La urbo San Francisko etendas super 45 kvadrataj mejloj. -- proksimume duoble la areo de la Islando de Manhatano. Tamen la ekonomia elmetaĵo de Manhatano nanigas tion de San Francisko. Precipa kialo de tiu malsameco estas ke la oficejoj en tertremema Kalifornio emas ŝmiri siaj laborantoj kaj maŝinoj apud la tera nivelo, kvankam firmaoj en Novjorko stakiĝas vertikale en la ĉielon. Per konstruado supren anstataŭ eksteren, konstruentreprenistoj pliigas ne nur la valoro de sia tereno sed ankaŭ la labora povo de la urbo entute.

Analogia strategio aplikita al la mikroskopa mondo de komputera mikroflokoj povus rejunigi duonkondukaĵan industrion kiu laste komencis montri spurojn de maljuniĝo. Surprize, de la pli ol 100 duiliard transistoroj kiu Gordon E. Moore, kunfondinto de Intel, taksis produktiĝi ĝis nun, preskaŭ ĉiuj konstruiĝis je "tera nivelo", rekte sur la surfaco de siliciaj kristaloj. Inĝenieroj atingas jam fantastike regulan duobligon de transistora denseco pe mikrofloko -- ni nomas ĝin la Leĝo de Moore en la industrio -- simple per ekspansiado de la areo kaj malekspansiado de la grandeco de ĉiu transistoro. Tio ĉi similas al konstruado nur de bazaroj kaj neniom da ĉielskrapantoj.

Tio baldaŭ ŝanĝos. Unu afero estas ke fizikistoj diras al ni ke la Leĝo de Moore finos kiam la barilpordoj kiuj regas la fluo de informo interne de la floko fariĝas tiel malgranda kiel ondolongo de elektrono (Magnitud-nivele de 10 nanometroj en silico), pro ke transistoro ĉesas "transisti". Kaj multaj malkuraĝigaj teknikaj obstakloj aperegas inter la nuna art-stato kaj tiu de la fundamenta limo. La trajektorio de progreso jam komencas malpliiĝi.

Oportune, aliaj inĝenieroj kaj mi laste trovis manieron randiri kelkaj el tiuj obstakloj, doni al la Lego de Moore novan spiron de vivo, kaj eĉ akceli la liveradon de pli da komputada povo por malpli da kosto. Ni montris ke estas praktikeble fari flokojn kiuj entenas vertikalajn mikrocirkvitojn uzante la saman duonkondukaĵan muldejojn, la samajn normajn materialojn, kaj similajn teknikojn al tiuj uzitaj manufakturi kutimajn komputerajn flokojn.

Tiaj "tri-dimensiaj" flokoj nun estas komercigitaj de Matrica Duonkondukaĵo (Matrix Semiconductor), firmao kiun mi kun-fondis dum 1998 en Sankta Klara, Kalifornio, kun komputera sciencisto P. Michael Farmwald kaj kun floke dezajna spertulo Mark C. Johnson. Iam dum la unua duono de 2002, 3-d storaj cirkvitoj atingos la merkato. Ili estos la unuaj de nova generacio de densaj, malmulte kostaj flokoj kiuj promesas fari diĝitajn registraĵojn kaj ĉipa kaj sufiĉe oportuna por anstataŭi fotografian filmon kaj aŭdbendon. En laboratorioj ĉe Stanforda Universitato kaj Matrico, ni ĵus kreis prototipajn aparatojn kiuj enkorpigas vertikalajn logikajn cirkvitojn. Ŝajnas esti bona kialo por anticipi ke eĉ por mikroprocesoroj, la ĉielo estas la limo.

La Bariloj de Platlando

Hodiaŭaj art-stataj mikrocirkvitoj ne estas tute du-dimensiaj. La Pentium 4 procesoro de Intel, ekzemple, fanfaronas sep tavolojn de konduktaĵo enfiksita interne de paternoj de izolaĵo. Estas nur ĉe la malsupra tavolo de pura silicio, tamen, kie kuŝas la aktivan duonkondukaĵan regionon.

Ĝis nun, la industrio sukcesis daŭrigi la Leĝon de Moore grandparte per plibonigo de la maniero kiun ĝi uzas silicajn tranĉaĵojn. Materialaj sciencistoj inventis manierojn por kreskigi gigantajn kristalojn de silico 30 cm je diametro kiu entenas malpli ol po unu parto el miliardo da malpuraĵo. Purĉambraj robotoj pafas zorge mezuritaj dozoj da jonoj sur tranĉaĵojn tranĉitaj de tiuj ĉi kristaloj. Procezo nomita fotolitografio difinas la jon-aktivigitajn regionojn kun paternoj de lumo kaj mordado per acido por fari transistorojn. Farĉi pli da transistoroj sur unu tranĉaĵo postulas lumon kun ĉiam malpli longa ondolongo. Hidrarge vapora lampo estas anstataŭigita per profunde ultraviola ekcimera (angle: excimer) laseroj kiuj enskribas 130-nanometra trajtoj kaj povas meti miliard transistorojn sur floko. Plua pliboniĝo devus puŝi tiun limon al 65 nanometroj kaj eble 16 miliard transistoroj.

La vojo preter tiu punkto estas tamen malglata. Ekstreme ultraviole litografiaj sistemoj kiuj uzas eĉ malpli longajn ondolongojn nur nun komencas funkcii en laboratorioj. Ili ankoraŭ faras multajn signifajn problemojn. [Vd "Prenante pli de Moore" de Gary Stix; Scienca Usonano, Aprilo 2001]

Se historio estas ia gvidilo, inĝenieroj probable superpasos tiujn ĉi hurdlojn; la ekonomiaj stimuloj estas grandegaj. Sed dum la nombro pliiĝas , la rapido de progreso eble malpliiĝas konsiderinde. La oficiala "voja mapo" eldonita de la Duonkondukaĵa Industria Asocio (angle: Semiconductor Industry Association) projekcias ke flokoj kreskos aree de 4 ĝis 5 procentoj jare; historie, areo kreskas ĝis nun 15 procentoj jare. La perioda 30 procenta malpliiĝo de minimume trajta grandeco eble okazos ĉiun trian jaron anstataŭ ĉiu dua. Eĉ je tiu ĉi malplia rapideco, la Lego de Moore verŝajne atingos fundamentan limon iam inter 2010kaj 2020.

Unu grava faktoro restas proksimume senŝanĝa: la kosto de duonkondukaĵa tereno, kiu estas proksimume po $1 miliard por akreo de procezita silicio. Do kial siliciaj disvolvantoj ne faris la ŝajne evidentan paŝon de konstrui supren? La plej simpla kialo estas ke transistoro funkcias plej rapide kaj fidinde nur kiam formita el perfekte liniigitaj atomoj de tranĉaĵo tranĉita de unuopa kristalo de silico.

Post oni tegas tiun duonkondukaĵan tranĉaĵon kun izola oksido aŭ metalaj dratoj, ne estas sciata maniero reakiri la subkuŝantan kristalan paternon - similas al provo kungruigi la paternon de pargeto post ĝi estas kovrita per tapiŝo. Silico deponita sur ne-kristalan surfacon emas esti tute malorda kaj amorfa. Kun konvena hejta traktado, oni povas kuraĝigi la silicon formi etajn insulon ("grajno") de unuopaj kristaloj, sed la ordigitaj linioj de atomoj kolizias abrupte je diversaj anguloj ĉe la limoj inter grajnoj. Kontaminaĵoj povas amasiĝi ĉe tiuj ĉi bariloj kaj fuŝkontakti transistorojn kaj stor-cirkvitojn kaptitaj en la mezo. Dum multaj jaroj, tia amorfa kaj poli-silicia (mallonge por poli-kristala silico) aparatoj estis tiel malbone ke neniu serioze konsideris sin por io ajn ol sunaj ĉeloj.

Dum la fruaj 1980-aj jaroj, tamen, neplenaĝaj ĉagrenoj, ke la Leĝo de Moore estis malsukcesonta, stimulis neĝeton de penoj fari 3-d-ajn mikrocirkvitojn en kiuj la transistoroj spanis vertikalajn turojn -- anstataŭ horizontaj ponto -- de silico. James F. Gibbons kaj aliaj ĉe Stanford uzis laserajn faskojn plibonigi la kvalito de siliciaj filmoj deponitaj sur ne-siliciajn substratojn. Aliaj provis stakigi konvenciajn 2-d-ajn flokojn sur aliaj. Bedaŭrinde, la antaŭa aliro estis tro malrapida kaj la sekva esti tro multekosta por esti ekonomie konkurenca. Tradicia flokfarado restis survoje, kaj inĝenieroj ĉesis pensi pri vertikalaj cirkvitoj.

Novaj Uzoj por Malnovaj Iloj

Dum 1997 Farmwald kaj mi komencis esplori 3d-ajn flokojn refoje kaj konstatis ke du ĉefaj ebligaj teknologioj, disvolvitaj por aliaj uzoj, faris 3d-ajn cirkvitojn vere praktika unuafoje. Unu estas tekniko sterni polisilicion tiel ke ĉiu insulo de unuopa silicio estas sufiĉe granda por ampleksi multajn storajn ĉelojn aŭ transistorojn. La dua antaŭeniĝo estis maniero platigi ĉiun tegaĵon de nova materialo tiel ke la flokoj ne plialtiĝas malebene kiel turoj konstruita de ebriaj masonistoj.

Ni povas danki la plat-panele videbligilan industion por la unua trarompo. Ties inĝenieroj ekkomprenis kiel fari milionoj da transistoroj de maldika filmo tegita sur granda, amorfa substrato (vitro ĉi-kaze, aliaj materialoj nia-kaze). Maldikfilmaj transistoroj nun loĝigas la videbligilojn de efektive ĉiu sursina komputero. Parto de la arto estas deponi silicion je proksimume 400 gradoj Celsiusaj kiel ekstreme glatan (kvankam amorfan) filmon, tiam kuiri la tutan tranĉaĵon unuforme super 500 gradoj C dum kelkaj minutoj. Tio ĉi konvertas la filmon al polisilicio kun regulaj kristalaj regionoj diametre de pli ol mikro. Kvankam LCD paneloj bezonas nur unuopan tavolon de transistoroj, la samaj maŝinoj kiuj faras la panelojn povas ankaŭ manufakturi mult-tavolajn aparatojn.

La dua ĉefa ebliga antaŭeniĝo, nomita kemi-mekanika polurado (aŭ mallonge KMP), eligis de la esplora laboratorio de IBM dum la malfruaj 1980-oj. Tiam dezajnantoj konsideris esti riske aldoni du aŭ tri tavolojn de metalo sur la silician tranĉaĵon ĉar ĉiu nova tavolo aldonis montetojn kaj valojn kiu faris malfacila teni fotolitografan paternon je fokuso.

Por elimini la ŝvelaĵojn en ĉiu tavolo, procezaj teknologiistoj adaptis lertaĵon kiu lensfarantoj uzis poluri spegulojn. La baza tekniko estis uzata je ĉiu Intel-a 80486-a procesoro: post ĉiu tegaĵo de silicio, metalo, aŭ izola oksido estas aldonita, la tranĉaĵo estas lokita vizaĵmalsupren sur kusenon. Spindeloj tiam rotaciigas la kusenon kaj la tranĉaĵon laŭ kontraŭaj direktoj dum flukoto de abraziaĵo kaj reakciaj alkalaj kemiaĵoj interpasas. Post nur kelkaj minutoj de polurado, la tranĉaĵo estas plata ĝis interne de 50 nanometroj, ideala substrato por plua procezado. Kun antaŭeniĝoj de KMP maŝinoj, sep aŭ ok tavoloj de metalo jam kutimiĝas ĉe mikroflokaj dezajnoj; pacienco ŝajnas esti la ĉefa lima faktoro de aldonado de pliaj tavoloj.

Konstruante rekte sur tiuj ĉi 2d-aj teknologiaĵoj, ni faris 3D-ajn cirkvitojn per sternado de ordinara silicia tranĉaĵo kun multaj sekvaj tavoloj da polisilicio (kaj ankaŭ izolaj kaj metalaj tavoloj), polurante la surfacon glata post ĉiu aparta paŝo. Kvankam elektronoj ne movas tiel facile en polisilicio kiel en la unuope kristala speco, esplorado produktis 3D-ajn transistorojn kun 90 ĝis 95 procentoj da la elektrona movebleco vidita en ĝiaj 2D-aj kontraŭpartoj.

Stakigado de aparatoj vertikale ofertas manieron ĉirkaŭ kelkaj el la gravaj obstakloj kiuj minacas dereligi la Lego de Moore. Dum bazarecaj flokoj kontinuas dissterniĝi eksteren, ekzemple, fariĝas pli malfacile teni fotolitografian bildon enfokusa je la rando. Kaj la relative longaj dratoj kiuj konektas forajn sekcion de kutimaj mikroprocesoroj kaŭzas malfruaĵojn kiuj malpliigas la plenumado kaj komplikas dezajnon.

Ĉiame malŝvelaj cirkvitoj faras aliajn problemojn. Transistoroj dependas krite de maldika izola tavolo sub la rega elektrodo. En la plejmulto da antaŭigitaj 2­d flokoj, tiu ĉi tavolo de silici-dioksida izolaĵo mezuriĝas nur tri nanometroj dika - proksimume tiel dika kiel dudek kvar atomoj. De transistoro al transistoro tiu dikeco devas ne varii pli ol unu aŭ du atomoj. La industrio kutime atingas tiun ĉi defio, ĉar estas pli facile kreskigi supermaldikan filmon ol etĉi ** supermallarĝan kanelojn. Sed eble ne estas praktika maniero por fari ĉi tiujn izolajn tavolojn pli maldikaj, ĉar elektra fluo per kvantuma tunelado faras ilin progeseme malpli bonaj izoliloj. Estas verŝajne ke aliaj materialoj baldaŭ devos anstataŭi silician dioksidon, sed farantoj de ilo ne ĝis nun kunsentas pri kiu materialo tiu estos.

Jam estas multaj dezajnoj de novtipaj flokoj proponite por pritrakti tiujn ĉi problemojn. Plej multaj dependas de tuta anstataŭigo de silicion kun variaj ekzotaj materialoj, tiel kiel organikaj polimeroj, karbonaj fulerenoj, kupraj kombinaĵoj, feroelektraĵoj, aŭ magnetaj alojoj. Sed forlasi silicon estas malŝpari enorme valora fonduson de scio konstruita dum kvindek jaroj kun proksimume $100 miliardoj da investado.

La procezo por 3-D-aj dezajnoj, kontraste enkondukas neniajn novajn atomojn kaj levilfortas la grandegan investadon de industrio en maldikfilmojn kaj KMP-ajn ekipaĵojn. Pro tio ke estas tiel multe kosta produkti kaj procezi ultrapuran silician ingotojn, la kosto de silico estas grandparte proporcia al la areo (ne la volumeno) konsumita. Do vertikala elektroniko povas malpliigi manufakturajn kostojn dekoble aŭ pli komparite al tradiciaj flokoj. Kaj la denseco de 3-D-aj aparatoj devus pliiĝi almenaŭ tiel rapide kiel la Leĝo de Moore dum oni aldonas pli kaj pli da tavoloj.

Preter Diĝita Filmo

Tradicie, duonkondukaĵaj firmaoj ellaboris la misaĵetojn el nova fabrikada procezo per farado de storaj aparatoj antaŭ ol peni amas-produkti pli kompleksajn flokojn tiel kiel logikajn cirkvitojn. Memoraĵoj estas vastaj vicoj de fundamente simplaj ĉeloj, do estas malpli lertoj por majstri kaj malpli problemoj por solvi.

Tiu estas la aliro kiu ni ĉe Matrico prenos pli poste ĉi-jare dum ni enkondukos 3-d-an moran flokon en kiu ĉeloj stakiĝos ok alte. Malsame al la ramaj storoj uzitaj en PC-oj, tiuj ĉi flokoj uzas ege simplajn storajn ĉelojn kiu igas ilin pli filmeca, neforigebla kiam skribita. Ili estas intencita esti malmulte kosta perilo por diĝita fotografio kaj aŭdaĵo. Kun 512 milion storaj ĉeloj, tiu ĉi unua vertikala mikrofloko havas sufiĉan capaciton stori pli ol horo da alt-kvalita aŭdaĵo (tra datena kunpremado) kaj kelk-cent fotografoj (ĉiu kun proksimume miliono da pikceloj). La kapacito pliiĝos, kaj la unuaĵa kosto falos dum-tempe. Ni jam pruvis ke 12-ĉel-altaj aparatoj estas fareblaj kaj 16-tavolaj flokoj estas atingeblaj.

NI ankaŭ montris multe pli kompleksajn 3-D mikrocirkvitojn en la laboratorio, inkludantajn statikan ramon, logikajn hersojn, kaj eĉ forviŝeblan EPROMan storojn. Kvankam ili estas en tre frua disvolvado, tiuj ĉi bazaj konstrubrikoj estas ĉiuj kiuj estas bezonataj re-muldi iun ajn ebenan cirkviton inkludantajn dinamikan ramon, neforstrekiĝan storojn, sendratajn transcevilojn (recevosendilojn), kaj mikroprocesorojn - laŭ 3-D-a formo. Starigitaj vertikale, la transistoroj en tiaj cirkvitoj povus esti tre malgrandaj ĉar iliaj kaneloj fariĝos el filmo kiu estas dekoble tiel preciza kiel kaneloj difinitaj per ultraviola lumo.

Simile al ĉiuj inĝenieraj antaŭiĝoj, tiu ĉi nova manufaktura tekniko havas limigojn kaj kompromisojn. Ia frakcio de storaj ĉeloj aŭ transistoroj en vertikala mikrocirkvito hazarde ambaŭflankas la limo inter polisiliciaj grajnoj kaj eble malsukcesas resulte. Ni devos uzi erardetektadon kaj korektajn rutinojn, kiel tiujn uzitajn kun aŭdaj KDoj, kaj trovi maniero itinerigi signalojn preter difektaj vojoj. La strategioj de misaĵ-tolerema komputado, kvankam ne bone sciata, ne jam konstruiĝas en mikroflokojn mem. Tiaj teknikoj ne necesas kaj estas ĝenpezaj por aplikaĵo ĉe plejmultaj ebenaj situacioj, sed la kostaj malpliiĝoj elportitaj de 3-D-aj procezado oportune faras la reĝustigajn teknologiojn ekonomie fareblaj kiam necesiĝas.

Rapideco estas plia kompromiso. Modernaj maldik-filmaj transistoroj tipe elfaras je proksimume duono de la rapideco de monokristala aparato, kvankam la diferenco estas pli malgranda kiam oni komparas tutajn cirkvitojn, ĉar eroj pakitaj en tri dimensiojn bezonas konsiderinde pli mallongajn dratojn. Multnombraj esploristoj sondas manierojn plie malfermi tiun ĉi mankon.

Preter tiuj specialaj konsideroj, 3-D-aj flokoj alfrontas esence la samajn defiojn kiel konvenciaj ebenaj elektronikaĵoj -- certaj problemoj nur aperas pli frue pro la efektiva plirapidigo de la Leĝo de Moore. Hejto eble estos la plej kriza demando por densaj 3-D-aj aparatoj pro iliaj pli malgrandaj surfacaj areoj. La pova denseco de moderna mikroprocesoro jam pliiĝas tiu de brulilo sur tipa forno. Senefikeco de nunaj strategioj por disipado de ĉiom da tia hejto, tiel kiel malpliigo de la tensio kaj selektiva aktivado de nur partoj de cirkvito, eble limos la elfarado de densaj 3-D-aj cirkvitoj krom se pli antaŭaj malvarmigaj teknologioj estas uzataj. Oportune, la plej novaj mikrofridigiloj povas forigi 200 uatoj pe kvadrata milimetro dum konsumado de nur unu uato. Termikaj limoj estas tiel ne ĝis nun fundamentaj malheloj.

Certe estas multo da spaco por plibonigo. La fluide malvarmigita homa cerbo, kies dimensioj konsiderinde superas tiuj de iu ajn 3-D-a cirkvito nune kontemplata, disipas nuran 25 ŭatojn; 2.2 kvadratcentimetra Pentium 4 mikroprocesoro, kontraste, konsumas proksimume 80 ŭatojn. Kvankam ni ne povas elimini la eblecon ke la malkapablecon solvi la hejta problemo povus finfine trudi severajn limojn al kio 3-D-aj povas fari, historio sugestas ke la fortaj ekonomiaj stimuloj nun aktivaj sparkos kreajn solvojn.

Ebligado de la Leĝo de Moore kontinui eĉ dum kelkaj jaroj pli ol ĝi alie daŭras, havos vastetendajn konsekvencojn. Dum 30 jaroj flokaj manufakturantoj estas strebintaj kontinue presi ĉiam pli malgrandajn strukturojn interne de unuopa ebeno. Ŝajnas nepre, ke estonte ni ampleksigas vertikale krom horizonte. La teknologio estas kaj ebla kaj praktika, kaj la avantaĝoj estas multe tro devigaj ignori.