Сегодня инженеры Стэнфорда добавляют четвертое слово — выше.На конференции в Сан-Франциско команда из Стэнфорда расскажет, как создавать высотные микросхемы, которые могут значительно повысить производительность одноэтажных логических микросхем и микросхем памяти на сегодняшних схемных картах.
Эти печатные платы похожи на загруженные города, в которых логические микросхемы вычисляют, а микросхемы памяти хранят данные. Но когда компьютер занят, провода, соединяющие логику и память, могут заклинивать.
Стэнфордский подход позволил бы положить конец этим застреваниям, построив слои логики поверх слоев памяти, чтобы создать тесно взаимосвязанный высотный чип. Многие тысячи наноразмерных электронных «лифтов» перемещали бы данные между слоями намного быстрее, используя меньше электроэнергии, чем современные «узкие горлышки» проводов, соединяющих одноэтажную логику и микросхемы памяти.
Работой руководят Стэнфордский профессор электротехники и информатики Субхасиш Митра и Х.-С. Филип Вонг, профессор Уильярда Р. и Инез Керр Белл в Стэнфордской инженерной школе. Они описывают свою новую архитектуру высотных микросхем в документе, представленном на IEEE International Electron Devices Meeting 15-17 декабря.
Инновации исследователей основаны на трех достижениях.Первая — это новая технология создания транзисторов, тех крошечных затворов, которые включают и выключают электричество для создания цифровых нулей и единиц.
Второй — это новый тип компьютерной памяти, пригодный для многоэтажного изготовления. Третий — это метод встраивания этих новых технологий логики и памяти в высотные конструкции радикально отличным от предыдущих попыток укладывать микросхемы в стек.«Это исследование находится на начальной стадии, но наши методы проектирования и изготовления можно масштабировать», — сказал Митра. «При дальнейшем развитии эта архитектура может привести к производительности вычислений, которая намного, намного превосходит все, что доступно сегодня».
Вонг сказал, что прототип микросхемы, представленный на IEDM, показывает, как объединить логику и память в трехмерные структуры, которые можно производить массово.«Смена парадигмы — это чрезмерно используемая концепция, но здесь она уместна», — сказал Вонг. «С этой новой архитектурой производители электроники могут вложить в ваши руки мощь суперкомпьютера».
Кремниевое теплоИнженеры производят кремниевые чипы на протяжении десятилетий, но тепло, исходящее от телефонов и ноутбуков, свидетельствует о наличии проблемы.
Даже когда они выключены, через кремниевые транзисторы происходит утечка электричества. Пользователи воспринимают это как тепло. Но на системном уровне утечка разряжает батареи и расходует электроэнергию.Исследователи пытались решить эту серьезную проблему, создав углеродные нанотрубки — или УНТ — транзисторы.
Они настолько тонкие, что в человеческий волос помещается почти 2 миллиарда УНТ. УНТ должны пропускать меньше электричества, чем кремний, потому что их крошечные диаметры легче зажать.Митра и Вонг представляют на конференции вторую статью, показывающую, как их команда создала одни из самых эффективных из когда-либо созданных транзисторов на УНТ.
Они сделали это, решив серьезную проблему: поместив достаточно УНТ на достаточно малую площадь, чтобы сделать полезный чип.До сих пор стандартный процесс, используемый для выращивания УНТ, не создавал достаточной плотности этих трубок. Инженеры Стэнфорда решили эту проблему, разработав гениальную методику.Они начали с выращивания УНТ стандартным способом на круглых кварцевых пластинах.
Затем они добавили свой трюк. Они создали что-то вроде металлической пленки, которая действует как лента. Используя этот процесс адгезии, они подняли весь урожай УНТ с кварцевой питательной среды и поместили его на кремниевую пластину.
Эта силиконовая пластина стала основой их высотного чипа.Но сначала им нужно было изготовить слой УНТ с плотностью, достаточной для создания высокопроизводительного логического устройства. Таким образом, они прошли через этот процесс 13 раз, выращивая урожай УНТ на кварцевой пластине, а затем используя свою технику переноса, чтобы поднять и нанести эти УНТ на кремниевую пластину.Используя это элегантное технологическое решение, они достигли одной из самых высоких плотностей и производительности УНТ, когда-либо сделанных — особенно с учетом того, что они делали это в академической лаборатории с менее сложным оборудованием, чем на промышленном заводе по производству.
Более того, команда Стэнфорда показала, что они могут применять эту технику на более чем одном уровне логики, создавая свой высотный чип.Что с памятью?Создание высокопроизводительных слоев транзисторов CNT было только частью их новаторства. Не менее важной была их способность создавать новый тип памяти непосредственно поверх каждого слоя УНТ.
Вонг — мировой лидер в этой новой технологии памяти, которую он представил на прошлогодней конференции IEDM.В отличие от сегодняшних микросхем памяти, эта новая технология хранения не основана на кремнии.Вместо этого команда из Стэнфорда изготовила память, используя нитрид титана, оксид гафния и платину.
Это сформировало сэндвич металл / оксид / металл. Подача электричества на этот трехметаллический сэндвич в одну сторону заставляет его сопротивляться потоку электричества. Обратное воздействие электрического удара заставляет конструкцию снова проводить электричество.Переход от резистивного к проводящему состоянию — это то, как эта новая технология памяти создает цифровые нули и единицы.
Изменение в проводящих состояниях также объясняет его название: резистивная память с произвольным доступом или RRAM.Вонг разработал RRAM так, чтобы он потреблял меньше энергии, чем текущая память, что привело к увеличению времени автономной работы мобильных устройств.
Изобретение этой новой технологии памяти также стало ключом к созданию высотного чипа, поскольку RRAM может изготавливаться при гораздо более низких температурах, чем кремниевая память.Связанные слои
Макс Шулакер и Тони Ву, аспиранты Стэнфордского университета в области электротехники, разработали методы, лежащие в основе четырехэтажного высотного чипа, представленного на конференции.Все зависело от низкотемпературного процесса изготовления RRAM и CNT, что позволило им изготавливать каждый слой памяти непосредственно поверх каждого слоя логики CNT.
Создавая каждый уровень памяти, они смогли просверлить тысячи взаимосвязей в логический уровень ниже.Это множество соединений позволяет высотному микросхеме избегать пробок на обычных платах.Невозможно плотно соединить слои с использованием современной логики и памяти на основе кремния.
Это потому, что для создания слоя кремниевой памяти требуется так много тепла — около 1000 градусов по Цельсию, — что любая попытка сделать это расплавит приведенную ниже логику.Предыдущие попытки сложить кремниевые чипы могли сэкономить место, но не избежать цифровых пробок.
Это потому, что каждый слой должен быть построен отдельно и соединен проводами, которые все равно будут подвержены пробкам, в отличие от наноразмерных лифтов в конструкции Стэнфорда.