2.5D/3D IC，改变下一代计算架构

日本东京科学研究所 (Science Tokyo) 的一组研究人员构想了一种名为 BBCube 的创新 2.5D/3D 芯片集成方法。

传统的系统级封装 (SiP) 方法利用焊料凸块将半导体芯片排列在二维平面 (2D) 上，但其尺寸受限，亟需开发新型芯片集成技术。针对高性能计算，研究人员开发了一种新型电源技术，该技术采用 3D 堆叠计算架构，将处理单元直接放置在动态随机存取存储器 (DRAM) 堆栈上方，标志着 3D 芯片封装技术的重大进步。

为了实现BBCube，研究人员开发了涉及精密高速键合技术和粘合剂技术的关键技术。这些新技术有助于满足高性能计算应用的需求，这些应用既需要高内存带宽，又需要低功耗，并降低电源噪声。

该研究团队由 Norio Chujo 和 Takayuki Ohba 教授以及来自日本东京科学研究所综合研究中心 WOW 联盟异构与功能集成部门的其他科学家组成，他们最初开发了一种面朝下的晶圆上芯片 (COW) 工艺，以规避使用焊料互连的局限性。他们利用喷墨技术和选择性粘合剂涂覆方法，成功地将不同尺寸的芯片顺序键合到 300 毫米晶圆上，芯片间间距仅为 10 μm，最短安装时间不到 10 毫秒。在解释精确的 COW 工艺时，Chujo 表示：“在晶圆上制造了超过 30,000 个不同尺寸的芯片，提高了键合速度，而没有发生任何芯片脱落故障。

为了实现这种精确高速的COW工艺，研究人员专注于解决可能影响超薄晶圆多层堆叠的热稳定性问题。通过精心设计化学特性，他们开发了一种名为“DPAS300”的新型粘合剂材料，可用于COW和晶圆对晶圆工艺。这种新型粘合剂由有机-无机混合结构组成，在实验研究中表现出了良好的粘合性和耐热性。  

最后，为了实现高内存带宽并提高 BBCube 的电源完整性，科学家们采用了 3D xPU-on-DRAM 架构，并通过新的电源分配高速公路进行增强。这包括在 xPU 和 DRAM 之间嵌入电容器，在晶圆上实现重新分配层，并在晶圆通道和 DRAM 划片线上放置硅通孔。“这些创新将数据传输所需的能量降低到传统系统的五分之一到二十分之一，同时还将电源噪声抑制到 50 mV 以下，”Chujo 强调了 3D 堆叠计算架构的优势。  

总的来说，东京科学大学的研究人员开发的 3D 芯片集成技术有可能改变下一代计算架构。 

不过，3D-IC技术在大众市场的普及尚需时日，其在特定领域的应用前景广阔，尤其是在以下场景中：

移动设备：随着5G和未来6G技术的发展，移动设备对高性能、低功耗芯片的需求持续增长。3D-IC技术能够实现更紧凑的设计和更高的集成度，有望满足移动设备对小型化和性能的双重需求。例如，在6G通信中，天线阵列和功率放大器的集成可以通过3D-IC实现，从而提升信号处理能力。

AI与超级计算机：AI和超级计算机对计算能力和数据吞吐量的要求极高。3D-IC通过高带宽互连和异构集成，能够显著提升系统性能，成为这些领域的核心技术。

数据中心：数据中心对能效和性能的需求日益增加。3D-IC通过优化内存与处理器间的通信，能够降低功耗并提升效率，满足云计算和大数据处理的需要。

3D-IC技术的异构集成能力为其带来了独特的市场机遇。通过将不同工艺节点和技术类型的芯片集成于同一封装，3D-IC能够在性能和成本间实现平衡。例如，将高性能逻辑芯片与低成本存储芯片集成，既能满足性能需求，又能降低总体成本。

3D-IC技术通过将芯片分解为多个小芯片，能够在不依赖单一先进制程的情况下提升系统性能，从而缓解这些挑战。例如，企业可以将高性能核心逻辑部分采用先进制程，而将I/O和模拟模块采用成熟制程，通过3D-IC集成实现性能与成本的平衡。这种策略不仅降低了开发成本，还提高了芯片的灵活性和可扩展性，为大众市场的渗透提供了可能性。

3D-IC技术作为芯片行业的一项颠覆性创新，凭借其在性能提升、功耗优化和异构集成方面的优势，正逐步成为未来发展的关键方向。