Badacze z University of Illinois Grainger College of Engineering pokazali metodę budowania monolitycznych układów 3D z krzemu, czyli takich, w których kolejne warstwy elektroniki nie są tylko osobnymi kawałkami połączonymi później w jednym pakiecie, lecz powstają bezpośrednio jedna nad drugą.
Trójwymiarowe układy nie są nowością, ale ich rodzaj ma znaczenie
Oczywiście cała branża od dawna zna układy trójwymiarowe, ale trzeba rozróżnić dwie rzeczy. Pamięci HBM, 3D V-Cache czy różne zaawansowane konstrukcje chipletowe są już przykładem myślenia przestrzennego, lecz zwykle mówimy o układach produkowanych osobno i później łączonych. Tam warstwy komunikują się przez stosunkowo duże pionowe połączenia, a precyzja dopasowania ma swoje ograniczenia. Monolityczna integracja 3D jest znacznie bardziej ambitna, bo zakłada budowę kolejnych poziomów bezpośrednio na gotowym krzemie.
Czytaj też: To może być najważniejsze 20 sekund w historii komputerów. Microsoft pokazał Majorana 2
Z jednej strony składamy z gotowych elementów zaawansowany technologicznie blok, a z drugiej próbujemy budować elektronikę bardziej jak strukturę wielopiętrową, gdzie logika, pamięć i połączenia mogą znaleźć się bliżej siebie niż w klasycznym, płaskim układzie. Podobny kierunek widać było już przy pionowych procesorach i układaniu krzemu jak bloków w Tetrisie, ale nowa praca idzie w stronę szczególnie trudną – zachowania standardowego, jednorodnego krzemu także w wyższych warstwach.
Największym przeciwnikiem nie był pomysł, tylko temperatura
Klasyczne tworzenie wysokiej jakości krzemu krystalicznego i zaawansowanych tranzystorów wymaga temperatur zbliżających się do 1000 stopni Celsjusza. Dolna warstwa układu, w której mamy już metalowe połączenia, nie może zostać tak potraktowana. Po wykonaniu pierwszego poziomu obwodów obowiązuje znacznie niższy budżet cieplny, zwykle liczony na poziomie 400 stopni Celsjusza. Przekroczenie tej granicy grozi uszkodzeniem tego, co już zostało zbudowane.
Czytaj też: Światło nauczyło się udawać pamięć. Neuromorficzne komputery robią się coraz mniej normalne
Wcześniejsze próby obejścia tego problemu często skręcały w stronę innych materiałów, bo polikrystalicznego krzemu, tlenków metali, nanorurek węglowych albo półprzewodników dwuwymiarowych. Same w sobie są fascynujące, ale w praktyce pojawia się stary problem nowej elektroniki – laboratoryjna próbka a masowa produkcja to dwa różne światy. Pisałem już o podobnym ograniczeniu przy materiałach 2D i mikroskopijnej szczelinie psującej plany na procesory nowej ery. Nie wystarczy mieć genialnego materiału. Trzeba jeszcze sprawić, żeby pasował do całej reszty procesu.
Naukowcy przenieśli ultracienki krzem, zamiast go wypalać na miejscu
Najciekawszy element nowej metody polega na tym, że zespół nie próbuje wytwarzać wysokiej jakości krzemu bezpośrednio na gotowej warstwie w niszczącej temperaturze. Zamiast tego powstają ultracienkie, swobodne nanomembrany z monokrystalicznego krzemu, które następnie przenosi się na podłoże z już istniejącą elektroniką. Proces wykorzystuje laminowanie rolkowe, dzięki czemu wiązanie zachodzi przy temperaturze nieprzekraczającej 200 stopni Celsjusza. Zamiast więc wymagać od gotowego układu, by przeżył proces zaprojektowany dla surowego krzemu, naukowcy przenieśli na niego gotowy, ultracienki kawałek wysokiej jakości materiału.
Przenoszone membrany mają grubość 10 nm lub mniej, podczas gdy typowy wafel krzemowy ma grubość około 500-700 mikrometrów. Właśnie ta skrajna cienkość daje przewagę. Taka warstwa zachowuje się bardziej elastycznie, potrafi lepiej dopasować się do nierówności podłoża i ogranicza ryzyko pustek na styku, które są problemem przy łączeniu sztywnych wafli.
Nowa metoda wymusiła również zmianę w konstrukcji tranzystorów. Klasyczna produkcja wykorzystuje domieszkowanie, czyli wprowadzanie kontrolowanych zanieczyszczeń do krzemu, żeby ustalić jego właściwości elektryczne. Problem wraca jednak w tym samym miejscu – taki proces zwykle wymaga temperatur powyżej 600 stopni Celsjusza, a to zbyt dużo dla kolejnych warstw budowanych nad gotową elektroniką. Rozwiązaniem tego są tranzystory bez złączy. W ich przypadku krzem jest silnie i równomiernie domieszkowany jeszcze przed przeniesieniem warstwy. Ponieważ membrany są ekstremalnie cienkie, bramka nadal potrafi skutecznie kontrolować kanał przewodzący. Przy okazji wysoki poziom domieszkowania pomaga zmniejszać pasożytniczą rezystancję kontaktów.
Czytaj też: NVIDIA chce zrobić z Windowsa komputer nowej ery. RTX Spark ma być początkiem
Najbardziej przemawia do wyobraźni przykład pamięci SRAM, a więc powszechnie stosowanej w procesorach CPU i GPU. Klasyczna komórka SRAM wymaga sześciu tranzystorów rozłożonych na jednej płaszczyźnie. W układzie pionowym można rozdzielić je między kilka warstw, przez co ta sama funkcja zajmuje mniejszy obszar i może korzystać z krótszych połączeń. W praktyce oznacza to mniej transferowania danych po chipie, a ten temat staje się jednym z najważniejszych ograniczeń nowoczesnych obliczeń. Sztuczna inteligencja bardzo dobrze obnażyła ten problem. Wydajność nie zależy wyłącznie od tego, ile operacji potrafi wykonać układ, ale też od tego, jak szybko i jak energooszczędnie potrafi przenosić dane między pamięcią a blokami obliczeniowymi. Podobny trop pojawia się przy nowym podejściu do Prawa Moore’a i koncepcji skalowania Tau, gdzie coraz większe znaczenie ma droga sygnału, a nie samo magiczne hasło “mniejszy proces”.
Trzy warstwy, 625 tranzystorów na każdej i uzysk, którego nie można zignorować
Demonstracja obejmowała trzy ułożone na sobie warstwy, a każda zawierała po 625 tranzystorów. Naukowcy zbudowali z nich nie tylko pojedyncze elementy, lecz także układy logiczne oraz komórki SRAM połączone pionowymi liniami metalowymi. Wydajność prądowa okazała się porównywalna z klasycznymi tranzystorami krzemowymi wytwarzanymi na masywnych waflach przy znacznie wyższych temperaturach, a jednocześnie trzy do czterech razy wyższa niż w przypadku monolitycznych układów wykonanych z alternatywnych materiałów. Najbardziej zaskakujący jest jednak uzysk na poziomie 98-100 procent, który to został osiągnięty w akademickim cleanroomie, choć oczywiście nie należy udawać, że jest to równoznaczne z gotową produkcją w fabryce TSMC, Intela czy Samsunga. Skala laboratoryjna i skala masowa to bowiem dwa różne światy.
Największym fizycznym problemem może okazać się ciepło. Pionowe upakowanie skraca drogę sygnałów, ale jednocześnie zagęszcza źródła emisji ciepła. W klasycznym chipie i tak walczymy z lokalnymi punktami gorąca, a tutaj dokładamy kolejne piętra nad sobą, co wiąże się z rosnącą temperaturą w samym środku takiego procesora, do którego nie ma dostęp żaden IHS. Jeżeli więc komputery przyszłości mają być krzemowymi wieżowcami, muszą dostać własną inżynierię wentylacji, tylko że w skali nanometrów i mikrometrów. Czas jednak pokaże.
Źródła: SciTechDaily, Nature
