Efektivní vícevrstvé čipy s logikou a pamětí a nové milníky

Současné čipy které se nachází v počítačích, noteboocích nebo i mobilních zařízení, mají logickou část a paměťovou část v rámci jedné křemíkové vrstvy a vše tak na jedné ploše obstarávají různě uspořádané tranzistory a spojení mezi nimi.

Vědci ze Stanfordské univerzity vymysleli způsob, jak relativně snadno vytvořit vícevrstvé 3D čipy, které mohou velmi rychle posunout výkon a efektivitu výpočetních čipů.

Čtyřvrstvý prototyp

Vědcům se v laboratorních podmínkách, které nejsou tak pokročilé, jako mají k dispozici třeba výrobci křemíkových čipů, podařilo vytvořit revoluční vícevrstvý čip.

Zatímco běžné čipy mají logickou a paměťovou část na jedné ploše a spojení pro přenos dat je tak omezené a relativně pomalé, v tomto případě je vše rozvrženo do několika specializovaných vrstev nad sebou.

Porovnání konstrukce současných plochých a budoucích vícevrstvých čipů

V nejvyšší a nejnižší vrstvě se nachází tranzistory pro logické výpočty, ve dvou vrstvách mezi nimi jsou pak tranzistory tvořící paměť. Všechny vrstvy jsou spojené pomocí velkého počtu uhlíkových nanotrubic, skrze které probíhá komunikace a přenos všech dat. Díky extrémně malému průměru těchto uhlíkových „nanotrubiček“ a jejich snadnému uzavření lze výrazně omezit únik elektřiny a snížit tak zahřívání a spotřebu celého čipu.

Se spotřebou i zahříváním je problém především u stále populárnějších mobilních zařízení, které mají omezené možnosti chlazení a také omezenou baterii. S příchodem ještě menších zařízeních jako jsou chytré hodinky a podobně, je tento problém ještě znatelnější, protože danou elektroniku máme neustále přímo na těle.

Tři milníky pro stavbu efektivních vícevrstvých čipů

Vytvořený prototyp přináší celkem tři hlavní milníky, které posouvají možnosti ve výrobě vícevrstvých čipů. Vědcům se podařilo vytvořit techniku pro výrobu zatím nejvýkonnějších tranzistorů z uhlíkových nanotrubic (CNT) ve velkém množství. Pomocí křemenného waferu a kovové vrstvy, která posoužila něco jako lepící páska, se podařilo odtrhnout vrstvu s vytvořenými tranzistory z uhlíkových nanotrubic. Tuto vrstvu pak vědci umístili na klasický křemíkový wafer.

Výsledná konstrukce čtyřvrstvého čipu - nahoře a dole je logická část, uprostřed dvě vrstvy paměti a vše je spojené spoustou uhlíkových nanotrubic

Tento proces opakovali třináctkrát, až se jim podařilo vytvořit nejvýkonnější a nejhustší formu tranzistorů z uhlíkových nanotrubic na světě.

Další novinka se týká paměti, které čip používá. Nejedná se totiž o klasické tranzistory z křemíku, ale o kombinaci titan nitridu (TIN), oxidu hafničitého a platiny., která vytvořila třívrstvou architekturu sloužící pro vodivé a nevodivé stavy (0 a 1). Paměť je tak typu RRAM (Resistive Random Access Memory). Tato paměť dokáže udržet informace i bez napájení, a funguje podobně jako třeba flash paměť. Dle tvrzení má nižší spotřebu než současné paměti, což se hodí především pro mobilní použití.

Třetím milníkem v tomto výzkumu je vytvoření tisíce spojení pomocí uhlíkových nanotrubic mezi jednotlivými vrstvami logiky a pamětí. Tak velké množství rychlých spojení odstraňuje problém s propustností spojení a přenosu dat, takže jednotlivé vrstvy mezi sebou komunikují mnohem rychleji, než by bylo možné na ploché konstrukci.

Více vrstev jako novodobá jádra

Koncept vícevrstvých čipů není žádnou novinkou, vědcům se ale podařilo vymyslet konkrétní techniky, pro tvorbu složitějších vícevrstvých čipů, které mohou nabídnout mnohem vyšší výkon, nižší spotřebu a nižší zahřívání.

Terminátoři se blíží, IBM chce u 3D čipů použít cirkulaci tekutého kovu

Díky tomu jsou tyto čipy zase o něco blíže hromadné výrobě, i když se stále jedná o laboratorní vývoj. Podle vedoucích vývoje je ale nová technika výroby škálovatelná a tedy použitelná pro hromadnou výrobu. Zatím není jasné, kdy by se první čipy vyrobené touto technikou mohly dostat na trh, ale jedno je jisté. Stejně jako byla doba co nejvyšší frekvence a co nejvyššího počtu jader, se asi dočkáme i doby, kdy budeme říkat „kolikavrstvý čip máš v tom náramku na ruce?“.