Het onderzoek naar 3D IC‘s begint zijn vruchten af te werpen. Steeds vaker brengen grote halfgeleiderfabrikanten hun activiteiten op dat gebied onder de aandacht. De eerste commerciële stappen zijn al gesignaleerd. Het meest in het oog sprong IBM‘s aankondiging afgelopen maand om nog voor het einde van het jaar 3D chips in productie te hebben. Technisch gezien is het geen doorbraak, vinden experts, maar desalniettemin een belangrijke ontwikkeling. Want nu er een schaap over de dam is, volgen er meer.
Chipproductie is iets van het platte vlak en zo denken chipmakers er dan ook over: tweedimensionaal. Ze willen energiezuinige en snelle chips maken voor een zo laag mogelijke prijs. Sinds jaar en dag maken ze de transistoren daarom kleiner of – voor extra functionaliteit – de chips groter. Betere en goedkopere chips komen dus uit de lengte én de breedte. De hoogte speelt geen grote rol.
Toch zou het geen slecht idee zijn om ook verticaal te denken, weten ook de halfgeleiderfabrikanten. In een IC moeten verschillende delen met elkaar communiceren. Dat gaat via draadjes, de zogenaamde interconnects. Een ’simpele‘ Pentium 4 heeft bijvoorbeeld al vier lagen draad en dat wordt er met de toenemende complexiteit van processoren niet minder op. Dat komt de kloksnelheid en het energieverbruik niet ten goede. Hoe verder het signaal namelijk moet reizen, hoe meer tijd het kost en hoe krachtiger het signaal moet zijn. Bovendien nemen die lastige draden maar kostbare ruimte in. Door de hoogte in te gaan, neemt de totale lengte van de interconnects af en nemen de prestaties navenant toe.
Onderzoekers van IBM presenteerden vorige maand vermogensversterkers waarin de bedrading is vervangen door gaatjes gevuld met metaal.
Al sinds de jaren tachtig werken onderzoekers daarom aan verticale verbindingen tussen IC-lagen om 3D chips te vormen. Lange tijd stond de research echter op een laag pitje omdat de problematiek rondom het afvoeren van warmte onoverkomelijk leek. Nu de technische en economische grenzen van chipschaling zich echter aandienen, is het onderwerp weer actueler dan ooit. 3D chips worden opgenomen in de volgende International Technology Roadmap for Semiconductors (ITRS), IC-onderzoeksconsortium Sematech stort zich op een kostenanalyse en diverse halfgeleiderreuzen hebben de afgelopen maanden van zich laten horen.
Test less, verify Moore
At the Bits&Chips Event 2023 on 12 October 2023, Phillipa Hopcroft from Crocotec and Ivo ter Horst from ASML will kick off with a keynote speech on transforming how lithography machine software is built. Make sure to keep an eye on the website for program updates and save the date!
De aankondiging van IBM trok de meeste aandacht. Onderzoekers van het T.J. Watson Research Center lieten in een persbericht weten een etsmethode te hebben ontwikkeld om dies direct, verticaal, met elkaar te verbinden. Een doorbraak vindt Lisa Su, vicepresident Semiconductor Research and Development van IBM. Technisch gezien niets bijzonders, oordelen zowel Eric Beyne als Joachim Burghartz. Beyne is programmadirecteur van het Advanced Packaging and Interconnection Center van het Leuvense Imec, Burghartz leidt het Institut für Mikroelektronik (IMS) in Stuttgart.
Warm en koud blazen
IBM maakte gebruik van een bekende tactiek om het bedradingsprobleem te omzeilen: through-silicon vias (TSV‘s). Deze geëtste gaatjes gevuld met metaal realiseren elektrisch contact tussen de IC-lagen. Het verschil in weglengte vergeleken met traditionele interconnects mag er zijn. Volgens IBM scheelt het maar liefst een factor duizend. En er zijn wel tot honderd keer meer connecties mogelijk.
Beyne verwondert zich over de geheimzinnigheid waarmee de aankondiging gepaard gaat. ’Nog afgelopen december besprak IBM op een bijeenkomst twee opties om 3D chips te maken en deze was er niet bij. Nu hebben ze wel een persbericht de deur uit gedaan, maar een gedetailleerde beschrijving ontbreekt. Ze blazen warm en koud.‘ Ook Burghartz is niet van zijn stoel gevallen toen hij het nieuws vernam. ’TSV‘s zijn al een lang onderwerp van research. IBM is maar één van de vele bedrijven – groot en klein – die zich ermee bezig houden.‘
Imec wist zo‘n tienduizend TSV‘s met koper te vullen en met elkaar te verbinden. De onderzoekers verwijderden het silicium van de verdunde chip, zodat de TSV‘s als onderling verbonden pilaartjes zichtbaar werden.
De stelling van Big Blue dat het eigenhandig de wet van Moore in het driedimensionale trekt, is dus overdreven. Maar, benadrukken Beyne en Burghartz eensgezind, het is toch een belangrijke stap. Beyne: ’IBM is de eerste die aankondigt de technologie in productie te nemen, terwijl alle spelers op de chipmarkt de kat uit de boom zaten te kijken. Nu een groot bedrijf als IBM het voortouw heeft genomen, zullen er meer volgen.‘ Hoe een bescheiden stapje van een grote chipmaker toch veel stof doet opwaaien.
Het eerste product dat op de agenda staat, is dan ook geen high-end toepassing. Begin 2008 gaat IBM een vermogensversterker in productieaantallen verkopen. Het proces daarvoor hebben de Amerikanen zelfs al opgestart. Het chipje wordt via honderd directe verbindingen met de buitenwereld van stroom voorzien en leidt daarom de signalen letterlijk in betere banen. Het resultaat: de versterker verbruikt tot 40 procent minder energie. Dat is veelbelovend omdat de chip met name in embedded-toepassingen als mobieltjes en WLan-adapters zal worden gebruikt.
De plannen van IBM op de langere termijn zijn al iets ambitieuzer. De volgende stap is het toepassen van TSV‘s in microprocessoren, al gaat het dan nog steeds om de stroomvoorziening en niet om de logica. Daar zijn al een stuk meer dan honderd gaatjes voor nodig. ’Uit de eerste resultaten van onze prototypes blijkt dat het vermogen zo‘n 20 procent omlaag kan‘, lichtte senior researchmanager Wilfried Haensch toe. ’Maar we hebben nog niet besloten wanneer we dit in onze productieplannen kunnen realiseren.‘
De heilige graal van de 3D-chiptechnologie is echter de verbinding van hoge bandbreedte tussen logica en geheugen. Dat vereist duizenden TSV‘s. Hoewel een prototype SRam ook al in de maak is, kan het nog wel even duren voordat hier echt nieuws over te melden is. Analist David Lammers van VLSI Research wilde in EE Times wel een schatting maken. ’De innige omhelzing van processoren en cachegeheugen zal in 2010 zijn entree maken. Zeker nu verwerkingseenheden uit steeds meer cores bestaan, wordt de communicatie tussen processoren en opslagmedia steeds kritischer. Chipmakers kunnen niet meer om de hoge bandbreedte van TSV‘s heen.‘
Op een kier
Ook Beyne en Burghartz zijn ervan overtuigd dat we niet lang meer hoeven te wachten op 3D chips. Burghartz heeft er de ITRS eens op nageslagen. ’Tot 2020 worden chips niet groter en gaan ze niet meer stroom verbruiken. Maar om chips met de geprojecteerde specificaties te maken, zou het bedradingsprobleem volledig uit de hand lopen. Er is geen andere weg dan 3D‘, zegt de IMS-baas, die ook een stevig onderzoeksprogramma in dunne chips heeft. Vier maanden geleden berichtte Bits&Chips nog over de nieuwe manier waarop zijn instituut ultradun silicium had gemaakt.
Het belang van dunne chips illustreert een belangrijk obstakel voor de implementatie van TSV‘s. De verhouding tussen de diepte en breedte van een TSV is technologisch beperkt. Beter dan tien keer zo breed als diep zit er met economisch haalbare productiemethoden niet in. Gezien de – in chipland enorme – TSV-diameter van enkele tientallen micrometers is de diepte in de orde van micrometers. Het is moeilijk om chips zo dun te maken, maar de Duitsers kunnen dat wel. Hoe de onderzoekers van IBM dit probleem hebben opgelost, is niet duidelijk, maar gezien het gebrek aan details zijn er vast geen bergen verzet. Ook dat noopt tot enige relativering van de perstamtam die is begonnen nadat IBM het persbericht de wereld instuurde.
Gaatjes boren in chips is niet zo makkelijk omdat de verhouding tussen de diameter en diepte technologisch beperkt is. Dunne chips, zoals deze van het Duitse IMS, zijn daarom belangrijk voor 3D chips.
Bovendien zijn er nog meer problemen die 3D-chipmakers de komende jaren moeten oplossen. Het warmteprobleem dat in de jaren 80 het onderzoek tijdelijk op een laag pitje zette, bezorgt nog menig researcher hoofdpijn. Het ontbreekt aan manieren om warmteafvoer goed te simuleren. Het vinden van de hotspots is daarom geen sinecure. Ook testingenieurs staan voor een grote uitdading om economisch haalbare methoden te ontwikkelen om multilaags-dies te testen.
En, tenslotte, de tools om 3D chips te ontwerpen, schieten ook nog ernstig tekort. Een typische kip-of-eisituatie, oordeelt Beyne. ’Zonder 3D chips geen tools en zonder tools geen chips.‘ Imec, ook al jaren actief op 3D-chipgebied, springt in dat gat en gaat een ontwerpgroep speciaal voor 3D electronic design automation in het leven roepen
Consensus om die problemen te tackelen, lijkt vooralsnog te ontbreken. ’Vraag vijf mensen over hoe nu verder te gaan en je krijgt meer dan vijf verschillende antwoorden‘, zegt directeur Sitaram Arkalgud van Sematechs interconnectsdivisie. Juist daarom zijn initiatieven als die van zijn eigen organisatie en de ITRS om 3D chips in roadmaps te gieten zo belangrijk. De recente publieke mededeling van IBM mag daarom technologisch lood om oud ijzer zijn, het miljardenconcern zet de gestapelde siliciumplakjes wel op de agenda. Het Amerikaanse bedrijf heeft de deur op een kier gezet. Van 3D chips gaan we nog horen.