构建纳米级的三维集成电路结构
企业家、马萨诸塞大学阿姆赫斯特分校电子与计算机工程教授萨巴·安德拉斯·莫里茨博士正在开发一种新的纳米级三维集成电路技术。这项研究有可能彻底改变微电子工业，产生广泛的社会经济影响。
二维互补金属氧化物半导体
目前的二维(2D)互补金属氧化物半导体(CMOS)技术一直是集成电路设计的基石。它被用于所有数字处理器、图形芯片和计算机、移动电话和平板电脑中使用的新兴人工智能(AI)芯片的组成，并应用于医疗、工业和太空。自上个世纪诞生以来，2D CMOS技术一直是全球社会经济进步的重要力量;然而，预计它将很快达到其结构物理极限，将无法为新技术提供所需的优势。到目前为止，缩小CMOS集成电路(IC)架构的规模以提供更小、更紧凑的器件一直推动着集成电路行业的发展。然而，进一步扩大规模正变得越来越困难。由于2D CMOS技术的物理限制，扩展到10纳米以下的技术是非常具有挑战性的。这将阻碍未来的发展。目前的3D技术在很大程度上是失败的，因为它们是基于单片叠加的，不能提供新的应用所需的连通性和效率。
一个新的方向
Moritz教授和他的合作者为集成电路的持续小型化提供了一个新的方向，他们采用了一种基于CMOS的全新范式，采用了一种细粒度垂直集成的3D方法。他们的模型不是堆叠，而是使用垂直纳米线模板和它们之间的连通性来形成电路。他们的工作将使集成电路能够持续扩展，提供效率效益，例如减少一个数量级的足迹，并降低成本和能源消耗。该研究小组希望他们的研究能刺激各种新的应用领域的发展。
莫里茨教授和他的合作者提供了一个新的方向
用于集成电路的持续小型化。
3 d技术
莫里茨教授认为，三维技术可能非常有益，特别是实现高度的连通性可能成为未来AI和微处理器发展的关键。信息整合理论家假设，3D连接使意识的出现所需的大脑功能的多样性和整合成为可能。
将2D CMOS转换为3D是非常困难的。它的定制和制造从根本上与细粒度3D集成不兼容。将2D CMOS层组装成3D的单片层集成已经显示出有限的好处。
莫里茨教授和他的团队提供了一种全新的模式，而不是试图适应现有的技术。他们正在开发一种全面的3D垂直集成电路结构技术，Skybridge，第一种细粒度的3D CMOS集成电路技术。核心面料方面同时开发，实现3D兼容性。研究人员设计了带有垂直纳米线的纳米结构，为连接和3D热管理提供了解决方案。他们还提出了一种结合器件、电路和可制造性的跨层方法。
在逐层集成2D CMOS提供了大约50%的效益的地方，Skybridge承诺至少一个数量级的效率改进。这种细粒度的3D CMOS IC垂直组装提供了增强的扩展能力，并提供了特殊的可路由性，以及为未来的AI芯片预留的连接。Skybridge最近得到了几家大型半导体和CAD公司的支持，如果被采纳，可能会产生巨大的社会经济影响。
人行天桥Vertical-3D-CMOS
该研究团队正在开发一种新型的垂直细粒度3D CMOS，基于Skybridge的基础，称为vertical -3D-CMOS (V3DC)。他们设计了一种在骨架式垂直纳米线结构上构建静态CMOS电路的系统方法。这些电路都构建在一个均匀的垂直纳米线模板上。由串联和/或平行连接组成的上拉和下拉网络构成。串联网络在一根纳米线上有有源器件，而平行网络是通过在几根纳米线上定位和连接有源器件而形成的。一种特别设计的织物组件，称为垂直层间连接(V-ILC)，允许研究人员将上拉和下拉网络连接在一起，以产生输出信号。他们开发了额外的V3DC织物结构，允许垂直和水平连接和热感知电路合成。他们与领先的CAD供应商合作，支持基于商业的自动化工具套件，能够生成和验证大型V3DC Skybridge设计，包括处理器。
初步的评估
研究小组已经对这种3D纳米织物进行了初步评估。初步结果显示，与使用finfet的大规模CMOS相比，其密度提高了一个数量级以上，性能/瓦特提高了16.5倍以上。研究人员的预测有望进一步改善规模CMOS，在非常大规模的设计中有两个数量级的潜力，假设额外的优化和CAD支持。
本研究涉及纳米级核心框架的详细设计，明确材料选择和设计规则，构建3D V3DC电路库和SRAM单元。研究人员采用自下而上的方法，进行了全面的评估，包括材料考虑，纳米电路和架构级设计，以及各种模拟。实验研究主要集中在对织物基本特征的验证上。电子束光刻技术可以绘制出10纳米以下分辨率的定制图案，与各种蚀刻和沉积工艺一起被用于实验洁净室演示。该团队还与领先的CMOS工艺和设备供应商密切合作，为Skybridge开发可扩展的制造工艺平台。这包括使用Process Explorer，这是Synopsis提供的一个高级工具套件。
系统级CAD工具
V3DC的互连、设备和电路单元布局设计与2D CMOS或堆叠3D截然不同，因此目前用于设计流程和评估的现有CAD工具不适用于V3DC。为了纠正这一问题，Moritz教授和他的团队还开发了一套系统级CAD工具套件，该套件能够对非常大的电路(如微处理器)进行流程验证。它结合了商业CAD工具，可以对任意复杂的设计进行基准测试和验证。
这个项目设定了雄心勃勃的目标，但如果这种结构被采用，它将对微电子工业产生深远的社会经济影响。
雄心勃勃的目标
Moritz教授评论说:“这个项目设定了雄心勃勃的目标，但如果这种结构被采用，它将彻底改变微电子工业，产生深远的社会经济影响。”到目前为止，他的团队进行的研究表明，垂直组成的细粒度3D CMOS技术对于寻找可以远远超出CMOS的3D解决方案至关重要，推动新技术的发展。产业合作者一致认为，没有其他3D路径具有如此大的潜力。由于CMOS的规模化，集成电子在过去的二十年中有了显著的增长。本研究为未来集成电路的大规模集成提供了一个可扩展的途径。
传播
该研究小组还采取了一些措施来传播他们的研究成果。一些活动已经就位，以扩大在不同学术水平的计算机和相关学科的参与，以及涉及工业参与者。其中包括Think NanoPreneurshipTM，这是一个基于纳米技术的创业平台。莫里茨教授旨在为新兴超大规模集成电路、纳米技术和纳米科学的本科生和研究生以及从业者组织资源和促进经验。这让参与者了解到新的纳米相关企业所面临的商业挑战，从而更好地为从事和领导纳米技术企业做好准备。
Moritz教授的团队，通过他的工业和学术合作伙伴，强调在技术社区的广泛传播。除了发表研究论文外，他们还在IEEE期刊《3D纳米织物》上发表专题文章，并在IEEE VLSI、器件和架构论坛上发表演讲。
的潜在影响
Skybridge V3DC的这种开创性开发，特别是连接性和密度的提高，在新的微处理器体系结构中至关重要，使得复杂性不断提高，而不是由2D CMOS的互连延迟因素所主导。它还可以使人工智能设计具有比今天更高的神经元密度和层次。这种方法将鼓励电气和计算领域之外的许多学科的研究。Moritz教授和他的团队的工作有潜力支持以CMOS技术为基础的广泛跨学科研究;这项技术已经发展了近50年，对STEM研究产生了广泛的影响。
个人反应
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