3D-IC-Architekturen machen dies teilweise möglich, indem sie das Mooresche Gesetz (die Verdoppelung der Transistoranzahl in ICs alle zwei Jahre) auf die nächste Stufe heben. Anstatt dass das Moore'sche Gesetz, wie von vielen Experten vorhergesagt, ins Stocken gerät, wird es wiederbelebt und auf Touren gebracht.
Um der anhaltenden globalen Nachfrage nach ICs gerecht zu werden, die mehr Leistung und geringeren Energieverbrauch bei immer kleiner werdenden Footprints bieten, verfügen IC-Designs zunehmend über ausgeklügelte Packaging-Techniken wie 2,5D- und 3D-Konfigurationen. Bei diesen Techniken werden ein oder mehrere ICs mit unterschiedlichen Funktionen kombiniert und die E/A- und Schaltungsdichte erhöht.
Was ist eine 3D-IC-Komponente?
Was ist eine 3D-IC-Komponente? Lassen Sie uns dies zunächst mit einer Metapher veranschaulichen. Stellen Sie sich ein riesiges gemischt genutztes Gebäude vor, das Wohnraum, Büros, Dienstleistungen, Einkauf, Lebensmittelgeschäfte, Fitnessstudios, Bibliotheken, Versanddepots und mehr umfasst. Durch die Vernetzung all dieser vielfältigen Unternehmen und Ressourcen in einem einzigen Raum kommen Menschen und Unternehmen bei ihren täglichen Aktivitäten schneller und effizienter voran. Große und abwechslungsreiche Informations- und Warenmengen sind direkt vor Ort verfügbar. Da Grundstücke und Grünflächen erhalten und intelligent genutzt werden müssen, bauen wir in die Höhe und schaffen vertikale Landschaften statt einer ausufernden Bebauung. Wichtig ist, dass die Nutzung horizontaler Flächen optimiert, kompakter und effizienter ist als die von Großstädten, die große Grundstücksabschnitte bedecken.
Wie eine 3D-Stadt in einem Turm zeichnen sich 3D-ICs durch die Stapelung mehrerer Siliziumschichten übereinander aus. Dies ermöglicht die Erzeugung von leistungsstärkeren und komplexeren Chips, die in einem breiteren Anwendungsspektrum eingesetzt werden können. Es gibt mehrere Gründe, warum 3D-ICs heute von so großem Interesse sind.
Erstens stößt die traditionelle Methode zur Herstellung von ICs – sogenannte monolithische 2D-ICs oder planare ICs – an ihre Grenzen. Da Transistoren immer kleiner werden, wird es immer schwieriger, zuverlässige und effiziente monolithische 2D-ICs zu erstellen. 3D-ICs bieten eine Möglichkeit, diese Einschränkungen zu überwinden und die Größe der Transistoren weiter zu verringern. Gleichzeitig lässt sich die Anzahl der Transistoren erhöhen, die auf einem einzigen Chip platziert werden können. Damit wird das Mooresche Gesetz in die Zukunft getragen.
Zweitens verbessern 3D-ICs die Leistung von Chips. Durch das Stapeln mehrerer Siliziumschichten übereinander reduzieren 3D-ICs den Weg, den Signale zurücklegen. Dies erhöht die Performance. Darüber hinaus können 3D-ICs zur Herstellung von Chips mit mehreren Kernen verwendet werden, was die Leistungsfähigkeit ebenfalls verbessert.
Drittens tragen 3D-ICs dazu bei, den Stromverbrauch von Chips zu reduzieren. 3D-ICs verbrauchen zwar weniger Strom, da sie die Signale über eine viel kürzere Entfernung übertragen müssen, sie erzeugen aber dennoch Wärme, die direkt an benachbarte ICs weitergegeben wird. Dies kann zu Herausforderungen führen, wenn benachbarte Bauteile wärmeempfindlich sind, wie zum Beispiel der Speicher. Daher ist das Thermomanagement von 3D-ICs und heterogen integrierten Geräten ein wichtiger Faktor, der zu Beginn einer Konstruktion berücksichtigt werden muss. Positiv ist, dass mit 3D-ICs Chips mit effizienteren Energiemanagementfunktionen entwickelt werden können, die den Stromverbrauch noch weiter senken.
Verschiedenste Vorteile
Insgesamt bieten 3D-ICs viele Vorteile gegenüber herkömmlichen monolithischen 2D- oder planaren ICs.
Verbesserte Leistung: Wie bereits erwähnt, bieten 3D-ICs eine höhere Leistung aufgrund der kürzeren Abstände zwischen den Komponenten und der Möglichkeit, mehrere Technologien zu integrieren. Dies führt zu schnelleren und reaktionsfähigeren Geräten sowie der Fähigkeit, komplexere Aufgaben zu bewältigen.
Reduzierte Größe und Gewicht: 3D-ICs bieten eine geringere Größe und ein geringeres Gewicht, da mehrere Schichten von Komponenten übereinander gestapelt werden können. Dies führt zu kleineren, tragbareren Geräten sowie zu Geräten, die besser für den Einsatz in beengten oder schwer zugänglichen Räumen geeignet sind.
Verbesserte Energieeffizienz: 3D-ICs bieten eine verbesserte Energieeffizienz, auch aufgrund der kürzeren Abstände zwischen den Komponenten und der Möglichkeit, verschiedene Technologien zu integrieren. Dadurch können Geräte hergestellt werden, die mit einer einzigen Ladung länger halten, sowie Geräte, die weniger Wärme erzeugen, was für die Anforderungen an Sicherheit und Zuverlässigkeit wichtig sein kann.
Erhöhte Flexibilität: 3D-ICs bieten mehr Flexibilität, da sie mehrere verschiedene Technologien auf einem einzigen Chip integrieren können. Dies führt zu vielseitigeren Geräten, die für ein breiteres Aufgabenspektrum eingesetzt werden können.
Diese Vorteile sind besonders für eine Reihe von Anwendungen interessant, bei denen eine frühzeitige Einführung entweder bereits erfolgt oder in naher Zukunft erfolgen wird:
High Performance Computing (HPC): Die ersten Anwender sind im HPC-Bereich zu finden. 3D-ICs werden zur Herstellung von HPC-Chips verwendet, die in Anwendungen wie künstlicher Intelligenz (KI), maschinellem Lernen und Big-Data-Analysen zum Einsatz kommen.
Tragbare Geräte: 3D-IC-Chips ermöglichen die Herstellung kleinerer, leistungsstärkerer, tragbarer Geräte wie Smartwatches, Fitnesstracker und Augmented-Reality-Headsets (AR).
Automobilbereich: Die Integration verschiedener Technologien und ihre Skalierbarkeit machen 3D-IC ideal für die Neuausrichtung von Designs für verschiedene Märkte und Anwendungen wie autonomes Fahren und fortschrittliche Fahrerassistenzsysteme (ADAS). 3D-ICs sind auch deshalb attraktiv, weil sie eine niedrigere NRE und ein breiteres Ökosystem von Zulieferern bieten und eine robustere und widerstandsfähigere Lieferkette unterstützen.
Medizinische Geräte: 3D-ICs können auch zur Herstellung kleinerer, leistungsfähigerer medizinischer Geräte wie Herzschrittmacher, Insulinpumpen und Hörgeräte verwendet werden.
Dies sind nur einige der Anwendungen für 3D-ICs. Da sich die Technologie ständig weiterentwickelt, ist in den kommenden Jahren mit noch innovativeren und bahnbrechenderen Anwendungen für 3D-ICs zu rechnen.
Fazit
Die 3D-IC-Architektur ist eine aufstrebende Technologie mit dem Potenzial, die Elektronikindustrie zu revolutionieren. Durch höhere Leistung, geringere Größe und Gewicht, verbesserte Energieeffizienz und erhöhte Flexibilität ermöglicht 3D-IC die Entwicklung neuer und innovativer Elektronikprodukte, die den Anforderungen einer Vielzahl von Benutzern und Anwendungen gerecht werden.
