Исследователи из MIT разработали метод производства электроники, который обещает радикальное снижение энергопотребления. Вместо того чтобы размещать логические и запоминающие устройства отдельно, они предлагают размещать их в одном компактном стеке на полупроводниковом чипе, что сокращает потери энергии на перемещение данных. Ключом к успеху стали новые материалы и точные методы производства.
Решение проблемы потерь
В традиционных схемах транзисторы для вычислений и ячейки памяти для хранения данных — это отдельные компоненты. Данные вынуждены постоянно перемещаться между ними, что приводит к значительным энергозатратам. Новый подход от MIT позволяет интегрировать транзисторы и устройства памяти в единую структуру на задней стороне чипа (back end), сокращая это расстояние и повышая общую энергоэффективность.
Обычно сложно наращивать кремниевые транзисторы на существующем чипе из-за высоких температур процесса производства, которые разрушат уже имеющиеся компоненты. Команда обошла это ограничение, используя новый материал — аморфный оксид индия — в качестве активного канального слоя для транзистора, который можно наносить при температуре всего около 150 градусов Цельсия. Это позволяет создавать активные слои поверх готовой схемы без её повреждения.
Технологический прорыв
Ученые тщательно оптимизировали процесс производства, минимизировав дефекты в слое оксида индия толщиной всего 2 нанометра. Некоторые дефекты, известные как кислородные вакансии, необходимы для работы транзистора, но их избыток приводит к сбоям. Контролируемый процесс позволил создать чрезвычайно маленькие транзисторы, работающие быстро и с минимальными энергозатратами на переключение.
На основе этого подхода исследователи также создали транзисторы с интегрированной памятью размером около 20 нанометров, добавив слой сегнетоэлектрического оксида гафния-циркония. Эти компактные устройства памяти продемонстрировали скорость переключения всего 10 наносекунд, что является пределом для измерительных приборов команды, и требуют значительно более низкого напряжения, снижая потребление электричества.
Идея вертикальной интеграции логики и памяти обсуждается десятилетиями, но всегда упиралась в технологические барьеры — температуру и материалы. Использование оксида индия для низкотемпературного роста активного слоя — это элегантный инженерный ход. Правда, между лабораторным прототипом и массовым производством — пропасть. Сегнетоэлектрическая память на основе HfO₂ сама по себе — горячая тема, но её стабильность и долговечность в таких масштабах ещё под вопросом. Если технологию удастся довести до ума, она может стать серьёзным ударом по энергоаппетитам серверных ферм для ИИ, но ждать коммерческих чипов придётся, скорее всего, не один год.
Значение для энергоёмких вычислений
Как отмечает ведущий автор исследования Яньцзе Шао, минимизация энергии, используемой для ИИ и других вычислений, критически важна для устойчивого развития. Новые технологии интеграции, подобные этой платформе, необходимы для продолжения прогресса в области требовательных приложений, таких как генеративный ИИ, глубокое обучение и компьютерное зрение.
Работа, представленная на конференции IEEE International Electron Devices Meeting, демонстрирует не только новый метод производства, но и открывает возможности для фундаментальных исследований физики сегнетоэлектрических материалов на уровне отдельных единиц. Это, в свою очередь, может привести к созданию новых типов устройств.
По материалам MIT News.