芯片堆叠技术将给电子设备带来重大改变

作为几乎所有日常电子产品最基础的一个组件，微芯片正出现一种很有意思的现象。通常又薄又平的微芯片，如今却堆叠得像薄煎饼那样，由二维变成三维——这将给电子设备带来重大的影响。

芯片设计师们正在发现那种堆叠方式可在性能、能耗和功能上带来各种意想不到的好处。没有这种技术，苹果智能手表Apple Watch也就无法做出来，三星最先进的固态存储器、来自英伟达和谷歌的人工智能系统和索尼超级快速的新型相机也不例外。

这种3D堆叠类似于城市规划。没有它的话，随着产品需要内置更多的零部件，电路板上的微芯片会不断延伸，微芯片之间的距离会越隔越远。然而，一旦开始对芯片进行堆叠，你就能形成一个硅制“城市”，里面的一切会变得更加邻近。

从物理学角度来看，这种设计的优势显而易见：当电子需要通过铜线行进更长距离的时候，会消耗更多的能量，产生热量，同时也减少频宽。ARM旗下微芯片设计公司ARM Research未来硅技术主管格雷格·耶里克指出，堆叠式芯片更加高效，产生较少的热量，能够以光速在短得多的互联通道里进行通信。

虽然3D堆叠芯片背后的原理简单明了，但要制造起来可不容易。耶里克说道，该技术概念于1960年代被首次提出，此后零星地出现在一些高端应用当中，比如军用硬件。

堆叠式芯片通常是其他蜷缩起来的芯片“封装”的一部分。除了节省空间以外，还可让厂商们能够（通过不同的制造工艺）打造许多不同的芯片，然后多多少少将它们黏合在一起。“3D堆叠式封装”的做法不同于频繁用于手机的“系统级芯片”做法，后者是将所有不同的手机部件蚀刻在单一的硅片上。

从第一代开始，Apple Watch就由最先进的3D堆叠式芯片封装之一驱动。在该智能手表中，30种不同的芯片密封在一个塑料包层里面。为了节省空间，存储芯片堆叠在逻辑电路上面。要是没有芯片堆叠技术，该手表的设计就无法做得如此紧凑。

苹果的芯片只是堆叠成两层高，而三星却做出了名副其实的硅制“高楼大厦”。三星用于手机、相机和笔记本数据存储的V-NAND闪存足足堆叠了64层芯片。三星也刚刚宣布，未来的版本将会有96层。英伟达针对人工智能打造的Volta微处理器，GPU上堆叠了八层的高频宽存储器。

存储是芯片堆叠技术的一项自然而然的应用，因为它解决了长久以来一直困扰芯片设计师的一个问题：给从iPad到超级计算机的任何设备增加更多的核心，并不能换来所期望的速度提升，因为逻辑电路之间的通信延迟和所需要的存储能力。而将存储组件直接堆叠在芯片上，则可以让二者之间的连接路径缩短。

芯片堆叠也带来了一些全新的功能。有的手机摄像头将图像传感器直接叠加在处理图像的芯片上面。额外的速度意味着，它们能够对照片进行多次曝光，并将其融合在一起，在昏暗的场景里捕捉到更多的光线。

让芯片从二维变成三维，只是个开始。不久以后，芯片层将会通过光而非电流来通信。在更遥远的未来，随着我们用拥有前所未见的处理性能的闪亮晶体替换电路板，它们将会完全摆脱硅——可能转向人造钻石。

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