Uma técnica de empilhamento eletrônico poderia aumentar exponencialmente o número de transistores em chips, permitindo um hardware de IA mais eficiente.
A indústria eletrônica está se aproximando de um limite para o número de transistores que podem ser embalados na superfície de um chip de computador. Então, os fabricantes de chips estão buscando construir em vez de expandir.
Em vez de espremer transistores cada vez menores em uma única superfície, a indústria está buscando empilhar múltiplas superfícies de transistores e elementos semicondutores — semelhante a transformar uma casa de fazenda em um arranha-céu. Esses chips multicamadas poderiam lidar exponencialmente com mais dados e realizar funções muito mais complexas do que os eletrônicos de hoje.
Um obstáculo significativo, no entanto, é a plataforma na qual os chips são construídos. Hoje, volumosos wafers de silício servem como o principal andaime no qual elementos semicondutores monocristalinos de alta qualidade são cultivados. Qualquer chip empilhável teria que incluir um "piso" espesso de silício como parte de cada camada, retardando qualquer comunicação entre camadas semicondutoras funcionais.
Agora, os engenheiros do MIT encontraram uma maneira de contornar esse obstáculo, com um design de chip multicamadas que não requer nenhum substrato de wafer de silício e funciona em temperaturas baixas o suficiente para preservar os circuitos da camada subjacente.
Em um estudo publicado hoje na revista Nature , a equipe relata o uso do novo método para fabricar um chip multicamadas com camadas alternadas de material semicondutor de alta qualidade cultivadas diretamente uma sobre a outra.
O método permite que engenheiros construam transistores de alto desempenho e elementos de memória e lógica em qualquer superfície cristalina aleatória — não apenas no volumoso andaime de cristal de wafers de silício. Sem esses substratos espessos de silício, múltiplas camadas semicondutoras podem estar em contato mais direto, levando a uma comunicação e computação melhores e mais rápidas entre as camadas, dizem os pesquisadores.
Os pesquisadores imaginam que o método poderia ser usado para construir hardware de IA, na forma de chips empilhados para laptops ou dispositivos vestíveis, que seriam tão rápidos e poderosos quanto os supercomputadores atuais e poderiam armazenar enormes quantidades de dados em pé de igualdade com os data centers físicos.
“Este avanço abre um enorme potencial para a indústria de semicondutores, permitindo que chips sejam empilhados sem limitações tradicionais”, diz o autor do estudo Jeehwan Kim, professor associado de engenharia mecânica no MIT. “Isso pode levar a melhorias de ordens de magnitude no poder de computação para aplicações em IA, lógica e memória.”
Os coautores do estudo no MIT incluem o primeiro autor Ki Seok Kim, Seunghwan Seo, Doyoon Lee, Jung-El Ryu, Jekyung Kim, Jun Min Suh, June-chul Shin, Min-Kyu Song, Jin Feng e Sangho Lee, juntamente com colaboradores do Samsung Advanced Institute of Technology, da Universidade Sungkyunkwan na Coreia do Sul e da Universidade do Texas em Dallas.
Bolsas de sementes
Em 2023, o grupo de Kim relatou que desenvolveu um método para cultivar materiais semicondutores de alta qualidade em superfícies amorfas, semelhante à topografia diversa de circuitos semicondutores em chips acabados. O material que eles cultivaram era um tipo de material 2D conhecido como dichalcogenetos de metais de transição, ou TMDs, considerado um sucessor promissor do silício para a fabricação de transistores menores e de alto desempenho. Esses materiais 2D podem manter suas propriedades semicondutoras mesmo em escalas tão pequenas quanto um único átomo, enquanto o desempenho do silício se degrada drasticamente.
Em seu trabalho anterior, a equipe desenvolveu TMDs em wafers de silício com revestimentos amorfos, bem como sobre TMDs existentes. Para encorajar os átomos a se organizarem em uma forma monocristalina de alta qualidade, em vez de uma desordem policristalina aleatória, Kim e seus colegas primeiro cobriram um wafer de silício em uma película muito fina, ou "máscara" de dióxido de silício, que eles modelaram com pequenas aberturas, ou bolsos. Eles então fizeram fluir um gás de átomos sobre a máscara e descobriram que os átomos se acomodavam nos bolsos como "sementes". Os bolsos confinavam as sementes para crescer em padrões regulares e monocristalinos.
Mas, naquela época, o método só funcionava em torno de 900 graus Celsius.
“Você tem que fazer esse material monocristalino crescer abaixo de 400 graus Celsius, caso contrário, o circuito subjacente é completamente cozido e arruinado”, diz Kim. “Então, nossa lição de casa foi que tínhamos que fazer uma técnica semelhante em temperaturas abaixo de 400 graus Celsius. Se pudéssemos fazer isso, o impacto seria substancial.”
Construindo
Em seu novo trabalho, Kim e seus colegas procuraram refinar seu método para cultivar materiais 2D monocristalinos em temperaturas baixas o suficiente para preservar qualquer circuito subjacente. Eles encontraram uma solução surpreendentemente simples em metalurgia — a ciência e o ofício da produção de metal. Quando os metalúrgicos despejam metal fundido em um molde, o líquido lentamente "nucleia", ou forma grãos que crescem e se fundem em um cristal com padrão regular que endurece em forma sólida. Os metalúrgicos descobriram que essa nucleação ocorre mais prontamente nas bordas de um molde no qual o metal líquido é despejado.
“É sabido que a nucleação nas bordas requer menos energia — e calor”, diz Kim. “Então, pegamos emprestado esse conceito da metalurgia para utilizar em hardware de IA futuro.”
A equipe procurou cultivar TMDs monocristalinos em um wafer de silício que já havia sido fabricado com circuitos de transistor. Primeiro, eles cobriram o circuito com uma máscara de dióxido de silício, assim como em seu trabalho anterior. Eles então depositaram “sementes” de TMD nas bordas de cada um dos bolsos da máscara e descobriram que essas sementes de borda cresceram em material monocristalino em temperaturas tão baixas quanto 380 graus Celsius, em comparação com sementes que começaram a crescer no centro, longe das bordas de cada bolso, o que exigiu temperaturas mais altas para formar material monocristalino.
Indo um passo além, os pesquisadores usaram o novo método para fabricar um chip multicamadas com camadas alternadas de dois TMDs diferentes — dissulfeto de molibdênio, um candidato promissor a material para fabricar transistores do tipo n; e diseleneto de tungstênio, um material que tem potencial para ser transformado em transistores do tipo p. Os transistores do tipo p e n são os blocos de construção eletrônicos para realizar qualquer operação lógica. A equipe conseguiu cultivar ambos os materiais em forma monocristalina, diretamente um sobre o outro, sem exigir nenhuma pastilha de silício intermediária. Kim diz que o método efetivamente dobrará a densidade dos elementos semicondutores de um chip e, particularmente, o semicondutor de óxido metálico (CMOS), que é um bloco de construção básico de um circuito lógico moderno.
“Um produto realizado por nossa técnica não é apenas um chip lógico 3D, mas também memória 3D e suas combinações”, diz Kim. “Com nosso método 3D monolítico baseado em crescimento, você poderia desenvolver dezenas a centenas de camadas lógicas e de memória, umas sobre as outras, e elas seriam capazes de se comunicar muito bem.”
“Chips 3D convencionais foram fabricados com wafers de silício no meio, perfurando furos através do wafer — um processo que limita o número de camadas empilhadas, resolução de alinhamento vertical e rendimentos”, acrescenta o primeiro autor Kiseok Kim. “Nosso método baseado em crescimento aborda todos esses problemas de uma vez.”
Para comercializar ainda mais seu design de chip empilhável, Kim recentemente criou uma empresa, a FS2 (Future Semiconductor 2D materials).
“Até agora mostramos um conceito em matrizes de dispositivos de pequena escala”, ele diz. “O próximo passo é escalar para mostrar a operação profissional do chip de IA.”
Esta pesquisa é apoiada, em parte, pelo Samsung Advanced Institute of Technology e pelo US Air Force Office of Scientific Research.
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