Kolmemõõtmeline integraallülitus

Kolmemõõtmeline integraallülitus (inglise keeles "Three-Dimensional Integrated Circuit", 3D-IC) on mikrokiip, mida toodetakse ladudes ränist valmistatud pooljuhtplaate ja/või kive üksteise peale, mis on ühendatud vertikaalselt läbi-räni viikude (inglise keeles "Through-Silicon Via", edaspidi TSV) abil, moodustates ühe seadme. Sellise meetodiga saavutatakse täiendatud jõudlus väiksema voolutarbe ja jalajäljega võrreldes hariliku, kahemõõtmelise integraallülitusega. 3D-IC-d on osa kolmemõõtmelisest integratsioonist, mis kasutab vertikaaltasandit parema elektrilise jõudluse saavutamiseks. 3D-IC-sid saab liigitada ühenduste hierarhia kaudu globaalsel (ehk kiibikorpuse), vahepealsel (ehk ühenduspadja) ja lokaalsel (ehk transistori) tasemel.
Kolmemõõtmeline integratsioon hõlmab tehnoloogiaid nagu ruumiline pooljuhtplaadi tasemel pakendamine (inglise keeles "3D wafer-level packaging"); poolruumiline ja ruumiline interposeerija põhine integratsioon (inglise keeles "2.5D and 3D interposer-based integration"); ruumiliselt laotud mikrokiibid (inglise keeles "3D-SICs"), monoliitsed 3D-IC-d; ruumiline heterogeenne integratsioon; ja ruumiliste süsteemide integratsioon.
Rahvusvahelised organisatsioonid nagu Jisso Technology Roadmap Committee (JIC) ja International Technology Roadmap for Semiconductors (ITRS) on tegutsenud, et liigitada mitmeid kolmemõõtmelisi integratsioonitehnoloogiaid ja edendada kolmemõõtmelise integratsiooni standardeid ja tegevuskavu.
Erinevused kolmemõõtmeliste integraallülituste ja kolmemõõtmeliste kiipide vahel.
Kolmemõõtmeline kiip (inglise keeles "3D Packaging") võimaldab laduda eraldi kivi, et luua terviklik süsteem ühes kiibikorpuses(inglise keeles "System in Package", SiP) või mitmekiibiline moodul (inglise keeles "Multi-chip Module", MCM). Kuigi kiibid asetsevad ühes korpuses, ei moodusta individuaalsed integraallülitused ühte tervikut. Kiipide vaheline andmevahetuse kiirus ei suurene.
3D-IC aga moodustab ühe terviku, mis võimaldab komponentidel üksteisega suhelda terves integraallülituses, olenevalt sellest, kuidas see on kavandatud vetrikaal- ja horisontaaltasandil. 3D-IC-d saad jaotada 3D laotud IC-deks (inglise keeles "3D Stacked ICs", 3D SIC), mis on mikrokiibi kivid laotud virna ja ühendatud TSV-de abil ning monoliitsed 3D-IC-d, kus kolmemõõtmelised ühendused luuakse vertikaaltasandil 3D-IC kihtide vahele.
Kolmemõõtmeliste integraallülituste tootmistehnoloogiad.
Alates aastast 2014 on välja lastud mitmeid mälutooteid nagu High Bandwidth Memory (HBM) ja Hybrid Memory Cube (HMC), mis kasutavad 3D-IC-sid koos TSV-dega. Kasutatakse ja uuritakse mitmeid valmistamisviise. Nendeks on näiteks kivi-kivile (inglise keeles "die-to-die"), kivi-pooljuhtplaadile (inglise keeles "die-to-wafer") ja pooljuhtplaat-pooljuhtplaadile (inglise keeles "wafer-to-wafer"). Arenemisjärgus on ka monoliitsed 3D-IC-d.
Kolmemõõtmeliste integraallülituste valmistamisviisid:
Kolmemõõtmeliste integraallülituste eelised.
Kuigi traditsioonilised CMOS-i skaleerumisprotsessid muudavad signaali levimiskiiruse paremaks, on praegused tootmis- ja kiipide disaini tehnoloogiad muutumas vaevarikkamaks ja kulukamaks. Osaliselt on selle põhjuseks jõudluse ja tiheduse piirangud, ja osaliselt transistoride kiiruse suurenemine samal ajal kui ühenduste kiirused mikrokiipides ei suurene. 3D-IC-d lahendavad skaleerumise probleemi, võimaldades kahemõõtmelisi kive laduda virna ning ühendada neid vertikaaltasandil. See võimaldab kiirendada infovahetust virna laotud kiipide vahel, võrreldes tasandiliselt paigutatud kiipidega. 3D-IC-d võimaldavad mitmeid eeliseid:
Kolmemõõtmeliste integraallülituste raskused.
Tehnoloogia uudsuse tõttu esineb raskusi ja uusi katsumusi:
Kavandamislaadid.
3D-IC-des on võimalik funktsionaalsete plokkide põhjal eristada kahte kavandamislaadi: värava-tasemel ja plokk-tasemel integratsioon.
Simulaatorid.
IntSim on avatud lähtekoodiga raalprojekteerimistarkvara, millega on võimalik simuleerida 2D ja 3D-IC-sid. IntSim v1.0 arendas 2007. aastal Deepak Sekar, Georgia Tehnoloogiainstituudis. IntSim v1.0 on MATLABi-põhine 2D-IC simulaator. IntSim v2.0 tarkvara arendas 2011. aastal Monolithic 3D Inc. IntSim v2.0 on Java-põhine 2D ja 3D-IC simulaator, mis võimaldab uurida kiibi suurust, voolutarvet ja skaleerumise arengusuunda.