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[]芯片的3D化

[]芯片的3D化
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摩尔定律遇到发展瓶颈 ， 但市场对芯片性能的要求却没有降低 。在这种情况下 ， 芯片也开始进行多方位探索 ， 以寻求更好的方式来提升性能 。通过近些年来相关半导体企业发布的成果显示 ， 我们发现 ， 芯片正在从二维走向三维世界——芯片设计、芯片封装等环节都在向3D结构靠拢 。
晶体管架构发生了改变
当先进工艺从28nm向22nm发展的过程中 ， 晶体管的结构发生了变化——传统的平面型晶体管技术（包括体硅技术(Bulk SI)和绝缘层覆硅(SOI)技术等）的发展遇到了瓶颈 ， 为了延续摩尔定律 ， 拥有三维结构的FinFET技术出现了 。
在传统晶体管结构中 ， 控制电流通过的闸门 ， 只能在闸门的一侧控制电路的接通与断开 ， 属于平面的架构 。在FinFET的架构中 ， 闸门成类似鱼鳍的叉状3D架构 ， 可于电路的两侧控制电路的接通与断开 。这种设计可以大幅改善电路控制并减少漏电流(leakage) ， 也可以大幅缩短晶体管的闸长 。
2011年5月英特尔宣布使用FinFET技术 ， 而后台积电、三星也都陆续采用FinFET 。晶体管开始步入了3D时代 。在接下来的发展过程中 ， FinFET也成为了14 nm ， 10 nm和7 nm工艺节点的主要栅极设计 。
【[]芯片的3D化】FinFET是胡正明教授基于DELTA技术而发明的 ， 由于FinFET技术为半导体的创新带来了新契机 ， 国际电子电气工程学会(IEEE)授予了胡正明2020年IEEE荣誉奖章 ， IEEE称其获奖是“开发半导体模型并将其投入生产实践 ， 尤其是3D器件结构 ， 使摩尔定律又持续了数十年 。”
2015年曾有报道称 ， FinFET未来预期可以进一步缩小至9nm 。发展至今 ， 我们也看到 ， FinFET技术仍然还被用于7nm中 ， 但从市场发展中看 ， FinFET技术还没有走到尽头 ， 根据台积电2019中国技术论坛上的透露的消息显示 ， 台积电在今年第二季度量产的5nm中 ， 将使用High Mobility Channel FinFET的节点 。
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3D封装引发新的竞争
除了晶体管结构走向了3D以外 ， 封装技术也在向3D方向发展 。有报道指出 ， 用先进封装技术提供的高密度互联将多颗Chiplet包在同一个封装体内 ， 将是未来的发展趋势 。而在这其中 ， 3D封装将产生巨大的影响 。
日前 ， AMD在其2020年财务分析师日发布了其新型的封装技术——X3D封装 ， 据悉 ， 该技术是将3D封装和2.5D封装相结合 。AMD称其X3D芯片封装技术将把其MCM带入三维 ， 并将带宽密度提高10倍 。
在CES 2019展会上 ， Intel也正式公布了Foveros 3D立体封装技术 ， Foveros 3D可以把逻辑芯片模块一层一层地堆叠起来 ， 而且可以做到2D变3D后 ， 性能不会受到损失 ， 电量消耗也不会显著增加 。据wikichip的消息显示 ， 第一代Foveros是采用英特尔的10 nm工艺引入的 ， 它具有每比特0.15皮焦耳的超低功率 ， 其带宽是类似2.5D Si中介层的 2-3倍 ， 并且可扩展至3 W至1 kW 。
而我们都知道 ， 近些年来 ， 英特尔和AMD之间在CPU上的竞争很是激烈 。而伴随着大规模数据中心的发展 ， 让CPU承担所有的计算任务似乎是有些困难 ， 于是GPU逐渐加入了进来——CPU适合日常进行的通用计算 ， 侧重主要在整数计算方面 ， 而GPU在浮点运算和并行处理方面占据巨大优势 ， 如果能够将两者优势结合起来 ， 更强大的处理器就会诞生 ， 因此 ， AMD和英特尔也先后启动了相关GPU的项目 。CPU与GPU如果相集成 ， 也就成为了近些年来备受关注的Chiplet模式 。对于Chiplet来说 ， 封装就显得十分重要 。而AMD的X3D ， 英特尔的Foveros 3D ， 都是发展Chiplet的基础 。


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