یک تیم تحقیقاتی مشترک آنچه را که ادعا می‌کند اولین مدار مجتمع سه‌بعدی یکپارچه است که در یک کارخانه ریخته‌گری تجاری ایالات متحده ساخته شده، به نمایش گذاشته و بهبودهای عملکردی قابل توجهی را نسبت به طرح‌های تراشه مسطح سنتی گزارش کرده است. این نمونه اولیه توسط مهندسان دانشگاه‌های استنفورد، کارنگی ملون، پنسیلوانیا و MIT توسعه یافته و با همکاری SkyWater Technology ساخته شده است.

این تراشه با چیدمان‌های دو بعدی سنتی تفاوت دارد، زیرا حافظه و منطق را مستقیماً روی یکدیگر در یک فرآیند واحد و پیوسته قرار می‌دهد. به جای مونتاژ چندین دای تمام شده در یک بسته، محققان هر لایه دستگاه را به صورت متوالی روی همان ویفر با استفاده از یک فرآیند دمای پایین که برای آسیب نرساندن به مدارهای زیرین طراحی شده است، ساختند که منجر به یک شبکه متراکم از اتصالات عمودی می‌شود که مسیرهای داده بین سلول‌های حافظه و واحدهای محاسباتی را کوتاه می‌کند.

این نمونه اولیه در خط تولید ۲۰۰ میلی‌متری SkyWater با استفاده از فرآیند بالغ ۹۰ نانومتری تا ۱۳۰ نانومتری ساخته شد. این پشته، منطق CMOS سیلیکونی معمولی را با لایه‌های رم مقاومتی و ترانزیستورهای اثر میدانی نانولوله کربنی ادغام می‌کند که همگی تحت بودجه حرارتی حدود ۴۱۵ درجه سانتی‌گراد ساخته شده‌اند. به گفته تیم، آزمایش‌های اولیه سخت‌افزاری تقریباً چهار برابر بهبود در توان عملیاتی را در مقایسه با یک پیاده‌سازی دو بعدی مشابه که با تأخیر و ردپای مشابه کار می‌کند، نشان می‌دهد.

بهبود عملکرد دوازده برابری در شبیه‌سازی‌ها مشاهده شد

فراتر از نتایج سخت‌افزاری اندازه‌گیری شده، محققان پشته‌های بلندتر را نیز از طریق شبیه‌سازی ارزیابی کردند. طرح‌هایی با لایه‌های اضافی حافظه و محاسبات، تا دوازده برابر بهبود عملکرد را در بارهای کاری سبک هوش مصنوعی، از جمله مدل‌های برگرفته از معماری LLaMA متا، نشان دادند. این گروه همچنین استدلال می‌کند که این معماری می‌تواند در نهایت ۱۰۰ تا ۱۰۰۰ برابر بهبود در محصول انرژی-تاخیر، که یک معیار ترکیبی از سرعت و کارایی است، با ادامه مقیاس‌بندی یکپارچه‌سازی عمودی به جای کوچک کردن ترانزیستورها، ارائه دهد.

در حالی که آزمایشگاه‌های دانشگاهی قبلاً تراشه‌های سه‌بعدی آزمایشی را به نمایش گذاشته‌اند، تیم تأکید می‌کند که این کار در محیط یک کارخانه ریخته‌گری تجاری ساخته شده است، نه در یک خط تحقیقاتی سفارشی. مدیران SkyWater که در این پروژه مشارکت داشتند، این تلاش را به عنوان اثباتی بر این توصیف کردند که معماری‌های سه‌بعدی یکپارچه می‌توانند به جریان‌های تولید داخلی منتقل شوند، به جای اینکه در اتاق‌های تمیز دانشگاهی محصور بمانند.

مارک نلسون، معاون عملیات توسعه فناوری در SkyWater Technology و یکی از نویسندگان، گفت: “تبدیل یک مفهوم آکادمیک پیشرفته به چیزی که یک کارخانه تجاری بتواند بسازد، یک چالش عظیم است.”

این تیم تحقیقات خود را در نشست بین‌المللی دستگاه‌های الکترونیکی IEEE (IEDM 2025) بین ۶ تا ۱۰ دسامبر ارائه کرد.