Di Keith Felton e Todd Burkholder

È arrivato il momento dei circuiti integrati 3D (IC 3D), che rivoluzioneranno l'industria dei semiconduttori e costituiranno uno spartiacque nella natura dei prodotti elettronici che possono essere progettati e realizzati. Ancora una volta, come nel caso dei personal computer, di Internet e degli smartphone, il nostro mondo sempre più digitale non sarà più lo stesso.

Le architetture dei circuiti integrati 3D rendono questo possibile in parte spingendo la legge di Moore (il raddoppio del numero di transistor nei circuiti integrati ogni due anni) oltre la soglia successiva. Invece di fermarsi, come avevano previsto molti esperti, la Legge di Moore verrà rivitalizzata e potenziata.

Pertanto, per soddisfare la continua domanda globale di circuiti integrati che offrano maggiori prestazioni e un minore consumo energetico con ingombri sempre più ridotti, i progetti di circuiti integrati presentano sempre più tecniche di packaging sofisticate come le configurazioni 2.5D e 3D. Queste tecniche combinano uno o più circuiti integrati con funzionalità diverse con maggiore I/O e densità del circuito.

Allora, cos'è questa roba dell'IC 3D? Per prima cosa, illustriamolo con una metafora.

Immagina un imponente edificio ad uso misto comprendente alloggi, uffici, servizi, negozi, negozi di alimentari, palestre, biblioteche, depositi di spedizioni e altro ancora.

Collegando tutte queste diverse attività e risorse in un unico spazio, le persone e il commercio possono godere di movimenti più rapidi ed efficienti durante le loro attività quotidiane. Andare da un posto all’altro richiede poca energia – al massimo un ascensore, o semplicemente prendere le scale – e sia la comunicazione che le interazioni sono immediate e dirette. Quantità vaste e varie di informazioni e prodotti sono disponibili direttamente sul sito. Poiché il patrimonio immobiliare e gli spazi verdi devono essere preservati e utilizzati in modo intelligente, costruiamo, creando paesaggi verticali anziché uno sviluppo tentacolare. Eppure la nostra “città” efficiente, conveniente ed ecologica in una torre occupa anche uno spazio laterale, che comprende spazi verdi, parchi, campi sportivi, piste ciclabili, giochi d’acqua, centrali elettriche, magazzini, infrastrutture essenziali e i necessari nodi di trasporto. e collegamenti con luoghi sia interni che esterni: cosa importante, l’uso dello spazio orizzontale è ottimizzato, più compatto ed efficiente di quello delle grandi città che ricoprono vaste aree di territorio.

Come la nostra scintillante città 3D in una torre, i circuiti integrati 3D si distinguono per l'impilamento di più strati di silicio uno sopra l'altro. Ciò consente la creazione di chip più potenti e complessi che possono essere utilizzati in una gamma più ampia di applicazioni. Ci sono diversi motivi per cui i circuiti integrati 3D sono un’area di tale interesse oggi.

Innanzitutto, il metodo tradizionale di produzione dei circuiti integrati, chiamati circuiti integrati 2D monolitici o circuiti integrati planari, sta raggiungendo i suoi limiti. Man mano che i transistor diventano sempre più piccoli, diventa sempre più difficile creare circuiti integrati 2D monolitici affidabili ed efficienti. I circuiti integrati 3D offrono un modo per superare queste limitazioni e continuare a ridurre le dimensioni dei transistor, aumentando al tempo stesso il numero di transistor che possono essere posizionati su un singolo chip. Quindi, proiettando la Legge di Moore nel futuro.

In secondo luogo, i circuiti integrati 3D migliorano le prestazioni dei chip. Impilando più strati di silicio uno sopra l'altro, i circuiti integrati 3D riducono la distanza percorsa dai segnali, il che porta a prestazioni più veloci. Inoltre, i circuiti integrati 3D possono essere utilizzati per creare chip con più core, migliorando anche le prestazioni.

In terzo luogo, i circuiti integrati 3D aiutano a ridurre il consumo energetico dei chip. I circuiti integrati 3D consumano meno energia, poiché devono solo spingere i segnali su una distanza molto più breve, ma generano comunque calore, che viene trasmesso direttamente ai circuiti integrati vicini. Ciò può creare problemi se i componenti vicini sono sensibili al calore, come la memoria. Pertanto la gestione termica dei circuiti integrati 3D e dei dispositivi eterogeneamente integrati è un fattore importante da considerare all'inizio di una progettazione. L’aspetto positivo è che i circuiti integrati 3D possono essere utilizzati per creare chip con funzionalità di gestione energetica più efficienti, riducendo ulteriormente il consumo energetico.

Nel complesso, i circuiti integrati 3D offrono molti vantaggi rispetto ai tradizionali circuiti integrati monolitici 2D o planari.

• Prestazioni aumentate: Come accennato, i circuiti integrati 3D offrono prestazioni migliorate grazie alle distanze più brevi tra i componenti e alla capacità di integrare più tecnologie. Ciò porta a dispositivi più veloci e reattivi, nonché alla capacità di gestire attività più complesse.
• Dimensioni e peso ridotti: I circuiti integrati 3D offrono dimensioni e peso ridotti grazie alla capacità di impilare più strati di componenti uno sopra l'altro. Ciò porta a dispositivi più piccoli e più portatili, nonché a dispositivi più adatti all’uso in spazi angusti o di difficile accesso.
• Migliore efficienza energetica: I circuiti integrati 3D offrono una migliore efficienza energetica, anche grazie alle distanze più brevi tra i componenti e alla capacità di integrare diverse tecnologie. Ciò può produrre dispositivi che durano più a lungo con una singola carica, nonché dispositivi che producono meno calore, il che può essere importante per i requisiti di sicurezza e affidabilità.
• Maggiore flessibilità: I circuiti integrati 3D offrono una maggiore flessibilità grazie alla capacità di integrare più tecnologie diverse su un singolo chip. Ciò porta a dispositivi più versatili e che possono essere utilizzati per una gamma più ampia di attività.

Questi vantaggi sono particolarmente interessanti per una serie di applicazioni in cui l’adozione anticipata è già in corso o avverrà nel prossimo futuro.

• Calcolo ad alte prestazioni (HPC): I primi ad adottarlo sono stati l'HPC. I circuiti integrati 3D vengono utilizzati per creare chip HPC utilizzati in applicazioni quali l'intelligenza artificiale (AI), l'apprendimento automatico e l'analisi dei big data.
• Dispositivi indossabili: I chip IC 3D consentono la produzione di dispositivi indossabili più piccoli e più potenti come smartwatch, fitness tracker e visori per realtà aumentata (AR).
• Automotive: L'integrazione di diverse tecnologie e la loro capacità di scalabilità rende l'IC 3D ideale per il retargeting di progetti per diversi mercati e applicazioni come la guida autonoma e i sistemi avanzati di assistenza alla guida (ADAS). I circuiti integrati 3D sono interessanti anche perché offrono un NRE inferiore e un ecosistema di fornitori più ampio, supportando una catena di fornitura più solida e resiliente.
• Dispositivi medici: L'IC 3D può essere utilizzato anche per creare dispositivi medici più piccoli e più potenti come pacemaker, pompe per insulina e apparecchi acustici.

Queste sono solo alcune delle applicazioni dei circuiti integrati 3D. Poiché la tecnologia continua a svilupparsi, possiamo aspettarci di vedere applicazioni ancora più innovative e rivoluzionarie per i circuiti integrati 3D negli anni a venire.

L'architettura IC 3D è una tecnologia emergente con il potenziale di rivoluzionare l'industria elettronica. Offrendo prestazioni migliorate, dimensioni e peso ridotti, migliore efficienza energetica e maggiore flessibilità, 3D IC consente lo sviluppo di prodotti elettronici nuovi e innovativi che soddisfano le esigenze di un'ampia gamma di utenti e applicazioni.

Rimani sintonizzato. Quando questa rivoluzione sarà trasmessa in televisione, sarà già qui e non avrai più il vantaggio di guidare il gruppo dei concorrenti, indipendentemente dalla tua attività.

Todd Burkholder è uno scrittore senior presso Siemens Digital Industries Software.

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