RW Space

В последние годы производительность компьютерных чипов столкнулась с физическими ограничениями пространства, доступного на интегральных схемах.

Теперь исследователи думают, что нашли решение: начать строить вверх.

Инновация может помочь расширить или даже превзойти гипотезу закона Мура, выдвинутую в 1960-х годах председателем правления Intel Гордоном Муром.

В ней говорится, что благодаря технологическим достижениям количество транзисторов на чипах должно удваиваться каждые два года для одного и того же показателя. стоимость.

Больше транзисторов, как правило, означает большую вычислительную мощность, но теперь у производителей компонентов просто не хватает места и возможностей сделать транзисторы меньше.

Новое исследование находит способ складывать чипы вертикально, используя тот же кремний, что и нынешняя технология, и почти с той же производительностью.

Команда, стоящая за прорывом, из Университета Иллинойса в Урбане-Шампейне в США, говорит, что этот подход потенциально может улучшить плотность и скорость вычислений, одновременно снижая энергопотребление за счет повышения эффективности и сокращения затрат.

«Сегодня для хранения одного бита информации требуется шесть микроэлектронных устройств, называемых транзисторами, на одной плоскости», — говорит ученый-материаловед Цин Цао.

«Благодаря вертикальной интеграции вы можете распределить их по нескольким уровням. Это все равно, что заменить обширный пригород высотными зданиями: вы получаете ту же функциональность, но занимаемое пространство уменьшается, а связь между уровнями становится быстрее и эффективнее».

Технология укладки чипсов изучалась и раньше, но большой проблемой был нагрев.

Процессы, необходимые для изготовления чипсов, требуют очень высоких температур, около 1000 °C (1832 °F). Поэтому, если вы сделаете второй слой, вы, по сути, обжарите первый.

Хотя слои могут быть запекаемые отдельно и впоследствии подключаемые или изготовленные из более термостойкого материала, они серьезно влияют на вычислительную мощность.

Полученные чипы не обеспечивают такой же производительности, плотности слоев или интеграции электроники, как версии с «монолитной интеграцией», описанные здесь.

«Монолитная интеграция — это то, что раскрывает все возможности 3D-чипов», — говорит Цао.

«Впервые мы достигли теплового бюджета монолитной 3D-интеграции, используя стандартный монокристаллический кремний и продемонстрировал беспрецедентные характеристики».

Исследователи преодолели тепловое препятствие несколькими способами. Они использовали то, что они называют «беспереходными» транзисторами, по сути изменяя химический состав слоев схемы, чтобы инженерные работы, требующие высоких температур, можно было выполнить заранее, до сборки.

Они также использовали для своих слоев ультратонкие гибкие кремниевые наномембраны, а не традиционные пластины. Нанесение этих слоев больше похоже на раскатывание, чем на укладку, и его можно выполнять при температуре ниже 200 °C (392 °F).

«Эти мембраны механически гибки, чтобы соответствовать основной поверхности», — говорит Цао.

«Такая конформность помогает избежать межфазных дефектов, таких как пустоты, которые часто возникают при попытке соединить две жесткие пластины посредством соединения пластин».

Помимо использования того же монокристаллического кремния, что и в современных компьютерных чипах, этот процесс приводит к высокой производительности (производится очень мало непригодных для использования чипов), и исследователи уверены, что его можно расширить до коммерчески жизнеспособных масштабов.

В этих экспериментах команда использовала три слоя, включив в него рабочие логические схемы и ячейки памяти. Этого достаточно, чтобы доказать, что идея работает, но количество слоев может быть увеличено в будущем.

Еще предстоит преодолеть проблемы, чтобы перенести эту технологию из лаборатории на завод по производству полупроводников.

Сейчас для питания чипов требуется более высокое, чем обычно, напряжение, и это то, что необходимо улучшить. В принципе, вертикальные стеки должны сделать чипы более энергоэффективными.

Даже несмотря на то, что квантовые вычисления продолжают развиваться, классические вычисления и классические компьютерные микросхемы по-прежнему будут иметь огромное значение для стимулирования технологического прогресса – и для выполнения предсказаний, сделанных Гордоном Муром в 1960-х годах.

«Вы можете продолжать накладывать слои сверх трех, которые мы продемонстрировали, и этот процесс будет давать высокопроизводительные транзисторы с высоким выходом и низким выходом.

По теме: Процессор с 6100 кубитами побил рекорд квантовых вычислений

«Теперь у нас есть прочная основа для передачи этой технологии и демонстрации ее немедленных перспектив в промышленном литейном производстве полупроводников».

Исследование было опубликовано в журнале Nature.