近日，一支由斯坦福大學(xué)、卡內(nèi)基梅隆大學(xué)、賓夕法尼亞大學(xué)和麻省理工學(xué)院的工程師組成的合作研究團(tuán)隊(duì)宣布，他們成功制造出了美國(guó)首個(gè)在商業(yè)代工廠制造的單片3D集成電路原型，并聲稱(chēng)該技術(shù)相較于傳統(tǒng)平面芯片設(shè)計(jì)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(bào)道稱(chēng)，這款芯片突破了傳統(tǒng)的二維布局，采用單一連續(xù)工藝將存儲(chǔ)器和邏輯電路直接堆疊在一起。研究人員沒(méi)有將多個(gè)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(gòu)建每個(gè)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(wǎng)絡(luò)，縮短了存儲(chǔ)單元和計(jì)算單元之間的數(shù)據(jù)路徑。

該原型機(jī)采用SkyWater公司成熟的90nm至130nm工藝，在其200mm生產(chǎn)線上制造而成。該堆疊結(jié)構(gòu)集成了傳統(tǒng)的硅CMOS邏輯電路、電阻式RAM層和碳納米管場(chǎng)效應(yīng)晶體管，所有組件均在約415℃的熱預(yù)算下制造。據(jù)該團(tuán)隊(duì)稱(chēng)，早期硬件測(cè)試表明，與具有相似延遲和尺寸的同類(lèi)二維實(shí)現(xiàn)方案相比，該堆疊結(jié)構(gòu)的吞吐量提高了約四倍。

除了實(shí)測(cè)硬件結(jié)果外，研究人員還通過(guò)仿真評(píng)估了更高堆疊層的架構(gòu)。結(jié)果表明，具有更多內(nèi)存和計(jì)算層級(jí)的設(shè)計(jì)在人工智能類(lèi)工作負(fù)載（包括源自Meta的LLaMA架構(gòu)的模型）上實(shí)現(xiàn)了高達(dá)12倍的性能提升。該團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步指出，通過(guò)持續(xù)擴(kuò)展垂直集成而非縮小晶體管尺寸，該架構(gòu)最終有望在能量延遲積（衡量速度和效率的綜合指標(biāo)）方面實(shí)現(xiàn)100倍至1000倍的提升。

雖然學(xué)術(shù)實(shí)驗(yàn)室此前也曾展示過(guò)實(shí)驗(yàn)性的3D芯片，但該團(tuán)隊(duì)強(qiáng)調(diào)，這項(xiàng)工作的不同之處在于它是在商業(yè)代工廠環(huán)境中制造的，而非在定制的研究生產(chǎn)線上。參與該項(xiàng)目的SkyWater高管表示，這項(xiàng)工作證明了整體式3D架構(gòu)可以應(yīng)用于國(guó)內(nèi)生產(chǎn)流程，而不僅僅局限于大學(xué)的潔凈室。

“將尖端的學(xué)術(shù)概念轉(zhuǎn)化為商業(yè)晶圓廠可以制造的東西是一項(xiàng)巨大的挑戰(zhàn)，”合著者、SkyWater Technology技術(shù)開(kāi)發(fā)運(yùn)營(yíng)副總裁Mark Nelson說(shuō)。（校對(duì)/趙月）