В США создали первый в мире настоящий 3D-чип с кремниевой логикой, нанотрубками и резистивной памятью

Группа исследователей из Стэнфордского университета, Университета Карнеги-Меллон, Пенсильванского университета и Массачусетского технологического института (Массачусетский технологический институт), в партнерстве с компанией SkyWater Technology, разработали и изготовили прототип первой монолитной трехмерной интегральной схемы. Разработчики утверждают, что производительность такой схемы существенно выше по сравнению с традиционными плоскими кристаллами.

Микросхема отличается от традиционных двумерных схем тем, что элементы памяти и логики расположены непосредственно друг над другом внутри одного монолитного кристалла.

Вместо того, чтобы собирать несколько готовых слоев кристалла в один корпус, исследователи последовательно создавали каждый слой чипа на одной и той же пластине, используя низкотемпературный процесс, предназначенный для предотвращения повреждения базовой схемы. Помимо прочего, технология позволяет создавать плотную сеть вертикальных связей, сокращающих пути передачи данных между ячейками памяти и вычислительными блоками.

Прототип чипа был изготовлен на линии по производству кремниевых пластин диаметром 200 мм компании SkyWater с использованием проверенных процессов 90–130 нм. Чип объединяет традиционную кремниевую КМОП-логику с резистивными слоями оперативной памяти и полевыми транзисторами на основе углеродных нанотрубок. Все это производится при температуре около 415°С.

По словам исследователей, предварительные аппаратные тесты показывают четырехкратное увеличение пропускной способности чипа по сравнению с аналогичной 2D-реализацией, работающей с аналогичной задержкой и размером.

Помимо результатов измерений аппаратного обеспечения, исследователи также оценили потенциал производительности такого чипа с помощью моделирования. Проекты с дополнительными уровнями памяти и вычислительных ресурсов показали двенадцатикратное увеличение производительности при выполнении задач, связанных с искусственным интеллектом, включая модели на основе LLaMA от Meta. Разработчики также утверждают, что эта архитектура может в конечном итоге обеспечить 100-1000-кратное улучшение энергопотребления за счет дальнейшего масштабирования вертикальной интеграции, а не уменьшения размера транзисторов.

Хотя экспериментальные конструкции 3D-чипов и раньше демонстрировались в академических лабораториях, команда подчеркивает, что эта разработка отличается тем, что была создана в коммерческой среде, а не в рамках специализированного исследовательского направления. Эксперты SkyWater, участвующие в проекте, описывают его как доказательство того, что монолитные 3D-архитектуры могут быть внедрены в производственные процессы, а не просто оставаться в университетских лабораториях.

«Превратить передовую академическую концепцию в нечто, что можно будет производить на коммерческом заводе, — огромная задача».

— говорит Марк Нельсон, соавтор проекта и вице-президент по технологиям SkyWater Technology.

Команда представила результаты своих исследований на Международной конференции IEEE по электронным устройствам (ИДМ 2025), который проходил с 6 по 10 декабря.