تراشههای سهبعدی جدید میتوانند عمر قانون مور را تمدید کنند
در سالهای اخیر، عملکرد تراشههای رایانهای بیش از پیش به محدودیتهای فیزیکی فضای موجود در مدارهای مجتمع نزدیک شده است. اکنون پژوهشگران معتقدند راهحلی برای این چالش یافتهاند: ساخت تراشهها در جهت عمودی.
به گزارش سیناپرس، این نوآوری میتواند به تمدید یا حتی فراتر رفتن از پیشبینی «قانون مور» کمک کند؛ اصلی که در دهه ۱۹۶۰ توسط گوردون مور مطرح شد. بر اساس این فرضیه، پیشرفتهای فناوری باید امکان دو برابر شدن تعداد ترانزیستورهای روی تراشهها را تقریباً هر دو سال یکبار و با هزینهای مشابه فراهم کند. افزایش تعداد ترانزیستورها معمولاً به معنای افزایش توان پردازشی است، اما تولیدکنندگان اکنون با محدودیت فضا و دشواری کوچکتر کردن بیشتر ترانزیستورها روبهرو هستند.
پژوهش جدیدی که توسط محققان دانشگاه ایلینوی در اربانا-شمپین در ایالات متحده انجام شده، روشی را برای پشتهسازی عمودی تراشهها با استفاده از همان سیلیکون متداول امروزی معرفی میکند؛ روشی که عملکردی نزدیک به فناوریهای کنونی ارائه میدهد.
به گفته پژوهشگران، این رویکرد میتواند چگالی محاسباتی و سرعت پردازش را افزایش داده و در عین حال به دلیل کوتاهتر شدن مسیرهای ارتباطی و بهبود بهرهوری، مصرف انرژی را کاهش دهد.
چینگ کائو، دانشمند مواد و از پژوهشگران این پروژه، میگوید: امروزه برای ذخیره یک بیت اطلاعات، به شش ترانزیستور در یک سطح نیاز است. با یکپارچهسازی عمودی میتوان این ترانزیستورها را در چندین لایه توزیع کرد. این کار مانند جایگزین کردن یک حومه گسترده شهری با برجهای بلند است؛ همان کارکرد در فضای کمتری ارائه میشود و ارتباط میان لایهها نیز سریعتر و کارآمدتر خواهد بود.
اگرچه فناوری پشتهسازی تراشهها پیش از این نیز مورد بررسی قرار گرفته بود، اما گرما همواره یکی از بزرگترین موانع محسوب میشد. فرایندهای ساخت تراشه به دماهای بسیار بالا، در حدود هزار درجه سانتیگراد، نیاز دارند؛ دمایی که میتواند لایههای زیرین را تخریب کند. راهکارهای قبلی، مانند ساخت جداگانه لایهها یا استفاده از مواد مقاومتر در برابر حرارت، معمولاً به کاهش عملکرد و چگالی مدارها منجر میشد.
کائو در این باره میگوید: یکپارچهسازی مونولیتیک همان چیزی است که ظرفیت واقعی تراشههای سهبعدی را آزاد میکند. برای نخستین بار توانستهایم محدودیت حرارتی این نوع یکپارچهسازی را با استفاده از سیلیکون تکبلوری استاندارد برطرف کرده و عملکردی بیسابقه ارائه دهیم.
محققان برای غلبه بر مشکل گرما از چند راهکار بهره بردند. آنها از ترانزیستورهای موسوم به «بدون پیوند» (Junctionless) استفاده کردند و ترکیب شیمیایی لایههای مدار را به گونهای تغییر دادند که مراحل نیازمند دمای بالا پیش از فرایند پشتهسازی انجام شود.
همچنین به جای ویفرهای سنتی، از نانوممبرانهای سیلیکونی فوقنازک و انعطافپذیر استفاده شد. این لایهها با فرایندی شبیه به غلتاندن روی سطح قرار میگیرند و اجرای آنها در دماهایی کمتر از ۲۰۰ درجه سانتیگراد امکانپذیر است.
به گفته کائو، «این غشاها از انعطافپذیری مکانیکی بالایی برخوردارند و بهخوبی با سطح زیرین منطبق میشوند. این ویژگی از ایجاد نقصهای مرزی مانند حفرههای خالی جلوگیری میکند؛ نقصهایی که معمولاً هنگام اتصال دو ویفر سخت به یکدیگر رخ میدهند.»
این فرایند همچنان از همان سیلیکون تکبلوری مورد استفاده در تراشههای امروزی بهره میبرد، نرخ بازدهی بالایی دارد و به باور پژوهشگران، قابلیت توسعه در مقیاس صنعتی را نیز خواهد داشت. در آزمایشهای انجامشده، تیم تحقیقاتی موفق شد سه لایه شامل مدارهای منطقی و سلولهای حافظه فعال را روی یکدیگر قرار دهد؛ دستاوردی که اثباتکننده عملی بودن این فناوری است و میتواند در آینده به تعداد لایههای بیشتری گسترش یابد.
با این حال، برای انتقال این فناوری از آزمایشگاه به کارخانههای تولید نیمههادی هنوز چالشهایی وجود دارد. در وضعیت فعلی، این تراشهها به ولتاژهایی بالاتر از حد معمول نیاز دارند و این موضوع باید در مراحل بعدی بهینهسازی شود. با این حال، از نظر تئوری، ساختارهای عمودی باید به افزایش بهرهوری انرژی منجر شوند.
در شرایطی که پیشرفتها در حوزه رایانش کوانتومی ادامه دارد، رایانش کلاسیک و تراشههای متعارف همچنان نقش اساسی در پیشبرد فناوریهای آینده ایفا خواهند کرد و میتوانند زمینه تحقق پیشبینیهای گوردون مور را فراهم سازند.
کائو در پایان تأکید میکند: «امکان افزودن لایههای بیشتر فراتر از سه لایه آزمایششده وجود دارد و این فرایند همچنان ترانزیستورهایی با عملکرد بالا، بازده مناسب و نوسان کم تولید خواهد کرد. اکنون پایهای مستحکم برای انتقال این فناوری به خطوط تولید صنعتی نیمههادی فراهم شده است.»
نتایج این پژوهش در نشریه علمی Nature منتشر شده است.
مترجم: فرگل غفاری
