Закон Мура мёртв — да здравствует вертикаль. Учёные показали, как обойти физические пределы миниатюризации транзисторов

Учёные из Университета науки и технологий имени короля Абдаллы (KAUST, Саудовская Аравия) представили первый в мире шестислойный гибридный CMOS-чип, который может изменить подход к созданию электроники. До сих пор подобные решения с вертикальным размещением ограничивались двумя слоями, но новая конструкция показала стабильную работу при трёхкратном увеличении плотности интеграции.

«В проектировании микрочипов всё сводится к тому, чтобы разместить больше мощности в меньшем объёме. Оптимизировав несколько этапов производства, мы создали чертёж для масштабирования в высоту и увеличения функциональной плотности далеко за нынешние пределы», — объяснил ведущий исследователь Сараванан Ювараджа, постдок в KAUST, в интервью EurekAlert.

Разработка выходит за рамки простого инженерного успеха. По мнению авторов, она открывает путь к созданию новых архитектур для «умных» устройств, носимой электроники и медицинских сенсоров.

На протяжении десятилетий индустрия микросхем следовала правилу — уменьшать транзисторы, чтобы разместить больше на одной плоскости. Но по мере того как элементы становятся всё меньше, квантовые эффекты и растущая стоимость делают дальнейшую миниатюризацию практически невозможной. Учёные считают, что следующий шаг — это рост «вверх», когда цепи выстраиваются слоями, как этажи небоскрёба.

Главные препятствия такого подхода — высокая температура, разрушающая нижние слои, и сложность идеального выравнивания. Чтобы их преодолеть, исследователи пересмотрели процесс сборки микросхем с нуля. Вместо традиционных технологий они применили метод, при котором температура не превышала 150 °C, а большинство операций выполнялось практически при комнатных условиях.

Это позволило защитить нижние уровни при добавлении новых. Каждый слой чипа содержит миниатюрные транзисторы: одни — из неорганических материалов (n-типа на основе оксида индия), другие — из органических соединений. Объединённые вместе, они формируют гибридную CMOS-архитектуру, лежащую в основе большинства электронных устройств.

Команда также усовершенствовала подготовку и соединение поверхностей, сделав переходы максимально гладкими. Благодаря этому сигналы проходят между слоями без потерь и помех. В результате получился чип с шестью активными уровнями — в три раза больше, чем у предыдущих гибридных CMOS. Он продемонстрировал стабильную работу и энергоэффективные логические цепи, доказав, что вертикальное масштабирование реально без перегрева.

Новый подход к производству микросхем может изменить целые направления электроники. Для гибких и носимых устройств он откроет возможность создания компактных сенсоров и медицинских систем, встроенных прямо в ткань. Для Интернета вещей вертикальные чипы обеспечат мощные вычисления при минимальном энергопотреблении, а для космических и экологических технологий — лёгкие и надёжные решения для спутников и удалённых сенсоров.

Пока исследование находится на этапе proof-of-concept. Учёным предстоит повысить устойчивость чипов к высоким температурам и адаптировать процесс под массовое производство. Команда KAUST планирует улучшить материалы и надёжность конструкции, а также исследовать возможность добавления новых слоёв и функций. Работа опубликована в журнале Nature Electronics.