SG.hu
Felfelé növekszenek a chipek, hogy kijátszák a fizika korlátait
Egy tudományos csapatnak sikerült 41 réteg félvezetőt egymásra rakni, ezzel hatszorosára növelve az áramkörök sűrűségét, anélkül, hogy azokat kisebb méretűre kellett volna tervezni.
Évtizedek óta az elektronika fejlődése egy egyszerű szabályt követ: minél kisebb, annál jobb. Az 1960-as évek óta minden új generációs chip több tranzisztort sűrít össze kevesebb helyen, betartva a híres Moore-törvényt. Ezt a törvényt az Intel társaság társalapítója, Gordon Moore fogalmazta meg 1965-ben, és előre jelezte, hogy a mikrochipek alkatrészeinek száma körülbelül évente megduplázódik majd. De ez a miniatürizálási verseny fizikai határaihoz érkezik. Most egy nemzetközi tudóscsoport egy olyan megoldást javasol, amely ugyanolyan nyilvánvaló, mint forradalmi: ha nem tudjuk tovább csökkenteni a chipek méretét, akkor építkezzünk felfelé.
Xiaohang Li, a Szaúd-Arábiai Abdallah Király Tudományos és Technológiai Egyetem (KAUST) kutatója és csapata egy 41 vertikális rétegű félvezető és szigetelő anyagokból álló chipet tervezett, amely körülbelül tízszer magasabb, mint bármelyik korábban gyártott chip. A Nature Electronics folyóiratban megjelent leírás szerint munkájuk nemcsak technikai mérföldkőnek számít, hanem új generációs, rugalmas, hatékony és fenntartható elektronikus eszközök előtt is megnyitja az utat
"Hat vagy több vertikálisan egymásra helyezett tranzisztorréteg lehetővé teszi számunkra, hogy növeljük az áramkörök sűrűségét anélkül, hogy az eszközöket oldalirányban kisebbé tennénk” - magyarázza Li. "Hat rétegnél 600%-kal több logikai funkciót tudunk integrálni ugyanazon a területen, mint egyetlen réteggel, így nagyobb teljesítményt és alacsonyabb energiafogyasztást érünk el.”
Moore törvénye 2010 körül kezdte el érvényét veszíteni, amikor a chipgyártók a fizikai határokat kezdték feszegetni. A mai tranzisztorok szélessége alig néhány nanométer, olyan kicsik, hogy a kvantumhatások kezdik megzavarni működésüket. "A hagyományos szilícium-mikroelektronika innovációja új irányokban folytatódik. Ahelyett, hogy tovább csökkentenénk a tranzisztorok méretét, új anyagokat, új architektúrákat és új lehetőségeket, például a rétegezés lehetőségét vizsgáljuk” - mutat rá Li.
A csapat előtt álló technikai kihívás megértéséhez Li egy építészeti metaforát használ: "Képzeljük el, hogy a tranzisztorok minden rétege egy felhőkarcoló emelete. Ha egy emelet szabálytalan, az egész épület instabillá válik.” A kísérlet sikerének kulcsa az úgynevezett „interfész érdesség” leküzdése volt: a rétegek közötti bármilyen apró hibásodás megzavarhatja az elektronok áramlását és drasztikusan csökkentheti a chip teljesítményét. Az alapvető áttörést teljesen új gyártási stratégiák kidolgozása jelentette. Döntő fontosságú volt, hogy az összes réteget szobahőmérsékleten vagy ahhoz közeli hőmérsékleten lehessen felvinni, így védve a már elkészült alsó rétegeket.
Az alacsony hőmérsékleten történő gyártás nem csupán technikai részletkérdés. "A legtöbb rugalmas vagy szerves anyag nem bírja a magas hőmérsékletet” - magyarázza Li. „A hagyományos félvezetőgyártási folyamatok gyakran meghaladják a 400 °C-ot, ami megolvasztaná vagy deformálná ezeket az anyagokat” - teszi hozzá. Az egész folyamat szobahőmérséklet közelében történő végzése lehetővé teszi műanyag vagy polimer hordozók használatát, megnyitva ezzel az utat a jövő rugalmas elektronikája előtt.
A tervezés megvalósíthatóságának bizonyítására a csapat 600 példányt gyártott a chipből, amelyek mindegyike hasonló teljesítményt nyújtott. A kutatók ezeket a chipeket egymásra halmozva használták alapvető műveletek végrehajtására, és a hagyományos, nem egymásra halmozott chipekhez hasonló teljesítményt értek el, de sokkal alacsonyabb energiafogyasztással: mindössze 0,47 mikrowatt, szemben a legújabb generációs eszközök tipikus 210 mikrowattjával.
A gyakorlati felhasználás szempontjából Li optimista, de realista: "Az első alkalmazások valószínűleg hordozható egészségügyi érzékelők, intelligens címkék és rugalmas kijelzők lesznek, ahol az alacsony energiafogyasztás és a mechanikai rugalmasság döntő fontosságú.” Hosszabb távon a csapat nagy felületű számítástechnikai felületeket képzel el, lényegében „elektronikus bőröket”, amelyek érzékelnek, feldolgoznak és kommunikálnak tárgyakon vagy egész struktúrákon keresztül.
Ezek az új chipek nem szuperszámítógépek működtetésére valók, de használatuk olyan eszközökben, mint a háztartási gépek, jelentősen csökkentheti az elektronikai ipar szén-dioxid-kibocsátását. "Az általunk fejlesztett áramkörök olyan rendszerekhez lettek tervezve, ahol a mechanikai rugalmasság, az alacsony költség és a skálázhatóság fontosabb, mint a rendkívüli sebesség” - magyarázza Li. Úgy véli, hogy kutatása új távlatokat nyit az informatika területén: "Megmutatja, hogy a teljesítmény skálázása nem csak az eszközök méretének csökkentésével, hanem azok háromdimenziós, intelligens és hatékony integrálásával is folytatható.”
Évtizedek óta az elektronika fejlődése egy egyszerű szabályt követ: minél kisebb, annál jobb. Az 1960-as évek óta minden új generációs chip több tranzisztort sűrít össze kevesebb helyen, betartva a híres Moore-törvényt. Ezt a törvényt az Intel társaság társalapítója, Gordon Moore fogalmazta meg 1965-ben, és előre jelezte, hogy a mikrochipek alkatrészeinek száma körülbelül évente megduplázódik majd. De ez a miniatürizálási verseny fizikai határaihoz érkezik. Most egy nemzetközi tudóscsoport egy olyan megoldást javasol, amely ugyanolyan nyilvánvaló, mint forradalmi: ha nem tudjuk tovább csökkenteni a chipek méretét, akkor építkezzünk felfelé.
Xiaohang Li, a Szaúd-Arábiai Abdallah Király Tudományos és Technológiai Egyetem (KAUST) kutatója és csapata egy 41 vertikális rétegű félvezető és szigetelő anyagokból álló chipet tervezett, amely körülbelül tízszer magasabb, mint bármelyik korábban gyártott chip. A Nature Electronics folyóiratban megjelent leírás szerint munkájuk nemcsak technikai mérföldkőnek számít, hanem új generációs, rugalmas, hatékony és fenntartható elektronikus eszközök előtt is megnyitja az utat
"Hat vagy több vertikálisan egymásra helyezett tranzisztorréteg lehetővé teszi számunkra, hogy növeljük az áramkörök sűrűségét anélkül, hogy az eszközöket oldalirányban kisebbé tennénk” - magyarázza Li. "Hat rétegnél 600%-kal több logikai funkciót tudunk integrálni ugyanazon a területen, mint egyetlen réteggel, így nagyobb teljesítményt és alacsonyabb energiafogyasztást érünk el.”
Moore törvénye 2010 körül kezdte el érvényét veszíteni, amikor a chipgyártók a fizikai határokat kezdték feszegetni. A mai tranzisztorok szélessége alig néhány nanométer, olyan kicsik, hogy a kvantumhatások kezdik megzavarni működésüket. "A hagyományos szilícium-mikroelektronika innovációja új irányokban folytatódik. Ahelyett, hogy tovább csökkentenénk a tranzisztorok méretét, új anyagokat, új architektúrákat és új lehetőségeket, például a rétegezés lehetőségét vizsgáljuk” - mutat rá Li.
A csapat előtt álló technikai kihívás megértéséhez Li egy építészeti metaforát használ: "Képzeljük el, hogy a tranzisztorok minden rétege egy felhőkarcoló emelete. Ha egy emelet szabálytalan, az egész épület instabillá válik.” A kísérlet sikerének kulcsa az úgynevezett „interfész érdesség” leküzdése volt: a rétegek közötti bármilyen apró hibásodás megzavarhatja az elektronok áramlását és drasztikusan csökkentheti a chip teljesítményét. Az alapvető áttörést teljesen új gyártási stratégiák kidolgozása jelentette. Döntő fontosságú volt, hogy az összes réteget szobahőmérsékleten vagy ahhoz közeli hőmérsékleten lehessen felvinni, így védve a már elkészült alsó rétegeket.
Az alacsony hőmérsékleten történő gyártás nem csupán technikai részletkérdés. "A legtöbb rugalmas vagy szerves anyag nem bírja a magas hőmérsékletet” - magyarázza Li. „A hagyományos félvezetőgyártási folyamatok gyakran meghaladják a 400 °C-ot, ami megolvasztaná vagy deformálná ezeket az anyagokat” - teszi hozzá. Az egész folyamat szobahőmérséklet közelében történő végzése lehetővé teszi műanyag vagy polimer hordozók használatát, megnyitva ezzel az utat a jövő rugalmas elektronikája előtt.
A tervezés megvalósíthatóságának bizonyítására a csapat 600 példányt gyártott a chipből, amelyek mindegyike hasonló teljesítményt nyújtott. A kutatók ezeket a chipeket egymásra halmozva használták alapvető műveletek végrehajtására, és a hagyományos, nem egymásra halmozott chipekhez hasonló teljesítményt értek el, de sokkal alacsonyabb energiafogyasztással: mindössze 0,47 mikrowatt, szemben a legújabb generációs eszközök tipikus 210 mikrowattjával.
A gyakorlati felhasználás szempontjából Li optimista, de realista: "Az első alkalmazások valószínűleg hordozható egészségügyi érzékelők, intelligens címkék és rugalmas kijelzők lesznek, ahol az alacsony energiafogyasztás és a mechanikai rugalmasság döntő fontosságú.” Hosszabb távon a csapat nagy felületű számítástechnikai felületeket képzel el, lényegében „elektronikus bőröket”, amelyek érzékelnek, feldolgoznak és kommunikálnak tárgyakon vagy egész struktúrákon keresztül.
Ezek az új chipek nem szuperszámítógépek működtetésére valók, de használatuk olyan eszközökben, mint a háztartási gépek, jelentősen csökkentheti az elektronikai ipar szén-dioxid-kibocsátását. "Az általunk fejlesztett áramkörök olyan rendszerekhez lettek tervezve, ahol a mechanikai rugalmasság, az alacsony költség és a skálázhatóság fontosabb, mint a rendkívüli sebesség” - magyarázza Li. Úgy véli, hogy kutatása új távlatokat nyit az informatika területén: "Megmutatja, hogy a teljesítmény skálázása nem csak az eszközök méretének csökkentésével, hanem azok háromdimenziós, intelligens és hatékony integrálásával is folytatható.”