DARPA重金资助发展单片3D集成技术

照片来源：SkyWater Technology Foundry

美国国防部高级研究计划局 (Defense Advanced Research Projects Agency，DARPA) 最近公布了获得电子复兴计划(Electronics Resurgence Initiative，ERI)提供的第一笔资金资助的科学家、公司和机构的名单。ERI是一项为期5年的、斥资15亿美元的计划，目的是在摩尔定律时代即将结束之际重塑美国电子产业。在公布的42个受资助项目中，有一个项目因得到大幅超出其他项目的资助金额而特别引人注目。

这个项目获得的资助金额高达6100万美元，其中，“利用密集的细粒度的单片3D集成技术变革计算系统”( Revolutionizing Computing Systems through Dense and Fine-Grained Monolithic 3D Integration)项目是其所包含子项目中获资做多的——所得资助金额近4000万美元。这个子项目的目标同样引人注目：利用单片3D集成技术，使得以用了数十年之久的旧制造工艺制造出来的芯片能与以目前最先进的技术所制造出来的芯片相媲美。

该项目基于麻省理工学院电子与计算机工程助理教授Max Shulaker及其在斯坦福大学的同事Subhasish Mitra和H.-S. Philip Wong开发的一种技术，该技术允许将碳纳米管晶体管和电阻式RAM存储器构建在普通CMOS逻辑芯片之上。

去年他们发表了一项研究成果：将200万个碳纳米管晶体管和100多万个电阻式RAM存储单元构建在一个硅片之上，并通过层与层之间密集排列的金属连接线将它们连接起来，制成的一个用于酒精嗅探的多层电子鼻装置。不过，由于 SkyWater Technology Foundry 公司的参与，这项研究成果并不仅仅是又一项很酷的演示性成果而已。

总部位于明尼苏达州布卢明顿的SkyWater公司通过在用于处理200毫米硅晶片的设备上应用90纳米工艺技术，来制造芯片。这项工艺技术在2004年还算得上是尖端技术，但在15年前大型公司就开始放弃该技术了。那么，DARPA为什么会投这么多的资金给使用这项技术的这个制造厂呢？

来听听SkyWater总裁Thomas Sonderman的观点吧。这之后你可能会觉得该制造厂可能不仅是最好的选择，而且可能是唯一的选择。

Sonderman说，由于90纳米工艺是一种非常可靠的工艺，并且广泛用于制造小批量的芯片，“政府的许多工作是围绕90纳米工艺完成的，因此，开发一种能够进化到更高性能、但仍然遵循90纳米工艺的技术是非常重要的。”

据Sonderman说，DARPA也希望将这项技术保留在美国，而SkyWater现在是美国国内唯一一家本国独资的专营硅晶片制造厂。如果DARPA选择在像圣地亚国家实验室这样的国家实验室来开发该技术，那么成果可能依赖于不常见的设备和专业知识，而且如果要用于国防应用之外的商业用途，那么仍需移植到其他商业制造厂。Sonderman说：“在同一个制造厂开发该技术，你就可以很快提高产量生产出更多的产品”。

照片来源：SkyWater Technology Foundry

除此之外，并不是每个制造厂都愿意使用非标准材料（如碳纳米管），因为如果处理不当，就可能会污染其他客户的产品。

Sonderman解释说：“当你想引进一些材料如超导材料，并且想将它们放在运行CMOS流程的同一条生产线上时，你需要制定和落实一整套的协议。”“我们不仅已经将这些协议落实到位，而且我们在这方面有大约10年的经验。我认为这是我们真正的优势之一，也是外界很难与SkyWater竞争的原因。”

在接下来的三年里，Shulaker在麻省理工学院的团队将专注于开发制造工艺，斯坦福大学团队将创建设计工具以帮助工程师充分利用CMOS、纳米管晶体管和RRAM的堆叠所带来的性能提升。而Skywater将开发和测试在其制造厂中运行的一套高产的“工艺流程”。

Sonderman说：“美国政府对于建立一个不仅能在实验室工作而且可以在传统的制造厂模型中使用的工艺流程十分感兴趣，因为这意味着你不仅拥有技术，而且创建了一个能提供给客户使用的工艺流程。”

能够在不需要花高价置换到更先进技术的情况下就能提高性能，这对于SkyWater以及其他小型制造厂来说是一个巨大的胜利。Sonderman说，最新的基于极紫外光刻技术的工艺动辄需要数十亿美元的投资，要维持运营所需的产量，并不利于它们为小型物联网客户提供服务。“如果一切都按计划进行，将标准重新设回90纳米，那么我们就能持续扩大生产规模。”