Çip üretiminde dikey mimari dönemi başlıyor

Illinois Üniversitesi araştırmacıları, silikon elektronik katmanlarını üst üste istifleyen yeni bir üretim yöntemi geliştirdi. Teknoloji, çiplerde işlem yoğunluğunu ve veri aktarım hızını artırmayı hedefliyor.

Yarı iletken sektöründe transistörleri küçülterek performans artırma dönemi fiziksel sınırlara yaklaşırken, araştırmacılar çipleri daha verimli hale getirmek için yeni mimarilere yöneliyor. Illinois Üniversitesi Grainger Mühendislik Fakültesi’nden bir ekip, silikon elektronik katmanlarını doğrudan üst üste istiflemeye imkan veren yeni bir yöntem geliştirdi. Nature dergisinde yayımlanan çalışmada, endüstride standart malzeme olarak kullanılan tek kristalli silikonla dikey çip üretimi gerçekleştirildi. Malzeme bilimi ve mühendisliği profesörü Qing Cao liderliğindeki ekip, bu yöntemle yüzde 98 ila 100 arasında cihaz verimi elde etti.YATAYDAN DİKEYE GEÇİŞGeleneksel çiplerde transistörler ve veri işleme birimleri büyük ölçüde yatay düzlemde yer alıyor. Bu yapı, transistör boyutlarının daha fazla küçültülmesinin zorlaşmasıyla performans artışını sınırlamaya başladı. Qing Cao, SRAM gibi temel bellek yapılarında tek bir bit bilginin depolanması için yatay düzlemde altı transistöre ihtiyaç duyulduğunu belirtti. Cao’ya göre dikey entegrasyon, bu transistörlerin birden fazla katmana dağıtılmasını sağlayarak aynı işlevi daha küçük alanda sunabiliyor. Cao, bu yaklaşımı geniş alana yayılmış bir yerleşimin yüksek binalarla değiştirilmesine benzetiyor. Katmanlar arasındaki mesafe kısaldığı için iletişim daha hızlı ve daha verimli hale geliyor.MONOLİTİK 3D ENTEGRASYONBugün ticari 3D çiplerde, AMD’nin 3D V-Cache mimarisi veya yüksek bant genişlikli belleklerde kullanılan istifleme yöntemleri öne çıkıyor. Ancak bu sistemlerde yarı iletken katmanlar ayrı levhalarda üretiliyor ve daha sonra birbirine bağlanıyor. Bu yöntemde katmanlar arasındaki dikey bağlantılar sınırlı ve görece seyrek kalıyor. Illinois ekibinin geliştirdiği monolitik entegrasyon yaklaşımında ise her yeni katman doğrudan bir önceki katmanın üzerine üretiliyor. Araştırmacılar, bu yöntemle katmanlar arası bağlantı yoğunluğunun geleneksel sistemlere göre 10 ila 100 kat artırılabileceğini belirtiyor. Aynı zamanda kablolama mesafeleri kısalıyor ve çip içi gecikmeler azalıyor.400 DERECELİK SINIR AŞILDIMonolitik 3D entegrasyonun önündeki en büyük engellerden biri üretim sıcaklığıydı. Yüksek kaliteli kristal silikon üretimi normalde 1000 santigrat dereceye yakın sıcaklıklar gerektiriyor. Ancak alt katmanda metal bağlantılar tamamlandıktan sonra bu sıcaklıklar mevcut devreye zarar verebiliyor. Yarı iletken üretiminde ek katmanlar için kabul edilen termal bütçe genellikle 400 santigrat dereceyle sınırlı. Bu nedenle araştırmacılar, yüksek performanslı tek kristalli silikonu bu sınırın altında işleyebilmek için yeni bir yöntem geliştirdi. Çalışmada, verici levhadan 10 nanometre veya daha ince silikon nanomembranlar oluşturuldu. Bu ultra ince membranlar, rulo laminatör yardımıyla devre içeren alıcı yüzeye yaklaşık 200 santigrat derecede yapıştırıldı.YÜKSEK VERİM VE PERFORMANSAraştırmacılar, yüksek sıcaklık gerektiren geleneksel doping işlemini aşmak için istifleme öncesinde homojen katkılanmış bağlantısız transistör mimarisi kullandı. Bu yöntemle her katmanda 625 transistör bulunan üç katmanlı bir yapı üretildi. Ekip, bu yapının geleneksel yüksek sıcaklık işlemleriyle üretilen transistörlerin akım yoğunluğunu yakaladığını ve alternatif malzemeli cihazlara göre 3-4 kat daha yüksek performans gösterdiğini bildirdi. Yöntemin düşük değişkenlik, yüksek verim ve daha düşük üretim maliyeti potansiyeli sunduğu belirtiliyor.IBM, INTEL VE TSMC DESTEKLİ ÇALIŞMAÇalışma, IBM, Intel ve TSMC gibi yarı iletken sektörünün önde gelen şirketlerinin yer aldığı Hızlandırılmış Performanslı Gelişmiş Yarı İletken Çipleri Merkezi tarafından desteklendi. Araştırma ekibi, laboratuvar ortamında başarıyla gösterilen monolitik 3D silikon çip teknolojisini endüstriyel yarı iletken üretim hatlarına taşımayı hedefliyor. Bu yaklaşım, yapay zeka donanımları, veri merkezleri ve yüksek performanslı işlemcilerde daha yoğun, hızlı ve enerji verimli çip mimarilerinin geliştirilmesine katkı sağlayabilir.