Исследователи нашли способ укладывать транзисторы в стопки

На протяжении 60 лет наблюдение Гордона Мура о том, что количество транзисторов в интегральных схемах будет удваиваться примерно каждые два года, оставалось удивительно точным. Это стало возможным благодаря уменьшению размеров транзисторов и увеличению чипов, но физические ограничения обоих процессов начали сказываться на росте вычислительной мощности, что потребовало поиска новых методов. Исследовательская команда из Университета науки и технологий имени короля Абдаллы (KAUST) в Саудовской Аравии утверждает, что нашла решение, предложив складывать в стопки не чипы, а отдельные транзисторы.

Работа команды, опубликованная в журнале Nature Electronics, основана на идее, что производителям чипов стоит двигаться «вверх», а не просто уменьшать транзисторы или расширять кристаллы, чтобы сохранить «закон» Мура. Такие процессоры, как AMD Ryzen 7 9800X3D, уже используют гибридное соединение для укладки кристаллов друг на друга, чтобы увеличить количество транзисторов в сборке и добавить кэш-памяти. Все современные SSD-накопители также полагаются на многослойную флеш-память NAND для улучшения емкости, производительности и надежности.

Однако ни один из этих методов не меняет фундаментальный факт: в лучших CPU и GPU транзисторы расположены в одном слое. Исследователи из KAUST смогли создать стопку из шести чередующихся транзисторов и использовали их для создания инверторов и логических вентилей. Вся структура состоит из 41 слоя металлов, органических материалов и полупроводников — это больше слоев, чем в целом процессоре.

Создание даже стопки из двух транзисторов является серьезной задачей, поскольку гладкость и выравнивание каждого слоя должны быть исключительно точными. Расхождения в несколько нанометров могут привести к значительному падению производительности. Команде KAUST удалось достичь шероховатости поверхности не более 3,63 нм, что и делает эту работу столь значимой.

Стоит отметить, что использованные типы транзисторов — на основе оксида металла и органических тонких пленок — не подходят для высокомощных приложений с высокой тактовой частотой, таких как CPU и GPU. Термический предел шестислойной стопки довольно низок (всего 50 °C, с заметной нестабильностью при 75 °C), но он подходит для устройств с очень низким энергопотреблением, например, носимых гаджетов или устройств Интернета вещей (IoT).

Хотя методы производства, использованные для создания стопки транзисторов, пока остаются «лабораторными», все основные методы производства чипов начинали свой путь именно так. Если удастся улучшить термическую стабильность стопок и масштабировать производство до подходящего уровня и стоимости, в будущем мы, вероятно, увидим чипы, созданные по этой технологии.

ИИ: Это исследование — важный шаг в поиске альтернатив классическому масштабированию. Хотя до коммерческого применения технологии в высокопроизводительных чипах еще далеко, сама идея трехмерной компоновки транзисторов на таком фундаментальном уровне открывает новые горизонты для микроэлектроники, когда физические ограничения кремния окончательно дадут о себе знать.