Ultracienka warstwa węgla może usprawnić chipy AI

Naukowcy z National University of Singapore opracowali ultracienki film z amorficznego węgla, który jednocześnie pełni funkcję izolatora i bariery dla jonów miedzi. Materiał o grubości zaledwie 0,8 nm mógłby uprościć konstrukcję połączeń oraz pozostawić więcej miejsca na przewody w przyszłych chipach AI. Technologia znajduje się jednak dopiero na etapie badań laboratoryjnych.

Okablowanie staje się wąskim gardłem chipów

Miniaturyzacja tranzystorów, widoczna m.in. w rozwoju 2-nanometrowych chipów, nie rozwiązuje wszystkich problemów ze zwiększaniem wydajności. Połączenia między elementami układu są coraz węższe, dlatego rośnie ich opór elektryczny. Jednocześnie malejące odstępy zwiększają pojemności pasożytnicze i oddziaływanie sąsiednich sygnałów.

Powstaje w ten sposób tak zwane wąskie gardło połączeń. Spowalnia ono przesyłanie danych i zwiększa zużycie energii, co ma szczególne znaczenie w przypadku chipów AI wykonujących ogromną liczbę operacji.

Jedna warstwa spełnia dwie funkcje

Film zespołu kierowanego przez prof. Barbarosa Özyilmaza składa się przede wszystkim z węgla o wiązaniach sp², ale nie ma uporządkowanej struktury charakterystycznej dla przewodzącego grafenu. Silne nieuporządkowanie ogranicza przemieszczanie się elektronów, dzięki czemu materiał zachowuje właściwości izolacyjne.

Współczynnik k wynosił około 1,35 w zakresie grubości od 0,8 do 2,7 nm. To poniżej wartości 2 wskazywanej w branżowych planach rozwoju dla odstępów między przewodami mniejszych niż 10 nm. Film wytrzymywał również pola elektryczne rzędu 28–31 MV/cm.

Materiał ma jednocześnie powstrzymywać miedź przed przenikaniem do izolacji. W przyspieszonych testach projekcja czasu do uszkodzenia warstwy o grubości 0,8 nm przekroczyła 10¹⁰ sekund przy typowym polu roboczym. Wynik był co najmniej sto razy wyższy od porównywanej projekcji dla azotku tantalu. Jest to jednak ekstrapolacja z testów, a nie obserwacja wieloletniej pracy w procesorze.

Do produkcji przemysłowej pozostaje kilka etapów

Film osadzano metodą CVD w temperaturze poniżej 300 stopni Celsjusza bezpośrednio na dwutlenku krzemu, miedzi i kobalcie. Badacze uzyskali równomierną warstwę na czterocalowej płytce oraz na ścianach i narożnikach testowych struktur.

Najcieńsza warstwa o grubości 0,8 nm nie spełniła jednak limitu prądu upływu dla energooszczędnych tranzystorów. Wymaganie to osiągnęły dopiero filmy o grubości co najmniej 1,4 nm. Badanie nie obejmowało też działającego procesora ani pomiaru wzrostu wydajności lub spadku zużycia energii.

NUS poinformował, że od kwietnia 2026 r. współpracuje z TSMC nad oceną materiału, a w lipcu rozpoczął projekt skalowania procesu osadzania. Kolejne testy mają sprawdzić niezawodność, powtarzalność i zgodność z produkcją układów, w tym przyszłymi trójwymiarowymi architekturami chipów.

Szymon Ślubowski