Das US-Energieministerium vergibt 4 Millionen US-Dollar an das Argonne National Laboratory für energieeffiziente Mikrochip-Forschung

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Argonne arbeitet mit mehreren Universitäten zusammen, um neue Materialien und Geräte für Mikrochips der nächsten Generation voranzutreiben

Während die Mikrochips in elektronischen Geräten wie Mobiltelefonen und Computern unglaublich klein sind, nähern sich Transistoren – die winzigen elektrischen Schalter in Mikrochips – dem atomaren Niveau. Heutige Mikrochips beherbergen über 100 Millionen Transistoren auf einer Fläche von der Größe eines Stecknadelkopfes.

Trotz ihrer fast unvorstellbaren Größe ist die Gesamtzahl solcher mikroelektronische Geräte verbrauchen eine enorme Menge an Energie, die exponentiell wächst. Prognosen gehen davon aus, dass bis 2030 20 % der weltweiten Energie durch Mikroelektronik verbraucht werden könnten.

„Erst seit Kurzem verbraucht die Mikroelektronik einen großen Teil des Stroms auf der Erde. Das ist ein dringendes Problem. Das Energieministerium setzt sich dafür ein, energieeffiziente Lösungen zu finden, die die Nachfragekurve für den Stromverbrauch durch Mikroelektronik abflachen.“ — Jeffrey Elam, Direktor des Forschungsprogramms Atomic Layer Deposition von Argonne

Die Abwendung dieser Krise hängt von der Entwicklung neuer Transistoren, Materialien und Herstellungsverfahren zur Herstellung von Mikrochips mit extrem niedrigem Energieverbrauch ab. Kürzlich hat das US-Energieministerium (DAMHIRSCHKUH) verliehen DAMHIRSCHKUHArgonne National Laboratory 4 Millionen US-Dollar zur Finanzierung von Forschungen, bei denen die Atomlagenabscheidung zum Einsatz kommt (ALD), um neue Materialien und Geräte zur Herstellung von Mikrochips voranzutreiben, die bis zu 50-mal weniger Energie verbrauchen als aktuelle Chips.

Das Projekt soll Anfang 2024 starten und wird zweieinhalb Jahre dauern. Es wird von der Energy Efficient Scaling for Two Decades (EES2) Programm der DAMHIRSCHKUH‘s Büro für fortgeschrittene Werkstoffe und Fertigungstechnologien. Argonne wird bei dem Projekt mit der Stanford University, der Northwestern University und der Boise State University zusammenarbeiten. Argonne Distinguished Fellow Jeffrey Elam, der Argonnes bahnbrechende Initiative gründete und leitet ALD Forschungsprogramm, wird das Forschungsteam leiten.

„„Die Mikroelektronik hat erst vor kurzem damit begonnen, einen großen Teil des Stroms der Erde zu verbrauchen“, sagte Elam.​„Das ist ein dringendes Problem. DAMHIRSCHKUH setzt sich dafür ein, energieeffiziente Lösungen zu finden, die die Nachfragekurve für den Stromverbrauch in der Mikroelektronik abflachen.“

Fortschrittliche Technologie, einschließlich der künstliche Intelligenz (KI)-Explosion beschleunigt den Energieverbrauch im Computerbereich. KI Anwendungen analysieren riesige Datenmengen und verbrauchen große Mengen Strom. Als KI Da sich die Technologie weit verbreitet, werden riesige Rechenzentren, die diese Anwendungen betreiben, mit erheblichen Energiesteigerungen konfrontiert sein. Die Verbreitung von„Auch „smarte“ Geräte und deren Datenbedarf erhöhen den Stromverbrauch.

„Heutzutage verbringen Computer über 90 % ihrer Energie damit, Daten zwischen den Speicher- und Logikfunktionen hin und her zu transportieren, die auf separaten Chips vorhanden sind“, sagte Elam.​„Diese Einschränkung wird als ​ bezeichnet‘von Neumann-Engpass.’ Die zum Verschieben der Daten aufgewendete Energie wird als Wärme verschwendet. Da der Computerbedarf steigt, müssen wir Transistoren und Mikrochips mit geringem Stromverbrauch entwickeln, um diesen Engpass zu überwinden und eine Energiekrise zu verhindern.“

Das Projekt entstand aus den Aktivitäten des laborgesteuerten Forschungs- und Entwicklungsprogramms von Argonne und einem von der finanzierten Projekt DAMHIRSCHKUHBüro für Wissenschaft. Fadenarbeit ist ein Forschungsprogramm, das Co-Design anwendet, um neuromorphe Geräte und Terahertz-Verbindungen zu entwickeln, die Hochleistungsdetektoren für die Hochenergiephysik und Kernphysik ermöglichen.

Verwendung der Atomlagenabscheidung zur Neugestaltung des Mikrochips

Argonne ist ein Pionier in ALDeine Dünnfilm-Abscheidungstechnik, die häufig in der Mikroelektronikfertigung eingesetzt wird. ALD produziert extrem dünne Schichten – nur ein Atom dick – um Mikroelektronik mit großer Präzision herzustellen. Diese Filme werden berücksichtigt 2D da sie Länge und Breite haben, aber im Wesentlichen keine Dicke. Eine Vielzahl dünner Filme kann hergestellt werden ALD auf komplexe, 3D Substrate.

„Die Atomlagenabscheidung ist eine ideale Technologie zur Herstellung von Elektronik mit extrem geringem Stromverbrauch“, sagte Elam ALD Forscher seit mehr als 20 Jahren. Das macht ALD attraktiv für Anwendungen einschließlich Lithium-Ionen BatterienSolarzellen, Katalysatoren und Detektoren.

In diesem Projekt werden Argonne-Wissenschaftler verwenden ALD um den Mikrochip neu zu gestalten und das Hin- und Hermischen von Daten zu eliminieren. Wissenschaftler wollen die Lücke zwischen dem Mikroprozessor oder ​ schließen„Gehirn“ und die Speicherchips. 3D Integrierte Schaltkreise können die Speicher- und Logikschichten im Pfannkuchenstil übereinander stapeln. Dadurch könnte der Energieverbrauch möglicherweise um 90 % gesenkt werden.

Derzeit ist Silizium das Halbleitermaterial, das zur Herstellung von Speicherchips und Mikroprozessoren verwendet wird, aber das 3D Die zum Stapeln der Schichten erforderliche Integration ist mit Silizium äußerst schwierig zu erreichen. Halbleiter steuern elektrische Ströme.

Um diese Einschränkung zu überwinden, entwickeln Forscher eine Alternative, 2D halbleitendes Material, Molybdändisulfid (MoS₂), um Silizium zu ersetzen. Aufbauend auf früheren Forschungen verwenden Argonne-Wissenschaftler ALD um atomar präzises MoS zu erzeugen₂ Filme.​„Wir können extrem dünne, 2D MoS₂ Blätter. Diese Laken ersetzen die sperrigen, 3D Silizium-Dünnfilme, die in heutigen Transistoren verwendet werden. Dadurch bleibt mehr Platz auf dem Mikrochip, um den Speicher und die Logik effektiv zu stapeln, was den Energieverbrauch drastisch reduziert“, sagte Elam.

Neue elektronische Geräte steigern die Energieeffizienz

Argonne wurde in Zusammenarbeit mit der Boise State University entwickelt ALD Methoden zum Erstellen 2D MoS₂ Filme. Das Team wird den Einsatz von MoS demonstrieren₂ erschaffen 2D Halbleiter-Feldeffekttransistoren (2D-FETs), die gestapelt werden können 3D. FETs sind herkömmliche Transistoren, basieren jedoch auf 2D statt 3D Materialien. Diese Methode ermöglicht die Integration von Speicher- und Logikfunktionen, die mit Silizium nicht möglich sind.

Gleichzeitig demonstrieren Argonne-Wissenschaftler den Einsatz von ALD MoS₂ in Memtransistoren, elektronischen Bauteilen, die zum Aufbau neuromorpher Schaltkreise verwendet werden. Neuromorphe Schaltkreise ahmen Verbindungen zwischen Neuronen im Gehirn nach, um Mikrochips zu schaffen, die deutlich weniger Energie verbrauchen. Diese Technologie ist relativ neu. Aber neuromorphe Schaltkreise haben das Potenzial, im Vergleich zu herkömmlichen Siliziumgeräten eine Million Mal weniger Energie zu verbrauchen.

Sowohl 2D-FETs als auch Memtransitoren wurden im Labormaßstab durch den Anbau von MoS erfolgreich demonstriert₂ bei hohen Temperaturen. Argonne-Wissenschaftler wollen die Technologie auf die nächste Stufe heben. Für die kommerzielle Fertigung ist MoS erforderlich₂ bei niedrigen Temperaturen auf große, pizzagroße Wafer aufgebracht werden. In diesem DAMHIRSCHKUH Im Projekt wird das Forschungsteam diese Fähigkeiten entwickeln, um sicherzustellen, dass das MoS₂ ALD ist mit aktuellen Halbleiterfertigungsprozessen kompatibel. Dies ist von entscheidender Bedeutung, um die Integration dieser Technologie in zukünftige Halbleiter zu beschleunigen.

Wissenschaftler der Partnerinstitutionen werden ihre einzigartige Expertise nutzen, um bestimmte Bereiche des Projekts voranzutreiben. Professor Eric Pop von der Stanford University wird sich entwickeln 2D-FET Geräte wird Professor Mark Hersam von der Northwestern University Memtransistoren entwickeln, die das nutzen ALD MoS_2, und Professor Elton Graugnard von der Boise State University werden eine erweiterte Charakterisierung durchführen ALD MoS₂ Beschichtungen zur Beurteilung der Materialqualität.

Parallel zur experimentellen Arbeit nutzt Argonne Modellierung und Simulation, um energieeffiziente Geräte zu entwerfen, die Folgendes umfassen: ALD MoS₂. Diese Arbeit wird Hochleistungscomputer in der Argonne Leadership Computing Facility nutzen DAMHIRSCHKUH Benutzereinrichtung des Office of Science in Argonne zur Modellierung und Simulation integrierter Schaltkreise 2D Materialien. Die Computer werden Energieeinsparungen messen und ihre Leistung mit aktuellen Siliziumtechnologien vergleichen. Forscher wollen die gestapelten Geräte zu einer Demonstration im Pilotmaßstab weiterentwickeln, mit dem Ziel, sie für den kommerziellen Einsatz in der Mikroelektronikindustrie zu vermarkten. Das Projekt ist eine neue Facette des wachsenden Forschungs- und Entwicklungsportfolios von Argonne ALD Technologie zur Bewältigung einer Vielzahl von Energieherausforderungen.

Zum Argonne-Team gehören außerdem der Physiker Moinuddin Ahmed, der leitende Materialwissenschaftler Angel Yanguas-Gil, der Informatiker Xingfu Wu, der stellvertretende Informatiker Sandeep Madireddy und der leitende Materialwissenschaftler Anil Mane. Das Projekt baut auf Argonnes umfangreicher Arbeit auf, die Wissenschaft und Technologie vorantreibt, um die nächste Generation zu schaffen Mikroelektronik. Neben Innovationen in der energieeffizienten Mikroelektronik und Architektur entwickeln Wissenschaftler neue Ansätze für eine energieeffiziente und umweltfreundliche Fertigung der Mikroelektronik.

Die Argonne Leadership Computing Facility stellt der wissenschaftlichen und technischen Gemeinschaft Supercomputing-Fähigkeiten zur Verfügung, um grundlegende Entdeckungen und Erkenntnisse in einem breiten Spektrum von Disziplinen voranzutreiben. Unterstützt durch das US-Energieministerium (DAMHIRSCHKUH‘s) Office of Science, Advanced Scientific Computing Research (ASCR) Programm, das ALCF ist einer von zwei DAMHIRSCHKUH Führende Computereinrichtungen im Land, die sich der offenen Wissenschaft widmen.

Argonne National Laboratory sucht nach Lösungen für drängende nationale Probleme in Wissenschaft und Technik. Als erstes nationales Labor des Landes betreibt Argonne Spitzenforschung in Grundlagenforschung und angewandter Wissenschaft in praktisch allen wissenschaftlichen Disziplinen. Argonne-Forscher arbeiten eng mit Forschern von Hunderten von Unternehmen, Universitäten sowie Bundes-, Landes- und Kommunalbehörden zusammen, um ihnen bei der Lösung ihrer spezifischen Probleme zu helfen, Amerikas wissenschaftliche Führung voranzutreiben und das Land auf eine bessere Zukunft vorzubereiten. Mit Mitarbeitern aus mehr als 60 Nationen wird Argonne von geführt UChicago Argonne, GMBH für die Wissenschaftliches Amt des US-Energieministeriums.

Das Office of Science des US-Energieministeriums ist der größte Einzelförderer der Grundlagenforschung in den Naturwissenschaften in den Vereinigten Staaten und arbeitet an der Bewältigung einiger der dringendsten Herausforderungen unserer Zeit. Für weitere Informationen besuchen Sie https://​ener​gy​.gov/​s​c​ience.

Mit freundlicher Genehmigung von Argonne National Laboratory.