Искусственный интеллект прожорлив. Он потребляет вычислительные мощности на завтрак, обед и ужин, а стандартные плоские чипы больше не в состоянии его «накормить».
Физические пределы дают о себе знать. Транзисторы перестали уменьшаться так, как это было раньше. Серьезно. Уже сейчас. Поэтому группа исследователей из Университета Иллинойса предприняла то, что в ретроспективе кажется очевидным — они начали собирать их в стопку.
Опубликованное 27 мая в журнале Nature новое исследование подробно описывает трехмерный кремниевый чип. Это не «сэндвич» из отдельных чипов, склеенных вместе, а единый блок, построенный из ультратонких мембран.
Вертикаль — новая горизонталь
С 1960-х годов мы играли в игру «сжимаем до предела». Меньшие транзисторы позволяли разместить больше элементов на той же площади. Таков был закон Мура: удваивать количество транзисторов каждые два года. Давить. Сжимать.
Это заканчивается.
Цинг Као, ведущий автор исследования, говорит, что мы уперлись в ограничения самого кремния. В его внутренние физические свойства. В квантовую механику. Шаг контактных затворов перестал уменьшаться.
Если вам нужна большая мощность, у вас есть два выбора: продолжать лепить устройства на плоскости, пока они не сломаются, или строить вверх. Као выбрал вертикаль.
Представьте себе градостроительство. В 2D-городе каждая единица информации требует своего собственного места, занимаемого шестью транзисторами. Все расползается по горизонтали. В 3D-городе вы строите небоскребы. Та же функция. Тот же объем хранения данных. Но значительно меньше занимаемой площади. И что самое важное, данным не нужно пробегать мили по кремниевым дорогам. Они поднимаются всего на несколько нанометров. Быстрее. Проще. И легче для батареи.
Проблема перегрева
Сам по себе принцип стекинга — не такая уж и новость.
Индустрия пробовала это раньше. Вертикальная интеграция звучит превосходно на бумаге, но все рушится, когда вы начинаете смотреть на тепло.
Для создания качественных чипов традиционное производство кремния требует температуры в 1000 °C (1832 °F). Вы «готовите» первый слой до идеала. Затем добавляете металлические проводники для подключения следующего слоя. И снова включаете печь. Упс. Металл плавится.
Существует жесткий потолок, известный как «тепловой бюджет». После первого слоя можно выдерживать лишь около 400 °C (752 °F). Повысьте температуру, и все материалы начнут деградировать.
Предыдущие решения требовали компромиссов в качестве. Производители заменяли настоящий кремний в верхних слоях альтернативами — аморфными металлическими оксидами, углеродными нанотрубками или поликристаллическими материалами. Это снижало нагрев, но ценой производительности и надежности. Кому нужен медленный чип, который легко ломается?
Наш метод не только проще в реализации, но и дешевле, отметил Као. Он полностью избегает предыдущих ловушек.
Решения тоньше бумаги
Команда из Иллинойса использовала трюк, называемый монолитной интеграцией. Вместо того чтобы создавать чипы отдельно и склеивать их (что создает слабые точки), они строят все на одной подложке.
Они начали с ультратонких кремниевых наномембран. Насколько тонких? Менее 10 нанометров. Примерно с ширину одной молекулы белка. Сравните это со стандартной пластиной толщиной в полмиллиметра. Эти мембраны гибкие. Они подстраиваются. Они не трескаются под давлением.
Для захвата этих «кож» и их укладки поверх базового слоя они использовали рулонный ламинатор.
Вот самое интересное. Связь была прочной всего при 200 °C (392 °F). В пять раз ниже, чем в стандартном рецепте. Существующие металлические проводники выдержали. Качество кремния осталось высоким.
Они создали чип из трех слоев. В каждом находилось по 625 транзисторов.
Это число может показаться скромным. В современных коммерческих чипах существуют миллиарды транзисторов. Но это еще не коммерческий продукт. Это доказательство концепции. Прототип, показывающий, что ток в три-четыре раза лучше, чем у компромиссных альтернатив, использующих некремниевые материалы.
Это работает.
Теперь индустрии нужно понять, как масштабировать этот процесс. Как собрать в стопку десять слоев вместо трех. Как производить эти мембраны без разорения. Лабораторный результат чист. Рынок запутан. Будут ли заводы настолько заинтересованы, чтобы перестраивать свои производственные линии?
В этом следующий вопрос.
