3D芯片

早期研发

　　据悉，被命名为CMOSAIC的研究项目由洛桑理工学院的约翰·R·瑟姆负责。为了使电脑芯片的计算能力提高10倍，研究人员必须在1立方厘米的空间内装下同人类大脑内神经元数目一样多的晶体管。几年前，由于只能使用单核处理器技术，为了提高芯片的计算能力，研究人员不得不采取添加剂的方式。然而，这种方式无形中也拉高了处理器运行时的温度。实验证明，当芯片温度超过85摄氏度的时候，电子元件的性能就不再稳定。多核处理器技术的诞生部分解决了这个难题，多个处理器搭载在同一个芯片上，大大提高了计算速度。但是目前世面上采用的多核技术都是通过线缆将处理器并排串联在一起，这种结构不仅需要消耗大量电力，而且还会在处理器运行过程中产生大量热量，长此以往必然会对处理器造成损害。

内部结构

　　3D芯片采用多核，不同的是，多个处理器不再并排相连，而是上下平行地连在一起。这样，线缆的分布面积就扩大至整个处理器的表面，而且平行结构也有效缩短了各个处理器之间缆线的长度。实验显示，平均1平方毫米的面积可以分布100甚至是1000个线缆连接点，不但数据传输速度得到提高，电力消耗也大大减少。

优缺点

　　3D芯片的出发点首先是为了提高计算机处理器的计算能力，但它在电力消耗方面的大大减少，对环保事业同样具有非凡的意义。“光是美国大大小小的数据处理中心消耗的电力就占电力总消费量的2％。”负责该项目的瑟姆教授举例说，“并且电力的需求每过5年就翻一番。照这个增长速度，到2100年整个美国的电力都将被计算机所消耗。”

　　不过，尽管3D芯片消耗的电量以及产生的热量都低于传统芯片，但数值并不低。

后续研发方向

　　基于以上所说的不完美，瑟姆教授和他的团队同时开始致力于同3D芯片配套的散热装置的研究。研究人员在每个处理器之间，安装了许多直径为50微米（一微米等于百万分之一米——编者注）的中空管道，并向管里注入液态制冷剂。制冷剂以蒸汽形式从回路中导出，然后通过冷凝器还原成液态，重新注入处理器中，实现循环的过程。研究小组透露，这套散热装置明年将在实际环境下进行测试，不过这次测试将脱离计算机处理器单独进行。

　　预计首批3D芯片将于2015年上市。而内部加装降温系统的3D芯片最早也要等到2020年才能面世。

工艺

　　世界上款3D芯片工艺已经准备获取牌照，该工艺来自于无晶圆半导体设计公司BeSang公司。

　　当前包含了内存的平面（2D）芯片必须围绕其内存阵列放置逻辑电路来对比特位进行寻址并提供逻辑功能。把内存和逻辑电路放在一起，意味着必须在二者之间使用较长的内部连线。而BeSang通过将逻辑电路放在芯片的底层，将内存位单元放在顶层，从而将设计更加紧凑，二者之间只需很短的连接线。在BeSang（韩语的意思是“飞得高”），Lee与前三星工程师Junil Park一起，完善了首款真正的3D芯片工艺，后者为个用于高K电介质的原子层沉积工具的开发者。因为新的芯片工艺不再堆集裸片，公司称常规的冷却技术就可以工作，因为较厚的3D芯片工艺不会产生格外的热量。

　　BeSang公司声称该公司在底层使用高温处理工艺进行制造逻辑电路，在顶层使用低温工艺来制造内存电路，从而实现了3D芯片。将不同层的逻辑和内存电路放置在同一个芯片中，BeSang的处理工艺在每晶圆中集成了更多的裸片，从而降低了每个裸片的成本。BeSang的创始人兼CEOSang-Yun Lee称，“BeSang成立于5年前，并致力于3D芯片技术，已经推出了单芯片3D芯片工艺，并随时可以商用。通过使用低温工艺并将使用垂直内存设备放置在逻辑设备顶层，我们在每个晶圆上可以作出更多的螺片，这就是单位裸片成本下降的秘诀。”

　　BeSang公司制作的用于演示的芯片在其控制逻辑上使用了1.28亿个垂直晶体管用作内存位单元。该芯片的设计在国家Nanofab中心（韩国大田）和斯坦福Nanofab（美国加州）进行。BeSang公司称，该工艺由25个专利所保护，将允许Flash、DRAM以及SRAM放置在逻辑电路、微处理器以及片上系统上。