Dagens platta, 2D-kiselmikroprocessorer blir så snabba att tiden som krävs för att få en signal från ena sidan av chipet till det andra - än mindre mellan processorer - blir en betydande begränsande faktor.

Ett sätt att ta itu med detta undersöks inom området kisel fotonik - ersätter elektriska anslutningar med snabbare rörligt ljus - men forskare vid University of Rochester i New York State säger att de har knäckt detta problem på ett annat sätt: genom att skapa världens första arbete chip i tre dimensioner.

"Jag kallar det en kub nu, för det är inte bara ett chip längre", säger Eby Friedman, University of Rochesters professor i elektroteknik och datateknik. "När chipsen är spola mot varandra kan de göra saker som du aldrig skulle kunna göra med ett vanligt 2D-chip," påstår han.

Bygg upp, inte ute

Riktigt kallad 3D NoC (Network on Chip), Friedmans kub är inte flera konventionella mikroprocessorer som enkelt staplas upp med vanliga data- och adressbussar. Han och ingenjören Vasilis Pavlidis konstruerade sin enhet från början. Deras NoC har bättre synkronisering, kraftfördelning och dataöverföringsfunktioner än staplade konventionella chips. Prototypen körs på en respektabel 1,4 GHz, som beskrivs i ett papper som finns på www.tinyurl.com/3uumee.

Anledningen till att Friedmans chip är ett genombrott är att du bara kan packa transistorer så tätt i två dimensioner innan de börjar fungera. Detta dikterar den övre gränsen för processkraften som ett enda chip kan kommandot. Friedman säger att 3D-chips inte skulle ha någon sådan gräns.

"Ska vi träffa en punkt där vi inte kan skala integrerade kretsar något mindre? Horisontellt ja," säger han. "Men vi ska börja skala vertikalt, och det kommer aldrig sluta, åtminstone inte i min livstid. Du borde prata med mina barnbarn om det."

Arkitekturen som laget har utformat innehåller tre speciellt utformade kiselchips och har miljontals hål borrade i isoleringen som skiljer dem för att göra anslutningar mellan transistorer i olika lager. Nyckeln till designen har gjort alla tre lager interagera som ett enda chip.

I ett pressmeddelande utfärdat av University of Rochester, som gjorde de tre markerna fungerade tillsammans, beskrivs som "som att försöka utarbeta ett trafikstyrningssystem för hela Förenta staterna - och lägga sedan två ytterligare USA över det första och på något sätt får varje bit av trafik från vilken som helst punkt på vilken nivå som helst till dess destination på någon annan nivå. "

Viktiga fördelar

Incitamentet att övervinna dessa svårigheter var dock värt det. "Den stora fördelen [av 3D-chips] är den betydande minskningen av längden och antalet globala sammankopplingar", säger Friedman. Detta hävdar han, kommer att resultera i bättre prestanda och lägre strömförbrukning.

Prototypen visar redan ett energibesparande mellan 58 och 62 procent jämfört med en konventionell 2D-mikroprocessor med samma hastighet. Friedman hävdar att de enskilda skikten inte ens behöver vara kisel, vilket ger upphov till möjligheten att skapa några väldigt konstiga nya processorer.

Några av lagren i en typisk 3D NoC kan användas för att utföra specifika funktioner, t.ex. datalagring och bildbehandling, eller de kan bestå av anpassade chips för användning i mobiltelefoner och andra konsumentvaror. Eftersom varje lager fungerar parallellt med de andra kan en framtida MP3-spelare ha ett lager som konverterar lagrade låtar till ljud på begäran.

Eftersom 3D NoCs väsentligen bara viks upp kretskort med kortare kopplingar mellan dem, kan chipsen i gadgets som iPod eventuellt minskas till en tiondel av sin storlek med tio gånger hastigheten.

Hur länge vi kanske måste vänta på de första "kubiska datorerna" är någons gissning, men chipdesigners börjar redan känna gränserna för 2D. En 3D x86 eller till och med 64-bitars design kan stärka arkitekturlinjen mycket längre genom att öka prestanda samtidigt som strömförbrukningen minskar.

Det här beror givetvis på att ljusbaserade sammankopplingar visar sig vara så snabba som Intel skulle tro att vi ...

Första publicerad i PC Plus, Utgåva 275

Läs nu Core i7: Din väsentliga guide till Intels nya killerchip