La loi de Moore, principe fondamental de mise à l'échelle des appareils électroniques, prévoit que le nombre de transistors sur une puce doublera tous les deux ans, garantissant ainsi davantage de puissance de calcul – mais il existe une limite.
Les puces les furthermore avancées d'aujourd'hui abritent près de 50 milliards de transistors dans un espace pas plus grand que l'ongle de votre vignette. Selon les chercheurs de Penn State, la tâche consistant à entasser encore furthermore de transistors dans cette zone confinée est devenue de as well as en furthermore difficile.
Dans une étude publiée aujourd'hui (10 janvier) dans la revue Mother nature, Saptarshi Das, professeur agrégé de sciences de l'ingénierie et de mécanique et co-auteur correspondant de l'étude, et son équipe suggèrent un remède : mettre en œuvre de manière transparente l'intégration 3D avec des matériaux 2D.
Dans le monde des semi-conducteurs, l’intégration 3D signifie empiler verticalement plusieurs couches de dispositifs semi-conducteurs. Cette approche facilite non seulement le regroupement d'un moreover grand nombre de transistors à foundation de silicium sur une puce informatique, communément appelée « Far more Moore », mais permet également l'utilisation de transistors fabriqués à partir de matériaux 2D pour incorporer diverses fonctionnalités dans différentes couches de la pile, un strategy connu sous le nom de « As well as que Moore ».
Avec le travail décrit dans l'étude, Saptarshi et l'équipe démontrent des voies réalisables au-delà de la mise à l'échelle de la technologie actuelle pour atteindre à la fois Additional Moore et A lot more than Moore grâce à l'intégration 3D monolithique. L'intégration 3D monolithique est un processus de fabrication dans lequel les chercheurs fabriquent directement les dispositifs sur celui ci-dessous, par rapport au processus traditionnel d'empilement de couches fabriquées indépendamment.
« L'intégration 3D monolithique offre la in addition haute densité de connexions verticales car or truck elle ne repose pas sur la liaison de deux puces pré-structurées — ce qui nécessiterait des microbosses où deux puces sont liées ensemble — vous disposez donc de additionally d'espace pour établir des connexions », a déclaré Najam. Sakib, assistant de recherche diplômé en sciences de l'ingénieur et en mécanique et co-auteur de l'étude.
L'intégration 3D monolithique est cependant confrontée à des défis importants, selon Darsith Jayachandran, assistant de recherche diplômé en sciences de l'ingénierie et en mécanique et co-auteur correspondant de l'étude, motor vehicle les composants en silicium conventionnels fondraient sous les températures de traitement.
« L'un des défis est le plafond de température du processus de 450 degrés Celsius (C) pour l'intégration back-end des puces à base de silicium – notre approche d'intégration 3D monolithique fait chuter cette température de manière significative à moins de 200 C », a déclaré Jayachandran, expliquant que le processus Le plafond de température est la température maximale autorisée avant d’endommager les structures préfabriquées. « Des budgets de température de processus incompatibles rendent l'intégration 3D monolithique difficile avec des puces de silicium, mais les matériaux 2D peuvent résister aux températures nécessaires au processus. »
Les chercheurs ont utilisé des tactics existantes pour leur approche, mais ils sont les premiers à réussir une intégration 3D monolithique à cette échelle en utilisant des transistors 2D fabriqués avec des semi-conducteurs 2D appelés dichalcogénures de métaux de transition.
La possibilité d'empiler verticalement les appareils en intégration 3D a également permis une informatique moreover économe en énergie, car or truck elle a résolu un problème surprenant pour des éléments aussi minuscules que les transistors d'une puce informatique : la distance.
« En empilant des appareils verticalement les uns sur les autres, vous réduisez la distance entre les appareils, et par conséquent, vous réduisez le décalage ainsi que la consommation d'énergie », a déclaré Rahul Pendurthi, assistant de recherche diplômé en sciences de l'ingénierie et en mécanique et co. -auteur correspondant de l'étude.
En réduisant la length entre les appareils, les chercheurs ont obtenu « Plus de Moore ». En incorporant des transistors fabriqués avec des matériaux 2D, les chercheurs ont également satisfait au critère « Plus que Moore ». Les matériaux 2D sont connus pour leurs propriétés électroniques et optiques uniques, notamment leur sensibilité à la lumière, ce qui les rend idéaux comme capteurs. Ceci est utile, selon les chercheurs, motor vehicle le nombre d'appareils connectés et d'appareils de périphérie – des éléments comme les smartphones ou les stations météorologiques domestiques sans fil qui collectent des données en « périphérie » d'un réseau – go on d'augmenter.
« 'Extra Than Moore' fait référence à un principle du monde technologique selon lequel nous ne fabriquons pas seulement des puces informatiques moreover petites et as well as rapides, mais également avec plus de fonctionnalités », a déclaré Muhtasim Ul Karim Sadaf, assistant de recherche diplômé en sciences de l'ingénierie et en mécanique et co- auteur de l'étude. « Il s'agit d'ajouter de nouvelles fonctionnalités utiles à nos appareils électroniques, comme de meilleurs capteurs, une gestion améliorée de la batterie ou d'autres fonctions spéciales, pour rendre nos gadgets in addition intelligents et moreover polyvalents. »
L'utilisation d'appareils 2D pour l'intégration 3D présente plusieurs autres avantages, ont indiqué les chercheurs. L’une est la mobilité supérieure des porteurs, qui fait référence à la façon dont une cost électrique est transportée dans les matériaux semi-conducteurs. Un autre est le fait d'être extremely-fin, ce qui permet aux chercheurs d'installer moreover de transistors sur chaque niveau de l'intégration 3D et d'obtenir furthermore de puissance de calcul.
Alors que la plupart des recherches universitaires portent sur des prototypes à petite échelle, cette étude a démontré l’intégration 3D à grande échelle, caractérisant des dizaines de milliers d’appareils. Selon Das, cette réalisation comble le fossé entre le monde universitaire et l'industrie et pourrait conduire à de futurs partenariats dans lesquels l'industrie exploite l'know-how et les installations de Penn Point out en matière de matériaux 2D. Les progrès en matière de mise à l'échelle ont été rendus possibles par la disponibilité de dichalcogénures de métaux de changeover de haute qualité, à l'échelle d'une tranche, développés par des chercheurs du Two-Dimensional Crystal Consortium (2DCC-MIP) de Penn State, une plateforme d'innovation en matériaux de la National Science Foundation (NSF) des États-Unis et une organisation nationale. set up utilisateur.
« Cette avancée démontre une fois de in addition le rôle essentiel de la recherche sur les matériaux en tant que fondement de l'industrie des semi-conducteurs et de la compétitivité américaine », a déclaré Charles Ying, directeur du programme des plates-formes d'innovation des matériaux de la NSF. « Des années d'attempts du Two-Dimensional Crystal Consortium de Penn Condition pour améliorer la qualité et la taille des matériaux 2D ont permis de réaliser une intégration 3D de semi-conducteurs à une taille qui peut être transformatrice pour l'électronique. »
Selon Das, cette avancée technologique n’est que la première étape.
« Notre capacité à démontrer, à l'échelle d'une tranche, un grand nombre de dispositifs montre que nous avons pu traduire cette recherche à une échelle qui peut être appréciée par l'industrie des semi-conducteurs », a déclaré Das. « Nous avons installé 30 000 transistors dans chaque niveau, ce qui pourrait constituer un nombre history. Cela location Penn State dans une position tout à fait exclusive pour diriger une partie du travail et s'associer à l'industrie américaine des semi-conducteurs pour faire progresser cette recherche. »
Outre Das, Jayachandran, Pendurthi, Sadaf et Sakib, les autres auteurs incluent Andrew Pannone, doctorant en sciences de l'ingénieur et en mécanique Chen Chen, professeur adjoint de recherche au 2DCC-MIP Ying Han, chercheur postdoctoral en génie mécanique Nicholas Trainor, doctorant en science et génie des matériaux Shalini Kumari, chercheuse postdoctorale Thomas McKnight, doctorant en science et génie des matériaux Joan Redwing, directrice du 2DCC-MIP et professeur distingué de science et génie des matériaux et de génie électrique et Yang Yang, professeur adjoint de sciences de l'ingénieur et de mécanique.
La Nationwide Science Foundation des États-Unis et le Army Research Place of work ont soutenu cette recherche.
