單體3D (Monolithic 3D;M3D)整合為實現更快速、更便宜且更小型的晶片開發途徑帶來了希望。然而,大部份的開發計劃雖然能延續好幾季的興趣,至今卻仍處於研究階段,在驗證該技術以及為其打造生態系統方面還有大量的工作尚待完成。

這是ARM、CEA-Leti、DARPA、Mentor Graphics和高通(Qualcomm)等公司在最近的年度IEEE S3S大會上針對該領域所發表的看法。M3D的目的在於將各種功能嵌入以一個或多個磊晶堆疊的區塊(block)中,然而,大部份的途徑至今都還無法證實商用可行性。

歐洲研究機構Leti多年來致力於Cool Cube,這是其中一種垂直堆疊電晶體的途徑。包括 IBM、Qualcomm和意法半導體(STMicroelectronics)等公司也是Leti在該計劃的合作夥伴。Cool Cube計劃雖然具有發展前景,但還無法解決如何在全M3D晶片中調整全域路由等問題。

高通資深研究總監Yang Du在大會中共同主持一場有關Cool Cube的半日議程。他十分熱衷於所謂的3D VLSI領域,同樣地也積極探索現有途徑的許多缺點。

幾年前,高通也致力於探索矽穿孔(TSV),許多人認為這一途徑將會用於行動應用處理器。而今,高通大致上已經停止這方面的努力了,因為在這一類晶片中採用TSV的熱和成本挑戰仍然有許多都未能克服。同時,台積電(TSMC)以及其他廠商都已經在蘋果(Apple) iPhone處理器中使用的晶圓級扇出封裝方面取得了進步。

新創公司MonolithIC3D一向支持M3D,該公司執行長Zvi Or-Bach同時也是此次活動的組織單位。這家成員僅五人的公司據稱擁有M3D的IP以及具有吸引力的想法,但尚未找到合作夥伴進行晶片測試。

DARPA認為M3D是極具潛力的技術之一,有助於為振興晶片產業,特別是在此成長趨緩而成本迅速攀升之際。DARPA關於下一代晶片設計的六項計劃之一就在於探索晶片堆疊,而有些公司則表示將為此推出M3D計劃。

M3D的主要挑戰包括:

  • 讓EDA巨擘為其建構設計工具;
  • 保護元件免於高溫環境;
  • 以電晶體級精確度校準電路;
  • 路由幾十個(如果無法達到數百個)元素;
  • 降低在單個裝置中分層記憶體和邏輯元件的成本。

Insight64市場觀察家Nathan Brookwood在會中參與Cool Cube的一場座談會時表示,M3D仍然具有發展潛力。

他說:「它就像是上樓與下樓一樣簡單,而不是從建築物中同一層樓的其中一側移動至另一側。從快取到運算元件,你只是增加了1或2毫米(mm) ,而不是在晶片上移動數十毫米。」

20171024_M3D_NT01P1 Leti列出M3D的常見的挑戰,並討論其Cool Cube途徑的特點 (來源:Leti)

M3D多重設計專案晶圓

Leti以及其他公司指出,Sony目前的CMOS影像感測器正是使用M3D技術連接記憶體和邏輯元件的第一款商用晶片。Sony在今年1月發表了聯手三星打造3層式堆疊的研究。對此,三星表示未來將在3D NAND晶片中加入周邊電路,提出一種類似M3D的途徑。

為了推動Cool Cube途徑的進展,Leti正著手為多重設計專案晶圓(multi-project wafer)開發PDK工具套件,讓合作夥伴也許能在2018年底測試該技術。此外,Leti也正致力於幾種chip-on-wafer (CoW)和wafer-on-wafer (WoW)的堆疊技術。

Leti已經證實Cool Cube封裝2x107通孔/mm2。它還展示了管理熱問題並精確校準Cool Cube結構的工作成果。Leti部門經理Olivier Faynot說:「我們相信這是可製造的。」

Or-Bach展示以現有晶圓廠技術組合堆疊至少四種元件的想法,他表示這樣的途徑可使成本大幅降低。他並展示以研磨製程切割元件,再透過矽鍺(SiGe)導向層(之後再蝕刻掉)使其面對對接合的方法。

20171024_M3D_NT01P2 Zvi Or-Bach深入描述所提出的M3D技術(來源:MonolithIC 3D)

其方式之一是可在50nm容差範圍內校準的上片機。他認為這個概念可用於打造在單一晶片中整合記憶體和周邊電路的DRAM。

Yang Du表示,M3D能廣泛地應用於各種產品。該技術能讓記憶體陣列與多重累加單元陣列相互搭配,從而打造理想的神經網路加速器。

短期來看,最大的障礙之一似乎是如何讓更多的EDA廠商參與這項工作。Mentor Graphics的一位代表展示如何為M3D結構展開寄生擷取和驗證工作。高通和ARM則與美國治亞理工學院(Georgia Tech)等大學就M3D設計工具進行合作。

ARM的代表Mudit Bhargava說:「未來還有很長的路要走…我們現在擁有看來頗具發展前景的先進3D技術,同時也存在許多挑戰,但這些困難並不是無法逾越的。」

20171024_M3D_NT01P3 高通發表對於M3D發展道路的看法 (來源:Qualcomm)

編譯:Susan Hong

(參考原文:Monolithic 3D Shows Promise, Challenges,by Rick Merritt)