Silicio architektai tikisi, kad jų lūkesčius patenkins daugiaaukščiai integrinių grandynų lustai. Žurnale „New Scientist“ atspausdintame straipsnyje Jimas Giles nagrinėja jų projektus.

   Pačioje dvidešimtojo amžiaus pradžioje Manheteno gyventojai pradėjo suprasti, kad jų gyvenimui ima trukdyti vis gausėjanti gatvėse minia. Jie rado labai paprastą savo problemos sprendimą: Manhetene žemės kainai kylant, kilo aukštyn į padangę ir tame Niujorko rajone statomi namai. Dabar, praėjus ištisam šimtmečiui, kompiuterių lustų gamintojai susidūrė su panašia dilema. Jiems reikia lustuose sutalpinti vis daugiau ir daugiau komponentų, todėl „nekilnojamasis“ turtas silicio plokštelėje darosi labai brangus. Iki šiol pagrindinė strategija buvo tolesnis kiekvieno tranzistoriaus matmenų mažinimas, bet tokio miniatiūrizavimo ribos sparčiai artėja. Taigi, kaip inžinieriai galės pagaminti kompiuterių pramonės reikalavimus nuolat atitinkančius galingesnius ir spartesnius lustus?

   Trivialus atsakymas į šį klausimą būtų toks: sekite Manheteno pavyzdžiu ir pradėkite statyti dangoraižius iš silicio. Kompiuterių architektų grupės jau braižo tokių naujų miestų iš silicio planus, o viena ambicinga grupė tiria keistą idėją, pagal kurią sujungimams bus panaudota skysto laidininko jūra. Jeigu jiems pavyks, kaip kadaise pavyko Niujorko statytojams, kompiuteriai gali tapti šimtus kartų spartesni.

   Ilgą laiką lustų technologijos pažanga vis atidėliojo šitokio šuolio į trečiąjį matavimą būtinybę. Dar 1965 m. Gordonas Moore’as, vienas iš Intel įkūrėjų, suformulavo dėsnį, apibendrinantį nuolatinį stengimąsi vis miniatiūrizuoti puslaidininkinius komponentus: „Tam tikrame silicio plokštelės plote sutalpintų procesorių skaičius padvigubėja kas aštuoniolika mėnesių“.

   Bet praėjusiais metais Davidas Muelleris ir jo kolegos iš Lucent Technologies mokslinio padalinio Bell Laboratories išpranašavo, jog Moore’o dėsnis nustos galioti kito dešimtmečio pradžioje. Begalinis miniatiūrizavimas susidurs su principine riba, užduodama kiekviename tranzistoriuje esančių silicio sluoksnių skaičiaus. Muellerio grupė teigia, jog negali veikti joks prietaisas, kuris yra plonesnis nei keturių atominių silicio sluoksnių.

   Jeigu šiandieninė tendencija ir toliau vyraus, ši riba bus pasiekta apie 2012 metus. Abejoja netgi ir pats Moore’as: „Iš tiesų, mes artėjame prie problemų, atsirasiančių dėl to, kad medžiagos mažų gabalų procesai vyks kitaip nei didelių jos gabalų. Pradeda kisti visa procesus aprašanti fizika.“ Silicio technologijos alternatyvos – molekuliniai ar kvantiniai kompiuteriai – yra entuziastingai aprašinėjami gausybėje populiarių straipsnių, bet niekas dar nėra tikras, ar iš šių technologijų kada nors kas nors gausis.

   Pašaliniams žmonėms ši problema atrodo keistai. Lustai yra mažyčiai daikčiukai – keletą jų galima laisvai sutalpinti degtukų dėžutėje. Bet jei taip svarbu į juos sugrūsti daugiau elektronikos, kodėl nepadarius jų didesnių? Kompiuterio lustai gimsta lėkštės dydžio silicio plokštelėje, kurios paviršiuje išėsdinami maždaug 150 integrinių grandynų komponentai. Plokštelės paviršius niekuomet nėra idealus, todėl dalis lustų visuomet būna blogi. Tik kelios gamyklos sugeba pasiekti didesnę nei 50 proc. gamybos išeigą, ir kuo didesnis plotas tenka vienam silicio lustui, tuo didesnė tikimybė, kad jis bus su defektais. Aišku, kad didesniuose lustuose tilptų daugiau procesorių, tačiau kokia prasmė juos gaminti, jeigu jie neveiks?

   Jeigu plėstis į šonus negalima, lieka tik viena išeitis – dėlioti tradicinius lustus vieną ant kito, šitaip sukuriant trimatę versiją. Kiekvieną lustą galima prieš dedant į šią šūsnį atskirai patikrinti, užtikrinant, kad nenukentės viso darinio patikimumas. Bet šią problemą nagrinėjantiems inžinieriams teko susidurti su daugeliu erzinančių kliūčių. Pats silicio sluoksnių dėjimas vienas ant kito ir jų izoliavimas vienas nuo kito jau yra pakankamai sudėtingas, bet svarbiausias dalykas, kurio reikia, yra dar sunkiau pasiekiamas. Atskiri lusto sluoksniai turi būti sujungti vienas su kitu, o bandant pagaminti ir valdyti šias jungtis, iki šiol tekdavo prisipažinti pralaimėjus.

Per kraštą
   Vienas galimas šios problemos sprendimo būdas yra pasiųsti jungiamuosius laidus keliauti apie kiekvienos plokštelės kraštą. Kompanija Irvine Sensors iš Kalifornijos yra pagaminusi per kraštą sujungtas sistemas, kurias JAV armija galvoja panaudoti savo naudojamuose kompiuteriuose. Kompanija tvirtina pagaminusi „sluoksniuotą kompiuterį“ – 52 sluoksnių sumuštinį, sudarytą iš 10 įvairių rūšių lustų. Jie supakavo procesorių, interfeisus ir atmintines į ne ką didesnį už žaidimų kauliuką kubą. Nors ši sistema labai galinga, atskirų sluoksnių sujungimas yra labai imlus darbui, todėl toks sprendimas labai brangus ir jį sau leisti, matyt, gali tik kariškiai.

   Bet kam keliauti aplink? Jeigu du silicio lustai yra vienas ant kito, ar ne paprasčiau tiesiog eiti kiaurai silicį laidininkus nutiesiant vertikaliai, kaip daugiaaukščio namo sienas? Vertikalusis sujungimas nėra nauja idėja. Sklinda gandai, kad JAV vyriausybė ir tokie gamintojai kaip Intel yra į šią technologiją investavę apie 60 mln. dolerių, bet vis dar laukia, kada šios investicijos atsipirks. Iki šiol pramonei dar nepavyko įterpti kiaurai pro silicio plokšteles einančių laidininkų ir juos izoliuoti.

   Kalifornijos Silicio Slėnyje įsikūrusi firma Tru-Si Technologies sukūrė naują silicio plokštelių ploninimo technologiją, vadinamą atmosferine žemynkrypte plazma, turinčia leisti gaminti pigesnius daugiasluoksnius darinius. Tru-Si šefas Sergejus Savostiukas tvirtina, kad jie pagamins 10 sujungtų lustų darinių artimiausiais metais.

   Tru-Si inžinieriai sujungimams pradžioje išėsdina lusto viršuje seklią duobutę, kurią padengia aliuminiu, variu ar kitu metalu. Po to jie paleidžia į plokštelės apačią deguonies ar jodo jonų srautą, kuris greitai ir tolygiai nutirpdo silicį, nuskusdamas jį taip plonai, kad kitoje plokštelės pusėje atsidengia duobutės dugne esantis metalas. Po to lustai sudedami vienas ant kito ir sukraunami į krosnį. Ten metalas išsilydo ir prijungia viršutinį lustą prie po juo gulinčio lusto laidininkų.

   Šiuo metu Tru-Si gali sutapatinti apie 100 lusto kontaktų. Tai nėra daugiau, nei jų įmanoma sujungti vedant laidininkus per kraštą, bet vertikalūs sujungimai turi milžinišką pranašumą. Aplinkiniu keliu nusiųstos žinios turi nukeliauti keletą milimetrų. Jas pasiuntus tiesiog tarp sluoksnių, susidarys žymiai mažesnis atstumas, todėl sluoksniai rišasi vienas su kitu greičiau, o viso procesoriaus sparta išauga.

   Dar daugiau sujungimų toliau sumažins duomenų kamščiuose užtrunkamą laiką ir dar labiau padidins spartą. Todėl Michaelis Forshaw iš Londono universiteto kolegijos nutarė pasižiūrėti į problemą kitu kampu.

   Jo grupės seminarų kambario kampe stovi senovinis kompiuteris – neseniai jam sukako 20 metų, todėl prie jo dar likusios prilipdytos nuotraukos, vaizduojančios ta proga iškeptą tortą. Senukas kompiuteris pasitarnavo įkvėpimu naujam Forshaw darbui trimačių lustų srityje. Kompiuteris vadinosi CLIP4A ir buvo skirtas apdoroti vaizdams taip, kaip tą daro žmogaus smegenys. Užuot vaizdą gliaudžiusi bitas po bito, smegenų žievė visą informaciją imasi apdoroti vienu metu. Iki tol, kol pradeda suvokti, ką mes matome, įvyksta keli tokio apdorojimo etapai, ir per kiekvieną etapą vaizdo imasi vis kita neuronų grupė.

   Forshaw pamanė, kad sluoksniuotieji lustai būtų ideali šitokios sistemos kopija, įgyvendinta silicyje. Kiekvienas trimačio lusto sluoksnis galėtų elgtis panašiai, kaip elgiasi skirtingi smegenų žievės lygmenys. Todėl, subūrus bendradarbių kolektyvą iš visos Europos, gimė projektas CORTEX („žievė“), skirtas trimačių procesorių sukūrimui. Projektui skirta pinigų suma sudaro tik mažą dalelytę to, ką panašiems tyrimams skiria JAV mikroelektronikos milžinai, bet Forshaw yra įsitikinęs, kad jų grupė surado tai, ko kiti nepastebėjo – skystus laidininkus.

   Gerai pagalvojus, laidų gaminimo iš skysčio idėja skamba beprotiškai, bet Forshaw nesiruošia naudoti įprastinių skysčių. Jo kolega Robertas Bushby iš Lydso universiteto tyrinėja keistų medžiagų, vadinamų diskotiniais skystaisiais kristalais, grupę. Šių medžiagų disko formos molekulės teka kaip skystyje, bet tam tikromis sąlygomis sugeba susirinkti į stulpelius.

   Viena šių darinių savybė labai sujaudino mokslininkus. Jeigu į molekulių centrus įpurkšime elektros krūvį, stulpeliai taps molekuliniais laidais. Srovė tekės per skystąjį kristalą statmena kryptimi, bet horizontaliąja kryptimi laidumas bus mažas. Taigi, plonas diskotinio skystojo kristalo sluoksnis gali užtikrinti daugybę sujungimų. Forshaw tikslas yra keli tūkstančiai sujungimų viename luste.

   Dabar grupė kuria bandomąjį darinį, sudarytą iš dviejų trijų lustų. Pradėję nuo paties paprasčiausio lusto su vos keliais tranzistoriais, jie planuoja suploninti silicio lusto pagrindą tiek, kad atsirastų kontaktas su apačioje po juo esančiu skystuoju kristalu. Apatinis lustas turi metalinių aikštelių, priimsiančių per skystojo kristalo molekulių laidus leidžiamas sroves, rinkinį (žr. pav.).

   Forshaw bendradarbis Matthew Parishas sako, jog ši sistema yra pranaši tuo, kad nėra jokios galimybės atsirasti trumpiesiems sujungimams. Forshaw perspėja, jog iki tol, kol CORTEX konsorciumas sukurs veikiantį daugiasluoksnį lustą, dar reiks nueiti ilgą kelią. Dabartinės skylių silicyje darymo technologijos, pavyzdžiui, jų išsprogdinimas greitų jonų pluošteliu, dar neleidžia pagaminti pakankamai tankiai išsidėsčiusių skylučių, reikalingų lustų sujungimui. Grupė taip pat suka galvą, kaip teks maitinti kiekvieną lustą ir kaip sutapatinti visus sluoksnius, kad skystasis kristalas sujungtų tas lustų vietas, kurias reikia. Vis dėlto, perspektyvos yra neblogos. Forshaw žavisi ir tokiais pasiekimais, kaip Tru-Si pasiūlyta lustų sutapatinimo sistema. Jeigu pasisektų suderinti abi technologijas, gali pavykti pagaminti trimačius procesorius, sudarytus iš šimtų sluoksnių.

Kaip neperkaisti?
   Tuo tarpu skeptikai norėtų sužinoti, kaip šios grupės ruošiasi apsaugoti savo kuriamus prietaisus nuo perkaitimo. Kraunat lustus vieną ant kito, labai sumažės elektronikos aušinimui naudojamas paviršiaus plotas, todėl naujieji Manhetenai iš silicio šus savo pačių išskiriamoje šilumoje. Philas Marcoux iš lustų korpusavimo kompanijos ChipSale turi tam tikrų abejonių, bet nemano, kad atsirastų neišsprendžiamų problemų.

   Savastiuko nuomone, viskas priklausys nuo to, kaip sluoksniuose bus išdėstyti įvairūs lustai. Dedant vėsesnius atmintinių lustus tarp stipriai kaistančių logikos lustų, galima neleisti įkaisti visam dariniui. „Šiuo metu mes stengiamės susluoksniuoti atminties lustus. Jie išskiria nedaug šilumos, todėl disipacija nekelia didesnių problemų. Vėliau mes ruošiamės derinti logikos ir atminties lustus, tik logikos lustų nedėsime vieno ant kito. Šitaip logikos lustai gali būti prijungiami prie šilumokaičio tradiciniu būdu.“

   Koks bebūtų rezultatas, trimačiai lustai sparčiai evoliucionuoja – nuo mokslinių tyrimų objekto prie rinkai tinkančios technologijos. Veikiai jie galės būti įtraukti į įstabių inovacijų, leidusių be perstojo didinti kompiuterių galią, sąrašą. Šįkart rezultatas išties bus labai geras.