Исследователи из Университет Иллинойса в Урбана-Шампейн предложили новый подход к развитию микроэлектроники, который может продлить действие закона Мура без дальнейшего уменьшения размеров транзисторов. Вместо традиционного масштабирования «в ширину» ученые предлагают увеличивать плотность схем за счет вертикального наращивания кремниевых слоев.
Закон Мура, сформулированный Гордоном Муром в 1965 году, предсказывал удвоение числа транзисторов на микросхемах через определенные промежутки времени. В течение десятилетий именно миниатюризация транзисторов обеспечивала экспоненциальный рост производительности вычислительной техники. Однако по мере перехода к техпроцессам 5 нм и 3 нм отрасль столкнулась с фундаментальными ограничениями, связанными с квантовыми эффектами, рассеиванием тепла и стремительным ростом стоимости производства.
По словам профессора инженерного факультета Иллинойса Цин Цао, дальнейшее уменьшение размеров транзисторов уже упирается в физические свойства кремния и законы квантовой механики. Поэтому для продолжения роста вычислительной мощности необходимо искать альтернативные архитектурные решения.
Команда предложила использовать монолитную трехмерную интеграцию, при которой несколько слоев кремниевых схем последовательно размещаются друг над другом. Такой подход позволяет значительно увеличить плотность размещения компонентов и сократить расстояния между ними, что повышает быстродействие и снижает энергопотребление.
Исследователи сравнивают эту концепцию с заменой одноэтажного пригорода небоскребами: функциональность остается прежней, но пространство используется гораздо эффективнее. Например, элементы статической памяти SRAM, которые обычно располагаются на одной плоскости, можно распределить по нескольким уровням.
Главным препятствием для реализации трехмерных чипов долгое время оставалась высокая температура технологических процессов. Изготовление качественных кремниевых транзисторов обычно требует нагрева до 1000 °C, тогда как уже сформированные нижние слои схем способны выдержать не более 400 °C без повреждения металлических соединений.
Вместо поиска новых материалов исследователи решили сохранить преимущества монокристаллического кремния. Они разработали технологию переноса ультратонких кремниевых наномембран толщиной менее 10 нм с донорской пластины на уже готовые схемы. Процесс соединения выполняется при температуре около 200 °C, что позволяет избежать повреждения ранее сформированных слоев.
Дополнительным преимуществом новой технологии стала гибкость таких наномембран. В отличие от традиционных кремниевых пластин толщиной 500–700 мкм, тонкие пленки способны плотно прилегать к поверхности, что уменьшает вероятность появления дефектов и пустот между слоями.
Ученые также отказались от традиционной высокотемпературной процедуры легирования и перешли к архитектуре транзисторов без p-n-переходов. Благодаря сверхтонким слоям кремния затвор способен эффективно управлять каналом проводимости, обеспечивая высокие характеристики устройств при низких температурах изготовления.
Экспериментальная структура включала три вертикально расположенных слоя, каждый из которых содержал 625 транзисторов. Полученные устройства продемонстрировали высокую однородность и производительность, а плотность выходного тока оказалась сопоставимой с характеристиками обычных кремниевых транзисторов, изготовленных по традиционным высокотемпературным технологиям. Кроме того, новые структуры обеспечили в три-четыре раза более высокую производительность по сравнению с ранее предложенными вариантами монолитных трехмерных чипов на альтернативных материалах.
Исследователи также успешно продемонстрировали работоспособность трехмерных логических схем и ячеек статической памяти SRAM, соединенных вертикальными металлическими межсоединениями.
Наиболее важным результатом работы авторы считают масштабируемость технологии. Хотя в эксперименте использовались три слоя, принципиальных ограничений на дальнейшее увеличение их количества нет. По мнению команды, созданная платформа может стать основой для промышленного производства многослойных кремниевых микросхем и открыть новую главу в развитии полупроводниковой индустрии.
Если традиционный закон Мура был основан на уменьшении транзисторов, то следующее поколение вычислительных систем, возможно, будет развиваться уже не в двух измерениях, а в трех. В этом случае рост производительности будет обеспечиваться не столько новыми техпроцессами, сколько архитектурой самих микросхем.
Источник: https://www.electronicspecifier.com/news/analysis/researchers-find-a-new-way-to-extend-moores-law/
Больше интересного – на медиапортале https://www.cta.ru/