近日，一支由斯坦福大学、卡内基梅隆大学、宾夕法尼亚大学和麻省理工学院的工程师组成的合作研究团队宣布，他们成功制造出了美国首个在商业代工厂制造的单片3D集成电路原型，并声称该技术相较于传统平面芯片设计在性能上有显著提升。这款原型芯片由SkyWater Technology公司合作制造。
报道称，这款芯片突破了传统的二维布局，采用单一连续工艺将存储器和逻辑电路直接堆叠在一起。研究人员没有将多个成品芯片组装成封装，而是使用一种低温工艺在同一晶圆上逐层构建每个器件层，这种工艺旨在避免损坏底层电路，从而形成高密度的垂直互连网络，缩短了存储单元和计算单元之间的数据路径。
该原型机采用SkyWater公司成熟的90nm至130nm工艺，在其200mm生产线上制造而成。该堆叠结构集成了传统的硅CMOS逻辑电路、电阻式RAM层和碳纳米管场效应晶体管，所有组件均在约415℃的热预算下制造。据该团队称，早期硬件测试表明，与具有相似延迟和尺寸的同类二维实现方案相比，该堆叠结构的吞吐量提高了约四倍。
除了实测硬件结果外，研究人员还通过仿真评估了更高堆叠层的架构。结果表明，具有更多内存和计算层级的设计在人工智能类工作负载（包括源自Meta的LLaMA架构的模型）上实现了高达12倍的性能提升。该团队进一步指出，通过持续扩展垂直集成而非缩小晶体管尺寸，该架构最终有望在能量延迟积（衡量速度和效率的综合指标）方面实现100倍至1000倍的提升。
虽然学术实验室此前也曾展示过实验性的3D芯片，但该团队强调，这项工作的不同之处在于它是在商业代工厂环境中制造的，而非在定制的研究生产线上。参与该项目的SkyWater高管表示，这项工作证明了整体式3D架构可以应用于国内生产流程，而不仅仅局限于大学的洁净室。
“将尖端的学术概念转化为商业晶圆厂可以制造的东西是一项巨大的挑战，”合著者、SkyWater Technology技术开发运营副总裁Mark Nelson说。
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