Wegweisende Wissenschaftler des MIT haben kürzlich einen bedeutenden Durchbruch erzielt, der den Weg für eine neue Ära hocheffizienter Elektronik ebnen könnte. Mithilfe einer neuartigen Fertigungstechnik ist es den Forschern gelungen, funktionsfähige Komponenten direkt auf einer bestehenden Schaltung aufzubauen, was die Art und Weise, wie Mikrochips entworfen und hergestellt werden, revolutioniert. Indem sie Transistoren und Speicher auf einem Chip vertikal übereinander stapeln, haben sie Energie- und Effizienzhindernisse überwunden, mit denen herkömmliche Halbleiterchip-Designs zu kämpfen haben.
Bei herkömmlichen Chipdesigns kann die Kommunikation zwischen Logikbausteinen wie Transistoren und Speicherkomponenten viel Energie verbrauchen und die Leistung beeinträchtigen, da die Daten hin und her transportiert werden müssen. Dieses innovative Verfahren des MIT soll dieses Problem lösen. Indem diese Komponenten in einem einzigen kompakten vertikalen Stapel untergebracht werden, wird die Strecke, die die Daten zurücklegen müssen, erheblich minimiert, was zu einer höheren Rechengeschwindigkeit und einem geringeren Energieverlust führt.
Das Geheimnis hinter dieser bahnbrechenden Innovation liegt in einem präzise entwickelten Material und einem detaillierten Herstellungsprozess, der Defekte auf ein Minimum reduziert. Das Ergebnis sind winzige, aber leistungsstarke Transistoren mit integriertem Speicher, die aus einem neuen Material – amorphem Indiumoxid – mit einzigartigen elektrischen Eigenschaften hergestellt werden. Darüber hinaus stellt der Niedertemperaturprozess, mit dem eine 2 Nanometer dicke Schicht aus Indiumoxid aufgebracht wird, sicher, dass die bereits auf dem Chip vorhandenen Schaltkreise intakt bleiben.
Mit dem direkt in diese neu entwickelten Transistoren integrierten Speicher und der Einführung einer Schicht aus ferroelektrischem Hafnium-Zirkonium-Oxid ist es den Forschern gelungen, Speichertransistoren mit einer Größe von nur 20 Nanometern zu schaffen. Diese Bauelemente sind nicht nur blitzschnell mit Schaltgeschwindigkeiten von 10 Nanosekunden, sie benötigen auch deutlich weniger Spannung, was zu einer noch stärkeren Verringerung des Stromverbrauchs führt.
Eines der herausragenden Merkmale dieser neuen Chip-Architektur ist die Umkehrung der traditionellen Methode. Durch das Stapeln aktiver Komponenten auf der Rückseite des Chips statt auf der Vorderseite haben die MIT-Forscher die Energieeffizienz erheblich verbessert. Wie Yanjie Shao, der MIT-Postdoktorand, der das Projekt leitet, erklärt, könnte diese einzigartige Plattform der Schlüssel für künftige datenintensive Anwendungen wie KI und Deep Learning sein, und das alles ohne untragbare Energiebelastung.
Mit Blick auf die Zukunft sind die Forscher entschlossen, die Leistung ihrer Transistoren weiter zu verbessern, die Eigenschaften von ferroelektrischem Hafnium-Zirkonium-Oxid zu optimieren und schließlich Speichertransistoren auf einem einzigen Chip zu integrieren. Das oberste Ziel ist die Entwicklung einer vielseitigen Elektronikplattform, die hohe Energieeffizienz mit vielfältigen Funktionen vereint – und das alles in einem unglaublich kleinen Bauteil, das die Elektroniklandschaft revolutionieren könnte.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass das engagierte Team des MIT gemeinsam mit Partnern der University of Waterloo und Samsung Electronics uns einen Einblick in die Zukunft gewährt – eine Zukunft, in der hocheffiziente Mikrochips hohe Leistung ohne nennenswerten Energiebedarf liefern können. Alle Augen werden auf dieses ehrgeizige Vorhaben gerichtet sein, das unsere technologische Landschaft neu definieren wird.
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Die Semiconductor Research Corporation (SRC) und Intel haben diese Forschung teilweise gesponsert. Die Herstellung erfolgte in den Microsystems Technology Laboratories des MIT und den MIT.nano-Einrichtungen.
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