Effizienzsteigerung im Nachgang Energieeffizientere Mikrochips durch Komponentenstapelung

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Forscher des MIT haben in Zusammenarbeit mit Intel einen neuen Produktionsansatz für Mikroelektronik entwickelt: Die Stapelung mehrerer aktiver Komponenten auf Basis neuer Materialien auf der Rückseite eines Computerchips soll die während Berechnungen verschwendete Energiemenge drastisch reduzieren.

In herkömmlichen Schaltkreisen sind Logikbausteine, die Berechnungen durchführen, wie Transistoren, und Speicherbausteine, die Daten speichern, als separate Komponenten aufgebaut. Daten müssen zwischen ihnen hin- und herwandern, was Energie verschwendet.

Eine neuartige, von MIT-Forschern entwickelte Elektronik-Integrationsplattform soll es hingegen ermöglichen, Transistoren und Speicherbausteine in einem kompakten Stapel auf einem Halbleiterchip herzustellen. Dadurch wird ein Großteil der Energieverschwendung vermieden und gleichzeitig die Rechengeschwindigkeit erhöht. Dieser Ansatz basiert auf einem neu entwickelten Material mit MIT-Angaben zufolge „einzigartigen Eigenschaften“ und ein präziser Herstellungsansatz, der die Anzahl der Defekte im Material reduziert. Dadurch können die Forscher extrem kleine Transistoren mit integriertem Speicher herstellen, die schneller als modernste Geräte arbeiten und dabei weniger Strom verbrauchen als ähnliche Transistoren.

Durch die Verbesserung der Energieeffizienz elektronischer Geräte könnte dieser neue Ansatz dazu beitragen, den steigenden Stromverbrauch von Rechenanwendungen zu senken, insbesondere bei anspruchsvollen Anwendungen wie generativer KI, Deep Learning und Computer Vision. „Wir müssen den Energieverbrauch für KI und andere datenzentrierte Berechnungen in Zukunft minimieren, da er einfach nicht nachhaltig ist. Wir brauchen neue Technologien wie diese Integrationsplattform, um diesen Fortschritt fortzusetzen“, sagt Yanjie Shao, Postdoktorand am MIT und Hauptautor von zwei Artikeln über diese neuen Transistoren.

Umkehrung eines Problems

Standard-CMOS-Chips (Complementary Metal-Oxide Semiconductor) verfügen traditionell über ein Frontend, auf dem die aktiven Komponenten wie Transistoren und Kondensatoren hergestellt werden, und ein Backend, das Drähte, sogenannte Interconnects, und andere Metallverbindungen enthält, die die Komponenten des Chips miteinander verbinden. Bei der Übertragung von Daten zwischen diesen Verbindungen geht jedoch etwas Energie verloren, und geringfügige Fehlausrichtungen können die Leistung beeinträchtigen. Durch das Stapeln aktiver Komponenten würde die Entfernung, die die Daten zurücklegen müssen, verringert und die Energieeffizienz des Chips verbessert.

Normalerweise ist es schwierig, Siliziumtransistoren auf einem CMOS-Chip zu stapeln, da die hohen Temperaturen, die für die Herstellung zusätzlicher Bauelemente auf der Vorderseite erforderlich sind, die darunter liegenden vorhandenen Transistoren zerstören würden. Die Forscher des MIT haben dieses Problem umgekehrt und stattdessen eine Integrationstechnik entwickelt, mit der aktive Komponenten auf der Rückseite des Chips gestapelt werden können. „Wenn wir diese Back-End-Plattform nutzen können, um zusätzliche aktive Transistorschichten einzubauen, nicht nur Verbindungen, würde das die Integrationsdichte des Chips deutlich erhöhen und seine Energieeffizienz verbessern“, erklärt Shao.

Die Forscher erreichten dies, indem sie ein neues Material, amorphes Indiumoxid, als aktive Kanalschicht ihres Backend-Transistors verwendeten. In der aktiven Kanalschicht finden die wesentlichen Funktionen des Transistors statt. Aufgrund der einzigartigen Eigenschaften von Indiumoxid können sie eine extrem dünne Schicht dieses Materials bei einer Temperatur von nur etwa 150 Grad Celsius auf der Rückseite einer bestehenden Schaltung „aufwachsen“ lassen, ohne das Gerät auf der Vorderseite zu beschädigen.

Ausreifung des Prozesses

Sie optimierten sorgfältig den Herstellungsprozess, wodurch die Anzahl der Defekte in einer nur etwa 2 Nanometer dicken Schicht aus Indiumoxidmaterial minimiert wird. Einige wenige Defekte, sogenannte Sauerstoffleerstellen, sind notwendig, damit der Transistor einschalten kann, aber bei zu vielen Defekten funktioniert er nicht richtig. Dieser optimierte Herstellungsprozess ermöglicht es den Forschern, einen extrem kleinen Transistor herzustellen, der schnell und sauber arbeitet und einen Großteil der zusätzlichen Energie einspart, die zum Umschalten eines Transistors zwischen Aus- und Ein-Zustand erforderlich ist.

Aufbauend auf diesem Ansatz stellten sie auch Back-End-Transistoren mit integriertem Speicher her, die nur etwa 20 Nanometer groß sind. Dazu fügten sie eine Schicht aus einem Material namens ferroelektrisches Hafnium-Zirkonium-Oxid als Speicherkomponente hinzu. Diese kompakten Speichertransistoren zeigten Schaltgeschwindigkeiten von nur 10 Nanosekunden und erreichten damit die Grenze der Messinstrumente des Teams. Diese Schaltung erfordert auch eine viel geringere Spannung als ähnliche Geräte, wodurch der Stromverbrauch reduziert wird. Weil die Speichertransistoren so winzig sind, können die Forscher sie als Plattform nutzen, um die grundlegende Physik einzelner Einheiten von ferroelektrischem Hafnium-Zirkonium-Oxid zu untersuchen.

„Wenn wir die Physik besser verstehen, können wir dieses Material für viele neue Anwendungen nutzen. Der Energieverbrauch ist sehr gering, und es bietet uns viel Flexibilität bei der Gestaltung von Geräten. Das könnte wirklich viele neue Wege für die Zukunft eröffnen“, sagt Shao. Die Forscher arbeiteten auch mit einem Team der University of Waterloo zusammen, um ein Modell für die Leistung der Back-End-Transistoren zu entwickeln, was ein wichtiger Schritt ist, bevor die Geräte in größere Schaltungen und elektronische Systeme integriert werden können.

In Zukunft wollen sie auf diesen Demonstrationen aufbauen, indem sie Back-End-Speichertransistoren in einen einzigen Schaltkreis integrieren. Außerdem wollen sie die Leistung der Transistoren verbessern und untersuchen, wie sich die Eigenschaften von ferroelektrischem Hafnium-Zirkonium-Oxid noch genauer steuern lassen.

„Jetzt können wir eine Plattform für vielseitige Elektronik auf der Rückseite eines Chips aufbauen, die es uns ermöglicht, eine hohe Energieeffizienz und viele verschiedene Funktionen in sehr kleinen Geräten zu erreichen. Wir haben eine gute Gerätearchitektur und gute Materialien, mit denen wir arbeiten können, aber wir müssen weiter innovativ sein, um die ultimativen Leistungsgrenzen aufzudecken“, sagt Shao.

Diese Arbeit wird teilweise von der Semiconductor Research Corporation (SRC) und Intel unterstützt. Die Fertigung erfolgte in den MIT Microsystems Technology Laboratories und den MIT.nano-Einrichtungen.

Erstveröffentlichung auf MIT News vom 11.12.2025. (sg)

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