키스 펠튼(Keith Felton)과 토드 버크홀더(Todd Burkholder)

3D 집적 회로(3D IC)의 시대가 도래했으며, 이는 반도체 산업에 혁명을 일으키고 설계 및 제조 가능한 전자 제품의 특성에 분수령을 가져올 것입니다. 그러나 개인용 컴퓨터, 인터넷, 스마트폰과 마찬가지로 점점 더 디지털화되는 우리의 세계는 결코 예전과 같지 않을 것입니다.

3D IC 아키텍처는 무어의 법칙(XNUMX년마다 IC의 트랜지스터 수를 두 배로 늘리는 것)을 다음 임계값 이상으로 밀어붙임으로써 이를 가능하게 합니다. 많은 전문가들이 예측한 것처럼 지연되는 대신 무어의 법칙이 활성화되고 터보차저가 될 것입니다.

따라서 더 작은 설치 공간에서 더 높은 성능과 더 낮은 전력 소비를 제공하는 IC에 대한 지속적인 글로벌 수요를 충족하기 위해 IC 설계에는 2.5D 및 3D 구성과 같은 정교한 패키징 기술이 점점 더 많이 탑재되고 있습니다. 이러한 기술은 서로 다른 기능을 가진 하나 이상의 IC를 증가된 I/O 및 회로 밀도와 결합합니다.

그렇다면 이 3D IC는 무엇일까요? 먼저 비유로 설명해 보겠습니다.

주택, 사무실, 서비스, 쇼핑, 식료품점, 체육관, 도서관, 선적 창고 등으로 구성된 우뚝 솟은 복합 건물을 상상해 보십시오.

이러한 다양한 비즈니스와 자원을 모두 하나의 공간에 연결함으로써 사람과 상업은 일상 활동을 수행하면서 더 빠르고 효율적인 이동을 즐길 수 있습니다. 한 장소에서 다른 장소로 이동하려면 전력이 거의 필요하지 않으며(기껏해야 엘리베이터를 이용하거나 계단만 이용하면 됩니다) 의사소통과 상호 작용이 모두 즉각적이고 직접적입니다. 방대하고 다양한 양의 정보와 상품을 현장에서 바로 이용할 수 있습니다. 부동산과 녹지를 보존하고 현명하게 활용해야 하기 때문에 우리는 무질서한 개발이 아닌 수직적 경관을 만들어 건설합니다. 그러나 타워에 있는 효율적이고 편리하며 환경 친화적인 "도시"는 녹지 공간, 공원, 운동장, 자전거 도로, 분수, 발전소, 창고, 필수 인프라 및 필수 교통 노드를 포함하는 측면 공간도 차지합니다. 그리고 내부 및 외부 위치 모두에 대한 연결 - 중요한 것은 수평 공간의 사용이 광대한 토지를 깔고 있는 광대한 도시의 공간보다 최적화되고, 더 작고, 효율적이라는 것입니다.

타워 안에 있는 빛나는 3D 도시처럼 3D IC는 여러 층의 실리콘이 서로 겹쳐져 있다는 점에서 구별됩니다. 이를 통해 더 넓은 범위의 응용 분야에서 사용할 수 있는 더욱 강력하고 복잡한 칩을 만들 수 있습니다. 오늘날 3D IC가 그토록 관심을 끄는 데에는 몇 가지 이유가 있습니다.

첫째, 모놀리식 2D IC 또는 평면 IC라고 불리는 전통적인 IC 제조 방식이 한계에 도달하고 있습니다. 트랜지스터가 점점 더 작아짐에 따라 안정적이고 효율적인 모놀리식 2D IC를 만드는 것이 점점 더 어려워지고 있습니다. 3D IC는 이러한 한계를 극복하고 트랜지스터 크기를 지속적으로 줄이는 동시에 단일 칩에 배치할 수 있는 트랜지스터 수를 늘릴 수 있는 방법을 제공합니다. 따라서 무어의 법칙을 미래로 추진합니다.

둘째, 3D IC는 칩 성능을 향상시킨다. 3D IC는 여러 층의 실리콘을 서로 쌓아서 신호가 이동하는 거리를 줄여 성능을 향상시킵니다. 또한 3D IC를 사용하면 여러 코어가 있는 칩을 만들 수 있어 성능도 향상됩니다.

셋째, 3D IC는 칩의 전력 소비를 줄이는 데 도움이 됩니다. 3D IC는 훨씬 더 짧은 거리에 걸쳐 신호를 푸시하기만 하면 되므로 전력을 덜 사용하지만 여전히 열을 발생시켜 이웃 IC로 직접 전달됩니다. 메모리와 같이 인접한 구성 요소가 열에 민감한 경우 문제가 발생할 수 있습니다. 따라서 3D IC 및 이질적으로 통합된 장치의 열 관리는 설계 시작 시 고려해야 할 주요 요소입니다. 장점으로는 3D IC를 사용하여 보다 효율적인 전력 관리 기능을 갖춘 칩을 만들어 전력 소비를 더욱 줄일 수 있다는 것입니다.

전반적으로 3D IC는 기존의 모놀리식 2D 또는 평면 IC에 비해 많은 이점을 제공합니다.

• 성능 향상: 앞서 언급한 바와 같이 3D IC는 부품 간의 거리가 짧고 여러 기술을 통합할 수 있기 때문에 향상된 성능을 제공합니다. 이를 통해 장치의 속도와 반응성이 향상되고 보다 복잡한 작업을 처리할 수 있는 능력이 향상됩니다.
• 크기와 무게 감소: 3D IC는 여러 레이어의 구성 요소를 서로 쌓을 수 있어 크기와 무게가 줄어듭니다. 이로 인해 더 작고 휴대성이 뛰어난 장치는 물론 비좁거나 접근하기 어려운 공간에서 사용하기에 더 적합한 장치가 탄생합니다.
• 개선 된 전력 효율: 3D IC는 부품 간 거리가 짧아지고 다양한 기술을 통합할 수 있어 전력 효율성이 향상됩니다. 이를 통해 한 번의 충전으로 더 오래 지속되는 장치뿐만 아니라 더 적은 열을 발생시키는 장치를 생산할 수 있으며 이는 안전 및 신뢰성 요구 사항에 중요할 수 있습니다.
• 유연성 향상: 3D IC는 단일 칩에 다양한 기술을 통합할 수 있어 유연성이 향상되었습니다. 이로 인해 더욱 다재다능하고 광범위한 작업에 사용할 수 있는 장치가 탄생하게 되었습니다.

이러한 이점은 조기 채택이 이미 진행 중이거나 가까운 미래에 발생할 여러 애플리케이션에서 특히 흥미롭습니다.

• 고성능 컴퓨팅(HPC): 최초의 채택자는 HPC였습니다. 3D IC는 인공 지능(AI), 기계 학습, 빅 데이터 분석과 같은 애플리케이션에 사용되는 HPC 칩을 만드는 데 사용됩니다.
• 웨어러블 기기: 3D IC 칩을 사용하면 스마트워치, 피트니스 트래커, 증강현실(AR) 헤드셋 등 더 작고 더 강력한 웨어러블 기기를 생산할 수 있습니다.
• 자동차: 다양한 기술과 확장 능력의 통합으로 인해 3D IC는 자율 주행 및 첨단 운전자 지원 시스템(ADAS)과 같은 다양한 시장 및 애플리케이션에 대한 설계를 리타겟팅하는 데 이상적입니다. 3D IC는 더 낮은 NRE와 더 넓은 공급업체 생태계를 제공하여 더욱 강력하고 탄력적인 공급망을 지원한다는 점에서도 매력적입니다.
• 의료 기기: 3D IC는 심장 박동기, 인슐린 펌프, 보청기 등 더 작고 강력한 의료 기기를 만드는 데에도 사용할 수 있습니다.

이는 3D IC 애플리케이션 중 일부에 불과합니다. 기술이 계속 발전함에 따라 앞으로 몇 년 안에 3D IC에 대한 훨씬 더 혁신적이고 획기적인 애플리케이션을 볼 수 있을 것으로 기대할 수 있습니다.

3D IC 아키텍처는 전자 산업에 혁명을 일으킬 잠재력을 지닌 새로운 기술입니다. 향상된 성능, 감소된 크기 및 무게, 향상된 전력 효율성, 향상된 유연성을 제공함으로써 3D IC는 광범위한 사용자 및 애플리케이션의 요구 사항을 충족하는 새롭고 혁신적인 전자 제품 개발을 가능하게 합니다.

계속 지켜봐 주시기 바랍니다. 이 혁명이 방송될 때쯤이면 이미 현실이 되어 있을 것이고, 귀하의 비즈니스에 관계없이 더 이상 경쟁사 무리를 이끌 수 있는 이점을 갖지 못하게 될 것입니다.

Todd Burkholder는 Siemens Digital Industries Software의 선임 작가입니다.

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