Исследователи из MIT разработали новый метод изготовления, который может обеспечить производство более энергоэффективной электроники. Суть метода заключается в размещении нескольких функциональных компонентов поверх одной существующей схемы.
Традиционные схемы и их недостатки
В традиционных схемах логические устройства, выполняющие вычисления (например, транзисторы), и запоминающие устройства, хранящие данные, создаются как отдельные компоненты. Это заставляет данные перемещаться между ними, что приводит к потере энергии.
Новая платформа для интеграции электроники
Новая платформа для интеграции электроники позволяет учёным изготавливать транзисторы и запоминающие устройства в одном компактном стеке на полупроводниковом чипе. Это устраняет большую часть потерь энергии и повышает скорость вычислений.
Ключевым элементом этого достижения является недавно разработанный материал с уникальными свойствами и более точный подход к изготовлению, который уменьшает количество дефектов в материале. Это позволяет исследователям создавать чрезвычайно маленькие транзисторы со встроенной памятью, которые работают быстрее, чем современные устройства, потребляя при этом меньше электроэнергии.
Снижение потребления электроэнергии
Улучшая энергоэффективность электронных устройств, этот новый подход может помочь снизить растущее потребление электроэнергии при вычислениях, особенно для ресурсоёмких приложений, таких как генеративный искусственный интеллект, глубокое обучение и задачи компьютерного зрения.
«Мы должны минимизировать количество энергии, которое мы используем для искусственного интеллекта и других вычислений, ориентированных на данные, в будущем, потому что это просто нерентабельно. Нам понадобятся новые технологии, подобные этой платформе интеграции, чтобы продолжить этот прогресс», — говорит Яньцзе Шао, постдок MIT и ведущий автор двух статей о новых транзисторах.
Переосмысление проблемы
Стандартные КМОП (комплементарные металл-оксид-полупроводник) чипы традиционно имеют переднюю часть, где изготавливаются активные компоненты, такие как транзисторы и конденсаторы, и заднюю часть, которая включает в себя провода, называемые межсоединениями, и другие металлические соединения, соединяющие компоненты чипа.
Но часть энергии теряется, когда данные перемещаются между этими соединениями, а небольшие смещения могут ухудшить производительность. Размещение активных компонентов позволило бы сократить расстояние, которое должны преодолевать данные, и повысить энергоэффективность чипа.
Обычно сложно разместить кремниевые транзисторы на КМОП-чипе, потому что высокая температура, необходимая для изготовления дополнительных устройств на передней части, уничтожила бы существующие транзисторы под ними.
Исследователи из MIT перевернули эту проблему, разработав технологию интеграции для размещения активных компонентов на задней части чипа.
«Если мы сможем использовать эту платформу на задней части, чтобы разместить дополнительные активные слои транзисторов, а не только межсоединения, это значительно увеличит плотность интеграции чипа и улучшит его энергоэффективность», — объясняет Шао.
Исследователи достигли этого, используя новый материал — аморфный оксид индия, в качестве активного слоя канала своего транзистора на задней части. Активный слой канала — это место, где выполняются основные функции транзистора.
Благодаря уникальным свойствам оксида индия они могут «вырастить» чрезвычайно тонкий слой этого материала при температуре всего около 150 градусов Цельсия на задней части существующей схемы, не повреждая устройство на передней части.
Оптимизация процесса
Они тщательно оптимизировали процесс изготовления, который минимизирует количество дефектов в слое материала из оксида индия толщиной всего около 2 нанометров.
Несколько дефектов, известных как кислородные вакансии, необходимы для включения транзистора, но слишком много дефектов — и он не будет работать должным образом. Этот оптимизированный процесс изготовления позволяет исследователям производить чрезвычайно маленький транзистор, который работает быстро и чисто, устраняя большую часть дополнительной энергии, необходимой для переключения транзистора между выключенным и включённым состоянием.
Основываясь на этом подходе, они также изготовили задние транзисторы со встроенной памятью размером всего около 20 нанометров. Для этого они добавили слой материала, называемого сегнетоэлектрическим оксидом гафния-циркония, в качестве компонента памяти.
Эти компактные транзисторы с памятью продемонстрировали скорость переключения всего 10 наносекунд, достигнув предела измерительных приборов команды. Это переключение также требует гораздо более низкого напряжения, чем у аналогичных устройств, что снижает потребление электроэнергии.
И поскольку транзисторы с памятью настолько малы, исследователи могут использовать их в качестве платформы для изучения фундаментальной физики отдельных единиц сегнетоэлектрического оксида гафния-циркония.
«Если мы сможем лучше понять физику, мы сможем использовать этот материал для многих новых приложений. Энергия, которую он использует, очень минимальна, и это даёт нам большую гибкость в том, как мы можем проектировать устройства. Это действительно может открыть множество новых возможностей в будущем», — говорит Шао.
Исследователи также работали с командой из Университета Ватерлоо над разработкой модели производительности задних транзисторов, что является важным шагом перед интеграцией устройств в более крупные схемы и электронные системы.
В будущем они хотят развить эти демонстрации, интегрировав задние транзисторы с памятью в единую схему. Они также хотят повысить производительность транзисторов и изучить, как более точно контролировать свойства сегнетоэлектрического оксида гафния-циркония.
«Теперь мы можем создать платформу универсальной электроники на задней части чипа, которая позволит нам достичь высокой энергоэффективности и множества различных функций в очень маленьких устройствах. У нас есть хорошая архитектура устройства и материал для работы, но нам нужно продолжать внедрять инновации, чтобы раскрыть предельные возможности производительности», — говорит Шао.
Эта работа частично поддержана Semiconductor Research Corporation (SRC) и Intel. Изготовление было выполнено в лабораториях технологий микросистем MIT и на объектах MIT.nano.
1. Какие проблемы решает новая технология интеграции электроники, разработанная исследователями из MIT?
Ответ: новая технология решает проблему энергоэффективности микроэлектроники. В традиционных схемах логические и запоминающие устройства создаются как отдельные компоненты, что приводит к потере энергии при перемещении данных между ними. Новая платформа позволяет изготавливать транзисторы и запоминающие устройства в одном компактном стеке на полупроводниковом чипе, что устраняет большую часть потерь энергии и повышает скорость вычислений.
2. Какие материалы и подходы используются для создания энергоэффективных транзисторов?
Ответ: для создания энергоэффективных транзисторов используется аморфный оксид индия в качестве активного слоя канала транзистора. Этот материал позволяет «вырастить» чрезвычайно тонкий слой при температуре около 150 градусов Цельсия, не повреждая устройство на передней части чипа. Также используется сегнетоэлектрический оксид гафния-циркония в качестве компонента памяти.
3. Какие преимущества имеют компактные транзисторы с памятью, изготовленные с использованием новой технологии?
Ответ: компактные транзисторы с памятью имеют скорость переключения всего 10 наносекунд и требуют гораздо более низкого напряжения, чем аналогичные устройства. Это снижает потребление электроэнергии и позволяет использовать их в качестве платформы для изучения фундаментальной физики отдельных единиц сегнетоэлектрического оксида гафния-циркония.
4. Какие перспективы открывает новая технология для развития микроэлектроники?
Ответ: новая технология открывает перспективы для создания платформы универсальной электроники на задней части чипа, которая позволит достичь высокой энергоэффективности и множества различных функций в очень маленьких устройствах. Исследователи планируют интегрировать задние транзисторы с памятью в единую схему, повысить производительность транзисторов и изучить более точные методы контроля свойств сегнетоэлектрического оксида гафния-циркония.
5. Какие факторы способствуют оптимизации процесса изготовления транзисторов с использованием новой технологии?
Ответ: оптимизация процесса изготовления транзисторов включает минимизацию количества дефектов в слое материала из оксида индия толщиной около 2 нанометров. Это позволяет производить чрезвычайно маленькие транзисторы, которые работают быстро и чисто, устраняя большую часть дополнительной энергии, необходимой для переключения транзистора между выключенным и включённым состоянием.