कमी-तापमानातील 3D चिप स्टॅकिंग सिलिकॉन स्केलिंगसाठी नवा मार्ग दाखवते

सिलिकॉन स्टॅक करण्याचा नवा दृष्टिकोन चिपनिर्मितीतील सर्वात कठीण तडजोडींपैकी एकाला लक्ष्य करतो

युनिव्हर्सिटी ऑफ इलिनॉय अर्बाना-शॅम्पेनमधील संशोधन पथकाचे म्हणणे आहे की त्यांनी कमी तापमानावर मोनोलिथिक 3D सिलिकॉन चिप्स तयार करण्याची पद्धत विकसित केली आहे, आणि त्यात जवळपास परिपूर्ण yield मिळवली आहे. हा निष्कर्ष व्यापक पडताळणी आणि स्केलिंग कामांमध्येही टिकून राहिला, तर पारंपरिक द्विमितीय लहानिकीकरणावरच अवलंबून न राहता चिप कार्यक्षमता आणि घनता सुधारण्याच्या दीर्घ प्रयत्नात तो एक लक्षणीय टप्पा ठरेल.

या कल्पनेचे केंद्र महत्त्वाचे आहे, कारण मोनोलिथिक 3D एकत्रीकरणाबद्दल अनेक वर्षांपासून सिलिकॉन निर्मितीचे उपयुक्त आयुष्य वाढवण्याचा मार्ग म्हणून चर्चा होत आहे. अधिक ट्रान्झिस्टर एका सपाट पृष्ठभागावर पसरवण्याऐवजी, अभियंते उपकरणांचे थर एकमेकांच्या वर अधिक घट्टपणे स्टॅक करतात. तत्त्वतः, यामुळे इंटरकनेक्ट अंतर कमी होऊ शकते, कार्यांदरम्यान बँडविड्थ सुधारू शकते, आणि त्याच जागेत अधिक क्षमता आणण्यासाठी वाव मिळू शकतो.

व्यावहारिक अडथळा प्रक्रिया-सुसंगतता हा होता. उच्च-कार्यक्षमता सिलिकॉन फॅब्रिकेशनसाठी सहसा असे थर्मल बजेट लागतात जे खाली आधीच तयार केलेल्या सर्किट्रीला हानी पोहोचवू शकतात किंवा बिघडवू शकतात. म्हणूनच या अहवालातील कमी-तापमान घटक महत्त्वाचा आहे. विद्यमान थरांची कार्यक्षमता न बिघडवता अतिरिक्त थर जोडण्याची परवानगी देणारी प्रक्रिया, मोनोलिथिक 3D डिझाइन औद्योगिक स्तरावर आणणे कठीण का गेले याची मुख्य कारणांपैकी एक सोडवते.

yield का हीच प्रमुख संख्या आहे

दुसरा ठळक दावा म्हणजे yield. सेमीकंडक्टर उत्पादनात, महत्त्वाकांक्षी प्रक्रिया-कल्पना अनेकदा या कारणाने अपयशी ठरत नाहीत की त्या एकदाच चालत नाहीत, तर त्या उत्पादनाचे समर्थन करण्याइतक्या सातत्याने चालू शकत नाहीत. जर त्या पुनरावृत्तीयोग्य असतील, तर जवळपास परिपूर्ण yield सूचित करते की संशोधक केवळ प्रयोगशाळेतील proof of concept दाखवत नाहीत, तर त्या विश्वासार्हतेच्या टप्प्याकडे सरकत आहेत जो ठरवतो की एखादी पद्धत व्यावसायिकदृष्ट्या महत्त्वाची आहे की नाही.

याचा अर्थ मोठ्या प्रमाणावर उत्पादनाकडे थेट उडी जवळ आली आहे असा नाही. संशोधनातील टप्पे आणि कारखान्यातील स्वीकार वेगवेगळ्या वेळापत्रकांवर चालतात, आणि विद्यापीठातील प्रक्रिया प्रवाहातून पूर्ण-स्तरीय उत्पादनाकडे जाण्यास सहसा अनेक वर्षे सुधारणा, उपकरणांचे काम, आणि एकत्रीकरण चाचण्यांची गरज असते. तरीही, yield डेटा महत्त्वाचा आहे कारण तो एखादी कल्पना मूलतः कमकुवत आहे की संभाव्यतः उत्पादनक्षम आहे, याचा संकेत देतो.

व्यापक उद्योगासाठी हा फरक अत्यंत महत्त्वाचा आहे. पारंपरिक ट्रान्झिस्टर स्केलिंग अधिक कठीण आणि महाग होत असताना, पुढील लाभ packaging, advanced memory, chiplet architectures, आणि vertical integration च्या नव्या रूपांमधून येतील अशी अपेक्षा वाढत आहे. विश्वासार्ह कमी-तापमान मोनोलिथिक 3D पद्धत या मिश्रणात अगदी बसते.

हे प्रत्यक्ष प्रणालींमध्ये काय बदलू शकते

ही प्रक्रिया प्रयोगशाळेपलीकडे विस्तारता आली, तर सौम्य उष्णतामान स्थितींमध्ये तयार केलेले stacked silicon डिझाइनरांना logic, memory, आणि specialized accelerators यांचे विभाजन कसे करायचे याबाबत अधिक लवचिकता देऊ शकते. डेटा हलवणे जितके प्रोसेसिंग इतकेच महाग असते अशा बाजारांत हे महत्त्वाचे ठरते. घन vertical stacking द्वारे compute blocks जवळ आणल्याने कार्यक्षमता आणि कामगिरी दोन्ही सुधारू शकतात.

याचा परिणाम उत्पादकांनी system integration कसा विचारात घ्यावा यावरही होऊ शकतो. आज अनेक advanced products scaling limits सोडवण्यासाठी एका package मध्ये अनेक dies ठेवतात. त्या पद्धतीने मोठे फायदे दिले आहेत, पण packaging complexity आणि interconnect overhead अजूनही राहतो. Monolithic 3D integration वेगळे आश्वासन देते: वेगळ्या chips दरम्यान नव्हे, तर silicon च्या आतच अधिक घट्ट coupling.

हे chiplets चे पूरक ठरेल की प्रतिस्पर्धी, हे cost, defect rates, power behavior, आणि process किती प्रकारची devices support करू शकतो यावर अवलंबून असेल. ही उत्तरे सुरुवातीच्या सारांशात नाहीत, पण संशोधनाचा निष्कर्ष लक्षणीय आहे कारण तो उद्योगाच्या सर्वात मोठ्या संरचनात्मक प्रश्नांपैकी एकाला थेट स्पर्श करतो: Moore's Law च्या जुन्या आवृत्त्या टिकवणे कठीण होत असताना computing hardware मध्ये सुधारणा कशी चालू ठेवायची.

जवळून पाहण्यासारखा संशोधन मैलाचा दगड

युनिव्हर्सिटी ऑफ इलिनॉय अर्बाना-शॅम्पेन पथक आपला निष्कर्ष कामगिरी, उत्पादनक्षमता, आणि तापीय नियंत्रण यांच्या संगमावर मांडत आहे. हे धोरणात्मकदृष्ट्या महत्त्वाचे संयोजन आहे. अनेक semiconductor breakthroughs स्वतंत्रपणे अधिक कार्यक्षमता देतात; उत्पादनाच्या वास्तवाशी सुसंगत असल्याचा दावा करणाऱ्या कमी असतात.

सध्या सावध वाचन असेच की हे एक महत्त्वाचे संशोधन संकेत आहे, पण पूर्ण उत्पादन रोडमॅप नाही. तरीही, जवळपास परिपूर्ण yield सह कमी-तापमान मोनोलिथिक 3D सिलिकॉन हा उद्योगाने शैक्षणिक प्रयोगशाळांमधून पाहण्याची वाट पाहिलेला नेमका प्रकारचा निष्कर्ष आहे. हे सूचित करते की vertical silicon integration ही आकर्षक कल्पनेतून अधिक विश्वासार्ह अभियांत्रिकी मार्गाकडे सरकत आहे.

ज्या क्षेत्रात वाढीव लाभांसाठीही मोठ्या तांत्रिक तडजोडींची आवश्यकता वाढत चालली आहे, तिथे केवळ हेच काम परिणामकारक ठरते. पुढचा प्रश्न stacked silicon हवाच का हा नाही. प्रश्न असा आहे की हा दृष्टिकोन पुनरावृत्तीयोग्य, सामान्यीकरणयोग्य, आणि आधुनिक computing ला परिभाषित करणाऱ्या manufacturing ecosystems मध्ये हस्तांतरित करता येईल का.

हा लेख Interesting Engineering च्या रिपोर्टिंगवर आधारित आहे. मूळ लेख वाचा.