Нови „3D“ компютърни чипове могат да удължат живота на Закона на Мур

Сега изследователите смятат, че са открили решение: чиповете да се изграждат не само в ширина, а и във височина.

Тази иновация може да помогне за удължаването — а може би дори и за надминаването — на хипотезата, известна като Закон на Мур. Тя е формулирана през 60-те години на XX век от председателя на Intel Гордън Мур.

Според нея благодарение на технологичния напредък броят на транзисторите в чиповете трябва да се удвоява на всеки две години при същата цена.

Повече транзистори обикновено означават по-голяма изчислителна мощ. Днес обаче производителите на компоненти все по-осезаемо изчерпват свободното пространство и възможностите транзисторите да бъдат правени още по-малки.

Новото изследване предлага начин чиповете да се подреждат вертикално, като се използва същият силиций, на който разчитат и съвременните технологии, и се запазва почти същото ниво на производителност.

Екипът, стоящ зад пробива, е от Университета на Илинойс в Ърбана-Шампейн, САЩ. Учените посочват, че подходът може да увеличи изчислителната плътност и скоростта, като същевременно намали енергийните нужди на микрочиповете благодарение на по-висока ефективност и по-къси връзки между отделните елементи.

„Днес са нужни шест микроелектронни устройства, наречени транзистори, разположени в една равнина, за да се съхрани един бит информация“, казва специалистът по материалознание Цин Цао.

„При вертикалната интеграция тези елементи могат да бъдат разпределени в няколко слоя. Това е все едно да замените разпръснато предградие с високи сгради: получавате същата функционалност, но заемате по-малка площ, а комуникацията между слоевете става по-бърза и по-ефективна.“

Основният проблем досега е бил топлината

Технологиите за подреждане на чипове един върху друг са изследвани и преди, но най-голямото препятствие винаги е било свързано с топлината.

Процесите, необходими за изработката на чипове, изискват много високи температури — около 1000 °C. Това означава, че ако се опитате да създадете втори слой върху вече готов първи слой, на практика рискувате да го повредите необратимо.

Възможно е слоевете да бъдат обработени отделно и след това свързани, или пък да се използват по-топлоустойчиви материали. Но и двата подхода имат сериозна цена: значително по-слаба изчислителна производителност.

Получените по този начин чипове не могат да предложат същата производителност, плътност на слоевете или степен на електронна интеграция като вариантите с „монолитна интеграция“, описани в новото изследване.

„Монолитната интеграция е ключът към пълния потенциал на 3D чиповете“, казва Цао.

„За първи път успяхме да се вместим в температурните ограничения на монолитната 3D интеграция, като използвахме стандартен монокристален силиций и постигнахме безпрецедентна производителност.“

Безпреходни транзистори и гъвкави силициеви наномембрани

Изследователите преодоляват топлинното препятствие по няколко начина. Те използват т.нар. „безпреходни“ транзистори — решение, при което химичният състав на слоевете в схемата се променя така, че процесите, изискващи високи температури, да могат да бъдат извършени предварително, още преди слоевете да бъдат подредени един върху друг.

Освен това екипът използва ултратънки и гъвкави силициеви наномембрани вместо традиционните пластини. Нанасянето на тези слоеве прилича повече на внимателно разстилане или навиване, отколкото на класическо подреждане, и може да се извършва при температури под 200 °C.

„Тези мембрани са механично гъвкави и могат да се напасват към повърхността под тях“, обяснява Цао.

„Това напасване помага да се избегнат дефекти на границата между слоевете, например кухини, които често се появяват, когато две твърди пластини се притискат една към друга чрез свързване на пластини.“

По-малко брак и реален шанс за промишлено производство

Процесът използва същия монокристален силиций, от който се изработват и днешните компютърни чипове. Освен това той води до висок производствен добив — с други думи, броят на негодните чипове е много малък. Затова изследователите са уверени, че технологията може да бъде развита до мащаб, подходящ за търговско производство.

В проведените експерименти екипът е достигнал до три слоя, като в тях са включени работещи логически схеми и клетки памет. Това е достатъчно, за да се докаже, че идеята работи, но в бъдеще броят на слоевете може да бъде увеличен.

Все още обаче има пречки, които трябва да бъдат преодолени, преди технологията да напусне лабораторията и да влезе в производствените мощности за полупроводници.

В момента тези чипове се нуждаят от по-високо от обичайното напрежение, за да работят — проблем, който трябва да бъде решен. По принцип обаче вертикалното подреждане би трябвало да направи чиповете по-енергийно ефективни.

Класическите чипове няма да изчезнат скоро

Макар напредъкът в областта на квантовите изчисления да продължава, класическите компютри и класическите компютърни чипове ще останат изключително важни за технологичния прогрес — както и за сбъдването на прогнозите, направени от Гордън Мур през 60-те години на XX век.

„Можете да продължите да подреждате слоеве и отвъд трите, които демонстрирахме. Процесът ще дава високопроизводителни транзистори с висок добив и малки отклонения в качеството“, казва Цао.

„Вече имаме здрава основа, върху която тази технология може да бъде пренесена към индустрията и да покаже непосредствения си потенциал в реална фабрика за полупроводници.“

Изследването е публикувано в Nature.