Elektronik bir istifleme tekniği, çiplerdeki transistör sayısını katlanarak artırabilir ve daha verimli yapay zeka donanımı sağlayabilir.

Elektronik endüstrisi, bir bilgisayar çipinin yüzeyine yerleştirilebilecek transistör sayısında bir sınıra yaklaşıyor. Bu nedenle, çip üreticileri dışarıdan ziyade yukarıya doğru inşa etmeye çalışıyorlar.

Endüstri, daha küçük transistörleri tek bir yüzeye sıkıştırmak yerine, bir çiftlik evini yüksek bir binaya dönüştürmeye benzer şekilde, transistörlerin ve yarı iletken elemanların birden fazla yüzeyini istiflemeyi hedefliyor. Bu tür çok katmanlı çipler katlanarak daha fazla veriyi işleyebilir ve günümüz elektroniklerinden çok daha karmaşık işlevleri yerine getirebilir.

Ancak önemli bir engel, çiplerin üzerine inşa edildiği platformdur. Günümüzde, yüksek kaliteli, tek kristalli yarı iletken elemanların yetiştirildiği ana iskele olarak hantal silikon levhalar kullanılmaktadır. İstiflenebilir herhangi bir çip, her katmanın bir parçası olarak kalın silikon “döşeme” içermek zorunda kalacak ve bu da işlevsel yarı iletken katmanlar arasındaki herhangi bir iletişimi yavaşlatacaktır.

Şimdi, MIT mühendisleri, herhangi bir silikon gofret alt tabakası gerektirmeyen ve alttaki katmanın devresini koruyacak kadar düşük sıcaklıklarda çalışan çok katmanlı bir çip tasarımıyla bu engeli aşmanın bir yolunu buldular.

Nature dergisinde bugün yayınlanan bir çalışmada ekip, doğrudan üst üste büyütülen yüksek kaliteli yarı iletken malzemenin alternatif katmanlarına sahip çok katmanlı bir çip üretmek için yeni yöntemi kullandıklarını bildiriyor.

Yöntem, mühendislerin sadece silikon levhaların hantal kristal iskeleti üzerinde değil, herhangi bir rastgele kristal yüzey üzerinde yüksek performanslı transistörler, bellek ve mantık elemanları inşa etmelerini sağlıyor. Araştırmacılar, bu kalın silikon alt tabakalar olmadan, çoklu yarı iletken katmanların daha doğrudan temas halinde olabileceğini ve bunun da katmanlar arasında daha iyi ve daha hızlı iletişim ve hesaplamaya yol açabileceğini söylüyor.

Araştırmacılar bu yöntemin, günümüzün süper bilgisayarları kadar hızlı ve güçlü olabilecek ve fiziksel veri merkezleriyle eşit düzeyde büyük miktarda veri depolayabilecek dizüstü bilgisayarlar veya giyilebilir cihazlar için istiflenmiş çipler şeklinde yapay zeka donanımı oluşturmak için kullanılabileceğini öngörüyor.

MIT'de makine mühendisliği profesörü olan çalışma yazarı Jeehwan Kim, “Bu buluş, yarı iletken endüstrisi için muazzam bir potansiyel yaratıyor ve çiplerin geleneksel sınırlamalar olmaksızın istiflenmesine olanak tanıyor” diyor. “Bu, yapay zeka, mantık ve bellek uygulamaları için bilgi işlem gücünde büyüklük sırasına göre iyileştirmelere yol açabilir.”

Çalışmanın MIT'deki ortak yazarları arasında ilk yazar Ki Seok Kim, Seunghwan Seo, Doyoon Lee, Jung-El Ryu, Jekyung Kim, Jun Min Suh, June-chul Shin, Min-Kyu Song, Jin Feng ve Sangho Lee'nin yanı sıra Samsung İleri Teknoloji Enstitüsü, Güney Kore'deki Sungkyunkwan Üniversitesi ve Dallas'taki Texas Üniversitesi'nden işbirlikçiler yer alıyor.

Tohum cepleri

2023'te Kim'in grubu, bitmiş çiplerdeki yarı iletken devrelerin çeşitli topografyasına benzer şekilde, amorf yüzeylerde yüksek kaliteli yarı iletken malzemeler yetiştirmek için bir yöntem geliştirdiklerini bildirdi. Büyüttükleri malzeme, geçiş-metal dikalkojenitler veya TMD'ler olarak bilinen ve daha küçük, yüksek performanslı transistörler üretmek için silikonun umut verici bir halefi olarak kabul edilen bir tür 2D malzemeydi. Bu tür 2D malzemeler tek bir atom kadar küçük ölçeklerde bile yarı iletken özelliklerini koruyabilirken, silikonun performansı keskin bir şekilde düşüyor.

Ekip, önceki çalışmalarında TMD'leri amorf kaplamalı silikon levhalar üzerinde ve mevcut TMD'lerin üzerinde büyüttü. Atomları rastgele, polikristal düzensizlik yerine yüksek kaliteli tek kristalli formda düzenlemeye teşvik etmek için Kim ve meslektaşları önce bir silikon gofreti çok ince bir filmle veya küçük açıklıklar veya ceplerle desenledikleri silikon dioksit “maskesi” ile kapladılar. Daha sonra maskenin üzerinden bir atom gazı akıttılar ve atomların ceplere “tohumlar” olarak yerleştiğini gördüler. Cepler, tohumları düzenli, tek kristalli desenlerde büyümek üzere sınırladı.

Ancak o zamanlar bu yöntem yalnızca 900 santigrat derece civarında çalışıyordu.

Kim, “Bu tek kristalli malzemeyi 400 santigrat derecenin altında büyütmek zorundasınız, aksi takdirde altta yatan devre tamamen pişer ve mahvolur,” diyor. “Dolayısıyla ev ödevimiz, benzer bir tekniği 400 santigrat dereceden daha düşük sıcaklıklarda yapmaktı. Eğer bunu yapabilirsek, önemli bir etki yaratabilirdik.”

İnşa etmek

Yeni çalışmalarında Kim ve meslektaşları, altta yatan herhangi bir devreyi koruyacak kadar düşük sıcaklıklarda tek kristalli 2D malzemeleri büyütmek için yöntemlerine ince ayar yapmaya çalıştılar. Metalürjide -metal üretim bilimi ve zanaatı- şaşırtıcı derecede basit bir çözüm buldular. Metalürji uzmanları erimiş metali bir kalıba döktüklerinde, sıvı yavaşça “çekirdeklenir” veya büyüyüp birleşerek katı hale gelen düzenli desenli bir kristale dönüşen taneler oluşturur. Metalurji uzmanları bu çekirdeklenmenin en kolay sıvı metalin döküldüğü kalıbın kenarlarında meydana geldiğini bulmuşlardır.

Kim, “Kenarlarda çekirdeklenmenin daha az enerji ve ısı gerektirdiği biliniyor,” diyor. “Biz de bu kavramı gelecekteki yapay zeka donanımlarında kullanmak üzere metalürjiden ödünç aldık.”

Ekip, tek kristalli TMD'leri, transistör devreleriyle zaten üretilmiş olan bir silikon plaka üzerinde büyütmeye çalıştı. İlk olarak, önceki çalışmalarında olduğu gibi, devreyi bir silikon dioksit maskesiyle kapladılar. Daha sonra maskenin ceplerinin her birinin kenarlarına TMD “tohumları” bıraktılar ve bu kenar tohumlarının, tek kristalli malzeme oluşturmak için daha yüksek sıcaklıklar gerektiren her bir cebin kenarlarından uzakta, merkezde büyümeye başlayan tohumlara kıyasla 380 santigrat derece kadar düşük sıcaklıklarda tek kristalli malzemeye dönüştüğünü buldular.

Araştırmacılar bir adım daha ileri giderek, yeni yöntemi iki farklı TMD'nin değişen katmanlarına sahip çok katmanlı bir çip üretmek için kullandılar - n-tipi transistörlerin üretimi için umut verici bir malzeme adayı olan molibden disülfür; ve p-tipi transistörlere dönüştürülme potansiyeline sahip bir malzeme olan tungsten diselenid. Hem p hem de n tipi transistörler, herhangi bir mantık işlemini gerçekleştirmek için elektronik yapı taşlarıdır. Ekip, her iki malzemeyi de herhangi bir ara silikon levhaya ihtiyaç duymadan doğrudan üst üste tek kristal formda büyütmeyi başardı. Kim, yöntemin bir çipin yarı iletken elemanlarının ve özellikle de modern bir mantık devresinin temel yapı taşı olan metal oksit yarı iletkenin (CMOS) yoğunluğunu etkili bir şekilde iki katına çıkaracağını söylüyor.

Kim, “Bizim tekniğimizle gerçekleştirilen bir ürün sadece 3D mantık çipi değil, aynı zamanda 3D bellek ve bunların kombinasyonlarıdır” diyor. “Büyüme tabanlı monolitik 3D yöntemimizle, onlarca ila yüzlerce mantık ve bellek katmanını üst üste büyütebilirsiniz ve bunlar çok iyi iletişim kurabilir.”

İlk yazar Kiseok Kim ise şunları ekliyor: “Geleneksel 3D yongalar, yonga plakası üzerinde delikler açılarak aradaki silikon yonga plakaları ile üretilmiştir - bu işlem üst üste yerleştirilen katmanların sayısını, dikey hizalama çözünürlüğünü ve verimi sınırlamaktadır.” “Büyüme tabanlı yöntemimiz tüm bu sorunları aynı anda ele alıyor.” 

Kim, istiflenebilir çip tasarımlarını daha da ticarileştirmek için kısa süre önce FS2 (Future Semiconductor 2D materials) adlı bir şirket kurdu.

“Şimdiye kadar küçük ölçekli cihaz dizilerinde bir konsept gösterdik” diyor. “Bir sonraki adım, profesyonel yapay zeka çipinin çalışmasını göstermek için ölçek büyütmek.”

Bu araştırma kısmen Samsung İleri Teknoloji Enstitüsü ve ABD Hava Kuvvetleri Bilimsel Araştırma Ofisi tarafından desteklenmektedir.