Monoliittinen 3D-pinoaminen kasvattaa piisirujen tiheyttä

Tilaa on loppumassa nykypiirien tasaiselta pinnalta. Siksi Illinoisin yliopiston Urbana-Champaignin tutkijat kokeilivat ilmeistä ratkaisua: rakentaa ylöspäin sen sijaan, että laajentaisivat vaakasuunnassa.

Kuvittele esikaupunkien hajaantuminen korvattuna korkeiden kerrostalojen kortteleilla. Samaa väestöä, vähemmän kävelyä. Tutkijat käyttivät samaa yksikiteistä piitä kuin nykyprosessorit, mutta järjestivät transistorit pystysuoriin pinoihin, mikä pienentää jalanjälkeä ja lyhentää sähköisiä reittejä, jotka hidastavat ja tuhlaavat energiaa.

Pinottaminen ei ole uusi idea. Haasteena on aina ollut lämpö. Perinteinen piivalmistus vaatii lämpötiloja lähelle 1000 °C, ja toisen kerroksen paistaminen valmiin alakerroksen päälle voi tuhota sen. Aiemmat lähestymistavat ovat yrittäneet liimata esipaistetut kerrokset yhteen tai siirtyä eksoottisiin, kuumuutta kestäviin materiaaleihin, mutta ne uhraavat suorituskykyä, tiheyttä tai sitä tiivistä laiteintegraatiota, joka tekee piiristä nopean.

Tässä ryhmä ohitti uunin. He yhdistivät kaksi keskeistä ratkaisua. Ensiksi: junctionless-transistorit, jotka siirtävät vaikeat, korkealämpötilaiset valmistusvaiheet ennen pinottamista. Toiseksi: erittäin ohuet piinanomembraanit, joustavat yksikiteisen piin kalvot, jotka voidaan asettaa kalvon tavoin alle 200 °C lämpötiloissa. Membranit myötäilevät alustaansa, vältellen tyhjiöitä ja muita liitosvirheitä, jotka vaivaavat jäykkiä wafer-to-wafer -lähestymistapoja.

Tulos: monoliittinen 3D-integraatio, joka säilyttää sähköisen laadun ja tuotantopotit, joita insinöörit odottavat nykypiireiltä, samalla kun logiikka ja muisti pinotaan useisiin kerroksiin. Kokeissa ryhmä rakensi toimivia piirejä ja muistisoluja kolmessa pystysuorassa kerroksessa, mikä todistaa lähestymistavan toimivuuden ja osoittaa kasvumahdollisuuksia.

Tämä on ensimmäinen demonstraatio siitä, että aidon monoliittisen 3D-integroinnin lämpötilabudjetti voidaan täyttää käyttäen tavanomaista yksikiteistä piitä ja saavuttaen samalla kilpailukykyinen suorituskyky.

Miksi sillä on merkitystä? Enemmän transistoreita samassa tilavuudessa tarkoittaa suurempaa laskentatiheyttä, nopeampia väyliä ja mahdollisesti alhaisempaa energian kulutusta per laskutoimitus. Tämä on Moore'n lain ydin: pakkaa enemmän transistoreita samaan kustannuskehykseen ja suorituskyky skaalaa. Kun vaakasuuntainen skaalaaminen kohtaa rajan, ylöspäin skaalautuminen tarjoaa selkeän tien jatkaa perinteisten prosessorien parantamista.

On kuitenkin huomioitavaa. Laboratorion pinotut laitteet toimivat tällä hetkellä tavallista korkeammilla jännitteillä, seikka jonka piirisuunnittelijat haluavat korjatuksi ennen kuin valmistamot ottavat menetelmän käyttöön. Uuden valmistustekniikan vieminen akateemisista puhdastiloista kaupallisiin tehtaisiin herättää aina kysymyksiä tuotannon hyötysuhteesta, läpimenosta ja kustannuksista. Tutkijat raportoivat kuitenkin kokeissaan korkeista tuotoista ja sanovat, että menetelmä voidaan sovittaa teollisiin prosesseihin.

Vaikka kvanttilaskenta ratkaisee erilaisia ongelmia, klassiset piilaitteet säilyvät useimpien laskentatehtävien selkärankana. Jos monoliittinen pinottaminen voidaan teollistaa, se voisi pidentää transistorien skaalauspolkua ilman että joudutaan hylkäämään pii-ekosysteemi, joka tukee kaikkea puhelimista pilvipalvelimiin.

Julkaistu Nature-lehdessä, työ tuntuu vähemmän teoreettiselta kiertotieltä ja enemmänkin käytännön käsikirjalta piirivalmistajille, jotka pohtivat, mitä seuraavaksi. Seuraavat luvut kirjoitetaan valmistamoissa, mutta kartta on vihdoin käsissä.