Konec cesty do hloubky atomu
Moorův zákon začíná zadrhávat. Důvod není v nedostatku peněz ani nápadů, ale v tom, že tranzistory dorostly k rozměrům srovnatelným s atomy a do hry vstupují zákony kvantové mechaniky. Kontaktní rozteč hradel se přestala zmenšovat, protože vlastnosti samotného křemíku to dál nedovolují.
Pokud přijmeme metaforu, kterou používá profesor Qing Cao z Illinoiské univerzity, dosavadní čipy připomínaly rozlehlé předměstí, kde se domy stavěly stále hustěji. Vědci teď chtějí předměstí nahradit mrakodrapem. Stejné množství tranzistorů zabere menší plochu, signály cestují kratší vzdálenost, energie se neztrácí v dlouhých vodičích a propustnost mezi pamětí a logikou prudce roste, což ocení zejména úlohy spojené s umělou inteligencí.
Zdroj: Array
Tepelná hranice, která blokovala pokrok
Třírozměrné čipy v omezené podobě existují i dnes: vysokokapacitní paměti HBM nebo AMD 3D V-Cache spojují dohromady samostatně vyrobené destičky. Skutečný potenciál ale odemkne až monolitická 3D integrace, kde každá nová vrstva vzniká přímo nad tou předchozí.
Hlavní překážkou byla teplota. Výroba kvalitního křemíku a kvalitních tranzistorů vyžaduje teploty kolem 1000 stupňů Celsia. Jakmile ale na čipu leží první vrstva s kovovými vodiči, takovou teplotu už nesnese. Průmysl proto respektuje tepelný rozpočet 400 stupňů pro všechno, co se dělá nad první vrstvou. Vědci roky zkoušeli problém obejít alternativními materiály, jako jsou polykrystalický křemík, oxidy kovů nebo uhlíkové nanotrubice. Žádný z nich ale výkonem klasický krystalický křemík nedohonil.
Zdroj: University of Illinois
Trik s tenkou membránou
Tým profesora Caa zvolil jiný přístup. Místo aby horní vrstvy vyráběl přímo na čipu, vytvořil je jinde a teprve hotové je přenesl na čip. Z dárcovské destičky se odebírá ultratenká membrána monokrystalického křemíku silná maximálně 10 nanometrů, tedy desetitisíckrát tenčí než běžný wafer.
Membrána se pomocí válečkového laminátoru přenese na cílový čip při teplotě maximálně 200 stupňů Celsia. Díky extrémní tenkosti je navíc ohebná a kopíruje povrch spodní vrstvy, takže odpadají dutiny a vady, které trápily klasické lepení tlustých waferů. Tým ještě musel přepracovat samotnou konstrukci tranzistorů. Řešením se staly tranzistory bez přechodu (junctionless), u nichž je křemík dotovaný rovnoměrně už před přenesením membrány, takže odpadá další horká fáze výroby.
Zdroj: University of Illinois
Tři patra a téměř bezchybná výtěžnost
Tým postavil tři aktivní vrstvy nad sebou, každou se 625 tranzistory, a propojil je svislými kovovými vodiči. Proudová hustota přesáhla 650 mikroampérů na mikrometr, což odpovídá běžným křemíkovým tranzistorům vyrobeným při vysokých teplotách a několikanásobně překonává tranzistory z alternativních materiálů.
Pro praxi je ale rozhodující jiné číslo. Výtěžnost se pohybovala mezi 98 a 100 procenty napříč zhruba 3750 vyrobenými tranzistory. Na vrstvách tým úspěšně sestavil základní logická hradla NAND, NOR a invertor a také buňky paměti SRAM, které dnes potřebují pro uložení jednoho bitu šest tranzistorů na ploše vedle sebe a po rozprostření do vrstev výrazně ušetří místo i spotřebu.
Mohlo by vás zajímat
Od laboratoře do továrny
Že nejde o akademickou kuriozitu, naznačuje seznam průmyslových partnerů. Výzkum probíhal pod centrem, jehož partnery jsou IBM, Intel a tchajwanský TSMC. Tým nyní připravuje přesun technologie do průmyslu.
Tři patra byla demonstrace, nikoli strop. Pokud se podaří dostat se k 10 nebo 20 patrům bez poklesu výtěžnosti, dostane Moorův zákon nové paragrafy. Mnoho se ale ještě musí doladit. Variabilita mezi tranzistory je zatím vyšší než u komerční výroby a izolační vrstva hradla je tlustší, než je běžné. Jsou to problémy, které je možné vyřešit.
Zdroj: University of Illinois, Science daily, Science blog, Interesting engineering, Techspot
16 foto
