深度丨“3D堆叠”技术，半导体大厂继续深耕

在用于个人电脑和高性能服务器的尖端半导体开发方面，3D堆叠技术的重要性正在提高。

在通过缩小电路线宽提高集成度的微细化速度放缓的背景下，3D技术将承担半导体持续提高性能的作用。

微细化技术持续发展

英特尔1971年发布的首款CPU的元件数仅有约2300个；而苹果最新发布的M1芯片元件数达到160亿个，增至约700万倍。

但是，进入2010年代后，线宽接近原子的尺寸，微细化的速度开始放缓。

在此情况下，受到关注的是将多枚芯片纵向堆叠的3D以及横向排列连接的技术，可以不依赖微细化提高半导体的功能。

目前，由于摩尔定律的限制，在提高芯片性能的方向上，研发人员开辟了另外一个新的路径，即利用3D技术通过有效堆叠多个芯片来提高半导体的综合性能。

法国调查公司Yole预测称，包括3D等技术在内的尖端半导体封装的2026年市场规模将增至2021年的1.5倍，达到519亿美元。

随着技术创新，半导体领域将诞生新的火车头，相关市场也有望扩大。

3D堆叠技术出现的原因

现代芯片的功能越来越复杂，芯片尺寸也越来越大，导致工艺技术越来越复杂，由此带来了成本问题：不但制造成本高，设计成本也越来越高。

为了应对这个问题，很多人想到了使用模块化设计方法，即把功能块分离成小型模块，做成一个个高良率、低成本的芯粒，然后根据需要灵活组装起来，即把芯片合理剪裁到各种不同的应用。

而传统的3D IC技术则是将多块芯片堆叠在一起，并使用TSV技术将不同的芯片做互联。

目前，3D IC主要用在内存芯片之间的堆叠架构和传感器的堆叠，而2.5D技术则已经广泛应用在多款高端芯片组中。

现在，抓住先进封装和3D集成提供的机会，芯粒为安全可靠的电子系统设计开辟了新的领域。

通过调整放置在一个芯片封装中的芯粒数量，就可以创建不同规模的系统，大大提升了系统设计的灵活性和可扩展性，同时也大大降低了研发成本，缩短了研发周期。

总体上看，3D堆叠技术在集成度、性能、功耗等方面更具优势，同时设计自由度更高，开发时间更短，是各封装技术中最具发展前景的一种。

当前，随着高效能运算、人工智能等应用兴起，加上用于提供多个晶圆垂直通信的TSV技术愈来愈成熟，可以看到越来越多的CPU、GPU和存储器开始采用3D堆叠技术。

国际大厂们之间的3D堆叠大战

·AMD：AMD宣布全面推出世界首款采用3D芯片堆叠的数据中心CPU，即采用AMD 3D V-Cache技术的第三代AMD EPYC处理器，代号[Milan-X]。

这些处理器基于Zen 3核心架构，进一步扩大了第三代EPYC处理器系列产品，相比非堆叠的第三代AMD EPYC处理器，可为各种目标技术计算工作负载提供高达66%的性能提升。

采用AMD 3D V-Cache技术的第三代AMD EPYC处理器使AMD能够带来业界首个采用3D芯片堆叠技术且专为工作负载而生的服务器处理器。

·台积电：美国加州圣塔克拉拉第二十四届年度技术研讨会上，台积电首度对外界公布创新的系统整合单芯片（SoIC）多芯片3D堆叠技术。

SoIC技术是采用硅穿孔（TSV）技术，可以达到无凸起的键合结构，可以把很多不同性质的临近芯片整合在一起。

能直接透过微小的孔隙沟通多层的芯片，达成在相同的体积增加多倍以上的性能。

·英特尔：困于10nm的英特尔也在这方面寻找新的机会，推出其业界首创的3D逻辑芯片封装技术 Foveros，Foveros首次引入3D堆叠的优势，可实现在逻辑芯片上堆叠逻辑芯片。

英特尔今年7月展现了RibbonFET新型晶体管架构，全新的封装方式可以将NMOS和PMOS堆叠在一起，紧密互联，从而在空间上提高芯片的晶体管密度。

·佳能：佳能正在开发用于半导体3D技术的光刻机，最早在2023年就会面市。

3D光刻机的曝光面积扩大至现有产品的约4倍，佳能是在原基础上改进透镜和镜台等光学零部件，来提高曝光精度，增加布线密度，从而实现3D光刻。

·格芯：格芯宣布推出适用于高性能计算应用的高密度3D堆叠测试芯片，该芯片采用格芯 12nm Leading-Performance (12LP) FinFET 工艺制造。

运用Arm 3D网状互连技术，核心间数据通路更为直接，可降低延迟，提升数据传输率，满足数据中心、边缘计算和高端消费电子应用的需求。

·IME：IME新一代半导体堆叠法，透过面对面和背对背晶圆键合与堆叠后，以 TSV结合，相较台积电和AMD的SRAM堆叠技术，IME新技术更进一步。

·华为：去年华为曾被曝出[双芯叠加]专利，这种方式可以让14nm芯片经过优化后比肩7nm性能，但当时曝光的这种通过堆叠的方式与苹果的Ultra Fusion架构还是有所不同。

虽然同样是指双芯片组合成单个主芯片，但苹果与华为可以说是两种截然不同的方式。

采用面积换性能，用堆叠换性能，使得不那么先进的工艺也能持续让华为在未来的产品里面，能够具有竞争力。

结尾：

如果将各种芯片结合起来的3D技术得到普及，专注于设计的无厂半导体厂商之间、以及与后工序代工企业等的合作将提高重要性。

以3D半导体的开发和制造技术为核心，半导体厂商的行业势力版图有可能发生改变。

作者 | 方文

部分资料参考：

电子产品世界：《摩尔定律如何继续延续：3D堆叠技术或许是答案》

日经中文网：《“3D堆叠”推动半导体继续进化》