[באיור, הלקוח מתוך המחקר, נראה מבנה תלת-ממדי של שכבות טרנזיסטורים – תחמוצת, אורגנית והיברידית – הערומות זו על גבי זו ויוצרות מעגל משלים אחד. התרשים ממחיש כיצד שילוב חומרים שונים מאפשר לבנות שבב אנכי שבו כל שכבה תורמת תפקיד ייחודי במעגל]

חוקרים מאוניברסיטת KAUST שבערב הסעודית יצרו שבב תלת-ממדי "רב-קומות" הכולל 41 שכבות פעילות – לא באמצעות מזעור נוסף של רכיבים, אלא דרך בנייה לגובה. כל שכבה מכילה טרנזיסטורים, חיווטים ומבודדים, כולם מחוברים ביניהם למעגל אחד מתפקד. מדובר בהדגמה ראשונה מסוגה של מבנה אלקטרוני כה גבוה הפועל כסביבה חישובית אחת.

ההישג הזה מציב חלופה מעשית לחוק מור, אותו כלל אצבע שהנחה את תעשיית השבבים במשך יותר מיובל. לאחר עשורים של דחיסת טרנזיסטורים עד לממדים של ננומטרים בודדים, התעשייה נתקלה במחסומי חום, עלות ודיוק פיזי שאינם ניתנים עוד לעקיפה. המחקר החדש מציע נתיב אחר: לא לצמצם עוד את הטרנזיסטור – אלא להוסיף ממד של גובה.

מהפכה בבנייה – לא באריזה

כדי להבין את גודל ההישג, יש להבחין בין הגישה החדשה לבין טכנולוגיות “3D Packaging” המסחריות שבהן משתמשות חברות כמו אינטל, AMD ו-TSMC. ב-3D Packaging מערימים "שבבים גמורים" זה על זה – לדוגמה, מעבד, זיכרון ושבב ניהול הספק – ומחברים ביניהם באמצעות חורי TSV או Hybrid Bonding. מדובר למעשה באיחוד מכני של רכיבים נפרדים, שכל אחד מהם יוצר בנפרד בתהליך רגיל.

לעומת זאת, ב-KAUST לא נערמה ערימה של שבבים קיימים. החוקרים בנו את השבב כולו מלמטה למעלה, כאשר כל שכבה נוצרת בתהליך ייצור רציף בטמפרטורות נמוכות, המונעות נזק לשכבות שמתחת. בכל “קומה” שולבו חומרים שונים – בהם IGZO (Indium Gallium Zinc Oxide) ו-MoS₂ (Molybdenum Disulfide) – חומרים דקים במיוחד בעלי תכונות אלקטרוניות מצוינות. שילובם מאפשר ליצור גם טרנזיסטורים מסוג n וגם p באותו מבנה, ולתכנן מעגלים משלימים מלאים (CMOS) ללא צורך בסיליקון קלאסי.

צפיפות אדירה, אנרגיה נמוכה

ההדגמה כללה עשרות אלפי טרנזיסטורים בערימה אחת. הבנייה האנכית מקטינה מאוד את מרחקי התקשורת בין רכיבים, מה שמוביל להפחתת הספק ולשיפור במהירות המיתוג. בנוסף, מאחר שכל שכבה מותאמת לתפקידה – אחת לעיבוד, אחרת לזיכרון, שלישית לניהול אותות – ניתן להשיג אופטימיזציה מבנית שבשבבים דו־ממדיים כמעט בלתי אפשרית. בניגוד לחששות הראשוניים, גם ניהול החום נמצא בשליטה: החוקרים השתמשו בחומרי מבודדים בעלי מוליכות תרמית גבוהה ובמבנה שמאפשר פיזור אנרגיה בין השכבות. התוצאה היא אב־טיפוס שמצליח לפעול במתחים נמוכים ויציבים – הישג לא טריוויאלי כשמדובר במבנה בגובה עשרות שכבות ננומטריות.

שבב לגוף ולמוח

פרופ’ שיאוהאנג לי (Xiaohang Li), שהוביל את המחקר, הדגיש כי מטרת הפרויקט אינה רק לשבור שיאי צפיפות, אלא להציע פרדיגמה חדשה של מחשוב תלת-ממדי אמיתי. לדבריו, “הגישה שלנו מתאימה במיוחד לאלקטרוניקה גמישה, למכשירים לבישים, ולמערכות חישה גדולות, שבהן נדרש שטח גדול אך נצילות אנרגטית גבוהה. היא גם יכולה לשמש בסיס למחשוב נוירומורפי המדמה את מבנה המוח – מערכת תלת-ממדית טבעית”.

החוקרים רואים ביכולת לשלב חומרים שונים בכל שכבה יתרון קריטי: ניתן לייעד חלק מהקומות לחישוב, אחרות לזיכרון, ולחבר אותן ישירות מבלי לעבור דרך פסי מתכת ארוכים. התוצאה, לדבריהם, היא "שבב אחד רב-תפקודי", שבו המידע עובר ישירות בין לוגיקה לזיכרון – פתרון אפשרי לבעיית צוואר הבקבוק הידועה כ־von Neumann bottleneck, שבה המעבד והזיכרון מופרדים פיזית ולכן מגבילים את מהירות העברת הנתונים ביניהם.

קפיצה מעבר לחוק מור

הטכנולוגיה עדיין בשלב מעבדתי, אך היא מצביעה על כיוון ברור: את חוק מור לא חייבים “להציל” דרך מזעור נוסף של הטרנזיסטור, אלא על ידי הרחבת הממד השלישי. במובן הזה, KAUST הציבה אבן דרך דומה לזו שהציבה אינטל בשנות ה-2000 עם הופעת ה-FinFET – שינוי גאומטרי שהאריך את חיי הסיליקון. אם תצליח הקבוצה להוכיח ייצור בקנה מידה גדול, תעשיית השבבים עשויה לקבל מתווה חדש לגמרי – כזה שאינו תלוי יותר בחוק מור, אלא בחוק אחר לגמרי: חוק הגובה.

האוניברסיטה הסעודית KAUST, שהוקמה ב-2009 ונחשבת למרכז מחקר עולמי במדע וטכנולוגיה, מובילה פרויקטים בתחום המוליכים למחצה. את המחקר על השבב התלת-ממדי הוביל פרופ’ שיאוהאנג לי, מומחה לחומרים רחבי-פס ולטרנזיסטורים מתקדמים.