美国首颗单片式3D芯片问世：能效有望提升1000倍

12月15日消息，据外媒Tom's hardware报道，近日，在美国SkyWater Technology 的商业晶圆厂，斯坦福大学、卡内基美隆大学、宾夕法尼亚大学和麻省理工学院的研究团队，成功制造出首个在美国制造的单片3D芯片，可能为未来设备带来高达1,000 倍能效提升。该团队在12月6日至10日举行的IEEE国际电子器件会议（IEDM 2025）上展示了他们的研究。

报道称，该3D芯片通过将DRAM内存和逻辑单元直接叠加在一个连续的制造过程中，完全区别于传统的2D芯片布局。需要强调的是，研究人员并不是将多个成品芯片组装成一个封装，而是通过低温工艺在同一晶圆上顺序构建每一层器件，设计成不损坏底层电路，形成密集的垂直互连网络，缩短存储单元与计算单元之间的数据路径。

原型3D芯片在SkyWater 的200毫米晶圆生产线上采用成熟的90nm至130nm工艺制造。该堆栈集成了传统硅CMOS逻辑、电阻性RAM层和碳纳米管场效应晶体管，所有这些材料均在约415°C的热预算下制造。 该研究团队表示，早期的硬件测试显示，与在类似延迟和占用面积下，吞吐量相比2D实现大约提高了四倍。

除了测量的硬件结果外，研究人员还通过模拟评估了更高的堆栈。具有额外内存和计算层的设计在人工智能风格的工作负载上显示出高达12倍的性能提升，包括从Meta的LLaMA架构衍生的模型。该小组进一步认为，通过继续扩大垂直集成而不是缩小晶体管，该架构最终可以在能效（速度和效率的综合指标）方面实现100倍到1000倍的改进。

虽然学术实验室之前已经展示了实验性的3D芯片，但该团队强调，这项工作的不同之处在于它是在商业铸造环境中建造的，而不是在定制的研究生产线中建造的。参与该项目的SkyWater高管称，这一努力证明了单片3D架构可以转移到国内制造流程中，而不是局限于大学的洁净室。

SkyWater Technology技术开发运营副总裁Mark Nelson表示：“将一个前沿的学术概念转化为商业晶圆厂能够打造的产品是一项巨大的挑战。”

编辑：芯智讯-浪客剑