رقائق الكمبيوتر “ثلاثية الأبعاد” الجديدة يمكن أن توسع قانون مور، كما تظهر الدراسة: ScienceAlert

في السنوات الأخيرة، اصطدم أداء شرائح الكمبيوتر بالقيود المادية للمساحة المتاحة الدوائر المتكاملة.

الآن يعتقد الباحثون أنهم وجدوا الحل: البدء في البناء للأعلى.

يمكن أن يساعد الابتكار في توسيع أو حتى تجاوز قانون مور فرضية تم وضعها في الستينيات من قبل رئيس شركة إنتل جوردون مور.

وينص هذا على أنه من خلال التقدم التكنولوجي، يجب أن يتضاعف عدد الترانزستورات الموجودة على الرقائق كل عامين وبنفس التكلفة.

المزيد من الترانزستورات يعني عموما المزيد من قوة المعالجة، ولكن الآن لم تعد لدى الشركات المصنعة للمكونات المساحة الكافية وطرق جعل الترانزستورات أصغر حجمًا.

يجد البحث الجديد طريقة لتكديس الرقائق عموديًا، باستخدام نفس السيليكون المستخدم في التكنولوجيا الحالية، وبنفس الأداء تقريبًا.

يقول الفريق الذي يقف وراء هذا الاختراق، من جامعة إلينوي أوربانا شامبين في الولايات المتحدة، إن هذا النهج يمكن أن يحسن كثافة الحوسبة وسرعتها مع تقليل متطلبات الطاقة من خلال تحسين الكفاءة واتصالات أقصر.

“اليوم يتطلب الأمر ستة أجهزة إلكترونية دقيقة تسمى الترانزستورات على مستوى واحد لتخزين جزء واحد من المعلومات” يقول عالم المواد تشينغ تساو.

“من خلال التكامل الرأسي، يمكنك توزيعها عبر طبقات متعددة. إنه مثل استبدال ضاحية مترامية الأطراف بمباني شاهقة: تحصل على نفس الوظيفة، ولكن يتم تقليل البصمة المكانية مع جعل الاتصال بين الطبقات أسرع وأكثر كفاءة.”

تكنولوجيا التراص رقاقة لديها تم استكشافها من قبللكن المشكلة الكبيرة كانت الحرارة.

تحتاج العمليات المطلوبة لبناء الرقائق إلى درجات حرارة عالية جدًا، حوالي 1000 درجة مئوية (1832 درجة فهرنهايت) – لذلك إذا قمت بإنشاء طبقة ثانية، فسوف تقوم بقلي الطبقة الأولى.

بينما يمكن خبز الطبقات بشكل منفصل وربطها بعد ذلك، أو صنعها من المزيد مادة مقاومة للحرارة، وهذا له تأثير خطير على قوة المعالجة.

لا تقدم الرقائق الناتجة نفس الأداء أو كثافة الطبقة أو تكامل الإلكترونيات مثل إصدارات “التكامل المتآلف” الموضحة هنا.

“التكامل المتجانس هو ما يفتح المجال للوعد الكامل للرقائق ثلاثية الأبعاد” يقول تساو.

“للمرة الأولى، تمكنا من تلبية الميزانية الحرارية للتكامل ثلاثي الأبعاد المتجانس باستخدام السيليكون أحادي البلورة القياسي وقدمنا ​​أداءً غير مسبوق.”

لقد تغلب الباحثون على عائق الحرارة بعدة طرق. لقد استخدموا ما وصفوه بالترانزستورات “عديمة الوصلات”، حيث قاموا بشكل أساسي بتعديل التركيب الكيميائي لطبقات الدائرة بحيث يمكن إجراء الهندسة التي تتطلب درجات حرارة عالية مسبقًا، قبل التراص.

كما قاموا أيضًا بنشر استخدام أغشية السيليكون النانوية المرنة والرفيعة جدًا في طبقاتها، بدلاً من رقائق تقليدية. يعد تطبيق هذه الطبقات أشبه بالتدحرج منه بالتكديس، ويمكن القيام به عند درجات حرارة أقل من 200 درجة مئوية (392 درجة فهرنهايت).

“هذه الأغشية مرنة ميكانيكيًا لتتوافق مع السطح الأساسي” يقول تساو.

“يساعد هذا التوافق على تجنب العيوب البينية مثل الفراغات، والتي تكون شائعة عند محاولة ربط رقاقتين صلبتين معًا عبر ربط الرقاقة.”

بالإضافة إلى استخدام نفس السيليكون أحادي البلورة المستخدم في رقائق الكمبيوتر اليوم، فإن نتائج العملية في عوائد عالية (يتم إنتاج عدد قليل جدًا من الرقائق غير القابلة للاستخدام)، والباحثون واثقون من إمكانية توسيع نطاقها إلى مستويات قابلة للتطبيق تجاريًا.

في هذه التجارب، صعد الفريق إلى ثلاث طبقات، متضمنة دوائر منطقية عاملة وخلايا ذاكرة. وهذا يكفي لإثبات نجاح الفكرة، ولكن من الممكن زيادة عدد الطبقات في المستقبل.

لا تزال هناك تحديات يجب التغلب عليها عند إخراج هذه التقنية من المختبر إلى مصنع لتصنيع أشباه الموصلات.

في الوقت الحالي، هناك حاجة إلى جهد كهربائي أعلى من المعتاد لتشغيل الرقائق، وهو أمر يحتاج إلى تحسين. من حيث المبدأ، يجب أن تصنع الأكوام العمودية الرقائق أكثر كفاءة في استخدام الطاقة.

حتى مع التقدم مع الحوسبة الكمومية لا يزال يتم تصنيعها، ولا تزال الحوسبة الكلاسيكية ورقائق الكمبيوتر الكلاسيكية موجودة ستكون ذات أهمية كبيرة في دفع التقدم التكنولوجي ــ وفي تحقيق التنبؤات التي قدمها جوردون مور في ستينيات القرن العشرين.

“يمكنك الاستمرار في تكديس الطبقات بما يتجاوز الثلاث طبقات التي عرضناها، وستنتج العملية ترانزستورات عالية الأداء ذات إنتاجية عالية وتقلب منخفض.” يقول تساو.

متعلق ب: معالج 6,100 كيوبت يحطم سجل الحوسبة الكمومية

“لدينا الآن أساس قوي لنقل هذه التكنولوجيا وإظهار وعدها الفوري في مسبك صناعي لأشباه الموصلات.”

وقد تم نشر البحث في طبيعة.