انقلاب در چیپ‌ها: ساختارهای چند لایه، قدرت محاسباتی را دگرگون می‌کند

انقلابی در دنیای الکترونیک: چیپ‌های چند لایه و چشم‌انداز محاسبات

صنعت الکترونیک داره به جایی می‌رسه که دیگه نمی‌شه ترانزیستور بیشتری رو روی یه سطح از چیپ کامپیوتری جا داد. واسه همین، سازنده‌های چیپ دارن به فکر این می‌افتند که به‌جای پهن کردن، عمودی بسازند. یعنی به‌جای این‌که هی ترانزیستور کوچیک‌تر رو روی یه سطح جا بدن، می‌خوان لایه‌های مختلفی از ترانزیستور و عناصر نیمه‌رسانا رو روی هم سوار کنند؛ انگار یه خونه ویلایی رو تبدیل کنی به یه ساختمون چند طبقه. این چیپ‌های چندلایه می‌تونن اطلاعات بیشتری رو پردازش کنن و کارهای پیچیده‌تری رو نسبت به الکترونیک‌های امروزی انجام بدن.

ولی یه مشکل بزرگ وجود داره، و اونم پلتفرمی هست که چیپ‌ها روش ساخته می‌شن. الان معمولاً از ویفرهای سیلیکونی بزرگ به عنوان پایه اصلی استفاده می‌کنن تا عناصر نیمه‌رسانای باکیفیت و یه تک‌کریستالی روش بسازن. هر چیپی که بخواد لایه‌بندی بشه، باید یه “کف” ضخیم از سیلیکون داشته باشه که جزیی از هر لایه هست، این موضوع باعث می‌شه ارتباط بین لایه‌های نیمه‌رسانا کند بشه.

خوشبختانه، مهندسای MIT راهی پیدا کردن که این مانع رو دور بزنن. اون‌ها یه طرح چیپ چند لایه ارائه دادن که دیگه نیازی به اون زیرلایه‌های ویفر سیلیکونی نداره، تازه توی دماهای پایین‌تر هم کار می‌کنه تا به مدارهای لایه‌های زیرین آسیبی نرسه. تو یه مقاله‌ای که تو مجله‌ی Nature چاپ شده، این تیم می‌گه که از یه روش جدید استفاده کرده برای ساختن یه چیپ چند لایه با لایه‌هایی که از مواد نیمه‌رسانای باکیفیت درست شدن و مستقیماً روی هم رشد کردن. این روش به مهندسا این امکان رو می‌ده که بتونن ترانزیستور، عناصر حافظه و منطق، با کارایی بالا رو روی هر سطح کریستالی که بخوان بسازن، نه فقط روی اون ساختار حجیم ویفرهای سیلیکونی.

وقتی دیگه اون زیرلایه‌های ضخیم سیلیکونی وجود نداشته باشه، لایه‌های نیمه‌رسانا می‌تونن خیلی نزدیک‌تر به هم باشن. این باعث می‌شه ارتباط و پردازش بین لایه‌ها بهتر و سریع‌تر انجام بشه. محقق‌ها فکر می‌کنن که از این روش می‌شه واسه ساختن سخت‌افزارهای هوش مصنوعی به شکل چیپ‌های انباشته توی لپ‌تاپ‌ها یا دستگاه‌های پوشیدنی استفاده کرد، که همون قدر سرعت و قدرت دارن که ابرکامپیوترهای امروزی دارن، و می‌تونن حجم زیادی از داده‌ها رو مثل دیتاسنترهای فیزیکی ذخیره کنن.

جی‌هوان کیم، نویسنده این مقاله و استاد مهندسی مکانیک تو MIT، می‌گه: “این پیشرفت، یه پتانسیل خیلی بزرگ برای صنعت نیمه‌رسانا ایجاد می‌کنه و اجازه می‌ده که چیپ‌ها بدون محدودیت‌های سنتی لایه‌بندی بشن.” اون اضافه می‌کنه: “این می‌تونه باعث بشه که قدرت محاسباتی برای کاربردهای هوش مصنوعی، منطق و حافظه چند برابر بشه.”

تحولات نو در مواد نیمه‌رسانا

تو این مقاله، نویسنده‌هایی مثل 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 اسمشون هست، به‌علاوه همکارایی از موسسه فناوری پیشرفته سامسونگ، دانشگاه سونگکیونکوان تو کره جنوبی و دانشگاه تگزاس در دالاس.

رازهای رشد مواد

گروه کیم تو سال 2023 گزارش دادن که یه روشی پیدا کردن واسه رشد مواد نیمه‌رسانای باکیفیت بالا روی سطوح آمورف، که این شبیه به همون توپوگرافی متنوع مدارهای نیمه‌رسانا روی چیپ‌های آماده‌اس. ماده‌ای که اون‌ها کشف کردن، یه ماده‌ی دوبعدی به اسم دی‌کالکوژنیدهای فلز انتقالی یا همون TMDs هست، که به‌عنوان یه جایگزین امیدبخش برای سیلیکون تو ساخت ترانزیستورای کوچیک‌تر و با کارایی بالا در نظر گرفته می‌شه. این مواد دوبعدی می‌تونن خاصیت نیمه‌رسانایی خودشون رو حتی تو مقیاس‌های خیلی کوچیک، به اندازه‌ی یه اتم، حفظ کنن، درحالی‌که کارایی سیلیکون خیلی کم می‌شه.

تو کارهای قبلی‌شون، تیم، TMDها رو روی ویفرهای سیلیکونی با پوشش‌های آمورف و همچنین روی خود TMDهای قبلی پرورش داد. واسه این‌که اتم‌ها رو تشویق کنن که به‌جای بی‌نظمی چند کریستالی تصادفی، به شکل یه تک‌کریستال باکیفیت دربیان، کیم و همکاراش اول یه ویفر سیلیکونی رو با یه لایه خیلی نازک، یا همون “ماسک” از دی‌اکسید سیلیکون می‌پوشونن، که توش حفره‌های ریز و منظمی وجود داشت. بعد، گاز اتم‌ها رو روی اون ماسک می‌دمیدند و دیدند که اتم‌ها به‌عنوان “بذر” توی اون حفره‌ها قرار می‌گیرن.

بهبود روش‌های تولید مواد دوبعدی تک‌کریستالی: گامی نوین

این “بذر”ها باعث می‌شدن که دانه‌ها به‌صورت منظم و تک‌کریستالی رشد کنن. اما این روش اون موقع فقط تو دماهای حدود 900 درجه سانتی‌گراد جواب می‌داد. کیم می‌گه: “شما باید این ماده‌ی تک‌کریستالی رو تو دماهای زیر 400 درجه سانتی‌گراد رشد بدید؛ وگرنه، مدارهای زیرین کلا می‌سوزن و خراب می‌شن.” اون ادامه می‌ده: “واسه همین، کار ما این بود که یه تکنیک مشابه رو تو دماهای پایین‌تر از 400 درجه سانتی‌گراد اجرا کنیم. اگر می‌تونستیم این کارو انجام بدیم، تأثیرش خیلی بزرگ می‌شد.”

اصلاح روش‌های قدیمی

تو کار جدیدشون، کیم و همکاراش دنبال این بودن که روش خودشونو طوری بهینه کنن که مواد دوبعدی تک‌کریستالی رو تو دماهای پایین‌تری تولید کنن، یعنی دمایی که مدارای زیرین خراب نشن. یه راه‌حل خیلی ساده تو علم متالورژی پیدا کردن – علمی که به تولید فلزات ربط داره. وقتی متالورژیست‌ها فلز مذاب رو توی یه قالب می‌ریزن، مایع آروم‌آروم “هسته‌گذاری” می‌شه یا دانه‌هایی درست می‌کنه که بزرگ می‌شن و تبدیل می‌شن به یه کریستال با نظم و بعد سفت و سخت می‌شن. متالورژیست‌ها فهمیدن که این هسته‌گذاری بیشتر تو لبه‌های قالب اتفاق می‌افته، اونجایی که فلز مایع توش ریخته می‌شه. کیم می‌گه: “معمولا هسته‌گذاری تو لبه‌ها به انرژی و حرارت کمتری نیاز داره. واسه همین ما این ایده رو از متالورژی قرض گرفتیم تا تو سخت‌افزارهای هوش مصنوعی آینده استفاده کنیم.”

رشد مواد تک‌کریستالی نوین

تیم تحقیقاتی دنبال این بود که TMDهای تک‌کریستالی رو روی یه ویفر سیلیکونی تولید کنه که قبلش روش مدارات ترانزیستوری ساخته شده بود. اول، مدارها رو با یه پوشش از دی‌اکسید سیلیکون پوشوندن، درست مثل کارهای قبلی‌شون. بعد، “دانه‌هایی” از TMD رو تو لبه‌های هر کدوم از اون پوشش‌ها گذاشتن و دیدن اون دانه‌هایی که لبه‌ها بودن، تو دماهای پایین‌تر از 380 درجه سانتی‌گراد تبدیل به مواد تک‌کریستالی می‌شدن. ولی دانه‌هایی که تو مرکز، دور از لبه‌های هر پوشش شروع به رشد می‌کردن، باید دمای بالاتری تحمل می‌کردن تا به ماده تک‌کریستالی تبدیل بشن.

تولید تراشه‌های چند لایه: گامی فراتر

حالا یه مرحله جلوتر، محقق‌ها از این روش جدید استفاده کردن تا یه تراشه چندلایه بسازن. تو این تراشه از لایه‌های متناوبی از دو نوع مختلف TMD استفاده شده بود – مولیبدن دی‌سولفید که یه ماده‌ی امیدبخش برای ساختن ترانزیستورهای نوع (p) هست؛ و تنگستن دی‌سلنید که پتانسیل تبدیل شدن به ترانزیستورهای نوع (n) رو داره. هر دو نوع ترانزیستورهای p و n، قطعات الکترونیکی اصلی برای انجام هر نوع عملیات منطقی هستن. تیم تونست هر دو ماده رو به شکل تک‌کریستالی، مستقیما روی هم تولید کنه، بدون این‌که نیاز باشه از ویفرهای سیلیکونی میانی استفاده کنه. کیم میگه که این روش، به‌طور موثری چگالی عناصر نیمه‌هادی تو یه تراشه رو دو برابر می‌کنه، و این به‌خصوص واسه نیمه‌هادی‌های اکسید فلزی (CMOS) ـ که یکی از اجزای اصلی مدارهای منطقی مدرن هست ـ خیلی خوبه.

کیم می‌گه: “چیزی که با این تکنیک به دست میاد، فقط یه تراشه منطقی سه‌بعدی نیست، بلکه حافظه سه‌بعدی و ترکیب اون‌ها هم هست. با روش سه بعدی متمرکز بر رشد ما، می‌تونید ده‌ها تا صدها لایه منطقی و حافظه رو مستقیم روی هم تولید کنید و اون‌ها به‌خوبی با هم ارتباط برقرار می‌کنن.”

مشکلات تراشه‌های سه‌بعدی قدیمی

کیسوک کیم، که نویسنده اصلی مقاله هست، اضافه می‌کنه: “تراشه‌های سه‌بعدی سنتی با ویفرهای سیلیکونی بینشون ساخته می‌شدن، و حفره‌هایی که از ویفر رد می‌شدن، یه پروسه‌ای بود که تعداد لایه‌ها، دقت در هم‌ترازی و راندمان رو محدود می‌کرد. روشی که ما بر پایه رشد ساختیم، هم‌زمان به همه این مسائل رسیدگی می‌کنه.”

تجاری‌سازی تراشه‌های لایه‌بندی‌شده: گام بعدی

واسه این‌که بتونن طراحی تراشه‌های لایه‌بندی‌شده رو بیشتر تجاری کنن، کیم اخیرا یه شرکت به اسم FS2 (مواد نیمه‌هادی دوبعدی آینده) تاسیس کرده. اون می‌گه: “ما تا حالا یه نمونه از دستگاه‌های کوچک‌مقیاس رو نشون دادیم. مرحله بعدی بزرگ‌کردن مقیاس تولیده تا عملکرد تراشه‌های حرفه‌ای هوش مصنوعی رو نشون بدیم.” این تحقیقات تا حدی توسط مؤسسه فناوری پیشرفته سامسونگ و دفتر تحقیقات علمی نیروی هوایی حمایت شده.

“`