متطلبات الأجهزة الضخمة ل الذكاء الاصطناعي تعمل تطبيقات (الذكاء الاصطناعي) على توسيع القيود المادية والهيكلية لأشباه الموصلات. لكن الباحثين صمموا شريحة سيليكون ثلاثية الأبعاد واقترحوها كحل.
في دراسة جديدة نشرت في 27 مايو في المجلة طبيعةاكتشف العلماء طريقة لحشد المزيد من قوة الحوسبة في الشريحة عن طريق تكديس دوائر السيليكون في طبقات متعددة بطريقة لا تؤثر على الأداء.
يعد تكديس الرقائق عموديًا، المعروف باسم التكامل ثلاثي الأبعاد، أكثر كفاءة من الرقائق التقليدية ثنائية الأبعاد، حيث تنتشر دوائر السيليكون عبر سطح واحد. وذلك لأن التراص يقصر المسافة التي يجب أن تقطعها البيانات ويقلل الطاقة اللازمة لنقل البيانات.
تستخدم شريحة الباحثين ثلاثية الأبعاد أغشية السيليكون فائقة الرقة وتقنيات التصنيع ذات درجات الحرارة المنخفضة للتغلب على تحديات بنيات الرقائق الحالية.
“إن طريقتنا ليست أسهل في التنفيذ وبتكلفة أقل فحسب، بل إنها تتمتع بالعديد من المزايا مقارنة بالطرق السابقة لتكديس رقائق السيليكون.” تشينغ كاووقال المؤلف الأول للدراسة وأستاذ علوم وهندسة المواد في جامعة إلينوي أوربانا شامبين في مقال إفادة.
توسيع قانون مور
منذ الستينيات، كان ضمان قدرة الإلكترونيات على التعامل مع التطبيقات الأكثر تطلبًا يعني جعل الترانزستورات أصغر حجمًا بحيث يمكن تجميع المزيد منها في شريحة واحدة. ولكن، كما أشار كاو، فإن مضاعفة عدد الترانزستورات كل عامين هو مبدأ يُعرف باسم قانون مور – أصبح أقل جدوى.
وقال كاو في البيان: “إذا نظرت إلى الحجم الفعلي للترانزستورات، فإنها لا تصبح أصغر، خاصة فيما يتعلق ببوابة الاتصال الخاصة بها”، والتي تم تعريفها على أنها العرض المشترك لبوابة الترانزستور الواحدة والمساحة اللازمة لفصلها عن الأخرى.
احصل على الاكتشافات الأكثر روعة في العالم والتي يتم تسليمها مباشرة إلى صندوق الوارد الخاص بك.
“هذا لأننا أصبحنا مقيدين بالخصائص المادية الجوهرية للسيليكون والقواعد الأساسية للسيليكون ميكانيكا الكم. إذا أردنا مواكبة الاتجاه المتمثل في زيادة قوة المعالجة لمعالجاتنا الدقيقة، فعلينا أن نبدأ بالتفكير بما يتجاوز مجرد ضغط المزيد من الأجهزة على سطح واحد.”
يعتقد الباحثون أن التكامل الرأسي عبر طبقات متعددة هو أفضل طريقة لضمان استمرار المهندسين في الالتزام بقانون مور، لأن هذا النهج يخلق مساحة لمزيد من الترانزستورات على الشريحة.
وأوضح كاو: “اليوم يتطلب الأمر ستة أجهزة إلكترونية دقيقة تسمى الترانزستورات على متن طائرة واحدة لتخزين جزء واحد من المعلومات”، مشيرًا إلى أنه كما هو الحال في مدينة مكتظة بالسكان، فإن الطريقة الوحيدة لحل الاكتظاظ هي البناء التصاعدي. “تحصل على نفس الوظيفة، ولكن يتم تقليل البصمة المكانية مع جعل الاتصال بين الطبقات أسرع وأكثر كفاءة.”
العالم جوردون مور يشاهد رسمًا بيانيًا يمثل قانون مور.
التغلب على مشكلة الحرارة
التراص ليس بالأمر الجديد بالطبع، لكن التكامل الرأسي – بناء الطبقات مباشرة فوق بعضها البعض – يمكن أن يؤدي إلى إنشاء حزم كثيفة حرارياً. وفي الدراسة، لاحظ الباحثون أن تصنيع رقائق السيليكون عالية الجودة يتطلب درجات حرارة تصل إلى 1832 درجة فهرنهايت (1000 درجة مئوية).
ومع ذلك، بمجرد الانتهاء من طبقة الشريحة الأولى، يمكن تدمير الأسلاك المعدنية التي تم إدخالها لتوصيل طبقات أخرى بسبب درجات الحرارة المرتفعة هذه. ونتيجة لذلك، فإن “الميزانية الحرارية” – الحد الأقصى لكمية الحرارة التي يمكن تحملها قبل بدء التحلل – لأي طبقات إضافية هي 752 فهرنهايت (400 درجة مئوية)، كما قال كاو. يمكن أن يؤدي هذا إلى مشكلات في الأداء والموثوقية.
عند إنشاء شرائح السيليكون المكدسة ثلاثية الأبعاد، سعى المصنعون إلى تجنب هذه المشكلة عن طريق استخدام بدائل للسيليكون أحادي البلورة للطبقات العليا، وفقًا للباحثين. وقال العلماء في الدراسة إن هذه المواد تشمل أكاسيد المعادن غير المتبلورة والبلورية النانوية وأنابيب الكربون النانوية والسيليكون متعدد البلورات، لكنها يمكن أن تؤدي إلى مشكلات في الأداء والموثوقية.
للتغلب على هذا التحدي، اعتمد تساو وفريقه نهجًا يسمى “التكامل المتآلف” – وهي عملية يتم فيها تصنيع جميع مكونات الرقاقة على قطعة واحدة من الركيزة، بدلاً من تصنيعها بشكل منفصل ثم ربطها معًا لاحقًا.
ولبناء كل شريحة، أنشأ الباحثون أغشية نانوية من السيليكون فائقة الرقة، ثم نقلوها، باستخدام آلة تغليف ملفوفة، إلى ركيزة تحتوي على الطبقة السفلية.
كانت درجة الحرارة القصوى المطلوبة لتوليد رابطة قوية باستخدام هذه الطريقة هي 392 درجة فهرنهايت (200 درجة مئوية) فقط، أي أقل بخمس مرات من الحرارة المطلوبة عادة. كانت الأغشية التي نقلوها أيضًا بسمك 10 نانومتر فقط أو أقل – بحجم البروتين تقريبًا – مقارنة بسمك رقاقة نموذجية يتراوح بين 500 إلى 700 ميكرومتر (500000 إلى 700000 نانومتر). وأضاف تساو أن هذه الأغشية، لأنها رقيقة، تكون مرنة ميكانيكيًا لتتوافق مع السطح الأساسي.
وكانت نتيجة هذه العملية عبارة عن شريحة ثلاثية الأبعاد مكونة من ثلاث طبقات، تحتوي كل منها على 625 ترانزستورًا. هذا يتضاءل بالمقارنة مع مليارات الترانزستورات يمكن حشرها على رقائق موجودة بالفعل في السوق، لكن الباحثين يعتقدون أن تقنيتهم تتميز بفوائد كفاءة الطاقة. لقد ثبت أن التيار الكهربائي الذي يمكن أن يتدفق عبر الشريحة أكبر بثلاث إلى أربع مرات على الأقل من التيار الكهربائي الذي يمكن أن يتدفق عبر الرقائق المتجانسة المصنوعة من مواد بديلة.
والسؤال الكبير هو ما إذا كانت شريحة السيليكون ثلاثية الأبعاد الخاصة بهم قادرة على تحقيق قفزة من التطبيقات المختبرية إلى التطبيقات التجارية. في حين يوضح البحث إمكانات الشريحة التي تتكون من ثلاث طبقات مكدسة، اقترح العلماء أنه يمكن إضافة المزيد من الطبقات في التكرارات المستقبلية.
باو لام، يونج مان يو، هيونجون نام، هسو-تشيه ني، شوميك تشاترجي، شالو راخيجا، جيان مين زو، تشينغ كاو. التكامل المتآلف ثلاثي الأبعاد لترانزستورات السيليكون. طبيعة2026; معرف الهوية الرقمي: 10.1038/s41586-026-10496-6
هل يمكنك مطابقة هذه الأجهزة القديمة مع صورها؟ اكتشف معنا مسابقة الحوسبة!
مرتبط
اكتشاف المزيد من موقع مدسن medicine
اشترك للحصول على أحدث التدوينات المرسلة إلى بريدك الإلكتروني.
