作為幾乎所有日常電子產品最基礎的一個組件, 微晶片正出現一種很有意思的現象. 通常又薄又平的微晶片, 如今卻堆疊得像薄煎餅那樣, 由二維變成三維——給電子設備帶來重大的影響.
晶片設計師們正在發現那種堆疊方式可在性能, 能耗和功能上帶來各種意想不到的好處.
沒有這種技術, 蘋果智能手錶Apple Watch也就無法做出來, 三星最先進的固態存儲器, 來自英偉達和穀歌的人工智慧系統和索尼超級快速的新型相機也不例外.
這種3D堆疊類似於城市規劃. 沒有它的話, 隨著產品需要內置更多的零部件, 電路板上的微晶片會不斷延伸, 微晶片之間的距離會越隔越遠. 然而, 一旦開始對晶片進行堆疊, 你就能形成一個矽制 '城市' , 裡面的一切會變得更加鄰近.
從物理學角度來看, 這種設計的優勢顯而易見: 當電子需要通過銅線行進更長的距離的時候, 會消耗更多的能量, 產生熱量, 同時也減少頻寬. ARM旗下微晶片設計公司ARM Research未來矽技術主管格雷格·耶裡克 (Greg Yeric) 指出, 堆疊式晶片更加高效, 產生較少的熱量, 能夠以光速在短得多的互連通道裡進行通信.
雖然3D堆疊晶片背後的原理簡單明了, 但要製造起來可不容易. 耶裡克說道, 該技術概念於1960年代被首次提出, 此後零星地出現在一些高端應用當中, 比如軍用硬體.
然而, TechInsights微晶片研究公司分析師辛金·迪克森-沃倫 (Sinjin Dixon-Warren) 指出, 來自大多數大型晶片廠商 (AMD, 英特爾, 蘋果, 三星和英偉達) 以及Xilinx等小型的專業公司的堆疊式晶片產品, 才出現了五年左右. 為什麼大家要這樣做呢? 因為工程師們開始找不到其它的辦法來讓晶片有更好的表現.
堆疊式晶片通常是其它蜷縮起來的晶片的 '封裝' 的一部分. 除了節省空間以外, 這讓廠商們能夠 (通過不同的製造工藝) 打造許多不同的晶片, 然後多多少少將它們粘合在一起. '3D堆疊式封裝' 的做法不同於頻繁用於手機的 '系統級晶片' 做法, 後者是將所有不同的手機部件蝕刻在單一的矽片上.
迪克森-沃倫稱, 從第一代開始, Apple Watch就由最先進的3D堆疊式晶片封裝之一驅動. 在該智能手錶中, 30種不同的晶片密封在一個塑料包層裡面. 他說, 為了節省空間, 存儲晶片堆疊在邏輯電路上面. 要是沒有晶片堆疊技術, 該手錶的設計就無法做得如此緊湊.
蘋果的晶片只是堆疊成兩層高, 而三星卻做出了名副其實的矽制 '高樓大廈' . 三星用於手機, 相機和筆記本數據存儲的V-NAND快閃記憶體足足堆疊了64層晶片. 三星也剛剛宣布, 未來的版本將會有96層.
存儲是晶片堆疊技術的一項自然而然的應用, 因為它解決了長久以來一直困擾晶片設計師的一個問題: 給從iPad到超級計算機的任何設備增加更多的核心, 並不能換來所期望的速度提升, 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晶片上, 則可以讓二者之間的連接路徑縮短.
英偉達硬體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. 通過直接在GPU上面堆疊八層的高頻寬存儲器, 這些晶片在處理效率上創造了新的記錄.
'我們在電力上是受限的, ' 凱赫勒說, '我們能夠從存儲系統騰出的任何電力, 都可以用在計算上. '
晶片堆疊也帶來了一些全新的功能. 有的手機攝像頭將映像感測器直接疊加在處理映像的晶片上面. 額外的速度意味著, 它們能夠對照片進行多次曝光, 並將其融合在一起, 在昏暗的場景裡捕捉到更多的光線.
來自索尼的原型攝像頭通過使用三層而非兩層晶片更進一步——包括映像感測器, 存儲器和邏輯電路, 實現每秒最高1000幀的效果. 這種做法的作用是, 光觸達映像感測器, 數據直接進入存儲器, 接著進行即時處理. 除了在低光照條件下取得更高的能見度以外, 這還可以用於拍攝超慢動作的視頻, 單幀凝固快速移動的物體.
目前, 要將3D微晶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.
耶裡克表示, 首先, 3D晶片誕生不久, 用於堆疊的設計工具進化還不充分. 在簡單的設計工具——類似於用於平整晶片的那些工具——變得廣為普及以前, 堆疊式晶片仍將只有擁有頂尖工程人才的企業能夠製造出來.
另一個問題在於, 製造商們仍在學習如何可靠地在物理上相互堆疊和連接晶片. 這意味著有的製造工藝成品率會相對較低.
不過, 迪克森-沃倫指出, 3D堆疊式晶片的普及非常快速, 它們也必然會成為行業主流. 10年前, 該技術幾乎僅僅存在於高校實驗室; 五六年前, 還難以找到它的商業化案例. 但它如今如雨後春筍般湧現, 出現在各類的應用上, 如網路化, 高性能計算和Apple Watch等高端可穿戴設備. 據知名電子產品拆解網站iFixit的CEO凱爾·韋恩斯 (Kyle Wiens) 稱, 它也出現在iPhone X的 '大腦' 當中.
在ARM的耶裡克看來, 最終3D晶片應該會讓我們的可穿戴產品變得跟體積更大的設備那麼強大, 會讓它們能夠連續運行數天時間, 即便它們布滿了感測器. '舉例來說, 如果有朝一日你的手錶變得能夠檢查你的血糖水平, 我不會感到驚訝. ' 他說道.
讓晶片從二維變成三維, 只是個開始. 不久以後, 晶片層將會通過光而非電流來通信. 在更遙遠的未來, 隨著我們用擁有前所未見的處理性能的閃亮晶體替換電路板, 它們將會完全擺脫矽——可能轉向人造鑽石.