Av Keith Felton og Todd Burkholder

Tiden for 3D integrerte kretser (3D ICer) er her, og de vil revolusjonere halvlederindustrien og skape et vannskille i naturen til elektronikkprodukter som kan designes og produseres. Nok en gang – som med personlige datamaskiner, internett og smarttelefoner – vil vår stadig mer digitale verden aldri bli den samme.

3D IC-arkitekturer gjør dette mulig delvis ved å skyve Moores lov (doblingen av transistortellinger i IC-er hvert annet år) over neste terskel. I stedet for å stoppe opp, som mange eksperter spådde, vil Moores lov bli revitalisert og turboladet.

For å møte den pågående globale etterspørselen etter IC-er som leverer mer ytelse og lavere strømforbruk innenfor stadig mindre fotavtrykk, har IC-design i økende grad sofistikerte pakketeknikker som 2.5D- og 3D-konfigurasjoner. Disse teknikkene kombinerer en eller flere IC-er med forskjellig funksjonalitet med økt I/O og kretstetthet.

Så hva er denne 3D IC-greien? La oss først illustrere med en metafor.

Se for deg en ruvende bygning med blandet bruk som omfatter boliger, kontorer, tjenester, shopping, dagligvarebutikker, treningssentre, biblioteker, fraktdepoter og mer.

Ved å koble sammen alle disse varierte virksomhetene og ressursene på ett enkelt sted, nyter mennesker og handel raskere og mer effektiv bevegelse mens de utfører sine daglige aktiviteter. Å gå fra sted til sted krever lite strøm – på det meste en heis, eller bare ta trappene – og både kommunikasjon og interaksjoner er umiddelbare og direkte. Store og varierte mengder informasjon og varer er tilgjengelig rett på stedet. Fordi eiendommer og grøntarealer må bevares og utnyttes intelligent, bygger vi opp, og skaper vertikale landskap i stedet for sprikende utvikling. Likevel opptar vår effektive, praktiske og miljøvennlige "by" i et tårn også et siderom, som inkluderer grøntområder, parker, idrettsbaner, sykkelstier, vannfunksjoner, kraftverk, varehus, essensiell infrastruktur og de nødvendige transportnodene og forbindelser til både interne og eksterne lokasjoner - viktigere er at bruken av horisontal plass er optimalisert, mer kompakt og effektiv enn i store byer som tepper store landområder.

Som vår skinnende 3D-by i et tårn, kjennetegnes 3D-ICer ved å stable flere lag med silisium oppå hverandre. Dette gjør det mulig å lage kraftigere og mer komplekse brikker som kan brukes i et bredere spekter av applikasjoner. Det er flere grunner til at 3D IC-er er et slikt interesseområde i dag.

For det første når den tradisjonelle metoden for å produsere IC-er – kalt monolitiske 2D IC-er eller plane IC-er – sine grenser. Etter hvert som transistorer blir mindre og mindre, blir det stadig vanskeligere å lage pålitelige og effektive monolittiske 2D-ICer. 3D IC-er tilbyr en måte å overvinne disse begrensningene og fortsette å krympe størrelsen på transistorer samtidig som man øker antallet transistorer som kan plasseres på en enkelt brikke. Dermed driver Moores lov inn i fremtiden.

For det andre forbedrer 3D IC-er ytelsen til brikker. Ved å stable flere lag med silisium oppå hverandre, reduserer 3D IC-er avstanden som signaliserer reise, noe som fører til raskere ytelse. I tillegg kan 3D IC-er brukes til å lage brikker med flere kjerner, noe som også forbedrer ytelsen.

For det tredje bidrar 3D IC-er til å redusere strømforbruket til brikker. 3D IC-er bruker mindre strøm, da de bare trenger å skyve signalene over en mye kortere avstand, men de genererer fortsatt varme, som sendes direkte videre til nabo-ICer. Dette kan skape utfordringer dersom nabokomponenter er følsomme for varme, for eksempel hukommelse. Så termisk styring av 3D IC-er og heterogent integrerte enheter er en viktig faktor som må vurderes i starten av et design. På plussiden kan 3D IC-er brukes til å lage brikker med mer effektive strømstyringsfunksjoner, noe som reduserer strømforbruket ytterligere.

Totalt sett tilbyr 3D ICer mange fordeler i forhold til tradisjonelle monolitiske 2D eller plane ICer.

• Økt ytelse: Som nevnt tilbyr 3D IC-er økt ytelse på grunn av kortere avstander mellom komponenter og muligheten til å integrere flere teknologier. Dette fører til raskere og mer responsive enheter, samt muligheten til å håndtere mer komplekse oppgaver.
• Redusert størrelse og vekt: 3D IC-er tilbyr redusert størrelse og vekt på grunn av muligheten til å stable flere lag med komponenter oppå hverandre. Dette fører til mindre, mer bærbare enheter, samt enheter som er bedre egnet for bruk i trange eller vanskelig tilgjengelige rom.
• Forbedret strømeffektivitet: 3D IC-er tilbyr forbedret strømeffektivitet, også på grunn av kortere avstander mellom komponenter og muligheten til å integrere ulike teknologier. Dette kan produsere enheter som varer lenger på en enkelt lading, samt enheter som produserer mindre varme, noe som kan være viktig for sikkerhets- og pålitelighetskrav.
• Økt fleksibilitet: 3D IC-er tilbyr økt fleksibilitet på grunn av muligheten til å integrere flere forskjellige teknologier på en enkelt brikke. Dette fører til enheter som er mer allsidige og som kan brukes til et bredere spekter av oppgaver.

Disse fordelene er spesielt interessante for en rekke applikasjoner der tidlig adopsjon enten allerede forekommer eller vil skje i nær fremtid.

• Høy ytelse databehandling (HPC): De første brukerne har vært i HPC. 3D IC-er brukes til å lage HPC-brikker som brukes i applikasjoner som kunstig intelligens (AI), maskinlæring og big data-analyse.
• Slitesterkt utstyr: 3D IC-brikker tillater produksjon av mindre, kraftigere bærbare enheter som smartklokker, treningssporere og AR-headset (augmented reality).
• Biler: Integreringen av forskjellige teknologier og deres evne til å skalere gjør 3D IC ideell for retargeting-design for forskjellige markeder og applikasjoner som autonom kjøring og avanserte førerassistansesystemer (ADAS). 3D IC-er er også attraktive fordi de tilbyr en lavere NRE og et bredere økosystem av leverandører, og støtter en mer robust og spenstig forsyningskjede.
• Medisinsk utstyr: 3D IC kan også brukes til å lage mindre, kraftigere medisinsk utstyr som pacemakere, insulinpumper og høreapparater.

Dette er bare noen av applikasjonene for 3D-ICer. Ettersom teknologien fortsetter å utvikle seg, kan vi forvente å se enda flere innovative og banebrytende applikasjoner for 3D IC-er i årene som kommer.

3D IC-arkitektur er en fremvoksende teknologi med potensial til å revolusjonere elektronikkindustrien. Ved å tilby økt ytelse, redusert størrelse og vekt, forbedret strømeffektivitet og økt fleksibilitet, muliggjør 3D IC utvikling av nye og innovative elektronikkprodukter som oppfyller behovene til et bredt spekter av brukere og applikasjoner.

Følg med. Når denne revolusjonen sendes på TV, vil den allerede være her, og du vil ikke lenger ha fordelen til å lede flokken av konkurrenter, uavhengig av virksomheten din.

Todd Burkholder er seniorskribent hos Siemens Digital Industries Software.

• SEO-drevet innhold og PR-distribusjon. Bli forsterket i dag.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Styrk deg selv. Tilgang her.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Kunnskap forsterket. Tilgang her.
• PlatoESG. Karbon, CleanTech, Energi, Miljø, Solenergi, Avfallshåndtering. Tilgang her.
• PlatoHelse. Bioteknologisk og klinisk etterretning. Tilgang her.
• kilde: https://semiengineering.com/the-city-in-the-tower-3d-ics-transform-the-electronics-system-landscape/