أثر التكامل الثلاثي على أداء المجهزات الدقيقة والتقليل من الإدمان

وقد سعت صناعة شبه الموصلات منذ وقت طويل إلى تحقيق هدفين رئيسيين: زيادة حجم الأداء وتقلص حجم الأجهزة، وشمل المسار التقليدي، على مدى عقود، زيادة عدد المترجمين إلى رقاقة واحدة من المخطّط، ومع ذلك، فإن نهج الحد الأقصى من تأثير قانون مور، قد تحول إلى البعد الثالث، حيث أن ثلاثة أبعاد هي: ثلاثية الأبعاد، مكوّنة رقائق أو طبقات متعددة، ظهرت كاختناق نموذجي.

التفاهم 3 دال - التكامل

وفي جوهرها، يتمثل دمج الـ 3D في التعبئة الرأسية لشبه الموصلات في الموت أو الطبقات، متداخلة مع استخدام تكنولوجيات مثل عبر السيليكون (السيارات) أو الميكروبات أو الرواسب الهجينة، خلافاً للتكامل الاحتكاري التقليدي الذي تُصنع فيه جميع الدوائر على طبقة واحدة من الويسكي، يتيح التكامل الثلاثي الأبعاد لبنات وظيفية مختلفة - مثل الشعار والذاكرة والمرونة.

من 2D إلى 3D: محرك في الهندسة

وفي تصميمات الطائرات التقليدية التي تبلغ مساحتها ٢ دال، تقع جميع المترجمين والوصلات المترابطة على نفس الطائرة الأفقية، وهذا الترتيب يقوى روابط عالمية طويلة تجتاز الرقاقة بأكملها، وتستهلك قوة كبيرة وتؤخرها، ونظرا لأن أحجامها الرئيسية تتقلص، فإن التأخير الذي تسهم به تلك الأسلاك غير المترجمين الذين يقطعون عنها الزمن، يشكل عاملا مهيمنا.

التكنولوجيات التمكينية الرئيسية

(ب) استخدامات الوجبات الخفيفة (المقياس المقياسي) (المقياس المقياسي) (المقياس المقياسي) (المقياس المقياسي) (المقياس المقياسي) (المقياس المقياسي للثدي) (المقياس المقياسي) (المقياس المقياسي: (FLT:3)

التكامل المتجانس

ومن أكبر مزايا التعبئة 3D القدرة على الجمع بين التكنولوجيات المتفرقة - الشعارات المتقدمة، والذاكرة عند النوافذ المثلى، ورقائق الأشعة، والمجسات، والصور - كلها في مجموعة واحدة، وهذا المفهوم، الذي كثيرا ما يسمى التكامل المتجانس ، يتيح عملية التغذوية على أساس نوع من النسيج دون أي شكل من أشكال التجزئة.

مكاسب الأداء من التكامل 3D

وتتجلى فوائد الأداء في إدماج 3D في ثلاثة مجالات هي: انخفاض التأخير في الربط بين الشبكات، وزيادة نطاق الذاكرة، والقدرة على إدماج المعجلات المتخصصة القريبة من تجهيز النواة الأساسية.

تقلص الاتصالات، بزغ السرعة

In 2Dرقائق, long global wires canfipters, imposing substantial delays and requiring repeaters that consume power and area. 3D integration reduces critical pathtric by placing communicating blocks in capitally adjacent layers.

Memory Bandwidth Revolution

وربما يكون أكثر تأثيرات الأداء ازدحاماً من حيث التذكرة مباشرةً، فالوصلات بينية تقليدية للذاكرة - مثل الدي دي أو حتى GDDR - محدودة بعدد الدبابيس وطول آثارها على لوحة الذاكرة الحاسوبية المطبوعة.

المعجلات المتخصصة التمكينية

كما يتيح التكامل الثلاثي التقارب الدقيق بين المعجلات المتخصصة مثل وحدات التجهيز العصبي، أو النواة الغرافية، أو المحركات البكتريوغرافية - مباشرة على رأس المجهز الرئيسي، ويقلل هذا التكامل من رأس البيانات المتحركة إلى هذه المعجلات ومنها، ويحسن كفاءة الطاقة، وينفذ في إطار نظام مركب متحرك، مختلط مكرس فوق الموصلات.

التمكين من التنويم الطفولي في الأجهزة الحديثة

وفي حين أن مكاسب الأداء تبرز عناوين رئيسية، فإن دور إدماج الـ 3D في التقليل من الـمـواد هو دور متغير أيضاً، والطلب على أجهزة أصغر وأرق وأخفق - من الهواتف الذكية إلى أجهزة التكتل - التي تجهز مزيداً من القدرات الوظيفية إلى آثار محدودة.

تخفيض البصمات بدون التضحية

وفي مخطط تقليدي من طراز 2D، يتطلب إضافة المزيد من المترجمين أو الذاكرة إما نمو منطقة الموت أو الانتقال إلى عقد أصغر، وكلتا الخيارين يقللان من العائدات وتصعيد التكاليف.

قصيدة ورموغ

ومن أبرز الأمثلة على التصغير، إدماج نظام تبادل البيانات الرقمية المحمول مباشرة على رأس مجهز التطبيقات، حيث كثيرا ما يسمى بمقياس للطرد على أساس الحزمة، ويستخدم نظاما للذاكرة على أساس التراكم، ويستخدم نظاما للذاكرة على أعلى مستوى، مع وجود طبقة رقيقة من الوصلات (سندات الأسلاك السلكية أو أجهزة الفيديو الرقمية) في حين أن حجم التعبئة غير صحيح في طريقة التنفيذ على أساس ثلاثي الأبعاد.

الأثر على النظم القابلة للزراعة والدمج

بالنسبة للملابس الذكية وأجهزة الأذن اللاسلكية، فإن كل عدد من أجهزة قياس المقياس 3D يسمح للمصممين بدمج التجهيز والذاكرة والوصل اللاسلكية ودمج أجهزة الاستشعار في وحدة مجهزة لا تكدس سوى بضع مئات من الميكرومترات، مما يتيح القدرة الوظيفية التي كانت مستحيلة في السابق في عوامل الشكل الصغيرة، مثلاً، يمكن لنظام رصد الصحة من الدرجة الطبية أن يشمل الآن مقياساً صغيراً.

الوفورات الفضائية في مراكز البيانات

فالتقليل من التناقص ليس فقط بالنسبة لأجهزة المستهلكين، ففي مراكز البيانات، حيث تكون المساحة الأرضية والطاقة باهظة التكلفة، يتيح التكامل بين 3D نصلات خدمة الكثافة، ويمكِّن من خلال تجميع الذاكرة مباشرة على المجهزين، من تخفيض عدد فترات الدمج الصافية للذاكرة، مما يتيح زيادة عدد المجهزات لكل ثكنة، وهذا الاتجاه واضح في وحدات عالية الجودة من وحدات التلقيم والوحدة العالمية التي تستخدم الاصطناعية ذات السعة 3D لتقليص التدريجي لدمج.

التحديات الرئيسية والإدارة الحرارية

وعلى الرغم من وعدها، فإن إدماج الـ 3D ليس بدون عقبات، فالتحديات التقنية الأكثر أهمية تدور حول تفكك الحرارة، وتعقيد التصنيع، والتكلفة، والاختبار.

Thermal Bottleneck

(أ) عندما تُكبَّد الرقائق، يجب أن تُسفر الحرارة من كل طبقة من خلال التفاعل بين الوصل والربط بين الوصلات الحرارية للوصول إلى مغسلة حرارية، وتكون السمية الحرارية للمواد الرباطية (مثل السائلة) ضعيفة، بينما تُحدث الوجبات الخفيفة (Gtack) مسار مقاومة حراري مرتفع، ويمكن أن يؤدي ذلك إلى ظهور بؤر عالية من الموثوقية والحد من الأداء.

التصنيع

ويستلزم التكامل 3D الدقة القصوى في المواءمة والترابط، كما أن سوء الطاقات التي تقل عن الميكروفون يمكن أن يسبب الفشل الكهربائي أو تدهور الأداء، ويجب أن تحقق عمليات التكييف والتعبئة نسبا عالية من حيث الجوانب دون فراغات، وهو أمر يصعب تحقيقه في إطار عمليات التعبئة الغذائية الضيقة، بالإضافة إلى أن التعبئة من أجل كشف السلاسل الغذائية، مما يؤدي إلى هشاشة، وهو شاغل رئيسي: وجود خلل في أي طبقة أعلى يمكن أن يؤدي إلى تخفيف قيمة الإضافة إلى زيادة التكلفة.

الاختبار والاعتماد

ويطرح اختبار مجموعة الـ 3D تحديات فريدة، ويجب اختبار الديوت قبل الاختراق (الموت الصالح المعروف)، ولكن التجمع النهائي المكبوت يتطلب اختبارات وظيفية يمكن أن تمارس جميع الطبقات في وقت واحد، ولا يمكن لبطاقات الاختبار التقليدية أن تصل إلى أجهزة التصوير المتناثرة المدفونة بشدة، وبالتالي يجب على المصممين أن يدمجوا هياكل الاختبار الذاتي المصغرة، كما أن الإجهاد الحراري والميكانيكي الناجم عن الاسترقاق يؤثر أيضاً على آليات التخلف.

اعتبارات التكاليف

أما فيما يتعلق بتشكيل العمليات المضافة، وتكرير المواهب، والمواءمة، والربط، والاختبارات - زيادة تكاليف الرواسب والتغليف بمعامل يتراوح بين 1.5 و3، وبالنسبة للأسواق التي تراعي التكاليف مثل الهواتف الذكية، فإن الفوائد كثيرا ما تبرر هذه العلاوة، ولكن بالنسبة لتطبيقات أقل حجما أو أدنى من المارج يمكن أن تكون باهظة، وتخفض وفورات الحجم تدريجيا تكاليف التكامل بين ثلاثة مدونات.

The Road Ahead: Emerging 3D Technologies

ومستقبل التكامل الثلاثي الأبعاد مشرق، حيث تستعد عدة تكنولوجيات ناشئة للتغلب على القيود الحالية وفتح المزيد من الأداء والكثافة.

"هايبريد بوندينغ" في "سكالي"

فالربط الهجين، الذي يستخدم ربطا مباشرا بين النحاس والنحاس والديكلتري دون بيع، يوفر أفضل وصلات بينية (من أسفل إلى ملعب صغير من الدرجة الأولى) وهذه التكنولوجيا تستخدم حاليا في أعلى المنتجات، مثل الرابحة من طراز AMD-3D V-Cache، حيث يربط مباشرة بين رقائق الوصلات الدقيقة التي تبلغ كثافة الطول 64 ميغابايت.

Monolithic 3D Integration

(ب) إن التكامل بين الـ 3 دال (M3D) يبني طبقات مترجمة تسلسلية على وفرة واحدة، باستخدام قوارير بين الطوابق التي تقل حجمها عن الـ TSVs، ويعود هذا النهج بأعلى كثافة ممكنة فيما بين القطاعات وسمكة منخفضة من الطبقات، ولكنه يتطلب تجهيزاً منخفضاً زمنياً لتجنب إحداث أضرار في المترجمين الرئيسيين للصور.

تكامل الدجاج وقطع الغيار

والانتقال إلى التصميم القائم على الرقاقة - حيث تُقسم المجهزات الكبيرة إلى مجهزات أصغر حجماً - يتوافق في الواقع مع التكامل بين 3D، ويحد معيار " شيبلت " العالمي من الربط السريع، الذي تدعمه شركات رئيسية، من طبقة مادية للتواصل بين الموتى والعمر، بما في ذلك الاختراق المنطقي الذي يوحد بينات، ويمكِّن من تركيبات من العشب، ويعزز وجود نظام إيكولوجي مفتوح.

الحلول الحرارية المتقدمة

ويتقدم البحث في مجال الإدارة الحرارية بسرعة، ويظهر التبريد المتناهي الصغري بالقنوات المدمجة في مجموعة الوجبات الخفيفة الوعود بإزالة الـ 1 كيلوواط/كغم2، ويستخدم نهج آخر مبردات حرارية ثابتة في الولايات المتحدة تدمج في واجهة الترابط، وبالإضافة إلى ذلك، يجري استكشاف عناصر جديدة عالية القدرة على إحداث الاحترار بالماس أو متداخلات الرسم البيانية، وتقترن هذه الحلول بأدوات تصميمية أفضل في المستقبل.

أدوات البرمجيات والتصميم

ومن أجل الاستفادة الكاملة من التكامل 3D، يجب أن تتطور أدوات التشغيل الآلي للتصميم الإلكتروني، حيث أن الأدوات الحالية تعالج الوجبات الخفيفة من ثلاثية الأبعاد باعتبارها نظما متعددة الأقياد، ولكن الصناعة تتحرك نحو أدوات التصميم المادي من ثلاث دي التي تتقن التوقيت والطاقة والزئبق الحرارية عبر الطبقات، وقد أصدرت شركات مثل الكادنس والسندوزين منصات التصميمية من ثلاث دي إنترات تتيح للمصممين تبسيط عملية الاختبارات في وقت واحد.

خاتمة

وقد أعاد إدماج هذه المواد تصميمها عن طريق تحقيق مكاسب كبيرة في الأداء والتقليل إلى أدنى حد، ومع وجود روابط أقصر، وزيادة هائلة في نطاقات الذاكرة، والقدرة على ربط التكنولوجيات المتجانسة في بصمة مدمجة، فقد أصبحت حجر الزاوية في التكوين العالي الأداء والحساب المتنقل، وفي حين أن التحديات المتصلة بإدارة المواد الحرارية، وتعقيد الصناعات التحويلية، والوعود الهندسية، تظل قائمة على الابتكارات القائمة في مجال المقاييس.