Благодаря размещению нескольких активных компонентов на основе новых материалов на задней стороне компьютерного чипа, этот новый подход позволяет сократить количество энергии, теряемой во время вычислений. 
Новая технология изготовления, позволяющая размещать несколько активных компонентов на задней стороне компьютерного чипа, может значительно повысить энергоэффективность микроэлектроники. Фото: Кристин Данилофф, MIT; iStock
Исследователи из Массачусетского технологического института разработали новый метод изготовления, который может позволить производить более энергоэффективную электронику путем размещения нескольких функциональных компонентов поверх одной существующей схемы.
В традиционных схемах логические устройства, выполняющие вычисления, такие как транзисторы, и запоминающие устройства, хранящие данные, создаются как отдельные компоненты, что приводит к необходимости передачи данных между ними, а это, в свою очередь, расходует энергию.
Эта новая платформа для интеграции электроники позволяет ученым создавать транзисторы и запоминающие устройства в одном компактном блоке на полупроводниковом чипе. Это позволяет значительно сократить потери энергии и повысить скорость вычислений.
Ключом к этому прогрессу является недавно разработанный материал с уникальными свойствами и более точный метод изготовления, который уменьшает количество дефектов в материале. Это позволяет исследователям создавать чрезвычайно миниатюрные транзисторы со встроенной памятью, которые могут работать быстрее, чем современные устройства, и при этом потреблять меньше электроэнергии, чем аналогичные транзисторы.
Благодаря повышению энергоэффективности электронных устройств этот новый подход может помочь снизить растущее потребление электроэнергии вычислительными процессами, особенно в таких ресурсоемких приложениях, как генеративный искусственный интеллект, глубокое обучение и задачи компьютерного зрения.
«В будущем нам необходимо свести к минимуму потребление энергии для ИИ и других вычислительных процессов, основанных на данных, поскольку это просто нежизнеспособно. Для продолжения этого прогресса нам понадобятся новые технологии, такие как эта интеграционная платформа», — говорит Яньцзе Шао, научный сотрудник Массачусетского технологического института и ведущий автор двух статей об этих новых транзисторах.
Новая методика описана в двух статьях (одна из которых была представлена по приглашению), которые были представлены на Международной конференции IEEE по электронным устройствам. Вместе с Шао в подготовке статей приняли участие ведущие авторы Хесус дель Аламо, профессор инженерных наук имени Доннера на кафедре электротехники и информатики Массачусетского технологического института (MIT); Димитри Антониадис, профессор электротехники и информатики имени Рэя и Марии Стата в MIT; а также другие сотрудники MIT, Университета Ватерлоо и компании Samsung Electronics.
Перевернув проблему
Традиционно стандартные микросхемы CMOS (комплементарный металл-оксидный полупроводник) имеют лицевую часть, где изготавливаются активные компоненты, такие как транзисторы и конденсаторы, и тыльную часть, которая включает в себя провода, называемые межсоединениями, и другие металлические соединения, которые соединяют компоненты микросхемы.
Однако при передаче данных между этими связями происходит некоторая потеря энергии, а небольшие смещения могут снизить производительность. Многослойная компоновка активных компонентов уменьшит расстояние, которое должны пройти данные, и повысит энергоэффективность микросхемы.
Как правило, размещение кремниевых транзисторов на КМОП-чипе затруднительно, поскольку высокая температура, необходимая для изготовления дополнительных устройств на входном каскаде, разрушит существующие транзисторы под ним.
Исследователи из Массачусетского технологического института перевернули эту проблему с ног на голову, разработав технологию интеграции, позволяющую размещать активные компоненты на задней стороне чипа.
«Если мы сможем использовать эту платформу для размещения дополнительных активных слоев транзисторов, а не только межсоединений, это значительно повысит плотность интеграции чипа и улучшит его энергоэффективность», — объясняет Шао.
Исследователи добились этого, используя новый материал — аморфный оксид индия — в качестве активного канального слоя своего транзистора. Именно в активном канальном слое выполняются основные функции транзистора.
Благодаря уникальным свойствам оксида индия, они могут «выращивать» чрезвычайно тонкий слой этого материала при температуре всего около 150 градусов Цельсия на обратной стороне существующей схемы, не повреждая устройство на лицевой стороне.
Совершенствование процесса
Они тщательно оптимизировали процесс изготовления, что минимизирует количество дефектов в слое оксида индия толщиной всего около 2 нанометров.
Для включения транзистора необходимо наличие нескольких дефектов, известных как кислородные вакансии, но при слишком большом количестве дефектов он не будет работать должным образом. Этот оптимизированный технологический процесс позволяет исследователям создавать чрезвычайно миниатюрный транзистор, который работает быстро и без сбоев, устраняя большую часть дополнительной энергии, необходимой для переключения транзистора между выключенным и включенным состояниями.
Развивая этот подход, они также изготовили транзисторы с интегрированной памятью, размер которых составляет всего около 20 нанометров. Для этого они добавили слой материала, называемого сегнетоэлектрическим оксидом гафния-циркония, в качестве компонента памяти.
Эти компактные транзисторы памяти продемонстрировали скорость переключения всего в 10 наносекунд, достигнув предела возможностей измерительных приборов команды. Такое переключение также требует гораздо меньшего напряжения, чем аналогичные устройства, что снижает энергопотребление.
А поскольку транзисторы памяти настолько малы, исследователи могут использовать их в качестве платформы для изучения фундаментальной физики отдельных элементов сегнетоэлектрического оксида гафния-циркония.
«Если мы лучше поймем физику этого материала, мы сможем использовать его во многих новых областях применения. Он потребляет очень мало энергии, и это дает нам большую гибкость в проектировании устройств. Это действительно может открыть множество новых возможностей в будущем», — говорит Шао.
Исследователи также сотрудничали с командой из Университета Ватерлоо для разработки модели работы транзисторов на задней панели, что является важным шагом перед интеграцией этих устройств в более крупные схемы и электронные системы.
В будущем они планируют развить эти демонстрации, интегрировав транзисторы памяти на задней панели в единую схему. Они также хотят повысить производительность транзисторов и изучить способы более точного управления свойствами сегнетоэлектрического оксида гафния-циркония.
«Теперь мы можем создавать платформу универсальной электроники на основе микросхем, что позволяет нам достигать высокой энергоэффективности и множества различных функций в очень маленьких устройствах. У нас есть хорошая архитектура устройства и материалы для работы, но нам необходимо продолжать внедрять инновации, чтобы раскрыть предельные возможности производительности», — говорит Шао.
Данная работа частично поддержана компанией Semiconductor Research Corporation (SRC) и компанией Intel. Изготовление проводилось в лабораториях микросистемных технологий MIT и нанотехнологических центрах MIT.nano.
Источник: news.mit.edu
