수십 년 동안 컴퓨팅 산업은 간단한 공식을 따라왔다: 트랜지스터를 더 작게 만들고 칩에 더 많이 집어넣는 것이다. 그 전략은 무어의 법칙이 예측한 컴퓨팅 성능의 엄청난 상승을 촉진했다. 하지만 부품이 원자 규모에 가까워짐에 따라 엔지니어들은 점점 실리콘의 물리적 한계와 양자 역학의 효과에 부딪히고 있다. 많은 연구자들은 다음 주요 진전이 소자를 더 축소하는 것이 아니라 위로 쌓아 올리는 데서 올 것이라고 믿는다.

일리노이 대학교 그레인저 공과대학 재료과학 및 공학 교수인 칭 카오(Qing Cao)가 이끄는 팀은 실리콘 전자 장치의 여러 층을 직접 서로 위에 쌓는 새로운 방법을 시연했다. 이 접근법은 컴퓨팅 밀도를 극적으로 증가시키고, 성능을 향상시키며, 에너지 소비를 줄이면서 반도체 산업을 반세기 이상 이끌어온 진전을 연장할 수 있다.

"CPU와 GPU에 보편적인 정적 랜덤 액세스 메모리 같은 간단한 것을 생각해보자. 오늘날 한 비트의 정보를 저장하는 데 하나의 평면에 6개의 마이크로 전자 장치인 트랜지스터가 필요하다. 수직 통합을 사용하면 여러 층에 분산시킬 수 있다. 마치 넓게 퍼진 교외 지역을 고층 빌딩으로 대체하는 것과 같다: 동일한 기능을 얻지만 공간적 발자국은 줄어들고 층 간 통신은 더 빠르고 효율적이게 된다"고 카오는 설명했다.

연구자들은 이 공정이 표준 단결정 실리콘(현대 전자 제품의 기반이 되는 반도체 재료)을 사용하면서 98-100%의 소자 수율을 달성한다고 보고한다. 이 결과는 이 기술이 결국 상용 칩 제조업체에 채택될 수 있음을 시사한다.

"수직 통합은 이미 상용 장치, 특히 특수 AI 하드웨어에 도입되기 시작했지만, 모놀리식 통합이 3D 칩의 완전한 잠재력을 실현하는 열쇠입니다"라고 카오는 말했다. "처음으로 우리는 표준 단결정 실리콘을 사용하여 모놀리식 3D 통합의 열 예산을 충족하고 전례 없는 성능을 제공했습니다." 이 연구 결과는 실리콘 마이크로 전자 공학 연구 논문을 거의 게재하지 않는 저널인 Nature에 발표되었다.

반도체 산업이 위를 바라보는 이유: 약 60년 동안 무어의 법칙은 칩 개발을 이끌었으며, 트랜지스터 밀도가 약 2년마다 두 배가 될 것이라고 예측했다. 이 추세는 점점 유지하기 어려워지고 있다. "어떤 의미에서 우리는 물리학이 부과한 한계에 도달하고 있습니다"라고 카오는 말했다. "트랜지스터의 실제 크기를 보면, 특히 접촉 게이트 피치 측면에서 더 작아지지 않고 있습니다. 이는 실리콘의 고유 재료 특성과 양자 역학의 기본 규칙에 의해 제한되기 때문입니다. 마이크로프로세서의 처리 능력 증가 추세를 유지하려면 단일 표면에 더 많은 소자를 쥐어짜는 것 이상을 생각하기 시작해야 합니다."

소자를 수직으로 쌓는 것은 매력적인 대안을 제공한다. 개별 트랜지스터를 계속 축소하는 대신 엔지니어는 여러 층의 회로를 서로 위에 배치할 수 있다. 이는 구성 요소를 위한 더 많은 공간을 만들 뿐만 아니라 배선 거리를 단축하여 기생 커패시턴스를 줄이고 칩의 다른 부분 간 통신 대역폭을 크게 증가시킨다. 이러한 이점은 인공 지능 및 기타 데이터 집약적 컴퓨팅 응용 분야에 특히 중요하다.

현재 상용 3D 칩 기술은 이미 적층을 사용하지만, 일반적으로 별도의 웨이퍼에서 반도체 소자를 제조한 후 접합하는 과정을 포함한다. 예로는 고대역폭 메모리와 AMD의 3D V-캐시 기술이 있다. 성공적이지만 이러한 방법에는 한계가 있다: 층 간 정렬이 상대적으로 거칠고, 실리콘 관통 비아(TSV)라고 알려진 수직 연결이 비교적 크고 드물다. 모놀리식 3차원 통합은 다른 접근 방식을 취한다. 완성된 칩을 결합하는 대신, 단일 기판 위에 직접 회로 층을 순차적으로 성장시킨다.

카오의 팀은 저온 공정을 사용하여 단결정 실리콘 층을 쌓는 방법을 개발했다. 이는 아래 층을 손상시키지 않으면서도 고품질의 실리콘을 유지한다. 그들은 98-100%의 수율을 달성했으며, 이는 상용 생산에 충분히 높은 수준이다. 이 기술은 IBM과 인텔을 포함한 주요 반도체 회사들의 관심을 끌었다.

"이것은 단순한 실험실 호기심이 아닙니다"라고 카오는 말했다. "이것은 반도체 산업이 실제로 채택할 수 있는 실용적인 솔루션입니다. 우리는 무어의 법칙이 죽지 않았음을 보여주었습니다. 단지 방향을 바꿨을 뿐입니다."