キース・フェルトン、トッド・バークホルダー著
3D 集積回路 (3D IC) の時代が到来し、半導体産業に革命をもたらし、設計および製造できるエレクトロニクス製品の性質に大きな転換点をもたらすでしょう。繰り返しますが、パーソナル コンピューター、インターネット、スマートフォンと同様に、デジタル化が進む世界も決して以前と同じになることはありません。
3D IC アーキテクチャは、ムーアの法則 (IC 内のトランジスタ数が XNUMX 年ごとに XNUMX 倍になる) を次のしきい値を超えて押し上げることで、これを可能にします。多くの専門家が予測したように、ムーアの法則は失速するのではなく、活性化され、さらに強化されるでしょう。
したがって、これまで以上に小さな設置面積でより高いパフォーマンスとより低い消費電力を実現するICに対する継続的な世界的需要に応えるために、IC設計は2.5Dや3D構成などの洗練されたパッケージング技術をますます採用しています。これらの技術は、異なる機能を持つ XNUMX つまたは複数の IC を組み合わせて、I/O および回路密度を高めます。
では、この 3D IC とは何でしょうか?まず、比喩を使って説明しましょう。
住宅、オフィス、サービス、ショッピング、食料品店、ジム、図書館、配送倉庫などで構成される、そびえ立つ複合ビルを想像してみてください。
これらすべてのさまざまなビジネスやリソースを 1 つのスペースに接続することで、人々や商取引は日常の活動を行う際に、より高速かつ効率的な移動を享受できます。ある場所から別の場所に移動するのにほとんど電力は必要なく、せいぜいエレベーターか階段を使うだけです。コミュニケーションとインタラクションは両方とも即時かつ直接的です。多種多様な情報や商品が現地で入手可能です。不動産と緑地は保存し、賢く利用する必要があるため、私たちは無秩序に開発するのではなく、垂直の景観を作り出して積み上げていきます。しかし、効率的で便利で環境に優しいタワー型の「都市」は、緑地、公園、運動場、自転車道、水域、発電所、倉庫、重要なインフラ、必要な交通結節点を含む横の空間も占めています。重要なのは、水平空間の利用が最適化され、広大な土地を敷き詰める広大な都市よりもコンパクトで効率的であることです。
塔の中にある輝く 3D 都市と同様に、3D IC は、複数のシリコン層が積み重ねられていることによって区別されます。これにより、より広範囲のアプリケーションで使用できる、より強力で複雑なチップの作成が可能になります。 3D IC が今日非常に注目されている理由はいくつかあります。
まず、モノリシック 2D IC またはプレーナ IC と呼ばれる従来の IC 製造方法は限界に達しつつあります。トランジスタがますます小さくなるにつれて、信頼性が高く効率的なモノリシック 2D IC を作成することがますます困難になってきています。 3D IC は、これらの制限を克服し、トランジスタのサイズを縮小し続けると同時に、単一チップ上に配置できるトランジスタの数を増やす方法を提供します。したがって、ムーアの法則を未来に推進します。
第二に、3D IC はチップのパフォーマンスを向上させます。 3D IC は、複数のシリコン層を積み重ねることにより、信号の伝達距離を短縮し、パフォーマンスの高速化につながります。さらに、3D IC を使用して複数のコアを備えたチップを作成することもでき、パフォーマンスも向上します。
第三に、3D IC はチップの消費電力の削減に役立ちます。 3D IC は、はるかに短い距離に信号を送信するだけでよいため、消費電力は少なくなりますが、それでも熱が発生し、その熱は隣接する IC に直接伝わります。メモリなど、隣接するコンポーネントが熱に弱い場合、これにより問題が生じる可能性があります。したがって、3D IC および異種集積デバイスの熱管理は、設計の開始時に考慮する必要がある主要な要素となります。プラスの面としては、3D IC を使用して、より効率的な電力管理機能を備えたチップを作成できるため、消費電力がさらに削減されます。
全体として、3D IC には、従来のモノリシック 2D または平面 IC に比べて多くの利点があります。
- パフォーマンスの向上: 前述したように、3D IC はコンポーネント間の距離が短くなり、複数のテクノロジーを統合できるため、パフォーマンスが向上します。これにより、デバイスの速度と応答性が向上し、より複雑なタスクを処理できるようになります。
- サイズと重量の削減: 3D IC は、複数のコンポーネント層を互いに積み重ねることができるため、サイズと重量が削減されます。これにより、デバイスがより小型で持ち運びやすくなり、狭いスペースやアクセスが困難なスペースでの使用に適したデバイスが実現します。
- 電力効率の改善: 3D IC は、コンポーネント間の距離が短くなり、さまざまなテクノロジーを統合できるため、電力効率が向上します。これにより、XNUMX 回の充電でより長く使用できるデバイスや、安全性と信頼性の要件にとって重要となる発熱の少ないデバイスを実現できます。
- 柔軟性の向上: 3D IC は、単一チップ上に複数の異なるテクノロジーを統合できるため、柔軟性が向上します。これにより、デバイスの汎用性が高まり、より幅広いタスクに使用できるようになります。
これらの利点は、早期採用がすでに行われている、または近い将来行われる多くのアプリケーションにとって特に興味深いものです。
- ハイパフォーマンス コンピューティング (HPC): 最初の採用者は HPC でした。 3D IC は、人工知能 (AI)、機械学習、ビッグデータ分析などのアプリケーションで使用される HPC チップの作成に使用されます。
- ウェアラブルデバイス: 3D IC チップにより、スマートウォッチ、フィットネス トラッカー、拡張現実 (AR) ヘッドセットなど、より小型で強力なウェアラブル デバイスの製造が可能になります。
- 自動車: さまざまなテクノロジーの統合と拡張機能により、3D IC は、自動運転や先進運転支援システム (ADAS) などのさまざまな市場やアプリケーション向けの設計をリターゲティングするのに最適です。 3D IC は、より低い NRE とより広範なサプライヤーのエコシステムを提供し、より堅牢で回復力のあるサプライ チェーンをサポートするという点でも魅力的です。
- 医療機器: 3D IC は、ペースメーカー、インスリン ポンプ、補聴器などの、より小型で強力な医療機器の作成にも使用できます。
これらは 3D IC のアプリケーションのほんの一部です。テクノロジーが発展し続けるにつれて、今後数年間でさらに革新的で画期的な 3D IC のアプリケーションが登場することが期待されます。
3D IC アーキテクチャは、エレクトロニクス業界に革命を起こす可能性を秘めた新興テクノロジーです。 3D IC は、性能の向上、サイズと重量の削減、電力効率の向上、柔軟性の向上を提供することで、幅広いユーザーやアプリケーションのニーズを満たす、新しく革新的なエレクトロニクス製品の開発を可能にします。
乞うご期待。この革命がテレビで放映される頃には、すでに革命は起こっており、ビジネスに関係なく、競合他社の群れをリードする利点はもうありません。
Todd Burkholder は、Siemens Digital Industries Software のシニア ライターです。
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- 情報源： https://semiengineering.com/the-city-in-the-tower-3d-ics-transform-the-electronics-system-landscape/
