortes candidatas a

substituirem as interconexotildees de cobre em circuitos em escala giga (GSI) e tera (TSI)

46

5 CONCLUSOtildeES

Nesta dissertaccedilatildeo o estudo das interconexotildees de SWCNT de SWCNT bundle e de cobre

foi realizado analisando e comparando os seus desempenhos para diferentes

comprimentos A partir desse estudo verificou-se que as interconexotildees de SWCNT bundle

possui desempenho comparaacutevel ao das interconexotildees de cobre no caso de interconexotildees

locais Em relaccedilatildeo agraves interconexotildees intermediaacuterias as de SWCNT bundle apresentam

desempenho superior agraves de cobre

As interconexotildees de SWCNT bundle e as interconexotildees de cobre foram entatildeo simuladas na

rede H-tree clock de dois niacuteveis para diferentes comprimentos e frequecircncias Nos pontos

de destino final da rede foram colocadas portas inversoras formadas por SETs permitindo

a anaacutelise de circuitos nanoeletrocircnicos

A partir da anaacutelise da rede H-tree clock observou-se que as interconexotildees de SWCNT

bundle possuem desempenho melhor que as de cobre principalmente em relaccedilatildeo ao slew

rate agrave atenuaccedilatildeo ao tempo de atraso e ao produto atraso-potecircncia Aleacutem disso a

dissipaccedilatildeo de potecircncia das interconexotildees natildeo-ideais natildeo interferem na potecircncia total

dissipada pelo circuito Assim as interconexotildees de SWCNT bundle satildeo fortes candidatas a

substituirem as interconexotildees de cobre em circuitos em escala giga (GSI) e tera (TSI)

Como perspectivas futuras eacute importante analisar o efeito das interconexotildees de nanotubo de

carbono em circuitos GSI e TSI com outras arquiteturas A anaacutelise das interconexotildees de

CNT tambeacutem deve ser feita em circuitos com tecnologia MOS permitindo a comparaccedilatildeo

entre diferentes tecnologias Aleacutem disso eacute interessante estudar outros tipos de materiais

que possam ser utilizados como interconexotildees em circuitos integrados

47

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53

7 APEcircNDICES

71 TABELAS COMPLEMENTARES

Tabela 71 Paracircmetros obtidos a partir do modelo de SWCNT isolado

L RQ (Ω) RS (Ω) LCNT (10-9

H) CCNT (10-18

F)

10 nm 645103 - 40010

-2 27910

-1

100 nm 645103 - 40010

-1 279

200 nm 645103 - 80010

-1 558

300 nm 645103 - 120 837

400 nm 645103 - 160 11210

1

500 nm 645103 - 200 14010

1

600 nm 645103 - 240 16710

1

700 nm 645103 - 280 19510

1

800 nm 645103 - 320 22310

1

900 nm 645103 - 360 25110

1

1 microm 645103 - 400 27910

1

10 microm 645103 64510

4 40010

1 27910

2

100 microm 645103 64510

5 40010

2 27910

3

200 microm 645103 12910

6 80010

2 55810

3

300 microm 645103 19410

6 12010

3 83710

3

400 microm

645103 25810

6 16010

3 11210

4

500 microm

645103 32310

6 20010

3 14010

4

Tabela 72 Paracircmetros obtidos a partir do modelo de SWCNT bundle

L RQ (Ω) RS (Ω) LBundle(10-9

H) CBundle(10-18

F)

10 nm 1075 - 66710-5

135

100 nm 1075 - 66710-4

135101

200 nm 1075 - 13310-3

270101

300 nm 1075 - 20010-3

405101

400 nm 1075 - 26710-3

540101

500 nm 1075 - 33310-3

675101

600 nm 1075 - 40010-3

810101

700 nm 1075 - 46710-3

945101

800 nm 1075 - 53310-3

108102

900 nm 1075 - 60010-3

122102

1 microm 1075 - 66710-3

135102

10 microm 1075 108102 66710

-2 13510

3

100 microm 1075 108103 66710

-1 13510

4

200 microm 1075 215103 133 27010

4

300 microm 1075 323103 200 40510

4

400 microm

1075 430103 267 54010

4

500 microm

1075 538103 333 67510

4

54

Tabela 73 Paracircmetros obtidos a partir do modelo de cobre

L RCu (Ω) LCu (10-9

H) CCu (10-18

F)

10 nm 06 37310-6

150

100 nm 60 63610-5

150101

200 nm 120 17510-4

300101

300 nm 180 30910-4

450101

400 nm 240 45410-4

600101

500 nm 300 61110-4

750101

600 nm 360 77510-4

900101

700 nm 420 94610-4

105102

800 nm 480 11210-3

120102

900 nm 540 13110-3

135102

1 microm 600 14910-3

150102

10 microm 60102 24010

-2 15010

3

100 microm 60103 33210

-1 15010

4

200 microm 12104 72010

-1 30010

4

300 microm 18104 113 45010

4

400 microm

24104 155 60010

4

500 microm

30104 198 75010

4

55

Tabela 74 Frequecircncia em -3dB das interconexotildees locais

Comprimento Material f-3dB

10 nm SWCNT isolado 253 GHz

SWCNT bundle 66 THz

Cobre 232 THz

100 nm SWCNT isolado 300 GHz

SWCNT bundle 20 THz

Cobre 51 THz

200 nm SWCNT isolado 342 GHz

SWCNT bundle 14 THz

Cobre 29 THz

300 nm SWCNT isolado 344 GHz

SWCNT bundle 11 THz

Cobre 20 THz

400 nm SWCNT isolado 329 GHz

SWCNT bundle 89 THz

Cobre 15 THz

500 nm SWCNT isolado 307 GHz

SWCNT bundle 76 THz

Cobre 12 THz

600 nm SWCNT isolado 288 GHz

SWCNT bundle 67 THz

Cobre 94 THz

700 nm SWCNT isolado 271 GHz

SWCNT bundle 61 THz

Cobre 76 THz

800 nm SWCNT isolado 255 GHz

SWCNT bundle 55 THz

Cobre 63 THz

900 nm SWCNT isolado 240 GHz

SWCNT bundle 51 THz

Cobre 52 THz

1 microm SWCNT isolado 230 GHz

SWCNT bundle 47 THz

Cobre 42 THz

56

Tabela 75 Frequecircncia em -3dB das interconexotildees intermediaacuterias

Comprimento Material f-3dB

10 microm SWCNT isolado 26 GHz

SWCNT bundle 527 GHz

Cobre 34 GHz

100 microm SWCNT isolado 32 MHz

SWCNT bundle 42 GHz

Cobre 345 MHz

200 microm SWCNT isolado 82 MHz

SWCNT bundle 10 GHz

Cobre 87 MHz

300 microm SWCNT isolado 36 MHz

SWCNT bundle 455 MHz

Cobre 38 MHz

400 microm SWCNT isolado 21 MHz

SWCNT bundle 256 MHz

Cobre 21 MHz

500 microm SWCNT isolado 13 MHz

SWCNT bundle 165 MHz

Cobre 14 MHz

57

8 ANEXOS

81 COacuteDIGO SPICE DO SET [44]

Transistor mono-eleacutetron (SET) conexotildees fonte | dreno | | porta1 | | | porta2 | | | | SUBCKT SET 1 2 3 4 PARAMS +C1=1E-20 Capacitacircncia da junccedilatildeo 1 +C2=1E-20 Capacitacircncia da junccedilatildeo 2 +R1=1E5 Resistecircncia da junccedilatildeo 1 +R2=1E5 Resistecircncia da junccedilatildeo 2 +Cg1=015E-18 Capacitacircncia da junccedilatildeo 1 +Cg2=0 Capacitacircncia da junccedilatildeo 2 +C0=0 Capacitacircncia proacutepria da ilha +Q0=005 Carga offset em unidades de e +TEMP=300 Temperatura PARAM E=160217733E-19 Carga do eleacutetron (e) PARAM CSUM=C1+C2+Cg1+Cg2+C0 Capacitacircncia total do SET PARAM T=TEMPCSUM53785467E14 Temperatura normalizada 53785467E14 = kBe^2 PARAM RN1=R1(R1+R2) Resistecircncia da junccedilatildeo 1 normalizada PARAM RN2=R2(R1+R2) Resistecircncia da junccedilatildeo 2 normalizada FUNC Q(v1v2v3v4) (Cg1v3+Cg2v4+C1v1+C2v2)E+Q0 Definiccedilatildeo da carga em unidades de e FUNC VN(v) CSUMvE Tensatildeo normalizada FUNC GAMMA(u) IF(T==0IF(ult0-u0)IF(u==0Tu(EXP(uT)-1))) FUNC N_OPT(v1v2v3v4) ROUND(-Q(v1v2v3v4)+(CSUME) (v1RN2+v2RN1)) A maior probabilidade de carga na ilha em unidades de e Os quarto eventos tuacuteneis FUNC R1L(nv1v2v3v4) GAMMA(05 - n - Q(v1v2v3v4) + VN(v1))RN1 FUNC R1R(nv1v2v3v4) GAMMA(05 + n + Q(v1v2v3v4) - VN(v1))RN1 FUNC R2L(nv1v2v3v4) GAMMA(05 + n + Q(v1v2v3v4) - VN(v2))RN2 FUNC R2R(nv1v2v3v4) GAMMA(05 - n - Q(v1v2v3v4) + VN(v2))RN2

58

determinaccedilatildeo das probabilidades relativas assume-se inicialmente que o estado da carga N_OPT tem probabilidade relativa igual a um FUNC PN_1(nv1v2v3v4) (R1L(nv1v2v3v4)+R2R(nv1v2v3v4))(R1R(n-1v1v2v3v4)+R2L(n-1v1v2v3v4)) FUNC PN_2(nv1v2v3v4) PN_1(nv1v2v3v4) +(R1L(n-1v1v2v3v4)+R2R(n-1v1v2v3v4))(R1R(n-2v1v2v3v4)+R2L(n-2v1v2v3v4)) FUNC PN_3(nv1v2v3v4) PN_2(nv1v2v3v4) +(R1L(n-2v1v2v3v4)+R2R(n-2v1v2v3v4))(R1R(n-3v1v2v3v4)+R2L(n-3v1v2v3v4)) FUNC PN_4(nv1v2v3v4) PN_3(nv1v2v3v4) +(R1L(n-3v1v2v3v4)+R2R(n-3v1v2v3v4))(R1R(n-4v1v2v3v4)+R2L(n-4v1v2v3v4)) FUNC PN_5(nv1v2v3v4) PN_4(nv1v2v3v4) +(R1L(n-4v1v2v3v4)+R2R(n-4v1v2v3v4))(R1R(n-5v1v2v3v4)+R2L(n-5v1v2v3v4)) FUNC PN1(nv1v2v3v4) (R2L(nv1v2v3v4) +R1R(nv1v2v3v4))(R2R(n+1v1v2v3v4)+R1L(n+1v1v2v3v4)) FUNC PN2(nv1v2v3v4) PN1(nv1v2v3v4) +(R2L(n+1v1v2v3v4)+R1R(n+1v1v2v3v4))(R2R(n+2v1v2v3v4)+R1L(n+2v1v2v3v4)) FUNC PN3(nv1v2v3v4) PN2(nv1v2v3v4) +(R2L(n+2v1v2v3v4)+R1R(n+2v1v2v3v4))(R2R(n+3v1v2v3v4)+R1L(n+3v1v2v3v4)) FUNC PN4(nv1v2v3v4) PN3(nv1v2v3v4) +(R2L(n+3v1v2v3v4)+R1R(n+3v1v2v3v4))(R2R(n+4v1v2v3v4)+R1L(n+4v1v2v3v4)) FUNC PN5(nv1v2v3v4) PN4(nv1v2v3v4) +(R2L(n+4v1v2v3v4)+R1R(n+4v1v2v3v4))(R2R(n+5v1v2v3v4)+R1L(n+5v1v2v3v4)) FUNC PSUM(nv1v2v3v4) PN_5(nv1v2v3v4)+PN_4(nv1v2v3v4)+PN_3(nv1v2v3v4)+PN_2(nv1v2v3v4) ++PN_1(nv1v2v3v4)+1+PN1(nv1v2v3v4)+PN2(nv1v2v3v4)+PN3(nv1v2v3v4) ++PN4(nv1v2v3v4)+PN5(nv1v2v3v4)

59

caacutelculo da corrente da fonte para o dreno FUNC CUR(nv1v2v3v4) PN_5(nv1v2v3v4)(R1R(n-5v1v2v3v4)-R1L(n-5v1v2v3v4)) ++PN_4(nv1v2v3v4)(R1R(n-4v1v2v3v4)-R1L(n-4v1v2v3v4)) ++PN_3(nv1v2v3v4)(R1R(n-3v1v2v3v4)-R1L(n-3v1v2v3v4)) ++PN_2(nv1v2v3v4)(R1R(n-2v1v2v3v4)-R1L(n-2v1v2v3v4)) ++PN_1(nv1v2v3v4)(R1R(n-1v1v2v3v4)-R1L(n-1v1v2v3v4)) ++(R1R(nv1v2v3v4)-R1L(nv1v2v3v4)) ++PN1(nv1v2v3v4)(R1R(n+1v1v2v3v4)-R1L(n+1v1v2v3v4)) ++PN2(nv1v2v3v4)(R1R(n+2v1v2v3v4)-R1L(n+2v1v2v3v4)) ++PN3(nv1v2v3v4)(R1R(n+3v1v2v3v4)-R1L(n+3v1v2v3v4)) ++PN4(nv1v2v3v4)(R1R(n+4v1v2v3v4)-R1L(n+4v1v2v3v4)) ++PN5(nv1v2v3v4)(R1R(n+5v1v2v3v4)-R1L(n+5v1v2v3v4)) FUNC CURRENT(nv1v2v3v4) ECUR(nv1v2v3v4)(CSUMPSUM(nv1v2v3v4)(R1+R2)) caacutelculo da tensatildeo da ilha FUNC VOLT(nv1v2v3v4) PN_5(nv1v2v3v4)(n-5+Q(v1v2v3v4)) ++PN_4(nv1v2v3v4)(n-4+Q(v1v2v3v4)) ++PN_3(nv1v2v3v4)(n-3+Q(v1v2v3v4)) ++PN_2(nv1v2v3v4)(n-2+Q(v1v2v3v4)) ++PN_1(nv1v2v3v4)(n-1+Q(v1v2v3v4)) ++n+Q(v1v2v3v4) ++PN1(nv1v2v3v4)(n+1+Q(v1v2v3v4)) ++PN2(nv1v2v3v4)(n+2+Q(v1v2v3v4)) ++PN3(nv1v2v3v4)(n+3+Q(v1v2v3v4)) ++PN4(nv1v2v3v4)(n+4+Q(v1v2v3v4)) ++PN5(nv1v2v3v4)(n+5+Q(v1v2v3v4)) FUNC VOLTAGE(nv1v2v3v4) (ECSUM)VOLT(nv1v2v3v4)PSUM(nv1v2v3v4) E1 5 0 VALUE= VOLTAGE(N_OPT(V(1)V(2)V(3)V(4))V(1)V(2)V(3)V(4)) Tensatildeo da ilha G1 1 2 VALUE= CURRENT(N_OPT(V(1)V(2)V(3)V(4))V(1)V(2)V(3)V(4)) Corrente da fonte para o dreno CT1 1 5 C1 CT2 2 5 C2 CGATE1 3 5 CG1 CGATE2 4 5 CG2 ENDS SET

Page 44: ANÁLISE COMPARATIVA ENTRE ... - repositorio.unb.brrepositorio.unb.br/.../1/2012_CamilaPeixotoSilvaMadeiraNogueira.pdf · Prof. Stefan Michael Blawid, ... Deus colocou esses dois

31

4 RESULTADOS E ANAacuteLISES

41 INTRODUCcedilAtildeO

Neste capiacutetulo seratildeo apresentados os procedimentos adotados e os resultados obtidos na

simulaccedilatildeo das interconexotildees SWCNT SWCNT bundle e cobre As etapas descritas na

metodologia foram seguidas obtendo-se os resultados das simulaccedilotildees das interconexotildees e

das simulaccedilotildees do H-tree clock mono-eleacutetron para interconexotildees ideais e natildeo-ideais A

partir dos resultados a anaacutelise do desempenho das interconexotildees seraacute apresentada

42 ANAacuteLISE DAS INTERCONEXOtildeES

Nesta seccedilatildeo a anaacutelise das interconexotildees de SWCNT SWCNT bundle e cobre na

tecnologia de 22 nm para diferentes comprimentos seraacute realizada Para isso analisou-se

as interconexotildees locais em que l le 1 μm e as intermediaacuterias em que 1 μm lt l le 500 μm

sabendo que l eacute o comprimento da interconexatildeo [29-31333638] Como λCNT eacute

tipicamente 1 μm trecircs comprimentos na faixa lCNT le λCNT (10 nm 100 nm e 1 μm) e trecircs

comprimentos na faixa lCNT gt λCNT (10 μm 100 μm 500 μm) de cada material seratildeo

analisados detalhadamente Os paracircmetros obtidos a partir dos modelos de SWCNT

SWCNT bundle e cobre estatildeo respectivamente nas Tabelas 71 72 e 73 do Apecircndice

421 Interconexotildees locais

Primeiramente a partir da simulaccedilatildeo da Figura 31 obteve-se a frequecircncia em -3dB (f-3dB)

das interconexotildees locais (lCNT le λCNT ) isto eacute a sua banda passante de forma a verificar a

velocidade maacutexima que cada interconexatildeo suporta A Figura 41 ilustra o comportamento

da frequecircncia das interconexotildees locais para os diferentes comprimentos Como o SWCNT

isolado possui valores de frequecircncia na faixa de centenas de giga Hertz ou seja menos de

um tera Hertz os valores de suas frequecircncias tambeacutem podem ser visualisados na Tabela

74 do Apecircndice

Verifica-se que agrave medida que o comprimento da interconexatildeo aumenta a frequecircncia

diminui Isso ocorre jaacute que os valores da capacitacircncia e indutacircncia aumentam com o

aumento do comprimento da interconexatildeo Esses paracircmetros satildeo decisivos no sinal de

32

saiacuteda sendo o sinal mais distorcido quanto maior for o valor desses paracircmetros Observa-

se que o SWCNT bundle e o cobre possuem banda passante maiores que o SWCNT

isolado para qualquer comprimento Aleacutem disso o SWCNT bundle soacute possui uma banda

passante comparaacutevel ao do cobre para comprimentos acima de 700 nm

Frequecircncia X Comprimento

0

10

20

30

40

50

60

100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

Comprimento (nm)

f -3d

B (

TH

z)

SWCNT Isolado

SWCNT bundle

Cobre

Figura 41 ndash Frequumlecircncia versus comprimento das interconexotildees locais

As interconexotildees locais de 10 nm 100 nm e 1 μm de comprimento foram analisadas

detalhadamente A Tabela 41 mostra a frequecircncia em -3dB de cada material para os

comprimentos em anaacutelise

Tabela 41 Frequecircncia em -3dB de cada material para lCNT le λCNT

Interconexatildeo Local Comprimento (L) Material f-3dB

SWCNT isolado 253 GHz

10nm SWCNT bundle 66 THz

Cobre 232 THz

SWCNT isolado 300 GHz

lCNT le λCNT 100nm SWCNT bundle 20 THz

Cobre 51 THz

SWCNT isolado 230 GHz

1microm SWCNT bundle 47 THz

Cobre 42 THz

Assim escolheu-se uma mesma frequecircncia abaixo da frequecircncia de corte dos trecircs

materiais considerados para analisar e comparar a atenuaccedilatildeo (A) e o tempo de atraso na

propagaccedilatildeo (td) dos trecircs comprimentos Isso permite verificar o comportamento do sinal na

banda passante A Tabela 42 mostra esse estudo comparativo entre o SWCNT isolado

SWCNT bundle e cobre agrave frequecircncia de 200 GHz

33

Tabela 42 Estudo das interconexotildees com comprimentos na faixa lCNT le λCNT

Freq L Material A (dB) td (ps)

SWCNT isolado -210 046

10nm SWCNT bundle 001 000

Cobre 000 000

SWCNT isolado -155 051

200 GHz 100nm SWCNT bundle 001 000

Cobre 001 000

SWCNT isolado -039 107

1microm SWCNT bundle 006 001

Cobre 000 007

A partir da anaacutelise da Tabela 42 eacute possiacutevel observar agrave frequumlecircncia de 200 GHz a

atenuaccedilatildeo do sinal e o atraso do SWCNT isolado Nessa frequumlecircncia o atraso do SWCNT

isolado eacute significativo em relaccedilatildeo ao periacuteodo do sinal que eacute 5ps jaacute que o menor atraso

(para l = 10nm) eacute aproximadamente 10 do periacuteodo do sinal de entrada No entanto para

esta mesma frequumlecircncia observa-se que a atenuaccedilatildeo e o atraso do SWCNT bundle e do

cobre satildeo insignificantes Isto indica que estes dois materiais possuem melhor

desempenho sendo favoraacuteveis para serem utilizados em interconexotildees locais

Dessa forma para analisar melhor a atenuaccedilatildeo e o tempo de atraso do SWCNT bundle e do

cobre o mesmo procedimento foi feito comparando-se somente estes dois materiais para

uma mesma frequecircncia de 1 THz A Tabela 43 mostra esse estudo comparativo entre o

SWCNT bundle e cobre

Tabela 43 Estudo das interconexotildees SWCNT bundle e cobre com comprimentos na faixa

lCNT le λCNT

Freq L Material A (dB) td (fs)

10nm SWCNT bundle 001 113

Cobre 000 022

1 THz 100nm SWCNT bundle 006 136

Cobre 001 240

1microm SWCNT bundle 145 647

Cobre -013 5623

Analisando a Tabela 43 observa-se que agrave frequumlecircncia de 1 THz a atenuaccedilatildeo do sinal e o

atraso aumentam agrave medida que o comprimento das interconexotildees aumentam A partir do

comprimento de 100nm o tempo de atraso da interconexatildeo de cobre eacute maior que o do

SWCNT bundle cujo maior valor de atraso (para l = 1microm) natildeo chega a 1 do periacuteodo do

34

sinal de entrada (1ps) Isso mostra que apesar de a banda passante do cobre ser maior o

atraso do SWCNT bundle eacute menor Dessa forma para as interconexotildees locais o SWCNT

bundle possui desempenho comparaacutevel ao do cobre [13]

Em relaccedilatildeo agrave atenuaccedilatildeo verifica-se que para alguns comprimentos este tem valor

positivo Isso ocorre principalmente quando haacute um pico no graacutefico da frequumlecircncia antes dele

comeccedilar a decair Esse pico eacute devido ao efeito ressonante provocado pela indutacircncia

quando este possui valor comparaacutevel agrave resistecircncia e agrave capacitacircncia da interconexatildeo [53]

Assim esse efeito ressonante foi observado somente nas interconexotildees locais de SWCNT

bundle e de cobre A Figura 42 ilustra o graacutefico da magnitude pela frequumlecircncia do SWCNT

isolado SWCNT bundle e cobre para o comprimento de 100nm Observa-se o efeito

ressonante nos graacuteficos do SWCNT bundle e do cobre

Figura 42 ndash Graacuteficos da magnitude das interconexotildees de SWCNT isolado (superior)

SWCNT bundle (meio) e cobre (inferior) com comprimento de 100nm

35

422 Interconexotildees intermediaacuterias

Assim como para as interconexotildees locais obteve-se a frequecircncia em -3dB (f-3dB) das

interconexotildees intermediaacuterias (lCNT gt λCNT) de forma a verificar a velocidade maacutexima que

cada interconexatildeo suporta A Figura 43 ilustra o comportamento da frequecircncia das

interconexotildees intermediaacuterias para os diferentes comprimentos Os valores das frequecircncias

de cada interconexatildeo tambeacutem podem ser visualisados na Tabela 75 do Apecircndice

Como nas interconexotildees locais agrave medida que o comprimento da interconexatildeo aumenta a

frequecircncia diminui Aleacutem disso o SWCNT bundle e o cobre possuem desempenho melhor

que o do SWCNT isolado para qualquer comprimento No entanto para interconexotildees

intermediaacuterias o SWCNT bundle possui banda passante maior que a do cobre para

qualquer comprimento

Frequecircncia X Comprimento

00

05

10

15

20

25

30

35

40

45

100 200 300 400 500

Comprimento (μm)

f -3d

B (

GH

z)

SWCNT isolado

SWCNT bundle

Cobre

Figura 43 ndash Frequumlecircncia versus comprimento das interconexotildees intermediaacuterias

As interconexotildees intermediaacuterias de 10 μm 100 μm e 500 μm de comprimento foram entatildeo

analisadas detalhadamente A Tabela 44 mostra a frequecircncia em -3dB de cada materal

para os diferentes comprimentos em anaacutelise

36

Tabela 44 Frequecircncia em -3dB de cada material para lCNT gt λCNT

Interconexatildeo

Intermediaacuteria

Comprimento (L) Material f-3dB

SWCNT isolado 26 GHz

10 microm SWCNT bundle 527 GHz

Cobre 34 GHz

SWCNT isolado 32 MHz

lCNT gt λCNT 100 microm SWCNT bundle 42 GHz

Cobre 345 MHz

SWCNT isolado 13 MHz

500 microm SWCNT bundle 165 MHz

Cobre 14 MHz

Escolheu-se a frequecircncia de 1 MHz que estaacute abaixo da frequecircncia de corte dos trecircs

materiais considerados para analisar e comparar a atenuaccedilatildeo (A) e o tempo de atraso na

propagaccedilatildeo (td) dos trecircs comprimentos A Tabela 45 mostra esse estudo comparativo entre

o SWCNT isolado SWCNT bundle e cobre

Tabela 45 Estudo das interconexotildees com comprimentos na faixa lCNT gt λCNT

Freq L Material A (dB) td (ns)

SWCNT isolado -002 008

10 microm SWCNT bundle 000 000

Cobre 000 000

SWCNT isolado -003 559

1 MHz 100 microm SWCNT bundle -001 005

Cobre -004 056

SWCNT isolado -198 10217

500 microm SWCNT bundle 000 110

Cobre -003 1301

Com base na Tabela 45 observa-se que a atenuaccedilatildeo e o tempo de atraso do SWCNT

isolado aumentam com o aumento do comprimento da interconexatildeo Nessa frequumlecircncia o

atraso na propagaccedilatildeo do SWCNT isolado eacute significativo em relaccedilatildeo ao periacuteodo do sinal de

entrada que eacute 1micros chegando a mais de 10 deste periacuteodo para o comprimento de 500microm

Verifica-se tambeacutem o aumento do tempo de atraso da interconexatildeo de cobre sendo 13

do periacuteodo do sinal de entrada para o comprimento de 500microm

Para analisar melhor a atenuaccedilatildeo e o tempo de atraso do SWCNT bundle e do cobre o

mesmo procedimento foi feito comparando-se somente estes dois materiais para uma

37

mesma frequecircncia de 10 MHz A Tabela 46 mostra esse estudo comparativo entre o

SWCNT bundle e cobre

Tabela 46 Estudo das interconexotildees SWCNT bundle e cobre com comprimentos na faixa

lCNT gt λCNT

Freq L Material A (dB) td (ns)

10 microm SWCNT bundle 000 000

Cobre 000 000

10 MHz 100 microm SWCNT bundle -001 005

Cobre -004 054

500 microm SWCNT bundle -004 107

Cobre -185 1024

Analisando a Tabela 46 observa-se que agrave medida que o comprimento das interconexotildees

aumenta a atenuaccedilatildeo e o atraso do sinal da interconexatildeo de cobre tornam-se significativos

O atraso na propagaccedilatildeo da interconexatildeo de cobre para l = 500microm chega a 10 do periacuteodo

do sinal de entrada (100ns) Jaacute o SWCNT bundle apresenta valores insignificantes de

atenuaccedilatildeo e atraso na propagaccedilatildeo Assim para as interconexotildees intermediaacuterias o SWCNT

bundle possui desempenho superior ao do cobre

43 SIMULACcedilAtildeO DO INVERSOR MONO-ELEacuteTRON

O modelo SPICE do SET proposto por G Lientschnig et al [444] foi simulado no

LTSPICE A partir da equaccedilatildeo (226) foi possiacutevel aumentar a temperatura do SET ateacute

chegar a 300K Assim o esquemaacutetico do SET e os valores de seus paracircmetros para que o

SET opere a 300K estatildeo na Figura 44 No anexo deste trabalho (subseccedilatildeo 81) encontra-

se o coacutedigo SET que foi utilizado [44] Os paracircmetros R1 C1 e R2 C2 correspondem agraves

resistecircncias e capacitacircncias das junccedilotildees-tuacutenel Cg eacute a capacitacircncia de porta (Cg1 no coacutedigo

SET) Vg eacute a tensatildeo de porta e V eacute a tensatildeo de entrada

Figura 44 Esquemaacutetico do SET e os valores de seus paracircmetros

38

A partir destes valores o inversor mono-eleacutetron foi construiacutedo colocando-se dois SETs em

seacuterie os quais compartilham da mesma entrada A Figura 45 ilustra o esquemaacutetico do

inversor mono-eleacutetron juntamente com os valores de seus paracircmetros fixos em que Vin eacute a

tensatildeo de entrada Vout eacute a tensatildeo de saiacuteda Vbias eacute a tensatildeo de polarizaccedilatildeo Cc eacute a

capacitacircncia de carga Cg1 e Cg2 satildeo as capacitacircncias de porta do SET 1 e do SET 2

respectivamente

Figura 45 Esquemaacutetico do inversor mono-eleacutetron e os valores de seus paracircmetros

(modificado de [4])

Assim apoacutes simular o inversor mono-eleacutetron a 300K obteve-se o sinal de saiacuteda mostrado

na Figura 46 Como o inversor estaacute invertendo o sinal de entrada de valor loacutegico baixo em

um sinal de saiacuteda de valor loacutegico alto ele estaacute operando corretamente

Figura 46 Curva do sinal de entrada (em verde) e do sinal de saiacuteda (em preto) do inversor

mono-eleacutetron

39

44 ANAacuteLISE DAS INTERCONEXOtildeES NO H-TREE CLOCK MONO-ELEacuteTRON

Nesta seccedilatildeo a rede H-tree clock de dois niacuteveis foi simulada com portas inversoras mono-

eleacutetron nos pontos de destino final da rede permitindo a anaacutelise de circuitos

nanoeletrocircnicos Simulou-se a rede H-tree considerando interconexotildees ideais para as

frequecircncias de 10 GHz e 100 GHz no sinal de entrada Em seguida para as mesmas duas

frequecircncias considerou-se interconexotildees natildeo-ideais de diferentes comprimentos

analisando a rede com os modelos de interconexatildeo SWCNT bundle e cobre Trecircs redes

com comprimentos de interconexotildees diferentes foram analisadas

l = 100 nm l2 = 50 nm

l = 400 nm l2 = 200 nm

l = 1 μm l2 = 500 nm

441 Anaacutelise da rede com interconexotildees ideais

A partir da simulaccedilatildeo do H-tree clock a frequecircncia em -3dB (f-3dB) da rede com

interconexotildees ideais foi obtida Na saiacuteda de cada porta inversora a banda passante do sinal

eacute 3200 GHz Dessa forma duas frequecircncias abaixo de 3200 GHz foram escolhidas para

analisar o sinal de saiacuteda da inversora em condiccedilotildees ideais As frequecircncias de 10 GHz e

100 GHz seratildeo analisadas obtendo-se as seguintes caracteriacutesticas do sinal de saiacuteda da

inversora niacutevel loacutegico baixo (NB) niacutevel loacutegico alto (NA) tempo de subida (tr) slew rate

de subida (SR) atenuaccedilatildeo (A) e tempo de atraso (td) A Tabela 47 mostra os valores

obtidos para as duas frequecircncias em anaacutelise

Tabela 47 Caracteriacutesticas dos sinais de saiacuteda da rede para interconexotildees ideais

Freq NB(mV) NA(mV) tr (ps) SR(Vns) A(dB) td (ps)

10 GHz 675 4518 356 8636 -264 412

100 GHz 678 4279 317 9088 -269 189

Os caacutelculos da potecircncia estaacutetica ( IVP DDE ) potecircncia dinacircmica ( CVfP DDD 2 ) e

potecircncia total ( DE PPP ) dissipada por cada porta inversora foram realizados bem

como o produto atraso-potecircncia (DP) Assim a Tabela 48 mostra os valores obtidos no

40

caacutelculo destes paracircmetros Como a potecircncia estaacutetica independe da frequecircncia do sinal de

entrada o seu valor eacute o mesmo nos dois casos

Tabela 48 Potecircncia dissipada por cada porta inversora para interconexotildees ideais

Frequecircncia PE (nW) PD (nW) P (nW) DP (10-18

Wmiddots)

10 GHz 4838 125 4963 020

100 GHz 4838 125 6088 012

As Tabelas 47 e 48 serviratildeo de referecircncia para as anaacutelises da rede com interconexotildees natildeo-

ideais analisadas na subseccedilatildeo seguinte As Figuras 47 e 48 ilustram o sinal de saiacuteda das

redes com frequecircncias de 10 GHz e de 100 GHz respectivamente Eacute possiacutevel observar que

na frequecircncia de 100 GHz o sinal de saiacuteda jaacute eacute distorcido em relaccedilatildeo ao sinal de referecircncia

(Figura 46)

Figura 47 Sinal de entrada (em verde) e sinal de saiacuteda (em preto) da rede a 10 GHz

Figura 48 Sinal de entrada (em verde) e sinal de saiacuteda (em preto) da rede a 100 GHz

41

442 Anaacutelise da rede com interconexotildees natildeo-ideais

Apoacutes obter as caracteriacutesticas da rede H-tree clock com interconexotildees ideais a anaacutelise da

rede com interconexotildees natildeo-ideais seraacute feita Primeiramente eacute importante verificar a

frequecircncia em -3dB do sinal depois das interconexotildees ou seja na entrada da porta

inversora Caso essa frequecircncia seja menor que a frequecircncia de 3200 GHz obtida com

interconexotildees ideais entatildeo a interconexatildeo afetaraacute o comportamento da rede A Tabela 49

mostra a frequecircncia em -3dB na entrada da inversora para interconexotildees natildeo-ideais

Tabela 49 Frequecircncia em -3dB na entrada da inversora para interconexotildees natildeo-ideais

Comprimentos (l2 l) Material f-3dB

50nm 100nm SWCNT bundle 122 THz

Cobre 175 THz

200nm 400nm SWCNT bundle 31 THz

Cobre 8606 GHz

500nm 1microm SWCNT bundle 12 THz

Cobre 1268 GHz

Assim verifica-se que a interconexatildeo de cobre da rede 500nm1microm possui frequecircncia em

-3dB abaixo da frequecircncia do circuito com interconexatildeo ideal (3200 GHz) Isso indica que

esta interconexatildeo interfere significativamente no comportamento da rede A Tabela 49

mostra tambeacutem que a banda passante da interconexatildeo de cobre soacute eacute maior que a da

interconexatildeo de SWCNT bundle no primeiro caso na rede de 50nm100nm o que mostra

uma vantagem do SWCNT bundle em relaccedilatildeo ao cobre A partir dessas informaccedilotildees a

rede H-tree clock com interconexotildees natildeo-ideais seraacute analisada detalhadamente

4421 Anaacutelise da rede a 10 GHz

As redes com interconexotildees natildeo-ideais seratildeo analisadas na frequecircncia de 10 GHz para

diferentes comprimentos Primeiramente o niacutevel loacutegico baixo (NB) o niacutevel loacutegico alto

(NA) o tempo de subida (tr) e o slew rate de subida (SR) foram obtidos conforme mostra a

Tabela 410 Com base nessa tabela verifica-se que na frequecircncia de 10 GHz essas

caracteriacutesticas natildeo foram modificadas pelas interconexotildees natildeo-ideais independentemente

do comprimento Os valores dos paracircmetros satildeo iguais aos obtidos na rede com

interconexatildeo ideal conforme Tabela 47 O sinal obtido na saiacuteda de cada inversor eacute igual

ao ilustrado na Figura 47

42

Tabela 410 Niacuteveis loacutegicos tempo de subida e slew rate dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 10 GHz

Freq L (l2l) Material NB(mV) NA(mV) tr(ps) SR(Vns)

10

GHz

50nm

100nm

SWCNT bundle 675 4518 356 8636

Cobre 675 4518 356 8636

200nm

400nm

SWCNT bundle 675 4518 356 8636

Cobre 675 4518 356 8636

500nm

1microm

SWCNT bundle 675 4518 356 8636

Cobre 675 4518 356 8636

A Tabela 411 mostra a atenuaccedilatildeo tempo de atraso potecircncia total dissipada e o produto

atraso-potecircncia obtidos a frequecircncia de 10 GHz para interconexotildees natildeo-ideais Observa-se

que a atenuaccedilatildeo do sinal e a potecircncia total dissipada por cada porta inversora permanecem

os mesmos em relaccedilatildeo agrave interconexatildeo ideal mostrando que a essa frequecircncia as

interconexotildees natildeo-ideais natildeo interferem nestes paracircmetros

Jaacute o atraso na propagaccedilatildeo do sinal no caso do cobre aumenta agrave medida que as

interconexotildees aumentam de comprimento aumentando tambeacutem o produto atraso-potecircncia

Esse atraso chega a 66 do periacuteodo do sinal de entrada para a interconexatildeo 500nm1microm

de cobre No entanto estes paracircmetros natildeo satildeo afetados pelas interconexotildees de SWCNT

bundle indicando que este material se sobressai em relaccedilatildeo ao cobre

Tabela 411 Atenuaccedilatildeo atraso potecircncia e produto atraso-potecircncia dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 10 GHz

Freq L (l2l) Material A (dB) td (ps) P (nW) DP(10-18

Wmiddots)

10

GHz

50nm

100nm

SWCNT bundle -264 412 4963 020

Cobre -264 412 4963 020

200nm

400nm

SWCNT bundle -264 412 4963 020

Cobre -264 438 4963 022

500nm

1microm

SWCNT bundle -264 412 4963 020

Cobre -264 659 4963 033

4422 Anaacutelise da rede a 100 GHz

As redes com interconexotildees natildeo-ideais seratildeo analisadas na frequecircncia de 100 GHz para

diferentes comprimentos O niacutevel loacutegico baixo (NB) o niacutevel loacutegico alto (NA) o tempo de

subida (tr) e o slew rate de subida (SR) foram obtidos conforme mostra a Tabela 412 Jaacute a

43

Tabela 413 mostra a atenuaccedilatildeo tempo de atraso potecircncia total dissipada e o produto

atraso-potecircncia obtidos a frequecircncia de 100 GHz para interconexotildees natildeo-ideais

Tabela 412 Niacuteveis loacutegicos tempo de subida e slew rate dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 100 GHz

Freq L (l2l) Material NB(mV) NA(mV) tr(ps) SR(Vns)

100

GHz

50nm

100nm

SWCNT bundle 678 4272 316 9099

Cobre 675 4277 323 9107

200nm

400nm

SWCNT bundle 678 4299 315 9196

Cobre 677 4089 289 9447

500nm

1microm

SWCNT bundle 678 4418 300 9973

Cobre 635 1766 102 6795

Tabela 413 Atenuaccedilatildeo atraso potecircncia e produto atraso-potecircncia dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 100 GHz

Freq L (l2l) Material A (dB) td (ps) P (nW) DP(10-18

Wmiddots)

100

GHz

50nm

100nm

SWCNT bundle -2703 189 6088 012

Cobre -2685 191 6088 012

200nm

400nm

SWCNT bundle -2693 188 6088 012

Cobre -2698 228 6088 014

500nm

1microm

SWCNT bundle -2673 174 6088 011

Cobre -2893 388 6088 024

A partir das Tabelas 412 e 413 o SWCNT bundle seraacute analisado Observa-se que os seus

niacuteveis loacutegicos altos aumentam com o aumento do comprimento das interconexotildees

aumentando tambeacutem o slew rate de subida Esse comportamento ocorre provavelmente

devido ao efeito ressonante provocado pela indutacircncia que provoca um pico no graacutefico da

frequumlecircncia antes dele comeccedilar a decair conforme explicado na subseccedilatildeo 421 Isso implica

na diminuiccedilatildeo da atenuaccedilatildeo do sinal e do atraso No entanto o produto atraso-potecircncia

permanece praticamente invariaacutevel jaacute que a potecircncia total dissipada natildeo se altera

Em relaccedilatildeo agraves interconexotildees de cobre verifica-se que as distorccedilotildees satildeo significativas Agrave

medida que o comprimento aumenta a atenuaccedilatildeo do sinal de saiacuteda aumenta Isso provoca

diminuiccedilatildeo no slew rate do sinal o que natildeo eacute desejado jaacute que o sinal demora mais para

atingir o niacutevel loacutegico alto Aleacutem disso o atraso na propagaccedilatildeo do sinal aumenta bastante

chegando a 388 do periacuteodo do sinal de entrada para a interconexatildeo 500nm1microm

Consequentemente o produto atraso-potecircncia tambeacutem aumenta sendo o dobro do valor de

44

referecircncia (interconexotildees ideais) A Figura 49 ilustra o sinal de saiacuteda da interconexatildeo

500nm1microm de cobre

Figura 49 Sinal de entrada (em verde) e sinal de saiacuteda (em preto) da rede a 100 GHz para

a interconexatildeo 500nm1microm de cobre

Comparando-se as potecircncias das tabelas 47 48 411 413 verifica-se que natildeo haacute

alteraccedilatildeo na potecircncia total dissipada pelo circuito com interconexotildees ideais e pelos

circuitos com interconexotildees natildeo-ideais para uma mesma frequecircncia Assim eacute importante

destacar que a dissipaccedilatildeo de potecircncia das interconexotildees de SWCNT bundle e de cobre natildeo

interfere na potecircncia total dissipada pelo circuito

443 Consideraccedilotildees Finais

Apoacutes analisar as interconexotildees locais de SWCNT de SWCNT bundle e de cobre

verificou-se que as interconexotildees de SWCNT bundle possuem desempenho comparaacutevel ao

das interconexotildees de cobre Em relaccedilatildeo agraves interconexotildees intermediaacuterias as de SWCNT

bundle apresentam desempenho superior agraves de cobre Jaacute as interconexotildees de SWCNT

isolado tanto para interconexotildees locais como para interconexotildees intermediaacuterias

apresentam desempenho inferior agraves interconexotildees de SWCNT bundle e de cobre natildeo

sendo propiacutecias a serem utilizadas em interconexotildees de circuitos integrados

Na anaacutelise das interconexotildees natildeo-ideais na rede H-tree clock mono-eleacutetron para a

frequecircncia de 10GHz observou-se que o niacutevel loacutegico baixo o niacutevel loacutegico alto o tempo de

subida o slew rate de subida a atenuaccedilatildeo do sinal e a potecircncia total dissipada por cada

porta inversora permanecem os mesmos em relaccedilatildeo agrave interconexatildeo ideal mostrando que

45

para esta frequecircncia as interconexotildees natildeo-ideais natildeo interferem nestes paracircmetros Jaacute o

atraso na propagaccedilatildeo do sinal no caso do cobre aumenta agrave medida que as interconexotildees

aumentam de comprimento aumentando tambeacutem o produto atraso-potecircncia No entanto

estes paracircmetros natildeo satildeo afetados pelas interconexotildees de SWCNT bundle indicando que

este material se sobressai em relaccedilatildeo ao cobre

Jaacute para a rede H-tree clock mono-eleacutetron a 100GHz observou-se que o circuito com

interconexotildees natildeo-ideais afetou bastante os paracircmetros em anaacutelise se comparados aos

obtidos para interconexotildees ideais Verificou-se que as distorccedilotildees provocadas pelas

interconexotildees de cobre foram significativas indicando que as interconexotildees de SWCNT

bundle possuem melhor desempenho que as de cobre

Assim constata-se que as interconexotildees de SWCNT bundle satildeo fortes candidatas a

substituirem as interconexotildees de cobre em circuitos em escala giga (GSI) e tera (TSI)

46

5 CONCLUSOtildeES

Nesta dissertaccedilatildeo o estudo das interconexotildees de SWCNT de SWCNT bundle e de cobre

foi realizado analisando e comparando os seus desempenhos para diferentes

comprimentos A partir desse estudo verificou-se que as interconexotildees de SWCNT bundle

possui desempenho comparaacutevel ao das interconexotildees de cobre no caso de interconexotildees

locais Em relaccedilatildeo agraves interconexotildees intermediaacuterias as de SWCNT bundle apresentam

desempenho superior agraves de cobre

As interconexotildees de SWCNT bundle e as interconexotildees de cobre foram entatildeo simuladas na

rede H-tree clock de dois niacuteveis para diferentes comprimentos e frequecircncias Nos pontos

de destino final da rede foram colocadas portas inversoras formadas por SETs permitindo

a anaacutelise de circuitos nanoeletrocircnicos

A partir da anaacutelise da rede H-tree clock observou-se que as interconexotildees de SWCNT

bundle possuem desempenho melhor que as de cobre principalmente em relaccedilatildeo ao slew

rate agrave atenuaccedilatildeo ao tempo de atraso e ao produto atraso-potecircncia Aleacutem disso a

dissipaccedilatildeo de potecircncia das interconexotildees natildeo-ideais natildeo interferem na potecircncia total

dissipada pelo circuito Assim as interconexotildees de SWCNT bundle satildeo fortes candidatas a

substituirem as interconexotildees de cobre em circuitos em escala giga (GSI) e tera (TSI)

Como perspectivas futuras eacute importante analisar o efeito das interconexotildees de nanotubo de

carbono em circuitos GSI e TSI com outras arquiteturas A anaacutelise das interconexotildees de

CNT tambeacutem deve ser feita em circuitos com tecnologia MOS permitindo a comparaccedilatildeo

entre diferentes tecnologias Aleacutem disso eacute interessante estudar outros tipos de materiais

que possam ser utilizados como interconexotildees em circuitos integrados

47

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53

7 APEcircNDICES

71 TABELAS COMPLEMENTARES

Tabela 71 Paracircmetros obtidos a partir do modelo de SWCNT isolado

L RQ (Ω) RS (Ω) LCNT (10-9

H) CCNT (10-18

F)

10 nm 645103 - 40010

-2 27910

-1

100 nm 645103 - 40010

-1 279

200 nm 645103 - 80010

-1 558

300 nm 645103 - 120 837

400 nm 645103 - 160 11210

1

500 nm 645103 - 200 14010

1

600 nm 645103 - 240 16710

1

700 nm 645103 - 280 19510

1

800 nm 645103 - 320 22310

1

900 nm 645103 - 360 25110

1

1 microm 645103 - 400 27910

1

10 microm 645103 64510

4 40010

1 27910

2

100 microm 645103 64510

5 40010

2 27910

3

200 microm 645103 12910

6 80010

2 55810

3

300 microm 645103 19410

6 12010

3 83710

3

400 microm

645103 25810

6 16010

3 11210

4

500 microm

645103 32310

6 20010

3 14010

4

Tabela 72 Paracircmetros obtidos a partir do modelo de SWCNT bundle

L RQ (Ω) RS (Ω) LBundle(10-9

H) CBundle(10-18

F)

10 nm 1075 - 66710-5

135

100 nm 1075 - 66710-4

135101

200 nm 1075 - 13310-3

270101

300 nm 1075 - 20010-3

405101

400 nm 1075 - 26710-3

540101

500 nm 1075 - 33310-3

675101

600 nm 1075 - 40010-3

810101

700 nm 1075 - 46710-3

945101

800 nm 1075 - 53310-3

108102

900 nm 1075 - 60010-3

122102

1 microm 1075 - 66710-3

135102

10 microm 1075 108102 66710

-2 13510

3

100 microm 1075 108103 66710

-1 13510

4

200 microm 1075 215103 133 27010

4

300 microm 1075 323103 200 40510

4

400 microm

1075 430103 267 54010

4

500 microm

1075 538103 333 67510

4

54

Tabela 73 Paracircmetros obtidos a partir do modelo de cobre

L RCu (Ω) LCu (10-9

H) CCu (10-18

F)

10 nm 06 37310-6

150

100 nm 60 63610-5

150101

200 nm 120 17510-4

300101

300 nm 180 30910-4

450101

400 nm 240 45410-4

600101

500 nm 300 61110-4

750101

600 nm 360 77510-4

900101

700 nm 420 94610-4

105102

800 nm 480 11210-3

120102

900 nm 540 13110-3

135102

1 microm 600 14910-3

150102

10 microm 60102 24010

-2 15010

3

100 microm 60103 33210

-1 15010

4

200 microm 12104 72010

-1 30010

4

300 microm 18104 113 45010

4

400 microm

24104 155 60010

4

500 microm

30104 198 75010

4

55

Tabela 74 Frequecircncia em -3dB das interconexotildees locais

Comprimento Material f-3dB

10 nm SWCNT isolado 253 GHz

SWCNT bundle 66 THz

Cobre 232 THz

100 nm SWCNT isolado 300 GHz

SWCNT bundle 20 THz

Cobre 51 THz

200 nm SWCNT isolado 342 GHz

SWCNT bundle 14 THz

Cobre 29 THz

300 nm SWCNT isolado 344 GHz

SWCNT bundle 11 THz

Cobre 20 THz

400 nm SWCNT isolado 329 GHz

SWCNT bundle 89 THz

Cobre 15 THz

500 nm SWCNT isolado 307 GHz

SWCNT bundle 76 THz

Cobre 12 THz

600 nm SWCNT isolado 288 GHz

SWCNT bundle 67 THz

Cobre 94 THz

700 nm SWCNT isolado 271 GHz

SWCNT bundle 61 THz

Cobre 76 THz

800 nm SWCNT isolado 255 GHz

SWCNT bundle 55 THz

Cobre 63 THz

900 nm SWCNT isolado 240 GHz

SWCNT bundle 51 THz

Cobre 52 THz

1 microm SWCNT isolado 230 GHz

SWCNT bundle 47 THz

Cobre 42 THz

56

Tabela 75 Frequecircncia em -3dB das interconexotildees intermediaacuterias

Comprimento Material f-3dB

10 microm SWCNT isolado 26 GHz

SWCNT bundle 527 GHz

Cobre 34 GHz

100 microm SWCNT isolado 32 MHz

SWCNT bundle 42 GHz

Cobre 345 MHz

200 microm SWCNT isolado 82 MHz

SWCNT bundle 10 GHz

Cobre 87 MHz

300 microm SWCNT isolado 36 MHz

SWCNT bundle 455 MHz

Cobre 38 MHz

400 microm SWCNT isolado 21 MHz

SWCNT bundle 256 MHz

Cobre 21 MHz

500 microm SWCNT isolado 13 MHz

SWCNT bundle 165 MHz

Cobre 14 MHz

57

8 ANEXOS

81 COacuteDIGO SPICE DO SET [44]

Transistor mono-eleacutetron (SET) conexotildees fonte | dreno | | porta1 | | | porta2 | | | | SUBCKT SET 1 2 3 4 PARAMS +C1=1E-20 Capacitacircncia da junccedilatildeo 1 +C2=1E-20 Capacitacircncia da junccedilatildeo 2 +R1=1E5 Resistecircncia da junccedilatildeo 1 +R2=1E5 Resistecircncia da junccedilatildeo 2 +Cg1=015E-18 Capacitacircncia da junccedilatildeo 1 +Cg2=0 Capacitacircncia da junccedilatildeo 2 +C0=0 Capacitacircncia proacutepria da ilha +Q0=005 Carga offset em unidades de e +TEMP=300 Temperatura PARAM E=160217733E-19 Carga do eleacutetron (e) PARAM CSUM=C1+C2+Cg1+Cg2+C0 Capacitacircncia total do SET PARAM T=TEMPCSUM53785467E14 Temperatura normalizada 53785467E14 = kBe^2 PARAM RN1=R1(R1+R2) Resistecircncia da junccedilatildeo 1 normalizada PARAM RN2=R2(R1+R2) Resistecircncia da junccedilatildeo 2 normalizada FUNC Q(v1v2v3v4) (Cg1v3+Cg2v4+C1v1+C2v2)E+Q0 Definiccedilatildeo da carga em unidades de e FUNC VN(v) CSUMvE Tensatildeo normalizada FUNC GAMMA(u) IF(T==0IF(ult0-u0)IF(u==0Tu(EXP(uT)-1))) FUNC N_OPT(v1v2v3v4) ROUND(-Q(v1v2v3v4)+(CSUME) (v1RN2+v2RN1)) A maior probabilidade de carga na ilha em unidades de e Os quarto eventos tuacuteneis FUNC R1L(nv1v2v3v4) GAMMA(05 - n - Q(v1v2v3v4) + VN(v1))RN1 FUNC R1R(nv1v2v3v4) GAMMA(05 + n + Q(v1v2v3v4) - VN(v1))RN1 FUNC R2L(nv1v2v3v4) GAMMA(05 + n + Q(v1v2v3v4) - VN(v2))RN2 FUNC R2R(nv1v2v3v4) GAMMA(05 - n - Q(v1v2v3v4) + VN(v2))RN2

58

determinaccedilatildeo das probabilidades relativas assume-se inicialmente que o estado da carga N_OPT tem probabilidade relativa igual a um FUNC PN_1(nv1v2v3v4) (R1L(nv1v2v3v4)+R2R(nv1v2v3v4))(R1R(n-1v1v2v3v4)+R2L(n-1v1v2v3v4)) FUNC PN_2(nv1v2v3v4) PN_1(nv1v2v3v4) +(R1L(n-1v1v2v3v4)+R2R(n-1v1v2v3v4))(R1R(n-2v1v2v3v4)+R2L(n-2v1v2v3v4)) FUNC PN_3(nv1v2v3v4) PN_2(nv1v2v3v4) +(R1L(n-2v1v2v3v4)+R2R(n-2v1v2v3v4))(R1R(n-3v1v2v3v4)+R2L(n-3v1v2v3v4)) FUNC PN_4(nv1v2v3v4) PN_3(nv1v2v3v4) +(R1L(n-3v1v2v3v4)+R2R(n-3v1v2v3v4))(R1R(n-4v1v2v3v4)+R2L(n-4v1v2v3v4)) FUNC PN_5(nv1v2v3v4) PN_4(nv1v2v3v4) +(R1L(n-4v1v2v3v4)+R2R(n-4v1v2v3v4))(R1R(n-5v1v2v3v4)+R2L(n-5v1v2v3v4)) FUNC PN1(nv1v2v3v4) (R2L(nv1v2v3v4) +R1R(nv1v2v3v4))(R2R(n+1v1v2v3v4)+R1L(n+1v1v2v3v4)) FUNC PN2(nv1v2v3v4) PN1(nv1v2v3v4) +(R2L(n+1v1v2v3v4)+R1R(n+1v1v2v3v4))(R2R(n+2v1v2v3v4)+R1L(n+2v1v2v3v4)) FUNC PN3(nv1v2v3v4) PN2(nv1v2v3v4) +(R2L(n+2v1v2v3v4)+R1R(n+2v1v2v3v4))(R2R(n+3v1v2v3v4)+R1L(n+3v1v2v3v4)) FUNC PN4(nv1v2v3v4) PN3(nv1v2v3v4) +(R2L(n+3v1v2v3v4)+R1R(n+3v1v2v3v4))(R2R(n+4v1v2v3v4)+R1L(n+4v1v2v3v4)) FUNC PN5(nv1v2v3v4) PN4(nv1v2v3v4) +(R2L(n+4v1v2v3v4)+R1R(n+4v1v2v3v4))(R2R(n+5v1v2v3v4)+R1L(n+5v1v2v3v4)) FUNC PSUM(nv1v2v3v4) PN_5(nv1v2v3v4)+PN_4(nv1v2v3v4)+PN_3(nv1v2v3v4)+PN_2(nv1v2v3v4) ++PN_1(nv1v2v3v4)+1+PN1(nv1v2v3v4)+PN2(nv1v2v3v4)+PN3(nv1v2v3v4) ++PN4(nv1v2v3v4)+PN5(nv1v2v3v4)

59

caacutelculo da corrente da fonte para o dreno FUNC CUR(nv1v2v3v4) PN_5(nv1v2v3v4)(R1R(n-5v1v2v3v4)-R1L(n-5v1v2v3v4)) ++PN_4(nv1v2v3v4)(R1R(n-4v1v2v3v4)-R1L(n-4v1v2v3v4)) ++PN_3(nv1v2v3v4)(R1R(n-3v1v2v3v4)-R1L(n-3v1v2v3v4)) ++PN_2(nv1v2v3v4)(R1R(n-2v1v2v3v4)-R1L(n-2v1v2v3v4)) ++PN_1(nv1v2v3v4)(R1R(n-1v1v2v3v4)-R1L(n-1v1v2v3v4)) ++(R1R(nv1v2v3v4)-R1L(nv1v2v3v4)) ++PN1(nv1v2v3v4)(R1R(n+1v1v2v3v4)-R1L(n+1v1v2v3v4)) ++PN2(nv1v2v3v4)(R1R(n+2v1v2v3v4)-R1L(n+2v1v2v3v4)) ++PN3(nv1v2v3v4)(R1R(n+3v1v2v3v4)-R1L(n+3v1v2v3v4)) ++PN4(nv1v2v3v4)(R1R(n+4v1v2v3v4)-R1L(n+4v1v2v3v4)) ++PN5(nv1v2v3v4)(R1R(n+5v1v2v3v4)-R1L(n+5v1v2v3v4)) FUNC CURRENT(nv1v2v3v4) ECUR(nv1v2v3v4)(CSUMPSUM(nv1v2v3v4)(R1+R2)) caacutelculo da tensatildeo da ilha FUNC VOLT(nv1v2v3v4) PN_5(nv1v2v3v4)(n-5+Q(v1v2v3v4)) ++PN_4(nv1v2v3v4)(n-4+Q(v1v2v3v4)) ++PN_3(nv1v2v3v4)(n-3+Q(v1v2v3v4)) ++PN_2(nv1v2v3v4)(n-2+Q(v1v2v3v4)) ++PN_1(nv1v2v3v4)(n-1+Q(v1v2v3v4)) ++n+Q(v1v2v3v4) ++PN1(nv1v2v3v4)(n+1+Q(v1v2v3v4)) ++PN2(nv1v2v3v4)(n+2+Q(v1v2v3v4)) ++PN3(nv1v2v3v4)(n+3+Q(v1v2v3v4)) ++PN4(nv1v2v3v4)(n+4+Q(v1v2v3v4)) ++PN5(nv1v2v3v4)(n+5+Q(v1v2v3v4)) FUNC VOLTAGE(nv1v2v3v4) (ECSUM)VOLT(nv1v2v3v4)PSUM(nv1v2v3v4) E1 5 0 VALUE= VOLTAGE(N_OPT(V(1)V(2)V(3)V(4))V(1)V(2)V(3)V(4)) Tensatildeo da ilha G1 1 2 VALUE= CURRENT(N_OPT(V(1)V(2)V(3)V(4))V(1)V(2)V(3)V(4)) Corrente da fonte para o dreno CT1 1 5 C1 CT2 2 5 C2 CGATE1 3 5 CG1 CGATE2 4 5 CG2 ENDS SET

Page 45: ANÁLISE COMPARATIVA ENTRE ... - repositorio.unb.brrepositorio.unb.br/.../1/2012_CamilaPeixotoSilvaMadeiraNogueira.pdf · Prof. Stefan Michael Blawid, ... Deus colocou esses dois

32

saiacuteda sendo o sinal mais distorcido quanto maior for o valor desses paracircmetros Observa-

se que o SWCNT bundle e o cobre possuem banda passante maiores que o SWCNT

isolado para qualquer comprimento Aleacutem disso o SWCNT bundle soacute possui uma banda

passante comparaacutevel ao do cobre para comprimentos acima de 700 nm

Frequecircncia X Comprimento

0

10

20

30

40

50

60

100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

Comprimento (nm)

f -3d

B (

TH

z)

SWCNT Isolado

SWCNT bundle

Cobre

Figura 41 ndash Frequumlecircncia versus comprimento das interconexotildees locais

As interconexotildees locais de 10 nm 100 nm e 1 μm de comprimento foram analisadas

detalhadamente A Tabela 41 mostra a frequecircncia em -3dB de cada material para os

comprimentos em anaacutelise

Tabela 41 Frequecircncia em -3dB de cada material para lCNT le λCNT

Interconexatildeo Local Comprimento (L) Material f-3dB

SWCNT isolado 253 GHz

10nm SWCNT bundle 66 THz

Cobre 232 THz

SWCNT isolado 300 GHz

lCNT le λCNT 100nm SWCNT bundle 20 THz

Cobre 51 THz

SWCNT isolado 230 GHz

1microm SWCNT bundle 47 THz

Cobre 42 THz

Assim escolheu-se uma mesma frequecircncia abaixo da frequecircncia de corte dos trecircs

materiais considerados para analisar e comparar a atenuaccedilatildeo (A) e o tempo de atraso na

propagaccedilatildeo (td) dos trecircs comprimentos Isso permite verificar o comportamento do sinal na

banda passante A Tabela 42 mostra esse estudo comparativo entre o SWCNT isolado

SWCNT bundle e cobre agrave frequecircncia de 200 GHz

33

Tabela 42 Estudo das interconexotildees com comprimentos na faixa lCNT le λCNT

Freq L Material A (dB) td (ps)

SWCNT isolado -210 046

10nm SWCNT bundle 001 000

Cobre 000 000

SWCNT isolado -155 051

200 GHz 100nm SWCNT bundle 001 000

Cobre 001 000

SWCNT isolado -039 107

1microm SWCNT bundle 006 001

Cobre 000 007

A partir da anaacutelise da Tabela 42 eacute possiacutevel observar agrave frequumlecircncia de 200 GHz a

atenuaccedilatildeo do sinal e o atraso do SWCNT isolado Nessa frequumlecircncia o atraso do SWCNT

isolado eacute significativo em relaccedilatildeo ao periacuteodo do sinal que eacute 5ps jaacute que o menor atraso

(para l = 10nm) eacute aproximadamente 10 do periacuteodo do sinal de entrada No entanto para

esta mesma frequumlecircncia observa-se que a atenuaccedilatildeo e o atraso do SWCNT bundle e do

cobre satildeo insignificantes Isto indica que estes dois materiais possuem melhor

desempenho sendo favoraacuteveis para serem utilizados em interconexotildees locais

Dessa forma para analisar melhor a atenuaccedilatildeo e o tempo de atraso do SWCNT bundle e do

cobre o mesmo procedimento foi feito comparando-se somente estes dois materiais para

uma mesma frequecircncia de 1 THz A Tabela 43 mostra esse estudo comparativo entre o

SWCNT bundle e cobre

Tabela 43 Estudo das interconexotildees SWCNT bundle e cobre com comprimentos na faixa

lCNT le λCNT

Freq L Material A (dB) td (fs)

10nm SWCNT bundle 001 113

Cobre 000 022

1 THz 100nm SWCNT bundle 006 136

Cobre 001 240

1microm SWCNT bundle 145 647

Cobre -013 5623

Analisando a Tabela 43 observa-se que agrave frequumlecircncia de 1 THz a atenuaccedilatildeo do sinal e o

atraso aumentam agrave medida que o comprimento das interconexotildees aumentam A partir do

comprimento de 100nm o tempo de atraso da interconexatildeo de cobre eacute maior que o do

SWCNT bundle cujo maior valor de atraso (para l = 1microm) natildeo chega a 1 do periacuteodo do

34

sinal de entrada (1ps) Isso mostra que apesar de a banda passante do cobre ser maior o

atraso do SWCNT bundle eacute menor Dessa forma para as interconexotildees locais o SWCNT

bundle possui desempenho comparaacutevel ao do cobre [13]

Em relaccedilatildeo agrave atenuaccedilatildeo verifica-se que para alguns comprimentos este tem valor

positivo Isso ocorre principalmente quando haacute um pico no graacutefico da frequumlecircncia antes dele

comeccedilar a decair Esse pico eacute devido ao efeito ressonante provocado pela indutacircncia

quando este possui valor comparaacutevel agrave resistecircncia e agrave capacitacircncia da interconexatildeo [53]

Assim esse efeito ressonante foi observado somente nas interconexotildees locais de SWCNT

bundle e de cobre A Figura 42 ilustra o graacutefico da magnitude pela frequumlecircncia do SWCNT

isolado SWCNT bundle e cobre para o comprimento de 100nm Observa-se o efeito

ressonante nos graacuteficos do SWCNT bundle e do cobre

Figura 42 ndash Graacuteficos da magnitude das interconexotildees de SWCNT isolado (superior)

SWCNT bundle (meio) e cobre (inferior) com comprimento de 100nm

35

422 Interconexotildees intermediaacuterias

Assim como para as interconexotildees locais obteve-se a frequecircncia em -3dB (f-3dB) das

interconexotildees intermediaacuterias (lCNT gt λCNT) de forma a verificar a velocidade maacutexima que

cada interconexatildeo suporta A Figura 43 ilustra o comportamento da frequecircncia das

interconexotildees intermediaacuterias para os diferentes comprimentos Os valores das frequecircncias

de cada interconexatildeo tambeacutem podem ser visualisados na Tabela 75 do Apecircndice

Como nas interconexotildees locais agrave medida que o comprimento da interconexatildeo aumenta a

frequecircncia diminui Aleacutem disso o SWCNT bundle e o cobre possuem desempenho melhor

que o do SWCNT isolado para qualquer comprimento No entanto para interconexotildees

intermediaacuterias o SWCNT bundle possui banda passante maior que a do cobre para

qualquer comprimento

Frequecircncia X Comprimento

00

05

10

15

20

25

30

35

40

45

100 200 300 400 500

Comprimento (μm)

f -3d

B (

GH

z)

SWCNT isolado

SWCNT bundle

Cobre

Figura 43 ndash Frequumlecircncia versus comprimento das interconexotildees intermediaacuterias

As interconexotildees intermediaacuterias de 10 μm 100 μm e 500 μm de comprimento foram entatildeo

analisadas detalhadamente A Tabela 44 mostra a frequecircncia em -3dB de cada materal

para os diferentes comprimentos em anaacutelise

36

Tabela 44 Frequecircncia em -3dB de cada material para lCNT gt λCNT

Interconexatildeo

Intermediaacuteria

Comprimento (L) Material f-3dB

SWCNT isolado 26 GHz

10 microm SWCNT bundle 527 GHz

Cobre 34 GHz

SWCNT isolado 32 MHz

lCNT gt λCNT 100 microm SWCNT bundle 42 GHz

Cobre 345 MHz

SWCNT isolado 13 MHz

500 microm SWCNT bundle 165 MHz

Cobre 14 MHz

Escolheu-se a frequecircncia de 1 MHz que estaacute abaixo da frequecircncia de corte dos trecircs

materiais considerados para analisar e comparar a atenuaccedilatildeo (A) e o tempo de atraso na

propagaccedilatildeo (td) dos trecircs comprimentos A Tabela 45 mostra esse estudo comparativo entre

o SWCNT isolado SWCNT bundle e cobre

Tabela 45 Estudo das interconexotildees com comprimentos na faixa lCNT gt λCNT

Freq L Material A (dB) td (ns)

SWCNT isolado -002 008

10 microm SWCNT bundle 000 000

Cobre 000 000

SWCNT isolado -003 559

1 MHz 100 microm SWCNT bundle -001 005

Cobre -004 056

SWCNT isolado -198 10217

500 microm SWCNT bundle 000 110

Cobre -003 1301

Com base na Tabela 45 observa-se que a atenuaccedilatildeo e o tempo de atraso do SWCNT

isolado aumentam com o aumento do comprimento da interconexatildeo Nessa frequumlecircncia o

atraso na propagaccedilatildeo do SWCNT isolado eacute significativo em relaccedilatildeo ao periacuteodo do sinal de

entrada que eacute 1micros chegando a mais de 10 deste periacuteodo para o comprimento de 500microm

Verifica-se tambeacutem o aumento do tempo de atraso da interconexatildeo de cobre sendo 13

do periacuteodo do sinal de entrada para o comprimento de 500microm

Para analisar melhor a atenuaccedilatildeo e o tempo de atraso do SWCNT bundle e do cobre o

mesmo procedimento foi feito comparando-se somente estes dois materiais para uma

37

mesma frequecircncia de 10 MHz A Tabela 46 mostra esse estudo comparativo entre o

SWCNT bundle e cobre

Tabela 46 Estudo das interconexotildees SWCNT bundle e cobre com comprimentos na faixa

lCNT gt λCNT

Freq L Material A (dB) td (ns)

10 microm SWCNT bundle 000 000

Cobre 000 000

10 MHz 100 microm SWCNT bundle -001 005

Cobre -004 054

500 microm SWCNT bundle -004 107

Cobre -185 1024

Analisando a Tabela 46 observa-se que agrave medida que o comprimento das interconexotildees

aumenta a atenuaccedilatildeo e o atraso do sinal da interconexatildeo de cobre tornam-se significativos

O atraso na propagaccedilatildeo da interconexatildeo de cobre para l = 500microm chega a 10 do periacuteodo

do sinal de entrada (100ns) Jaacute o SWCNT bundle apresenta valores insignificantes de

atenuaccedilatildeo e atraso na propagaccedilatildeo Assim para as interconexotildees intermediaacuterias o SWCNT

bundle possui desempenho superior ao do cobre

43 SIMULACcedilAtildeO DO INVERSOR MONO-ELEacuteTRON

O modelo SPICE do SET proposto por G Lientschnig et al [444] foi simulado no

LTSPICE A partir da equaccedilatildeo (226) foi possiacutevel aumentar a temperatura do SET ateacute

chegar a 300K Assim o esquemaacutetico do SET e os valores de seus paracircmetros para que o

SET opere a 300K estatildeo na Figura 44 No anexo deste trabalho (subseccedilatildeo 81) encontra-

se o coacutedigo SET que foi utilizado [44] Os paracircmetros R1 C1 e R2 C2 correspondem agraves

resistecircncias e capacitacircncias das junccedilotildees-tuacutenel Cg eacute a capacitacircncia de porta (Cg1 no coacutedigo

SET) Vg eacute a tensatildeo de porta e V eacute a tensatildeo de entrada

Figura 44 Esquemaacutetico do SET e os valores de seus paracircmetros

38

A partir destes valores o inversor mono-eleacutetron foi construiacutedo colocando-se dois SETs em

seacuterie os quais compartilham da mesma entrada A Figura 45 ilustra o esquemaacutetico do

inversor mono-eleacutetron juntamente com os valores de seus paracircmetros fixos em que Vin eacute a

tensatildeo de entrada Vout eacute a tensatildeo de saiacuteda Vbias eacute a tensatildeo de polarizaccedilatildeo Cc eacute a

capacitacircncia de carga Cg1 e Cg2 satildeo as capacitacircncias de porta do SET 1 e do SET 2

respectivamente

Figura 45 Esquemaacutetico do inversor mono-eleacutetron e os valores de seus paracircmetros

(modificado de [4])

Assim apoacutes simular o inversor mono-eleacutetron a 300K obteve-se o sinal de saiacuteda mostrado

na Figura 46 Como o inversor estaacute invertendo o sinal de entrada de valor loacutegico baixo em

um sinal de saiacuteda de valor loacutegico alto ele estaacute operando corretamente

Figura 46 Curva do sinal de entrada (em verde) e do sinal de saiacuteda (em preto) do inversor

mono-eleacutetron

39

44 ANAacuteLISE DAS INTERCONEXOtildeES NO H-TREE CLOCK MONO-ELEacuteTRON

Nesta seccedilatildeo a rede H-tree clock de dois niacuteveis foi simulada com portas inversoras mono-

eleacutetron nos pontos de destino final da rede permitindo a anaacutelise de circuitos

nanoeletrocircnicos Simulou-se a rede H-tree considerando interconexotildees ideais para as

frequecircncias de 10 GHz e 100 GHz no sinal de entrada Em seguida para as mesmas duas

frequecircncias considerou-se interconexotildees natildeo-ideais de diferentes comprimentos

analisando a rede com os modelos de interconexatildeo SWCNT bundle e cobre Trecircs redes

com comprimentos de interconexotildees diferentes foram analisadas

l = 100 nm l2 = 50 nm

l = 400 nm l2 = 200 nm

l = 1 μm l2 = 500 nm

441 Anaacutelise da rede com interconexotildees ideais

A partir da simulaccedilatildeo do H-tree clock a frequecircncia em -3dB (f-3dB) da rede com

interconexotildees ideais foi obtida Na saiacuteda de cada porta inversora a banda passante do sinal

eacute 3200 GHz Dessa forma duas frequecircncias abaixo de 3200 GHz foram escolhidas para

analisar o sinal de saiacuteda da inversora em condiccedilotildees ideais As frequecircncias de 10 GHz e

100 GHz seratildeo analisadas obtendo-se as seguintes caracteriacutesticas do sinal de saiacuteda da

inversora niacutevel loacutegico baixo (NB) niacutevel loacutegico alto (NA) tempo de subida (tr) slew rate

de subida (SR) atenuaccedilatildeo (A) e tempo de atraso (td) A Tabela 47 mostra os valores

obtidos para as duas frequecircncias em anaacutelise

Tabela 47 Caracteriacutesticas dos sinais de saiacuteda da rede para interconexotildees ideais

Freq NB(mV) NA(mV) tr (ps) SR(Vns) A(dB) td (ps)

10 GHz 675 4518 356 8636 -264 412

100 GHz 678 4279 317 9088 -269 189

Os caacutelculos da potecircncia estaacutetica ( IVP DDE ) potecircncia dinacircmica ( CVfP DDD 2 ) e

potecircncia total ( DE PPP ) dissipada por cada porta inversora foram realizados bem

como o produto atraso-potecircncia (DP) Assim a Tabela 48 mostra os valores obtidos no

40

caacutelculo destes paracircmetros Como a potecircncia estaacutetica independe da frequecircncia do sinal de

entrada o seu valor eacute o mesmo nos dois casos

Tabela 48 Potecircncia dissipada por cada porta inversora para interconexotildees ideais

Frequecircncia PE (nW) PD (nW) P (nW) DP (10-18

Wmiddots)

10 GHz 4838 125 4963 020

100 GHz 4838 125 6088 012

As Tabelas 47 e 48 serviratildeo de referecircncia para as anaacutelises da rede com interconexotildees natildeo-

ideais analisadas na subseccedilatildeo seguinte As Figuras 47 e 48 ilustram o sinal de saiacuteda das

redes com frequecircncias de 10 GHz e de 100 GHz respectivamente Eacute possiacutevel observar que

na frequecircncia de 100 GHz o sinal de saiacuteda jaacute eacute distorcido em relaccedilatildeo ao sinal de referecircncia

(Figura 46)

Figura 47 Sinal de entrada (em verde) e sinal de saiacuteda (em preto) da rede a 10 GHz

Figura 48 Sinal de entrada (em verde) e sinal de saiacuteda (em preto) da rede a 100 GHz

41

442 Anaacutelise da rede com interconexotildees natildeo-ideais

Apoacutes obter as caracteriacutesticas da rede H-tree clock com interconexotildees ideais a anaacutelise da

rede com interconexotildees natildeo-ideais seraacute feita Primeiramente eacute importante verificar a

frequecircncia em -3dB do sinal depois das interconexotildees ou seja na entrada da porta

inversora Caso essa frequecircncia seja menor que a frequecircncia de 3200 GHz obtida com

interconexotildees ideais entatildeo a interconexatildeo afetaraacute o comportamento da rede A Tabela 49

mostra a frequecircncia em -3dB na entrada da inversora para interconexotildees natildeo-ideais

Tabela 49 Frequecircncia em -3dB na entrada da inversora para interconexotildees natildeo-ideais

Comprimentos (l2 l) Material f-3dB

50nm 100nm SWCNT bundle 122 THz

Cobre 175 THz

200nm 400nm SWCNT bundle 31 THz

Cobre 8606 GHz

500nm 1microm SWCNT bundle 12 THz

Cobre 1268 GHz

Assim verifica-se que a interconexatildeo de cobre da rede 500nm1microm possui frequecircncia em

-3dB abaixo da frequecircncia do circuito com interconexatildeo ideal (3200 GHz) Isso indica que

esta interconexatildeo interfere significativamente no comportamento da rede A Tabela 49

mostra tambeacutem que a banda passante da interconexatildeo de cobre soacute eacute maior que a da

interconexatildeo de SWCNT bundle no primeiro caso na rede de 50nm100nm o que mostra

uma vantagem do SWCNT bundle em relaccedilatildeo ao cobre A partir dessas informaccedilotildees a

rede H-tree clock com interconexotildees natildeo-ideais seraacute analisada detalhadamente

4421 Anaacutelise da rede a 10 GHz

As redes com interconexotildees natildeo-ideais seratildeo analisadas na frequecircncia de 10 GHz para

diferentes comprimentos Primeiramente o niacutevel loacutegico baixo (NB) o niacutevel loacutegico alto

(NA) o tempo de subida (tr) e o slew rate de subida (SR) foram obtidos conforme mostra a

Tabela 410 Com base nessa tabela verifica-se que na frequecircncia de 10 GHz essas

caracteriacutesticas natildeo foram modificadas pelas interconexotildees natildeo-ideais independentemente

do comprimento Os valores dos paracircmetros satildeo iguais aos obtidos na rede com

interconexatildeo ideal conforme Tabela 47 O sinal obtido na saiacuteda de cada inversor eacute igual

ao ilustrado na Figura 47

42

Tabela 410 Niacuteveis loacutegicos tempo de subida e slew rate dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 10 GHz

Freq L (l2l) Material NB(mV) NA(mV) tr(ps) SR(Vns)

10

GHz

50nm

100nm

SWCNT bundle 675 4518 356 8636

Cobre 675 4518 356 8636

200nm

400nm

SWCNT bundle 675 4518 356 8636

Cobre 675 4518 356 8636

500nm

1microm

SWCNT bundle 675 4518 356 8636

Cobre 675 4518 356 8636

A Tabela 411 mostra a atenuaccedilatildeo tempo de atraso potecircncia total dissipada e o produto

atraso-potecircncia obtidos a frequecircncia de 10 GHz para interconexotildees natildeo-ideais Observa-se

que a atenuaccedilatildeo do sinal e a potecircncia total dissipada por cada porta inversora permanecem

os mesmos em relaccedilatildeo agrave interconexatildeo ideal mostrando que a essa frequecircncia as

interconexotildees natildeo-ideais natildeo interferem nestes paracircmetros

Jaacute o atraso na propagaccedilatildeo do sinal no caso do cobre aumenta agrave medida que as

interconexotildees aumentam de comprimento aumentando tambeacutem o produto atraso-potecircncia

Esse atraso chega a 66 do periacuteodo do sinal de entrada para a interconexatildeo 500nm1microm

de cobre No entanto estes paracircmetros natildeo satildeo afetados pelas interconexotildees de SWCNT

bundle indicando que este material se sobressai em relaccedilatildeo ao cobre

Tabela 411 Atenuaccedilatildeo atraso potecircncia e produto atraso-potecircncia dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 10 GHz

Freq L (l2l) Material A (dB) td (ps) P (nW) DP(10-18

Wmiddots)

10

GHz

50nm

100nm

SWCNT bundle -264 412 4963 020

Cobre -264 412 4963 020

200nm

400nm

SWCNT bundle -264 412 4963 020

Cobre -264 438 4963 022

500nm

1microm

SWCNT bundle -264 412 4963 020

Cobre -264 659 4963 033

4422 Anaacutelise da rede a 100 GHz

As redes com interconexotildees natildeo-ideais seratildeo analisadas na frequecircncia de 100 GHz para

diferentes comprimentos O niacutevel loacutegico baixo (NB) o niacutevel loacutegico alto (NA) o tempo de

subida (tr) e o slew rate de subida (SR) foram obtidos conforme mostra a Tabela 412 Jaacute a

43

Tabela 413 mostra a atenuaccedilatildeo tempo de atraso potecircncia total dissipada e o produto

atraso-potecircncia obtidos a frequecircncia de 100 GHz para interconexotildees natildeo-ideais

Tabela 412 Niacuteveis loacutegicos tempo de subida e slew rate dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 100 GHz

Freq L (l2l) Material NB(mV) NA(mV) tr(ps) SR(Vns)

100

GHz

50nm

100nm

SWCNT bundle 678 4272 316 9099

Cobre 675 4277 323 9107

200nm

400nm

SWCNT bundle 678 4299 315 9196

Cobre 677 4089 289 9447

500nm

1microm

SWCNT bundle 678 4418 300 9973

Cobre 635 1766 102 6795

Tabela 413 Atenuaccedilatildeo atraso potecircncia e produto atraso-potecircncia dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 100 GHz

Freq L (l2l) Material A (dB) td (ps) P (nW) DP(10-18

Wmiddots)

100

GHz

50nm

100nm

SWCNT bundle -2703 189 6088 012

Cobre -2685 191 6088 012

200nm

400nm

SWCNT bundle -2693 188 6088 012

Cobre -2698 228 6088 014

500nm

1microm

SWCNT bundle -2673 174 6088 011

Cobre -2893 388 6088 024

A partir das Tabelas 412 e 413 o SWCNT bundle seraacute analisado Observa-se que os seus

niacuteveis loacutegicos altos aumentam com o aumento do comprimento das interconexotildees

aumentando tambeacutem o slew rate de subida Esse comportamento ocorre provavelmente

devido ao efeito ressonante provocado pela indutacircncia que provoca um pico no graacutefico da

frequumlecircncia antes dele comeccedilar a decair conforme explicado na subseccedilatildeo 421 Isso implica

na diminuiccedilatildeo da atenuaccedilatildeo do sinal e do atraso No entanto o produto atraso-potecircncia

permanece praticamente invariaacutevel jaacute que a potecircncia total dissipada natildeo se altera

Em relaccedilatildeo agraves interconexotildees de cobre verifica-se que as distorccedilotildees satildeo significativas Agrave

medida que o comprimento aumenta a atenuaccedilatildeo do sinal de saiacuteda aumenta Isso provoca

diminuiccedilatildeo no slew rate do sinal o que natildeo eacute desejado jaacute que o sinal demora mais para

atingir o niacutevel loacutegico alto Aleacutem disso o atraso na propagaccedilatildeo do sinal aumenta bastante

chegando a 388 do periacuteodo do sinal de entrada para a interconexatildeo 500nm1microm

Consequentemente o produto atraso-potecircncia tambeacutem aumenta sendo o dobro do valor de

44

referecircncia (interconexotildees ideais) A Figura 49 ilustra o sinal de saiacuteda da interconexatildeo

500nm1microm de cobre

Figura 49 Sinal de entrada (em verde) e sinal de saiacuteda (em preto) da rede a 100 GHz para

a interconexatildeo 500nm1microm de cobre

Comparando-se as potecircncias das tabelas 47 48 411 413 verifica-se que natildeo haacute

alteraccedilatildeo na potecircncia total dissipada pelo circuito com interconexotildees ideais e pelos

circuitos com interconexotildees natildeo-ideais para uma mesma frequecircncia Assim eacute importante

destacar que a dissipaccedilatildeo de potecircncia das interconexotildees de SWCNT bundle e de cobre natildeo

interfere na potecircncia total dissipada pelo circuito

443 Consideraccedilotildees Finais

Apoacutes analisar as interconexotildees locais de SWCNT de SWCNT bundle e de cobre

verificou-se que as interconexotildees de SWCNT bundle possuem desempenho comparaacutevel ao

das interconexotildees de cobre Em relaccedilatildeo agraves interconexotildees intermediaacuterias as de SWCNT

bundle apresentam desempenho superior agraves de cobre Jaacute as interconexotildees de SWCNT

isolado tanto para interconexotildees locais como para interconexotildees intermediaacuterias

apresentam desempenho inferior agraves interconexotildees de SWCNT bundle e de cobre natildeo

sendo propiacutecias a serem utilizadas em interconexotildees de circuitos integrados

Na anaacutelise das interconexotildees natildeo-ideais na rede H-tree clock mono-eleacutetron para a

frequecircncia de 10GHz observou-se que o niacutevel loacutegico baixo o niacutevel loacutegico alto o tempo de

subida o slew rate de subida a atenuaccedilatildeo do sinal e a potecircncia total dissipada por cada

porta inversora permanecem os mesmos em relaccedilatildeo agrave interconexatildeo ideal mostrando que

45

para esta frequecircncia as interconexotildees natildeo-ideais natildeo interferem nestes paracircmetros Jaacute o

atraso na propagaccedilatildeo do sinal no caso do cobre aumenta agrave medida que as interconexotildees

aumentam de comprimento aumentando tambeacutem o produto atraso-potecircncia No entanto

estes paracircmetros natildeo satildeo afetados pelas interconexotildees de SWCNT bundle indicando que

este material se sobressai em relaccedilatildeo ao cobre

Jaacute para a rede H-tree clock mono-eleacutetron a 100GHz observou-se que o circuito com

interconexotildees natildeo-ideais afetou bastante os paracircmetros em anaacutelise se comparados aos

obtidos para interconexotildees ideais Verificou-se que as distorccedilotildees provocadas pelas

interconexotildees de cobre foram significativas indicando que as interconexotildees de SWCNT

bundle possuem melhor desempenho que as de cobre

Assim constata-se que as interconexotildees de SWCNT bundle satildeo fortes candidatas a

substituirem as interconexotildees de cobre em circuitos em escala giga (GSI) e tera (TSI)

46

5 CONCLUSOtildeES

Nesta dissertaccedilatildeo o estudo das interconexotildees de SWCNT de SWCNT bundle e de cobre

foi realizado analisando e comparando os seus desempenhos para diferentes

comprimentos A partir desse estudo verificou-se que as interconexotildees de SWCNT bundle

possui desempenho comparaacutevel ao das interconexotildees de cobre no caso de interconexotildees

locais Em relaccedilatildeo agraves interconexotildees intermediaacuterias as de SWCNT bundle apresentam

desempenho superior agraves de cobre

As interconexotildees de SWCNT bundle e as interconexotildees de cobre foram entatildeo simuladas na

rede H-tree clock de dois niacuteveis para diferentes comprimentos e frequecircncias Nos pontos

de destino final da rede foram colocadas portas inversoras formadas por SETs permitindo

a anaacutelise de circuitos nanoeletrocircnicos

A partir da anaacutelise da rede H-tree clock observou-se que as interconexotildees de SWCNT

bundle possuem desempenho melhor que as de cobre principalmente em relaccedilatildeo ao slew

rate agrave atenuaccedilatildeo ao tempo de atraso e ao produto atraso-potecircncia Aleacutem disso a

dissipaccedilatildeo de potecircncia das interconexotildees natildeo-ideais natildeo interferem na potecircncia total

dissipada pelo circuito Assim as interconexotildees de SWCNT bundle satildeo fortes candidatas a

substituirem as interconexotildees de cobre em circuitos em escala giga (GSI) e tera (TSI)

Como perspectivas futuras eacute importante analisar o efeito das interconexotildees de nanotubo de

carbono em circuitos GSI e TSI com outras arquiteturas A anaacutelise das interconexotildees de

CNT tambeacutem deve ser feita em circuitos com tecnologia MOS permitindo a comparaccedilatildeo

entre diferentes tecnologias Aleacutem disso eacute interessante estudar outros tipos de materiais

que possam ser utilizados como interconexotildees em circuitos integrados

47

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53

7 APEcircNDICES

71 TABELAS COMPLEMENTARES

Tabela 71 Paracircmetros obtidos a partir do modelo de SWCNT isolado

L RQ (Ω) RS (Ω) LCNT (10-9

H) CCNT (10-18

F)

10 nm 645103 - 40010

-2 27910

-1

100 nm 645103 - 40010

-1 279

200 nm 645103 - 80010

-1 558

300 nm 645103 - 120 837

400 nm 645103 - 160 11210

1

500 nm 645103 - 200 14010

1

600 nm 645103 - 240 16710

1

700 nm 645103 - 280 19510

1

800 nm 645103 - 320 22310

1

900 nm 645103 - 360 25110

1

1 microm 645103 - 400 27910

1

10 microm 645103 64510

4 40010

1 27910

2

100 microm 645103 64510

5 40010

2 27910

3

200 microm 645103 12910

6 80010

2 55810

3

300 microm 645103 19410

6 12010

3 83710

3

400 microm

645103 25810

6 16010

3 11210

4

500 microm

645103 32310

6 20010

3 14010

4

Tabela 72 Paracircmetros obtidos a partir do modelo de SWCNT bundle

L RQ (Ω) RS (Ω) LBundle(10-9

H) CBundle(10-18

F)

10 nm 1075 - 66710-5

135

100 nm 1075 - 66710-4

135101

200 nm 1075 - 13310-3

270101

300 nm 1075 - 20010-3

405101

400 nm 1075 - 26710-3

540101

500 nm 1075 - 33310-3

675101

600 nm 1075 - 40010-3

810101

700 nm 1075 - 46710-3

945101

800 nm 1075 - 53310-3

108102

900 nm 1075 - 60010-3

122102

1 microm 1075 - 66710-3

135102

10 microm 1075 108102 66710

-2 13510

3

100 microm 1075 108103 66710

-1 13510

4

200 microm 1075 215103 133 27010

4

300 microm 1075 323103 200 40510

4

400 microm

1075 430103 267 54010

4

500 microm

1075 538103 333 67510

4

54

Tabela 73 Paracircmetros obtidos a partir do modelo de cobre

L RCu (Ω) LCu (10-9

H) CCu (10-18

F)

10 nm 06 37310-6

150

100 nm 60 63610-5

150101

200 nm 120 17510-4

300101

300 nm 180 30910-4

450101

400 nm 240 45410-4

600101

500 nm 300 61110-4

750101

600 nm 360 77510-4

900101

700 nm 420 94610-4

105102

800 nm 480 11210-3

120102

900 nm 540 13110-3

135102

1 microm 600 14910-3

150102

10 microm 60102 24010

-2 15010

3

100 microm 60103 33210

-1 15010

4

200 microm 12104 72010

-1 30010

4

300 microm 18104 113 45010

4

400 microm

24104 155 60010

4

500 microm

30104 198 75010

4

55

Tabela 74 Frequecircncia em -3dB das interconexotildees locais

Comprimento Material f-3dB

10 nm SWCNT isolado 253 GHz

SWCNT bundle 66 THz

Cobre 232 THz

100 nm SWCNT isolado 300 GHz

SWCNT bundle 20 THz

Cobre 51 THz

200 nm SWCNT isolado 342 GHz

SWCNT bundle 14 THz

Cobre 29 THz

300 nm SWCNT isolado 344 GHz

SWCNT bundle 11 THz

Cobre 20 THz

400 nm SWCNT isolado 329 GHz

SWCNT bundle 89 THz

Cobre 15 THz

500 nm SWCNT isolado 307 GHz

SWCNT bundle 76 THz

Cobre 12 THz

600 nm SWCNT isolado 288 GHz

SWCNT bundle 67 THz

Cobre 94 THz

700 nm SWCNT isolado 271 GHz

SWCNT bundle 61 THz

Cobre 76 THz

800 nm SWCNT isolado 255 GHz

SWCNT bundle 55 THz

Cobre 63 THz

900 nm SWCNT isolado 240 GHz

SWCNT bundle 51 THz

Cobre 52 THz

1 microm SWCNT isolado 230 GHz

SWCNT bundle 47 THz

Cobre 42 THz

56

Tabela 75 Frequecircncia em -3dB das interconexotildees intermediaacuterias

Comprimento Material f-3dB

10 microm SWCNT isolado 26 GHz

SWCNT bundle 527 GHz

Cobre 34 GHz

100 microm SWCNT isolado 32 MHz

SWCNT bundle 42 GHz

Cobre 345 MHz

200 microm SWCNT isolado 82 MHz

SWCNT bundle 10 GHz

Cobre 87 MHz

300 microm SWCNT isolado 36 MHz

SWCNT bundle 455 MHz

Cobre 38 MHz

400 microm SWCNT isolado 21 MHz

SWCNT bundle 256 MHz

Cobre 21 MHz

500 microm SWCNT isolado 13 MHz

SWCNT bundle 165 MHz

Cobre 14 MHz

57

8 ANEXOS

81 COacuteDIGO SPICE DO SET [44]

Transistor mono-eleacutetron (SET) conexotildees fonte | dreno | | porta1 | | | porta2 | | | | SUBCKT SET 1 2 3 4 PARAMS +C1=1E-20 Capacitacircncia da junccedilatildeo 1 +C2=1E-20 Capacitacircncia da junccedilatildeo 2 +R1=1E5 Resistecircncia da junccedilatildeo 1 +R2=1E5 Resistecircncia da junccedilatildeo 2 +Cg1=015E-18 Capacitacircncia da junccedilatildeo 1 +Cg2=0 Capacitacircncia da junccedilatildeo 2 +C0=0 Capacitacircncia proacutepria da ilha +Q0=005 Carga offset em unidades de e +TEMP=300 Temperatura PARAM E=160217733E-19 Carga do eleacutetron (e) PARAM CSUM=C1+C2+Cg1+Cg2+C0 Capacitacircncia total do SET PARAM T=TEMPCSUM53785467E14 Temperatura normalizada 53785467E14 = kBe^2 PARAM RN1=R1(R1+R2) Resistecircncia da junccedilatildeo 1 normalizada PARAM RN2=R2(R1+R2) Resistecircncia da junccedilatildeo 2 normalizada FUNC Q(v1v2v3v4) (Cg1v3+Cg2v4+C1v1+C2v2)E+Q0 Definiccedilatildeo da carga em unidades de e FUNC VN(v) CSUMvE Tensatildeo normalizada FUNC GAMMA(u) IF(T==0IF(ult0-u0)IF(u==0Tu(EXP(uT)-1))) FUNC N_OPT(v1v2v3v4) ROUND(-Q(v1v2v3v4)+(CSUME) (v1RN2+v2RN1)) A maior probabilidade de carga na ilha em unidades de e Os quarto eventos tuacuteneis FUNC R1L(nv1v2v3v4) GAMMA(05 - n - Q(v1v2v3v4) + VN(v1))RN1 FUNC R1R(nv1v2v3v4) GAMMA(05 + n + Q(v1v2v3v4) - VN(v1))RN1 FUNC R2L(nv1v2v3v4) GAMMA(05 + n + Q(v1v2v3v4) - VN(v2))RN2 FUNC R2R(nv1v2v3v4) GAMMA(05 - n - Q(v1v2v3v4) + VN(v2))RN2

58

determinaccedilatildeo das probabilidades relativas assume-se inicialmente que o estado da carga N_OPT tem probabilidade relativa igual a um FUNC PN_1(nv1v2v3v4) (R1L(nv1v2v3v4)+R2R(nv1v2v3v4))(R1R(n-1v1v2v3v4)+R2L(n-1v1v2v3v4)) FUNC PN_2(nv1v2v3v4) PN_1(nv1v2v3v4) +(R1L(n-1v1v2v3v4)+R2R(n-1v1v2v3v4))(R1R(n-2v1v2v3v4)+R2L(n-2v1v2v3v4)) FUNC PN_3(nv1v2v3v4) PN_2(nv1v2v3v4) +(R1L(n-2v1v2v3v4)+R2R(n-2v1v2v3v4))(R1R(n-3v1v2v3v4)+R2L(n-3v1v2v3v4)) FUNC PN_4(nv1v2v3v4) PN_3(nv1v2v3v4) +(R1L(n-3v1v2v3v4)+R2R(n-3v1v2v3v4))(R1R(n-4v1v2v3v4)+R2L(n-4v1v2v3v4)) FUNC PN_5(nv1v2v3v4) PN_4(nv1v2v3v4) +(R1L(n-4v1v2v3v4)+R2R(n-4v1v2v3v4))(R1R(n-5v1v2v3v4)+R2L(n-5v1v2v3v4)) FUNC PN1(nv1v2v3v4) (R2L(nv1v2v3v4) +R1R(nv1v2v3v4))(R2R(n+1v1v2v3v4)+R1L(n+1v1v2v3v4)) FUNC PN2(nv1v2v3v4) PN1(nv1v2v3v4) +(R2L(n+1v1v2v3v4)+R1R(n+1v1v2v3v4))(R2R(n+2v1v2v3v4)+R1L(n+2v1v2v3v4)) FUNC PN3(nv1v2v3v4) PN2(nv1v2v3v4) +(R2L(n+2v1v2v3v4)+R1R(n+2v1v2v3v4))(R2R(n+3v1v2v3v4)+R1L(n+3v1v2v3v4)) FUNC PN4(nv1v2v3v4) PN3(nv1v2v3v4) +(R2L(n+3v1v2v3v4)+R1R(n+3v1v2v3v4))(R2R(n+4v1v2v3v4)+R1L(n+4v1v2v3v4)) FUNC PN5(nv1v2v3v4) PN4(nv1v2v3v4) +(R2L(n+4v1v2v3v4)+R1R(n+4v1v2v3v4))(R2R(n+5v1v2v3v4)+R1L(n+5v1v2v3v4)) FUNC PSUM(nv1v2v3v4) PN_5(nv1v2v3v4)+PN_4(nv1v2v3v4)+PN_3(nv1v2v3v4)+PN_2(nv1v2v3v4) ++PN_1(nv1v2v3v4)+1+PN1(nv1v2v3v4)+PN2(nv1v2v3v4)+PN3(nv1v2v3v4) ++PN4(nv1v2v3v4)+PN5(nv1v2v3v4)

59

caacutelculo da corrente da fonte para o dreno FUNC CUR(nv1v2v3v4) PN_5(nv1v2v3v4)(R1R(n-5v1v2v3v4)-R1L(n-5v1v2v3v4)) ++PN_4(nv1v2v3v4)(R1R(n-4v1v2v3v4)-R1L(n-4v1v2v3v4)) ++PN_3(nv1v2v3v4)(R1R(n-3v1v2v3v4)-R1L(n-3v1v2v3v4)) ++PN_2(nv1v2v3v4)(R1R(n-2v1v2v3v4)-R1L(n-2v1v2v3v4)) ++PN_1(nv1v2v3v4)(R1R(n-1v1v2v3v4)-R1L(n-1v1v2v3v4)) ++(R1R(nv1v2v3v4)-R1L(nv1v2v3v4)) ++PN1(nv1v2v3v4)(R1R(n+1v1v2v3v4)-R1L(n+1v1v2v3v4)) ++PN2(nv1v2v3v4)(R1R(n+2v1v2v3v4)-R1L(n+2v1v2v3v4)) ++PN3(nv1v2v3v4)(R1R(n+3v1v2v3v4)-R1L(n+3v1v2v3v4)) ++PN4(nv1v2v3v4)(R1R(n+4v1v2v3v4)-R1L(n+4v1v2v3v4)) ++PN5(nv1v2v3v4)(R1R(n+5v1v2v3v4)-R1L(n+5v1v2v3v4)) FUNC CURRENT(nv1v2v3v4) ECUR(nv1v2v3v4)(CSUMPSUM(nv1v2v3v4)(R1+R2)) caacutelculo da tensatildeo da ilha FUNC VOLT(nv1v2v3v4) PN_5(nv1v2v3v4)(n-5+Q(v1v2v3v4)) ++PN_4(nv1v2v3v4)(n-4+Q(v1v2v3v4)) ++PN_3(nv1v2v3v4)(n-3+Q(v1v2v3v4)) ++PN_2(nv1v2v3v4)(n-2+Q(v1v2v3v4)) ++PN_1(nv1v2v3v4)(n-1+Q(v1v2v3v4)) ++n+Q(v1v2v3v4) ++PN1(nv1v2v3v4)(n+1+Q(v1v2v3v4)) ++PN2(nv1v2v3v4)(n+2+Q(v1v2v3v4)) ++PN3(nv1v2v3v4)(n+3+Q(v1v2v3v4)) ++PN4(nv1v2v3v4)(n+4+Q(v1v2v3v4)) ++PN5(nv1v2v3v4)(n+5+Q(v1v2v3v4)) FUNC VOLTAGE(nv1v2v3v4) (ECSUM)VOLT(nv1v2v3v4)PSUM(nv1v2v3v4) E1 5 0 VALUE= VOLTAGE(N_OPT(V(1)V(2)V(3)V(4))V(1)V(2)V(3)V(4)) Tensatildeo da ilha G1 1 2 VALUE= CURRENT(N_OPT(V(1)V(2)V(3)V(4))V(1)V(2)V(3)V(4)) Corrente da fonte para o dreno CT1 1 5 C1 CT2 2 5 C2 CGATE1 3 5 CG1 CGATE2 4 5 CG2 ENDS SET

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33

Tabela 42 Estudo das interconexotildees com comprimentos na faixa lCNT le λCNT

Freq L Material A (dB) td (ps)

SWCNT isolado -210 046

10nm SWCNT bundle 001 000

Cobre 000 000

SWCNT isolado -155 051

200 GHz 100nm SWCNT bundle 001 000

Cobre 001 000

SWCNT isolado -039 107

1microm SWCNT bundle 006 001

Cobre 000 007

A partir da anaacutelise da Tabela 42 eacute possiacutevel observar agrave frequumlecircncia de 200 GHz a

atenuaccedilatildeo do sinal e o atraso do SWCNT isolado Nessa frequumlecircncia o atraso do SWCNT

isolado eacute significativo em relaccedilatildeo ao periacuteodo do sinal que eacute 5ps jaacute que o menor atraso

(para l = 10nm) eacute aproximadamente 10 do periacuteodo do sinal de entrada No entanto para

esta mesma frequumlecircncia observa-se que a atenuaccedilatildeo e o atraso do SWCNT bundle e do

cobre satildeo insignificantes Isto indica que estes dois materiais possuem melhor

desempenho sendo favoraacuteveis para serem utilizados em interconexotildees locais

Dessa forma para analisar melhor a atenuaccedilatildeo e o tempo de atraso do SWCNT bundle e do

cobre o mesmo procedimento foi feito comparando-se somente estes dois materiais para

uma mesma frequecircncia de 1 THz A Tabela 43 mostra esse estudo comparativo entre o

SWCNT bundle e cobre

Tabela 43 Estudo das interconexotildees SWCNT bundle e cobre com comprimentos na faixa

lCNT le λCNT

Freq L Material A (dB) td (fs)

10nm SWCNT bundle 001 113

Cobre 000 022

1 THz 100nm SWCNT bundle 006 136

Cobre 001 240

1microm SWCNT bundle 145 647

Cobre -013 5623

Analisando a Tabela 43 observa-se que agrave frequumlecircncia de 1 THz a atenuaccedilatildeo do sinal e o

atraso aumentam agrave medida que o comprimento das interconexotildees aumentam A partir do

comprimento de 100nm o tempo de atraso da interconexatildeo de cobre eacute maior que o do

SWCNT bundle cujo maior valor de atraso (para l = 1microm) natildeo chega a 1 do periacuteodo do

34

sinal de entrada (1ps) Isso mostra que apesar de a banda passante do cobre ser maior o

atraso do SWCNT bundle eacute menor Dessa forma para as interconexotildees locais o SWCNT

bundle possui desempenho comparaacutevel ao do cobre [13]

Em relaccedilatildeo agrave atenuaccedilatildeo verifica-se que para alguns comprimentos este tem valor

positivo Isso ocorre principalmente quando haacute um pico no graacutefico da frequumlecircncia antes dele

comeccedilar a decair Esse pico eacute devido ao efeito ressonante provocado pela indutacircncia

quando este possui valor comparaacutevel agrave resistecircncia e agrave capacitacircncia da interconexatildeo [53]

Assim esse efeito ressonante foi observado somente nas interconexotildees locais de SWCNT

bundle e de cobre A Figura 42 ilustra o graacutefico da magnitude pela frequumlecircncia do SWCNT

isolado SWCNT bundle e cobre para o comprimento de 100nm Observa-se o efeito

ressonante nos graacuteficos do SWCNT bundle e do cobre

Figura 42 ndash Graacuteficos da magnitude das interconexotildees de SWCNT isolado (superior)

SWCNT bundle (meio) e cobre (inferior) com comprimento de 100nm

35

422 Interconexotildees intermediaacuterias

Assim como para as interconexotildees locais obteve-se a frequecircncia em -3dB (f-3dB) das

interconexotildees intermediaacuterias (lCNT gt λCNT) de forma a verificar a velocidade maacutexima que

cada interconexatildeo suporta A Figura 43 ilustra o comportamento da frequecircncia das

interconexotildees intermediaacuterias para os diferentes comprimentos Os valores das frequecircncias

de cada interconexatildeo tambeacutem podem ser visualisados na Tabela 75 do Apecircndice

Como nas interconexotildees locais agrave medida que o comprimento da interconexatildeo aumenta a

frequecircncia diminui Aleacutem disso o SWCNT bundle e o cobre possuem desempenho melhor

que o do SWCNT isolado para qualquer comprimento No entanto para interconexotildees

intermediaacuterias o SWCNT bundle possui banda passante maior que a do cobre para

qualquer comprimento

Frequecircncia X Comprimento

00

05

10

15

20

25

30

35

40

45

100 200 300 400 500

Comprimento (μm)

f -3d

B (

GH

z)

SWCNT isolado

SWCNT bundle

Cobre

Figura 43 ndash Frequumlecircncia versus comprimento das interconexotildees intermediaacuterias

As interconexotildees intermediaacuterias de 10 μm 100 μm e 500 μm de comprimento foram entatildeo

analisadas detalhadamente A Tabela 44 mostra a frequecircncia em -3dB de cada materal

para os diferentes comprimentos em anaacutelise

36

Tabela 44 Frequecircncia em -3dB de cada material para lCNT gt λCNT

Interconexatildeo

Intermediaacuteria

Comprimento (L) Material f-3dB

SWCNT isolado 26 GHz

10 microm SWCNT bundle 527 GHz

Cobre 34 GHz

SWCNT isolado 32 MHz

lCNT gt λCNT 100 microm SWCNT bundle 42 GHz

Cobre 345 MHz

SWCNT isolado 13 MHz

500 microm SWCNT bundle 165 MHz

Cobre 14 MHz

Escolheu-se a frequecircncia de 1 MHz que estaacute abaixo da frequecircncia de corte dos trecircs

materiais considerados para analisar e comparar a atenuaccedilatildeo (A) e o tempo de atraso na

propagaccedilatildeo (td) dos trecircs comprimentos A Tabela 45 mostra esse estudo comparativo entre

o SWCNT isolado SWCNT bundle e cobre

Tabela 45 Estudo das interconexotildees com comprimentos na faixa lCNT gt λCNT

Freq L Material A (dB) td (ns)

SWCNT isolado -002 008

10 microm SWCNT bundle 000 000

Cobre 000 000

SWCNT isolado -003 559

1 MHz 100 microm SWCNT bundle -001 005

Cobre -004 056

SWCNT isolado -198 10217

500 microm SWCNT bundle 000 110

Cobre -003 1301

Com base na Tabela 45 observa-se que a atenuaccedilatildeo e o tempo de atraso do SWCNT

isolado aumentam com o aumento do comprimento da interconexatildeo Nessa frequumlecircncia o

atraso na propagaccedilatildeo do SWCNT isolado eacute significativo em relaccedilatildeo ao periacuteodo do sinal de

entrada que eacute 1micros chegando a mais de 10 deste periacuteodo para o comprimento de 500microm

Verifica-se tambeacutem o aumento do tempo de atraso da interconexatildeo de cobre sendo 13

do periacuteodo do sinal de entrada para o comprimento de 500microm

Para analisar melhor a atenuaccedilatildeo e o tempo de atraso do SWCNT bundle e do cobre o

mesmo procedimento foi feito comparando-se somente estes dois materiais para uma

37

mesma frequecircncia de 10 MHz A Tabela 46 mostra esse estudo comparativo entre o

SWCNT bundle e cobre

Tabela 46 Estudo das interconexotildees SWCNT bundle e cobre com comprimentos na faixa

lCNT gt λCNT

Freq L Material A (dB) td (ns)

10 microm SWCNT bundle 000 000

Cobre 000 000

10 MHz 100 microm SWCNT bundle -001 005

Cobre -004 054

500 microm SWCNT bundle -004 107

Cobre -185 1024

Analisando a Tabela 46 observa-se que agrave medida que o comprimento das interconexotildees

aumenta a atenuaccedilatildeo e o atraso do sinal da interconexatildeo de cobre tornam-se significativos

O atraso na propagaccedilatildeo da interconexatildeo de cobre para l = 500microm chega a 10 do periacuteodo

do sinal de entrada (100ns) Jaacute o SWCNT bundle apresenta valores insignificantes de

atenuaccedilatildeo e atraso na propagaccedilatildeo Assim para as interconexotildees intermediaacuterias o SWCNT

bundle possui desempenho superior ao do cobre

43 SIMULACcedilAtildeO DO INVERSOR MONO-ELEacuteTRON

O modelo SPICE do SET proposto por G Lientschnig et al [444] foi simulado no

LTSPICE A partir da equaccedilatildeo (226) foi possiacutevel aumentar a temperatura do SET ateacute

chegar a 300K Assim o esquemaacutetico do SET e os valores de seus paracircmetros para que o

SET opere a 300K estatildeo na Figura 44 No anexo deste trabalho (subseccedilatildeo 81) encontra-

se o coacutedigo SET que foi utilizado [44] Os paracircmetros R1 C1 e R2 C2 correspondem agraves

resistecircncias e capacitacircncias das junccedilotildees-tuacutenel Cg eacute a capacitacircncia de porta (Cg1 no coacutedigo

SET) Vg eacute a tensatildeo de porta e V eacute a tensatildeo de entrada

Figura 44 Esquemaacutetico do SET e os valores de seus paracircmetros

38

A partir destes valores o inversor mono-eleacutetron foi construiacutedo colocando-se dois SETs em

seacuterie os quais compartilham da mesma entrada A Figura 45 ilustra o esquemaacutetico do

inversor mono-eleacutetron juntamente com os valores de seus paracircmetros fixos em que Vin eacute a

tensatildeo de entrada Vout eacute a tensatildeo de saiacuteda Vbias eacute a tensatildeo de polarizaccedilatildeo Cc eacute a

capacitacircncia de carga Cg1 e Cg2 satildeo as capacitacircncias de porta do SET 1 e do SET 2

respectivamente

Figura 45 Esquemaacutetico do inversor mono-eleacutetron e os valores de seus paracircmetros

(modificado de [4])

Assim apoacutes simular o inversor mono-eleacutetron a 300K obteve-se o sinal de saiacuteda mostrado

na Figura 46 Como o inversor estaacute invertendo o sinal de entrada de valor loacutegico baixo em

um sinal de saiacuteda de valor loacutegico alto ele estaacute operando corretamente

Figura 46 Curva do sinal de entrada (em verde) e do sinal de saiacuteda (em preto) do inversor

mono-eleacutetron

39

44 ANAacuteLISE DAS INTERCONEXOtildeES NO H-TREE CLOCK MONO-ELEacuteTRON

Nesta seccedilatildeo a rede H-tree clock de dois niacuteveis foi simulada com portas inversoras mono-

eleacutetron nos pontos de destino final da rede permitindo a anaacutelise de circuitos

nanoeletrocircnicos Simulou-se a rede H-tree considerando interconexotildees ideais para as

frequecircncias de 10 GHz e 100 GHz no sinal de entrada Em seguida para as mesmas duas

frequecircncias considerou-se interconexotildees natildeo-ideais de diferentes comprimentos

analisando a rede com os modelos de interconexatildeo SWCNT bundle e cobre Trecircs redes

com comprimentos de interconexotildees diferentes foram analisadas

l = 100 nm l2 = 50 nm

l = 400 nm l2 = 200 nm

l = 1 μm l2 = 500 nm

441 Anaacutelise da rede com interconexotildees ideais

A partir da simulaccedilatildeo do H-tree clock a frequecircncia em -3dB (f-3dB) da rede com

interconexotildees ideais foi obtida Na saiacuteda de cada porta inversora a banda passante do sinal

eacute 3200 GHz Dessa forma duas frequecircncias abaixo de 3200 GHz foram escolhidas para

analisar o sinal de saiacuteda da inversora em condiccedilotildees ideais As frequecircncias de 10 GHz e

100 GHz seratildeo analisadas obtendo-se as seguintes caracteriacutesticas do sinal de saiacuteda da

inversora niacutevel loacutegico baixo (NB) niacutevel loacutegico alto (NA) tempo de subida (tr) slew rate

de subida (SR) atenuaccedilatildeo (A) e tempo de atraso (td) A Tabela 47 mostra os valores

obtidos para as duas frequecircncias em anaacutelise

Tabela 47 Caracteriacutesticas dos sinais de saiacuteda da rede para interconexotildees ideais

Freq NB(mV) NA(mV) tr (ps) SR(Vns) A(dB) td (ps)

10 GHz 675 4518 356 8636 -264 412

100 GHz 678 4279 317 9088 -269 189

Os caacutelculos da potecircncia estaacutetica ( IVP DDE ) potecircncia dinacircmica ( CVfP DDD 2 ) e

potecircncia total ( DE PPP ) dissipada por cada porta inversora foram realizados bem

como o produto atraso-potecircncia (DP) Assim a Tabela 48 mostra os valores obtidos no

40

caacutelculo destes paracircmetros Como a potecircncia estaacutetica independe da frequecircncia do sinal de

entrada o seu valor eacute o mesmo nos dois casos

Tabela 48 Potecircncia dissipada por cada porta inversora para interconexotildees ideais

Frequecircncia PE (nW) PD (nW) P (nW) DP (10-18

Wmiddots)

10 GHz 4838 125 4963 020

100 GHz 4838 125 6088 012

As Tabelas 47 e 48 serviratildeo de referecircncia para as anaacutelises da rede com interconexotildees natildeo-

ideais analisadas na subseccedilatildeo seguinte As Figuras 47 e 48 ilustram o sinal de saiacuteda das

redes com frequecircncias de 10 GHz e de 100 GHz respectivamente Eacute possiacutevel observar que

na frequecircncia de 100 GHz o sinal de saiacuteda jaacute eacute distorcido em relaccedilatildeo ao sinal de referecircncia

(Figura 46)

Figura 47 Sinal de entrada (em verde) e sinal de saiacuteda (em preto) da rede a 10 GHz

Figura 48 Sinal de entrada (em verde) e sinal de saiacuteda (em preto) da rede a 100 GHz

41

442 Anaacutelise da rede com interconexotildees natildeo-ideais

Apoacutes obter as caracteriacutesticas da rede H-tree clock com interconexotildees ideais a anaacutelise da

rede com interconexotildees natildeo-ideais seraacute feita Primeiramente eacute importante verificar a

frequecircncia em -3dB do sinal depois das interconexotildees ou seja na entrada da porta

inversora Caso essa frequecircncia seja menor que a frequecircncia de 3200 GHz obtida com

interconexotildees ideais entatildeo a interconexatildeo afetaraacute o comportamento da rede A Tabela 49

mostra a frequecircncia em -3dB na entrada da inversora para interconexotildees natildeo-ideais

Tabela 49 Frequecircncia em -3dB na entrada da inversora para interconexotildees natildeo-ideais

Comprimentos (l2 l) Material f-3dB

50nm 100nm SWCNT bundle 122 THz

Cobre 175 THz

200nm 400nm SWCNT bundle 31 THz

Cobre 8606 GHz

500nm 1microm SWCNT bundle 12 THz

Cobre 1268 GHz

Assim verifica-se que a interconexatildeo de cobre da rede 500nm1microm possui frequecircncia em

-3dB abaixo da frequecircncia do circuito com interconexatildeo ideal (3200 GHz) Isso indica que

esta interconexatildeo interfere significativamente no comportamento da rede A Tabela 49

mostra tambeacutem que a banda passante da interconexatildeo de cobre soacute eacute maior que a da

interconexatildeo de SWCNT bundle no primeiro caso na rede de 50nm100nm o que mostra

uma vantagem do SWCNT bundle em relaccedilatildeo ao cobre A partir dessas informaccedilotildees a

rede H-tree clock com interconexotildees natildeo-ideais seraacute analisada detalhadamente

4421 Anaacutelise da rede a 10 GHz

As redes com interconexotildees natildeo-ideais seratildeo analisadas na frequecircncia de 10 GHz para

diferentes comprimentos Primeiramente o niacutevel loacutegico baixo (NB) o niacutevel loacutegico alto

(NA) o tempo de subida (tr) e o slew rate de subida (SR) foram obtidos conforme mostra a

Tabela 410 Com base nessa tabela verifica-se que na frequecircncia de 10 GHz essas

caracteriacutesticas natildeo foram modificadas pelas interconexotildees natildeo-ideais independentemente

do comprimento Os valores dos paracircmetros satildeo iguais aos obtidos na rede com

interconexatildeo ideal conforme Tabela 47 O sinal obtido na saiacuteda de cada inversor eacute igual

ao ilustrado na Figura 47

42

Tabela 410 Niacuteveis loacutegicos tempo de subida e slew rate dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 10 GHz

Freq L (l2l) Material NB(mV) NA(mV) tr(ps) SR(Vns)

10

GHz

50nm

100nm

SWCNT bundle 675 4518 356 8636

Cobre 675 4518 356 8636

200nm

400nm

SWCNT bundle 675 4518 356 8636

Cobre 675 4518 356 8636

500nm

1microm

SWCNT bundle 675 4518 356 8636

Cobre 675 4518 356 8636

A Tabela 411 mostra a atenuaccedilatildeo tempo de atraso potecircncia total dissipada e o produto

atraso-potecircncia obtidos a frequecircncia de 10 GHz para interconexotildees natildeo-ideais Observa-se

que a atenuaccedilatildeo do sinal e a potecircncia total dissipada por cada porta inversora permanecem

os mesmos em relaccedilatildeo agrave interconexatildeo ideal mostrando que a essa frequecircncia as

interconexotildees natildeo-ideais natildeo interferem nestes paracircmetros

Jaacute o atraso na propagaccedilatildeo do sinal no caso do cobre aumenta agrave medida que as

interconexotildees aumentam de comprimento aumentando tambeacutem o produto atraso-potecircncia

Esse atraso chega a 66 do periacuteodo do sinal de entrada para a interconexatildeo 500nm1microm

de cobre No entanto estes paracircmetros natildeo satildeo afetados pelas interconexotildees de SWCNT

bundle indicando que este material se sobressai em relaccedilatildeo ao cobre

Tabela 411 Atenuaccedilatildeo atraso potecircncia e produto atraso-potecircncia dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 10 GHz

Freq L (l2l) Material A (dB) td (ps) P (nW) DP(10-18

Wmiddots)

10

GHz

50nm

100nm

SWCNT bundle -264 412 4963 020

Cobre -264 412 4963 020

200nm

400nm

SWCNT bundle -264 412 4963 020

Cobre -264 438 4963 022

500nm

1microm

SWCNT bundle -264 412 4963 020

Cobre -264 659 4963 033

4422 Anaacutelise da rede a 100 GHz

As redes com interconexotildees natildeo-ideais seratildeo analisadas na frequecircncia de 100 GHz para

diferentes comprimentos O niacutevel loacutegico baixo (NB) o niacutevel loacutegico alto (NA) o tempo de

subida (tr) e o slew rate de subida (SR) foram obtidos conforme mostra a Tabela 412 Jaacute a

43

Tabela 413 mostra a atenuaccedilatildeo tempo de atraso potecircncia total dissipada e o produto

atraso-potecircncia obtidos a frequecircncia de 100 GHz para interconexotildees natildeo-ideais

Tabela 412 Niacuteveis loacutegicos tempo de subida e slew rate dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 100 GHz

Freq L (l2l) Material NB(mV) NA(mV) tr(ps) SR(Vns)

100

GHz

50nm

100nm

SWCNT bundle 678 4272 316 9099

Cobre 675 4277 323 9107

200nm

400nm

SWCNT bundle 678 4299 315 9196

Cobre 677 4089 289 9447

500nm

1microm

SWCNT bundle 678 4418 300 9973

Cobre 635 1766 102 6795

Tabela 413 Atenuaccedilatildeo atraso potecircncia e produto atraso-potecircncia dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 100 GHz

Freq L (l2l) Material A (dB) td (ps) P (nW) DP(10-18

Wmiddots)

100

GHz

50nm

100nm

SWCNT bundle -2703 189 6088 012

Cobre -2685 191 6088 012

200nm

400nm

SWCNT bundle -2693 188 6088 012

Cobre -2698 228 6088 014

500nm

1microm

SWCNT bundle -2673 174 6088 011

Cobre -2893 388 6088 024

A partir das Tabelas 412 e 413 o SWCNT bundle seraacute analisado Observa-se que os seus

niacuteveis loacutegicos altos aumentam com o aumento do comprimento das interconexotildees

aumentando tambeacutem o slew rate de subida Esse comportamento ocorre provavelmente

devido ao efeito ressonante provocado pela indutacircncia que provoca um pico no graacutefico da

frequumlecircncia antes dele comeccedilar a decair conforme explicado na subseccedilatildeo 421 Isso implica

na diminuiccedilatildeo da atenuaccedilatildeo do sinal e do atraso No entanto o produto atraso-potecircncia

permanece praticamente invariaacutevel jaacute que a potecircncia total dissipada natildeo se altera

Em relaccedilatildeo agraves interconexotildees de cobre verifica-se que as distorccedilotildees satildeo significativas Agrave

medida que o comprimento aumenta a atenuaccedilatildeo do sinal de saiacuteda aumenta Isso provoca

diminuiccedilatildeo no slew rate do sinal o que natildeo eacute desejado jaacute que o sinal demora mais para

atingir o niacutevel loacutegico alto Aleacutem disso o atraso na propagaccedilatildeo do sinal aumenta bastante

chegando a 388 do periacuteodo do sinal de entrada para a interconexatildeo 500nm1microm

Consequentemente o produto atraso-potecircncia tambeacutem aumenta sendo o dobro do valor de

44

referecircncia (interconexotildees ideais) A Figura 49 ilustra o sinal de saiacuteda da interconexatildeo

500nm1microm de cobre

Figura 49 Sinal de entrada (em verde) e sinal de saiacuteda (em preto) da rede a 100 GHz para

a interconexatildeo 500nm1microm de cobre

Comparando-se as potecircncias das tabelas 47 48 411 413 verifica-se que natildeo haacute

alteraccedilatildeo na potecircncia total dissipada pelo circuito com interconexotildees ideais e pelos

circuitos com interconexotildees natildeo-ideais para uma mesma frequecircncia Assim eacute importante

destacar que a dissipaccedilatildeo de potecircncia das interconexotildees de SWCNT bundle e de cobre natildeo

interfere na potecircncia total dissipada pelo circuito

443 Consideraccedilotildees Finais

Apoacutes analisar as interconexotildees locais de SWCNT de SWCNT bundle e de cobre

verificou-se que as interconexotildees de SWCNT bundle possuem desempenho comparaacutevel ao

das interconexotildees de cobre Em relaccedilatildeo agraves interconexotildees intermediaacuterias as de SWCNT

bundle apresentam desempenho superior agraves de cobre Jaacute as interconexotildees de SWCNT

isolado tanto para interconexotildees locais como para interconexotildees intermediaacuterias

apresentam desempenho inferior agraves interconexotildees de SWCNT bundle e de cobre natildeo

sendo propiacutecias a serem utilizadas em interconexotildees de circuitos integrados

Na anaacutelise das interconexotildees natildeo-ideais na rede H-tree clock mono-eleacutetron para a

frequecircncia de 10GHz observou-se que o niacutevel loacutegico baixo o niacutevel loacutegico alto o tempo de

subida o slew rate de subida a atenuaccedilatildeo do sinal e a potecircncia total dissipada por cada

porta inversora permanecem os mesmos em relaccedilatildeo agrave interconexatildeo ideal mostrando que

45

para esta frequecircncia as interconexotildees natildeo-ideais natildeo interferem nestes paracircmetros Jaacute o

atraso na propagaccedilatildeo do sinal no caso do cobre aumenta agrave medida que as interconexotildees

aumentam de comprimento aumentando tambeacutem o produto atraso-potecircncia No entanto

estes paracircmetros natildeo satildeo afetados pelas interconexotildees de SWCNT bundle indicando que

este material se sobressai em relaccedilatildeo ao cobre

Jaacute para a rede H-tree clock mono-eleacutetron a 100GHz observou-se que o circuito com

interconexotildees natildeo-ideais afetou bastante os paracircmetros em anaacutelise se comparados aos

obtidos para interconexotildees ideais Verificou-se que as distorccedilotildees provocadas pelas

interconexotildees de cobre foram significativas indicando que as interconexotildees de SWCNT

bundle possuem melhor desempenho que as de cobre

Assim constata-se que as interconexotildees de SWCNT bundle satildeo fortes candidatas a

substituirem as interconexotildees de cobre em circuitos em escala giga (GSI) e tera (TSI)

46

5 CONCLUSOtildeES

Nesta dissertaccedilatildeo o estudo das interconexotildees de SWCNT de SWCNT bundle e de cobre

foi realizado analisando e comparando os seus desempenhos para diferentes

comprimentos A partir desse estudo verificou-se que as interconexotildees de SWCNT bundle

possui desempenho comparaacutevel ao das interconexotildees de cobre no caso de interconexotildees

locais Em relaccedilatildeo agraves interconexotildees intermediaacuterias as de SWCNT bundle apresentam

desempenho superior agraves de cobre

As interconexotildees de SWCNT bundle e as interconexotildees de cobre foram entatildeo simuladas na

rede H-tree clock de dois niacuteveis para diferentes comprimentos e frequecircncias Nos pontos

de destino final da rede foram colocadas portas inversoras formadas por SETs permitindo

a anaacutelise de circuitos nanoeletrocircnicos

A partir da anaacutelise da rede H-tree clock observou-se que as interconexotildees de SWCNT

bundle possuem desempenho melhor que as de cobre principalmente em relaccedilatildeo ao slew

rate agrave atenuaccedilatildeo ao tempo de atraso e ao produto atraso-potecircncia Aleacutem disso a

dissipaccedilatildeo de potecircncia das interconexotildees natildeo-ideais natildeo interferem na potecircncia total

dissipada pelo circuito Assim as interconexotildees de SWCNT bundle satildeo fortes candidatas a

substituirem as interconexotildees de cobre em circuitos em escala giga (GSI) e tera (TSI)

Como perspectivas futuras eacute importante analisar o efeito das interconexotildees de nanotubo de

carbono em circuitos GSI e TSI com outras arquiteturas A anaacutelise das interconexotildees de

CNT tambeacutem deve ser feita em circuitos com tecnologia MOS permitindo a comparaccedilatildeo

entre diferentes tecnologias Aleacutem disso eacute interessante estudar outros tipos de materiais

que possam ser utilizados como interconexotildees em circuitos integrados

47

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53

7 APEcircNDICES

71 TABELAS COMPLEMENTARES

Tabela 71 Paracircmetros obtidos a partir do modelo de SWCNT isolado

L RQ (Ω) RS (Ω) LCNT (10-9

H) CCNT (10-18

F)

10 nm 645103 - 40010

-2 27910

-1

100 nm 645103 - 40010

-1 279

200 nm 645103 - 80010

-1 558

300 nm 645103 - 120 837

400 nm 645103 - 160 11210

1

500 nm 645103 - 200 14010

1

600 nm 645103 - 240 16710

1

700 nm 645103 - 280 19510

1

800 nm 645103 - 320 22310

1

900 nm 645103 - 360 25110

1

1 microm 645103 - 400 27910

1

10 microm 645103 64510

4 40010

1 27910

2

100 microm 645103 64510

5 40010

2 27910

3

200 microm 645103 12910

6 80010

2 55810

3

300 microm 645103 19410

6 12010

3 83710

3

400 microm

645103 25810

6 16010

3 11210

4

500 microm

645103 32310

6 20010

3 14010

4

Tabela 72 Paracircmetros obtidos a partir do modelo de SWCNT bundle

L RQ (Ω) RS (Ω) LBundle(10-9

H) CBundle(10-18

F)

10 nm 1075 - 66710-5

135

100 nm 1075 - 66710-4

135101

200 nm 1075 - 13310-3

270101

300 nm 1075 - 20010-3

405101

400 nm 1075 - 26710-3

540101

500 nm 1075 - 33310-3

675101

600 nm 1075 - 40010-3

810101

700 nm 1075 - 46710-3

945101

800 nm 1075 - 53310-3

108102

900 nm 1075 - 60010-3

122102

1 microm 1075 - 66710-3

135102

10 microm 1075 108102 66710

-2 13510

3

100 microm 1075 108103 66710

-1 13510

4

200 microm 1075 215103 133 27010

4

300 microm 1075 323103 200 40510

4

400 microm

1075 430103 267 54010

4

500 microm

1075 538103 333 67510

4

54

Tabela 73 Paracircmetros obtidos a partir do modelo de cobre

L RCu (Ω) LCu (10-9

H) CCu (10-18

F)

10 nm 06 37310-6

150

100 nm 60 63610-5

150101

200 nm 120 17510-4

300101

300 nm 180 30910-4

450101

400 nm 240 45410-4

600101

500 nm 300 61110-4

750101

600 nm 360 77510-4

900101

700 nm 420 94610-4

105102

800 nm 480 11210-3

120102

900 nm 540 13110-3

135102

1 microm 600 14910-3

150102

10 microm 60102 24010

-2 15010

3

100 microm 60103 33210

-1 15010

4

200 microm 12104 72010

-1 30010

4

300 microm 18104 113 45010

4

400 microm

24104 155 60010

4

500 microm

30104 198 75010

4

55

Tabela 74 Frequecircncia em -3dB das interconexotildees locais

Comprimento Material f-3dB

10 nm SWCNT isolado 253 GHz

SWCNT bundle 66 THz

Cobre 232 THz

100 nm SWCNT isolado 300 GHz

SWCNT bundle 20 THz

Cobre 51 THz

200 nm SWCNT isolado 342 GHz

SWCNT bundle 14 THz

Cobre 29 THz

300 nm SWCNT isolado 344 GHz

SWCNT bundle 11 THz

Cobre 20 THz

400 nm SWCNT isolado 329 GHz

SWCNT bundle 89 THz

Cobre 15 THz

500 nm SWCNT isolado 307 GHz

SWCNT bundle 76 THz

Cobre 12 THz

600 nm SWCNT isolado 288 GHz

SWCNT bundle 67 THz

Cobre 94 THz

700 nm SWCNT isolado 271 GHz

SWCNT bundle 61 THz

Cobre 76 THz

800 nm SWCNT isolado 255 GHz

SWCNT bundle 55 THz

Cobre 63 THz

900 nm SWCNT isolado 240 GHz

SWCNT bundle 51 THz

Cobre 52 THz

1 microm SWCNT isolado 230 GHz

SWCNT bundle 47 THz

Cobre 42 THz

56

Tabela 75 Frequecircncia em -3dB das interconexotildees intermediaacuterias

Comprimento Material f-3dB

10 microm SWCNT isolado 26 GHz

SWCNT bundle 527 GHz

Cobre 34 GHz

100 microm SWCNT isolado 32 MHz

SWCNT bundle 42 GHz

Cobre 345 MHz

200 microm SWCNT isolado 82 MHz

SWCNT bundle 10 GHz

Cobre 87 MHz

300 microm SWCNT isolado 36 MHz

SWCNT bundle 455 MHz

Cobre 38 MHz

400 microm SWCNT isolado 21 MHz

SWCNT bundle 256 MHz

Cobre 21 MHz

500 microm SWCNT isolado 13 MHz

SWCNT bundle 165 MHz

Cobre 14 MHz

57

8 ANEXOS

81 COacuteDIGO SPICE DO SET [44]

Transistor mono-eleacutetron (SET) conexotildees fonte | dreno | | porta1 | | | porta2 | | | | SUBCKT SET 1 2 3 4 PARAMS +C1=1E-20 Capacitacircncia da junccedilatildeo 1 +C2=1E-20 Capacitacircncia da junccedilatildeo 2 +R1=1E5 Resistecircncia da junccedilatildeo 1 +R2=1E5 Resistecircncia da junccedilatildeo 2 +Cg1=015E-18 Capacitacircncia da junccedilatildeo 1 +Cg2=0 Capacitacircncia da junccedilatildeo 2 +C0=0 Capacitacircncia proacutepria da ilha +Q0=005 Carga offset em unidades de e +TEMP=300 Temperatura PARAM E=160217733E-19 Carga do eleacutetron (e) PARAM CSUM=C1+C2+Cg1+Cg2+C0 Capacitacircncia total do SET PARAM T=TEMPCSUM53785467E14 Temperatura normalizada 53785467E14 = kBe^2 PARAM RN1=R1(R1+R2) Resistecircncia da junccedilatildeo 1 normalizada PARAM RN2=R2(R1+R2) Resistecircncia da junccedilatildeo 2 normalizada FUNC Q(v1v2v3v4) (Cg1v3+Cg2v4+C1v1+C2v2)E+Q0 Definiccedilatildeo da carga em unidades de e FUNC VN(v) CSUMvE Tensatildeo normalizada FUNC GAMMA(u) IF(T==0IF(ult0-u0)IF(u==0Tu(EXP(uT)-1))) FUNC N_OPT(v1v2v3v4) ROUND(-Q(v1v2v3v4)+(CSUME) (v1RN2+v2RN1)) A maior probabilidade de carga na ilha em unidades de e Os quarto eventos tuacuteneis FUNC R1L(nv1v2v3v4) GAMMA(05 - n - Q(v1v2v3v4) + VN(v1))RN1 FUNC R1R(nv1v2v3v4) GAMMA(05 + n + Q(v1v2v3v4) - VN(v1))RN1 FUNC R2L(nv1v2v3v4) GAMMA(05 + n + Q(v1v2v3v4) - VN(v2))RN2 FUNC R2R(nv1v2v3v4) GAMMA(05 - n - Q(v1v2v3v4) + VN(v2))RN2

58

determinaccedilatildeo das probabilidades relativas assume-se inicialmente que o estado da carga N_OPT tem probabilidade relativa igual a um FUNC PN_1(nv1v2v3v4) (R1L(nv1v2v3v4)+R2R(nv1v2v3v4))(R1R(n-1v1v2v3v4)+R2L(n-1v1v2v3v4)) FUNC PN_2(nv1v2v3v4) PN_1(nv1v2v3v4) +(R1L(n-1v1v2v3v4)+R2R(n-1v1v2v3v4))(R1R(n-2v1v2v3v4)+R2L(n-2v1v2v3v4)) FUNC PN_3(nv1v2v3v4) PN_2(nv1v2v3v4) +(R1L(n-2v1v2v3v4)+R2R(n-2v1v2v3v4))(R1R(n-3v1v2v3v4)+R2L(n-3v1v2v3v4)) FUNC PN_4(nv1v2v3v4) PN_3(nv1v2v3v4) +(R1L(n-3v1v2v3v4)+R2R(n-3v1v2v3v4))(R1R(n-4v1v2v3v4)+R2L(n-4v1v2v3v4)) FUNC PN_5(nv1v2v3v4) PN_4(nv1v2v3v4) +(R1L(n-4v1v2v3v4)+R2R(n-4v1v2v3v4))(R1R(n-5v1v2v3v4)+R2L(n-5v1v2v3v4)) FUNC PN1(nv1v2v3v4) (R2L(nv1v2v3v4) +R1R(nv1v2v3v4))(R2R(n+1v1v2v3v4)+R1L(n+1v1v2v3v4)) FUNC PN2(nv1v2v3v4) PN1(nv1v2v3v4) +(R2L(n+1v1v2v3v4)+R1R(n+1v1v2v3v4))(R2R(n+2v1v2v3v4)+R1L(n+2v1v2v3v4)) FUNC PN3(nv1v2v3v4) PN2(nv1v2v3v4) +(R2L(n+2v1v2v3v4)+R1R(n+2v1v2v3v4))(R2R(n+3v1v2v3v4)+R1L(n+3v1v2v3v4)) FUNC PN4(nv1v2v3v4) PN3(nv1v2v3v4) +(R2L(n+3v1v2v3v4)+R1R(n+3v1v2v3v4))(R2R(n+4v1v2v3v4)+R1L(n+4v1v2v3v4)) FUNC PN5(nv1v2v3v4) PN4(nv1v2v3v4) +(R2L(n+4v1v2v3v4)+R1R(n+4v1v2v3v4))(R2R(n+5v1v2v3v4)+R1L(n+5v1v2v3v4)) FUNC PSUM(nv1v2v3v4) PN_5(nv1v2v3v4)+PN_4(nv1v2v3v4)+PN_3(nv1v2v3v4)+PN_2(nv1v2v3v4) ++PN_1(nv1v2v3v4)+1+PN1(nv1v2v3v4)+PN2(nv1v2v3v4)+PN3(nv1v2v3v4) ++PN4(nv1v2v3v4)+PN5(nv1v2v3v4)

59

caacutelculo da corrente da fonte para o dreno FUNC CUR(nv1v2v3v4) PN_5(nv1v2v3v4)(R1R(n-5v1v2v3v4)-R1L(n-5v1v2v3v4)) ++PN_4(nv1v2v3v4)(R1R(n-4v1v2v3v4)-R1L(n-4v1v2v3v4)) ++PN_3(nv1v2v3v4)(R1R(n-3v1v2v3v4)-R1L(n-3v1v2v3v4)) ++PN_2(nv1v2v3v4)(R1R(n-2v1v2v3v4)-R1L(n-2v1v2v3v4)) ++PN_1(nv1v2v3v4)(R1R(n-1v1v2v3v4)-R1L(n-1v1v2v3v4)) ++(R1R(nv1v2v3v4)-R1L(nv1v2v3v4)) ++PN1(nv1v2v3v4)(R1R(n+1v1v2v3v4)-R1L(n+1v1v2v3v4)) ++PN2(nv1v2v3v4)(R1R(n+2v1v2v3v4)-R1L(n+2v1v2v3v4)) ++PN3(nv1v2v3v4)(R1R(n+3v1v2v3v4)-R1L(n+3v1v2v3v4)) ++PN4(nv1v2v3v4)(R1R(n+4v1v2v3v4)-R1L(n+4v1v2v3v4)) ++PN5(nv1v2v3v4)(R1R(n+5v1v2v3v4)-R1L(n+5v1v2v3v4)) FUNC CURRENT(nv1v2v3v4) ECUR(nv1v2v3v4)(CSUMPSUM(nv1v2v3v4)(R1+R2)) caacutelculo da tensatildeo da ilha FUNC VOLT(nv1v2v3v4) PN_5(nv1v2v3v4)(n-5+Q(v1v2v3v4)) ++PN_4(nv1v2v3v4)(n-4+Q(v1v2v3v4)) ++PN_3(nv1v2v3v4)(n-3+Q(v1v2v3v4)) ++PN_2(nv1v2v3v4)(n-2+Q(v1v2v3v4)) ++PN_1(nv1v2v3v4)(n-1+Q(v1v2v3v4)) ++n+Q(v1v2v3v4) ++PN1(nv1v2v3v4)(n+1+Q(v1v2v3v4)) ++PN2(nv1v2v3v4)(n+2+Q(v1v2v3v4)) ++PN3(nv1v2v3v4)(n+3+Q(v1v2v3v4)) ++PN4(nv1v2v3v4)(n+4+Q(v1v2v3v4)) ++PN5(nv1v2v3v4)(n+5+Q(v1v2v3v4)) FUNC VOLTAGE(nv1v2v3v4) (ECSUM)VOLT(nv1v2v3v4)PSUM(nv1v2v3v4) E1 5 0 VALUE= VOLTAGE(N_OPT(V(1)V(2)V(3)V(4))V(1)V(2)V(3)V(4)) Tensatildeo da ilha G1 1 2 VALUE= CURRENT(N_OPT(V(1)V(2)V(3)V(4))V(1)V(2)V(3)V(4)) Corrente da fonte para o dreno CT1 1 5 C1 CT2 2 5 C2 CGATE1 3 5 CG1 CGATE2 4 5 CG2 ENDS SET

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34

sinal de entrada (1ps) Isso mostra que apesar de a banda passante do cobre ser maior o

atraso do SWCNT bundle eacute menor Dessa forma para as interconexotildees locais o SWCNT

bundle possui desempenho comparaacutevel ao do cobre [13]

Em relaccedilatildeo agrave atenuaccedilatildeo verifica-se que para alguns comprimentos este tem valor

positivo Isso ocorre principalmente quando haacute um pico no graacutefico da frequumlecircncia antes dele

comeccedilar a decair Esse pico eacute devido ao efeito ressonante provocado pela indutacircncia

quando este possui valor comparaacutevel agrave resistecircncia e agrave capacitacircncia da interconexatildeo [53]

Assim esse efeito ressonante foi observado somente nas interconexotildees locais de SWCNT

bundle e de cobre A Figura 42 ilustra o graacutefico da magnitude pela frequumlecircncia do SWCNT

isolado SWCNT bundle e cobre para o comprimento de 100nm Observa-se o efeito

ressonante nos graacuteficos do SWCNT bundle e do cobre

Figura 42 ndash Graacuteficos da magnitude das interconexotildees de SWCNT isolado (superior)

SWCNT bundle (meio) e cobre (inferior) com comprimento de 100nm

35

422 Interconexotildees intermediaacuterias

Assim como para as interconexotildees locais obteve-se a frequecircncia em -3dB (f-3dB) das

interconexotildees intermediaacuterias (lCNT gt λCNT) de forma a verificar a velocidade maacutexima que

cada interconexatildeo suporta A Figura 43 ilustra o comportamento da frequecircncia das

interconexotildees intermediaacuterias para os diferentes comprimentos Os valores das frequecircncias

de cada interconexatildeo tambeacutem podem ser visualisados na Tabela 75 do Apecircndice

Como nas interconexotildees locais agrave medida que o comprimento da interconexatildeo aumenta a

frequecircncia diminui Aleacutem disso o SWCNT bundle e o cobre possuem desempenho melhor

que o do SWCNT isolado para qualquer comprimento No entanto para interconexotildees

intermediaacuterias o SWCNT bundle possui banda passante maior que a do cobre para

qualquer comprimento

Frequecircncia X Comprimento

00

05

10

15

20

25

30

35

40

45

100 200 300 400 500

Comprimento (μm)

f -3d

B (

GH

z)

SWCNT isolado

SWCNT bundle

Cobre

Figura 43 ndash Frequumlecircncia versus comprimento das interconexotildees intermediaacuterias

As interconexotildees intermediaacuterias de 10 μm 100 μm e 500 μm de comprimento foram entatildeo

analisadas detalhadamente A Tabela 44 mostra a frequecircncia em -3dB de cada materal

para os diferentes comprimentos em anaacutelise

36

Tabela 44 Frequecircncia em -3dB de cada material para lCNT gt λCNT

Interconexatildeo

Intermediaacuteria

Comprimento (L) Material f-3dB

SWCNT isolado 26 GHz

10 microm SWCNT bundle 527 GHz

Cobre 34 GHz

SWCNT isolado 32 MHz

lCNT gt λCNT 100 microm SWCNT bundle 42 GHz

Cobre 345 MHz

SWCNT isolado 13 MHz

500 microm SWCNT bundle 165 MHz

Cobre 14 MHz

Escolheu-se a frequecircncia de 1 MHz que estaacute abaixo da frequecircncia de corte dos trecircs

materiais considerados para analisar e comparar a atenuaccedilatildeo (A) e o tempo de atraso na

propagaccedilatildeo (td) dos trecircs comprimentos A Tabela 45 mostra esse estudo comparativo entre

o SWCNT isolado SWCNT bundle e cobre

Tabela 45 Estudo das interconexotildees com comprimentos na faixa lCNT gt λCNT

Freq L Material A (dB) td (ns)

SWCNT isolado -002 008

10 microm SWCNT bundle 000 000

Cobre 000 000

SWCNT isolado -003 559

1 MHz 100 microm SWCNT bundle -001 005

Cobre -004 056

SWCNT isolado -198 10217

500 microm SWCNT bundle 000 110

Cobre -003 1301

Com base na Tabela 45 observa-se que a atenuaccedilatildeo e o tempo de atraso do SWCNT

isolado aumentam com o aumento do comprimento da interconexatildeo Nessa frequumlecircncia o

atraso na propagaccedilatildeo do SWCNT isolado eacute significativo em relaccedilatildeo ao periacuteodo do sinal de

entrada que eacute 1micros chegando a mais de 10 deste periacuteodo para o comprimento de 500microm

Verifica-se tambeacutem o aumento do tempo de atraso da interconexatildeo de cobre sendo 13

do periacuteodo do sinal de entrada para o comprimento de 500microm

Para analisar melhor a atenuaccedilatildeo e o tempo de atraso do SWCNT bundle e do cobre o

mesmo procedimento foi feito comparando-se somente estes dois materiais para uma

37

mesma frequecircncia de 10 MHz A Tabela 46 mostra esse estudo comparativo entre o

SWCNT bundle e cobre

Tabela 46 Estudo das interconexotildees SWCNT bundle e cobre com comprimentos na faixa

lCNT gt λCNT

Freq L Material A (dB) td (ns)

10 microm SWCNT bundle 000 000

Cobre 000 000

10 MHz 100 microm SWCNT bundle -001 005

Cobre -004 054

500 microm SWCNT bundle -004 107

Cobre -185 1024

Analisando a Tabela 46 observa-se que agrave medida que o comprimento das interconexotildees

aumenta a atenuaccedilatildeo e o atraso do sinal da interconexatildeo de cobre tornam-se significativos

O atraso na propagaccedilatildeo da interconexatildeo de cobre para l = 500microm chega a 10 do periacuteodo

do sinal de entrada (100ns) Jaacute o SWCNT bundle apresenta valores insignificantes de

atenuaccedilatildeo e atraso na propagaccedilatildeo Assim para as interconexotildees intermediaacuterias o SWCNT

bundle possui desempenho superior ao do cobre

43 SIMULACcedilAtildeO DO INVERSOR MONO-ELEacuteTRON

O modelo SPICE do SET proposto por G Lientschnig et al [444] foi simulado no

LTSPICE A partir da equaccedilatildeo (226) foi possiacutevel aumentar a temperatura do SET ateacute

chegar a 300K Assim o esquemaacutetico do SET e os valores de seus paracircmetros para que o

SET opere a 300K estatildeo na Figura 44 No anexo deste trabalho (subseccedilatildeo 81) encontra-

se o coacutedigo SET que foi utilizado [44] Os paracircmetros R1 C1 e R2 C2 correspondem agraves

resistecircncias e capacitacircncias das junccedilotildees-tuacutenel Cg eacute a capacitacircncia de porta (Cg1 no coacutedigo

SET) Vg eacute a tensatildeo de porta e V eacute a tensatildeo de entrada

Figura 44 Esquemaacutetico do SET e os valores de seus paracircmetros

38

A partir destes valores o inversor mono-eleacutetron foi construiacutedo colocando-se dois SETs em

seacuterie os quais compartilham da mesma entrada A Figura 45 ilustra o esquemaacutetico do

inversor mono-eleacutetron juntamente com os valores de seus paracircmetros fixos em que Vin eacute a

tensatildeo de entrada Vout eacute a tensatildeo de saiacuteda Vbias eacute a tensatildeo de polarizaccedilatildeo Cc eacute a

capacitacircncia de carga Cg1 e Cg2 satildeo as capacitacircncias de porta do SET 1 e do SET 2

respectivamente

Figura 45 Esquemaacutetico do inversor mono-eleacutetron e os valores de seus paracircmetros

(modificado de [4])

Assim apoacutes simular o inversor mono-eleacutetron a 300K obteve-se o sinal de saiacuteda mostrado

na Figura 46 Como o inversor estaacute invertendo o sinal de entrada de valor loacutegico baixo em

um sinal de saiacuteda de valor loacutegico alto ele estaacute operando corretamente

Figura 46 Curva do sinal de entrada (em verde) e do sinal de saiacuteda (em preto) do inversor

mono-eleacutetron

39

44 ANAacuteLISE DAS INTERCONEXOtildeES NO H-TREE CLOCK MONO-ELEacuteTRON

Nesta seccedilatildeo a rede H-tree clock de dois niacuteveis foi simulada com portas inversoras mono-

eleacutetron nos pontos de destino final da rede permitindo a anaacutelise de circuitos

nanoeletrocircnicos Simulou-se a rede H-tree considerando interconexotildees ideais para as

frequecircncias de 10 GHz e 100 GHz no sinal de entrada Em seguida para as mesmas duas

frequecircncias considerou-se interconexotildees natildeo-ideais de diferentes comprimentos

analisando a rede com os modelos de interconexatildeo SWCNT bundle e cobre Trecircs redes

com comprimentos de interconexotildees diferentes foram analisadas

l = 100 nm l2 = 50 nm

l = 400 nm l2 = 200 nm

l = 1 μm l2 = 500 nm

441 Anaacutelise da rede com interconexotildees ideais

A partir da simulaccedilatildeo do H-tree clock a frequecircncia em -3dB (f-3dB) da rede com

interconexotildees ideais foi obtida Na saiacuteda de cada porta inversora a banda passante do sinal

eacute 3200 GHz Dessa forma duas frequecircncias abaixo de 3200 GHz foram escolhidas para

analisar o sinal de saiacuteda da inversora em condiccedilotildees ideais As frequecircncias de 10 GHz e

100 GHz seratildeo analisadas obtendo-se as seguintes caracteriacutesticas do sinal de saiacuteda da

inversora niacutevel loacutegico baixo (NB) niacutevel loacutegico alto (NA) tempo de subida (tr) slew rate

de subida (SR) atenuaccedilatildeo (A) e tempo de atraso (td) A Tabela 47 mostra os valores

obtidos para as duas frequecircncias em anaacutelise

Tabela 47 Caracteriacutesticas dos sinais de saiacuteda da rede para interconexotildees ideais

Freq NB(mV) NA(mV) tr (ps) SR(Vns) A(dB) td (ps)

10 GHz 675 4518 356 8636 -264 412

100 GHz 678 4279 317 9088 -269 189

Os caacutelculos da potecircncia estaacutetica ( IVP DDE ) potecircncia dinacircmica ( CVfP DDD 2 ) e

potecircncia total ( DE PPP ) dissipada por cada porta inversora foram realizados bem

como o produto atraso-potecircncia (DP) Assim a Tabela 48 mostra os valores obtidos no

40

caacutelculo destes paracircmetros Como a potecircncia estaacutetica independe da frequecircncia do sinal de

entrada o seu valor eacute o mesmo nos dois casos

Tabela 48 Potecircncia dissipada por cada porta inversora para interconexotildees ideais

Frequecircncia PE (nW) PD (nW) P (nW) DP (10-18

Wmiddots)

10 GHz 4838 125 4963 020

100 GHz 4838 125 6088 012

As Tabelas 47 e 48 serviratildeo de referecircncia para as anaacutelises da rede com interconexotildees natildeo-

ideais analisadas na subseccedilatildeo seguinte As Figuras 47 e 48 ilustram o sinal de saiacuteda das

redes com frequecircncias de 10 GHz e de 100 GHz respectivamente Eacute possiacutevel observar que

na frequecircncia de 100 GHz o sinal de saiacuteda jaacute eacute distorcido em relaccedilatildeo ao sinal de referecircncia

(Figura 46)

Figura 47 Sinal de entrada (em verde) e sinal de saiacuteda (em preto) da rede a 10 GHz

Figura 48 Sinal de entrada (em verde) e sinal de saiacuteda (em preto) da rede a 100 GHz

41

442 Anaacutelise da rede com interconexotildees natildeo-ideais

Apoacutes obter as caracteriacutesticas da rede H-tree clock com interconexotildees ideais a anaacutelise da

rede com interconexotildees natildeo-ideais seraacute feita Primeiramente eacute importante verificar a

frequecircncia em -3dB do sinal depois das interconexotildees ou seja na entrada da porta

inversora Caso essa frequecircncia seja menor que a frequecircncia de 3200 GHz obtida com

interconexotildees ideais entatildeo a interconexatildeo afetaraacute o comportamento da rede A Tabela 49

mostra a frequecircncia em -3dB na entrada da inversora para interconexotildees natildeo-ideais

Tabela 49 Frequecircncia em -3dB na entrada da inversora para interconexotildees natildeo-ideais

Comprimentos (l2 l) Material f-3dB

50nm 100nm SWCNT bundle 122 THz

Cobre 175 THz

200nm 400nm SWCNT bundle 31 THz

Cobre 8606 GHz

500nm 1microm SWCNT bundle 12 THz

Cobre 1268 GHz

Assim verifica-se que a interconexatildeo de cobre da rede 500nm1microm possui frequecircncia em

-3dB abaixo da frequecircncia do circuito com interconexatildeo ideal (3200 GHz) Isso indica que

esta interconexatildeo interfere significativamente no comportamento da rede A Tabela 49

mostra tambeacutem que a banda passante da interconexatildeo de cobre soacute eacute maior que a da

interconexatildeo de SWCNT bundle no primeiro caso na rede de 50nm100nm o que mostra

uma vantagem do SWCNT bundle em relaccedilatildeo ao cobre A partir dessas informaccedilotildees a

rede H-tree clock com interconexotildees natildeo-ideais seraacute analisada detalhadamente

4421 Anaacutelise da rede a 10 GHz

As redes com interconexotildees natildeo-ideais seratildeo analisadas na frequecircncia de 10 GHz para

diferentes comprimentos Primeiramente o niacutevel loacutegico baixo (NB) o niacutevel loacutegico alto

(NA) o tempo de subida (tr) e o slew rate de subida (SR) foram obtidos conforme mostra a

Tabela 410 Com base nessa tabela verifica-se que na frequecircncia de 10 GHz essas

caracteriacutesticas natildeo foram modificadas pelas interconexotildees natildeo-ideais independentemente

do comprimento Os valores dos paracircmetros satildeo iguais aos obtidos na rede com

interconexatildeo ideal conforme Tabela 47 O sinal obtido na saiacuteda de cada inversor eacute igual

ao ilustrado na Figura 47

42

Tabela 410 Niacuteveis loacutegicos tempo de subida e slew rate dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 10 GHz

Freq L (l2l) Material NB(mV) NA(mV) tr(ps) SR(Vns)

10

GHz

50nm

100nm

SWCNT bundle 675 4518 356 8636

Cobre 675 4518 356 8636

200nm

400nm

SWCNT bundle 675 4518 356 8636

Cobre 675 4518 356 8636

500nm

1microm

SWCNT bundle 675 4518 356 8636

Cobre 675 4518 356 8636

A Tabela 411 mostra a atenuaccedilatildeo tempo de atraso potecircncia total dissipada e o produto

atraso-potecircncia obtidos a frequecircncia de 10 GHz para interconexotildees natildeo-ideais Observa-se

que a atenuaccedilatildeo do sinal e a potecircncia total dissipada por cada porta inversora permanecem

os mesmos em relaccedilatildeo agrave interconexatildeo ideal mostrando que a essa frequecircncia as

interconexotildees natildeo-ideais natildeo interferem nestes paracircmetros

Jaacute o atraso na propagaccedilatildeo do sinal no caso do cobre aumenta agrave medida que as

interconexotildees aumentam de comprimento aumentando tambeacutem o produto atraso-potecircncia

Esse atraso chega a 66 do periacuteodo do sinal de entrada para a interconexatildeo 500nm1microm

de cobre No entanto estes paracircmetros natildeo satildeo afetados pelas interconexotildees de SWCNT

bundle indicando que este material se sobressai em relaccedilatildeo ao cobre

Tabela 411 Atenuaccedilatildeo atraso potecircncia e produto atraso-potecircncia dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 10 GHz

Freq L (l2l) Material A (dB) td (ps) P (nW) DP(10-18

Wmiddots)

10

GHz

50nm

100nm

SWCNT bundle -264 412 4963 020

Cobre -264 412 4963 020

200nm

400nm

SWCNT bundle -264 412 4963 020

Cobre -264 438 4963 022

500nm

1microm

SWCNT bundle -264 412 4963 020

Cobre -264 659 4963 033

4422 Anaacutelise da rede a 100 GHz

As redes com interconexotildees natildeo-ideais seratildeo analisadas na frequecircncia de 100 GHz para

diferentes comprimentos O niacutevel loacutegico baixo (NB) o niacutevel loacutegico alto (NA) o tempo de

subida (tr) e o slew rate de subida (SR) foram obtidos conforme mostra a Tabela 412 Jaacute a

43

Tabela 413 mostra a atenuaccedilatildeo tempo de atraso potecircncia total dissipada e o produto

atraso-potecircncia obtidos a frequecircncia de 100 GHz para interconexotildees natildeo-ideais

Tabela 412 Niacuteveis loacutegicos tempo de subida e slew rate dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 100 GHz

Freq L (l2l) Material NB(mV) NA(mV) tr(ps) SR(Vns)

100

GHz

50nm

100nm

SWCNT bundle 678 4272 316 9099

Cobre 675 4277 323 9107

200nm

400nm

SWCNT bundle 678 4299 315 9196

Cobre 677 4089 289 9447

500nm

1microm

SWCNT bundle 678 4418 300 9973

Cobre 635 1766 102 6795

Tabela 413 Atenuaccedilatildeo atraso potecircncia e produto atraso-potecircncia dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 100 GHz

Freq L (l2l) Material A (dB) td (ps) P (nW) DP(10-18

Wmiddots)

100

GHz

50nm

100nm

SWCNT bundle -2703 189 6088 012

Cobre -2685 191 6088 012

200nm

400nm

SWCNT bundle -2693 188 6088 012

Cobre -2698 228 6088 014

500nm

1microm

SWCNT bundle -2673 174 6088 011

Cobre -2893 388 6088 024

A partir das Tabelas 412 e 413 o SWCNT bundle seraacute analisado Observa-se que os seus

niacuteveis loacutegicos altos aumentam com o aumento do comprimento das interconexotildees

aumentando tambeacutem o slew rate de subida Esse comportamento ocorre provavelmente

devido ao efeito ressonante provocado pela indutacircncia que provoca um pico no graacutefico da

frequumlecircncia antes dele comeccedilar a decair conforme explicado na subseccedilatildeo 421 Isso implica

na diminuiccedilatildeo da atenuaccedilatildeo do sinal e do atraso No entanto o produto atraso-potecircncia

permanece praticamente invariaacutevel jaacute que a potecircncia total dissipada natildeo se altera

Em relaccedilatildeo agraves interconexotildees de cobre verifica-se que as distorccedilotildees satildeo significativas Agrave

medida que o comprimento aumenta a atenuaccedilatildeo do sinal de saiacuteda aumenta Isso provoca

diminuiccedilatildeo no slew rate do sinal o que natildeo eacute desejado jaacute que o sinal demora mais para

atingir o niacutevel loacutegico alto Aleacutem disso o atraso na propagaccedilatildeo do sinal aumenta bastante

chegando a 388 do periacuteodo do sinal de entrada para a interconexatildeo 500nm1microm

Consequentemente o produto atraso-potecircncia tambeacutem aumenta sendo o dobro do valor de

44

referecircncia (interconexotildees ideais) A Figura 49 ilustra o sinal de saiacuteda da interconexatildeo

500nm1microm de cobre

Figura 49 Sinal de entrada (em verde) e sinal de saiacuteda (em preto) da rede a 100 GHz para

a interconexatildeo 500nm1microm de cobre

Comparando-se as potecircncias das tabelas 47 48 411 413 verifica-se que natildeo haacute

alteraccedilatildeo na potecircncia total dissipada pelo circuito com interconexotildees ideais e pelos

circuitos com interconexotildees natildeo-ideais para uma mesma frequecircncia Assim eacute importante

destacar que a dissipaccedilatildeo de potecircncia das interconexotildees de SWCNT bundle e de cobre natildeo

interfere na potecircncia total dissipada pelo circuito

443 Consideraccedilotildees Finais

Apoacutes analisar as interconexotildees locais de SWCNT de SWCNT bundle e de cobre

verificou-se que as interconexotildees de SWCNT bundle possuem desempenho comparaacutevel ao

das interconexotildees de cobre Em relaccedilatildeo agraves interconexotildees intermediaacuterias as de SWCNT

bundle apresentam desempenho superior agraves de cobre Jaacute as interconexotildees de SWCNT

isolado tanto para interconexotildees locais como para interconexotildees intermediaacuterias

apresentam desempenho inferior agraves interconexotildees de SWCNT bundle e de cobre natildeo

sendo propiacutecias a serem utilizadas em interconexotildees de circuitos integrados

Na anaacutelise das interconexotildees natildeo-ideais na rede H-tree clock mono-eleacutetron para a

frequecircncia de 10GHz observou-se que o niacutevel loacutegico baixo o niacutevel loacutegico alto o tempo de

subida o slew rate de subida a atenuaccedilatildeo do sinal e a potecircncia total dissipada por cada

porta inversora permanecem os mesmos em relaccedilatildeo agrave interconexatildeo ideal mostrando que

45

para esta frequecircncia as interconexotildees natildeo-ideais natildeo interferem nestes paracircmetros Jaacute o

atraso na propagaccedilatildeo do sinal no caso do cobre aumenta agrave medida que as interconexotildees

aumentam de comprimento aumentando tambeacutem o produto atraso-potecircncia No entanto

estes paracircmetros natildeo satildeo afetados pelas interconexotildees de SWCNT bundle indicando que

este material se sobressai em relaccedilatildeo ao cobre

Jaacute para a rede H-tree clock mono-eleacutetron a 100GHz observou-se que o circuito com

interconexotildees natildeo-ideais afetou bastante os paracircmetros em anaacutelise se comparados aos

obtidos para interconexotildees ideais Verificou-se que as distorccedilotildees provocadas pelas

interconexotildees de cobre foram significativas indicando que as interconexotildees de SWCNT

bundle possuem melhor desempenho que as de cobre

Assim constata-se que as interconexotildees de SWCNT bundle satildeo fortes candidatas a

substituirem as interconexotildees de cobre em circuitos em escala giga (GSI) e tera (TSI)

46

5 CONCLUSOtildeES

Nesta dissertaccedilatildeo o estudo das interconexotildees de SWCNT de SWCNT bundle e de cobre

foi realizado analisando e comparando os seus desempenhos para diferentes

comprimentos A partir desse estudo verificou-se que as interconexotildees de SWCNT bundle

possui desempenho comparaacutevel ao das interconexotildees de cobre no caso de interconexotildees

locais Em relaccedilatildeo agraves interconexotildees intermediaacuterias as de SWCNT bundle apresentam

desempenho superior agraves de cobre

As interconexotildees de SWCNT bundle e as interconexotildees de cobre foram entatildeo simuladas na

rede H-tree clock de dois niacuteveis para diferentes comprimentos e frequecircncias Nos pontos

de destino final da rede foram colocadas portas inversoras formadas por SETs permitindo

a anaacutelise de circuitos nanoeletrocircnicos

A partir da anaacutelise da rede H-tree clock observou-se que as interconexotildees de SWCNT

bundle possuem desempenho melhor que as de cobre principalmente em relaccedilatildeo ao slew

rate agrave atenuaccedilatildeo ao tempo de atraso e ao produto atraso-potecircncia Aleacutem disso a

dissipaccedilatildeo de potecircncia das interconexotildees natildeo-ideais natildeo interferem na potecircncia total

dissipada pelo circuito Assim as interconexotildees de SWCNT bundle satildeo fortes candidatas a

substituirem as interconexotildees de cobre em circuitos em escala giga (GSI) e tera (TSI)

Como perspectivas futuras eacute importante analisar o efeito das interconexotildees de nanotubo de

carbono em circuitos GSI e TSI com outras arquiteturas A anaacutelise das interconexotildees de

CNT tambeacutem deve ser feita em circuitos com tecnologia MOS permitindo a comparaccedilatildeo

entre diferentes tecnologias Aleacutem disso eacute interessante estudar outros tipos de materiais

que possam ser utilizados como interconexotildees em circuitos integrados

47

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53

7 APEcircNDICES

71 TABELAS COMPLEMENTARES

Tabela 71 Paracircmetros obtidos a partir do modelo de SWCNT isolado

L RQ (Ω) RS (Ω) LCNT (10-9

H) CCNT (10-18

F)

10 nm 645103 - 40010

-2 27910

-1

100 nm 645103 - 40010

-1 279

200 nm 645103 - 80010

-1 558

300 nm 645103 - 120 837

400 nm 645103 - 160 11210

1

500 nm 645103 - 200 14010

1

600 nm 645103 - 240 16710

1

700 nm 645103 - 280 19510

1

800 nm 645103 - 320 22310

1

900 nm 645103 - 360 25110

1

1 microm 645103 - 400 27910

1

10 microm 645103 64510

4 40010

1 27910

2

100 microm 645103 64510

5 40010

2 27910

3

200 microm 645103 12910

6 80010

2 55810

3

300 microm 645103 19410

6 12010

3 83710

3

400 microm

645103 25810

6 16010

3 11210

4

500 microm

645103 32310

6 20010

3 14010

4

Tabela 72 Paracircmetros obtidos a partir do modelo de SWCNT bundle

L RQ (Ω) RS (Ω) LBundle(10-9

H) CBundle(10-18

F)

10 nm 1075 - 66710-5

135

100 nm 1075 - 66710-4

135101

200 nm 1075 - 13310-3

270101

300 nm 1075 - 20010-3

405101

400 nm 1075 - 26710-3

540101

500 nm 1075 - 33310-3

675101

600 nm 1075 - 40010-3

810101

700 nm 1075 - 46710-3

945101

800 nm 1075 - 53310-3

108102

900 nm 1075 - 60010-3

122102

1 microm 1075 - 66710-3

135102

10 microm 1075 108102 66710

-2 13510

3

100 microm 1075 108103 66710

-1 13510

4

200 microm 1075 215103 133 27010

4

300 microm 1075 323103 200 40510

4

400 microm

1075 430103 267 54010

4

500 microm

1075 538103 333 67510

4

54

Tabela 73 Paracircmetros obtidos a partir do modelo de cobre

L RCu (Ω) LCu (10-9

H) CCu (10-18

F)

10 nm 06 37310-6

150

100 nm 60 63610-5

150101

200 nm 120 17510-4

300101

300 nm 180 30910-4

450101

400 nm 240 45410-4

600101

500 nm 300 61110-4

750101

600 nm 360 77510-4

900101

700 nm 420 94610-4

105102

800 nm 480 11210-3

120102

900 nm 540 13110-3

135102

1 microm 600 14910-3

150102

10 microm 60102 24010

-2 15010

3

100 microm 60103 33210

-1 15010

4

200 microm 12104 72010

-1 30010

4

300 microm 18104 113 45010

4

400 microm

24104 155 60010

4

500 microm

30104 198 75010

4

55

Tabela 74 Frequecircncia em -3dB das interconexotildees locais

Comprimento Material f-3dB

10 nm SWCNT isolado 253 GHz

SWCNT bundle 66 THz

Cobre 232 THz

100 nm SWCNT isolado 300 GHz

SWCNT bundle 20 THz

Cobre 51 THz

200 nm SWCNT isolado 342 GHz

SWCNT bundle 14 THz

Cobre 29 THz

300 nm SWCNT isolado 344 GHz

SWCNT bundle 11 THz

Cobre 20 THz

400 nm SWCNT isolado 329 GHz

SWCNT bundle 89 THz

Cobre 15 THz

500 nm SWCNT isolado 307 GHz

SWCNT bundle 76 THz

Cobre 12 THz

600 nm SWCNT isolado 288 GHz

SWCNT bundle 67 THz

Cobre 94 THz

700 nm SWCNT isolado 271 GHz

SWCNT bundle 61 THz

Cobre 76 THz

800 nm SWCNT isolado 255 GHz

SWCNT bundle 55 THz

Cobre 63 THz

900 nm SWCNT isolado 240 GHz

SWCNT bundle 51 THz

Cobre 52 THz

1 microm SWCNT isolado 230 GHz

SWCNT bundle 47 THz

Cobre 42 THz

56

Tabela 75 Frequecircncia em -3dB das interconexotildees intermediaacuterias

Comprimento Material f-3dB

10 microm SWCNT isolado 26 GHz

SWCNT bundle 527 GHz

Cobre 34 GHz

100 microm SWCNT isolado 32 MHz

SWCNT bundle 42 GHz

Cobre 345 MHz

200 microm SWCNT isolado 82 MHz

SWCNT bundle 10 GHz

Cobre 87 MHz

300 microm SWCNT isolado 36 MHz

SWCNT bundle 455 MHz

Cobre 38 MHz

400 microm SWCNT isolado 21 MHz

SWCNT bundle 256 MHz

Cobre 21 MHz

500 microm SWCNT isolado 13 MHz

SWCNT bundle 165 MHz

Cobre 14 MHz

57

8 ANEXOS

81 COacuteDIGO SPICE DO SET [44]

Transistor mono-eleacutetron (SET) conexotildees fonte | dreno | | porta1 | | | porta2 | | | | SUBCKT SET 1 2 3 4 PARAMS +C1=1E-20 Capacitacircncia da junccedilatildeo 1 +C2=1E-20 Capacitacircncia da junccedilatildeo 2 +R1=1E5 Resistecircncia da junccedilatildeo 1 +R2=1E5 Resistecircncia da junccedilatildeo 2 +Cg1=015E-18 Capacitacircncia da junccedilatildeo 1 +Cg2=0 Capacitacircncia da junccedilatildeo 2 +C0=0 Capacitacircncia proacutepria da ilha +Q0=005 Carga offset em unidades de e +TEMP=300 Temperatura PARAM E=160217733E-19 Carga do eleacutetron (e) PARAM CSUM=C1+C2+Cg1+Cg2+C0 Capacitacircncia total do SET PARAM T=TEMPCSUM53785467E14 Temperatura normalizada 53785467E14 = kBe^2 PARAM RN1=R1(R1+R2) Resistecircncia da junccedilatildeo 1 normalizada PARAM RN2=R2(R1+R2) Resistecircncia da junccedilatildeo 2 normalizada FUNC Q(v1v2v3v4) (Cg1v3+Cg2v4+C1v1+C2v2)E+Q0 Definiccedilatildeo da carga em unidades de e FUNC VN(v) CSUMvE Tensatildeo normalizada FUNC GAMMA(u) IF(T==0IF(ult0-u0)IF(u==0Tu(EXP(uT)-1))) FUNC N_OPT(v1v2v3v4) ROUND(-Q(v1v2v3v4)+(CSUME) (v1RN2+v2RN1)) A maior probabilidade de carga na ilha em unidades de e Os quarto eventos tuacuteneis FUNC R1L(nv1v2v3v4) GAMMA(05 - n - Q(v1v2v3v4) + VN(v1))RN1 FUNC R1R(nv1v2v3v4) GAMMA(05 + n + Q(v1v2v3v4) - VN(v1))RN1 FUNC R2L(nv1v2v3v4) GAMMA(05 + n + Q(v1v2v3v4) - VN(v2))RN2 FUNC R2R(nv1v2v3v4) GAMMA(05 - n - Q(v1v2v3v4) + VN(v2))RN2

58

determinaccedilatildeo das probabilidades relativas assume-se inicialmente que o estado da carga N_OPT tem probabilidade relativa igual a um FUNC PN_1(nv1v2v3v4) (R1L(nv1v2v3v4)+R2R(nv1v2v3v4))(R1R(n-1v1v2v3v4)+R2L(n-1v1v2v3v4)) FUNC PN_2(nv1v2v3v4) PN_1(nv1v2v3v4) +(R1L(n-1v1v2v3v4)+R2R(n-1v1v2v3v4))(R1R(n-2v1v2v3v4)+R2L(n-2v1v2v3v4)) FUNC PN_3(nv1v2v3v4) PN_2(nv1v2v3v4) +(R1L(n-2v1v2v3v4)+R2R(n-2v1v2v3v4))(R1R(n-3v1v2v3v4)+R2L(n-3v1v2v3v4)) FUNC PN_4(nv1v2v3v4) PN_3(nv1v2v3v4) +(R1L(n-3v1v2v3v4)+R2R(n-3v1v2v3v4))(R1R(n-4v1v2v3v4)+R2L(n-4v1v2v3v4)) FUNC PN_5(nv1v2v3v4) PN_4(nv1v2v3v4) +(R1L(n-4v1v2v3v4)+R2R(n-4v1v2v3v4))(R1R(n-5v1v2v3v4)+R2L(n-5v1v2v3v4)) FUNC PN1(nv1v2v3v4) (R2L(nv1v2v3v4) +R1R(nv1v2v3v4))(R2R(n+1v1v2v3v4)+R1L(n+1v1v2v3v4)) FUNC PN2(nv1v2v3v4) PN1(nv1v2v3v4) +(R2L(n+1v1v2v3v4)+R1R(n+1v1v2v3v4))(R2R(n+2v1v2v3v4)+R1L(n+2v1v2v3v4)) FUNC PN3(nv1v2v3v4) PN2(nv1v2v3v4) +(R2L(n+2v1v2v3v4)+R1R(n+2v1v2v3v4))(R2R(n+3v1v2v3v4)+R1L(n+3v1v2v3v4)) FUNC PN4(nv1v2v3v4) PN3(nv1v2v3v4) +(R2L(n+3v1v2v3v4)+R1R(n+3v1v2v3v4))(R2R(n+4v1v2v3v4)+R1L(n+4v1v2v3v4)) FUNC PN5(nv1v2v3v4) PN4(nv1v2v3v4) +(R2L(n+4v1v2v3v4)+R1R(n+4v1v2v3v4))(R2R(n+5v1v2v3v4)+R1L(n+5v1v2v3v4)) FUNC PSUM(nv1v2v3v4) PN_5(nv1v2v3v4)+PN_4(nv1v2v3v4)+PN_3(nv1v2v3v4)+PN_2(nv1v2v3v4) ++PN_1(nv1v2v3v4)+1+PN1(nv1v2v3v4)+PN2(nv1v2v3v4)+PN3(nv1v2v3v4) ++PN4(nv1v2v3v4)+PN5(nv1v2v3v4)

59

caacutelculo da corrente da fonte para o dreno FUNC CUR(nv1v2v3v4) PN_5(nv1v2v3v4)(R1R(n-5v1v2v3v4)-R1L(n-5v1v2v3v4)) ++PN_4(nv1v2v3v4)(R1R(n-4v1v2v3v4)-R1L(n-4v1v2v3v4)) ++PN_3(nv1v2v3v4)(R1R(n-3v1v2v3v4)-R1L(n-3v1v2v3v4)) ++PN_2(nv1v2v3v4)(R1R(n-2v1v2v3v4)-R1L(n-2v1v2v3v4)) ++PN_1(nv1v2v3v4)(R1R(n-1v1v2v3v4)-R1L(n-1v1v2v3v4)) ++(R1R(nv1v2v3v4)-R1L(nv1v2v3v4)) ++PN1(nv1v2v3v4)(R1R(n+1v1v2v3v4)-R1L(n+1v1v2v3v4)) ++PN2(nv1v2v3v4)(R1R(n+2v1v2v3v4)-R1L(n+2v1v2v3v4)) ++PN3(nv1v2v3v4)(R1R(n+3v1v2v3v4)-R1L(n+3v1v2v3v4)) ++PN4(nv1v2v3v4)(R1R(n+4v1v2v3v4)-R1L(n+4v1v2v3v4)) ++PN5(nv1v2v3v4)(R1R(n+5v1v2v3v4)-R1L(n+5v1v2v3v4)) FUNC CURRENT(nv1v2v3v4) ECUR(nv1v2v3v4)(CSUMPSUM(nv1v2v3v4)(R1+R2)) caacutelculo da tensatildeo da ilha FUNC VOLT(nv1v2v3v4) PN_5(nv1v2v3v4)(n-5+Q(v1v2v3v4)) ++PN_4(nv1v2v3v4)(n-4+Q(v1v2v3v4)) ++PN_3(nv1v2v3v4)(n-3+Q(v1v2v3v4)) ++PN_2(nv1v2v3v4)(n-2+Q(v1v2v3v4)) ++PN_1(nv1v2v3v4)(n-1+Q(v1v2v3v4)) ++n+Q(v1v2v3v4) ++PN1(nv1v2v3v4)(n+1+Q(v1v2v3v4)) ++PN2(nv1v2v3v4)(n+2+Q(v1v2v3v4)) ++PN3(nv1v2v3v4)(n+3+Q(v1v2v3v4)) ++PN4(nv1v2v3v4)(n+4+Q(v1v2v3v4)) ++PN5(nv1v2v3v4)(n+5+Q(v1v2v3v4)) FUNC VOLTAGE(nv1v2v3v4) (ECSUM)VOLT(nv1v2v3v4)PSUM(nv1v2v3v4) E1 5 0 VALUE= VOLTAGE(N_OPT(V(1)V(2)V(3)V(4))V(1)V(2)V(3)V(4)) Tensatildeo da ilha G1 1 2 VALUE= CURRENT(N_OPT(V(1)V(2)V(3)V(4))V(1)V(2)V(3)V(4)) Corrente da fonte para o dreno CT1 1 5 C1 CT2 2 5 C2 CGATE1 3 5 CG1 CGATE2 4 5 CG2 ENDS SET

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35

422 Interconexotildees intermediaacuterias

Assim como para as interconexotildees locais obteve-se a frequecircncia em -3dB (f-3dB) das

interconexotildees intermediaacuterias (lCNT gt λCNT) de forma a verificar a velocidade maacutexima que

cada interconexatildeo suporta A Figura 43 ilustra o comportamento da frequecircncia das

interconexotildees intermediaacuterias para os diferentes comprimentos Os valores das frequecircncias

de cada interconexatildeo tambeacutem podem ser visualisados na Tabela 75 do Apecircndice

Como nas interconexotildees locais agrave medida que o comprimento da interconexatildeo aumenta a

frequecircncia diminui Aleacutem disso o SWCNT bundle e o cobre possuem desempenho melhor

que o do SWCNT isolado para qualquer comprimento No entanto para interconexotildees

intermediaacuterias o SWCNT bundle possui banda passante maior que a do cobre para

qualquer comprimento

Frequecircncia X Comprimento

00

05

10

15

20

25

30

35

40

45

100 200 300 400 500

Comprimento (μm)

f -3d

B (

GH

z)

SWCNT isolado

SWCNT bundle

Cobre

Figura 43 ndash Frequumlecircncia versus comprimento das interconexotildees intermediaacuterias

As interconexotildees intermediaacuterias de 10 μm 100 μm e 500 μm de comprimento foram entatildeo

analisadas detalhadamente A Tabela 44 mostra a frequecircncia em -3dB de cada materal

para os diferentes comprimentos em anaacutelise

36

Tabela 44 Frequecircncia em -3dB de cada material para lCNT gt λCNT

Interconexatildeo

Intermediaacuteria

Comprimento (L) Material f-3dB

SWCNT isolado 26 GHz

10 microm SWCNT bundle 527 GHz

Cobre 34 GHz

SWCNT isolado 32 MHz

lCNT gt λCNT 100 microm SWCNT bundle 42 GHz

Cobre 345 MHz

SWCNT isolado 13 MHz

500 microm SWCNT bundle 165 MHz

Cobre 14 MHz

Escolheu-se a frequecircncia de 1 MHz que estaacute abaixo da frequecircncia de corte dos trecircs

materiais considerados para analisar e comparar a atenuaccedilatildeo (A) e o tempo de atraso na

propagaccedilatildeo (td) dos trecircs comprimentos A Tabela 45 mostra esse estudo comparativo entre

o SWCNT isolado SWCNT bundle e cobre

Tabela 45 Estudo das interconexotildees com comprimentos na faixa lCNT gt λCNT

Freq L Material A (dB) td (ns)

SWCNT isolado -002 008

10 microm SWCNT bundle 000 000

Cobre 000 000

SWCNT isolado -003 559

1 MHz 100 microm SWCNT bundle -001 005

Cobre -004 056

SWCNT isolado -198 10217

500 microm SWCNT bundle 000 110

Cobre -003 1301

Com base na Tabela 45 observa-se que a atenuaccedilatildeo e o tempo de atraso do SWCNT

isolado aumentam com o aumento do comprimento da interconexatildeo Nessa frequumlecircncia o

atraso na propagaccedilatildeo do SWCNT isolado eacute significativo em relaccedilatildeo ao periacuteodo do sinal de

entrada que eacute 1micros chegando a mais de 10 deste periacuteodo para o comprimento de 500microm

Verifica-se tambeacutem o aumento do tempo de atraso da interconexatildeo de cobre sendo 13

do periacuteodo do sinal de entrada para o comprimento de 500microm

Para analisar melhor a atenuaccedilatildeo e o tempo de atraso do SWCNT bundle e do cobre o

mesmo procedimento foi feito comparando-se somente estes dois materiais para uma

37

mesma frequecircncia de 10 MHz A Tabela 46 mostra esse estudo comparativo entre o

SWCNT bundle e cobre

Tabela 46 Estudo das interconexotildees SWCNT bundle e cobre com comprimentos na faixa

lCNT gt λCNT

Freq L Material A (dB) td (ns)

10 microm SWCNT bundle 000 000

Cobre 000 000

10 MHz 100 microm SWCNT bundle -001 005

Cobre -004 054

500 microm SWCNT bundle -004 107

Cobre -185 1024

Analisando a Tabela 46 observa-se que agrave medida que o comprimento das interconexotildees

aumenta a atenuaccedilatildeo e o atraso do sinal da interconexatildeo de cobre tornam-se significativos

O atraso na propagaccedilatildeo da interconexatildeo de cobre para l = 500microm chega a 10 do periacuteodo

do sinal de entrada (100ns) Jaacute o SWCNT bundle apresenta valores insignificantes de

atenuaccedilatildeo e atraso na propagaccedilatildeo Assim para as interconexotildees intermediaacuterias o SWCNT

bundle possui desempenho superior ao do cobre

43 SIMULACcedilAtildeO DO INVERSOR MONO-ELEacuteTRON

O modelo SPICE do SET proposto por G Lientschnig et al [444] foi simulado no

LTSPICE A partir da equaccedilatildeo (226) foi possiacutevel aumentar a temperatura do SET ateacute

chegar a 300K Assim o esquemaacutetico do SET e os valores de seus paracircmetros para que o

SET opere a 300K estatildeo na Figura 44 No anexo deste trabalho (subseccedilatildeo 81) encontra-

se o coacutedigo SET que foi utilizado [44] Os paracircmetros R1 C1 e R2 C2 correspondem agraves

resistecircncias e capacitacircncias das junccedilotildees-tuacutenel Cg eacute a capacitacircncia de porta (Cg1 no coacutedigo

SET) Vg eacute a tensatildeo de porta e V eacute a tensatildeo de entrada

Figura 44 Esquemaacutetico do SET e os valores de seus paracircmetros

38

A partir destes valores o inversor mono-eleacutetron foi construiacutedo colocando-se dois SETs em

seacuterie os quais compartilham da mesma entrada A Figura 45 ilustra o esquemaacutetico do

inversor mono-eleacutetron juntamente com os valores de seus paracircmetros fixos em que Vin eacute a

tensatildeo de entrada Vout eacute a tensatildeo de saiacuteda Vbias eacute a tensatildeo de polarizaccedilatildeo Cc eacute a

capacitacircncia de carga Cg1 e Cg2 satildeo as capacitacircncias de porta do SET 1 e do SET 2

respectivamente

Figura 45 Esquemaacutetico do inversor mono-eleacutetron e os valores de seus paracircmetros

(modificado de [4])

Assim apoacutes simular o inversor mono-eleacutetron a 300K obteve-se o sinal de saiacuteda mostrado

na Figura 46 Como o inversor estaacute invertendo o sinal de entrada de valor loacutegico baixo em

um sinal de saiacuteda de valor loacutegico alto ele estaacute operando corretamente

Figura 46 Curva do sinal de entrada (em verde) e do sinal de saiacuteda (em preto) do inversor

mono-eleacutetron

39

44 ANAacuteLISE DAS INTERCONEXOtildeES NO H-TREE CLOCK MONO-ELEacuteTRON

Nesta seccedilatildeo a rede H-tree clock de dois niacuteveis foi simulada com portas inversoras mono-

eleacutetron nos pontos de destino final da rede permitindo a anaacutelise de circuitos

nanoeletrocircnicos Simulou-se a rede H-tree considerando interconexotildees ideais para as

frequecircncias de 10 GHz e 100 GHz no sinal de entrada Em seguida para as mesmas duas

frequecircncias considerou-se interconexotildees natildeo-ideais de diferentes comprimentos

analisando a rede com os modelos de interconexatildeo SWCNT bundle e cobre Trecircs redes

com comprimentos de interconexotildees diferentes foram analisadas

l = 100 nm l2 = 50 nm

l = 400 nm l2 = 200 nm

l = 1 μm l2 = 500 nm

441 Anaacutelise da rede com interconexotildees ideais

A partir da simulaccedilatildeo do H-tree clock a frequecircncia em -3dB (f-3dB) da rede com

interconexotildees ideais foi obtida Na saiacuteda de cada porta inversora a banda passante do sinal

eacute 3200 GHz Dessa forma duas frequecircncias abaixo de 3200 GHz foram escolhidas para

analisar o sinal de saiacuteda da inversora em condiccedilotildees ideais As frequecircncias de 10 GHz e

100 GHz seratildeo analisadas obtendo-se as seguintes caracteriacutesticas do sinal de saiacuteda da

inversora niacutevel loacutegico baixo (NB) niacutevel loacutegico alto (NA) tempo de subida (tr) slew rate

de subida (SR) atenuaccedilatildeo (A) e tempo de atraso (td) A Tabela 47 mostra os valores

obtidos para as duas frequecircncias em anaacutelise

Tabela 47 Caracteriacutesticas dos sinais de saiacuteda da rede para interconexotildees ideais

Freq NB(mV) NA(mV) tr (ps) SR(Vns) A(dB) td (ps)

10 GHz 675 4518 356 8636 -264 412

100 GHz 678 4279 317 9088 -269 189

Os caacutelculos da potecircncia estaacutetica ( IVP DDE ) potecircncia dinacircmica ( CVfP DDD 2 ) e

potecircncia total ( DE PPP ) dissipada por cada porta inversora foram realizados bem

como o produto atraso-potecircncia (DP) Assim a Tabela 48 mostra os valores obtidos no

40

caacutelculo destes paracircmetros Como a potecircncia estaacutetica independe da frequecircncia do sinal de

entrada o seu valor eacute o mesmo nos dois casos

Tabela 48 Potecircncia dissipada por cada porta inversora para interconexotildees ideais

Frequecircncia PE (nW) PD (nW) P (nW) DP (10-18

Wmiddots)

10 GHz 4838 125 4963 020

100 GHz 4838 125 6088 012

As Tabelas 47 e 48 serviratildeo de referecircncia para as anaacutelises da rede com interconexotildees natildeo-

ideais analisadas na subseccedilatildeo seguinte As Figuras 47 e 48 ilustram o sinal de saiacuteda das

redes com frequecircncias de 10 GHz e de 100 GHz respectivamente Eacute possiacutevel observar que

na frequecircncia de 100 GHz o sinal de saiacuteda jaacute eacute distorcido em relaccedilatildeo ao sinal de referecircncia

(Figura 46)

Figura 47 Sinal de entrada (em verde) e sinal de saiacuteda (em preto) da rede a 10 GHz

Figura 48 Sinal de entrada (em verde) e sinal de saiacuteda (em preto) da rede a 100 GHz

41

442 Anaacutelise da rede com interconexotildees natildeo-ideais

Apoacutes obter as caracteriacutesticas da rede H-tree clock com interconexotildees ideais a anaacutelise da

rede com interconexotildees natildeo-ideais seraacute feita Primeiramente eacute importante verificar a

frequecircncia em -3dB do sinal depois das interconexotildees ou seja na entrada da porta

inversora Caso essa frequecircncia seja menor que a frequecircncia de 3200 GHz obtida com

interconexotildees ideais entatildeo a interconexatildeo afetaraacute o comportamento da rede A Tabela 49

mostra a frequecircncia em -3dB na entrada da inversora para interconexotildees natildeo-ideais

Tabela 49 Frequecircncia em -3dB na entrada da inversora para interconexotildees natildeo-ideais

Comprimentos (l2 l) Material f-3dB

50nm 100nm SWCNT bundle 122 THz

Cobre 175 THz

200nm 400nm SWCNT bundle 31 THz

Cobre 8606 GHz

500nm 1microm SWCNT bundle 12 THz

Cobre 1268 GHz

Assim verifica-se que a interconexatildeo de cobre da rede 500nm1microm possui frequecircncia em

-3dB abaixo da frequecircncia do circuito com interconexatildeo ideal (3200 GHz) Isso indica que

esta interconexatildeo interfere significativamente no comportamento da rede A Tabela 49

mostra tambeacutem que a banda passante da interconexatildeo de cobre soacute eacute maior que a da

interconexatildeo de SWCNT bundle no primeiro caso na rede de 50nm100nm o que mostra

uma vantagem do SWCNT bundle em relaccedilatildeo ao cobre A partir dessas informaccedilotildees a

rede H-tree clock com interconexotildees natildeo-ideais seraacute analisada detalhadamente

4421 Anaacutelise da rede a 10 GHz

As redes com interconexotildees natildeo-ideais seratildeo analisadas na frequecircncia de 10 GHz para

diferentes comprimentos Primeiramente o niacutevel loacutegico baixo (NB) o niacutevel loacutegico alto

(NA) o tempo de subida (tr) e o slew rate de subida (SR) foram obtidos conforme mostra a

Tabela 410 Com base nessa tabela verifica-se que na frequecircncia de 10 GHz essas

caracteriacutesticas natildeo foram modificadas pelas interconexotildees natildeo-ideais independentemente

do comprimento Os valores dos paracircmetros satildeo iguais aos obtidos na rede com

interconexatildeo ideal conforme Tabela 47 O sinal obtido na saiacuteda de cada inversor eacute igual

ao ilustrado na Figura 47

42

Tabela 410 Niacuteveis loacutegicos tempo de subida e slew rate dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 10 GHz

Freq L (l2l) Material NB(mV) NA(mV) tr(ps) SR(Vns)

10

GHz

50nm

100nm

SWCNT bundle 675 4518 356 8636

Cobre 675 4518 356 8636

200nm

400nm

SWCNT bundle 675 4518 356 8636

Cobre 675 4518 356 8636

500nm

1microm

SWCNT bundle 675 4518 356 8636

Cobre 675 4518 356 8636

A Tabela 411 mostra a atenuaccedilatildeo tempo de atraso potecircncia total dissipada e o produto

atraso-potecircncia obtidos a frequecircncia de 10 GHz para interconexotildees natildeo-ideais Observa-se

que a atenuaccedilatildeo do sinal e a potecircncia total dissipada por cada porta inversora permanecem

os mesmos em relaccedilatildeo agrave interconexatildeo ideal mostrando que a essa frequecircncia as

interconexotildees natildeo-ideais natildeo interferem nestes paracircmetros

Jaacute o atraso na propagaccedilatildeo do sinal no caso do cobre aumenta agrave medida que as

interconexotildees aumentam de comprimento aumentando tambeacutem o produto atraso-potecircncia

Esse atraso chega a 66 do periacuteodo do sinal de entrada para a interconexatildeo 500nm1microm

de cobre No entanto estes paracircmetros natildeo satildeo afetados pelas interconexotildees de SWCNT

bundle indicando que este material se sobressai em relaccedilatildeo ao cobre

Tabela 411 Atenuaccedilatildeo atraso potecircncia e produto atraso-potecircncia dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 10 GHz

Freq L (l2l) Material A (dB) td (ps) P (nW) DP(10-18

Wmiddots)

10

GHz

50nm

100nm

SWCNT bundle -264 412 4963 020

Cobre -264 412 4963 020

200nm

400nm

SWCNT bundle -264 412 4963 020

Cobre -264 438 4963 022

500nm

1microm

SWCNT bundle -264 412 4963 020

Cobre -264 659 4963 033

4422 Anaacutelise da rede a 100 GHz

As redes com interconexotildees natildeo-ideais seratildeo analisadas na frequecircncia de 100 GHz para

diferentes comprimentos O niacutevel loacutegico baixo (NB) o niacutevel loacutegico alto (NA) o tempo de

subida (tr) e o slew rate de subida (SR) foram obtidos conforme mostra a Tabela 412 Jaacute a

43

Tabela 413 mostra a atenuaccedilatildeo tempo de atraso potecircncia total dissipada e o produto

atraso-potecircncia obtidos a frequecircncia de 100 GHz para interconexotildees natildeo-ideais

Tabela 412 Niacuteveis loacutegicos tempo de subida e slew rate dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 100 GHz

Freq L (l2l) Material NB(mV) NA(mV) tr(ps) SR(Vns)

100

GHz

50nm

100nm

SWCNT bundle 678 4272 316 9099

Cobre 675 4277 323 9107

200nm

400nm

SWCNT bundle 678 4299 315 9196

Cobre 677 4089 289 9447

500nm

1microm

SWCNT bundle 678 4418 300 9973

Cobre 635 1766 102 6795

Tabela 413 Atenuaccedilatildeo atraso potecircncia e produto atraso-potecircncia dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 100 GHz

Freq L (l2l) Material A (dB) td (ps) P (nW) DP(10-18

Wmiddots)

100

GHz

50nm

100nm

SWCNT bundle -2703 189 6088 012

Cobre -2685 191 6088 012

200nm

400nm

SWCNT bundle -2693 188 6088 012

Cobre -2698 228 6088 014

500nm

1microm

SWCNT bundle -2673 174 6088 011

Cobre -2893 388 6088 024

A partir das Tabelas 412 e 413 o SWCNT bundle seraacute analisado Observa-se que os seus

niacuteveis loacutegicos altos aumentam com o aumento do comprimento das interconexotildees

aumentando tambeacutem o slew rate de subida Esse comportamento ocorre provavelmente

devido ao efeito ressonante provocado pela indutacircncia que provoca um pico no graacutefico da

frequumlecircncia antes dele comeccedilar a decair conforme explicado na subseccedilatildeo 421 Isso implica

na diminuiccedilatildeo da atenuaccedilatildeo do sinal e do atraso No entanto o produto atraso-potecircncia

permanece praticamente invariaacutevel jaacute que a potecircncia total dissipada natildeo se altera

Em relaccedilatildeo agraves interconexotildees de cobre verifica-se que as distorccedilotildees satildeo significativas Agrave

medida que o comprimento aumenta a atenuaccedilatildeo do sinal de saiacuteda aumenta Isso provoca

diminuiccedilatildeo no slew rate do sinal o que natildeo eacute desejado jaacute que o sinal demora mais para

atingir o niacutevel loacutegico alto Aleacutem disso o atraso na propagaccedilatildeo do sinal aumenta bastante

chegando a 388 do periacuteodo do sinal de entrada para a interconexatildeo 500nm1microm

Consequentemente o produto atraso-potecircncia tambeacutem aumenta sendo o dobro do valor de

44

referecircncia (interconexotildees ideais) A Figura 49 ilustra o sinal de saiacuteda da interconexatildeo

500nm1microm de cobre

Figura 49 Sinal de entrada (em verde) e sinal de saiacuteda (em preto) da rede a 100 GHz para

a interconexatildeo 500nm1microm de cobre

Comparando-se as potecircncias das tabelas 47 48 411 413 verifica-se que natildeo haacute

alteraccedilatildeo na potecircncia total dissipada pelo circuito com interconexotildees ideais e pelos

circuitos com interconexotildees natildeo-ideais para uma mesma frequecircncia Assim eacute importante

destacar que a dissipaccedilatildeo de potecircncia das interconexotildees de SWCNT bundle e de cobre natildeo

interfere na potecircncia total dissipada pelo circuito

443 Consideraccedilotildees Finais

Apoacutes analisar as interconexotildees locais de SWCNT de SWCNT bundle e de cobre

verificou-se que as interconexotildees de SWCNT bundle possuem desempenho comparaacutevel ao

das interconexotildees de cobre Em relaccedilatildeo agraves interconexotildees intermediaacuterias as de SWCNT

bundle apresentam desempenho superior agraves de cobre Jaacute as interconexotildees de SWCNT

isolado tanto para interconexotildees locais como para interconexotildees intermediaacuterias

apresentam desempenho inferior agraves interconexotildees de SWCNT bundle e de cobre natildeo

sendo propiacutecias a serem utilizadas em interconexotildees de circuitos integrados

Na anaacutelise das interconexotildees natildeo-ideais na rede H-tree clock mono-eleacutetron para a

frequecircncia de 10GHz observou-se que o niacutevel loacutegico baixo o niacutevel loacutegico alto o tempo de

subida o slew rate de subida a atenuaccedilatildeo do sinal e a potecircncia total dissipada por cada

porta inversora permanecem os mesmos em relaccedilatildeo agrave interconexatildeo ideal mostrando que

45

para esta frequecircncia as interconexotildees natildeo-ideais natildeo interferem nestes paracircmetros Jaacute o

atraso na propagaccedilatildeo do sinal no caso do cobre aumenta agrave medida que as interconexotildees

aumentam de comprimento aumentando tambeacutem o produto atraso-potecircncia No entanto

estes paracircmetros natildeo satildeo afetados pelas interconexotildees de SWCNT bundle indicando que

este material se sobressai em relaccedilatildeo ao cobre

Jaacute para a rede H-tree clock mono-eleacutetron a 100GHz observou-se que o circuito com

interconexotildees natildeo-ideais afetou bastante os paracircmetros em anaacutelise se comparados aos

obtidos para interconexotildees ideais Verificou-se que as distorccedilotildees provocadas pelas

interconexotildees de cobre foram significativas indicando que as interconexotildees de SWCNT

bundle possuem melhor desempenho que as de cobre

Assim constata-se que as interconexotildees de SWCNT bundle satildeo fortes candidatas a

substituirem as interconexotildees de cobre em circuitos em escala giga (GSI) e tera (TSI)

46

5 CONCLUSOtildeES

Nesta dissertaccedilatildeo o estudo das interconexotildees de SWCNT de SWCNT bundle e de cobre

foi realizado analisando e comparando os seus desempenhos para diferentes

comprimentos A partir desse estudo verificou-se que as interconexotildees de SWCNT bundle

possui desempenho comparaacutevel ao das interconexotildees de cobre no caso de interconexotildees

locais Em relaccedilatildeo agraves interconexotildees intermediaacuterias as de SWCNT bundle apresentam

desempenho superior agraves de cobre

As interconexotildees de SWCNT bundle e as interconexotildees de cobre foram entatildeo simuladas na

rede H-tree clock de dois niacuteveis para diferentes comprimentos e frequecircncias Nos pontos

de destino final da rede foram colocadas portas inversoras formadas por SETs permitindo

a anaacutelise de circuitos nanoeletrocircnicos

A partir da anaacutelise da rede H-tree clock observou-se que as interconexotildees de SWCNT

bundle possuem desempenho melhor que as de cobre principalmente em relaccedilatildeo ao slew

rate agrave atenuaccedilatildeo ao tempo de atraso e ao produto atraso-potecircncia Aleacutem disso a

dissipaccedilatildeo de potecircncia das interconexotildees natildeo-ideais natildeo interferem na potecircncia total

dissipada pelo circuito Assim as interconexotildees de SWCNT bundle satildeo fortes candidatas a

substituirem as interconexotildees de cobre em circuitos em escala giga (GSI) e tera (TSI)

Como perspectivas futuras eacute importante analisar o efeito das interconexotildees de nanotubo de

carbono em circuitos GSI e TSI com outras arquiteturas A anaacutelise das interconexotildees de

CNT tambeacutem deve ser feita em circuitos com tecnologia MOS permitindo a comparaccedilatildeo

entre diferentes tecnologias Aleacutem disso eacute interessante estudar outros tipos de materiais

que possam ser utilizados como interconexotildees em circuitos integrados

47

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53

7 APEcircNDICES

71 TABELAS COMPLEMENTARES

Tabela 71 Paracircmetros obtidos a partir do modelo de SWCNT isolado

L RQ (Ω) RS (Ω) LCNT (10-9

H) CCNT (10-18

F)

10 nm 645103 - 40010

-2 27910

-1

100 nm 645103 - 40010

-1 279

200 nm 645103 - 80010

-1 558

300 nm 645103 - 120 837

400 nm 645103 - 160 11210

1

500 nm 645103 - 200 14010

1

600 nm 645103 - 240 16710

1

700 nm 645103 - 280 19510

1

800 nm 645103 - 320 22310

1

900 nm 645103 - 360 25110

1

1 microm 645103 - 400 27910

1

10 microm 645103 64510

4 40010

1 27910

2

100 microm 645103 64510

5 40010

2 27910

3

200 microm 645103 12910

6 80010

2 55810

3

300 microm 645103 19410

6 12010

3 83710

3

400 microm

645103 25810

6 16010

3 11210

4

500 microm

645103 32310

6 20010

3 14010

4

Tabela 72 Paracircmetros obtidos a partir do modelo de SWCNT bundle

L RQ (Ω) RS (Ω) LBundle(10-9

H) CBundle(10-18

F)

10 nm 1075 - 66710-5

135

100 nm 1075 - 66710-4

135101

200 nm 1075 - 13310-3

270101

300 nm 1075 - 20010-3

405101

400 nm 1075 - 26710-3

540101

500 nm 1075 - 33310-3

675101

600 nm 1075 - 40010-3

810101

700 nm 1075 - 46710-3

945101

800 nm 1075 - 53310-3

108102

900 nm 1075 - 60010-3

122102

1 microm 1075 - 66710-3

135102

10 microm 1075 108102 66710

-2 13510

3

100 microm 1075 108103 66710

-1 13510

4

200 microm 1075 215103 133 27010

4

300 microm 1075 323103 200 40510

4

400 microm

1075 430103 267 54010

4

500 microm

1075 538103 333 67510

4

54

Tabela 73 Paracircmetros obtidos a partir do modelo de cobre

L RCu (Ω) LCu (10-9

H) CCu (10-18

F)

10 nm 06 37310-6

150

100 nm 60 63610-5

150101

200 nm 120 17510-4

300101

300 nm 180 30910-4

450101

400 nm 240 45410-4

600101

500 nm 300 61110-4

750101

600 nm 360 77510-4

900101

700 nm 420 94610-4

105102

800 nm 480 11210-3

120102

900 nm 540 13110-3

135102

1 microm 600 14910-3

150102

10 microm 60102 24010

-2 15010

3

100 microm 60103 33210

-1 15010

4

200 microm 12104 72010

-1 30010

4

300 microm 18104 113 45010

4

400 microm

24104 155 60010

4

500 microm

30104 198 75010

4

55

Tabela 74 Frequecircncia em -3dB das interconexotildees locais

Comprimento Material f-3dB

10 nm SWCNT isolado 253 GHz

SWCNT bundle 66 THz

Cobre 232 THz

100 nm SWCNT isolado 300 GHz

SWCNT bundle 20 THz

Cobre 51 THz

200 nm SWCNT isolado 342 GHz

SWCNT bundle 14 THz

Cobre 29 THz

300 nm SWCNT isolado 344 GHz

SWCNT bundle 11 THz

Cobre 20 THz

400 nm SWCNT isolado 329 GHz

SWCNT bundle 89 THz

Cobre 15 THz

500 nm SWCNT isolado 307 GHz

SWCNT bundle 76 THz

Cobre 12 THz

600 nm SWCNT isolado 288 GHz

SWCNT bundle 67 THz

Cobre 94 THz

700 nm SWCNT isolado 271 GHz

SWCNT bundle 61 THz

Cobre 76 THz

800 nm SWCNT isolado 255 GHz

SWCNT bundle 55 THz

Cobre 63 THz

900 nm SWCNT isolado 240 GHz

SWCNT bundle 51 THz

Cobre 52 THz

1 microm SWCNT isolado 230 GHz

SWCNT bundle 47 THz

Cobre 42 THz

56

Tabela 75 Frequecircncia em -3dB das interconexotildees intermediaacuterias

Comprimento Material f-3dB

10 microm SWCNT isolado 26 GHz

SWCNT bundle 527 GHz

Cobre 34 GHz

100 microm SWCNT isolado 32 MHz

SWCNT bundle 42 GHz

Cobre 345 MHz

200 microm SWCNT isolado 82 MHz

SWCNT bundle 10 GHz

Cobre 87 MHz

300 microm SWCNT isolado 36 MHz

SWCNT bundle 455 MHz

Cobre 38 MHz

400 microm SWCNT isolado 21 MHz

SWCNT bundle 256 MHz

Cobre 21 MHz

500 microm SWCNT isolado 13 MHz

SWCNT bundle 165 MHz

Cobre 14 MHz

57

8 ANEXOS

81 COacuteDIGO SPICE DO SET [44]

Transistor mono-eleacutetron (SET) conexotildees fonte | dreno | | porta1 | | | porta2 | | | | SUBCKT SET 1 2 3 4 PARAMS +C1=1E-20 Capacitacircncia da junccedilatildeo 1 +C2=1E-20 Capacitacircncia da junccedilatildeo 2 +R1=1E5 Resistecircncia da junccedilatildeo 1 +R2=1E5 Resistecircncia da junccedilatildeo 2 +Cg1=015E-18 Capacitacircncia da junccedilatildeo 1 +Cg2=0 Capacitacircncia da junccedilatildeo 2 +C0=0 Capacitacircncia proacutepria da ilha +Q0=005 Carga offset em unidades de e +TEMP=300 Temperatura PARAM E=160217733E-19 Carga do eleacutetron (e) PARAM CSUM=C1+C2+Cg1+Cg2+C0 Capacitacircncia total do SET PARAM T=TEMPCSUM53785467E14 Temperatura normalizada 53785467E14 = kBe^2 PARAM RN1=R1(R1+R2) Resistecircncia da junccedilatildeo 1 normalizada PARAM RN2=R2(R1+R2) Resistecircncia da junccedilatildeo 2 normalizada FUNC Q(v1v2v3v4) (Cg1v3+Cg2v4+C1v1+C2v2)E+Q0 Definiccedilatildeo da carga em unidades de e FUNC VN(v) CSUMvE Tensatildeo normalizada FUNC GAMMA(u) IF(T==0IF(ult0-u0)IF(u==0Tu(EXP(uT)-1))) FUNC N_OPT(v1v2v3v4) ROUND(-Q(v1v2v3v4)+(CSUME) (v1RN2+v2RN1)) A maior probabilidade de carga na ilha em unidades de e Os quarto eventos tuacuteneis FUNC R1L(nv1v2v3v4) GAMMA(05 - n - Q(v1v2v3v4) + VN(v1))RN1 FUNC R1R(nv1v2v3v4) GAMMA(05 + n + Q(v1v2v3v4) - VN(v1))RN1 FUNC R2L(nv1v2v3v4) GAMMA(05 + n + Q(v1v2v3v4) - VN(v2))RN2 FUNC R2R(nv1v2v3v4) GAMMA(05 - n - Q(v1v2v3v4) + VN(v2))RN2

58

determinaccedilatildeo das probabilidades relativas assume-se inicialmente que o estado da carga N_OPT tem probabilidade relativa igual a um FUNC PN_1(nv1v2v3v4) (R1L(nv1v2v3v4)+R2R(nv1v2v3v4))(R1R(n-1v1v2v3v4)+R2L(n-1v1v2v3v4)) FUNC PN_2(nv1v2v3v4) PN_1(nv1v2v3v4) +(R1L(n-1v1v2v3v4)+R2R(n-1v1v2v3v4))(R1R(n-2v1v2v3v4)+R2L(n-2v1v2v3v4)) FUNC PN_3(nv1v2v3v4) PN_2(nv1v2v3v4) +(R1L(n-2v1v2v3v4)+R2R(n-2v1v2v3v4))(R1R(n-3v1v2v3v4)+R2L(n-3v1v2v3v4)) FUNC PN_4(nv1v2v3v4) PN_3(nv1v2v3v4) +(R1L(n-3v1v2v3v4)+R2R(n-3v1v2v3v4))(R1R(n-4v1v2v3v4)+R2L(n-4v1v2v3v4)) FUNC PN_5(nv1v2v3v4) PN_4(nv1v2v3v4) +(R1L(n-4v1v2v3v4)+R2R(n-4v1v2v3v4))(R1R(n-5v1v2v3v4)+R2L(n-5v1v2v3v4)) FUNC PN1(nv1v2v3v4) (R2L(nv1v2v3v4) +R1R(nv1v2v3v4))(R2R(n+1v1v2v3v4)+R1L(n+1v1v2v3v4)) FUNC PN2(nv1v2v3v4) PN1(nv1v2v3v4) +(R2L(n+1v1v2v3v4)+R1R(n+1v1v2v3v4))(R2R(n+2v1v2v3v4)+R1L(n+2v1v2v3v4)) FUNC PN3(nv1v2v3v4) PN2(nv1v2v3v4) +(R2L(n+2v1v2v3v4)+R1R(n+2v1v2v3v4))(R2R(n+3v1v2v3v4)+R1L(n+3v1v2v3v4)) FUNC PN4(nv1v2v3v4) PN3(nv1v2v3v4) +(R2L(n+3v1v2v3v4)+R1R(n+3v1v2v3v4))(R2R(n+4v1v2v3v4)+R1L(n+4v1v2v3v4)) FUNC PN5(nv1v2v3v4) PN4(nv1v2v3v4) +(R2L(n+4v1v2v3v4)+R1R(n+4v1v2v3v4))(R2R(n+5v1v2v3v4)+R1L(n+5v1v2v3v4)) FUNC PSUM(nv1v2v3v4) PN_5(nv1v2v3v4)+PN_4(nv1v2v3v4)+PN_3(nv1v2v3v4)+PN_2(nv1v2v3v4) ++PN_1(nv1v2v3v4)+1+PN1(nv1v2v3v4)+PN2(nv1v2v3v4)+PN3(nv1v2v3v4) ++PN4(nv1v2v3v4)+PN5(nv1v2v3v4)

59

caacutelculo da corrente da fonte para o dreno FUNC CUR(nv1v2v3v4) PN_5(nv1v2v3v4)(R1R(n-5v1v2v3v4)-R1L(n-5v1v2v3v4)) ++PN_4(nv1v2v3v4)(R1R(n-4v1v2v3v4)-R1L(n-4v1v2v3v4)) ++PN_3(nv1v2v3v4)(R1R(n-3v1v2v3v4)-R1L(n-3v1v2v3v4)) ++PN_2(nv1v2v3v4)(R1R(n-2v1v2v3v4)-R1L(n-2v1v2v3v4)) ++PN_1(nv1v2v3v4)(R1R(n-1v1v2v3v4)-R1L(n-1v1v2v3v4)) ++(R1R(nv1v2v3v4)-R1L(nv1v2v3v4)) ++PN1(nv1v2v3v4)(R1R(n+1v1v2v3v4)-R1L(n+1v1v2v3v4)) ++PN2(nv1v2v3v4)(R1R(n+2v1v2v3v4)-R1L(n+2v1v2v3v4)) ++PN3(nv1v2v3v4)(R1R(n+3v1v2v3v4)-R1L(n+3v1v2v3v4)) ++PN4(nv1v2v3v4)(R1R(n+4v1v2v3v4)-R1L(n+4v1v2v3v4)) ++PN5(nv1v2v3v4)(R1R(n+5v1v2v3v4)-R1L(n+5v1v2v3v4)) FUNC CURRENT(nv1v2v3v4) ECUR(nv1v2v3v4)(CSUMPSUM(nv1v2v3v4)(R1+R2)) caacutelculo da tensatildeo da ilha FUNC VOLT(nv1v2v3v4) PN_5(nv1v2v3v4)(n-5+Q(v1v2v3v4)) ++PN_4(nv1v2v3v4)(n-4+Q(v1v2v3v4)) ++PN_3(nv1v2v3v4)(n-3+Q(v1v2v3v4)) ++PN_2(nv1v2v3v4)(n-2+Q(v1v2v3v4)) ++PN_1(nv1v2v3v4)(n-1+Q(v1v2v3v4)) ++n+Q(v1v2v3v4) ++PN1(nv1v2v3v4)(n+1+Q(v1v2v3v4)) ++PN2(nv1v2v3v4)(n+2+Q(v1v2v3v4)) ++PN3(nv1v2v3v4)(n+3+Q(v1v2v3v4)) ++PN4(nv1v2v3v4)(n+4+Q(v1v2v3v4)) ++PN5(nv1v2v3v4)(n+5+Q(v1v2v3v4)) FUNC VOLTAGE(nv1v2v3v4) (ECSUM)VOLT(nv1v2v3v4)PSUM(nv1v2v3v4) E1 5 0 VALUE= VOLTAGE(N_OPT(V(1)V(2)V(3)V(4))V(1)V(2)V(3)V(4)) Tensatildeo da ilha G1 1 2 VALUE= CURRENT(N_OPT(V(1)V(2)V(3)V(4))V(1)V(2)V(3)V(4)) Corrente da fonte para o dreno CT1 1 5 C1 CT2 2 5 C2 CGATE1 3 5 CG1 CGATE2 4 5 CG2 ENDS SET

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36

Tabela 44 Frequecircncia em -3dB de cada material para lCNT gt λCNT

Interconexatildeo

Intermediaacuteria

Comprimento (L) Material f-3dB

SWCNT isolado 26 GHz

10 microm SWCNT bundle 527 GHz

Cobre 34 GHz

SWCNT isolado 32 MHz

lCNT gt λCNT 100 microm SWCNT bundle 42 GHz

Cobre 345 MHz

SWCNT isolado 13 MHz

500 microm SWCNT bundle 165 MHz

Cobre 14 MHz

Escolheu-se a frequecircncia de 1 MHz que estaacute abaixo da frequecircncia de corte dos trecircs

materiais considerados para analisar e comparar a atenuaccedilatildeo (A) e o tempo de atraso na

propagaccedilatildeo (td) dos trecircs comprimentos A Tabela 45 mostra esse estudo comparativo entre

o SWCNT isolado SWCNT bundle e cobre

Tabela 45 Estudo das interconexotildees com comprimentos na faixa lCNT gt λCNT

Freq L Material A (dB) td (ns)

SWCNT isolado -002 008

10 microm SWCNT bundle 000 000

Cobre 000 000

SWCNT isolado -003 559

1 MHz 100 microm SWCNT bundle -001 005

Cobre -004 056

SWCNT isolado -198 10217

500 microm SWCNT bundle 000 110

Cobre -003 1301

Com base na Tabela 45 observa-se que a atenuaccedilatildeo e o tempo de atraso do SWCNT

isolado aumentam com o aumento do comprimento da interconexatildeo Nessa frequumlecircncia o

atraso na propagaccedilatildeo do SWCNT isolado eacute significativo em relaccedilatildeo ao periacuteodo do sinal de

entrada que eacute 1micros chegando a mais de 10 deste periacuteodo para o comprimento de 500microm

Verifica-se tambeacutem o aumento do tempo de atraso da interconexatildeo de cobre sendo 13

do periacuteodo do sinal de entrada para o comprimento de 500microm

Para analisar melhor a atenuaccedilatildeo e o tempo de atraso do SWCNT bundle e do cobre o

mesmo procedimento foi feito comparando-se somente estes dois materiais para uma

37

mesma frequecircncia de 10 MHz A Tabela 46 mostra esse estudo comparativo entre o

SWCNT bundle e cobre

Tabela 46 Estudo das interconexotildees SWCNT bundle e cobre com comprimentos na faixa

lCNT gt λCNT

Freq L Material A (dB) td (ns)

10 microm SWCNT bundle 000 000

Cobre 000 000

10 MHz 100 microm SWCNT bundle -001 005

Cobre -004 054

500 microm SWCNT bundle -004 107

Cobre -185 1024

Analisando a Tabela 46 observa-se que agrave medida que o comprimento das interconexotildees

aumenta a atenuaccedilatildeo e o atraso do sinal da interconexatildeo de cobre tornam-se significativos

O atraso na propagaccedilatildeo da interconexatildeo de cobre para l = 500microm chega a 10 do periacuteodo

do sinal de entrada (100ns) Jaacute o SWCNT bundle apresenta valores insignificantes de

atenuaccedilatildeo e atraso na propagaccedilatildeo Assim para as interconexotildees intermediaacuterias o SWCNT

bundle possui desempenho superior ao do cobre

43 SIMULACcedilAtildeO DO INVERSOR MONO-ELEacuteTRON

O modelo SPICE do SET proposto por G Lientschnig et al [444] foi simulado no

LTSPICE A partir da equaccedilatildeo (226) foi possiacutevel aumentar a temperatura do SET ateacute

chegar a 300K Assim o esquemaacutetico do SET e os valores de seus paracircmetros para que o

SET opere a 300K estatildeo na Figura 44 No anexo deste trabalho (subseccedilatildeo 81) encontra-

se o coacutedigo SET que foi utilizado [44] Os paracircmetros R1 C1 e R2 C2 correspondem agraves

resistecircncias e capacitacircncias das junccedilotildees-tuacutenel Cg eacute a capacitacircncia de porta (Cg1 no coacutedigo

SET) Vg eacute a tensatildeo de porta e V eacute a tensatildeo de entrada

Figura 44 Esquemaacutetico do SET e os valores de seus paracircmetros

38

A partir destes valores o inversor mono-eleacutetron foi construiacutedo colocando-se dois SETs em

seacuterie os quais compartilham da mesma entrada A Figura 45 ilustra o esquemaacutetico do

inversor mono-eleacutetron juntamente com os valores de seus paracircmetros fixos em que Vin eacute a

tensatildeo de entrada Vout eacute a tensatildeo de saiacuteda Vbias eacute a tensatildeo de polarizaccedilatildeo Cc eacute a

capacitacircncia de carga Cg1 e Cg2 satildeo as capacitacircncias de porta do SET 1 e do SET 2

respectivamente

Figura 45 Esquemaacutetico do inversor mono-eleacutetron e os valores de seus paracircmetros

(modificado de [4])

Assim apoacutes simular o inversor mono-eleacutetron a 300K obteve-se o sinal de saiacuteda mostrado

na Figura 46 Como o inversor estaacute invertendo o sinal de entrada de valor loacutegico baixo em

um sinal de saiacuteda de valor loacutegico alto ele estaacute operando corretamente

Figura 46 Curva do sinal de entrada (em verde) e do sinal de saiacuteda (em preto) do inversor

mono-eleacutetron

39

44 ANAacuteLISE DAS INTERCONEXOtildeES NO H-TREE CLOCK MONO-ELEacuteTRON

Nesta seccedilatildeo a rede H-tree clock de dois niacuteveis foi simulada com portas inversoras mono-

eleacutetron nos pontos de destino final da rede permitindo a anaacutelise de circuitos

nanoeletrocircnicos Simulou-se a rede H-tree considerando interconexotildees ideais para as

frequecircncias de 10 GHz e 100 GHz no sinal de entrada Em seguida para as mesmas duas

frequecircncias considerou-se interconexotildees natildeo-ideais de diferentes comprimentos

analisando a rede com os modelos de interconexatildeo SWCNT bundle e cobre Trecircs redes

com comprimentos de interconexotildees diferentes foram analisadas

l = 100 nm l2 = 50 nm

l = 400 nm l2 = 200 nm

l = 1 μm l2 = 500 nm

441 Anaacutelise da rede com interconexotildees ideais

A partir da simulaccedilatildeo do H-tree clock a frequecircncia em -3dB (f-3dB) da rede com

interconexotildees ideais foi obtida Na saiacuteda de cada porta inversora a banda passante do sinal

eacute 3200 GHz Dessa forma duas frequecircncias abaixo de 3200 GHz foram escolhidas para

analisar o sinal de saiacuteda da inversora em condiccedilotildees ideais As frequecircncias de 10 GHz e

100 GHz seratildeo analisadas obtendo-se as seguintes caracteriacutesticas do sinal de saiacuteda da

inversora niacutevel loacutegico baixo (NB) niacutevel loacutegico alto (NA) tempo de subida (tr) slew rate

de subida (SR) atenuaccedilatildeo (A) e tempo de atraso (td) A Tabela 47 mostra os valores

obtidos para as duas frequecircncias em anaacutelise

Tabela 47 Caracteriacutesticas dos sinais de saiacuteda da rede para interconexotildees ideais

Freq NB(mV) NA(mV) tr (ps) SR(Vns) A(dB) td (ps)

10 GHz 675 4518 356 8636 -264 412

100 GHz 678 4279 317 9088 -269 189

Os caacutelculos da potecircncia estaacutetica ( IVP DDE ) potecircncia dinacircmica ( CVfP DDD 2 ) e

potecircncia total ( DE PPP ) dissipada por cada porta inversora foram realizados bem

como o produto atraso-potecircncia (DP) Assim a Tabela 48 mostra os valores obtidos no

40

caacutelculo destes paracircmetros Como a potecircncia estaacutetica independe da frequecircncia do sinal de

entrada o seu valor eacute o mesmo nos dois casos

Tabela 48 Potecircncia dissipada por cada porta inversora para interconexotildees ideais

Frequecircncia PE (nW) PD (nW) P (nW) DP (10-18

Wmiddots)

10 GHz 4838 125 4963 020

100 GHz 4838 125 6088 012

As Tabelas 47 e 48 serviratildeo de referecircncia para as anaacutelises da rede com interconexotildees natildeo-

ideais analisadas na subseccedilatildeo seguinte As Figuras 47 e 48 ilustram o sinal de saiacuteda das

redes com frequecircncias de 10 GHz e de 100 GHz respectivamente Eacute possiacutevel observar que

na frequecircncia de 100 GHz o sinal de saiacuteda jaacute eacute distorcido em relaccedilatildeo ao sinal de referecircncia

(Figura 46)

Figura 47 Sinal de entrada (em verde) e sinal de saiacuteda (em preto) da rede a 10 GHz

Figura 48 Sinal de entrada (em verde) e sinal de saiacuteda (em preto) da rede a 100 GHz

41

442 Anaacutelise da rede com interconexotildees natildeo-ideais

Apoacutes obter as caracteriacutesticas da rede H-tree clock com interconexotildees ideais a anaacutelise da

rede com interconexotildees natildeo-ideais seraacute feita Primeiramente eacute importante verificar a

frequecircncia em -3dB do sinal depois das interconexotildees ou seja na entrada da porta

inversora Caso essa frequecircncia seja menor que a frequecircncia de 3200 GHz obtida com

interconexotildees ideais entatildeo a interconexatildeo afetaraacute o comportamento da rede A Tabela 49

mostra a frequecircncia em -3dB na entrada da inversora para interconexotildees natildeo-ideais

Tabela 49 Frequecircncia em -3dB na entrada da inversora para interconexotildees natildeo-ideais

Comprimentos (l2 l) Material f-3dB

50nm 100nm SWCNT bundle 122 THz

Cobre 175 THz

200nm 400nm SWCNT bundle 31 THz

Cobre 8606 GHz

500nm 1microm SWCNT bundle 12 THz

Cobre 1268 GHz

Assim verifica-se que a interconexatildeo de cobre da rede 500nm1microm possui frequecircncia em

-3dB abaixo da frequecircncia do circuito com interconexatildeo ideal (3200 GHz) Isso indica que

esta interconexatildeo interfere significativamente no comportamento da rede A Tabela 49

mostra tambeacutem que a banda passante da interconexatildeo de cobre soacute eacute maior que a da

interconexatildeo de SWCNT bundle no primeiro caso na rede de 50nm100nm o que mostra

uma vantagem do SWCNT bundle em relaccedilatildeo ao cobre A partir dessas informaccedilotildees a

rede H-tree clock com interconexotildees natildeo-ideais seraacute analisada detalhadamente

4421 Anaacutelise da rede a 10 GHz

As redes com interconexotildees natildeo-ideais seratildeo analisadas na frequecircncia de 10 GHz para

diferentes comprimentos Primeiramente o niacutevel loacutegico baixo (NB) o niacutevel loacutegico alto

(NA) o tempo de subida (tr) e o slew rate de subida (SR) foram obtidos conforme mostra a

Tabela 410 Com base nessa tabela verifica-se que na frequecircncia de 10 GHz essas

caracteriacutesticas natildeo foram modificadas pelas interconexotildees natildeo-ideais independentemente

do comprimento Os valores dos paracircmetros satildeo iguais aos obtidos na rede com

interconexatildeo ideal conforme Tabela 47 O sinal obtido na saiacuteda de cada inversor eacute igual

ao ilustrado na Figura 47

42

Tabela 410 Niacuteveis loacutegicos tempo de subida e slew rate dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 10 GHz

Freq L (l2l) Material NB(mV) NA(mV) tr(ps) SR(Vns)

10

GHz

50nm

100nm

SWCNT bundle 675 4518 356 8636

Cobre 675 4518 356 8636

200nm

400nm

SWCNT bundle 675 4518 356 8636

Cobre 675 4518 356 8636

500nm

1microm

SWCNT bundle 675 4518 356 8636

Cobre 675 4518 356 8636

A Tabela 411 mostra a atenuaccedilatildeo tempo de atraso potecircncia total dissipada e o produto

atraso-potecircncia obtidos a frequecircncia de 10 GHz para interconexotildees natildeo-ideais Observa-se

que a atenuaccedilatildeo do sinal e a potecircncia total dissipada por cada porta inversora permanecem

os mesmos em relaccedilatildeo agrave interconexatildeo ideal mostrando que a essa frequecircncia as

interconexotildees natildeo-ideais natildeo interferem nestes paracircmetros

Jaacute o atraso na propagaccedilatildeo do sinal no caso do cobre aumenta agrave medida que as

interconexotildees aumentam de comprimento aumentando tambeacutem o produto atraso-potecircncia

Esse atraso chega a 66 do periacuteodo do sinal de entrada para a interconexatildeo 500nm1microm

de cobre No entanto estes paracircmetros natildeo satildeo afetados pelas interconexotildees de SWCNT

bundle indicando que este material se sobressai em relaccedilatildeo ao cobre

Tabela 411 Atenuaccedilatildeo atraso potecircncia e produto atraso-potecircncia dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 10 GHz

Freq L (l2l) Material A (dB) td (ps) P (nW) DP(10-18

Wmiddots)

10

GHz

50nm

100nm

SWCNT bundle -264 412 4963 020

Cobre -264 412 4963 020

200nm

400nm

SWCNT bundle -264 412 4963 020

Cobre -264 438 4963 022

500nm

1microm

SWCNT bundle -264 412 4963 020

Cobre -264 659 4963 033

4422 Anaacutelise da rede a 100 GHz

As redes com interconexotildees natildeo-ideais seratildeo analisadas na frequecircncia de 100 GHz para

diferentes comprimentos O niacutevel loacutegico baixo (NB) o niacutevel loacutegico alto (NA) o tempo de

subida (tr) e o slew rate de subida (SR) foram obtidos conforme mostra a Tabela 412 Jaacute a

43

Tabela 413 mostra a atenuaccedilatildeo tempo de atraso potecircncia total dissipada e o produto

atraso-potecircncia obtidos a frequecircncia de 100 GHz para interconexotildees natildeo-ideais

Tabela 412 Niacuteveis loacutegicos tempo de subida e slew rate dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 100 GHz

Freq L (l2l) Material NB(mV) NA(mV) tr(ps) SR(Vns)

100

GHz

50nm

100nm

SWCNT bundle 678 4272 316 9099

Cobre 675 4277 323 9107

200nm

400nm

SWCNT bundle 678 4299 315 9196

Cobre 677 4089 289 9447

500nm

1microm

SWCNT bundle 678 4418 300 9973

Cobre 635 1766 102 6795

Tabela 413 Atenuaccedilatildeo atraso potecircncia e produto atraso-potecircncia dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 100 GHz

Freq L (l2l) Material A (dB) td (ps) P (nW) DP(10-18

Wmiddots)

100

GHz

50nm

100nm

SWCNT bundle -2703 189 6088 012

Cobre -2685 191 6088 012

200nm

400nm

SWCNT bundle -2693 188 6088 012

Cobre -2698 228 6088 014

500nm

1microm

SWCNT bundle -2673 174 6088 011

Cobre -2893 388 6088 024

A partir das Tabelas 412 e 413 o SWCNT bundle seraacute analisado Observa-se que os seus

niacuteveis loacutegicos altos aumentam com o aumento do comprimento das interconexotildees

aumentando tambeacutem o slew rate de subida Esse comportamento ocorre provavelmente

devido ao efeito ressonante provocado pela indutacircncia que provoca um pico no graacutefico da

frequumlecircncia antes dele comeccedilar a decair conforme explicado na subseccedilatildeo 421 Isso implica

na diminuiccedilatildeo da atenuaccedilatildeo do sinal e do atraso No entanto o produto atraso-potecircncia

permanece praticamente invariaacutevel jaacute que a potecircncia total dissipada natildeo se altera

Em relaccedilatildeo agraves interconexotildees de cobre verifica-se que as distorccedilotildees satildeo significativas Agrave

medida que o comprimento aumenta a atenuaccedilatildeo do sinal de saiacuteda aumenta Isso provoca

diminuiccedilatildeo no slew rate do sinal o que natildeo eacute desejado jaacute que o sinal demora mais para

atingir o niacutevel loacutegico alto Aleacutem disso o atraso na propagaccedilatildeo do sinal aumenta bastante

chegando a 388 do periacuteodo do sinal de entrada para a interconexatildeo 500nm1microm

Consequentemente o produto atraso-potecircncia tambeacutem aumenta sendo o dobro do valor de

44

referecircncia (interconexotildees ideais) A Figura 49 ilustra o sinal de saiacuteda da interconexatildeo

500nm1microm de cobre

Figura 49 Sinal de entrada (em verde) e sinal de saiacuteda (em preto) da rede a 100 GHz para

a interconexatildeo 500nm1microm de cobre

Comparando-se as potecircncias das tabelas 47 48 411 413 verifica-se que natildeo haacute

alteraccedilatildeo na potecircncia total dissipada pelo circuito com interconexotildees ideais e pelos

circuitos com interconexotildees natildeo-ideais para uma mesma frequecircncia Assim eacute importante

destacar que a dissipaccedilatildeo de potecircncia das interconexotildees de SWCNT bundle e de cobre natildeo

interfere na potecircncia total dissipada pelo circuito

443 Consideraccedilotildees Finais

Apoacutes analisar as interconexotildees locais de SWCNT de SWCNT bundle e de cobre

verificou-se que as interconexotildees de SWCNT bundle possuem desempenho comparaacutevel ao

das interconexotildees de cobre Em relaccedilatildeo agraves interconexotildees intermediaacuterias as de SWCNT

bundle apresentam desempenho superior agraves de cobre Jaacute as interconexotildees de SWCNT

isolado tanto para interconexotildees locais como para interconexotildees intermediaacuterias

apresentam desempenho inferior agraves interconexotildees de SWCNT bundle e de cobre natildeo

sendo propiacutecias a serem utilizadas em interconexotildees de circuitos integrados

Na anaacutelise das interconexotildees natildeo-ideais na rede H-tree clock mono-eleacutetron para a

frequecircncia de 10GHz observou-se que o niacutevel loacutegico baixo o niacutevel loacutegico alto o tempo de

subida o slew rate de subida a atenuaccedilatildeo do sinal e a potecircncia total dissipada por cada

porta inversora permanecem os mesmos em relaccedilatildeo agrave interconexatildeo ideal mostrando que

45

para esta frequecircncia as interconexotildees natildeo-ideais natildeo interferem nestes paracircmetros Jaacute o

atraso na propagaccedilatildeo do sinal no caso do cobre aumenta agrave medida que as interconexotildees

aumentam de comprimento aumentando tambeacutem o produto atraso-potecircncia No entanto

estes paracircmetros natildeo satildeo afetados pelas interconexotildees de SWCNT bundle indicando que

este material se sobressai em relaccedilatildeo ao cobre

Jaacute para a rede H-tree clock mono-eleacutetron a 100GHz observou-se que o circuito com

interconexotildees natildeo-ideais afetou bastante os paracircmetros em anaacutelise se comparados aos

obtidos para interconexotildees ideais Verificou-se que as distorccedilotildees provocadas pelas

interconexotildees de cobre foram significativas indicando que as interconexotildees de SWCNT

bundle possuem melhor desempenho que as de cobre

Assim constata-se que as interconexotildees de SWCNT bundle satildeo fortes candidatas a

substituirem as interconexotildees de cobre em circuitos em escala giga (GSI) e tera (TSI)

46

5 CONCLUSOtildeES

Nesta dissertaccedilatildeo o estudo das interconexotildees de SWCNT de SWCNT bundle e de cobre

foi realizado analisando e comparando os seus desempenhos para diferentes

comprimentos A partir desse estudo verificou-se que as interconexotildees de SWCNT bundle

possui desempenho comparaacutevel ao das interconexotildees de cobre no caso de interconexotildees

locais Em relaccedilatildeo agraves interconexotildees intermediaacuterias as de SWCNT bundle apresentam

desempenho superior agraves de cobre

As interconexotildees de SWCNT bundle e as interconexotildees de cobre foram entatildeo simuladas na

rede H-tree clock de dois niacuteveis para diferentes comprimentos e frequecircncias Nos pontos

de destino final da rede foram colocadas portas inversoras formadas por SETs permitindo

a anaacutelise de circuitos nanoeletrocircnicos

A partir da anaacutelise da rede H-tree clock observou-se que as interconexotildees de SWCNT

bundle possuem desempenho melhor que as de cobre principalmente em relaccedilatildeo ao slew

rate agrave atenuaccedilatildeo ao tempo de atraso e ao produto atraso-potecircncia Aleacutem disso a

dissipaccedilatildeo de potecircncia das interconexotildees natildeo-ideais natildeo interferem na potecircncia total

dissipada pelo circuito Assim as interconexotildees de SWCNT bundle satildeo fortes candidatas a

substituirem as interconexotildees de cobre em circuitos em escala giga (GSI) e tera (TSI)

Como perspectivas futuras eacute importante analisar o efeito das interconexotildees de nanotubo de

carbono em circuitos GSI e TSI com outras arquiteturas A anaacutelise das interconexotildees de

CNT tambeacutem deve ser feita em circuitos com tecnologia MOS permitindo a comparaccedilatildeo

entre diferentes tecnologias Aleacutem disso eacute interessante estudar outros tipos de materiais

que possam ser utilizados como interconexotildees em circuitos integrados

47

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53

7 APEcircNDICES

71 TABELAS COMPLEMENTARES

Tabela 71 Paracircmetros obtidos a partir do modelo de SWCNT isolado

L RQ (Ω) RS (Ω) LCNT (10-9

H) CCNT (10-18

F)

10 nm 645103 - 40010

-2 27910

-1

100 nm 645103 - 40010

-1 279

200 nm 645103 - 80010

-1 558

300 nm 645103 - 120 837

400 nm 645103 - 160 11210

1

500 nm 645103 - 200 14010

1

600 nm 645103 - 240 16710

1

700 nm 645103 - 280 19510

1

800 nm 645103 - 320 22310

1

900 nm 645103 - 360 25110

1

1 microm 645103 - 400 27910

1

10 microm 645103 64510

4 40010

1 27910

2

100 microm 645103 64510

5 40010

2 27910

3

200 microm 645103 12910

6 80010

2 55810

3

300 microm 645103 19410

6 12010

3 83710

3

400 microm

645103 25810

6 16010

3 11210

4

500 microm

645103 32310

6 20010

3 14010

4

Tabela 72 Paracircmetros obtidos a partir do modelo de SWCNT bundle

L RQ (Ω) RS (Ω) LBundle(10-9

H) CBundle(10-18

F)

10 nm 1075 - 66710-5

135

100 nm 1075 - 66710-4

135101

200 nm 1075 - 13310-3

270101

300 nm 1075 - 20010-3

405101

400 nm 1075 - 26710-3

540101

500 nm 1075 - 33310-3

675101

600 nm 1075 - 40010-3

810101

700 nm 1075 - 46710-3

945101

800 nm 1075 - 53310-3

108102

900 nm 1075 - 60010-3

122102

1 microm 1075 - 66710-3

135102

10 microm 1075 108102 66710

-2 13510

3

100 microm 1075 108103 66710

-1 13510

4

200 microm 1075 215103 133 27010

4

300 microm 1075 323103 200 40510

4

400 microm

1075 430103 267 54010

4

500 microm

1075 538103 333 67510

4

54

Tabela 73 Paracircmetros obtidos a partir do modelo de cobre

L RCu (Ω) LCu (10-9

H) CCu (10-18

F)

10 nm 06 37310-6

150

100 nm 60 63610-5

150101

200 nm 120 17510-4

300101

300 nm 180 30910-4

450101

400 nm 240 45410-4

600101

500 nm 300 61110-4

750101

600 nm 360 77510-4

900101

700 nm 420 94610-4

105102

800 nm 480 11210-3

120102

900 nm 540 13110-3

135102

1 microm 600 14910-3

150102

10 microm 60102 24010

-2 15010

3

100 microm 60103 33210

-1 15010

4

200 microm 12104 72010

-1 30010

4

300 microm 18104 113 45010

4

400 microm

24104 155 60010

4

500 microm

30104 198 75010

4

55

Tabela 74 Frequecircncia em -3dB das interconexotildees locais

Comprimento Material f-3dB

10 nm SWCNT isolado 253 GHz

SWCNT bundle 66 THz

Cobre 232 THz

100 nm SWCNT isolado 300 GHz

SWCNT bundle 20 THz

Cobre 51 THz

200 nm SWCNT isolado 342 GHz

SWCNT bundle 14 THz

Cobre 29 THz

300 nm SWCNT isolado 344 GHz

SWCNT bundle 11 THz

Cobre 20 THz

400 nm SWCNT isolado 329 GHz

SWCNT bundle 89 THz

Cobre 15 THz

500 nm SWCNT isolado 307 GHz

SWCNT bundle 76 THz

Cobre 12 THz

600 nm SWCNT isolado 288 GHz

SWCNT bundle 67 THz

Cobre 94 THz

700 nm SWCNT isolado 271 GHz

SWCNT bundle 61 THz

Cobre 76 THz

800 nm SWCNT isolado 255 GHz

SWCNT bundle 55 THz

Cobre 63 THz

900 nm SWCNT isolado 240 GHz

SWCNT bundle 51 THz

Cobre 52 THz

1 microm SWCNT isolado 230 GHz

SWCNT bundle 47 THz

Cobre 42 THz

56

Tabela 75 Frequecircncia em -3dB das interconexotildees intermediaacuterias

Comprimento Material f-3dB

10 microm SWCNT isolado 26 GHz

SWCNT bundle 527 GHz

Cobre 34 GHz

100 microm SWCNT isolado 32 MHz

SWCNT bundle 42 GHz

Cobre 345 MHz

200 microm SWCNT isolado 82 MHz

SWCNT bundle 10 GHz

Cobre 87 MHz

300 microm SWCNT isolado 36 MHz

SWCNT bundle 455 MHz

Cobre 38 MHz

400 microm SWCNT isolado 21 MHz

SWCNT bundle 256 MHz

Cobre 21 MHz

500 microm SWCNT isolado 13 MHz

SWCNT bundle 165 MHz

Cobre 14 MHz

57

8 ANEXOS

81 COacuteDIGO SPICE DO SET [44]

Transistor mono-eleacutetron (SET) conexotildees fonte | dreno | | porta1 | | | porta2 | | | | SUBCKT SET 1 2 3 4 PARAMS +C1=1E-20 Capacitacircncia da junccedilatildeo 1 +C2=1E-20 Capacitacircncia da junccedilatildeo 2 +R1=1E5 Resistecircncia da junccedilatildeo 1 +R2=1E5 Resistecircncia da junccedilatildeo 2 +Cg1=015E-18 Capacitacircncia da junccedilatildeo 1 +Cg2=0 Capacitacircncia da junccedilatildeo 2 +C0=0 Capacitacircncia proacutepria da ilha +Q0=005 Carga offset em unidades de e +TEMP=300 Temperatura PARAM E=160217733E-19 Carga do eleacutetron (e) PARAM CSUM=C1+C2+Cg1+Cg2+C0 Capacitacircncia total do SET PARAM T=TEMPCSUM53785467E14 Temperatura normalizada 53785467E14 = kBe^2 PARAM RN1=R1(R1+R2) Resistecircncia da junccedilatildeo 1 normalizada PARAM RN2=R2(R1+R2) Resistecircncia da junccedilatildeo 2 normalizada FUNC Q(v1v2v3v4) (Cg1v3+Cg2v4+C1v1+C2v2)E+Q0 Definiccedilatildeo da carga em unidades de e FUNC VN(v) CSUMvE Tensatildeo normalizada FUNC GAMMA(u) IF(T==0IF(ult0-u0)IF(u==0Tu(EXP(uT)-1))) FUNC N_OPT(v1v2v3v4) ROUND(-Q(v1v2v3v4)+(CSUME) (v1RN2+v2RN1)) A maior probabilidade de carga na ilha em unidades de e Os quarto eventos tuacuteneis FUNC R1L(nv1v2v3v4) GAMMA(05 - n - Q(v1v2v3v4) + VN(v1))RN1 FUNC R1R(nv1v2v3v4) GAMMA(05 + n + Q(v1v2v3v4) - VN(v1))RN1 FUNC R2L(nv1v2v3v4) GAMMA(05 + n + Q(v1v2v3v4) - VN(v2))RN2 FUNC R2R(nv1v2v3v4) GAMMA(05 - n - Q(v1v2v3v4) + VN(v2))RN2

58

determinaccedilatildeo das probabilidades relativas assume-se inicialmente que o estado da carga N_OPT tem probabilidade relativa igual a um FUNC PN_1(nv1v2v3v4) (R1L(nv1v2v3v4)+R2R(nv1v2v3v4))(R1R(n-1v1v2v3v4)+R2L(n-1v1v2v3v4)) FUNC PN_2(nv1v2v3v4) PN_1(nv1v2v3v4) +(R1L(n-1v1v2v3v4)+R2R(n-1v1v2v3v4))(R1R(n-2v1v2v3v4)+R2L(n-2v1v2v3v4)) FUNC PN_3(nv1v2v3v4) PN_2(nv1v2v3v4) +(R1L(n-2v1v2v3v4)+R2R(n-2v1v2v3v4))(R1R(n-3v1v2v3v4)+R2L(n-3v1v2v3v4)) FUNC PN_4(nv1v2v3v4) PN_3(nv1v2v3v4) +(R1L(n-3v1v2v3v4)+R2R(n-3v1v2v3v4))(R1R(n-4v1v2v3v4)+R2L(n-4v1v2v3v4)) FUNC PN_5(nv1v2v3v4) PN_4(nv1v2v3v4) +(R1L(n-4v1v2v3v4)+R2R(n-4v1v2v3v4))(R1R(n-5v1v2v3v4)+R2L(n-5v1v2v3v4)) FUNC PN1(nv1v2v3v4) (R2L(nv1v2v3v4) +R1R(nv1v2v3v4))(R2R(n+1v1v2v3v4)+R1L(n+1v1v2v3v4)) FUNC PN2(nv1v2v3v4) PN1(nv1v2v3v4) +(R2L(n+1v1v2v3v4)+R1R(n+1v1v2v3v4))(R2R(n+2v1v2v3v4)+R1L(n+2v1v2v3v4)) FUNC PN3(nv1v2v3v4) PN2(nv1v2v3v4) +(R2L(n+2v1v2v3v4)+R1R(n+2v1v2v3v4))(R2R(n+3v1v2v3v4)+R1L(n+3v1v2v3v4)) FUNC PN4(nv1v2v3v4) PN3(nv1v2v3v4) +(R2L(n+3v1v2v3v4)+R1R(n+3v1v2v3v4))(R2R(n+4v1v2v3v4)+R1L(n+4v1v2v3v4)) FUNC PN5(nv1v2v3v4) PN4(nv1v2v3v4) +(R2L(n+4v1v2v3v4)+R1R(n+4v1v2v3v4))(R2R(n+5v1v2v3v4)+R1L(n+5v1v2v3v4)) FUNC PSUM(nv1v2v3v4) PN_5(nv1v2v3v4)+PN_4(nv1v2v3v4)+PN_3(nv1v2v3v4)+PN_2(nv1v2v3v4) ++PN_1(nv1v2v3v4)+1+PN1(nv1v2v3v4)+PN2(nv1v2v3v4)+PN3(nv1v2v3v4) ++PN4(nv1v2v3v4)+PN5(nv1v2v3v4)

59

caacutelculo da corrente da fonte para o dreno FUNC CUR(nv1v2v3v4) PN_5(nv1v2v3v4)(R1R(n-5v1v2v3v4)-R1L(n-5v1v2v3v4)) ++PN_4(nv1v2v3v4)(R1R(n-4v1v2v3v4)-R1L(n-4v1v2v3v4)) ++PN_3(nv1v2v3v4)(R1R(n-3v1v2v3v4)-R1L(n-3v1v2v3v4)) ++PN_2(nv1v2v3v4)(R1R(n-2v1v2v3v4)-R1L(n-2v1v2v3v4)) ++PN_1(nv1v2v3v4)(R1R(n-1v1v2v3v4)-R1L(n-1v1v2v3v4)) ++(R1R(nv1v2v3v4)-R1L(nv1v2v3v4)) ++PN1(nv1v2v3v4)(R1R(n+1v1v2v3v4)-R1L(n+1v1v2v3v4)) ++PN2(nv1v2v3v4)(R1R(n+2v1v2v3v4)-R1L(n+2v1v2v3v4)) ++PN3(nv1v2v3v4)(R1R(n+3v1v2v3v4)-R1L(n+3v1v2v3v4)) ++PN4(nv1v2v3v4)(R1R(n+4v1v2v3v4)-R1L(n+4v1v2v3v4)) ++PN5(nv1v2v3v4)(R1R(n+5v1v2v3v4)-R1L(n+5v1v2v3v4)) FUNC CURRENT(nv1v2v3v4) ECUR(nv1v2v3v4)(CSUMPSUM(nv1v2v3v4)(R1+R2)) caacutelculo da tensatildeo da ilha FUNC VOLT(nv1v2v3v4) PN_5(nv1v2v3v4)(n-5+Q(v1v2v3v4)) ++PN_4(nv1v2v3v4)(n-4+Q(v1v2v3v4)) ++PN_3(nv1v2v3v4)(n-3+Q(v1v2v3v4)) ++PN_2(nv1v2v3v4)(n-2+Q(v1v2v3v4)) ++PN_1(nv1v2v3v4)(n-1+Q(v1v2v3v4)) ++n+Q(v1v2v3v4) ++PN1(nv1v2v3v4)(n+1+Q(v1v2v3v4)) ++PN2(nv1v2v3v4)(n+2+Q(v1v2v3v4)) ++PN3(nv1v2v3v4)(n+3+Q(v1v2v3v4)) ++PN4(nv1v2v3v4)(n+4+Q(v1v2v3v4)) ++PN5(nv1v2v3v4)(n+5+Q(v1v2v3v4)) FUNC VOLTAGE(nv1v2v3v4) (ECSUM)VOLT(nv1v2v3v4)PSUM(nv1v2v3v4) E1 5 0 VALUE= VOLTAGE(N_OPT(V(1)V(2)V(3)V(4))V(1)V(2)V(3)V(4)) Tensatildeo da ilha G1 1 2 VALUE= CURRENT(N_OPT(V(1)V(2)V(3)V(4))V(1)V(2)V(3)V(4)) Corrente da fonte para o dreno CT1 1 5 C1 CT2 2 5 C2 CGATE1 3 5 CG1 CGATE2 4 5 CG2 ENDS SET

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37

mesma frequecircncia de 10 MHz A Tabela 46 mostra esse estudo comparativo entre o

SWCNT bundle e cobre

Tabela 46 Estudo das interconexotildees SWCNT bundle e cobre com comprimentos na faixa

lCNT gt λCNT

Freq L Material A (dB) td (ns)

10 microm SWCNT bundle 000 000

Cobre 000 000

10 MHz 100 microm SWCNT bundle -001 005

Cobre -004 054

500 microm SWCNT bundle -004 107

Cobre -185 1024

Analisando a Tabela 46 observa-se que agrave medida que o comprimento das interconexotildees

aumenta a atenuaccedilatildeo e o atraso do sinal da interconexatildeo de cobre tornam-se significativos

O atraso na propagaccedilatildeo da interconexatildeo de cobre para l = 500microm chega a 10 do periacuteodo

do sinal de entrada (100ns) Jaacute o SWCNT bundle apresenta valores insignificantes de

atenuaccedilatildeo e atraso na propagaccedilatildeo Assim para as interconexotildees intermediaacuterias o SWCNT

bundle possui desempenho superior ao do cobre

43 SIMULACcedilAtildeO DO INVERSOR MONO-ELEacuteTRON

O modelo SPICE do SET proposto por G Lientschnig et al [444] foi simulado no

LTSPICE A partir da equaccedilatildeo (226) foi possiacutevel aumentar a temperatura do SET ateacute

chegar a 300K Assim o esquemaacutetico do SET e os valores de seus paracircmetros para que o

SET opere a 300K estatildeo na Figura 44 No anexo deste trabalho (subseccedilatildeo 81) encontra-

se o coacutedigo SET que foi utilizado [44] Os paracircmetros R1 C1 e R2 C2 correspondem agraves

resistecircncias e capacitacircncias das junccedilotildees-tuacutenel Cg eacute a capacitacircncia de porta (Cg1 no coacutedigo

SET) Vg eacute a tensatildeo de porta e V eacute a tensatildeo de entrada

Figura 44 Esquemaacutetico do SET e os valores de seus paracircmetros

38

A partir destes valores o inversor mono-eleacutetron foi construiacutedo colocando-se dois SETs em

seacuterie os quais compartilham da mesma entrada A Figura 45 ilustra o esquemaacutetico do

inversor mono-eleacutetron juntamente com os valores de seus paracircmetros fixos em que Vin eacute a

tensatildeo de entrada Vout eacute a tensatildeo de saiacuteda Vbias eacute a tensatildeo de polarizaccedilatildeo Cc eacute a

capacitacircncia de carga Cg1 e Cg2 satildeo as capacitacircncias de porta do SET 1 e do SET 2

respectivamente

Figura 45 Esquemaacutetico do inversor mono-eleacutetron e os valores de seus paracircmetros

(modificado de [4])

Assim apoacutes simular o inversor mono-eleacutetron a 300K obteve-se o sinal de saiacuteda mostrado

na Figura 46 Como o inversor estaacute invertendo o sinal de entrada de valor loacutegico baixo em

um sinal de saiacuteda de valor loacutegico alto ele estaacute operando corretamente

Figura 46 Curva do sinal de entrada (em verde) e do sinal de saiacuteda (em preto) do inversor

mono-eleacutetron

39

44 ANAacuteLISE DAS INTERCONEXOtildeES NO H-TREE CLOCK MONO-ELEacuteTRON

Nesta seccedilatildeo a rede H-tree clock de dois niacuteveis foi simulada com portas inversoras mono-

eleacutetron nos pontos de destino final da rede permitindo a anaacutelise de circuitos

nanoeletrocircnicos Simulou-se a rede H-tree considerando interconexotildees ideais para as

frequecircncias de 10 GHz e 100 GHz no sinal de entrada Em seguida para as mesmas duas

frequecircncias considerou-se interconexotildees natildeo-ideais de diferentes comprimentos

analisando a rede com os modelos de interconexatildeo SWCNT bundle e cobre Trecircs redes

com comprimentos de interconexotildees diferentes foram analisadas

l = 100 nm l2 = 50 nm

l = 400 nm l2 = 200 nm

l = 1 μm l2 = 500 nm

441 Anaacutelise da rede com interconexotildees ideais

A partir da simulaccedilatildeo do H-tree clock a frequecircncia em -3dB (f-3dB) da rede com

interconexotildees ideais foi obtida Na saiacuteda de cada porta inversora a banda passante do sinal

eacute 3200 GHz Dessa forma duas frequecircncias abaixo de 3200 GHz foram escolhidas para

analisar o sinal de saiacuteda da inversora em condiccedilotildees ideais As frequecircncias de 10 GHz e

100 GHz seratildeo analisadas obtendo-se as seguintes caracteriacutesticas do sinal de saiacuteda da

inversora niacutevel loacutegico baixo (NB) niacutevel loacutegico alto (NA) tempo de subida (tr) slew rate

de subida (SR) atenuaccedilatildeo (A) e tempo de atraso (td) A Tabela 47 mostra os valores

obtidos para as duas frequecircncias em anaacutelise

Tabela 47 Caracteriacutesticas dos sinais de saiacuteda da rede para interconexotildees ideais

Freq NB(mV) NA(mV) tr (ps) SR(Vns) A(dB) td (ps)

10 GHz 675 4518 356 8636 -264 412

100 GHz 678 4279 317 9088 -269 189

Os caacutelculos da potecircncia estaacutetica ( IVP DDE ) potecircncia dinacircmica ( CVfP DDD 2 ) e

potecircncia total ( DE PPP ) dissipada por cada porta inversora foram realizados bem

como o produto atraso-potecircncia (DP) Assim a Tabela 48 mostra os valores obtidos no

40

caacutelculo destes paracircmetros Como a potecircncia estaacutetica independe da frequecircncia do sinal de

entrada o seu valor eacute o mesmo nos dois casos

Tabela 48 Potecircncia dissipada por cada porta inversora para interconexotildees ideais

Frequecircncia PE (nW) PD (nW) P (nW) DP (10-18

Wmiddots)

10 GHz 4838 125 4963 020

100 GHz 4838 125 6088 012

As Tabelas 47 e 48 serviratildeo de referecircncia para as anaacutelises da rede com interconexotildees natildeo-

ideais analisadas na subseccedilatildeo seguinte As Figuras 47 e 48 ilustram o sinal de saiacuteda das

redes com frequecircncias de 10 GHz e de 100 GHz respectivamente Eacute possiacutevel observar que

na frequecircncia de 100 GHz o sinal de saiacuteda jaacute eacute distorcido em relaccedilatildeo ao sinal de referecircncia

(Figura 46)

Figura 47 Sinal de entrada (em verde) e sinal de saiacuteda (em preto) da rede a 10 GHz

Figura 48 Sinal de entrada (em verde) e sinal de saiacuteda (em preto) da rede a 100 GHz

41

442 Anaacutelise da rede com interconexotildees natildeo-ideais

Apoacutes obter as caracteriacutesticas da rede H-tree clock com interconexotildees ideais a anaacutelise da

rede com interconexotildees natildeo-ideais seraacute feita Primeiramente eacute importante verificar a

frequecircncia em -3dB do sinal depois das interconexotildees ou seja na entrada da porta

inversora Caso essa frequecircncia seja menor que a frequecircncia de 3200 GHz obtida com

interconexotildees ideais entatildeo a interconexatildeo afetaraacute o comportamento da rede A Tabela 49

mostra a frequecircncia em -3dB na entrada da inversora para interconexotildees natildeo-ideais

Tabela 49 Frequecircncia em -3dB na entrada da inversora para interconexotildees natildeo-ideais

Comprimentos (l2 l) Material f-3dB

50nm 100nm SWCNT bundle 122 THz

Cobre 175 THz

200nm 400nm SWCNT bundle 31 THz

Cobre 8606 GHz

500nm 1microm SWCNT bundle 12 THz

Cobre 1268 GHz

Assim verifica-se que a interconexatildeo de cobre da rede 500nm1microm possui frequecircncia em

-3dB abaixo da frequecircncia do circuito com interconexatildeo ideal (3200 GHz) Isso indica que

esta interconexatildeo interfere significativamente no comportamento da rede A Tabela 49

mostra tambeacutem que a banda passante da interconexatildeo de cobre soacute eacute maior que a da

interconexatildeo de SWCNT bundle no primeiro caso na rede de 50nm100nm o que mostra

uma vantagem do SWCNT bundle em relaccedilatildeo ao cobre A partir dessas informaccedilotildees a

rede H-tree clock com interconexotildees natildeo-ideais seraacute analisada detalhadamente

4421 Anaacutelise da rede a 10 GHz

As redes com interconexotildees natildeo-ideais seratildeo analisadas na frequecircncia de 10 GHz para

diferentes comprimentos Primeiramente o niacutevel loacutegico baixo (NB) o niacutevel loacutegico alto

(NA) o tempo de subida (tr) e o slew rate de subida (SR) foram obtidos conforme mostra a

Tabela 410 Com base nessa tabela verifica-se que na frequecircncia de 10 GHz essas

caracteriacutesticas natildeo foram modificadas pelas interconexotildees natildeo-ideais independentemente

do comprimento Os valores dos paracircmetros satildeo iguais aos obtidos na rede com

interconexatildeo ideal conforme Tabela 47 O sinal obtido na saiacuteda de cada inversor eacute igual

ao ilustrado na Figura 47

42

Tabela 410 Niacuteveis loacutegicos tempo de subida e slew rate dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 10 GHz

Freq L (l2l) Material NB(mV) NA(mV) tr(ps) SR(Vns)

10

GHz

50nm

100nm

SWCNT bundle 675 4518 356 8636

Cobre 675 4518 356 8636

200nm

400nm

SWCNT bundle 675 4518 356 8636

Cobre 675 4518 356 8636

500nm

1microm

SWCNT bundle 675 4518 356 8636

Cobre 675 4518 356 8636

A Tabela 411 mostra a atenuaccedilatildeo tempo de atraso potecircncia total dissipada e o produto

atraso-potecircncia obtidos a frequecircncia de 10 GHz para interconexotildees natildeo-ideais Observa-se

que a atenuaccedilatildeo do sinal e a potecircncia total dissipada por cada porta inversora permanecem

os mesmos em relaccedilatildeo agrave interconexatildeo ideal mostrando que a essa frequecircncia as

interconexotildees natildeo-ideais natildeo interferem nestes paracircmetros

Jaacute o atraso na propagaccedilatildeo do sinal no caso do cobre aumenta agrave medida que as

interconexotildees aumentam de comprimento aumentando tambeacutem o produto atraso-potecircncia

Esse atraso chega a 66 do periacuteodo do sinal de entrada para a interconexatildeo 500nm1microm

de cobre No entanto estes paracircmetros natildeo satildeo afetados pelas interconexotildees de SWCNT

bundle indicando que este material se sobressai em relaccedilatildeo ao cobre

Tabela 411 Atenuaccedilatildeo atraso potecircncia e produto atraso-potecircncia dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 10 GHz

Freq L (l2l) Material A (dB) td (ps) P (nW) DP(10-18

Wmiddots)

10

GHz

50nm

100nm

SWCNT bundle -264 412 4963 020

Cobre -264 412 4963 020

200nm

400nm

SWCNT bundle -264 412 4963 020

Cobre -264 438 4963 022

500nm

1microm

SWCNT bundle -264 412 4963 020

Cobre -264 659 4963 033

4422 Anaacutelise da rede a 100 GHz

As redes com interconexotildees natildeo-ideais seratildeo analisadas na frequecircncia de 100 GHz para

diferentes comprimentos O niacutevel loacutegico baixo (NB) o niacutevel loacutegico alto (NA) o tempo de

subida (tr) e o slew rate de subida (SR) foram obtidos conforme mostra a Tabela 412 Jaacute a

43

Tabela 413 mostra a atenuaccedilatildeo tempo de atraso potecircncia total dissipada e o produto

atraso-potecircncia obtidos a frequecircncia de 100 GHz para interconexotildees natildeo-ideais

Tabela 412 Niacuteveis loacutegicos tempo de subida e slew rate dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 100 GHz

Freq L (l2l) Material NB(mV) NA(mV) tr(ps) SR(Vns)

100

GHz

50nm

100nm

SWCNT bundle 678 4272 316 9099

Cobre 675 4277 323 9107

200nm

400nm

SWCNT bundle 678 4299 315 9196

Cobre 677 4089 289 9447

500nm

1microm

SWCNT bundle 678 4418 300 9973

Cobre 635 1766 102 6795

Tabela 413 Atenuaccedilatildeo atraso potecircncia e produto atraso-potecircncia dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 100 GHz

Freq L (l2l) Material A (dB) td (ps) P (nW) DP(10-18

Wmiddots)

100

GHz

50nm

100nm

SWCNT bundle -2703 189 6088 012

Cobre -2685 191 6088 012

200nm

400nm

SWCNT bundle -2693 188 6088 012

Cobre -2698 228 6088 014

500nm

1microm

SWCNT bundle -2673 174 6088 011

Cobre -2893 388 6088 024

A partir das Tabelas 412 e 413 o SWCNT bundle seraacute analisado Observa-se que os seus

niacuteveis loacutegicos altos aumentam com o aumento do comprimento das interconexotildees

aumentando tambeacutem o slew rate de subida Esse comportamento ocorre provavelmente

devido ao efeito ressonante provocado pela indutacircncia que provoca um pico no graacutefico da

frequumlecircncia antes dele comeccedilar a decair conforme explicado na subseccedilatildeo 421 Isso implica

na diminuiccedilatildeo da atenuaccedilatildeo do sinal e do atraso No entanto o produto atraso-potecircncia

permanece praticamente invariaacutevel jaacute que a potecircncia total dissipada natildeo se altera

Em relaccedilatildeo agraves interconexotildees de cobre verifica-se que as distorccedilotildees satildeo significativas Agrave

medida que o comprimento aumenta a atenuaccedilatildeo do sinal de saiacuteda aumenta Isso provoca

diminuiccedilatildeo no slew rate do sinal o que natildeo eacute desejado jaacute que o sinal demora mais para

atingir o niacutevel loacutegico alto Aleacutem disso o atraso na propagaccedilatildeo do sinal aumenta bastante

chegando a 388 do periacuteodo do sinal de entrada para a interconexatildeo 500nm1microm

Consequentemente o produto atraso-potecircncia tambeacutem aumenta sendo o dobro do valor de

44

referecircncia (interconexotildees ideais) A Figura 49 ilustra o sinal de saiacuteda da interconexatildeo

500nm1microm de cobre

Figura 49 Sinal de entrada (em verde) e sinal de saiacuteda (em preto) da rede a 100 GHz para

a interconexatildeo 500nm1microm de cobre

Comparando-se as potecircncias das tabelas 47 48 411 413 verifica-se que natildeo haacute

alteraccedilatildeo na potecircncia total dissipada pelo circuito com interconexotildees ideais e pelos

circuitos com interconexotildees natildeo-ideais para uma mesma frequecircncia Assim eacute importante

destacar que a dissipaccedilatildeo de potecircncia das interconexotildees de SWCNT bundle e de cobre natildeo

interfere na potecircncia total dissipada pelo circuito

443 Consideraccedilotildees Finais

Apoacutes analisar as interconexotildees locais de SWCNT de SWCNT bundle e de cobre

verificou-se que as interconexotildees de SWCNT bundle possuem desempenho comparaacutevel ao

das interconexotildees de cobre Em relaccedilatildeo agraves interconexotildees intermediaacuterias as de SWCNT

bundle apresentam desempenho superior agraves de cobre Jaacute as interconexotildees de SWCNT

isolado tanto para interconexotildees locais como para interconexotildees intermediaacuterias

apresentam desempenho inferior agraves interconexotildees de SWCNT bundle e de cobre natildeo

sendo propiacutecias a serem utilizadas em interconexotildees de circuitos integrados

Na anaacutelise das interconexotildees natildeo-ideais na rede H-tree clock mono-eleacutetron para a

frequecircncia de 10GHz observou-se que o niacutevel loacutegico baixo o niacutevel loacutegico alto o tempo de

subida o slew rate de subida a atenuaccedilatildeo do sinal e a potecircncia total dissipada por cada

porta inversora permanecem os mesmos em relaccedilatildeo agrave interconexatildeo ideal mostrando que

45

para esta frequecircncia as interconexotildees natildeo-ideais natildeo interferem nestes paracircmetros Jaacute o

atraso na propagaccedilatildeo do sinal no caso do cobre aumenta agrave medida que as interconexotildees

aumentam de comprimento aumentando tambeacutem o produto atraso-potecircncia No entanto

estes paracircmetros natildeo satildeo afetados pelas interconexotildees de SWCNT bundle indicando que

este material se sobressai em relaccedilatildeo ao cobre

Jaacute para a rede H-tree clock mono-eleacutetron a 100GHz observou-se que o circuito com

interconexotildees natildeo-ideais afetou bastante os paracircmetros em anaacutelise se comparados aos

obtidos para interconexotildees ideais Verificou-se que as distorccedilotildees provocadas pelas

interconexotildees de cobre foram significativas indicando que as interconexotildees de SWCNT

bundle possuem melhor desempenho que as de cobre

Assim constata-se que as interconexotildees de SWCNT bundle satildeo fortes candidatas a

substituirem as interconexotildees de cobre em circuitos em escala giga (GSI) e tera (TSI)

46

5 CONCLUSOtildeES

Nesta dissertaccedilatildeo o estudo das interconexotildees de SWCNT de SWCNT bundle e de cobre

foi realizado analisando e comparando os seus desempenhos para diferentes

comprimentos A partir desse estudo verificou-se que as interconexotildees de SWCNT bundle

possui desempenho comparaacutevel ao das interconexotildees de cobre no caso de interconexotildees

locais Em relaccedilatildeo agraves interconexotildees intermediaacuterias as de SWCNT bundle apresentam

desempenho superior agraves de cobre

As interconexotildees de SWCNT bundle e as interconexotildees de cobre foram entatildeo simuladas na

rede H-tree clock de dois niacuteveis para diferentes comprimentos e frequecircncias Nos pontos

de destino final da rede foram colocadas portas inversoras formadas por SETs permitindo

a anaacutelise de circuitos nanoeletrocircnicos

A partir da anaacutelise da rede H-tree clock observou-se que as interconexotildees de SWCNT

bundle possuem desempenho melhor que as de cobre principalmente em relaccedilatildeo ao slew

rate agrave atenuaccedilatildeo ao tempo de atraso e ao produto atraso-potecircncia Aleacutem disso a

dissipaccedilatildeo de potecircncia das interconexotildees natildeo-ideais natildeo interferem na potecircncia total

dissipada pelo circuito Assim as interconexotildees de SWCNT bundle satildeo fortes candidatas a

substituirem as interconexotildees de cobre em circuitos em escala giga (GSI) e tera (TSI)

Como perspectivas futuras eacute importante analisar o efeito das interconexotildees de nanotubo de

carbono em circuitos GSI e TSI com outras arquiteturas A anaacutelise das interconexotildees de

CNT tambeacutem deve ser feita em circuitos com tecnologia MOS permitindo a comparaccedilatildeo

entre diferentes tecnologias Aleacutem disso eacute interessante estudar outros tipos de materiais

que possam ser utilizados como interconexotildees em circuitos integrados

47

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53

7 APEcircNDICES

71 TABELAS COMPLEMENTARES

Tabela 71 Paracircmetros obtidos a partir do modelo de SWCNT isolado

L RQ (Ω) RS (Ω) LCNT (10-9

H) CCNT (10-18

F)

10 nm 645103 - 40010

-2 27910

-1

100 nm 645103 - 40010

-1 279

200 nm 645103 - 80010

-1 558

300 nm 645103 - 120 837

400 nm 645103 - 160 11210

1

500 nm 645103 - 200 14010

1

600 nm 645103 - 240 16710

1

700 nm 645103 - 280 19510

1

800 nm 645103 - 320 22310

1

900 nm 645103 - 360 25110

1

1 microm 645103 - 400 27910

1

10 microm 645103 64510

4 40010

1 27910

2

100 microm 645103 64510

5 40010

2 27910

3

200 microm 645103 12910

6 80010

2 55810

3

300 microm 645103 19410

6 12010

3 83710

3

400 microm

645103 25810

6 16010

3 11210

4

500 microm

645103 32310

6 20010

3 14010

4

Tabela 72 Paracircmetros obtidos a partir do modelo de SWCNT bundle

L RQ (Ω) RS (Ω) LBundle(10-9

H) CBundle(10-18

F)

10 nm 1075 - 66710-5

135

100 nm 1075 - 66710-4

135101

200 nm 1075 - 13310-3

270101

300 nm 1075 - 20010-3

405101

400 nm 1075 - 26710-3

540101

500 nm 1075 - 33310-3

675101

600 nm 1075 - 40010-3

810101

700 nm 1075 - 46710-3

945101

800 nm 1075 - 53310-3

108102

900 nm 1075 - 60010-3

122102

1 microm 1075 - 66710-3

135102

10 microm 1075 108102 66710

-2 13510

3

100 microm 1075 108103 66710

-1 13510

4

200 microm 1075 215103 133 27010

4

300 microm 1075 323103 200 40510

4

400 microm

1075 430103 267 54010

4

500 microm

1075 538103 333 67510

4

54

Tabela 73 Paracircmetros obtidos a partir do modelo de cobre

L RCu (Ω) LCu (10-9

H) CCu (10-18

F)

10 nm 06 37310-6

150

100 nm 60 63610-5

150101

200 nm 120 17510-4

300101

300 nm 180 30910-4

450101

400 nm 240 45410-4

600101

500 nm 300 61110-4

750101

600 nm 360 77510-4

900101

700 nm 420 94610-4

105102

800 nm 480 11210-3

120102

900 nm 540 13110-3

135102

1 microm 600 14910-3

150102

10 microm 60102 24010

-2 15010

3

100 microm 60103 33210

-1 15010

4

200 microm 12104 72010

-1 30010

4

300 microm 18104 113 45010

4

400 microm

24104 155 60010

4

500 microm

30104 198 75010

4

55

Tabela 74 Frequecircncia em -3dB das interconexotildees locais

Comprimento Material f-3dB

10 nm SWCNT isolado 253 GHz

SWCNT bundle 66 THz

Cobre 232 THz

100 nm SWCNT isolado 300 GHz

SWCNT bundle 20 THz

Cobre 51 THz

200 nm SWCNT isolado 342 GHz

SWCNT bundle 14 THz

Cobre 29 THz

300 nm SWCNT isolado 344 GHz

SWCNT bundle 11 THz

Cobre 20 THz

400 nm SWCNT isolado 329 GHz

SWCNT bundle 89 THz

Cobre 15 THz

500 nm SWCNT isolado 307 GHz

SWCNT bundle 76 THz

Cobre 12 THz

600 nm SWCNT isolado 288 GHz

SWCNT bundle 67 THz

Cobre 94 THz

700 nm SWCNT isolado 271 GHz

SWCNT bundle 61 THz

Cobre 76 THz

800 nm SWCNT isolado 255 GHz

SWCNT bundle 55 THz

Cobre 63 THz

900 nm SWCNT isolado 240 GHz

SWCNT bundle 51 THz

Cobre 52 THz

1 microm SWCNT isolado 230 GHz

SWCNT bundle 47 THz

Cobre 42 THz

56

Tabela 75 Frequecircncia em -3dB das interconexotildees intermediaacuterias

Comprimento Material f-3dB

10 microm SWCNT isolado 26 GHz

SWCNT bundle 527 GHz

Cobre 34 GHz

100 microm SWCNT isolado 32 MHz

SWCNT bundle 42 GHz

Cobre 345 MHz

200 microm SWCNT isolado 82 MHz

SWCNT bundle 10 GHz

Cobre 87 MHz

300 microm SWCNT isolado 36 MHz

SWCNT bundle 455 MHz

Cobre 38 MHz

400 microm SWCNT isolado 21 MHz

SWCNT bundle 256 MHz

Cobre 21 MHz

500 microm SWCNT isolado 13 MHz

SWCNT bundle 165 MHz

Cobre 14 MHz

57

8 ANEXOS

81 COacuteDIGO SPICE DO SET [44]

Transistor mono-eleacutetron (SET) conexotildees fonte | dreno | | porta1 | | | porta2 | | | | SUBCKT SET 1 2 3 4 PARAMS +C1=1E-20 Capacitacircncia da junccedilatildeo 1 +C2=1E-20 Capacitacircncia da junccedilatildeo 2 +R1=1E5 Resistecircncia da junccedilatildeo 1 +R2=1E5 Resistecircncia da junccedilatildeo 2 +Cg1=015E-18 Capacitacircncia da junccedilatildeo 1 +Cg2=0 Capacitacircncia da junccedilatildeo 2 +C0=0 Capacitacircncia proacutepria da ilha +Q0=005 Carga offset em unidades de e +TEMP=300 Temperatura PARAM E=160217733E-19 Carga do eleacutetron (e) PARAM CSUM=C1+C2+Cg1+Cg2+C0 Capacitacircncia total do SET PARAM T=TEMPCSUM53785467E14 Temperatura normalizada 53785467E14 = kBe^2 PARAM RN1=R1(R1+R2) Resistecircncia da junccedilatildeo 1 normalizada PARAM RN2=R2(R1+R2) Resistecircncia da junccedilatildeo 2 normalizada FUNC Q(v1v2v3v4) (Cg1v3+Cg2v4+C1v1+C2v2)E+Q0 Definiccedilatildeo da carga em unidades de e FUNC VN(v) CSUMvE Tensatildeo normalizada FUNC GAMMA(u) IF(T==0IF(ult0-u0)IF(u==0Tu(EXP(uT)-1))) FUNC N_OPT(v1v2v3v4) ROUND(-Q(v1v2v3v4)+(CSUME) (v1RN2+v2RN1)) A maior probabilidade de carga na ilha em unidades de e Os quarto eventos tuacuteneis FUNC R1L(nv1v2v3v4) GAMMA(05 - n - Q(v1v2v3v4) + VN(v1))RN1 FUNC R1R(nv1v2v3v4) GAMMA(05 + n + Q(v1v2v3v4) - VN(v1))RN1 FUNC R2L(nv1v2v3v4) GAMMA(05 + n + Q(v1v2v3v4) - VN(v2))RN2 FUNC R2R(nv1v2v3v4) GAMMA(05 - n - Q(v1v2v3v4) + VN(v2))RN2

58

determinaccedilatildeo das probabilidades relativas assume-se inicialmente que o estado da carga N_OPT tem probabilidade relativa igual a um FUNC PN_1(nv1v2v3v4) (R1L(nv1v2v3v4)+R2R(nv1v2v3v4))(R1R(n-1v1v2v3v4)+R2L(n-1v1v2v3v4)) FUNC PN_2(nv1v2v3v4) PN_1(nv1v2v3v4) +(R1L(n-1v1v2v3v4)+R2R(n-1v1v2v3v4))(R1R(n-2v1v2v3v4)+R2L(n-2v1v2v3v4)) FUNC PN_3(nv1v2v3v4) PN_2(nv1v2v3v4) +(R1L(n-2v1v2v3v4)+R2R(n-2v1v2v3v4))(R1R(n-3v1v2v3v4)+R2L(n-3v1v2v3v4)) FUNC PN_4(nv1v2v3v4) PN_3(nv1v2v3v4) +(R1L(n-3v1v2v3v4)+R2R(n-3v1v2v3v4))(R1R(n-4v1v2v3v4)+R2L(n-4v1v2v3v4)) FUNC PN_5(nv1v2v3v4) PN_4(nv1v2v3v4) +(R1L(n-4v1v2v3v4)+R2R(n-4v1v2v3v4))(R1R(n-5v1v2v3v4)+R2L(n-5v1v2v3v4)) FUNC PN1(nv1v2v3v4) (R2L(nv1v2v3v4) +R1R(nv1v2v3v4))(R2R(n+1v1v2v3v4)+R1L(n+1v1v2v3v4)) FUNC PN2(nv1v2v3v4) PN1(nv1v2v3v4) +(R2L(n+1v1v2v3v4)+R1R(n+1v1v2v3v4))(R2R(n+2v1v2v3v4)+R1L(n+2v1v2v3v4)) FUNC PN3(nv1v2v3v4) PN2(nv1v2v3v4) +(R2L(n+2v1v2v3v4)+R1R(n+2v1v2v3v4))(R2R(n+3v1v2v3v4)+R1L(n+3v1v2v3v4)) FUNC PN4(nv1v2v3v4) PN3(nv1v2v3v4) +(R2L(n+3v1v2v3v4)+R1R(n+3v1v2v3v4))(R2R(n+4v1v2v3v4)+R1L(n+4v1v2v3v4)) FUNC PN5(nv1v2v3v4) PN4(nv1v2v3v4) +(R2L(n+4v1v2v3v4)+R1R(n+4v1v2v3v4))(R2R(n+5v1v2v3v4)+R1L(n+5v1v2v3v4)) FUNC PSUM(nv1v2v3v4) PN_5(nv1v2v3v4)+PN_4(nv1v2v3v4)+PN_3(nv1v2v3v4)+PN_2(nv1v2v3v4) ++PN_1(nv1v2v3v4)+1+PN1(nv1v2v3v4)+PN2(nv1v2v3v4)+PN3(nv1v2v3v4) ++PN4(nv1v2v3v4)+PN5(nv1v2v3v4)

59

caacutelculo da corrente da fonte para o dreno FUNC CUR(nv1v2v3v4) PN_5(nv1v2v3v4)(R1R(n-5v1v2v3v4)-R1L(n-5v1v2v3v4)) ++PN_4(nv1v2v3v4)(R1R(n-4v1v2v3v4)-R1L(n-4v1v2v3v4)) ++PN_3(nv1v2v3v4)(R1R(n-3v1v2v3v4)-R1L(n-3v1v2v3v4)) ++PN_2(nv1v2v3v4)(R1R(n-2v1v2v3v4)-R1L(n-2v1v2v3v4)) ++PN_1(nv1v2v3v4)(R1R(n-1v1v2v3v4)-R1L(n-1v1v2v3v4)) ++(R1R(nv1v2v3v4)-R1L(nv1v2v3v4)) ++PN1(nv1v2v3v4)(R1R(n+1v1v2v3v4)-R1L(n+1v1v2v3v4)) ++PN2(nv1v2v3v4)(R1R(n+2v1v2v3v4)-R1L(n+2v1v2v3v4)) ++PN3(nv1v2v3v4)(R1R(n+3v1v2v3v4)-R1L(n+3v1v2v3v4)) ++PN4(nv1v2v3v4)(R1R(n+4v1v2v3v4)-R1L(n+4v1v2v3v4)) ++PN5(nv1v2v3v4)(R1R(n+5v1v2v3v4)-R1L(n+5v1v2v3v4)) FUNC CURRENT(nv1v2v3v4) ECUR(nv1v2v3v4)(CSUMPSUM(nv1v2v3v4)(R1+R2)) caacutelculo da tensatildeo da ilha FUNC VOLT(nv1v2v3v4) PN_5(nv1v2v3v4)(n-5+Q(v1v2v3v4)) ++PN_4(nv1v2v3v4)(n-4+Q(v1v2v3v4)) ++PN_3(nv1v2v3v4)(n-3+Q(v1v2v3v4)) ++PN_2(nv1v2v3v4)(n-2+Q(v1v2v3v4)) ++PN_1(nv1v2v3v4)(n-1+Q(v1v2v3v4)) ++n+Q(v1v2v3v4) ++PN1(nv1v2v3v4)(n+1+Q(v1v2v3v4)) ++PN2(nv1v2v3v4)(n+2+Q(v1v2v3v4)) ++PN3(nv1v2v3v4)(n+3+Q(v1v2v3v4)) ++PN4(nv1v2v3v4)(n+4+Q(v1v2v3v4)) ++PN5(nv1v2v3v4)(n+5+Q(v1v2v3v4)) FUNC VOLTAGE(nv1v2v3v4) (ECSUM)VOLT(nv1v2v3v4)PSUM(nv1v2v3v4) E1 5 0 VALUE= VOLTAGE(N_OPT(V(1)V(2)V(3)V(4))V(1)V(2)V(3)V(4)) Tensatildeo da ilha G1 1 2 VALUE= CURRENT(N_OPT(V(1)V(2)V(3)V(4))V(1)V(2)V(3)V(4)) Corrente da fonte para o dreno CT1 1 5 C1 CT2 2 5 C2 CGATE1 3 5 CG1 CGATE2 4 5 CG2 ENDS SET

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38

A partir destes valores o inversor mono-eleacutetron foi construiacutedo colocando-se dois SETs em

seacuterie os quais compartilham da mesma entrada A Figura 45 ilustra o esquemaacutetico do

inversor mono-eleacutetron juntamente com os valores de seus paracircmetros fixos em que Vin eacute a

tensatildeo de entrada Vout eacute a tensatildeo de saiacuteda Vbias eacute a tensatildeo de polarizaccedilatildeo Cc eacute a

capacitacircncia de carga Cg1 e Cg2 satildeo as capacitacircncias de porta do SET 1 e do SET 2

respectivamente

Figura 45 Esquemaacutetico do inversor mono-eleacutetron e os valores de seus paracircmetros

(modificado de [4])

Assim apoacutes simular o inversor mono-eleacutetron a 300K obteve-se o sinal de saiacuteda mostrado

na Figura 46 Como o inversor estaacute invertendo o sinal de entrada de valor loacutegico baixo em

um sinal de saiacuteda de valor loacutegico alto ele estaacute operando corretamente

Figura 46 Curva do sinal de entrada (em verde) e do sinal de saiacuteda (em preto) do inversor

mono-eleacutetron

39

44 ANAacuteLISE DAS INTERCONEXOtildeES NO H-TREE CLOCK MONO-ELEacuteTRON

Nesta seccedilatildeo a rede H-tree clock de dois niacuteveis foi simulada com portas inversoras mono-

eleacutetron nos pontos de destino final da rede permitindo a anaacutelise de circuitos

nanoeletrocircnicos Simulou-se a rede H-tree considerando interconexotildees ideais para as

frequecircncias de 10 GHz e 100 GHz no sinal de entrada Em seguida para as mesmas duas

frequecircncias considerou-se interconexotildees natildeo-ideais de diferentes comprimentos

analisando a rede com os modelos de interconexatildeo SWCNT bundle e cobre Trecircs redes

com comprimentos de interconexotildees diferentes foram analisadas

l = 100 nm l2 = 50 nm

l = 400 nm l2 = 200 nm

l = 1 μm l2 = 500 nm

441 Anaacutelise da rede com interconexotildees ideais

A partir da simulaccedilatildeo do H-tree clock a frequecircncia em -3dB (f-3dB) da rede com

interconexotildees ideais foi obtida Na saiacuteda de cada porta inversora a banda passante do sinal

eacute 3200 GHz Dessa forma duas frequecircncias abaixo de 3200 GHz foram escolhidas para

analisar o sinal de saiacuteda da inversora em condiccedilotildees ideais As frequecircncias de 10 GHz e

100 GHz seratildeo analisadas obtendo-se as seguintes caracteriacutesticas do sinal de saiacuteda da

inversora niacutevel loacutegico baixo (NB) niacutevel loacutegico alto (NA) tempo de subida (tr) slew rate

de subida (SR) atenuaccedilatildeo (A) e tempo de atraso (td) A Tabela 47 mostra os valores

obtidos para as duas frequecircncias em anaacutelise

Tabela 47 Caracteriacutesticas dos sinais de saiacuteda da rede para interconexotildees ideais

Freq NB(mV) NA(mV) tr (ps) SR(Vns) A(dB) td (ps)

10 GHz 675 4518 356 8636 -264 412

100 GHz 678 4279 317 9088 -269 189

Os caacutelculos da potecircncia estaacutetica ( IVP DDE ) potecircncia dinacircmica ( CVfP DDD 2 ) e

potecircncia total ( DE PPP ) dissipada por cada porta inversora foram realizados bem

como o produto atraso-potecircncia (DP) Assim a Tabela 48 mostra os valores obtidos no

40

caacutelculo destes paracircmetros Como a potecircncia estaacutetica independe da frequecircncia do sinal de

entrada o seu valor eacute o mesmo nos dois casos

Tabela 48 Potecircncia dissipada por cada porta inversora para interconexotildees ideais

Frequecircncia PE (nW) PD (nW) P (nW) DP (10-18

Wmiddots)

10 GHz 4838 125 4963 020

100 GHz 4838 125 6088 012

As Tabelas 47 e 48 serviratildeo de referecircncia para as anaacutelises da rede com interconexotildees natildeo-

ideais analisadas na subseccedilatildeo seguinte As Figuras 47 e 48 ilustram o sinal de saiacuteda das

redes com frequecircncias de 10 GHz e de 100 GHz respectivamente Eacute possiacutevel observar que

na frequecircncia de 100 GHz o sinal de saiacuteda jaacute eacute distorcido em relaccedilatildeo ao sinal de referecircncia

(Figura 46)

Figura 47 Sinal de entrada (em verde) e sinal de saiacuteda (em preto) da rede a 10 GHz

Figura 48 Sinal de entrada (em verde) e sinal de saiacuteda (em preto) da rede a 100 GHz

41

442 Anaacutelise da rede com interconexotildees natildeo-ideais

Apoacutes obter as caracteriacutesticas da rede H-tree clock com interconexotildees ideais a anaacutelise da

rede com interconexotildees natildeo-ideais seraacute feita Primeiramente eacute importante verificar a

frequecircncia em -3dB do sinal depois das interconexotildees ou seja na entrada da porta

inversora Caso essa frequecircncia seja menor que a frequecircncia de 3200 GHz obtida com

interconexotildees ideais entatildeo a interconexatildeo afetaraacute o comportamento da rede A Tabela 49

mostra a frequecircncia em -3dB na entrada da inversora para interconexotildees natildeo-ideais

Tabela 49 Frequecircncia em -3dB na entrada da inversora para interconexotildees natildeo-ideais

Comprimentos (l2 l) Material f-3dB

50nm 100nm SWCNT bundle 122 THz

Cobre 175 THz

200nm 400nm SWCNT bundle 31 THz

Cobre 8606 GHz

500nm 1microm SWCNT bundle 12 THz

Cobre 1268 GHz

Assim verifica-se que a interconexatildeo de cobre da rede 500nm1microm possui frequecircncia em

-3dB abaixo da frequecircncia do circuito com interconexatildeo ideal (3200 GHz) Isso indica que

esta interconexatildeo interfere significativamente no comportamento da rede A Tabela 49

mostra tambeacutem que a banda passante da interconexatildeo de cobre soacute eacute maior que a da

interconexatildeo de SWCNT bundle no primeiro caso na rede de 50nm100nm o que mostra

uma vantagem do SWCNT bundle em relaccedilatildeo ao cobre A partir dessas informaccedilotildees a

rede H-tree clock com interconexotildees natildeo-ideais seraacute analisada detalhadamente

4421 Anaacutelise da rede a 10 GHz

As redes com interconexotildees natildeo-ideais seratildeo analisadas na frequecircncia de 10 GHz para

diferentes comprimentos Primeiramente o niacutevel loacutegico baixo (NB) o niacutevel loacutegico alto

(NA) o tempo de subida (tr) e o slew rate de subida (SR) foram obtidos conforme mostra a

Tabela 410 Com base nessa tabela verifica-se que na frequecircncia de 10 GHz essas

caracteriacutesticas natildeo foram modificadas pelas interconexotildees natildeo-ideais independentemente

do comprimento Os valores dos paracircmetros satildeo iguais aos obtidos na rede com

interconexatildeo ideal conforme Tabela 47 O sinal obtido na saiacuteda de cada inversor eacute igual

ao ilustrado na Figura 47

42

Tabela 410 Niacuteveis loacutegicos tempo de subida e slew rate dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 10 GHz

Freq L (l2l) Material NB(mV) NA(mV) tr(ps) SR(Vns)

10

GHz

50nm

100nm

SWCNT bundle 675 4518 356 8636

Cobre 675 4518 356 8636

200nm

400nm

SWCNT bundle 675 4518 356 8636

Cobre 675 4518 356 8636

500nm

1microm

SWCNT bundle 675 4518 356 8636

Cobre 675 4518 356 8636

A Tabela 411 mostra a atenuaccedilatildeo tempo de atraso potecircncia total dissipada e o produto

atraso-potecircncia obtidos a frequecircncia de 10 GHz para interconexotildees natildeo-ideais Observa-se

que a atenuaccedilatildeo do sinal e a potecircncia total dissipada por cada porta inversora permanecem

os mesmos em relaccedilatildeo agrave interconexatildeo ideal mostrando que a essa frequecircncia as

interconexotildees natildeo-ideais natildeo interferem nestes paracircmetros

Jaacute o atraso na propagaccedilatildeo do sinal no caso do cobre aumenta agrave medida que as

interconexotildees aumentam de comprimento aumentando tambeacutem o produto atraso-potecircncia

Esse atraso chega a 66 do periacuteodo do sinal de entrada para a interconexatildeo 500nm1microm

de cobre No entanto estes paracircmetros natildeo satildeo afetados pelas interconexotildees de SWCNT

bundle indicando que este material se sobressai em relaccedilatildeo ao cobre

Tabela 411 Atenuaccedilatildeo atraso potecircncia e produto atraso-potecircncia dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 10 GHz

Freq L (l2l) Material A (dB) td (ps) P (nW) DP(10-18

Wmiddots)

10

GHz

50nm

100nm

SWCNT bundle -264 412 4963 020

Cobre -264 412 4963 020

200nm

400nm

SWCNT bundle -264 412 4963 020

Cobre -264 438 4963 022

500nm

1microm

SWCNT bundle -264 412 4963 020

Cobre -264 659 4963 033

4422 Anaacutelise da rede a 100 GHz

As redes com interconexotildees natildeo-ideais seratildeo analisadas na frequecircncia de 100 GHz para

diferentes comprimentos O niacutevel loacutegico baixo (NB) o niacutevel loacutegico alto (NA) o tempo de

subida (tr) e o slew rate de subida (SR) foram obtidos conforme mostra a Tabela 412 Jaacute a

43

Tabela 413 mostra a atenuaccedilatildeo tempo de atraso potecircncia total dissipada e o produto

atraso-potecircncia obtidos a frequecircncia de 100 GHz para interconexotildees natildeo-ideais

Tabela 412 Niacuteveis loacutegicos tempo de subida e slew rate dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 100 GHz

Freq L (l2l) Material NB(mV) NA(mV) tr(ps) SR(Vns)

100

GHz

50nm

100nm

SWCNT bundle 678 4272 316 9099

Cobre 675 4277 323 9107

200nm

400nm

SWCNT bundle 678 4299 315 9196

Cobre 677 4089 289 9447

500nm

1microm

SWCNT bundle 678 4418 300 9973

Cobre 635 1766 102 6795

Tabela 413 Atenuaccedilatildeo atraso potecircncia e produto atraso-potecircncia dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 100 GHz

Freq L (l2l) Material A (dB) td (ps) P (nW) DP(10-18

Wmiddots)

100

GHz

50nm

100nm

SWCNT bundle -2703 189 6088 012

Cobre -2685 191 6088 012

200nm

400nm

SWCNT bundle -2693 188 6088 012

Cobre -2698 228 6088 014

500nm

1microm

SWCNT bundle -2673 174 6088 011

Cobre -2893 388 6088 024

A partir das Tabelas 412 e 413 o SWCNT bundle seraacute analisado Observa-se que os seus

niacuteveis loacutegicos altos aumentam com o aumento do comprimento das interconexotildees

aumentando tambeacutem o slew rate de subida Esse comportamento ocorre provavelmente

devido ao efeito ressonante provocado pela indutacircncia que provoca um pico no graacutefico da

frequumlecircncia antes dele comeccedilar a decair conforme explicado na subseccedilatildeo 421 Isso implica

na diminuiccedilatildeo da atenuaccedilatildeo do sinal e do atraso No entanto o produto atraso-potecircncia

permanece praticamente invariaacutevel jaacute que a potecircncia total dissipada natildeo se altera

Em relaccedilatildeo agraves interconexotildees de cobre verifica-se que as distorccedilotildees satildeo significativas Agrave

medida que o comprimento aumenta a atenuaccedilatildeo do sinal de saiacuteda aumenta Isso provoca

diminuiccedilatildeo no slew rate do sinal o que natildeo eacute desejado jaacute que o sinal demora mais para

atingir o niacutevel loacutegico alto Aleacutem disso o atraso na propagaccedilatildeo do sinal aumenta bastante

chegando a 388 do periacuteodo do sinal de entrada para a interconexatildeo 500nm1microm

Consequentemente o produto atraso-potecircncia tambeacutem aumenta sendo o dobro do valor de

44

referecircncia (interconexotildees ideais) A Figura 49 ilustra o sinal de saiacuteda da interconexatildeo

500nm1microm de cobre

Figura 49 Sinal de entrada (em verde) e sinal de saiacuteda (em preto) da rede a 100 GHz para

a interconexatildeo 500nm1microm de cobre

Comparando-se as potecircncias das tabelas 47 48 411 413 verifica-se que natildeo haacute

alteraccedilatildeo na potecircncia total dissipada pelo circuito com interconexotildees ideais e pelos

circuitos com interconexotildees natildeo-ideais para uma mesma frequecircncia Assim eacute importante

destacar que a dissipaccedilatildeo de potecircncia das interconexotildees de SWCNT bundle e de cobre natildeo

interfere na potecircncia total dissipada pelo circuito

443 Consideraccedilotildees Finais

Apoacutes analisar as interconexotildees locais de SWCNT de SWCNT bundle e de cobre

verificou-se que as interconexotildees de SWCNT bundle possuem desempenho comparaacutevel ao

das interconexotildees de cobre Em relaccedilatildeo agraves interconexotildees intermediaacuterias as de SWCNT

bundle apresentam desempenho superior agraves de cobre Jaacute as interconexotildees de SWCNT

isolado tanto para interconexotildees locais como para interconexotildees intermediaacuterias

apresentam desempenho inferior agraves interconexotildees de SWCNT bundle e de cobre natildeo

sendo propiacutecias a serem utilizadas em interconexotildees de circuitos integrados

Na anaacutelise das interconexotildees natildeo-ideais na rede H-tree clock mono-eleacutetron para a

frequecircncia de 10GHz observou-se que o niacutevel loacutegico baixo o niacutevel loacutegico alto o tempo de

subida o slew rate de subida a atenuaccedilatildeo do sinal e a potecircncia total dissipada por cada

porta inversora permanecem os mesmos em relaccedilatildeo agrave interconexatildeo ideal mostrando que

45

para esta frequecircncia as interconexotildees natildeo-ideais natildeo interferem nestes paracircmetros Jaacute o

atraso na propagaccedilatildeo do sinal no caso do cobre aumenta agrave medida que as interconexotildees

aumentam de comprimento aumentando tambeacutem o produto atraso-potecircncia No entanto

estes paracircmetros natildeo satildeo afetados pelas interconexotildees de SWCNT bundle indicando que

este material se sobressai em relaccedilatildeo ao cobre

Jaacute para a rede H-tree clock mono-eleacutetron a 100GHz observou-se que o circuito com

interconexotildees natildeo-ideais afetou bastante os paracircmetros em anaacutelise se comparados aos

obtidos para interconexotildees ideais Verificou-se que as distorccedilotildees provocadas pelas

interconexotildees de cobre foram significativas indicando que as interconexotildees de SWCNT

bundle possuem melhor desempenho que as de cobre

Assim constata-se que as interconexotildees de SWCNT bundle satildeo fortes candidatas a

substituirem as interconexotildees de cobre em circuitos em escala giga (GSI) e tera (TSI)

46

5 CONCLUSOtildeES

Nesta dissertaccedilatildeo o estudo das interconexotildees de SWCNT de SWCNT bundle e de cobre

foi realizado analisando e comparando os seus desempenhos para diferentes

comprimentos A partir desse estudo verificou-se que as interconexotildees de SWCNT bundle

possui desempenho comparaacutevel ao das interconexotildees de cobre no caso de interconexotildees

locais Em relaccedilatildeo agraves interconexotildees intermediaacuterias as de SWCNT bundle apresentam

desempenho superior agraves de cobre

As interconexotildees de SWCNT bundle e as interconexotildees de cobre foram entatildeo simuladas na

rede H-tree clock de dois niacuteveis para diferentes comprimentos e frequecircncias Nos pontos

de destino final da rede foram colocadas portas inversoras formadas por SETs permitindo

a anaacutelise de circuitos nanoeletrocircnicos

A partir da anaacutelise da rede H-tree clock observou-se que as interconexotildees de SWCNT

bundle possuem desempenho melhor que as de cobre principalmente em relaccedilatildeo ao slew

rate agrave atenuaccedilatildeo ao tempo de atraso e ao produto atraso-potecircncia Aleacutem disso a

dissipaccedilatildeo de potecircncia das interconexotildees natildeo-ideais natildeo interferem na potecircncia total

dissipada pelo circuito Assim as interconexotildees de SWCNT bundle satildeo fortes candidatas a

substituirem as interconexotildees de cobre em circuitos em escala giga (GSI) e tera (TSI)

Como perspectivas futuras eacute importante analisar o efeito das interconexotildees de nanotubo de

carbono em circuitos GSI e TSI com outras arquiteturas A anaacutelise das interconexotildees de

CNT tambeacutem deve ser feita em circuitos com tecnologia MOS permitindo a comparaccedilatildeo

entre diferentes tecnologias Aleacutem disso eacute interessante estudar outros tipos de materiais

que possam ser utilizados como interconexotildees em circuitos integrados

47

6 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS

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53

7 APEcircNDICES

71 TABELAS COMPLEMENTARES

Tabela 71 Paracircmetros obtidos a partir do modelo de SWCNT isolado

L RQ (Ω) RS (Ω) LCNT (10-9

H) CCNT (10-18

F)

10 nm 645103 - 40010

-2 27910

-1

100 nm 645103 - 40010

-1 279

200 nm 645103 - 80010

-1 558

300 nm 645103 - 120 837

400 nm 645103 - 160 11210

1

500 nm 645103 - 200 14010

1

600 nm 645103 - 240 16710

1

700 nm 645103 - 280 19510

1

800 nm 645103 - 320 22310

1

900 nm 645103 - 360 25110

1

1 microm 645103 - 400 27910

1

10 microm 645103 64510

4 40010

1 27910

2

100 microm 645103 64510

5 40010

2 27910

3

200 microm 645103 12910

6 80010

2 55810

3

300 microm 645103 19410

6 12010

3 83710

3

400 microm

645103 25810

6 16010

3 11210

4

500 microm

645103 32310

6 20010

3 14010

4

Tabela 72 Paracircmetros obtidos a partir do modelo de SWCNT bundle

L RQ (Ω) RS (Ω) LBundle(10-9

H) CBundle(10-18

F)

10 nm 1075 - 66710-5

135

100 nm 1075 - 66710-4

135101

200 nm 1075 - 13310-3

270101

300 nm 1075 - 20010-3

405101

400 nm 1075 - 26710-3

540101

500 nm 1075 - 33310-3

675101

600 nm 1075 - 40010-3

810101

700 nm 1075 - 46710-3

945101

800 nm 1075 - 53310-3

108102

900 nm 1075 - 60010-3

122102

1 microm 1075 - 66710-3

135102

10 microm 1075 108102 66710

-2 13510

3

100 microm 1075 108103 66710

-1 13510

4

200 microm 1075 215103 133 27010

4

300 microm 1075 323103 200 40510

4

400 microm

1075 430103 267 54010

4

500 microm

1075 538103 333 67510

4

54

Tabela 73 Paracircmetros obtidos a partir do modelo de cobre

L RCu (Ω) LCu (10-9

H) CCu (10-18

F)

10 nm 06 37310-6

150

100 nm 60 63610-5

150101

200 nm 120 17510-4

300101

300 nm 180 30910-4

450101

400 nm 240 45410-4

600101

500 nm 300 61110-4

750101

600 nm 360 77510-4

900101

700 nm 420 94610-4

105102

800 nm 480 11210-3

120102

900 nm 540 13110-3

135102

1 microm 600 14910-3

150102

10 microm 60102 24010

-2 15010

3

100 microm 60103 33210

-1 15010

4

200 microm 12104 72010

-1 30010

4

300 microm 18104 113 45010

4

400 microm

24104 155 60010

4

500 microm

30104 198 75010

4

55

Tabela 74 Frequecircncia em -3dB das interconexotildees locais

Comprimento Material f-3dB

10 nm SWCNT isolado 253 GHz

SWCNT bundle 66 THz

Cobre 232 THz

100 nm SWCNT isolado 300 GHz

SWCNT bundle 20 THz

Cobre 51 THz

200 nm SWCNT isolado 342 GHz

SWCNT bundle 14 THz

Cobre 29 THz

300 nm SWCNT isolado 344 GHz

SWCNT bundle 11 THz

Cobre 20 THz

400 nm SWCNT isolado 329 GHz

SWCNT bundle 89 THz

Cobre 15 THz

500 nm SWCNT isolado 307 GHz

SWCNT bundle 76 THz

Cobre 12 THz

600 nm SWCNT isolado 288 GHz

SWCNT bundle 67 THz

Cobre 94 THz

700 nm SWCNT isolado 271 GHz

SWCNT bundle 61 THz

Cobre 76 THz

800 nm SWCNT isolado 255 GHz

SWCNT bundle 55 THz

Cobre 63 THz

900 nm SWCNT isolado 240 GHz

SWCNT bundle 51 THz

Cobre 52 THz

1 microm SWCNT isolado 230 GHz

SWCNT bundle 47 THz

Cobre 42 THz

56

Tabela 75 Frequecircncia em -3dB das interconexotildees intermediaacuterias

Comprimento Material f-3dB

10 microm SWCNT isolado 26 GHz

SWCNT bundle 527 GHz

Cobre 34 GHz

100 microm SWCNT isolado 32 MHz

SWCNT bundle 42 GHz

Cobre 345 MHz

200 microm SWCNT isolado 82 MHz

SWCNT bundle 10 GHz

Cobre 87 MHz

300 microm SWCNT isolado 36 MHz

SWCNT bundle 455 MHz

Cobre 38 MHz

400 microm SWCNT isolado 21 MHz

SWCNT bundle 256 MHz

Cobre 21 MHz

500 microm SWCNT isolado 13 MHz

SWCNT bundle 165 MHz

Cobre 14 MHz

57

8 ANEXOS

81 COacuteDIGO SPICE DO SET [44]

Transistor mono-eleacutetron (SET) conexotildees fonte | dreno | | porta1 | | | porta2 | | | | SUBCKT SET 1 2 3 4 PARAMS +C1=1E-20 Capacitacircncia da junccedilatildeo 1 +C2=1E-20 Capacitacircncia da junccedilatildeo 2 +R1=1E5 Resistecircncia da junccedilatildeo 1 +R2=1E5 Resistecircncia da junccedilatildeo 2 +Cg1=015E-18 Capacitacircncia da junccedilatildeo 1 +Cg2=0 Capacitacircncia da junccedilatildeo 2 +C0=0 Capacitacircncia proacutepria da ilha +Q0=005 Carga offset em unidades de e +TEMP=300 Temperatura PARAM E=160217733E-19 Carga do eleacutetron (e) PARAM CSUM=C1+C2+Cg1+Cg2+C0 Capacitacircncia total do SET PARAM T=TEMPCSUM53785467E14 Temperatura normalizada 53785467E14 = kBe^2 PARAM RN1=R1(R1+R2) Resistecircncia da junccedilatildeo 1 normalizada PARAM RN2=R2(R1+R2) Resistecircncia da junccedilatildeo 2 normalizada FUNC Q(v1v2v3v4) (Cg1v3+Cg2v4+C1v1+C2v2)E+Q0 Definiccedilatildeo da carga em unidades de e FUNC VN(v) CSUMvE Tensatildeo normalizada FUNC GAMMA(u) IF(T==0IF(ult0-u0)IF(u==0Tu(EXP(uT)-1))) FUNC N_OPT(v1v2v3v4) ROUND(-Q(v1v2v3v4)+(CSUME) (v1RN2+v2RN1)) A maior probabilidade de carga na ilha em unidades de e Os quarto eventos tuacuteneis FUNC R1L(nv1v2v3v4) GAMMA(05 - n - Q(v1v2v3v4) + VN(v1))RN1 FUNC R1R(nv1v2v3v4) GAMMA(05 + n + Q(v1v2v3v4) - VN(v1))RN1 FUNC R2L(nv1v2v3v4) GAMMA(05 + n + Q(v1v2v3v4) - VN(v2))RN2 FUNC R2R(nv1v2v3v4) GAMMA(05 - n - Q(v1v2v3v4) + VN(v2))RN2

58

determinaccedilatildeo das probabilidades relativas assume-se inicialmente que o estado da carga N_OPT tem probabilidade relativa igual a um FUNC PN_1(nv1v2v3v4) (R1L(nv1v2v3v4)+R2R(nv1v2v3v4))(R1R(n-1v1v2v3v4)+R2L(n-1v1v2v3v4)) FUNC PN_2(nv1v2v3v4) PN_1(nv1v2v3v4) +(R1L(n-1v1v2v3v4)+R2R(n-1v1v2v3v4))(R1R(n-2v1v2v3v4)+R2L(n-2v1v2v3v4)) FUNC PN_3(nv1v2v3v4) PN_2(nv1v2v3v4) +(R1L(n-2v1v2v3v4)+R2R(n-2v1v2v3v4))(R1R(n-3v1v2v3v4)+R2L(n-3v1v2v3v4)) FUNC PN_4(nv1v2v3v4) PN_3(nv1v2v3v4) +(R1L(n-3v1v2v3v4)+R2R(n-3v1v2v3v4))(R1R(n-4v1v2v3v4)+R2L(n-4v1v2v3v4)) FUNC PN_5(nv1v2v3v4) PN_4(nv1v2v3v4) +(R1L(n-4v1v2v3v4)+R2R(n-4v1v2v3v4))(R1R(n-5v1v2v3v4)+R2L(n-5v1v2v3v4)) FUNC PN1(nv1v2v3v4) (R2L(nv1v2v3v4) +R1R(nv1v2v3v4))(R2R(n+1v1v2v3v4)+R1L(n+1v1v2v3v4)) FUNC PN2(nv1v2v3v4) PN1(nv1v2v3v4) +(R2L(n+1v1v2v3v4)+R1R(n+1v1v2v3v4))(R2R(n+2v1v2v3v4)+R1L(n+2v1v2v3v4)) FUNC PN3(nv1v2v3v4) PN2(nv1v2v3v4) +(R2L(n+2v1v2v3v4)+R1R(n+2v1v2v3v4))(R2R(n+3v1v2v3v4)+R1L(n+3v1v2v3v4)) FUNC PN4(nv1v2v3v4) PN3(nv1v2v3v4) +(R2L(n+3v1v2v3v4)+R1R(n+3v1v2v3v4))(R2R(n+4v1v2v3v4)+R1L(n+4v1v2v3v4)) FUNC PN5(nv1v2v3v4) PN4(nv1v2v3v4) +(R2L(n+4v1v2v3v4)+R1R(n+4v1v2v3v4))(R2R(n+5v1v2v3v4)+R1L(n+5v1v2v3v4)) FUNC PSUM(nv1v2v3v4) PN_5(nv1v2v3v4)+PN_4(nv1v2v3v4)+PN_3(nv1v2v3v4)+PN_2(nv1v2v3v4) ++PN_1(nv1v2v3v4)+1+PN1(nv1v2v3v4)+PN2(nv1v2v3v4)+PN3(nv1v2v3v4) ++PN4(nv1v2v3v4)+PN5(nv1v2v3v4)

59

caacutelculo da corrente da fonte para o dreno FUNC CUR(nv1v2v3v4) PN_5(nv1v2v3v4)(R1R(n-5v1v2v3v4)-R1L(n-5v1v2v3v4)) ++PN_4(nv1v2v3v4)(R1R(n-4v1v2v3v4)-R1L(n-4v1v2v3v4)) ++PN_3(nv1v2v3v4)(R1R(n-3v1v2v3v4)-R1L(n-3v1v2v3v4)) ++PN_2(nv1v2v3v4)(R1R(n-2v1v2v3v4)-R1L(n-2v1v2v3v4)) ++PN_1(nv1v2v3v4)(R1R(n-1v1v2v3v4)-R1L(n-1v1v2v3v4)) ++(R1R(nv1v2v3v4)-R1L(nv1v2v3v4)) ++PN1(nv1v2v3v4)(R1R(n+1v1v2v3v4)-R1L(n+1v1v2v3v4)) ++PN2(nv1v2v3v4)(R1R(n+2v1v2v3v4)-R1L(n+2v1v2v3v4)) ++PN3(nv1v2v3v4)(R1R(n+3v1v2v3v4)-R1L(n+3v1v2v3v4)) ++PN4(nv1v2v3v4)(R1R(n+4v1v2v3v4)-R1L(n+4v1v2v3v4)) ++PN5(nv1v2v3v4)(R1R(n+5v1v2v3v4)-R1L(n+5v1v2v3v4)) FUNC CURRENT(nv1v2v3v4) ECUR(nv1v2v3v4)(CSUMPSUM(nv1v2v3v4)(R1+R2)) caacutelculo da tensatildeo da ilha FUNC VOLT(nv1v2v3v4) PN_5(nv1v2v3v4)(n-5+Q(v1v2v3v4)) ++PN_4(nv1v2v3v4)(n-4+Q(v1v2v3v4)) ++PN_3(nv1v2v3v4)(n-3+Q(v1v2v3v4)) ++PN_2(nv1v2v3v4)(n-2+Q(v1v2v3v4)) ++PN_1(nv1v2v3v4)(n-1+Q(v1v2v3v4)) ++n+Q(v1v2v3v4) ++PN1(nv1v2v3v4)(n+1+Q(v1v2v3v4)) ++PN2(nv1v2v3v4)(n+2+Q(v1v2v3v4)) ++PN3(nv1v2v3v4)(n+3+Q(v1v2v3v4)) ++PN4(nv1v2v3v4)(n+4+Q(v1v2v3v4)) ++PN5(nv1v2v3v4)(n+5+Q(v1v2v3v4)) FUNC VOLTAGE(nv1v2v3v4) (ECSUM)VOLT(nv1v2v3v4)PSUM(nv1v2v3v4) E1 5 0 VALUE= VOLTAGE(N_OPT(V(1)V(2)V(3)V(4))V(1)V(2)V(3)V(4)) Tensatildeo da ilha G1 1 2 VALUE= CURRENT(N_OPT(V(1)V(2)V(3)V(4))V(1)V(2)V(3)V(4)) Corrente da fonte para o dreno CT1 1 5 C1 CT2 2 5 C2 CGATE1 3 5 CG1 CGATE2 4 5 CG2 ENDS SET

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39

44 ANAacuteLISE DAS INTERCONEXOtildeES NO H-TREE CLOCK MONO-ELEacuteTRON

Nesta seccedilatildeo a rede H-tree clock de dois niacuteveis foi simulada com portas inversoras mono-

eleacutetron nos pontos de destino final da rede permitindo a anaacutelise de circuitos

nanoeletrocircnicos Simulou-se a rede H-tree considerando interconexotildees ideais para as

frequecircncias de 10 GHz e 100 GHz no sinal de entrada Em seguida para as mesmas duas

frequecircncias considerou-se interconexotildees natildeo-ideais de diferentes comprimentos

analisando a rede com os modelos de interconexatildeo SWCNT bundle e cobre Trecircs redes

com comprimentos de interconexotildees diferentes foram analisadas

l = 100 nm l2 = 50 nm

l = 400 nm l2 = 200 nm

l = 1 μm l2 = 500 nm

441 Anaacutelise da rede com interconexotildees ideais

A partir da simulaccedilatildeo do H-tree clock a frequecircncia em -3dB (f-3dB) da rede com

interconexotildees ideais foi obtida Na saiacuteda de cada porta inversora a banda passante do sinal

eacute 3200 GHz Dessa forma duas frequecircncias abaixo de 3200 GHz foram escolhidas para

analisar o sinal de saiacuteda da inversora em condiccedilotildees ideais As frequecircncias de 10 GHz e

100 GHz seratildeo analisadas obtendo-se as seguintes caracteriacutesticas do sinal de saiacuteda da

inversora niacutevel loacutegico baixo (NB) niacutevel loacutegico alto (NA) tempo de subida (tr) slew rate

de subida (SR) atenuaccedilatildeo (A) e tempo de atraso (td) A Tabela 47 mostra os valores

obtidos para as duas frequecircncias em anaacutelise

Tabela 47 Caracteriacutesticas dos sinais de saiacuteda da rede para interconexotildees ideais

Freq NB(mV) NA(mV) tr (ps) SR(Vns) A(dB) td (ps)

10 GHz 675 4518 356 8636 -264 412

100 GHz 678 4279 317 9088 -269 189

Os caacutelculos da potecircncia estaacutetica ( IVP DDE ) potecircncia dinacircmica ( CVfP DDD 2 ) e

potecircncia total ( DE PPP ) dissipada por cada porta inversora foram realizados bem

como o produto atraso-potecircncia (DP) Assim a Tabela 48 mostra os valores obtidos no

40

caacutelculo destes paracircmetros Como a potecircncia estaacutetica independe da frequecircncia do sinal de

entrada o seu valor eacute o mesmo nos dois casos

Tabela 48 Potecircncia dissipada por cada porta inversora para interconexotildees ideais

Frequecircncia PE (nW) PD (nW) P (nW) DP (10-18

Wmiddots)

10 GHz 4838 125 4963 020

100 GHz 4838 125 6088 012

As Tabelas 47 e 48 serviratildeo de referecircncia para as anaacutelises da rede com interconexotildees natildeo-

ideais analisadas na subseccedilatildeo seguinte As Figuras 47 e 48 ilustram o sinal de saiacuteda das

redes com frequecircncias de 10 GHz e de 100 GHz respectivamente Eacute possiacutevel observar que

na frequecircncia de 100 GHz o sinal de saiacuteda jaacute eacute distorcido em relaccedilatildeo ao sinal de referecircncia

(Figura 46)

Figura 47 Sinal de entrada (em verde) e sinal de saiacuteda (em preto) da rede a 10 GHz

Figura 48 Sinal de entrada (em verde) e sinal de saiacuteda (em preto) da rede a 100 GHz

41

442 Anaacutelise da rede com interconexotildees natildeo-ideais

Apoacutes obter as caracteriacutesticas da rede H-tree clock com interconexotildees ideais a anaacutelise da

rede com interconexotildees natildeo-ideais seraacute feita Primeiramente eacute importante verificar a

frequecircncia em -3dB do sinal depois das interconexotildees ou seja na entrada da porta

inversora Caso essa frequecircncia seja menor que a frequecircncia de 3200 GHz obtida com

interconexotildees ideais entatildeo a interconexatildeo afetaraacute o comportamento da rede A Tabela 49

mostra a frequecircncia em -3dB na entrada da inversora para interconexotildees natildeo-ideais

Tabela 49 Frequecircncia em -3dB na entrada da inversora para interconexotildees natildeo-ideais

Comprimentos (l2 l) Material f-3dB

50nm 100nm SWCNT bundle 122 THz

Cobre 175 THz

200nm 400nm SWCNT bundle 31 THz

Cobre 8606 GHz

500nm 1microm SWCNT bundle 12 THz

Cobre 1268 GHz

Assim verifica-se que a interconexatildeo de cobre da rede 500nm1microm possui frequecircncia em

-3dB abaixo da frequecircncia do circuito com interconexatildeo ideal (3200 GHz) Isso indica que

esta interconexatildeo interfere significativamente no comportamento da rede A Tabela 49

mostra tambeacutem que a banda passante da interconexatildeo de cobre soacute eacute maior que a da

interconexatildeo de SWCNT bundle no primeiro caso na rede de 50nm100nm o que mostra

uma vantagem do SWCNT bundle em relaccedilatildeo ao cobre A partir dessas informaccedilotildees a

rede H-tree clock com interconexotildees natildeo-ideais seraacute analisada detalhadamente

4421 Anaacutelise da rede a 10 GHz

As redes com interconexotildees natildeo-ideais seratildeo analisadas na frequecircncia de 10 GHz para

diferentes comprimentos Primeiramente o niacutevel loacutegico baixo (NB) o niacutevel loacutegico alto

(NA) o tempo de subida (tr) e o slew rate de subida (SR) foram obtidos conforme mostra a

Tabela 410 Com base nessa tabela verifica-se que na frequecircncia de 10 GHz essas

caracteriacutesticas natildeo foram modificadas pelas interconexotildees natildeo-ideais independentemente

do comprimento Os valores dos paracircmetros satildeo iguais aos obtidos na rede com

interconexatildeo ideal conforme Tabela 47 O sinal obtido na saiacuteda de cada inversor eacute igual

ao ilustrado na Figura 47

42

Tabela 410 Niacuteveis loacutegicos tempo de subida e slew rate dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 10 GHz

Freq L (l2l) Material NB(mV) NA(mV) tr(ps) SR(Vns)

10

GHz

50nm

100nm

SWCNT bundle 675 4518 356 8636

Cobre 675 4518 356 8636

200nm

400nm

SWCNT bundle 675 4518 356 8636

Cobre 675 4518 356 8636

500nm

1microm

SWCNT bundle 675 4518 356 8636

Cobre 675 4518 356 8636

A Tabela 411 mostra a atenuaccedilatildeo tempo de atraso potecircncia total dissipada e o produto

atraso-potecircncia obtidos a frequecircncia de 10 GHz para interconexotildees natildeo-ideais Observa-se

que a atenuaccedilatildeo do sinal e a potecircncia total dissipada por cada porta inversora permanecem

os mesmos em relaccedilatildeo agrave interconexatildeo ideal mostrando que a essa frequecircncia as

interconexotildees natildeo-ideais natildeo interferem nestes paracircmetros

Jaacute o atraso na propagaccedilatildeo do sinal no caso do cobre aumenta agrave medida que as

interconexotildees aumentam de comprimento aumentando tambeacutem o produto atraso-potecircncia

Esse atraso chega a 66 do periacuteodo do sinal de entrada para a interconexatildeo 500nm1microm

de cobre No entanto estes paracircmetros natildeo satildeo afetados pelas interconexotildees de SWCNT

bundle indicando que este material se sobressai em relaccedilatildeo ao cobre

Tabela 411 Atenuaccedilatildeo atraso potecircncia e produto atraso-potecircncia dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 10 GHz

Freq L (l2l) Material A (dB) td (ps) P (nW) DP(10-18

Wmiddots)

10

GHz

50nm

100nm

SWCNT bundle -264 412 4963 020

Cobre -264 412 4963 020

200nm

400nm

SWCNT bundle -264 412 4963 020

Cobre -264 438 4963 022

500nm

1microm

SWCNT bundle -264 412 4963 020

Cobre -264 659 4963 033

4422 Anaacutelise da rede a 100 GHz

As redes com interconexotildees natildeo-ideais seratildeo analisadas na frequecircncia de 100 GHz para

diferentes comprimentos O niacutevel loacutegico baixo (NB) o niacutevel loacutegico alto (NA) o tempo de

subida (tr) e o slew rate de subida (SR) foram obtidos conforme mostra a Tabela 412 Jaacute a

43

Tabela 413 mostra a atenuaccedilatildeo tempo de atraso potecircncia total dissipada e o produto

atraso-potecircncia obtidos a frequecircncia de 100 GHz para interconexotildees natildeo-ideais

Tabela 412 Niacuteveis loacutegicos tempo de subida e slew rate dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 100 GHz

Freq L (l2l) Material NB(mV) NA(mV) tr(ps) SR(Vns)

100

GHz

50nm

100nm

SWCNT bundle 678 4272 316 9099

Cobre 675 4277 323 9107

200nm

400nm

SWCNT bundle 678 4299 315 9196

Cobre 677 4089 289 9447

500nm

1microm

SWCNT bundle 678 4418 300 9973

Cobre 635 1766 102 6795

Tabela 413 Atenuaccedilatildeo atraso potecircncia e produto atraso-potecircncia dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 100 GHz

Freq L (l2l) Material A (dB) td (ps) P (nW) DP(10-18

Wmiddots)

100

GHz

50nm

100nm

SWCNT bundle -2703 189 6088 012

Cobre -2685 191 6088 012

200nm

400nm

SWCNT bundle -2693 188 6088 012

Cobre -2698 228 6088 014

500nm

1microm

SWCNT bundle -2673 174 6088 011

Cobre -2893 388 6088 024

A partir das Tabelas 412 e 413 o SWCNT bundle seraacute analisado Observa-se que os seus

niacuteveis loacutegicos altos aumentam com o aumento do comprimento das interconexotildees

aumentando tambeacutem o slew rate de subida Esse comportamento ocorre provavelmente

devido ao efeito ressonante provocado pela indutacircncia que provoca um pico no graacutefico da

frequumlecircncia antes dele comeccedilar a decair conforme explicado na subseccedilatildeo 421 Isso implica

na diminuiccedilatildeo da atenuaccedilatildeo do sinal e do atraso No entanto o produto atraso-potecircncia

permanece praticamente invariaacutevel jaacute que a potecircncia total dissipada natildeo se altera

Em relaccedilatildeo agraves interconexotildees de cobre verifica-se que as distorccedilotildees satildeo significativas Agrave

medida que o comprimento aumenta a atenuaccedilatildeo do sinal de saiacuteda aumenta Isso provoca

diminuiccedilatildeo no slew rate do sinal o que natildeo eacute desejado jaacute que o sinal demora mais para

atingir o niacutevel loacutegico alto Aleacutem disso o atraso na propagaccedilatildeo do sinal aumenta bastante

chegando a 388 do periacuteodo do sinal de entrada para a interconexatildeo 500nm1microm

Consequentemente o produto atraso-potecircncia tambeacutem aumenta sendo o dobro do valor de

44

referecircncia (interconexotildees ideais) A Figura 49 ilustra o sinal de saiacuteda da interconexatildeo

500nm1microm de cobre

Figura 49 Sinal de entrada (em verde) e sinal de saiacuteda (em preto) da rede a 100 GHz para

a interconexatildeo 500nm1microm de cobre

Comparando-se as potecircncias das tabelas 47 48 411 413 verifica-se que natildeo haacute

alteraccedilatildeo na potecircncia total dissipada pelo circuito com interconexotildees ideais e pelos

circuitos com interconexotildees natildeo-ideais para uma mesma frequecircncia Assim eacute importante

destacar que a dissipaccedilatildeo de potecircncia das interconexotildees de SWCNT bundle e de cobre natildeo

interfere na potecircncia total dissipada pelo circuito

443 Consideraccedilotildees Finais

Apoacutes analisar as interconexotildees locais de SWCNT de SWCNT bundle e de cobre

verificou-se que as interconexotildees de SWCNT bundle possuem desempenho comparaacutevel ao

das interconexotildees de cobre Em relaccedilatildeo agraves interconexotildees intermediaacuterias as de SWCNT

bundle apresentam desempenho superior agraves de cobre Jaacute as interconexotildees de SWCNT

isolado tanto para interconexotildees locais como para interconexotildees intermediaacuterias

apresentam desempenho inferior agraves interconexotildees de SWCNT bundle e de cobre natildeo

sendo propiacutecias a serem utilizadas em interconexotildees de circuitos integrados

Na anaacutelise das interconexotildees natildeo-ideais na rede H-tree clock mono-eleacutetron para a

frequecircncia de 10GHz observou-se que o niacutevel loacutegico baixo o niacutevel loacutegico alto o tempo de

subida o slew rate de subida a atenuaccedilatildeo do sinal e a potecircncia total dissipada por cada

porta inversora permanecem os mesmos em relaccedilatildeo agrave interconexatildeo ideal mostrando que

45

para esta frequecircncia as interconexotildees natildeo-ideais natildeo interferem nestes paracircmetros Jaacute o

atraso na propagaccedilatildeo do sinal no caso do cobre aumenta agrave medida que as interconexotildees

aumentam de comprimento aumentando tambeacutem o produto atraso-potecircncia No entanto

estes paracircmetros natildeo satildeo afetados pelas interconexotildees de SWCNT bundle indicando que

este material se sobressai em relaccedilatildeo ao cobre

Jaacute para a rede H-tree clock mono-eleacutetron a 100GHz observou-se que o circuito com

interconexotildees natildeo-ideais afetou bastante os paracircmetros em anaacutelise se comparados aos

obtidos para interconexotildees ideais Verificou-se que as distorccedilotildees provocadas pelas

interconexotildees de cobre foram significativas indicando que as interconexotildees de SWCNT

bundle possuem melhor desempenho que as de cobre

Assim constata-se que as interconexotildees de SWCNT bundle satildeo fortes candidatas a

substituirem as interconexotildees de cobre em circuitos em escala giga (GSI) e tera (TSI)

46

5 CONCLUSOtildeES

Nesta dissertaccedilatildeo o estudo das interconexotildees de SWCNT de SWCNT bundle e de cobre

foi realizado analisando e comparando os seus desempenhos para diferentes

comprimentos A partir desse estudo verificou-se que as interconexotildees de SWCNT bundle

possui desempenho comparaacutevel ao das interconexotildees de cobre no caso de interconexotildees

locais Em relaccedilatildeo agraves interconexotildees intermediaacuterias as de SWCNT bundle apresentam

desempenho superior agraves de cobre

As interconexotildees de SWCNT bundle e as interconexotildees de cobre foram entatildeo simuladas na

rede H-tree clock de dois niacuteveis para diferentes comprimentos e frequecircncias Nos pontos

de destino final da rede foram colocadas portas inversoras formadas por SETs permitindo

a anaacutelise de circuitos nanoeletrocircnicos

A partir da anaacutelise da rede H-tree clock observou-se que as interconexotildees de SWCNT

bundle possuem desempenho melhor que as de cobre principalmente em relaccedilatildeo ao slew

rate agrave atenuaccedilatildeo ao tempo de atraso e ao produto atraso-potecircncia Aleacutem disso a

dissipaccedilatildeo de potecircncia das interconexotildees natildeo-ideais natildeo interferem na potecircncia total

dissipada pelo circuito Assim as interconexotildees de SWCNT bundle satildeo fortes candidatas a

substituirem as interconexotildees de cobre em circuitos em escala giga (GSI) e tera (TSI)

Como perspectivas futuras eacute importante analisar o efeito das interconexotildees de nanotubo de

carbono em circuitos GSI e TSI com outras arquiteturas A anaacutelise das interconexotildees de

CNT tambeacutem deve ser feita em circuitos com tecnologia MOS permitindo a comparaccedilatildeo

entre diferentes tecnologias Aleacutem disso eacute interessante estudar outros tipos de materiais

que possam ser utilizados como interconexotildees em circuitos integrados

47

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53

7 APEcircNDICES

71 TABELAS COMPLEMENTARES

Tabela 71 Paracircmetros obtidos a partir do modelo de SWCNT isolado

L RQ (Ω) RS (Ω) LCNT (10-9

H) CCNT (10-18

F)

10 nm 645103 - 40010

-2 27910

-1

100 nm 645103 - 40010

-1 279

200 nm 645103 - 80010

-1 558

300 nm 645103 - 120 837

400 nm 645103 - 160 11210

1

500 nm 645103 - 200 14010

1

600 nm 645103 - 240 16710

1

700 nm 645103 - 280 19510

1

800 nm 645103 - 320 22310

1

900 nm 645103 - 360 25110

1

1 microm 645103 - 400 27910

1

10 microm 645103 64510

4 40010

1 27910

2

100 microm 645103 64510

5 40010

2 27910

3

200 microm 645103 12910

6 80010

2 55810

3

300 microm 645103 19410

6 12010

3 83710

3

400 microm

645103 25810

6 16010

3 11210

4

500 microm

645103 32310

6 20010

3 14010

4

Tabela 72 Paracircmetros obtidos a partir do modelo de SWCNT bundle

L RQ (Ω) RS (Ω) LBundle(10-9

H) CBundle(10-18

F)

10 nm 1075 - 66710-5

135

100 nm 1075 - 66710-4

135101

200 nm 1075 - 13310-3

270101

300 nm 1075 - 20010-3

405101

400 nm 1075 - 26710-3

540101

500 nm 1075 - 33310-3

675101

600 nm 1075 - 40010-3

810101

700 nm 1075 - 46710-3

945101

800 nm 1075 - 53310-3

108102

900 nm 1075 - 60010-3

122102

1 microm 1075 - 66710-3

135102

10 microm 1075 108102 66710

-2 13510

3

100 microm 1075 108103 66710

-1 13510

4

200 microm 1075 215103 133 27010

4

300 microm 1075 323103 200 40510

4

400 microm

1075 430103 267 54010

4

500 microm

1075 538103 333 67510

4

54

Tabela 73 Paracircmetros obtidos a partir do modelo de cobre

L RCu (Ω) LCu (10-9

H) CCu (10-18

F)

10 nm 06 37310-6

150

100 nm 60 63610-5

150101

200 nm 120 17510-4

300101

300 nm 180 30910-4

450101

400 nm 240 45410-4

600101

500 nm 300 61110-4

750101

600 nm 360 77510-4

900101

700 nm 420 94610-4

105102

800 nm 480 11210-3

120102

900 nm 540 13110-3

135102

1 microm 600 14910-3

150102

10 microm 60102 24010

-2 15010

3

100 microm 60103 33210

-1 15010

4

200 microm 12104 72010

-1 30010

4

300 microm 18104 113 45010

4

400 microm

24104 155 60010

4

500 microm

30104 198 75010

4

55

Tabela 74 Frequecircncia em -3dB das interconexotildees locais

Comprimento Material f-3dB

10 nm SWCNT isolado 253 GHz

SWCNT bundle 66 THz

Cobre 232 THz

100 nm SWCNT isolado 300 GHz

SWCNT bundle 20 THz

Cobre 51 THz

200 nm SWCNT isolado 342 GHz

SWCNT bundle 14 THz

Cobre 29 THz

300 nm SWCNT isolado 344 GHz

SWCNT bundle 11 THz

Cobre 20 THz

400 nm SWCNT isolado 329 GHz

SWCNT bundle 89 THz

Cobre 15 THz

500 nm SWCNT isolado 307 GHz

SWCNT bundle 76 THz

Cobre 12 THz

600 nm SWCNT isolado 288 GHz

SWCNT bundle 67 THz

Cobre 94 THz

700 nm SWCNT isolado 271 GHz

SWCNT bundle 61 THz

Cobre 76 THz

800 nm SWCNT isolado 255 GHz

SWCNT bundle 55 THz

Cobre 63 THz

900 nm SWCNT isolado 240 GHz

SWCNT bundle 51 THz

Cobre 52 THz

1 microm SWCNT isolado 230 GHz

SWCNT bundle 47 THz

Cobre 42 THz

56

Tabela 75 Frequecircncia em -3dB das interconexotildees intermediaacuterias

Comprimento Material f-3dB

10 microm SWCNT isolado 26 GHz

SWCNT bundle 527 GHz

Cobre 34 GHz

100 microm SWCNT isolado 32 MHz

SWCNT bundle 42 GHz

Cobre 345 MHz

200 microm SWCNT isolado 82 MHz

SWCNT bundle 10 GHz

Cobre 87 MHz

300 microm SWCNT isolado 36 MHz

SWCNT bundle 455 MHz

Cobre 38 MHz

400 microm SWCNT isolado 21 MHz

SWCNT bundle 256 MHz

Cobre 21 MHz

500 microm SWCNT isolado 13 MHz

SWCNT bundle 165 MHz

Cobre 14 MHz

57

8 ANEXOS

81 COacuteDIGO SPICE DO SET [44]

Transistor mono-eleacutetron (SET) conexotildees fonte | dreno | | porta1 | | | porta2 | | | | SUBCKT SET 1 2 3 4 PARAMS +C1=1E-20 Capacitacircncia da junccedilatildeo 1 +C2=1E-20 Capacitacircncia da junccedilatildeo 2 +R1=1E5 Resistecircncia da junccedilatildeo 1 +R2=1E5 Resistecircncia da junccedilatildeo 2 +Cg1=015E-18 Capacitacircncia da junccedilatildeo 1 +Cg2=0 Capacitacircncia da junccedilatildeo 2 +C0=0 Capacitacircncia proacutepria da ilha +Q0=005 Carga offset em unidades de e +TEMP=300 Temperatura PARAM E=160217733E-19 Carga do eleacutetron (e) PARAM CSUM=C1+C2+Cg1+Cg2+C0 Capacitacircncia total do SET PARAM T=TEMPCSUM53785467E14 Temperatura normalizada 53785467E14 = kBe^2 PARAM RN1=R1(R1+R2) Resistecircncia da junccedilatildeo 1 normalizada PARAM RN2=R2(R1+R2) Resistecircncia da junccedilatildeo 2 normalizada FUNC Q(v1v2v3v4) (Cg1v3+Cg2v4+C1v1+C2v2)E+Q0 Definiccedilatildeo da carga em unidades de e FUNC VN(v) CSUMvE Tensatildeo normalizada FUNC GAMMA(u) IF(T==0IF(ult0-u0)IF(u==0Tu(EXP(uT)-1))) FUNC N_OPT(v1v2v3v4) ROUND(-Q(v1v2v3v4)+(CSUME) (v1RN2+v2RN1)) A maior probabilidade de carga na ilha em unidades de e Os quarto eventos tuacuteneis FUNC R1L(nv1v2v3v4) GAMMA(05 - n - Q(v1v2v3v4) + VN(v1))RN1 FUNC R1R(nv1v2v3v4) GAMMA(05 + n + Q(v1v2v3v4) - VN(v1))RN1 FUNC R2L(nv1v2v3v4) GAMMA(05 + n + Q(v1v2v3v4) - VN(v2))RN2 FUNC R2R(nv1v2v3v4) GAMMA(05 - n - Q(v1v2v3v4) + VN(v2))RN2

58

determinaccedilatildeo das probabilidades relativas assume-se inicialmente que o estado da carga N_OPT tem probabilidade relativa igual a um FUNC PN_1(nv1v2v3v4) (R1L(nv1v2v3v4)+R2R(nv1v2v3v4))(R1R(n-1v1v2v3v4)+R2L(n-1v1v2v3v4)) FUNC PN_2(nv1v2v3v4) PN_1(nv1v2v3v4) +(R1L(n-1v1v2v3v4)+R2R(n-1v1v2v3v4))(R1R(n-2v1v2v3v4)+R2L(n-2v1v2v3v4)) FUNC PN_3(nv1v2v3v4) PN_2(nv1v2v3v4) +(R1L(n-2v1v2v3v4)+R2R(n-2v1v2v3v4))(R1R(n-3v1v2v3v4)+R2L(n-3v1v2v3v4)) FUNC PN_4(nv1v2v3v4) PN_3(nv1v2v3v4) +(R1L(n-3v1v2v3v4)+R2R(n-3v1v2v3v4))(R1R(n-4v1v2v3v4)+R2L(n-4v1v2v3v4)) FUNC PN_5(nv1v2v3v4) PN_4(nv1v2v3v4) +(R1L(n-4v1v2v3v4)+R2R(n-4v1v2v3v4))(R1R(n-5v1v2v3v4)+R2L(n-5v1v2v3v4)) FUNC PN1(nv1v2v3v4) (R2L(nv1v2v3v4) +R1R(nv1v2v3v4))(R2R(n+1v1v2v3v4)+R1L(n+1v1v2v3v4)) FUNC PN2(nv1v2v3v4) PN1(nv1v2v3v4) +(R2L(n+1v1v2v3v4)+R1R(n+1v1v2v3v4))(R2R(n+2v1v2v3v4)+R1L(n+2v1v2v3v4)) FUNC PN3(nv1v2v3v4) PN2(nv1v2v3v4) +(R2L(n+2v1v2v3v4)+R1R(n+2v1v2v3v4))(R2R(n+3v1v2v3v4)+R1L(n+3v1v2v3v4)) FUNC PN4(nv1v2v3v4) PN3(nv1v2v3v4) +(R2L(n+3v1v2v3v4)+R1R(n+3v1v2v3v4))(R2R(n+4v1v2v3v4)+R1L(n+4v1v2v3v4)) FUNC PN5(nv1v2v3v4) PN4(nv1v2v3v4) +(R2L(n+4v1v2v3v4)+R1R(n+4v1v2v3v4))(R2R(n+5v1v2v3v4)+R1L(n+5v1v2v3v4)) FUNC PSUM(nv1v2v3v4) PN_5(nv1v2v3v4)+PN_4(nv1v2v3v4)+PN_3(nv1v2v3v4)+PN_2(nv1v2v3v4) ++PN_1(nv1v2v3v4)+1+PN1(nv1v2v3v4)+PN2(nv1v2v3v4)+PN3(nv1v2v3v4) ++PN4(nv1v2v3v4)+PN5(nv1v2v3v4)

59

caacutelculo da corrente da fonte para o dreno FUNC CUR(nv1v2v3v4) PN_5(nv1v2v3v4)(R1R(n-5v1v2v3v4)-R1L(n-5v1v2v3v4)) ++PN_4(nv1v2v3v4)(R1R(n-4v1v2v3v4)-R1L(n-4v1v2v3v4)) ++PN_3(nv1v2v3v4)(R1R(n-3v1v2v3v4)-R1L(n-3v1v2v3v4)) ++PN_2(nv1v2v3v4)(R1R(n-2v1v2v3v4)-R1L(n-2v1v2v3v4)) ++PN_1(nv1v2v3v4)(R1R(n-1v1v2v3v4)-R1L(n-1v1v2v3v4)) ++(R1R(nv1v2v3v4)-R1L(nv1v2v3v4)) ++PN1(nv1v2v3v4)(R1R(n+1v1v2v3v4)-R1L(n+1v1v2v3v4)) ++PN2(nv1v2v3v4)(R1R(n+2v1v2v3v4)-R1L(n+2v1v2v3v4)) ++PN3(nv1v2v3v4)(R1R(n+3v1v2v3v4)-R1L(n+3v1v2v3v4)) ++PN4(nv1v2v3v4)(R1R(n+4v1v2v3v4)-R1L(n+4v1v2v3v4)) ++PN5(nv1v2v3v4)(R1R(n+5v1v2v3v4)-R1L(n+5v1v2v3v4)) FUNC CURRENT(nv1v2v3v4) ECUR(nv1v2v3v4)(CSUMPSUM(nv1v2v3v4)(R1+R2)) caacutelculo da tensatildeo da ilha FUNC VOLT(nv1v2v3v4) PN_5(nv1v2v3v4)(n-5+Q(v1v2v3v4)) ++PN_4(nv1v2v3v4)(n-4+Q(v1v2v3v4)) ++PN_3(nv1v2v3v4)(n-3+Q(v1v2v3v4)) ++PN_2(nv1v2v3v4)(n-2+Q(v1v2v3v4)) ++PN_1(nv1v2v3v4)(n-1+Q(v1v2v3v4)) ++n+Q(v1v2v3v4) ++PN1(nv1v2v3v4)(n+1+Q(v1v2v3v4)) ++PN2(nv1v2v3v4)(n+2+Q(v1v2v3v4)) ++PN3(nv1v2v3v4)(n+3+Q(v1v2v3v4)) ++PN4(nv1v2v3v4)(n+4+Q(v1v2v3v4)) ++PN5(nv1v2v3v4)(n+5+Q(v1v2v3v4)) FUNC VOLTAGE(nv1v2v3v4) (ECSUM)VOLT(nv1v2v3v4)PSUM(nv1v2v3v4) E1 5 0 VALUE= VOLTAGE(N_OPT(V(1)V(2)V(3)V(4))V(1)V(2)V(3)V(4)) Tensatildeo da ilha G1 1 2 VALUE= CURRENT(N_OPT(V(1)V(2)V(3)V(4))V(1)V(2)V(3)V(4)) Corrente da fonte para o dreno CT1 1 5 C1 CT2 2 5 C2 CGATE1 3 5 CG1 CGATE2 4 5 CG2 ENDS SET

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40

caacutelculo destes paracircmetros Como a potecircncia estaacutetica independe da frequecircncia do sinal de

entrada o seu valor eacute o mesmo nos dois casos

Tabela 48 Potecircncia dissipada por cada porta inversora para interconexotildees ideais

Frequecircncia PE (nW) PD (nW) P (nW) DP (10-18

Wmiddots)

10 GHz 4838 125 4963 020

100 GHz 4838 125 6088 012

As Tabelas 47 e 48 serviratildeo de referecircncia para as anaacutelises da rede com interconexotildees natildeo-

ideais analisadas na subseccedilatildeo seguinte As Figuras 47 e 48 ilustram o sinal de saiacuteda das

redes com frequecircncias de 10 GHz e de 100 GHz respectivamente Eacute possiacutevel observar que

na frequecircncia de 100 GHz o sinal de saiacuteda jaacute eacute distorcido em relaccedilatildeo ao sinal de referecircncia

(Figura 46)

Figura 47 Sinal de entrada (em verde) e sinal de saiacuteda (em preto) da rede a 10 GHz

Figura 48 Sinal de entrada (em verde) e sinal de saiacuteda (em preto) da rede a 100 GHz

41

442 Anaacutelise da rede com interconexotildees natildeo-ideais

Apoacutes obter as caracteriacutesticas da rede H-tree clock com interconexotildees ideais a anaacutelise da

rede com interconexotildees natildeo-ideais seraacute feita Primeiramente eacute importante verificar a

frequecircncia em -3dB do sinal depois das interconexotildees ou seja na entrada da porta

inversora Caso essa frequecircncia seja menor que a frequecircncia de 3200 GHz obtida com

interconexotildees ideais entatildeo a interconexatildeo afetaraacute o comportamento da rede A Tabela 49

mostra a frequecircncia em -3dB na entrada da inversora para interconexotildees natildeo-ideais

Tabela 49 Frequecircncia em -3dB na entrada da inversora para interconexotildees natildeo-ideais

Comprimentos (l2 l) Material f-3dB

50nm 100nm SWCNT bundle 122 THz

Cobre 175 THz

200nm 400nm SWCNT bundle 31 THz

Cobre 8606 GHz

500nm 1microm SWCNT bundle 12 THz

Cobre 1268 GHz

Assim verifica-se que a interconexatildeo de cobre da rede 500nm1microm possui frequecircncia em

-3dB abaixo da frequecircncia do circuito com interconexatildeo ideal (3200 GHz) Isso indica que

esta interconexatildeo interfere significativamente no comportamento da rede A Tabela 49

mostra tambeacutem que a banda passante da interconexatildeo de cobre soacute eacute maior que a da

interconexatildeo de SWCNT bundle no primeiro caso na rede de 50nm100nm o que mostra

uma vantagem do SWCNT bundle em relaccedilatildeo ao cobre A partir dessas informaccedilotildees a

rede H-tree clock com interconexotildees natildeo-ideais seraacute analisada detalhadamente

4421 Anaacutelise da rede a 10 GHz

As redes com interconexotildees natildeo-ideais seratildeo analisadas na frequecircncia de 10 GHz para

diferentes comprimentos Primeiramente o niacutevel loacutegico baixo (NB) o niacutevel loacutegico alto

(NA) o tempo de subida (tr) e o slew rate de subida (SR) foram obtidos conforme mostra a

Tabela 410 Com base nessa tabela verifica-se que na frequecircncia de 10 GHz essas

caracteriacutesticas natildeo foram modificadas pelas interconexotildees natildeo-ideais independentemente

do comprimento Os valores dos paracircmetros satildeo iguais aos obtidos na rede com

interconexatildeo ideal conforme Tabela 47 O sinal obtido na saiacuteda de cada inversor eacute igual

ao ilustrado na Figura 47

42

Tabela 410 Niacuteveis loacutegicos tempo de subida e slew rate dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 10 GHz

Freq L (l2l) Material NB(mV) NA(mV) tr(ps) SR(Vns)

10

GHz

50nm

100nm

SWCNT bundle 675 4518 356 8636

Cobre 675 4518 356 8636

200nm

400nm

SWCNT bundle 675 4518 356 8636

Cobre 675 4518 356 8636

500nm

1microm

SWCNT bundle 675 4518 356 8636

Cobre 675 4518 356 8636

A Tabela 411 mostra a atenuaccedilatildeo tempo de atraso potecircncia total dissipada e o produto

atraso-potecircncia obtidos a frequecircncia de 10 GHz para interconexotildees natildeo-ideais Observa-se

que a atenuaccedilatildeo do sinal e a potecircncia total dissipada por cada porta inversora permanecem

os mesmos em relaccedilatildeo agrave interconexatildeo ideal mostrando que a essa frequecircncia as

interconexotildees natildeo-ideais natildeo interferem nestes paracircmetros

Jaacute o atraso na propagaccedilatildeo do sinal no caso do cobre aumenta agrave medida que as

interconexotildees aumentam de comprimento aumentando tambeacutem o produto atraso-potecircncia

Esse atraso chega a 66 do periacuteodo do sinal de entrada para a interconexatildeo 500nm1microm

de cobre No entanto estes paracircmetros natildeo satildeo afetados pelas interconexotildees de SWCNT

bundle indicando que este material se sobressai em relaccedilatildeo ao cobre

Tabela 411 Atenuaccedilatildeo atraso potecircncia e produto atraso-potecircncia dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 10 GHz

Freq L (l2l) Material A (dB) td (ps) P (nW) DP(10-18

Wmiddots)

10

GHz

50nm

100nm

SWCNT bundle -264 412 4963 020

Cobre -264 412 4963 020

200nm

400nm

SWCNT bundle -264 412 4963 020

Cobre -264 438 4963 022

500nm

1microm

SWCNT bundle -264 412 4963 020

Cobre -264 659 4963 033

4422 Anaacutelise da rede a 100 GHz

As redes com interconexotildees natildeo-ideais seratildeo analisadas na frequecircncia de 100 GHz para

diferentes comprimentos O niacutevel loacutegico baixo (NB) o niacutevel loacutegico alto (NA) o tempo de

subida (tr) e o slew rate de subida (SR) foram obtidos conforme mostra a Tabela 412 Jaacute a

43

Tabela 413 mostra a atenuaccedilatildeo tempo de atraso potecircncia total dissipada e o produto

atraso-potecircncia obtidos a frequecircncia de 100 GHz para interconexotildees natildeo-ideais

Tabela 412 Niacuteveis loacutegicos tempo de subida e slew rate dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 100 GHz

Freq L (l2l) Material NB(mV) NA(mV) tr(ps) SR(Vns)

100

GHz

50nm

100nm

SWCNT bundle 678 4272 316 9099

Cobre 675 4277 323 9107

200nm

400nm

SWCNT bundle 678 4299 315 9196

Cobre 677 4089 289 9447

500nm

1microm

SWCNT bundle 678 4418 300 9973

Cobre 635 1766 102 6795

Tabela 413 Atenuaccedilatildeo atraso potecircncia e produto atraso-potecircncia dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 100 GHz

Freq L (l2l) Material A (dB) td (ps) P (nW) DP(10-18

Wmiddots)

100

GHz

50nm

100nm

SWCNT bundle -2703 189 6088 012

Cobre -2685 191 6088 012

200nm

400nm

SWCNT bundle -2693 188 6088 012

Cobre -2698 228 6088 014

500nm

1microm

SWCNT bundle -2673 174 6088 011

Cobre -2893 388 6088 024

A partir das Tabelas 412 e 413 o SWCNT bundle seraacute analisado Observa-se que os seus

niacuteveis loacutegicos altos aumentam com o aumento do comprimento das interconexotildees

aumentando tambeacutem o slew rate de subida Esse comportamento ocorre provavelmente

devido ao efeito ressonante provocado pela indutacircncia que provoca um pico no graacutefico da

frequumlecircncia antes dele comeccedilar a decair conforme explicado na subseccedilatildeo 421 Isso implica

na diminuiccedilatildeo da atenuaccedilatildeo do sinal e do atraso No entanto o produto atraso-potecircncia

permanece praticamente invariaacutevel jaacute que a potecircncia total dissipada natildeo se altera

Em relaccedilatildeo agraves interconexotildees de cobre verifica-se que as distorccedilotildees satildeo significativas Agrave

medida que o comprimento aumenta a atenuaccedilatildeo do sinal de saiacuteda aumenta Isso provoca

diminuiccedilatildeo no slew rate do sinal o que natildeo eacute desejado jaacute que o sinal demora mais para

atingir o niacutevel loacutegico alto Aleacutem disso o atraso na propagaccedilatildeo do sinal aumenta bastante

chegando a 388 do periacuteodo do sinal de entrada para a interconexatildeo 500nm1microm

Consequentemente o produto atraso-potecircncia tambeacutem aumenta sendo o dobro do valor de

44

referecircncia (interconexotildees ideais) A Figura 49 ilustra o sinal de saiacuteda da interconexatildeo

500nm1microm de cobre

Figura 49 Sinal de entrada (em verde) e sinal de saiacuteda (em preto) da rede a 100 GHz para

a interconexatildeo 500nm1microm de cobre

Comparando-se as potecircncias das tabelas 47 48 411 413 verifica-se que natildeo haacute

alteraccedilatildeo na potecircncia total dissipada pelo circuito com interconexotildees ideais e pelos

circuitos com interconexotildees natildeo-ideais para uma mesma frequecircncia Assim eacute importante

destacar que a dissipaccedilatildeo de potecircncia das interconexotildees de SWCNT bundle e de cobre natildeo

interfere na potecircncia total dissipada pelo circuito

443 Consideraccedilotildees Finais

Apoacutes analisar as interconexotildees locais de SWCNT de SWCNT bundle e de cobre

verificou-se que as interconexotildees de SWCNT bundle possuem desempenho comparaacutevel ao

das interconexotildees de cobre Em relaccedilatildeo agraves interconexotildees intermediaacuterias as de SWCNT

bundle apresentam desempenho superior agraves de cobre Jaacute as interconexotildees de SWCNT

isolado tanto para interconexotildees locais como para interconexotildees intermediaacuterias

apresentam desempenho inferior agraves interconexotildees de SWCNT bundle e de cobre natildeo

sendo propiacutecias a serem utilizadas em interconexotildees de circuitos integrados

Na anaacutelise das interconexotildees natildeo-ideais na rede H-tree clock mono-eleacutetron para a

frequecircncia de 10GHz observou-se que o niacutevel loacutegico baixo o niacutevel loacutegico alto o tempo de

subida o slew rate de subida a atenuaccedilatildeo do sinal e a potecircncia total dissipada por cada

porta inversora permanecem os mesmos em relaccedilatildeo agrave interconexatildeo ideal mostrando que

45

para esta frequecircncia as interconexotildees natildeo-ideais natildeo interferem nestes paracircmetros Jaacute o

atraso na propagaccedilatildeo do sinal no caso do cobre aumenta agrave medida que as interconexotildees

aumentam de comprimento aumentando tambeacutem o produto atraso-potecircncia No entanto

estes paracircmetros natildeo satildeo afetados pelas interconexotildees de SWCNT bundle indicando que

este material se sobressai em relaccedilatildeo ao cobre

Jaacute para a rede H-tree clock mono-eleacutetron a 100GHz observou-se que o circuito com

interconexotildees natildeo-ideais afetou bastante os paracircmetros em anaacutelise se comparados aos

obtidos para interconexotildees ideais Verificou-se que as distorccedilotildees provocadas pelas

interconexotildees de cobre foram significativas indicando que as interconexotildees de SWCNT

bundle possuem melhor desempenho que as de cobre

Assim constata-se que as interconexotildees de SWCNT bundle satildeo fortes candidatas a

substituirem as interconexotildees de cobre em circuitos em escala giga (GSI) e tera (TSI)

46

5 CONCLUSOtildeES

Nesta dissertaccedilatildeo o estudo das interconexotildees de SWCNT de SWCNT bundle e de cobre

foi realizado analisando e comparando os seus desempenhos para diferentes

comprimentos A partir desse estudo verificou-se que as interconexotildees de SWCNT bundle

possui desempenho comparaacutevel ao das interconexotildees de cobre no caso de interconexotildees

locais Em relaccedilatildeo agraves interconexotildees intermediaacuterias as de SWCNT bundle apresentam

desempenho superior agraves de cobre

As interconexotildees de SWCNT bundle e as interconexotildees de cobre foram entatildeo simuladas na

rede H-tree clock de dois niacuteveis para diferentes comprimentos e frequecircncias Nos pontos

de destino final da rede foram colocadas portas inversoras formadas por SETs permitindo

a anaacutelise de circuitos nanoeletrocircnicos

A partir da anaacutelise da rede H-tree clock observou-se que as interconexotildees de SWCNT

bundle possuem desempenho melhor que as de cobre principalmente em relaccedilatildeo ao slew

rate agrave atenuaccedilatildeo ao tempo de atraso e ao produto atraso-potecircncia Aleacutem disso a

dissipaccedilatildeo de potecircncia das interconexotildees natildeo-ideais natildeo interferem na potecircncia total

dissipada pelo circuito Assim as interconexotildees de SWCNT bundle satildeo fortes candidatas a

substituirem as interconexotildees de cobre em circuitos em escala giga (GSI) e tera (TSI)

Como perspectivas futuras eacute importante analisar o efeito das interconexotildees de nanotubo de

carbono em circuitos GSI e TSI com outras arquiteturas A anaacutelise das interconexotildees de

CNT tambeacutem deve ser feita em circuitos com tecnologia MOS permitindo a comparaccedilatildeo

entre diferentes tecnologias Aleacutem disso eacute interessante estudar outros tipos de materiais

que possam ser utilizados como interconexotildees em circuitos integrados

47

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53

7 APEcircNDICES

71 TABELAS COMPLEMENTARES

Tabela 71 Paracircmetros obtidos a partir do modelo de SWCNT isolado

L RQ (Ω) RS (Ω) LCNT (10-9

H) CCNT (10-18

F)

10 nm 645103 - 40010

-2 27910

-1

100 nm 645103 - 40010

-1 279

200 nm 645103 - 80010

-1 558

300 nm 645103 - 120 837

400 nm 645103 - 160 11210

1

500 nm 645103 - 200 14010

1

600 nm 645103 - 240 16710

1

700 nm 645103 - 280 19510

1

800 nm 645103 - 320 22310

1

900 nm 645103 - 360 25110

1

1 microm 645103 - 400 27910

1

10 microm 645103 64510

4 40010

1 27910

2

100 microm 645103 64510

5 40010

2 27910

3

200 microm 645103 12910

6 80010

2 55810

3

300 microm 645103 19410

6 12010

3 83710

3

400 microm

645103 25810

6 16010

3 11210

4

500 microm

645103 32310

6 20010

3 14010

4

Tabela 72 Paracircmetros obtidos a partir do modelo de SWCNT bundle

L RQ (Ω) RS (Ω) LBundle(10-9

H) CBundle(10-18

F)

10 nm 1075 - 66710-5

135

100 nm 1075 - 66710-4

135101

200 nm 1075 - 13310-3

270101

300 nm 1075 - 20010-3

405101

400 nm 1075 - 26710-3

540101

500 nm 1075 - 33310-3

675101

600 nm 1075 - 40010-3

810101

700 nm 1075 - 46710-3

945101

800 nm 1075 - 53310-3

108102

900 nm 1075 - 60010-3

122102

1 microm 1075 - 66710-3

135102

10 microm 1075 108102 66710

-2 13510

3

100 microm 1075 108103 66710

-1 13510

4

200 microm 1075 215103 133 27010

4

300 microm 1075 323103 200 40510

4

400 microm

1075 430103 267 54010

4

500 microm

1075 538103 333 67510

4

54

Tabela 73 Paracircmetros obtidos a partir do modelo de cobre

L RCu (Ω) LCu (10-9

H) CCu (10-18

F)

10 nm 06 37310-6

150

100 nm 60 63610-5

150101

200 nm 120 17510-4

300101

300 nm 180 30910-4

450101

400 nm 240 45410-4

600101

500 nm 300 61110-4

750101

600 nm 360 77510-4

900101

700 nm 420 94610-4

105102

800 nm 480 11210-3

120102

900 nm 540 13110-3

135102

1 microm 600 14910-3

150102

10 microm 60102 24010

-2 15010

3

100 microm 60103 33210

-1 15010

4

200 microm 12104 72010

-1 30010

4

300 microm 18104 113 45010

4

400 microm

24104 155 60010

4

500 microm

30104 198 75010

4

55

Tabela 74 Frequecircncia em -3dB das interconexotildees locais

Comprimento Material f-3dB

10 nm SWCNT isolado 253 GHz

SWCNT bundle 66 THz

Cobre 232 THz

100 nm SWCNT isolado 300 GHz

SWCNT bundle 20 THz

Cobre 51 THz

200 nm SWCNT isolado 342 GHz

SWCNT bundle 14 THz

Cobre 29 THz

300 nm SWCNT isolado 344 GHz

SWCNT bundle 11 THz

Cobre 20 THz

400 nm SWCNT isolado 329 GHz

SWCNT bundle 89 THz

Cobre 15 THz

500 nm SWCNT isolado 307 GHz

SWCNT bundle 76 THz

Cobre 12 THz

600 nm SWCNT isolado 288 GHz

SWCNT bundle 67 THz

Cobre 94 THz

700 nm SWCNT isolado 271 GHz

SWCNT bundle 61 THz

Cobre 76 THz

800 nm SWCNT isolado 255 GHz

SWCNT bundle 55 THz

Cobre 63 THz

900 nm SWCNT isolado 240 GHz

SWCNT bundle 51 THz

Cobre 52 THz

1 microm SWCNT isolado 230 GHz

SWCNT bundle 47 THz

Cobre 42 THz

56

Tabela 75 Frequecircncia em -3dB das interconexotildees intermediaacuterias

Comprimento Material f-3dB

10 microm SWCNT isolado 26 GHz

SWCNT bundle 527 GHz

Cobre 34 GHz

100 microm SWCNT isolado 32 MHz

SWCNT bundle 42 GHz

Cobre 345 MHz

200 microm SWCNT isolado 82 MHz

SWCNT bundle 10 GHz

Cobre 87 MHz

300 microm SWCNT isolado 36 MHz

SWCNT bundle 455 MHz

Cobre 38 MHz

400 microm SWCNT isolado 21 MHz

SWCNT bundle 256 MHz

Cobre 21 MHz

500 microm SWCNT isolado 13 MHz

SWCNT bundle 165 MHz

Cobre 14 MHz

57

8 ANEXOS

81 COacuteDIGO SPICE DO SET [44]

Transistor mono-eleacutetron (SET) conexotildees fonte | dreno | | porta1 | | | porta2 | | | | SUBCKT SET 1 2 3 4 PARAMS +C1=1E-20 Capacitacircncia da junccedilatildeo 1 +C2=1E-20 Capacitacircncia da junccedilatildeo 2 +R1=1E5 Resistecircncia da junccedilatildeo 1 +R2=1E5 Resistecircncia da junccedilatildeo 2 +Cg1=015E-18 Capacitacircncia da junccedilatildeo 1 +Cg2=0 Capacitacircncia da junccedilatildeo 2 +C0=0 Capacitacircncia proacutepria da ilha +Q0=005 Carga offset em unidades de e +TEMP=300 Temperatura PARAM E=160217733E-19 Carga do eleacutetron (e) PARAM CSUM=C1+C2+Cg1+Cg2+C0 Capacitacircncia total do SET PARAM T=TEMPCSUM53785467E14 Temperatura normalizada 53785467E14 = kBe^2 PARAM RN1=R1(R1+R2) Resistecircncia da junccedilatildeo 1 normalizada PARAM RN2=R2(R1+R2) Resistecircncia da junccedilatildeo 2 normalizada FUNC Q(v1v2v3v4) (Cg1v3+Cg2v4+C1v1+C2v2)E+Q0 Definiccedilatildeo da carga em unidades de e FUNC VN(v) CSUMvE Tensatildeo normalizada FUNC GAMMA(u) IF(T==0IF(ult0-u0)IF(u==0Tu(EXP(uT)-1))) FUNC N_OPT(v1v2v3v4) ROUND(-Q(v1v2v3v4)+(CSUME) (v1RN2+v2RN1)) A maior probabilidade de carga na ilha em unidades de e Os quarto eventos tuacuteneis FUNC R1L(nv1v2v3v4) GAMMA(05 - n - Q(v1v2v3v4) + VN(v1))RN1 FUNC R1R(nv1v2v3v4) GAMMA(05 + n + Q(v1v2v3v4) - VN(v1))RN1 FUNC R2L(nv1v2v3v4) GAMMA(05 + n + Q(v1v2v3v4) - VN(v2))RN2 FUNC R2R(nv1v2v3v4) GAMMA(05 - n - Q(v1v2v3v4) + VN(v2))RN2

58

determinaccedilatildeo das probabilidades relativas assume-se inicialmente que o estado da carga N_OPT tem probabilidade relativa igual a um FUNC PN_1(nv1v2v3v4) (R1L(nv1v2v3v4)+R2R(nv1v2v3v4))(R1R(n-1v1v2v3v4)+R2L(n-1v1v2v3v4)) FUNC PN_2(nv1v2v3v4) PN_1(nv1v2v3v4) +(R1L(n-1v1v2v3v4)+R2R(n-1v1v2v3v4))(R1R(n-2v1v2v3v4)+R2L(n-2v1v2v3v4)) FUNC PN_3(nv1v2v3v4) PN_2(nv1v2v3v4) +(R1L(n-2v1v2v3v4)+R2R(n-2v1v2v3v4))(R1R(n-3v1v2v3v4)+R2L(n-3v1v2v3v4)) FUNC PN_4(nv1v2v3v4) PN_3(nv1v2v3v4) +(R1L(n-3v1v2v3v4)+R2R(n-3v1v2v3v4))(R1R(n-4v1v2v3v4)+R2L(n-4v1v2v3v4)) FUNC PN_5(nv1v2v3v4) PN_4(nv1v2v3v4) +(R1L(n-4v1v2v3v4)+R2R(n-4v1v2v3v4))(R1R(n-5v1v2v3v4)+R2L(n-5v1v2v3v4)) FUNC PN1(nv1v2v3v4) (R2L(nv1v2v3v4) +R1R(nv1v2v3v4))(R2R(n+1v1v2v3v4)+R1L(n+1v1v2v3v4)) FUNC PN2(nv1v2v3v4) PN1(nv1v2v3v4) +(R2L(n+1v1v2v3v4)+R1R(n+1v1v2v3v4))(R2R(n+2v1v2v3v4)+R1L(n+2v1v2v3v4)) FUNC PN3(nv1v2v3v4) PN2(nv1v2v3v4) +(R2L(n+2v1v2v3v4)+R1R(n+2v1v2v3v4))(R2R(n+3v1v2v3v4)+R1L(n+3v1v2v3v4)) FUNC PN4(nv1v2v3v4) PN3(nv1v2v3v4) +(R2L(n+3v1v2v3v4)+R1R(n+3v1v2v3v4))(R2R(n+4v1v2v3v4)+R1L(n+4v1v2v3v4)) FUNC PN5(nv1v2v3v4) PN4(nv1v2v3v4) +(R2L(n+4v1v2v3v4)+R1R(n+4v1v2v3v4))(R2R(n+5v1v2v3v4)+R1L(n+5v1v2v3v4)) FUNC PSUM(nv1v2v3v4) PN_5(nv1v2v3v4)+PN_4(nv1v2v3v4)+PN_3(nv1v2v3v4)+PN_2(nv1v2v3v4) ++PN_1(nv1v2v3v4)+1+PN1(nv1v2v3v4)+PN2(nv1v2v3v4)+PN3(nv1v2v3v4) ++PN4(nv1v2v3v4)+PN5(nv1v2v3v4)

59

caacutelculo da corrente da fonte para o dreno FUNC CUR(nv1v2v3v4) PN_5(nv1v2v3v4)(R1R(n-5v1v2v3v4)-R1L(n-5v1v2v3v4)) ++PN_4(nv1v2v3v4)(R1R(n-4v1v2v3v4)-R1L(n-4v1v2v3v4)) ++PN_3(nv1v2v3v4)(R1R(n-3v1v2v3v4)-R1L(n-3v1v2v3v4)) ++PN_2(nv1v2v3v4)(R1R(n-2v1v2v3v4)-R1L(n-2v1v2v3v4)) ++PN_1(nv1v2v3v4)(R1R(n-1v1v2v3v4)-R1L(n-1v1v2v3v4)) ++(R1R(nv1v2v3v4)-R1L(nv1v2v3v4)) ++PN1(nv1v2v3v4)(R1R(n+1v1v2v3v4)-R1L(n+1v1v2v3v4)) ++PN2(nv1v2v3v4)(R1R(n+2v1v2v3v4)-R1L(n+2v1v2v3v4)) ++PN3(nv1v2v3v4)(R1R(n+3v1v2v3v4)-R1L(n+3v1v2v3v4)) ++PN4(nv1v2v3v4)(R1R(n+4v1v2v3v4)-R1L(n+4v1v2v3v4)) ++PN5(nv1v2v3v4)(R1R(n+5v1v2v3v4)-R1L(n+5v1v2v3v4)) FUNC CURRENT(nv1v2v3v4) ECUR(nv1v2v3v4)(CSUMPSUM(nv1v2v3v4)(R1+R2)) caacutelculo da tensatildeo da ilha FUNC VOLT(nv1v2v3v4) PN_5(nv1v2v3v4)(n-5+Q(v1v2v3v4)) ++PN_4(nv1v2v3v4)(n-4+Q(v1v2v3v4)) ++PN_3(nv1v2v3v4)(n-3+Q(v1v2v3v4)) ++PN_2(nv1v2v3v4)(n-2+Q(v1v2v3v4)) ++PN_1(nv1v2v3v4)(n-1+Q(v1v2v3v4)) ++n+Q(v1v2v3v4) ++PN1(nv1v2v3v4)(n+1+Q(v1v2v3v4)) ++PN2(nv1v2v3v4)(n+2+Q(v1v2v3v4)) ++PN3(nv1v2v3v4)(n+3+Q(v1v2v3v4)) ++PN4(nv1v2v3v4)(n+4+Q(v1v2v3v4)) ++PN5(nv1v2v3v4)(n+5+Q(v1v2v3v4)) FUNC VOLTAGE(nv1v2v3v4) (ECSUM)VOLT(nv1v2v3v4)PSUM(nv1v2v3v4) E1 5 0 VALUE= VOLTAGE(N_OPT(V(1)V(2)V(3)V(4))V(1)V(2)V(3)V(4)) Tensatildeo da ilha G1 1 2 VALUE= CURRENT(N_OPT(V(1)V(2)V(3)V(4))V(1)V(2)V(3)V(4)) Corrente da fonte para o dreno CT1 1 5 C1 CT2 2 5 C2 CGATE1 3 5 CG1 CGATE2 4 5 CG2 ENDS SET

Page 54: ANÁLISE COMPARATIVA ENTRE ... - repositorio.unb.brrepositorio.unb.br/.../1/2012_CamilaPeixotoSilvaMadeiraNogueira.pdf · Prof. Stefan Michael Blawid, ... Deus colocou esses dois

41

442 Anaacutelise da rede com interconexotildees natildeo-ideais

Apoacutes obter as caracteriacutesticas da rede H-tree clock com interconexotildees ideais a anaacutelise da

rede com interconexotildees natildeo-ideais seraacute feita Primeiramente eacute importante verificar a

frequecircncia em -3dB do sinal depois das interconexotildees ou seja na entrada da porta

inversora Caso essa frequecircncia seja menor que a frequecircncia de 3200 GHz obtida com

interconexotildees ideais entatildeo a interconexatildeo afetaraacute o comportamento da rede A Tabela 49

mostra a frequecircncia em -3dB na entrada da inversora para interconexotildees natildeo-ideais

Tabela 49 Frequecircncia em -3dB na entrada da inversora para interconexotildees natildeo-ideais

Comprimentos (l2 l) Material f-3dB

50nm 100nm SWCNT bundle 122 THz

Cobre 175 THz

200nm 400nm SWCNT bundle 31 THz

Cobre 8606 GHz

500nm 1microm SWCNT bundle 12 THz

Cobre 1268 GHz

Assim verifica-se que a interconexatildeo de cobre da rede 500nm1microm possui frequecircncia em

-3dB abaixo da frequecircncia do circuito com interconexatildeo ideal (3200 GHz) Isso indica que

esta interconexatildeo interfere significativamente no comportamento da rede A Tabela 49

mostra tambeacutem que a banda passante da interconexatildeo de cobre soacute eacute maior que a da

interconexatildeo de SWCNT bundle no primeiro caso na rede de 50nm100nm o que mostra

uma vantagem do SWCNT bundle em relaccedilatildeo ao cobre A partir dessas informaccedilotildees a

rede H-tree clock com interconexotildees natildeo-ideais seraacute analisada detalhadamente

4421 Anaacutelise da rede a 10 GHz

As redes com interconexotildees natildeo-ideais seratildeo analisadas na frequecircncia de 10 GHz para

diferentes comprimentos Primeiramente o niacutevel loacutegico baixo (NB) o niacutevel loacutegico alto

(NA) o tempo de subida (tr) e o slew rate de subida (SR) foram obtidos conforme mostra a

Tabela 410 Com base nessa tabela verifica-se que na frequecircncia de 10 GHz essas

caracteriacutesticas natildeo foram modificadas pelas interconexotildees natildeo-ideais independentemente

do comprimento Os valores dos paracircmetros satildeo iguais aos obtidos na rede com

interconexatildeo ideal conforme Tabela 47 O sinal obtido na saiacuteda de cada inversor eacute igual

ao ilustrado na Figura 47

42

Tabela 410 Niacuteveis loacutegicos tempo de subida e slew rate dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 10 GHz

Freq L (l2l) Material NB(mV) NA(mV) tr(ps) SR(Vns)

10

GHz

50nm

100nm

SWCNT bundle 675 4518 356 8636

Cobre 675 4518 356 8636

200nm

400nm

SWCNT bundle 675 4518 356 8636

Cobre 675 4518 356 8636

500nm

1microm

SWCNT bundle 675 4518 356 8636

Cobre 675 4518 356 8636

A Tabela 411 mostra a atenuaccedilatildeo tempo de atraso potecircncia total dissipada e o produto

atraso-potecircncia obtidos a frequecircncia de 10 GHz para interconexotildees natildeo-ideais Observa-se

que a atenuaccedilatildeo do sinal e a potecircncia total dissipada por cada porta inversora permanecem

os mesmos em relaccedilatildeo agrave interconexatildeo ideal mostrando que a essa frequecircncia as

interconexotildees natildeo-ideais natildeo interferem nestes paracircmetros

Jaacute o atraso na propagaccedilatildeo do sinal no caso do cobre aumenta agrave medida que as

interconexotildees aumentam de comprimento aumentando tambeacutem o produto atraso-potecircncia

Esse atraso chega a 66 do periacuteodo do sinal de entrada para a interconexatildeo 500nm1microm

de cobre No entanto estes paracircmetros natildeo satildeo afetados pelas interconexotildees de SWCNT

bundle indicando que este material se sobressai em relaccedilatildeo ao cobre

Tabela 411 Atenuaccedilatildeo atraso potecircncia e produto atraso-potecircncia dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 10 GHz

Freq L (l2l) Material A (dB) td (ps) P (nW) DP(10-18

Wmiddots)

10

GHz

50nm

100nm

SWCNT bundle -264 412 4963 020

Cobre -264 412 4963 020

200nm

400nm

SWCNT bundle -264 412 4963 020

Cobre -264 438 4963 022

500nm

1microm

SWCNT bundle -264 412 4963 020

Cobre -264 659 4963 033

4422 Anaacutelise da rede a 100 GHz

As redes com interconexotildees natildeo-ideais seratildeo analisadas na frequecircncia de 100 GHz para

diferentes comprimentos O niacutevel loacutegico baixo (NB) o niacutevel loacutegico alto (NA) o tempo de

subida (tr) e o slew rate de subida (SR) foram obtidos conforme mostra a Tabela 412 Jaacute a

43

Tabela 413 mostra a atenuaccedilatildeo tempo de atraso potecircncia total dissipada e o produto

atraso-potecircncia obtidos a frequecircncia de 100 GHz para interconexotildees natildeo-ideais

Tabela 412 Niacuteveis loacutegicos tempo de subida e slew rate dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 100 GHz

Freq L (l2l) Material NB(mV) NA(mV) tr(ps) SR(Vns)

100

GHz

50nm

100nm

SWCNT bundle 678 4272 316 9099

Cobre 675 4277 323 9107

200nm

400nm

SWCNT bundle 678 4299 315 9196

Cobre 677 4089 289 9447

500nm

1microm

SWCNT bundle 678 4418 300 9973

Cobre 635 1766 102 6795

Tabela 413 Atenuaccedilatildeo atraso potecircncia e produto atraso-potecircncia dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 100 GHz

Freq L (l2l) Material A (dB) td (ps) P (nW) DP(10-18

Wmiddots)

100

GHz

50nm

100nm

SWCNT bundle -2703 189 6088 012

Cobre -2685 191 6088 012

200nm

400nm

SWCNT bundle -2693 188 6088 012

Cobre -2698 228 6088 014

500nm

1microm

SWCNT bundle -2673 174 6088 011

Cobre -2893 388 6088 024

A partir das Tabelas 412 e 413 o SWCNT bundle seraacute analisado Observa-se que os seus

niacuteveis loacutegicos altos aumentam com o aumento do comprimento das interconexotildees

aumentando tambeacutem o slew rate de subida Esse comportamento ocorre provavelmente

devido ao efeito ressonante provocado pela indutacircncia que provoca um pico no graacutefico da

frequumlecircncia antes dele comeccedilar a decair conforme explicado na subseccedilatildeo 421 Isso implica

na diminuiccedilatildeo da atenuaccedilatildeo do sinal e do atraso No entanto o produto atraso-potecircncia

permanece praticamente invariaacutevel jaacute que a potecircncia total dissipada natildeo se altera

Em relaccedilatildeo agraves interconexotildees de cobre verifica-se que as distorccedilotildees satildeo significativas Agrave

medida que o comprimento aumenta a atenuaccedilatildeo do sinal de saiacuteda aumenta Isso provoca

diminuiccedilatildeo no slew rate do sinal o que natildeo eacute desejado jaacute que o sinal demora mais para

atingir o niacutevel loacutegico alto Aleacutem disso o atraso na propagaccedilatildeo do sinal aumenta bastante

chegando a 388 do periacuteodo do sinal de entrada para a interconexatildeo 500nm1microm

Consequentemente o produto atraso-potecircncia tambeacutem aumenta sendo o dobro do valor de

44

referecircncia (interconexotildees ideais) A Figura 49 ilustra o sinal de saiacuteda da interconexatildeo

500nm1microm de cobre

Figura 49 Sinal de entrada (em verde) e sinal de saiacuteda (em preto) da rede a 100 GHz para

a interconexatildeo 500nm1microm de cobre

Comparando-se as potecircncias das tabelas 47 48 411 413 verifica-se que natildeo haacute

alteraccedilatildeo na potecircncia total dissipada pelo circuito com interconexotildees ideais e pelos

circuitos com interconexotildees natildeo-ideais para uma mesma frequecircncia Assim eacute importante

destacar que a dissipaccedilatildeo de potecircncia das interconexotildees de SWCNT bundle e de cobre natildeo

interfere na potecircncia total dissipada pelo circuito

443 Consideraccedilotildees Finais

Apoacutes analisar as interconexotildees locais de SWCNT de SWCNT bundle e de cobre

verificou-se que as interconexotildees de SWCNT bundle possuem desempenho comparaacutevel ao

das interconexotildees de cobre Em relaccedilatildeo agraves interconexotildees intermediaacuterias as de SWCNT

bundle apresentam desempenho superior agraves de cobre Jaacute as interconexotildees de SWCNT

isolado tanto para interconexotildees locais como para interconexotildees intermediaacuterias

apresentam desempenho inferior agraves interconexotildees de SWCNT bundle e de cobre natildeo

sendo propiacutecias a serem utilizadas em interconexotildees de circuitos integrados

Na anaacutelise das interconexotildees natildeo-ideais na rede H-tree clock mono-eleacutetron para a

frequecircncia de 10GHz observou-se que o niacutevel loacutegico baixo o niacutevel loacutegico alto o tempo de

subida o slew rate de subida a atenuaccedilatildeo do sinal e a potecircncia total dissipada por cada

porta inversora permanecem os mesmos em relaccedilatildeo agrave interconexatildeo ideal mostrando que

45

para esta frequecircncia as interconexotildees natildeo-ideais natildeo interferem nestes paracircmetros Jaacute o

atraso na propagaccedilatildeo do sinal no caso do cobre aumenta agrave medida que as interconexotildees

aumentam de comprimento aumentando tambeacutem o produto atraso-potecircncia No entanto

estes paracircmetros natildeo satildeo afetados pelas interconexotildees de SWCNT bundle indicando que

este material se sobressai em relaccedilatildeo ao cobre

Jaacute para a rede H-tree clock mono-eleacutetron a 100GHz observou-se que o circuito com

interconexotildees natildeo-ideais afetou bastante os paracircmetros em anaacutelise se comparados aos

obtidos para interconexotildees ideais Verificou-se que as distorccedilotildees provocadas pelas

interconexotildees de cobre foram significativas indicando que as interconexotildees de SWCNT

bundle possuem melhor desempenho que as de cobre

Assim constata-se que as interconexotildees de SWCNT bundle satildeo fortes candidatas a

substituirem as interconexotildees de cobre em circuitos em escala giga (GSI) e tera (TSI)

46

5 CONCLUSOtildeES

Nesta dissertaccedilatildeo o estudo das interconexotildees de SWCNT de SWCNT bundle e de cobre

foi realizado analisando e comparando os seus desempenhos para diferentes

comprimentos A partir desse estudo verificou-se que as interconexotildees de SWCNT bundle

possui desempenho comparaacutevel ao das interconexotildees de cobre no caso de interconexotildees

locais Em relaccedilatildeo agraves interconexotildees intermediaacuterias as de SWCNT bundle apresentam

desempenho superior agraves de cobre

As interconexotildees de SWCNT bundle e as interconexotildees de cobre foram entatildeo simuladas na

rede H-tree clock de dois niacuteveis para diferentes comprimentos e frequecircncias Nos pontos

de destino final da rede foram colocadas portas inversoras formadas por SETs permitindo

a anaacutelise de circuitos nanoeletrocircnicos

A partir da anaacutelise da rede H-tree clock observou-se que as interconexotildees de SWCNT

bundle possuem desempenho melhor que as de cobre principalmente em relaccedilatildeo ao slew

rate agrave atenuaccedilatildeo ao tempo de atraso e ao produto atraso-potecircncia Aleacutem disso a

dissipaccedilatildeo de potecircncia das interconexotildees natildeo-ideais natildeo interferem na potecircncia total

dissipada pelo circuito Assim as interconexotildees de SWCNT bundle satildeo fortes candidatas a

substituirem as interconexotildees de cobre em circuitos em escala giga (GSI) e tera (TSI)

Como perspectivas futuras eacute importante analisar o efeito das interconexotildees de nanotubo de

carbono em circuitos GSI e TSI com outras arquiteturas A anaacutelise das interconexotildees de

CNT tambeacutem deve ser feita em circuitos com tecnologia MOS permitindo a comparaccedilatildeo

entre diferentes tecnologias Aleacutem disso eacute interessante estudar outros tipos de materiais

que possam ser utilizados como interconexotildees em circuitos integrados

47

6 REFEREcircNCIAS BIBLIOGRAacuteFICAS

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53

7 APEcircNDICES

71 TABELAS COMPLEMENTARES

Tabela 71 Paracircmetros obtidos a partir do modelo de SWCNT isolado

L RQ (Ω) RS (Ω) LCNT (10-9

H) CCNT (10-18

F)

10 nm 645103 - 40010

-2 27910

-1

100 nm 645103 - 40010

-1 279

200 nm 645103 - 80010

-1 558

300 nm 645103 - 120 837

400 nm 645103 - 160 11210

1

500 nm 645103 - 200 14010

1

600 nm 645103 - 240 16710

1

700 nm 645103 - 280 19510

1

800 nm 645103 - 320 22310

1

900 nm 645103 - 360 25110

1

1 microm 645103 - 400 27910

1

10 microm 645103 64510

4 40010

1 27910

2

100 microm 645103 64510

5 40010

2 27910

3

200 microm 645103 12910

6 80010

2 55810

3

300 microm 645103 19410

6 12010

3 83710

3

400 microm

645103 25810

6 16010

3 11210

4

500 microm

645103 32310

6 20010

3 14010

4

Tabela 72 Paracircmetros obtidos a partir do modelo de SWCNT bundle

L RQ (Ω) RS (Ω) LBundle(10-9

H) CBundle(10-18

F)

10 nm 1075 - 66710-5

135

100 nm 1075 - 66710-4

135101

200 nm 1075 - 13310-3

270101

300 nm 1075 - 20010-3

405101

400 nm 1075 - 26710-3

540101

500 nm 1075 - 33310-3

675101

600 nm 1075 - 40010-3

810101

700 nm 1075 - 46710-3

945101

800 nm 1075 - 53310-3

108102

900 nm 1075 - 60010-3

122102

1 microm 1075 - 66710-3

135102

10 microm 1075 108102 66710

-2 13510

3

100 microm 1075 108103 66710

-1 13510

4

200 microm 1075 215103 133 27010

4

300 microm 1075 323103 200 40510

4

400 microm

1075 430103 267 54010

4

500 microm

1075 538103 333 67510

4

54

Tabela 73 Paracircmetros obtidos a partir do modelo de cobre

L RCu (Ω) LCu (10-9

H) CCu (10-18

F)

10 nm 06 37310-6

150

100 nm 60 63610-5

150101

200 nm 120 17510-4

300101

300 nm 180 30910-4

450101

400 nm 240 45410-4

600101

500 nm 300 61110-4

750101

600 nm 360 77510-4

900101

700 nm 420 94610-4

105102

800 nm 480 11210-3

120102

900 nm 540 13110-3

135102

1 microm 600 14910-3

150102

10 microm 60102 24010

-2 15010

3

100 microm 60103 33210

-1 15010

4

200 microm 12104 72010

-1 30010

4

300 microm 18104 113 45010

4

400 microm

24104 155 60010

4

500 microm

30104 198 75010

4

55

Tabela 74 Frequecircncia em -3dB das interconexotildees locais

Comprimento Material f-3dB

10 nm SWCNT isolado 253 GHz

SWCNT bundle 66 THz

Cobre 232 THz

100 nm SWCNT isolado 300 GHz

SWCNT bundle 20 THz

Cobre 51 THz

200 nm SWCNT isolado 342 GHz

SWCNT bundle 14 THz

Cobre 29 THz

300 nm SWCNT isolado 344 GHz

SWCNT bundle 11 THz

Cobre 20 THz

400 nm SWCNT isolado 329 GHz

SWCNT bundle 89 THz

Cobre 15 THz

500 nm SWCNT isolado 307 GHz

SWCNT bundle 76 THz

Cobre 12 THz

600 nm SWCNT isolado 288 GHz

SWCNT bundle 67 THz

Cobre 94 THz

700 nm SWCNT isolado 271 GHz

SWCNT bundle 61 THz

Cobre 76 THz

800 nm SWCNT isolado 255 GHz

SWCNT bundle 55 THz

Cobre 63 THz

900 nm SWCNT isolado 240 GHz

SWCNT bundle 51 THz

Cobre 52 THz

1 microm SWCNT isolado 230 GHz

SWCNT bundle 47 THz

Cobre 42 THz

56

Tabela 75 Frequecircncia em -3dB das interconexotildees intermediaacuterias

Comprimento Material f-3dB

10 microm SWCNT isolado 26 GHz

SWCNT bundle 527 GHz

Cobre 34 GHz

100 microm SWCNT isolado 32 MHz

SWCNT bundle 42 GHz

Cobre 345 MHz

200 microm SWCNT isolado 82 MHz

SWCNT bundle 10 GHz

Cobre 87 MHz

300 microm SWCNT isolado 36 MHz

SWCNT bundle 455 MHz

Cobre 38 MHz

400 microm SWCNT isolado 21 MHz

SWCNT bundle 256 MHz

Cobre 21 MHz

500 microm SWCNT isolado 13 MHz

SWCNT bundle 165 MHz

Cobre 14 MHz

57

8 ANEXOS

81 COacuteDIGO SPICE DO SET [44]

Transistor mono-eleacutetron (SET) conexotildees fonte | dreno | | porta1 | | | porta2 | | | | SUBCKT SET 1 2 3 4 PARAMS +C1=1E-20 Capacitacircncia da junccedilatildeo 1 +C2=1E-20 Capacitacircncia da junccedilatildeo 2 +R1=1E5 Resistecircncia da junccedilatildeo 1 +R2=1E5 Resistecircncia da junccedilatildeo 2 +Cg1=015E-18 Capacitacircncia da junccedilatildeo 1 +Cg2=0 Capacitacircncia da junccedilatildeo 2 +C0=0 Capacitacircncia proacutepria da ilha +Q0=005 Carga offset em unidades de e +TEMP=300 Temperatura PARAM E=160217733E-19 Carga do eleacutetron (e) PARAM CSUM=C1+C2+Cg1+Cg2+C0 Capacitacircncia total do SET PARAM T=TEMPCSUM53785467E14 Temperatura normalizada 53785467E14 = kBe^2 PARAM RN1=R1(R1+R2) Resistecircncia da junccedilatildeo 1 normalizada PARAM RN2=R2(R1+R2) Resistecircncia da junccedilatildeo 2 normalizada FUNC Q(v1v2v3v4) (Cg1v3+Cg2v4+C1v1+C2v2)E+Q0 Definiccedilatildeo da carga em unidades de e FUNC VN(v) CSUMvE Tensatildeo normalizada FUNC GAMMA(u) IF(T==0IF(ult0-u0)IF(u==0Tu(EXP(uT)-1))) FUNC N_OPT(v1v2v3v4) ROUND(-Q(v1v2v3v4)+(CSUME) (v1RN2+v2RN1)) A maior probabilidade de carga na ilha em unidades de e Os quarto eventos tuacuteneis FUNC R1L(nv1v2v3v4) GAMMA(05 - n - Q(v1v2v3v4) + VN(v1))RN1 FUNC R1R(nv1v2v3v4) GAMMA(05 + n + Q(v1v2v3v4) - VN(v1))RN1 FUNC R2L(nv1v2v3v4) GAMMA(05 + n + Q(v1v2v3v4) - VN(v2))RN2 FUNC R2R(nv1v2v3v4) GAMMA(05 - n - Q(v1v2v3v4) + VN(v2))RN2

58

determinaccedilatildeo das probabilidades relativas assume-se inicialmente que o estado da carga N_OPT tem probabilidade relativa igual a um FUNC PN_1(nv1v2v3v4) (R1L(nv1v2v3v4)+R2R(nv1v2v3v4))(R1R(n-1v1v2v3v4)+R2L(n-1v1v2v3v4)) FUNC PN_2(nv1v2v3v4) PN_1(nv1v2v3v4) +(R1L(n-1v1v2v3v4)+R2R(n-1v1v2v3v4))(R1R(n-2v1v2v3v4)+R2L(n-2v1v2v3v4)) FUNC PN_3(nv1v2v3v4) PN_2(nv1v2v3v4) +(R1L(n-2v1v2v3v4)+R2R(n-2v1v2v3v4))(R1R(n-3v1v2v3v4)+R2L(n-3v1v2v3v4)) FUNC PN_4(nv1v2v3v4) PN_3(nv1v2v3v4) +(R1L(n-3v1v2v3v4)+R2R(n-3v1v2v3v4))(R1R(n-4v1v2v3v4)+R2L(n-4v1v2v3v4)) FUNC PN_5(nv1v2v3v4) PN_4(nv1v2v3v4) +(R1L(n-4v1v2v3v4)+R2R(n-4v1v2v3v4))(R1R(n-5v1v2v3v4)+R2L(n-5v1v2v3v4)) FUNC PN1(nv1v2v3v4) (R2L(nv1v2v3v4) +R1R(nv1v2v3v4))(R2R(n+1v1v2v3v4)+R1L(n+1v1v2v3v4)) FUNC PN2(nv1v2v3v4) PN1(nv1v2v3v4) +(R2L(n+1v1v2v3v4)+R1R(n+1v1v2v3v4))(R2R(n+2v1v2v3v4)+R1L(n+2v1v2v3v4)) FUNC PN3(nv1v2v3v4) PN2(nv1v2v3v4) +(R2L(n+2v1v2v3v4)+R1R(n+2v1v2v3v4))(R2R(n+3v1v2v3v4)+R1L(n+3v1v2v3v4)) FUNC PN4(nv1v2v3v4) PN3(nv1v2v3v4) +(R2L(n+3v1v2v3v4)+R1R(n+3v1v2v3v4))(R2R(n+4v1v2v3v4)+R1L(n+4v1v2v3v4)) FUNC PN5(nv1v2v3v4) PN4(nv1v2v3v4) +(R2L(n+4v1v2v3v4)+R1R(n+4v1v2v3v4))(R2R(n+5v1v2v3v4)+R1L(n+5v1v2v3v4)) FUNC PSUM(nv1v2v3v4) PN_5(nv1v2v3v4)+PN_4(nv1v2v3v4)+PN_3(nv1v2v3v4)+PN_2(nv1v2v3v4) ++PN_1(nv1v2v3v4)+1+PN1(nv1v2v3v4)+PN2(nv1v2v3v4)+PN3(nv1v2v3v4) ++PN4(nv1v2v3v4)+PN5(nv1v2v3v4)

59

caacutelculo da corrente da fonte para o dreno FUNC CUR(nv1v2v3v4) PN_5(nv1v2v3v4)(R1R(n-5v1v2v3v4)-R1L(n-5v1v2v3v4)) ++PN_4(nv1v2v3v4)(R1R(n-4v1v2v3v4)-R1L(n-4v1v2v3v4)) ++PN_3(nv1v2v3v4)(R1R(n-3v1v2v3v4)-R1L(n-3v1v2v3v4)) ++PN_2(nv1v2v3v4)(R1R(n-2v1v2v3v4)-R1L(n-2v1v2v3v4)) ++PN_1(nv1v2v3v4)(R1R(n-1v1v2v3v4)-R1L(n-1v1v2v3v4)) ++(R1R(nv1v2v3v4)-R1L(nv1v2v3v4)) ++PN1(nv1v2v3v4)(R1R(n+1v1v2v3v4)-R1L(n+1v1v2v3v4)) ++PN2(nv1v2v3v4)(R1R(n+2v1v2v3v4)-R1L(n+2v1v2v3v4)) ++PN3(nv1v2v3v4)(R1R(n+3v1v2v3v4)-R1L(n+3v1v2v3v4)) ++PN4(nv1v2v3v4)(R1R(n+4v1v2v3v4)-R1L(n+4v1v2v3v4)) ++PN5(nv1v2v3v4)(R1R(n+5v1v2v3v4)-R1L(n+5v1v2v3v4)) FUNC CURRENT(nv1v2v3v4) ECUR(nv1v2v3v4)(CSUMPSUM(nv1v2v3v4)(R1+R2)) caacutelculo da tensatildeo da ilha FUNC VOLT(nv1v2v3v4) PN_5(nv1v2v3v4)(n-5+Q(v1v2v3v4)) ++PN_4(nv1v2v3v4)(n-4+Q(v1v2v3v4)) ++PN_3(nv1v2v3v4)(n-3+Q(v1v2v3v4)) ++PN_2(nv1v2v3v4)(n-2+Q(v1v2v3v4)) ++PN_1(nv1v2v3v4)(n-1+Q(v1v2v3v4)) ++n+Q(v1v2v3v4) ++PN1(nv1v2v3v4)(n+1+Q(v1v2v3v4)) ++PN2(nv1v2v3v4)(n+2+Q(v1v2v3v4)) ++PN3(nv1v2v3v4)(n+3+Q(v1v2v3v4)) ++PN4(nv1v2v3v4)(n+4+Q(v1v2v3v4)) ++PN5(nv1v2v3v4)(n+5+Q(v1v2v3v4)) FUNC VOLTAGE(nv1v2v3v4) (ECSUM)VOLT(nv1v2v3v4)PSUM(nv1v2v3v4) E1 5 0 VALUE= VOLTAGE(N_OPT(V(1)V(2)V(3)V(4))V(1)V(2)V(3)V(4)) Tensatildeo da ilha G1 1 2 VALUE= CURRENT(N_OPT(V(1)V(2)V(3)V(4))V(1)V(2)V(3)V(4)) Corrente da fonte para o dreno CT1 1 5 C1 CT2 2 5 C2 CGATE1 3 5 CG1 CGATE2 4 5 CG2 ENDS SET

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42

Tabela 410 Niacuteveis loacutegicos tempo de subida e slew rate dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 10 GHz

Freq L (l2l) Material NB(mV) NA(mV) tr(ps) SR(Vns)

10

GHz

50nm

100nm

SWCNT bundle 675 4518 356 8636

Cobre 675 4518 356 8636

200nm

400nm

SWCNT bundle 675 4518 356 8636

Cobre 675 4518 356 8636

500nm

1microm

SWCNT bundle 675 4518 356 8636

Cobre 675 4518 356 8636

A Tabela 411 mostra a atenuaccedilatildeo tempo de atraso potecircncia total dissipada e o produto

atraso-potecircncia obtidos a frequecircncia de 10 GHz para interconexotildees natildeo-ideais Observa-se

que a atenuaccedilatildeo do sinal e a potecircncia total dissipada por cada porta inversora permanecem

os mesmos em relaccedilatildeo agrave interconexatildeo ideal mostrando que a essa frequecircncia as

interconexotildees natildeo-ideais natildeo interferem nestes paracircmetros

Jaacute o atraso na propagaccedilatildeo do sinal no caso do cobre aumenta agrave medida que as

interconexotildees aumentam de comprimento aumentando tambeacutem o produto atraso-potecircncia

Esse atraso chega a 66 do periacuteodo do sinal de entrada para a interconexatildeo 500nm1microm

de cobre No entanto estes paracircmetros natildeo satildeo afetados pelas interconexotildees de SWCNT

bundle indicando que este material se sobressai em relaccedilatildeo ao cobre

Tabela 411 Atenuaccedilatildeo atraso potecircncia e produto atraso-potecircncia dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 10 GHz

Freq L (l2l) Material A (dB) td (ps) P (nW) DP(10-18

Wmiddots)

10

GHz

50nm

100nm

SWCNT bundle -264 412 4963 020

Cobre -264 412 4963 020

200nm

400nm

SWCNT bundle -264 412 4963 020

Cobre -264 438 4963 022

500nm

1microm

SWCNT bundle -264 412 4963 020

Cobre -264 659 4963 033

4422 Anaacutelise da rede a 100 GHz

As redes com interconexotildees natildeo-ideais seratildeo analisadas na frequecircncia de 100 GHz para

diferentes comprimentos O niacutevel loacutegico baixo (NB) o niacutevel loacutegico alto (NA) o tempo de

subida (tr) e o slew rate de subida (SR) foram obtidos conforme mostra a Tabela 412 Jaacute a

43

Tabela 413 mostra a atenuaccedilatildeo tempo de atraso potecircncia total dissipada e o produto

atraso-potecircncia obtidos a frequecircncia de 100 GHz para interconexotildees natildeo-ideais

Tabela 412 Niacuteveis loacutegicos tempo de subida e slew rate dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 100 GHz

Freq L (l2l) Material NB(mV) NA(mV) tr(ps) SR(Vns)

100

GHz

50nm

100nm

SWCNT bundle 678 4272 316 9099

Cobre 675 4277 323 9107

200nm

400nm

SWCNT bundle 678 4299 315 9196

Cobre 677 4089 289 9447

500nm

1microm

SWCNT bundle 678 4418 300 9973

Cobre 635 1766 102 6795

Tabela 413 Atenuaccedilatildeo atraso potecircncia e produto atraso-potecircncia dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 100 GHz

Freq L (l2l) Material A (dB) td (ps) P (nW) DP(10-18

Wmiddots)

100

GHz

50nm

100nm

SWCNT bundle -2703 189 6088 012

Cobre -2685 191 6088 012

200nm

400nm

SWCNT bundle -2693 188 6088 012

Cobre -2698 228 6088 014

500nm

1microm

SWCNT bundle -2673 174 6088 011

Cobre -2893 388 6088 024

A partir das Tabelas 412 e 413 o SWCNT bundle seraacute analisado Observa-se que os seus

niacuteveis loacutegicos altos aumentam com o aumento do comprimento das interconexotildees

aumentando tambeacutem o slew rate de subida Esse comportamento ocorre provavelmente

devido ao efeito ressonante provocado pela indutacircncia que provoca um pico no graacutefico da

frequumlecircncia antes dele comeccedilar a decair conforme explicado na subseccedilatildeo 421 Isso implica

na diminuiccedilatildeo da atenuaccedilatildeo do sinal e do atraso No entanto o produto atraso-potecircncia

permanece praticamente invariaacutevel jaacute que a potecircncia total dissipada natildeo se altera

Em relaccedilatildeo agraves interconexotildees de cobre verifica-se que as distorccedilotildees satildeo significativas Agrave

medida que o comprimento aumenta a atenuaccedilatildeo do sinal de saiacuteda aumenta Isso provoca

diminuiccedilatildeo no slew rate do sinal o que natildeo eacute desejado jaacute que o sinal demora mais para

atingir o niacutevel loacutegico alto Aleacutem disso o atraso na propagaccedilatildeo do sinal aumenta bastante

chegando a 388 do periacuteodo do sinal de entrada para a interconexatildeo 500nm1microm

Consequentemente o produto atraso-potecircncia tambeacutem aumenta sendo o dobro do valor de

44

referecircncia (interconexotildees ideais) A Figura 49 ilustra o sinal de saiacuteda da interconexatildeo

500nm1microm de cobre

Figura 49 Sinal de entrada (em verde) e sinal de saiacuteda (em preto) da rede a 100 GHz para

a interconexatildeo 500nm1microm de cobre

Comparando-se as potecircncias das tabelas 47 48 411 413 verifica-se que natildeo haacute

alteraccedilatildeo na potecircncia total dissipada pelo circuito com interconexotildees ideais e pelos

circuitos com interconexotildees natildeo-ideais para uma mesma frequecircncia Assim eacute importante

destacar que a dissipaccedilatildeo de potecircncia das interconexotildees de SWCNT bundle e de cobre natildeo

interfere na potecircncia total dissipada pelo circuito

443 Consideraccedilotildees Finais

Apoacutes analisar as interconexotildees locais de SWCNT de SWCNT bundle e de cobre

verificou-se que as interconexotildees de SWCNT bundle possuem desempenho comparaacutevel ao

das interconexotildees de cobre Em relaccedilatildeo agraves interconexotildees intermediaacuterias as de SWCNT

bundle apresentam desempenho superior agraves de cobre Jaacute as interconexotildees de SWCNT

isolado tanto para interconexotildees locais como para interconexotildees intermediaacuterias

apresentam desempenho inferior agraves interconexotildees de SWCNT bundle e de cobre natildeo

sendo propiacutecias a serem utilizadas em interconexotildees de circuitos integrados

Na anaacutelise das interconexotildees natildeo-ideais na rede H-tree clock mono-eleacutetron para a

frequecircncia de 10GHz observou-se que o niacutevel loacutegico baixo o niacutevel loacutegico alto o tempo de

subida o slew rate de subida a atenuaccedilatildeo do sinal e a potecircncia total dissipada por cada

porta inversora permanecem os mesmos em relaccedilatildeo agrave interconexatildeo ideal mostrando que

45

para esta frequecircncia as interconexotildees natildeo-ideais natildeo interferem nestes paracircmetros Jaacute o

atraso na propagaccedilatildeo do sinal no caso do cobre aumenta agrave medida que as interconexotildees

aumentam de comprimento aumentando tambeacutem o produto atraso-potecircncia No entanto

estes paracircmetros natildeo satildeo afetados pelas interconexotildees de SWCNT bundle indicando que

este material se sobressai em relaccedilatildeo ao cobre

Jaacute para a rede H-tree clock mono-eleacutetron a 100GHz observou-se que o circuito com

interconexotildees natildeo-ideais afetou bastante os paracircmetros em anaacutelise se comparados aos

obtidos para interconexotildees ideais Verificou-se que as distorccedilotildees provocadas pelas

interconexotildees de cobre foram significativas indicando que as interconexotildees de SWCNT

bundle possuem melhor desempenho que as de cobre

Assim constata-se que as interconexotildees de SWCNT bundle satildeo fortes candidatas a

substituirem as interconexotildees de cobre em circuitos em escala giga (GSI) e tera (TSI)

46

5 CONCLUSOtildeES

Nesta dissertaccedilatildeo o estudo das interconexotildees de SWCNT de SWCNT bundle e de cobre

foi realizado analisando e comparando os seus desempenhos para diferentes

comprimentos A partir desse estudo verificou-se que as interconexotildees de SWCNT bundle

possui desempenho comparaacutevel ao das interconexotildees de cobre no caso de interconexotildees

locais Em relaccedilatildeo agraves interconexotildees intermediaacuterias as de SWCNT bundle apresentam

desempenho superior agraves de cobre

As interconexotildees de SWCNT bundle e as interconexotildees de cobre foram entatildeo simuladas na

rede H-tree clock de dois niacuteveis para diferentes comprimentos e frequecircncias Nos pontos

de destino final da rede foram colocadas portas inversoras formadas por SETs permitindo

a anaacutelise de circuitos nanoeletrocircnicos

A partir da anaacutelise da rede H-tree clock observou-se que as interconexotildees de SWCNT

bundle possuem desempenho melhor que as de cobre principalmente em relaccedilatildeo ao slew

rate agrave atenuaccedilatildeo ao tempo de atraso e ao produto atraso-potecircncia Aleacutem disso a

dissipaccedilatildeo de potecircncia das interconexotildees natildeo-ideais natildeo interferem na potecircncia total

dissipada pelo circuito Assim as interconexotildees de SWCNT bundle satildeo fortes candidatas a

substituirem as interconexotildees de cobre em circuitos em escala giga (GSI) e tera (TSI)

Como perspectivas futuras eacute importante analisar o efeito das interconexotildees de nanotubo de

carbono em circuitos GSI e TSI com outras arquiteturas A anaacutelise das interconexotildees de

CNT tambeacutem deve ser feita em circuitos com tecnologia MOS permitindo a comparaccedilatildeo

entre diferentes tecnologias Aleacutem disso eacute interessante estudar outros tipos de materiais

que possam ser utilizados como interconexotildees em circuitos integrados

47

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53

7 APEcircNDICES

71 TABELAS COMPLEMENTARES

Tabela 71 Paracircmetros obtidos a partir do modelo de SWCNT isolado

L RQ (Ω) RS (Ω) LCNT (10-9

H) CCNT (10-18

F)

10 nm 645103 - 40010

-2 27910

-1

100 nm 645103 - 40010

-1 279

200 nm 645103 - 80010

-1 558

300 nm 645103 - 120 837

400 nm 645103 - 160 11210

1

500 nm 645103 - 200 14010

1

600 nm 645103 - 240 16710

1

700 nm 645103 - 280 19510

1

800 nm 645103 - 320 22310

1

900 nm 645103 - 360 25110

1

1 microm 645103 - 400 27910

1

10 microm 645103 64510

4 40010

1 27910

2

100 microm 645103 64510

5 40010

2 27910

3

200 microm 645103 12910

6 80010

2 55810

3

300 microm 645103 19410

6 12010

3 83710

3

400 microm

645103 25810

6 16010

3 11210

4

500 microm

645103 32310

6 20010

3 14010

4

Tabela 72 Paracircmetros obtidos a partir do modelo de SWCNT bundle

L RQ (Ω) RS (Ω) LBundle(10-9

H) CBundle(10-18

F)

10 nm 1075 - 66710-5

135

100 nm 1075 - 66710-4

135101

200 nm 1075 - 13310-3

270101

300 nm 1075 - 20010-3

405101

400 nm 1075 - 26710-3

540101

500 nm 1075 - 33310-3

675101

600 nm 1075 - 40010-3

810101

700 nm 1075 - 46710-3

945101

800 nm 1075 - 53310-3

108102

900 nm 1075 - 60010-3

122102

1 microm 1075 - 66710-3

135102

10 microm 1075 108102 66710

-2 13510

3

100 microm 1075 108103 66710

-1 13510

4

200 microm 1075 215103 133 27010

4

300 microm 1075 323103 200 40510

4

400 microm

1075 430103 267 54010

4

500 microm

1075 538103 333 67510

4

54

Tabela 73 Paracircmetros obtidos a partir do modelo de cobre

L RCu (Ω) LCu (10-9

H) CCu (10-18

F)

10 nm 06 37310-6

150

100 nm 60 63610-5

150101

200 nm 120 17510-4

300101

300 nm 180 30910-4

450101

400 nm 240 45410-4

600101

500 nm 300 61110-4

750101

600 nm 360 77510-4

900101

700 nm 420 94610-4

105102

800 nm 480 11210-3

120102

900 nm 540 13110-3

135102

1 microm 600 14910-3

150102

10 microm 60102 24010

-2 15010

3

100 microm 60103 33210

-1 15010

4

200 microm 12104 72010

-1 30010

4

300 microm 18104 113 45010

4

400 microm

24104 155 60010

4

500 microm

30104 198 75010

4

55

Tabela 74 Frequecircncia em -3dB das interconexotildees locais

Comprimento Material f-3dB

10 nm SWCNT isolado 253 GHz

SWCNT bundle 66 THz

Cobre 232 THz

100 nm SWCNT isolado 300 GHz

SWCNT bundle 20 THz

Cobre 51 THz

200 nm SWCNT isolado 342 GHz

SWCNT bundle 14 THz

Cobre 29 THz

300 nm SWCNT isolado 344 GHz

SWCNT bundle 11 THz

Cobre 20 THz

400 nm SWCNT isolado 329 GHz

SWCNT bundle 89 THz

Cobre 15 THz

500 nm SWCNT isolado 307 GHz

SWCNT bundle 76 THz

Cobre 12 THz

600 nm SWCNT isolado 288 GHz

SWCNT bundle 67 THz

Cobre 94 THz

700 nm SWCNT isolado 271 GHz

SWCNT bundle 61 THz

Cobre 76 THz

800 nm SWCNT isolado 255 GHz

SWCNT bundle 55 THz

Cobre 63 THz

900 nm SWCNT isolado 240 GHz

SWCNT bundle 51 THz

Cobre 52 THz

1 microm SWCNT isolado 230 GHz

SWCNT bundle 47 THz

Cobre 42 THz

56

Tabela 75 Frequecircncia em -3dB das interconexotildees intermediaacuterias

Comprimento Material f-3dB

10 microm SWCNT isolado 26 GHz

SWCNT bundle 527 GHz

Cobre 34 GHz

100 microm SWCNT isolado 32 MHz

SWCNT bundle 42 GHz

Cobre 345 MHz

200 microm SWCNT isolado 82 MHz

SWCNT bundle 10 GHz

Cobre 87 MHz

300 microm SWCNT isolado 36 MHz

SWCNT bundle 455 MHz

Cobre 38 MHz

400 microm SWCNT isolado 21 MHz

SWCNT bundle 256 MHz

Cobre 21 MHz

500 microm SWCNT isolado 13 MHz

SWCNT bundle 165 MHz

Cobre 14 MHz

57

8 ANEXOS

81 COacuteDIGO SPICE DO SET [44]

Transistor mono-eleacutetron (SET) conexotildees fonte | dreno | | porta1 | | | porta2 | | | | SUBCKT SET 1 2 3 4 PARAMS +C1=1E-20 Capacitacircncia da junccedilatildeo 1 +C2=1E-20 Capacitacircncia da junccedilatildeo 2 +R1=1E5 Resistecircncia da junccedilatildeo 1 +R2=1E5 Resistecircncia da junccedilatildeo 2 +Cg1=015E-18 Capacitacircncia da junccedilatildeo 1 +Cg2=0 Capacitacircncia da junccedilatildeo 2 +C0=0 Capacitacircncia proacutepria da ilha +Q0=005 Carga offset em unidades de e +TEMP=300 Temperatura PARAM E=160217733E-19 Carga do eleacutetron (e) PARAM CSUM=C1+C2+Cg1+Cg2+C0 Capacitacircncia total do SET PARAM T=TEMPCSUM53785467E14 Temperatura normalizada 53785467E14 = kBe^2 PARAM RN1=R1(R1+R2) Resistecircncia da junccedilatildeo 1 normalizada PARAM RN2=R2(R1+R2) Resistecircncia da junccedilatildeo 2 normalizada FUNC Q(v1v2v3v4) (Cg1v3+Cg2v4+C1v1+C2v2)E+Q0 Definiccedilatildeo da carga em unidades de e FUNC VN(v) CSUMvE Tensatildeo normalizada FUNC GAMMA(u) IF(T==0IF(ult0-u0)IF(u==0Tu(EXP(uT)-1))) FUNC N_OPT(v1v2v3v4) ROUND(-Q(v1v2v3v4)+(CSUME) (v1RN2+v2RN1)) A maior probabilidade de carga na ilha em unidades de e Os quarto eventos tuacuteneis FUNC R1L(nv1v2v3v4) GAMMA(05 - n - Q(v1v2v3v4) + VN(v1))RN1 FUNC R1R(nv1v2v3v4) GAMMA(05 + n + Q(v1v2v3v4) - VN(v1))RN1 FUNC R2L(nv1v2v3v4) GAMMA(05 + n + Q(v1v2v3v4) - VN(v2))RN2 FUNC R2R(nv1v2v3v4) GAMMA(05 - n - Q(v1v2v3v4) + VN(v2))RN2

58

determinaccedilatildeo das probabilidades relativas assume-se inicialmente que o estado da carga N_OPT tem probabilidade relativa igual a um FUNC PN_1(nv1v2v3v4) (R1L(nv1v2v3v4)+R2R(nv1v2v3v4))(R1R(n-1v1v2v3v4)+R2L(n-1v1v2v3v4)) FUNC PN_2(nv1v2v3v4) PN_1(nv1v2v3v4) +(R1L(n-1v1v2v3v4)+R2R(n-1v1v2v3v4))(R1R(n-2v1v2v3v4)+R2L(n-2v1v2v3v4)) FUNC PN_3(nv1v2v3v4) PN_2(nv1v2v3v4) +(R1L(n-2v1v2v3v4)+R2R(n-2v1v2v3v4))(R1R(n-3v1v2v3v4)+R2L(n-3v1v2v3v4)) FUNC PN_4(nv1v2v3v4) PN_3(nv1v2v3v4) +(R1L(n-3v1v2v3v4)+R2R(n-3v1v2v3v4))(R1R(n-4v1v2v3v4)+R2L(n-4v1v2v3v4)) FUNC PN_5(nv1v2v3v4) PN_4(nv1v2v3v4) +(R1L(n-4v1v2v3v4)+R2R(n-4v1v2v3v4))(R1R(n-5v1v2v3v4)+R2L(n-5v1v2v3v4)) FUNC PN1(nv1v2v3v4) (R2L(nv1v2v3v4) +R1R(nv1v2v3v4))(R2R(n+1v1v2v3v4)+R1L(n+1v1v2v3v4)) FUNC PN2(nv1v2v3v4) PN1(nv1v2v3v4) +(R2L(n+1v1v2v3v4)+R1R(n+1v1v2v3v4))(R2R(n+2v1v2v3v4)+R1L(n+2v1v2v3v4)) FUNC PN3(nv1v2v3v4) PN2(nv1v2v3v4) +(R2L(n+2v1v2v3v4)+R1R(n+2v1v2v3v4))(R2R(n+3v1v2v3v4)+R1L(n+3v1v2v3v4)) FUNC PN4(nv1v2v3v4) PN3(nv1v2v3v4) +(R2L(n+3v1v2v3v4)+R1R(n+3v1v2v3v4))(R2R(n+4v1v2v3v4)+R1L(n+4v1v2v3v4)) FUNC PN5(nv1v2v3v4) PN4(nv1v2v3v4) +(R2L(n+4v1v2v3v4)+R1R(n+4v1v2v3v4))(R2R(n+5v1v2v3v4)+R1L(n+5v1v2v3v4)) FUNC PSUM(nv1v2v3v4) PN_5(nv1v2v3v4)+PN_4(nv1v2v3v4)+PN_3(nv1v2v3v4)+PN_2(nv1v2v3v4) ++PN_1(nv1v2v3v4)+1+PN1(nv1v2v3v4)+PN2(nv1v2v3v4)+PN3(nv1v2v3v4) ++PN4(nv1v2v3v4)+PN5(nv1v2v3v4)

59

caacutelculo da corrente da fonte para o dreno FUNC CUR(nv1v2v3v4) PN_5(nv1v2v3v4)(R1R(n-5v1v2v3v4)-R1L(n-5v1v2v3v4)) ++PN_4(nv1v2v3v4)(R1R(n-4v1v2v3v4)-R1L(n-4v1v2v3v4)) ++PN_3(nv1v2v3v4)(R1R(n-3v1v2v3v4)-R1L(n-3v1v2v3v4)) ++PN_2(nv1v2v3v4)(R1R(n-2v1v2v3v4)-R1L(n-2v1v2v3v4)) ++PN_1(nv1v2v3v4)(R1R(n-1v1v2v3v4)-R1L(n-1v1v2v3v4)) ++(R1R(nv1v2v3v4)-R1L(nv1v2v3v4)) ++PN1(nv1v2v3v4)(R1R(n+1v1v2v3v4)-R1L(n+1v1v2v3v4)) ++PN2(nv1v2v3v4)(R1R(n+2v1v2v3v4)-R1L(n+2v1v2v3v4)) ++PN3(nv1v2v3v4)(R1R(n+3v1v2v3v4)-R1L(n+3v1v2v3v4)) ++PN4(nv1v2v3v4)(R1R(n+4v1v2v3v4)-R1L(n+4v1v2v3v4)) ++PN5(nv1v2v3v4)(R1R(n+5v1v2v3v4)-R1L(n+5v1v2v3v4)) FUNC CURRENT(nv1v2v3v4) ECUR(nv1v2v3v4)(CSUMPSUM(nv1v2v3v4)(R1+R2)) caacutelculo da tensatildeo da ilha FUNC VOLT(nv1v2v3v4) PN_5(nv1v2v3v4)(n-5+Q(v1v2v3v4)) ++PN_4(nv1v2v3v4)(n-4+Q(v1v2v3v4)) ++PN_3(nv1v2v3v4)(n-3+Q(v1v2v3v4)) ++PN_2(nv1v2v3v4)(n-2+Q(v1v2v3v4)) ++PN_1(nv1v2v3v4)(n-1+Q(v1v2v3v4)) ++n+Q(v1v2v3v4) ++PN1(nv1v2v3v4)(n+1+Q(v1v2v3v4)) ++PN2(nv1v2v3v4)(n+2+Q(v1v2v3v4)) ++PN3(nv1v2v3v4)(n+3+Q(v1v2v3v4)) ++PN4(nv1v2v3v4)(n+4+Q(v1v2v3v4)) ++PN5(nv1v2v3v4)(n+5+Q(v1v2v3v4)) FUNC VOLTAGE(nv1v2v3v4) (ECSUM)VOLT(nv1v2v3v4)PSUM(nv1v2v3v4) E1 5 0 VALUE= VOLTAGE(N_OPT(V(1)V(2)V(3)V(4))V(1)V(2)V(3)V(4)) Tensatildeo da ilha G1 1 2 VALUE= CURRENT(N_OPT(V(1)V(2)V(3)V(4))V(1)V(2)V(3)V(4)) Corrente da fonte para o dreno CT1 1 5 C1 CT2 2 5 C2 CGATE1 3 5 CG1 CGATE2 4 5 CG2 ENDS SET

Page 56: ANÁLISE COMPARATIVA ENTRE ... - repositorio.unb.brrepositorio.unb.br/.../1/2012_CamilaPeixotoSilvaMadeiraNogueira.pdf · Prof. Stefan Michael Blawid, ... Deus colocou esses dois

43

Tabela 413 mostra a atenuaccedilatildeo tempo de atraso potecircncia total dissipada e o produto

atraso-potecircncia obtidos a frequecircncia de 100 GHz para interconexotildees natildeo-ideais

Tabela 412 Niacuteveis loacutegicos tempo de subida e slew rate dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 100 GHz

Freq L (l2l) Material NB(mV) NA(mV) tr(ps) SR(Vns)

100

GHz

50nm

100nm

SWCNT bundle 678 4272 316 9099

Cobre 675 4277 323 9107

200nm

400nm

SWCNT bundle 678 4299 315 9196

Cobre 677 4089 289 9447

500nm

1microm

SWCNT bundle 678 4418 300 9973

Cobre 635 1766 102 6795

Tabela 413 Atenuaccedilatildeo atraso potecircncia e produto atraso-potecircncia dos sinais de saiacuteda para

interconexotildees natildeo-ideais a 100 GHz

Freq L (l2l) Material A (dB) td (ps) P (nW) DP(10-18

Wmiddots)

100

GHz

50nm

100nm

SWCNT bundle -2703 189 6088 012

Cobre -2685 191 6088 012

200nm

400nm

SWCNT bundle -2693 188 6088 012

Cobre -2698 228 6088 014

500nm

1microm

SWCNT bundle -2673 174 6088 011

Cobre -2893 388 6088 024

A partir das Tabelas 412 e 413 o SWCNT bundle seraacute analisado Observa-se que os seus

niacuteveis loacutegicos altos aumentam com o aumento do comprimento das interconexotildees

aumentando tambeacutem o slew rate de subida Esse comportamento ocorre provavelmente

devido ao efeito ressonante provocado pela indutacircncia que provoca um pico no graacutefico da

frequumlecircncia antes dele comeccedilar a decair conforme explicado na subseccedilatildeo 421 Isso implica

na diminuiccedilatildeo da atenuaccedilatildeo do sinal e do atraso No entanto o produto atraso-potecircncia

permanece praticamente invariaacutevel jaacute que a potecircncia total dissipada natildeo se altera

Em relaccedilatildeo agraves interconexotildees de cobre verifica-se que as distorccedilotildees satildeo significativas Agrave

medida que o comprimento aumenta a atenuaccedilatildeo do sinal de saiacuteda aumenta Isso provoca

diminuiccedilatildeo no slew rate do sinal o que natildeo eacute desejado jaacute que o sinal demora mais para

atingir o niacutevel loacutegico alto Aleacutem disso o atraso na propagaccedilatildeo do sinal aumenta bastante

chegando a 388 do periacuteodo do sinal de entrada para a interconexatildeo 500nm1microm

Consequentemente o produto atraso-potecircncia tambeacutem aumenta sendo o dobro do valor de

44

referecircncia (interconexotildees ideais) A Figura 49 ilustra o sinal de saiacuteda da interconexatildeo

500nm1microm de cobre

Figura 49 Sinal de entrada (em verde) e sinal de saiacuteda (em preto) da rede a 100 GHz para

a interconexatildeo 500nm1microm de cobre

Comparando-se as potecircncias das tabelas 47 48 411 413 verifica-se que natildeo haacute

alteraccedilatildeo na potecircncia total dissipada pelo circuito com interconexotildees ideais e pelos

circuitos com interconexotildees natildeo-ideais para uma mesma frequecircncia Assim eacute importante

destacar que a dissipaccedilatildeo de potecircncia das interconexotildees de SWCNT bundle e de cobre natildeo

interfere na potecircncia total dissipada pelo circuito

443 Consideraccedilotildees Finais

Apoacutes analisar as interconexotildees locais de SWCNT de SWCNT bundle e de cobre

verificou-se que as interconexotildees de SWCNT bundle possuem desempenho comparaacutevel ao

das interconexotildees de cobre Em relaccedilatildeo agraves interconexotildees intermediaacuterias as de SWCNT

bundle apresentam desempenho superior agraves de cobre Jaacute as interconexotildees de SWCNT

isolado tanto para interconexotildees locais como para interconexotildees intermediaacuterias

apresentam desempenho inferior agraves interconexotildees de SWCNT bundle e de cobre natildeo

sendo propiacutecias a serem utilizadas em interconexotildees de circuitos integrados

Na anaacutelise das interconexotildees natildeo-ideais na rede H-tree clock mono-eleacutetron para a

frequecircncia de 10GHz observou-se que o niacutevel loacutegico baixo o niacutevel loacutegico alto o tempo de

subida o slew rate de subida a atenuaccedilatildeo do sinal e a potecircncia total dissipada por cada

porta inversora permanecem os mesmos em relaccedilatildeo agrave interconexatildeo ideal mostrando que

45

para esta frequecircncia as interconexotildees natildeo-ideais natildeo interferem nestes paracircmetros Jaacute o

atraso na propagaccedilatildeo do sinal no caso do cobre aumenta agrave medida que as interconexotildees

aumentam de comprimento aumentando tambeacutem o produto atraso-potecircncia No entanto

estes paracircmetros natildeo satildeo afetados pelas interconexotildees de SWCNT bundle indicando que

este material se sobressai em relaccedilatildeo ao cobre

Jaacute para a rede H-tree clock mono-eleacutetron a 100GHz observou-se que o circuito com

interconexotildees natildeo-ideais afetou bastante os paracircmetros em anaacutelise se comparados aos

obtidos para interconexotildees ideais Verificou-se que as distorccedilotildees provocadas pelas

interconexotildees de cobre foram significativas indicando que as interconexotildees de SWCNT

bundle possuem melhor desempenho que as de cobre

Assim constata-se que as interconexotildees de SWCNT bundle satildeo fortes candidatas a

substituirem as interconexotildees de cobre em circuitos em escala giga (GSI) e tera (TSI)

46

5 CONCLUSOtildeES

Nesta dissertaccedilatildeo o estudo das interconexotildees de SWCNT de SWCNT bundle e de cobre

foi realizado analisando e comparando os seus desempenhos para diferentes

comprimentos A partir desse estudo verificou-se que as interconexotildees de SWCNT bundle

possui desempenho comparaacutevel ao das interconexotildees de cobre no caso de interconexotildees

locais Em relaccedilatildeo agraves interconexotildees intermediaacuterias as de SWCNT bundle apresentam

desempenho superior agraves de cobre

As interconexotildees de SWCNT bundle e as interconexotildees de cobre foram entatildeo simuladas na

rede H-tree clock de dois niacuteveis para diferentes comprimentos e frequecircncias Nos pontos

de destino final da rede foram colocadas portas inversoras formadas por SETs permitindo

a anaacutelise de circuitos nanoeletrocircnicos

A partir da anaacutelise da rede H-tree clock observou-se que as interconexotildees de SWCNT

bundle possuem desempenho melhor que as de cobre principalmente em relaccedilatildeo ao slew

rate agrave atenuaccedilatildeo ao tempo de atraso e ao produto atraso-potecircncia Aleacutem disso a

dissipaccedilatildeo de potecircncia das interconexotildees natildeo-ideais natildeo interferem na potecircncia total

dissipada pelo circuito Assim as interconexotildees de SWCNT bundle satildeo fortes candidatas a

substituirem as interconexotildees de cobre em circuitos em escala giga (GSI) e tera (TSI)

Como perspectivas futuras eacute importante analisar o efeito das interconexotildees de nanotubo de

carbono em circuitos GSI e TSI com outras arquiteturas A anaacutelise das interconexotildees de

CNT tambeacutem deve ser feita em circuitos com tecnologia MOS permitindo a comparaccedilatildeo

entre diferentes tecnologias Aleacutem disso eacute interessante estudar outros tipos de materiais

que possam ser utilizados como interconexotildees em circuitos integrados

47

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53

7 APEcircNDICES

71 TABELAS COMPLEMENTARES

Tabela 71 Paracircmetros obtidos a partir do modelo de SWCNT isolado

L RQ (Ω) RS (Ω) LCNT (10-9

H) CCNT (10-18

F)

10 nm 645103 - 40010

-2 27910

-1

100 nm 645103 - 40010

-1 279

200 nm 645103 - 80010

-1 558

300 nm 645103 - 120 837

400 nm 645103 - 160 11210

1

500 nm 645103 - 200 14010

1

600 nm 645103 - 240 16710

1

700 nm 645103 - 280 19510

1

800 nm 645103 - 320 22310

1

900 nm 645103 - 360 25110

1

1 microm 645103 - 400 27910

1

10 microm 645103 64510

4 40010

1 27910

2

100 microm 645103 64510

5 40010

2 27910

3

200 microm 645103 12910

6 80010

2 55810

3

300 microm 645103 19410

6 12010

3 83710

3

400 microm

645103 25810

6 16010

3 11210

4

500 microm

645103 32310

6 20010

3 14010

4

Tabela 72 Paracircmetros obtidos a partir do modelo de SWCNT bundle

L RQ (Ω) RS (Ω) LBundle(10-9

H) CBundle(10-18

F)

10 nm 1075 - 66710-5

135

100 nm 1075 - 66710-4

135101

200 nm 1075 - 13310-3

270101

300 nm 1075 - 20010-3

405101

400 nm 1075 - 26710-3

540101

500 nm 1075 - 33310-3

675101

600 nm 1075 - 40010-3

810101

700 nm 1075 - 46710-3

945101

800 nm 1075 - 53310-3

108102

900 nm 1075 - 60010-3

122102

1 microm 1075 - 66710-3

135102

10 microm 1075 108102 66710

-2 13510

3

100 microm 1075 108103 66710

-1 13510

4

200 microm 1075 215103 133 27010

4

300 microm 1075 323103 200 40510

4

400 microm

1075 430103 267 54010

4

500 microm

1075 538103 333 67510

4

54

Tabela 73 Paracircmetros obtidos a partir do modelo de cobre

L RCu (Ω) LCu (10-9

H) CCu (10-18

F)

10 nm 06 37310-6

150

100 nm 60 63610-5

150101

200 nm 120 17510-4

300101

300 nm 180 30910-4

450101

400 nm 240 45410-4

600101

500 nm 300 61110-4

750101

600 nm 360 77510-4

900101

700 nm 420 94610-4

105102

800 nm 480 11210-3

120102

900 nm 540 13110-3

135102

1 microm 600 14910-3

150102

10 microm 60102 24010

-2 15010

3

100 microm 60103 33210

-1 15010

4

200 microm 12104 72010

-1 30010

4

300 microm 18104 113 45010

4

400 microm

24104 155 60010

4

500 microm

30104 198 75010

4

55

Tabela 74 Frequecircncia em -3dB das interconexotildees locais

Comprimento Material f-3dB

10 nm SWCNT isolado 253 GHz

SWCNT bundle 66 THz

Cobre 232 THz

100 nm SWCNT isolado 300 GHz

SWCNT bundle 20 THz

Cobre 51 THz

200 nm SWCNT isolado 342 GHz

SWCNT bundle 14 THz

Cobre 29 THz

300 nm SWCNT isolado 344 GHz

SWCNT bundle 11 THz

Cobre 20 THz

400 nm SWCNT isolado 329 GHz

SWCNT bundle 89 THz

Cobre 15 THz

500 nm SWCNT isolado 307 GHz

SWCNT bundle 76 THz

Cobre 12 THz

600 nm SWCNT isolado 288 GHz

SWCNT bundle 67 THz

Cobre 94 THz

700 nm SWCNT isolado 271 GHz

SWCNT bundle 61 THz

Cobre 76 THz

800 nm SWCNT isolado 255 GHz

SWCNT bundle 55 THz

Cobre 63 THz

900 nm SWCNT isolado 240 GHz

SWCNT bundle 51 THz

Cobre 52 THz

1 microm SWCNT isolado 230 GHz

SWCNT bundle 47 THz

Cobre 42 THz

56

Tabela 75 Frequecircncia em -3dB das interconexotildees intermediaacuterias

Comprimento Material f-3dB

10 microm SWCNT isolado 26 GHz

SWCNT bundle 527 GHz

Cobre 34 GHz

100 microm SWCNT isolado 32 MHz

SWCNT bundle 42 GHz

Cobre 345 MHz

200 microm SWCNT isolado 82 MHz

SWCNT bundle 10 GHz

Cobre 87 MHz

300 microm SWCNT isolado 36 MHz

SWCNT bundle 455 MHz

Cobre 38 MHz

400 microm SWCNT isolado 21 MHz

SWCNT bundle 256 MHz

Cobre 21 MHz

500 microm SWCNT isolado 13 MHz

SWCNT bundle 165 MHz

Cobre 14 MHz

57

8 ANEXOS

81 COacuteDIGO SPICE DO SET [44]

Transistor mono-eleacutetron (SET) conexotildees fonte | dreno | | porta1 | | | porta2 | | | | SUBCKT SET 1 2 3 4 PARAMS +C1=1E-20 Capacitacircncia da junccedilatildeo 1 +C2=1E-20 Capacitacircncia da junccedilatildeo 2 +R1=1E5 Resistecircncia da junccedilatildeo 1 +R2=1E5 Resistecircncia da junccedilatildeo 2 +Cg1=015E-18 Capacitacircncia da junccedilatildeo 1 +Cg2=0 Capacitacircncia da junccedilatildeo 2 +C0=0 Capacitacircncia proacutepria da ilha +Q0=005 Carga offset em unidades de e +TEMP=300 Temperatura PARAM E=160217733E-19 Carga do eleacutetron (e) PARAM CSUM=C1+C2+Cg1+Cg2+C0 Capacitacircncia total do SET PARAM T=TEMPCSUM53785467E14 Temperatura normalizada 53785467E14 = kBe^2 PARAM RN1=R1(R1+R2) Resistecircncia da junccedilatildeo 1 normalizada PARAM RN2=R2(R1+R2) Resistecircncia da junccedilatildeo 2 normalizada FUNC Q(v1v2v3v4) (Cg1v3+Cg2v4+C1v1+C2v2)E+Q0 Definiccedilatildeo da carga em unidades de e FUNC VN(v) CSUMvE Tensatildeo normalizada FUNC GAMMA(u) IF(T==0IF(ult0-u0)IF(u==0Tu(EXP(uT)-1))) FUNC N_OPT(v1v2v3v4) ROUND(-Q(v1v2v3v4)+(CSUME) (v1RN2+v2RN1)) A maior probabilidade de carga na ilha em unidades de e Os quarto eventos tuacuteneis FUNC R1L(nv1v2v3v4) GAMMA(05 - n - Q(v1v2v3v4) + VN(v1))RN1 FUNC R1R(nv1v2v3v4) GAMMA(05 + n + Q(v1v2v3v4) - VN(v1))RN1 FUNC R2L(nv1v2v3v4) GAMMA(05 + n + Q(v1v2v3v4) - VN(v2))RN2 FUNC R2R(nv1v2v3v4) GAMMA(05 - n - Q(v1v2v3v4) + VN(v2))RN2

58

determinaccedilatildeo das probabilidades relativas assume-se inicialmente que o estado da carga N_OPT tem probabilidade relativa igual a um FUNC PN_1(nv1v2v3v4) (R1L(nv1v2v3v4)+R2R(nv1v2v3v4))(R1R(n-1v1v2v3v4)+R2L(n-1v1v2v3v4)) FUNC PN_2(nv1v2v3v4) PN_1(nv1v2v3v4) +(R1L(n-1v1v2v3v4)+R2R(n-1v1v2v3v4))(R1R(n-2v1v2v3v4)+R2L(n-2v1v2v3v4)) FUNC PN_3(nv1v2v3v4) PN_2(nv1v2v3v4) +(R1L(n-2v1v2v3v4)+R2R(n-2v1v2v3v4))(R1R(n-3v1v2v3v4)+R2L(n-3v1v2v3v4)) FUNC PN_4(nv1v2v3v4) PN_3(nv1v2v3v4) +(R1L(n-3v1v2v3v4)+R2R(n-3v1v2v3v4))(R1R(n-4v1v2v3v4)+R2L(n-4v1v2v3v4)) FUNC PN_5(nv1v2v3v4) PN_4(nv1v2v3v4) +(R1L(n-4v1v2v3v4)+R2R(n-4v1v2v3v4))(R1R(n-5v1v2v3v4)+R2L(n-5v1v2v3v4)) FUNC PN1(nv1v2v3v4) (R2L(nv1v2v3v4) +R1R(nv1v2v3v4))(R2R(n+1v1v2v3v4)+R1L(n+1v1v2v3v4)) FUNC PN2(nv1v2v3v4) PN1(nv1v2v3v4) +(R2L(n+1v1v2v3v4)+R1R(n+1v1v2v3v4))(R2R(n+2v1v2v3v4)+R1L(n+2v1v2v3v4)) FUNC PN3(nv1v2v3v4) PN2(nv1v2v3v4) +(R2L(n+2v1v2v3v4)+R1R(n+2v1v2v3v4))(R2R(n+3v1v2v3v4)+R1L(n+3v1v2v3v4)) FUNC PN4(nv1v2v3v4) PN3(nv1v2v3v4) +(R2L(n+3v1v2v3v4)+R1R(n+3v1v2v3v4))(R2R(n+4v1v2v3v4)+R1L(n+4v1v2v3v4)) FUNC PN5(nv1v2v3v4) PN4(nv1v2v3v4) +(R2L(n+4v1v2v3v4)+R1R(n+4v1v2v3v4))(R2R(n+5v1v2v3v4)+R1L(n+5v1v2v3v4)) FUNC PSUM(nv1v2v3v4) PN_5(nv1v2v3v4)+PN_4(nv1v2v3v4)+PN_3(nv1v2v3v4)+PN_2(nv1v2v3v4) ++PN_1(nv1v2v3v4)+1+PN1(nv1v2v3v4)+PN2(nv1v2v3v4)+PN3(nv1v2v3v4) ++PN4(nv1v2v3v4)+PN5(nv1v2v3v4)

59

caacutelculo da corrente da fonte para o dreno FUNC CUR(nv1v2v3v4) PN_5(nv1v2v3v4)(R1R(n-5v1v2v3v4)-R1L(n-5v1v2v3v4)) ++PN_4(nv1v2v3v4)(R1R(n-4v1v2v3v4)-R1L(n-4v1v2v3v4)) ++PN_3(nv1v2v3v4)(R1R(n-3v1v2v3v4)-R1L(n-3v1v2v3v4)) ++PN_2(nv1v2v3v4)(R1R(n-2v1v2v3v4)-R1L(n-2v1v2v3v4)) ++PN_1(nv1v2v3v4)(R1R(n-1v1v2v3v4)-R1L(n-1v1v2v3v4)) ++(R1R(nv1v2v3v4)-R1L(nv1v2v3v4)) ++PN1(nv1v2v3v4)(R1R(n+1v1v2v3v4)-R1L(n+1v1v2v3v4)) ++PN2(nv1v2v3v4)(R1R(n+2v1v2v3v4)-R1L(n+2v1v2v3v4)) ++PN3(nv1v2v3v4)(R1R(n+3v1v2v3v4)-R1L(n+3v1v2v3v4)) ++PN4(nv1v2v3v4)(R1R(n+4v1v2v3v4)-R1L(n+4v1v2v3v4)) ++PN5(nv1v2v3v4)(R1R(n+5v1v2v3v4)-R1L(n+5v1v2v3v4)) FUNC CURRENT(nv1v2v3v4) ECUR(nv1v2v3v4)(CSUMPSUM(nv1v2v3v4)(R1+R2)) caacutelculo da tensatildeo da ilha FUNC VOLT(nv1v2v3v4) PN_5(nv1v2v3v4)(n-5+Q(v1v2v3v4)) ++PN_4(nv1v2v3v4)(n-4+Q(v1v2v3v4)) ++PN_3(nv1v2v3v4)(n-3+Q(v1v2v3v4)) ++PN_2(nv1v2v3v4)(n-2+Q(v1v2v3v4)) ++PN_1(nv1v2v3v4)(n-1+Q(v1v2v3v4)) ++n+Q(v1v2v3v4) ++PN1(nv1v2v3v4)(n+1+Q(v1v2v3v4)) ++PN2(nv1v2v3v4)(n+2+Q(v1v2v3v4)) ++PN3(nv1v2v3v4)(n+3+Q(v1v2v3v4)) ++PN4(nv1v2v3v4)(n+4+Q(v1v2v3v4)) ++PN5(nv1v2v3v4)(n+5+Q(v1v2v3v4)) FUNC VOLTAGE(nv1v2v3v4) (ECSUM)VOLT(nv1v2v3v4)PSUM(nv1v2v3v4) E1 5 0 VALUE= VOLTAGE(N_OPT(V(1)V(2)V(3)V(4))V(1)V(2)V(3)V(4)) Tensatildeo da ilha G1 1 2 VALUE= CURRENT(N_OPT(V(1)V(2)V(3)V(4))V(1)V(2)V(3)V(4)) Corrente da fonte para o dreno CT1 1 5 C1 CT2 2 5 C2 CGATE1 3 5 CG1 CGATE2 4 5 CG2 ENDS SET

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44

referecircncia (interconexotildees ideais) A Figura 49 ilustra o sinal de saiacuteda da interconexatildeo

500nm1microm de cobre

Figura 49 Sinal de entrada (em verde) e sinal de saiacuteda (em preto) da rede a 100 GHz para

a interconexatildeo 500nm1microm de cobre

Comparando-se as potecircncias das tabelas 47 48 411 413 verifica-se que natildeo haacute

alteraccedilatildeo na potecircncia total dissipada pelo circuito com interconexotildees ideais e pelos

circuitos com interconexotildees natildeo-ideais para uma mesma frequecircncia Assim eacute importante

destacar que a dissipaccedilatildeo de potecircncia das interconexotildees de SWCNT bundle e de cobre natildeo

interfere na potecircncia total dissipada pelo circuito

443 Consideraccedilotildees Finais

Apoacutes analisar as interconexotildees locais de SWCNT de SWCNT bundle e de cobre

verificou-se que as interconexotildees de SWCNT bundle possuem desempenho comparaacutevel ao

das interconexotildees de cobre Em relaccedilatildeo agraves interconexotildees intermediaacuterias as de SWCNT

bundle apresentam desempenho superior agraves de cobre Jaacute as interconexotildees de SWCNT

isolado tanto para interconexotildees locais como para interconexotildees intermediaacuterias

apresentam desempenho inferior agraves interconexotildees de SWCNT bundle e de cobre natildeo

sendo propiacutecias a serem utilizadas em interconexotildees de circuitos integrados

Na anaacutelise das interconexotildees natildeo-ideais na rede H-tree clock mono-eleacutetron para a

frequecircncia de 10GHz observou-se que o niacutevel loacutegico baixo o niacutevel loacutegico alto o tempo de

subida o slew rate de subida a atenuaccedilatildeo do sinal e a potecircncia total dissipada por cada

porta inversora permanecem os mesmos em relaccedilatildeo agrave interconexatildeo ideal mostrando que

45

para esta frequecircncia as interconexotildees natildeo-ideais natildeo interferem nestes paracircmetros Jaacute o

atraso na propagaccedilatildeo do sinal no caso do cobre aumenta agrave medida que as interconexotildees

aumentam de comprimento aumentando tambeacutem o produto atraso-potecircncia No entanto

estes paracircmetros natildeo satildeo afetados pelas interconexotildees de SWCNT bundle indicando que

este material se sobressai em relaccedilatildeo ao cobre

Jaacute para a rede H-tree clock mono-eleacutetron a 100GHz observou-se que o circuito com

interconexotildees natildeo-ideais afetou bastante os paracircmetros em anaacutelise se comparados aos

obtidos para interconexotildees ideais Verificou-se que as distorccedilotildees provocadas pelas

interconexotildees de cobre foram significativas indicando que as interconexotildees de SWCNT

bundle possuem melhor desempenho que as de cobre

Assim constata-se que as interconexotildees de SWCNT bundle satildeo fortes candidatas a

substituirem as interconexotildees de cobre em circuitos em escala giga (GSI) e tera (TSI)

46

5 CONCLUSOtildeES

Nesta dissertaccedilatildeo o estudo das interconexotildees de SWCNT de SWCNT bundle e de cobre

foi realizado analisando e comparando os seus desempenhos para diferentes

comprimentos A partir desse estudo verificou-se que as interconexotildees de SWCNT bundle

possui desempenho comparaacutevel ao das interconexotildees de cobre no caso de interconexotildees

locais Em relaccedilatildeo agraves interconexotildees intermediaacuterias as de SWCNT bundle apresentam

desempenho superior agraves de cobre

As interconexotildees de SWCNT bundle e as interconexotildees de cobre foram entatildeo simuladas na

rede H-tree clock de dois niacuteveis para diferentes comprimentos e frequecircncias Nos pontos

de destino final da rede foram colocadas portas inversoras formadas por SETs permitindo

a anaacutelise de circuitos nanoeletrocircnicos

A partir da anaacutelise da rede H-tree clock observou-se que as interconexotildees de SWCNT

bundle possuem desempenho melhor que as de cobre principalmente em relaccedilatildeo ao slew

rate agrave atenuaccedilatildeo ao tempo de atraso e ao produto atraso-potecircncia Aleacutem disso a

dissipaccedilatildeo de potecircncia das interconexotildees natildeo-ideais natildeo interferem na potecircncia total

dissipada pelo circuito Assim as interconexotildees de SWCNT bundle satildeo fortes candidatas a

substituirem as interconexotildees de cobre em circuitos em escala giga (GSI) e tera (TSI)

Como perspectivas futuras eacute importante analisar o efeito das interconexotildees de nanotubo de

carbono em circuitos GSI e TSI com outras arquiteturas A anaacutelise das interconexotildees de

CNT tambeacutem deve ser feita em circuitos com tecnologia MOS permitindo a comparaccedilatildeo

entre diferentes tecnologias Aleacutem disso eacute interessante estudar outros tipos de materiais

que possam ser utilizados como interconexotildees em circuitos integrados

47

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53

7 APEcircNDICES

71 TABELAS COMPLEMENTARES

Tabela 71 Paracircmetros obtidos a partir do modelo de SWCNT isolado

L RQ (Ω) RS (Ω) LCNT (10-9

H) CCNT (10-18

F)

10 nm 645103 - 40010

-2 27910

-1

100 nm 645103 - 40010

-1 279

200 nm 645103 - 80010

-1 558

300 nm 645103 - 120 837

400 nm 645103 - 160 11210

1

500 nm 645103 - 200 14010

1

600 nm 645103 - 240 16710

1

700 nm 645103 - 280 19510

1

800 nm 645103 - 320 22310

1

900 nm 645103 - 360 25110

1

1 microm 645103 - 400 27910

1

10 microm 645103 64510

4 40010

1 27910

2

100 microm 645103 64510

5 40010

2 27910

3

200 microm 645103 12910

6 80010

2 55810

3

300 microm 645103 19410

6 12010

3 83710

3

400 microm

645103 25810

6 16010

3 11210

4

500 microm

645103 32310

6 20010

3 14010

4

Tabela 72 Paracircmetros obtidos a partir do modelo de SWCNT bundle

L RQ (Ω) RS (Ω) LBundle(10-9

H) CBundle(10-18

F)

10 nm 1075 - 66710-5

135

100 nm 1075 - 66710-4

135101

200 nm 1075 - 13310-3

270101

300 nm 1075 - 20010-3

405101

400 nm 1075 - 26710-3

540101

500 nm 1075 - 33310-3

675101

600 nm 1075 - 40010-3

810101

700 nm 1075 - 46710-3

945101

800 nm 1075 - 53310-3

108102

900 nm 1075 - 60010-3

122102

1 microm 1075 - 66710-3

135102

10 microm 1075 108102 66710

-2 13510

3

100 microm 1075 108103 66710

-1 13510

4

200 microm 1075 215103 133 27010

4

300 microm 1075 323103 200 40510

4

400 microm

1075 430103 267 54010

4

500 microm

1075 538103 333 67510

4

54

Tabela 73 Paracircmetros obtidos a partir do modelo de cobre

L RCu (Ω) LCu (10-9

H) CCu (10-18

F)

10 nm 06 37310-6

150

100 nm 60 63610-5

150101

200 nm 120 17510-4

300101

300 nm 180 30910-4

450101

400 nm 240 45410-4

600101

500 nm 300 61110-4

750101

600 nm 360 77510-4

900101

700 nm 420 94610-4

105102

800 nm 480 11210-3

120102

900 nm 540 13110-3

135102

1 microm 600 14910-3

150102

10 microm 60102 24010

-2 15010

3

100 microm 60103 33210

-1 15010

4

200 microm 12104 72010

-1 30010

4

300 microm 18104 113 45010

4

400 microm

24104 155 60010

4

500 microm

30104 198 75010

4

55

Tabela 74 Frequecircncia em -3dB das interconexotildees locais

Comprimento Material f-3dB

10 nm SWCNT isolado 253 GHz

SWCNT bundle 66 THz

Cobre 232 THz

100 nm SWCNT isolado 300 GHz

SWCNT bundle 20 THz

Cobre 51 THz

200 nm SWCNT isolado 342 GHz

SWCNT bundle 14 THz

Cobre 29 THz

300 nm SWCNT isolado 344 GHz

SWCNT bundle 11 THz

Cobre 20 THz

400 nm SWCNT isolado 329 GHz

SWCNT bundle 89 THz

Cobre 15 THz

500 nm SWCNT isolado 307 GHz

SWCNT bundle 76 THz

Cobre 12 THz

600 nm SWCNT isolado 288 GHz

SWCNT bundle 67 THz

Cobre 94 THz

700 nm SWCNT isolado 271 GHz

SWCNT bundle 61 THz

Cobre 76 THz

800 nm SWCNT isolado 255 GHz

SWCNT bundle 55 THz

Cobre 63 THz

900 nm SWCNT isolado 240 GHz

SWCNT bundle 51 THz

Cobre 52 THz

1 microm SWCNT isolado 230 GHz

SWCNT bundle 47 THz

Cobre 42 THz

56

Tabela 75 Frequecircncia em -3dB das interconexotildees intermediaacuterias

Comprimento Material f-3dB

10 microm SWCNT isolado 26 GHz

SWCNT bundle 527 GHz

Cobre 34 GHz

100 microm SWCNT isolado 32 MHz

SWCNT bundle 42 GHz

Cobre 345 MHz

200 microm SWCNT isolado 82 MHz

SWCNT bundle 10 GHz

Cobre 87 MHz

300 microm SWCNT isolado 36 MHz

SWCNT bundle 455 MHz

Cobre 38 MHz

400 microm SWCNT isolado 21 MHz

SWCNT bundle 256 MHz

Cobre 21 MHz

500 microm SWCNT isolado 13 MHz

SWCNT bundle 165 MHz

Cobre 14 MHz

57

8 ANEXOS

81 COacuteDIGO SPICE DO SET [44]

Transistor mono-eleacutetron (SET) conexotildees fonte | dreno | | porta1 | | | porta2 | | | | SUBCKT SET 1 2 3 4 PARAMS +C1=1E-20 Capacitacircncia da junccedilatildeo 1 +C2=1E-20 Capacitacircncia da junccedilatildeo 2 +R1=1E5 Resistecircncia da junccedilatildeo 1 +R2=1E5 Resistecircncia da junccedilatildeo 2 +Cg1=015E-18 Capacitacircncia da junccedilatildeo 1 +Cg2=0 Capacitacircncia da junccedilatildeo 2 +C0=0 Capacitacircncia proacutepria da ilha +Q0=005 Carga offset em unidades de e +TEMP=300 Temperatura PARAM E=160217733E-19 Carga do eleacutetron (e) PARAM CSUM=C1+C2+Cg1+Cg2+C0 Capacitacircncia total do SET PARAM T=TEMPCSUM53785467E14 Temperatura normalizada 53785467E14 = kBe^2 PARAM RN1=R1(R1+R2) Resistecircncia da junccedilatildeo 1 normalizada PARAM RN2=R2(R1+R2) Resistecircncia da junccedilatildeo 2 normalizada FUNC Q(v1v2v3v4) (Cg1v3+Cg2v4+C1v1+C2v2)E+Q0 Definiccedilatildeo da carga em unidades de e FUNC VN(v) CSUMvE Tensatildeo normalizada FUNC GAMMA(u) IF(T==0IF(ult0-u0)IF(u==0Tu(EXP(uT)-1))) FUNC N_OPT(v1v2v3v4) ROUND(-Q(v1v2v3v4)+(CSUME) (v1RN2+v2RN1)) A maior probabilidade de carga na ilha em unidades de e Os quarto eventos tuacuteneis FUNC R1L(nv1v2v3v4) GAMMA(05 - n - Q(v1v2v3v4) + VN(v1))RN1 FUNC R1R(nv1v2v3v4) GAMMA(05 + n + Q(v1v2v3v4) - VN(v1))RN1 FUNC R2L(nv1v2v3v4) GAMMA(05 + n + Q(v1v2v3v4) - VN(v2))RN2 FUNC R2R(nv1v2v3v4) GAMMA(05 - n - Q(v1v2v3v4) + VN(v2))RN2

58

determinaccedilatildeo das probabilidades relativas assume-se inicialmente que o estado da carga N_OPT tem probabilidade relativa igual a um FUNC PN_1(nv1v2v3v4) (R1L(nv1v2v3v4)+R2R(nv1v2v3v4))(R1R(n-1v1v2v3v4)+R2L(n-1v1v2v3v4)) FUNC PN_2(nv1v2v3v4) PN_1(nv1v2v3v4) +(R1L(n-1v1v2v3v4)+R2R(n-1v1v2v3v4))(R1R(n-2v1v2v3v4)+R2L(n-2v1v2v3v4)) FUNC PN_3(nv1v2v3v4) PN_2(nv1v2v3v4) +(R1L(n-2v1v2v3v4)+R2R(n-2v1v2v3v4))(R1R(n-3v1v2v3v4)+R2L(n-3v1v2v3v4)) FUNC PN_4(nv1v2v3v4) PN_3(nv1v2v3v4) +(R1L(n-3v1v2v3v4)+R2R(n-3v1v2v3v4))(R1R(n-4v1v2v3v4)+R2L(n-4v1v2v3v4)) FUNC PN_5(nv1v2v3v4) PN_4(nv1v2v3v4) +(R1L(n-4v1v2v3v4)+R2R(n-4v1v2v3v4))(R1R(n-5v1v2v3v4)+R2L(n-5v1v2v3v4)) FUNC PN1(nv1v2v3v4) (R2L(nv1v2v3v4) +R1R(nv1v2v3v4))(R2R(n+1v1v2v3v4)+R1L(n+1v1v2v3v4)) FUNC PN2(nv1v2v3v4) PN1(nv1v2v3v4) +(R2L(n+1v1v2v3v4)+R1R(n+1v1v2v3v4))(R2R(n+2v1v2v3v4)+R1L(n+2v1v2v3v4)) FUNC PN3(nv1v2v3v4) PN2(nv1v2v3v4) +(R2L(n+2v1v2v3v4)+R1R(n+2v1v2v3v4))(R2R(n+3v1v2v3v4)+R1L(n+3v1v2v3v4)) FUNC PN4(nv1v2v3v4) PN3(nv1v2v3v4) +(R2L(n+3v1v2v3v4)+R1R(n+3v1v2v3v4))(R2R(n+4v1v2v3v4)+R1L(n+4v1v2v3v4)) FUNC PN5(nv1v2v3v4) PN4(nv1v2v3v4) +(R2L(n+4v1v2v3v4)+R1R(n+4v1v2v3v4))(R2R(n+5v1v2v3v4)+R1L(n+5v1v2v3v4)) FUNC PSUM(nv1v2v3v4) PN_5(nv1v2v3v4)+PN_4(nv1v2v3v4)+PN_3(nv1v2v3v4)+PN_2(nv1v2v3v4) ++PN_1(nv1v2v3v4)+1+PN1(nv1v2v3v4)+PN2(nv1v2v3v4)+PN3(nv1v2v3v4) ++PN4(nv1v2v3v4)+PN5(nv1v2v3v4)

59

caacutelculo da corrente da fonte para o dreno FUNC CUR(nv1v2v3v4) PN_5(nv1v2v3v4)(R1R(n-5v1v2v3v4)-R1L(n-5v1v2v3v4)) ++PN_4(nv1v2v3v4)(R1R(n-4v1v2v3v4)-R1L(n-4v1v2v3v4)) ++PN_3(nv1v2v3v4)(R1R(n-3v1v2v3v4)-R1L(n-3v1v2v3v4)) ++PN_2(nv1v2v3v4)(R1R(n-2v1v2v3v4)-R1L(n-2v1v2v3v4)) ++PN_1(nv1v2v3v4)(R1R(n-1v1v2v3v4)-R1L(n-1v1v2v3v4)) ++(R1R(nv1v2v3v4)-R1L(nv1v2v3v4)) ++PN1(nv1v2v3v4)(R1R(n+1v1v2v3v4)-R1L(n+1v1v2v3v4)) ++PN2(nv1v2v3v4)(R1R(n+2v1v2v3v4)-R1L(n+2v1v2v3v4)) ++PN3(nv1v2v3v4)(R1R(n+3v1v2v3v4)-R1L(n+3v1v2v3v4)) ++PN4(nv1v2v3v4)(R1R(n+4v1v2v3v4)-R1L(n+4v1v2v3v4)) ++PN5(nv1v2v3v4)(R1R(n+5v1v2v3v4)-R1L(n+5v1v2v3v4)) FUNC CURRENT(nv1v2v3v4) ECUR(nv1v2v3v4)(CSUMPSUM(nv1v2v3v4)(R1+R2)) caacutelculo da tensatildeo da ilha FUNC VOLT(nv1v2v3v4) PN_5(nv1v2v3v4)(n-5+Q(v1v2v3v4)) ++PN_4(nv1v2v3v4)(n-4+Q(v1v2v3v4)) ++PN_3(nv1v2v3v4)(n-3+Q(v1v2v3v4)) ++PN_2(nv1v2v3v4)(n-2+Q(v1v2v3v4)) ++PN_1(nv1v2v3v4)(n-1+Q(v1v2v3v4)) ++n+Q(v1v2v3v4) ++PN1(nv1v2v3v4)(n+1+Q(v1v2v3v4)) ++PN2(nv1v2v3v4)(n+2+Q(v1v2v3v4)) ++PN3(nv1v2v3v4)(n+3+Q(v1v2v3v4)) ++PN4(nv1v2v3v4)(n+4+Q(v1v2v3v4)) ++PN5(nv1v2v3v4)(n+5+Q(v1v2v3v4)) FUNC VOLTAGE(nv1v2v3v4) (ECSUM)VOLT(nv1v2v3v4)PSUM(nv1v2v3v4) E1 5 0 VALUE= VOLTAGE(N_OPT(V(1)V(2)V(3)V(4))V(1)V(2)V(3)V(4)) Tensatildeo da ilha G1 1 2 VALUE= CURRENT(N_OPT(V(1)V(2)V(3)V(4))V(1)V(2)V(3)V(4)) Corrente da fonte para o dreno CT1 1 5 C1 CT2 2 5 C2 CGATE1 3 5 CG1 CGATE2 4 5 CG2 ENDS SET

Page 58: ANÁLISE COMPARATIVA ENTRE ... - repositorio.unb.brrepositorio.unb.br/.../1/2012_CamilaPeixotoSilvaMadeiraNogueira.pdf · Prof. Stefan Michael Blawid, ... Deus colocou esses dois

45

para esta frequecircncia as interconexotildees natildeo-ideais natildeo interferem nestes paracircmetros Jaacute o

atraso na propagaccedilatildeo do sinal no caso do cobre aumenta agrave medida que as interconexotildees

aumentam de comprimento aumentando tambeacutem o produto atraso-potecircncia No entanto

estes paracircmetros natildeo satildeo afetados pelas interconexotildees de SWCNT bundle indicando que

este material se sobressai em relaccedilatildeo ao cobre

Jaacute para a rede H-tree clock mono-eleacutetron a 100GHz observou-se que o circuito com

interconexotildees natildeo-ideais afetou bastante os paracircmetros em anaacutelise se comparados aos

obtidos para interconexotildees ideais Verificou-se que as distorccedilotildees provocadas pelas

interconexotildees de cobre foram significativas indicando que as interconexotildees de SWCNT

bundle possuem melhor desempenho que as de cobre

Assim constata-se que as interconexotildees de SWCNT bundle satildeo fortes candidatas a

substituirem as interconexotildees de cobre em circuitos em escala giga (GSI) e tera (TSI)

46

5 CONCLUSOtildeES

Nesta dissertaccedilatildeo o estudo das interconexotildees de SWCNT de SWCNT bundle e de cobre

foi realizado analisando e comparando os seus desempenhos para diferentes

comprimentos A partir desse estudo verificou-se que as interconexotildees de SWCNT bundle

possui desempenho comparaacutevel ao das interconexotildees de cobre no caso de interconexotildees

locais Em relaccedilatildeo agraves interconexotildees intermediaacuterias as de SWCNT bundle apresentam

desempenho superior agraves de cobre

As interconexotildees de SWCNT bundle e as interconexotildees de cobre foram entatildeo simuladas na

rede H-tree clock de dois niacuteveis para diferentes comprimentos e frequecircncias Nos pontos

de destino final da rede foram colocadas portas inversoras formadas por SETs permitindo

a anaacutelise de circuitos nanoeletrocircnicos

A partir da anaacutelise da rede H-tree clock observou-se que as interconexotildees de SWCNT

bundle possuem desempenho melhor que as de cobre principalmente em relaccedilatildeo ao slew

rate agrave atenuaccedilatildeo ao tempo de atraso e ao produto atraso-potecircncia Aleacutem disso a

dissipaccedilatildeo de potecircncia das interconexotildees natildeo-ideais natildeo interferem na potecircncia total

dissipada pelo circuito Assim as interconexotildees de SWCNT bundle satildeo fortes candidatas a

substituirem as interconexotildees de cobre em circuitos em escala giga (GSI) e tera (TSI)

Como perspectivas futuras eacute importante analisar o efeito das interconexotildees de nanotubo de

carbono em circuitos GSI e TSI com outras arquiteturas A anaacutelise das interconexotildees de

CNT tambeacutem deve ser feita em circuitos com tecnologia MOS permitindo a comparaccedilatildeo

entre diferentes tecnologias Aleacutem disso eacute interessante estudar outros tipos de materiais

que possam ser utilizados como interconexotildees em circuitos integrados

47

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53

7 APEcircNDICES

71 TABELAS COMPLEMENTARES

Tabela 71 Paracircmetros obtidos a partir do modelo de SWCNT isolado

L RQ (Ω) RS (Ω) LCNT (10-9

H) CCNT (10-18

F)

10 nm 645103 - 40010

-2 27910

-1

100 nm 645103 - 40010

-1 279

200 nm 645103 - 80010

-1 558

300 nm 645103 - 120 837

400 nm 645103 - 160 11210

1

500 nm 645103 - 200 14010

1

600 nm 645103 - 240 16710

1

700 nm 645103 - 280 19510

1

800 nm 645103 - 320 22310

1

900 nm 645103 - 360 25110

1

1 microm 645103 - 400 27910

1

10 microm 645103 64510

4 40010

1 27910

2

100 microm 645103 64510

5 40010

2 27910

3

200 microm 645103 12910

6 80010

2 55810

3

300 microm 645103 19410

6 12010

3 83710

3

400 microm

645103 25810

6 16010

3 11210

4

500 microm

645103 32310

6 20010

3 14010

4

Tabela 72 Paracircmetros obtidos a partir do modelo de SWCNT bundle

L RQ (Ω) RS (Ω) LBundle(10-9

H) CBundle(10-18

F)

10 nm 1075 - 66710-5

135

100 nm 1075 - 66710-4

135101

200 nm 1075 - 13310-3

270101

300 nm 1075 - 20010-3

405101

400 nm 1075 - 26710-3

540101

500 nm 1075 - 33310-3

675101

600 nm 1075 - 40010-3

810101

700 nm 1075 - 46710-3

945101

800 nm 1075 - 53310-3

108102

900 nm 1075 - 60010-3

122102

1 microm 1075 - 66710-3

135102

10 microm 1075 108102 66710

-2 13510

3

100 microm 1075 108103 66710

-1 13510

4

200 microm 1075 215103 133 27010

4

300 microm 1075 323103 200 40510

4

400 microm

1075 430103 267 54010

4

500 microm

1075 538103 333 67510

4

54

Tabela 73 Paracircmetros obtidos a partir do modelo de cobre

L RCu (Ω) LCu (10-9

H) CCu (10-18

F)

10 nm 06 37310-6

150

100 nm 60 63610-5

150101

200 nm 120 17510-4

300101

300 nm 180 30910-4

450101

400 nm 240 45410-4

600101

500 nm 300 61110-4

750101

600 nm 360 77510-4

900101

700 nm 420 94610-4

105102

800 nm 480 11210-3

120102

900 nm 540 13110-3

135102

1 microm 600 14910-3

150102

10 microm 60102 24010

-2 15010

3

100 microm 60103 33210

-1 15010

4

200 microm 12104 72010

-1 30010

4

300 microm 18104 113 45010

4

400 microm

24104 155 60010

4

500 microm

30104 198 75010

4

55

Tabela 74 Frequecircncia em -3dB das interconexotildees locais

Comprimento Material f-3dB

10 nm SWCNT isolado 253 GHz

SWCNT bundle 66 THz

Cobre 232 THz

100 nm SWCNT isolado 300 GHz

SWCNT bundle 20 THz

Cobre 51 THz

200 nm SWCNT isolado 342 GHz

SWCNT bundle 14 THz

Cobre 29 THz

300 nm SWCNT isolado 344 GHz

SWCNT bundle 11 THz

Cobre 20 THz

400 nm SWCNT isolado 329 GHz

SWCNT bundle 89 THz

Cobre 15 THz

500 nm SWCNT isolado 307 GHz

SWCNT bundle 76 THz

Cobre 12 THz

600 nm SWCNT isolado 288 GHz

SWCNT bundle 67 THz

Cobre 94 THz

700 nm SWCNT isolado 271 GHz

SWCNT bundle 61 THz

Cobre 76 THz

800 nm SWCNT isolado 255 GHz

SWCNT bundle 55 THz

Cobre 63 THz

900 nm SWCNT isolado 240 GHz

SWCNT bundle 51 THz

Cobre 52 THz

1 microm SWCNT isolado 230 GHz

SWCNT bundle 47 THz

Cobre 42 THz

56

Tabela 75 Frequecircncia em -3dB das interconexotildees intermediaacuterias

Comprimento Material f-3dB

10 microm SWCNT isolado 26 GHz

SWCNT bundle 527 GHz

Cobre 34 GHz

100 microm SWCNT isolado 32 MHz

SWCNT bundle 42 GHz

Cobre 345 MHz

200 microm SWCNT isolado 82 MHz

SWCNT bundle 10 GHz

Cobre 87 MHz

300 microm SWCNT isolado 36 MHz

SWCNT bundle 455 MHz

Cobre 38 MHz

400 microm SWCNT isolado 21 MHz

SWCNT bundle 256 MHz

Cobre 21 MHz

500 microm SWCNT isolado 13 MHz

SWCNT bundle 165 MHz

Cobre 14 MHz

57

8 ANEXOS

81 COacuteDIGO SPICE DO SET [44]

Transistor mono-eleacutetron (SET) conexotildees fonte | dreno | | porta1 | | | porta2 | | | | SUBCKT SET 1 2 3 4 PARAMS +C1=1E-20 Capacitacircncia da junccedilatildeo 1 +C2=1E-20 Capacitacircncia da junccedilatildeo 2 +R1=1E5 Resistecircncia da junccedilatildeo 1 +R2=1E5 Resistecircncia da junccedilatildeo 2 +Cg1=015E-18 Capacitacircncia da junccedilatildeo 1 +Cg2=0 Capacitacircncia da junccedilatildeo 2 +C0=0 Capacitacircncia proacutepria da ilha +Q0=005 Carga offset em unidades de e +TEMP=300 Temperatura PARAM E=160217733E-19 Carga do eleacutetron (e) PARAM CSUM=C1+C2+Cg1+Cg2+C0 Capacitacircncia total do SET PARAM T=TEMPCSUM53785467E14 Temperatura normalizada 53785467E14 = kBe^2 PARAM RN1=R1(R1+R2) Resistecircncia da junccedilatildeo 1 normalizada PARAM RN2=R2(R1+R2) Resistecircncia da junccedilatildeo 2 normalizada FUNC Q(v1v2v3v4) (Cg1v3+Cg2v4+C1v1+C2v2)E+Q0 Definiccedilatildeo da carga em unidades de e FUNC VN(v) CSUMvE Tensatildeo normalizada FUNC GAMMA(u) IF(T==0IF(ult0-u0)IF(u==0Tu(EXP(uT)-1))) FUNC N_OPT(v1v2v3v4) ROUND(-Q(v1v2v3v4)+(CSUME) (v1RN2+v2RN1)) A maior probabilidade de carga na ilha em unidades de e Os quarto eventos tuacuteneis FUNC R1L(nv1v2v3v4) GAMMA(05 - n - Q(v1v2v3v4) + VN(v1))RN1 FUNC R1R(nv1v2v3v4) GAMMA(05 + n + Q(v1v2v3v4) - VN(v1))RN1 FUNC R2L(nv1v2v3v4) GAMMA(05 + n + Q(v1v2v3v4) - VN(v2))RN2 FUNC R2R(nv1v2v3v4) GAMMA(05 - n - Q(v1v2v3v4) + VN(v2))RN2

58

determinaccedilatildeo das probabilidades relativas assume-se inicialmente que o estado da carga N_OPT tem probabilidade relativa igual a um FUNC PN_1(nv1v2v3v4) (R1L(nv1v2v3v4)+R2R(nv1v2v3v4))(R1R(n-1v1v2v3v4)+R2L(n-1v1v2v3v4)) FUNC PN_2(nv1v2v3v4) PN_1(nv1v2v3v4) +(R1L(n-1v1v2v3v4)+R2R(n-1v1v2v3v4))(R1R(n-2v1v2v3v4)+R2L(n-2v1v2v3v4)) FUNC PN_3(nv1v2v3v4) PN_2(nv1v2v3v4) +(R1L(n-2v1v2v3v4)+R2R(n-2v1v2v3v4))(R1R(n-3v1v2v3v4)+R2L(n-3v1v2v3v4)) FUNC PN_4(nv1v2v3v4) PN_3(nv1v2v3v4) +(R1L(n-3v1v2v3v4)+R2R(n-3v1v2v3v4))(R1R(n-4v1v2v3v4)+R2L(n-4v1v2v3v4)) FUNC PN_5(nv1v2v3v4) PN_4(nv1v2v3v4) +(R1L(n-4v1v2v3v4)+R2R(n-4v1v2v3v4))(R1R(n-5v1v2v3v4)+R2L(n-5v1v2v3v4)) FUNC PN1(nv1v2v3v4) (R2L(nv1v2v3v4) +R1R(nv1v2v3v4))(R2R(n+1v1v2v3v4)+R1L(n+1v1v2v3v4)) FUNC PN2(nv1v2v3v4) PN1(nv1v2v3v4) +(R2L(n+1v1v2v3v4)+R1R(n+1v1v2v3v4))(R2R(n+2v1v2v3v4)+R1L(n+2v1v2v3v4)) FUNC PN3(nv1v2v3v4) PN2(nv1v2v3v4) +(R2L(n+2v1v2v3v4)+R1R(n+2v1v2v3v4))(R2R(n+3v1v2v3v4)+R1L(n+3v1v2v3v4)) FUNC PN4(nv1v2v3v4) PN3(nv1v2v3v4) +(R2L(n+3v1v2v3v4)+R1R(n+3v1v2v3v4))(R2R(n+4v1v2v3v4)+R1L(n+4v1v2v3v4)) FUNC PN5(nv1v2v3v4) PN4(nv1v2v3v4) +(R2L(n+4v1v2v3v4)+R1R(n+4v1v2v3v4))(R2R(n+5v1v2v3v4)+R1L(n+5v1v2v3v4)) FUNC PSUM(nv1v2v3v4) PN_5(nv1v2v3v4)+PN_4(nv1v2v3v4)+PN_3(nv1v2v3v4)+PN_2(nv1v2v3v4) ++PN_1(nv1v2v3v4)+1+PN1(nv1v2v3v4)+PN2(nv1v2v3v4)+PN3(nv1v2v3v4) ++PN4(nv1v2v3v4)+PN5(nv1v2v3v4)

59

caacutelculo da corrente da fonte para o dreno FUNC CUR(nv1v2v3v4) PN_5(nv1v2v3v4)(R1R(n-5v1v2v3v4)-R1L(n-5v1v2v3v4)) ++PN_4(nv1v2v3v4)(R1R(n-4v1v2v3v4)-R1L(n-4v1v2v3v4)) ++PN_3(nv1v2v3v4)(R1R(n-3v1v2v3v4)-R1L(n-3v1v2v3v4)) ++PN_2(nv1v2v3v4)(R1R(n-2v1v2v3v4)-R1L(n-2v1v2v3v4)) ++PN_1(nv1v2v3v4)(R1R(n-1v1v2v3v4)-R1L(n-1v1v2v3v4)) ++(R1R(nv1v2v3v4)-R1L(nv1v2v3v4)) ++PN1(nv1v2v3v4)(R1R(n+1v1v2v3v4)-R1L(n+1v1v2v3v4)) ++PN2(nv1v2v3v4)(R1R(n+2v1v2v3v4)-R1L(n+2v1v2v3v4)) ++PN3(nv1v2v3v4)(R1R(n+3v1v2v3v4)-R1L(n+3v1v2v3v4)) ++PN4(nv1v2v3v4)(R1R(n+4v1v2v3v4)-R1L(n+4v1v2v3v4)) ++PN5(nv1v2v3v4)(R1R(n+5v1v2v3v4)-R1L(n+5v1v2v3v4)) FUNC CURRENT(nv1v2v3v4) ECUR(nv1v2v3v4)(CSUMPSUM(nv1v2v3v4)(R1+R2)) caacutelculo da tensatildeo da ilha FUNC VOLT(nv1v2v3v4) PN_5(nv1v2v3v4)(n-5+Q(v1v2v3v4)) ++PN_4(nv1v2v3v4)(n-4+Q(v1v2v3v4)) ++PN_3(nv1v2v3v4)(n-3+Q(v1v2v3v4)) ++PN_2(nv1v2v3v4)(n-2+Q(v1v2v3v4)) ++PN_1(nv1v2v3v4)(n-1+Q(v1v2v3v4)) ++n+Q(v1v2v3v4) ++PN1(nv1v2v3v4)(n+1+Q(v1v2v3v4)) ++PN2(nv1v2v3v4)(n+2+Q(v1v2v3v4)) ++PN3(nv1v2v3v4)(n+3+Q(v1v2v3v4)) ++PN4(nv1v2v3v4)(n+4+Q(v1v2v3v4)) ++PN5(nv1v2v3v4)(n+5+Q(v1v2v3v4)) FUNC VOLTAGE(nv1v2v3v4) (ECSUM)VOLT(nv1v2v3v4)PSUM(nv1v2v3v4) E1 5 0 VALUE= VOLTAGE(N_OPT(V(1)V(2)V(3)V(4))V(1)V(2)V(3)V(4)) Tensatildeo da ilha G1 1 2 VALUE= CURRENT(N_OPT(V(1)V(2)V(3)V(4))V(1)V(2)V(3)V(4)) Corrente da fonte para o dreno CT1 1 5 C1 CT2 2 5 C2 CGATE1 3 5 CG1 CGATE2 4 5 CG2 ENDS SET

Page 59: ANÁLISE COMPARATIVA ENTRE ... - repositorio.unb.brrepositorio.unb.br/.../1/2012_CamilaPeixotoSilvaMadeiraNogueira.pdf · Prof. Stefan Michael Blawid, ... Deus colocou esses dois

46

5 CONCLUSOtildeES

Nesta dissertaccedilatildeo o estudo das interconexotildees de SWCNT de SWCNT bundle e de cobre

foi realizado analisando e comparando os seus desempenhos para diferentes

comprimentos A partir desse estudo verificou-se que as interconexotildees de SWCNT bundle

possui desempenho comparaacutevel ao das interconexotildees de cobre no caso de interconexotildees

locais Em relaccedilatildeo agraves interconexotildees intermediaacuterias as de SWCNT bundle apresentam

desempenho superior agraves de cobre

As interconexotildees de SWCNT bundle e as interconexotildees de cobre foram entatildeo simuladas na

rede H-tree clock de dois niacuteveis para diferentes comprimentos e frequecircncias Nos pontos

de destino final da rede foram colocadas portas inversoras formadas por SETs permitindo

a anaacutelise de circuitos nanoeletrocircnicos

A partir da anaacutelise da rede H-tree clock observou-se que as interconexotildees de SWCNT

bundle possuem desempenho melhor que as de cobre principalmente em relaccedilatildeo ao slew

rate agrave atenuaccedilatildeo ao tempo de atraso e ao produto atraso-potecircncia Aleacutem disso a

dissipaccedilatildeo de potecircncia das interconexotildees natildeo-ideais natildeo interferem na potecircncia total

dissipada pelo circuito Assim as interconexotildees de SWCNT bundle satildeo fortes candidatas a

substituirem as interconexotildees de cobre em circuitos em escala giga (GSI) e tera (TSI)

Como perspectivas futuras eacute importante analisar o efeito das interconexotildees de nanotubo de

carbono em circuitos GSI e TSI com outras arquiteturas A anaacutelise das interconexotildees de

CNT tambeacutem deve ser feita em circuitos com tecnologia MOS permitindo a comparaccedilatildeo

entre diferentes tecnologias Aleacutem disso eacute interessante estudar outros tipos de materiais

que possam ser utilizados como interconexotildees em circuitos integrados

47

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53

7 APEcircNDICES

71 TABELAS COMPLEMENTARES

Tabela 71 Paracircmetros obtidos a partir do modelo de SWCNT isolado

L RQ (Ω) RS (Ω) LCNT (10-9

H) CCNT (10-18

F)

10 nm 645103 - 40010

-2 27910

-1

100 nm 645103 - 40010

-1 279

200 nm 645103 - 80010

-1 558

300 nm 645103 - 120 837

400 nm 645103 - 160 11210

1

500 nm 645103 - 200 14010

1

600 nm 645103 - 240 16710

1

700 nm 645103 - 280 19510

1

800 nm 645103 - 320 22310

1

900 nm 645103 - 360 25110

1

1 microm 645103 - 400 27910

1

10 microm 645103 64510

4 40010

1 27910

2

100 microm 645103 64510

5 40010

2 27910

3

200 microm 645103 12910

6 80010

2 55810

3

300 microm 645103 19410

6 12010

3 83710

3

400 microm

645103 25810

6 16010

3 11210

4

500 microm

645103 32310

6 20010

3 14010

4

Tabela 72 Paracircmetros obtidos a partir do modelo de SWCNT bundle

L RQ (Ω) RS (Ω) LBundle(10-9

H) CBundle(10-18

F)

10 nm 1075 - 66710-5

135

100 nm 1075 - 66710-4

135101

200 nm 1075 - 13310-3

270101

300 nm 1075 - 20010-3

405101

400 nm 1075 - 26710-3

540101

500 nm 1075 - 33310-3

675101

600 nm 1075 - 40010-3

810101

700 nm 1075 - 46710-3

945101

800 nm 1075 - 53310-3

108102

900 nm 1075 - 60010-3

122102

1 microm 1075 - 66710-3

135102

10 microm 1075 108102 66710

-2 13510

3

100 microm 1075 108103 66710

-1 13510

4

200 microm 1075 215103 133 27010

4

300 microm 1075 323103 200 40510

4

400 microm

1075 430103 267 54010

4

500 microm

1075 538103 333 67510

4

54

Tabela 73 Paracircmetros obtidos a partir do modelo de cobre

L RCu (Ω) LCu (10-9

H) CCu (10-18

F)

10 nm 06 37310-6

150

100 nm 60 63610-5

150101

200 nm 120 17510-4

300101

300 nm 180 30910-4

450101

400 nm 240 45410-4

600101

500 nm 300 61110-4

750101

600 nm 360 77510-4

900101

700 nm 420 94610-4

105102

800 nm 480 11210-3

120102

900 nm 540 13110-3

135102

1 microm 600 14910-3

150102

10 microm 60102 24010

-2 15010

3

100 microm 60103 33210

-1 15010

4

200 microm 12104 72010

-1 30010

4

300 microm 18104 113 45010

4

400 microm

24104 155 60010

4

500 microm

30104 198 75010

4

55

Tabela 74 Frequecircncia em -3dB das interconexotildees locais

Comprimento Material f-3dB

10 nm SWCNT isolado 253 GHz

SWCNT bundle 66 THz

Cobre 232 THz

100 nm SWCNT isolado 300 GHz

SWCNT bundle 20 THz

Cobre 51 THz

200 nm SWCNT isolado 342 GHz

SWCNT bundle 14 THz

Cobre 29 THz

300 nm SWCNT isolado 344 GHz

SWCNT bundle 11 THz

Cobre 20 THz

400 nm SWCNT isolado 329 GHz

SWCNT bundle 89 THz

Cobre 15 THz

500 nm SWCNT isolado 307 GHz

SWCNT bundle 76 THz

Cobre 12 THz

600 nm SWCNT isolado 288 GHz

SWCNT bundle 67 THz

Cobre 94 THz

700 nm SWCNT isolado 271 GHz

SWCNT bundle 61 THz

Cobre 76 THz

800 nm SWCNT isolado 255 GHz

SWCNT bundle 55 THz

Cobre 63 THz

900 nm SWCNT isolado 240 GHz

SWCNT bundle 51 THz

Cobre 52 THz

1 microm SWCNT isolado 230 GHz

SWCNT bundle 47 THz

Cobre 42 THz

56

Tabela 75 Frequecircncia em -3dB das interconexotildees intermediaacuterias

Comprimento Material f-3dB

10 microm SWCNT isolado 26 GHz

SWCNT bundle 527 GHz

Cobre 34 GHz

100 microm SWCNT isolado 32 MHz

SWCNT bundle 42 GHz

Cobre 345 MHz

200 microm SWCNT isolado 82 MHz

SWCNT bundle 10 GHz

Cobre 87 MHz

300 microm SWCNT isolado 36 MHz

SWCNT bundle 455 MHz

Cobre 38 MHz

400 microm SWCNT isolado 21 MHz

SWCNT bundle 256 MHz

Cobre 21 MHz

500 microm SWCNT isolado 13 MHz

SWCNT bundle 165 MHz

Cobre 14 MHz

57

8 ANEXOS

81 COacuteDIGO SPICE DO SET [44]

Transistor mono-eleacutetron (SET) conexotildees fonte | dreno | | porta1 | | | porta2 | | | | SUBCKT SET 1 2 3 4 PARAMS +C1=1E-20 Capacitacircncia da junccedilatildeo 1 +C2=1E-20 Capacitacircncia da junccedilatildeo 2 +R1=1E5 Resistecircncia da junccedilatildeo 1 +R2=1E5 Resistecircncia da junccedilatildeo 2 +Cg1=015E-18 Capacitacircncia da junccedilatildeo 1 +Cg2=0 Capacitacircncia da junccedilatildeo 2 +C0=0 Capacitacircncia proacutepria da ilha +Q0=005 Carga offset em unidades de e +TEMP=300 Temperatura PARAM E=160217733E-19 Carga do eleacutetron (e) PARAM CSUM=C1+C2+Cg1+Cg2+C0 Capacitacircncia total do SET PARAM T=TEMPCSUM53785467E14 Temperatura normalizada 53785467E14 = kBe^2 PARAM RN1=R1(R1+R2) Resistecircncia da junccedilatildeo 1 normalizada PARAM RN2=R2(R1+R2) Resistecircncia da junccedilatildeo 2 normalizada FUNC Q(v1v2v3v4) (Cg1v3+Cg2v4+C1v1+C2v2)E+Q0 Definiccedilatildeo da carga em unidades de e FUNC VN(v) CSUMvE Tensatildeo normalizada FUNC GAMMA(u) IF(T==0IF(ult0-u0)IF(u==0Tu(EXP(uT)-1))) FUNC N_OPT(v1v2v3v4) ROUND(-Q(v1v2v3v4)+(CSUME) (v1RN2+v2RN1)) A maior probabilidade de carga na ilha em unidades de e Os quarto eventos tuacuteneis FUNC R1L(nv1v2v3v4) GAMMA(05 - n - Q(v1v2v3v4) + VN(v1))RN1 FUNC R1R(nv1v2v3v4) GAMMA(05 + n + Q(v1v2v3v4) - VN(v1))RN1 FUNC R2L(nv1v2v3v4) GAMMA(05 + n + Q(v1v2v3v4) - VN(v2))RN2 FUNC R2R(nv1v2v3v4) GAMMA(05 - n - Q(v1v2v3v4) + VN(v2))RN2

58

determinaccedilatildeo das probabilidades relativas assume-se inicialmente que o estado da carga N_OPT tem probabilidade relativa igual a um FUNC PN_1(nv1v2v3v4) (R1L(nv1v2v3v4)+R2R(nv1v2v3v4))(R1R(n-1v1v2v3v4)+R2L(n-1v1v2v3v4)) FUNC PN_2(nv1v2v3v4) PN_1(nv1v2v3v4) +(R1L(n-1v1v2v3v4)+R2R(n-1v1v2v3v4))(R1R(n-2v1v2v3v4)+R2L(n-2v1v2v3v4)) FUNC PN_3(nv1v2v3v4) PN_2(nv1v2v3v4) +(R1L(n-2v1v2v3v4)+R2R(n-2v1v2v3v4))(R1R(n-3v1v2v3v4)+R2L(n-3v1v2v3v4)) FUNC PN_4(nv1v2v3v4) PN_3(nv1v2v3v4) +(R1L(n-3v1v2v3v4)+R2R(n-3v1v2v3v4))(R1R(n-4v1v2v3v4)+R2L(n-4v1v2v3v4)) FUNC PN_5(nv1v2v3v4) PN_4(nv1v2v3v4) +(R1L(n-4v1v2v3v4)+R2R(n-4v1v2v3v4))(R1R(n-5v1v2v3v4)+R2L(n-5v1v2v3v4)) FUNC PN1(nv1v2v3v4) (R2L(nv1v2v3v4) +R1R(nv1v2v3v4))(R2R(n+1v1v2v3v4)+R1L(n+1v1v2v3v4)) FUNC PN2(nv1v2v3v4) PN1(nv1v2v3v4) +(R2L(n+1v1v2v3v4)+R1R(n+1v1v2v3v4))(R2R(n+2v1v2v3v4)+R1L(n+2v1v2v3v4)) FUNC PN3(nv1v2v3v4) PN2(nv1v2v3v4) +(R2L(n+2v1v2v3v4)+R1R(n+2v1v2v3v4))(R2R(n+3v1v2v3v4)+R1L(n+3v1v2v3v4)) FUNC PN4(nv1v2v3v4) PN3(nv1v2v3v4) +(R2L(n+3v1v2v3v4)+R1R(n+3v1v2v3v4))(R2R(n+4v1v2v3v4)+R1L(n+4v1v2v3v4)) FUNC PN5(nv1v2v3v4) PN4(nv1v2v3v4) +(R2L(n+4v1v2v3v4)+R1R(n+4v1v2v3v4))(R2R(n+5v1v2v3v4)+R1L(n+5v1v2v3v4)) FUNC PSUM(nv1v2v3v4) PN_5(nv1v2v3v4)+PN_4(nv1v2v3v4)+PN_3(nv1v2v3v4)+PN_2(nv1v2v3v4) ++PN_1(nv1v2v3v4)+1+PN1(nv1v2v3v4)+PN2(nv1v2v3v4)+PN3(nv1v2v3v4) ++PN4(nv1v2v3v4)+PN5(nv1v2v3v4)

59

caacutelculo da corrente da fonte para o dreno FUNC CUR(nv1v2v3v4) PN_5(nv1v2v3v4)(R1R(n-5v1v2v3v4)-R1L(n-5v1v2v3v4)) ++PN_4(nv1v2v3v4)(R1R(n-4v1v2v3v4)-R1L(n-4v1v2v3v4)) ++PN_3(nv1v2v3v4)(R1R(n-3v1v2v3v4)-R1L(n-3v1v2v3v4)) ++PN_2(nv1v2v3v4)(R1R(n-2v1v2v3v4)-R1L(n-2v1v2v3v4)) ++PN_1(nv1v2v3v4)(R1R(n-1v1v2v3v4)-R1L(n-1v1v2v3v4)) ++(R1R(nv1v2v3v4)-R1L(nv1v2v3v4)) ++PN1(nv1v2v3v4)(R1R(n+1v1v2v3v4)-R1L(n+1v1v2v3v4)) ++PN2(nv1v2v3v4)(R1R(n+2v1v2v3v4)-R1L(n+2v1v2v3v4)) ++PN3(nv1v2v3v4)(R1R(n+3v1v2v3v4)-R1L(n+3v1v2v3v4)) ++PN4(nv1v2v3v4)(R1R(n+4v1v2v3v4)-R1L(n+4v1v2v3v4)) ++PN5(nv1v2v3v4)(R1R(n+5v1v2v3v4)-R1L(n+5v1v2v3v4)) FUNC CURRENT(nv1v2v3v4) ECUR(nv1v2v3v4)(CSUMPSUM(nv1v2v3v4)(R1+R2)) caacutelculo da tensatildeo da ilha FUNC VOLT(nv1v2v3v4) PN_5(nv1v2v3v4)(n-5+Q(v1v2v3v4)) ++PN_4(nv1v2v3v4)(n-4+Q(v1v2v3v4)) ++PN_3(nv1v2v3v4)(n-3+Q(v1v2v3v4)) ++PN_2(nv1v2v3v4)(n-2+Q(v1v2v3v4)) ++PN_1(nv1v2v3v4)(n-1+Q(v1v2v3v4)) ++n+Q(v1v2v3v4) ++PN1(nv1v2v3v4)(n+1+Q(v1v2v3v4)) ++PN2(nv1v2v3v4)(n+2+Q(v1v2v3v4)) ++PN3(nv1v2v3v4)(n+3+Q(v1v2v3v4)) ++PN4(nv1v2v3v4)(n+4+Q(v1v2v3v4)) ++PN5(nv1v2v3v4)(n+5+Q(v1v2v3v4)) FUNC VOLTAGE(nv1v2v3v4) (ECSUM)VOLT(nv1v2v3v4)PSUM(nv1v2v3v4) E1 5 0 VALUE= VOLTAGE(N_OPT(V(1)V(2)V(3)V(4))V(1)V(2)V(3)V(4)) Tensatildeo da ilha G1 1 2 VALUE= CURRENT(N_OPT(V(1)V(2)V(3)V(4))V(1)V(2)V(3)V(4)) Corrente da fonte para o dreno CT1 1 5 C1 CT2 2 5 C2 CGATE1 3 5 CG1 CGATE2 4 5 CG2 ENDS SET

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53

7 APEcircNDICES

71 TABELAS COMPLEMENTARES

Tabela 71 Paracircmetros obtidos a partir do modelo de SWCNT isolado

L RQ (Ω) RS (Ω) LCNT (10-9

H) CCNT (10-18

F)

10 nm 645103 - 40010

-2 27910

-1

100 nm 645103 - 40010

-1 279

200 nm 645103 - 80010

-1 558

300 nm 645103 - 120 837

400 nm 645103 - 160 11210

1

500 nm 645103 - 200 14010

1

600 nm 645103 - 240 16710

1

700 nm 645103 - 280 19510

1

800 nm 645103 - 320 22310

1

900 nm 645103 - 360 25110

1

1 microm 645103 - 400 27910

1

10 microm 645103 64510

4 40010

1 27910

2

100 microm 645103 64510

5 40010

2 27910

3

200 microm 645103 12910

6 80010

2 55810

3

300 microm 645103 19410

6 12010

3 83710

3

400 microm

645103 25810

6 16010

3 11210

4

500 microm

645103 32310

6 20010

3 14010

4

Tabela 72 Paracircmetros obtidos a partir do modelo de SWCNT bundle

L RQ (Ω) RS (Ω) LBundle(10-9

H) CBundle(10-18

F)

10 nm 1075 - 66710-5

135

100 nm 1075 - 66710-4

135101

200 nm 1075 - 13310-3

270101

300 nm 1075 - 20010-3

405101

400 nm 1075 - 26710-3

540101

500 nm 1075 - 33310-3

675101

600 nm 1075 - 40010-3

810101

700 nm 1075 - 46710-3

945101

800 nm 1075 - 53310-3

108102

900 nm 1075 - 60010-3

122102

1 microm 1075 - 66710-3

135102

10 microm 1075 108102 66710

-2 13510

3

100 microm 1075 108103 66710

-1 13510

4

200 microm 1075 215103 133 27010

4

300 microm 1075 323103 200 40510

4

400 microm

1075 430103 267 54010

4

500 microm

1075 538103 333 67510

4

54

Tabela 73 Paracircmetros obtidos a partir do modelo de cobre

L RCu (Ω) LCu (10-9

H) CCu (10-18

F)

10 nm 06 37310-6

150

100 nm 60 63610-5

150101

200 nm 120 17510-4

300101

300 nm 180 30910-4

450101

400 nm 240 45410-4

600101

500 nm 300 61110-4

750101

600 nm 360 77510-4

900101

700 nm 420 94610-4

105102

800 nm 480 11210-3

120102

900 nm 540 13110-3

135102

1 microm 600 14910-3

150102

10 microm 60102 24010

-2 15010

3

100 microm 60103 33210

-1 15010

4

200 microm 12104 72010

-1 30010

4

300 microm 18104 113 45010

4

400 microm

24104 155 60010

4

500 microm

30104 198 75010

4

55

Tabela 74 Frequecircncia em -3dB das interconexotildees locais

Comprimento Material f-3dB

10 nm SWCNT isolado 253 GHz

SWCNT bundle 66 THz

Cobre 232 THz

100 nm SWCNT isolado 300 GHz

SWCNT bundle 20 THz

Cobre 51 THz

200 nm SWCNT isolado 342 GHz

SWCNT bundle 14 THz

Cobre 29 THz

300 nm SWCNT isolado 344 GHz

SWCNT bundle 11 THz

Cobre 20 THz

400 nm SWCNT isolado 329 GHz

SWCNT bundle 89 THz

Cobre 15 THz

500 nm SWCNT isolado 307 GHz

SWCNT bundle 76 THz

Cobre 12 THz

600 nm SWCNT isolado 288 GHz

SWCNT bundle 67 THz

Cobre 94 THz

700 nm SWCNT isolado 271 GHz

SWCNT bundle 61 THz

Cobre 76 THz

800 nm SWCNT isolado 255 GHz

SWCNT bundle 55 THz

Cobre 63 THz

900 nm SWCNT isolado 240 GHz

SWCNT bundle 51 THz

Cobre 52 THz

1 microm SWCNT isolado 230 GHz

SWCNT bundle 47 THz

Cobre 42 THz

56

Tabela 75 Frequecircncia em -3dB das interconexotildees intermediaacuterias

Comprimento Material f-3dB

10 microm SWCNT isolado 26 GHz

SWCNT bundle 527 GHz

Cobre 34 GHz

100 microm SWCNT isolado 32 MHz

SWCNT bundle 42 GHz

Cobre 345 MHz

200 microm SWCNT isolado 82 MHz

SWCNT bundle 10 GHz

Cobre 87 MHz

300 microm SWCNT isolado 36 MHz

SWCNT bundle 455 MHz

Cobre 38 MHz

400 microm SWCNT isolado 21 MHz

SWCNT bundle 256 MHz

Cobre 21 MHz

500 microm SWCNT isolado 13 MHz

SWCNT bundle 165 MHz

Cobre 14 MHz

57

8 ANEXOS

81 COacuteDIGO SPICE DO SET [44]

Transistor mono-eleacutetron (SET) conexotildees fonte | dreno | | porta1 | | | porta2 | | | | SUBCKT SET 1 2 3 4 PARAMS +C1=1E-20 Capacitacircncia da junccedilatildeo 1 +C2=1E-20 Capacitacircncia da junccedilatildeo 2 +R1=1E5 Resistecircncia da junccedilatildeo 1 +R2=1E5 Resistecircncia da junccedilatildeo 2 +Cg1=015E-18 Capacitacircncia da junccedilatildeo 1 +Cg2=0 Capacitacircncia da junccedilatildeo 2 +C0=0 Capacitacircncia proacutepria da ilha +Q0=005 Carga offset em unidades de e +TEMP=300 Temperatura PARAM E=160217733E-19 Carga do eleacutetron (e) PARAM CSUM=C1+C2+Cg1+Cg2+C0 Capacitacircncia total do SET PARAM T=TEMPCSUM53785467E14 Temperatura normalizada 53785467E14 = kBe^2 PARAM RN1=R1(R1+R2) Resistecircncia da junccedilatildeo 1 normalizada PARAM RN2=R2(R1+R2) Resistecircncia da junccedilatildeo 2 normalizada FUNC Q(v1v2v3v4) (Cg1v3+Cg2v4+C1v1+C2v2)E+Q0 Definiccedilatildeo da carga em unidades de e FUNC VN(v) CSUMvE Tensatildeo normalizada FUNC GAMMA(u) IF(T==0IF(ult0-u0)IF(u==0Tu(EXP(uT)-1))) FUNC N_OPT(v1v2v3v4) ROUND(-Q(v1v2v3v4)+(CSUME) (v1RN2+v2RN1)) A maior probabilidade de carga na ilha em unidades de e Os quarto eventos tuacuteneis FUNC R1L(nv1v2v3v4) GAMMA(05 - n - Q(v1v2v3v4) + VN(v1))RN1 FUNC R1R(nv1v2v3v4) GAMMA(05 + n + Q(v1v2v3v4) - VN(v1))RN1 FUNC R2L(nv1v2v3v4) GAMMA(05 + n + Q(v1v2v3v4) - VN(v2))RN2 FUNC R2R(nv1v2v3v4) GAMMA(05 - n - Q(v1v2v3v4) + VN(v2))RN2

58

determinaccedilatildeo das probabilidades relativas assume-se inicialmente que o estado da carga N_OPT tem probabilidade relativa igual a um FUNC PN_1(nv1v2v3v4) (R1L(nv1v2v3v4)+R2R(nv1v2v3v4))(R1R(n-1v1v2v3v4)+R2L(n-1v1v2v3v4)) FUNC PN_2(nv1v2v3v4) PN_1(nv1v2v3v4) +(R1L(n-1v1v2v3v4)+R2R(n-1v1v2v3v4))(R1R(n-2v1v2v3v4)+R2L(n-2v1v2v3v4)) FUNC PN_3(nv1v2v3v4) PN_2(nv1v2v3v4) +(R1L(n-2v1v2v3v4)+R2R(n-2v1v2v3v4))(R1R(n-3v1v2v3v4)+R2L(n-3v1v2v3v4)) FUNC PN_4(nv1v2v3v4) PN_3(nv1v2v3v4) +(R1L(n-3v1v2v3v4)+R2R(n-3v1v2v3v4))(R1R(n-4v1v2v3v4)+R2L(n-4v1v2v3v4)) FUNC PN_5(nv1v2v3v4) PN_4(nv1v2v3v4) +(R1L(n-4v1v2v3v4)+R2R(n-4v1v2v3v4))(R1R(n-5v1v2v3v4)+R2L(n-5v1v2v3v4)) FUNC PN1(nv1v2v3v4) (R2L(nv1v2v3v4) +R1R(nv1v2v3v4))(R2R(n+1v1v2v3v4)+R1L(n+1v1v2v3v4)) FUNC PN2(nv1v2v3v4) PN1(nv1v2v3v4) +(R2L(n+1v1v2v3v4)+R1R(n+1v1v2v3v4))(R2R(n+2v1v2v3v4)+R1L(n+2v1v2v3v4)) FUNC PN3(nv1v2v3v4) PN2(nv1v2v3v4) +(R2L(n+2v1v2v3v4)+R1R(n+2v1v2v3v4))(R2R(n+3v1v2v3v4)+R1L(n+3v1v2v3v4)) FUNC PN4(nv1v2v3v4) PN3(nv1v2v3v4) +(R2L(n+3v1v2v3v4)+R1R(n+3v1v2v3v4))(R2R(n+4v1v2v3v4)+R1L(n+4v1v2v3v4)) FUNC PN5(nv1v2v3v4) PN4(nv1v2v3v4) +(R2L(n+4v1v2v3v4)+R1R(n+4v1v2v3v4))(R2R(n+5v1v2v3v4)+R1L(n+5v1v2v3v4)) FUNC PSUM(nv1v2v3v4) PN_5(nv1v2v3v4)+PN_4(nv1v2v3v4)+PN_3(nv1v2v3v4)+PN_2(nv1v2v3v4) ++PN_1(nv1v2v3v4)+1+PN1(nv1v2v3v4)+PN2(nv1v2v3v4)+PN3(nv1v2v3v4) ++PN4(nv1v2v3v4)+PN5(nv1v2v3v4)

59

caacutelculo da corrente da fonte para o dreno FUNC CUR(nv1v2v3v4) PN_5(nv1v2v3v4)(R1R(n-5v1v2v3v4)-R1L(n-5v1v2v3v4)) ++PN_4(nv1v2v3v4)(R1R(n-4v1v2v3v4)-R1L(n-4v1v2v3v4)) ++PN_3(nv1v2v3v4)(R1R(n-3v1v2v3v4)-R1L(n-3v1v2v3v4)) ++PN_2(nv1v2v3v4)(R1R(n-2v1v2v3v4)-R1L(n-2v1v2v3v4)) ++PN_1(nv1v2v3v4)(R1R(n-1v1v2v3v4)-R1L(n-1v1v2v3v4)) ++(R1R(nv1v2v3v4)-R1L(nv1v2v3v4)) ++PN1(nv1v2v3v4)(R1R(n+1v1v2v3v4)-R1L(n+1v1v2v3v4)) ++PN2(nv1v2v3v4)(R1R(n+2v1v2v3v4)-R1L(n+2v1v2v3v4)) ++PN3(nv1v2v3v4)(R1R(n+3v1v2v3v4)-R1L(n+3v1v2v3v4)) ++PN4(nv1v2v3v4)(R1R(n+4v1v2v3v4)-R1L(n+4v1v2v3v4)) ++PN5(nv1v2v3v4)(R1R(n+5v1v2v3v4)-R1L(n+5v1v2v3v4)) FUNC CURRENT(nv1v2v3v4) ECUR(nv1v2v3v4)(CSUMPSUM(nv1v2v3v4)(R1+R2)) caacutelculo da tensatildeo da ilha FUNC VOLT(nv1v2v3v4) PN_5(nv1v2v3v4)(n-5+Q(v1v2v3v4)) ++PN_4(nv1v2v3v4)(n-4+Q(v1v2v3v4)) ++PN_3(nv1v2v3v4)(n-3+Q(v1v2v3v4)) ++PN_2(nv1v2v3v4)(n-2+Q(v1v2v3v4)) ++PN_1(nv1v2v3v4)(n-1+Q(v1v2v3v4)) ++n+Q(v1v2v3v4) ++PN1(nv1v2v3v4)(n+1+Q(v1v2v3v4)) ++PN2(nv1v2v3v4)(n+2+Q(v1v2v3v4)) ++PN3(nv1v2v3v4)(n+3+Q(v1v2v3v4)) ++PN4(nv1v2v3v4)(n+4+Q(v1v2v3v4)) ++PN5(nv1v2v3v4)(n+5+Q(v1v2v3v4)) FUNC VOLTAGE(nv1v2v3v4) (ECSUM)VOLT(nv1v2v3v4)PSUM(nv1v2v3v4) E1 5 0 VALUE= VOLTAGE(N_OPT(V(1)V(2)V(3)V(4))V(1)V(2)V(3)V(4)) Tensatildeo da ilha G1 1 2 VALUE= CURRENT(N_OPT(V(1)V(2)V(3)V(4))V(1)V(2)V(3)V(4)) Corrente da fonte para o dreno CT1 1 5 C1 CT2 2 5 C2 CGATE1 3 5 CG1 CGATE2 4 5 CG2 ENDS SET

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53

7 APEcircNDICES

71 TABELAS COMPLEMENTARES

Tabela 71 Paracircmetros obtidos a partir do modelo de SWCNT isolado

L RQ (Ω) RS (Ω) LCNT (10-9

H) CCNT (10-18

F)

10 nm 645103 - 40010

-2 27910

-1

100 nm 645103 - 40010

-1 279

200 nm 645103 - 80010

-1 558

300 nm 645103 - 120 837

400 nm 645103 - 160 11210

1

500 nm 645103 - 200 14010

1

600 nm 645103 - 240 16710

1

700 nm 645103 - 280 19510

1

800 nm 645103 - 320 22310

1

900 nm 645103 - 360 25110

1

1 microm 645103 - 400 27910

1

10 microm 645103 64510

4 40010

1 27910

2

100 microm 645103 64510

5 40010

2 27910

3

200 microm 645103 12910

6 80010

2 55810

3

300 microm 645103 19410

6 12010

3 83710

3

400 microm

645103 25810

6 16010

3 11210

4

500 microm

645103 32310

6 20010

3 14010

4

Tabela 72 Paracircmetros obtidos a partir do modelo de SWCNT bundle

L RQ (Ω) RS (Ω) LBundle(10-9

H) CBundle(10-18

F)

10 nm 1075 - 66710-5

135

100 nm 1075 - 66710-4

135101

200 nm 1075 - 13310-3

270101

300 nm 1075 - 20010-3

405101

400 nm 1075 - 26710-3

540101

500 nm 1075 - 33310-3

675101

600 nm 1075 - 40010-3

810101

700 nm 1075 - 46710-3

945101

800 nm 1075 - 53310-3

108102

900 nm 1075 - 60010-3

122102

1 microm 1075 - 66710-3

135102

10 microm 1075 108102 66710

-2 13510

3

100 microm 1075 108103 66710

-1 13510

4

200 microm 1075 215103 133 27010

4

300 microm 1075 323103 200 40510

4

400 microm

1075 430103 267 54010

4

500 microm

1075 538103 333 67510

4

54

Tabela 73 Paracircmetros obtidos a partir do modelo de cobre

L RCu (Ω) LCu (10-9

H) CCu (10-18

F)

10 nm 06 37310-6

150

100 nm 60 63610-5

150101

200 nm 120 17510-4

300101

300 nm 180 30910-4

450101

400 nm 240 45410-4

600101

500 nm 300 61110-4

750101

600 nm 360 77510-4

900101

700 nm 420 94610-4

105102

800 nm 480 11210-3

120102

900 nm 540 13110-3

135102

1 microm 600 14910-3

150102

10 microm 60102 24010

-2 15010

3

100 microm 60103 33210

-1 15010

4

200 microm 12104 72010

-1 30010

4

300 microm 18104 113 45010

4

400 microm

24104 155 60010

4

500 microm

30104 198 75010

4

55

Tabela 74 Frequecircncia em -3dB das interconexotildees locais

Comprimento Material f-3dB

10 nm SWCNT isolado 253 GHz

SWCNT bundle 66 THz

Cobre 232 THz

100 nm SWCNT isolado 300 GHz

SWCNT bundle 20 THz

Cobre 51 THz

200 nm SWCNT isolado 342 GHz

SWCNT bundle 14 THz

Cobre 29 THz

300 nm SWCNT isolado 344 GHz

SWCNT bundle 11 THz

Cobre 20 THz

400 nm SWCNT isolado 329 GHz

SWCNT bundle 89 THz

Cobre 15 THz

500 nm SWCNT isolado 307 GHz

SWCNT bundle 76 THz

Cobre 12 THz

600 nm SWCNT isolado 288 GHz

SWCNT bundle 67 THz

Cobre 94 THz

700 nm SWCNT isolado 271 GHz

SWCNT bundle 61 THz

Cobre 76 THz

800 nm SWCNT isolado 255 GHz

SWCNT bundle 55 THz

Cobre 63 THz

900 nm SWCNT isolado 240 GHz

SWCNT bundle 51 THz

Cobre 52 THz

1 microm SWCNT isolado 230 GHz

SWCNT bundle 47 THz

Cobre 42 THz

56

Tabela 75 Frequecircncia em -3dB das interconexotildees intermediaacuterias

Comprimento Material f-3dB

10 microm SWCNT isolado 26 GHz

SWCNT bundle 527 GHz

Cobre 34 GHz

100 microm SWCNT isolado 32 MHz

SWCNT bundle 42 GHz

Cobre 345 MHz

200 microm SWCNT isolado 82 MHz

SWCNT bundle 10 GHz

Cobre 87 MHz

300 microm SWCNT isolado 36 MHz

SWCNT bundle 455 MHz

Cobre 38 MHz

400 microm SWCNT isolado 21 MHz

SWCNT bundle 256 MHz

Cobre 21 MHz

500 microm SWCNT isolado 13 MHz

SWCNT bundle 165 MHz

Cobre 14 MHz

57

8 ANEXOS

81 COacuteDIGO SPICE DO SET [44]

Transistor mono-eleacutetron (SET) conexotildees fonte | dreno | | porta1 | | | porta2 | | | | SUBCKT SET 1 2 3 4 PARAMS +C1=1E-20 Capacitacircncia da junccedilatildeo 1 +C2=1E-20 Capacitacircncia da junccedilatildeo 2 +R1=1E5 Resistecircncia da junccedilatildeo 1 +R2=1E5 Resistecircncia da junccedilatildeo 2 +Cg1=015E-18 Capacitacircncia da junccedilatildeo 1 +Cg2=0 Capacitacircncia da junccedilatildeo 2 +C0=0 Capacitacircncia proacutepria da ilha +Q0=005 Carga offset em unidades de e +TEMP=300 Temperatura PARAM E=160217733E-19 Carga do eleacutetron (e) PARAM CSUM=C1+C2+Cg1+Cg2+C0 Capacitacircncia total do SET PARAM T=TEMPCSUM53785467E14 Temperatura normalizada 53785467E14 = kBe^2 PARAM RN1=R1(R1+R2) Resistecircncia da junccedilatildeo 1 normalizada PARAM RN2=R2(R1+R2) Resistecircncia da junccedilatildeo 2 normalizada FUNC Q(v1v2v3v4) (Cg1v3+Cg2v4+C1v1+C2v2)E+Q0 Definiccedilatildeo da carga em unidades de e FUNC VN(v) CSUMvE Tensatildeo normalizada FUNC GAMMA(u) IF(T==0IF(ult0-u0)IF(u==0Tu(EXP(uT)-1))) FUNC N_OPT(v1v2v3v4) ROUND(-Q(v1v2v3v4)+(CSUME) (v1RN2+v2RN1)) A maior probabilidade de carga na ilha em unidades de e Os quarto eventos tuacuteneis FUNC R1L(nv1v2v3v4) GAMMA(05 - n - Q(v1v2v3v4) + VN(v1))RN1 FUNC R1R(nv1v2v3v4) GAMMA(05 + n + Q(v1v2v3v4) - VN(v1))RN1 FUNC R2L(nv1v2v3v4) GAMMA(05 + n + Q(v1v2v3v4) - VN(v2))RN2 FUNC R2R(nv1v2v3v4) GAMMA(05 - n - Q(v1v2v3v4) + VN(v2))RN2

58

determinaccedilatildeo das probabilidades relativas assume-se inicialmente que o estado da carga N_OPT tem probabilidade relativa igual a um FUNC PN_1(nv1v2v3v4) (R1L(nv1v2v3v4)+R2R(nv1v2v3v4))(R1R(n-1v1v2v3v4)+R2L(n-1v1v2v3v4)) FUNC PN_2(nv1v2v3v4) PN_1(nv1v2v3v4) +(R1L(n-1v1v2v3v4)+R2R(n-1v1v2v3v4))(R1R(n-2v1v2v3v4)+R2L(n-2v1v2v3v4)) FUNC PN_3(nv1v2v3v4) PN_2(nv1v2v3v4) +(R1L(n-2v1v2v3v4)+R2R(n-2v1v2v3v4))(R1R(n-3v1v2v3v4)+R2L(n-3v1v2v3v4)) FUNC PN_4(nv1v2v3v4) PN_3(nv1v2v3v4) +(R1L(n-3v1v2v3v4)+R2R(n-3v1v2v3v4))(R1R(n-4v1v2v3v4)+R2L(n-4v1v2v3v4)) FUNC PN_5(nv1v2v3v4) PN_4(nv1v2v3v4) +(R1L(n-4v1v2v3v4)+R2R(n-4v1v2v3v4))(R1R(n-5v1v2v3v4)+R2L(n-5v1v2v3v4)) FUNC PN1(nv1v2v3v4) (R2L(nv1v2v3v4) +R1R(nv1v2v3v4))(R2R(n+1v1v2v3v4)+R1L(n+1v1v2v3v4)) FUNC PN2(nv1v2v3v4) PN1(nv1v2v3v4) +(R2L(n+1v1v2v3v4)+R1R(n+1v1v2v3v4))(R2R(n+2v1v2v3v4)+R1L(n+2v1v2v3v4)) FUNC PN3(nv1v2v3v4) PN2(nv1v2v3v4) +(R2L(n+2v1v2v3v4)+R1R(n+2v1v2v3v4))(R2R(n+3v1v2v3v4)+R1L(n+3v1v2v3v4)) FUNC PN4(nv1v2v3v4) PN3(nv1v2v3v4) +(R2L(n+3v1v2v3v4)+R1R(n+3v1v2v3v4))(R2R(n+4v1v2v3v4)+R1L(n+4v1v2v3v4)) FUNC PN5(nv1v2v3v4) PN4(nv1v2v3v4) +(R2L(n+4v1v2v3v4)+R1R(n+4v1v2v3v4))(R2R(n+5v1v2v3v4)+R1L(n+5v1v2v3v4)) FUNC PSUM(nv1v2v3v4) PN_5(nv1v2v3v4)+PN_4(nv1v2v3v4)+PN_3(nv1v2v3v4)+PN_2(nv1v2v3v4) ++PN_1(nv1v2v3v4)+1+PN1(nv1v2v3v4)+PN2(nv1v2v3v4)+PN3(nv1v2v3v4) ++PN4(nv1v2v3v4)+PN5(nv1v2v3v4)

59

caacutelculo da corrente da fonte para o dreno FUNC CUR(nv1v2v3v4) PN_5(nv1v2v3v4)(R1R(n-5v1v2v3v4)-R1L(n-5v1v2v3v4)) ++PN_4(nv1v2v3v4)(R1R(n-4v1v2v3v4)-R1L(n-4v1v2v3v4)) ++PN_3(nv1v2v3v4)(R1R(n-3v1v2v3v4)-R1L(n-3v1v2v3v4)) ++PN_2(nv1v2v3v4)(R1R(n-2v1v2v3v4)-R1L(n-2v1v2v3v4)) ++PN_1(nv1v2v3v4)(R1R(n-1v1v2v3v4)-R1L(n-1v1v2v3v4)) ++(R1R(nv1v2v3v4)-R1L(nv1v2v3v4)) ++PN1(nv1v2v3v4)(R1R(n+1v1v2v3v4)-R1L(n+1v1v2v3v4)) ++PN2(nv1v2v3v4)(R1R(n+2v1v2v3v4)-R1L(n+2v1v2v3v4)) ++PN3(nv1v2v3v4)(R1R(n+3v1v2v3v4)-R1L(n+3v1v2v3v4)) ++PN4(nv1v2v3v4)(R1R(n+4v1v2v3v4)-R1L(n+4v1v2v3v4)) ++PN5(nv1v2v3v4)(R1R(n+5v1v2v3v4)-R1L(n+5v1v2v3v4)) FUNC CURRENT(nv1v2v3v4) ECUR(nv1v2v3v4)(CSUMPSUM(nv1v2v3v4)(R1+R2)) caacutelculo da tensatildeo da ilha FUNC VOLT(nv1v2v3v4) PN_5(nv1v2v3v4)(n-5+Q(v1v2v3v4)) ++PN_4(nv1v2v3v4)(n-4+Q(v1v2v3v4)) ++PN_3(nv1v2v3v4)(n-3+Q(v1v2v3v4)) ++PN_2(nv1v2v3v4)(n-2+Q(v1v2v3v4)) ++PN_1(nv1v2v3v4)(n-1+Q(v1v2v3v4)) ++n+Q(v1v2v3v4) ++PN1(nv1v2v3v4)(n+1+Q(v1v2v3v4)) ++PN2(nv1v2v3v4)(n+2+Q(v1v2v3v4)) ++PN3(nv1v2v3v4)(n+3+Q(v1v2v3v4)) ++PN4(nv1v2v3v4)(n+4+Q(v1v2v3v4)) ++PN5(nv1v2v3v4)(n+5+Q(v1v2v3v4)) FUNC VOLTAGE(nv1v2v3v4) (ECSUM)VOLT(nv1v2v3v4)PSUM(nv1v2v3v4) E1 5 0 VALUE= VOLTAGE(N_OPT(V(1)V(2)V(3)V(4))V(1)V(2)V(3)V(4)) Tensatildeo da ilha G1 1 2 VALUE= CURRENT(N_OPT(V(1)V(2)V(3)V(4))V(1)V(2)V(3)V(4)) Corrente da fonte para o dreno CT1 1 5 C1 CT2 2 5 C2 CGATE1 3 5 CG1 CGATE2 4 5 CG2 ENDS SET

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52

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em agosto de 2012)

[53] J Rosenfeld E G Friedman (2009) ldquoQuasi-Resonant Interconnects A Low Power

Low Latency Design Methodologyrdquo In IEEE Transactions on Very Large Scale

Integration (VLSI) Systems vol 17 no 2 pp 181-193

53

7 APEcircNDICES

71 TABELAS COMPLEMENTARES

Tabela 71 Paracircmetros obtidos a partir do modelo de SWCNT isolado

L RQ (Ω) RS (Ω) LCNT (10-9

H) CCNT (10-18

F)

10 nm 645103 - 40010

-2 27910

-1

100 nm 645103 - 40010

-1 279

200 nm 645103 - 80010

-1 558

300 nm 645103 - 120 837

400 nm 645103 - 160 11210

1

500 nm 645103 - 200 14010

1

600 nm 645103 - 240 16710

1

700 nm 645103 - 280 19510

1

800 nm 645103 - 320 22310

1

900 nm 645103 - 360 25110

1

1 microm 645103 - 400 27910

1

10 microm 645103 64510

4 40010

1 27910

2

100 microm 645103 64510

5 40010

2 27910

3

200 microm 645103 12910

6 80010

2 55810

3

300 microm 645103 19410

6 12010

3 83710

3

400 microm

645103 25810

6 16010

3 11210

4

500 microm

645103 32310

6 20010

3 14010

4

Tabela 72 Paracircmetros obtidos a partir do modelo de SWCNT bundle

L RQ (Ω) RS (Ω) LBundle(10-9

H) CBundle(10-18

F)

10 nm 1075 - 66710-5

135

100 nm 1075 - 66710-4

135101

200 nm 1075 - 13310-3

270101

300 nm 1075 - 20010-3

405101

400 nm 1075 - 26710-3

540101

500 nm 1075 - 33310-3

675101

600 nm 1075 - 40010-3

810101

700 nm 1075 - 46710-3

945101

800 nm 1075 - 53310-3

108102

900 nm 1075 - 60010-3

122102

1 microm 1075 - 66710-3

135102

10 microm 1075 108102 66710

-2 13510

3

100 microm 1075 108103 66710

-1 13510

4

200 microm 1075 215103 133 27010

4

300 microm 1075 323103 200 40510

4

400 microm

1075 430103 267 54010

4

500 microm

1075 538103 333 67510

4

54

Tabela 73 Paracircmetros obtidos a partir do modelo de cobre

L RCu (Ω) LCu (10-9

H) CCu (10-18

F)

10 nm 06 37310-6

150

100 nm 60 63610-5

150101

200 nm 120 17510-4

300101

300 nm 180 30910-4

450101

400 nm 240 45410-4

600101

500 nm 300 61110-4

750101

600 nm 360 77510-4

900101

700 nm 420 94610-4

105102

800 nm 480 11210-3

120102

900 nm 540 13110-3

135102

1 microm 600 14910-3

150102

10 microm 60102 24010

-2 15010

3

100 microm 60103 33210

-1 15010

4

200 microm 12104 72010

-1 30010

4

300 microm 18104 113 45010

4

400 microm

24104 155 60010

4

500 microm

30104 198 75010

4

55

Tabela 74 Frequecircncia em -3dB das interconexotildees locais

Comprimento Material f-3dB

10 nm SWCNT isolado 253 GHz

SWCNT bundle 66 THz

Cobre 232 THz

100 nm SWCNT isolado 300 GHz

SWCNT bundle 20 THz

Cobre 51 THz

200 nm SWCNT isolado 342 GHz

SWCNT bundle 14 THz

Cobre 29 THz

300 nm SWCNT isolado 344 GHz

SWCNT bundle 11 THz

Cobre 20 THz

400 nm SWCNT isolado 329 GHz

SWCNT bundle 89 THz

Cobre 15 THz

500 nm SWCNT isolado 307 GHz

SWCNT bundle 76 THz

Cobre 12 THz

600 nm SWCNT isolado 288 GHz

SWCNT bundle 67 THz

Cobre 94 THz

700 nm SWCNT isolado 271 GHz

SWCNT bundle 61 THz

Cobre 76 THz

800 nm SWCNT isolado 255 GHz

SWCNT bundle 55 THz

Cobre 63 THz

900 nm SWCNT isolado 240 GHz

SWCNT bundle 51 THz

Cobre 52 THz

1 microm SWCNT isolado 230 GHz

SWCNT bundle 47 THz

Cobre 42 THz

56

Tabela 75 Frequecircncia em -3dB das interconexotildees intermediaacuterias

Comprimento Material f-3dB

10 microm SWCNT isolado 26 GHz

SWCNT bundle 527 GHz

Cobre 34 GHz

100 microm SWCNT isolado 32 MHz

SWCNT bundle 42 GHz

Cobre 345 MHz

200 microm SWCNT isolado 82 MHz

SWCNT bundle 10 GHz

Cobre 87 MHz

300 microm SWCNT isolado 36 MHz

SWCNT bundle 455 MHz

Cobre 38 MHz

400 microm SWCNT isolado 21 MHz

SWCNT bundle 256 MHz

Cobre 21 MHz

500 microm SWCNT isolado 13 MHz

SWCNT bundle 165 MHz

Cobre 14 MHz

57

8 ANEXOS

81 COacuteDIGO SPICE DO SET [44]

Transistor mono-eleacutetron (SET) conexotildees fonte | dreno | | porta1 | | | porta2 | | | | SUBCKT SET 1 2 3 4 PARAMS +C1=1E-20 Capacitacircncia da junccedilatildeo 1 +C2=1E-20 Capacitacircncia da junccedilatildeo 2 +R1=1E5 Resistecircncia da junccedilatildeo 1 +R2=1E5 Resistecircncia da junccedilatildeo 2 +Cg1=015E-18 Capacitacircncia da junccedilatildeo 1 +Cg2=0 Capacitacircncia da junccedilatildeo 2 +C0=0 Capacitacircncia proacutepria da ilha +Q0=005 Carga offset em unidades de e +TEMP=300 Temperatura PARAM E=160217733E-19 Carga do eleacutetron (e) PARAM CSUM=C1+C2+Cg1+Cg2+C0 Capacitacircncia total do SET PARAM T=TEMPCSUM53785467E14 Temperatura normalizada 53785467E14 = kBe^2 PARAM RN1=R1(R1+R2) Resistecircncia da junccedilatildeo 1 normalizada PARAM RN2=R2(R1+R2) Resistecircncia da junccedilatildeo 2 normalizada FUNC Q(v1v2v3v4) (Cg1v3+Cg2v4+C1v1+C2v2)E+Q0 Definiccedilatildeo da carga em unidades de e FUNC VN(v) CSUMvE Tensatildeo normalizada FUNC GAMMA(u) IF(T==0IF(ult0-u0)IF(u==0Tu(EXP(uT)-1))) FUNC N_OPT(v1v2v3v4) ROUND(-Q(v1v2v3v4)+(CSUME) (v1RN2+v2RN1)) A maior probabilidade de carga na ilha em unidades de e Os quarto eventos tuacuteneis FUNC R1L(nv1v2v3v4) GAMMA(05 - n - Q(v1v2v3v4) + VN(v1))RN1 FUNC R1R(nv1v2v3v4) GAMMA(05 + n + Q(v1v2v3v4) - VN(v1))RN1 FUNC R2L(nv1v2v3v4) GAMMA(05 + n + Q(v1v2v3v4) - VN(v2))RN2 FUNC R2R(nv1v2v3v4) GAMMA(05 - n - Q(v1v2v3v4) + VN(v2))RN2

58

determinaccedilatildeo das probabilidades relativas assume-se inicialmente que o estado da carga N_OPT tem probabilidade relativa igual a um FUNC PN_1(nv1v2v3v4) (R1L(nv1v2v3v4)+R2R(nv1v2v3v4))(R1R(n-1v1v2v3v4)+R2L(n-1v1v2v3v4)) FUNC PN_2(nv1v2v3v4) PN_1(nv1v2v3v4) +(R1L(n-1v1v2v3v4)+R2R(n-1v1v2v3v4))(R1R(n-2v1v2v3v4)+R2L(n-2v1v2v3v4)) FUNC PN_3(nv1v2v3v4) PN_2(nv1v2v3v4) +(R1L(n-2v1v2v3v4)+R2R(n-2v1v2v3v4))(R1R(n-3v1v2v3v4)+R2L(n-3v1v2v3v4)) FUNC PN_4(nv1v2v3v4) PN_3(nv1v2v3v4) +(R1L(n-3v1v2v3v4)+R2R(n-3v1v2v3v4))(R1R(n-4v1v2v3v4)+R2L(n-4v1v2v3v4)) FUNC PN_5(nv1v2v3v4) PN_4(nv1v2v3v4) +(R1L(n-4v1v2v3v4)+R2R(n-4v1v2v3v4))(R1R(n-5v1v2v3v4)+R2L(n-5v1v2v3v4)) FUNC PN1(nv1v2v3v4) (R2L(nv1v2v3v4) +R1R(nv1v2v3v4))(R2R(n+1v1v2v3v4)+R1L(n+1v1v2v3v4)) FUNC PN2(nv1v2v3v4) PN1(nv1v2v3v4) +(R2L(n+1v1v2v3v4)+R1R(n+1v1v2v3v4))(R2R(n+2v1v2v3v4)+R1L(n+2v1v2v3v4)) FUNC PN3(nv1v2v3v4) PN2(nv1v2v3v4) +(R2L(n+2v1v2v3v4)+R1R(n+2v1v2v3v4))(R2R(n+3v1v2v3v4)+R1L(n+3v1v2v3v4)) FUNC PN4(nv1v2v3v4) PN3(nv1v2v3v4) +(R2L(n+3v1v2v3v4)+R1R(n+3v1v2v3v4))(R2R(n+4v1v2v3v4)+R1L(n+4v1v2v3v4)) FUNC PN5(nv1v2v3v4) PN4(nv1v2v3v4) +(R2L(n+4v1v2v3v4)+R1R(n+4v1v2v3v4))(R2R(n+5v1v2v3v4)+R1L(n+5v1v2v3v4)) FUNC PSUM(nv1v2v3v4) PN_5(nv1v2v3v4)+PN_4(nv1v2v3v4)+PN_3(nv1v2v3v4)+PN_2(nv1v2v3v4) ++PN_1(nv1v2v3v4)+1+PN1(nv1v2v3v4)+PN2(nv1v2v3v4)+PN3(nv1v2v3v4) ++PN4(nv1v2v3v4)+PN5(nv1v2v3v4)

59

caacutelculo da corrente da fonte para o dreno FUNC CUR(nv1v2v3v4) PN_5(nv1v2v3v4)(R1R(n-5v1v2v3v4)-R1L(n-5v1v2v3v4)) ++PN_4(nv1v2v3v4)(R1R(n-4v1v2v3v4)-R1L(n-4v1v2v3v4)) ++PN_3(nv1v2v3v4)(R1R(n-3v1v2v3v4)-R1L(n-3v1v2v3v4)) ++PN_2(nv1v2v3v4)(R1R(n-2v1v2v3v4)-R1L(n-2v1v2v3v4)) ++PN_1(nv1v2v3v4)(R1R(n-1v1v2v3v4)-R1L(n-1v1v2v3v4)) ++(R1R(nv1v2v3v4)-R1L(nv1v2v3v4)) ++PN1(nv1v2v3v4)(R1R(n+1v1v2v3v4)-R1L(n+1v1v2v3v4)) ++PN2(nv1v2v3v4)(R1R(n+2v1v2v3v4)-R1L(n+2v1v2v3v4)) ++PN3(nv1v2v3v4)(R1R(n+3v1v2v3v4)-R1L(n+3v1v2v3v4)) ++PN4(nv1v2v3v4)(R1R(n+4v1v2v3v4)-R1L(n+4v1v2v3v4)) ++PN5(nv1v2v3v4)(R1R(n+5v1v2v3v4)-R1L(n+5v1v2v3v4)) FUNC CURRENT(nv1v2v3v4) ECUR(nv1v2v3v4)(CSUMPSUM(nv1v2v3v4)(R1+R2)) caacutelculo da tensatildeo da ilha FUNC VOLT(nv1v2v3v4) PN_5(nv1v2v3v4)(n-5+Q(v1v2v3v4)) ++PN_4(nv1v2v3v4)(n-4+Q(v1v2v3v4)) ++PN_3(nv1v2v3v4)(n-3+Q(v1v2v3v4)) ++PN_2(nv1v2v3v4)(n-2+Q(v1v2v3v4)) ++PN_1(nv1v2v3v4)(n-1+Q(v1v2v3v4)) ++n+Q(v1v2v3v4) ++PN1(nv1v2v3v4)(n+1+Q(v1v2v3v4)) ++PN2(nv1v2v3v4)(n+2+Q(v1v2v3v4)) ++PN3(nv1v2v3v4)(n+3+Q(v1v2v3v4)) ++PN4(nv1v2v3v4)(n+4+Q(v1v2v3v4)) ++PN5(nv1v2v3v4)(n+5+Q(v1v2v3v4)) FUNC VOLTAGE(nv1v2v3v4) (ECSUM)VOLT(nv1v2v3v4)PSUM(nv1v2v3v4) E1 5 0 VALUE= VOLTAGE(N_OPT(V(1)V(2)V(3)V(4))V(1)V(2)V(3)V(4)) Tensatildeo da ilha G1 1 2 VALUE= CURRENT(N_OPT(V(1)V(2)V(3)V(4))V(1)V(2)V(3)V(4)) Corrente da fonte para o dreno CT1 1 5 C1 CT2 2 5 C2 CGATE1 3 5 CG1 CGATE2 4 5 CG2 ENDS SET

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and Area Reduction using Carbon Nanotube Bundle Interconnect in Global Clock Tree

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Architectures pp 51-56

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Low Latency Design Methodologyrdquo In IEEE Transactions on Very Large Scale

Integration (VLSI) Systems vol 17 no 2 pp 181-193

53

7 APEcircNDICES

71 TABELAS COMPLEMENTARES

Tabela 71 Paracircmetros obtidos a partir do modelo de SWCNT isolado

L RQ (Ω) RS (Ω) LCNT (10-9

H) CCNT (10-18

F)

10 nm 645103 - 40010

-2 27910

-1

100 nm 645103 - 40010

-1 279

200 nm 645103 - 80010

-1 558

300 nm 645103 - 120 837

400 nm 645103 - 160 11210

1

500 nm 645103 - 200 14010

1

600 nm 645103 - 240 16710

1

700 nm 645103 - 280 19510

1

800 nm 645103 - 320 22310

1

900 nm 645103 - 360 25110

1

1 microm 645103 - 400 27910

1

10 microm 645103 64510

4 40010

1 27910

2

100 microm 645103 64510

5 40010

2 27910

3

200 microm 645103 12910

6 80010

2 55810

3

300 microm 645103 19410

6 12010

3 83710

3

400 microm

645103 25810

6 16010

3 11210

4

500 microm

645103 32310

6 20010

3 14010

4

Tabela 72 Paracircmetros obtidos a partir do modelo de SWCNT bundle

L RQ (Ω) RS (Ω) LBundle(10-9

H) CBundle(10-18

F)

10 nm 1075 - 66710-5

135

100 nm 1075 - 66710-4

135101

200 nm 1075 - 13310-3

270101

300 nm 1075 - 20010-3

405101

400 nm 1075 - 26710-3

540101

500 nm 1075 - 33310-3

675101

600 nm 1075 - 40010-3

810101

700 nm 1075 - 46710-3

945101

800 nm 1075 - 53310-3

108102

900 nm 1075 - 60010-3

122102

1 microm 1075 - 66710-3

135102

10 microm 1075 108102 66710

-2 13510

3

100 microm 1075 108103 66710

-1 13510

4

200 microm 1075 215103 133 27010

4

300 microm 1075 323103 200 40510

4

400 microm

1075 430103 267 54010

4

500 microm

1075 538103 333 67510

4

54

Tabela 73 Paracircmetros obtidos a partir do modelo de cobre

L RCu (Ω) LCu (10-9

H) CCu (10-18

F)

10 nm 06 37310-6

150

100 nm 60 63610-5

150101

200 nm 120 17510-4

300101

300 nm 180 30910-4

450101

400 nm 240 45410-4

600101

500 nm 300 61110-4

750101

600 nm 360 77510-4

900101

700 nm 420 94610-4

105102

800 nm 480 11210-3

120102

900 nm 540 13110-3

135102

1 microm 600 14910-3

150102

10 microm 60102 24010

-2 15010

3

100 microm 60103 33210

-1 15010

4

200 microm 12104 72010

-1 30010

4

300 microm 18104 113 45010

4

400 microm

24104 155 60010

4

500 microm

30104 198 75010

4

55

Tabela 74 Frequecircncia em -3dB das interconexotildees locais

Comprimento Material f-3dB

10 nm SWCNT isolado 253 GHz

SWCNT bundle 66 THz

Cobre 232 THz

100 nm SWCNT isolado 300 GHz

SWCNT bundle 20 THz

Cobre 51 THz

200 nm SWCNT isolado 342 GHz

SWCNT bundle 14 THz

Cobre 29 THz

300 nm SWCNT isolado 344 GHz

SWCNT bundle 11 THz

Cobre 20 THz

400 nm SWCNT isolado 329 GHz

SWCNT bundle 89 THz

Cobre 15 THz

500 nm SWCNT isolado 307 GHz

SWCNT bundle 76 THz

Cobre 12 THz

600 nm SWCNT isolado 288 GHz

SWCNT bundle 67 THz

Cobre 94 THz

700 nm SWCNT isolado 271 GHz

SWCNT bundle 61 THz

Cobre 76 THz

800 nm SWCNT isolado 255 GHz

SWCNT bundle 55 THz

Cobre 63 THz

900 nm SWCNT isolado 240 GHz

SWCNT bundle 51 THz

Cobre 52 THz

1 microm SWCNT isolado 230 GHz

SWCNT bundle 47 THz

Cobre 42 THz

56

Tabela 75 Frequecircncia em -3dB das interconexotildees intermediaacuterias

Comprimento Material f-3dB

10 microm SWCNT isolado 26 GHz

SWCNT bundle 527 GHz

Cobre 34 GHz

100 microm SWCNT isolado 32 MHz

SWCNT bundle 42 GHz

Cobre 345 MHz

200 microm SWCNT isolado 82 MHz

SWCNT bundle 10 GHz

Cobre 87 MHz

300 microm SWCNT isolado 36 MHz

SWCNT bundle 455 MHz

Cobre 38 MHz

400 microm SWCNT isolado 21 MHz

SWCNT bundle 256 MHz

Cobre 21 MHz

500 microm SWCNT isolado 13 MHz

SWCNT bundle 165 MHz

Cobre 14 MHz

57

8 ANEXOS

81 COacuteDIGO SPICE DO SET [44]

Transistor mono-eleacutetron (SET) conexotildees fonte | dreno | | porta1 | | | porta2 | | | | SUBCKT SET 1 2 3 4 PARAMS +C1=1E-20 Capacitacircncia da junccedilatildeo 1 +C2=1E-20 Capacitacircncia da junccedilatildeo 2 +R1=1E5 Resistecircncia da junccedilatildeo 1 +R2=1E5 Resistecircncia da junccedilatildeo 2 +Cg1=015E-18 Capacitacircncia da junccedilatildeo 1 +Cg2=0 Capacitacircncia da junccedilatildeo 2 +C0=0 Capacitacircncia proacutepria da ilha +Q0=005 Carga offset em unidades de e +TEMP=300 Temperatura PARAM E=160217733E-19 Carga do eleacutetron (e) PARAM CSUM=C1+C2+Cg1+Cg2+C0 Capacitacircncia total do SET PARAM T=TEMPCSUM53785467E14 Temperatura normalizada 53785467E14 = kBe^2 PARAM RN1=R1(R1+R2) Resistecircncia da junccedilatildeo 1 normalizada PARAM RN2=R2(R1+R2) Resistecircncia da junccedilatildeo 2 normalizada FUNC Q(v1v2v3v4) (Cg1v3+Cg2v4+C1v1+C2v2)E+Q0 Definiccedilatildeo da carga em unidades de e FUNC VN(v) CSUMvE Tensatildeo normalizada FUNC GAMMA(u) IF(T==0IF(ult0-u0)IF(u==0Tu(EXP(uT)-1))) FUNC N_OPT(v1v2v3v4) ROUND(-Q(v1v2v3v4)+(CSUME) (v1RN2+v2RN1)) A maior probabilidade de carga na ilha em unidades de e Os quarto eventos tuacuteneis FUNC R1L(nv1v2v3v4) GAMMA(05 - n - Q(v1v2v3v4) + VN(v1))RN1 FUNC R1R(nv1v2v3v4) GAMMA(05 + n + Q(v1v2v3v4) - VN(v1))RN1 FUNC R2L(nv1v2v3v4) GAMMA(05 + n + Q(v1v2v3v4) - VN(v2))RN2 FUNC R2R(nv1v2v3v4) GAMMA(05 - n - Q(v1v2v3v4) + VN(v2))RN2

58

determinaccedilatildeo das probabilidades relativas assume-se inicialmente que o estado da carga N_OPT tem probabilidade relativa igual a um FUNC PN_1(nv1v2v3v4) (R1L(nv1v2v3v4)+R2R(nv1v2v3v4))(R1R(n-1v1v2v3v4)+R2L(n-1v1v2v3v4)) FUNC PN_2(nv1v2v3v4) PN_1(nv1v2v3v4) +(R1L(n-1v1v2v3v4)+R2R(n-1v1v2v3v4))(R1R(n-2v1v2v3v4)+R2L(n-2v1v2v3v4)) FUNC PN_3(nv1v2v3v4) PN_2(nv1v2v3v4) +(R1L(n-2v1v2v3v4)+R2R(n-2v1v2v3v4))(R1R(n-3v1v2v3v4)+R2L(n-3v1v2v3v4)) FUNC PN_4(nv1v2v3v4) PN_3(nv1v2v3v4) +(R1L(n-3v1v2v3v4)+R2R(n-3v1v2v3v4))(R1R(n-4v1v2v3v4)+R2L(n-4v1v2v3v4)) FUNC PN_5(nv1v2v3v4) PN_4(nv1v2v3v4) +(R1L(n-4v1v2v3v4)+R2R(n-4v1v2v3v4))(R1R(n-5v1v2v3v4)+R2L(n-5v1v2v3v4)) FUNC PN1(nv1v2v3v4) (R2L(nv1v2v3v4) +R1R(nv1v2v3v4))(R2R(n+1v1v2v3v4)+R1L(n+1v1v2v3v4)) FUNC PN2(nv1v2v3v4) PN1(nv1v2v3v4) +(R2L(n+1v1v2v3v4)+R1R(n+1v1v2v3v4))(R2R(n+2v1v2v3v4)+R1L(n+2v1v2v3v4)) FUNC PN3(nv1v2v3v4) PN2(nv1v2v3v4) +(R2L(n+2v1v2v3v4)+R1R(n+2v1v2v3v4))(R2R(n+3v1v2v3v4)+R1L(n+3v1v2v3v4)) FUNC PN4(nv1v2v3v4) PN3(nv1v2v3v4) +(R2L(n+3v1v2v3v4)+R1R(n+3v1v2v3v4))(R2R(n+4v1v2v3v4)+R1L(n+4v1v2v3v4)) FUNC PN5(nv1v2v3v4) PN4(nv1v2v3v4) +(R2L(n+4v1v2v3v4)+R1R(n+4v1v2v3v4))(R2R(n+5v1v2v3v4)+R1L(n+5v1v2v3v4)) FUNC PSUM(nv1v2v3v4) PN_5(nv1v2v3v4)+PN_4(nv1v2v3v4)+PN_3(nv1v2v3v4)+PN_2(nv1v2v3v4) ++PN_1(nv1v2v3v4)+1+PN1(nv1v2v3v4)+PN2(nv1v2v3v4)+PN3(nv1v2v3v4) ++PN4(nv1v2v3v4)+PN5(nv1v2v3v4)

59

caacutelculo da corrente da fonte para o dreno FUNC CUR(nv1v2v3v4) PN_5(nv1v2v3v4)(R1R(n-5v1v2v3v4)-R1L(n-5v1v2v3v4)) ++PN_4(nv1v2v3v4)(R1R(n-4v1v2v3v4)-R1L(n-4v1v2v3v4)) ++PN_3(nv1v2v3v4)(R1R(n-3v1v2v3v4)-R1L(n-3v1v2v3v4)) ++PN_2(nv1v2v3v4)(R1R(n-2v1v2v3v4)-R1L(n-2v1v2v3v4)) ++PN_1(nv1v2v3v4)(R1R(n-1v1v2v3v4)-R1L(n-1v1v2v3v4)) ++(R1R(nv1v2v3v4)-R1L(nv1v2v3v4)) ++PN1(nv1v2v3v4)(R1R(n+1v1v2v3v4)-R1L(n+1v1v2v3v4)) ++PN2(nv1v2v3v4)(R1R(n+2v1v2v3v4)-R1L(n+2v1v2v3v4)) ++PN3(nv1v2v3v4)(R1R(n+3v1v2v3v4)-R1L(n+3v1v2v3v4)) ++PN4(nv1v2v3v4)(R1R(n+4v1v2v3v4)-R1L(n+4v1v2v3v4)) ++PN5(nv1v2v3v4)(R1R(n+5v1v2v3v4)-R1L(n+5v1v2v3v4)) FUNC CURRENT(nv1v2v3v4) ECUR(nv1v2v3v4)(CSUMPSUM(nv1v2v3v4)(R1+R2)) caacutelculo da tensatildeo da ilha FUNC VOLT(nv1v2v3v4) PN_5(nv1v2v3v4)(n-5+Q(v1v2v3v4)) ++PN_4(nv1v2v3v4)(n-4+Q(v1v2v3v4)) ++PN_3(nv1v2v3v4)(n-3+Q(v1v2v3v4)) ++PN_2(nv1v2v3v4)(n-2+Q(v1v2v3v4)) ++PN_1(nv1v2v3v4)(n-1+Q(v1v2v3v4)) ++n+Q(v1v2v3v4) ++PN1(nv1v2v3v4)(n+1+Q(v1v2v3v4)) ++PN2(nv1v2v3v4)(n+2+Q(v1v2v3v4)) ++PN3(nv1v2v3v4)(n+3+Q(v1v2v3v4)) ++PN4(nv1v2v3v4)(n+4+Q(v1v2v3v4)) ++PN5(nv1v2v3v4)(n+5+Q(v1v2v3v4)) FUNC VOLTAGE(nv1v2v3v4) (ECSUM)VOLT(nv1v2v3v4)PSUM(nv1v2v3v4) E1 5 0 VALUE= VOLTAGE(N_OPT(V(1)V(2)V(3)V(4))V(1)V(2)V(3)V(4)) Tensatildeo da ilha G1 1 2 VALUE= CURRENT(N_OPT(V(1)V(2)V(3)V(4))V(1)V(2)V(3)V(4)) Corrente da fonte para o dreno CT1 1 5 C1 CT2 2 5 C2 CGATE1 3 5 CG1 CGATE2 4 5 CG2 ENDS SET

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53

7 APEcircNDICES

71 TABELAS COMPLEMENTARES

Tabela 71 Paracircmetros obtidos a partir do modelo de SWCNT isolado

L RQ (Ω) RS (Ω) LCNT (10-9

H) CCNT (10-18

F)

10 nm 645103 - 40010

-2 27910

-1

100 nm 645103 - 40010

-1 279

200 nm 645103 - 80010

-1 558

300 nm 645103 - 120 837

400 nm 645103 - 160 11210

1

500 nm 645103 - 200 14010

1

600 nm 645103 - 240 16710

1

700 nm 645103 - 280 19510

1

800 nm 645103 - 320 22310

1

900 nm 645103 - 360 25110

1

1 microm 645103 - 400 27910

1

10 microm 645103 64510

4 40010

1 27910

2

100 microm 645103 64510

5 40010

2 27910

3

200 microm 645103 12910

6 80010

2 55810

3

300 microm 645103 19410

6 12010

3 83710

3

400 microm

645103 25810

6 16010

3 11210

4

500 microm

645103 32310

6 20010

3 14010

4

Tabela 72 Paracircmetros obtidos a partir do modelo de SWCNT bundle

L RQ (Ω) RS (Ω) LBundle(10-9

H) CBundle(10-18

F)

10 nm 1075 - 66710-5

135

100 nm 1075 - 66710-4

135101

200 nm 1075 - 13310-3

270101

300 nm 1075 - 20010-3

405101

400 nm 1075 - 26710-3

540101

500 nm 1075 - 33310-3

675101

600 nm 1075 - 40010-3

810101

700 nm 1075 - 46710-3

945101

800 nm 1075 - 53310-3

108102

900 nm 1075 - 60010-3

122102

1 microm 1075 - 66710-3

135102

10 microm 1075 108102 66710

-2 13510

3

100 microm 1075 108103 66710

-1 13510

4

200 microm 1075 215103 133 27010

4

300 microm 1075 323103 200 40510

4

400 microm

1075 430103 267 54010

4

500 microm

1075 538103 333 67510

4

54

Tabela 73 Paracircmetros obtidos a partir do modelo de cobre

L RCu (Ω) LCu (10-9

H) CCu (10-18

F)

10 nm 06 37310-6

150

100 nm 60 63610-5

150101

200 nm 120 17510-4

300101

300 nm 180 30910-4

450101

400 nm 240 45410-4

600101

500 nm 300 61110-4

750101

600 nm 360 77510-4

900101

700 nm 420 94610-4

105102

800 nm 480 11210-3

120102

900 nm 540 13110-3

135102

1 microm 600 14910-3

150102

10 microm 60102 24010

-2 15010

3

100 microm 60103 33210

-1 15010

4

200 microm 12104 72010

-1 30010

4

300 microm 18104 113 45010

4

400 microm

24104 155 60010

4

500 microm

30104 198 75010

4

55

Tabela 74 Frequecircncia em -3dB das interconexotildees locais

Comprimento Material f-3dB

10 nm SWCNT isolado 253 GHz

SWCNT bundle 66 THz

Cobre 232 THz

100 nm SWCNT isolado 300 GHz

SWCNT bundle 20 THz

Cobre 51 THz

200 nm SWCNT isolado 342 GHz

SWCNT bundle 14 THz

Cobre 29 THz

300 nm SWCNT isolado 344 GHz

SWCNT bundle 11 THz

Cobre 20 THz

400 nm SWCNT isolado 329 GHz

SWCNT bundle 89 THz

Cobre 15 THz

500 nm SWCNT isolado 307 GHz

SWCNT bundle 76 THz

Cobre 12 THz

600 nm SWCNT isolado 288 GHz

SWCNT bundle 67 THz

Cobre 94 THz

700 nm SWCNT isolado 271 GHz

SWCNT bundle 61 THz

Cobre 76 THz

800 nm SWCNT isolado 255 GHz

SWCNT bundle 55 THz

Cobre 63 THz

900 nm SWCNT isolado 240 GHz

SWCNT bundle 51 THz

Cobre 52 THz

1 microm SWCNT isolado 230 GHz

SWCNT bundle 47 THz

Cobre 42 THz

56

Tabela 75 Frequecircncia em -3dB das interconexotildees intermediaacuterias

Comprimento Material f-3dB

10 microm SWCNT isolado 26 GHz

SWCNT bundle 527 GHz

Cobre 34 GHz

100 microm SWCNT isolado 32 MHz

SWCNT bundle 42 GHz

Cobre 345 MHz

200 microm SWCNT isolado 82 MHz

SWCNT bundle 10 GHz

Cobre 87 MHz

300 microm SWCNT isolado 36 MHz

SWCNT bundle 455 MHz

Cobre 38 MHz

400 microm SWCNT isolado 21 MHz

SWCNT bundle 256 MHz

Cobre 21 MHz

500 microm SWCNT isolado 13 MHz

SWCNT bundle 165 MHz

Cobre 14 MHz

57

8 ANEXOS

81 COacuteDIGO SPICE DO SET [44]

Transistor mono-eleacutetron (SET) conexotildees fonte | dreno | | porta1 | | | porta2 | | | | SUBCKT SET 1 2 3 4 PARAMS +C1=1E-20 Capacitacircncia da junccedilatildeo 1 +C2=1E-20 Capacitacircncia da junccedilatildeo 2 +R1=1E5 Resistecircncia da junccedilatildeo 1 +R2=1E5 Resistecircncia da junccedilatildeo 2 +Cg1=015E-18 Capacitacircncia da junccedilatildeo 1 +Cg2=0 Capacitacircncia da junccedilatildeo 2 +C0=0 Capacitacircncia proacutepria da ilha +Q0=005 Carga offset em unidades de e +TEMP=300 Temperatura PARAM E=160217733E-19 Carga do eleacutetron (e) PARAM CSUM=C1+C2+Cg1+Cg2+C0 Capacitacircncia total do SET PARAM T=TEMPCSUM53785467E14 Temperatura normalizada 53785467E14 = kBe^2 PARAM RN1=R1(R1+R2) Resistecircncia da junccedilatildeo 1 normalizada PARAM RN2=R2(R1+R2) Resistecircncia da junccedilatildeo 2 normalizada FUNC Q(v1v2v3v4) (Cg1v3+Cg2v4+C1v1+C2v2)E+Q0 Definiccedilatildeo da carga em unidades de e FUNC VN(v) CSUMvE Tensatildeo normalizada FUNC GAMMA(u) IF(T==0IF(ult0-u0)IF(u==0Tu(EXP(uT)-1))) FUNC N_OPT(v1v2v3v4) ROUND(-Q(v1v2v3v4)+(CSUME) (v1RN2+v2RN1)) A maior probabilidade de carga na ilha em unidades de e Os quarto eventos tuacuteneis FUNC R1L(nv1v2v3v4) GAMMA(05 - n - Q(v1v2v3v4) + VN(v1))RN1 FUNC R1R(nv1v2v3v4) GAMMA(05 + n + Q(v1v2v3v4) - VN(v1))RN1 FUNC R2L(nv1v2v3v4) GAMMA(05 + n + Q(v1v2v3v4) - VN(v2))RN2 FUNC R2R(nv1v2v3v4) GAMMA(05 - n - Q(v1v2v3v4) + VN(v2))RN2

58

determinaccedilatildeo das probabilidades relativas assume-se inicialmente que o estado da carga N_OPT tem probabilidade relativa igual a um FUNC PN_1(nv1v2v3v4) (R1L(nv1v2v3v4)+R2R(nv1v2v3v4))(R1R(n-1v1v2v3v4)+R2L(n-1v1v2v3v4)) FUNC PN_2(nv1v2v3v4) PN_1(nv1v2v3v4) +(R1L(n-1v1v2v3v4)+R2R(n-1v1v2v3v4))(R1R(n-2v1v2v3v4)+R2L(n-2v1v2v3v4)) FUNC PN_3(nv1v2v3v4) PN_2(nv1v2v3v4) +(R1L(n-2v1v2v3v4)+R2R(n-2v1v2v3v4))(R1R(n-3v1v2v3v4)+R2L(n-3v1v2v3v4)) FUNC PN_4(nv1v2v3v4) PN_3(nv1v2v3v4) +(R1L(n-3v1v2v3v4)+R2R(n-3v1v2v3v4))(R1R(n-4v1v2v3v4)+R2L(n-4v1v2v3v4)) FUNC PN_5(nv1v2v3v4) PN_4(nv1v2v3v4) +(R1L(n-4v1v2v3v4)+R2R(n-4v1v2v3v4))(R1R(n-5v1v2v3v4)+R2L(n-5v1v2v3v4)) FUNC PN1(nv1v2v3v4) (R2L(nv1v2v3v4) +R1R(nv1v2v3v4))(R2R(n+1v1v2v3v4)+R1L(n+1v1v2v3v4)) FUNC PN2(nv1v2v3v4) PN1(nv1v2v3v4) +(R2L(n+1v1v2v3v4)+R1R(n+1v1v2v3v4))(R2R(n+2v1v2v3v4)+R1L(n+2v1v2v3v4)) FUNC PN3(nv1v2v3v4) PN2(nv1v2v3v4) +(R2L(n+2v1v2v3v4)+R1R(n+2v1v2v3v4))(R2R(n+3v1v2v3v4)+R1L(n+3v1v2v3v4)) FUNC PN4(nv1v2v3v4) PN3(nv1v2v3v4) +(R2L(n+3v1v2v3v4)+R1R(n+3v1v2v3v4))(R2R(n+4v1v2v3v4)+R1L(n+4v1v2v3v4)) FUNC PN5(nv1v2v3v4) PN4(nv1v2v3v4) +(R2L(n+4v1v2v3v4)+R1R(n+4v1v2v3v4))(R2R(n+5v1v2v3v4)+R1L(n+5v1v2v3v4)) FUNC PSUM(nv1v2v3v4) PN_5(nv1v2v3v4)+PN_4(nv1v2v3v4)+PN_3(nv1v2v3v4)+PN_2(nv1v2v3v4) ++PN_1(nv1v2v3v4)+1+PN1(nv1v2v3v4)+PN2(nv1v2v3v4)+PN3(nv1v2v3v4) ++PN4(nv1v2v3v4)+PN5(nv1v2v3v4)

59

caacutelculo da corrente da fonte para o dreno FUNC CUR(nv1v2v3v4) PN_5(nv1v2v3v4)(R1R(n-5v1v2v3v4)-R1L(n-5v1v2v3v4)) ++PN_4(nv1v2v3v4)(R1R(n-4v1v2v3v4)-R1L(n-4v1v2v3v4)) ++PN_3(nv1v2v3v4)(R1R(n-3v1v2v3v4)-R1L(n-3v1v2v3v4)) ++PN_2(nv1v2v3v4)(R1R(n-2v1v2v3v4)-R1L(n-2v1v2v3v4)) ++PN_1(nv1v2v3v4)(R1R(n-1v1v2v3v4)-R1L(n-1v1v2v3v4)) ++(R1R(nv1v2v3v4)-R1L(nv1v2v3v4)) ++PN1(nv1v2v3v4)(R1R(n+1v1v2v3v4)-R1L(n+1v1v2v3v4)) ++PN2(nv1v2v3v4)(R1R(n+2v1v2v3v4)-R1L(n+2v1v2v3v4)) ++PN3(nv1v2v3v4)(R1R(n+3v1v2v3v4)-R1L(n+3v1v2v3v4)) ++PN4(nv1v2v3v4)(R1R(n+4v1v2v3v4)-R1L(n+4v1v2v3v4)) ++PN5(nv1v2v3v4)(R1R(n+5v1v2v3v4)-R1L(n+5v1v2v3v4)) FUNC CURRENT(nv1v2v3v4) ECUR(nv1v2v3v4)(CSUMPSUM(nv1v2v3v4)(R1+R2)) caacutelculo da tensatildeo da ilha FUNC VOLT(nv1v2v3v4) PN_5(nv1v2v3v4)(n-5+Q(v1v2v3v4)) ++PN_4(nv1v2v3v4)(n-4+Q(v1v2v3v4)) ++PN_3(nv1v2v3v4)(n-3+Q(v1v2v3v4)) ++PN_2(nv1v2v3v4)(n-2+Q(v1v2v3v4)) ++PN_1(nv1v2v3v4)(n-1+Q(v1v2v3v4)) ++n+Q(v1v2v3v4) ++PN1(nv1v2v3v4)(n+1+Q(v1v2v3v4)) ++PN2(nv1v2v3v4)(n+2+Q(v1v2v3v4)) ++PN3(nv1v2v3v4)(n+3+Q(v1v2v3v4)) ++PN4(nv1v2v3v4)(n+4+Q(v1v2v3v4)) ++PN5(nv1v2v3v4)(n+5+Q(v1v2v3v4)) FUNC VOLTAGE(nv1v2v3v4) (ECSUM)VOLT(nv1v2v3v4)PSUM(nv1v2v3v4) E1 5 0 VALUE= VOLTAGE(N_OPT(V(1)V(2)V(3)V(4))V(1)V(2)V(3)V(4)) Tensatildeo da ilha G1 1 2 VALUE= CURRENT(N_OPT(V(1)V(2)V(3)V(4))V(1)V(2)V(3)V(4)) Corrente da fonte para o dreno CT1 1 5 C1 CT2 2 5 C2 CGATE1 3 5 CG1 CGATE2 4 5 CG2 ENDS SET

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52

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53

7 APEcircNDICES

71 TABELAS COMPLEMENTARES

Tabela 71 Paracircmetros obtidos a partir do modelo de SWCNT isolado

L RQ (Ω) RS (Ω) LCNT (10-9

H) CCNT (10-18

F)

10 nm 645103 - 40010

-2 27910

-1

100 nm 645103 - 40010

-1 279

200 nm 645103 - 80010

-1 558

300 nm 645103 - 120 837

400 nm 645103 - 160 11210

1

500 nm 645103 - 200 14010

1

600 nm 645103 - 240 16710

1

700 nm 645103 - 280 19510

1

800 nm 645103 - 320 22310

1

900 nm 645103 - 360 25110

1

1 microm 645103 - 400 27910

1

10 microm 645103 64510

4 40010

1 27910

2

100 microm 645103 64510

5 40010

2 27910

3

200 microm 645103 12910

6 80010

2 55810

3

300 microm 645103 19410

6 12010

3 83710

3

400 microm

645103 25810

6 16010

3 11210

4

500 microm

645103 32310

6 20010

3 14010

4

Tabela 72 Paracircmetros obtidos a partir do modelo de SWCNT bundle

L RQ (Ω) RS (Ω) LBundle(10-9

H) CBundle(10-18

F)

10 nm 1075 - 66710-5

135

100 nm 1075 - 66710-4

135101

200 nm 1075 - 13310-3

270101

300 nm 1075 - 20010-3

405101

400 nm 1075 - 26710-3

540101

500 nm 1075 - 33310-3

675101

600 nm 1075 - 40010-3

810101

700 nm 1075 - 46710-3

945101

800 nm 1075 - 53310-3

108102

900 nm 1075 - 60010-3

122102

1 microm 1075 - 66710-3

135102

10 microm 1075 108102 66710

-2 13510

3

100 microm 1075 108103 66710

-1 13510

4

200 microm 1075 215103 133 27010

4

300 microm 1075 323103 200 40510

4

400 microm

1075 430103 267 54010

4

500 microm

1075 538103 333 67510

4

54

Tabela 73 Paracircmetros obtidos a partir do modelo de cobre

L RCu (Ω) LCu (10-9

H) CCu (10-18

F)

10 nm 06 37310-6

150

100 nm 60 63610-5

150101

200 nm 120 17510-4

300101

300 nm 180 30910-4

450101

400 nm 240 45410-4

600101

500 nm 300 61110-4

750101

600 nm 360 77510-4

900101

700 nm 420 94610-4

105102

800 nm 480 11210-3

120102

900 nm 540 13110-3

135102

1 microm 600 14910-3

150102

10 microm 60102 24010

-2 15010

3

100 microm 60103 33210

-1 15010

4

200 microm 12104 72010

-1 30010

4

300 microm 18104 113 45010

4

400 microm

24104 155 60010

4

500 microm

30104 198 75010

4

55

Tabela 74 Frequecircncia em -3dB das interconexotildees locais

Comprimento Material f-3dB

10 nm SWCNT isolado 253 GHz

SWCNT bundle 66 THz

Cobre 232 THz

100 nm SWCNT isolado 300 GHz

SWCNT bundle 20 THz

Cobre 51 THz

200 nm SWCNT isolado 342 GHz

SWCNT bundle 14 THz

Cobre 29 THz

300 nm SWCNT isolado 344 GHz

SWCNT bundle 11 THz

Cobre 20 THz

400 nm SWCNT isolado 329 GHz

SWCNT bundle 89 THz

Cobre 15 THz

500 nm SWCNT isolado 307 GHz

SWCNT bundle 76 THz

Cobre 12 THz

600 nm SWCNT isolado 288 GHz

SWCNT bundle 67 THz

Cobre 94 THz

700 nm SWCNT isolado 271 GHz

SWCNT bundle 61 THz

Cobre 76 THz

800 nm SWCNT isolado 255 GHz

SWCNT bundle 55 THz

Cobre 63 THz

900 nm SWCNT isolado 240 GHz

SWCNT bundle 51 THz

Cobre 52 THz

1 microm SWCNT isolado 230 GHz

SWCNT bundle 47 THz

Cobre 42 THz

56

Tabela 75 Frequecircncia em -3dB das interconexotildees intermediaacuterias

Comprimento Material f-3dB

10 microm SWCNT isolado 26 GHz

SWCNT bundle 527 GHz

Cobre 34 GHz

100 microm SWCNT isolado 32 MHz

SWCNT bundle 42 GHz

Cobre 345 MHz

200 microm SWCNT isolado 82 MHz

SWCNT bundle 10 GHz

Cobre 87 MHz

300 microm SWCNT isolado 36 MHz

SWCNT bundle 455 MHz

Cobre 38 MHz

400 microm SWCNT isolado 21 MHz

SWCNT bundle 256 MHz

Cobre 21 MHz

500 microm SWCNT isolado 13 MHz

SWCNT bundle 165 MHz

Cobre 14 MHz

57

8 ANEXOS

81 COacuteDIGO SPICE DO SET [44]

Transistor mono-eleacutetron (SET) conexotildees fonte | dreno | | porta1 | | | porta2 | | | | SUBCKT SET 1 2 3 4 PARAMS +C1=1E-20 Capacitacircncia da junccedilatildeo 1 +C2=1E-20 Capacitacircncia da junccedilatildeo 2 +R1=1E5 Resistecircncia da junccedilatildeo 1 +R2=1E5 Resistecircncia da junccedilatildeo 2 +Cg1=015E-18 Capacitacircncia da junccedilatildeo 1 +Cg2=0 Capacitacircncia da junccedilatildeo 2 +C0=0 Capacitacircncia proacutepria da ilha +Q0=005 Carga offset em unidades de e +TEMP=300 Temperatura PARAM E=160217733E-19 Carga do eleacutetron (e) PARAM CSUM=C1+C2+Cg1+Cg2+C0 Capacitacircncia total do SET PARAM T=TEMPCSUM53785467E14 Temperatura normalizada 53785467E14 = kBe^2 PARAM RN1=R1(R1+R2) Resistecircncia da junccedilatildeo 1 normalizada PARAM RN2=R2(R1+R2) Resistecircncia da junccedilatildeo 2 normalizada FUNC Q(v1v2v3v4) (Cg1v3+Cg2v4+C1v1+C2v2)E+Q0 Definiccedilatildeo da carga em unidades de e FUNC VN(v) CSUMvE Tensatildeo normalizada FUNC GAMMA(u) IF(T==0IF(ult0-u0)IF(u==0Tu(EXP(uT)-1))) FUNC N_OPT(v1v2v3v4) ROUND(-Q(v1v2v3v4)+(CSUME) (v1RN2+v2RN1)) A maior probabilidade de carga na ilha em unidades de e Os quarto eventos tuacuteneis FUNC R1L(nv1v2v3v4) GAMMA(05 - n - Q(v1v2v3v4) + VN(v1))RN1 FUNC R1R(nv1v2v3v4) GAMMA(05 + n + Q(v1v2v3v4) - VN(v1))RN1 FUNC R2L(nv1v2v3v4) GAMMA(05 + n + Q(v1v2v3v4) - VN(v2))RN2 FUNC R2R(nv1v2v3v4) GAMMA(05 - n - Q(v1v2v3v4) + VN(v2))RN2

58

determinaccedilatildeo das probabilidades relativas assume-se inicialmente que o estado da carga N_OPT tem probabilidade relativa igual a um FUNC PN_1(nv1v2v3v4) (R1L(nv1v2v3v4)+R2R(nv1v2v3v4))(R1R(n-1v1v2v3v4)+R2L(n-1v1v2v3v4)) FUNC PN_2(nv1v2v3v4) PN_1(nv1v2v3v4) +(R1L(n-1v1v2v3v4)+R2R(n-1v1v2v3v4))(R1R(n-2v1v2v3v4)+R2L(n-2v1v2v3v4)) FUNC PN_3(nv1v2v3v4) PN_2(nv1v2v3v4) +(R1L(n-2v1v2v3v4)+R2R(n-2v1v2v3v4))(R1R(n-3v1v2v3v4)+R2L(n-3v1v2v3v4)) FUNC PN_4(nv1v2v3v4) PN_3(nv1v2v3v4) +(R1L(n-3v1v2v3v4)+R2R(n-3v1v2v3v4))(R1R(n-4v1v2v3v4)+R2L(n-4v1v2v3v4)) FUNC PN_5(nv1v2v3v4) PN_4(nv1v2v3v4) +(R1L(n-4v1v2v3v4)+R2R(n-4v1v2v3v4))(R1R(n-5v1v2v3v4)+R2L(n-5v1v2v3v4)) FUNC PN1(nv1v2v3v4) (R2L(nv1v2v3v4) +R1R(nv1v2v3v4))(R2R(n+1v1v2v3v4)+R1L(n+1v1v2v3v4)) FUNC PN2(nv1v2v3v4) PN1(nv1v2v3v4) +(R2L(n+1v1v2v3v4)+R1R(n+1v1v2v3v4))(R2R(n+2v1v2v3v4)+R1L(n+2v1v2v3v4)) FUNC PN3(nv1v2v3v4) PN2(nv1v2v3v4) +(R2L(n+2v1v2v3v4)+R1R(n+2v1v2v3v4))(R2R(n+3v1v2v3v4)+R1L(n+3v1v2v3v4)) FUNC PN4(nv1v2v3v4) PN3(nv1v2v3v4) +(R2L(n+3v1v2v3v4)+R1R(n+3v1v2v3v4))(R2R(n+4v1v2v3v4)+R1L(n+4v1v2v3v4)) FUNC PN5(nv1v2v3v4) PN4(nv1v2v3v4) +(R2L(n+4v1v2v3v4)+R1R(n+4v1v2v3v4))(R2R(n+5v1v2v3v4)+R1L(n+5v1v2v3v4)) FUNC PSUM(nv1v2v3v4) PN_5(nv1v2v3v4)+PN_4(nv1v2v3v4)+PN_3(nv1v2v3v4)+PN_2(nv1v2v3v4) ++PN_1(nv1v2v3v4)+1+PN1(nv1v2v3v4)+PN2(nv1v2v3v4)+PN3(nv1v2v3v4) ++PN4(nv1v2v3v4)+PN5(nv1v2v3v4)

59

caacutelculo da corrente da fonte para o dreno FUNC CUR(nv1v2v3v4) PN_5(nv1v2v3v4)(R1R(n-5v1v2v3v4)-R1L(n-5v1v2v3v4)) ++PN_4(nv1v2v3v4)(R1R(n-4v1v2v3v4)-R1L(n-4v1v2v3v4)) ++PN_3(nv1v2v3v4)(R1R(n-3v1v2v3v4)-R1L(n-3v1v2v3v4)) ++PN_2(nv1v2v3v4)(R1R(n-2v1v2v3v4)-R1L(n-2v1v2v3v4)) ++PN_1(nv1v2v3v4)(R1R(n-1v1v2v3v4)-R1L(n-1v1v2v3v4)) ++(R1R(nv1v2v3v4)-R1L(nv1v2v3v4)) ++PN1(nv1v2v3v4)(R1R(n+1v1v2v3v4)-R1L(n+1v1v2v3v4)) ++PN2(nv1v2v3v4)(R1R(n+2v1v2v3v4)-R1L(n+2v1v2v3v4)) ++PN3(nv1v2v3v4)(R1R(n+3v1v2v3v4)-R1L(n+3v1v2v3v4)) ++PN4(nv1v2v3v4)(R1R(n+4v1v2v3v4)-R1L(n+4v1v2v3v4)) ++PN5(nv1v2v3v4)(R1R(n+5v1v2v3v4)-R1L(n+5v1v2v3v4)) FUNC CURRENT(nv1v2v3v4) ECUR(nv1v2v3v4)(CSUMPSUM(nv1v2v3v4)(R1+R2)) caacutelculo da tensatildeo da ilha FUNC VOLT(nv1v2v3v4) PN_5(nv1v2v3v4)(n-5+Q(v1v2v3v4)) ++PN_4(nv1v2v3v4)(n-4+Q(v1v2v3v4)) ++PN_3(nv1v2v3v4)(n-3+Q(v1v2v3v4)) ++PN_2(nv1v2v3v4)(n-2+Q(v1v2v3v4)) ++PN_1(nv1v2v3v4)(n-1+Q(v1v2v3v4)) ++n+Q(v1v2v3v4) ++PN1(nv1v2v3v4)(n+1+Q(v1v2v3v4)) ++PN2(nv1v2v3v4)(n+2+Q(v1v2v3v4)) ++PN3(nv1v2v3v4)(n+3+Q(v1v2v3v4)) ++PN4(nv1v2v3v4)(n+4+Q(v1v2v3v4)) ++PN5(nv1v2v3v4)(n+5+Q(v1v2v3v4)) FUNC VOLTAGE(nv1v2v3v4) (ECSUM)VOLT(nv1v2v3v4)PSUM(nv1v2v3v4) E1 5 0 VALUE= VOLTAGE(N_OPT(V(1)V(2)V(3)V(4))V(1)V(2)V(3)V(4)) Tensatildeo da ilha G1 1 2 VALUE= CURRENT(N_OPT(V(1)V(2)V(3)V(4))V(1)V(2)V(3)V(4)) Corrente da fonte para o dreno CT1 1 5 C1 CT2 2 5 C2 CGATE1 3 5 CG1 CGATE2 4 5 CG2 ENDS SET

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53

7 APEcircNDICES

71 TABELAS COMPLEMENTARES

Tabela 71 Paracircmetros obtidos a partir do modelo de SWCNT isolado

L RQ (Ω) RS (Ω) LCNT (10-9

H) CCNT (10-18

F)

10 nm 645103 - 40010

-2 27910

-1

100 nm 645103 - 40010

-1 279

200 nm 645103 - 80010

-1 558

300 nm 645103 - 120 837

400 nm 645103 - 160 11210

1

500 nm 645103 - 200 14010

1

600 nm 645103 - 240 16710

1

700 nm 645103 - 280 19510

1

800 nm 645103 - 320 22310

1

900 nm 645103 - 360 25110

1

1 microm 645103 - 400 27910

1

10 microm 645103 64510

4 40010

1 27910

2

100 microm 645103 64510

5 40010

2 27910

3

200 microm 645103 12910

6 80010

2 55810

3

300 microm 645103 19410

6 12010

3 83710

3

400 microm

645103 25810

6 16010

3 11210

4

500 microm

645103 32310

6 20010

3 14010

4

Tabela 72 Paracircmetros obtidos a partir do modelo de SWCNT bundle

L RQ (Ω) RS (Ω) LBundle(10-9

H) CBundle(10-18

F)

10 nm 1075 - 66710-5

135

100 nm 1075 - 66710-4

135101

200 nm 1075 - 13310-3

270101

300 nm 1075 - 20010-3

405101

400 nm 1075 - 26710-3

540101

500 nm 1075 - 33310-3

675101

600 nm 1075 - 40010-3

810101

700 nm 1075 - 46710-3

945101

800 nm 1075 - 53310-3

108102

900 nm 1075 - 60010-3

122102

1 microm 1075 - 66710-3

135102

10 microm 1075 108102 66710

-2 13510

3

100 microm 1075 108103 66710

-1 13510

4

200 microm 1075 215103 133 27010

4

300 microm 1075 323103 200 40510

4

400 microm

1075 430103 267 54010

4

500 microm

1075 538103 333 67510

4

54

Tabela 73 Paracircmetros obtidos a partir do modelo de cobre

L RCu (Ω) LCu (10-9

H) CCu (10-18

F)

10 nm 06 37310-6

150

100 nm 60 63610-5

150101

200 nm 120 17510-4

300101

300 nm 180 30910-4

450101

400 nm 240 45410-4

600101

500 nm 300 61110-4

750101

600 nm 360 77510-4

900101

700 nm 420 94610-4

105102

800 nm 480 11210-3

120102

900 nm 540 13110-3

135102

1 microm 600 14910-3

150102

10 microm 60102 24010

-2 15010

3

100 microm 60103 33210

-1 15010

4

200 microm 12104 72010

-1 30010

4

300 microm 18104 113 45010

4

400 microm

24104 155 60010

4

500 microm

30104 198 75010

4

55

Tabela 74 Frequecircncia em -3dB das interconexotildees locais

Comprimento Material f-3dB

10 nm SWCNT isolado 253 GHz

SWCNT bundle 66 THz

Cobre 232 THz

100 nm SWCNT isolado 300 GHz

SWCNT bundle 20 THz

Cobre 51 THz

200 nm SWCNT isolado 342 GHz

SWCNT bundle 14 THz

Cobre 29 THz

300 nm SWCNT isolado 344 GHz

SWCNT bundle 11 THz

Cobre 20 THz

400 nm SWCNT isolado 329 GHz

SWCNT bundle 89 THz

Cobre 15 THz

500 nm SWCNT isolado 307 GHz

SWCNT bundle 76 THz

Cobre 12 THz

600 nm SWCNT isolado 288 GHz

SWCNT bundle 67 THz

Cobre 94 THz

700 nm SWCNT isolado 271 GHz

SWCNT bundle 61 THz

Cobre 76 THz

800 nm SWCNT isolado 255 GHz

SWCNT bundle 55 THz

Cobre 63 THz

900 nm SWCNT isolado 240 GHz

SWCNT bundle 51 THz

Cobre 52 THz

1 microm SWCNT isolado 230 GHz

SWCNT bundle 47 THz

Cobre 42 THz

56

Tabela 75 Frequecircncia em -3dB das interconexotildees intermediaacuterias

Comprimento Material f-3dB

10 microm SWCNT isolado 26 GHz

SWCNT bundle 527 GHz

Cobre 34 GHz

100 microm SWCNT isolado 32 MHz

SWCNT bundle 42 GHz

Cobre 345 MHz

200 microm SWCNT isolado 82 MHz

SWCNT bundle 10 GHz

Cobre 87 MHz

300 microm SWCNT isolado 36 MHz

SWCNT bundle 455 MHz

Cobre 38 MHz

400 microm SWCNT isolado 21 MHz

SWCNT bundle 256 MHz

Cobre 21 MHz

500 microm SWCNT isolado 13 MHz

SWCNT bundle 165 MHz

Cobre 14 MHz

57

8 ANEXOS

81 COacuteDIGO SPICE DO SET [44]

Transistor mono-eleacutetron (SET) conexotildees fonte | dreno | | porta1 | | | porta2 | | | | SUBCKT SET 1 2 3 4 PARAMS +C1=1E-20 Capacitacircncia da junccedilatildeo 1 +C2=1E-20 Capacitacircncia da junccedilatildeo 2 +R1=1E5 Resistecircncia da junccedilatildeo 1 +R2=1E5 Resistecircncia da junccedilatildeo 2 +Cg1=015E-18 Capacitacircncia da junccedilatildeo 1 +Cg2=0 Capacitacircncia da junccedilatildeo 2 +C0=0 Capacitacircncia proacutepria da ilha +Q0=005 Carga offset em unidades de e +TEMP=300 Temperatura PARAM E=160217733E-19 Carga do eleacutetron (e) PARAM CSUM=C1+C2+Cg1+Cg2+C0 Capacitacircncia total do SET PARAM T=TEMPCSUM53785467E14 Temperatura normalizada 53785467E14 = kBe^2 PARAM RN1=R1(R1+R2) Resistecircncia da junccedilatildeo 1 normalizada PARAM RN2=R2(R1+R2) Resistecircncia da junccedilatildeo 2 normalizada FUNC Q(v1v2v3v4) (Cg1v3+Cg2v4+C1v1+C2v2)E+Q0 Definiccedilatildeo da carga em unidades de e FUNC VN(v) CSUMvE Tensatildeo normalizada FUNC GAMMA(u) IF(T==0IF(ult0-u0)IF(u==0Tu(EXP(uT)-1))) FUNC N_OPT(v1v2v3v4) ROUND(-Q(v1v2v3v4)+(CSUME) (v1RN2+v2RN1)) A maior probabilidade de carga na ilha em unidades de e Os quarto eventos tuacuteneis FUNC R1L(nv1v2v3v4) GAMMA(05 - n - Q(v1v2v3v4) + VN(v1))RN1 FUNC R1R(nv1v2v3v4) GAMMA(05 + n + Q(v1v2v3v4) - VN(v1))RN1 FUNC R2L(nv1v2v3v4) GAMMA(05 + n + Q(v1v2v3v4) - VN(v2))RN2 FUNC R2R(nv1v2v3v4) GAMMA(05 - n - Q(v1v2v3v4) + VN(v2))RN2

58

determinaccedilatildeo das probabilidades relativas assume-se inicialmente que o estado da carga N_OPT tem probabilidade relativa igual a um FUNC PN_1(nv1v2v3v4) (R1L(nv1v2v3v4)+R2R(nv1v2v3v4))(R1R(n-1v1v2v3v4)+R2L(n-1v1v2v3v4)) FUNC PN_2(nv1v2v3v4) PN_1(nv1v2v3v4) +(R1L(n-1v1v2v3v4)+R2R(n-1v1v2v3v4))(R1R(n-2v1v2v3v4)+R2L(n-2v1v2v3v4)) FUNC PN_3(nv1v2v3v4) PN_2(nv1v2v3v4) +(R1L(n-2v1v2v3v4)+R2R(n-2v1v2v3v4))(R1R(n-3v1v2v3v4)+R2L(n-3v1v2v3v4)) FUNC PN_4(nv1v2v3v4) PN_3(nv1v2v3v4) +(R1L(n-3v1v2v3v4)+R2R(n-3v1v2v3v4))(R1R(n-4v1v2v3v4)+R2L(n-4v1v2v3v4)) FUNC PN_5(nv1v2v3v4) PN_4(nv1v2v3v4) +(R1L(n-4v1v2v3v4)+R2R(n-4v1v2v3v4))(R1R(n-5v1v2v3v4)+R2L(n-5v1v2v3v4)) FUNC PN1(nv1v2v3v4) (R2L(nv1v2v3v4) +R1R(nv1v2v3v4))(R2R(n+1v1v2v3v4)+R1L(n+1v1v2v3v4)) FUNC PN2(nv1v2v3v4) PN1(nv1v2v3v4) +(R2L(n+1v1v2v3v4)+R1R(n+1v1v2v3v4))(R2R(n+2v1v2v3v4)+R1L(n+2v1v2v3v4)) FUNC PN3(nv1v2v3v4) PN2(nv1v2v3v4) +(R2L(n+2v1v2v3v4)+R1R(n+2v1v2v3v4))(R2R(n+3v1v2v3v4)+R1L(n+3v1v2v3v4)) FUNC PN4(nv1v2v3v4) PN3(nv1v2v3v4) +(R2L(n+3v1v2v3v4)+R1R(n+3v1v2v3v4))(R2R(n+4v1v2v3v4)+R1L(n+4v1v2v3v4)) FUNC PN5(nv1v2v3v4) PN4(nv1v2v3v4) +(R2L(n+4v1v2v3v4)+R1R(n+4v1v2v3v4))(R2R(n+5v1v2v3v4)+R1L(n+5v1v2v3v4)) FUNC PSUM(nv1v2v3v4) PN_5(nv1v2v3v4)+PN_4(nv1v2v3v4)+PN_3(nv1v2v3v4)+PN_2(nv1v2v3v4) ++PN_1(nv1v2v3v4)+1+PN1(nv1v2v3v4)+PN2(nv1v2v3v4)+PN3(nv1v2v3v4) ++PN4(nv1v2v3v4)+PN5(nv1v2v3v4)

59

caacutelculo da corrente da fonte para o dreno FUNC CUR(nv1v2v3v4) PN_5(nv1v2v3v4)(R1R(n-5v1v2v3v4)-R1L(n-5v1v2v3v4)) ++PN_4(nv1v2v3v4)(R1R(n-4v1v2v3v4)-R1L(n-4v1v2v3v4)) ++PN_3(nv1v2v3v4)(R1R(n-3v1v2v3v4)-R1L(n-3v1v2v3v4)) ++PN_2(nv1v2v3v4)(R1R(n-2v1v2v3v4)-R1L(n-2v1v2v3v4)) ++PN_1(nv1v2v3v4)(R1R(n-1v1v2v3v4)-R1L(n-1v1v2v3v4)) ++(R1R(nv1v2v3v4)-R1L(nv1v2v3v4)) ++PN1(nv1v2v3v4)(R1R(n+1v1v2v3v4)-R1L(n+1v1v2v3v4)) ++PN2(nv1v2v3v4)(R1R(n+2v1v2v3v4)-R1L(n+2v1v2v3v4)) ++PN3(nv1v2v3v4)(R1R(n+3v1v2v3v4)-R1L(n+3v1v2v3v4)) ++PN4(nv1v2v3v4)(R1R(n+4v1v2v3v4)-R1L(n+4v1v2v3v4)) ++PN5(nv1v2v3v4)(R1R(n+5v1v2v3v4)-R1L(n+5v1v2v3v4)) FUNC CURRENT(nv1v2v3v4) ECUR(nv1v2v3v4)(CSUMPSUM(nv1v2v3v4)(R1+R2)) caacutelculo da tensatildeo da ilha FUNC VOLT(nv1v2v3v4) PN_5(nv1v2v3v4)(n-5+Q(v1v2v3v4)) ++PN_4(nv1v2v3v4)(n-4+Q(v1v2v3v4)) ++PN_3(nv1v2v3v4)(n-3+Q(v1v2v3v4)) ++PN_2(nv1v2v3v4)(n-2+Q(v1v2v3v4)) ++PN_1(nv1v2v3v4)(n-1+Q(v1v2v3v4)) ++n+Q(v1v2v3v4) ++PN1(nv1v2v3v4)(n+1+Q(v1v2v3v4)) ++PN2(nv1v2v3v4)(n+2+Q(v1v2v3v4)) ++PN3(nv1v2v3v4)(n+3+Q(v1v2v3v4)) ++PN4(nv1v2v3v4)(n+4+Q(v1v2v3v4)) ++PN5(nv1v2v3v4)(n+5+Q(v1v2v3v4)) FUNC VOLTAGE(nv1v2v3v4) (ECSUM)VOLT(nv1v2v3v4)PSUM(nv1v2v3v4) E1 5 0 VALUE= VOLTAGE(N_OPT(V(1)V(2)V(3)V(4))V(1)V(2)V(3)V(4)) Tensatildeo da ilha G1 1 2 VALUE= CURRENT(N_OPT(V(1)V(2)V(3)V(4))V(1)V(2)V(3)V(4)) Corrente da fonte para o dreno CT1 1 5 C1 CT2 2 5 C2 CGATE1 3 5 CG1 CGATE2 4 5 CG2 ENDS SET

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54

Tabela 73 Paracircmetros obtidos a partir do modelo de cobre

L RCu (Ω) LCu (10-9

H) CCu (10-18

F)

10 nm 06 37310-6

150

100 nm 60 63610-5

150101

200 nm 120 17510-4

300101

300 nm 180 30910-4

450101

400 nm 240 45410-4

600101

500 nm 300 61110-4

750101

600 nm 360 77510-4

900101

700 nm 420 94610-4

105102

800 nm 480 11210-3

120102

900 nm 540 13110-3

135102

1 microm 600 14910-3

150102

10 microm 60102 24010

-2 15010

3

100 microm 60103 33210

-1 15010

4

200 microm 12104 72010

-1 30010

4

300 microm 18104 113 45010

4

400 microm

24104 155 60010

4

500 microm

30104 198 75010

4

55

Tabela 74 Frequecircncia em -3dB das interconexotildees locais

Comprimento Material f-3dB

10 nm SWCNT isolado 253 GHz

SWCNT bundle 66 THz

Cobre 232 THz

100 nm SWCNT isolado 300 GHz

SWCNT bundle 20 THz

Cobre 51 THz

200 nm SWCNT isolado 342 GHz

SWCNT bundle 14 THz

Cobre 29 THz

300 nm SWCNT isolado 344 GHz

SWCNT bundle 11 THz

Cobre 20 THz

400 nm SWCNT isolado 329 GHz

SWCNT bundle 89 THz

Cobre 15 THz

500 nm SWCNT isolado 307 GHz

SWCNT bundle 76 THz

Cobre 12 THz

600 nm SWCNT isolado 288 GHz

SWCNT bundle 67 THz

Cobre 94 THz

700 nm SWCNT isolado 271 GHz

SWCNT bundle 61 THz

Cobre 76 THz

800 nm SWCNT isolado 255 GHz

SWCNT bundle 55 THz

Cobre 63 THz

900 nm SWCNT isolado 240 GHz

SWCNT bundle 51 THz

Cobre 52 THz

1 microm SWCNT isolado 230 GHz

SWCNT bundle 47 THz

Cobre 42 THz

56

Tabela 75 Frequecircncia em -3dB das interconexotildees intermediaacuterias

Comprimento Material f-3dB

10 microm SWCNT isolado 26 GHz

SWCNT bundle 527 GHz

Cobre 34 GHz

100 microm SWCNT isolado 32 MHz

SWCNT bundle 42 GHz

Cobre 345 MHz

200 microm SWCNT isolado 82 MHz

SWCNT bundle 10 GHz

Cobre 87 MHz

300 microm SWCNT isolado 36 MHz

SWCNT bundle 455 MHz

Cobre 38 MHz

400 microm SWCNT isolado 21 MHz

SWCNT bundle 256 MHz

Cobre 21 MHz

500 microm SWCNT isolado 13 MHz

SWCNT bundle 165 MHz

Cobre 14 MHz

57

8 ANEXOS

81 COacuteDIGO SPICE DO SET [44]

Transistor mono-eleacutetron (SET) conexotildees fonte | dreno | | porta1 | | | porta2 | | | | SUBCKT SET 1 2 3 4 PARAMS +C1=1E-20 Capacitacircncia da junccedilatildeo 1 +C2=1E-20 Capacitacircncia da junccedilatildeo 2 +R1=1E5 Resistecircncia da junccedilatildeo 1 +R2=1E5 Resistecircncia da junccedilatildeo 2 +Cg1=015E-18 Capacitacircncia da junccedilatildeo 1 +Cg2=0 Capacitacircncia da junccedilatildeo 2 +C0=0 Capacitacircncia proacutepria da ilha +Q0=005 Carga offset em unidades de e +TEMP=300 Temperatura PARAM E=160217733E-19 Carga do eleacutetron (e) PARAM CSUM=C1+C2+Cg1+Cg2+C0 Capacitacircncia total do SET PARAM T=TEMPCSUM53785467E14 Temperatura normalizada 53785467E14 = kBe^2 PARAM RN1=R1(R1+R2) Resistecircncia da junccedilatildeo 1 normalizada PARAM RN2=R2(R1+R2) Resistecircncia da junccedilatildeo 2 normalizada FUNC Q(v1v2v3v4) (Cg1v3+Cg2v4+C1v1+C2v2)E+Q0 Definiccedilatildeo da carga em unidades de e FUNC VN(v) CSUMvE Tensatildeo normalizada FUNC GAMMA(u) IF(T==0IF(ult0-u0)IF(u==0Tu(EXP(uT)-1))) FUNC N_OPT(v1v2v3v4) ROUND(-Q(v1v2v3v4)+(CSUME) (v1RN2+v2RN1)) A maior probabilidade de carga na ilha em unidades de e Os quarto eventos tuacuteneis FUNC R1L(nv1v2v3v4) GAMMA(05 - n - Q(v1v2v3v4) + VN(v1))RN1 FUNC R1R(nv1v2v3v4) GAMMA(05 + n + Q(v1v2v3v4) - VN(v1))RN1 FUNC R2L(nv1v2v3v4) GAMMA(05 + n + Q(v1v2v3v4) - VN(v2))RN2 FUNC R2R(nv1v2v3v4) GAMMA(05 - n - Q(v1v2v3v4) + VN(v2))RN2

58

determinaccedilatildeo das probabilidades relativas assume-se inicialmente que o estado da carga N_OPT tem probabilidade relativa igual a um FUNC PN_1(nv1v2v3v4) (R1L(nv1v2v3v4)+R2R(nv1v2v3v4))(R1R(n-1v1v2v3v4)+R2L(n-1v1v2v3v4)) FUNC PN_2(nv1v2v3v4) PN_1(nv1v2v3v4) +(R1L(n-1v1v2v3v4)+R2R(n-1v1v2v3v4))(R1R(n-2v1v2v3v4)+R2L(n-2v1v2v3v4)) FUNC PN_3(nv1v2v3v4) PN_2(nv1v2v3v4) +(R1L(n-2v1v2v3v4)+R2R(n-2v1v2v3v4))(R1R(n-3v1v2v3v4)+R2L(n-3v1v2v3v4)) FUNC PN_4(nv1v2v3v4) PN_3(nv1v2v3v4) +(R1L(n-3v1v2v3v4)+R2R(n-3v1v2v3v4))(R1R(n-4v1v2v3v4)+R2L(n-4v1v2v3v4)) FUNC PN_5(nv1v2v3v4) PN_4(nv1v2v3v4) +(R1L(n-4v1v2v3v4)+R2R(n-4v1v2v3v4))(R1R(n-5v1v2v3v4)+R2L(n-5v1v2v3v4)) FUNC PN1(nv1v2v3v4) (R2L(nv1v2v3v4) +R1R(nv1v2v3v4))(R2R(n+1v1v2v3v4)+R1L(n+1v1v2v3v4)) FUNC PN2(nv1v2v3v4) PN1(nv1v2v3v4) +(R2L(n+1v1v2v3v4)+R1R(n+1v1v2v3v4))(R2R(n+2v1v2v3v4)+R1L(n+2v1v2v3v4)) FUNC PN3(nv1v2v3v4) PN2(nv1v2v3v4) +(R2L(n+2v1v2v3v4)+R1R(n+2v1v2v3v4))(R2R(n+3v1v2v3v4)+R1L(n+3v1v2v3v4)) FUNC PN4(nv1v2v3v4) PN3(nv1v2v3v4) +(R2L(n+3v1v2v3v4)+R1R(n+3v1v2v3v4))(R2R(n+4v1v2v3v4)+R1L(n+4v1v2v3v4)) FUNC PN5(nv1v2v3v4) PN4(nv1v2v3v4) +(R2L(n+4v1v2v3v4)+R1R(n+4v1v2v3v4))(R2R(n+5v1v2v3v4)+R1L(n+5v1v2v3v4)) FUNC PSUM(nv1v2v3v4) PN_5(nv1v2v3v4)+PN_4(nv1v2v3v4)+PN_3(nv1v2v3v4)+PN_2(nv1v2v3v4) ++PN_1(nv1v2v3v4)+1+PN1(nv1v2v3v4)+PN2(nv1v2v3v4)+PN3(nv1v2v3v4) ++PN4(nv1v2v3v4)+PN5(nv1v2v3v4)

59

caacutelculo da corrente da fonte para o dreno FUNC CUR(nv1v2v3v4) PN_5(nv1v2v3v4)(R1R(n-5v1v2v3v4)-R1L(n-5v1v2v3v4)) ++PN_4(nv1v2v3v4)(R1R(n-4v1v2v3v4)-R1L(n-4v1v2v3v4)) ++PN_3(nv1v2v3v4)(R1R(n-3v1v2v3v4)-R1L(n-3v1v2v3v4)) ++PN_2(nv1v2v3v4)(R1R(n-2v1v2v3v4)-R1L(n-2v1v2v3v4)) ++PN_1(nv1v2v3v4)(R1R(n-1v1v2v3v4)-R1L(n-1v1v2v3v4)) ++(R1R(nv1v2v3v4)-R1L(nv1v2v3v4)) ++PN1(nv1v2v3v4)(R1R(n+1v1v2v3v4)-R1L(n+1v1v2v3v4)) ++PN2(nv1v2v3v4)(R1R(n+2v1v2v3v4)-R1L(n+2v1v2v3v4)) ++PN3(nv1v2v3v4)(R1R(n+3v1v2v3v4)-R1L(n+3v1v2v3v4)) ++PN4(nv1v2v3v4)(R1R(n+4v1v2v3v4)-R1L(n+4v1v2v3v4)) ++PN5(nv1v2v3v4)(R1R(n+5v1v2v3v4)-R1L(n+5v1v2v3v4)) FUNC CURRENT(nv1v2v3v4) ECUR(nv1v2v3v4)(CSUMPSUM(nv1v2v3v4)(R1+R2)) caacutelculo da tensatildeo da ilha FUNC VOLT(nv1v2v3v4) PN_5(nv1v2v3v4)(n-5+Q(v1v2v3v4)) ++PN_4(nv1v2v3v4)(n-4+Q(v1v2v3v4)) ++PN_3(nv1v2v3v4)(n-3+Q(v1v2v3v4)) ++PN_2(nv1v2v3v4)(n-2+Q(v1v2v3v4)) ++PN_1(nv1v2v3v4)(n-1+Q(v1v2v3v4)) ++n+Q(v1v2v3v4) ++PN1(nv1v2v3v4)(n+1+Q(v1v2v3v4)) ++PN2(nv1v2v3v4)(n+2+Q(v1v2v3v4)) ++PN3(nv1v2v3v4)(n+3+Q(v1v2v3v4)) ++PN4(nv1v2v3v4)(n+4+Q(v1v2v3v4)) ++PN5(nv1v2v3v4)(n+5+Q(v1v2v3v4)) FUNC VOLTAGE(nv1v2v3v4) (ECSUM)VOLT(nv1v2v3v4)PSUM(nv1v2v3v4) E1 5 0 VALUE= VOLTAGE(N_OPT(V(1)V(2)V(3)V(4))V(1)V(2)V(3)V(4)) Tensatildeo da ilha G1 1 2 VALUE= CURRENT(N_OPT(V(1)V(2)V(3)V(4))V(1)V(2)V(3)V(4)) Corrente da fonte para o dreno CT1 1 5 C1 CT2 2 5 C2 CGATE1 3 5 CG1 CGATE2 4 5 CG2 ENDS SET

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55

Tabela 74 Frequecircncia em -3dB das interconexotildees locais

Comprimento Material f-3dB

10 nm SWCNT isolado 253 GHz

SWCNT bundle 66 THz

Cobre 232 THz

100 nm SWCNT isolado 300 GHz

SWCNT bundle 20 THz

Cobre 51 THz

200 nm SWCNT isolado 342 GHz

SWCNT bundle 14 THz

Cobre 29 THz

300 nm SWCNT isolado 344 GHz

SWCNT bundle 11 THz

Cobre 20 THz

400 nm SWCNT isolado 329 GHz

SWCNT bundle 89 THz

Cobre 15 THz

500 nm SWCNT isolado 307 GHz

SWCNT bundle 76 THz

Cobre 12 THz

600 nm SWCNT isolado 288 GHz

SWCNT bundle 67 THz

Cobre 94 THz

700 nm SWCNT isolado 271 GHz

SWCNT bundle 61 THz

Cobre 76 THz

800 nm SWCNT isolado 255 GHz

SWCNT bundle 55 THz

Cobre 63 THz

900 nm SWCNT isolado 240 GHz

SWCNT bundle 51 THz

Cobre 52 THz

1 microm SWCNT isolado 230 GHz

SWCNT bundle 47 THz

Cobre 42 THz

56

Tabela 75 Frequecircncia em -3dB das interconexotildees intermediaacuterias

Comprimento Material f-3dB

10 microm SWCNT isolado 26 GHz

SWCNT bundle 527 GHz

Cobre 34 GHz

100 microm SWCNT isolado 32 MHz

SWCNT bundle 42 GHz

Cobre 345 MHz

200 microm SWCNT isolado 82 MHz

SWCNT bundle 10 GHz

Cobre 87 MHz

300 microm SWCNT isolado 36 MHz

SWCNT bundle 455 MHz

Cobre 38 MHz

400 microm SWCNT isolado 21 MHz

SWCNT bundle 256 MHz

Cobre 21 MHz

500 microm SWCNT isolado 13 MHz

SWCNT bundle 165 MHz

Cobre 14 MHz

57

8 ANEXOS

81 COacuteDIGO SPICE DO SET [44]

Transistor mono-eleacutetron (SET) conexotildees fonte | dreno | | porta1 | | | porta2 | | | | SUBCKT SET 1 2 3 4 PARAMS +C1=1E-20 Capacitacircncia da junccedilatildeo 1 +C2=1E-20 Capacitacircncia da junccedilatildeo 2 +R1=1E5 Resistecircncia da junccedilatildeo 1 +R2=1E5 Resistecircncia da junccedilatildeo 2 +Cg1=015E-18 Capacitacircncia da junccedilatildeo 1 +Cg2=0 Capacitacircncia da junccedilatildeo 2 +C0=0 Capacitacircncia proacutepria da ilha +Q0=005 Carga offset em unidades de e +TEMP=300 Temperatura PARAM E=160217733E-19 Carga do eleacutetron (e) PARAM CSUM=C1+C2+Cg1+Cg2+C0 Capacitacircncia total do SET PARAM T=TEMPCSUM53785467E14 Temperatura normalizada 53785467E14 = kBe^2 PARAM RN1=R1(R1+R2) Resistecircncia da junccedilatildeo 1 normalizada PARAM RN2=R2(R1+R2) Resistecircncia da junccedilatildeo 2 normalizada FUNC Q(v1v2v3v4) (Cg1v3+Cg2v4+C1v1+C2v2)E+Q0 Definiccedilatildeo da carga em unidades de e FUNC VN(v) CSUMvE Tensatildeo normalizada FUNC GAMMA(u) IF(T==0IF(ult0-u0)IF(u==0Tu(EXP(uT)-1))) FUNC N_OPT(v1v2v3v4) ROUND(-Q(v1v2v3v4)+(CSUME) (v1RN2+v2RN1)) A maior probabilidade de carga na ilha em unidades de e Os quarto eventos tuacuteneis FUNC R1L(nv1v2v3v4) GAMMA(05 - n - Q(v1v2v3v4) + VN(v1))RN1 FUNC R1R(nv1v2v3v4) GAMMA(05 + n + Q(v1v2v3v4) - VN(v1))RN1 FUNC R2L(nv1v2v3v4) GAMMA(05 + n + Q(v1v2v3v4) - VN(v2))RN2 FUNC R2R(nv1v2v3v4) GAMMA(05 - n - Q(v1v2v3v4) + VN(v2))RN2

58

determinaccedilatildeo das probabilidades relativas assume-se inicialmente que o estado da carga N_OPT tem probabilidade relativa igual a um FUNC PN_1(nv1v2v3v4) (R1L(nv1v2v3v4)+R2R(nv1v2v3v4))(R1R(n-1v1v2v3v4)+R2L(n-1v1v2v3v4)) FUNC PN_2(nv1v2v3v4) PN_1(nv1v2v3v4) +(R1L(n-1v1v2v3v4)+R2R(n-1v1v2v3v4))(R1R(n-2v1v2v3v4)+R2L(n-2v1v2v3v4)) FUNC PN_3(nv1v2v3v4) PN_2(nv1v2v3v4) +(R1L(n-2v1v2v3v4)+R2R(n-2v1v2v3v4))(R1R(n-3v1v2v3v4)+R2L(n-3v1v2v3v4)) FUNC PN_4(nv1v2v3v4) PN_3(nv1v2v3v4) +(R1L(n-3v1v2v3v4)+R2R(n-3v1v2v3v4))(R1R(n-4v1v2v3v4)+R2L(n-4v1v2v3v4)) FUNC PN_5(nv1v2v3v4) PN_4(nv1v2v3v4) +(R1L(n-4v1v2v3v4)+R2R(n-4v1v2v3v4))(R1R(n-5v1v2v3v4)+R2L(n-5v1v2v3v4)) FUNC PN1(nv1v2v3v4) (R2L(nv1v2v3v4) +R1R(nv1v2v3v4))(R2R(n+1v1v2v3v4)+R1L(n+1v1v2v3v4)) FUNC PN2(nv1v2v3v4) PN1(nv1v2v3v4) +(R2L(n+1v1v2v3v4)+R1R(n+1v1v2v3v4))(R2R(n+2v1v2v3v4)+R1L(n+2v1v2v3v4)) FUNC PN3(nv1v2v3v4) PN2(nv1v2v3v4) +(R2L(n+2v1v2v3v4)+R1R(n+2v1v2v3v4))(R2R(n+3v1v2v3v4)+R1L(n+3v1v2v3v4)) FUNC PN4(nv1v2v3v4) PN3(nv1v2v3v4) +(R2L(n+3v1v2v3v4)+R1R(n+3v1v2v3v4))(R2R(n+4v1v2v3v4)+R1L(n+4v1v2v3v4)) FUNC PN5(nv1v2v3v4) PN4(nv1v2v3v4) +(R2L(n+4v1v2v3v4)+R1R(n+4v1v2v3v4))(R2R(n+5v1v2v3v4)+R1L(n+5v1v2v3v4)) FUNC PSUM(nv1v2v3v4) PN_5(nv1v2v3v4)+PN_4(nv1v2v3v4)+PN_3(nv1v2v3v4)+PN_2(nv1v2v3v4) ++PN_1(nv1v2v3v4)+1+PN1(nv1v2v3v4)+PN2(nv1v2v3v4)+PN3(nv1v2v3v4) ++PN4(nv1v2v3v4)+PN5(nv1v2v3v4)

59

caacutelculo da corrente da fonte para o dreno FUNC CUR(nv1v2v3v4) PN_5(nv1v2v3v4)(R1R(n-5v1v2v3v4)-R1L(n-5v1v2v3v4)) ++PN_4(nv1v2v3v4)(R1R(n-4v1v2v3v4)-R1L(n-4v1v2v3v4)) ++PN_3(nv1v2v3v4)(R1R(n-3v1v2v3v4)-R1L(n-3v1v2v3v4)) ++PN_2(nv1v2v3v4)(R1R(n-2v1v2v3v4)-R1L(n-2v1v2v3v4)) ++PN_1(nv1v2v3v4)(R1R(n-1v1v2v3v4)-R1L(n-1v1v2v3v4)) ++(R1R(nv1v2v3v4)-R1L(nv1v2v3v4)) ++PN1(nv1v2v3v4)(R1R(n+1v1v2v3v4)-R1L(n+1v1v2v3v4)) ++PN2(nv1v2v3v4)(R1R(n+2v1v2v3v4)-R1L(n+2v1v2v3v4)) ++PN3(nv1v2v3v4)(R1R(n+3v1v2v3v4)-R1L(n+3v1v2v3v4)) ++PN4(nv1v2v3v4)(R1R(n+4v1v2v3v4)-R1L(n+4v1v2v3v4)) ++PN5(nv1v2v3v4)(R1R(n+5v1v2v3v4)-R1L(n+5v1v2v3v4)) FUNC CURRENT(nv1v2v3v4) ECUR(nv1v2v3v4)(CSUMPSUM(nv1v2v3v4)(R1+R2)) caacutelculo da tensatildeo da ilha FUNC VOLT(nv1v2v3v4) PN_5(nv1v2v3v4)(n-5+Q(v1v2v3v4)) ++PN_4(nv1v2v3v4)(n-4+Q(v1v2v3v4)) ++PN_3(nv1v2v3v4)(n-3+Q(v1v2v3v4)) ++PN_2(nv1v2v3v4)(n-2+Q(v1v2v3v4)) ++PN_1(nv1v2v3v4)(n-1+Q(v1v2v3v4)) ++n+Q(v1v2v3v4) ++PN1(nv1v2v3v4)(n+1+Q(v1v2v3v4)) ++PN2(nv1v2v3v4)(n+2+Q(v1v2v3v4)) ++PN3(nv1v2v3v4)(n+3+Q(v1v2v3v4)) ++PN4(nv1v2v3v4)(n+4+Q(v1v2v3v4)) ++PN5(nv1v2v3v4)(n+5+Q(v1v2v3v4)) FUNC VOLTAGE(nv1v2v3v4) (ECSUM)VOLT(nv1v2v3v4)PSUM(nv1v2v3v4) E1 5 0 VALUE= VOLTAGE(N_OPT(V(1)V(2)V(3)V(4))V(1)V(2)V(3)V(4)) Tensatildeo da ilha G1 1 2 VALUE= CURRENT(N_OPT(V(1)V(2)V(3)V(4))V(1)V(2)V(3)V(4)) Corrente da fonte para o dreno CT1 1 5 C1 CT2 2 5 C2 CGATE1 3 5 CG1 CGATE2 4 5 CG2 ENDS SET

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Tabela 75 Frequecircncia em -3dB das interconexotildees intermediaacuterias

Comprimento Material f-3dB

10 microm SWCNT isolado 26 GHz

SWCNT bundle 527 GHz

Cobre 34 GHz

100 microm SWCNT isolado 32 MHz

SWCNT bundle 42 GHz

Cobre 345 MHz

200 microm SWCNT isolado 82 MHz

SWCNT bundle 10 GHz

Cobre 87 MHz

300 microm SWCNT isolado 36 MHz

SWCNT bundle 455 MHz

Cobre 38 MHz

400 microm SWCNT isolado 21 MHz

SWCNT bundle 256 MHz

Cobre 21 MHz

500 microm SWCNT isolado 13 MHz

SWCNT bundle 165 MHz

Cobre 14 MHz

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8 ANEXOS

81 COacuteDIGO SPICE DO SET [44]

Transistor mono-eleacutetron (SET) conexotildees fonte | dreno | | porta1 | | | porta2 | | | | SUBCKT SET 1 2 3 4 PARAMS +C1=1E-20 Capacitacircncia da junccedilatildeo 1 +C2=1E-20 Capacitacircncia da junccedilatildeo 2 +R1=1E5 Resistecircncia da junccedilatildeo 1 +R2=1E5 Resistecircncia da junccedilatildeo 2 +Cg1=015E-18 Capacitacircncia da junccedilatildeo 1 +Cg2=0 Capacitacircncia da junccedilatildeo 2 +C0=0 Capacitacircncia proacutepria da ilha +Q0=005 Carga offset em unidades de e +TEMP=300 Temperatura PARAM E=160217733E-19 Carga do eleacutetron (e) PARAM CSUM=C1+C2+Cg1+Cg2+C0 Capacitacircncia total do SET PARAM T=TEMPCSUM53785467E14 Temperatura normalizada 53785467E14 = kBe^2 PARAM RN1=R1(R1+R2) Resistecircncia da junccedilatildeo 1 normalizada PARAM RN2=R2(R1+R2) Resistecircncia da junccedilatildeo 2 normalizada FUNC Q(v1v2v3v4) (Cg1v3+Cg2v4+C1v1+C2v2)E+Q0 Definiccedilatildeo da carga em unidades de e FUNC VN(v) CSUMvE Tensatildeo normalizada FUNC GAMMA(u) IF(T==0IF(ult0-u0)IF(u==0Tu(EXP(uT)-1))) FUNC N_OPT(v1v2v3v4) ROUND(-Q(v1v2v3v4)+(CSUME) (v1RN2+v2RN1)) A maior probabilidade de carga na ilha em unidades de e Os quarto eventos tuacuteneis FUNC R1L(nv1v2v3v4) GAMMA(05 - n - Q(v1v2v3v4) + VN(v1))RN1 FUNC R1R(nv1v2v3v4) GAMMA(05 + n + Q(v1v2v3v4) - VN(v1))RN1 FUNC R2L(nv1v2v3v4) GAMMA(05 + n + Q(v1v2v3v4) - VN(v2))RN2 FUNC R2R(nv1v2v3v4) GAMMA(05 - n - Q(v1v2v3v4) + VN(v2))RN2

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determinaccedilatildeo das probabilidades relativas assume-se inicialmente que o estado da carga N_OPT tem probabilidade relativa igual a um FUNC PN_1(nv1v2v3v4) (R1L(nv1v2v3v4)+R2R(nv1v2v3v4))(R1R(n-1v1v2v3v4)+R2L(n-1v1v2v3v4)) FUNC PN_2(nv1v2v3v4) PN_1(nv1v2v3v4) +(R1L(n-1v1v2v3v4)+R2R(n-1v1v2v3v4))(R1R(n-2v1v2v3v4)+R2L(n-2v1v2v3v4)) FUNC PN_3(nv1v2v3v4) PN_2(nv1v2v3v4) +(R1L(n-2v1v2v3v4)+R2R(n-2v1v2v3v4))(R1R(n-3v1v2v3v4)+R2L(n-3v1v2v3v4)) FUNC PN_4(nv1v2v3v4) PN_3(nv1v2v3v4) +(R1L(n-3v1v2v3v4)+R2R(n-3v1v2v3v4))(R1R(n-4v1v2v3v4)+R2L(n-4v1v2v3v4)) FUNC PN_5(nv1v2v3v4) PN_4(nv1v2v3v4) +(R1L(n-4v1v2v3v4)+R2R(n-4v1v2v3v4))(R1R(n-5v1v2v3v4)+R2L(n-5v1v2v3v4)) FUNC PN1(nv1v2v3v4) (R2L(nv1v2v3v4) +R1R(nv1v2v3v4))(R2R(n+1v1v2v3v4)+R1L(n+1v1v2v3v4)) FUNC PN2(nv1v2v3v4) PN1(nv1v2v3v4) +(R2L(n+1v1v2v3v4)+R1R(n+1v1v2v3v4))(R2R(n+2v1v2v3v4)+R1L(n+2v1v2v3v4)) FUNC PN3(nv1v2v3v4) PN2(nv1v2v3v4) +(R2L(n+2v1v2v3v4)+R1R(n+2v1v2v3v4))(R2R(n+3v1v2v3v4)+R1L(n+3v1v2v3v4)) FUNC PN4(nv1v2v3v4) PN3(nv1v2v3v4) +(R2L(n+3v1v2v3v4)+R1R(n+3v1v2v3v4))(R2R(n+4v1v2v3v4)+R1L(n+4v1v2v3v4)) FUNC PN5(nv1v2v3v4) PN4(nv1v2v3v4) +(R2L(n+4v1v2v3v4)+R1R(n+4v1v2v3v4))(R2R(n+5v1v2v3v4)+R1L(n+5v1v2v3v4)) FUNC PSUM(nv1v2v3v4) PN_5(nv1v2v3v4)+PN_4(nv1v2v3v4)+PN_3(nv1v2v3v4)+PN_2(nv1v2v3v4) ++PN_1(nv1v2v3v4)+1+PN1(nv1v2v3v4)+PN2(nv1v2v3v4)+PN3(nv1v2v3v4) ++PN4(nv1v2v3v4)+PN5(nv1v2v3v4)

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caacutelculo da corrente da fonte para o dreno FUNC CUR(nv1v2v3v4) PN_5(nv1v2v3v4)(R1R(n-5v1v2v3v4)-R1L(n-5v1v2v3v4)) ++PN_4(nv1v2v3v4)(R1R(n-4v1v2v3v4)-R1L(n-4v1v2v3v4)) ++PN_3(nv1v2v3v4)(R1R(n-3v1v2v3v4)-R1L(n-3v1v2v3v4)) ++PN_2(nv1v2v3v4)(R1R(n-2v1v2v3v4)-R1L(n-2v1v2v3v4)) ++PN_1(nv1v2v3v4)(R1R(n-1v1v2v3v4)-R1L(n-1v1v2v3v4)) ++(R1R(nv1v2v3v4)-R1L(nv1v2v3v4)) ++PN1(nv1v2v3v4)(R1R(n+1v1v2v3v4)-R1L(n+1v1v2v3v4)) ++PN2(nv1v2v3v4)(R1R(n+2v1v2v3v4)-R1L(n+2v1v2v3v4)) ++PN3(nv1v2v3v4)(R1R(n+3v1v2v3v4)-R1L(n+3v1v2v3v4)) ++PN4(nv1v2v3v4)(R1R(n+4v1v2v3v4)-R1L(n+4v1v2v3v4)) ++PN5(nv1v2v3v4)(R1R(n+5v1v2v3v4)-R1L(n+5v1v2v3v4)) FUNC CURRENT(nv1v2v3v4) ECUR(nv1v2v3v4)(CSUMPSUM(nv1v2v3v4)(R1+R2)) caacutelculo da tensatildeo da ilha FUNC VOLT(nv1v2v3v4) PN_5(nv1v2v3v4)(n-5+Q(v1v2v3v4)) ++PN_4(nv1v2v3v4)(n-4+Q(v1v2v3v4)) ++PN_3(nv1v2v3v4)(n-3+Q(v1v2v3v4)) ++PN_2(nv1v2v3v4)(n-2+Q(v1v2v3v4)) ++PN_1(nv1v2v3v4)(n-1+Q(v1v2v3v4)) ++n+Q(v1v2v3v4) ++PN1(nv1v2v3v4)(n+1+Q(v1v2v3v4)) ++PN2(nv1v2v3v4)(n+2+Q(v1v2v3v4)) ++PN3(nv1v2v3v4)(n+3+Q(v1v2v3v4)) ++PN4(nv1v2v3v4)(n+4+Q(v1v2v3v4)) ++PN5(nv1v2v3v4)(n+5+Q(v1v2v3v4)) FUNC VOLTAGE(nv1v2v3v4) (ECSUM)VOLT(nv1v2v3v4)PSUM(nv1v2v3v4) E1 5 0 VALUE= VOLTAGE(N_OPT(V(1)V(2)V(3)V(4))V(1)V(2)V(3)V(4)) Tensatildeo da ilha G1 1 2 VALUE= CURRENT(N_OPT(V(1)V(2)V(3)V(4))V(1)V(2)V(3)V(4)) Corrente da fonte para o dreno CT1 1 5 C1 CT2 2 5 C2 CGATE1 3 5 CG1 CGATE2 4 5 CG2 ENDS SET

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8 ANEXOS

81 COacuteDIGO SPICE DO SET [44]

Transistor mono-eleacutetron (SET) conexotildees fonte | dreno | | porta1 | | | porta2 | | | | SUBCKT SET 1 2 3 4 PARAMS +C1=1E-20 Capacitacircncia da junccedilatildeo 1 +C2=1E-20 Capacitacircncia da junccedilatildeo 2 +R1=1E5 Resistecircncia da junccedilatildeo 1 +R2=1E5 Resistecircncia da junccedilatildeo 2 +Cg1=015E-18 Capacitacircncia da junccedilatildeo 1 +Cg2=0 Capacitacircncia da junccedilatildeo 2 +C0=0 Capacitacircncia proacutepria da ilha +Q0=005 Carga offset em unidades de e +TEMP=300 Temperatura PARAM E=160217733E-19 Carga do eleacutetron (e) PARAM CSUM=C1+C2+Cg1+Cg2+C0 Capacitacircncia total do SET PARAM T=TEMPCSUM53785467E14 Temperatura normalizada 53785467E14 = kBe^2 PARAM RN1=R1(R1+R2) Resistecircncia da junccedilatildeo 1 normalizada PARAM RN2=R2(R1+R2) Resistecircncia da junccedilatildeo 2 normalizada FUNC Q(v1v2v3v4) (Cg1v3+Cg2v4+C1v1+C2v2)E+Q0 Definiccedilatildeo da carga em unidades de e FUNC VN(v) CSUMvE Tensatildeo normalizada FUNC GAMMA(u) IF(T==0IF(ult0-u0)IF(u==0Tu(EXP(uT)-1))) FUNC N_OPT(v1v2v3v4) ROUND(-Q(v1v2v3v4)+(CSUME) (v1RN2+v2RN1)) A maior probabilidade de carga na ilha em unidades de e Os quarto eventos tuacuteneis FUNC R1L(nv1v2v3v4) GAMMA(05 - n - Q(v1v2v3v4) + VN(v1))RN1 FUNC R1R(nv1v2v3v4) GAMMA(05 + n + Q(v1v2v3v4) - VN(v1))RN1 FUNC R2L(nv1v2v3v4) GAMMA(05 + n + Q(v1v2v3v4) - VN(v2))RN2 FUNC R2R(nv1v2v3v4) GAMMA(05 - n - Q(v1v2v3v4) + VN(v2))RN2

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determinaccedilatildeo das probabilidades relativas assume-se inicialmente que o estado da carga N_OPT tem probabilidade relativa igual a um FUNC PN_1(nv1v2v3v4) (R1L(nv1v2v3v4)+R2R(nv1v2v3v4))(R1R(n-1v1v2v3v4)+R2L(n-1v1v2v3v4)) FUNC PN_2(nv1v2v3v4) PN_1(nv1v2v3v4) +(R1L(n-1v1v2v3v4)+R2R(n-1v1v2v3v4))(R1R(n-2v1v2v3v4)+R2L(n-2v1v2v3v4)) FUNC PN_3(nv1v2v3v4) PN_2(nv1v2v3v4) +(R1L(n-2v1v2v3v4)+R2R(n-2v1v2v3v4))(R1R(n-3v1v2v3v4)+R2L(n-3v1v2v3v4)) FUNC PN_4(nv1v2v3v4) PN_3(nv1v2v3v4) +(R1L(n-3v1v2v3v4)+R2R(n-3v1v2v3v4))(R1R(n-4v1v2v3v4)+R2L(n-4v1v2v3v4)) FUNC PN_5(nv1v2v3v4) PN_4(nv1v2v3v4) +(R1L(n-4v1v2v3v4)+R2R(n-4v1v2v3v4))(R1R(n-5v1v2v3v4)+R2L(n-5v1v2v3v4)) FUNC PN1(nv1v2v3v4) (R2L(nv1v2v3v4) +R1R(nv1v2v3v4))(R2R(n+1v1v2v3v4)+R1L(n+1v1v2v3v4)) FUNC PN2(nv1v2v3v4) PN1(nv1v2v3v4) +(R2L(n+1v1v2v3v4)+R1R(n+1v1v2v3v4))(R2R(n+2v1v2v3v4)+R1L(n+2v1v2v3v4)) FUNC PN3(nv1v2v3v4) PN2(nv1v2v3v4) +(R2L(n+2v1v2v3v4)+R1R(n+2v1v2v3v4))(R2R(n+3v1v2v3v4)+R1L(n+3v1v2v3v4)) FUNC PN4(nv1v2v3v4) PN3(nv1v2v3v4) +(R2L(n+3v1v2v3v4)+R1R(n+3v1v2v3v4))(R2R(n+4v1v2v3v4)+R1L(n+4v1v2v3v4)) FUNC PN5(nv1v2v3v4) PN4(nv1v2v3v4) +(R2L(n+4v1v2v3v4)+R1R(n+4v1v2v3v4))(R2R(n+5v1v2v3v4)+R1L(n+5v1v2v3v4)) FUNC PSUM(nv1v2v3v4) PN_5(nv1v2v3v4)+PN_4(nv1v2v3v4)+PN_3(nv1v2v3v4)+PN_2(nv1v2v3v4) ++PN_1(nv1v2v3v4)+1+PN1(nv1v2v3v4)+PN2(nv1v2v3v4)+PN3(nv1v2v3v4) ++PN4(nv1v2v3v4)+PN5(nv1v2v3v4)

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caacutelculo da corrente da fonte para o dreno FUNC CUR(nv1v2v3v4) PN_5(nv1v2v3v4)(R1R(n-5v1v2v3v4)-R1L(n-5v1v2v3v4)) ++PN_4(nv1v2v3v4)(R1R(n-4v1v2v3v4)-R1L(n-4v1v2v3v4)) ++PN_3(nv1v2v3v4)(R1R(n-3v1v2v3v4)-R1L(n-3v1v2v3v4)) ++PN_2(nv1v2v3v4)(R1R(n-2v1v2v3v4)-R1L(n-2v1v2v3v4)) ++PN_1(nv1v2v3v4)(R1R(n-1v1v2v3v4)-R1L(n-1v1v2v3v4)) ++(R1R(nv1v2v3v4)-R1L(nv1v2v3v4)) ++PN1(nv1v2v3v4)(R1R(n+1v1v2v3v4)-R1L(n+1v1v2v3v4)) ++PN2(nv1v2v3v4)(R1R(n+2v1v2v3v4)-R1L(n+2v1v2v3v4)) ++PN3(nv1v2v3v4)(R1R(n+3v1v2v3v4)-R1L(n+3v1v2v3v4)) ++PN4(nv1v2v3v4)(R1R(n+4v1v2v3v4)-R1L(n+4v1v2v3v4)) ++PN5(nv1v2v3v4)(R1R(n+5v1v2v3v4)-R1L(n+5v1v2v3v4)) FUNC CURRENT(nv1v2v3v4) ECUR(nv1v2v3v4)(CSUMPSUM(nv1v2v3v4)(R1+R2)) caacutelculo da tensatildeo da ilha FUNC VOLT(nv1v2v3v4) PN_5(nv1v2v3v4)(n-5+Q(v1v2v3v4)) ++PN_4(nv1v2v3v4)(n-4+Q(v1v2v3v4)) ++PN_3(nv1v2v3v4)(n-3+Q(v1v2v3v4)) ++PN_2(nv1v2v3v4)(n-2+Q(v1v2v3v4)) ++PN_1(nv1v2v3v4)(n-1+Q(v1v2v3v4)) ++n+Q(v1v2v3v4) ++PN1(nv1v2v3v4)(n+1+Q(v1v2v3v4)) ++PN2(nv1v2v3v4)(n+2+Q(v1v2v3v4)) ++PN3(nv1v2v3v4)(n+3+Q(v1v2v3v4)) ++PN4(nv1v2v3v4)(n+4+Q(v1v2v3v4)) ++PN5(nv1v2v3v4)(n+5+Q(v1v2v3v4)) FUNC VOLTAGE(nv1v2v3v4) (ECSUM)VOLT(nv1v2v3v4)PSUM(nv1v2v3v4) E1 5 0 VALUE= VOLTAGE(N_OPT(V(1)V(2)V(3)V(4))V(1)V(2)V(3)V(4)) Tensatildeo da ilha G1 1 2 VALUE= CURRENT(N_OPT(V(1)V(2)V(3)V(4))V(1)V(2)V(3)V(4)) Corrente da fonte para o dreno CT1 1 5 C1 CT2 2 5 C2 CGATE1 3 5 CG1 CGATE2 4 5 CG2 ENDS SET

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determinaccedilatildeo das probabilidades relativas assume-se inicialmente que o estado da carga N_OPT tem probabilidade relativa igual a um FUNC PN_1(nv1v2v3v4) (R1L(nv1v2v3v4)+R2R(nv1v2v3v4))(R1R(n-1v1v2v3v4)+R2L(n-1v1v2v3v4)) FUNC PN_2(nv1v2v3v4) PN_1(nv1v2v3v4) +(R1L(n-1v1v2v3v4)+R2R(n-1v1v2v3v4))(R1R(n-2v1v2v3v4)+R2L(n-2v1v2v3v4)) FUNC PN_3(nv1v2v3v4) PN_2(nv1v2v3v4) +(R1L(n-2v1v2v3v4)+R2R(n-2v1v2v3v4))(R1R(n-3v1v2v3v4)+R2L(n-3v1v2v3v4)) FUNC PN_4(nv1v2v3v4) PN_3(nv1v2v3v4) +(R1L(n-3v1v2v3v4)+R2R(n-3v1v2v3v4))(R1R(n-4v1v2v3v4)+R2L(n-4v1v2v3v4)) FUNC PN_5(nv1v2v3v4) PN_4(nv1v2v3v4) +(R1L(n-4v1v2v3v4)+R2R(n-4v1v2v3v4))(R1R(n-5v1v2v3v4)+R2L(n-5v1v2v3v4)) FUNC PN1(nv1v2v3v4) (R2L(nv1v2v3v4) +R1R(nv1v2v3v4))(R2R(n+1v1v2v3v4)+R1L(n+1v1v2v3v4)) FUNC PN2(nv1v2v3v4) PN1(nv1v2v3v4) +(R2L(n+1v1v2v3v4)+R1R(n+1v1v2v3v4))(R2R(n+2v1v2v3v4)+R1L(n+2v1v2v3v4)) FUNC PN3(nv1v2v3v4) PN2(nv1v2v3v4) +(R2L(n+2v1v2v3v4)+R1R(n+2v1v2v3v4))(R2R(n+3v1v2v3v4)+R1L(n+3v1v2v3v4)) FUNC PN4(nv1v2v3v4) PN3(nv1v2v3v4) +(R2L(n+3v1v2v3v4)+R1R(n+3v1v2v3v4))(R2R(n+4v1v2v3v4)+R1L(n+4v1v2v3v4)) FUNC PN5(nv1v2v3v4) PN4(nv1v2v3v4) +(R2L(n+4v1v2v3v4)+R1R(n+4v1v2v3v4))(R2R(n+5v1v2v3v4)+R1L(n+5v1v2v3v4)) FUNC PSUM(nv1v2v3v4) PN_5(nv1v2v3v4)+PN_4(nv1v2v3v4)+PN_3(nv1v2v3v4)+PN_2(nv1v2v3v4) ++PN_1(nv1v2v3v4)+1+PN1(nv1v2v3v4)+PN2(nv1v2v3v4)+PN3(nv1v2v3v4) ++PN4(nv1v2v3v4)+PN5(nv1v2v3v4)

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caacutelculo da corrente da fonte para o dreno FUNC CUR(nv1v2v3v4) PN_5(nv1v2v3v4)(R1R(n-5v1v2v3v4)-R1L(n-5v1v2v3v4)) ++PN_4(nv1v2v3v4)(R1R(n-4v1v2v3v4)-R1L(n-4v1v2v3v4)) ++PN_3(nv1v2v3v4)(R1R(n-3v1v2v3v4)-R1L(n-3v1v2v3v4)) ++PN_2(nv1v2v3v4)(R1R(n-2v1v2v3v4)-R1L(n-2v1v2v3v4)) ++PN_1(nv1v2v3v4)(R1R(n-1v1v2v3v4)-R1L(n-1v1v2v3v4)) ++(R1R(nv1v2v3v4)-R1L(nv1v2v3v4)) ++PN1(nv1v2v3v4)(R1R(n+1v1v2v3v4)-R1L(n+1v1v2v3v4)) ++PN2(nv1v2v3v4)(R1R(n+2v1v2v3v4)-R1L(n+2v1v2v3v4)) ++PN3(nv1v2v3v4)(R1R(n+3v1v2v3v4)-R1L(n+3v1v2v3v4)) ++PN4(nv1v2v3v4)(R1R(n+4v1v2v3v4)-R1L(n+4v1v2v3v4)) ++PN5(nv1v2v3v4)(R1R(n+5v1v2v3v4)-R1L(n+5v1v2v3v4)) FUNC CURRENT(nv1v2v3v4) ECUR(nv1v2v3v4)(CSUMPSUM(nv1v2v3v4)(R1+R2)) caacutelculo da tensatildeo da ilha FUNC VOLT(nv1v2v3v4) PN_5(nv1v2v3v4)(n-5+Q(v1v2v3v4)) ++PN_4(nv1v2v3v4)(n-4+Q(v1v2v3v4)) ++PN_3(nv1v2v3v4)(n-3+Q(v1v2v3v4)) ++PN_2(nv1v2v3v4)(n-2+Q(v1v2v3v4)) ++PN_1(nv1v2v3v4)(n-1+Q(v1v2v3v4)) ++n+Q(v1v2v3v4) ++PN1(nv1v2v3v4)(n+1+Q(v1v2v3v4)) ++PN2(nv1v2v3v4)(n+2+Q(v1v2v3v4)) ++PN3(nv1v2v3v4)(n+3+Q(v1v2v3v4)) ++PN4(nv1v2v3v4)(n+4+Q(v1v2v3v4)) ++PN5(nv1v2v3v4)(n+5+Q(v1v2v3v4)) FUNC VOLTAGE(nv1v2v3v4) (ECSUM)VOLT(nv1v2v3v4)PSUM(nv1v2v3v4) E1 5 0 VALUE= VOLTAGE(N_OPT(V(1)V(2)V(3)V(4))V(1)V(2)V(3)V(4)) Tensatildeo da ilha G1 1 2 VALUE= CURRENT(N_OPT(V(1)V(2)V(3)V(4))V(1)V(2)V(3)V(4)) Corrente da fonte para o dreno CT1 1 5 C1 CT2 2 5 C2 CGATE1 3 5 CG1 CGATE2 4 5 CG2 ENDS SET

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caacutelculo da corrente da fonte para o dreno FUNC CUR(nv1v2v3v4) PN_5(nv1v2v3v4)(R1R(n-5v1v2v3v4)-R1L(n-5v1v2v3v4)) ++PN_4(nv1v2v3v4)(R1R(n-4v1v2v3v4)-R1L(n-4v1v2v3v4)) ++PN_3(nv1v2v3v4)(R1R(n-3v1v2v3v4)-R1L(n-3v1v2v3v4)) ++PN_2(nv1v2v3v4)(R1R(n-2v1v2v3v4)-R1L(n-2v1v2v3v4)) ++PN_1(nv1v2v3v4)(R1R(n-1v1v2v3v4)-R1L(n-1v1v2v3v4)) ++(R1R(nv1v2v3v4)-R1L(nv1v2v3v4)) ++PN1(nv1v2v3v4)(R1R(n+1v1v2v3v4)-R1L(n+1v1v2v3v4)) ++PN2(nv1v2v3v4)(R1R(n+2v1v2v3v4)-R1L(n+2v1v2v3v4)) ++PN3(nv1v2v3v4)(R1R(n+3v1v2v3v4)-R1L(n+3v1v2v3v4)) ++PN4(nv1v2v3v4)(R1R(n+4v1v2v3v4)-R1L(n+4v1v2v3v4)) ++PN5(nv1v2v3v4)(R1R(n+5v1v2v3v4)-R1L(n+5v1v2v3v4)) FUNC CURRENT(nv1v2v3v4) ECUR(nv1v2v3v4)(CSUMPSUM(nv1v2v3v4)(R1+R2)) caacutelculo da tensatildeo da ilha FUNC VOLT(nv1v2v3v4) PN_5(nv1v2v3v4)(n-5+Q(v1v2v3v4)) ++PN_4(nv1v2v3v4)(n-4+Q(v1v2v3v4)) ++PN_3(nv1v2v3v4)(n-3+Q(v1v2v3v4)) ++PN_2(nv1v2v3v4)(n-2+Q(v1v2v3v4)) ++PN_1(nv1v2v3v4)(n-1+Q(v1v2v3v4)) ++n+Q(v1v2v3v4) ++PN1(nv1v2v3v4)(n+1+Q(v1v2v3v4)) ++PN2(nv1v2v3v4)(n+2+Q(v1v2v3v4)) ++PN3(nv1v2v3v4)(n+3+Q(v1v2v3v4)) ++PN4(nv1v2v3v4)(n+4+Q(v1v2v3v4)) ++PN5(nv1v2v3v4)(n+5+Q(v1v2v3v4)) FUNC VOLTAGE(nv1v2v3v4) (ECSUM)VOLT(nv1v2v3v4)PSUM(nv1v2v3v4) E1 5 0 VALUE= VOLTAGE(N_OPT(V(1)V(2)V(3)V(4))V(1)V(2)V(3)V(4)) Tensatildeo da ilha G1 1 2 VALUE= CURRENT(N_OPT(V(1)V(2)V(3)V(4))V(1)V(2)V(3)V(4)) Corrente da fonte para o dreno CT1 1 5 C1 CT2 2 5 C2 CGATE1 3 5 CG1 CGATE2 4 5 CG2 ENDS SET