مهندسان تراشه‌های ۳بعدی بلند مرتبه ساختند!

تحولی در صنعت الکترونیک: چیپ‌های چندلایه و آینده محاسبات

صنعت الکترونیک به مرز حداکثر تعداد ترانزیستورها که می‌توان بر روی سطح یک چیپ کامپیوتری قرار داد، نزدیک می‌شود. به همین دلیل، تولیدکنندگان چیپ به دنبال ساختن به سمت بالا به جای گسترش افقی هستند. به جای فشرده‌سازی ترانزیستورهای کوچکتر بر روی یک سطح، این صنعت به دنبال انباشتن سطوح مختلف ترانزیستورها و عناصر نیمه‌رسانا است؛ مانند تبدیل یک خانه‌ی ویلایی به یک ساختمان بلند. این چیپ‌های چندلایه می‌توانند داده‌های بیشتری را پردازش کرده و عملکردهای پیچیده‌تری را نسبت به الکترونیک‌های امروزی انجام دهند.

با این حال، یک مانع بزرگ، پلتفرمی است که چیپ‌ها بر روی آن ساخته می‌شوند. در حال حاضر، ویفرهای سیلیکونی حجیم به عنوان سازه اصلی برای رشد عناصر نیمه‌رسانای با کیفیت بالا و تک بلوری استفاده می‌شوند. هر چیپ قابل انباشتی باید شامل “کف” سیلیکونی ضخیم به عنوان بخشی از هر لایه باشد که این موضوع باعث کندی ارتباطات بین لایه‌های نیمه‌رسانا می‌شود.

اکنون، مهندسان MIT راهی برای دور زدن این مانع پیدا کرده‌اند. آن‌ها طراحی چیپ چندلایه‌ای را ارائه داده‌اند که نیاز به هیچ زیرلایه‌ای از ویفر سیلیکونی ندارد و در دماهای پایین‌تری کار می‌کند تا مدارهای لایه‌های زیرین را حفظ کند. در مطالعه‌ای که در نشریه Nature منتشر شده، این تیم گزارش می‌دهد که از روش جدید برای ساخت یک چیپ چندلایه با لایه‌های متناوب از مواد نیمه‌رسانای با کیفیت بالا که به طور مستقیم بر روی یکدیگر رشد کرده‌اند، استفاده کرده‌اند. این روش به مهندسان این امکان را می‌دهد که ترانزیستورها و عناصر حافظه و منطقی با عملکرد بالا را بر روی هر سطح بلوری تصادفی بسازند، نه فقط بر روی سازه حجیم ویفرهای سیلیکونی.

بدون این زیرلایه‌های ضخیم سیلیکونی، لایه‌های نیمه‌رسانا می‌توانند در تماس مستقیم‌تری باشند که منجر به ارتباط و محاسبات بهتر و سریع‌تر بین لایه‌ها می‌شود. محققان تصور می‌کنند که این روش می‌تواند برای ساخت سخت‌افزارهای هوش مصنوعی به شکل چیپ‌های انباشته برای لپ‌تاپ‌ها یا دستگاه‌های پوشیدنی استفاده شود که به اندازه سوپرکامپیوترهای امروزی سریع و قدرتمند بوده و می‌توانند حجم زیادی از داده‌ها را مشابه مراکز داده فیزیکی ذخیره کنند.

جی‌هوان کیم، نویسنده این مطالعه و استاد مهندسی مکانیک در MIT، می‌گوید: “این پیشرفت پتانسیل عظیمی برای صنعت نیمه‌رسانا ایجاد می‌کند و اجازه می‌دهد چیپ‌ها بدون محدودیت‌های سنتی انباشته شوند.” او اضافه می‌کند: “این می‌تواند به بهبودهای چند برابری در قدرت محاسباتی برای کاربردهای هوش مصنوعی، منطق و حافظه منجر شود.”

پیشرفت‌های جدید در مواد نیمه‌رسانا

نویسندگان این مطالعه شامل کی سئوک کیم، سونگ‌هوان سئو، دو یون لی، جونگ-ال ریو، جکیونگ کیم، جون مین سو، جون-چول شین، مین-کیو سونگ، جین فنگ و سانگ‌هو لی از MIT هستند، به همراه همکارانی از موسسه فناوری پیشرفته سامسونگ، دانشگاه سونگکیونکوان در کره جنوبی و دانشگاه تگزاس در دالاس.

کیسه‌های بذر

در سال 2023، گروه کیم گزارش داد که روشی برای رشد مواد نیمه‌رسانای با کیفیت بالا بر روی سطوح آمورف توسعه داده‌اند، مشابه با توپوگرافی متنوع مدارهای نیمه‌رسانا بر روی چیپ‌های نهایی. ماده‌ای که آن‌ها رشد دادند، نوعی ماده 2D به نام دی‌کالکوژنیدهای فلز انتقالی یا TMDs است که به عنوان جانشینی امیدوارکننده برای سیلیکون در ساخت ترانزیستورهای کوچکتر و با عملکرد بالا در نظر گرفته می‌شود. این مواد 2D می‌توانند خواص نیمه‌رسانایی خود را حتی در مقیاس‌های کوچک به اندازه یک اتم حفظ کنند، در حالی که عملکرد سیلیکون به شدت کاهش می‌یابد.

در کار قبلی خود، تیم TMDها را بر روی ویفرهای سیلیکونی با پوشش‌های آمورف و همچنین بر روی TMDهای موجود رشد داد. برای تشویق اتم‌ها به ترتیب‌گیری در فرم تک بلوری با کیفیت بالا، به جای بی‌نظمی چند بلوری تصادفی، کیم و همکارانش ابتدا یک ویفر سیلیکونی را با یک فیلم بسیار نازک، یا “ماسک” از دی‌اکسید سیلیکون پوشاندند که با حفره‌های ریز الگوگذاری شده بود. سپس آن‌ها گاز اتم‌ها را بر روی ماسک جریان دادند و دریافتند که اتم‌ها به عنوان “بذر” در حفره‌ها نشسته‌اند.

توسعه روش‌های جدید برای تولید مواد دو بعدی تک بلوری

کیسه‌ها باعث می‌شوند که دانه‌ها در الگوهای منظم و تک بلوری رشد کنند. با این حال، این روش در آن زمان تنها در دماهای حدود ۹۰۰ درجه سلسیوس کار می‌کرد. کیم می‌گوید: “شما باید این ماده تک بلوری را در دماهای زیر ۴۰۰ درجه سلسیوس رشد دهید؛ در غیر این صورت، مدارهای زیرین کاملاً پخته و خراب می‌شوند.” او ادامه می‌دهد: “بنابراین، وظیفه ما این بود که تکنیک مشابهی را در دماهای پایین‌تر از ۴۰۰ درجه سلسیوس انجام دهیم. اگر می‌توانستیم این کار را انجام دهیم، تأثیر آن بسیار بزرگ خواهد بود.”

بهبود روش‌های تولید

در کار جدید خود، کیم و همکارانش به دنبال بهینه‌سازی روش خود بودند تا مواد دو بعدی تک بلوری را در دماهای پایین‌تری رشد دهند که بتوانند مدارهای زیرین را حفظ کنند. آنها راه‌حلی به طرز شگفت‌آوری ساده در علم متالورژی پیدا کردند — علمی که به تولید فلزات مربوط می‌شود. زمانی که متالورژیست‌ها فلز مذاب را درون یک قالب می‌ریزند، مایع به آرامی “هسته‌گذاری” می‌شود یا دانه‌هایی تشکیل می‌دهد که رشد کرده و به یک کریستال با الگوی منظم تبدیل می‌شوند و به شکل جامد سخت می‌شوند. متالورژیست‌ها متوجه شده‌اند که این هسته‌گذاری بیشتر در لبه‌های قالبی که فلز مایع در آن ریخته می‌شود، اتفاق می‌افتد. کیم می‌گوید: “مشهور است که هسته‌گذاری در لبه‌ها به انرژی و حرارت کمتری نیاز دارد. بنابراین ما این مفهوم را از متالورژی قرض گرفتیم تا برای سخت‌افزارهای آینده هوش مصنوعی استفاده کنیم.”

رشد مواد تک بلوری

تیم به دنبال رشد TMDهای تک بلوری بر روی یک ویفر سیلیکونی بود که قبلاً با مدارهای ترانزیستوری ساخته شده بود. آن‌ها ابتدا مدارها را با یک ماسک از دی‌اکسید سیلیکون پوشاندند، درست مانند کار قبلی خود. سپس “دانه‌هایی” از TMD را در لبه‌های هر یک از کیسه‌های ماسک قرار دادند و متوجه شدند که این دانه‌های لبه‌ای در دماهای پایین‌تر از ۳۸۰ درجه سلسیوس به مواد تک بلوری تبدیل می‌شوند، در حالی که دانه‌هایی که در مرکز، دور از لبه‌های هر کیسه شروع به رشد کردند، به دماهای بالاتری برای تشکیل مواد تک بلوری نیاز داشتند.

تولید تراشه‌های چند لایه

با یک قدم جلوتر، محققان از روش جدید برای تولید یک تراشه چند لایه با لایه‌های متناوب از دو نوع مختلف TMD استفاده کردند — دی‌سولفید مولیبدن، که یک ماده امیدوارکننده برای تولید ترانزیستورهای نوع p است؛ و دی‌سلنید تنگستن، که پتانسیل تبدیل به ترانزیستورهای نوع n را دارد. هر دو نوع ترانزیستورهای p و n، بلوک‌های سازنده الکترونیکی برای انجام هر عملیات منطقی هستند. تیم توانست هر دو ماده را به شکل تک بلوری، به طور مستقیم روی یکدیگر رشد دهد، بدون اینکه به ویفرهای سیلیکونی میانی نیاز داشته باشد. کیم می‌گوید که این روش به طور مؤثری چگالی عناصر نیمه‌هادی در یک تراشه را دو برابر می‌کند و به ویژه، نیمه‌هادی‌های اکسید فلزی (CMOS) که یکی از بلوک‌های سازنده اصلی مدارهای منطقی مدرن است.

کیم می‌گوید: “محصولی که با تکنیک ما به دست می‌آید نه تنها یک تراشه منطقی سه بعدی است بلکه حافظه سه بعدی و ترکیب‌های آن‌ها نیز می‌باشد. با روش سه بعدی مونو لیتیک مبتنی بر رشد ما، می‌توانید ده‌ها تا صدها لایه منطقی و حافظه را به طور مستقیم روی یکدیگر رشد دهید و آن‌ها به خوبی با یکدیگر ارتباط برقرار کنند.”

چالش‌های تراشه‌های سه بعدی سنتی

کیسوک کیم، نویسنده اول، اضافه می‌کند: “تراشه‌های سه بعدی سنتی با ویفرهای سیلیکونی در بین آن‌ها ساخته شده‌اند، و حفره‌هایی که از طریق ویفر ایجاد می‌شود، فرآیندی که تعداد لایه‌های انباشته، دقت هم‌راستایی عمودی و بازده را محدود می‌کند. روش مبتنی بر رشد ما به طور همزمان به تمام این مسائل رسیدگی می‌کند.”

تجاری‌سازی طراحی تراشه‌های قابل انباشته

برای تجاری‌سازی بیشتر طراحی تراشه‌های قابل انباشته، کیم به تازگی شرکتی به نام FS2 (مواد نیمه‌هادی دو بعدی آینده) تأسیس کرده است. او می‌گوید: “ما تا کنون یک مفهوم در آرایه‌های دستگاه‌های کوچک مقیاس نشان داده‌ایم. مرحله بعدی مقیاس‌گذاری برای نشان دادن عملکرد تراشه‌های حرفه‌ای هوش مصنوعی است.” این تحقیق به طور جزئی توسط مؤسسه پیشرفته فناوری سامسونگ و دفتر تحقیقات علمی نیروی هوایی حمایت شده است.