朝著“三維”邁進(jìn)的半導(dǎo)體技術(shù)

最近，“三維”一詞在半導(dǎo)體領(lǐng)域出現(xiàn)得十分頻繁。比如，英特爾采用22nm工藝制造的采用立體通道結(jié)構(gòu)的“三維晶體管”、8月份三星電子宣布量產(chǎn)的“三維NAND閃存”，以及利用TSV(硅通孔)來(lái)層疊并連接半導(dǎo)體芯片的“三維LSI”等。

在半導(dǎo)體領(lǐng)域，原來(lái)的二維微細(xì)化(定標(biāo)，Scaling)已逐步接近極限，各種三維技術(shù)變得十分必要。三維晶體管已廣泛應(yīng)用于微處理器，三維NAND閃存也有望在2014年以后、以服務(wù)器用SSD等為中心不斷普及。但是，除了部分CMOS圖像傳感器及FPGA之外，卻很少聽(tīng)到基于TSV的三維LSI的量產(chǎn)消息。

關(guān)于三維LSI，最初業(yè)界曾傳出某項(xiàng)技術(shù)將被智能手機(jī)應(yīng)用處理器(SoC)和DRAM大量采用的消息。那就是通過(guò)層疊SoC和DRAM、通過(guò)高密度TSV進(jìn)行三維連接來(lái)實(shí)現(xiàn)大帶寬的“Wide I/O”技術(shù)。業(yè)界曾期待高通等SoC廠商采用該技術(shù)，在2013～2014年開(kāi)始量產(chǎn)。但實(shí)際情況是，Wide I/O的采用被擱置了。

原因在于該技術(shù)的成本太高。野村證券的成本分析結(jié)果顯示，由SoC和DRAM構(gòu)成的三維LSI的制造成本是原來(lái)的PoP(package on package)產(chǎn)品的約2.4倍。而智能手機(jī)廠商采用三維LSI時(shí)所依據(jù)的成本標(biāo)準(zhǔn)一般是“PoP產(chǎn)品的1.1倍以下”，2.4倍已大大超過(guò)該標(biāo)準(zhǔn)。目前，作為Wide I/O的后續(xù)技術(shù)，業(yè)界還在討論帶寬更大的“Wide I/O 2”，但該技術(shù)同樣存在巨大的成本障礙。

另一方面，業(yè)界也出現(xiàn)了看似可以順利跨越成本障礙的三維LSI技術(shù)，那就是美光科技最早將從2013年下半年開(kāi)始樣品供貨的新一代內(nèi)存“Hybrid Memory Cube(HMC)”。HMC是以配備于高端網(wǎng)絡(luò)設(shè)備及超級(jí)計(jì)算機(jī)為目標(biāo)的三維構(gòu)造內(nèi)存，價(jià)格是傳統(tǒng)DDR3 SDRAM內(nèi)存條5～10倍，絕對(duì)不算便宜。但是，HMC的帶寬可達(dá)到DDR3內(nèi)存的約15倍，“性?xún)r(jià)比非常具有吸引力”(日本某設(shè)備廠商的部件采購(gòu)人員)。

而且，HMC除了部分高端用途之外，將來(lái)還打算向服務(wù)器及消費(fèi)類(lèi)產(chǎn)品推廣，這一點(diǎn)也備受關(guān)注。雖然美光表示向消費(fèi)類(lèi)產(chǎn)品推廣需要“花費(fèi)5年以上的時(shí)間”，但可以通過(guò)大幅更改HMC的構(gòu)造及規(guī)格來(lái)降低成本。像HMC這樣首先在高端市場(chǎng)上實(shí)現(xiàn)三維LSI技術(shù)的產(chǎn)品化、然后再逐步擴(kuò)大用途的道路雖然要花費(fèi)很長(zhǎng)時(shí)間，但也許比較踏實(shí)可靠。今后筆者將繼續(xù)關(guān)注HMC將如何開(kāi)拓市場(chǎng)。