Десятилетиями компьютерная индустрия следовала простой формуле: делать транзисторы меньше и упаковывать их больше на чип. Эта стратегия подпитывала необычайный рост вычислительной мощности, предсказанный законом Мура. Но по мере того, как компоненты приближаются к атомным масштабам, инженеры всё чаще сталкиваются с физическими ограничениями кремния и эффектами квантовой механики. Многие исследователи считают, что следующий крупный прорыв произойдёт не за счёт дальнейшего уменьшения устройств, а за счёт строительства вверх.

Команда под руководством профессора материаловедения и инженерии Университета Иллинойса Цин Цао продемонстрировала новый метод укладки нескольких слоёв кремниевой электроники непосредственно друг на друга. Этот подход может резко увеличить вычислительную плотность, улучшить производительность и снизить энергопотребление, продлевая прогресс, который двигал полупроводниковую промышленность более полувека.

«Возьмите что-то простое, как статическая оперативная память, которая универсальна в CPU и GPU. Сегодня для хранения одного бита информации требуется шесть микроэлектронных устройств, называемых транзисторами, на одной плоскости. С вертикальной интеграцией вы можете распределить их по нескольким слоям. Это как заменить разрастающийся пригород небоскрёбами: вы получаете ту же функциональность, но пространственный след уменьшается, а связь между слоями становится быстрее и эффективнее», — объяснил Цао.

Исследователи сообщают, что их процесс достигает выхода устройств 98–100%, используя стандартный монокристаллический кремний — полупроводниковый материал, лежащий в основе современной электроники. Результаты предполагают, что техника может быть в конечном итоге принята коммерческими производителями чипов.

«Вертикальная интеграция уже начинает проникать в коммерческие устройства, особенно в специализированное оборудование для ИИ, но монолитная интеграция — это то, что раскрывает все обещания 3D-чипов», — сказал Цао. «Впервые мы уложились в тепловой бюджет монолитной 3D-интеграции, используя стандартный монокристаллический кремний, и достигли беспрецедентной производительности». Результаты были опубликованы в Nature, журнале, который редко публикует статьи по исследованиям кремниевой микроэлектроники.

Почему полупроводниковая промышленность смотрит вверх: Примерно 60 лет закон Мура направлял разработку чипов, предсказывая удвоение плотности транзисторов примерно каждые два года. Эта тенденция становится всё труднее поддерживать. «В некотором смысле мы упираемся в предел, налагаемый физикой», — сказал Цао. «Если посмотреть на фактический размер транзисторов, они не становятся меньше, особенно с точки зрения их контактного шага затвора. Это потому, что мы ограничены собственными материальными свойствами кремния и фундаментальными правилами квантовой механики. Если мы хотим поддерживать тенденцию увеличения вычислительной мощности наших микропроцессоров, мы должны начать думать не только о том, как уместить больше устройств на одной поверхности».

Укладка устройств вертикально предлагает привлекательную альтернативу. Вместо того чтобы продолжать уменьшать отдельные транзисторы, инженеры могут разместить несколько слоёв схем друг на друге. Это не только создаёт больше места для компонентов, но и сокращает расстояния проводки, уменьшая паразитную ёмкость и значительно увеличивая пропускную способность связи между различными частями чипа. Эти преимущества особенно важны для искусственного интеллекта и других приложений с интенсивными вычислениями.

Современные коммерческие 3D-технологии чипов уже используют укладку, но они обычно включают изготовление полупроводниковых устройств на отдельных пластинах перед их соединением. Примеры включают высокопропускную память и технологию AMD 3D V-Cache. Хотя эти методы успешны, у них есть ограничения: выравнивание между слоями относительно грубое, а вертикальные соединения, известные как сквозные кремниевые переходы (TSV), сравнительно большие и редкие. Монолитная трёхмерная интеграция использует другой подход. Вместо соединения готовых