美国正在高度关注3D异构集成芯片

美国国防高级研究计划局(DARPA) 正在通过一系列“稳健”的计划和努力，帮助培育下一波微电子技术，即所谓的三维异构集成 (3DHI) 芯片的开发和制造。为了加强美国微电子制造以维护国家安全，该机构已有四年历史的电子复兴计划 (ERI) 正在增加两个新的研究领域——为极端环境开发电子产品和制造复杂的 3D 微系统——作为其所谓的 ERI 2.0 工作的一部分, DARPA 微系统技术办公室 ERI 主任特别助理Carl McCants表示。

“[这是]一个新时代，我们正在抛弃这种简单的设备缩放，并试图进入我们能够获得更高性能的领域，这是由三维创新所决定的，”McCants 解释道。“[通过集成异构组件]，你在这里堆叠的不是一个，不是两个，而是三个不同的层。我们从分离的东西变成了在一个两英寸半的interposer上，我们有并排的有源芯片，通过无源interposer层连接。我们现在关注的是 3D，我们将东西堆叠在一起，你还会看到我们已经改变了互连间距 [将其缩小 10-100 倍]。我们改变了密度。这种从传统单片制造到 3D 的转变改变了形状因素。”

McCants 于 10 月在俄亥俄州立大学的 DARPA Forward 期间发表了讲话，该会议是 8 月至 12 月在美国研发大学举行的一系列六次会议，旨在“激发区域和国家创新生态系统，为国家安全开发新的突破性技术”，据称给机构。

ERI 2.0 将继续进行微电子研究和开发，以解决以下问题：克服整个硬件生命周期中的安全威胁；优化复杂电路和原型的设计和测试；安全通讯；实现异构 3D 电子；利用人工智能硬件更快地做出边缘决策；提高信息处理密度和效率。

“DARPA 坚信，3D 制造将进一步突破性能的界限，以及尺寸、重量、功率和成本，”McCants 说。

这项工作还包括在 DARPA 的下一代微电子制造 (NGMM) 项目下，通过与工业界、学术界和政府的公私合作，建立 3DHI 制造国家设施。这项工作将使与合作伙伴在一个独特的设施中进行赛前合作。

根据 DARPA 的一份声明，“通过建立国内第一个用于生产下一代 3DHI 原型的开放式设施，NGMM 将以试验线制造设施的形式启动国家加速器”。“来自全国各地的用户无需昂贵的投资即可组装和测试他们的研发设计。相反，更广泛的创新者可以在集中、整体的方法下进行协作，以推进、标准化和加快国内 3DHI 原型制作。”

该机构表示，DARPA 与 NGMM 的长期目标是将开发的能力转移到与国家半导体技术中心相关的国家先进封装制造计划。

10 月，该机构开始审查其从 NGMM 0 期 2000 万美元的 8 月广泛机构公告中收到的关于如何规划 3DHI 制造中心的提案，包括关于如何构建“示例”3DHI 微系统的规范以及所有必要的制造先进微系统的设备、工艺和设施需求。该机构预计将于 2023 年 2 月开始第 0 阶段的工作，以规划制造中心。

更复杂的 3DHI 板将允许有源芯片相互堆叠，中间有粘合层。他指出，垂直堆叠的晶圆可以执行彼此不同的功能，例如，存储芯片可以层叠在逻辑芯片上。

芯片材料将不再只是硅，特助继续说道。在未来的征集活动中，DARPA 将争取为生产硅基和非硅基 3DHI 原型系统的实际设施签订合同。

“当我们谈论 3DHI 时，我们不仅关注硅，还关注其他材料：光子学、RF [射频]、MEMS [微机电系统]，所有这些都堆叠在一个封装中，”McCants 解释道。“我们认为，现在是社区推动技术制造复杂 3D 微系统并将其放入破坏性系统的时候了。”

此外，DARPA 将深入研究 3DHI 制造系统研究的各个方面，包括多芯片和多技术的组装和封装；模拟、设计和测试所需的工具；安全; 互连；热管理和电力输送。

McCants 指出，事实上，随着海外投资的增多，美国正在竞相建立其 3D 微电子能力。作为其先进系统研究协会的一部分，日本已向 3DHI 公私合作伙伴关系投资了约 3 亿美元的大笔资金。此外，已有20家来自日本半导体行业的企业加入了台积电的3D制造研究中心。新加坡的 IME 合作伙伴正在其先进封装开发中心以 2.1 亿美元的合作伙伴关系研究用于垂直芯片集成的 3D 键合材料，芯片制造商 AMD 也参与其中。

此外，台湾工研院异质集成小芯片系统封装联盟，即Hi-CHIP计划，正致力打造3DHI微电子封装设计、测试验证、试产的生态系统。

为了使 DARPA 成功实现其提高国内 3DHI 能力的使命，它正在寻求与美国前 10 大半导体销售领导者中的六家（英特尔、高通、AMD/Xilinx、三星、NVIDIA 和美光）的合作项目，以及美国前 5 大国防公司承包商，与美国排名前 10 位的研究型大学和非传统合作伙伴合作。

“ERI 必须继续进行战略投资以播种新的方法和技术，以保持我们在电子系统中的地位，”McCants 强调说。

关于为极端环境开发军用电子设备，DARPA 将特别研究三种情况：高辐射、极端温度和高功率，其中可能包括高电压或高电流。“这些因素和条件中的每一个都带来了自己独特的挑战和机遇，”特别助理分享道。

最后，McCants 强调了 ERI 的早期研究和成功，包括创建比标准中央处理器和图形处理单元快 100 倍的处理器架构，开发可编程硬件架构以提高处理效率，将机器学习集成到工具中电子设计自动化，在信息保持加密的同时处理信息的能力，以及激光在硅晶片上的光子学集成。

“有可能让学术界、商业界和美国政府微电子界参与相关的尖端、两用研究项目，”他指出。“通过这些有利于政府和私营部门的合作，有可能在计算效率、异构集成、硬件安全、电子设计、人工智能组件和安全通信方面提供跨越式的能力。

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