Kolmanteen ulottuvuuteen

San Franciscon IEDM-konferenssissa yksi tämän vuoden teemoista oli kolmiulotteisuus. Siellä julkistusten kärkeen nousi IBM:n ja Samsungin esittemä uusi transistorirakenne Vertical Transport Field Effect Transistors (VTFET).

Aiempaa suuremman transistoritiheyden lisäksi ratkaisu vaikuttaa transistoreiden kontaktipisteisiin, mikä mahdollistaa suuremman virrankulun pienemmällä hukkaenergialla. VTFET-rakenne antaa mahdollisuuden lisätä eksponentiaalisen määrän transistoreita sirun pinnalle ja tarjoaa siten polun Mooren lain jatkamiseen.

Kaiken kaikkiaan uuden suunnittelun tavoitteena on tuottaa kaksinkertainen suorituskyvyn parannus tai 85 prosentin vähennys energiankulutuksessa verrattuna finFET-vaihtoehtoihin.

Mutta ei kaikkia munia samaan koriin sillä hiljattain IBM julkisti 2 nm:n siruteknologian läpimurron, jonka avulla kynnen kokoiselle sirulle mahtuu jopa 50 miljardia transistoria. Jokin aika sitten IBM ja Skoltechin yhteinen tutkimusryhmä kertoi luoneensa myös huonelämpötilassa toimivan optisen kytkimen, joka voisi korvata elektroniset transistorit uuden sukupolven tietokoneissa, jotka operoivat fotoneilla elektronien sijaan.

Myös Intelillä on suunnitelmia pinota CMOS-transistoreita pysytysuuntaan, jolloin logiikkaa voidaan tiivistää 30 - 50 prosenttia. Konferenssissa Intel esitteli kuitenkin GaN-tehokytkimen integrointia 300-milliselle CMOS-piikiekolle. Näin mikropiirin eri osille voidaan ohjailla virtaa tehokkaammin eli nopeammin kytkennöin ja pienemmin tehohäviöin.

Muistitekniikkaa on kerrostettu pystysuuntaan jo pidempään. Tsinghua University ja Chinese Academy of Sciencesin tutkijat ovat rakentaneet monoliittisen 3D-rakenteen, johon on pinottu kerroksittain CMOS-piilogiikka, RRAM-perustainen laskenta muistissa (CIM) ja kolmpleksinen sisältöosoitettava muisti (TCAM). Rakenne on tarkoitettu tietyille one-shot luokittelun koneoppimisen sovelluksille, joissa se saavuttaa GPU-järjestelmiä vastaavan tarkkuuden mutta huomattavasti vähemmällä energian kulutuksella.

Myös kuvaustekniikassa hyödynnetään jo kolmiulotteisuutta. 3D-rakenteisiin (single photon avalanche diode) SPAD-kuva-antureiden rakenteisiin on integroitu myös fotoninen prosessointi, erityisesti kun niitä sovelletaan Time-of-Flight eli syvyysulottuvuutta lukevaan kuvaukseen.

Kuitenkin tähän asti SPAD-kuva-antureiden suorituskykyä ovat rajoittaneet kompromissi pikselien havaitsemisen tehokkuudessa vs. pikselikoko ja huonot signaali-kohinasuhteet. Viime aikoina on tuotu esiin varauskeskeinen lähestymistapa näiden ongelmien ratkaisemiseksi ja sellaiseen perustuen Canon esitteli nyt IEDM:ssä 3,2 megapikselin 3D-rakenteisen SPAD-anturin, joka on suunniteltu erityisesti hämärässä kuvaukseen.

Aiheista aiemmin:

Topologisia ja muita vähällä toimivia transistoreita

3D-siru yhdistää prosessoinnin ja muistin