Development

Infrastructuur
Clean room

Revolutie in chipontwerp impuls voor Moore's law

Nieuwe toepassing nanotechnologie leidt tot 3D-chips die zowel verwerking als opslag van data verzorgen

Productie traditionele chips © Intel
7 juli 2017

Nieuwe toepassing nanotechnologie leidt tot 3D-chips die zowel verwerking als opslag van data verzorgen

Het nieuwe chipontwerp combineert verschillende nanotechnologieën met een nieuwe architectuur.

De ontwikkeling van hardware op de traditionele manier heeft zijn grenzen bereikt. De miniaturisering van componenten stokt op natuurkundige wetten. Ook zijn traditionele chips erg inefficiënt en zetten veel energie om in warmte. Vervolgens is weer energie nodig om de warmte af te voeren. Deze patstelling komt op een moment dat de hoeveelheid beschikbare gegevens en de behoefte om deze te analyseren explodeert.

Een samenwerking tussen het Massachusetts Institute of Technology (MIT) in Boston en Stanford University in Silicon Valley heeft nu een revolutionair nieuw chipontwerp opgeleverd dat aan de problemen van het huidige chipontwerp een einde lijkt te maken.

Die problemen hebben verschillende oorzaken. Verwerking en opslag vinden nu nog plaats op verschillende typen chips. De communicatie tussen die twee typen vormt een flessenhals. Opslag en verwerking dichter bij elkaar brengen zou een oplossing bieden, maar op de steeds kleiner wordende 'system-on-a-chip's is het woekeren met ruimte. Bovendien kunnen de transistors waarop de chips zijn gebaseerd niet meer kleiner gemaakt worden. De traditionele methoden om ze te maken zijn niet precies genoeg om de benodigde streepjes materiaal van enkele nanometers breed te maken.

De onderzoekers van de twee universiteiten hebben alle traditionele methoden van tafel geveegd en voor een radicaal nieuwe aanpak gekozen. Zij publiceerden hun resultaten in het toonaangevende wetenschappelijk tijdschrift Nature. In plaats van silicium te nemen als basis plakten zij koolstof nanobuisjes in een tweedimensionaal vlak (grafeen) aan elkaar. Daarin zijn echter resistive random access memory (RRAM) elementen verweven in een verhouding van 2 : 1. Daar bovenop is een laag voor dataverwerking aangebracht. Zo zijn verschillende lagen zijn op elkaar gestapeld, waarbij de lagen afwisselend voor verwerking en opslag dienen. Tussen de lagen zijn draden met een extreme dichtheid aangebracht die het probleem van het transport tussen verwerking en opslag oplossen.

Temperatuur niet langer een probleem

Het produceren van dergelijke 3D-nanokoolstofchips kan op veel lagere temperaturen plaatsvinden dan de productie van silicium-gebaseerde chips. Die hoge fabricagetemperatuur maakt het bij siliciumgebaseerde chips erg lastig om 3D-structuren te fabriceren. Het aanbrengen van een nieuwe laag bij temperaturen van meer dan 1000 graden beschadigt makkelijk de functionele elementen in de onderliggende laag. Bij 3D-nanokoolstofchips blijft de temperatuur tussen de 200 en 300 graden.

De technologie kan niet alleen het traditionele gebruik van computers verbeteren, maar opent tevens een hele reeks nieuwe toepassingen.

Volgens hoofdonderzoeker Max Shulaker van MIT Microsystems Technology Laboratories hebben de nieuwe chips verschillende voordelen ten opzichte van conventionele chips. De nieuwe chips kunnen vele malen efficiënter met energie omspringen en bovendien is RRAM veel sneller en efficiënter met tijd en ruimte dan conventionele DRAM (Dynamic Random Access Memory ). Door de 3D opzet kunnen verschillende chips ook beter worden gekoppeld waardoor een hogere dichtheid en betere snelheid kan worden bereikt. Een groot voordeel is dat de nieuwe chips compatibel zijn met chips met de traditionele CMOS-architectuur. Daardoor biedt dit ontwerp zicht op een aanzienlijke verlenging van Moore's Law, de observatie dat het aantal transistors op een chip elke twee jaar verdubbelt.

Integratie van sensoren, verwerking en opslag

De onderzoekers hebben een proof of concept gemaakt door de nanokoolstofchips te voorzien van een laag nanokoolstofbuisjes die als sensor werken. Zo kon met een enkele chip gassen worden gedetecteerd en geclassificeerd. Shulaker: "De technologie kan niet alleen het traditionele gebruik van computers verbeteren, maar opent tevens een hele reeks nieuwe toepassingen."

Sam Fuller de oud-CTO van Analog Devices die niet betrokken was bij dit onderzoek zegt over het resultaat: "Deze demonstratie van de 3D-integratie van sensors, logic en memory is een buitengewoon innovatieve ontwikkeling die de huidige CMOS-technologie verrijkt met de nieuwe mogelijkheden van transistors gebaseerd op nano-koolstofbuisjes. Dit heeft de potentie uit te groeien tot het platform voor vele revolutionaire toepassingen."

Lees meer over Development OP AG Intelligence
Reactie toevoegen
De inhoud van dit veld is privé en zal niet openbaar worden gemaakt.