За пределом закона Мура

Кремниевые интегральные схемы, которые используются в компьютерных процессорах, приближаются к максимально допустимой плотности транзисторов на одном кристалле - по крайней мере, в двумерных массивах.

Теперь команда инженеров из Мичиганского университета уложила второй слой транзисторов прямо на современный кремниевый чип.
Они предполагают, что их дизайн может устранить необходимость во втором чипе, преобразующем сигналы высокого и низкого напряжения, который в настоящее время находится между чипами обработки низкого напряжения и пользовательскими интерфейсами высокого напряжения.

«Наш подход может обеспечить лучшую производительность в меньшем, более легком корпусе», - сказала Бекки Петерсон (Becky Peterson), доцент кафедры электротехники и информационных технологий и руководитель проекта.

Поскольку кремниевые транзисторы уменьшились в размере, чтобы стать более доступными и энергоэффективными, напряжения, при которых они работают, также упали.

Более высокие напряжения могут повредить все более мелкие транзисторы. Из-за этого современные чипы обработки не совместимы с компонентами пользовательского интерфейса высокого напряжения, такими как сенсорные панели и драйверы дисплея. Они должны работать при более высоких напряжениях, чтобы избежать таких эффектов, как ложные сигналы касания или слишком низкие настройки яркости.

«Чтобы решить эту проблему, мы интегрируем различные типы устройств с кремниевыми цепями в 3D, и эти устройства позволяют делать то, чего не могут кремниевые транзисторы», - сказала Петерсон.

Поскольку второй слой транзисторов может выдерживать более высокие напряжения, они, по сути, предоставляют каждому кремниевому транзистору свой собственный интерпретатор для общения с внешним миром. Это позволяет обойти текущий компромисс между использованием современных процессоров с дополнительным чипом для преобразования сигналов между процессором и интерфейсными устройствами или использованием процессора более низкого класса, который работает при более высоком напряжении.

«Это позволяет получить более компактный чип с большей функциональностью, чем та, что возможна только с кремнием», - сказал Янба Сон (Youngbae Son), первый автор.

Команда Петерсон справилась с этим, используя другой вид полупроводника, известный как аморфный оксид металла. Чтобы нанести этот полупроводниковый слой на кремниевый чип, не повредив его, они покрыли чип раствором, содержащим цинк и олово, и вращали его, чтобы создать равномерное покрытие.

Затем они запекли чип, чтобы высушить его. Они повторили этот процесс, чтобы сделать слой оксида цинка-олова толщиной около 75 нм - около одной тысячной толщины человеческого волоса. Во время окончательной выпечки металлы связываются с кислородом воздуха, создавая слой оксида цинка и олова.

Команда использовала пленку оксида цинка и олова для изготовления тонкопленочных транзисторов. Эти транзисторы могут выдерживать более высокие напряжения, чем кремний под ним. Затем команда проверила нижний кремниевый чип и удостоверилась, что он все еще работает.

Чтобы сделать полезные схемы с кремниевым чипом, транзисторы оксида цинк-олово должны быть полностью связаны с нижележащими кремниевыми транзисторами. Команда достигла этого, добавив еще два элемента схемы с использованием оксида цинка-олова: вертикальный тонкопленочный диод и транзистор Шоттки.

Два типа транзисторов оксида цинк-олово соединены вместе, чтобы создать инвертор, преобразующий низкое напряжение, используемое кремниевым чипом, в более высокое напряжение, требующееся другим компонентам. Диоды были использованы для преобразования беспроводных сигналов в полезную мощность постоянного тока для кремниевых транзисторов.

Эти демонстрации прокладывают путь к кремниевым интегральным схемам, которые выходят за рамки закона Мура, принося аналоговые и цифровые преимущества оксидной электроники для отдельных кремниевых транзисторов.

Стратегія охолодження ЦОД для епохи AI