Inženýři MIT pěstují „výškové“ 3D čipy

Elektronický průmysl se blíží limitu počtu tranzistorů, které lze umístit na povrch počítačového čipu. Výrobci čipů proto hledají řešení ve vertikálním směru.

Místo stlačování stále menších tranzistorů na jedinou plochu se zaměřují na vrstvení několika ploch s tranzistory a polovodivými prvky – podobně jako přeměna rodinného domku na mrakodrap. Takové vícevrstvé čipy by dokázaly zpracovat exponenciálně více dat a provádět mnohem komplexnější funkce než dnešní elektronika.

Významnou překážkou je však platforma, na které se čipy budují. Dnes slouží objemné křemíkové destičky jako hlavní lešení, na kterém se pěstují vysoce kvalitní, monokrystalické polovodivé prvky. Jakýkoli stohovatelný čip by musel zahrnovat tlusté křemíkové „podlahy“ jako součást každé vrstvy, což by zpomalilo komunikaci mezi funkčními polovodivými vrstvami.

Inženýři MIT nyní našli způsob, jak tuto překážku obejít, s vícevrstvým designem čipu, který nevyžaduje žádné křemíkové destičky a pracuje při teplotách dostatečně nízkých na to, aby se zachovala zapojení spodní vrstvy.

Ve studii publikované v časopise Nature tým uvádí, že pomocí nové metody vyrobil vícevrstvý čip s střídajícími se vrstvami vysoce kvalitního polovodivého materiálu pěstovaného přímo na sobě.

Tato metoda umožňuje inženýrům budovat vysoce výkonné tranzistory a paměťové a logické prvky na jakémkoli náhodném krystalickém povrchu – nejen na objemném krystalickém lešení křemíkových destiček. Bez těchto tlustých křemíkových substrátů mohou být více polovodivé vrstvy v přímějším kontaktu, což vede k lepší a rychlejší komunikaci a výpočtům mezi vrstvami, uvádějí výzkumníci.

Výzkumníci předpokládají, že by tato metoda mohla být použita k výrobě hardwaru pro AI ve formě stohovaných čipů pro notebooky nebo nositelná zařízení, které by byly stejně rychlé a výkonné jako dnešní superpočítače a mohly by ukládat obrovské množství dat srovnatelné s fyzickými datovými centry.

„Tento průlom otevírá obrovský potenciál pro polovodičový průmysl, protože umožňuje stohování čipů bez tradičních omezení,“ říká autor studie Jeehwan Kim, docent strojírenství na MIT. „To by mohlo vést k řádovému zlepšení výpočetního výkonu pro aplikace v oblasti AI, logiky a paměti.“

Mezi spoluautory studie z MIT patří první autor Ki Seok Kim, Seunghwan Seo, Doyoon Lee, Jung-El Ryu, Jekyung Kim, Jun Min Suh, June-chul Shin, Min-Kyu Song, Jin Feng a Sangho Lee, spolu se spolupracovníky ze Samsung Advanced Institute of Technology, Sungkyunkwan University v Jižní Koreji a University of Texas at Dallas.

Kapsy se semeny

V roce 2023 Kimova skupina hlásila, že vyvinula metodu pro pěstování vysoce kvalitních polovodivých materiálů na amorfních površích, podobně jako různorodá topografie polovodivých obvodů na hotových čipech. Materiál, který pěstovali, byl typ 2D materiálu známý jako dichalkogenidy přechodných kovů, neboli TMD, považovaný za slibného nástupce křemíku pro výrobu menších, vysoce výkonných tranzistorů. Takové 2D materiály si mohou zachovat své polovodivé vlastnosti i v měřítkách tak malých jako jeden atom, zatímco výkon křemíku se prudce zhoršuje.

Ve své předchozí práci tým pěstoval TMD na křemíkových destičkách s amorfními povlaky, stejně jako přes existující TMD. Aby povzbudili atomy k uspořádání do vysoce kvalitního monokrystalického tvaru, spíše než do náhodného, polykrystalického nepořádku, Kim a jeho kolegové nejprve pokryli křemíkovou destičku velmi tenkým filmem, neboli „maskou“ oxidu křemičitého, kterou opatřili malými otvory nebo kapsami. Poté přes masku přiváděli plyn atomů a zjistili, že se atomy usazovaly v kapsách jako „semena“. Kapsy omezovaly semena, aby rostla v pravidelných, monokrystalických strukturách.

Ale v té době metoda fungovala pouze při teplotě kolem 900 stupňů Celsia.

„Tento monokrystalický materiál musíte pěstovat pod 400 stupni Celsia, jinak je podkladový obvod úplně zničený,“ říká Kim. „Naším úkolem tedy bylo, abychom provedli podobnou techniku při teplotách nižších než 400 stupňů Celsia. Pokud bychom to dokázali, dopad by byl značný.“

Vrstvení

Ve své nové práci se Kim a jeho kolegové snažili doladit svou metodu tak, aby pěstovali monokrystalické 2D materiály při teplotách dostatečně nízkých, aby se zachovala jakákoli podkladová zapojení. V metalurgii – vědě a řemesle výroby kovů – našli překvapivě jednoduché řešení. Když metalurgové nalijí roztavený kov do formy, kapalina se pomalu „nukleuje“, neboli tvoří zrna, která rostou a spojují se v pravidelně vzorovaný krystal, který ztvrdne v pevnou formu. Metalurgové zjistili, že tato nukleace probíhá nejlépe na okrajích formy, do které se vlévá kapalný kov.

„Je známo, že nukleace na okrajích vyžaduje méně energie – a tepla,“ říká Kim. „Tento koncept jsme si tedy vypůjčili z metalurgie a využili ho pro budoucí hardware AI.“

Tým se pokusil pěstovat monokrystalické TMD na křemíkové destičce, která již byla vyrobena s tranzistorovými obvody. Nejprve pokryli obvody maskou oxidu křemičitého, stejně jako v předchozí práci. Poté na okraje každé kapsy masky nanesli „semena“ TMD a zjistili, že tato okrajová semena rostla v monokrystalický materiál při teplotách až 380 stupňů Celsia, ve srovnání se semeny, která začala růst ve středu, mimo okraje každé kapsy, což vyžadovalo vyšší teploty pro vytvoření monokrystalického materiálu.

Výzkumníci šli ještě o krok dále a použili novou metodu k výrobě vícevrstvého čipu s prokládanými vrstvami dvou různých TMD – disulfidu molybdenu, slibného materiálu pro výrobu n-typových tranzistorů; a diselenidu wolframu, materiálu, který má potenciál pro výrobu p-typových tranzistorů. Obě p- a n-typové tranzistory jsou elektronické stavební kameny pro provádění libovolné logické operace. Týmu se podařilo pěstovat oba materiály v monokrystalické formě, přímo na sobě, aniž by vyžadovaly žádné mezilehlé křemíkové destičky. Kim říká, že tato metoda efektivně zdvojnásobí hustotu polovodivých prvků čipu a zejména kov-oxid-polovodič (CMOS), což je základní stavební kámen moderní logické součástky.

„Produkt realizovaný naší technikou není jen 3D logický čip, ale také 3D paměť a jejich kombinace,“ říká Kim. „S naší růstově založenou monolitickou 3D metodou byste mohli pěstovat desítky až stovky logických a paměťových vrstev, přímo na sobě, a ony by spolu dokázaly velmi dobře komunikovat.“

„Konvenční 3D čipy byly vyráběny s křemíkovými destičkami mezi vrstvami, vrtáním otvorů skrz destičku – proces, který omezuje počet stohovaných vrstev, rozlišení vertikálního zarovnání a výtěžky,“ dodává první autor Kiseok Kim. „Naše růstově založená metoda řeší všechny tyto problémy najednou.“

Pro další komercializaci svého návrhu stohovatelného čipu Kim nedávno založil společnost FS2 (Future Semiconductor 2D materials).

„Dosud ukazujeme koncept na malých polích zařízení,“ říká. „Dalším krokem je zvětšení měřítka a ukázka profesionálního provozu AI čipu.“

Tento výzkum je částečně podporován Samsung Advanced Institute of Technology a U.S. Air Force Office of Scientific Research.