Американские исследователи объявили о создании прототипа, который они называют первой в мире монолитной трёхмерной интегральной схемой. Над проектом совместно работали специалисты Стэнфордского университета, Университета Карнеги–Меллона, Пенсильванского университета и MIT, а изготовление чипа было выполнено в партнёрстве с полупроводниковой компанией SkyWater Technology.

По словам разработчиков, новая архитектура демонстрирует заметный прирост производительности по сравнению с классическими плоскими микросхемами и открывает путь к принципиально иному подходу в проектировании вычислительных систем.

Чем 3D-чип отличается от традиционных решений

В обычных микросхемах логика и память располагаются в одной плоскости, а ускорение достигается за счёт уменьшения размеров транзисторов. В новом чипе используется иной принцип:
вычислительные блоки и память размещены вертикально, слой за слоем, в рамках единого монолитного кристалла.

Ключевое отличие заключается в способе производства. Вместо сборки нескольких готовых кристаллов в одном корпусе исследователи последовательно формировали все уровни схемы на одной кремниевой пластине. Для этого применялся специально разработанный низкотемпературный процесс, позволяющий создавать новые слои без повреждения уже сформированных нижних структур.

Такой подход обеспечивает плотную сеть вертикальных соединений, значительно сокращающих расстояние между логикой и памятью и уменьшающих задержки при передаче данных.

Технология производства и состав чипа

Прототип был изготовлен на производственной линии SkyWater, рассчитанной на 200-мм кремниевые пластины. Использовались проверенные техпроцессы уровня 90–130 нм, что подчёркивает ориентацию проекта не на лабораторный эксперимент, а на реальные производственные условия.

Внутри чипа объединены сразу несколько технологий:

• классическая кремниевая CMOS-логика;

• резистивная оперативная память;

• полевые транзисторы на основе углеродных нанотрубок.

Все слои формировались при температуре около 415 °C, что считается критически важным параметром для сохранности нижележащих схем.

Измеренные результаты и потенциал архитектуры

Аппаратные испытания показали, что пропускная способность нового чипа примерно в четыре раза выше, чем у сопоставимой двухмерной реализации при аналогичных задержках и размерах.

Дополнительно команда провела моделирование более сложных конфигураций с увеличенным числом вертикальных уровней. В задачах, связанных с искусственным интеллектом, включая нейросетевые модели семейства LLaMA, расчёты продемонстрировали до 12-кратного роста производительности.

В долгосрочной перспективе исследователи ожидают ещё более впечатляющих результатов. По их оценке, дальнейшее развитие вертикальной интеграции может обеспечить 100–1000-кратное улучшение энергоэффективности — не за счёт уменьшения транзисторов, а благодаря сокращению расстояний между памятью и вычислениями.

Почему эта работа важна для индустрии

Экспериментальные 3D-чипы ранее уже создавались в университетских лабораториях, однако авторы подчёркивают принципиальное отличие своей работы. Данный проект был реализован в рамках коммерческого производственного процесса, а не на специализированной исследовательской линии.

Представители SkyWater называют это доказательством того, что монолитные трёхмерные архитектуры могут выйти за пределы академических экспериментов и стать частью промышленного производства.

Как отметил Марк Нельсон, вице-президент по технологиям SkyWater и соавтор проекта, переход от теоретической идеи к технологии, пригодной для фабрики, является одной из самых сложных задач в микроэлектронике.

Презентация результатов

Итоги исследования были представлены на Международной конференции IEEE по электронным устройствам IEDM 2025, проходившей с 6 по 10 декабря. Разработчики считают, что их работа может стать важным шагом к новой эпохе микросхем, где рост производительности обеспечивается не только масштабированием, но и полноценным переходом в третье измерение.