В нескольких словах
Международная команда создала вертикальный чип из 41 слоя, инновацию, которая может заменить закон Мура и открыть новые горизонты для гибкой и энергоэффективной электроники.
Десятилетиями прогресс в электронике следовал простому правилу: меньше — значит лучше. Начиная с 1960-х годов, каждое новое поколение чипов упаковывало больше транзисторов в меньшее пространство, следуя знаменитому закону Мура. Сформулированный соучредителем Intel Гордоном Муром в 1965 году, закон предсказывал, что количество компонентов в микрочипе будет удваиваться примерно каждый год. Но эта гонка к миниатюризации достигает своих физических пределов. Теперь международная команда ученых предлагает очевидное, но революционное решение: если мы не можем продолжать уменьшать чипы, давайте строить их вверх.
Ученые разработали чип с 41 вертикальным слоем полупроводников и изоляционных материалов, примерно в десять раз выше любого ранее созданного. Работа, недавно опубликованная в журнале Nature, не только представляет собой технический прорыв, но и открывает дверь для нового поколения гибких, эффективных и устойчивых электронных устройств.
«Наличие шести или более вертикально расположенных слоев транзисторов позволяет нам увеличить плотность схем, не делая устройства меньше в поперечном направлении», — объясняет Ли, один из исследователей. «С шестью слоями мы можем интегрировать на 600% больше логических функций на той же площади по сравнению с одним слоем, достигая более высокой производительности и меньшего энергопотребления».
Закон Мура начал давать сбои, когда производители чипов столкнулись с законами физики. Современные транзисторы имеют ширину всего несколько нанометров, настолько малы, что квантовые эффекты начинают мешать их работе. «Закон Мура достигает своих физических пределов в традиционной кремниевой микроэлектронике, но инновации продолжаются в новых направлениях. Вместо того чтобы продолжать уменьшать транзисторы, мы исследуем новые материалы, новые архитектуры и новые возможности, такие как штабелирование», — отмечает Ли.
Башни из транзисторов
Чтобы понять техническую проблему, с которой столкнулась команда, Ли прибегает к архитектурной метафоре: «Представьте каждый слой транзисторов как этаж небоскреба. Если этаж неровный, все здание становится нестабильным». Ключом к успеху эксперимента стало освоение того, что они называют «шероховатостью интерфейса»: любое небольшое несовершенство между слоями может нарушить поток электронов и резко снизить производительность чипа.
Фундаментальным прорывом стала разработка совершенно новых производственных стратегий. Важнейшим моментом стало то, что все слои наносились при температуре окружающей среды или близкой к ней, тем самым защищая уже изготовленные нижние слои. Такое производство при низкой температуре — не просто техническая деталь. «Большинство гибких или органических материалов не выдерживают высоких температур», — объясняет Ли. «Традиционные процессы производства полупроводников часто превышают 400°C, что расплавило бы или деформировало эти материалы». Поддержание всего процесса около температуры окружающей среды позволяет использовать пластиковые или полимерные подложки, открывая дверь для гибкой электроники будущего.
Чтобы продемонстрировать жизнеспособность своего дизайна, команда изготовила 600 копий чипа, все с аналогичной производительностью. Исследователи использовали эти штабелированные чипы для реализации базовых операций, достигнув производительности, сравнимой с традиционными нештабелированными чипами, но с гораздо меньшим энергопотреблением: всего 0,47 микроватт по сравнению с типичными 210 микроваттами для устройств последнего поколения.
Первые применения
Где мы впервые увидим эту технологию? Ли настроен оптимистично, но реалистично: «Первые применения, вероятно, будут в носимых устройствах, интеллектуальных метках и датчиках, где низкое энергопотребление и механическая гибкость имеют решающее значение». В более долгосрочной перспективе команда представляет себе большие вычислительные поверхности, по сути, объекты, которые могут чувствовать, обрабатывать и обмениваться информацией через целые структуры. Хотя эти новые чипы, вероятно, не будут питать суперкомпьютеры, их использование в таких устройствах, как бытовая техника, могло бы значительно снизить глобальное энергопотребление.
«Разработанные нами схемы предназначены для этих систем, где механическая гибкость, низкая стоимость и масштабируемость важнее экстремальной скорости», — уточняет Ли. Исследователь считает, что его работа открывает новую дверь в мир вычислений: «Она показывает, что масштабирование производительности может продолжаться не только за счет уменьшения устройств, но и за счет их более интеллектуальной и эффективной интеграции в трех измерениях».
