تراشههای سهبعدی جدید راهی برای تداوم قانون مور ارائه میدهند
در سالهای اخیر، توسعهی تراشههای کامپیوتری با محدودیت فضا روی مدارهای دوبعدی روبهرو شده است؛ جایی که کوچکسازی ترانزیستورها دیگر بهسادگی گذشته امکانپذیر نیست. اکنون تیمی از دانشگاه ایلینوی اربانا شمپین رویکردی متفاوت ارائه کردهاند: ساخت ساختارهای «سهبعدی» با چیدمان لایههای فعال روی یکدیگر.
ایدهی تیم پژوهش میتواند مسیر قانون مور را ادامه دهد؛ قانونی که در دهه ۱۹۶۰ توسط گوردون مور، از بنیانگذاران اینتل، مطرح شد و بیان میکند تعداد ترانزیستورها روی تراشهها تقریباً هر دو سال یکبار، با هزینهی مشابه، دو برابر میشود.
افزایش تعداد ترانزیستورها به معنای توان پردازشی بیشتر است، اما صنعت نیمهرسانا اکنون با محدودیتهای جدی فیزیکی و حرارتی مواجه شده است. یافتههای پژوهش جدید نشان میدهد که میتوان با استفاده از سیلیکون تکبلوری رایج، لایههای پردازشی را بهصورت عمودی روی هم قرار داد، بدون آنکه افت قابلتوجهی در عملکرد ایجاد شود.
بهگزارش ساینسآلرت، تیم پژوهش میگویند این معماری علاوه بر افزایش چگالی محاسباتی، با کاهش فاصلهی ارتباطی بین اجزا میتواند مصرف انرژی را نیز کاهش دهد.
چینگ سائو، پژوهشگر علوم مواد، توضیح میدهد: «امروز برای ذخیرهی یک بیت اطلاعات روی سطح دوبعدی به شش ترانزیستور نیاز است. با یکپارچهسازی عمودی میتوان آنها را در چندین لایه توزیع کرد؛ مثل جایگزین کردن شهری گسترده با برجهای بلند. همان عملکرد را دارد، اما فضای بسیار کمتری اشغال میشود و ارتباط بین لایهها نیز سریعتر خواهد بود.»
بااینحال، چیدن تراشهها روی هم سالها با یک مانع جدی مواجه بوده است: گرما. فرآیند ساخت تراشهها به دماهایی نزدیک به هزار درجه سانتیگراد نیاز دارد؛ دمایی که در صورت ساخت چند لایه همزمان میتواند به ساختارهای زیرین آسیب بزند. اگرچه روشهای پیشین، مانند ساخت جداگانهی لایهها یا استفاده از مواد مقاومتر امکانپذیر بودند، معمولاً به کاهش عملکرد یا پیچیدگی تولید منجر میشدند.
در پژوهش، مفهوم «یکپارچهسازی سهبعدی تکقالبی» (monolithic 3D integration) بهعنوان راهحل اصلی معرفی شده است؛ روشی که در آن لایهها بهصورت مستقیم و در یک ساختار پیوسته ساخته میشوند. سائو میگوید: «این نوع یکپارچهسازی کل ظرفیت تراشههای سهبعدی را آزاد میکند. برای اولین بار توانستیم محدودیت حرارتی این فرایند را با سیلیکون تکبلوری استاندارد پشت سر بگذاریم و به عملکردی بیسابقه برسیم.»
پژوهشگران برای عبور از چالش گرما، از ترانزیستورهای بدون پیوند استفاده کردند تا بخشهای حساس پیش از فرایند چیدمان آماده شوند. همچنین، بهجای ویفرهای ضخیم مرسوم، از غشاهای نازک و انعطافپذیر سیلیکونی استفاده شد که امکان ساخت در دماهای زیر ۲۰۰ درجه سانتیگراد را فراهم میکنند.
سائو میگوید: «غشاها انعطافپذیرند و کاملاً با سطح زیرین منطبق میشوند و از ایجاد نقصهایی مانند حفرههای مرزی نیز جلوگیری میکنند.» در آزمایشها، پژوهشگران موفق شدند تا سه لایه فعال شامل مدارهای منطقی و حافظه را روی هم پیادهسازی کنند؛ دستاوردی که اثبات میکند این ایده در عمل قابل اجراست، هرچند هنوز تا تولید صنعتی فاصله دارد.
یکی از چالشهای فعلی، نیاز به ولتاژهای بالاتر از حالت استاندارد برای عملکرد تراشههاست؛ موضوعی که باید در ادامه بهینهسازی شود. با وجود پیشرفتهای گسترده در حوزههایی مانند رایانش کوانتومی، تراشههای کلاسیک همچنان نقش محوری در توسعه فناوری دارند و پیشبینیهای قانون مور همچنان بر آنها استوار است.
پژوهشگران میگویند این فناوری قابلیت گسترش بیشتری نیز دارد. سائو تأکید میکند: «میتوان فراتر از سه لایه فعلی هم پیش رفت و همچنان به ترانزیستورهایی با عملکرد بالا و بازده مناسب رسید. اکنون پایهای محکم برای انتقال این فناوری به خطوط تولید صنعتی فراهم شده و میتوان از ظرفیت واقعی آن در مقیاس تجاری استفاده کرد.»
یافتههای پژوهش در نشریهی نیچر منتشر شده است.
خانواده ما
ارسال دیدگاه
دیدگاهها