11月20日消息，華爾街日報發(fā)布文章稱，科技產(chǎn)品下一個重大突破將在芯片堆疊領域出現(xiàn)。
Apple Watch采用了先進的的3D芯片堆疊封裝技術
作為幾乎所有日常電子產(chǎn)品最基礎的一個組件，微芯片正出現(xiàn)一種很有意思的現(xiàn)象。通常又薄又平的微芯片，如今卻堆疊得像薄煎餅那樣，由二維變成三維——給電子設備帶來重大的影響。
芯片設計師們正在發(fā)現(xiàn)那種堆疊方式可在性能、能耗和功能上帶來各種意想不到的好處。
沒有這種技術，蘋果智能手表Apple Watch也就無法做出來，三星最先進的固態(tài)存儲器、來自英偉達和谷歌的人工智能系統(tǒng)和索尼超級快速的新型相機也不例外。
這種3D堆疊類似于城市規(guī)劃。沒有它的話，隨著產(chǎn)品需要內(nèi)置更多的零部件，電路板上的微芯片會不斷延伸，微芯片之間的距離會越隔越遠。然而，一旦開始對芯片進行堆疊，你就能形成一個硅制“城市”，里面的一切會變得更加鄰近。
從物理學角度來看，這種設計的優(yōu)勢顯而易見：當電子需要通過銅線行進更長的距離的時候，會消耗更多的能量，產(chǎn)生熱量，同時也減少頻寬。ARM旗下微芯片設計公司ARM Research未來硅技術主管格雷格·耶里克（Greg Yeric）指出，堆疊式芯片更加高效，產(chǎn)生較少的熱量，能夠以光速在短得多的互連通道里進行通信。
Apple Watch Series 1的Apple S1芯片X光圖
雖然3D堆疊芯片背后的原理簡單明了，但要制造起來可不容易。耶里克說道，該技術概念于1960年代被首次提出，此后零星地出現(xiàn)在一些高端應用當中，比如軍用硬件。
然而，TechInsights微芯片研究公司分析師辛金·迪克森-沃倫（Sinjin Dixon-Warren）指出，來自大多數(shù)大型芯片廠商（AMD、英特爾、蘋果、三星和英偉達）以及Xilinx等小型的專業(yè)公司的堆疊式芯片產(chǎn)品，才出現(xiàn)了五年左右。為什么大家要這樣做呢？因為工程師們開始找不到其它的辦法來讓芯片有更好的表現(xiàn)。
堆疊式芯片通常是其它蜷縮起來的芯片的“封裝”的一部分。除了節(jié)省空間以外，這讓廠商們能夠（通過不同的制造工藝）打造許多不同的芯片，然后多多少少將它們粘合在一起。“3D堆疊式封裝”的做法不同于頻繁用于手機的“系統(tǒng)級芯片”做法，后者是將所有不同的手機部件蝕刻在單一的硅片上。
迪克森-沃倫稱，從第一代開始，Apple Watch就由最先進的3D堆疊式芯片封裝之一驅(qū)動。在該智能手表中，30種不同的芯片密封在一個塑料包層里面。他說，為了節(jié)省空間，存儲芯片堆疊在邏輯電路上面。要是沒有芯片堆疊技術，該手表的設計就無法做得如此緊湊。
蘋果的芯片只是堆疊成兩層高，而三星卻做出了名副其實的硅制“高樓大廈”。三星用于手機、相機和筆記本數(shù)據(jù)存儲的V-NAND閃存足足堆疊了64層芯片。三星也剛剛宣布，未來的版本將會有96層。
英偉達針對人工智能打造的Volta微處理器，GPU上堆疊了八層的高頻寬存儲器
存儲是芯片堆疊技術的一項自然而然的應用，因為它解決了長久以來一直困擾芯片設計師的一個問題：給從iPad到超級計算機的任何設備增加更多的核心，并不能換來所期望的速度提升，因為邏輯電路之間的通信延遲和所需要的存儲能力。而將存儲組件直接堆疊在芯片上，則可以讓二者之間的連接路徑縮短。
英偉達硬件工程高級副總裁布萊恩·凱萊赫（Brian Kelleher）表示，那正是公司針對AI打造的Volta微處理器的運作原理。通過直接在GPU上面堆疊八層的高頻寬存儲器，這些芯片在處理效率上創(chuàng)造了新的記錄。
“我們在電力上是受限的，”凱赫勒說，“我們能夠從存儲系統(tǒng)騰出的任何電力，都可以用在計算上。”
芯片堆疊也帶來了一些全新的功能。有的手機攝像頭將圖像傳感器直接疊加在處理圖像的芯片上面。額外的速度意味著，它們能夠?qū)φ掌M行多次曝光，并將其融合在一起，在昏暗的場景里捕捉到更多的光線。
三星的64層V-NAND垂直芯片，擁有更大的數(shù)據(jù)存儲容量和更快的處理速度
來自索尼的原型攝像頭通過使用三層而非兩層芯片更進一步——包括圖像傳感器、存儲器和邏輯電路，實現(xiàn)每秒最高1000幀的效果。這種做法的作用是，光觸達圖像傳感器，數(shù)據(jù)直接進入存儲器，接著進行實時處理。除了在低光照條件下取得更高的能見度以外，這還可以用于拍攝超慢動作的視頻，單幀凝固快速移動的物體。
目前，要將3D微芯片推向更多的電子設備，還需要耗費巨大的資源去解決一些障礙。
耶里克表示，首先，3D芯片誕生不久，用于堆疊的設計工具進化還不充分。在簡單的設計工具——類似于用于平整芯片的那些工具——變得廣為普及以前，堆疊式芯片仍將只有擁有頂尖工程人才的企業(yè)能夠制造出來。
另一個問題在于，制造商們?nèi)栽趯W習如何可靠地在物理上相互堆疊和連接芯片。這意味著有的制造工藝成品率會相對較低。
不過，迪克森-沃倫指出，3D堆疊式芯片的普及非常快速，它們也必然會成為行業(yè)主流。10年前，該技術幾乎僅僅存在于高校實驗室；五六年前，還難以找到它的商業(yè)化案例。但它如今如雨后春筍般涌現(xiàn)，出現(xiàn)在各類的應用上，如網(wǎng)絡化、高性能計算和Apple Watch等高端可穿戴設備。據(jù)知名電子產(chǎn)品拆解網(wǎng)站iFixit的CEO凱爾·韋恩斯（Kyle Wiens）稱，它也出現(xiàn)在iPhone X的“大腦”當中。
在ARM的耶里克看來，最終3D芯片應該會讓我們的可穿戴產(chǎn)品變得跟體積更大的設備那么強大，會讓它們能夠連續(xù)運行數(shù)天時間，即便它們布滿了傳感器。“舉例來說，如果有朝一日你的手表變得能夠檢查你的血糖水平，我不會感到驚訝。”他說道。
讓芯片從二維變成三維，只是個開始。不久以后，芯片層將會通過光而非電流來通信。在更遙遠的未來，隨著我們用擁有前所未見的處理性能的閃亮晶體替換電路板，它們將會完全擺脫硅——可能轉向人造鉆石。（翻譯：樂邦，審校：王華春）
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