美国单片式3D芯片问世：性能突破1000倍，重塑算力格局

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12月15日消息，据外媒Tom’s Hardware报道，日前，在美国SkyWater Technology公司的商业晶圆厂内，来自斯坦福大学、卡内基梅隆大学、宾夕法尼亚大学以及麻省理工学院的研究团队，成功制造出首个在美国本土产出的单片式3D芯片。这一突破有望为未来的设备带来高达1，000 倍的能效提升。该团队在12月6日至10日举行的IEEE国际电子器件会议（IEDM 2025）上展示了他们的研究成果。

报道指出，这款3D芯片通过在一个连续的制造流程中，将DRAM内存和逻辑单元直接堆叠在一起，其架构与传统2D芯片的布局完全不同。需要强调的是，研究人员并非将多个成品芯片组装成一个封装，而是通过低温工艺，在同一晶圆上顺序构建每一层器件。这种设计能够确保底层电路不受损伤，从而形成密集的垂直互连网络，显著缩短存储单元与计算单元之间的数据传输路径。

原型3D芯片是在SkyWater的200毫米晶圆生产线上，采用成熟的90纳米至130纳米工艺制造的。该堆栈集成了传统的硅基CMOS逻辑层、电阻式RAM层以及碳纳米管场效应晶体管，所有这些材料均在约415°C的热预算下完成制造。研究团队表示，早期的硬件测试结果显示，在类似延迟和占用面积下，其吞吐量相比传统2D实现方案提升了大约四倍。

除了实测的硬件成果，研究人员还通过模拟评估了更高层数的堆栈潜力。具备额外内存和计算层的设计，在处理人工智能风格的工作负载时，显示出了高达12倍的性能提升，这其中包括源自Meta公司LLaMA架构的模型。该小组进一步认为，通过持续增加垂直集成层数而非缩小晶体管尺寸，该架构最终有望在能效（速度与效率的综合指标）方面实现100倍到1000倍的改进。

虽然学术实验室此前已展示过实验性的3D芯片，但该团队强调，此项工作的独特之处在于它是在商业铸造环境中构建的，而非在定制的研发生产线上完成。参与该项目的SkyWater公司高管表示，这一努力证明了单片3D架构能够转移到国内制造流程中，而不仅仅局限在大学实验室的洁净室内。

SkyWater Technology技术开发运营副总裁Mark Nelson表示：“将一个前沿的学术概念，转化为商业晶圆厂能够打造的产品，是一项巨大的挑战。”

编辑：芯智讯-浪客剑