Десятиліттями прогрес в електроніці слідував простій правилу: менше — означає краще. Починаючи з 1960-х років, кожне нове покоління чіпів упаковувало більше транзисторів у менший простір, дотримуючись знаменитого закону Мура. Сформульований співзасновником Intel Гордоном Муром у 1965 році, закон передбачав, що кількість компонентів у мікрочіпі буде подвоюватися приблизно щороку. Але ця гонка до мініатюризації досягає своїх фізичних меж. Тепер міжнародна команда вчених пропонує очевидне, але революційне рішення: якщо ми не можемо продовжувати зменшувати чіпи, ми будемо будувати їх вгору.

Вчені розробили чіп з 41 вертикальним шаром напівпровідників та ізоляційних матеріалів, приблизно вдесятеро вищий за будь-який раніше створений. Робота, нещодавно опублікована в журналі Nature, не тільки є технічним проривом, але й відкриває двері для нового покоління гнучких, ефективних та стійких електронних пристроїв.

«Наявність шести або більше вертикально розташованих шарів транзисторів дозволяє нам збільшити щільність схем, не роблячи пристрої меншими в поперечному напрямку», — пояснює Лі, один із дослідників. «З шістьма шарами ми можемо інтегрувати на 600% більше логічних функцій на тій самій площі порівняно з одним шаром, досягаючи вищої продуктивності та меншого енергоспоживання».

Закон Мура почав давати збої, коли виробники чіпів зіткнулися з законами фізики. Сучасні транзистори мають ширину всього кілька нанометрів, настільки малі, що квантові ефекти починають заважати їхній роботі. «Закон Мура досягає своїх фізичних меж у традиційній кремнієвій мікроелектроніці, але інновації тривають у нових напрямках. Замість того, щоб продовжувати зменшувати транзистори, ми досліджуємо нові матеріали, нові архітектури та нові можливості, такі як штабелювання», — зазначає Лі.

Вежі з транзисторів

Щоб зрозуміти технічну проблему, з якою зіткнулася команда, Лі вдається до архітектурної метафори: «Уявіть кожен шар транзисторів як поверх будівлі хмарочоса. Якщо поверхня нерівна, вся будівля стає нестабільною». Ключем до успіху експерименту стало освоєння того, що вони називають «шорсткістю інтерфейсу»: будь-яке невелике недосконалість між шарами може порушити потік електронів і різко знизити продуктивність чіпа.

Фундаментальним проривом стала розробка абсолютно нових виробничих стратегій. Важливим моментом стало те, що всі шари наносилися при температурі навколишнього середовища або близькій до неї, тим самим захищаючи вже виготовлені нижні шари. Таке виробництво при низькій температурі — не просто технічна деталь. «Більшість гнучких або органічних матеріалів не витримують високих температур», — пояснює Лі. «Традиційні процеси виробництва напівпровідників часто перевищують 400°C, що розплавило б або деформувало ці матеріали». Підтримання всього процесу близько до температури навколишнього середовища дозволяє використовувати пластикові або полімерні підкладки, відкриваючи двері для гнучкої електроніки майбутнього.

Щоб продемонструвати життєздатність свого дизайну, команда виготовила 600 копій чіпа, всі з аналогічною продуктивністю. Дослідники використовували ці штабельовані чіпи для реалізації базових операцій, досягнувши продуктивності, порівнянної з традиційними нештабельованими чіпами, але зі значно меншим енергоспоживанням: лише 0,47 мікроват, порівняно з типовими 210 мікроватами для пристроїв останнього покоління.

Перші застосування

Де ми вперше побачимо цю технологію? Лі налаштований оптимістично, але реалістично: «Перші застосування, ймовірно, будуть у носимих пристроях, інтелектуальних мітках та датчиках, де низьке енергоспоживання та механічна гнучкість мають вирішальне значення». У більш довгостроковій перспективі команда уявляє собі великі обчислювальні поверхні, по суті, об'єкти, які можуть відчувати, обробляти та обмінюватися інформацією через цілі структури. Хоча ці нові чіпи, ймовірно, не будуть живити суперкомп'ютери, їх використання в таких пристроях, як побутова техніка, могло б значно зменшити глобальне енергоспоживання.

«Розроблені нами схеми призначені для цих систем, де механічна гнучкість, низька вартість та масштабованість важливіші за екстремальну швидкість», — уточнює Лі. Дослідник вважає, що його робота відкриває нові двері у світ обчислень: «Вона показує, що масштабування продуктивності може тривати не тільки за рахунок зменшення пристроїв, але й за рахунок їх більш інтелектуальної та ефективної інтеграції в трьох вимірах».