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美國國防高級研究計劃局(DARPA) 正在通過一系列“穩健”的計劃和努力，幫助培育下一波微電子技術，即所謂的三維異構集成 (3DHI) 芯片的開發和制造。為了加強美國微電子制造以維護國家安全，該機構已有四年歷史的電子復興計劃 (ERI) 正在增加兩個新的研究領域——為極端環境開發電子產品和制造復雜的 3D 微系統——作為其所謂的 ERI 2.0 工作的一部分, DARPA 微系統技術辦公室 ERI 主任特別助理Carl McCants表示。    

“[這是]一個新時代，我們正在拋棄這種簡單的設備縮放，并試圖進入我們能夠獲得更高性能的領域，這是由三維創新所決定的，”McCants 解釋道。“[通過集成異構組件]，你在這里堆疊的不是一個，不是兩個，而是三個不同的層。我們從分離的東西變成了在一個兩英寸半的interposer上，我們有并排的有源芯片，通過無源interposer層連接。我們現在關注的是 3D，我們將東西堆疊在一起，你還會看到我們已經改變了互連間距 [將其縮小 10-100 倍]。我們改變了密度。這種從傳統單片制造到 3D 的轉變改變了形狀因素。”    

McCants 于 10 月在俄亥俄州立大學的 DARPA Forward 期間發表了講話，該會議是 8 月至 12 月在美國研發大學舉行的一系列六次會議，旨在“激發區域和國家創新生態系統，為國家安全開發新的突破性技術”，據稱給機構。    

ERI 2.0 將繼續進行微電子研究和開發，以解決以下問題：克服整個硬件生命周期中的安全威脅；優化復雜電路和原型的設計和測試；安全通訊；實現異構 3D 電子；利用人工智能硬件更快地做出邊緣決策；提高信息處理密度和效率。    

“DARPA 堅信，3D 制造將進一步突破性能的界限，以及尺寸、重量、功率和成本，”McCants 說。    

這項工作還包括在 DARPA 的下一代微電子制造 (NGMM) 項目下，通過與工業界、學術界和政府的公私合作，建立 3DHI 制造國家設施。這項工作將使與合作伙伴在一個獨特的設施中進行賽前合作。    

根據 DARPA 的一份聲明，“通過建立國內第一個用于生產下一代 3DHI 原型的開放式設施，NGMM 將以試驗線制造設施的形式啟動國家加速器”。“來自全國各地的用戶無需昂貴的投資即可組裝和測試他們的研發設計。相反，更廣泛的創新者可以在集中、整體的方法下進行協作，以推進、標準化和加快國內 3DHI 原型制作。”    

該機構表示，DARPA 與 NGMM 的長期目標是將開發的能力轉移到與國家半導體技術中心相關的國家先進封裝制造計劃。    

10 月，該機構開始審查其從 NGMM 0 期 2000 萬美元的 8 月廣泛機構公告中收到的關于如何規劃 3DHI 制造中心的提案，包括關于如何構建“示例”3DHI 微系統的規范以及所有必要的制造先進微系統的設備、工藝和設施需求。該機構預計將于 2023 年 2 月開始第 0 階段的工作，以規劃制造中心。    

更復雜的 3DHI 板將允許有源芯片相互堆疊，中間有粘合層。他指出，垂直堆疊的晶圓可以執行彼此不同的功能，例如，存儲芯片可以層疊在邏輯芯片上。    

芯片材料將不再只是硅，特助繼續說道。在未來的征集活動中，DARPA 將爭取為生產硅基和非硅基 3DHI 原型系統的實際設施簽訂合同。    

“當我們談論 3DHI 時，我們不僅關注硅，還關注其他材料：光子學、RF [射頻]、MEMS [微機電系統]，所有這些都堆疊在一個封裝中，”McCants 解釋道。“我們認為，現在是社區推動技術制造復雜 3D 微系統并將其放入破壞性系統的時候了。”    

此外，DARPA 將深入研究 3DHI 制造系統研究的各個方面，包括多芯片和多技術的組裝和封裝；模擬、設計和測試所需的工具；安全; 互連；熱管理和電力輸送。 

McCants 指出，事實上，隨著海外投資的增多，美國正在競相建立其 3D 微電子能力。作為其先進系統研究協會的一部分，日本已向 3DHI 公私合作伙伴關系投資了約 3 億美元的大筆資金。此外，已有20家來自日本半導體行業的企業加入了臺積電的3D制造研究中心。新加坡的 IME 合作伙伴正在其先進封裝開發中心以 2.1 億美元的合作伙伴關系研究用于垂直芯片集成的 3D 鍵合材料，芯片制造商 AMD 也參與其中。    

此外，臺灣工研院異質集成小芯片系統封裝聯盟，即Hi-CHIP計劃，正致力打造3DHI微電子封裝設計、測試驗證、試產的生態系統。    

為了使 DARPA 成功實現其提高國內 3DHI 能力的使命，它正在尋求與美國前 10 大半導體銷售領導者中的六家（英特爾、高通、AMD/Xilinx、三星、NVIDIA 和美光）的合作項目，以及美國前 5 大國防公司承包商，與美國排名前 10 位的研究型大學和非傳統合作伙伴合作。    

“ERI 必須繼續進行戰略投資以播種新的方法和技術，以保持我們在電子系統中的地位，”McCants 強調說。    

關于為極端環境開發軍用電子設備，DARPA 將特別研究三種情況：高輻射、極端溫度和高功率，其中可能包括高電壓或高電流。“這些因素和條件中的每一個都帶來了自己獨特的挑戰和機遇，”特別助理分享道。    

最后，McCants 強調了 ERI 的早期研究和成功，包括創建比標準中央處理器和圖形處理單元快 100 倍的處理器架構，開發可編程硬件架構以提高處理效率，將機器學習集成到工具中電子設計自動化，在信息保持加密的同時處理信息的能力，以及激光在硅晶片上的光子學集成。    

“有可能讓學術界、商業界和美國政府微電子界參與相關的尖端、兩用研究項目，”他指出。“通過這些有利于政府和私營部門的合作，有可能在計算效率、異構集成、硬件安全、電子設計、人工智能組件和安全通信方面提供跨越式的能力。

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