Многовходовые логические элементы на базе двухуровневых логических ячеек MOBILE характеризуются малым (пикосекундным) временем переключения и более высокой функциональностью благодаря возможности реализовывать логические функции меньшим количеством элементов. Это создает хорошие перспективы для разработки сверхбыстродействующих ПЛИС с высокой степенью интеграции, необходимых при организации высокопроизводительных вычислений. Однако чрезвычайно высокая чувствительность резонансно-туннельных элементов к изменению энергий квантовых состояний требует оценки устойчивости таких структур к внешним воздействиям в условиях реальной эксплуатации. В работе рассмотрена задача оценки стабильности наноэлектронных структур, в состав которых входят резонансно-туннельные элементы. Предложена методика исследования робастности логических ячеек MOBILE на базе резонансно-туннельного диода и НВТ-транзистора, позволяющая находить внешнюю интервальную оценку выходного напряжения исследуемого устройства при заданных интервальных моделях исходных компонентов. Методика базируется на использовании систем топологических и параметрических уравнений, записанных в конечных приращениях. Показано, что предложенный принцип декомпозиции исходной интервальной модели обеспечивает алгоритмическую разрешимость поставленной задачи. Разработан вычислительный алгоритм расчета процессов в двухуровневой логической ячейке MOBILE. Алгоритм предусматривает поэтапное интегрирование интервальных дифференциальных уравнений и решение интервальных нелинейных алгебраических уравнений на каждом шаге интегрирования с использованием интервальной арифметики Каухера. Полученные результаты исследования процессов в двухуровневой логической ячейке MOBILE создают предпосылки для расширения области применения устройств резонансного туннелирования в высокоскоростных монолитных ИС.
1. Yamakura H., Suhara M. Proposal of bow-tie antenna-integrated resonant tunneling di-ode transmitter utilizing relaxation oscillations and its application to short-distance wireless communications // J. Infrared Milli Terahz Waves. 2018. Vol. 39. P. 1087–1111. DOI: https://doi.org/10.1007/s10762-018-0518-y
2. Fukuoka M., Asakawa K., Suhara M. Analysis of phase mode variation due to bias vol-tage in arrayed oscillators using resonant tunneling diodes integrated with bow-tie antennas // 2018 Progress in Electromagnetics Research Symposium (PIERS-Toyama). Toyama: IEEE, 2018. P. 2461–2466. DOI: https://doi.org/10.23919/ PIERS.2018.8597876
3. Lee J., Choi S., Lee J., Yang K. 40 Gb/s low-power 4:1 multiplexer based on resonant tunneling diodes // IEEE Trans. Nanotechnol. 2012. Vol. 11. No. 5. P. 890–895. DOI: https://doi.org/10.1109/TNANO.2012. 2204768
4. Hu X., Feng G., Duan S., Liu L. Multilayer RTD-memristor-based cellular neural net-works for color image processing // Neurocomputing. 2015. Vol. 162. P. 150–162. DOI: https://doi.org/10.1016/j.neucom. 2015.03.057
5. Toward mobile integrated electronic systems at THz frequencies / P. Hillger, M. Van Delden, U.S.M. Thanthrige et al. // J. Infrared Milli Terahz Waves. 2020. Vol. 41. No. 7. P. 846–869. DOI: https://doi.org/10.1007/s10762-020-00699-x
6. Area-efficient series-connected resonant tunneling diode pair as binary neuron in cellular neural network / J. Lee, S. Choi, S.-Y. Kim et al. // IEEE Electron Device Letters. 2020. Vol. 41. Iss. 9. P. 1308–1311. DOI: https://doi.org/10.1109/LED.2020.3008164
7. Lee K., Jeong Y. Temperature-dependent characteristics of a RTD-based microwave push-push oscil- lator // Microwave and Optical Technology Letters. 2018. Vol. 60. P. 803–805. DOI: https://doi.org/10.1002/ mop.31060
8. Gamma-induced degradation effect of InP HBTs studied by Keysight model / J. Zhang, L. Cao, M. Liu et al. // Nuclear Science and Engineering. 2020. Vol. 195. Iss. 2. P. 173–184. DOI: https://doi.org/ 10.1080/00295639.2020.1798679
9. Ткалич В.Л., Макеева А.В., Оборина Е.Е. Физические основы наноэлектроники: учеб. пособие. СПб.: СПбГУ ИТМО, 2011. 83 с.
10. Investigation of switching time in GaN/AlN resonant tunneling diodes by experiments and P-SPICE models / W.-D. Zhang, T.A. Growden, D.F. Storm et al. // IEEE Transactions on Electron Devices. 2020. Vol. 67. No. 1. P. 75–79. DOI: https://doi.org/10.1109/TED.2019.2955360
11. Shin-Ya H., Suhara M., Asaoka N., Naoi M. Implementation of physics-based model for current-voltage characteristics in resonant tunneling diodes by using the Voigt function // IEICE Transactions on Electronics. 2010. Vol. E93.C. Iss. 8. P. 1295–1301. DOI: https://doi.org/10.1587/transele.E93.C.1295
12. Dal Bosco A.K., Suzuki S., Asada M., Minamide H. Feedback effects and nonlinear dy-namics in resonant tunneling diodes // 2018 43rd International Conference on Infrared, Millime-ter, and Terahertz Waves (IRMMW-THz). Nagoya: IEEE, 2018. P. 1–2. DOI: https://doi.org/10.1109/IRMMW-THz.2018.8510286
13. Resonant tunneling diode terahertz sources with up to 1 mW output power in the J-band / A. Al-Khalidi, Kh.H. Alharbi, J. Wang et al. // IEEE Transactions on Terahertz Science and Technology. 2020. Vol. 10. No. 2. P. 150–157. DOI: https://doi.org/10.1109/TTHZ.2019.2959210
14. InGaAs/AlAs resonant tunneling diodes for THz applications: an experimental investiga-tion / S.G. Muttlak, O.S. Abdulwahid, J. Sexton et al. // IEEE Journal of the Electron Devices Society. 2018. Vol. 6. P. 254–262. DOI: https://doi.org/10.1109/JEDS.2018.2797951
15. Quintana J.M., Avedillo M.J., Nunez J., Pettenghi Roldan H. Operation limits for RTD-based MOBILE circuits // IEEE Transactions on Circuits and Systems I: Regular Papers. 2009. Vol. 56. No. 2. P. 350–363. DOI: https://doi.org/10.1109/TCSI.2008.925943
16. Maezawa K., Sugiyama H., Kishimoto S., Mizutani T. 100 GHz operation of a resonant tunneling logic gate MOBILE having a symmetric configuration // 2006 Int. Conf. Indium Phos-phide and Related Materials. Princeton, NJ: IEEE, 2006. P. 46–49. DOI: https://doi.org/10.1109/ICIPRM.2006.1634108
17. Nikodem М. Synthesis of multithreshold threshold gates based on negative differential resistance devices // IET Circuits, Devices & Systems. 2013. Vol. 7. Iss. 5. P. 232–242. DOI: https://doi.org/10.1049/iet-cds.2012.0368
18. Yao Mq., Yang K., Shen Jz., Xu C. Function synthesis algorithm based on RTD-based three-variable universal logic gates // Frontiers Inf. Technol. Electronic Eng. 2017. Vol. 18. P. 1654–1664. DOI: https://doi.org/ 10.1631/FITEE.1601730
19. Cherkasov K.V., Meshkov S.A., Makeev M.O. Application of computer statistical expe-riment for studying resonant-tunneling diode parameter reproducibility under batch production conditions // 2018 International Russian Automation Conference (RusAutoCon). Sochi: IEEE, 2018. P. 1–4. DOI: https://doi.org/ 10.1109/RUSAUTOCON.2018.8501823
20. Analysis of the eight parameter variation of the resonant tunneling diode (RTD) in the rapid thermal annealing process with resistance compensation effect / F. Zhao, Y. Wang, W. Guo et al. // AIP Advances. 2020. Vol. 10. Iss. 3. Art. ID: 035103. DOI: https://doi.org/10.1063/1.5133899
21. Resonant-tunnelling diodes as PUF building blocks / I.E. Bagci, Th. McGrath, Ch. Barthelmes et al. // IEEE Transactions on Emerging Topics in Computing. 2021. Vol. 9. Iss. 2. P. 878–885. DOI: https://doi.org/ 10.1109/TETC.2019.2893040
22. Time-domain analysis of large-signal-based nonlinear models for a resonant tunneling diode with an integrated antenna / K. Asakawa, Y. Itagaki, H. Shin-Ya et al. // IEICE Transac-tions on Electronics. 2012. Vol. E95.C. Iss. 8. P. 1376–1384. DOI: https://doi.org/10.1587/transele.E95.C.1376
23. Accurate small-signal equivalent circuit modeling of resonant tunneling diodes to 110 GHz / R. Morariu, J. Wang, A.C. Cornescu et al. // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. 2019. Vol. 67. No. 11. P. 4332–4340. DOI: https://doi.org/10.1109/TMTT.2019.2939321
24. EM simulation assisted parameter extraction for transferred-substrate InP HBT model-ing / T. Johansen, R. Doerner, N. Weimann et al. // International Journal of Microwave and Wireless Technologies. 2018. Vol. 10. Sp. iss. 5-6. P. 1–9. DOI: https://doi.org/10.1017/S1759078718000636
25. Бондарев А.В., Ефанов В.Н. Принципы формирования математической модели наноэлектронных компонентов квантовых вычислительных комплексов с мемрезистив-ными ветвями // Системы управления и информационные технологии. 2020. № 1 (79). С. 4–10.
26. Bondarev A.V., Efanov V.N. Dynamic mode of the mathematical model of an electric multipole with memresistive branches in conditions of interval uncertainty // 2020 IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. Eng. 2020. Vol. 976 (1). Art. ID: 012013. DOI: https://doi.org/10.1088/1757-899X/976/1/012013
27. Alefeld G., Mayer G. Interval analysis: theory and applications // Journal of Computa-tional and Applied Mathematics. 2000. Vol. 121. P. 421–464. DOI: https://doi.org/10.1016/S0377-0427(00)00342-3
28. Kaucher E. Interval analysis in the extended interval space IR // Fundamentals of Nu-merical Computation (Computer-Oriented Numerical Analysis) / eds. G. Alefeld, R.D. Grigorieff. Wien: Springer, 1980. P. 33–49. DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-7091-8577-3_3