什么3D封裝，立體“多層”芯片才是下一代芯片出路
斯坦福大學(xué)工程師開(kāi)發(fā)出的四層“多層芯片”原型。底層和頂層是邏輯晶體管，中間是兩層存儲(chǔ)芯片層。垂直的管子是納米級(jí)的電子“電梯”，連接邏輯層和存儲(chǔ)層，讓它們能一起工作解決問(wèn)題。
左邊是目前的單層電路卡，邏輯與存儲(chǔ)芯片分隔在不同區(qū)，通過(guò)電線連接。就像城市街道，由于數(shù)據(jù)在邏輯區(qū)和存儲(chǔ)區(qū)來(lái)來(lái)回回地傳輸，常會(huì)產(chǎn)生擁堵。右邊是多層的邏輯芯片和存儲(chǔ)芯片，形成一種“摩天大樓”式的芯片，數(shù)據(jù)通過(guò)納米“電梯”實(shí)現(xiàn)立體傳輸，避免了擁堵。
幾十年來(lái)，“更小、更快、更便宜”已成為推動(dòng)電子設(shè)備發(fā)展的魔咒。最近，美國(guó)斯坦福大學(xué)工程師又給它增加了第四個(gè)——更高。在12月15日至17日美國(guó)舊金山召開(kāi)的電氣和電子工程師協(xié)會(huì)(IEEE)國(guó)際電子設(shè)備大會(huì)上，斯坦福大學(xué)研究小組介紹了怎樣構(gòu)建一種“多層”芯片，能大大提高目前電路卡上單層的邏輯和存儲(chǔ)芯片的性能。
電路卡就像繁忙的城市，在存儲(chǔ)芯片上存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，通過(guò)邏輯芯片計(jì)算。當(dāng)計(jì)算機(jī)繁忙時(shí)，連接邏輯芯片與存儲(chǔ)芯片的線路就會(huì)發(fā)生“數(shù)字交通擁堵”，而“多層”芯片能終結(jié)這種擁堵。
這種新方案能在存儲(chǔ)層上疊加邏輯層，緊密且互相連接，通過(guò)數(shù)千個(gè)納米級(jí)的電子“電梯”在各層之間運(yùn)輸數(shù)據(jù)，將比目前單層邏輯芯片和存儲(chǔ)芯片間的連線速度更快，耗電更少。
三項(xiàng)突破
這項(xiàng)研究由斯坦福大學(xué)電學(xué)工程與計(jì)算機(jī)科學(xué)教授薩博哈西斯·米特拉和H-S·菲利普·翁等人負(fù)責(zé)。據(jù)研究小組介紹，他們的創(chuàng)新研究取得了三項(xiàng)突破：第一是制造晶體管的新技術(shù)，晶體管是微小的門(mén)，通過(guò)開(kāi)關(guān)電流來(lái)代表1和0;第二是新型的計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器，具有多層結(jié)構(gòu);第三是把制造邏輯門(mén)和存儲(chǔ)器的新技術(shù)整合在一起，成為多層結(jié)構(gòu)的新技術(shù)，這與以往的堆疊芯片完全不同。
“這項(xiàng)研究還在早期階段，但我們的設(shè)計(jì)和制造技術(shù)是可升級(jí)的。”米特拉說(shuō)，“隨著今后的發(fā)展，這種結(jié)構(gòu)將會(huì)使計(jì)算機(jī)性能大大提高，超過(guò)現(xiàn)有任何計(jì)算機(jī)?！?
翁說(shuō)，這種芯片的原型已在去年的國(guó)際電子器件大會(huì)(IEDM)上展出過(guò)，顯示了怎樣把邏輯和存儲(chǔ)芯片結(jié)合到一種能大規(guī)模生產(chǎn)的三維結(jié)構(gòu)上?？梢哉f(shuō)，這改變了芯片的范式?！坝辛诉@種新結(jié)構(gòu)，電子制造業(yè)會(huì)把你手中的計(jì)算機(jī)變成強(qiáng)大的超級(jí)計(jì)算機(jī)?！?
碳納米管造邏輯層
工程師幾十年前就已造出了硅芯片。但無(wú)論手機(jī)還是平板電腦都會(huì)發(fā)熱，放出熱量的大小也能顯示其內(nèi)部問(wèn)題。即使把它們關(guān)上，有時(shí)也會(huì)有電從硅晶體管中泄露。用戶會(huì)感覺(jué)到熱，對(duì)系統(tǒng)本身來(lái)說(shuō)，這種泄露也會(huì)耗盡電池，浪費(fèi)電力。研究人員正致力于解決這一難題，比如用碳納米管(CNT)晶體管。
碳納米管非常纖細(xì)，20億根才有一根頭發(fā)粗細(xì)，所以漏電要比硅少得多。在米特拉和翁的第二篇會(huì)議論文中，介紹了他們是怎樣制造性能最高的碳納米管晶體管的。用以往的生產(chǎn)碳納米管的標(biāo)準(zhǔn)工藝，造出的納米管密度不夠致密。他們攻克了這一難題，開(kāi)發(fā)出一種靈活的技術(shù)，能把足夠多的碳納米管打包在足夠小的面積里，以制造有用的芯片。
他們先在圓形石英晶片上用標(biāo)準(zhǔn)方法生產(chǎn)碳納米管，然后增加厚度到一定量，再用黏合法把整個(gè)碳納米管層從石英介質(zhì)上剝離，放到硅晶片上。這種硅晶片就是他們多層芯片的基礎(chǔ)。
研究人員先要制造密度足夠大的碳納米管層，才能制造出高性能的邏輯設(shè)備。他們按這種工藝重復(fù)13次，在石英晶片上生長(zhǎng)了一大堆碳納米管，然后用轉(zhuǎn)移技術(shù)剝離，把它們沉淀在硅晶片上。用這種簡(jiǎn)捷的技術(shù)來(lái)固定，他們?cè)斐隽艘恍┢衩芏茸罡?、性能最高的碳納米管。他們還證明了，在制造多層芯片時(shí)，能在超過(guò)一個(gè)邏輯層上實(shí)施這種技術(shù)。
“三明治式”存儲(chǔ)器
造出高性能的CNT晶體管層只是多層芯片的一部分，在每層CNT晶體管層上直接制作出存儲(chǔ)芯片也同樣重要。翁是制造這種存儲(chǔ)器的領(lǐng)導(dǎo)者。
翁設(shè)計(jì)的新型存儲(chǔ)器與目前的存儲(chǔ)器完全不同，不是以硅為基礎(chǔ)，而是用氮化鈦、二氧化鉿和鉑，構(gòu)成一種金屬—氧化物—金屬的夾層結(jié)構(gòu)，從一個(gè)方向通電會(huì)產(chǎn)生電阻，而反向通電則能導(dǎo)電。從電阻到導(dǎo)電狀態(tài)的改變，就是這種新存儲(chǔ)技術(shù)形成數(shù)字0和1的方式，所以它的名字就叫做電阻式隨機(jī)存取存儲(chǔ)器或RRAM。
RRAM比目前的存儲(chǔ)器耗電更少，在移動(dòng)設(shè)備上使用能延長(zhǎng)電池壽命。這種新的存儲(chǔ)技術(shù)也是制造多層芯片的關(guān)鍵，因?yàn)镽RAM能以比硅存儲(chǔ)器更低的溫度制造。
多層互連
會(huì)議上展示的是斯坦福大學(xué)電學(xué)工程研究生馬克斯·修雷克和托尼·吳制造的四層芯片。制造RRAM和CNT晶體管層都是以低熱工藝為基礎(chǔ)，所以能在每層 CNT邏輯芯片上直接制造存儲(chǔ)芯片層，在制造每層存儲(chǔ)芯片層時(shí)，能鉆數(shù)千個(gè)與下面邏輯層互相連通的小孔。在傳統(tǒng)的電路卡上，就是這種多層互連讓多層芯片能避免“交通擁堵”。
如果用傳統(tǒng)的硅基邏輯和存儲(chǔ)芯片，無(wú)法實(shí)現(xiàn)多層間的緊密互連。因?yàn)橹圃旃杌鎯?chǔ)器要花太多熱量，大約要1000℃，這會(huì)讓下面的邏輯芯片融化。
以往也有人研究堆疊式硅芯片，這會(huì)節(jié)約空間，但無(wú)法避免數(shù)據(jù)“交通擁堵”。因?yàn)槊繉有酒家?dú)立制造，并用電線連接——這仍然傾向于擁堵，與研究小組設(shè)計(jì)的“納米電梯”是完全不同的。
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