Pesquisadores dos Estados Unidos anunciaram a fabricação do que descrevem como o primeiro chip 3D verdadeiramente tridimensional produzido em uma fábrica de chips comercial. O protótipo representa um avanço relevante na arquitetura de semicondutores ao integrar, em uma única pastilha de silício, lógica de processamento e memória empilhadas verticalmente, superando limitações históricas dos chips bidimensionais tradicionais. As informações são do Stanford Report.

O projeto é resultado da colaboração entre universidades americanas e a SkyWater Technology, uma fundição de semicondutores sediada nos EUA. A proposta central é explorar a terceira dimensão como forma de aumentar desempenho e eficiência energética, especialmente em aplicações ligadas à inteligência artificial e à computação de alta intensidade.

O que torna esse chip 3D diferente

Na arquitetura convencional, os componentes de um chip são organizados lado a lado sobre um plano bidimensional. Mesmo soluções chamadas de “3D” até hoje se baseiam, em grande parte, no empacotamento de múltiplos chips separados em um único módulo. No novo protótipo, a abordagem é diferente.

A lógica de processamento e as células de memória são construídas de forma sequencial e empilhadas verticalmente no mesmo wafer, caracterizando um circuito integrado 3D monolítico. Isso reduz drasticamente a distância física entre processamento e armazenamento de dados, um dos principais gargalos das arquiteturas atuais.

O chip combina transistores baseados em nanotubos de carbono com camadas de memória resistiva não volátil (RRAM), além de lógica CMOS tradicional de silício. Essa integração permite uma densidade muito maior de conexões verticais e trajetos de sinal mais curtos, o que se traduz em ganhos expressivos de desempenho e eficiência.

Entre os principais diferenciais técnicos do protótipo, destacam-se:

empilhamento vertical real de lógica e memória no mesmo circuito integrado;

uso de transistores de nanotubos de carbono;

integração de memória RRAM diretamente sobre a lógica;

interconexões verticais mais densas e curtas.

Como o protótipo foi fabricado

A fabricação ocorreu nas linhas comerciais da SkyWater Technology, utilizando processos maduros entre 90 nm e 130 nm. Um dos pontos-chave foi o uso de um processo de baixa temperatura, em torno de 415 °C, que evita danos às camadas inferiores à medida que novas camadas são adicionadas.

Essa abordagem possibilitou integrar, em uma única pastilha, diferentes tecnologias de transistores e memória sem comprometer o funcionamento das camadas já construídas. O resultado é um chip experimental que demonstra viabilidade industrial, indo além de provas de conceito restritas a laboratórios acadêmicos.

Em testes de hardware, o chip 3D apresentou cerca de quatro vezes mais throughput quando comparado a um chip plano tradicional com latência e área semelhantes. Em simulações com pilhas mais altas de memória e computação, os pesquisadores observaram ganhos de até doze vezes em cargas de trabalho típicas de inteligência artificial, incluindo modelos inspirados em grandes modelos de linguagem.

Além disso, as estimativas indicam que, com a expansão da integração vertical, essa arquitetura pode alcançar melhorias entre 100 e 1.000 vezes no produto energia-atraso, métrica que combina eficiência energética e velocidade de processamento.

Impactos para a indústria e para a IA

O desenvolvimento envolveu equipes da Stanford University, Carnegie Mellon University, University of Pennsylvania e MIT, reforçando a importância da colaboração entre academia e indústria. Para os pesquisadores, o fato de o chip ter sido produzido em uma foundry comercial demonstra que arquiteturas 3D monolíticas podem migrar para linhas industriais confiáveis no futuro.

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Segundo os responsáveis pelo projeto, a integração vertical representa uma evolução natural frente aos limites físicos da miniaturização bidimensional. Ao explorar a terceira dimensão, engenheiros buscam reduzir gargalos internos e atender às crescentes demandas de desempenho e eficiência de sistemas de IA, aceleradores especializados e dispositivos embarcados avançados.

Embora ainda em estágio inicial, o protótipo indica um caminho promissor para a próxima geração de semicondutores, sugerindo que o futuro do hardware pode estar menos na redução do tamanho dos transistores e mais na forma como eles são organizados no espaço.

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