Par Keith Felton et Todd Burkholder

L’heure des circuits intégrés 3D (CI 3D) est arrivée et ils révolutionneront l’industrie des semi-conducteurs et marqueront un tournant dans la nature des produits électroniques pouvant être conçus et fabriqués. Encore une fois, comme pour les ordinateurs personnels, Internet et les téléphones intelligents, notre monde de plus en plus numérique ne sera plus jamais le même.

Les architectures de circuits intégrés 3D rendent cela possible en partie en poussant la loi de Moore (le doublement du nombre de transistors dans les circuits intégrés tous les deux ans) au-delà du seuil suivant. Au lieu de stagner, comme le prédisaient de nombreux experts, la loi de Moore sera revitalisée et dynamisée.

Ainsi, pour répondre à la demande mondiale continue de circuits intégrés offrant plus de performances et une consommation d'énergie réduite dans des encombrements toujours plus réduits, les conceptions de circuits intégrés font de plus en plus appel à des techniques de conditionnement sophistiquées telles que des configurations 2.5D et 3D. Ces techniques combinent un ou plusieurs circuits intégrés de fonctionnalités différentes avec une densité d'E/S et de circuits accrue.

Alors, c'est quoi ce truc de IC 3D ? Tout d’abord, illustrons avec une métaphore.

Imaginez un imposant bâtiment à usage mixte comprenant des logements, des bureaux, des services, des magasins, des épiceries, des gymnases, des bibliothèques, des dépôts d'expédition, et bien plus encore.

En connectant toutes ces entreprises et ressources variées dans un seul espace, les personnes et le commerce bénéficient de déplacements plus rapides et plus efficaces dans leurs activités quotidiennes. Se déplacer d'un endroit à l'autre nécessite peu d'énergie (tout au plus un ascenseur, ou simplement prendre les escaliers) et la communication et les interactions sont immédiates et directes. Des informations et des produits vastes et variés sont disponibles directement sur place. Parce que l’immobilier et les espaces verts doivent être préservés et utilisés intelligemment, nous construisons, créant des paysages verticaux plutôt qu’un développement tentaculaire. Pourtant, notre « ville » en tour efficace, pratique et respectueuse de l’environnement occupe également un espace latéral, qui comprend des espaces verts, des parcs, des terrains de sport, des pistes cyclables, des plans d’eau, des centrales électriques, des entrepôts, des infrastructures essentielles et les nœuds de transport requis. et les connexions aux emplacements internes et externes – ce qui est important, c’est que l’utilisation de l’espace horizontal est optimisée, plus compacte et efficace que celle des vastes villes qui recouvrent de vastes étendues de terrain.

Comme notre ville 3D étincelante dans une tour, les circuits intégrés 3D se distinguent par l’empilement de plusieurs couches de silicium les unes sur les autres. Cela permet la création de puces plus puissantes et plus complexes pouvant être utilisées dans un plus large éventail d’applications. Il existe plusieurs raisons pour lesquelles les circuits intégrés 3D suscitent aujourd’hui un tel intérêt.

Premièrement, la méthode traditionnelle de fabrication des circuits intégrés, appelées circuits intégrés monolithiques 2D ou circuits intégrés planaires, atteint ses limites. À mesure que les transistors deviennent de plus en plus petits, il devient de plus en plus difficile de créer des circuits intégrés 2D monolithiques fiables et efficaces. Les circuits intégrés 3D offrent un moyen de surmonter ces limitations et continuent de réduire la taille des transistors tout en augmentant le nombre de transistors pouvant être placés sur une seule puce. Ainsi, propulsant la loi de Moore dans le futur.

Deuxièmement, les circuits intégrés 3D améliorent les performances des puces. En empilant plusieurs couches de silicium les unes sur les autres, les circuits intégrés 3D réduisent la distance parcourue par les signaux, ce qui entraîne des performances plus rapides. De plus, les circuits intégrés 3D peuvent être utilisés pour créer des puces à plusieurs cœurs, améliorant également les performances.

Troisièmement, les circuits intégrés 3D contribuent à réduire la consommation électrique des puces. Les circuits intégrés 3D consomment moins d’énergie, car ils n’ont besoin que de transmettre les signaux sur une distance beaucoup plus courte, mais ils génèrent néanmoins de la chaleur, qui est directement transmise aux circuits intégrés voisins. Cela peut créer des problèmes si les composants voisins sont sensibles à la chaleur, comme la mémoire. La gestion thermique des circuits intégrés 3D et des dispositifs intégrés de manière hétérogène est donc un facteur majeur à prendre en compte dès le début d'une conception. Du côté positif, les circuits intégrés 3D peuvent être utilisés pour créer des puces dotées de fonctionnalités de gestion de l'énergie plus efficaces, réduisant encore davantage la consommation d'énergie.

Dans l’ensemble, les circuits intégrés 3D offrent de nombreux avantages par rapport aux circuits intégrés monolithiques 2D ou planaires traditionnels.

• Augmentation des performances: Comme mentionné, les circuits intégrés 3D offrent des performances accrues en raison des distances plus courtes entre les composants et de la capacité d'intégrer plusieurs technologies. Cela conduit à des appareils plus rapides et plus réactifs, ainsi qu'à la capacité de gérer des tâches plus complexes.
• Taille et poids réduits: Les circuits intégrés 3D offrent une taille et un poids réduits grâce à la possibilité d'empiler plusieurs couches de composants les unes sur les autres. Cela conduit à des appareils plus petits et plus portables, ainsi qu'à des appareils mieux adaptés à une utilisation dans des espaces exigus ou difficiles d'accès.
• Amélioration de l'efficacité énergétique: Les circuits intégrés 3D offrent une efficacité énergétique améliorée, également en raison des distances plus courtes entre les composants et de la capacité d'intégrer différentes technologies. Cela peut produire des appareils qui durent plus longtemps avec une seule charge, ainsi que des appareils qui produisent moins de chaleur, ce qui peut être important pour les exigences de sécurité et de fiabilité.
• Une flexibilité accrue: Les circuits intégrés 3D offrent une flexibilité accrue grâce à la possibilité d'intégrer plusieurs technologies différentes sur une seule puce. Cela conduit à des appareils plus polyvalents et pouvant être utilisés pour un plus large éventail de tâches.

Ces avantages sont particulièrement intéressants pour un certain nombre d’applications pour lesquelles une adoption précoce est déjà en cours ou aura lieu dans un avenir proche.

• Calcul haute performance (HPC): Les premiers adoptants ont été dans le HPC. Les circuits intégrés 3D sont utilisés pour créer des puces HPC utilisées dans des applications telles que l'intelligence artificielle (IA), l'apprentissage automatique et l'analyse du Big Data.
• Appareils portables: Les puces IC 3D permettent la production d'appareils portables plus petits et plus puissants tels que des montres intelligentes, des trackers de fitness et des casques de réalité augmentée (RA).
• Automobile: L'intégration de différentes technologies et leur capacité à évoluer rendent le 3D IC idéal pour recibler les conceptions pour différents marchés et applications telles que la conduite autonome et les systèmes avancés d'aide à la conduite (ADAS). Les circuits intégrés 3D sont également attrayants car ils offrent un NRE inférieur et un écosystème de fournisseurs plus large, soutenant une chaîne d'approvisionnement plus robuste et plus résiliente.
• Dispositifs médicaux: 3D IC peut également être utilisé pour créer des dispositifs médicaux plus petits et plus puissants tels que des stimulateurs cardiaques, des pompes à insuline et des appareils auditifs.

Ce ne sont là que quelques-unes des applications des circuits intégrés 3D. À mesure que la technologie continue de se développer, nous pouvons nous attendre à voir des applications encore plus innovantes et révolutionnaires pour les circuits intégrés 3D dans les années à venir.

L'architecture IC 3D est une technologie émergente susceptible de révolutionner l'industrie électronique. En offrant des performances accrues, une taille et un poids réduits, une efficacité énergétique améliorée et une flexibilité accrue, 3D IC permet le développement de produits électroniques nouveaux et innovants qui répondent aux besoins d'un large éventail d'utilisateurs et d'applications.

Restez à l'écoute. Au moment où cette révolution sera télévisée, elle sera déjà là, et vous n’aurez plus l’avantage de mener le peloton des concurrents, quelle que soit votre activité.

Todd Burkholder est rédacteur principal chez Siemens Digital Industries Software.

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