首批可以匹敌先进硅芯片性能的3D纳米管晶圆片生产出了

SkyWater Technology Foundry生产出了首批可以匹敌先进硅芯片性能的3D纳米管晶圆片。

这是一些你在政府主办的技术会议上不经常看到的自发的掌声。据悉，在近日的DARPA电子复兴倡议峰会上，当时麻省理工学院的助理教授Max Shulaker拿着一片3D碳纳米管IC走上舞台，在某种程度上，它标志着DARPA将落后的晶圆厂变得可以生产与世界上最先进的晶圆厂竞争的芯片的计划走出了坚实的一步。

他于近日在底特律对数百名工程师表示：“这片晶片是上周五制造的……这是铸造厂制造的第一块单片3D集成电路。”晶圆上有多个芯片，由一层CMOS碳纳米管晶体管和一层RRAM存储单元构成，这些存储单元相互叠放，并通过称为VIAS的密集连接器垂直连接在一起。DARPA资助的3DSoC项目背后的想法是，采用两种技术的多层芯片将比现在的7纳米芯片具有50倍的性能优势。考虑到新芯片所基于的平版印刷工艺（90纳米节点）是2004年最新的尖端技术，这一目标尤其雄心勃勃。

这个项目刚刚运行了一年左右的时间，DARPA希望在持续运行三年半之后，就可以生产出带有5000万逻辑门电路、4G字节非易失性存储器、每平方毫米存在900万个互联通道的芯片。互联通道之间的传输速度为每秒50太比特，每比特的功率消耗小于两个皮焦耳。

当然，Shulaker目前展示的内容还不能做到这一切。但是，这是该计划进展过程中的一个重要里程碑。与Skywater Technology Foundry和其他合作伙伴一起，“我们彻底改造了我们如何制造这项技术，将其从一项仅在我们的学术实验室工作的技术转变为一项可以而且现在已经在商业制造设施内工作的技术。”他说：“这是可以在美国的商业晶圆厂中实施的技术。”

与当今的2-D硅相比，该技术的潜在优势的关键在于能够堆叠多层CMOS逻辑和非易失性存储器，同时将这些层连接起来，3DSoC团队称之为“层”，垂直连接的数量级更窄、更密集。比其他任何3D技术都要先进。

这种技术在硅中是不可能实现的，因为构建一层硅逻辑所需的温度高达1000摄氏度——足以摧毁其下的硅层。3DSoC技术使用碳纳米管晶体管代替，它可以在低于450摄氏度的温度下制造。同样，RRAM层也采用低温工艺制造。因此，可以在不伤害下面层的情况下构建多个层。

3DSoC团队是如何从实验室好奇心转变为商业流程的？“这是一个循序渐进的方法，”Skywater首席技术官Brad Ferguson告诉IEEE Spectrum。例如，他们分别计算了NMOS碳纳米管晶体管和PMOS晶体管的工艺流程，并在制造任何将它们组合成CMOS电路的晶圆之前，分别为每一个晶圆制造出单独的晶圆。他们也分别制造了RRAM的晶圆，然后计算出与该层的垂直连接。“这种循序渐进的方法确实消除了很多风险……在我们学习的过程中。”

Ferguson说，下一个重要的里程碑是在年底前集成两层纳米管晶体管RRAM。接下来的阶段，Skywater和团队的其他成员将致力于提高产量。他说：“我们正在（为RRAM）实现经济上可行的钻头产量。”

在最后一个阶段，合作伙伴和潜在客户将使用流程设计工具包（第一个版本现已完成）来制造原型芯片。从那里，Skywater将能够围绕这一过程建立业务，并将该技术授权给其他铸造厂。

同样令人兴奋的是，业绩的增长可能会继续改善。该工艺可以升级到65纳米或更先进的制造节点，从而获得更高的密度和更快、更强大的系统。Shulaker说：“一旦3D SoC在宽松成熟的90纳米节点上实现，我们就可以依靠传统技术进行数十年的创新。