3D-pinoaminen nostaa puolijohteet uuteen ulottuvuuteen

Illinoisin yliopiston Urbana-Champaignin puhtaushuoneessa insinöörit eivät enää jahtaa yhä pienempiä transistoreja. He rakentavat ylöspäin. Kuvittele viipaleet kerrostettuina kuin pienoiskaupunkien korttelit, pystysuuntaiset yhteyskadut loputtoman vaakasuuntaisen leviämisen sijaan. Kyse on yksinkertaisesta suunnanmuutoksesta, jolla on valtavat vaikutukset.

Useiden vuosikymmenten ajan puolijohdeteollisuus oli edistynyt yhden ajatuksen varassa: kutista transistoreja ja mahdu lisää niitä tasaiselle sirulle. Se toimi loistavasti noin 60 vuoden ajan, mutta fysiikka on ryhtynyt jäykäksi. Portin pituudet ja materiaalirajat painautuvat nyt atomiskaaloihin, ja kvanttimekaniikan oikkuilta ei voi sulkea silmiä. Mistä seuraava laskentatiheyden nousu tulee? Monet uskovat, että vastaus on pystysuuntainen.

Pystysuuntainen harppaus piisiruille

UIUC:n tutkijat ovat julkaisseet uuden prosessin, joka pinottaa suoraan useita yksikiteisen piin toimintakerroksia toistensa päälle. Sen sijaan, että valmistettaisiin erillisiä viipaleita ja liimattaisiin ne yhteen, kukin toimiva piikerros kasvaa tai kootaan paikoilleen edellisen kerroksen päälle. Tuloksena on huomattavasti tiheämmät pystysuuntaiset liitännät, nanometriluokan kohdistus ja kerrokset, jotka ovat paljon lähempänä toisiaan kuin nykyiset liimatut menetelmät sallivat.

Se saattaa kuulostaa evoluutiomaiselta insinöörityöltä. Ei ole. Nykyiset kaupalliset 3D-tekniikat, aina korkean kaistanleveyden muisteista AMD:n 3D V-Cacheen asti, perustuvat tyypillisesti valmiiden viipaleiden liimaamiseen ja läpipiimäisten via-reititysten käyttöön pystysuuntaisina kulkuina. Näihin via-reitteihin verrattuna ne ovat kömpelöitä ja kohdistustoleranssit tiukempia kuin valmistajat haluaisivat. UIUC:n tekniikka pienentää näitä rajoitteita luomalla natiiveja pystysuuntaisia yhteyksiä samalla kun se säilyttää yksikiteisen piin suotuisat sähköiset ominaisuudet.

Tuotantohyötysuhde on valmistuslinjoille ratkaiseva tekijä. Tässä tiimi raportoi tuotantohyötysuhteeksi 98–100 prosenttia käyttäessään standardia yksikiteistä piitä. Nuo luvut viittaavat siihen, että menetelmä voisi skaalautua laboratoriosta tuotantolinjaan ilman katastrofaalista hävikkiä. Se myös vähentää laskennan energiankulutusta lyhentämällä liitäntöjä ja sallimalla signaalien kulkea suoremmin kerrosten välillä.

Lämpö on pitkään ollut pinotun integraation elefantti huoneessa. Rakentaminen lisäaktiivisista kerroksista piin päälle riskeeraa alempien kerrosten altistumisen korkean lämpötilan vaiheille, jotka voivat vaurioittaa piirejä. UIUC:n ryhmä suunnitteli lämpöystävällisen työnkulun, joka pitää prosessin turvallisissa lämpöbudjeteissa samalla kun se säilyttää kiteisen piin sähköiset edut. Se, että yksikiteisen piin suorituskyky yhdistyy matalalämpötilaiseen, kerroskohtaiseen prosessiin, tekee lähestymistavasta houkuttelevan.

Mitä tämä merkitsee prosessoreille ja muistille? Odotettavissa on useita käytännön hyötyjä. Ensinnäkin pystysuuntainen tiivistäminen voi pidentää Moorein lain käytännön elinkaarta pakkaamalla enemmän transistoreja samaan jalanjälkeen ilman porttikokojen pienentämistä. Toiseksi kerrosten välinen latenssi ja virrankulutus laskevat, koska signaalit kulkevat lyhyempiä matkoja. Kolmanneksi sirusuunnittelijat saavat uuden vapausasteen: jakaa logiikkaa, muistia ja erityisiä kiihdyttimiä pystysuuntaiseksi pinoksi vaakasuoran levittäytymisen sijaan.

Tietenkään insinöörityö ei ole muuta kuin kompromissiketju. Lämmönhallinta, hyötysuhde suuressa mittakaavassa ja integrointi olemassa oleviin valmistusekosysteemeihin ovat edelleen haasteita. Mutta tämä vertaisarvioitu Nature-artikkeli vie keskustelun teorian ulkopuolelle. Se on luonnos, jota muut valmistajat ja tutkijat voivat testata ja kehittää edelleen.

Jos yksikiteinen pii voidaan pinota luotettavasti ja hellävaraisesti, voimme olla löytäneet käytännöllisen reitin lisää laskentatehoa ilman, että joudumme luottamaan jatkuvasti yhä pienempiin transistorikokoihin.

Seuraavat vaiheet ovat selvät: toistaa tulokset suuremmissa tuotantolaitoksissa, rasittaa lämpörajoja todellisilla työkuormilla ja muokata suunnittelutyökaluja ajattelemaan kolmiulotteisesti. Kilpailu pakata enemmän suorituskykyä samaan tilaan ei ole ohi. Se on vain saanut uuden suunnan: ylöspäin.