美國團隊造出首顆單片3D芯片，性能較平面方案提升四倍

近日，一支由斯坦福大學、卡內基梅隆大學、賓夕法尼亞大學和麻省理工學院的工程師組成的合作研究團隊宣布，他們成功制造出了美國首個在商業代工廠制造的單片3D集成電路原型，并聲稱該技術相較于傳統平面芯片設計在性能上有顯著提升。這款原型芯片由SkyWater Technology公司合作制造。

報道稱，這款芯片突破了傳統的二維布局，采用單一連續工藝將存儲器和邏輯電路直接堆疊在一起。研究人員沒有將多個成品芯片組裝成封裝，而是使用一種低溫工藝在同一晶圓上逐層構建每個器件層，這種工藝旨在避免損壞底層電路，從而形成高密度的垂直互連網絡，縮短了存儲單元和計算單元之間的數據路徑。

該原型機采用SkyWater公司成熟的90nm至130nm工藝，在其200mm生產線上制造而成。該堆疊結構集成了傳統的硅CMOS邏輯電路、電阻式RAM層和碳納米管場效應晶體管，所有組件均在約415℃的熱預算下制造。據該團隊稱，早期硬件測試表明，與具有相似延遲和尺寸的同類二維實現方案相比，該堆疊結構的吞吐量提高了約四倍。

除了實測硬件結果外，研究人員還通過仿真評估了更高堆疊層的架構。結果表明，具有更多內存和計算層級的設計在人工智能類工作負載（包括源自Meta的LLaMA架構的模型）上實現了高達12倍的性能提升。該團隊進一步指出，通過持續擴展垂直集成而非縮小晶體管尺寸，該架構最終有望在能量延遲積（衡量速度和效率的綜合指標）方面實現100倍至1000倍的提升。

雖然學術實驗室此前也曾展示過實驗性的3D芯片，但該團隊強調，這項工作的不同之處在于它是在商業代工廠環境中制造的，而非在定制的研究生產線上。參與該項目的SkyWater高管表示，這項工作證明了整體式3D架構可以應用于國內生產流程，而不僅僅局限于大學的潔凈室。

“將尖端的學術概念轉化為商業晶圓廠可以制造的東西是一項巨大的挑戰，”合著者、SkyWater Technology技術開發運營副總裁Mark Nelson說。（校對/趙月）