芯片堆疊技術(shù)將給電子設(shè)備帶來(lái)重大改變

作為幾乎所有日常電子產(chǎn)品最基礎(chǔ)的一個(gè)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?zāi)菢?，由二維變成三維——這將給電子設(shè)備帶來(lái)重大的影響。

芯片設(shè)計(jì)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(lái)各種意想不到的好處。沒(méi)有這種技術(shù)，蘋果智能手表Apple Watch也就無(wú)法做出來(lái)，三星最先進(jìn)的固態(tài)存儲(chǔ)器、來(lái)自英偉達(dá)和谷歌的人工智能系統(tǒng)和索尼超級(jí)快速的新型相機(jī)也不例外。

這種3D堆疊類似于城市規(guī)劃。沒(méi)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(huì)不斷延伸，微芯片之間的距離會(huì)越隔越遠(yuǎn)。然而，一旦開(kāi)始對(duì)芯片進(jìn)行堆疊，你就能形成一個(gè)硅制“城市”，里面的一切會(huì)變得更加鄰近。

從物理學(xué)角度來(lái)看，這種設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)顯而易見(jiàn)：當(dāng)電子需要通過(guò)銅線行進(jìn)更長(zhǎng)距離的時(shí)候，會(huì)消耗更多的能量，產(chǎn)生熱量，同時(shí)也減少頻寬。ARM旗下微芯片設(shè)計(jì)公司ARM Research未來(lái)硅技術(shù)主管格雷格·耶里克指出，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聯(lián)通道里進(jìn)行通信。

雖然3D堆疊芯片背后的原理簡(jiǎn)單明了，但要制造起來(lái)可不容易。耶里克說(shuō)道，該技術(shù)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(yīng)用當(dāng)中，比如軍用硬件。

堆疊式芯片通常是其他蜷縮起來(lái)的芯片“封裝”的一部分。除了節(jié)省空間以外，還可讓廠商們能夠（通過(guò)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黏合在一起。“3D堆疊式封裝”的做法不同于頻繁用于手機(jī)的“系統(tǒng)級(jí)芯片”做法，后者是將所有不同的手機(jī)部件蝕刻在單一的硅片上。

從第一代開(kāi)始，Apple Watch就由最先進(jìn)的3D堆疊式芯片封裝之一驅(qū)動(dòng)。在該智能手表中，30種不同的芯片密封在一個(gè)塑料包層里面。為了節(jié)省空間，存儲(chǔ)芯片堆疊在邏輯電路上面。要是沒(méi)有芯片堆疊技術(shù)，該手表的設(shè)計(jì)就無(wú)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(shí)的硅制“高樓大廈”。三星用于手機(jī)、相機(jī)和筆記本數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的V-NAND閃存足足堆疊了64層芯片。三星也剛剛宣布，未來(lái)的版本將會(huì)有96層。英偉達(dá)針對(duì)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(chǔ)器。

存儲(chǔ)是芯片堆疊技術(shù)的一項(xiàng)自然而然的應(yīng)用，因?yàn)樗鉀Q了長(zhǎng)久以來(lái)一直困擾芯片設(shè)計(jì)師的一個(gè)問(wèn)題：給從iPad到超級(jí)計(jì)算機(jī)的任何設(shè)備增加更多的核心，并不能換來(lái)所期望的速度提升，因?yàn)檫壿嬰娐分g的通信延遲和所需要的存儲(chǔ)能力。而將存儲(chǔ)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。

芯片堆疊也帶來(lái)了一些全新的功能。有的手機(jī)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(jìn)行多次曝光，并將其融合在一起，在昏暗的場(chǎng)景里捕捉到更多的光線。

讓芯片從二維變成三維，只是個(gè)開(kāi)始。不久以后，芯片層將會(huì)通過(guò)光而非電流來(lái)通信。在更遙遠(yuǎn)的未來(lái)，隨著我們用擁有前所未見(jiàn)的處理性能的閃亮晶體替換電路板，它們將會(huì)完全擺脫硅——可能轉(zhuǎn)向人造鉆石。

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