科技產(chǎn)品下個(gè)重大突破將來(lái)自芯片堆疊技術(shù)

　　11月20日消息，華爾街日報發(fā)布文章稱(chēng)，科技產(chǎn)品下一個(gè)重大突破將在芯片堆疊領(lǐng)域出現。

　　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)品最基礎的一個(gè)組件，微芯片正出現一種很有意思的現象。通常又薄又平的微芯片，如今卻堆疊得像薄煎餅那樣，由二維變成三維——給電子設備帶來(lái)重大的影響。

　　沒(méi)有這種技術(shù)，蘋(píng)果智能手表Apple Watch也就無(wú)法做出來(lái)，三星最先進(jìn)的固態(tài)存儲器、來(lái)自英偉達和谷歌的人工智能系統和索尼超級快速的新型相機也不例外。

　　這種3D堆疊類(lèi)似于城市規劃。沒(méi)有它的話(huà)，隨著(zhù)產(chǎn)品需要內置更多的零部件，電路板上的微芯片會(huì )不斷延伸，微芯片之間的距離會(huì )越隔越遠。然而，一旦開(kāi)始對芯片進(jìn)行堆疊，你就能形成一個(gè)硅制“城市”，里面的一切會(huì )變得更加鄰近。

　　從物理學(xué)角度來(lái)看，這種設計的優(yōu)勢顯而易見(jiàn)：當電子需要通過(guò)銅線(xiàn)行進(jìn)更長(cháng)的距離的時(shí)候，會(huì )消耗更多的能量，產(chǎn)生熱量，同時(shí)也減少頻寬。ARM旗下微芯片設計公司ARM Research未來(lái)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。

　　Apple Watch Series 1的Apple S1芯片X光圖

　　雖然3D堆疊芯片背后的原理簡(jiǎn)單明了，但要制造起來(lái)可不容易。耶里克說(shuō)道，該技術(shù)概念于1960年代被首次提出，此后零星地出現在一些高端應用當中，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(lái)自大多數大型芯片廠(chǎng)商(AMD、英特爾、蘋(píng)果、三星和英偉達)以及Xilinx等小型的專(zhuān)業(yè)公司的堆疊式芯片產(chǎn)品，才出現了五年左右。為什么大家要這樣做呢?因為工程師們開(kāi)始找不到其它的辦法來(lái)讓芯片有更好的表現。

　　堆疊式芯片通常是其它蜷縮起來(lái)的芯片的“封裝”的一部分。除了節省空間以外，這讓廠(chǎng)商們能夠(通過(guò)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?！?D堆疊式封裝”的做法不同于頻繁用于手機的“系統級芯片”做法，后者是將所有不同的手機部件蝕刻在單一的硅片上。

　　迪克森-沃倫稱(chēng)，從第一代開(kāi)始，Apple Watch就由最先進(jìn)的3D堆疊式芯片封裝之一驅動(dòng)。在該智能手表中，30種不同的芯片密封在一個(gè)塑料包層里面。他說(shuō)，為了節省空間，存儲芯片堆疊在邏輯電路上面。要是沒(méi)有芯片堆疊技術(shù)，該手表的設計就無(wú)法做得如此緊湊。

　　蘋(píng)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、相機和筆記本數據存儲的V-NAND閃存足足堆疊了64層芯片。三星也剛剛宣布，未來(lái)的版本將會(huì )有96層。

　　英偉達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)的一項自然而然的應用，因為它解決了長(cháng)久以來(lái)一直困擾芯片設計師的一個(gè)問(wèn)題：給從iPad到超級計算機的任何設備增加更多的核心，并不能換來(lái)所期望的速度提升，因為邏輯電路之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微處理器的運作原理。通過(guò)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(shuō)，“我們能夠從存儲系統騰出的任何電力，都可以用在計算上?！?/p>

　　芯片堆疊也帶來(lái)了一些全新的功能。有的手機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(zhù)，它們能夠對照片進(jìn)行多次曝光，并將其融合在一起，在昏暗的場(chǎng)景里捕捉到更多的光線(xiàn)。

　　三星的64層V-NAND垂直芯片，擁有更大的數據存儲容量和更快的處理速度

　　來(lái)自索尼的原型攝像頭通過(guò)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)現每秒最高1000幀的效果。這種做法的作用是，光觸達圖像傳感器，數據直接進(jìn)入存儲器，接著(zhù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理。除了在低光照條件下取得更高的能見(jiàn)度以外，這還可以用于拍攝超慢動(dòng)作的視頻，單幀凝固快速移動(dòng)的物體。

　　目前，要將3D微芯片推向更多的電子設備，還需要耗費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，用于堆疊的設計工具進(jìn)化還不充分。在簡(jiǎn)單的設計工具——類(lèi)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(lái)。

　　另一個(gè)問(wèn)題在于，制造商們仍在學(xué)習如何可靠地在物理上相互堆疊和連接芯片。這意味著(zhù)有的制造工藝成品率會(huì )相對較低。

　　不過(guò)，迪克森-沃倫指出，3D堆疊式芯片的普及非?？焖?，它們也必然會(huì )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，出現在各類(lèi)的應用上，如網(wǎng)絡(luò )化、高性能計算和Apple Watch等高端可穿戴設備。據知名電子產(chǎn)品拆解網(wǎng)站iFixit的CEO凱爾·韋恩斯(Kyle Wiens)稱(chēng)，它也出現在iPhone X的“大腦”當中。

　　在A(yíng)RM的耶里克看來(lái)，最終3D芯片應該會(huì )讓我們的可穿戴產(chǎn)品變得跟體積更大的設備那么強大，會(huì )讓它們能夠連續運行數天時(shí)間，即便它們布滿(mǎn)了傳感器?！芭e例來(lái)說(shuō)，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(huì )感到驚訝?！彼f(shuō)道。

　　讓芯片從二維變成三維，只是個(gè)開(kāi)始。不久以后，芯片層將會(huì )通過(guò)光而非電流來(lái)通信。在更遙遠的未來(lái)，隨著(zhù)我們用擁有前所未見(jiàn)的處理性能的閃亮晶體替換電路板，它們將會(huì )完全擺脫硅——可能轉向人造鉆石。