AI heeft honger. Het verbruikt rekenkracht voor ontbijt, lunch en diner, en standaard platte chips kunnen het niet langer voeden.
Fysieke grenzen komen hard aan. Transistoren krimpen niet meer zoals vroeger. Niet echt. Niet meer. Dus een team van de Universiteit van Illinois deed wat achteraf gezien voor de hand leek: ze stapelden ze op elkaar.
Het nieuwe onderzoek, gepubliceerd op 27 mei in Nature, beschrijft een driedimensionale siliciumchip. Geen sandwich van losse chips die aan elkaar zijn gelijmd, maar één blok opgebouwd uit ultradunne membranen.
Omhoog is de nieuwe Uit
Sinds de jaren zestig hebben we een steeds kleiner wordend spel gespeeld. Kleinere transistors betekenden dat er meer op hetzelfde oppervlak konden passen. Dat was de wet van Moore. Verdubbel het aantal transistors elke twee jaar. Blijf duwen. Blijf krimpen.
Het loopt ten einde.
Qing Cao, hoofdauteur van het onderzoek, zegt dat we zelf tegen een muur van silicium aanlopen. De intrinsieke materiaaleigenschappen. Kwantummechanica. De gecontacteerde poortsteek wordt niet kleiner.
Als je meer kracht wilt, heb je twee keuzes: blijf apparaten op een plat vlak drukken totdat ze breken of zich naar boven toe opbouwen. Cao koos ervoor.
Zie het als stadsplanning. In een 2D-stad heeft elk stukje informatie zijn eigen voetafdruk van zes transistoren nodig. Het verspreidt zich. In een 3D-stad bouw je torens. Dezelfde functie. Dezelfde bitopslag. Veel minder vloeroppervlak. En cruciaal is dat data niet over kilometers siliciumweg hoeven te reizen. Het gaat een paar nanometer omhoog. Sneller. Koeler. Makkelijker voor de batterij.
Het hitteprobleem
Stapelen is niet bepaald nieuw nieuws.
De industrie heeft het al eerder geprobeerd. Verticale integratie klinkt op papier geweldig, totdat je naar de hitte kijkt.
Traditionele siliciumproductie heeft 1.000 C (1.832 F) nodig om goede chips te maken. Je kookt de eerste laag perfect. Vervolgens voeg je metalen draden toe om de volgende laag te verbinden. Je zet de oven weer aan. Poef. Het metaal smelt.
Er is een hard plafond dat bekend staat als het ‘thermische budget’. Na die eerste laag kun je nog maar ongeveer 400 C (752 F) aan. Ga hoger en alles degradeert.
Eerdere oplossingen hebben concessies gedaan aan de kwaliteit. Fabrikanten verruilden echt silicium voor alternatieven in de bovenste lagen: amorfe metaaloxiden. Koolstof nanobuisjes. Polykristallijn spul. Het hield de hitte laag, maar offerde prestaties en betrouwbaarheid op. Wie wil er een langzame chip die gemakkelijk breekt?
Onze methode is niet alleen eenvoudiger te implementeren, maar ook goedkoper, merkte Cao op. Het vermijdt deze eerdere valkuilen volledig.
Papierdunne oplossingen
Het team in Illinois gebruikte een truc genaamd monolithische integratie. In plaats van chips apart te maken en te lijmen – wat zwakke punten oplevert – bouwen ze alles op één substraat.
Ze begonnen met ultradunne silicium nanomemberanen. Hoe dun? Minder dan 10 nanometer. Ongeveer de breedte van een enkel eiwitmolecuul. Vergelijk dat eens met een standaardwafel van een halve millimeter dik. Deze membranen zijn flexibel. Ze conformeren zich. Ze barsten niet onder druk.
Ze gebruikten een rollamineerder om deze huiden op te pakken en op de basislaag te plaatsen.
Hier is de kicker. De band bleef sterk bij slechts 200 C (392 F). Vijf keer koeler dan het standaardrecept. De bestaande metaaldraden overleefden. De siliciumkwaliteit bleef hoog.
Ze maakten een chip met drie lagen. Elk bevatte 625 transistors
Dat aantal lijkt klein. Er zitten momenteel miljarden in commerciële chips. Maar dit is nog geen commercieel product. Het is een proof-of-concept. Een prototype dat laat zien dat de stroom drie tot vier keer beter is dan die compromisalternatieven die niet-siliciummaterialen gebruiken.
Het werkt.
Nu moet de industrie uitzoeken hoe ze dit kan opschalen. Hoe je tien lagen kunt stapelen in plaats van drie. Hoe deze membranen te vervaardigen zonder dat dit een arm en een been kost. Het laboratoriumresultaat is schoon. De markt is rommelig. Zullen fabrieken er genoeg om geven om hun lijnen weer op te bouwen?
Dat is de volgende vraag.
