从二维到三维:芯片堆叠技术会带来哪些变化? 2017-11-23

 芯片堆叠技术—

        顾名思义,就是将芯片像积木一样一层层的堆起来,但是,这种技术可并非仅仅停留在“建筑学”领域,近日就有外国媒体预言:科技产品下一个重大突破将在芯片堆叠领域出现

 

(网络配图)

 

        作为几乎所有日常电子产品最基础的一个组件,微芯片正出现一种很有意思的现象;通常又薄又平的微芯片,如今可以堆叠得像薄煎饼那样,直接由二维变成了三维,这也给给电子设备带来重大的影响;加入没有这种技术,苹果智能手表Apple Watch就无法做出来,而三星的固态存储器、英伟达和谷歌的人工智能系统也不例外

(苹果手表拆机)

 

3D堆叠技术

产品内部的“城市规划”

 

        3D堆叠类似于城市规划:没有它的话,随着产品需要内置更多的零部件,电路板上的微芯片会不断延伸,微芯片之间的距离会越隔越远;然而,一旦开始对芯片进行堆叠,就能形成一个硅制“城市”,里面的一切会变得更加邻近

        从物理学角度来看,这种设计的优势是显而易见的:当电子需要通过铜线行进更长的距离的时候,会消耗更多的能量,产生热量,同时也减少频宽;ARM旗下微芯片设计公司ARM Research未来硅技术主管格雷格·耶里克指出,堆叠式芯片更加高效,产生较少的热量,能够以光速在短得多的互连通道里进行通信

(网络配图)

 

       3D堆叠芯片背后的原理相对简单,但制造起来并不容易

        耶里克说道,该技术概念于1960年代被首次提出,此后零星地出现在一些高端应用当中,比如军用硬件;然而,TechInsights微芯片研究公司分析师辛金·迪克森-沃伦指出,来自大多数大型芯片厂商(AMD、英特尔、苹果、三星和英伟达)以及Xilinx等小型的专业公司的堆叠式芯片产品,才出现了五年左右。为什么大家要这样做呢?因为在一开始,工程师们找不到其它的办法来让芯片有更好的表现

 

(芯片堆叠原理)

 

        堆叠式芯片通常是其它蜷缩起来的芯片的“封装”的一部分;除了节省空间以外,这让厂商们能够打造许多不同的芯片,然后将它们粘合在一起;“3D堆叠式封装”的做法不同于频繁用于手机的“系统级芯片”做法,后者是将所有不同的手机部件蚀刻在单一的硅片上

         举个例子,从第一代开始,Apple Watch就由最先进的3D堆叠式芯片封装之一驱动,30种不同的芯片密封在一个塑料包层里面;为了节省空间,存储芯片堆叠在逻辑电路上面,如果没有芯片堆叠技术,该手表的设计就无法做得如此紧凑

(网络配图)

 

         但是目前,苹果的芯片只是堆叠成两层高,三星却做出了名副其实的硅制“高楼大厦”。三星用于手机、相机和笔记本数据存储的V-NAND闪存足足堆叠了64层芯片。三星也刚刚宣布,未来的版本将会有96层

 

堆叠技术应用

缩短路径·节约时间

 

        存储是芯片堆叠技术的一项直接应用,因为它解决了长久以来一直困扰芯片设计师的一个问题:从iPad到超级计算机,你给任何设备增加更多的核心,但并不能换来所期望的速度提升,因为逻辑电路之间的通信延迟和所需要的存储能力;但如果将存储组件直接堆叠在芯片上,则可以让二者之间的连接路径缩短

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        英伟达硬件工程高级副总裁布莱恩·凯莱赫表示,那正是公司针对AI打造的Volta微处理器的运作原理。通过直接在GPU上面堆叠八层的高频宽存储器,这些芯片在处理效率上创造了新的记录:“我们在电力上是受限的,”凯赫勒说,“我们能够从存储系统腾出的任何电力,都可以用在计算上。”

        芯片堆叠也带来了一些全新的功能。有的手机摄像头将图像传感器直接叠加在处理图像的芯片上面,额外的速度意味着,它们能够对照片进行多次曝光,并将其融合在一起,在昏暗的场景里捕捉到更多的光线

(网络配图)

 

        来自索尼的原型摄像头通过使用三层而非两层芯片——包括图像传感器、存储器和逻辑电路,实现每秒最高1000帧的效果。这种做法的作用是,光触达图像传感器,数据直接进入存储器,接着进行实时处理。除了在低光照条件下取得更高的能见度以外,这还可以用于拍摄超慢动作的视频,单帧凝固快速移动的物体

 

进步探索期

从技术化走向商业化

 

        实际上,要将3D微芯片推向更多的电子设备,还需要耗费巨大的资源去解决一些障碍;耶里克表示,首先3D芯片诞生不久,用于堆叠的设计工具进化还不充分。在简单的设计工具(类似于用于平整芯片工具)——变得广为普及以前,堆叠式芯片仍将只有拥有顶尖工程人才的企业能够制造出来

(网络配图)

 

        而另一个问题在于,制造商们仍在学习如何可靠地在物理上相互堆叠和连接芯片。这意味着有的制造工艺成品率会相对较低;不过,迪克森-沃伦指出,3D堆叠式芯片的普及非常快速,它们也必然会成为行业主流

        十年前,该技术几乎仅仅存在于高校实验室;五、六年前,还难以找到它的商业化案例。但如今它已经出现在各类的应用上,如网络化、高性能计算和Apple Watch等高端可穿戴设备。据知名电子产品拆解网站iFixit的CEO凯尔·韦恩斯称,它也出现在iPhone X的“大脑”当中

 

(网络配图)

 

        在ARM的耶里克看来,最终3D芯片应该会让我们的可穿戴产品变得跟体积更大的设备那么强大,会让它们能够连续运行数天时间,即便它们布满了传感器。“举例来说,如果有朝一日你的手表变得能够检查你的血糖水平,我不会感到惊讶。”他说道

       让芯片从二维变成三维,只是个开始;不久以后,芯片层将会通过光而非电流来通信;在更遥远的未来,随着我们用拥有前所未见的处理性能的闪亮晶体替换电路板,它们将会完全摆脱硅——最终转向人造钻石

(以上文章内容来源于网易科技)

 

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