A mikrochipek fejlődése az 1960-as évek óta a tranzisztorok méretének csökkentésén alapult, hogy egyre nagyobb számítási teljesítményt érjünk el. Ez a trend Moore törvényében öltött testet, amely szerint a mikrochipeken található alkatrészek száma évente megduplázódik. Azonban az elmúlt évtizedben ez a törvény egyre kevésbé volt tartható.
A Moore-törvény kihívásai és a méretcsökkentés határai
Az elektronikai ipar hosszú ideje azon dolgozik, hogy egyre kisebb tranzisztorokat gyártson, ezzel növelve a chipek teljesítményét és csökkentve azok energiafogyasztását. A miniaturizálás azonban fizikai és technológiai korlátokba ütközött, különösen az elmúlt évtizedben, amikor a tranzisztorok mérete elérte az atomos méretű határokat. Ez megnehezítette a további sűrítésüket egyetlen síkban, így a Moore-törvény előrejelzései egyre kevésbé váltak valóra.
Az innovatív megoldás: vertikális tranzisztor-stacking
Xiaohang Li és kutatócsoportja a King Abdullah Tudományos és Technológiai Egyetemen (KAUST) Szaúd-Arábiában egy újszerű megközelítést dolgozott ki: nem lefelé, hanem felfelé építenek tovább. Ahelyett, hogy tovább csökkentenék a tranzisztorok méretét, egymásra rétegezve hoznak létre több szintből álló félvezető struktúrákat.
A csapat által tervezett chipben 41 vertikális réteg található két különböző típusú félvezető anyagból, amelyeket szigetelő anyag választ el egymástól. Ez a tranzisztor-stakk mintegy tízszer magasabb, mint bármely korábban készült hasonló szerkezet.
A kísérleti eredmények és működési tesztek
A kutatók összesen 600 ilyen chipet gyártottak le, amelyek mindegyike megbízhatóan hasonló teljesítményt mutatott. Ezeket az új, többrétegű chipeket különböző alapvető számítási és érzékelési műveletek végrehajtására használták, amelyek elengedhetetlenek mindennapi számítógépes vagy érzékelő eszközök működéséhez.
Az eredmények azt mutatták, hogy ezek az egymásra rétegzett chipek teljesítményben vetekednek a hagyományos, síkban elrendezett chipekkel, miközben előállításuk kevesebb energiát igényel.
Környezeti előnyök és gyakorlati alkalmazások
Thomas Anthopoulos, az Egyesült Királyságban található Manchesteri Egyetem kutatója kiemelte, hogy bár ez az új chip nem feltétlenül vezet majd szuperkomputerekhez, jelentős előrelépést hozhat hétköznapi eszközökben. Ilyenek például az okos otthoni elektronikai berendezések vagy viselhető egészségügyi eszközök.
Ezekben az alkalmazásokban a vertikális rétegződés csökkentheti az elektronikai ipar karbonlábnyomát, miközben minden egyes hozzáadott réteg további funkciókat biztosít.
Milyen magasra nőhet még a tranzisztor-stakk?
„Nincs igazán felső határ,” mondja Anthopoulos. „Csak kitartás kérdése – verejték és könnyek.”
Ugyanakkor még mindig vannak mérnöki kihívások. Muhammad Alamától, az Indiana állambeli Purdue Egyetem szakértőjétől megtudtuk, hogy az egyik legnagyobb probléma a hőkezelés: minél több réteget helyezünk egymásra, annál nagyobb hőt termelnek ezek együtt. Ez olyan kihívás, mintha egyszerre több vastag kabátot viselnénk – nehéz lenne hűvösen maradni.
A jelenlegi chip hőmérsékleti határa körülbelül 50°C, amit legalább további 30 fokkal kellene emelni ahhoz, hogy gyakorlati alkalmazásokban is használható legyen. Alam véleménye szerint azonban ez az egyetlen életképes út az elektronika fejlődése szempontjából a közeljövőben: a vertikális növekedés.
Összegzés
A félvezetőipar előtt álló kihívások új megoldásokat követelnek meg. A King Abdullah Tudományos és Technológiai Egyetem kutatóinak áttörése – egy rekordmagas, 41 rétegű vertikális tranzisztor-stakk létrehozása – ígéretes irányt mutat arra, hogyan lépjünk túl a Moore-törvény hagyományos korlátain.
Ez az innováció nemcsak lehetővé teszi a chipek teljesítményének növelését anélkül, hogy tovább csökkentenénk azok méretét, hanem fenntarthatóbb gyártási folyamatokat is eredményezhet. Bár még vannak technikai akadályok – különösen a hűtés terén –, a vertikális építkezés lehet az elektronika jövője.