Kolmiulotteisia siruja jatkuvana prosessina

Stanfordin, Carnegie Mellonin ja Pennsylvanian yliopistojen sekä MIT:n insinöörit ovat tehneet yhteistyötä SkyWater Technologyn, Yhdysvaltojen suurimman yksinomaan puhdasverisiä puolijohteita valmistavan tehtaan, kanssa kehittääkseen uudenlaisen monikerroksisen tietokonesirun, jonka arkkitehtuuri voisi auttaa aloittamaan uuden aikakauden tekoälylaitteistossa ja kotimaisessa puolijohdeinnovaatiossa.

Sen ennätyksellinen pystysuuntaisten liitäntöjen tiheys ja huolellisesti yhteen kietoutuneiden muisti- ja laskentayksiköiden yhdistelmä auttavat sirua ohittamaan pullonkaulat, jotka ovat pitkään hidastaneet yksitasoisten mallien kehitystä.

Vaikka akateemiset laboratoriot ovat aiemmin rakentaneet kokeellisia 3D-siruja, tämä on ensimmäinen kerta, kun tällainen siru on osoittanut selkeitä suorituskyvyn parannuksia ja se on valmistettu kaupallisessa valimossa. ”Tämä avaa oven uudelle aikakaudelle sirujen tuotannossa ja innovaatioissa”, sanoo professori Subhasish Mitra ja sirua kuvaavan uuden artikkelin päätutkija.

Tähän asti useimmat 3D-sirujen valmistusyritykset ovat perustuneet erillisten sirujen pinoamiseen. Tämä lähestymistapa toimii, mutta kerrosten väliset yhteydet ovat karkeita, harvassa ja ovat alttiita pullonkauloille.

Sen sijaan, tiimi rakensi jokaisen kerroksen suoraan edellisen päälle yhtenä jatkuvana prosessina. Tässä "monoliittisessa" menetelmässä käytetään riittävän alhaisia lämpötiloja, jotta alla olevat piirit eivät vahingoitu, minkä ansiosta tutkijat voivat pinota komponentteja tiiviimmin ja liittää ne paljon tiheämmin.

Toteutus kaupallisella tasolla

Vielä merkittävämpää on, että prosessi tehtiin kokonaan kotimaisessa kaupallisessa piivalimossa. ”Huippuluokan akateemisen konseptin muuttaminen joksikin, mitä kaupallinen tehdas voi rakentaa, on valtava haaste”, sanoo tutkimuksen toinen kirjoittaja SkyWater Technologyn teknologiakehitystoiminnan vetäjä Mark Nelson.

Alustavat laitteistotestit osoittavat, että prototyyppi suoriutuu jo noin nelinkertaisesti kuin vastaavat 2D-siruit. Korkeampien, tulevaisuuden versioiden simulaatiot – joissa on enemmän pinottuja muisti- ja laskentakerroksia – viittaavat vielä suurempiin hyötyihin. Lisäkerroksilla varustetut mallit osoittavat jopa kaksitoistakertaista parannusta todellisiin tekoälykuormiin verrattuna, mukaan lukien Metan avoimen lähdekoodin LLaMA-mallista johdetut mallit.

Tutkijoiden mukaan suunnittelu avaa realistisen polun 100–1 000-kertaisiin parannuksiin energiaviivetulossa (EDP), joka on keskeinen mittari nopeuden ja energiatehokkuuden tasapainottamisessa. Lyhentämällä datan siirtoa merkittävästi ja lisäämällä paljon enemmän vertikaalisia reittejä siru voi saavuttaa sekä suuremman läpimenon että pienemmän energiankulutuksen operaatiota kohden, yhdistelmän, jota on pitkään pidetty saavuttamattomana perinteisille, litteille arkkitehtuureille.

Tutkijat korostavat, että tämän tutkimuksen pitkän aikavälin merkitys ulottuu suorituskyvyn ulkopuolelle. Heidän mukaansa työ todistaa, että monoliittisia 3D-siruja voidaan rakentaa Yhdysvaltain maaperällä, ja luo pohjan uudelle aikakaudelle kotimaisessa laitteistoinnovaatiossa, jossa Amerikka voi suunnitella ja valmistaa edistyneimpiä siruja.

Aivan kuten 1980-luvun integroitujen piirien vallankumousta vauhdittivat opiskelijat, jotka oppivat suunnittelemaan ja rakentamaan siruja Yhdysvaltain laboratorioissa, tutkijoiden mukaan siirtyminen vertikaaliseen, monoliittiseen 3D-integraatioon vaatii uuden sukupolven insinöörejä, jotka hallitsevat nämä teknologiat sujuvasti.

Aiheesta aiemmin:

Mikroelektroniikan energiatehokkuutta virittäen

Insinöörit kasvattavat "pystyrakenteisia" 3D-siruja