Av Keith Felton och Todd Burkholder

Tiden för 3D-integrerade kretsar (3D-IC) är här, och de kommer att revolutionera halvledarindustrin och åstadkomma en vattendelare i karaktären av elektronikprodukter som kan designas och tillverkas. Återigen – som med persondatorer, internet och smarta telefoner – kommer vår alltmer digitala värld aldrig att bli densamma.

3D IC-arkitekturer gör detta möjligt delvis genom att driva Moores lag (fördubbling av transistorantal i IC:er vartannat år) över nästa tröskel. Istället för att stanna upp, som många experter förutspått, kommer Moores lag att återupplivas och laddas med turboladdning.

För att möta den pågående globala efterfrågan på IC:er som levererar mer prestanda och lägre strömförbrukning inom allt mindre fotavtryck, har IC-designer alltmer sofistikerade förpackningstekniker som 2.5D- och 3D-konfigurationer. Dessa tekniker kombinerar en eller flera IC med olika funktionalitet med ökad I/O och kretstäthet.

Så vad är det här för 3D IC-grejer? Låt oss först illustrera med en metafor.

Föreställ dig en ståtlig byggnad med blandad användning som består av bostäder, kontor, tjänster, shopping, livsmedelsbutiker, gym, bibliotek, fraktdepåer och mer.

Genom att koppla samman alla dessa olika företag och resurser i ett enda utrymme kan människor och handeln njuta av snabbare och effektivare rörelser när de utför sina dagliga aktiviteter. Att gå från plats till plats kräver lite kraft – högst en hiss, eller bara ta trapporna – och både kommunikation och interaktioner är omedelbara och direkta. Stora och varierande mängder information och varor finns tillgängliga direkt på plats. Eftersom fastigheter och grönområden måste bevaras och utnyttjas intelligent bygger vi upp och skapar vertikala landskap snarare än spretig utveckling. Ändå upptar vår effektiva, bekväma och miljövänliga "stad" i ett torn också ett sidoutrymme, vilket inkluderar grönområden, parker, idrottsplatser, cykelvägar, vattendrag, kraftverk, lager, viktig infrastruktur och de nödvändiga transportnoderna och anslutningar till både interna och externa platser - viktigare är att användningen av horisontellt utrymme är optimerad, mer kompakt och effektiv än den i stora städer som täcker stora delar av marken.

Liksom vår glänsande 3D-stad i ett torn, kännetecknas 3D-IC:er av att flera lager av kisel staplas ovanpå varandra. Detta möjliggör skapandet av mer kraftfulla och komplexa chips som kan användas i ett bredare spektrum av applikationer. Det finns flera anledningar till varför 3D IC är ett sådant intresseområde idag.

För det första, den traditionella metoden för tillverkning av IC:er – så kallade monolitiska 2D IC:er eller plana ICs – når sina gränser. När transistorer blir mindre och mindre blir det allt svårare att skapa pålitliga och effektiva monolitiska 2D-IC. 3D IC erbjuder ett sätt att övervinna dessa begränsningar och fortsätta att krympa storleken på transistorer samtidigt som det ökar antalet transistorer som kan placeras på ett enda chip. Därmed driver Moores lag in i framtiden.

För det andra förbättrar 3D-IC:er prestanda för chips. Genom att stapla flera lager av kisel ovanpå varandra, minskar 3D-IC:er avståndet som signalerna färdas, vilket leder till snabbare prestanda. Dessutom kan 3D-IC:er användas för att skapa chips med flera kärnor, vilket också förbättrar prestandan.

För det tredje hjälper 3D IC att minska strömförbrukningen för chips. 3D IC:er använder mindre ström, eftersom de bara behöver trycka signalerna över ett mycket kortare avstånd, men de genererar fortfarande värme, som direkt överförs till angränsande IC:er. Detta kan skapa utmaningar om närliggande komponenter är känsliga för värme, till exempel minne. Så termisk hantering av 3D IC:er och heterogent integrerade enheter är en viktig faktor som måste beaktas i början av en design. På plussidan kan 3D IC:er användas för att skapa chips med effektivare strömhanteringsfunktioner, vilket minskar strömförbrukningen ytterligare.

Sammantaget erbjuder 3D IC:er många fördelar jämfört med traditionella monolitiska 2D eller plana IC:er.

• Ökad prestanda: Som nämnts erbjuder 3D-IC:er ökad prestanda på grund av de kortare avstånden mellan komponenter och möjligheten att integrera flera tekniker. Detta leder till snabbare och mer lyhörda enheter, samt förmågan att hantera mer komplexa uppgifter.
• Minskad storlek och vikt: 3D IC erbjuder minskad storlek och vikt tack vare möjligheten att stapla flera lager av komponenter ovanpå varandra. Detta leder till mindre, mer bärbara enheter, samt enheter som är bättre lämpade för användning i trånga eller svåråtkomliga utrymmen.
• Förbättrad energieffektivitet: 3D IC erbjuder förbättrad strömeffektivitet, även på grund av de kortare avstånden mellan komponenter och möjligheten att integrera olika teknologier. Detta kan producera enheter som håller längre på en enda laddning, såväl som enheter som producerar mindre värme, vilket kan vara viktigt för säkerhets- och tillförlitlighetskrav.
• Ökad flexibilitet: 3D IC erbjuder ökad flexibilitet tack vare möjligheten att integrera flera olika teknologier på ett enda chip. Detta leder till enheter som är mer mångsidiga och som kan användas för ett bredare spektrum av uppgifter.

Dessa fördelar är särskilt intressanta för ett antal tillämpningar där tidig adoption antingen redan sker eller kommer att ske inom en snar framtid.

• Högpresterande datoranvändning (HPC): De första adopterna har varit i HPC. 3D IC används för att skapa HPC-chips som används i applikationer som artificiell intelligens (AI), maskininlärning och big data-analys.
• Slitstarka enheter: 3D IC-chips tillåter produktion av mindre, mer kraftfulla bärbara enheter som smartklockor, träningsspårare och augmented reality (AR) headset.
• Bil: Integrationen av olika teknologier och deras förmåga att skala gör 3D IC idealisk för ominriktningsdesigner för olika marknader och applikationer som autonom körning och avancerade förarassistanssystem (ADAS). 3D IC:er är också attraktiva eftersom de erbjuder en lägre NRE och ett bredare ekosystem av leverantörer, vilket stöder en mer robust och motståndskraftig leveranskedja.
• Medicinska apparater: 3D IC kan också användas för att skapa mindre, kraftfullare medicinsk utrustning som pacemakers, insulinpumpar och hörapparater.

Det här är bara några av applikationerna för 3D-IC. När tekniken fortsätter att utvecklas kan vi förvänta oss att se ännu fler innovativa och banbrytande applikationer för 3D IC under de kommande åren.

3D IC-arkitektur är en framväxande teknologi med potential att revolutionera elektronikindustrin. Genom att erbjuda ökad prestanda, minskad storlek och vikt, förbättrad energieffektivitet och ökad flexibilitet möjliggör 3D IC utveckling av nya och innovativa elektronikprodukter som möter behoven hos ett brett spektrum av användare och applikationer.

Håll ögonen öppna. När den här revolutionen sänds på TV kommer den redan att vara här, och du kommer inte längre att ha fördelen att leda gruppen av konkurrenter, oavsett din verksamhet.

Todd Burkholder är senior skribent på Siemens Digital Industries Software.

• SEO-drivet innehåll och PR-distribution. Bli förstärkt idag.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Styrka dig själv. Tillgång här.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Kunskap förstärkt. Tillgång här.
• Platoesg. Kol, CleanTech, Energi, Miljö, Sol, Avfallshantering. Tillgång här.
• PlatoHealth. Biotech och kliniska prövningar Intelligence. Tillgång här.
• Källa: https://semiengineering.com/the-city-in-the-tower-3d-ics-transform-the-electronics-system-landscape/