Vědci z Illinois vyvinuli 3D čipy s téměř dokonalou výtěžností, které posunou výkon počítačů

Výzkumníci z University of Illinois Urbana-Champaign dosáhli významného průlomu v polovodičovém průmyslu. Vyvinuli metodu, která umožňuje skládat vysoce výkonné křemíkové obvody přímo na sebe.

Výzkumníci z University of Illinois Urbana-Champaign dosáhli významného průlomu v polovodičovém průmyslu. Vyvinuli metodu, která umožňuje skládat vysoce výkonné křemíkové obvody přímo na sebe. Tento inovativní přístup by mohl pomoci udržet růst výpočetního výkonu, aniž by bylo nutné dále zmenšovat tranzistory, což je v současnosti velká výzva, jelikož se Mooreův zákon začíná zpomalovat.

Namísto zmenšování komponent se tým z Illinois zaměřuje na vertikální integraci. Skládáním více vrstev křemíkových obvodů mohou inženýři zvýšit hustotu tranzistorů, zkrátit komunikační vzdálenosti uvnitř čipů a zlepšit energetickou účinnost. Tento proces by mohl výrazně urychlit vývoj monolitických trojrozměrných čipů, technologie, která je dlouhodobě považována za další krok v rozvoji polovodičů.

Současné komerční 3D čipy obvykle spoléhají na spojování samostatně vyrobených destiček, což vede k relativně velkým spojením mezi vrstvami a omezuje hustotu integrace. Monolitická 3D integrace se liší tím, že každá vrstva obvodů je postavena přímo na předchozí. Tato metoda umožňuje mnohem hustší vertikální propojení a přesnější zarovnání vrstev, což potenciálně vede k rychlejším a účinnějším čipům.

Hlavní překážkou pro monolitickou 3D integraci byla teplota. Výroba vysoce výkonných křemíkových zařízení obvykle vyžaduje teploty blížící se 1 000 stupňům Celsia. Jakmile je však dokončena první vrstva obvodů a kovového propojení, další vrstvy musí být zpracovány při teplotách pod 400 stupňů Celsia, aby nedošlo k poškození již existujících struktur. Vědci tento problém překonali vývojem procesu, který přenáší ultratenké monokrystalické křemíkové nanomembrány na dokončené vrstvy obvodů. Proces spojování vyžaduje teploty nepřesahující 200 stupňů Celsia, což je hluboko v rámci průmyslových tepelných limitů.

Tým také přepracoval výrobu tranzistorů, aby se vyhnul vysokoteplotním procesním krokům. Místo konvenčních struktur tranzistorů použili bezešvé tranzistory, které lze připravit před zahájením procesu skládání. Pomocí této techniky vědci postavili tři vrstvy skládaného křemíku, z nichž každá obsahovala 625 tranzistorů. Zařízení dosáhla výtěžnosti mezi 98 % a 100 % a zároveň poskytovala výkon srovnatelný se standardními křemíkovými tranzistory vyráběnými při mnohem vyšších teplotách. Dále demonstrovali trojrozměrné logické obvody a paměťové buňky s náhodným přístupem (SRAM) propojením vrstev vertikálními kovovými spoji. Důležité je, že proces je škálovatelný a umožňuje skládat další vrstvy nad rámec tří demonstrovaných.

Výzkumníci nyní pracují na přenosu této technologie do průmyslové polovodičové slévárny s podporou partnerů z oboru, včetně společností IBM, Intel a TSMC. Studie byla publikována v prestižním časopise Nature.