برای دههها، صنعت نیمههادیها با تکیه بر «قانون مور» توانسته قدرت پردازشی تراشهها را بهطور مداوم افزایش دهد. اما اکنون با کوچکتر شدن مداوم ترانزیستورها، تولیدکنندگان به مرزهای فیزیکی فناوری سیلیکون نزدیک شدهاند و ادامه این روند بیش از هر زمان دیگری دشوار به نظر میرسد.
با این حال، گروهی از پژوهشگران دانشگاه University of Illinois Urbana-Champaign راهکاری تازه ارائه کردهاند که میتواند عمر قانون مور را تمدید کرده و حتی از محدودیتهای فعلی فراتر برود: ساخت تراشهها بهصورت عمودی و سهبعدی.
از گسترش افقی به آسمانخراشهای سیلیکونی
ایده اصلی این فناوری ساده اما بسیار تأثیرگذار است. به جای قرار دادن تمام ترانزیستورها روی یک سطح تخت، پژوهشگران آنها را در چندین لایه روی یکدیگر قرار میدهند.
کینگ کائو (Qing Cao)، از اعضای تیم تحقیقاتی، این رویکرد را به تفاوت میان یک شهر حومهای گسترده و مجموعهای از آسمانخراشها تشبیه میکند. به گفته او، در معماریهای فعلی برای ذخیره یک بیت اطلاعات به شش ترانزیستور روی یک صفحه نیاز است، اما در طراحی سهبعدی میتوان این اجزا را در لایههای مختلف توزیع کرد و فضای بسیار کمتری اشغال نمود.
این موضوع نهتنها تراکم پردازشی را افزایش میدهد، بلکه فاصله میان اجزا را نیز کاهش میدهد و در نتیجه سرعت ارتباطات داخلی تراشه بیشتر و مصرف انرژی کمتر میشود.
بزرگترین مانع: گرمای کشنده
ایده تراشههای سهبعدی موضوع جدیدی نیست و سالهاست که در صنعت نیمههادی مطرح شده است. مشکل اصلی اما همیشه گرما بوده است.
ساخت تراشههای مدرن معمولاً به دماهایی در حدود هزار درجه سانتیگراد نیاز دارد. در چنین شرایطی، اگر لایه دوم روی لایه اول ساخته شود، حرارت بالا میتواند ساختار لایههای زیرین را تخریب کند.
روشهای جایگزین مانند تولید جداگانه لایهها و اتصال آنها در مراحل بعدی نیز امتحان شدهاند، اما معمولاً باعث کاهش عملکرد، تراکم و یکپارچگی مدارها میشوند.
راهحل جدید پژوهشگران چیست؟
محققان برای عبور از این مانع چند نوآوری مهم را به کار گرفتهاند. نخست اینکه از ترانزیستورهای موسوم به Junctionless استفاده کردهاند که نیاز به برخی فرآیندهای حرارتی سنگین را کاهش میدهد.
دومین نوآوری، بهرهگیری از نانوغشاهای سیلیکونی فوقنازک و انعطافپذیر است. برخلاف ویفرهای سنتی که سخت و ضخیم هستند، این لایههای جدید قابلیت خم شدن دارند و میتوان آنها را در دماهای کمتر از ۲۰۰ درجه سانتیگراد روی یکدیگر قرار داد.
این انعطافپذیری همچنین باعث کاهش نقصهای ساختاری میان لایهها میشود؛ مشکلی که در فناوریهای قبلی یکی از چالشهای اصلی محسوب میشد.
اثبات موفقیت با سه لایه فعال
پژوهشگران در آزمایشهای خود موفق شدند سه لایه فعال شامل مدارهای منطقی و سلولهای حافظه را روی یکدیگر قرار دهند و عملکرد صحیح آنها را به نمایش بگذارند.
اگرچه این پروژه فعلاً در مرحله تحقیقاتی قرار دارد، اما تیم توسعهدهنده معتقد است فناوری جدید محدود به سه لایه نیست و در آینده میتوان تعداد بسیار بیشتری لایه را روی هم قرار داد.
نکته مهم دیگر این است که این فناوری همچنان از همان سیلیکون تکبلوری رایج در صنعت استفاده میکند؛ موضوعی که احتمال انتقال آن به خطوط تولید تجاری را افزایش میدهد.
هنوز چالشهایی باقی مانده است
با وجود نتایج امیدوارکننده، این فناوری هنوز آماده تولید انبوه نیست. در نمونههای فعلی، تراشهها برای فعالیت به ولتاژ بیشتری نسبت به حالت عادی نیاز دارند و این مسئله باید در مراحل بعدی توسعه برطرف شود.
با این حال، پژوهشگران معتقدند معماری عمودی در نهایت میتواند به تراشههایی منجر شود که هم قدرتمندتر هستند و هم انرژی کمتری مصرف میکنند.
تراشههای کلاسیک همچنان آینده دارند
در حالی که پیشرفتهای چشمگیری در حوزه Quantum Computing رخ داده است، کارشناسان تأکید میکنند که رایانش کلاسیک همچنان ستون اصلی بسیاری از فناوریهای آینده باقی خواهد ماند.
ScienceAlert، به همین دلیل، هر پیشرفتی که بتواند قدرت پردازندههای سیلیکونی را افزایش دهد، تأثیر مستقیمی بر هوش مصنوعی، مراکز داده، گوشیهای هوشمند، خودروهای خودران و تقریباً تمام فناوریهای مدرن خواهد داشت.
این دستاورد را میتوان یکی از مهمترین پیشرفتهای سالهای اخیر در صنعت نیمههادی دانست. بسیاری از تحلیلگران معتقد بودند قانون مور عملاً به پایان راه رسیده است، زیرا کوچکتر کردن ترانزیستورها به مرزهای اتمی نزدیک شده است. اما معماری سهبعدی مسیر متفاوتی را پیشنهاد میکند: به جای کوچکتر شدن، تراشهها بلندتر شوند.
اگر این فناوری بتواند از مرحله آزمایشگاهی به خطوط تولید شرکتهایی مانند TSMC، Samsung Electronics و Intel راه پیدا کند، ممکن است شاهد جهشی بزرگ در عملکرد پردازندهها طی دهه آینده باشیم؛ جهشی که برای توسعه هوش مصنوعی و پردازشهای سنگین کاملاً حیاتی خواهد بود.
شاید آینده تراشهها دیگر در کوچکتر شدن نباشد، بلکه در ساختن آسمانخراشهای سیلیکونی نهفته باشد. فناوری جدید پژوهشگران آمریکایی نشان میدهد که هنوز راههای خلاقانهای برای ادامه پیشرفت پردازندهها وجود دارد و پایان قانون مور آنقدرها هم نزدیک نیست.
