در دنیای رو به پیشرفت مدارهای مجتمع، آی سی های سه بعدی به عنوان یک نوآوری شناخته می‌شوند که نوید عملکرد بهبودیافته، مصرف انرژی کمینه و طراحی فشرده‌تری را به توسعه‌دهندگان ابزار الکترونیکی می‌دهند. در این مقاله قصد داریم به پیچیدگی‌های فناوری آی سی سه‌بعدی بپردازیم و اهمیت، معماری، مزایا و کاربردهای آن را روشن کنیم.
تکنولوژی آی سی سه بعدی چیست؟
در طی 40 سال گذشته، صنعت نیمه‌هادی‌ها شاهد پیشرفت‌های بزرگی در حوزه مدارهای مجتمع با کاربری خاص و بهبود عملکرد آن‌ها بوده است. با این حال به علت محدودیت‌هایی که قانون مور ایجاد می‌کند، فرایند کوچک سازی ابزار الکترونیکی بسیار پیچیده و سخت بوده است. در حال حاضر کوچک کردن ابعاد دستگاه‌ها زمان بیشتری می‌طلبد، هزینه بالایی دارد و از نظر فناوری، طراحی، تجزیه و تحلیل و ساخت نیز چالش‌هایی را ایجاد می‌کند. اما این چالش‌ها به کمک آی سی های سه بعدی قابل حل هستند.
آی سی‌ها معمولا از کنار هم قرار گرفتن چندین چیپلت (chiplet) در یک پکیج واحد تولید می‌شوند. این چیپلت‌ها به صورت هم‌زمان با هم کار می‌کنند و بنابراین می‌توانند باعث بهبود عملکرد آی سی‌ها شوند. این قطعات ممکن است روی یک پایه سیلیکونی یا ارگانیک مجتمع شوند. در صورتی که به‌شکل افقی در کنار یکدیگر قرار گیرند تحت عنوان 2D یا 2.5D شناخته می‌شوند و در صورتی که به‌شکل عمودی مجتمع شوند به آن‌ها 3D گفته می‌شود. پس می‌توان گفت آی سی سه بعدی مدار مجتمعی است که در آن دو یا چند چیپلت به کمک فناوری سه بعدی در یک پکیج به صورت عمودی در کنار هم قرار گرفته‌اند. طراحان توانسته‌اند معماری یکپارچه سنتی را به چند چیپ یا چیپلت کوچکتر تقسیم کرده و آن‌ها را در یک پکیج واحد مجتمع کنند. با استفاده از این رویکرد، آی سی های سه بعدی یا 3D فضای فیزیکی کمتری را اشغال می‌کنند و در عین حال عملکرد فوق العاده بالاتری را در مقایسه با آی سی های سنتی ارائه می‌دهند.
از آنجایی‌که لوازم الکترونیکی مصرفی همچنان درحال پیشرفت هستند، طراحان و توسعه‌دهندگان نیاز دارند روش‌های جدیدی مثل آی سی های سه بعدی را برای مقابله با محدودیت‌های روش‌های سنتی ابداع کنند. پیچیدگی این ابزار با پیشرفت مدارهای الکترونیکی و گسترش مشخصات فنی آن‌ها افزایش می‌یابد و بنابراین نیاز به قدرت پردازش بالاتری دارند. برای دستیابی به این هدف، لازم است طراحان از تکنیک‌های جدید برای توسعه چیپ‌ها و اتصال آن‌ها به هم استفاده کنند.
معماری آی سی های سه بعدی
همانطور که قبلا گفته شد، آی سی های سه بعدی به عنوان مسیری برای غلبه بر محدودیت‌های قانون مور شناخته می‌شوند. گوردون مور بر این باور است که هر دو سال یک بار تعداد ترانزیستورهای موجود در نیمه‌هادی‌ها دو برابر شده و در نتیجه سرعت، ظرفیت و توان عملیاتی نیز افزایش می‌یابد. یکپارچه‌سازی ناهمگون نیمه‌هادی‌ها نقطه عطفی است که نه تنها معماری‌های جدیدی را به بازار معرفی می‌کند، بلکه فرآیند مهندسی را نیز متحول می‌سازد. فناوری 3D IC امکان انتقال داده با تاخیر کم و پهنای باند بالا را فراهم می‌کند و به شرکت‌ها اجازه می‌دهد لوازمی با ابعاد کوچکتر و عملکرد بهتر تولید کنند. این کار همچنین هزینه‌های تولید را کاهش داده، بازدهی ابزار را افزایش داده و مصرف انرژی را نیز کمتر می‌کند و بنابراین به طور کلی هزینه‌ها را پایین می‌آورد.
معماری 3D IC به این صورت است که تیم‌های طراحی به جای استفاده از معماری یکپارچه سنتی، چندین چیپ یا چیپلت کوچکتر تولید می‌کنند و سپس در پکیج‌هایی با کارایی بالا این چیپلت‌ها را دوباره به صورت عمودی روی هم قرار داده و یکپارچه می‌کنند. این رویکرد نوآورانه امکان اتصال لایه‌های عملکردی مختلف، مانند لایه منطقی، حافظه و حسگرها را فراهم می‌کند و راه را برای افزایش تراکم ارتباطات و کاهش طول اتصالات باز می‌کند. فناوری اتصال از طریق سیلیکون (TSV) نقش اساسی در اتصال این لایه‌ها در طراحی‌های دوبعدی و دو و نیم‌بعدی دارد و انتقال روان و بی‌دردسر داده‌ها بین این لایه‌ها را ممکن می‌سازد. همچنین، از فناوری باندینگ هیبریدی برای اتصال بین چیپلت‌های پشته (stacked) شده در طراحی‌های سه‌بعدی استفاده می‌شود.
مزایای تلکنولوژی آی سی سه‌بعدی
فناوری مدارهای مجتمع سه بعدی مزایای متعددی به همراه دارد. به عنوان مثال باعث بهبود عملکرد مدار، کاهش مصرف انرژی آن، کاهش ابعاد آن و مدیریت حرارتی بهینه آن می‌شود.
طول کوتاه‌تر اتصالات در مدارهای مجتمع سه‌بعدی و تراکم بیشتر ارتباطات در آن‌ها منجر به افزایش نرخ انتقال داده و در نتیجه تاخیر کمتر در پردازش داده‌ها می‌شود. همچنین قرار دادن عمودی اجزا در مدارهای سه‌بعدی باعث کاهش تداخل الکترومغناطیسی بین بخش‌های مختلف آی سی می‌شود. این ویژگی‌ها عملکرد کلی دستگاه را بهبود می‌بخشد. همچنین اتصالات کوتاه‌تر در آی سی های سه‌بعدی از تخریب سیگنال و اتلاف انرژی جلوگیری کرده و مصرف انرژی را در مقایسه با فناوری‌های دوبعدی کاهش می‌دهد.
آی سی های سه‌بعدی امکان ادغام چندین عملکرد در یک فضای کوچکتر را فراهم می‌کنند و بنابراین برای تولید دستگاه‌های با ابعاد کوچکتر ایده‌آل هستند. چیدمان عمودی اجزا در آی سی‌های سه بعدی، دفع حرارت را به شکل کارآمدتری تسهیل کرده و چالش‌های حرارتی مرتبط با دستگاه‌های الکترونیکی متراکم را برطرف می‌سازد.
به این ترتیب می‌توان گفت تکنولوژی آی سی سه‌بعدی به طور قابل ملاحظه‌ای می‌تواند عملکرد کلی دستگاه را بهبود بخشیده و به طراحی و توسعه ابزار با ابعاد کوچکتر که امروزه بیشتر مورد پسند افراد است کمک کند.
کاربردهای تکنولوژی آی سی 3D
فناوری آی سی های سه بعدی بسیار قدرتمند است و در صنایع مختلف کاربرد دارد. با ظهور تکنولوژی 5G کاربردهای وسیعی در زمینه تلفن‌های همراه، اینترنت اشیا، صنعت خودروسازی و همچنین بخش‌های دیگر معرفی شدند. بنابراین، نیاز به طراحی‌های جدید برای مقابله با مشکلات احتمالی در مسیر دستیابی به این کاربردها احساس شد. اخیرا، فرایند طراحی یکپارچه روی فناوری‌های پردازشی و معماری سیستم‌ها تمرکز کرده تا به راه حلی برای افزایش و بهبود عملکرد دستگاه‌ها دست یابد. یکی از برترین راه‌حل‌های معرفی شده، طراحی آی سی های 3D است که ابزار و دستگاه‌های کوچک، با عملکرد بهینه و مصرف کم انرژی تولید می‌کند.
به عنوان مثال، رشد سریع نیاز به پهنای باند بین پردازنده و حافظه یک گوشی هوشمند، به‌ویژه در وظایفی مانند پخش ویدئو، چالشی جدی برای برقراری ارتباط بین تراشه‌های مختلف دخیل در اجرای این وظیفه ایجاد می‌کند. مدیریت مصرف انرژی اهمیت فوق العاده‌ای خواهد داشت و برای بهبود آن باید طول خطوط اصلی انتقال داده در سیستم را با فشرده‌سازی آن در پکیج‌های واحد به حداقل رساند. این کار تنها با سه‌بعدی کردن آی سی‌ها امکان‌پذیر خواهد بود. برخی از اصلی‌ترین کاربردهای آی سی سه‌بعدی عبارتند از:
محاسبات با کارایی بالا
در دنیای ابررایانه‌ها و مراکز داده، آی سی های سه‌بعدی نقش کلیدی در افزایش بهره‌وری و کاهش زمان پردازش ایفا می‌کنند. این تراشه‌های پیشرفته با ارائه قدرت پردازشی بسیار بالا، می‌توانند تأخیر در انجام محاسبات را به حداقل برسانند. نتیجه این قابلیت، امکان تجزیه و تحلیل سریع‌تر و دقیق‌تر داده‌های حجیم و پیچیده‌ای است که در حوزه‌هایی مانند هوش مصنوعی، شبیه‌سازی علمی و تحلیل داده‌های بزرگ به‌کار می‌روند. با استفاده از این فناوری، سازمان‌ها می‌توانند سرعت و کارایی عملیات خود را به سطحی بی‌سابقه برسانند.
الکترونیک مصرفی
در دستگاه‌های هوشمند و قابل حمل مانند تلفن‌های همراه، ساعت‌های هوشمند و حتی لوازم خانگی متصل به اینترنت، استفاده از آی سی های سه‌بعدی تحولی در بهبود تجربه کاربری ایجاد کرده است. این تراشه‌ها با افزایش کارایی و کاهش مصرف انرژی، باعث می‌شوند طول عمر باتری در دستگاه‌های قابل حمل بهبود یابد. علاوه بر این، فناوری آی سی سه‌بعدی می‌تواند عملکرد دستگاه‌ها را بهینه کرده و قابلیت‌های جدیدی مانند پردازش سریع‌تر، ذخیره‌سازی بهتر و پاسخگویی دقیق‌تر را فراهم کند.
صنعت خودروسازی
در خودروهای هوشمند و پیشرفته امروزی، سیستم‌های کمک‌راننده پیشرفته (ADAS) و خودروهای خودران به حجم عظیمی از داده‌ها نیاز دارند که توسط حسگرهای متعدد تولید می‌شود. این داده‌ها باید در کمترین زمان ممکن و به صورت بلادرنگ (real-time) پردازش شوند تا تصمیم‌گیری صحیح و ایمن در شرایط مختلف فراهم شود. آی سی های سه‌بعدی با توانایی پردازش بالا و کاهش تأخیر، به خودروها این امکان را می‌دهند که داده‌های دریافتی از حسگرها را سریع‌تر تحلیل کنند و بدین ترتیب ایمنی و کارایی در حمل‌ونقل به سطح بالاتری ارتقا یابد.
دستگاه‌های پزشکی
فناوری آی سی های سه‌بعدی در تجهیزات پزشکی نیز کاربردهای بسیار گسترده‌ای دارد. از تصویربرداری پزشکی دقیق‌تر و سریع‌تر گرفته تا ابزارهای تشخیصی پیشرفته و حتی دستگاه‌های قابل کاشت که در بدن انسان استفاده می‌شوند، همگی می‌توانند از قابلیت‌های منحصر به فرد این تراشه‌ها بهره ببرند. این تراشه‌ها باعث می‌شوند پردازش داده‌ها و تجزیه و تحلیل اطلاعات با دقت بیشتری انجام شود، که نتیجه آن ارائه نتایج دقیق‌تر و کمک به پزشکان در تشخیص بهتر و درمان موثرتر خواهد بود.
این فناوری نوین، با کاربردهای گسترده خود در صنایع مختلف، نویدبخش آینده‌ای است که در آن کیفیت زندگی به طرز چشمگیری بهبود می‌یابد.
آینده فناوری آی سی های سه بعدی
با ادامه پیشرفت سریع فناوری، آینده 3D ICها روشن‌تر از همیشه به‌نظر می‌رسد. پژوهش‌گران و مهندسان به‌صورت خستگی‌ناپذیر در حال مطالعه برای بهبود فناوری‌های پکیجینگ، بهینه‌سازی فرایندهای تولید و کشف مواد جدید برای باز کردن پتانسیل‌های بیشتری از آی سی های سه بعدی هستند. ادغام هوش مصنوعی و یادگیری ماشین در طراحی آی سی های 3D، وعده دستگاه‌های الکترونیکی کارآمدتر و هوشمندتری را می‌دهد.
سخن آخر
تکنولوژی آی سی های سه بعدی محدودیت‌های آی سی های سنتی را پشت سر گذاشته و عصر جدیدی از عملکرد، بهره‌وری و فشردگی را به ارمغان آورده است. معماری نوآورانه و مزایای فراوان آن، این فناوری را به یکی از پایه‌های اصلی الکترونیک مدرن تبدیل کرده‌است که در صنایع مختلف کاربرد دارد. پذیرش فناوری آی سی سه‌بعدی مسیر را برای آینده‌ای باز می‌کند که در آن دستگاه‌های الکترونیکی نه تنها قدرتمندتر بلکه هوشمندانه‌تر طراحی شوند.