Monolithic 3D为製程微缩带来希望与挑战

单体3D (Monolithic 3D;M3D)整合为实现更快速、更便宜且更小型的晶片开发途径带来了希望。然而，大部份的开发计划虽然能延续好几季的兴趣，至今却仍处于研究阶段，在验证该技术以及为其打造生态系统方面还有大量的工作尚待完成。

这是ARM、CEA-Leti、DARPA、Mentor Graphics和高通(Qualcomm)等公司在最近的年度IEEE S3S大会上针对该领域所发表的看法。M3D的目的在于将各种功能嵌入以一个或多个磊晶堆叠的区块(block)中，然而，大部份的途径至今都还无法证实商用可行性。

欧洲研究机构Leti多年来致力于Cool Cube，这是其中一种垂直堆叠电晶体的途径。包括 IBM、Qualcomm和意法半导体(STMicroelectronics)等公司也是Leti在该计划的合作伙伴。Cool Cube计划虽然具有发展前景，但还无法解决如何在全M3D晶片中调整全域路由等问题。

高通资深研究总监Yang Du在大会中共同主持一场有关Cool Cube的半日议程。他十分热衷于所谓的3D VLSI领域，同样地也积极探索现有途径的许多缺点。

几年前，高通也致力于探索硅穿孔(TSV)，许多人认为这一途径将会用于行动应用处理器。而今，高通大致上已经停止这方面的努力了，因为在这一类晶片中採用TSV的热和成本挑战仍然有许多都未能克服。同时，台积电(TSMC)以及其他厂商都已经在苹果(Apple) iPhone处理器中使用的晶圆级扇出封装方面取得了进步。

新创公司MonolithIC3D一向支持M3D，该公司执行长Zvi Or-Bach同时也是此次活动的组织单位。这家成员仅五人的公司据称拥有M3D的IP以及具有吸引力的想法，但尚未找到合作伙伴进行晶片测试。

DARPA认为M3D是极具潜力的技术之一，有助于为振兴晶片产业，特别是在此成长趋缓而成本迅速攀升之际。DARPA关于下一代晶片设计的六项计划之一就在于探索晶片堆叠，而有些公司则表示将为此推出M3D计划。

M3D的主要挑战包括：

让EDA巨擘为其建构设计工具;

保护元件免于高温环境;

以电晶体级精确度校準电路;

路由几十个(如果无法达到数百个)元素;

降低在单个装置中分层记忆体和逻辑元件的成本。

Insight64市场观察家Nathan Brookwood在会中参与Cool Cube的一场座谈会时表示，M3D仍然具有发展潜力。

他说：「它就像是上楼与下楼一样简单，而不是从建筑物中同一层楼的其中一侧移动至另一侧。从快取到运算元件，你只是增加了1或2毫米(mm) ，而不是在晶片上移动数十毫米。」

Leti列出M3D的常见的挑战，并讨论其Cool Cube途径的特点 (来源：Leti)

M3D多重设计专案晶圆

Leti以及其他公司指出，Sony目前的CMOS影像感测器正是使用M3D技术连接记忆体和逻辑元件的第一款商用晶片。Sony在今年1月发表了联手叁星打造3层式堆叠的研究。对此，叁星表示未来将在3D NAND晶片中加入周边电路，提出一种类似M3D的途径。

为了推动Cool Cube途径的进展，Leti正着手为多重设计专案晶圆(multi-project wafer)开发PDK工具套件，让合作伙伴也许能在2018年底测试该技术。此外，Leti也正致力于几种chip-on-wafer (CoW)和wafer-on-wafer (WoW)的堆叠技术。

Leti已经证实Cool Cube封装2x107通孔/mm2。它还展示了管理热问题并精确校準Cool Cube结构的工作成果。Leti部门经理Olivier Faynot说：「我们相信这是可製造的。」

Or-Bach展示以现有晶圆厂技术组合堆叠至少四种元件的想法，他表示这样的途径可使成本大幅降低。他并展示以研磨製程切割元件，再透过硅锗(SiGe)导向层(之后再蚀刻掉)使其面对对接合的方法。

Zvi Or-Bach深入描述所提出的M3D技术(来源：MonolithIC 3D)

其方式之一是可在50nm容差範围内校準的上片机。他认为这个概念可用于打造在单一晶片中整合记忆体和周边电路的DRAM。

Yang Du表示，M3D能广泛地应用于各种产品。该技术能让记忆体阵列与多重累加单元阵列相互搭配，从而打造理想的神经网路加速器。

短期来看，最大的障碍之一似乎是如何让更多的EDA厂商参与这项工作。Mentor Graphics的一位代表展示如何为M3D结构展开寄生撷取和验证工作。高通和ARM则与美国治亚理工学院(Georgia Tech)等大学就M3D设计工具进行合作。

ARM的代表Mudit Bhargava说：「未来还有很长的路要走…我们现在拥有看来颇具发展前景的先进3D技术，同时也存在许多挑战，但这些困难并不是无法逾越的。」

高通发表对于M3D发展道路的看法 (来源：Qualcomm)