Prelom, aký svet čipov nevidel. Vedci práve prekonali Mooreov zákon a čakajú nás zariadenia novej generácie
Vedci z univerzity KAUST predstavili revolučný 3D čip, ktorý prekonáva hranice Mooreovho zákona.
Pol storočia sa vývoj polovodičov riadil pomerne jednoduchou myšlienkou, teda: zmenšuj, zrýchľuj, opakuj. Gordon Moore v roku 1965 vyslovil predpoveď, ktorá sa stala akýmsi zákonom: počet tranzistorov na čipe sa zdvojnásobí zhruba každé dva roky. Táto vízia zrodila éru mobilov, superpočítačov, ale aj umelej inteligencie, no dnes sa ukazuje, že nekonečné miniaturizovanie už narazilo na stenu. Doslova atómovú.
Keď veľkosť tranzistorov klesla na jednotky nanometrov, začali sa objavovať efekty, ktoré narúšajú ich spoľahlivosť. Elektróny unikajú cez bariéry, materiály sa správajú nepredvídateľne a výrobná presnosť sa blíži svojim fyzikálnym hraniciam. Vtedy začalo byť jasné, že Mooreov zákon sa pomaly mení z „hnacieho prvku“ na jeho brzdu. Hlavní hráči v odvetví preto začali hľadať nové možnosti. Pričom najnovší prelom naznačuje, že budúcnosť sa bude odohrávať nie len v šírke kremíka, ale aj v jeho výške.
Tím vedený profesorom Xiaohangom Lim z King Abdullah University of Science and Technology (KAUST) v Saudskej Arábii predstavil čip, ktorý sa vymyká tradičnému spôsobu návrhu. Namiesto ťahania tranzistorov do plochy ich začali ukladať jeden nad druhý. Teda ako keby z kremíka stavali mikroskopický mrakodrap. Vo výsledku vznikla polovodičová štruktúra s 41 aktívnymi vrstvami, ktorá prekonáva všetky doterajšie pokusy o vertikálnu integráciu. Podľa Liho to znamená až šesťnásobné zvýšenie funkčnej hustoty bez zväčšenia základnej plochy čipu.
Nový čip ponúka veľkú energetickú úsporu
„Tradičné škálovanie sa dostalo na hranicu reality. Ak sa chceme posúvať ďalej, musíme začať rozmýšľať v troch rozmeroch,“ hovorí Li.
Jeho tím demonštroval, že vrstvením viacerých úrovní tranzistorov možno dosiahnuť nielen vyšší výkon, ale aj výraznú úsporu energie. Kým bežné komerčné čipy pri základných operáciách spotrebúvajú približne 200 mikrowattov, vertikálny prototyp KAUST si vystačí so zanedbateľnými 0,47 mikrowattu. To otvára úplne nové možnosti pre zariadenia, ktoré musia fungovať dlhodobo bez častého nabíjania.
Samotný proces výroby však pripomína vyššiu školu polovodičového inžinierstva. Najväčším nepriateľom sa ukázala byť mikroskopická „drsnosť rozhraní“. Ide o drobné nerovnosti medzi vrstvami, ktoré dokážu spôsobiť poruchy prúdenia elektrónov. Aby sa im výskumníci vyhli, museli vytvoriť nové metódy nanášania materiálov s presnosťou na atómy a dbať na to, aby prechod medzi vrstvami bol dokonale hladký. Práve táto inovácia umožnila spoľahlivú komunikáciu medzi 41 úrovňami čipu bez straty výkonu.
Neprehliadni
Na reálne nasadenie sa čaká
Zatiaľ čo 3D pamäťové čipy, ako napríklad NAND, alebo HBM, už nejaký čas využívajú podobný princíp, KAUST pristupuje k problému z inej perspektívy. Tu sa aplikuje vertikálne vrstvenie priamo na logické obvody. Vďaka tomu sa otvára cesta k novému typu mikropočítačov, ktoré budú extrémne úsporné a flexibilné. Prvé využitie sa očakáva v inteligentných senzoroch, zdravotníckych nositeľných zariadeniach a v ohybných displejoch, kde je spotreba energie aj fyzická ohybnosť rozhodujúca.
Tento posun však nie je tak nejakou technickou zaujímavosťou. Znamená nový spôsob uvažovania o tom, kam sa výpočtová technika bude ďalej uberať. Mooreov zákon síce prestáva platiť v klasickej rovine, no jeho duch žije ďalej! Len sa transformuje do tretieho rozmeru. Zmenšovanie ustupuje vrstveniu, plošina sa mení na vežu a čipy budú rásť už aj do výšky. Ak sa tento koncept rozšíri, možno sme práve svedkami začiatku úplne novej etapy. Teda éry vertikálnej revolúcie, v ktorej sa budú zákony fyziky využívať nie ako prekážka, ale ako inšpirácia pre ďalší rast.
