Sztuczna inteligencja jest żarłoczna. Zużywa moc obliczeniową na śniadanie, lunch i kolację, a standardowe chipsy nie są już w stanie jej „nakarmić”.
Fizyczne ograniczenia dają o sobie znać. Tranzystory nie kurczą się już tak bardzo jak kiedyś. Poważnie. Już teraz. Dlatego zespół badaczy z Uniwersytetu Illinois zrobił to, co z perspektywy czasu wydaje się oczywiste – zaczął je układać w stosy.
Wyniki nowego badania, opublikowane 27 maja w czasopiśmie Nature, zawierają szczegółowe informacje na temat krzemowego chipa 3D. To nie jest „kanapka” złożona z pojedynczych, sklejonych ze sobą chipsów, ale pojedyncza jednostka zbudowana z ultracienkich membran.
Pion to nowy poziom
Od lat 60. graliśmy w grę typu „wyciśnij do granic możliwości”. Mniejsze tranzystory pozwoliły na umieszczenie większej liczby elementów w tym samym obszarze. Takie było prawo Moore’a: podwajać liczbę tranzystorów co dwa lata. Naciskać. Kompres.
To się kończy.
Qing Kao, główna autorka badania, twierdzi, że napotykamy ograniczenia samego krzemu. W jego wewnętrznych właściwościach fizycznych. W mechanikę kwantową. Skok bramek kontaktowych przestał się zmniejszać.
Jeśli potrzebujesz większej mocy, masz dwie możliwości: budować urządzenia płasko, aż się zepsują, lub budować w górę. Kao wybrał pion.
Wyobraź sobie planowanie urbanistyczne. W mieście 2D każda informacja wymaga własnej przestrzeni zajmowanej przez sześć tranzystorów. Wszystko rozprzestrzenia się poziomo. W mieście 3D budujesz drapacze chmur. Ta sama funkcja. Ta sama ilość miejsca na dane. Ale znacznie mniej zajmowanej przestrzeni. A co najważniejsze, dane nie muszą pokonywać kilometrów krzemowymi drogami. Podnoszą się zaledwie o kilka nanometrów. Szybciej. Łatwiejsze. I mniej obciążające baterię.
Problem z przegrzaniem
Sama zasada obstawiania nie jest taka nowa.
Branża próbowała tego już wcześniej. Integracja pionowa brzmi świetnie na papierze, ale wszystko się rozpada, gdy zaczniesz patrzeć na ciepło.
Tradycyjna produkcja krzemu wymaga temperatury 1000°C (1832°F), aby wytworzyć wysokiej jakości chipy. „Gotujesz” pierwszą warstwę do perfekcji. Następnie dodajesz metalowe przewodniki, aby połączyć następną warstwę. I ponownie włącz piekarnik. Ups. Metal topi się.
Istnieje twardy sufit, zwany „budżetem cieplnym”. Po nałożeniu pierwszej warstwy można utrzymać jedynie około 400°C (752°F). Podnieś temperaturę, a wszystkie materiały zaczną się rozkładać.
Poprzednie rozwiązania wymagały kompromisów w jakości. Producenci zastępują prawdziwy krzem w wierzchnich warstwach alternatywnymi rozwiązaniami – amorficznymi tlenkami metali, nanorurkami węglowymi lub materiałami polikrystalicznymi. Zmniejszyło to wydzielanie ciepła, ale kosztem wydajności i niezawodności. Kto chce powolnego chipa, który łatwo się psuje?
Nasza metoda jest nie tylko łatwiejsza do wdrożenia, ale także tańsza, zauważył Kao. Całkowicie unika poprzednich pułapek.
Rozwiązania są cieńsze niż papier
Zespół z Illinois zastosował sztuczkę zwaną integracją monolityczną. Zamiast budować chipy osobno i sklejać je ze sobą (co tworzy słabe punkty), budują wszystko na jednym podłożu.
Zaczęli od ultracienkich nanomembran krzemowych. Jak cienki? Mniej niż 10 nanometrów. Mniej więcej szerokość jednej cząsteczki białka. Porównaj to ze standardową płytą o grubości pół milimetra. Membrany te są elastyczne. Dostosowują się. Nie pękają pod naciskiem.
Użyli laminatora rolkowego, aby uchwycić te „skórki” i ułożyć je na wierzchu warstwy podstawowej.
Oto interesująca część. Wiązanie było mocne już w temperaturze 200 ° C (392 ° F). Pięć razy mniej niż w standardowej recepturze. Istniejące przewodniki metalowe przetrwały. Jakość krzemu pozostaje wysoka.
Stworzyli chip składający się z trzech warstw. Każdy zawierał 625 tranzystorów.
Liczba ta może wydawać się skromna. We współczesnych komercyjnych chipach znajdują się miliardy tranzystorów. Ale to nie jest jeszcze produkt komercyjny. To jest dowód koncepcji. Prototyp wykazujący obecne trzy do czterech razy lepsze właściwości niż kompromisowe alternatywy wykorzystujące materiały inne niż krzem.
To działa.
Teraz branża musi dowiedzieć się, jak skalować ten proces. Jak ułożyć dziesięć warstw zamiast trzech. Jak wyprodukować te membrany, żeby się nie zepsuć. Wynik laboratorium jest jasny. Rynek jest mylący. Czy fabryki będą na tyle zainteresowane, aby odbudować swoje linie produkcyjne?
To jest następne pytanie.
