بقلم كيث فيلتون وتود بيركهولدر
لقد حان وقت الدوائر المتكاملة ثلاثية الأبعاد (3D ICs)، وسوف تحدث ثورة في صناعة أشباه الموصلات وستحدث نقطة تحول في طبيعة المنتجات الإلكترونية التي يمكن تصميمها وتصنيعها. ولكن مرة أخرى ــ كما هي الحال مع أجهزة الكمبيوتر الشخصية، والإنترنت، والهواتف الذكية ــ لن يعود عالمنا الرقمي على نحو متزايد إلى ما كان عليه قط.
تجعل معماريات الدوائر المتكاملة ثلاثية الأبعاد هذا ممكنًا جزئيًا عن طريق دفع قانون مور (مضاعفة أعداد الترانزستورات في الدوائر المتكاملة كل عامين) إلى العتبة التالية. وبدلاً من المماطلة، كما توقع العديد من الخبراء، سيتم تنشيط قانون مور وتنشيطه.
وبالتالي، لتلبية الطلب العالمي المستمر على الدوائر المتكاملة التي توفر المزيد من الأداء واستهلاك أقل للطاقة ضمن مساحات أصغر من أي وقت مضى، تتميز تصميمات الدوائر المتكاملة بشكل متزايد بتقنيات التعبئة والتغليف المتطورة مثل التكوينات 2.5D و3D. تجمع هذه التقنيات بين واحد أو أكثر من الدوائر المتكاملة ذات الوظائف المختلفة مع زيادة كثافة الإدخال/الإخراج والدائرة.
إذن ما هي هذه الأشياء ثلاثية الأبعاد IC؟ أولاً، دعونا نوضح باستخدام الاستعارة.
تخيل مبنى شاهقًا متعدد الاستخدامات يضم السكن والمكاتب والخدمات والتسوق ومحلات البقالة وصالات الألعاب الرياضية والمكتبات ومستودعات الشحن والمزيد.
ومن خلال ربط كل هذه الشركات والموارد المتنوعة في مكان واحد، يستمتع الأشخاص والتجارة بحركة أسرع وأكثر كفاءة أثناء قيامهم بأنشطتهم اليومية. يتطلب الانتقال من مكان إلى آخر القليل من الطاقة - على الأكثر مصعد، أو مجرد صعود الدرج - ويكون الاتصال والتفاعلات فوريًا ومباشرًا. تتوفر كميات كبيرة ومتنوعة من المعلومات والسلع مباشرة في الموقع. نظرًا لأنه يجب الحفاظ على العقارات والمساحات الخضراء واستخدامها بذكاء، فإننا نبني وننشئ مناظر طبيعية رأسية بدلاً من التطوير المترامي الأطراف. ومع ذلك، فإن "مدينتنا" الفعالة والمريحة والصديقة للبيئة في البرج تحتل مساحة جانبية أيضًا، والتي تشمل المساحات الخضراء والحدائق والملاعب الرياضية ومسارات الدراجات والميزات المائية ومحطات الطاقة والمستودعات والبنية التحتية الأساسية وعقد النقل المطلوبة. والاتصالات بكل من المواقع الداخلية والخارجية - والأهم من ذلك، أن استخدام المساحة الأفقية هو الأمثل، وأكثر إحكاما، وكفاءة من تلك الموجودة في المدن الشاسعة التي تغطي مساحات شاسعة من الأرض.
مثل مدينتنا اللامعة ثلاثية الأبعاد في البرج، تتميز الدوائر المتكاملة ثلاثية الأبعاد بتكديس طبقات متعددة من السيليكون فوق بعضها البعض. وهذا يسمح بإنشاء شرائح أكثر قوة وتعقيدًا يمكن استخدامها في نطاق أوسع من التطبيقات. هناك العديد من الأسباب التي تجعل الدوائر المتكاملة ثلاثية الأبعاد مجال اهتمام اليوم.
أولاً، وصلت الطريقة التقليدية لتصنيع الدوائر المرحلية - والتي تسمى الدوائر المرحلية المتجانسة ثنائية الأبعاد أو الدوائر المرحلية المستوية - إلى حدودها القصوى. عندما تصبح الترانزستورات أصغر فأصغر، يصبح من الصعب بشكل متزايد إنشاء دوائر متكاملة موثوقة وفعالة ثنائية الأبعاد. توفر الدوائر المتكاملة ثلاثية الأبعاد طريقة للتغلب على هذه القيود والاستمرار في تقليص حجم الترانزستورات مع زيادة عدد الترانزستورات التي يمكن وضعها على شريحة واحدة. وهكذا، دفع قانون مور نحو المستقبل.
ثانيًا، تعمل الدوائر المتكاملة ثلاثية الأبعاد على تحسين أداء الرقائق. ومن خلال تكديس طبقات متعددة من السيليكون فوق بعضها البعض، تعمل الدوائر المتكاملة ثلاثية الأبعاد على تقليل المسافة التي تنتقل بها الإشارات، مما يؤدي إلى أداء أسرع. بالإضافة إلى ذلك، يمكن استخدام الدوائر المتكاملة ثلاثية الأبعاد لإنشاء شرائح ذات مراكز متعددة، مما يؤدي أيضًا إلى تحسين الأداء.
ثالثًا، تساعد الدوائر المتكاملة ثلاثية الأبعاد على تقليل استهلاك الطاقة للرقائق. تستخدم الدوائر المتكاملة ثلاثية الأبعاد طاقة أقل، لأنها تحتاج فقط إلى دفع الإشارات عبر مسافة أقصر بكثير، ولكنها لا تزال تولد الحرارة، والتي يتم تمريرها مباشرة إلى الدوائر المتكاملة المجاورة. يمكن أن يخلق هذا تحديات إذا كانت المكونات المجاورة حساسة للحرارة، مثل الذاكرة. لذا فإن الإدارة الحرارية للدوائر المرحلية ثلاثية الأبعاد والأجهزة المتكاملة غير المتجانسة تعد عاملاً رئيسيًا يجب أخذه في الاعتبار عند بداية التصميم. على الجانب الإيجابي، يمكن استخدام الدوائر المتكاملة ثلاثية الأبعاد لإنشاء شرائح ذات ميزات أكثر كفاءة لإدارة الطاقة، مما يقلل من استهلاك الطاقة بشكل أكبر.
بشكل عام، توفر الدوائر المرحلية ثلاثية الأبعاد العديد من المزايا مقارنة بالدوائر المرحلية التقليدية ثنائية الأبعاد أو المستوية.
- زيادة الأداء: كما ذكرنا سابقًا، تقدم الدوائر المتكاملة ثلاثية الأبعاد أداءً متزايدًا نظرًا لقصر المسافات بين المكونات والقدرة على دمج تقنيات متعددة. وهذا يؤدي إلى أجهزة أسرع وأكثر استجابة، فضلا عن القدرة على التعامل مع المهام الأكثر تعقيدا.
- انخفاض الحجم والوزن: توفر الدوائر المرحلية ثلاثية الأبعاد حجمًا ووزنًا أقل نظرًا للقدرة على تكديس طبقات متعددة من المكونات فوق بعضها البعض. وهذا يؤدي إلى أجهزة أصغر حجمًا وأكثر قابلية للحمل، بالإضافة إلى أجهزة أكثر ملاءمة للاستخدام في المساحات الضيقة أو التي يصعب الوصول إليها.
- تحسين كفاءة الطاقة: توفر الدوائر المتكاملة ثلاثية الأبعاد كفاءة محسنة للطاقة، وذلك أيضًا بسبب المسافات القصيرة بين المكونات والقدرة على دمج التقنيات المختلفة. يمكن أن ينتج عن ذلك أجهزة تدوم لفترة أطول بشحنة واحدة، بالإضافة إلى أجهزة تنتج حرارة أقل، وهو ما قد يكون مهمًا لمتطلبات السلامة والموثوقية.
- زيادة المرونة: توفر الدوائر المرحلية ثلاثية الأبعاد مرونة متزايدة بسبب القدرة على دمج العديد من التقنيات المختلفة على شريحة واحدة. يؤدي هذا إلى أجهزة أكثر تنوعًا ويمكن استخدامها لمجموعة واسعة من المهام.
تعتبر هذه المزايا مثيرة للاهتمام بشكل خاص لعدد من التطبيقات التي يحدث فيها الاعتماد المبكر بالفعل أو سيحدث في المستقبل القريب.
- حوسبة عالية الأداء (HPC): كان المتبنون الأوائل في HPC. تُستخدم الدوائر المتكاملة ثلاثية الأبعاد لإنشاء شرائح HPC المستخدمة في تطبيقات مثل الذكاء الاصطناعي (AI) والتعلم الآلي وتحليلات البيانات الضخمة.
- أجهزة يمكن ارتداؤها: تسمح شرائح IC ثلاثية الأبعاد بإنتاج أجهزة أصغر حجمًا وأكثر قوة يمكن ارتداؤها مثل الساعات الذكية وأجهزة تتبع اللياقة البدنية وسماعات الواقع المعزز.
- قطاع المعدات الثقيلة: إن تكامل التقنيات المختلفة وقدرتها على التوسع يجعل 3D IC مثاليًا لإعادة استهداف التصميمات لمختلف الأسواق والتطبيقات مثل القيادة الذاتية وأنظمة مساعدة السائق المتقدمة (ADAS). تعد الدوائر المتكاملة ثلاثية الأبعاد أيضًا جذابة لأنها توفر نظامًا بيئيًا أقل للموردين ونظامًا بيئيًا أوسع من الموردين، مما يدعم سلسلة توريد أكثر قوة ومرونة.
- الأجهزة الطبية: يمكن أيضًا استخدام 3D IC لإنشاء أجهزة طبية أصغر حجمًا وأكثر قوة مثل أجهزة تنظيم ضربات القلب ومضخات الأنسولين وأدوات السمع.
هذه مجرد أمثلة قليلة من تطبيقات المرحلية ثلاثية الأبعاد. مع استمرار تطور التكنولوجيا، يمكننا أن نتوقع رؤية المزيد من التطبيقات المبتكرة والرائدة للدوائر المرحلية ثلاثية الأبعاد في السنوات القادمة.
تعد بنية 3D IC بمثابة تقنية ناشئة لديها القدرة على إحداث ثورة في صناعة الإلكترونيات. من خلال تقديم أداء متزايد، وتقليل الحجم والوزن، وتحسين كفاءة الطاقة، وزيادة المرونة، يتيح 3D IC تطوير منتجات إلكترونية جديدة ومبتكرة تلبي احتياجات مجموعة واسعة من المستخدمين والتطبيقات.
ابقوا متابعين. بحلول الوقت الذي يتم فيه بث هذه الثورة على التلفاز، ستكون موجودة بالفعل، ولن يكون لديك ميزة قيادة مجموعة المنافسين، بغض النظر عن عملك.
تود بيركهولدر هو كاتب كبير في شركة Siemens Digital Industries Software.
- محتوى مدعوم من تحسين محركات البحث وتوزيع العلاقات العامة. تضخيم اليوم.
- PlatoData.Network Vertical Generative Ai. تمكين نفسك. الوصول هنا.
- أفلاطونايستريم. ذكاء Web3. تضخيم المعرفة. الوصول هنا.
- أفلاطون كربون، كلينتك ، الطاقة، بيئة، شمسي، إدارة المخلفات. الوصول هنا.
- أفلاطون هيلث. التكنولوجيا الحيوية وذكاء التجارب السريرية. الوصول هنا.
- المصدر https://semiengineering.com/the-city-in-the-tower-3d-ics-transform-the-electronics-system-landscape/
