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      什么3D封裝,立體“多層”芯片才是下一代芯片出路

      2015/1/6 18:02:27??????點(diǎn)擊:

      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,中間是兩層存儲芯片層。垂直的管子是納米級的電子“電梯”,連接邏輯層和存儲層,讓它們能一起工作解決問(wèn)題。

      左邊是目前的單層電路卡,邏輯與存儲芯片分隔在不同區,通過(guò)電線(xiàn)連接。就像城市街道,由于數據在邏輯區和存儲區來(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芯片,形成一種“摩天大樓”式的芯片,數據通過(guò)納米“電梯”實(shí)現立體傳輸,避免了擁堵。



      幾十年來(lái),“更小、更快、更便宜”已成為推動(dòng)電子設備發(fā)展的魔咒。最近,美國斯坦福大學(xué)工程師又給它增加了第四個(gè)——更高。在12月15日至17日美國舊金山召開(kāi)的電氣和電子工程師協(xié)會(huì )(IEEE)國際電子設備大會(huì )上,斯坦福大學(xué)研究小組介紹了怎樣構建一種“多層”芯片,能大大提高目前電路卡上單層的邏輯和存儲芯片的性能。

      電路卡就像繁忙的城市,在存儲芯片上存儲數據,通過(guò)邏輯芯片計算。當計算機繁忙時(shí),連接邏輯芯片與存儲芯片的線(xiàn)路就會(huì )發(fā)生“數字交通擁堵”,而“多層”芯片能終結這種擁堵。

      這種新方案能在存儲層上疊加邏輯層,緊密且互相連接,通過(guò)數千個(gè)納米級的電子“電梯”在各層之間運輸數據,將比目前單層邏輯芯片和存儲芯片間的連線(xiàn)速度更快,耗電更少。

      三項突破

      這項研究由斯坦福大學(xué)電學(xué)工程與計算機科學(xué)教授薩博哈西斯·米特拉和H-S·菲利普·翁等人負責。據研究小組介紹,他們的創(chuàng )新研究取得了三項突破: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;第二是新型的計算機存儲器,具有多層結構;第三是把制造邏輯門(mén)和存儲器的新技術(shù)整合在一起,成為多層結構的新技術(shù),這與以往的堆疊芯片完全不同。

      “這項研究還在早期階段,但我們的設計和制造技術(shù)是可升級的?!泵滋乩f(shuō),“隨著(zhù)今后的發(fā)展,這種結構將會(huì )使計算機性能大大提高,超過(guò)現有任何計算機?!?

      翁說(shuō),這種芯片的原型已在去年的國際電子器件大會(huì )(IEDM)上展出過(guò),顯示了怎樣把邏輯和存儲芯片結合到一種能大規模生產(chǎn)的三維結構上??梢哉f(shuō),這改變了芯片的范式?!坝辛诉@種新結構,電子制造業(yè)會(huì )把你手中的計算機變成強大的超級計算機?!?

      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(hù)會(huì )感覺(jué)到熱,對系統本身來(lái)說(shuō),這種泄露也會(huì )耗盡電池,浪費電力。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,20億根才有一根頭發(fā)粗細,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)碳納米管的標準工藝,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準方法生產(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。

      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備。他們按這種工藝重復13次,在石英晶片上生長(cháng)了一大堆碳納米管,然后用轉移技術(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,他們造出了一些迄今密度最高、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芯片也同樣重要。翁是制造這種存儲器的領(lǐng)導者。

      翁設計的新型存儲器與目前的存儲器完全不同,不是以硅為基礎,而是用氮化鈦、二氧化鉿和鉑,構成一種金屬—氧化物—金屬的夾層結構,從一個(gè)方向通電會(huì )產(chǎn)生電阻,而反向通電則能導電。從電阻到導電狀態(tài)的改變,就是這種新存儲技術(shù)形成數字0和1的方式,所以它的名字就叫做電阻式隨機存取存儲器或RRAM。

      RRAM比目前的存儲器耗電更少,在移動(dòng)設備上使用能延長(cháng)電池壽命。這種新的存儲技術(shù)也是制造多層芯片的關(guān)鍵,因為RRAM能以比硅存儲器更低的溫度制造。

      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,所以能在每層 CNT邏輯芯片上直接制造存儲芯片層,在制造每層存儲芯片層時(shí),能鉆數千個(gè)與下面邏輯層互相連通的小孔。在傳統的電路卡上,就是這種多層互連讓多層芯片能避免“交通擁堵”。

      如果用傳統的硅基邏輯和存儲芯片,無(wú)法實(shí)現多層間的緊密互連。因為制造硅基存儲器要花太多熱量,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 )節約空間,但無(wú)法避免數據“交通擁堵”。因為每層芯片都要獨立制造,并用電線(xiàn)連接——這仍然傾向于擁堵,與研究小組設計的“納米電梯”是完全不同的。

      該文章轉載于:PCB網(wǎng)城
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