تراشه‌های چند لایه: انقلاب جدید در دنیای الکترونیک با هوش مصنوعی!

یه انقلاب تو دنیای الکترونیک: طراحی تراشه‌های چند لایه

صنعت الکترونیک داره به یه جایی می‌رسه که دیگه نمی‌شه ترانزیستور بیشتر روی سطح یه چیپ کامپیوتری جا داد. واسه همین، سازنده‌های چیپ دارن دنبال این می‌گردن که به‌جای بزرگ‌‌تر کردن سطح، لایه‌های بیشتری به تراشه‌ها اضافه کنن. دیگه به‌جای فشرده کردن ترانزیستورهای کوچیک‌تر روی یه سطح، دارن میرن سراغ این‌که چندتا سطح از ترانزیستورها و اجزای نیمه‌هادی رو روی هم سوار کنن؛ مثل این‌که یه خونه ویلایی رو تبدیل به یه آسمون‌خراش کنن. این تراشه‌های چند لایه می‌تونن خیلی بیشتر از الکترونیک‌های امروزی اطلاعات رو پردازش کنن و کارهای پیچیده‌‌تری انجام بدن.

ولی یه مشکل بزرگ وجود داره، و اون هم بستریه که تراشه‌ها روش ساخته می‌شن. الان، ویفرهای سیلیکونی بزرگ، نقش یه چارچوب اصلی رو دارن که عناصر نیمه‌هادی با کیفیت بالا و تک‌بلوری روش رشد می‌کنن. هر چیپی که بخواد چند لایه باشه، باید یه “کف” سیلیکونی ضخیم به عنوان قسمتی از هر لایه داشته باشه، و همین قضیه باعث می‌شه که ارتباط بین لایه‌های نیمه‌هادی که دارن کار می‌کنن، کند بشه.

حالا، مهندس‌های MIT یه راهی پیدا کردن که این مانع رو دور بزنن. اونا تراشه‌های چند لایه‌ای طراحی کردن که دیگه نیازی به زیرلایه‌های ویفر سیلیکونی ندارن و تو دماهای پایین‌تری کار می‌کنن تا مدارهای لایه‌های زیرین سالم بمونن. تو یه تحقیقی که تو مجله‌ی Nature چاپ شده، این تیم گزارش داده که از یه روش جدید برای ساخت یه چیپ چند لایه استفاده کردن؛ یه چیپ با لایه‌هایی که از مواد نیمه‌هادی با کیفیت بالا درست شدن و مستقیم رو هم رشد کردن.

این روش به مهندس‌ها این امکان رو می‌ده که ترانزیستورها و اجزایی مثل حافظه و منطق با عملکرد بالا رو روی هر سطح بلوری‌ای بسازن، نه فقط روی چارچوب بلوری ویفرهای سیلیکونی. با حذف این زیرلایه‌های سیلیکونی ضخیم، لایه‌های نیمه‌هادی می‌تونن ارتباط مستقیم‌تری با هم داشته باشن که این باعث می‌شه ارتباطات و محاسبات بین لایه‌ها بهتر و سریع‌تر بشه، این‌طور که محقق‌ها میگن.

محقق‌ها فکر می‌کنن که از این روش می‌شه برای ساخت سخت‌افزارهای هوش مصنوعی استفاده کرد، مثلاً تراشه‌هایی که رو هم سوار شدن و می‌تونن تو لپ‌تاپ‌ها یا وسایل پوشیدنی استفاده بشن؛ تراشه‌هایی که همون‌قدر سریع و قوی هستن که ابرکامپیوترهای امروزی، و می‌تونن حجم زیادی از اطلاعات رو ذخیره کنن، همون اندازه‌ای که مراکز داده‌های فیزیکی ذخیره می‌کنن. این پیشرفت یه پتانسیل خیلی بزرگ برای صنعت نیمه‌هادی ایجاد می‌کنه و اجازه می‌ده که تراشه‌ها بدون محدودیت‌های سنتی، رو هم قرار بگیرن، این حرف‌های جی‌هوان کیم، نویسنده این تحقیق و استاد مهندسی مکانیک تو MIT هستن. این می‌تونه به بهبودهای چند برابری تو قدرت محاسباتی برای کاربردهای هوش مصنوعی، منطق و حافظه منجر بشه.

پیشرفت‌های تازه توی مواد نیمه‌هادی

نویسنده‌های دیگه این تحقیق از MIT شامل کی سئوک کیم، سئونگ‌هوان سئو، دو یون لی، جونگ-آل ری، جکیونگ کیم، جون مین سو، جون-چول شین، مین-کیو سونگ، جین فنگ و سانگ‌هو لی هستن، و همکارایی از مؤسسه فناوری پیشرفته سامسونگ، دانشگاه سونگکیونکوان تو کره جنوبی و دانشگاه تگزاس تو دالاس.

گروه کیم تو سال 2023 گزارش داد که یه روشی رو توسعه دادن برای رشد مواد نیمه‌هادی با کیفیت بالا روی سطوح آمورف، که تقریباً شبیه نقشه‌های مختلف مدارهای نیمه‌هادی روی تراشه‌های نهایی هست. ماده‌ای که اونا رشد دادن یه نوع ماده‌ی 2D هست به اسم دی‌کالکوژنیدهای فلز انتقالی یا همون TMDs که به‌عنوان یه جایگزین امیدوارکننده برای سیلیکون تو ساخت ترانزیستورهای کوچیک‌تر و با عملکرد بالا در نظر گرفته می‌شه. این مواد 2D می‌تونن خواص نیمه‌هادی خودشون رو حتی تو مقیاس‌های کوچیک، مثلاً اندازه یه اتم، حفظ کنن، در حالی که عملکرد سیلیکون به‌شدت کم می‌شه.

تو کارای قبلیشون، تیم TMDها رو روی ویفرهای سیلیکونی با پوشش‌های آمورف و همچنین روی TMDهای موجود، رشد داده بود. واسه این‌که اتم‌ها رو تشویق کنن که به شکل یه کریستال تک‌دونه با کیفیت بالا، منظم بشن، نه نامنظم و چندبلوری، کیم و همکاراش اول یه ویفر سیلیکونی رو با یه لایه خیلی نازک یا همون “ماسک” از دی‌اکسید سیلیکون پوشوندن که با سوراخ‌های ریز یا همون “جیب”ها الگوبرداری شده بود. بعدش اونا گاز اتم‌ها رو روی ماسک فرستادن و فهمیدن که اتم‌ها تو جیب‌ها به‌عنوان “بذر” نشستن.

تحقیقات جدید تو زمینه‌ی مواد دو بعدی تک بلوری

این جیب‌ها باعث می‌شن که دانه‌ها تو الگوهای منظم و تک بلوری رشد کنن. ولی اون موقع، این روش فقط تو دماهای حدود ۹۰۰ درجه سانتی‌گراد کار می‌کرد. کیم میگه: «شما باید این ماده‌ی تک بلوری رو تو دماهای زیر ۴۰۰ درجه سانتی‌گراد رشد بدین، وگرنه مدار زیرین کاملاً خراب و سوخته می‌شه.» اون ادامه می‌ده: «واسه همین، وظیفه‌ی ما این بود که باید یه تکنیک مشابه رو تو دماهای پایین‌تر از ۴۰۰ درجه سانتی‌گراد پیاده کنیم. اگه می‌تونستیم این کار رو انجام بدیم، تأثیرش خیلی زیاد می‌شد.»

بهبود روش‌های رشد مواد

تو کار جدیدشون، کیم و همکاراش دنبال این بودن که روششون رو بهینه کنن تا بتونن مواد دو بعدی تک بلوری رو تو دماهای پایین‌تر از ۴۰۰ درجه سانتی‌گراد رشد بدن و مدارای زیرین رو حفظ کنن. اونا یه راه‌حل به‌طرز عجیبی ساده تو علم متالورژی پیدا کردن — علمی که به تولید فلزات مربوط می‌شه. وقتی متالورژیست‌ها فلز مذاب رو تو یه قالب می‌ریزن، مایع آروم‌آروم هسته‌زایی می‌کنه، یا همون دانه‌هایی تشکیل می‌ده که رشد می‌کنن و به یه کریستال منظم تبدیل می‌شن و در نهایت به شکل جامد سخت می‌شن. متالورژیست‌ها متوجه شدن که این هسته‌زایی بیشتر تو لبه‌های قالبی اتفاق می‌افته که فلز مایع توش ریخته می‌شه. کیم می‌گه: «معروفه که هسته‌زایی تو لبه‌ها به انرژی و حرارت کمتری نیاز داره. واسه همین ما این ایده رو از متالورژی گرفتیم که برای سخت‌افزارهای هوش مصنوعی آینده استفاده کنیم.»

رشد مواد تک بلوری TMD

تیم دنبال این بود که مواد تک بلوری TMD رو روی یه ویفر سیلیکونی که قبلاً با مدارهای ترانزیستوری ساخته شده بود، رشد بده. اونا اول مدارها رو با یه ماسک از دی‌اکسید سیلیکون پوشوندن، دقیقاً مثل کار قبلیشون. بعد “دانه‌هایی” از TMD رو تو لبه‌های هرکدوم از جیب‌های ماسک قرار دادن و دیدن که این دانه‌های لبه‌ای تو دماهای پایین تا ۳۸۰ درجه سانتی‌گراد به مواد تک بلوری تبدیل می‌شن، در حالی که دانه‌هایی که تو مرکز و دور از لبه‌های هر جیب شروع به رشد کردن، به دماهای بالاتری نیاز داشتن تا مواد تک بلوری تشکیل بدن.

ساخت چیپ چند لایه

یه قدم جلوتر، محقق‌ها از روش جدیدشون استفاده کردن تا یه چیپ چند لایه بسازن، یه چیپ با لایه‌های متناوب از دو نوع مختلف TMD — دی‌سولفید مولیبدن، که یه ماده‌ی امیدبخش برای ساخت ترانزیستورهای نوع n هست؛ و دی‌سلنید تنگستن، که پتانسیل تبدیل شدن به ترانزیستورهای نوع p رو داره. هر دو نوع ترانزیستورهای p و n، بلوک‌های سازنده الکترونیکی‌ای هستن که برای انجام هر نوع عملیات منطقی نیاز هستن. تیم تونست هر دو ماده رو به‌صورت تک بلوری، مستقیم رو هم رشد بده، بدون این‌که نیازی به ویفر سیلیکونی میانی باشه. کیم میگه این روش باعث می‌شه که تراکم اجزای نیمه‌هادی تو یه چیپ، به‌خصوص نیمه‌هادی‌های اکسید فلزی (CMOS)، که یکی از بلوک‌های سازنده اصلی مدارهای منطقی مدرنه، دوبرابر بشه.

کیم میگه: «محصولی که با تکنیک ما به دست میاد، فقط یه چیپ منطقی ۳ بعدی نیست، بلکه یه حافظه ۳ بعدی و ترکیب‌های اونا هم هست. با روش ۳ بعدی مونو لیتیک که بر پایه‌ی رشد کردن ماست، می‌تونید ده‌ها تا صدها لایه منطقی و حافظه رو مستقیم روی هم رشد بدین و اونا می‌تونن به‌خوبی با هم ارتباط برقرار کنن.»

توسعه بیشتر طراحی چیپ

کیسوک کیم، نویسنده اول این تحقیق، اضافه می‌کنه: «چیپ‌های ۳ بعدی معمولی با ویفرهای سیلیکونی در میونشون، با سوراخ‌هایی که از میان ویفر ایجاد می‌شه، ساخته شدن — یه فرآیندی که تعداد لایه‌های انباشته، دقت هم‌ترازی عمودی و بازده‌ها رو محدود می‌کنه. روش ما که بر پایه‌ی رشد کردنه، هم‌زمان به همه‌ی این مشکلات رسیدگی می‌کنه.»

واسه اینکه این طراحی چیپ‌های قابل انباشته رو بیشتر تجاری کنن، کیم اخیراً یه شرکت به اسم FS2 (مواد نیمه‌رسانای دو بعدی آینده) تأسیس کرده. اون میگه: «ما تا الان یه مفهوم رو تو آرایه‌های دستگاه‌های کوچیک نشون دادیم. مرحله‌ی بعدی بالا بردن مقیاسه تا عملکرد چیپ‌های حرفه‌ای هوش مصنوعی رو نشون بدیم.» این تحقیق به شکل جزئی توسط مؤسسه فناوری پیشرفته سامسونگ و دفتر تحقیقات علمی نیروی هوایی حمایت می‌شه.