Металлические наноантенны в качестве устройств передачи-приема данных в каналах TSV тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Серов Дмитрий Алексеевич

• Серов Дмитрий Алексеевич
• кандидат наук
• 2024

Оглавление диссертации кандидат наук Серов Дмитрий Алексеевич

Введение

Глава 1 Актуальные сведения о плазмонных антеннах (литературный обзор)

1.1. Существующие плазмонные антенны

1.2. Анализ беспроводных каналов связи

1.3. Способы формирования плазмонных структур

1.4. Архитектуры оптических систем передачи сигнала

Выводы по главе

Глава 2 Теоретические методики исследования разработанной топологии оптической антенны

2.1. Параметры антенны

2.2. Граничные условия расчетов

Глава 3 Моделирование оптических антенн

3.1. Подбор топологии антенны

3.2. Оптимизация архитектуры антенны

3.3. Моделирование передачи сигнала между наноантеннами

3.4. Масштабирование архитектуры

3.5. Поведение при близком расположении каналов TSV

Глава 4 Технологический маршрут

Заключение

Список использованной литературы

Список опубликованных работ

Приложение

Список сокращений и условных обозначений

ЗЭ-ИС - трехмерная интегральная схема

БСЧ - беспроводная сеть на чипе

БССЧ - беспроводная система связи на чипе

КМОП - кристалл-металл-оксид-полупроводник

МПСК - многопроцессорные системы на кристалле

ОССЧ - оптическая система связи на чипе

ПММА - полиметилметакрилат

СЧ - сеть на чипе

HSQ - водород - силсесквиоксан

ЭЛЛ - электронно-лучевая литография

FDTD - метод разницы во времени в конечной области

ИС - интегральная схема

PLPA - планарная периодическая антенна

TSV - Through Silicon Via

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Металлические наноантенны в качестве устройств передачи-приема данных в каналах TSV»

Введение

В начале 70-х годов двадцатого века интегральные схемы (ИС) становились все сложнее. При переходе к архитектуре, состоящей из большого количества транзисторов, возросло значение межсоединений. Со временем транзисторы становились все меньше, что напрямую влияло на востребованность каналов связи между массивами микроэлементов, поскольку также усложнялись микросхемы, расширялся их функционал, увеличивалась пропускная способность шины вместе с количеством входов и выходов. Все это привело к созданию 3Э-ИС, и появились вертикальные каналы, соединяющие различные уровни чипов. Пример подобной структуры представлен на рисунке 1.

Рисунок 1 - Множество интегральных схем, расположенных на одной подложке, связанных между собой коммутационными каналами

В 2Э-микросхемах каждая матрица упаковывается отдельно и размещается на печатной плате. Затем несколько штампов в одних и тех же упаковках соединяются с помощью токопроводящих проволочных дорожек. Укладка нескольких штампов друг на друга в одной упаковке занимает меньше места, чем если бы эти штампы были размещены рядом. Меньшее

расстояние между расположенными штабелями матрицами позволяет ускорить обмен данными от одной заведомо исправной матрицы к другой, затрачивая меньше энергии.

С замедлением действия закона Мура упаковка большего количества функциональных возможностей в одну матрицу не всегда является лучшим способом разработки следующего поколения полупроводниковых устройств. ЭЭ-технологии предлагают жизнеспособную и ценную альтернативу, обеспечивая преимущества в производительности, мощности и занимаемой площади за счет вертикальной укладки кремниевых пластин или матриц в отдельно упакованное устройство. Данная технология имеет следующие преимущества:

• Снижение затрат и занимаемой площади. Увеличение размеров конструкции, как с точки зрения функциональности, так и плотности расположения элементов, приводит к серьезным проблемам с затратами и производительностью, а также к увеличению циклов разработки. Большая система с различными компонентами имеет различные преимущества с точки зрения кремниевой реализации. Вместо того чтобы размещать весь чип в самом сложном и/или дорогостоящем технологическом узле, гетерогенная интеграция позволяет использовать "правильный" узел для разных частей системы. Это позволяет использовать продвинутые/ дорогие узлы только для критических частей системы и менее дорогие узлы для менее критичных частей.

• Более высокая пропускная способность. Разработчики приборов с течением времени интегрируют в чип все больше функционально различающихся элементов и стараются повысить производительность устройств. Но при этом возникают проблемы с энергетическими и тепловыми характеристиками приборов, что особенно важно в таких приложениях, как мобильные устройства, носимые устройства дополненной реальности и интернет вещей. Хотя проблема встает все острее и для таких областях, как высокопроизводительные вычисления, где общее энергопотребление также

является приоритетным. Внедрение трехмерных структур позволяет дизайнерам продолжать расширять функциональность продукта, не превышая ограничений по площади и высоте и, в то же время, снижая затраты на изготовление.

• Более низкое энергопотребление.

• Гетерогенная интеграция. Использование нескольких разнородных штампов обеспечивает гибкость, поскольку позволяет соединять в едином приборе различные производственные процессы, технологические узлы и даже различные базовые технологии. Существующие чипы можно использовать повторно, не переделывая их для встраивания в одну матрицу, что является еще одной формой снижения риска. Кроме того, это дает возможность ориентироваться на множество приложений конечного рынка за счет повторного использования.

Передача данных в полученные матрицы и обратно осуществляется через каналы Through Silicon Via (TSV), которые представляют собой физические каналы, расположенные вертикально и заполненные проводящим материалом, чаще всего медью. Соединение штабелированных матриц в один пакет вместо нескольких пакетов на печатной плате увеличивает плотность ввода-вывода в 100 раз. Передача энергии на бит может быть уменьшена до 30 раз с помощью новейших технологий.

Однако эта технология не лишена недостатков. В связи с применением меди в качестве материала, заполняющего канал TSV, она имеет следующие проблемы:

• Нагрев каналов связи. Данный недостаток обусловлен различными

значения коэффициента теплового расширения меди (17* 10-6 1/оС) и кремния

(2*10-6 1/оС). На этапе монтажа в процессе Via middle диэлектрический слой

SiO2 формируется путем термохимического осаждения из паровой фазы в

высоком диапазоне температур между 400°C и 600°C. Следовательно, медь,

заполняющая TSV, также подвергается воздействию высокой температуры,

что приводит к излишнему температурному напряжению вдоль всей

6

поверхности медного канала. Это может приводить к возникновению трещин на границе раздела между медью и кремнием.

• Окисление меди в процессе эксплуатации приводит к изменению ее изначальных свойств, ухудшению передаточных характеристик, и уменьшению срока эксплуатации готового изделия.

В связи с представленными недостатками существующей технологии обмена сигналами между слоями интегральной схемы, предлагается заменить медные каналы на более перспективную технологию передачи данных на базе элементов, относящихся к области нанофотоники, которые способны передавать сигналы беспроводным способом, - оптических антенн.

Антенна - это преобразователь, предназначенный для передачи или приема электромагнитных волн. Антенны очень полезны для связи и постоянно востребованы в течение последних нескольких десятилетий. Будучи широко используемым устройством в современном обществе, антенны широко используются в таких системах, как радио- и телевизионное вещание, радар и исследование космоса. Для оценки производительности антенн обычно используют следующие технические характеристики: диаграмма направленности, коэффициент усиления, эффективность и полоса пропускания. Эти параметры могут быть скорректированы в процессе проектирования топологии антенны. Было проведено значительное количество исследований и экспериментов для улучшения передаточных характеристик и топологии антенн. Исследование антенны включает в себя изучение области ближнего и дальнего поля. Эти две области определены для удобства исследования, чтобы определить распределение поля антенны. В области ближнего поля антенна не излучает всю энергию на бесконечные расстояния; скорее, некоторая энергия остается захваченной в области вблизи антенны. Поэтому распределение углового поля очень сильно зависит от расстояния до антенны. Однако в области дальнего поля, энергия излучается на бесконечное расстояние от источника, так что распределение углового поля не зависит от этого расстояния.

Применение большинства популярных антенн в основном ограничено радио/микроволновой частотой в электромагнитном (ЭМ) спектре. Оптические наноантенны, что следует из названия, преодолевают данное ограничение и работают в оптическом диапазоне частот ЭМ спектра.

Наноантенны - это крошечные антенные устройства, которые по своей сути ничем не отличаются от антенн больших размеров, за исключением, как указано выше, рабочего диапазона частот. Разработка наноантенн для оптической связи началась в конце 1990-х - начале 2000-х годов, когда исследователи впервые начали изучать потенциал плазмонных резонансов для оптической связи. Плазмонные резонансы возникают, когда свет взаимодействует с металлическими наноструктурами, и их можно использовать для создания высокоэффективных наноантенн.

Изначально данные устройства рассматривались как устройства для накопления электромагнитного излучения в виде солнечного света. Уже существуют солнечные элементы с р-п переходами, которые используются в качестве устройств для сбора солнечной энергии. Однако в подобного рода устройстве поглощаются только фотоны, энергия которых превышает ширину запрещенной зоны (1,1 эВ) кремния. Разница между энергией фотонов и энергией запрещенной зоны преобразуется в тепловую энергию через колебания решетки фононов вместо электрической энергии. Это приводит к снижению его эффективности. КПД таких приборов составляет не более 30% в однопроходных солнечных элементах и до 55% в многопроходных солнечных элементах. С другой стороны, наноантенны могут давать эффективность более 70% [1]. Кроме того, они занимают гораздо меньше места и их производство не требует большого количества ресурсов, что делает их ощутимо дешевле и выгоднее подобных солнечных батарей.

В первые годы исследователи сосредоточились на разработке простых конструкций наноантенн и демонстрации их потенциала для оптической связи. Это включало оптимизацию размера и формы наноантенн, чтобы

максимизировать их производительность, и тестирование их способности передавать и принимать оптические сигналы.

В дальнейшем, исследователи начали изучать более сложные конструкции наноантенн: их массивы и гибридные наноантенны, соединяющие в себе плазмонные и диэлектрические материалы. Началась разработка новых технологий изготовления, таких как прямая лазерная запись и электронно-лучевая литография, которые позволяют точно контролировать размер и форму наноантенн.

В последние годы было продемонстрировано, что наноантенны способны к высокоскоростной передаче данных, причем скорости приближаются к скорости традиционных оптических волокон. Также было проведено несколько экспериментальных демонстраций наноантенн в качестве приемопередатчиков-приемников оптических сигналов, демонстрирующих их потенциал для компактной, недорогой и высокоскоростной оптической связи.

Наноантенны обладают рядом преимуществ по сравнению с традиционными системами беспроводной передачи сигналов, включая повышенную эффективность, улучшенную производительность, а также уменьшенные размеры и стоимость. Поскольку передача сигналов в них осуществляется в терагерцовом диапазоне частот, скорость передачи сигналов по сравнению с более крупногабаритными аналогами выше на несколько порядков (рабочий диапазон патч-антенн находится в гигагерцовых величинах). Массивы наноантенн возможно применять для передачи данных на поверхности интегральных схем [1-3]. Следовательно, вместе с этим увеличится и объем передаваемых данных в условный промежуток времени, возрастет вычислительная способность матрицы. Несмотря на неуклонно растущую популярность наноантенн, количество исследований их применения в качестве устройств передачи сигналов в вычислительных приборах пока что является относительно небольшим.

Следует, однако, отметить, что у наноантенн имеются и недостатки. Основным является небольшая дальность передачи сигнала. По сравнению с более крупногабаритными аналогами, оптические антенны обладают небольшим коэффициентом усиления сигнала, что приводит к тому, что они до этого рассматривались только в качестве коллекторов электромагнитного излучения [5].

Помимо того, остается актуальной проблема одновременного создания большого количества наноразмерных структур на поверхности подложки [5, 6].

Другая актуальная проблема связана с разработкой архитектуры приемно-передающего устройства нанофотоники, позволяющего коммутировать кристаллы 3-0 ИС.

Цели и задачи

В связи с этим в рамках представляемой диссертационной работы была поставлена цель - разработать систему приема-передачи данных с помощью оптических наноантенн в трехмерном интегральном чипе. В случае успешной реализации данной технологии в разы возрастут передаточные характеристики современных вычислительных систем: увеличится количество передаваемых тактовых импульсов с величины нескольких десятков ГГц [7, 8] до сотен ТГц, что напрямую влияет на количество совершаемых операций в условный промежуток времени, но и на объеме передаваемой информации. Одним из путей решения поставленной задачи является интеграция плазмонных наноантенн с технологией ТБУ-соединений.

Для достижения поставленной цели, были сформулированы следующие задачи:

1. Разработать топологию оптической наноантенны, позволяющую преодолеть недостаток, связанный с малым коэффициентом усиления сигнала;

2. Разработать топологии наноантенн для передачи сигнала в вертикальном и латеральном направлениях с приемлемыми характеристиками;

3. Промоделировать систему передачи-приема сигнала через канал TSV;

4. Отработать критические операции технологического маршрута формирования наноантенн.

Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем:

1. Впервые предложена концепция передачи информации между слоями 3D-MC с помощью наноантенн.

2. Впервые разработана топология оптической наноантенны с наибольшим размером, равным 205 нм, которую можно использовать для передачи-приема сигнала в каналах TSV минимального с технологической точки зрения диаметра.

3. Разработана новая топология наноантенны, способной передавать сигнал на расстояние до 50 мкм, что является оптимальной высотой канала TSV.

4. Впервые произведен расчет беспроводной системы передачи сигнала, состоящей из двух наноантенн, между слоями 3D ИС.

5. Показано влияние среды распространения сигнала в канале TSV на передаточную способность оптической антенны.

Практическая значимость данной работы состоит в увеличении скорости передачи информации между слоями трехмерной интегральной схемы. Полученные результаты говорят нам о том, что возможно решить актуальную проблему нагрева и деградации медных соединений в канале TSV, а также на несколько порядков увеличить частоту обмена данными между вычислительными блоками трехмерной интегральной схемы, что увеличит скорость расчетов и внутренних протекающих логических процессов.

Достоверность результатов обеспечивается комплексной характеризацией моделей с использованием современных методик расчетов, многократной воспроизводимостью расчетных данных.

Положения, выносимые на защиту:

1. Разработанная топология оптической наноантенны с наибольшим

размером 180 нм для передачи сигнала в плоскости пластины характеризуется

11

резонансной частотой 541.3 ТГц, коэффициентом отражения S11 -32 дБ и коэффициентом усиления сигнала 7,0.

2. Разработанная топология оптической наноантенны с наибольшим размером 205 нм для передачи сигнала в нормальном к плоскости пластины направлении имеет резонансную частоту 392.3 ТГц, коэффициент отражения S11 -20 дБ и коэффициент усиления 7.3. Система передачи-приема сигнала в канале TSV с использованием пары таких оптических наноантенн демонстрирует КПД передачи сигнала, равный 98 % на максимальном расстоянии 5 мкм.

3. Модифицированная плазмонная антенна с наибольшим размером 2 мкм имеет значение резонансной частоты, равное 40.8 ТГц, коэффициент отражения S11 = -20 дБ, коэффициент усиления - 6.4. Эффективность передачи сигнала в полом канале высотой 50 мкм и диаметром 5 мкм составляет 95%.

4. При расположении антенн в соседних каналах TSV друг напротив друга минимальное расстояние, на котором не наблюдается взаимное влияние систем передачи данных составляет ~3.9 мкм.

5. Проведена отработка критического этапа спроектированного технологического маршрута изготовления наноантенн. Подобраны дозы экспонирования негативного резиста для структур размером до 400 нм.

Личный вклад автора. Все, представленные в диссертации материалы, получены автором лично. Научный руководитель Хорин И.А. участвовал в постановке задач для исследования и в обсуждении результатов. В проведении экспериментов по отработке технологии изготовления маски принимал участие старший научный сотрудник ФТИАН им. К.А. Валиева РАН, к.ф.-м.н. Татаринцев Андрей Андреевич.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на международных конференциях «INTERMATIC-2017», «Micro- and Nano-Electronics 2021», «Micro- and Nanoelectronics 2023», российских конференциях «Оптотех - 2020» и «Оптотех 2022».

Публикации. Основные результаты по теме диссертации опубликованы в 9 печатных работах: 2 - в периодических научных журналах, индексируемых в международной базе данных Scopus, 3 - в журналах, рекомендованных ВАК, 4 - в сборниках докладов конференций, 2 - в тезисах докладов конференций. Все работы присутствуют в РИНЦ.

Структура работы. Диссертация состоит из введения, 3 глав, заключения и списка использованных источников, включающего 58 наименований. Объем диссертации составляет 110 страниц текста, включая 52 иллюстрации и 2 таблицы.

Глава 1 Актуальные сведения о плазмонных антеннах (литературный обзор)

1.1. Существующие плазмонные антенны

Авторы научной статьи [13] спроектировали и представили наноантенну в форме шестигранного цветка. Электрическое поле плотно сконцентрировано в верхней части цельнометаллического кронштейна вдоль нанозазора предлагаемой наноантенны. Следовательно, почти все электрическое поле чрезвычайно сильно концентрируется вокруг центрального зазора.

Рассматриваемая наноантенна имеет 6 лепестков длиной 360 нм, угол между лепестками составляет 60 градусов, расстояние между концами лепестков - 10 нм (рисунок 2.)

Рисунок 2 - а - исполнение наноантенны - цветка; б - усиление электрического поля в области центрального зазора при резонансной длине

волны [13]

Изучалось зависимость изменения электрического поля от длины волны. Входная мощность падающего излучения на наноантенну-цветок составляет 1 В/м. Предлагаемая наноантенна исследована в диапазоне длин волн от 450 до 850 нм. Дополнительно проводилось сравнение наноантенн различных конфигураций [10], [11], [12]. Предложенное исполнение имеет резонансную длину волны 680 нм, что соответствует видимому спектру излучения, а также максимуму излучения солнечной энергии. Свет состоит из электромагнитной волны, которая приводит в движение электроны металла. Как только электроны отклоняются от своего среднего положения, начинается процесс их колебания. Когда частота падающей волны совпадает с частотами

14

свободных колебаний металла, она генерирует локальный поверхностный плазмон. Следовательно, небольшое падающее возбуждение может вызвать сильное усиление электрического поля.

30

о

45,0 100 600 ТО 750 ЯОО ВИ

{пгт!

Рисунок 3 - Распределение электрического поля в зависимости от длины

волны падающего излучения [13]

Расчетная формула эффективности излучения наноантенны

вычислялась по формуле:

где Prad, ^ и Рщ^й представляют собой излучаемую мощность, мощность, рассеиваемую в материале, и мощность, подаваемую на клеммы, соответственно [14].

На рисунке 4 показано, что эффективность излучения представленной наноантенны составляет 72%. Это является хорошим показателем, и говорит о широком спектре применяемости представленной модификации наноантенны.

_ РгаЛ _ Ргай.

Рисунок 4 - Эффективность излучения наноантенны-цветка в зависимости от

длины волны падающего излучения [13]

1.2. Анализ беспроводных каналов связи

Авторы статьи [15] подробно разбирают характеристики беспроводного канала связи, учитывая при этом реализацию самой антенны, эффекты ближнего поля и многолучевого распространения.

С повышением уровня интеграции кремниевых технологий и переходом низкоразмерных структур к многоядерным конструкциям в ближайшие несколько лет ожидается многократное увеличение количества ядер на одном кристалле. Сеть на чипе (СЧ) и платформы для этих многопроцессорных систем на кристалле (МПСК) играют решающую роль в поддержании ожидаемого роста вычислительной производительности. Существующие СЧ с плоскими металлическими межсоединениями ограничены высокой задержкой и энергопотреблением многопереходных проводных линий связи для передачи данных на большие расстояния через чип. Улучшающие характеристики металлические провода не удовлетворяют требованиям к производительности сети в долгосрочной перспективе, и для удовлетворения коммуникационных потребностей МПСК необходимы новые типы межсоединений, имеющие кардинально другой подход к передаче информации. С этой целью были предложены новые подходы, такие как 3D-

интеграция, оптические межсоединения, радиочастотные межсоединения и беспроводные межсоединения с антеннами миллиметрового (мм) диапазона.

Из всех предложенных вариантов, беспроводные межсоединения миллиметрового диапазона являются наиболее подходящим выбором из-за их совместимости с существующими производственными процессами и простоты интеграции без необходимости внедрения значительных новых технологических инноваций или компромиссов. Кроме того, встроенные беспроводные каналы связи также больше подходят для широковещательных сообщений, которые довольно распространены в многоядерных системах. Исследования беспроводных сетей на чипе (БСЧ) показывают, что они обеспечивают повышение производительности СЧ за счет внесения изменений в существующие сети, что обеспечит низкую задержку и малое потребление энергии при передаче сигнала на большие расстояния [16]. Несмотря на ряд преимуществ использования беспроводных каналов связи в архитектуре СЧ, важно отметить, что результаты указанной работы были получены не на основе физических реализаций встроенных беспроводных каналов связи. При моделировании делается фундаментальное предположение о том, что передача сигнала по встроенному беспроводному каналу похожа на передачу сигнала в свободном пространстве (Воздух/Вакуум).

Было предпринято несколько попыток разработать и внедрить эффективные встроенные антенны и схемы беспроводных линий связи в БСЧ. В работе [17] была реализована антенна для внутрикристальной беспроводной связи, работающая в диапазоне от 10 до 100 ГГц.

В статье [18] представлена полностью интегрированная фазированная антенная решетка и конструкция приемопередатчика для беспроводной связи на кристалле, работающие на частоте 77 ГГц. Всесторонний обзор встроенных антенн, их реализации, преимуществ и проблем представлен в источнике [19]. Одновременно проводились исследования влияния свойств подложки и простых геометрий на характеристики и производительность встроенных антенн для беспроводной связи внутри чипа.

Для того, чтобы осуществить эффективное проектирование инфраструктуры беспроводной связи на кристалле, необходимо получить детальные характеристики беспроводных каналов для корректного модифицирования параметров проектирования технологии КМОП. В связи с этим возникает необходимость в обеспечении полного и глубокого анализа беспроводных каналов связи на чипе, включая влияние размера кремниевой подложки, диоксида кремния, массива металлических межсоединений и их конфигурации. Выводятся такие характеристики беспроводного канала, как потери в пути, отклонение задержек, задержка распространения, а также их взаимосвязи между собой, которые затем могут быть использованы для получения реалистичной оценки производительности передачи сигнала в БСЧ. Исследование [15] посвящено способам оптимизации параметров топологии антенн, приемопередатчиков и сетевых топологий на основе базового распространения сигнала через канал.

Чтобы достичь детального понимания характеристик распространения сигнала в беспроводном канале на кристалле с эффектами ближнего поля и многолучевого распространения, разрабатывается трехмерная модель сложной геометрии кристалла с металлическими интерференционными структурами. В модели применяется вычислительная логика на основе переходных доменов для моделирования распространения электромагнитного излучения между двумя антеннами в этих внутричиповых средах, благодаря чему изучается физика процесса передачи данных по беспроводному каналу связи. При моделировании применяется цельнометаллический слой из КМОП-чипов, антенна размещается в верхнем слое металла, для восприятия и изучения физических процессов распространения сигнала в оптическом канале используется модуль электромагнитного моделирования.

Антенны возбуждаются гауссовым источником с полосой пропускания

в диапазоне частот миллиметровых волн 55-65 ГГц. Рабочая частота выбрана

в диапазоне миллиметровых волн из-за совместимости миллиметровых антенн

с процессом изготовления КМОП. Анализ получаемого поля производится на

18

разных расстояниях от передающего сигнала антенны, в результате выводятся данные о потери на пути канала, а также разброс задержки и задержку распространения.

Авторы оценивают скорость затухания потерь на пути, разброс задержек и задержку распространения в зависимости от расстояния между передатчиком и приемником. Дополнительно проводится анализ влияния толщины слоя диоксида кремния и близости антенны к металлическим соединениям в этих структурах на характеристики антенны, такие как обратные потери, полоса пропускания и т.д. Эти анализы затем используются для определения руководящих принципов при проектировании антенных конструкций, их размещения, а также для вычисления требований к мощности передачи и скорости передачи данных беспроводных межсоединений для настройки базовых параметров проектирования аналоговых схем. Основными результатами этой работы являются:

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Серов Дмитрий Алексеевич, 2024 год

Список использованной литературы

1. G. A. E. Vandenbosch and Z. Ma, "Upper bounds for the solar energy harvesting efficiency of nano-antennas," Nano Energy, vol. 1, no. 3, pp. 494-502, 2012, doi: 10.1016/j.nanoen.2012.03.002.

2. M. R. Yahya, N. Wu, Z. A. Ali, and Y. Khizar, "Optical Versus Electrical: Performance Evaluation of Network On-Chip Topologies for UWASN Manycore Processors," WirelPers Commun, vol. 116, no. 2, pp. 963-991, Jan. 2021, doi: 10.1007/S11277-019-06630-5.

3. N. Khalid, N. A. Abbasi, and O. B. Akan, "Statistical characterization and analysis of low-THz communication channel for 5G Internet of Things," Nano Commun Netw, vol. 22, Dec. 2019, doi: 10.1016/J.NANC0M.2019.100258.

4. S. H. Gade, S. S. Ram, and S. Deb, "Millimeter wave wireless interconnects in deep submicron chips: Challenges and opportunities," Integration, vol. 64, pp. 127-136, Jan. 2019, doi: 10.1016/j.vlsi.2018.09.004.

5. К. И. М. , А. А. С. Бузин П. А., "Наноантенны и перспективы их развития," Электронный научный архив УрФУ, pp. 354-357, Dec. 2015, Accessed: Jan. 07, 2024. [Online]. Available: http://elar.urfu.ru/handle/10995/63789

6. D. Pavlov et al., "Direct laser printing of tunable IR resonant nanoantenna arrays," Appl Surf Sci, vol. 469, pp. 514-520, Mar. 2019, doi: 10.1016/J.APSUSC.2018.11.069.

7. S. Cui et al., "Experimentalstudy of metasurface-based nanoantennas array fabricated using heavy ion tracking for biochemistry sensing," Sens Actuators B Chem, vol. 273, pp. 815-820, Nov. 2018, doi: 10.1016/J.SNB.2018.06.124.

8. S. Wang et al., "Low-loss through silicon Vias (TSVs) and transmission lines for 3D optoelectronic integration," Microelectron Eng, vol. 238, Feb. 2021, doi: 10.1016/J.MEE.2021.111509.

9. J. H. Lau, "Overview and outlook of through-silicon via (TSV) and 3D integrations," Microelectronics International, vol. 28, no. 2, pp. 8-22, 2011, doi: 10.1108/13565361111127304.

10. L. Razzari et al., "Extremely large extinction efficiency and field enhancement in terahertz resonant dipole nanoantennas," Opt Express, vol. 19, no. 27, p. 26088, 2011, doi: 10.1364/oe.19.026088.

11. Y. M. Wu, L. W. Li, and B. Liu, "Gold bow-tie shaped aperture nanoantenna: Wide band near-field resonance and far-field radiation," IEEE Trans Magn, vol. 46, no. 6, pp. 1918-1921, 2010, doi: 10.1109/TMAG.2010.2043063.

12. H. Zhao, H. Gao, T. Cao, and B. Li, "Efficient full-spectrum utilization, reception and conversion of solar energy by broad-band nanospiral antenna," Opt Express, vol. 26, no. 2, p. A178, 2018, doi: 10.1364/oe.26.00a178.

13. R. Ranga, N. Shankhwar, Y. Kalra, and K. Kishor, "Design of hexameric flower shaped nanoantenna for energy harvesting," AIP Conf Proc, vol. 2136, no. August, pp. 1-5, 2019, doi: 10.1063/1.5120913.

14. Х. М. К. Краснок А.Е., Белов П.А., Кившарь Ю.С., Капитанова П.В., Белов П.А., Денисултанов А.Х., "Оптические наноантенны," vol. 5, no. 87, 2013.

15. S. H. Gade, S. S. Ram, and S. Deb, "Millimeter wave wireless interconnects in deep submicron chips: Challenges and opportunities," Integration, vol. 64, no. February 2018, pp. 127-136, 2019, doi: 10.1016/j.vlsi.2018.09.004.

16. S. H. Gade and S. Deb, "HyWin: Hybrid wireless NoC with sandboxed sub-networks for CPU/GPU architectures," IEEE Transactions on Computers, vol. 66, no. 7, pp. 1145-1158, 2017, doi: 10.1109/TC.2016.2643668.

17. A. Samaiyar, S. S. Ram, and S. Deb, "Millimeter-wave planar log periodic antenna for on-chip wireless interconnects," 8th European Conference on Antennas and Propagation, EuCAP 2014, no. EuCAP, pp. 1007-1009, 2014, doi: 10.1109/EuCAP.2014.6901936.

18. A. Natarajan, A. Komijani, X. Guan, A. Babakhani, and A. Hajimiri, "A 77-GHz phased-array transceiver with on-chip antennas in silicon: Transmitter and local LO-path phase shifting," IEEE J Solid-State Circuits, vol. 41, no. 12, pp. 2807-2818, 2006, doi: 10.1109/JSSC.2006.884817.

19. H. M. Cheema and A. Shamim, "The last barrier: On-chip antennas," IEEE Microw Mag, vol. 14, no. 1, pp. 79-91, 2013, doi: 10.1109/MMM.2012.2226542.

20. J. Volakis and T. Eibert, "Antenna Engineering Handbook," HEDH Multimedia, vol. 4, p. 1700, 2007, doi: 10.1615/hedhme.a.000153.

21. A. Natarajan, A. Komijani, X. Guan, A. Babakhani, and A. Hajimiri, "A 77-GHz phased-array transceiver with on-chip antennas in silicon: Transmitter and local LO-path phase shifting," in IEEE Journal of Solid-State Circuits, Dec. 2006, pp. 2807-2818. doi: 10.1109/JSSC.2006.884817.

22. P. Packan et al., "High Performance 32nm Logic Technology Featuring 2nd Generation High-k + Metal Gate Transistors," Current, pp. 659-662, 2010.

23. "CST, Cst Microwave Studio, Transient Solver [Online]. Available:, 2014 https:// www.cst.com/Products/CSTmws/TransientSolver.".

24. H. K. Mondal, S. H. Gade, R. Kishore, S. Kaushik, and S. Deb, "Power efficient router architecture for wireless Network-on-Chip," Proceedings -International Symposium on Quality Electronic Design, ISQED, vol. 2016-May, pp. 227-233, 2016, doi: 10.1109/ISQED.2016.7479205.

25. S. H. Gade and S. Deb, "Achievable performance enhancements with mm-wave wireless interconnects in NoC," Proceedings - 2015 9th IEEE/ACM International Symposium on Networks-on-Chip, NOCS 2015, pp. 9-10, 2015, doi: 10.1145/2786572.2786584.

26. J. Lee, J. Song, G. Y. Sung, and J. H. Shin, "Plasmonic waveguide ring resonators with 4 nm air gap and X02/15-000 mode-area fabricated using photolithography," Nano Lett, vol. 14, no. 10, pp. 5533-5538, 2014, doi: 10.1021/nl5018892.

27. S. Lee, S. C. Eom, J. S. Chang, C. Huh, G. Y. Sung, and J. H. Shin, "A silicon nitride microdisk resonator with a 40-nm-thin horizontal air slot," vol. 18, no. 11, pp. 11209-11215, 2010, doi: 10.1364/0E.18.011209.

28. K. Mohamed and M. M. Alkaisi, "Investigation of a nanofabrication process to achieve high aspect-ratio nanostructures on a quartz substrate," Nanotechnology, vol. 24, no. 1, 2013, doi: 10.1088/0957-4484/24/1/015302.

29. M. Muhammad, S. C. Buswell, S. K. Dew, and M. Stepanova, "Nanopatterning of PMMA on insulating surfaces with various anticharging schemes using 30 keV electron beam lithography," Journal of Vacuum Science & Technology B, Nanotechnology and Microelectronics: Materials, Processing, Measurement, and Phenomena, vol. 29, no. 6, p. 06F304, 2011, doi: 10.1116/1.3636367.

30. L. Gao, T. Li, X. Shi, P. Kumar, R. Li, and B. Liu, "The fabrication of gold colloidal nanoantennas by a full wet surface assembly technique," Applied Physics Express, vol. 12, no. 6, 2019, doi: 10.7567/1882-0786/ab248a.

31. N. Thawdar, M. Andrello, and J. M. Jornet, "Modeling and performance analysis of a reconfigurable plasmonic nano-antenna array architecture for Terahertz communications," Proceedings of the 5th ACM International Conference on Nanoscale Computing and Communication, NANOCOM 2018, pp. 3-8, 2018, doi: 10.1145/3233188.3233214.

32. I. F. Akyildiz, J. M. Jornet, and C. Han, "Terahertz band: Next frontier for wireless communications," Physical Communication, vol. 12, pp. 16-32, 2014, doi: 10.1016/j.phycom.2014.01.006.

33. A. C. Ferrari et al., "Science and technology roadmap for graphene, related two-dimensional crystals, and hybrid systems," Nanoscale, vol. 7, no. 11, pp. 4598-4810, 2015, doi: 10.1039/c4nr01600a.

34. L. Ju et al., "Graphene plasmonics for tunable terahertz metamaterials," Nat Nanotechnol, vol. 6, no. 10, pp. 630-634, 2011, doi: 10.1038/nnano.2011.146.

35. J. M. Jornet and I. F. Akyildiz, "Graphene-based plasmonic nano-transceiver for terahertz band communication," 8th European Conference on Antennas and Propagation, EuCAP 2014, no. EuCAP, pp. 492-496, 2014, doi: 10.1109/EuCAP.2014.6901799.

36. L. Zakrajsek, E. Einarsson, N. Thawdar, M. Medley, and J. M. Jornet, "Lithographically Defined Plasmonic Graphene Antennas for Terahertz-Band Communication," IEEE Antennas Wirel Propag Lett, vol. 15, no. c, pp. 1553-1556, 2016, doi: 10.1109/LAWP.2016.2527001.

37. P. K. Singh, G. Aizin, N. Thawdar, M. Medley, and J. M. Jornet, "Graphene-based plasmonic phase modulator for Terahertz-band communication," 201610th European Conference on Antennas and Propagation, EuCAP 2016, 2016, doi: 10.1109/EuCAP.2016.7481218.

38. M. R. Yahya, N. Wu, Z. A. Ali, and Y. Khizar, "Optical Versus Electrical: Performance Evaluation of Network On-Chip Topologies for UWASN Manycore Processors," WirelPers Commun, vol. 116, no. 2, pp. 963-991, 2021, doi: 10.1007/s11277-019-06630-5.

39. D. Bertozzi, G. Dimitrakopoulos, J. Flich, and S. Sonntag, "The fast evolving landscape of on-chip communication selected future challenges and research avenues," Design Automation for Embedded Systems, vol. 19, no. 1, pp. 59-76, 2015, doi: 10.1007/s10617-014-9137-6.

40. A. Ben Achballah, S. Ben Othman, and S. Ben Saoud, "Problems and challenges of emerging technology networks-on-chip: A review," Microprocess Microsyst, vol. 53, pp. 1-20, 2017, doi: 10.1016/j.micpro.2017.07.004.

41. W. Li, B. Guo, X. Li, Y. Zhou, S. Huang, and G. N. Rouskas, "A large-scale nesting ring multi-chip architecture for manycore processor systems," Optical Switching and Networking, vol. 31, no. October 2018, pp. 183-192, 2019, doi: 10.1016/j.osn.2018.10.004.

42. M. R. Yahya, N. Wu, G. Yan, and Y. Yasir, "Review of Photonic and Hybrid on Chip Interconnects for MPSoCs in IoT Paradigm," 21st Saudi Computer Society National Computer Conference, NCC 2018, no. 1, pp. 1-6, 2018, doi: 10.1109/NCG.2018.8593055.

43. K. Bergman, L. P. Carloni, J. Chan, and G. Hendry, Photonic Network-on-Chip Design, 68th ed. New-York: Integrated Circuits and Systems, 2014.

44. L. Ramini, P. Grani, S. Bartolini, and D. Bertozzi, "Contrasting wavelength-routed optical NoC topologies for power-efficient 3d-stacked multicore processors using physical-layer analysis," Proceedings -Design, Automation and Test in Europe, DATE, pp. 1589-1594, 2013, doi: 10.7873/date.2013.323.

45. S. Werner, J. Navaridas, and M. Lujan, "Designing Low-Power, Low-Latency Networks-on-Chip by Optimally Combining Electrical and Optical Links," Proceedings - International Symposium on High-Performance Computer Architecture, pp. 265-276, 2017, doi: 10.1109/HPCA.2017.23.

46. A. H. A. Badawy, "MorphoNoC: Exploring the design space of a configurable hybrid NoC using nanophotonics," Microprocess Microsyst, vol. 50, pp. 113-126, 2017, doi: 10.1016/j.micpro.2017.03.006.

47. M. Palesi, T. Mak, Association for Computing Machinery, ACM Digital Library., and B. C. ) Annual International Symposium on Microarchitecture (45th: 2012: Vancouver, Power Efficiency of Wavelength-Routed Optical NoC Topologies for Global Connectivity of 3D Multi-Core Processors.

48. J. Chan, G. Hendry, A. Biberman, and K. Bergman, "Architectural exploration of chip-scale photonic interconnection network designs using physical-layer analysis," Journal of Lightwave Technology, vol. 28, no. 9, pp. 1305-1315, 2010, doi: 10.1109/JLT.2010.2044231.

49. X. Tan, M. Yang, L. Zhang, Y. Jiang, and J. Yang, "On a Scalable, Non-Blocking Optical Router for Photonic Networks-on-Chip Designs."

50. EDA Association., ACM Special Interest Group on Design Automation., IEEE Computer Society. Technical Council on Test Technology., and IEEE Council on Electronic Design Automation., A Low-Power Fat Tree-based Optical Network-on- Chip for Multiprocessor System-on-Chip. EDAA, 2009.

51. J. T. I. O. G. N. B. and P. P. S 'ebastien Le Beux, Optical Ring Network-on-Chip (ORNoC): Architecture and Design Methodology.

52. M.R. Yahya, N. Wu, Z.A. Ali, and Y. Khizar, "Optical Versus Electrical: Performance Evaluation of Network On-Chip Topologies for UWASN

Manycore Processors," Wirel Pers Commun, vol. 116, no. 2, pp. 963-991, 2021, doi: 10.1007/s11277-019-06630-5.

53. A. Ben Achballah, S. Ben Othman, and S. Ben Saoud, "Problems and challenges of emerging technology networks-on-chip: A review," Microprocess Microsyst, vol. 53, pp. 1-20, 2017, doi: 10.1016/j.micpro.2017.07.004.

54. W. Li, B. Guo, X. Li, Y. Zhou, S. Huang, and G. N. Rouskas, "A large-scale nesting ring multi-chip architecture for manycore processor systems," Optical Switching and Networking, vol. 31, no. October 2018, pp. 183-192, 2019, doi: 10.1016/j.osn.2018.10.004.

55. M. R. Yahya, N. Wu, G. Yan, and Y. Yasir, "Review of Photonic and Hybrid on Chip Interconnects for MPSoCs in IoT Paradigm," 21st Saudi Computer Society National Computer Conference, NCC 2018, no. 1, pp. 1-6, 2018, doi: 10.1109/NCG.2018.8593055.

56. K. Bergman, L.P. Carloni, J. Chan, and G. Hendry, Photonic Network-on-Chip Design, 68th ed. New-York: Integrated Circuits and Systems, 2014.

57. Serov D.A., Khorin I.A. Simulation of a System of Nanoantennas Located in a TSV Channel as a System for Receiving and Transmitting Data // Russian Microelectronics - 2023 - V.52 - p.198-204.

58. Serov D.A., Khorin I.A. Investigation of the Characteristics of a Wireless Communication System Consisting of Metal Nanoantennas in 50 ^M TSV Channel // Russian Microelectronics - 2024 - V.52 (Suppl 1) - S151-S158

Список опубликованных работ

1. Серов Д.А., Сурин А.И., Хорин И.А. Исследование пленок Au и Pt нанометровой толщины // Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения «INTERMATIC-2017» [Электронный ресурс]: материалы Международной научно-технической конференции «INTERMATIC- 2017», 20-24 ноября 2017 г., Москва / Моск. технол. ун-т; под ред. академика РАН А.С. Сигова. - Электрон. текстовые дан. (349 МБ). - М.: МИРЭА, 2017. - с. 4750. EDN: YWOCOA (РИНЦ)

2. Серов Д.А., Сурин А.И., Хорин И.А. Исследование пленок Cu нанометровой толщины // Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения «INTERMATIC-2017» [Электронный ресурс]: материалы Международной научно-технической конференции «INTERMATIC- 2017», 20-24 ноября 2017 г., Москва / Моск. технол. ун-т; под ред. академика РАН А.С. Сигова. - Электрон. текстовые дан. (349 МБ). - М.: МИРЭА, 2017. - с. 152-155. EDN: YWOCXA. (РИНЦ)

3. Серов Д.А., Першина Х.В., Бурдина И.В. Моделирование наноантенн для их дальнейшего применения в качестве устройств приема-передачи данных на 3D-интегральных схемах // Российский технологический журнал - 2020 - Т.8(6) - С.109-120. DOI: 10.32362/2500-316X-2020-8-6-109-120, (ВАК, РИНЦ)

4. Serov D.A., Khorin I.A., Pershina H.V., Aliev A.M. Development of nanoantenna array technology for switching in 3-D integrated circuits // Micro- and Nano-Electronics 2021: Proceedings of the International Conference (October 4-8, 2021, Zvenigorod, Russia): Book of Abstracts / Ed. by V.F. Lukichev, K.V. Rudenko. Compiler V.P. Kudrya. - Moscow : MAKS Press - 2021. — P1—26. — DOI: 10.29003/m2433.ICMNE-2021. (РИНЦ)

5. Серов Д.А., Хорин И.А., Першина Х.В., Бурдина И.В. Моделирование наноантенн для их дальнейшего применения в качестве устройств приема-передачи данных на 3D-интегральных схемах // В сборнике: Оптические технологии, материалы и системы (Оптотех - 2020). Сборник

104

докладов Российской научно-технической конференции с международным участием. Москва, 2020. С. 291-296. EDN: RRBLII (РИНЦ)

6. Серов Д.А., Хорин И.А. Разработка архитектуры золотой наноантенны для передачи данных на BD-интегральных схемах через каналы TSV // В сборнике: Оптические технологии, материалы и системы ("Оптотех 2022"). Сборник докладов конференции. Москва, 2022. С. 443-448.- С.443-448 EDN: XESRFA (РИНЦ)

7. Serov D.A., Khorin I.A. Simulation of a System of Nanoantennas Located in a TSV Channel as a System for Receiving and Transmitting Data // Russian Microelectronics - 2023 - V.52 - p.198-204. DOI: 10.1134/S1063739723700385 Серов Д.А., Хорин И.А. Моделирование системы наноантенн, расположенных в канале TSV, в качестве системы приема-передачи данных // Микроэлектроника - 2023 - Т.52(3) - с.240-246 -EDN: UEFFUV DOI: 10.31857/S0544126923700333 (Scopus, ВАК, РИНЦ)

8. Serov D.A., Khorin I.A. Investigation of the Characteristics of a Wireless Communication System Consisting of Metal Nanoantennas in 50 цМ TSV Channel // Micro- and Nano-Electronics - 2023: Proceedings of the International Conference (October 2-6, 2023, Zvenigorod, Russia): Book of Abstracts / Ed. by V.F. Lukichev, K.V. Rudenko/ Compiler V.P. Kudrua. - M.: MAKS Press, 2023 -

- O1—05. — DOI: 10.29003/m3563.ICMNE-2023 (РИНЦ, Scopus)

9. Serov D.A., Khorin I.A. Investigation of the Characteristics of a Wireless Communication System Consisting of Metal Nanoantennas in 50 ^M TSV Channel // Russian Microelectronics - 2024 - V.52 (Suppl 1) - S151-S158. DOI: 10.1134/S1063739723600279 (Scopus, ВАК, РИНЦ)

10. Акт внедрения программы для ЭВМ № 0260/02 «Программа расчета геометрических параметров приемника-передатчика сигнала в зависимости от частоты падающего излучения» / Серов Д.А. // Научно-производственный центр Автоматики и Приборостроения им. Н.А. Пилюгина

- 2024.

Приложение 1

«УТВЕРЖДАЮ» Начальник отделения 02 Научно-Производственного Центра Автоматики и Приборостроения

^^VcK. Пилюгина у Прохоров Д.Ю. «#» P<f 2024 г.

Акт № 0260/02

Внедрения программы для ЭВМ

«Программа расчета геометрических параметров приемника-передатчика сигнала в зависимости от частоты падающего излучения»

Автор: Серов Д.А.

Я, нижеподписавшийся, подтверждаю, что программа для ЭВМ «Программа расчета геометрических параметров приемника-передатчика сигнала в зависимости от частоты падающего излучения» реализована в составе комплекта ИА-Монитор-МК в полном объеме.

Программа для ЭВМ «Программа расчета геометрических параметров приемника-передатчика сигнала в зависимости от частоты падающего излучения» предназначена для ЭВМ, способных выполнять программы, написанные на языке программирования Python. Программа производит расчет геометрических параметров беспроводной системы связи, передающую информацию на расстояние, зависящее от частоты падающего излучения (базовое расстояние - 50 мкм при частоте падающего излучения 40 ТГц), между вычислительными ядрами устройства. При этом скорость и объем передачи данных значительно выше существующих аналогов.

Благодаря включению программы для ЭВМ «Программа расчета геометрических параметров приемника-передатчика сигнала в зависимости от частоты падающего излучения» в состав комплекта ИА-Монитор были

получены геометрические параметры системы связи, располагаемой в вычислительных кластерах испытательных блоков. Следствием внедрения этой беспроводной системы приема-передачи данных является снижение задержки сигнала при его передаче по протоколу Манчестер, что приводит к повышению надежности испытательного комплекса и качества выпускаемой продукции предприятия.

Начальник лаборатории 0272

Автор: