Rétegzett waferek

A számítástechnika fejlődésének egyik fő mozgatórugója az a trend, amelyet 1965-ben Gordon Moore fogalmazott meg: az egységnyi területre jutó tranzisztorok száma nagyjából másfél évente megduplázódik. A legújabb kutatás mindezt a harmadik irányba is kiterjeszti, így a törvény hamarosan térfogatra is vonatkozhat.

Gordon E. Moore

Eme "szabály" követése egyre nagyobb áldozatokat kíván a processzorgyártóktól, sőt, lassan a lehetetlen határait súrolja. Persze a küzdelem még tart, például az Intel – a pletykák szerint – a 45 nanométeres csíkszélességű tesztáramkörein megoldotta a szivárgási áram problémáját. Húsz nanométer környékén azonban véget érnek a lehetőségek, a fizika alapelveit nem lehet áthágni, a klasszikus elektrodinamika törvényei helyett a kvantumfizikáét kell(ene) alkalmazni. Bár a kvantumszámítógépekben komoly lehetőségek rejlenek, világosan látszik, hogy egyrészt a kvantumgépek még messze vannak a tökéletestől, másrészt a feladatok többségének megoldása még biztosan a "hagyományos" áramkörök feladata lesz.

A jelenlegi chipek ugyan több tranzisztorrétegből állnak, alapvetően mégis kétdimenziós képződmények. Ez nagyban korlátozza a maximális sebesség feljebb és feljebb tornászását, hiszen a processzoron belüli információterjedéshez is időre van szükség – 3 GHz-en egy órajel alatt a jel nemigen tesz meg többet hét-nyolc centiméternél. A lapos chipeknél pedig gyakori eset, hogy az egyik sarokból a másikba kellene információt továbbítani – mivel egyelőre keveset hallani a lokálisan aszinkron áramkörökről, állíthatjuk, hogy egy ilyen összeköttetés korlátozhatja a teljes processzor sebességét.

Az egymásra épített chipekkel lassan már két évtizede kísérletezik az ipar. Mindezidáig azonban ez a teljesen különálló lapkák egymásra ragasztását, "egybetokozását" jelentette, két réteg között nem volt lehetséges kommunikáció direkt módon, kizárólag külső összeköttetésekkel. Ez nem növelte az elérhető maximális sebességet, inkább az alapterületen spórolt. Emellett ez az eljárás több láb esetén nem is működőképes.

Az elektronikai ipar természetesen kiutakat keres. A jelutak rövidítésére minden bizonnyal jó megoldást fog kínálni a többrétegű (de egy szubsztrátumra épülő) lapkák egymásra építésének új, az integrációt sokkal erősebben megvalósító módja.

Rétegzett waferek

A 3D-s modulok készítése ebben az esetben nem az egybetokozást jelenti, hanem már a wafer (kör alakú, nagyméretű szilíciumlap, amelyeken kialakítják a processzorokat) megmunkálása során egymásra építik az összes réteget, ahol a réteg az egy szubsztrátumon elhelyezkedő, sokszintű modult jelenti. A legfontosabb az, hogy az egyes rétegek között lehetségesek átvezetések, összeköttetések. Így a virtuálisan – információterjedési szempontból – eddig távol lévő pontok egyszerre közel kerülhetnek egymáshoz, s ezzel esetlegesen megszűnnek az órajelnövelés gátjai lenni.

Ennek a megoldásnak sok processzorgyártó látná hasznát – például az Intel, amely hatalmas gyorsítótárakat kénytelen építeni az integrált memóriavezérlő hiányától (vagyis az ebből kifolyó nagy késleltetésektől) szenvedő Itanium processzoraiba. A térbeli felépítés alkalmazásával harmadekkora alapterületű lapkákat is készíthetne, valószínűleg jóval nagyobb sebességgel. Általánosítva, a jelenlegi CPU-k területének jellemzően fele gyorsítótár, amelyneknél a processzortól fizikailag távoli pontjaiból érkező jelek terjedési ideje nem elhanyagolható.

A Rensselaer Műszaki Intézet 1999 óta foglalkozik a technológiával, a kutatás kezdetén több konferencián találkoztak hideg elutasítással, mondván, a kivitelezés szinte lehetetlen. Nem igazán látszik azonban más út, és a kezdeti eredmények is biztatóak. Ezt bizonyítja az is, hogy az IBM és más nagyvállalatok, sőt az amerikai kormány szintén támogatja a fejlesztéseket. Műszaki munkájuk mellett a mérnökök azon is dolgoznak, hogy a sok pénzbe kerülő kutatások mögé valamilyen, állami és (hadi)ipari résztvevőkből álló konzorciumot szervezzenek, és minél előbb rábírják a versenyszférát, hogy pénzt és egyéb erőforrásokat szabadítsanak fel erre a célra.

Varga Máté