「真」3D晶片商業化生產有影？美國研究團隊成果亮相

美國研究團隊表示，已在一座商業晶圓廠製造出首個單晶層堆疊型（monolithic）3D晶片，相較於傳統覆晶封裝晶片，表現大幅精進，能效可望提升高達1,000倍。

科技媒體Tom's Hardware報導，這款3D晶片的原型由史丹福、卡內基美隆（Carnegie Mellon）、賓州大學和麻省理工學院（MIT）工程師開發，與半導體公司天水科技（SkyWater Technology）合作製造。該團隊在本月上旬的IEDM 2025大會上發表研究成果。

有別於傳統2D設計，這款晶片以單一、連續製程，將記憶體與邏輯晶片直接堆疊。研究人員採低溫製程在同一片晶圓上逐層疊加器件層，避免損壞底層電路，最終形成能縮短記憶體單元與運算單元間數據傳輸路徑的高密度垂直互連網絡。

原型在天水的八吋晶圓生產線、利用90奈米到130奈米成熟製程製造。該堆疊結構整合傳統矽基CMOS邏輯電路、電阻式隨機存取記憶體（RRAM）層，以及奈米碳管場效電晶體（CNTFET） ，整體製程的熱預算控制在大約攝氏415度以內。團隊指出，早期硬體測試顯示，在相似的延遲和資源消耗量下，這款晶片的數據吞吐量比2D實作高約四倍。

研究人員模擬更高的堆疊結構發現，當增加記憶體和運算層，在AI類型的工作負載下（如Meta的Llama架構模型），效能可提升多達12倍。團隊進一步主張，透過持續擴大垂直整合、而非縮小電晶體尺寸，這個架構最終可望將能耗延遲乘積（Energy Delay Product）這項衡量速度與效率的能效綜合指標，提升100至1,000倍。

研究團隊強調，儘管學術型實驗室過去曾經展示實驗性3D晶片，這次有所不同，因為是在商業晶圓廠製造，而非客製化的研究環境。參與這項計畫的天水高層認為，這證明了單晶層堆疊型3D晶片可轉移至本土製造，而非限於大學的無塵室。