在当今数字化时代，电子设备的能源效率问题日益凸显。随着人工智能、深度学习和大数据应用的爆炸式增长，计算领域的电力消耗呈指数级上升。面对这一挑战，麻省理工学院的研究人员开发了一种突破性的芯片制造方法，通过在计算机芯片后端堆叠多个功能组件，显著提高了微电子设备的能源效率，为可持续计算开辟了新途径。
传统芯片架构的局限
传统的CMOS（互补金属氧化物半导体）芯片通常分为前端和后端两个部分。前端是制造晶体管和电容器等主动组件的区域，而后端则包含称为互连的导线和其他金属连接，用于连接芯片的各个组件。这种设计存在明显的能源效率问题。
在传统电路中，执行计算的逻辑器件（如晶体管）和存储数据的存储器件是作为独立组件构建的，迫使数据在它们之间来回传输。这一过程不仅消耗大量能源，而且由于连接之间的能量损失和轻微的不对齐可能阻碍性能，进一步降低了整体效率。
"我们必须最小化未来用于AI和其他数据密集型计算的能量消耗，因为这在根本上是不可持续的，"麻省理工学院博士后、这两篇关于新晶体管论文的第一作者Yanjie Shao表示，"我们需要像这种集成平台这样的新技术来推动这一进步。"
创新的后端堆叠技术
麻省理工学院的研究人员采取了一种创新的方法，将主动组件堆叠在芯片的后端，而非前端。这一策略巧妙地解决了传统方法中的一个关键难题。
通常情况下，很难在CMOS芯片上堆叠硅晶体管，因为在前端制造额外设备所需的高温会破坏下方的现有晶体管。研究人员通过将问题翻转过来，开发了一种在后端堆叠主动组件的集成技术。
"如果我们能利用这个后端平台添加额外的晶体管主动层，而不仅仅是互连线，将大大提高芯片的集成密度并改善其能源效率，"Shao解释道。
关键材料：非晶氧化铟
实现这一突破的关键在于一种新材料的开发——非晶氧化铟（amorphous indium oxide），作为后端晶体管的活性沟道层。活性沟道层是晶体管执行基本功能的区域。
由于氧化铟的独特性质，研究人员可以在约150摄氏度的相对较低温度下，在现有电路的后端"生长"这种材料的极薄层，而不会损坏前端的设备。这一温度远低于传统晶体管制造所需的高温，使得在不破坏现有组件的情况下添加新层成为可能。
精确制造工艺的优化
研究人员精心优化了制造工艺，将氧化铟材料层的缺陷数量降至最低。这层材料厚度仅为约2纳米，其缺陷控制至关重要。
少量被称为氧空位的缺陷对于晶体管开启是必要的，但缺陷过多会导致器件无法正常工作。通过优化的制造工艺，研究人员能够制造出运行快速且干净的极小型晶体管，消除了在晶体管开关状态之间转换所需的大部分额外能量。
集成内存的突破
基于这一方法，研究人员还制造了尺寸仅为约20纳米的后端内存晶体管。为此，他们添加了一层称为铁电铪锆氧化物的材料作为内存组件。
这些紧凑的内存晶体管 demonstrated 10纳秒的开关速度，达到了团队测量仪器的极限。与类似设备相比，这种开关所需的电压低得多，从而减少了电力消耗。
"如果我们能更好地理解其物理特性，我们可以将这种材料用于许多新应用，"Shao表示，"它使用的能量非常少，为我们设计设备提供了很大的灵活性。这真的可以为未来开辟许多新途径。"
性能建模与未来展望
研究人员还与滑铁卢大学团队合作，开发了后端晶体管的性能模型，这是将这些设备集成到更大电路和电子系统中的重要一步。
未来，他们希望通过将后端内存晶体管集成到单个电路上来扩展这些演示。他们还希望提高晶体管的性能，并研究如何更精细地控制铁电铪锆氧化物的特性。
"现在，我们可以在芯片后端构建一个多功能电子平台，使我们能够在非常小的设备中实现高能源效率和多种不同功能，"Shao表示，"我们有良好的器件架构和材料可以使用，但需要不断创新以发现最终的性能极限。"
行业影响与可持续发展
这项技术的潜在影响远超实验室范围。随着生成式AI、深度学习和计算机视觉等 demanding 应用的发展，计算领域的电力消耗正成为全球关注的焦点。据估计，数据中心已占全球电力消耗的约1%，这一数字仍在快速增长。
通过提高电子设备的能源效率，这种新方法有助于减少计算的电力消耗，特别是在能源密集型应用领域。这不仅有助于降低运营成本，还能减少碳足迹，推动计算技术向更可持续的方向发展。
技术细节与挑战
虽然这一技术前景广阔，但仍面临一些挑战。首先，将后端内存晶体管集成到更大电路中需要解决兼容性和可扩展性问题。其次，大规模生产这种复杂结构的芯片可能需要新的制造设备和工艺。
此外，铁电材料的长期稳定性和可靠性仍需进一步研究。虽然实验室环境下的结果令人鼓舞，但在实际应用中，这些材料可能面临各种环境和操作条件的挑战。
合作与支持
这项研究得到了半导体研究公司（SRC）和英特尔的 partially 支持。制造工作在麻省理工学院微系统技术实验室和MIT.nano设施进行。
除了麻省理工学院的研究人员外，这项工作还包括滑铁卢大学和三星电子的科学家。这种跨学科、跨机构的合作对于推动半导体技术的创新至关重要。
结论
麻省理工学院开发的芯片后端堆叠技术代表了微电子领域的一个重要突破。通过创新材料和非晶氧化铟的应用，结合精确的制造工艺，研究人员成功地在芯片后端集成了多个功能组件，显著提高了能源效率。
这一技术不仅有望解决当前计算设备面临的能源效率挑战，还为未来电子系统设计开辟了新的可能性。随着研究的深入和技术的成熟，我们可以期待看到这种创新方法在从消费电子到高性能计算的各种应用中发挥重要作用，推动计算技术向更高效、更可持续的方向发展。
在数字化转型的浪潮中，能源效率已成为技术创新的关键考量因素。麻省理工学院的这一突破性研究，不仅为解决当前计算领域的能源挑战提供了新思路，也为未来电子技术的发展指明了方向。随着技术的不断成熟和规模化应用，我们有理由期待一个更加高效、可持续的计算时代的到来。
