TLDR: Nová metoda skládání křemíkových vrstev by mohla zvýšit výkon a hustotu čipů bez toho, aby se tranzistory musely donekonečna zmenšovat. Studie tuna.

Čipy začínají být takovou novou živou vodou civilizace – neznamená to, že by ropa, ocel či skutečná voda přestávaly být užitečné, ale s hladem po výpočetní kapacitě se ukazuje, že skutečně je rozdíl mezi podomácku vyrobeným obvodem a na fyzikální limity narážejíc nanočip z Taiwanu!

Výrobci čipů dneska ale zároveň narážejí na problém – na ploše už prostě dochází místo, protože nové spoje jsou na hranici toho, jak malé mohou být, aby to ještě celý fyzikálně fungovalo. Nový výzkum z University of Illinois Urbana-Champaign fčil ale zkouší stavět čipy jako město s mrakodrapy – ne jen do šířky, ale i do výšky…

„Proč nestačí čipy dál zmenšovat?“

Mooreův zákon dlouho popisoval, že počet tranzistorů na čipu se zhruba rok a kus pravidelně zdvojnásobuje. Jenže to nikdy nebyl přírodní zákon jako gravitace, spíš vypozorování z chování trhu a výrobců techniky. Čipy se samy o sobě nemnoží, vyrábějí je lidi. A čím menší tranzistory a vodiče v manufakturách vznikajíc, tím víc narážíte na úniky proudu, zahřívání, výrobní chyby, cenu litografie a obecně na fakt, že atomy už začínají na kvantové škále mít trochu drzé chování…

Proto se čím dál víc řeší 3D integrace. Tedy snaha nestavět čipy jenom do šířky, ale i do výšky – když mohou být logika a paměť blíž u sebe, zkracují se cesty signálu, potenciálně klesá spotřeba a na stejnou plochu se vejde víc funkcí. Aspoň tedy v ideálním světě – v praxi to totiž rychle začne být mnohem složitější!

Není to totiž úplně nový nápad, klíčový problém 3D čipů ovšem vždycky vězel v teple. Klasická výroba totiž vyžaduje teploty kolem 1000 °C, což by spodní vrstvy elegantně proměnilo ve velmi drahý toast. Nynější zkoumaná nová metoda nicméně používá ultratenké křemíkové nanomembrány a tak i procesy s teplotami pod 200 °C, takže vrstvy lze spojovat bez jejich zničení!

„V čem je trik?“

Důležité je zmínit také – není to jediný přístup zkoumající validitu 3D čipů. Ale oproti jiným působí o něco užitečněji, poněvadž u něj vědátoři nepoužili exotický materiál, který vypadá skvěle na konferenčním posteru a pak kvůli němu účetní skáčou z oken. Pracovali se single-crystalline silicon, tedy s kvalitním krystalickým křemíkem podobným tomu, na kterém stojí dnešní čipový průmysl. Jen ho připravili jako extrémně tenké membrány, které lze postupně přenášet a vrstvit na již hotové obvody.

Jednotlivé vrstvy pak propojili vertikálními kovovými spoji. To je důležité, protože běžné 3D skládání hotových čipů často používá větší průchozí spoje a má omezenou hustotu propojení. Tady jde spíš o monolitickou 3D integraci – tedy snahu dostat aktivní elektroniku přímo nad sebe jemněji a těsněji.

Zatím se podařilo vytvořit třívrstvé logické obvody a paměťové buňky. Do továren to ještě není hotové, například kvůli vyššímu potřebnému napětí. Ale princip je zajímavý a ukazuje dílčí zlepšení staršího konceptu 3D čipů…

„Takže revoluce v mobilech příští rok?“

Spíš ne. Laboratorní demonstrace není výrobní linka TSMC s miliardovou odpovědností. Bude potřeba vyřešit napětí, dlouhodobou spolehlivost, odvod tepla, napojení na existující výrobní procesy a hlavně cenu. Polovodičový průmysl miluje inovace – ale ideálně tak, aby mu nerozbořily továrnu za cenu menšího státu.

Ale zajímavé je, že výzkumníci ukázali funkční logiku i paměť a podle dostupných výsledků dosáhli vysoké výtěžnosti a slušné uniformity. To je důležité, poněvadž u čipů nestačí vyrobit jeden krásný kus do tiskovky. Potřebujete vyrábět miliony kusů, které se nechovají pokaždé jako jiná kočka…

Možná se tak skutečně blížíme tomu, že Mooreův „zákon“ se v určité podobě dočká prodloužení platnosti – a spolu s tím mohou dnešní 2D čipy nakonec vypadat stejně primitivně jako váš dávný pokus s pájením v technických dílnách!

[Ladislav Loukota]

Vědátor vznikl jako spinoff spolku studentů a popularizátorů vědy UP Crowd, dnes jej provozuje spolek Hyperion Media. Krom různých autorů projekt jako šéfredaktor vede Ladislav Loukota – kontaktní mail je [email protected]