[科普中国]-三维芯片

三维芯片

三维芯片是将不同电路单元制作在多个平面晶片上，并通过硅通孔（ThroughSiliconVias,TSVs）层间垂直互连技术将多个晶片（Die）在垂直方向进行堆叠互连而形成的一种全新的芯片结构，具有集成度高、功耗低、带宽高、面积小、互连线短、支持异构集成等特点。

三维芯片的出现为半导体行业的发展带来了新的生机与活力，引起了诸多工业厂商和研究机构对其的重视，下页图1-2是根据YoleDevelopment研究数据的预测图，纵坐标表示每年用于制作三维芯片的晶圆使用量，其预计2012年晶圆的使用量将达到近千万数量级。由此可见三维芯片的生命力之强大。

三维芯片的关键技术是TSV垂直互连技术，这一技术的使用大大提高了芯片的集成度、急剧缩短了线长、减小了芯片面积；但是由此也带来了一系列问题：（1）、就垂直互连本身来说，TSV目前的工艺尺寸较大，过多的引入TSV将增加三维芯片的面积、降低面积利用率、提高三维芯片的制造成本；另外，过多的TSV也将给三维芯片布局布线造成障碍[3-4]，提高设计复杂度；（2）、三维芯片是一种全新的三维芯片，目前的商业EDA工具和设计方法并不能有效地移植到三维芯片，要充分地利用三维芯片技术和建立高性能处理器就必须开发全新的EDA工具和探索全新的设计方法；文献提出的是一种全新的三维芯片设计工具；（3）、三维芯片的垂直堆叠在大大缩短线长、减小芯片面积的同时也使得芯片在相同单位面积内的发热量翻番，晶体管是芯片的主要热量源，堆叠技术使得单位面积内的晶体管数目成倍增长导致了发热量的成倍增长，堆叠技术使用了较低热传导率的绑定材料，这带来了芯片散热较差的问题，过高的发热量和较差的散热性使得芯片峰值温度升高，降低了芯片性能和可靠性。因此，降低TSV数目和峰值温度对于设计出成本低和性能优越的三维芯片具有重大的理论和实用价值1。

硅通孔硅通孔（ThroughSiliconVia，TSV），又称过硅通孔，或称硅直通孔；如下图2-13所示，每个晶片相当于一个二维芯片，不同层的多个二维芯片使用TSV进行垂直导通互连，TSV在进行层间互连时，将穿过硅材料，由此而得名。与传统的二维芯片封装绑定技术不同，TSV通过晶片的垂直堆叠能够使芯片的封装密度更大，外形尺寸更小，并且大大提高芯片工作频率和降低互连线功耗。硅通孔常用的材料与一般的金属互连线一致，都使用铜沉积而成。

虽然TSV有众多优点，但是就目前的工艺尺寸而言，其占用的芯片面积较大，过多的引入TSV将降低芯片面积利用率，而且芯片中的TSV会对芯片布局布线造成障碍，增大设计复杂度，下图2-14为TSV与SRAM单元、反相器单元的大小对比图[22]，可见目前特征工艺尺寸下TSV的尺寸远远大于一般逻辑单元尺寸。因此在三维芯片的设计中，降低TSV数目成为一个研究热点。

三维芯片研发意义21世纪的头十年，我国集成电路产量的年平均增长率已超过25%，集成电路销售额的年平均增长率则达到23%。我国集成电路产业规模也已由2001年不足世界产业总规模的2%提高到2010年的近9%。毫无疑问，我国已成为过去10年中世界集成电路产业发展最快的地区之一。但是，同时值得注意的是，若除去集成电路产业中由境外委托代工的销售额外，我国集成电路实际自给率还不到10%，国内市场所需的的主要核心芯片全部依赖进口。

集成电路产业是我国的重要的战略性新兴支柱产业，是国民经济及社会高度信息化的重要基础。其自给率会直接影响到国内信息安全，尤其是航空、航天、军事、经济等重要领域；如果这些领域使用的芯片完全受国外控制，则中国根本不可能成为一个军事强国和经济大国。因此，研制和生成具有自主知识产权的芯片已提升为国家发展战略。过去的十几年中，在国家加大对芯片自主研发的投入下，我国的集成电路产业在经历了多年的风风雨雨之后迈上了新的台阶，在诸多领域取的核心技术上取得了令人瞩目的成就。在手机芯片、IC芯片、HDTV芯片、专用通信芯片、多媒体显示芯片、军用芯片等多个领域取得独创性成果2。但我们也应清醒地认识到，在处理器、存储器、微控制器、DSP等通用芯片方面，国内还基本处于空白。为了进一步加快集成电路产业的发展，国务院于2011年1月28日正式发布了《国务院关于印发进一步鼓励软件产业和集成电路产业发展若干政策的通知》。这是对集成电路产业的重大鼓励与扶持，表明了国家重点发展集成电路产业的决心，我国集成电路产业必将在“十二五”期间有一个新的腾飞。因此研究集成电路设计与制造技术正是响应了国家政策与号召。

三维芯片作为一种全新的芯片结构，其完全颠覆了传统的芯片设计理念，前景无可估量；因此，各国政府都将大量资金投入到相关研究中，但是目前三维芯片的各种相关技术也只是处于起步阶段，与国际上对三维芯片的投入力度保持同步并试图使我国在三维芯片技术上处于领先地位对于弥补我国相对落后的集成电路产业具有重要意义。