A indústria eletrônica está se aproximando do limite do número de transistores que podem ser colocados em um chip de computador. Portanto, os fabricantes de chips querem construir, em vez de eliminar.
Em vez de amontoar transistores cada vez menores em um só lugar, a indústria pretende empilhar mais áreas de transistores e materiais semicondutores – como transformar uma casa de fazenda em um loft. Esses chips multicamadas podem lidar com muito mais dados e realizar tarefas mais complexas do que os eletrônicos atuais.
Um obstáculo importante, entretanto, é a plataforma na qual os chips são construídos. Hoje, grandes wafers de silício servem como estrutura primária na qual são cultivados dispositivos semicondutores monocristalinos de alta qualidade. Qualquer chip empilhável deve incluir uma “base” espessa de silício como parte de cada camada, retardando qualquer comunicação entre as camadas semicondutoras ativas.
Agora, os engenheiros do MIT encontraram uma maneira de contornar esse problema, com um design de chip multicamadas que não requer nenhum substrato de wafer de silício e opera em temperaturas baixas o suficiente para manter o circuito da camada inferior.
Em um estudo publicado hoje na revista O meio ambientea equipe relata o uso de um novo método para fazer um chip multicamadas com camadas alternadas de material semicondutor de alta qualidade cultivadas diretamente umas sobre as outras.
Este método permite que os engenheiros construam transistores de alto desempenho, bem como dispositivos de memória e lógica em qualquer superfície de cristal aleatória – não apenas na grande estrutura de cristal das pastilhas de silício. Sem essas camadas espessas de silício, múltiplas camadas semicondutoras podem estar em contato direto umas com as outras, levando a uma comunicação e computação melhores e mais rápidas entre as camadas, disseram os pesquisadores.
Os pesquisadores acreditam que esta abordagem poderia ser usada para construir hardware de IA, na forma de chips empilhados para laptops ou wearables, que poderiam ser tão rápidos e poderosos quanto os supercomputadores atuais e que poderiam armazenar grandes quantidades de dados em paralelo com data centers virtuais.
“Este avanço abre enormes oportunidades para a indústria de semicondutores, permitindo que os chips sejam montados sem limitações tradicionais”, disse o autor do estudo Jeehwan Kim, professor associado de engenharia mecânica no MIT. “Isso poderia levar a uma melhoria de ordem de grandeza no poder de computação para aplicações em IA, lógica e memória.”
Os co-autores do estudo do 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, e – parceiros do Samsung Advanced Institute of Technology, da Universidade Sungkyunkwan na Coreia do Sul e da Universidade do Texas em Dallas.
Pacotes de sementes
Em 2023, o grupo de Kim relatou que havia desenvolvido um método para cultivar materiais semicondutores de alta qualidade em superfícies amorfas, semelhante às várias topografias 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, que são considerados um sucessor promissor do silício na fabricação de transistores menores e mais eficientes. Esses materiais 2D podem reter suas propriedades semicondutoras mesmo em escalas tão pequenas quanto um único átomo, enquanto o desempenho do silício cai drasticamente.
Em seu trabalho anterior, o grupo desenvolveu TMDs em wafers de silício com revestimentos amorfos, bem como em cima de TMDs existentes. Para encorajar os átomos a organizarem-se num único cristal de alta qualidade, em vez de uma desordem policristalina aleatória, Kim e os seus colegas cobriram primeiro a pastilha de silício com uma película muito fina, ou “máscara”, de dióxido de silício, que eles modelaram. pequenos buracos ou bolsos. Eles então moveram um gás de átomos sobre a máscara e descobriram que os átomos se depositavam nos bolsos como “sementes”. Os bolsos selam as sementes para crescerem em padrões regulares de cristal único.
Mas na época, esse método só funcionava em temperaturas de 900 Celsius.
“Você tem que cultivar este material cristalino único abaixo de 400 Celsius, caso contrário, o circuito subjacente ficará completamente cozido e danificado”, disse Kim. Então, nosso dever de casa foi que tínhamos que fazer o mesmo método em temperaturas abaixo de 400 Celsius. Se conseguirmos fazer isso, o impacto pode ser enorme.”
Prédio
Em seu novo trabalho, Kim e seus colegas procuraram aprimorar seu método para cultivar materiais 2D cristalinos em temperaturas baixas o suficiente para preservar qualquer circuito subjacente. Eles encontraram uma solução surpreendentemente simples na metalurgia – a ciência e a arte da produção de aço. Quando os metalúrgicos despejam metal fundido em um molde, o líquido gradualmente “nuclea” ou forma grãos que crescem e se aglutinam em um cristal com um padrão regular que endurece até o estado sólido. Os metalúrgicos descobriram que esta nucleação ocorre facilmente nas bordas do molde onde o metal líquido é derramado.
“Sabe-se que a nucleação na periferia requer menos energia – e calor”, disse Kim. “Então pegamos emprestado esse conceito da metalurgia para usá-lo em futuros hardwares de IA.”
O grupo analisou o crescimento de TMDs monocristalinos em um wafer de silício com circuitos de transistores já construídos. Eles primeiro cobriram o circuito com uma máscara de dióxido de silício, como em trabalhos anteriores. Eles então colocaram “sementes” de TMD nas bordas de cada bolso da máscara e descobriram que essas sementes nas bordas cresceram em material cristalino em temperaturas de até 380 graus Celsius, em comparação com sementes que começaram a crescer no centro, longe das bordas de cada bolsa, que exigia temperaturas mais altas para se formar.
No futuro, os pesquisadores usaram um novo método para criar um chip multicamadas com camadas alternadas de dois TMDs diferentes – dissulfeto de molibdênio, um candidato promissor a material para a construção de transistores do tipo in-type; e disseleneto de tungstênio, um material capaz de ser transformado em transistores do tipo p. Ambos os transistores do tipo p e n são blocos de construção eletrônicos para executar qualquer função lógica. A equipe conseguiu cultivar ambos os materiais em uma forma de cristal único, diretamente um sobre o outro, sem a necessidade de pastilhas de silício intermediárias. Kim diz que este método dobrará a densidade do material semicondutor do chip e, em particular, do semicondutor de óxido metálico (CMOS), que é o alicerce básico do circuito de pensamento moderno.
“O produto obtido pela nossa técnica não é apenas um chip lógico 3D, mas também uma memória 3D e suas combinações”, disse Kim. “Com nossa abordagem monolítica baseada em crescimento 3D, você pode aumentar de dezenas a centenas de camadas lógicas e de memória, uma sobre a outra, e elas serão capazes de se comunicar muito bem.”
“Os chips 3D típicos são feitos com wafers de silício no meio, fazendo furos no wafer – um processo que limita o número de camadas empilhadas, a resolução do alinhamento vertical e o rendimento”, acrescenta o primeiro autor Kiseok Kim. “Nossa abordagem baseada no crescimento aborda todas essas questões de uma só vez.”
Para comercializar ainda mais seu design de chip pegajoso, Kim fundou recentemente uma empresa, FS2 (Future Semiconductor 2D Materials).
“Até agora estamos mostrando o conceito em uma série de máquinas pequenas”, disse ele. “O próximo passo é aumentar a escala para demonstrar o desempenho do chip de IA.”
Esta pesquisa é apoiada, em parte, pelo Samsung Advanced Institute of Technology e pelo Escritório de Pesquisa Científica da Força Aérea dos EUA.
