芯片堆疊技術(shù)，或?qū)㈩嵏舱麄�半導(dǎo)體現(xiàn)有格局

　　科技產(chǎn)品下一個重大突破將在芯片堆疊領(lǐng)域出現(xiàn)。

 

　　Apple Watch采用了先進(jìn)的的3D芯片堆疊封裝技術(shù)

 

　　作為幾乎所有日常電子產(chǎn)品最基礎(chǔ)的一個組件，微芯片正出現(xiàn)一種很有意思的現(xiàn)象。通常又薄又平的微芯片，如今卻堆疊得像薄煎餅?zāi)菢樱�由二維變成三維——給電子設(shè)備帶來重大的影響。

 

　　芯片設(shè)計(jì)師們正在發(fā)現(xiàn)那種堆疊方式可在性能、能耗和功能上帶來各種意想不到的好處。

 

　　沒有這種技術(shù)，蘋果智能手表Apple Watch也就無法做出來，三星最先進(jìn)的固態(tài)存儲器、來自英偉達(dá)和谷歌的人工智能系統(tǒng)和索尼超級快速的新型相機(jī)也不例外。

 

　　這種3D堆疊類似于城市規(guī)劃。沒有它的話，隨著產(chǎn)品需要內(nèi)置更多的零部件，電路板上的微芯片會不斷延伸，微芯片之間的距離會越隔越遠(yuǎn)。然而，一旦開始對芯片進(jìn)行堆疊，你就能形成一個硅制“城市”，里面的一切會變得更加鄰近。

 

　　從物理學(xué)角度來看，這種設(shè)計(jì)的優(yōu)勢顯而易見：當(dāng)電子需要通過銅線行進(jìn)更長的距離的時候，會消耗更多的能量，產(chǎn)生熱量，同時也減少頻寬。ARM旗下微芯片設(shè)計(jì)公司ARM Research未來硅技術(shù)主管格雷格·耶里克（Greg Yeric）指出，堆疊式芯片更加高效，產(chǎn)生較少的熱量，能夠以光速在短得多的互連通道里進(jìn)行通信。

 

　　雖然3D堆疊芯片背后的原理簡單明了，但要制造起來可不容易。耶里克說道，該技術(shù)概念于1960年代被首次提出，此后零星地出現(xiàn)在一些高端應(yīng)用當(dāng)中，比如軍用硬件。

 

　　然而，TechInsights微芯片研究公司分析師辛金·迪克森-沃倫（Sinjin Dixon-Warren）指出，來自大多數(shù)大型芯片廠商（AMD、英特爾、蘋果、三星和英偉達(dá)）以及Xilinx等小型的專業(yè)公司的堆疊式芯片產(chǎn)品，才出現(xiàn)了五年左右。為什么大家要這樣做呢？因?yàn)楣こ處焸冮_始找不到其它的辦法來讓芯片有更好的表現(xiàn)。

 

　　堆疊式芯片通常是其它蜷縮起來的芯片的“封裝”的一部分。除了節(jié)省空間以外，這讓廠商們能夠（通過不同的制造工藝）打造許多不同的芯片，然后多多少少將它們粘合在一起。“3D堆疊式封裝”的做法不同于頻繁用于手機(jī)的“系統(tǒng)級芯片”做法，后者是將所有不同的手機(jī)部件蝕刻在單一的硅片上。

 

　　迪克森-沃倫稱，從第一代開始，Apple Watch就由最先進(jìn)的3D堆疊式芯片封裝之一驅(qū)動。在該智能手表中，30種不同的芯片密封在一個塑料包層里面。他說，為了節(jié)省空間，存儲芯片堆疊在邏輯電路上面。要是沒有芯片堆疊技術(shù)，該手表的設(shè)計(jì)就無法做得如此緊湊。

 

　　蘋果的芯片只是堆疊成兩層高，而三星卻做出了名副其實(shí)的硅制“高樓大廈”。三星用于手機(jī)、相機(jī)和筆記本數(shù)據(jù)存儲的V-NAND閃存足足堆疊了64層芯片。三星也剛剛宣布，未來的版本將會有96層。

 

　　英偉達(dá)針對人工智能打造的Volta微處理器，GPU上堆疊了八層的高頻寬存儲器

 

　　存儲是芯片堆疊技術(shù)的一項(xiàng)自然而然的應(yīng)用，因?yàn)樗�解決了長久以來一直困擾芯片設(shè)計(jì)師的一個問題：給從iPad到超級計(jì)算機(jī)的任何設(shè)備增加更多的核心，并不能換來所期望的速度提升，因?yàn)檫壿嬰娐分�間的通信延遲和所需要的存儲能力。而將存儲組件直接堆疊在芯片上，則可以讓二者之間的連接路徑縮短。

 

　　英偉達(dá)硬件工程高級副總裁布萊恩·凱萊赫（Brian Kelleher）表示，那正是公司針對AI打造的Volta微處理器的運(yùn)作原理。通過直接在GPU上面堆疊八層的高頻寬存儲器，這些芯片在處理效率上創(chuàng)造了新的記錄。

 

　　“我們在電力上是受限的，”凱赫勒說，“我們能夠從存儲系統(tǒng)騰出的任何電力，都可以用在計(jì)算上。”

 

　　芯片堆疊也帶來了一些全新的功能。有的手機(jī)攝像頭將圖像傳感器直接疊加在處理圖像的芯片上面。額外的速度意味著，它們能夠?qū)φ掌�進(jìn)行多次曝光，并將其融合在一起，在昏暗的場景里捕捉到更多的光線。

 

　　三星的64層V-NAND垂直芯片，擁有更大的數(shù)據(jù)存儲容量和更快的處理速度

 

　　來自索尼的原型攝像頭通過使用三層而非兩層芯片更進(jìn)一步——包括圖像傳感器、存儲器和邏輯電路，實(shí)現(xiàn)每秒最高1000幀的效果。這種做法的作用是，光觸達(dá)圖像傳感器，數(shù)據(jù)直接進(jìn)入存儲器，接著進(jìn)行實(shí)時處理。除了在低光照條件下取得更高的能見度以外，這還可以用于拍攝超慢動作的視頻，單幀凝固快速移動的物體。

 

　　目前，要將3D微芯片推向更多的電子設(shè)備，還需要耗費(fèi)巨大的資源去解決一些障礙。

 

　　耶里克表示，首先，3D芯片誕生不久，用于堆疊的設(shè)計(jì)工具進(jìn)化還不充分。在簡單的設(shè)計(jì)工具——類似于用于平整芯片的那些工具——變得廣為普及以前，堆疊式芯片仍將只有擁有頂尖工程人才的企業(yè)能夠制造出來。

 

　　另一個問題在于，制造商們?nèi)栽趯W(xué)習(xí)如何可靠地在物理上相互堆疊和連接芯片。這意味著有的制造工藝成品率會相對較低。

 

　　不過，迪克森-沃倫指出，3D堆疊式芯片的普及非�？焖伲�它們也必然會成為行業(yè)主流。10年前，該技術(shù)幾乎僅僅存在于高校實(shí)驗(yàn)室；五六年前，還難以找到它的商業(yè)化案例。但它如今如雨后春筍般涌現(xiàn)，出現(xiàn)在各類的應(yīng)用上，如網(wǎng)絡(luò)化、高性能計(jì)算和Apple Watch等高端可穿戴設(shè)備。據(jù)知名電子產(chǎn)品拆解網(wǎng)站iFixit的CEO凱爾·韋恩斯（Kyle Wiens）稱，它也出現(xiàn)在iPhone X的“大腦”當(dāng)中。

 

　　在ARM的耶里克看來，最終3D芯片應(yīng)該會讓我們的可穿戴產(chǎn)品變得跟體積更大的設(shè)備那么強(qiáng)大，會讓它們能夠連續(xù)運(yùn)行數(shù)天時間，即便它們布滿了傳感器。“舉例來說，如果有朝一日你的手表變得能夠檢查你的血糖水平，我不會感到驚訝。”他說道。

 

　　讓芯片從二維變成三維，只是個開始。不久以后，芯片層將會通過光而非電流來通信。在更遙遠(yuǎn)的未來，隨著我們用擁有前所未見的處理性能的閃亮晶體替換電路板，它們將會完全擺脫硅——可能轉(zhuǎn)向人造鉆石。

 

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