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目前在電子行業(yè)中，計算機(jī)芯片表面可容納的晶體管數(shù)量已趨近極限。芯片制造商開始尋求新的晶體管數(shù)量增長途徑。業(yè)界希望把晶體管和半導(dǎo)體元件堆疊于多個表面，如同將平房改建成高樓一般。這種多層芯片能夠處理海量數(shù)據(jù)，執(zhí)行比現(xiàn)有電子產(chǎn)品更為復(fù)雜的功能。然而，芯片構(gòu)建平臺成為一大阻礙。任何可堆疊芯片都需包含厚厚的硅 “地板” 作為各層的一部分，這會使功能性半導(dǎo)體層之間的通信速度減緩。

美國

近日，美國麻省理工學(xué)院的工程師們成功攻克這一難題，他們開發(fā)了無縫堆疊電子層的方法，可以制造出速度更快、密度更高、性能更強(qiáng)大的計算機(jī)芯片。研究人員將兩種不同的過渡金屬二硫化物（TMD）層二硫化鉬和二硒化鎢直接交替堆疊，可成倍增加芯片上的晶體管數(shù)量，不需要任何硅晶片基板，從而實現(xiàn)更好、更快的層間通信和計算，且工作溫度低。此方法讓工程師可以在任意隨機(jī)晶體表面構(gòu)建高性能晶體管、內(nèi)存和邏輯元件，而非局限于硅晶片的厚重晶體支架。研究人員指出，沒有厚硅基板，多個半導(dǎo)體層能夠更緊密接觸，實現(xiàn)更優(yōu)、更快的層間通信與計算。

圖：該團(tuán)隊將半導(dǎo)體粒子（粉色部分）以三角形的形式沉積在密閉的正方形內(nèi)，以創(chuàng)建高質(zhì)量的電子元件，直接位于其他半導(dǎo)體層（紫色、藍(lán)色和綠色層）之上。

研究人員預(yù)計，該方法可應(yīng)用于構(gòu)建人工智能硬件，例如以筆記本電腦或可穿戴設(shè)備的堆疊芯片形式呈現(xiàn)，其速度與功能將與當(dāng)今超級計算機(jī)相當(dāng)，數(shù)據(jù)存儲量可媲美物理數(shù)據(jù)中心。“這一突破為半導(dǎo)體行業(yè)帶來巨大潛力，使芯片堆疊擺脫傳統(tǒng)限制，” 研究作者、麻省理工學(xué)院機(jī)械工程副教授 Jeehwan Kim 表示，“這可能大幅提升人工智能、邏輯和內(nèi)存應(yīng)用的計算能力。”

2023年，研究團(tuán)隊為在非晶涂層硅晶片生長 TMD，促使原子排列成高質(zhì)量單晶形式而非隨機(jī)多晶無序形式，在硅晶片上覆蓋一層極薄的二氧化硅“掩模”。但該方法僅在 900℃ 左右有效，容易傷害底層電路。因此在新研究中，研究人員為在低溫下生長單晶二維材料以保護(hù)底層電路，從冶金學(xué)找到辦法。冶金中熔融金屬倒入模具，液體會在邊緣優(yōu)先 “成核”，形成規(guī)則晶體。研究人員將此概念用于 AI 硬件，繼續(xù)用二氧化硅掩模覆蓋電路，在掩模 “口袋” 邊緣沉積 TMD “種子”，發(fā)現(xiàn)邊緣種子在低至 380℃ 就能長成單晶材料，而中心種子則需更高溫度。研究人員進(jìn)一步利用該方法制造出多層芯片。

研究人員稱，該方法可使芯片半導(dǎo)體元件密度翻倍，對現(xiàn)代邏輯電路基本構(gòu)成的金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）尤是如此，并稱，用此技術(shù)能造出 3D 邏輯芯片、3D 內(nèi)存及其組合，可生長堆疊數(shù)十到數(shù)百個邏輯層與內(nèi)存層。且傳統(tǒng) 3D 芯片依靠硅晶圓鉆孔制成，限制了堆疊層數(shù)量、垂直對準(zhǔn)分辨率和成品率，而新的材料生長方法能一次性解決這些問題。為進(jìn)一步推動可堆疊芯片設(shè)計商業(yè)化，研究團(tuán)隊創(chuàng)立了一家 “FS2”（未來半導(dǎo)體 2D 材料）公司，下一步將擴(kuò)大規(guī)模，從展示小型設(shè)備陣列過渡到專業(yè) AI 芯片操作。

研究得到了三星先進(jìn)技術(shù)研究所和美國空軍科學(xué)研究辦公室的支持。相關(guān)研究成果發(fā)表在《自然》期刊。