Полупроводниковая индустрия стоит на пороге ключевого перелома, поскольку традиционная парадигма закона Мура сталкивается с физическими и экономическими ограничениями. Переход к 3D IC-дизайну становится центральным элементом технологической эволюции, стимулируя трансформацию подходов к проектированию и интеграции полупроводников. Это требует переоценки проектных процессов и усиления отраслевого сотрудничества.
Рис. 1. Модули в виде массива, используемые для построения чиплетов.
Технологии 3D IC в настоящее время в основном делятся на 2.5D и истинную 3D-интеграцию. Технология 2.5D размещает несколько кристаллов бок о бок на кремниевой интерпозерной плате и уже широко применяется в сфере высокопроизводительных вычислений. Истинная 3D-интеграция предполагает прямое вертикальное наслаивание кристаллов, используя технологию гибридной сборки для создания высокоплотных межсоединений, что дает преимущества в производительности для таких применений, как AI-ускорение. Отраслевые лидеры, такие как провайдеры гипермасштабируемых облачных услуг, активно раздвигают границы технологий 3D IC, однако их внедрение на более широком рынке все еще идет медленно, а уровень поддержки проектирования различается.
Экономические и технологические факторы стимулируют развитие 3D IC. Стоимость передовых технологических узлов высока, а затраты на нерекуррентные инженерные работы могут превышать 500 миллионов долларов, в то время как 3D-интеграция способна снизить издержки и повысить выход годных изделий. Технологическими драйверами являются потребность в доступе к памяти с высокой пропускной способностью и низкой задержкой. Размещение памяти вблизи вычислительных элементов с помощью 3D-интеграции помогает преодолеть узкое место "стены памяти". Традиционное проектирование монолитных кристаллов ограничено размерами фотошаблонов, а изготовление крупногабаритных SoC сталкивается с проблемами выхода годных. Технология 3D IC предлагает решение путем интеграции более мелких, функционально оптимизированных кристаллов.
Рис. 2. Совместная оптимизация системных технологий способствует параллельной проектной работе и одновременно улучшает процессы для каждого фрагмента проекта.
Стэкирование памяти с высокой пропускной способностью стало ключевым компонентом 3D IC. Современные проекты часто интегрируют несколько стэков HBM, и ожидается, что к 2026 году HBM4 удвоит пропускную способность по сравнению с HBM3. Это подчеркивает важность близости памяти и передовой упаковки.
Успешный переход к 3D IC требует фундаментальных изменений в методологии проектирования и организационной структуре. Традиционный подход "через стену" больше не применим, необходим системно-ориентированный процесс, учитывающий на ранних этапах системные проблемы, такие как распределение питания и тепловой менеджмент. Отрасль сталкивается с новыми задачами, такими как 3D-верификация и тепловое моделирование, требующими разработки новых EDA-инструментов. Siemens, через свой технологический портфель, включающий такие продукты, как Calibre и Innovater3D IC, а также партнерства и приобретения, способствует эволюции отрасли в сторону 3D IC-интеграции.
Рис. 3. Тепловое решение Siemens для 3D IC.
Будущее 3D IC зависит от доступности полного инструментального EDA-стэка, поддерживающего весь процесс от архитектурного исследования до верификации, с интеграцией искусственного интеллекта и машинного обучения. Отрасль движется к стандартизации интеграции чиплетов, способствуя через такие стандарты, как UCIe, формированию открытого рынка. Новые технологии, такие как система на пластине и передовые органические подложки, расширят возможности 3D-интеграции. Хотя распределение питания и тепловой менеджмент остаются сложными задачами, непрерывные исследования и разработки, как ожидается, раскроют весь потенциал технологий 3D IC.
Рис. 4. Панель управления пакетом решений Innovator3D IC.
