Учёные предложили способ увеличения мощности микросхем без уменьшения размеров транзисторов
По мере того как производители микросхем приближаются к физическим пределам миниатюризации транзисторов, дальнейший рост производительности вычислительной техники становится все более сложной задачей. Исследователи из Университета Иллинойса в Урбана-Шампейн предложили новый подход, который может существенно увеличить плотность размещения электронных компонентов без отказа от традиционного кремния. Вместо дальнейшего уменьшения размеров элементов они предлагают развивать микросхемы не в ширину, а в высоту.
Работа посвящена созданию так называемых монолитных трёхмерных микросхем. В отличие от современных интегральных схем, где все транзисторы располагаются на одной плоскости, новая технология позволяет размещать электронные компоненты в нескольких слоях друг над другом. По словам авторов исследования, такой подход способен увеличить вычислительную плотность, ускорить обмен данными между элементами схемы и одновременно снизить энергопотребление благодаря более коротким электрическим соединениям.
Учёные отмечают, что сегодня для хранения одного бита информации требуется шесть транзисторов, размещённых на одном уровне. Вертикальная интеграция позволяет распределить эти элементы между несколькими слоями, сохранив функциональность, но значительно сократив занимаемую площадь. Кроме того, расстояние между компонентами уменьшается, что положительно влияет на скорость передачи сигналов.
Попытки создавать многослойные микросхемы предпринимались и ранее, однако главным препятствием оставалась высокая температура производства. Многие этапы изготовления полупроводников требуют нагрева примерно до 1000 градусов Цельсия. Если поверх готового слоя формировать следующий, нижние структуры могут быть повреждены. Альтернативные методы, предполагающие отдельное изготовление слоёв с последующим соединением или использование специальных термостойких материалов, обычно приводят к снижению производительности и плотности интеграции.
Исследователи утверждают, что им удалось преодолеть это ограничение и реализовать полноценную монолитную трёхмерную архитектуру на основе стандартного монокристаллического кремния. Ключевую роль сыграло использование так называемых транзисторов без p-n-переходов. Изменив химический состав слоёв заранее, инженеры смогли выполнить наиболее высокотемпературные этапы до формирования многослойной структуры.
Ещё одним важным элементом технологии стали сверхтонкие кремниевые наномембраны. В отличие от традиционных кремниевых пластин, такие мембраны обладают гибкостью и могут наноситься на подложку при температуре менее 200 градусов Цельсия. По словам разработчиков, процесс больше напоминает раскатывание тонкой плёнки по поверхности, чем классическое соединение жёстких пластин.
Гибкость наномембран позволяет им точно повторять рельеф нижележащих структур. Благодаря этому снижается вероятность образования пустот и других дефектов на границе между слоями, которые часто возникают при соединении двух жёстких кремниевых пластин.
В рамках экспериментов исследователи продемонстрировали работоспособность трёхслойных структур, включающих как логические схемы, так и ячейки памяти. Полученные результаты подтвердили возможность создания полноценных многослойных микросхем с использованием существующей кремниевой технологии. Авторы подчёркивают, что количество слоёв в будущем может быть увеличено.
Дополнительным преимуществом метода стала высокая выходная годность производства — доля непригодных микросхем оказалась низкой. Учёные также считают, что технология совместима с масштабированием до промышленных объёмов и может быть внедрена на современных полупроводниковых предприятиях.
При этом работа пока остаётся на стадии лабораторных исследований. Одной из нерешённых задач остаётся необходимость использования повышенного напряжения питания по сравнению с обычными микросхемами. Исследователи рассчитывают устранить это ограничение на следующих этапах разработки. В перспективе вертикальная архитектура должна не только повысить производительность, но и улучшить энергетическую эффективность вычислительных систем.
Авторы работы считают, что предложенная технология может стать одним из способов продлить действие закона Мура — сформулированного в 1960-х годах наблюдения, согласно которому число транзисторов на микросхеме при сопоставимой стоимости удваивается примерно каждые два года. Несмотря на развитие квантовых вычислений, классические процессоры остаются основой современной цифровой инфраструктуры, поэтому поиск новых путей повышения их производительности сохраняет стратегическое значение для всей отрасли.
Исследователи заявляют, что продемонстрированная технология уже создаёт основу для передачи разработки в промышленность и дальнейшей проверки её возможностей на реальных производственных линиях.
Исследование в журнале Nature.