الطلب الكبير على الأجهزة في الذكاء الاصطناعي تعمل تطبيقات (الذكاء الاصطناعي) على توسيع الحدود الفيزيائية والهيكلية لأشباه الموصلات. لكن الباحثين صمموا شريحة سيليكون ثلاثية الأبعاد واقترحوها كحل.
في دراسة جديدة نشرت في 27 مايو في المجلة طبيعةاكتشف العلماء طريقة لحشد المزيد من الطاقة الحاسوبية في الشريحة عن طريق تكديس دوائر السيليكون في طبقات متعددة بطريقة لا تؤثر على الأداء.
يعد تكديس الرقائق عموديًا، المعروف باسم التكامل ثلاثي الأبعاد، أكثر كفاءة من الرقائق التقليدية ثنائية الأبعاد، حيث تنتشر دوائر السيليكون على سطح واحد. وذلك لأن التراص يقصر المسافة التي يجب أن تنتقلها البيانات ويقلل الطاقة المطلوبة لنقل البيانات.
تستخدم شريحة الباحثين ثلاثية الأبعاد غشاء سيليكون فائق النحافة وتقنيات تصنيع منخفضة الحرارة للتغلب على تحديات بنيات الرقاقة الحالية.
“إن طريقتنا ليست سهلة التنفيذ بتكاليف أقل فحسب، بل إنها تتمتع بالعديد من المزايا مقارنة بالطرق السابقة لتكديس رقائق السيليكون.” تشينغ كاووقال المؤلف الأول للدراسة وأستاذ علوم وهندسة المواد في جامعة إلينوي أوربانا شامبين، في مقال إفادة.
تمديد قانون مور
منذ ستينيات القرن العشرين، كان ضمان قدرة الإلكترونيات على التعامل مع التطبيقات الأكثر تطلبًا يعني جعل الترانزستورات أصغر حجمًا بحيث يمكن تعبئة المزيد منها على الشريحة. ولكن، كما يشير كاو، فإن عدد الترانزستورات يتضاعف كل عامين – وهو المبدأ المعروف باسم قانون مور – أصبح أقل جدوى.
وقال كاو في البيان: “إذا نظرت إلى الحجم الفعلي للترانزستورات، فإنها لا تصبح أصغر، خاصة من حيث درجة بوابة الاتصال الخاصة بها”، والتي تم تعريفها على أنها العرض المشترك لبوابة الترانزستور الواحدة والمساحة اللازمة لفصلها عن الأخرى.
احصل على الاكتشافات الأكثر روعة في العالم والتي يتم تسليمها مباشرة إلى صندوق الوارد الخاص بك.
“هذا لأننا أصبحنا مقيدين بالخصائص المادية الجوهرية للسيليكون والقواعد الأساسية للسيليكون ميكانيكا الكم. إذا واصلنا زيادة قوة المعالجة لمعالجاتنا الدقيقة بشكل مطرد، فنحن بحاجة إلى البدء في التفكير أكثر من مجرد ضغط المزيد من الأجهزة في حاوية واحدة. “
يعتقد الباحثون أن التكامل الرأسي لطبقات متعددة هو أفضل طريقة لضمان استمرار المهندسين في الالتزام بقانون مور، لأن هذه الطريقة تخلق مساحة لمزيد من الترانزستورات على شريحة واحدة.
وأوضح كاو: “يتطلب الأمر الآن ستة أجهزة إلكترونية دقيقة تسمى الترانزستورات في طائرة واحدة لتخزين القليل من المعلومات”، مشيرًا إلى أنه مثل مدينة مكتظة بالسكان، فإن الطريقة الوحيدة لحل الاكتظاظ هي البناء في الأعلى. “تحصل على نفس الوظيفة، ولكن يتم تقليل البصمة المكانية مع جعل الاتصال بين الطبقات أسرع وأكثر كفاءة.”
رأى العالم جوردون مور أن هناك رسمًا بيانيًا يمثل قانون مور.
تجنب مشاكل الحرارة
التراص ليس بالأمر الجديد بالطبع، لكن التكامل الرأسي – بناء الطبقات مباشرة فوق بعضها البعض – يمكن أن يؤدي إلى إنشاء حزم كثيفة حرارياً. وفي الدراسة، لاحظ الباحثون أن إنتاج رقائق السيليكون عالية الجودة يتطلب درجات حرارة تصل إلى 1832 درجة فهرنهايت (1000 درجة مئوية).
ومع ذلك، بمجرد الانتهاء من الطبقة الأولى من الشريحة، يمكن تدمير الكابلات المعدنية التي تم إدخالها لتوصيل الطبقات الإضافية بدرجات الحرارة المرتفعة هذه. ونتيجة لذلك، فإن “الميزانية الحرارية” – الحد الأقصى للحرارة التي يمكن تحملها قبل بدء التحلل – لأي طبقات إضافية هي 752 فهرنهايت (400 درجة مئوية)، حسبما قال كاو. يمكن أن يؤدي هذا إلى مشكلات في الأداء والموثوقية.
عند تصنيع رقائق السيليكون المكدسة ثلاثية الأبعاد، يحاول المصنعون تجنب هذه المشكلة عن طريق استخدام بدائل للسيليكون أحادي البلورة للطبقات العليا، وفقًا للباحثين. وقال العلماء في الدراسة إن هذه المواد تشمل أكاسيد المعادن غير المتبلورة والبلورية النانوية، وأنابيب الكربون النانوية والسيليكون متعدد البلورات، لكن هذا يمكن أن يؤدي إلى مشكلات في الأداء والموثوقية.
للتغلب على هذا التحدي، اعتمد تساو وفريقه طريقة تسمى “التكامل المتآلف” – وهي عملية يتم فيها تصنيع جميع مكونات الشريحة على قطعة واحدة من الركيزة، بدلاً من تصنيعها بشكل منفصل ثم دمجها لاحقًا.
لبناء كل شريحة، ابتكر الباحثون أغشية نانوية من السيليكون بالغة الرقة، ثم نقلوها، باستخدام آلة تغليف ملفوفة، إلى ركيزة ذات طبقة سفلية.
الحد الأقصى لدرجة الحرارة المطلوبة لإنشاء رابطة قوية باستخدام هذه الطريقة هو 392 درجة فهرنهايت (200 درجة مئوية) فقط – أقل بخمس مرات من الحرارة المطلوبة عادة. تبلغ سماكة الأغشية التي تنقلها أيضًا 10 نانومتر فقط أو أقل – بحجم البروتين تقريبًا – مقارنة بسمك يتراوح بين 500 إلى 700 ميكرومتر (500000 إلى 700000 نانومتر) تقريبًا للرقاقة النموذجية. وأضاف تساو أن هذه الأغشية، لأنها رقيقة، تكون مرنة ميكانيكيًا لتتوافق مع السطح الأساسي.
ونتيجة هذه العملية هي شريحة ثلاثية الأبعاد مكونة من ثلاث طبقات، تحتوي كل منها على 625 ترانزستورًا. انها تتضاءل بالمقارنة مليار الترانزستورات يمكن ملؤها بالرقائق الموجودة بالفعل في السوق، لكن الباحثين يعتقدون أن تقنيتهم لها فوائد في كفاءة الطاقة. لقد ثبت أن التيار الكهربائي الذي يمكن أن يتدفق عبر الشريحة أكبر بثلاث إلى أربع مرات على الأقل من الرقائق المتجانسة المصنوعة من مواد بديلة.
والسؤال الكبير هو ما إذا كانت شريحة السيليكون ثلاثية الأبعاد الخاصة بهم ستحقق قفزة من التطبيقات المختبرية إلى التطبيقات التجارية. وبينما أظهر البحث إمكانات شريحة تتكون من ثلاث طبقات مكدسة، اقترح العلماء إمكانية إضافة المزيد من الطبقات في التكرارات المستقبلية.
عادل الشهراني 
