Proč „kabeláž“ rozhoduje o výkonu AI čipů víc než tranzistory

Slovo kabeláž zní banálně, ale uvnitř moderního čipu jde o extrémně sofistikovanou síť kovových nanopropojení. Tyto vodiče mají šířku měřenou v jednotkách nanometrů a spojují funkční bloky čipu: výpočetní jádra, paměťové řadiče a vstupně-výstupní rozhraní. Čím jemnější výrobní proces, tím menší jsou tyto linky. A tím víc v nich roste elektrický odpor.

U pokročilých výrobních uzlů se právě odpor propojů stává významným úzkým hrdlem. Jak popisuje studie publikovaná v Nature Communications, takzvané RC zpoždění, tedy součin odporu a kapacity, se u jemných propojů stává stále významnější částí celkového zpoždění. Samsung a další výrobci proto hledají nové materiály a způsoby výroby, které by ztráty v těchto spojích snížily.

Jinými slovy: můžete mít seberychlejší „mozek“ čipu, ale pokud data cestují po pomalých a ztrátových cestách, část potenciálního výkonu zůstane nevyužita.

Pět atomů uhlíku na tisíc atomů ruthenia

Měď slouží jako materiál vnitřních vodičů v čipech už od konce devadesátých let. Jenže u nejjemnějších linek naráží na fyzikální limity: elektrony se rozptylují na hranicích zrn a na povrchu vodiče, navíc jsou potřeba bariérové a adhezní vrstvy, které zabírají stále větší podíl z už tak miniaturního průřezu. Ruthenium je proto jedním z hlavních kandidátů na materiál pro nejjemnější propojovací struktury, protože může v některých rozměrech nabídnout výhodnější elektrické vlastnosti bez stejně výrazné potřeby těchto vrstev.

Problém ruthenia byl jiný. Na amorfním dielektrickém podkladu, jaký se v čipech běžně používá, rostou krystaly Ru chaoticky. Různě orientovaná zrna znamenají více hranic, více rozptylu elektronů a vyšší odpor. Samsung, GIST a MIT tento problém řešily pomocí stopového množství uhlíku. Při depozici ruthenia metodou ALD (atomic layer deposition) přidali do filmu malé množství uhlíku, který během následné rekrystalizace působí jako dočasný promotér.

Co se pak děje při žíhání:

• Uhlík se přesouvá k hranicím krystalových zrn a vytváří tam dočasné oblasti bohaté na uhlík.
• Tyto oblasti během rekrystalizace vytvářejí dočasný volný prostor, který usnadňuje pohyb atomů ruthenia.
• Atomy Ru se mohou přeuspořádat do jednotnější krystalové orientace a výsledná textura dosáhla 99,3 %.
• V reálných 3D strukturách pak konformita dosáhla 99,1 %.

Výsledek na 8nm filmu: rezistivita klesla o 29,0 %. V reálných ultrajemných linkách, které odpovídají rozměrům budoucích pokročilých uzlů, pak odpor klesl o celých 45,4 % oproti konvenčnímu rutheniu bez uhlíkového promotéru.

Nejde o izolovaný nápad, celý obor hledá náhradu mědi

Samsung není jediný, kdo na ruthenium sází. Na konferenci IEDM 2025 prezentoval svůj výzkum orientace zrn v Ru propojeních a belgický výzkumný institut imec ve stejné oblasti ukázal funkční dvouúrovňové ruteniové propoje s roztečí pouhých 16 nm. Intel na konferenci AVS 2023 rovněž popsal ruthenium, iridium a rhodium jako kandidáty na náhradu mědi v nanometrových rozměrech.

Samsungova novinka je ale v něčem unikátní. Zatímco některé dosavadní přístupy k orientaci krystalů vyžadovaly epitaxi na krystalově sladěném podkladu, tým ze SAIT, GIST a MIT dosáhl téměř dokonalé textury na běžném amorfním dielektriku. To je zásadní rozdíl: v reálné výrobě čipů se vodiče nekladou na monokrystalický substrát, ale právě na amorfní izolační vrstvy.

Co to znamená pro budoucí AI hardware

Je důležité říct na rovinu: Samsung nepředstavil hotový AI akcelerátor, který by byl o 45 % rychlejší. Oněch 45,4 % se týká snížení odporu v testovaných datových cestách uvnitř čipu, nikoli benchmarku celého produktu. Mezi výzkumným článkem v Science a komerčním nasazením leží ještě integrace do kompletního výrobního procesu, testy spolehlivosti, optimalizace leptání a chemicko-mechanického leštění i ekonomické kalkulace.

Samsung už v roce 2025 zahájil výrobu první generace 2nm čipů, ale zkoumaná Ru-uhlíková metoda je zatím samostatná výzkumná linie. Podle dostupných informací tedy nelze tvrdit, že už je součástí sériové výroby. Reálný horizont nasazení je spíše otázkou několika let a první využití by logicky mohlo přijít v HPC a AI, kde se investice do nových materiálů a výrobních postupů vracejí nejrychleji.

Až se jednou tato technologie dostane do produkčních čipů, ať už v serverech, nebo v mobilních procesorech, zařízení mohou být nejen rychlejší, ale i úspornější. Nižší odpor vodičů totiž snižuje elektrické ztráty a úbytek napětí. A v éře, kdy velká AI datacentra spotřebovávají obrovské množství elektřiny, je každé procento úspor cenné.

Další velký skok v AI hardwaru možná nepřijde z revoluce v tranzistorech. Přijde z toho, co je mezi nimi.