Исследователи научились вертикально складывать транзисторы для продления закона Мура

Команда из Университета науки и технологий имени короля Абдуллы (KAUST) в Саудовской Аравии разработала метод вертикальной укладки отдельных транзисторов, что может продлить действие закона Мура в условиях приближения к физическим пределам миниатюризации. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Electronics.

На протяжении 60 лет наблюдение Гордона Мура о том, что количество транзисторов в интегральных схемах удваивается примерно каждые два года, демонстрировало поразительную точность. Постоянное уменьшение размера транзисторов и увеличение площади кристаллов делало это возможным, но с приближением к физическим пределам обоих подходов индустрия нуждается в новых решениях для продолжения роста вычислительной мощности.

Производители чипов уже двигаются в направлении вертикальной интеграции. Процессоры вроде AMD Ryzen 7 9800X3D используют технологии гибридного соединения для укладки кристаллов друг на друга, увеличивая количество транзисторов в корпусе и объём кэша. Все современные SSD опираются на многослойную NAND-память для повышения ёмкости, производительности и надёжности.

Однако эти методы принципиально не меняют факт, что даже лучшие процессоры и видеокарты производятся с единственным слоем транзисторов в каждом чипе. Работа KAUST выходит за эти рамки – команда создала стек из шести чередующихся транзисторов и использовала их для создания инверторов и логических вентилей.

Конструкция включает 41 слой металлов, органических материалов и полупроводников – больше, чем общее количество слоёв в готовом процессоре. Создание даже простого стека из двух транзисторов представляет серьёзную задачу, ведь гладкость и выравнивание каждого слоя требуют экстремальной точности. Отклонение всего в несколько нанометров потенциально приводит к значительному падению производительности. Команда KAUST достигла шероховатости поверхности не более 3,63 нм, что делает эту работу по-настоящему значимой.

Стоит отметить, что использованные типы транзисторов не идеальны для высокомощных приложений с высокими тактовыми частотами, таких как мощные процессоры и видеокарты. Шестислойный стек транзисторов на основе оксидов металлов и органических тонкоплёночных структур имеет низкий температурный предел – всего 50°C с заметной нестабильностью при 75°C. Но технология отлично подходит для ситуаций с очень низким энергопотреблением, таких как носимые гаджеты или девайсов интернета вещей.

Хотя производственные методы, применённые для разработки шестислойного стека, носят лабораторный характер, все основные технологии производства чипов начинались именно так. Если термическая устойчивость стеков будет улучшена, а производство масштабировано до приемлемого уровня и стоимости, вероятно, эта технология будет использоваться для создания чипов будущего.

Закон Мура появился благодаря постоянному уменьшению размеров транзисторов каждые несколько лет, что позволяло упаковывать больше элементов в том же пространстве. В конечном счёте Intel, TSMC и Samsung не смогут уменьшать их бесконечно, но к тому времени они, вероятно, будут складывать транзисторы до небес.