¿Por qué no fabricamos CPU con miles de capas para aprovechar el espacio en tercera dimensión?

Question

Me pregunto por qué no fabricamos procesadores como las CPU con miles de capas apiladas para aprovechar el espacio en tercera dimensión ahora que tenemos transistores tridimensionales. Para que quede claro, me refiero a hacer algo parecido a un procesador con forma de prisma rectangular.

Para que quede claro, hay muchas cosas que desconozco en lo que respecta a la fabricación de procesadores, no soy ingeniero eléctrico ni informático, pero tengo mucha curiosidad. Soy consciente de los problemas de calentamiento que esto causaría teniendo en cuenta un empaquetamiento aún más denso de los transistores y los problemas de fabricación teniendo en cuenta que tendría que grabar con láser a través de tanto silicio, pero a diferencia de la ampliación del tamaño en anchura y altura no habría problemas con el aprovechamiento al máximo de las obleas de silicio circulares, y a diferencia de eso se mantendrían las partes muy cerca lo que significa que no reduciría la velocidad de la electricidad que va de una parte del procesador a la otra porque el procesador ya tiene 1000s de transistores apilados horizontal y verticalmente.

Tengo curiosidad por saber si se podrían resolver los problemas de calentamiento colocando finas capas intermitentes de disipación, manteniendo el rendimiento vertical. Y solucionar parcialmente los problemas de fabricación utilizando obleas grabadas por separado cada 10 capas más o menos. ¿Sería esto posible o hay muchos problemas en los que no estoy pensando (y estoy seguro de que los hay)? Muchas gracias.

Answer 1

Las dos razones principales son el rendimiento y el calor.

Rendimiento. Cada vez que realizas un paso del proceso, obtienes menos del 100% de perfección. Supongamos que obtiene un 99% de perfección en cada paso. En un proceso con 20 pasos, se reduciría al 82%. En un proceso con 1.000 pasos, se reduciría a 43 ppm, es decir, 43 construcciones correctas por cada millón de obleas iniciadas.

Calor. Nuestros diseños actuales ya están limitados por la rapidez con la que podemos extraer calor de la parte inferior de la matriz. Así que ni la posibilidad de generar más calor, ni la de generarlo más lejos de donde se puede disipar, nos resultan realmente útiles.

Dicho esto, hay algunos dispositivos que se construyen en 3ª dimensión, uniendo varias obleas acabadas, lo que mitiga el problema del rendimiento. Esas obleas apiladas tienden a ser memorias, que no utilizan nada parecido a la potencia de una CPU, lo que mitiga el problema del calor.

Answer 2

El problema es la eliminación del calor.

Algunos chips ya tienen una densidad energética superior a la de un reactor nuclear.

Considere la posibilidad de un secador de pelo ---- 1.500 vatios con un ventilador air_blast para enfriar las bobinas de tungsteno. Y las bobinas brillan de color rojo apagado.

Answer 3

Los transistores son mucho más fáciles de fabricar en la capa inferior, porque el la estructura tradicional implica estructuras "n-well" o "p-well .

También: Planarización .

La capa inferior del "sustrato" se pule mecánicamente hasta alcanzar un alto grado de planitud. Las siguientes capas superiores se graban y depositan, pero cada vez son menos perfectas. Existe el riesgo de que los errores se acumulen y las características no se alineen correctamente en un "bulto" de la superficie.

Answer 4

Pero, ¿qué conseguirías con eso?

1. El número de transistores por mm² de máscara seguiría siendo el mismo, sólo habría más máscaras.
2. La alineación de varias máscaras es mucho más difícil cuantas más máscaras haya que alinear.
3. Probablemente se necesitarían varias capas de interconexión adicionales por cada capa de transistor adicional.
4. Hacer una conexión entre capas supone más esfuerzo que hacer una conexión dentro de una capa.
5. La disipación del calor sería peor

Answer 5

Hay dos razones principales:

1. Disipación del calor: requiere una superficie de contacto. Esa superficie transfiere el calor de la CPU al sistema de refrigeración. Si es 3D, resulta extremadamente difícil evacuar el calor de las capas inferiores, ya que la superficie de contacto sería significativamente inferior a la necesaria para mantener la transferencia térmica.

2. Rendimientos: en muchos casos son bajos. Cuando nVidia estaba probando las GTX 285/295, su rendimiento inicial era inferior al 2% y, tras la estabilización del proceso, seguía siendo inferior al 10%. Eso significaba que tenían que cortar partes del chip para fabricar tarjetas de clase inferior con la parte buena restante. Y eso fue con un proceso 2D estándar que estaba sobredimensionado. Intentar poner algo en 3D tendría rendimientos aún más bajos si ignoráramos la parte del calentamiento.

Además, adaptar por completo el proceso de fabricación (suponiendo que todo lo demás vaya bien) no es algo que muchos estarían dispuestos a hacer sin más mientras se pueda sacar más partido de la tecnología actual.

La memoria HBM consiguió hacer las cosas por pilas. No es realmente 3D, se llamó 2,5D por tener sólo unas pocas capas y es una solución cara. El tamaño del encapsulado es grande y conlleva problemas de gestión térmica (aunque el calor generado sea significativamente menor en comparación con las CPU). La avanzada tecnología de empaquetado de chips que conecta verticalmente los chips DRAM mediante electrodos que penetran en los chips de micras de grosor a través de orificios microscópicos vino al rescate en este caso.