एक इलेक्ट्रॉनिक स्टैकिंग तकनीक चिप्स पर ट्रांजिस्टर की संख्या में तेजी से वृद्धि कर सकती है, जिससे अधिक कुशल एआई हार्डवेयर सक्षम हो सकेगा।
इलेक्ट्रॉनिक्स उद्योग कंप्यूटर चिप की सतह पर पैक किए जा सकने वाले ट्रांजिस्टर की संख्या की सीमा के करीब पहुंच रहा है। इसलिए, चिप निर्माता बाहर जाने के बजाय निर्माण करना चाह रहे हैं।
एक ही सतह पर छोटे-छोटे ट्रांजिस्टर को निचोड़ने के बजाय, उद्योग का लक्ष्य ट्रांजिस्टर और अर्धचालक तत्वों की कई सतहों को ढेर करना है – जैसे कि एक खेत के घर को ऊंची इमारत में बदलना। ऐसे बहुस्तरीय चिप्स तेजी से अधिक डेटा संभाल सकते हैं और आज के इलेक्ट्रॉनिक्स की तुलना में कई अधिक जटिल कार्य कर सकते हैं।
हालाँकि, एक महत्वपूर्ण बाधा वह प्लेटफ़ॉर्म है जिस पर चिप्स बनाए जाते हैं। आज, भारी सिलिकॉन वेफर्स मुख्य मचान के रूप में काम करते हैं जिस पर उच्च गुणवत्ता वाले, एकल-क्रिस्टलीय अर्धचालक तत्व उगाए जाते हैं। किसी भी स्टैकेबल चिप को प्रत्येक परत के हिस्से के रूप में मोटी सिलिकॉन “फर्श” को शामिल करना होगा, जो कार्यात्मक अर्धचालक परतों के बीच किसी भी संचार को धीमा कर देगा।
अब, एमआईटी इंजीनियरों ने इस बाधा को दूर करने का एक तरीका ढूंढ लिया है, जिसमें एक बहुपरत चिप डिज़ाइन है जिसमें किसी भी सिलिकॉन वेफर सब्सट्रेट की आवश्यकता नहीं होती है और यह अंतर्निहित परत की सर्किटरी को संरक्षित करने के लिए काफी कम तापमान पर काम करता है।
जर्नल में आज छपे एक अध्ययन में प्रकृति टीम एक दूसरे के ऊपर सीधे उगाई गई उच्च गुणवत्ता वाले अर्धचालक सामग्री की वैकल्पिक परतों के साथ एक बहुपरत चिप बनाने के लिए नई विधि का उपयोग करने की रिपोर्ट करती है।
यह विधि इंजीनियरों को किसी भी यादृच्छिक क्रिस्टलीय सतह पर उच्च-प्रदर्शन ट्रांजिस्टर और मेमोरी और लॉजिक तत्वों का निर्माण करने में सक्षम बनाती है – न कि केवल सिलिकॉन वेफर्स के भारी क्रिस्टल मचान पर। शोधकर्ताओं का कहना है कि इन मोटे सिलिकॉन सब्सट्रेट्स के बिना, कई अर्धचालक परतें अधिक सीधे संपर्क में हो सकती हैं, जिससे परतों के बीच बेहतर और तेज़ संचार और गणना हो सकेगी।
शोधकर्ताओं ने कल्पना की है कि इस पद्धति का उपयोग लैपटॉप या पहनने योग्य उपकरणों के लिए स्टैक्ड चिप्स के रूप में एआई हार्डवेयर बनाने के लिए किया जा सकता है, जो आज के सुपर कंप्यूटर जितना तेज़ और शक्तिशाली होगा और भौतिक डेटा केंद्रों के बराबर बड़ी मात्रा में डेटा संग्रहीत कर सकता है।
एमआईटी में मैकेनिकल इंजीनियरिंग के एसोसिएट प्रोफेसर और अध्ययन के लेखक जिहवान किम कहते हैं, “इस सफलता से सेमीकंडक्टर उद्योग के लिए भारी संभावनाएं खुलती हैं, जिससे चिप्स को पारंपरिक सीमाओं के बिना स्टैक किया जा सकता है।” “इससे एआई, लॉजिक और मेमोरी में अनुप्रयोगों के लिए कंप्यूटिंग शक्ति में बड़े पैमाने पर सुधार हो सकता है।”
अध्ययन के एमआईटी सह-लेखकों में प्रथम लेखक की सेओक किम, सेउंगवान सेओ, डोयून ली, जंग-एल रियू, जेक्यूंग किम, जून मिन सुह, जून-चुल शिन, मिन-क्यू सॉन्ग, जिन फेंग और सांघो ली शामिल हैं। सैमसंग एडवांस्ड इंस्टीट्यूट ऑफ टेक्नोलॉजी, दक्षिण कोरिया में सुंगक्यंकवान विश्वविद्यालय और डलास में टेक्सास विश्वविद्यालय के सहयोगी।
बीज की जेबें
2023 में, किम के समूह ने बताया कि उन्होंने तैयार चिप्स पर अर्धचालक सर्किटरी की विविध स्थलाकृति के समान, अनाकार सतहों पर उच्च गुणवत्ता वाली अर्धचालक सामग्री विकसित करने के लिए एक विधि विकसित की है। जो सामग्री उन्होंने उगाई वह एक प्रकार की 2डी सामग्री थी जिसे ट्रांज़िशन-मेटल डाइक्लोजेनाइड्स या टीएमडी के रूप में जाना जाता है, जिसे छोटे, उच्च-प्रदर्शन ट्रांजिस्टर बनाने के लिए सिलिकॉन का एक आशाजनक उत्तराधिकारी माना जाता है। ऐसी 2डी सामग्रियां एक परमाणु जितने छोटे पैमाने पर भी अपने अर्धचालक गुणों को बनाए रख सकती हैं, जबकि सिलिकॉन का प्रदर्शन तेजी से कम हो जाता है।
अपने पिछले काम में, टीम ने अनाकार कोटिंग वाले सिलिकॉन वेफर्स के साथ-साथ मौजूदा टीएमडी पर टीएमडी विकसित किया। परमाणुओं को यादृच्छिक, पॉलीक्रिस्टलाइन विकार के बजाय उच्च-गुणवत्ता वाले एकल-क्रिस्टलीय रूप में व्यवस्थित करने के लिए प्रोत्साहित करने के लिए, किम और उनके सहयोगियों ने सबसे पहले एक सिलिकॉन वेफर को एक बहुत पतली फिल्म, या सिलिकॉन डाइऑक्साइड के “मास्क” में कवर किया, जिसे उन्होंने पैटर्न के साथ तैयार किया। छोटे खुले स्थान, या जेबें। फिर उन्होंने मास्क के ऊपर परमाणुओं की एक गैस प्रवाहित की और पाया कि परमाणु “बीज” के रूप में जेबों में बस गए। पॉकेट्स ने बीजों को नियमित, एकल-क्रिस्टलीय पैटर्न में बढ़ने तक सीमित रखा।
लेकिन उस समय, यह विधि केवल 900 डिग्री सेल्सियस के आसपास ही काम करती थी।
किम कहते हैं, “आपको इस एकल-क्रिस्टलीय सामग्री को 400 सेल्सियस से नीचे उगाना होगा, अन्यथा अंतर्निहित सर्किटरी पूरी तरह से पक जाएगी और बर्बाद हो जाएगी।” “तो, हमारा होमवर्क था, हमें 400 सेल्सियस से कम तापमान पर एक समान तकनीक अपनानी थी। अगर हम ऐसा कर सके, तो प्रभाव काफी बड़ा होगा।”
निर्माणाधीन
अपने नए काम में, किम और उनके सहयोगियों ने किसी भी अंतर्निहित सर्किटरी को संरक्षित करने के लिए पर्याप्त कम तापमान पर एकल-क्रिस्टलीय 2डी सामग्री विकसित करने के लिए अपनी पद्धति को बेहतर बनाने पर ध्यान दिया। उन्होंने धातुकर्म में एक आश्चर्यजनक रूप से सरल समाधान खोजा – धातु उत्पादन का विज्ञान और शिल्प। जब धातुकर्मी पिघली हुई धातु को एक सांचे में डालते हैं, तो तरल धीरे-धीरे “न्यूक्लियेट” होता है, या दाने बनाता है जो बढ़ते हैं और नियमित रूप से पैटर्न वाले क्रिस्टल में विलीन हो जाते हैं जो ठोस रूप में कठोर हो जाते हैं। धातुविदों ने पाया है कि यह न्यूक्लियेशन सबसे आसानी से उस सांचे के किनारों पर होता है जिसमें तरल धातु डाली जाती है।
किम कहते हैं, “यह ज्ञात है कि किनारों पर न्यूक्लियेटिंग के लिए कम ऊर्जा – और गर्मी की आवश्यकता होती है।” “इसलिए हमने भविष्य के एआई हार्डवेयर के उपयोग के लिए इस अवधारणा को धातु विज्ञान से उधार लिया।”
टीम ने सिलिकॉन वेफर पर एकल-क्रिस्टलीय टीएमडी विकसित करने पर विचार किया जो पहले से ही ट्रांजिस्टर सर्किटरी के साथ निर्मित किया जा चुका है। उन्होंने अपने पिछले काम की तरह ही सबसे पहले सर्किट्री को सिलिकॉन डाइऑक्साइड के मास्क से ढक दिया। फिर उन्होंने मास्क की प्रत्येक जेब के किनारों पर टीएमडी के “बीज” जमा किए और पाया कि ये किनारे वाले बीज 380 डिग्री सेल्सियस से भी कम तापमान पर एकल-क्रिस्टलीय सामग्री में विकसित हुए, उन बीजों की तुलना में जो केंद्र में, दूर से उगना शुरू हुए थे। प्रत्येक पॉकेट के किनारे, जिन्हें एकल-क्रिस्टलीय सामग्री बनाने के लिए उच्च तापमान की आवश्यकता होती है।
एक कदम आगे बढ़ते हुए, शोधकर्ताओं ने दो अलग-अलग टीएमडी की वैकल्पिक परतों के साथ एक बहुस्तरीय चिप बनाने के लिए नई विधि का उपयोग किया – मोलिब्डेनम डाइसल्फ़ाइड, एन-प्रकार ट्रांजिस्टर के निर्माण के लिए एक आशाजनक सामग्री उम्मीदवार; और टंगस्टन डिसेलेनाइड, एक ऐसी सामग्री जिसमें पी-प्रकार ट्रांजिस्टर बनाने की क्षमता है। पी- और एन-प्रकार दोनों ट्रांजिस्टर किसी भी तार्किक संचालन को पूरा करने के लिए इलेक्ट्रॉनिक बिल्डिंग ब्लॉक हैं। टीम किसी मध्यवर्ती सिलिकॉन वेफर्स की आवश्यकता के बिना, दोनों सामग्रियों को एकल-क्रिस्टलीय रूप में, सीधे एक-दूसरे के ऊपर विकसित करने में सक्षम थी। किम का कहना है कि यह विधि चिप के अर्धचालक तत्वों और विशेष रूप से मेटल-ऑक्साइड सेमीकंडक्टर (सीएमओएस) के घनत्व को प्रभावी ढंग से दोगुना कर देगी, जो आधुनिक लॉजिक सर्किटरी का एक बुनियादी बिल्डिंग ब्लॉक है।
किम कहते हैं, “हमारी तकनीक द्वारा साकार किया गया उत्पाद न केवल एक 3डी लॉजिक चिप है, बल्कि 3डी मेमोरी और उनका संयोजन भी है।” “हमारी विकास-आधारित मोनोलिथिक 3डी पद्धति से, आप दसियों से सैकड़ों तर्क और स्मृति परतों को एक-दूसरे के ठीक ऊपर विकसित कर सकते हैं, और वे बहुत अच्छी तरह से संवाद करने में सक्षम होंगे।”
पहले लेखक किसोक किम कहते हैं, “पारंपरिक 3डी चिप्स को सिलिकॉन वेफर्स के बीच में, वेफर के माध्यम से छेद करके बनाया गया है – एक प्रक्रिया जो स्टैक्ड परतों की संख्या, लंबवत संरेखण रिज़ॉल्यूशन और उपज को सीमित करती है।” “हमारी विकास-आधारित पद्धति उन सभी मुद्दों का एक साथ समाधान करती है।”
अपने स्टैकेबल चिप डिज़ाइन को और व्यावसायीकरण करने के लिए, किम ने हाल ही में एक कंपनी, FS2 (फ्यूचर सेमीकंडक्टर 2D मटेरियल) बनाई है।
वे कहते हैं, ''अब तक हम छोटे पैमाने के डिवाइस ऐरे में एक अवधारणा दिखाते हैं।'' “अगला कदम पेशेवर एआई चिप ऑपरेशन दिखाने के लिए विस्तार करना है।”
