Por Keith Felton y Todd Burkholder

Ha llegado el momento de los circuitos integrados 3D (3D IC), que revolucionarán la industria de los semiconductores y marcarán un hito en la naturaleza de los productos electrónicos que pueden diseñarse y fabricarse. Una vez más, como ocurre con las computadoras personales, Internet y los teléfonos inteligentes, nuestro mundo cada vez más digital nunca volverá a ser el mismo.

Las arquitecturas de circuitos integrados 3D hacen esto posible en parte al impulsar la Ley de Moore (la duplicación del número de transistores en los circuitos integrados cada dos años) por encima del siguiente umbral. En lugar de estancarse, como predijeron muchos expertos, la Ley de Moore se revitalizará y se acelerará.

Por lo tanto, para satisfacer la demanda global actual de circuitos integrados que ofrezcan más rendimiento y menor consumo de energía en espacios cada vez más pequeños, los diseños de circuitos integrados presentan cada vez más técnicas de empaquetado sofisticadas, como configuraciones 2.5D y 3D. Estas técnicas combinan uno o más circuitos integrados de diferente funcionalidad con mayor E/S y densidad de circuito.

Entonces, ¿qué es esto de los circuitos integrados 3D? Primero, ilustremos con una metáfora.

Imagine un imponente edificio de uso mixto que comprende viviendas, oficinas, servicios, tiendas, tiendas de comestibles, gimnasios, bibliotecas, depósitos de envío y más.

Al conectar todas estas diversas empresas y recursos en un solo espacio, las personas y el comercio disfrutan de un movimiento más rápido y eficiente a medida que realizan sus actividades diarias. Ir de un lugar a otro requiere poca energía (como máximo, un ascensor o simplemente subir las escaleras) y tanto la comunicación como las interacciones son inmediatas y directas. Grandes y variadas cantidades de información y productos están disponibles directamente en el sitio. Debido a que los bienes raíces y los espacios verdes deben preservarse y utilizarse inteligentemente, construimos, creando paisajes verticales en lugar de un desarrollo en expansión. Sin embargo, nuestra “ciudad” eficiente, conveniente y respetuosa con el medio ambiente en una torre también ocupa un espacio lateral, que incluye espacios verdes, parques, campos deportivos, carriles para bicicletas, fuentes de agua, plantas de energía, almacenes, infraestructura esencial y los nodos de transporte necesarios. y conexiones con ubicaciones internas y externas; lo que es más importante, el uso del espacio horizontal está optimizado, es más compacto y eficiente que el de grandes ciudades que cubren grandes extensiones de tierra.

Al igual que nuestra reluciente ciudad 3D en una torre, los circuitos integrados 3D se distinguen por el apilamiento de múltiples capas de silicio una encima de otra. Esto permite la creación de chips más potentes y complejos que pueden utilizarse en una gama más amplia de aplicaciones. Hay varias razones por las que los circuitos integrados 3D son un área de tanto interés en la actualidad.

En primer lugar, el método tradicional de fabricación de circuitos integrados (llamados circuitos integrados 2D monolíticos o circuitos integrados planos) está llegando a sus límites. A medida que los transistores se hacen cada vez más pequeños, resulta cada vez más difícil crear circuitos integrados 2D monolíticos confiables y eficientes. Los circuitos integrados 3D ofrecen una forma de superar estas limitaciones y seguir reduciendo el tamaño de los transistores y, al mismo tiempo, aumentar la cantidad de transistores que se pueden colocar en un solo chip. Impulsando así la Ley de Moore hacia el futuro.

En segundo lugar, los circuitos integrados 3D mejoran el rendimiento de los chips. Al apilar varias capas de silicio una encima de otra, los circuitos integrados 3D reducen la distancia que recorren las señales, lo que conduce a un rendimiento más rápido. Además, los circuitos integrados 3D se pueden utilizar para crear chips con múltiples núcleos, lo que también mejora el rendimiento.

En tercer lugar, los circuitos integrados 3D ayudan a reducir el consumo de energía de los chips. Los circuitos integrados 3D consumen menos energía, ya que solo necesitan enviar las señales a una distancia mucho más corta, pero aun así generan calor, que se transmite directamente a los circuitos integrados vecinos. Esto puede crear desafíos si los componentes vecinos son sensibles al calor, como la memoria. Por lo tanto, la gestión térmica de los circuitos integrados 3D y los dispositivos heterogéneamente integrados es un factor importante que debe considerarse al inicio de un diseño. En el lado positivo, los circuitos integrados 3D se pueden utilizar para crear chips con funciones de administración de energía más eficientes, lo que reduce aún más el consumo de energía.

En general, los circuitos integrados 3D ofrecen muchas ventajas sobre los circuitos integrados monolíticos 2D o planos tradicionales.

• Mayor rendimiento: Como se mencionó, los circuitos integrados 3D ofrecen un mayor rendimiento debido a las distancias más cortas entre los componentes y la capacidad de integrar múltiples tecnologías. Esto conduce a dispositivos más rápidos y con mayor capacidad de respuesta, así como a la capacidad de manejar tareas más complejas.
• Tamaño y peso reducidos: Los circuitos integrados 3D ofrecen un tamaño y peso reducidos debido a la capacidad de apilar varias capas de componentes uno encima del otro. Esto conduce a dispositivos más pequeños y portátiles, así como a dispositivos más adecuados para su uso en espacios reducidos o de difícil acceso.
• Eficiencia energética mejorada: Los circuitos integrados 3D ofrecen una eficiencia energética mejorada, también debido a las distancias más cortas entre los componentes y la capacidad de integrar diferentes tecnologías. Esto puede producir dispositivos que duran más con una sola carga, así como dispositivos que producen menos calor, lo que puede ser importante para los requisitos de seguridad y confiabilidad.
• Mayor flexibilidad: Los circuitos integrados 3D ofrecen una mayor flexibilidad debido a la capacidad de integrar múltiples tecnologías diferentes en un solo chip. Esto conduce a dispositivos que son más versátiles y que pueden usarse para una gama más amplia de tareas.

Estas ventajas son particularmente interesantes para una serie de aplicaciones en las que la adopción temprana ya se está produciendo o se producirá en un futuro próximo.

• Informática de alto rendimiento (HPC): Los primeros usuarios han sido en HPC. Los circuitos integrados 3D se emplean para crear chips HPC utilizados en aplicaciones como inteligencia artificial (IA), aprendizaje automático y análisis de big data.
• Dispositivos usables: Los chips IC 3D permiten la producción de dispositivos portátiles más pequeños y potentes, como relojes inteligentes, rastreadores de actividad física y auriculares de realidad aumentada (AR).
• Automotriz: La integración de diferentes tecnologías y su capacidad de escalar hace que 3D IC sea ideal para reorientar diseños para diferentes mercados y aplicaciones, como la conducción autónoma y los sistemas avanzados de asistencia al conductor (ADAS). Los circuitos integrados 3D también son atractivos porque ofrecen un NRE más bajo y un ecosistema más amplio de proveedores, lo que respalda una cadena de suministro más sólida y resiliente.
• Dispositivos Médicos: 3D IC también se puede utilizar para crear dispositivos médicos más pequeños y potentes, como marcapasos, bombas de insulina y audífonos.

Estas son sólo algunas de las aplicaciones de los circuitos integrados 3D. A medida que la tecnología continúa desarrollándose, podemos esperar ver aplicaciones aún más innovadoras y revolucionarias para los circuitos integrados 3D en los próximos años.

La arquitectura 3D IC es una tecnología emergente con el potencial de revolucionar la industria electrónica. Al ofrecer mayor rendimiento, tamaño y peso reducidos, eficiencia energética mejorada y mayor flexibilidad, 3D IC permite el desarrollo de productos electrónicos nuevos e innovadores que satisfacen las necesidades de una amplia gama de usuarios y aplicaciones.

Manténganse al tanto. Para cuando esta revolución sea televisada, ya estará aquí y usted ya no tendrá la ventaja de liderar el grupo de competidores, independientemente de su negocio.

Todd Burkholder es redactor senior de Siemens Digital Industries Software.

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• Fuente: https://semiengineering.com/the-city-in-the-tower-3d-ics-transform-the-electronics-system-landscape/