Дослідники Массачусетського технологічного інституту (MIT) представили новий підхід до створення мікроелектроніки, який може суттєво зменшити енергоспоживання сучасних чипів і водночас підвищити їхню швидкодію. Йдеться про технологію «вертикального складання», коли кілька функціональних елементів розміщуються один над одним безпосередньо на вже готовій мікросхемі.
Чому сучасні чипи марнують енергію
У традиційній електроніці обчислювальні елементи (транзистори) та пам’ять фізично розділені. Через це дані постійно переміщуються між ними, що призводить до втрат енергії та зниження загальної ефективності. Чим складніші завдання — наприклад, генеративний штучний інтелект, глибинне навчання чи комп’ютерний зір, — тим гострішою стає ця проблема.
Нова платформа MIT дозволяє поєднати транзистори та пам’ять у єдину компактну структуру, розміщену шарами. Такий підхід значно скорочує відстань, яку проходять дані, а отже — зменшує енергетичні втрати та прискорює обчислення.
Ставка на новий матеріал
Ключовим елементом технології став новий матеріал — аморфний оксид індію. Він має унікальну властивість: надтонкий шар цього матеріалу можна «вирощувати» при температурі близько 150°C. Це критично важливо, адже високі температури зазвичай руйнують уже готові транзистори на чипі.
Завдяки цьому вчені змогли розміщувати активні елементи не на «передньому», а на «задньому» боці мікросхеми — там, де раніше були лише металеві з’єднання. Фактично дослідники перетворили пасивну частину чипа на ще один повноцінний рівень електроніки.
Надмініатюрні транзистори з пам’яттю
Команда MIT також ретельно відпрацювала процес виробництва, щоб мінімізувати дефекти в шарі оксиду індію товщиною лише близько 2 нанометрів. Контроль над кількістю так званих «кисневих вакансій» дозволив створити надзвичайно малі й стабільні транзистори, які швидко перемикаються та споживають менше енергії.
Наступним кроком стало поєднання транзистора з пам’яттю в одному елементі. Для цього дослідники додали шар ферроелектричного оксиду гафнію-цирконію. У результаті з’явилися транзистори з вбудованою пам’яттю розміром близько 20 нанометрів, які перемикаються за 10 наносекунд і працюють при нижчій напрузі, ніж аналоги.
Крок до енергоефективного ШІ
За словами провідного автора дослідження Яндзіє Шао, без таких технологій подальше зростання обчислювальних потужностей, особливо для ШІ, стає просто нежиттєздатним з точки зору енергоспоживання. Нова платформа відкриває шлях до компактніших, швидших і значно економніших чипів.
Окрім практичних застосувань, розробка дає змогу глибше вивчати фізику нових матеріалів на надмалих масштабах, що може привести до появи зовсім нових типів електронних пристроїв.
Що далі
У майбутньому команда планує інтегрувати кілька таких елементів пам’яті й транзисторів у межах одного чипа, а також ще більше покращити їхні характеристики. Дослідники переконані: вони лише наблизилися до меж можливостей цієї технології.
Роботу підтримали Semiconductor Research Corporation та Intel, а виробництво тестових зразків відбувалося на потужностях MIT. Новий підхід може стати важливим кроком до більш сталого й енергоефективного цифрового майбутнього.