Новый 3D-кремниевый чип

Новый 3D-кремниевый чип: схемы, расположенные друг над другом, для повышения вычислительной мощности

Исследователи нашли способ создать трехслойный кремниевый чип без перегрева.

Схема трехмерного кремниевого чипа.(Фото: Иллинойсский университет в Урбане-Шампейне)

Огромные аппаратные требования, предъявляемые к приложениям искусственного интеллекта (ИИ), превышают физические и структурные ограничения полупроводников. Но исследователи разработали трехмерный кремниевый чип, который, по их мнению, может стать решением проблемы.

В новом исследовании, опубликованном 27 мая в журнале Nature, ученые нашли способ увеличить вычислительную мощность чипа, разместив кремниевые схемы в несколько слоев таким образом, чтобы это не повлияло на производительность.

Вертикальное размещение чипов, известное как трехмерная интеграция, более эффективно, чем традиционные двухмерные чипы, в которых кремниевые схемы распределены по одной поверхности. Это связано с тем, что при вертикальном размещении сокращается расстояние, которое должны преодолеть данные, и уменьшается мощность, необходимая для их передачи.

В 3D-чипе, разработанном исследователями, используются ультратонкие кремниевые мембраны и низкотемпературные технологии производства, что позволяет преодолеть недостатки современных чипов.

«Наш метод не только проще в реализации и дешевле, но и имеет ряд преимуществ перед предыдущими подходами к сборке кремниевых пластин», — Цин Цао, первый автор исследования и профессор материаловедения и инженерии в Иллинойсском университете в Урбане-Шампейне, сказал в заявлении.

Продление закона Мура

С 1960-х годов для того, чтобы электроника могла справляться с более сложными задачами, требовалось уменьшать размер транзисторов, чтобы на одном чипе их помещалось больше. Но, как отметил Цао, удваивать количество транзисторов каждые пару лет — принцип, известный как закон Мура, — становится все менее осуществимым.

«Если посмотреть на реальный размер транзисторов, то они не становятся меньше, особенно с точки зрения расстояния между затворами», — сказал Цао в своем заявлении. Это расстояние определяется как суммарная ширина одного затвора транзистора и пространство, необходимое для его отделения от следующего затвора.

"Это потому, что мы становимся ограниченными внутренними свойствами материала кремния и фундаментальными правилами квантовой механики. Если мы хотим сохранить тенденцию увеличения вычислительной мощности наших микропроцессоров, мы должны начать думать не только о том, чтобы втиснуть больше устройств на одну поверхность ".

Исследователи считают, что вертикальная интеграция на нескольких уровнях - лучший способ гарантировать, что инженеры смогут продолжать придерживаться закона Мура, поскольку такой подход создает пространство для большего количества транзисторов на чипе.

«Сегодня для хранения одного бита информации требуется шесть микроэлектронных устройств, называемых транзисторами, на одной плоскости», — объяснил Цао, предположив, что, как и в густонаселенном городе, единственный способ решить проблему перенаселенности — строить вверх. «Вы получаете ту же функциональность, но занимаемая площадь уменьшается, а связь между уровнями становится быстрее и эффективнее».

Ученый Гордон Мур с графиком, отражающим закон Мура.(Изображение предоставлено: Intel)

Как решить проблему перегрева

В многослойных структурах нет ничего нового, но вертикальная интеграция — когда слои располагаются непосредственно друг над другом — позволяет создавать более компактные устройства. В своем исследовании ученые отметили, что для производства высококачественных кремниевых чипов требуются температуры до 1832 градусов по Фаренгейту (1000 градусов по Цельсию).

Однако после завершения формирования первого слоя микросхемы металлическая проводка, используемая для соединения последующих слоев, может быть разрушена под воздействием таких высоких температур. В результате «термический бюджет» — максимальное количество тепла, которое может выдержать устройство до начала деградации — для любых дополнительных слоев составляет 752 градуса по Фаренгейту (400 градусов по Цельсию), говорит Цао. Это может привести к проблемам с производительностью и надежностью.

По словам исследователей, при создании многослойных кремниевых чипов производители стремились избежать этой проблемы, используя для верхних слоев материалы, альтернативные монокристаллическому кремнию. К таким материалам относятся аморфные и нанокристаллические оксиды металлов, углеродные нанотрубки и поликристаллический кремний, но они могут привести к проблемам с производительностью и надежностью, говорится в исследовании.

Чтобы решить эту проблему, Цао и его команда применили подход под названием «монолитная интеграция» — процесс, при котором все компоненты микросхемы изготавливаются на одной подложке, а не по отдельности, а затем соединяются.

Чтобы создать каждый чип, исследователи изготовили ультратонкие кремниевые наномембраны, которые затем с помощью рулонного ламинатора перенесли на подложку, содержащую нижний слой.

Максимальная температура, необходимая для создания прочного соединения с помощью этого метода, составила всего 200 °C (392 °F) — в пять раз меньше, чем обычно требуется. Мембраны, которые они перенесли, были толщиной всего 10 нанометров или меньше — размером примерно с белок — по сравнению с толщиной обычной пластины, которая составляет от 500 до 700 микрометров (от 500 000 до 700 000 нанометров). Благодаря своей тонкости эти мембраны механически гибкие и могут подстраиваться под поверхность, на которой находятся, добавил Цао.

Результатом этого процесса стал трехмерный чип с тремя слоями, в каждом из которых содержится 625 транзисторов. Это ничто по сравнению с миллиардами транзисторов, которые можно разместить на уже представленных на рынке чипах, но исследователи считают, что их технология более энергоэффективна. Электрический ток, который может проходить через чип, как минимум в три-четыре раза выше, чем у монолитных чипов, изготовленных из альтернативных материалов.

Главный вопрос заключается в том, сможет ли их 3D-кремниевый чип перейти из лабораторных условий в сферу коммерческого применения. Хотя исследование демонстрирует потенциал чипа, состоящего из трех слоев, ученые предположили, что в будущих версиях можно будет добавить гораздо больше слоев. Пишет livescience