Veijo Hänninen

Mikroelektroniikan uusimmat kehityshankkeet

Mikroelektroniikan erilaiset tutkimushankkeet panostavat paitsi nykytason suunnittelun ja valmistuksen yhteistyön tehostamiseen mutta myös tulevaisuuden tekniikoihin kuten plasmatekniikkaan ja timantteihin.

Viikinkimaa Tanskaan on luotu tanskalaista mikrosirujen suunnittelua ja valmistusta kehittävä ja koordinoiva keskus.

Uusi Danish Chips Competence Center kokoaa yhteen alan johtavat toimijat ja tarjoaa teollisuudelle suoran pääsyn alan tietämykseen, verkostoihin ja tuotantolaitoksiin.

Alan johtavat tutkijat Technical University of Denmark (DTU:sta), Kööpenhaminan yliopistosta, Århusin yliopistosta ja Tanskan kansallisesta metrologiainstituutista (DFM) työskentelevät yhteistyössä teollisuuden kanssa uudessa Danish Chips -osaamiskeskuksessa.

Täältä tanskalaiset start-upit sekä pienet ja keskisuuret yritykset voivat löytää neuvoja ja asiantuntemusta sekä pitkälle erikoistuneita laitteita mikrosirujen suunnitteluun ja valmistukseen. Tiivis yhteistyö tutkijoiden ja teollisuuden välillä on resepti innovaatiolle ja kasvulle Euroopassa, sanoo DTU:n puheenjohtaja Anders Bjarklev:

”Siruteknologian vahva kehitys- ja tuotantoympäristö on edellytys sille, että pysymme kilpailukykyisinä useilla tärkeillä osa-alueilla, kuten kvanttiteknologiassa ja tekoälyssä. Globaalin kilpailun kiristyessä on ratkaisevan tärkeää, että tutkimuksessa syntyvä tietämys on nopeasti yritysten käytettävissä muutoksen aikaansaamiseksi”, Anders Bjarklev sanoo.

Keskuksen kumppaneilla on kullakin omat vahvuutensa, jotka yhdessä kattavat koko prosessin ideasta täysimittaiseen tuotantoon yrityksessä.

Århusin yliopiston sähkö- ja tietokonetekniikan laitos vastaa sirusuunnittelusta eli kuinka rakentaa halutut ominaisuudet omaava siru.

Kööpenhaminan yliopiston Niels Bohr -instituutti vastaa kvanttisiruista. Kvanttisirut hyödyntävät kvanttimekaniikkaa.

Valmistuksesta vastaa DTU. DTU Nanolabilla on Tanskan suurin puhdastila kehittyneiden mikrosirujen kehittämiseen, testaamiseen ja valmistukseen.

DTU Nanolabilla on myös vahva nano- ja mikrovalmistuksen tutkimusympäristö.

DFM:n metrologit osallistuvat työhön edistyneellä mittaustekniikalla, erityisesti kvanttiominaisuuksien yhteydessä.

Keskus on EU:n ja korkeakoulutus- ja tiedeministeriön rahoittama 57 miljoonan Tanskan kruunun budjetilla seuraavien neljän vuoden aikana, ja se tukee yhdessä muiden Euroopan maiden vastaavien keskusten kanssa EU:n pyrkimystä kaksinkertaistaa sirujen tuotanto Eurooppa vuoteen 2030 mennessä.

Yhdysvalloissa tutkitaan tulevaisuuden teknologioita

Yhdysvaltain energiaministeriö (DOE) ilmoitti puolestaan joulukuun lopulla 179 miljoonan dollarin rahoituksesta kolmelle Microelectronics Science Research Centerille (MSRC).

Nämä kolme MSRC:tä tekevät perustutkimusta mikroelektroniikan materiaalien, laite- ja järjestelmäsuunnittelun sekä valmistustieteen alalla tulevien mikroelektroniikan teknologioiden muuttamiseksi.

MSRC:t valtuutettiin mikrolailla, joka hyväksyttiin vuoden 2022 CHIPS- ja tiedelaissa, ja ne täydentävät näiden lakien mukaisiatoimia kauppaministeriössä, puolustusministeriössä ja muissa virastoissa.

Kokonaisrahoitus on 179 miljoonaa dollaria enintään neljä vuotta kestäville projekteille, joista 41 miljoonaa dollaria tilivuoden 2024 dollareissa ja jatkovuosinen rahoitus riippuu kongressin määrärahoista.

Kolme MSRC:tä ovat:

Microelectronics Energy Efficiency Research Center for Advanced Technologies (MEERCAT) on sitoutunut mullistamaan energiatehokkaan mikroelektroniikan edistämällä integroituja innovaatioita eri materiaaleissa, laitteissa, informaation siirtomenetelmissä ja järjestelmäarkkitehtuureissa.

Älykkääseen tunnistukseen, datan kaistanleveyteen, multipleksointiin ja kehittyneeseen tietojenkäsittelyyn keskittyvä keskus tutkii muuntavia ratkaisuja, jotka yhdistävät saumattomasti tunnistuksen, reunaprosessoinnin, tekoälyn ja korkean suorituskyvyn laskennan.

Microelectronics for Extreme Environments -yhteissuunnittelu ja heterogeeninen integraatio (CHIME) -keskuksen tavoitteena on edistää äärimmäisten ympäristöjen elektroniikkaa muun muassa heterogeenisen integroinnin ja erilaisten materiaalien, prosessien ja tekniikoiden saumattoman yhdistämisen avulla seuraavan sukupolven järjestelmien mahdollistamiseksi.

Keskus luo kestäviä, korkean suorituskyvyn ratkaisuja, jotka pystyvät menestymään haastavimmissa olosuhteissa, mukaan lukien äärimmäiset lämpö- ja säteily-ympäristöt.

Extreme Lithography & Materials Innovation Center (ELMIC) pyrkii edistämään perustieteitä, jotka ohjaavat uusien materiaalien ja prosessien integrointia tulevaisuuden mikroelektroniikkajärjestelmiin keskittyen avainalueisiin, kuten plasmapohjaiseen nanovalmistukseen, äärimmäisen ultraviolettisäteilyn (EUV) fotonilähteisiin, 2D- materiaalijärjestelmät ja äärimmäisen mittakaavan muisti.

Aihealueita kaupallisten toimijoiden ulkopuolelta

DOE:n Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) johtaa kolmea hanketta MSRC:issä ja osallistuu neljänteen tukemaan näitä kiireellisiä kansallisia tarpeita.

MSRC:t eivät toista teollisuuden ponnisteluja, vaan toimivat yhdessä teollisuuden kanssa tuodakseen erikoisosaamista, työkaluja ja laitteita aloille, jotka usein jäävät suuremmalla kaupallisella mikroelektroniikan sektorilla huomiotta.

Kolme tutkimusaluetta hyötyy PNNL MSRC -projekteista:

Virittävien molekyylimemristoreiden itsekokoonpano pitkän kantaman järjestyksellä joustavaa ja energiatehokasta neuromorfista laskentaa varten

Ihmisaivojen poikkeuksellisten tiedonsiirto- ja prosessointikykyjen motivoimana PNNL-tutkijat edistävät paikallisten ja pitkän kantaman molekyylien välisten vuorovaikutusten ennakoivaa ymmärrystä, joka on tarpeen energiatehokkaiden ja kestävien memristorien yhteissuunnittelussa.

Nämä kehittyneet laskentalaitteet tunnetaan nopeasta toiminnasta ja pienemmästä energiankulutuksesta kuin perinteiset laskentalaitteet.

"Hyödynnämme PNNL:n ainutlaatuista asiantuntemusta ja kykyjä kontrolloidussa ionipinnoituksessa, materiaalien synteesissä ja karakterisoinnissa sekä monimittakaavaisissa simulaatioissa mahdollistaaksemme räätälöityjen molekyylimemristorien yhteissuunnittelun", sanoi PNNL:n projektijohtaja Grant Johnson.

Tiimi hyödyntää ja laajentaa luonnon mallia hyödyntämällä nanomittakaavan bioinspiroituja materiaaleja luodakseen keinotekoisia synapseja aivojen inspiroimalle tietojenkäsittelylle.

"Tämä projekti laajentaa uraauurtavaa työtämme biomimeettisten nanomateriaalien suunnittelussa ja syntetisoinnissa sekvenssimääritellyistä peptoideista - synteettisistä proteiinin kaltaisista molekyyleistä, jotka ovat kestävämpiä kuin luonnolliset rakenneosat, mikä mahdollistaa keinotekoisten synapsien kehittämisen, joilla on hallittu rakenne, kemia ja pitkälle kantava järjestys mikroelektroniikkarakenteiden integrointia ajatellen”, lisää PNNL:n projektipäällikkö ja apulaisjohtaja Chun-Long Chen.

Kiihdyttävä seuraavan sukupolven EUV-litografia (ANGEL)

Joka vuosi puolijohdekiekoille koodatun informaation määrä on lisääntynyt. Mutta valmistajat ovat saavuttamassa fyysisen rajan, siitä kuinka paljon sirulle mahtuu. Mikroelektroniikan valmistajat haluavat nyt käyttää kehittynyttä fotolitografiaa saadakseen yhä pienempiä ominaisuuksia siruihin.

PNNL-tutkijat ovat siirtymässä uudelle tarkkuuden ja hallinnan tasolle äärimmäisen ultraviolettilitografian avulla.

"Keskitymme tehostamaan äärimmäisen ultraviolettivalolla laserilla tuotettujen plasmafotonilähteiden tehokkuutta ja lieventämään optiikkavaurioita ankarissa ympäristöissä", päätutkija Sivanandan Harilal sanoi.

Ryhmä tutkii tässä äärimmäisessä ympäristössä toimivan valon peruskäyttäytymistä tavoitteenaan parantaa valonlähteen tehokkuutta ja vähentää materiaalien heikkenemistä skannerin äärimmäisissä olosuhteissa.

Energiatehokkaan heterogeenisen tietojenkäsittelyn yhteissuunnittelun demokratisointi (DeCoDe)

Tieteellisellä laskennalla on aina ollut haastavia vaatimuksia, ja niitä on usein vaikea täyttää akateemisen tai ei-kaupallisen budjetin puitteissa. DeCoDe-projektin tavoitteena on alentaa kustannuksia ja työtä, joita tarvitaan tietokonearkkitehtuurien renessanssin mahdollistamiseksi vastaamaan maan edistyneisiin laskentatarpeisiin.

Tiimi soveltaa avoimen lähdekoodin ominaisuuksia laitteistokiihdyttimien ja niitä tukevien järjestelmäohjelmistojen yhteissuunnitteluun. Hyödyntämällä avointa "chiplet" ekosysteemiä tiimi integroi energiatehokkaiden analogisten ja digitaalisten kiihdyttimien suunnittelut laskentaprosessoreihin, muistimoduuleihin ja muihin laskentaelementteihin samassa paketissa.

"DeCoDessa integroimme avoimen laitteistoteknologian yhteisyritystiimimme työn PNNL:n kääntäjäkehyspohjaisiin laitteistosuunnittelutyökaluihin kehittääksemme edistyneitä suunnitelmia energiatehokkaalle heterogeeniselle laskennalle", sanoi Jim Ang, DeCoDe-projektin päätutkija. "Nämä suunnitelmat kohdistuvat CHIPS Act -infrastruktuurin investointeihin prototyypitykseen."

Myös plasmatieteet mukana

Lisäksi Yhdysvaltain energiaministeriö (DOE) on myöntänyt Princeton Plasma Physics Laboratorylle (PPPL) kaksi erittäin kilpailukykyistä Microelectronics Science Research Center (MSRC) -projektia

PPPL-tutkijat johtavat kahta yhteistyöprojektia, joissa on mukana kansallisia laboratorioita sekä akateemisia ja teollisia kumppaneita. Princetonin yliopiston tutkijat toimivat PPPL-projektijohtajien apulaisjohtajina.

Molemmat PPPL:n apurahat menivät äärimmäisiin ympäristöihin keskittyneille projekteille, koska niissä painotettiin plasmatieteitä. Yksi PPPL:n projekteista tutkii tapoja tehdä pienempiä, tehokkaampaa mikroelektroniikkaa 2D-materiaaleista, jotka valmistetaan plasmaa käyttäen korkean lämpötilan kammioissa.

2D-materiaalit seuraavan sukupolven puolijohteisiin

PPPL:n johtava tutkimusfyysikko Jevgeni Raitses johtaa projektia, jonka tavoitteena on kehittää menetelmiä 2D-materiaalien sisällyttämiseksi monimutkaisiin 3D-nanorakenteisiin. Näitä materiaaleja tarvitaan seuraavan sukupolven mikroelektroniikassa, kun tutkijat jatkavat rajojen etäännyttämistä sovittamalla uusia ominaisuuksia aina vaan kutistuviin laitteisiin.

Vaikka 2D-materiaalit ovatkin enimmäkseen 3D-materiaalia, ne koostuvat usein vain muutamasta atomikerroksesta. Ne ovat niin ohuita, että tiedemiehet kutsuvat niitä 2D:ksi.

"Plasma on kriittinen komponentti lähes puolessa puolijohteiden valmistusprosesseista", Raitses sanoi. "Tavoitteenamme on luoda tieteeseen perustuva plasmankäsittelyn työkalupakki, joka mahdollistaa 2D-materiaalien integroinnin seuraavan sukupolven puolijohdelaitteiden valmistusprosesseihin."

Timanttianturit äärimmäisiin ympäristöihin

Alastair Stacey, PPPL:n johtava tutkimusfyysikko ja Royal Melbourne Institute of Technologyn (RMIT) fysiikan professori, johtaa toista hanketta, jossa tutkitaan tapoja tehdä erittäin vankkoja antureita timantista.

"On olemassa joukko todella äärimmäisiä ympäristöjä, joissa suurin osa elektroniikasta ei selviä ja joissa timantti voi pärjätä hyvin", sanoi Stacey, joka on PPPL:n kvanttimateriaalien ja -laitteiden sekä QDL:n johtaja.

Esimerkiksi avaruudessa käytettävien antureiden ja elektroniikan on joskus kestettävä mahdollisesti ongelmallisten hiukkasten, kuten korkeaenergisten ionien, pommituksia. Ydin- tai fuusioreaktoreissa ja rakettimoottoreissa käytettävien on kestettävä suurienergisiä hiukkasia ja säteilyä sekä valtavaa lämpöä rikkoutumatta. "Timantti on kovin luonnossa esiintyvä materiaali, jolla on poikkeuksellisen korkea lämmönjohtavuus, mikä molemmat viittaavat siihen, että se voisi olla lupaava käytettäväksi sellaisissa ympäristöissä", sanoi Carter.

"On olemassa joukko todella teknisiä kysymyksiä timanttien tekemisestä elektroniseksi materiaaliksi", Stacey sanoi. Yksi osa Staceyn tutkimusta tarkastelee tapoja tehdä transistoreja - kaiken elektroniikan avainkomponentteja - käyttämällä timanttia piin sijaan. Toinen tutkii timantin käyttöä erittäin suuritehoisten kuormien käsittelyssä.

"Yksi asioista, jotka meidän on selvitettävä, on kuinka lähelle voimme päästä esimerkiksi fuusioreaktoriin ennen kuin pistämme materiaalin kokonaan sivuun", hän sanoi. "Timantti on kestävä. Mutta kuinka kestävä? Kuinka lähelle pääsemme, Stacey pohdiskelee?"

Tammikuu 2025