【导读】近日，一项由斯坦福大学、麻省理工学院等顶尖学府联合在商业产线上完成的突破，或将开启全新的方向。研究团队在美国SkyWater Technology的晶圆厂成功制造出首个美国本土生产的单片式3D芯片。其核心在于，它并非将预先造好的芯片进行3D堆叠封装，而是在同一块晶圆上，通过低温工艺，像建造摩天大楼般逐层“生长”出逻辑单元和存储器，从而构建出极度密集的垂直互连网络。早期测试与模拟表明，这种架构有望为未来计算设备带来高达1000倍的能效提升，为人工智能、高性能计算等领域带来颠覆性潜力。
近日，一项由斯坦福大学、麻省理工学院等顶尖学府联合在商业产线上完成的突破，或将开启全新的方向。研究团队在美国SkyWater Technology的晶圆厂成功制造出首个美国本土生产的单片式3D芯片。其核心在于，它并非将预先造好的芯片进行3D堆叠封装，而是在同一块晶圆上，通过低温工艺，像建造摩天大楼般逐层“生长”出逻辑单元和存储器，从而构建出极度密集的垂直互连网络。早期测试与模拟表明，这种架构有望为未来计算设备带来高达1000倍的能效提升，为人工智能、高性能计算等领域带来颠覆性潜力。
颠覆传统：从2D平铺到3D垂直集成
传统芯片采用2D平面布局，内存与计算单元通过外部线路连接，数据传输延迟高且能耗大。而此次研发的3D芯片突破性地将DRAM内存层与逻辑计算层直接堆叠，通过低温工艺在同一晶圆上逐层构建器件，避免损伤底层电路。研究团队采用密集垂直互连网络，将存储单元与计算单元的数据路径缩短至纳米级，显著降低功耗并提升响应速度。
工艺突破：多材料低温共制，兼容成熟产线
该原型芯片在SkyWater的200毫米晶圆生产线上，基于成熟的90nm至130nm工艺制造。其堆栈结构整合了三大核心技术：
●传统硅CMOS逻辑层：提供基础计算能力；
●电阻性RAM（RRAM）层：实现高密度、低功耗存储；
●碳纳米管场效应晶体管（CNT-FET）层：以碳纳米管替代硅基晶体管，提升开关速度与能效。
所有材料在约415°C的热预算下完成制造，兼容现有产线设备，无需额外投资。
性能实测：吞吐量提升4倍，AI负载潜力惊人
早期硬件测试显示，在相同延迟与占用面积下，该3D芯片的吞吐量较2D方案提升约4倍。研究人员进一步通过模拟评估更高堆栈设计：
●内存-计算层扩展：在人工智能（AI）工作负载中，性能提升达12倍（测试模型包括Meta LLaMA架构衍生版本）；
●能效终极目标：通过持续扩大垂直集成规模（而非依赖晶体管微缩），未来架构有望实现100倍至1000倍能效改进，成为后摩尔时代的关键技术路径。
研究人员分析指出，通过持续优化和增加垂直堆叠的层数，而不是一味追求晶体管微缩，该架构最终有望在综合衡量速度与效率的指标上，实现 100倍至1000倍的能效改进。这为解决AI算力需求爆炸式增长与能耗墙之间的矛盾提供了革命性的思路。
推荐阅读：
Counterpoint：2026年全球智能手机出货量不增反降2.1%
三重100%色域加身！LG黑科技MicroRGB Evo电视，提升色彩还原度
