3D-IC技术的新前沿

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引言

在半导体技术快速发展的背景下，3D集成电路(3D-IC)代表了芯片设计的全新方向，有望在保持能效的同时提供性能的显着提升。随着人工智能应用需求不断增长，英特尔、台积电和三星等主要晶圆厂正在研发全面解决方案，为下一代计算设备提供支持[1]。

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3D-IC技术的驱动因素

半导体行业几十年来一直依靠平面缩放来提高性能，但这种方法正接近物理和经济极限。虽然数字晶体管继续缩小，但SRAM和互连线并没有以相同速率缩小。此外，将所有组件打包到单个reticle尺寸的芯片上通常会导致低产量和首次硅成功率降低。

特别是自从两年前ChatGPT发布以来，AI应用的广泛采用加速了向3D-IC技术的转变。行业现在需要能够在功率和性能方面提供显着改进的解决方案，这推动了芯片架构的根本转变。这种需求促使各大晶圆厂承诺在未来几年投入约1000亿美元，将3D-IC推向规模化生产。

3D-IC的核心概念包括将传统的片上系统(SoC)分解为专用组件，实现计算元素的大规模并行化，并减少信号在处理元素和内存之间传输的距离。通过垂直堆叠芯片而非水平扩展，3D-IC可以克服内存墙——当前计算架构中的主要瓶颈。

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英特尔的3D-IC实施方法

英特尔已经开发了一套实施3D-IC的综合策略，专注于将逻辑直接堆叠在SRAM tile上以解决内存墙问题。

图1：英特尔的3D-IC概念，14A芯片组件封装在SRAM上方，EMIB桥接技术连接I/O，周围是用于L3缓存的HBM。

正如英特尔晶圆厂高级副总裁兼总经理Kevin O'Buckley所解释："每个人都谈论内存墙。随着我们扩展更多核心，提高计算性能，保持数据供应成为优先事项。3D是一个例子，说明我们如何使用大量芯片面积作为SRAM，而不牺牲计算所需的面积。"

英特尔还积极开发光连接技术，以增强3D-IC产品的性能。

图2：英特尔集成光连接技术的路线图，与传统电气互连相比，该技术承诺提供更高带宽、更低延迟和更高能效。

英特尔的工艺路线图包括RibbonFET技术，这是环绕栅晶体管(GAA FET)的实现，提供更好的性能和功耗特性。

图3：英特尔的工艺技术路线图，突出了RibbonFET技术和其他将支持3D-IC实现的先进功能的引入。

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台积电的3D-IC开发历程

台积电一直在积极开发3D-IC的各种集成策略，专注于背对面和面对面芯片堆叠方法，以最大化互连密度。

图4：台积电的3D-IC路线图，说明了背对面和面对面键合技术等各种集成策略，以及逐渐缩小的超键合间距。

台积电业务发展和全球销售高级副总裁Kevin Zhang强调："晶体管技术和先进封装集成必须齐头并进，才能为客户提供完整的产品级解决方案。3D fabric技术组合对我们变得非常重要。"

台积电还在研发将硅基光电子集成到3D-IC设计中，以提高信号效率。

图5：台积电将光电共封装与3D-IC技术集成的计划，实现组件之间更高带宽和更高能效的数据传输。

台积电的工艺技术路线图包括即将推出的A14节点，将在速度、能效和逻辑密度方面带来实质性改进。

图6：台积电的工艺技术路线图，强调了向A14节点及更高节点的进展，为先进的3D-IC实现奠定基础。

超越AI应用，台积电认为3D-IC技术在增强现实眼镜和人形机器人等领域有重要潜力。

图7：人形机器人的硅需求，展示了3D-IC技术的各种组件如何支持未来机器人系统中的先进感知、智能和控制能力。

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三星的3D-IC战略

三星正推进包括逻辑叠层的路线图，计划结合不同工艺节点的芯片，以优化性能和能效。

图8：三星的3D-IC路线图，强调了从2027年开始将SF1.4堆叠在SF2P上的计划，创建了所谓的3.5D封装(3D-IC在2.5D基板上)。

三星的工艺技术路线图包括在2nm节点引入环绕栅(GAA)技术。

图9：三星的工艺技术路线图，展示了工艺节点的演变和GAA技术的引入，这将支持3D-IC的实现。

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技术挑战与解决方案

尽管3D-IC有很多好处，但在广泛部署前必须解决几个技术挑战。其中最显着的是热管理，因为堆叠多个活动层可能导致热量集中，需要有效散热。

正在探索几种解决热管理挑战的方法：

1. 热通道作为微型烟囱，直接将热量从处理元素传导到外部散热器。关键挑战是确定这些通道的最佳数量和位置，以解决不同工作负载产生的独特热梯度。

2. 蒸汽帽类似于蒸发冷却器，气体通过湿垫吸收液体然后蒸发，将热量传递到外部散热器。这种方法更适用于数据中心应用，因为服务器机架在运行期间保持静止。

3. 微流体技术涉及在封装内的微小通道中移动液体，以吸收和去除热量。这一概念可追溯到大型机冷却系统，但正在结合现代材料和设计方法重新审视，以满足3D-IC的热需求。

导热界面材料包括垫片、膏体和最近的碳纳米管，可以有效地将热量从活跃组件传导出去。行业继续研究最有效的材料和组合，以实现长期可靠性。

4. 浸没式冷却，即将电子设备浸入惰性液体中，提供了另一种热散失选择，不会造成电气短路。但在可重用性、可持续性和成本方面仍存在挑战。

支持3D-IC的另一个关键进展是背面供电(BPD)，三大晶圆厂都在开发。英特尔的PowerVia BPD将于今年随其18A节点的RibbonFET晶体管一起推出。台积电计划从2026年下半年开始在A16节点引入Super Power Rail BPD。三星将在2nm节点提供SF2Z BPD，计划于2027年推出。

将供电网络移至芯片背面缩短了电力传输距离，简化了信号布线，实现了更高效、更高性能的设计。这种方法允许在填充了硅穿孔和通过混合键合连接的芯片之间进行更直接的布线。

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3D-IC的未来

虽然3D-IC技术的初始应用将在AI数据中心，但为这些先进芯片开发的技术最终会应用到更广泛的领域。正如台积电的Kevin Zhang所指出，未来应用可能包括增强现实眼镜、自动驾驶汽车和人形机器人，这些都需要3D-IC可提供的先进计算能力、感知技术和能效。

成功实施3D-IC需要半导体生态系统的广泛合作，不仅包括晶圆厂，还包括EDA供应商、材料供应商和系统设计师。正如西门子EDA首席执行官Mike Ellow所观察到的："世界依赖于弹性强、稳健的、分布式的先进节点硅供应链。此外，我们需要一套人工智能增强技术，将更广泛的生态系统连接起来，以允许创建所有设计内容。"

随着开发和部署3D-IC技术的竞赛加速，我们可以期待计算性能和效率的显着提升，支持以前难以实现的新应用和功能。未来几年将是决定哪些方法和技术将主导这一半导体设计新领域的关键时期。