Moore Yasasını Kurtaracak Buluş: Üç Boyutlu Silikon Çipler Geliyor

Hızlı Erişim / İçindekiler

• Yatay Sınırlar ve Yarı İletken Sektörünün Dikey Arayışı
• Monolitik Entegrasyon ve Isı Probleminin Çözümü
• 10 Nanometrelik Zarlar ve Endüstriyel Üretim Potansiyeli

Yarı iletken teknolojisi, bilgisayarların ve akıllı cihazların kalbini oluşturan transistörleri onlarca yıldır yatay bir düzlemde küçülterek ilerledi. Ancak geleneksel yöntemlerle çiplerin daha fazla küçültülmesi sürecinde artık fiziksel sınırların sonuna yaklaşıldı. Illinois Üniversitesi Grainger Mühendislik Fakültesi araştırmacıları, mikroçipleri yatayda sıkıştırmak yerine gökyüzüne doğru inşa etmeyi başaran radikal bir üretim tekniği geliştirdi. Ultra ince silikon zarlar ve düşük sıcaklıklı üretim süreçleri kullanan bu yeni yöntem, mikroelektronik dünyasında asırlık bir tıkanıklığı aşarak Moore Yasasının ömrünü uzun yıllar uzatabilir. Üç boyutlu dikey mimari, veri yoğunluğunun tavan yaptığı yapay zeka çağında bilgi işleme hızını katlamaya hazırlanıyor.

Yatay Sınırlar ve Yarı İletken Sektörünün Dikey Arayışı

Yaklaşık altmış yıldır entegre devreler üzerindeki transistör yoğunluğunun her iki yılda bir ikiye katlanacağını öngören Moore Yasası, bilişim dünyasının gelişim rotasını çizdi. Ne var ki, günümüzde transistör boyutları kuantum mekaniğinin temel kurallarına ve silikonun içsel malzeme özelliklerine takılmaya başladı. Atomik ölçeklere yaklaşan geçit aralıkları nedeniyle artık transistörleri tek bir yüzeye daha fazla sıkıştırmak teknik olarak mümkün görünmüyor. İşte bu noktada teknoloji dünyası, yatay bir banliyö yerleşimi yerine gökdelenler inşa etme mantığına dayanan dikey entegrasyon modeline yöneldi.

İşlemcilerde ve grafik kartlarında evrensel olarak kullanılan statik rastgele erişimli bellekleri (SRAM) ele alalım. Mevcut mimaride tek bir bilgi bitini depolayabilmek için tek bir düzlem üzerinde yan yana dizilmiş altı adet transistör gerekiyor. Geliştirilen dikey mimari ise bu bileşenleri üst üste gelen katmanlara dağıtarak çipin yüzeyde kapladığı alanı dramatik şekilde küçültüyor. Üstelik katmanlar arasındaki mesafenin kısalması, sinyal iletim hızını artırırken parazitik kapasitansı düşürüyor ve enerji tüketimini ciddi oranda azaltıyor. Bu durum, özellikle muazzam veri bant genişliğine ihtiyaç duyan yapay zeka algoritmaları ve yüksek performanslı bilgi işlem sistemleri için devrimsel bir performans sıçraması anlamına geliyor.

Monolitik Entegrasyon ve Isı Probleminin Çözümü

Halihazırda piyasada bulunan bazı üç boyutlu çip teknolojileri, yüksek bant genişlikli belleklerde (HBM) olduğu gibi farklı plakalarda üretilen devrelerin sonradan birbirine yapıştırılması esasına dayanıyor. Ancak bu yöntemde katmanların hizalanması mikro ölçekte kaba kalıyor ve dikey bağlantı kanalları (TSV) fazla yer kaplıyor. "Monolitik üç boyutlu entegrasyon" ise her yeni devre katmanının, bir önceki katmanın tam üzerine doğrudan ve sıfırdan inşa edilmesini öngörüyor. Katmanlar arası bağlantı yoğunluğunu 10 ila 100 kat artırabilen bu kusursuz yöntemin önündeki en büyük engel ise şimdiye kadar yüksek sıcaklıklar oldu.

Yüksek kaliteli kristal silikon üretmek ve kararlı yarı iletken cihazlar imal etmek için endüstride genellikle 1000 santigrat dereceye yakın sıcaklıklar kullanılır. Fakat ilk katmandaki metal bağlantılar tamamlandıktan sonra üst katmanlar için uygulanacak 400 derecenin üzerindeki herhangi bir ısı, alttaki hassas devrelere geri dönülemez zararlar verir. Bilim dünyası bu termal bütçe sınırını aşmak için üst katmanlarda karbon nanotüpler, iki boyutlu yarı iletkenler veya amorf metal oksitler gibi alternatif malzemeler denese de, bu maddelerin hiçbiri silikonun gösterdiği yüksek performans ve güvenilirlik standardını yakalayamadı. Illinois Üniversitesi ekibi, standart tek kristalli silikon yapısını bozmadan termal limitlerin çok altında kalmayı başaran yeni bir formül bularak bu kördüğümü çözdü.

10 Nanometrelik Zarlar ve Endüstriyel Üretim Potansiyeli

Nature dergisinde yayımlanan çalışmaya göre araştırmacılar, bir donör plakadan sadece 10 nanometre veya daha ince, kendi kendine ayakta durabilen ultra ince silikon nanomembranlar (zarlar) üretti. Standart bir çip plakasının 500 ila 700 mikrometre kalınlığında olduğu düşünüldüğünde, bu zarların ne kadar ekstrem bir incelikte olduğu daha iyi anlaşılır. Esnek yapıları sayesinde alt yüzeye kusursuzca tutunan bu zarlar, özel bir silindir laminatör yardımıyla, üzerinde halihazırda devre bulunan hedef plakanın üzerine aktarıldı. Tüm bu birleştirme işlemi yalnızca 200 santigrat derece sıcaklıkta gerçekleştirildi ve böylece alttaki devre katmanları termal hasardan tamamen korunmuş oldu.

Yüksek sıcaklık gerektiren geleneksel katkılama (doping) işlemlerinden kaçınmak için transistör mimarisi de baştan tasarlandı. Silikon tabakanın henüz istifleme başlamadan önce homojen ve yoğun şekilde katkılandığı "bağlantısız transistör" (junctionless) tasarımı kullanıldı. Bu strateji sayesinde ekip, her biri 625 transistör içeren üç katmanlı dikey bir çip prototipi üretti. Üretim süreçlerinde %98 ila %100 arasında bir verimlilik yakalandı. Üstelik bu dikey transistörlerin akım yoğunluğu, çok yüksek sıcaklıklarda üretilen geleneksel silikon transistörlerle birebir eşleşirken, alternatif malzemelerle yapılan önceki monolitik denemeleri performans açısından dörde katladı. Geliştirilen bu yöntemin en büyük avantajı, üç katmanla sınırlı kalmayıp yukarıya doğru sürekli ölçeklenebilir olmasıdır. IBM, Intel ve TSMC gibi devlerin de iş ortağı olduğu merkez bünyesinde yürütülen bu projenin bir sonraki adımı, teknolojiyi endüstriyel bir ticari dökümhaneye aktararak seri üretime dönüştürmek olacak.

Kaynak: sciencedaily.com New 3D silicon chip breakthrough could extend Moore’s Law for years

BilimBox Yorumu: Donanım dünyası uzun süredir "Moore Yasası öldü mü ölüyor mu?" tartışmasıyla çalkalanıyordu. Çünkü artık atomları daha fazla sıkıştırabileceğimiz bir alan kalmamıştı. Intel, TSMC veya AMD gibi devlerin transistörleri dikey yerleştirme hamleleri vardı ancak bunlar plaka seviyesinde kaba birer kaynak veya üst üste yapıştırma işleminden ibaretti. Bu çalışmada ulaşılan monolitik başarı ise işin rengini tamamen değiştiriyor. Çip mimarisini atomik hassasiyette, kat kat yükselen bir gökdelene dönüştürmek, veri yollarının kısalması sayesinde bugünkü işlemcilerin harcadığı enerjinin küçük bir kısmıyla çok daha büyük bir kas gücü elde etmek anlamına geliyor. Üstelik endüstrinin aşina olmadığı egzotik malzemeler yerine yine standart silisyum (silikon) kristalinin kullanılması ve bunun 200 derece gibi komik bir sıcaklıkta başarılması, fabrikaların üretim hatlarını sıfırdan değiştirmek zorunda kalmayacağını gösteriyor. Yapay zeka modellerinin veri işleme açlığı göz önüne alındığında, bu dikey çip mimarisi önümüzdeki on yılın bilgi işlem altyapısını tek başına sırtlayabilir. Sektör ortaklarının büyüklüğü de bu buluşun laboratuvarda tozlu raflarda kalmayıp, çok yakında ceplerimizdeki telefonlara ve veri merkezlerine gireceğinin en somut kanıtıdır.