On yıllardır bilgisayar endüstrisi basit bir formül izledi: transistörleri küçültün ve bir çipe daha fazla sığdırın. Bu strateji, Moore yasasının öngördüğü olağanüstü bilgi işlem gücü artışını besledi. Ancak bileşenler atomik ölçeklere yaklaştıkça, mühendisler giderek silikonun fiziksel sınırlarına ve kuantum mekaniğinin etkilerine çarpıyor. Birçok araştırmacı, bir sonraki büyük ilerlemenin cihazları daha da küçültmekten değil, yukarı doğru inşa etmekten geleceğine inanıyor.
Illinois Üniversitesi Grainger Mühendislik Fakültesi malzeme bilimi ve mühendisliği profesörü Qing Cao liderliğindeki bir ekip, birden fazla silikon elektronik katmanını doğrudan üst üste istiflemek için yeni bir yöntem gösterdi. Bu yaklaşım, bilgi işlem yoğunluğunu önemli ölçüde artırabilir, performansı iyileştirebilir ve enerji tüketimini azaltırken yarı iletken endüstrisini yarım yüzyıldan fazla süredir yönlendiren ilerlemeyi genişletebilir.
"CPU ve GPU'larda evrensel olan statik rastgele erişim belleği gibi basit bir şeyi ele alalım. Bugün, bir bit bilgi depolamak için tek bir düzlemde altı mikroelektronik cihaz (transistör) gerekiyor. Dikey entegrasyonla, bunları birden çok katmana dağıtabilirsiniz. Bu, yayılan bir banliyöyü gökdelenlerle değiştirmek gibidir: aynı işlevselliği elde edersiniz, ancak katmanlar arasındaki iletişimi daha hızlı ve verimli hale getirirken mekansal ayak izi azalır," diye açıkladı Cao.
Araştırmacılar, süreçlerinin standart tek kristalli silikon (modern elektroniğin temelini oluşturan yarı iletken malzeme) kullanırken %98-100 cihaz verimi elde ettiğini bildiriyor. Sonuçlar, tekniğin sonunda ticari çip üreticileri tarafından benimsenebileceğini gösteriyor.
"Dikey entegrasyon, özellikle özel yapay zeka donanımında olmak üzere ticari cihazlara girmeye başlıyor, ancak 3D çiplerin tam vaadini ortaya çıkaran şey monolitik entegrasyondur," dedi Cao. "İlk kez, standart tek kristalli silikon kullanarak monolitik 3D entegrasyonun termal bütçesini karşıladık ve benzeri görülmemiş bir performans sunduk." Bulgular, nadiren silikon mikroelektronik araştırma makalelerine yer veren Nature dergisinde yayınlandı.
Yarı iletken endüstrisi neden yukarı bakıyor: Yaklaşık 60 yıldır Moore yasası, transistör yoğunluğunun yaklaşık her iki yılda bir ikiye katlanmasını öngörerek çip gelişimine rehberlik etti. Bu eğilimi sürdürmek giderek zorlaşıyor. "Bir anlamda, fizik tarafından dayatılan bir sınıra çarpıyoruz," dedi Cao. "Transistörlerin gerçek boyutuna bakarsanız, özellikle kontaklı geçit aralıkları açısından küçülmüyorlar. Bunun nedeni, silikonun içsel malzeme özellikleri ve kuantum mekaniğinin temel kuralları tarafından sınırlanmamız. Mikroişlemcilerimizin artan işlem gücü trendini sürdüreceksek, tek bir yüzeye daha fazla cihaz sıkıştırmanın ötesinde düşünmeye başlamalıyız."
Cihazları dikey olarak istiflemek cazip bir alternatif sunuyor. Mühendisler, tek tek transistörleri küçültmeye devam etmek yerine, üst üste birden çok devre katmanı yerleştirebilir. Bu sadece bileşenler için daha fazla alan yaratmakla kalmaz, aynı zamanda kablolama mesafelerini kısaltır, parazitik kapasitansı azaltır ve bir çipin farklı bölümleri arasındaki iletişim bant genişliğini önemli ölçüde artırır. Bu avantajlar özellikle yapay zeka ve diğer veri yoğun bilgi işlem uygulamaları için önemlidir.
Mevcut ticari 3D çip teknolojileri zaten istifleme kullanıyor, ancak tipik olarak yarı iletken cihazların ayrı plakalar üzerinde üretilmesini ve ardından birbirine bağlanmasını içeriyor. Örnekler arasında yüksek bant genişlikli bellek ve AMD'nin 3D V-Cache teknolojisi yer alıyor. Başarılı olmakla birlikte, bu yöntemlerin sınırlamaları var: katmanlar arasındaki hizalama nispeten kaba ve silikon ara geçişler (TSV'ler) olarak bilinen dikey bağlantılar nispeten büyük ve seyrek. Monolitik üç boyutlu entegrasyon farklı bir yaklaşım benimsiyor. Tamamlanmış plakaları birleştirmek yerine,