Tipis, Cepat, dan Kuat: MIT's “Stacked” Chips Chips Shatter Batasan Industri
Teknik penumpukan elektronik memiliki potensi untuk secara eksponensial meningkatkan jumlah transistor pada chip, membuka jalan bagi perangkat keras AI yang lebih efisien.
Industri elektronik sedang mendekati batas jumlah transistor yang dapat dikemas ke permukaan chip komputer. Jadi, produsen chip ingin membangun daripada keluar.
Alih-alih meremas transistor yang lebih kecil ke permukaan tunggal, industri ini bertujuan untuk menumpuk beberapa permukaan transistor dan elemen semikonduktor-mirip dengan mengubah rumah peternakan menjadi bertingkat tinggi. Chip berlapis -lapis seperti itu dapat menangani lebih banyak data secara eksponensial dan melakukan banyak fungsi yang lebih kompleks daripada elektronik saat ini.
Rintangan yang signifikan, bagaimanapun, adalah platform di mana chip dibangun. Saat ini, wafer silikon besar berfungsi sebagai perancah utama di mana elemen semikonduktor kristal tunggal berkualitas tinggi ditanam. Setiap chip yang dapat ditumpuk harus menyertakan “lantai” silikon tebal sebagai bagian dari setiap lapisan, memperlambat komunikasi apa pun antara lapisan semikonduktor fungsional.
Sekarang, Mit Insinyur telah menemukan jalan di sekitar rintangan ini, dengan desain chip berlapis -lapis yang tidak memerlukan substrat wafer silikon dan bekerja pada suhu yang cukup rendah untuk melestarikan sirkuit lapisan yang mendasarinya.
Dalam sebuah penelitian yang muncul di jurnal Alamtim melaporkan menggunakan metode baru untuk membuat chip berlapis-lapis dengan lapisan bergantian bahan semikonduktor berkualitas tinggi yang tumbuh langsung satu sama lain.
Metode ini memungkinkan para insinyur untuk membangun transistor berkinerja tinggi dan elemen memori dan logika pada permukaan kristal acak-tidak hanya pada perancah kristal besar dari wafer silikon. Tanpa substrat silikon tebal ini, beberapa lapisan semikonduktor dapat dalam kontak yang lebih langsung, yang mengarah ke komunikasi dan perhitungan yang lebih baik dan lebih cepat antara lapisan, kata para peneliti.
Para peneliti membayangkan bahwa metode ini dapat digunakan untuk membangun perangkat keras AI, dalam bentuk chip yang ditumpuk untuk laptop atau perangkat yang dapat dipakai, yang akan secepat dan sekuat superkomputer saat ini dan dapat menyimpan sejumlah besar data yang setara dengan pusat data fisik.
“Terobosan ini membuka potensi besar bagi industri semikonduktor, yang memungkinkan chip ditumpuk tanpa batasan tradisional,” kata penulis studi Jeehwan Kim, associate professor teknik mesin di MIT. “Ini dapat menyebabkan peningkatan peningkatan daya dalam daya komputasi untuk aplikasi dalam AI, logika, dan memori.”
Rekan penulis MIT penelitian ini termasuk penulis pertama Ki Seok Kim, Seunghwan Seo, Doyoon Lee, Jung-El Ryu, Jekyung Kim, Jun Min Suh, June-Chul Shin, Min-Kyu Song, Jin Feng, dan Sangho Lee, bersama dengan Kolaborator dari Samsung Advanced Institute of Technology, Universitas Sungkyunkwan di Korea Selatan, dan Universitas Texas di Dallas.
Kantong benih
Pada tahun 2023, kelompok Kim melaporkan bahwa mereka mengembangkan metode untuk menumbuhkan bahan semikonduktor berkualitas tinggi pada permukaan amorf, mirip dengan beragam topografi sirkuit semikonduktor pada chip jadi. Bahan yang tumbuh adalah jenis bahan 2D yang dikenal sebagai transisi-logam dikalsogenida, atau TMD, dianggap sebagai pengganti yang menjanjikan untuk silikon untuk membuat transistor yang lebih kecil dan berkinerja tinggi. Bahan 2D seperti itu dapat mempertahankan sifat semikonduktornya bahkan pada skala sekecil tunggal atomsedangkan kinerja silikon menurun tajam.
Dalam pekerjaan mereka sebelumnya, tim menumbuhkan TMD pada wafer silikon dengan pelapis amorf, serta lebih dari TMD yang ada. Untuk mendorong atom untuk mengatur diri mereka menjadi bentuk kristal tunggal berkualitas tinggi, daripada secara acak, gangguan polikristalin, Kim dan rekan-rekannya pertama-tama menutupi wafer silikon dalam film yang sangat tipis, atau “topeng” silikon dioksida, yang mereka pemotret dengan pemointan dengan pemointian yang terpola dengan, atau “topeng”, yang dipanen mereka dengan pemointan yang terpoar, berpola, ” bukaan kecil, atau kantong. Mereka kemudian mengalirkan gas atom di atas topeng dan menemukan bahwa atom -atom menetap di kantong sebagai “biji.” Kantong membatasi benih untuk tumbuh dalam pola-pola kristal tunggal.
Tetapi pada saat itu, metode ini hanya bekerja di sekitar 900 derajat Celsius.
“Anda harus menumbuhkan bahan kristalin tunggal ini di bawah 400 Celcius, jika tidak sirkuit yang mendasarinya benar-benar matang dan hancur,” kata Kim. “Jadi, pekerjaan rumah kami adalah, kami harus melakukan teknik serupa pada suhu yang lebih rendah dari 400 Celcius. Jika kita bisa melakukan itu, dampaknya akan sangat besar. ”
Membangun
Dalam karya baru mereka, Kim dan rekan-rekannya tampaknya menyempurnakan metode mereka untuk menumbuhkan bahan 2D kristalin tunggal pada suhu yang cukup rendah untuk melestarikan sirkuit yang mendasarinya. Mereka menemukan solusi yang sangat sederhana dalam metalurgi – sains dan kerajinan produksi logam. Ketika ahli metalurgi menuangkan logam cair ke dalam cetakan, cairan itu perlahan -lahan “nukleat,” atau membentuk biji -bijian yang tumbuh dan bergabung menjadi kristal berpola secara teratur yang mengeras menjadi bentuk padat. Ahli metalurgi telah menemukan bahwa nukleasi ini paling mudah terjadi di tepi cetakan yang dituangkan logam cair.
“Diketahui bahwa nukleat di tepi membutuhkan lebih sedikit energi – dan panas,” kata Kim. “Jadi kami meminjam konsep ini dari metalurgi untuk memanfaatkan perangkat keras AI di masa depan.”
Tim tampaknya menumbuhkan TMD kristal tunggal pada wafer silikon yang sudah dibuat dengan sirkuit transistor. Mereka pertama -tama menutupi sirkuit dengan topeng silikon dioksida, seperti dalam pekerjaan mereka sebelumnya. Mereka kemudian menyimpan “benih” TMD di tepi masing-masing kantong topeng dan menemukan bahwa biji tepi ini tumbuh menjadi bahan kristal tunggal pada suhu serendah 380 derajat Celcius, dibandingkan dengan biji yang mulai tumbuh di tengah, jauh dari jauh dari Tepi masing-masing saku, yang membutuhkan suhu yang lebih tinggi untuk membentuk bahan kristal tunggal.
Melangkah lebih jauh, para peneliti menggunakan metode baru untuk membuat chip berlapis-lapis dengan lapisan bergantian dari dua TMD yang berbeda-molibdenum disulfide, kandidat material yang menjanjikan untuk membuat transistor tipe-N; dan Tungsten diselenide, bahan yang berpotensi dibuat menjadi transistor tipe-p. Transistor tipe-P dan N adalah blok bangunan elektronik untuk melakukan operasi logika apa pun. Tim ini mampu menumbuhkan kedua bahan dalam bentuk kristal tunggal, langsung di atas satu sama lain, tanpa memerlukan wafer silikon perantara. Kim mengatakan metode ini secara efektif akan menggandakan kepadatan elemen semikonduktor chip, dan khususnya, logam-oksida semikonduktor (CMOS), yang merupakan blok bangunan dasar dari sirkuit logika modern.
“Produk yang direalisasikan oleh teknik kami bukan hanya chip logika 3D tetapi juga memori 3D dan kombinasi mereka,” kata Kim. “Dengan metode 3D monolitik berbasis pertumbuhan kami, Anda dapat menumbuhkan puluhan hingga ratusan lapisan logika dan memori, tepat di atas satu sama lain, dan mereka akan dapat berkomunikasi dengan sangat baik.”
“Chip 3D konvensional telah dibuat dengan wafer silikon di antara, dengan mengebor lubang melalui wafer-suatu proses yang membatasi jumlah lapisan yang ditumpuk, resolusi penyelarasan vertikal, dan hasil,” tambah penulis pertama Kiseok Kim. “Metode berbasis pertumbuhan kami membahas semua masalah itu sekaligus.”
Untuk mengkomersilkan desain chip yang dapat ditumpuk lebih lanjut, Kim baru -baru ini memisahkan sebuah perusahaan, FS2 (bahan 2D semikonduktor masa depan).
“Kami sejauh ini menunjukkan konsep pada array perangkat skala kecil,” katanya. “Langkah selanjutnya adalah meningkatkan untuk menunjukkan operasi chip AI profesional.”
Referensi: “Integrasi 3D monolitik berbasis pertumbuhan dari 2D kristal tunggal semikonduktor”Oleh Ki Seok Kim, Seunghwan Seo, Junyoung Kwon, Doyoon Lee, Changhyun Kim, Jung-El Ryu, Jekyung Kim, Jun Min Suh, Hang-Gyo Jung, YouHwan Jo, June-Chul Shin, Min-Kyu Song, Jin Feng Feng , Hogeun Ahn, Sangho Lee, Kyeongjae Cho, Jongwook Jeon, Minsu Seol, Jin-Hong Park, Sang Won Kim dan Jeehwan Kim, 18 Desember 2024, Alam.
Doi: 10.1038/s41586-024-08236-9
Penelitian ini didukung, sebagian, oleh Samsung Advanced Institute of Technology dan Kantor Penelitian Ilmiah Angkatan Udara AS.
