Przez dziesięciolecia przemysł komputerowy kierował się prostą formułą: produkuj mniejsze tranzystory i upychaj ich więcej na układzie. Ta strategia napędzała niezwykły wzrost mocy obliczeniowej przewidywany przez prawo Moore'a. Jednak gdy komponenty zbliżają się do skali atomowej, inżynierowie coraz częściej napotykają fizyczne ograniczenia krzemu i efekty mechaniki kwantowej. Wielu badaczy uważa, że kolejny wielki postęp nie nastąpi poprzez dalsze zmniejszanie urządzeń, ale poprzez budowanie w górę.

Zespół kierowany przez profesora inżynierii materiałowej i nauk o materiałach z University of Illinois Grainger College of Engineering, Qing Cao, zaprezentował nową metodę układania wielu warstw elektroniki krzemowej bezpośrednio jedna na drugiej. Podejście to może radykalnie zwiększyć gęstość obliczeniową, poprawić wydajność i zmniejszyć zużycie energii, jednocześnie przedłużając postęp, który napędzał przemysł półprzewodnikowy przez ponad pół wieku.

„Weźmy coś tak prostego jak statyczna pamięć o dostępie swobodnym, która jest powszechna w procesorach i GPU. Dziś potrzeba sześciu mikroelektronicznych urządzeń zwanych tranzystorami na jednej płaszczyźnie, aby przechować jeden bit informacji. Dzięki integracji pionowej można je rozmieścić na wielu warstwach. To jak zastąpienie rozległego przedmieścia wieżowcami: otrzymujesz tę samą funkcjonalność, ale zajmujesz mniej miejsca, a komunikacja między warstwami jest szybsza i bardziej efektywna” – wyjaśnił Cao.

Naukowcy informują, że ich proces osiąga wydajność urządzeń na poziomie 98-100%, wykorzystując standardowy monokrystaliczny krzem, materiał półprzewodnikowy stanowiący podstawę nowoczesnej elektroniki. Wyniki sugerują, że technika ta może zostać ostatecznie przyjęta przez komercyjnych producentów układów.

„Integracja pionowa zaczyna już wkraczać do komercyjnych urządzeń, szczególnie w specjalistycznym sprzęcie AI, ale to integracja monolityczna odblokowuje pełny potencjał układów 3D” – powiedział Cao. „Po raz pierwszy spełniliśmy budżet termiczny monolitycznej integracji 3D przy użyciu standardowego monokrystalicznego krzemu i osiągnęliśmy niespotykaną wydajność”. Wyniki opublikowano w Nature, czasopiśmie, które rzadko publikuje artykuły badawcze dotyczące mikroelektroniki krzemowej.

Dlaczego przemysł półprzewodnikowy patrzy w górę: Przez około 60 lat prawo Moore'a kierowało rozwojem układów, przewidując podwajanie gęstości tranzystorów mniej więcej co dwa lata. Trend ten staje się coraz trudniejszy do utrzymania. „W pewnym sensie uderzamy w limit narzucony przez fizykę” – powiedział Cao. „Jeśli spojrzeć na rzeczywisty rozmiar tranzystorów, nie stają się one mniejsze, szczególnie jeśli chodzi o ich skontaktowany skok bramki. Dzieje się tak, ponieważ ograniczają nas wewnętrzne właściwości materiałowe krzemu i podstawowe zasady mechaniki kwantowej. Jeśli chcemy utrzymać trend wzrostu mocy obliczeniowej naszych mikroprocesorów, musimy zacząć myśleć wykraczając poza upychanie większej liczby urządzeń na jednej powierzchni”.

Układanie urządzeń pionowo oferuje atrakcyjną alternatywę. Zamiast dalej zmniejszać pojedyncze tranzystory, inżynierowie mogą umieszczać wiele warstw obwodów jedna na drugiej. To nie tylko tworzy więcej miejsca na komponenty, ale także skraca odległości przewodów, zmniejszając pojemność pasożytniczą i znacznie zwiększając przepustowość komunikacji między różnymi częściami układu. Te zalety są szczególnie ważne dla sztucznej inteligencji i innych aplikacji obliczeniowych intensywnie przetwarzających dane.

Obecne komercyjne technologie układów 3D już wykorzystują układanie warstw, ale zazwyczaj polegają na wytwarzaniu urządzeń półprzewodnikowych na oddzielnych płytkach, a następnie łączeniu ich ze sobą. Przykłady obejmują pamięć o wysokiej przepustowości i technologię AMD 3D V-Cache. Choć skuteczne, metody te mają ograniczenia: wyrównanie między warstwami jest stosunkowo grube, a pionowe połączenia, znane jako przez-krzemowe przelotki (TSV), są stosunkowo duże i rzadkie. Monolityczna integracja trójwymiarowa przyjmuje inne podejście. Zamiast łączyć gotowe