Daugelis elektronikos inžinierių tikisi, kad sudėjus tranzistorius vieną ant kito, o ne greta ant plokščio lusto, didžiuliai skaičiavimo pajėgumai gali būti sutalpinti į mažytes erdves, tuo pačiu sumažinant energijos suvartojimą. Tačiau iki šiol tokių monolitinių 3D integrinių grandynų kūrimas pasirodė esąs labai sudėtingas, daugiausia dėl to, kad reikalingi gamybos procesai gali pažeisti jau esančius sluoksnius.
Komandos tyrimas pristato naują būdą, kaip pagaminti sluoksniuotus silicio tranzistorius. Nuotrauka: Bao Lam ir kt.
Naujuose tyrimuose, paskelbtuose žurnale „Nature“, Qing Cao ir kolegos iš Ilinojaus Urbana-Champaign universiteto sukūrė naują požiūrį, kuris apeina šias problemas ir priartina didelio našumo 3D lustus prie realybės.
Perkaitusios tranzistorių grupės
Šiuolaikiniai kompiuterių lustai pagaminti iš plonų silicio plokštelių, kuriose tranzistoriai (mažyčiai jungikliai, apdorojantys informaciją) išdėstyti viename plokščiame sluoksnyje. Jei tame pačiame luste būtų galima sudėti kelis tranzistorių sluoksnius vienas ant kito, tai smarkiai padidintų jų tankį, nepadidinant lusto dydžio. Tačiau dėl šio trimačio dizaino lustas perkaistų, o tai galėtų sunaikinti po juo jau esančią grandinę.
Siekiant išspręsti šį iššūkį, atlikta keletas tyrimų, siekiant pakeisti įprastuose tranzistoriuose naudojamą silicį alternatyviomis medžiagomis, kurias galima apdirbti žemesnėje temperatūroje. Tačiau šie projektai nuolat veikė prasčiau, palyginti su silicio analogais, todėl trimačio dizaino privalumai buvo panaikinami.
Monolitinės trimatės integrinės loginės grandinės, pagamintos iš su BEOL (Back-End-of-Line) suderinamų silicio tranzistorių. Šaltinis: „Nature“ (2026). DOI: 10.1038/s41586-026-10496-6
Inovatyvus dizainas
Savo tyrime Cao komanda rado būdą, kaip išlaikyti silicį, tuo pačiu metu dirbant griežtose temperatūros ribose, kurių reikalauja 3D sluoksniavimas. Pagrindinė jų inovacija – itin plonų, lanksčių, vos 10 nanometrų storio silicio lakštų naudojimas, kuriuos jie perkėlė ant lusto naudodami volelį.
Lakštai nulupami nuo specialaus silicio pagrindo lipnia juosta ir tada sudedami žemesnėje nei 200 °C temperatūroje – tai yra saugių ribų žemiau esantiems sluoksniams. Kadangi lakštai yra lankstūs, jie prisitaiko prie po juo esančio paviršiaus, sukurdami vienodą sukibimą, net jei tas paviršius nėra idealiai lygus.
Galiausiai komanda ant kiekvieno silicio lakšto suformavo tranzistorius, naudodama dizainą, kuris vengia aukštų temperatūrų žingsnių, kurių reikalauja įprasti tranzistoriai.
Silicio naudojimas
Gauti įrenginiai savo efektyvumu gerai atitinka standartinius silicio tranzistorius, o vienas po kito einančius sluoksnius galima sulygiuoti mažiau nei dešimties nanometrų atstumu vienas nuo kito: toks tikslumas būtinas tankioms ir patikimoms grandinėms.
Taikydama šį metodą, Cao komanda sugebėjo sukurti veikiančius trijų sluoksnių atminties elementus, sumažindama grandinės užimamą plotą iki trijų kartų, palyginti su lygiaverčiu plokščiu dizainu.
Rezultatai rodo, kad pereinant prie 3D lustų nereikėtų aukoti didelio našumo silicio. Kol kas proceso pritaikymas didesniems pramoninėse lustų gamybos plokštelėse išlieka dideliu inžineriniu iššūkiu, tačiau vis dėlto šis darbas žymi daug žadantį žingsnį link tankesnių, galingesnių integrinių grandynų, pagamintų iš medžiagos, kurią pramonė jau žino, kaip naudoti.
Bao Lam et al, Monolithic three-dimensional integration of silicon transistors, Nature (2026). DOI: 10.1038/s41586-026-10496-6
Veeresh Deshpande, Transistors on a roll: 3D circuits built from stacks of flexible membranes, Nature (2026). DOI: 10.1038/d41586-026-01413-y
Journal information:Nature
NASA naujasis dirbtinio intelekto kosminis lustas galėtų leisti erdvėlaiviams mąstyti patiems
VILNIUS TECH tyrėjo sukurtas lustas – inovacija transporto elektronikoje
Lustai – strateginis Europos prioritetas: koks vaidmuo atiteks Lietuvai?