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Un team di ricercatori provenienti da Stanford, Carnegie Mellon University, University of Pennsylvania e MIT, in collaborazione con SkyWater Technology, ha annunciato la creazione del primo prototipo di circuito integrato 3D monolitico. Questa innovazione promette un significativo aumento delle prestazioni rispetto ai tradizionali chip 2D, aprendo nuove prospettive per l'evoluzione tecnologica.
A differenza dei chip bidimensionali, in cui memoria e logica sono disposti affiancati, questo nuovo chip impila verticalmente questi elementi all'interno di un singolo cristallo monolitico. Il processo di fabbricazione è altrettanto innovativo: invece di assemblare strati di chip preesistenti, i ricercatori hanno costruito ogni strato direttamente su una singola piastrina, utilizzando un processo a bassa temperatura per evitare di danneggiare i circuiti sottostanti. Questa tecnica permette anche di creare una fitta rete di interconnessioni verticali, riducendo drasticamente i percorsi di trasferimento dati tra memoria e unità di calcolo.
Il prototipo è stato realizzato utilizzando processi produttivi consolidati da SkyWater, con tecnologie a 90-130 nm su piastrine di silicio da 200 mm. Il chip integra logica CMOS in silicio, memorie RAM resistenti e transistor a effetto di campo basati su nanotubi di carbonio, il tutto fabbricato a temperature inferiori ai 415°C. I primi test hardware indicano un aumento di circa quattro volte della larghezza di banda rispetto a un'implementazione 2D equivalente, mantenendo latenza e dimensioni comparabili.
Oltre ai risultati sperimentali, i ricercatori hanno valutato il potenziale del chip tramite simulazioni. Configurazioni con ulteriori livelli di memoria e risorse di calcolo hanno mostrato miglioramenti prestazionali fino a dodici volte superiori in compiti legati all'intelligenza artificiale, inclusi modelli basati su LLaMA di Meta. Gli sviluppatori prevedono che questa architettura, grazie alla scalabilità dell'integrazione verticale, potrebbe portare a un risparmio energetico da 100 a 1000 volte superiore rispetto alla semplice riduzione delle dimensioni dei transistor.
Sebbene esistano già chip 3D sperimentali realizzati in laboratori accademici, il team sottolinea che questo progetto si distingue per essere stato realizzato in un ambiente di produzione commerciale. I tecnici di SkyWater coinvolti nel progetto lo considerano una prova concreta che le architetture 3D monolitiche possono essere integrate nei processi produttivi standard, uscendo dai confini della ricerca universitaria. Mark Nelson, coautore del progetto e vicepresidente della tecnologia di SkyWater Technology, ha affermato che trasformare un concetto accademico avanzato in qualcosa producibile commercialmente è una sfida enorme.
I risultati della ricerca sono stati presentati all'IEEE International Electron Devices Meeting (IEDM 2025), tenutosi dal 6 al 10 dicembre.
L'importanza di questa innovazione risiede nella sua potenziale capacità di superare i limiti imposti dalle tradizionali architetture 2D. Impilando verticalmente i componenti, si riducono le distanze che i dati devono percorrere, aumentando la velocità di elaborazione e diminuendo il consumo energetico. Questo è particolarmente rilevante nell'era dell'intelligenza artificiale, dove i modelli diventano sempre più complessi e richiedono una potenza di calcolo sempre maggiore.
L'approccio monolitico, inoltre, offre vantaggi significativi rispetto all'assemblaggio di chip separati. Elimina la necessità di interconnessioni esterne, che possono introdurre latenza e consumare energia, e permette di creare strutture più compatte e integrate. La collaborazione tra il mondo accademico e l'industria, come dimostrato da questo progetto, è fondamentale per tradurre le scoperte scientifiche in applicazioni concrete che possono migliorare la nostra vita.
Il futuro dell'elettronica sembra quindi orientato verso la tridimensionalità, e questo chip 3D monolitico rappresenta un passo importante in questa direzione. Resta da vedere quali saranno le prossime evoluzioni di questa tecnologia e come influenzerà il panorama tecnologico dei prossimi anni.
