SkyWater Technology Foundry生產(chǎn)出了首批可以匹敵先進(jìn)硅芯片性能的3D納米管晶圓片。

這是一些你在政府主辦的技術(shù)會(huì)議上不經(jīng)常看到的自發(fā)的掌聲。據(jù)悉，在近日的DARPA電子復(fù)興倡議峰會(huì)上，當(dāng)時(shí)麻省理工學(xué)院的助理教授Max Shulaker拿著一片3D碳納米管IC走上舞臺(tái)，在某種程度上，它標(biāo)志著DARPA將落后的晶圓廠(chǎng)變得可以生產(chǎn)與世界上最先進(jìn)的晶圓廠(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的芯片的計(jì)劃走出了堅(jiān)實(shí)的一步。

他于近日在底特律對(duì)數(shù)百名工程師表示：“這片晶片是上周五制造的……這是鑄造廠(chǎng)制造的第一塊單片3D集成電路。”晶圓上有多個(gè)芯片，由一層CMOS碳納米管晶體管和一層RRAM存儲(chǔ)單元構(gòu)成，這些存儲(chǔ)單元相互疊放，并通過(guò)稱(chēng)為VIAS的密集連接器垂直連接在一起。DARPA資助的3DSoC項(xiàng)目背后的想法是，采用兩種技術(shù)的多層芯片將比現(xiàn)在的7納米芯片具有50倍的性能優(yōu)勢(shì)。考慮到新芯片所基于的平版印刷工藝（90納米節(jié)點(diǎn)）是2004年最新的尖端技術(shù)，這一目標(biāo)尤其雄心勃勃。

這個(gè)項(xiàng)目剛剛運(yùn)行了一年左右的時(shí)間，DARPA希望在持續(xù)運(yùn)行三年半之后，就可以生產(chǎn)出帶有5000萬(wàn)邏輯門(mén)電路、4G字節(jié)非易失性存儲(chǔ)器、每平方毫米存在900萬(wàn)個(gè)互聯(lián)通道的芯片。互聯(lián)通道之間的傳輸速度為每秒50太比特，每比特的功率消耗小于兩個(gè)皮焦耳。

當(dāng)然，Shulaker目前展示的內(nèi)容還不能做到這一切。但是，這是該計(jì)劃進(jìn)展過(guò)程中的一個(gè)重要里程碑。與Skywater Technology Foundry和其他合作伙伴一起，“我們徹底改造了我們?nèi)绾沃圃爝@項(xiàng)技術(shù)，將其從一項(xiàng)僅在我們的學(xué)術(shù)實(shí)驗(yàn)室工作的技術(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)橐豁?xiàng)可以而且現(xiàn)在已經(jīng)在商業(yè)制造設(shè)施內(nèi)工作的技術(shù)。”他說(shuō)：“這是可以在美國(guó)的商業(yè)晶圓廠(chǎng)中實(shí)施的技術(shù)。”

與當(dāng)今的2-D硅相比，該技術(shù)的潛在優(yōu)勢(shì)的關(guān)鍵在于能夠堆疊多層CMOS邏輯和非易失性存儲(chǔ)器，同時(shí)將這些層連接起來(lái)，3DSoC團(tuán)隊(duì)稱(chēng)之為“層”，垂直連接的數(shù)量級(jí)更窄、更密集。比其他任何3D技術(shù)都要先進(jìn)。

這種技術(shù)在硅中是不可能實(shí)現(xiàn)的，因?yàn)闃?gòu)建一層硅邏輯所需的溫度高達(dá)1000攝氏度——足以摧毀其下的硅層。3DSoC技術(shù)使用碳納米管晶體管代替，它可以在低于450攝氏度的溫度下制造。同樣，RRAM層也采用低溫工藝制造。因此，可以在不傷害下面層的情況下構(gòu)建多個(gè)層。

3DSoC團(tuán)隊(duì)是如何從實(shí)驗(yàn)室好奇心轉(zhuǎn)變?yōu)樯虡I(yè)流程的？“這是一個(gè)循序漸進(jìn)的方法，”Skywater首席技術(shù)官Brad Ferguson告訴IEEE Spectrum。例如，他們分別計(jì)算了NMOS碳納米管晶體管和PMOS晶體管的工藝流程，并在制造任何將它們組合成CMOS電路的晶圓之前，分別為每一個(gè)晶圓制造出單獨(dú)的晶圓。他們也分別制造了RRAM的晶圓，然后計(jì)算出與該層的垂直連接。“這種循序漸進(jìn)的方法確實(shí)消除了很多風(fēng)險(xiǎn)……在我們學(xué)習(xí)的過(guò)程中。”

Ferguson說(shuō)，下一個(gè)重要的里程碑是在年底前集成兩層納米管晶體管RRAM。接下來(lái)的階段，Skywater和團(tuán)隊(duì)的其他成員將致力于提高產(chǎn)量。他說(shuō)：“我們正在（為RRAM）實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)上可行的鉆頭產(chǎn)量。”

在最后一個(gè)階段，合作伙伴和潛在客戶(hù)將使用流程設(shè)計(jì)工具包（第一個(gè)版本現(xiàn)已完成）來(lái)制造原型芯片。從那里，Skywater將能夠圍繞這一過(guò)程建立業(yè)務(wù)，并將該技術(shù)授權(quán)給其他鑄造廠(chǎng)。

同樣令人興奮的是，業(yè)績(jī)的增長(zhǎng)可能會(huì)繼續(xù)改善。該工藝可以升級(jí)到65納米或更先進(jìn)的制造節(jié)點(diǎn)，從而獲得更高的密度和更快、更強(qiáng)大的系統(tǒng)。Shulaker說(shuō)：“一旦3D SoC在寬松成熟的90納米節(jié)點(diǎn)上實(shí)現(xiàn)，我們就可以依靠傳統(tǒng)技術(shù)進(jìn)行數(shù)十年的創(chuàng)新。