لعقود، اتبعت صناعة الحوسبة معادلة بسيطة: جعل الترانزستورات أصغر وتجميع المزيد منها على شريحة. هذه الاستراتيجية غذت الارتفاع الاستثنائي في قوة الحوسبة الذي تنبأ به قانون مور. لكن مع اقتراب المكونات من المقاييس الذرية، يواجه المهندسون بشكل متزايد الحدود الفيزيائية للسيليكون وتأثيرات ميكانيكا الكم. يعتقد العديد من الباحثين أن التقدم الرئيسي التالي لن يأتي من تقليص الأجهزة أكثر، بل من البناء إلى الأعلى.
أظهر فريق بقيادة البروفيسور تشينغ كاو، أستاذ علوم وهندسة المواد في كلية غرينجر للهندسة بجامعة إلينوي، طريقة جديدة لتكديس طبقات متعددة من إلكترونيات السيليكون مباشرة فوق بعضها البعض. يمكن أن يزيد هذا النهج بشكل كبير من كثافة الحوسبة، ويحسن الأداء، ويقلل استهلاك الطاقة مع تمديد التقدم الذي قاد صناعة أشباه الموصلات لأكثر من نصف قرن.
"خذ شيئًا بسيطًا مثل الذاكرة الثابتة الوصول العشوائي، وهي شائعة في وحدات المعالجة المركزية ووحدات معالجة الرسوميات. اليوم يتطلب الأمر ستة أجهزة إلكترونية دقيقة تسمى ترانزستورات على مستوى واحد لتخزين بت واحد من المعلومات. مع التكامل العمودي، يمكنك توزيعها عبر طبقات متعددة. إنه مثل استبدال ضاحية مترامية الأطراف بناطحات سحاب: تحصل على نفس الوظيفة، لكن البصمة المكانية تقل مع جعل الاتصال بين الطبقات أسرع وأكثر كفاءة،" شرح كاو.
يذكر الباحثون أن عمليتهم تحقق عوائد أجهزة تتراوح بين 98-100% مع استخدام السيليكون أحادي البلورة القياسي، المادة شبه الموصلة التي تدعم الإلكترونيات الحديثة. تشير النتائج إلى أن هذه التقنية يمكن أن تتبناها في النهاية شركات تصنيع الرقائق التجارية.
"التكامل العمودي بدأ بالفعل في شق طريقه إلى الأجهزة التجارية، خاصة في أجهزة الذكاء الاصطناعي المتخصصة، لكن التكامل الأحادي هو ما يطلق العنان للوعد الكامل للرقائق ثلاثية الأبعاد،" قال كاو. "لأول مرة، حققنا الميزانية الحرارية للتكامل ثلاثي الأبعاد الأحادي باستخدام السيليكون أحادي البلورة القياسي وقدمنا أداءً غير مسبوق." نُشرت النتائج في مجلة Nature، وهي مجلة نادرًا ما تنشر مقالات بحثية في مجال الإلكترونيات الدقيقة السيليكونية.
لماذا تتطلع صناعة أشباه الموصلات إلى الأعلى: لمدة 60 عامًا تقريبًا، وجه قانون مور تطوير الرقائق، متوقعًا مضاعفة كثافة الترانزستور كل عامين تقريبًا. أصبح هذا الاتجاه صعب الحفاظ عليه بشكل متزايد. "بمعنى ما، نحن نصل إلى حد تفرضه الفيزياء،" قال كاو. "إذا نظرت إلى الحجم الفعلي للترانزستورات، فهي لا تصبح أصغر، خاصة من حيث درجة البوابة الملامسة. هذا لأننا أصبحنا محدودين بالخصائص الجوهرية للسيليكون والقواعد الأساسية لميكانيكا الكم. إذا أردنا مواكبة اتجاه زيادة قوة المعالجة لوحدات المعالجة الدقيقة، علينا أن نبدأ بالتفكير فيما هو أبعد من مجرد حشر المزيد من الأجهزة على سطح واحد."
يوفر تكديس الأجهزة عموديًا بديلاً جذابًا. بدلاً من الاستمرار في تقليص الترانزستورات الفردية، يمكن للمهندسين وضع طبقات متعددة من الدوائر فوق بعضها البعض. هذا لا يخلق مساحة أكبر للمكونات فحسب، بل يقصر أيضًا مسافات الأسلاك، مما يقلل السعة الطفيلية ويزيد بشكل كبير من عرض النطاق الترددي للاتصال بين أجزاء مختلفة من الشريحة. هذه المزايا مهمة بشكل خاص للذكاء الاصطناعي وتطبيقات الحوسبة كثيفة البيانات الأخرى.
تقنيات الرقائق ثلاثية الأبعاد التجارية الحالية تستخدم بالفعل التكديس، لكنها تتضمن عادةً تصنيع أجهزة أشباه الموصلات على رقاقات منفصلة قبل ربطها معًا. تشمل الأمثلة الذاكرة عالية النطاق وتقنية AMD 3D V-Cache. على الرغم من نجاح هذه الطرق، إلا أن لها قيودًا: المحاذاة بين الطبقات خشنة نسبيًا، والوصلات العمودية المعروفة باسم TSVs كبيرة ومتناثرة نسبيًا. التكامل ثلاثي الأبعاد الأحادي يأخذ نهجًا مختلفًا. بدلاً من ربط الرقاقات المكتملة،