Moderní výrobní technologie - 3D stacking čipů a integrovaných obvodů

Použití 3D zapouzdření a stohování ICs

Mezi první nasazení se zřejmě budou počítat FPGA čipy. Motivace je zde zřejmá. Jak již padlo v úvodu, 3D FPGA architektura lépe využije zdroje, fyzické rozměry čipu a snížení spotřeby. Dále můžeme očekávat, že podobně jako v případě dřívějšího přesunu cache směrem na základní desku, následného umístění cache vedle procesoru na plošný spoj a výsledné integrace přímo do jádra procesoru, obdobný trend najdeme i zde – ačkoliv řešení "vše v jednom" není odpovědí na všechny požadavky (navíc ne vždy je nejlepší řešení vytvořit všechny struktury na jediném waferu nebo to technologie výroby daného obvodu vzhledem k nekompatibilitě s dalšími postupy vůbec nemusí dovolovat). Pak již přichází na řadu technologie stackingu - a je to navíc dobrá cesta, jak udržet tempo integrace a inovace. Výhody 3D stackingu se samozřejmě projeví nejen v počítačovém průmyslu, ale postupně proniknou jistě do celého polovodičového průmyslu (od počítačů až po spotřební elektroniku).
Všichni se v celém polovodičovém průmyslu snaží přinést rychlejší, efektivnější a hlavně také podstatně levnější produkty, které zasáhnou i trhy, kde elektronika a IT zatím nenašlo uplatnění - z důvodů příliš vysoké ceny. Pokud není možné, například z důvodu nekompatibilní výrobní technologie, lze různé elektronické části zkombinovat i na úrovni samotného čipu/waferu. A zde přijde na řadu právě vrstvení čipů a ICs. První vlaštovky a "předchůdce" stackingu můžeme dnes najít například u DDR pamětí.
3D zapouzdření, které tak dovoluje zvýšit kapacitu nad rámec standardních výrobních technologií, má samozřejmě také své uplatnění, každopádně 3D integrace ICs, včetně mezispojů na úrovni křemíku (a samotného čipu), je samozřejmě technologicky mnohem dále. Dobře je zde ale ilustrován trend integrace. I tato technika má své "ale", a tak díky náročnosti výroby a ceně míří spíše do serverové sféry, kde není problém sáhnout hlouběji do kapsy. Obdobné potíže a nutný vývoj je samozřejmě i u vrstvení čipů a TSV - například technologie pro vytvoření otvorů pomocí DRIE nebo micro-laserem, která samozřejmě také musí před komerčním nasazením projít potřebným vývojem.

Pro představu, jak výrazně může technologie 3D ICs podle dosavadního výzkumu firmy IBM ovlivnit odvětví, zmíním několik zatím zveřejněných údajů. Propustnosti díky 3D stackingu a také možné šířce sběrnice na úrovni křemíku mohou při chytrém návrhu čipu stoupnout až stonásobně. Na úrovni zkrácení vzdáleností v samotném čipu může dojít ke zkrácení mezispojů a vnitřních propojení v čipu až tisíckrát. Je zřejmé, že pro některé čipy, jako například FPGA (Field-Programmable Gate Array), má tato technologie velký přínos - zde mezispoje, které těmto procesorům dávají onu rekonfigurovatelnost a výkon, tvoří podstatnou část čipu samotného.
Obrovské propustnosti na úrovni jednotlivých částí čipu a schopnost masivního paralelismu dává FPGA takový výkon a možnosti. S 3D stackingem zde bude výhodou i nižší spotřeba, která se díky těmto změnám může snížit až o 40 procent. Vše ale samozřejmě závisí na návrhu čipu a jeho konkrétním nasazení. IBM již počítá s nasazením v superpočítačích, kde vrstvení čipů a například cache bude velkým přínosem. S masovou produkcí čipů s TSV a vrstvením se počítá již příští rok.

Ačkoliv je v průmyslu použita řada výrobních technologiích různé integrace, obecně lze říci, že s postupnou integrací výzkum z hlediska 3D stackingu zasáhne do všech odvětví v polovodičovém, respektive čipovém, průmyslu. V případě, že rychlost růstu integrace nebude dostatečná, ale nové výrobní postupy to dovolí, se může použít tato výrobní technologie k výraznému navýšení kapacity a integrace s poměrně nízkým růstem ceny nebo může sloužit v kooperaci s novými výrobními postupy. Je přirozeně efektivnější provádět takovou integraci již ve výrobě s minimem dalších nákladů, a proto můžeme předpokládat, že k nasazením dojde napříč odvětvím pomocí rozšíření výroby ve stávajících továrnách. Stejně jako v případě dalších výrobních technologií, je důležité, aby maximum výrobních postupů bylo kompatibilní s CMOS technologií.

Předpokládaný vývoj v oblasti 3D stackingu ICs

Vrstvení čipů a integrovaných obvodů tedy není pouze teorií a nasazení této technologie bude stále běžnější. Od použití například u operační paměti nebo Flash paměti, přes procesory a integraci například cache nebo operační paměti do další vrstvy samotného procesoru/čipu a tak dále. Možné nasazení se týká v podstatě všech větších výrobců a vždy je pouze otázkou, jak je tomu přístupný design a výrobní technologie. Prim tu samozřejmě hrají zejména větší firmy, kde je vývoj v této oblasti více a více prozkoumáván.

Lze jmenovat firmy jako IBM, Intel a řadu již jmenovaných, kde se nasazení 3D stackingu zřejmě dočkáme již velice brzy. Možná integrace, pozitivní vliv na výtěžnost a zmenšení jednotlivých částí čipu přinesou vyšší výkon, nižší spotřebu a cenu. Vrstvení není nová technologie, ale výzkum v této oblasti stále intenzivně pokračuje. I zde jsou stále nové objevy a výzkum se soustředí tímto směrem, protože 3D stohování a vývoj 3D zapouzdření přináší zajímavý doplněk k měnícím se výrobním procesům a rostoucí integraci, kde tyto technologie mohu přinést další možnosti rozvoje v polovodičovém odvětví...


Zdroje: Amkor.com, IBM.com, Hitachi.com, ieee.org, imec.org, imec.be, Intel.com, rpi.edu, semiconductor.net