3D晶元

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更新時間: 2013-09-18

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3D晶元的發展,不論是在內部所使用的內存數量還是其晶元設計上的複雜程度,已經不遜於俗稱電腦心臟的微處理器了,就以最新推出的GeForce 256晶元來說,以0.25微米的製程及超過萬組的電晶體數目,就已經和現有最新的微處理器相差不遠了。3D晶元這次借入測試的3D顯卡,共有17款晶元不過真正最令人注目的,乃是即將推出的新3D晶元規格,因此文內將分兩大部分介紹目前市場的主打晶元與新一代晶元規格。 這次進行測試的7絲耗顯示卡共有17種不同規格的晶元,分屬3dfx、3Dlabs、nVIDIA、515、53、Matrox、ATI等。

3D晶元 -簡介

瑞士洛桑理工學院同蘇黎世理工學院以及IBM公司,於2009年聯手開發出一項3D晶元技術。該技術在將計算機處理器計算能力提高到現在水平的10倍的同時,還可以降低能耗。

3D晶元 -技術難度

據悉,這個被命名為CMOSAIC的研究項目由洛桑理工學院的約翰·R·瑟姆負責。為了使電腦晶元的計算能力提高10倍,研究人員必須在1立方厘米的空間內裝下同人類大腦內神經元數目一樣多的晶體管。幾年前,由於只能使用單核處理器技術,為了提高晶元的計算能力,研究人員不得不採取添加劑的方式。然而,這種方式無形中也拉高了處理器運行時的溫度。實驗證明,當晶元溫度超過85攝氏度的時候,電子元件的性能就不再穩定。多核處理器技術的誕生部分解決了這個難題,多個處理器搭載在同一個晶元上,大大提高了計算速度。但是目前世面上採用的多核技術都是通過線纜將處理器並排串聯在一起,這種結構不僅需要消耗大量電力,而且還會在處理器運行過程中產生大量熱量,長此以往必然會對處理器造成損害。

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3D晶元 -該片特點

3D晶元仍採用多核,不同的是,多個處理器不再並排相連,而是上下平行地連在一起。這樣,線纜的分佈面積就擴大至整個處理器的表面,而且平行結構也有效縮短了各個處理器之間纜線的長度。實驗顯示,平均1平方毫米的面積可以分佈100甚至是1000個線纜連接點,不但數據傳輸速度得到提高,電力消耗也大大減少。

雖然3D晶元技術的出發點是為了提高計算機處理器的計算能力,但它的問世對環保事業同樣具有非凡的意義。「光是美國大大小小的數據處理中心消耗的電力就占電力總消費量的2%。」負責該項目的瑟姆教授舉例說,「並且電力的需求每過5年就翻一番。照這個增長速度,到2100年整個美國的電力都將被計算機所消耗。」

3D晶元 -進行測試

不過,儘管3D晶元消耗的電量以及產生的熱量都低於傳統晶元,但絕對數值並不低。所以瑟姆教授和他的團隊還致力於同3D晶元配套的散熱裝置的研究。研究人員在每個處理器之間,安裝了許多直徑為50微米(一微米等於百萬分之一米——編者注)的中空管道,並向管里注入液態製冷劑。製冷劑以蒸汽形式從迴路中導出,然後通過冷凝器還原成液態,最後重新注入處理器中,實現循環的過程。研究小組透露,這套散熱裝置2010年將在實際環境下進行測試,不過這次測試將脫離計算機處理器單獨進行。

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預計上市時間:預計首批3D晶元將於2015年上市。而內部加裝降溫系統的3D晶元最早也要等到2020年才能面世。
3D晶元 -首款3D晶元誕生

世界上第一款3D晶元工藝已經準備獲取牌照,該工藝來自於無晶圓半導體設計公司BeSang公司。 
BeSang公司製作的用於演示的晶元在其控制邏輯上使用了1.28億個垂直晶體管用作內存位單元。該晶元的設計在國家Nanofab中心(韓國大田)和斯坦福Nanofab(美國加州)進行。BeSang公司稱,該工藝由25個專利所保護,將允許Flash、DRAM以及SRAM放置在邏輯電路、微處理器以及片上系統上。  

BeSang公司聲稱該公司在底層使用高溫處理工藝進行製造邏輯電路,在頂層使用低溫工藝來製造內存電路,從而實現了3D晶元。將不同層的邏輯和內存電路放置在同一個晶元中,BeSang的處理工藝在每晶圓中集成了更多的裸片,從而降低了每個裸片的成本。 

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BeSang的創始人兼CEOSang-Yun Lee稱,「BeSang成立於5年前,並致力於3D晶元技術,已經推出了單晶元3D晶元工藝,並隨時可以商用。通過使用低溫工藝並將使用垂直內存設備放置在邏輯設備頂層,我們在每個晶圓上可以作出更多的螺片,這就是單位裸片成本下降的秘訣。」 

在BeSang(韓語的意思是「飛得高」),Lee與前三星工程師Junil Park一起,完善了首款真正的3D晶元工藝,後者為第一個用於高K電介質的原子層沉積工具的開發者。因為新的晶元工藝不再堆集裸片,公司稱常規的冷卻技術就可以工作,因為較厚的3D晶元工藝不會產生格外的熱量。 

當前包含了內存的平面(2D)晶元必須圍繞其內存陣列放置邏輯電路來對比特位進行定址並提供邏輯功能。把內存和邏輯電路放在一起,意味著必須在二者之間使用較長的內部連線。 

而BeSang通過將邏輯電路放在晶元的底層,將內存位單元放在頂層,從而將設計更加緊湊,二者之間只需很短的連接線。

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