Για δεκαετίες, η υπολογιστική ακολούθησε έναν απλό κανόνα: μικρότερα τρανζίστορ και περισσότερα ανά τσιπ. Αυτό τροφοδότησε την άνοδο της ισχύος επεξεργασίας όπως προέβλεπε ο Νόμος του Moore. Καθώς όμως τα εξαρτήματα πλησιάζουν ατομικές κλίμακες, οι μηχανικοί συναντούν τα φυσικά όρια του πυριτίου και τις επιδράσεις της κβαντικής μηχανικής.
Πολλοί ερευνητές εκτιμούν ότι το επόμενο άλμα δεν θα έρθει από περαιτέρω σμίκρυνση, αλλά από την ανάπτυξη προς τα πάνω.
Ομάδα με επικεφαλής τον Qing Cao, καθηγητή στο τμήμα Materials Science and Engineering του Grainger College of Engineering του University of Illinois, παρουσίασε νέα μέθοδο για στοίβαξη πολλαπλών στρώσεων ηλεκτρονικών πυριτίου η μία πάνω στην άλλη. Η προσέγγιση μπορεί να αυξήσει θεαματικά την πυκνότητα ολοκλήρωσης, να βελτιώσει τις επιδόσεις και να μειώσει την κατανάλωση ενέργειας, παρατείνοντας την πρόοδο που καθοδηγεί τη βιομηχανία ημιαγωγών πάνω από μισό αιώνα.
«Πάρτε κάτι τόσο απλό όσο η στατική μνήμη τυχαίας προσπέλασης, που είναι παντού σε CPU και GPU. Σήμερα χρειάζονται έξι μικροηλεκτρονικές διατάξεις, τα λεγόμενα τρανζίστορ, σε ένα επίπεδο για να αποθηκευτεί ένα bit πληροφορίας. Με την κατακόρυφη ολοκλήρωση, μπορείς να τα κατανείμεις σε πολλαπλές στρώσεις. Είναι σαν να αντικαθιστάς μια απλωμένη προάστια περιοχή με πολυώροφα κτίρια: η λειτουργικότητα μένει η ίδια, αλλά το αποτύπωμα μειώνεται ενώ η επικοινωνία μεταξύ στρώσεων γίνεται πιο γρήγορη και αποδοτική», εξήγησε ο Cao.
Οι ερευνητές αναφέρουν αποδόσεις συσκευών 98–100% χρησιμοποιώντας τυπικό μονοκρυσταλλικό πυρίτιο, το υλικό που στηρίζει τα σύγχρονα ηλεκτρονικά. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι η τεχνική θα μπορούσε να υιοθετηθεί εμπορικά.
«Η κατακόρυφη ολοκλήρωση ήδη βρίσκει τον δρόμο της σε εμπορικές συσκευές, ειδικά σε εξειδικευμένο AI hardware, αλλά η μονολιθική ολοκλήρωση είναι αυτή που ξεκλειδώνει την πλήρη υπόσχεση των 3D τσιπ», είπε ο Cao. «Για πρώτη φορά, καλύψαμε τον θερμικό προϋπολογισμό της μονολιθικής 3D ολοκλήρωσης με τυπικό μονοκρυσταλλικό πυρίτιο και πετύχαμε πρωτόγνωρες επιδόσεις».
Τα ευρήματα δημοσιεύθηκαν στο Nature, περιοδικό που σπάνια φιλοξενεί έρευνα στη μικροηλεκτρονική πυριτίου.
Γιατί η βιομηχανία ημιαγωγών κοιτάζει προς τα πάνω
Για περίπου 60 χρόνια, ο Νόμος του Moore καθοδηγεί την εξέλιξη των τσιπ, προβλέποντας διπλασιασμό της πυκνότητας τρανζίστορ ανά διετία και, κατ’ επέκταση, ταχύτερους και αποδοτικότερους επεξεργαστές.
Η τάση αυτή επιβιώνει εντυπωσιακά, αλλά γίνεται ολοένα δυσκολότερο να διατηρηθεί.
«Κατά μία έννοια, χτυπάμε ένα όριο που επιβάλλει η φυσική», είπε ο Cao. «Αν δείτε το πραγματικό μέγεθος των τρανζίστορ, δεν μικραίνουν, ειδικά ως προς το contacted gate pitch. Αυτό συμβαίνει επειδή περιοριζόμαστε από τις εγγενείς ιδιότητες του πυριτίου και τους θεμελιώδεις κανόνες της κβαντικής μηχανικής. Για να συνεχίσουμε την αύξηση της υπολογιστικής ισχύος, πρέπει να σκεφτούμε πέρα από το να στριμώχνουμε περισσότερες διατάξεις σε μία επιφάνεια».
Η κατακόρυφη στοίβαξη προσφέρει εναλλακτική. Αντί να μικραίνουν κι άλλο τα τρανζίστορ, οι μηχανικοί μπορούν να τοποθετούν πολλαπλές στρώσεις κυκλωμάτων η μία πάνω στην άλλη. Αυτό δημιουργεί χώρο για περισσότερα στοιχεία και συντομεύει τις διαδρομές配 καλωδίωσης, μειώνοντας την παρασιτική χωρητικότητα και αυξάνοντας σημαντικά το εύρος ζώνης επικοινωνίας μεταξύ τμημάτων του τσιπ.
Τα πλεονεκτήματα είναι κρίσιμα για την τεχνητή νοημοσύνη και άλλες εφαρμογές εντατικής επεξεργασίας δεδομένων.
Η υπόσχεση των μονολιθικών 3D τσιπ
Οι σημερινές εμπορικές τεχνολογίες 3D ήδη χρησιμοποιούν στοίβαξη, αλλά συνήθως κατασκευάζουν διατάξεις σε ξεχωριστές γκοφρέτες πριν τις συγκολλήσουν. Παραδείγματα είναι η μνήμη υψηλού εύρους ζώνης (HBM) και η 3D V‑Cache της AMD.
Παρά την επιτυχία τους, οι μέθοδοι αυτές έχουν περιορισμούς. Η ευθυγράμμιση μεταξύ στρώσεων είναι σχετικά αδρή και οι κατακόρυφες διασυνδέσεις μέσω πυριτίου (TSVs) είναι μεγάλες και αραιές.
Η μονολιθική τρισδιάστατη ολοκλήρωση ακολουθεί άλλη διαδρομή: κάθε νέα στρώση διατάξεων κατασκευάζεται απευθείας πάνω στην προηγούμενη. Αυτό επιτρέπει πολύ πυκνότερες κατακόρυφες συνδέσεις, μικρότερες αποστάσεις μεταξύ στρώσεων και ευθυγράμμιση ακριβείας σε νανόμετρα.
Η προσέγγιση διερευνάται επί χρόνια, επειδή μπορεί να αυξήσει τη διαστρωματική συνδεσιμότητα κατά 10 έως 100 φορές σε σύγκριση με τις συμβατικές μεθόδους στοίβαξης.
Λύνοντας το πρόβλημα της θερμότητας
Το μεγαλύτερο εμπόδιο για τη μονολιθική ολοκλήρωση ήταν η θερμοκρασία.
Η παραγωγή υψηλής ποιότητας κρυσταλλικού πυριτίου και η κατασκευή αποδοτικών διατάξεων συνήθως απαιτούν θερμοκρασίες που πλησιάζουν τους 1.000°C. Όμως, όταν υπάρχουν ήδη μεταλλικές διασυνδέσεις σε μια ολοκληρωμένη στρώση, τέτοιες θερμοκρασίες θα τις καταστρέψουν.
«Γενικά, ο κλάδος αποδέχεται ότι μόλις ολοκληρωθεί η πρώτη στρώση κυκλωμάτων, το όριο θερμικού προϋπολογισμού για κάθε επιπλέον στρώση είναι οι 400°C», είπε ο Cao. «Ερευνητές σε ακαδημαϊκό και βιομηχανικό επίπεδο προσπάθησαν να το παρακάμψουν δουλεύοντας με υλικά διαφορετικά από το μονοκρυσταλλικό πυρίτιο για τις ανώτερες στρώσεις. Αλλά οι διατάξεις που προκύπτουν αναπόφευκτα έχουν ζητήματα απόδοσης και αξιοπιστίας».
Έχουν δοκιμαστεί εναλλακτικές όπως πολυκρυσταλλικό πυρίτιο, άμορφα και νανοκρυσταλλικά μεταλλικά οξείδια, νανοσωλήνες άνθρακα και δισδιάστατοι ημιαγωγοί. Ωστόσο, συχνά εισάγουν περιορισμούς ή ατέλειες που δημιουργούν δυσαρμονία με τα τρανζίστορ πυριτίου της κάτω στρώσης.
Υπερλεπτές νανομεμβράνες πυριτίου για χαμηλές θερμοκρασίες
Η ομάδα του Illinois ανέπτυξε διαδικασία που διατηρεί τα πλεονεκτήματα του μονοκρυσταλλικού πυριτίου, μένοντας πολύ κάτω από το θερμικό όριο.
Η μέθοδος ξεκινά με τη δημιουργία υπερλεπτών, αυτοφερόμενων νανομεμβρανών πυριτίου από γκοφρέτα-δότη. Οι μεμβράνες μεταφέρονται στη γκοφρέτα-δέκτη, που ήδη φέρει ολοκληρωμένα κυκλώματα, με χρήση roll laminator. Η συγκόλληση απαιτεί θερμοκρασίες έως 200°C.
Επειδή τα στρώματα πυριτίου διατηρούν την κρυσταλλική τους ποιότητα, οι διατάξεις διατηρούν υψηλές επιδόσεις και αξιοπιστία, παραμένοντας εντός του θερμικού προϋπολογισμού που απαιτεί η μονολιθική ολοκλήρωση.
«Η μέθοδός μας όχι μόνο είναι ευκολότερη και χαμηλότερου κόστους, αλλά έχει και αρκετά πλεονεκτήματα σε σχέση με προηγούμενες προσεγγίσεις στοίβαξης γκοφρετών πυριτίου», είπε ο Cao. «Οι μεμβράνες που μεταφέραμε έχουν πάχος μόλις 10 νανόμετρα ή λιγότερο, έναντι 500 έως 700 μικρομέτρων μιας τυπικής γκοφρέτας. Επειδή είναι λεπτές, είναι μηχανικά εύκαμπτες και προσαρμόζονται στην υποκείμενη επιφάνεια. Αυτή η συμμορφωσιμότητα βοηθά να αποφευχθούν διαπαφικές ατέλειες, όπως κενά, που είναι συνηθισμένα όταν προσπαθείς να ενώσεις δύο άκαμπτες γκοφρέτες με bonding».
Υψηλές επιδόσεις με τρεις στοίβες
Οι ερευνητές ανασχεδίασαν και την αρχιτεκτονική των τρανζίστορ.
Η παραδοσιακή κατασκευή βασίζεται στο doping (προσμίξεις) για τον έλεγχο της ηλεκτρικής συμπεριφοράς, διαδικασία που συνήθως απαιτεί θερμοκρασίες άνω των 600°C.
Για να τις αποφύγουν, χρησιμοποίησαν τρανζίστορ χωρίς ένωση (junctionless). Σε αυτά, το πυρίτιο ντοπάρεται ομοιόμορφα και έντονα πριν από τη στοίβαξη. Τα εξαιρετικά λεπτά φιλμ πυριτίου επιτρέπουν αποτελεσματικό έλεγχο από την πύλη του τρανζίστορ, ενώ τα υψηλά επίπεδα προσμίξεων μειώνουν την παρασιτική αντίσταση επαφής.
Με αυτή τη στρατηγική, κατασκεύασαν τρεις στοίβες με 625 τρανζίστορ η καθεμία. Οι διατάξεις έδειξαν υψηλή ομοιομορφία και αποδόσεις παραγωγής.
Οι πυκνότητες ρεύματος εξόδου ταίριαξαν με εκείνες συμβατικών τρανζίστορ πυριτίου σε ογκώδεις γκοφρέτες που κατασκευάζονται σε πολύ υψηλότερες θερμοκρασίες. Υπερείχαν επίσης έναντι μονολιθικών διατάξεων από εναλλακτικά υλικά κατά τουλάχιστον τρεις έως τέσσερις φορές.
Οι στρώσεις συνδέθηκαν με κατακόρυφες μεταλλικές διασυνδέσεις και επιδείχθηκαν τρισδιάστατα λογικά κυκλώματα, καθώς και κύτταρα στατικής μνήμης τυχαίας προσπέλασης (SRAM).
Προς την εμπορική παραγωγή
Σύμφωνα με τον Cao, το πιο σημαντικό αποτέλεσμα ίσως είναι η κλιμάκωση της διαδικασίας.
«Το κυριότερο είναι ότι δείξαμε πως η διαδικασία κλιμακώνεται», είπε. «Μπορείς να συνεχίσεις να στοιβάζεις στρώσεις πέρα από τις τρεις που επιδείξαμε. Και η διαδικασία θα δίνει τρανζίστορ υψηλών επιδόσεων, με υψηλή απόδοση και χαμηλή μεταβλητότητα. Έχουμε πλέον ισχυρή βάση για τη μεταφορά της τεχνολογίας και την άμεση επίδειξη της προοπτικής της σε βιομηχανικό foundry ημιαγωγών».
Το έργο υλοποιήθηκε μέσω του Center for Advanced Semiconductor Chips with Accelerated Performance του Illinois Grainger Engineering, με βιομηχανικούς εταίρους τις IBM, Intel και Taiwan Semiconductor Manufacturing Company.
Οι ερευνητές ετοιμάζονται να μεταφέρουν την τεχνολογία σε βιομηχανικό foundry ημιαγωγών, ένα σημαντικό βήμα για την εμπορική παραγωγή πραγματικών μονολιθικών 3D τσιπ πυριτίου.
Στην έρευνα συνέβαλαν επίσης οι Bao Lam, Yung Man Yu, Hyunjun Nam, Hsu-Chih Ni, Shomik Chatterjee, Shaloo Rakheja και Jian-Min Zhuo.
Η χρηματοδότηση προήλθε από το National Science Foundation, τους βιομηχανικούς εταίρους του Center for Advanced Semiconductor Chips with Accelerated Performance του Illinois Grainger Engineering και το Silicon Crossroads Microelectronics Commons Hub.
Υλικό παρείχε το University of Illinois Grainger College of Engineering. Σημείωση: Το περιεχόμενο ενδέχεται να έχει τροποποιηθεί για λόγους ύφους και έκτασης.
