淺談三維單片異構集成的發展歷程

近年來，三維異質集成技術正在嶄露頭角，通過協同設計和微納制造工藝，將不同材料和功能的電子器件堆疊在一起。其獨特之處在于，不同類型的器件垂直組合，形成了更小巧且高效的器件單元。然而，器件層與層之間的連接一直是該技術的巨大挑戰，將器件從襯底剝離極容易發生機械故障。此時，基于二維材料的電子器件展現出巨大潛力，這些材料具有極低的剛度和幾乎為零的內應力，或許能夠完全擺脫傳統剛性三維材料在三維異質集成技術中的物理限制。

三維異質集成示意圖

近日，圣路易斯華盛頓大學Sang-Hoon Bae、麻省理工學院Jeehwan Kim、韓國延世大學Jong-Hyun Ahn等研究者合作在Nature Materials雜志上發表論文，展示了基于二維材料的晶體管和憶阻器的三維單片異構集成，可作為高效率人工智能（AI）處理器執行AI任務。

三維單片異構集成的發展歷程示意圖 總共六層器件垂直堆疊，整體厚度不到2微米，為了驗證3D異質集成的器件性能，研究者利用AI處理器進行了DNA測序計算，憶阻器顯示數值與軟件模擬結果相匹配，顯示出良好的并行計算能力。此外，隨著3D集成層數量的增加，每層陣列的電壓降減小，減少了冗余數據傳輸，可以降低器件功耗，縮短預測的處理時間和延遲。

基于2D材料的3D單片異質集成策略為下一代芯片制備鋪平了道路。中國科學院大學胡偉達研究員在同期Nature Materials 雜志上評論道，“非馮?諾依曼體系結構與3D單片異質集成的融合，極大地降低了處理時間延遲和功耗……AI處理器具有處理更快速、電壓降更低、單元面積更小等優勢，這得益于垂直集成技術”。Sang-Hoon Bae教授也表示，“你可以把芯片集成想象成建造一座房子，3D單片異質集成有利于開發出更緊湊、更強大和更節能的設備，重塑整個微電子和計算行業，從自動駕駛汽車到醫療診斷和數據中心，該技術的應用可能性是無限的”。

審核編輯：黃飛