Yeni '3D' İşlemciler Moore Yasası'nı Hayatta Tutabilir

Son yıllarda bilgisayar çiplerinin performansı, entegre devreler üzerindeki mevcut alanın fiziksel sınırlarına dayanmış durumda. Yarı iletken endüstrisi, transistörleri daha fazla küçültmekte zorlanırken, araştırmacılar bu darboğazı aşmak için radikal bir çözüm öneriyor: Yukarıya doğru inşa etmek. ABD'deki Illinois Urbana-Champaign Üniversitesi'nden bir araştırma ekibi, çiplerin dikey olarak istiflenmesine olanak tanıyan yeni bir "3D" çip teknolojisi geliştirdi.

Bu inovasyon, 1960'larda Intel'in kurucusu Gordon Moore tarafından ortaya atılan ve teknolojik gelişmeler sayesinde aynı maliyetle çipler üzerindeki transistör sayısının her iki yılda bir ikiye katlanacağını öngören "Moore Yasası"nı uzatabilir, hatta bu hipotezin ötesine geçebilir. Genel kural olarak, daha fazla transistör daha yüksek işlem gücü anlamına geliyor; ancak üreticiler artık fiziksel alan yetersizliği nedeniyle transistörleri küçültme yöntemlerinde sona gelmiş durumdalar.

Yeni araştırma, günümüz teknolojisinde kullanılan silikonun aynısını kullanarak ve benzer performans değerlerini koruyarak çiplerin dikey olarak üst üste dizilmesinin bir yolunu buldu. Araştırma ekibi, bu yaklaşımın hesaplama yoğunluğunu ve hızını artırırken, daha kısa bağlantılar ve geliştirilmiş verimlilik sayesinde enerji taleplerini azaltma potansiyeline sahip olduğunu belirtiyor.

Malzeme bilimci Qing Cao, mevcut durumu şöyle açıklıyor: "Bugün, tek bir bit bilgiyi depolamak için tek bir düzlem üzerinde transistör adı verilen altı mikroelektronik cihaza ihtiyaç duyuluyor. Dikey entegrasyon ile bu cihazları birden fazla katmana dağıtabilirsiniz. Bu, geniş bir banliyö yerleşimini gökdelenlerle değiştirmek gibidir; aynı işlevselliği elde edersiniz ancak kapladığınız alan azalırken katmanlar arasındaki iletişim daha hızlı ve verimli hale gelir."

Çip istifleme teknolojisi daha önce de denendi, ancak karşılaşılan en büyük engel ısı problemiydi. Çiplerin üretim süreçleri yaklaşık 1.000 santigrat derece gibi çok yüksek sıcaklıklar gerektiriyor. Bu durum, ikinci bir katman eklendiğinde alt taraftaki ilk katmanın kelimenin tam anlamıyla "pişmesine" ve kullanılamaz hale gelmesine neden oluyordu. Katmanların ayrı ayrı pişirilip sonra birleştirilmesi veya ısıya dayanıklı malzemeler kullanılması seçenekleri ise işlem gücünde ciddi düşüşlere yol açıyordu.

Bu yöntemlerle elde edilen çipler, "monolitik entegrasyon" olarak adlandırılan versiyonların sunduğu performans, katman yoğunluğu veya elektronik entegrasyon seviyelerine ulaşamıyordu. Qing Cao, monolitik entegrasyonun 3D çiplerin tüm potansiyelini açığa çıkaran anahtar olduğunu belirterek, standart tek kristalli silikon kullanarak monolitik 3D entegrasyonun termal bütçesini ilk kez karşıladıklarını ve eşi benzeri görülmemiş bir performans sunduklarını vurguluyor.

Araştırmacılar ısı engelini aşmak için birkaç farklı strateji geliştirdi. Öncelikle, "eklemsiz" (junctionless) transistörler kullandılar. Bu yöntemle devre katmanlarının kimyasal kompozisyonu değiştirilerek, yüksek sıcaklık gerektiren mühendislik işlemleri istifleme aşamasından önce tamamlanmış oldu. Ayrıca, geleneksel gofretler (wafer) yerine ultra ince ve esnek silikon nanomembranlar kullandılar. Bu membranların uygulanması, istiflemekten ziyade bir rulo yapmaya benziyor ve 200 santigrat derecenin altındaki sıcaklıklarda gerçekleştirilebiliyor.

Cao, bu membranların alt yüzeye uyum sağlayacak şekilde mekanik olarak esnek olduğunu belirtiyor. Bu uyumluluk, iki sert gofretin birbirine zorlanarak bağlanmaya çalışılması sırasında sıkça rastlanan boşluklar gibi arayüz kusurlarının önlenmesine yardımcı oluyor. Günümüz bilgisayar çiplerinde kullanılan tek kristalli silikonla aynı malzemeyi kullanan bu süreç, aynı zamanda yüksek verimlilikle (çok az hatalı ürünle) sonuçlanıyor ve ticari ölçeklere genişletilebileceği konusunda araştırmacılara güven veriyor.

Deneyler kapsamında ekip, çalışan mantık devreleri ve bellek hücrelerini içeren üç katmana kadar çıkmayı başardı. Bu sonuç, fikrin çalıştığını kanıtlamak için yeterli olup gelecekte katman sayısının daha da artırılabileceği öngörülüyor. Ancak teknolojinin laboratuvardan yarı iletken fabrikalarına taşınması için hala aşılması gereken zorluklar bulunuyor. Şu an için çiplerin çalışması için normalden daha yüksek voltajlar gerekiyor; bu durum, teknolojinin geliştirilmesi gereken temel noktalarından biri.

Kuantum hesaplama alanındaki ilerlemeler devam etse de, klasik hesaplama ve geleneksel çipler teknolojik ilerlemenin itici gücü olmaya ve Moore'un öngörülerini gerçekleştirmeye devam edecek. Cao, üç katmanın ötesine geçilerek daha fazla katman istiflenebileceğini ve bu sürecin düşük değişkenliğe sahip, yüksek performanslı transistörler üreteceğini belirterek, bu teknolojiyi endüstriyel bir yarı iletken dökümhanesine aktarmak için güçlü bir temele sahip olduklarını ifade ediyor. Çalışmanın detayları Nature dergisinde yayımlandı.