محققان MIT روش تولید جدیدی را توسعه داده‌اند که می‌تواند با قرار دادن چندین مؤلفه عملکردی روی یک مدار موجود، تولید الکترونیکی با انرژی کارآمدتر را امکان‌پذیر کند.
در مدارهای سنتی، دستگاه‌های منطقی که محاسبات را انجام می‌دهند، مانند ترانزیستورها و دستگاه‌های حافظه‌ای که داده‌ها را ذخیره می‌کنند، به عنوان اجزای جداگانه ساخته می‌شوند و داده‌ها را مجبور می‌کنند بین آنها رفت و آمد کنند، که باعث هدر رفتن انرژی می‌شود.
این پلت فرم جدید یکپارچه سازی الکترونیکی به دانشمندان اجازه می دهد تا ترانزیستورها و دستگاه های حافظه را در یک پشته فشرده بر روی یک تراشه نیمه هادی تولید کنند. این امر ضمن افزایش سرعت محاسبات، مقدار زیادی از اتلاف انرژی را حذف می کند.
کلید این پیشرفت یک ماده جدید توسعه یافته با خواص منحصر به فرد و رویکرد ساخت دقیق تر است که تعداد عیوب در مواد را کاهش می دهد. این به محققان اجازه می‌دهد تا ترانزیستورهای بسیار کوچک با حافظه داخلی بسازند که می‌توانند سریع‌تر از دستگاه‌های پیشرفته کار کنند و در عین حال برق کمتری نسبت به ترانزیستورهای مشابه مصرف کنند.
با بهبود بهره وری انرژی دستگاه های الکترونیکی، این رویکرد جدید می تواند به کاهش مصرف انرژی رو به رشد محاسبات کمک کند، به ویژه برای برنامه های کاربردی مانند هوش مصنوعی مولد، یادگیری عمیق و وظایف بینایی رایانه.
Yanzhi Shao، فوق دکترای MIT و نویسنده اصلی دو مقاله در مورد این ترانزیستورهای جدید، می گوید: “ما باید میزان توانی را که برای هوش مصنوعی و سایر محاسبات مبتنی بر داده در آینده استفاده می کنیم، به حداقل برسانیم، زیرا پایدار نیست. ما برای ادامه این پیشرفت به فناوری جدیدی مانند این پلت فرم یکپارچه نیاز خواهیم داشت.”
تکنیک جدید در دو مقاله (یکی دعوت شده) که در نشست بین المللی دستگاه های الکترونیکی IEEE ارائه شده است، توضیح داده شده است. شائو توسط نویسندگان ارشد عیسی دل آلامو، پروفسور دانر مهندسی در بخش مهندسی برق و علوم کامپیوتر MIT (EECS) در مقاله همراه شده است. دیمیتری آنتونیادیس، ری و ماریا استاتا استاد مهندسی برق و علوم کامپیوتر در MIT. و همچنین سایرین در MIT، دانشگاه واترلو، و سامسونگ الکترونیکس.
معکوس کردن مشکل
تراشه های استاندارد CMOS (نیمه هادی اکسید فلزی مکمل) به طور سنتی دارای یک قسمت جلویی هستند که در آن اجزای فعال مانند ترانزیستورها و خازن ها تولید می شوند و یک انتهای پشتی که شامل سیم هایی به نام اتصالات داخلی و سایر اتصالات فلزی است که اجزای تراشه را به هم متصل می کند.
اما زمانی که داده ها بین این پیوندها حرکت می کنند مقداری انرژی از دست می رود و ناهماهنگی های جزئی می تواند عملکرد را مختل کند. چیدمان اجزای فعال مسافتی را که داده ها باید طی کنند کاهش می دهد و بازده انرژی تراشه را بهبود می بخشد.
معمولاً چیدن ترانزیستورهای سیلیکونی روی یک تراشه CMOS دشوار است زیرا دمای بالای مورد نیاز برای ساخت دستگاه‌های جلویی اضافی ترانزیستورهای موجود زیر آن را از بین میبرد.
محققان MIT این مشکل را با توسعه یک تکنیک یکپارچه سازی برای قرار دادن اجزای فعال در پشت تراشه حل کردند.
شائو توضیح می‌دهد: «اگر بتوانیم از این پلت‌فرم بک‌اند برای قرار دادن لایه‌های فعال اضافی ترانزیستور، نه فقط اتصالات، استفاده کنیم، تراکم یکپارچه‌سازی تراشه را بسیار بالاتر میبرد و کارایی انرژی آن را بهبود می‌بخشد.
محققان با استفاده از یک ماده جدید، اکسید ایندیم آمورف، به عنوان لایه کانال فعال ترانزیستور پشتی خود به این امر دست یافتند. لایه کانال فعال جایی است که وظایف اصلی ترانزیستور انجام می شود.
به لطف خواص منحصر به فرد اکسید ایندیوم، آنها می توانند یک لایه بسیار نازک از این ماده را در دمای تنها حدود 150 درجه سانتیگراد در انتهای یک مدار موجود بدون آسیب رساندن به دستگاه در انتهای جلو، “رشد” کنند.
بهبود فرآیند
آنها با دقت فرآیند تولید را بهینه کردند، که تعداد عیوب را در لایه ای از ماده اکسید ایندیوم که تنها حدود 2 نانومتر ضخامت دارد به حداقل می رساند.
برای روشن شدن ترانزیستور چند نقص که به عنوان جای خالی اکسیژن شناخته می شود لازم است، اما با عیوب زیاد، به درستی کار نمی کند. این فرآیند تولید بهینه به محققان اجازه می دهد تا ترانزیستور بسیار کوچکی را تولید کنند که به سرعت و تمیز عمل می کند و بسیاری از انرژی اضافی مورد نیاز برای خاموش و روشن کردن ترانزیستور را حذف می کند.
با تکیه بر این رویکرد، آنها همچنین ترانزیستورهای پشتیبان با حافظه داخلی ساختند که اندازه آنها تنها حدود 20 نانومتر است. برای انجام این کار، آنها لایه ای از ماده ای به نام اکسید زیرکونیوم هافنیوم فروالکتریک را به عنوان یک جزء حافظه اضافه کردند.
این ترانزیستورهای حافظه فشرده سرعت سوئیچینگ تنها 10 نانوثانیه را نشان دادند و به حد مجاز ابزارهای اندازه گیری تیم رسیدند. این سوئیچینگ نیز به ولتاژ بسیار کمتری نسبت به دستگاه های مشابه نیاز دارد که باعث کاهش مصرف برق می شود.
و از آنجایی که ترانزیستورهای حافظه بسیار کوچک هستند، محققان می توانند از آنها به عنوان پلت فرمی برای مطالعه فیزیک بنیادی واحدهای فروالکتریک هافنیوم-زیرکونیا استفاده کنند.
شائو می‌گوید: “اگر بتوانیم فیزیک را بهتر درک کنیم، می‌توانیم از این ماده برای بسیاری از کاربردهای جدید استفاده کنیم. انرژی که استفاده می‌کند بسیار کم است، و به ما انعطاف‌پذیری زیادی در نحوه طراحی دستگاه‌ها می‌دهد. این واقعاً می‌تواند راه‌های جدیدی را برای آینده باز کند.”
محققان همچنین با تیمی از دانشگاه واترلو برای توسعه مدلی از عملکرد ترانزیستورهای پشتی کار کردند، گام مهمی قبل از اینکه دستگاه ها بتوانند در مدارهای بزرگتر و سیستم های الکترونیکی ادغام شوند.
در آینده، آنها می‌خواهند با ادغام ترانزیستورهای حافظه پشتی در یک مدار، بر روی این نمایش‌ها بسازند. آنها همچنین می‌خواهند عملکرد ترانزیستور را بهبود بخشند و چگونگی کنترل دقیق‌تر خواص هافنیم اکسید زیرکونیوم فروالکتریک را بررسی کنند.
شائو می‌گوید: “ما اکنون می‌توانیم پلتفرمی از قطعات الکترونیکی چند منظوره را در پشت یک تراشه بسازیم که به ما امکان می‌دهد به بهره‌وری انرژی بالا و بسیاری از عملکردهای مختلف در دستگاه‌های بسیار کوچک دست پیدا کنیم. ما معماری دستگاه و مواد خوبی برای کار داریم، اما باید به نوآوری ادامه دهیم تا محدودیت‌های نهایی عملکرد را آشکار کنیم.”
این کار تا حدی توسط شرکت تحقیقاتی نیمه هادی (SRC) و اینتل پشتیبانی شد. ساخت در آزمایشگاه فناوری Microsystems MIT و امکانات MIT.nano انجام شد.
