پژوهشگران دانشگاه فودان چین موفق به ساخت نخستین تراشه هیبریدی دوبعدی-سیلیکونی جهان با بازده ۹۴ درصدی شده‌اند.
به گزارش تکناک، این دستاورد می‌تواند فصل تازه‌ای در صنعت نیمه‌رسانا و آینده ذخیره‌سازی و پردازش اطلاعات ایجاد کند.
این تراشه با ادغام حافظه فوق‌سریع دوبعدی و فناوری بالغ CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor)، مرز میان پژوهش‌های آزمایشگاهی و کاربرد صنعتی را درنوردیده است.
طبق گزارش مجله Nature، این سامانه پیشرفته قادر است عملیات هشت‌بیتی و پردازش موازی ۳۲بیتی را با دسترسی تصادفی انجام دهد و در آزمایش‌ها به بازده سلولی ۹۴/۳ درصد دست یافته است؛ این رقم، رکوردی تازه در عرصه حافظه‌های فلش محسوب می‌شود. سرعت عملکرد این تراشه نیز از تمامی فناوری‌های فلش موجود پیشی گرفته و برای نخستین‌بار، ادغام کامل مواد دوبعدی با بستر سیلیکونی را ممکن کرده است.
این دستاورد در زمانی به ثمر رسیده که سرعت دسترسی به داده‌ها در سامانه‌های هوش مصنوعی، به یکی از چالش‌های حیاتی دنیای فناوری تبدیل شده است. معماری‌های حافظه سنتی به دلیل سرعت محدود و مصرف انرژی بالا، رشد سامانه‌های یادگیری ماشینی و هوش مصنوعی را کند کرده‌اند. اما نوآوری فودان می‌تواند این مانع را برطرف سازد و مسیر را برای نسل جدید رایانش پرسرعت و کم‌مصرف هموار کند.
همین تیم تحقیقاتی در ماه آوریل، نمونه اولیه‌ای از حافظه دوبعدی با نام PoX را معرفی کرده بود، که با سرعت خارق‌العاده ۴۰۰ پیکوثانیه، سریع‌ترین زمان ذخیره‌سازی بار الکتریکی در نیمه‌رساناها را ثبت کرد. با وجود این، صنعتی‌سازی چنین فناوری‌هایی معمولاً دهه‌ها به طول می‌انجامد.
لیو چون‌سن، نویسنده اول و مسئول اصلی مقاله در این باره گفت: «از نخستین ترانزیستور نیمه‌رسانا تا ساخت اولین CPU حدود ۲۴ سال طول کشید؛ اما با ادغام فناوری‌های نوظهور در بستر CMOS موجود، ما توانسته‌ایم این فرایند را به طور چشمگیری کوتاه کنیم و راه را برای کاربردهای تحول‌آفرین باز نماییم.»
تیم پژوهشی متشکل از اعضای آزمایشگاه کلیدی مدارهای مجتمع و سیستم‌های ادغام‌شده و دانشکده مدارهای مجتمع و الکترونیک میکروـ‌نانو دانشگاه فودان، با هدف کوتاه کردن فاصله میان پژوهش و تولید، فناوری حافظه دوبعدی را به صورت مستقیم در پلتفرم‌های CMOS ادغام کرده است.
ژو پنگ، نویسنده همکار مقاله نیز بیان کرد که دستگاه‌های ذخیره‌سازی، نخستین سیستم‌های الکترونیکی دوبعدی خواهند بود که به مرحله تولید انبوه می‌رسند، چرا که «نیازهای محدودتری از نظر کیفیت مواد و فرایند ساخت دارند و در عین حال عملکردی بسیار فراتر از فناوری‌های فعلی ارائه می‌کنند.»
یکی از دشوارترین مراحل این پروژه، ترکیب مواد دوبعدی فوق‌نازک – با ضخامت کمتر از یک نانومتر – با سطح ناصاف ویفرهای سیلیکونی بود، که معمولاً صدها میکرومتر ضخامت دارند. ژو برای توضیح این چالش از مثالی شهری استفاده کرد: «مثل این است که از فضا به شانگهای نگاه کنید؛ از دور صاف به نظر می‌رسد اما در واقع ساختمان‌هایی با ارتفاع‌های متفاوت دارد. اگر بخواهید فیلمی نازک روی آن بکشید، صاف نخواهد ماند.»
تیم فودان برای حل این مشکل از مواد انعطاف‌پذیر دوبعدی و روشی موسوم به ادغام ماژولار بهره گرفت. آنها مدارهای دوبعدی را روی بستر CMOS ساختند و سپس از طریق اتصالات متراکم تک‌تراشه‌ای (Monolithic Interconnections) به یکدیگر متصل کردند. این پیوند در سطح اتمی، ارتباطی پایدار و کم‌مصرف میان دو فناوری را فراهم می‌کند.
این تراشه هم‌اکنون مرحله Tape-Out را پشت سر گذاشته است و پژوهشگران در نظر دارند ظرف سه تا پنج سال آینده خط تولید آزمایشی آن را راه‌اندازی کنند تا به ظرفیت مگابایت‌سطحی دست یابند. کارشناسان باور دارند که این فناوری می‌تواند راه‌حلی برای گلوگاه ذخیره‌سازی در سامانه‌های داده‌محور هوش مصنوعی باشد.
مرحله Tape-Out در صنعت نیمه‌رسانا به آخرین گام طراحی یک تراشه قبل از آغاز تولید فیزیکی آن گفته می‌شود.
به عبارت دیگر، زمانی که مهندسان طراحی مدار، شبیه‌سازی‌ها و بررسی‌های فنی را به پایان می‌رسانند و دیگر هیچ تغییری در نقشه تراشه لازم نیست، فایل نهایی طراحی – که شامل تمام لایه‌ها، مسیرها و اجزای الکتریکی است – به کارخانه ساخت (Foundry) ارسال می‌شود. این لحظه را Tape-Out می‌نامند.
ژو عنوان کرد: «این پژوهش یک فناوری منشأ در حوزه مدارهای مجتمع چین است و می‌تواند این کشور را در مسیر پیشتازی در فناوری‌های ذخیره‌سازی نسل آینده قرار دهد.»
در جهانی که به سوی رایانش سریع‌تر، کوچک‌تر و کم‌مصرف‌تر حرکت می‌کند، تراشه هیبریدی دوبعدی-سیلیکونی دانشگاه فودان می‌تواند سنگ‌بنای انقلاب دیجیتال بعدی باشد.
