「真」3D芯片商业化生产有影？美国研究团队成果亮相

美国研究团队表示，已在一座商业晶圆厂制造出首个单晶层堆栈型（monolithic）3D芯片，相较于传统覆晶封装芯片，表现大幅精进，能效可望提升高达1,000倍。

科技媒体Tom's Hardware报导，这款3D芯片的原型由史丹福、卡内基美隆（Carnegie Mellon）、宾州大学和麻省理工学院（MIT）工程师开发，与半导体公司天水科技（SkyWater Technology）合作制造。该团队在本月上旬的IEDM 2025大会上发表研究成果。

有别于传统2D设计，这款芯片以单一、连续制程，将内存与逻辑芯片直接堆栈。研究人员采低温制程在同一片晶圆上逐层叠加器件层，避免损坏底层电路，最终形成能缩短内存单元与运算单元间数据传输路径的高密度垂直互连网络。

原型在天水的八吋晶圆生产线、利用90纳米到130纳米成熟制程制造。该堆栈结构集成传统硅基CMOS逻辑电路、电阻式随机访问内存（RRAM）层，以及纳米碳管场效应管（CNTFET） ，整体制程的热预算控制在大约摄氏415度以内。团队指出，早期硬件测试显示，在相似的延迟和资源消耗量下，这款芯片的数据吞吐量比2D实作高约四倍。

研究人员仿真更高的堆栈结构发现，当增加内存和运算层，在AI类型的工作负载下（如Meta的Llama架构模型），性能可提升多达12倍。团队进一步主张，通过持续扩大垂直集成、而非缩小晶体管尺寸，这个架构最终可望将能耗延迟乘积（Energy Delay Product）这项衡量速度与效率的能效综合指针，提升100至1,000倍。

研究团队强调，尽管学术型实验室过去曾经展示实验性3D芯片，这次有所不同，因为是在商业晶圆厂制造，而非客制化的研究环境。参与这项计划的天水高层认为，这证明了单晶层堆栈型3D芯片可转移至本土制造，而非限于大学的无尘室。