1nmが見えてきたスケーリング　「VLSI 2020」リポート：湯之上隆のナノフォーカス（27）（6/7 ページ）

3D ICの加速

　スローダウンしながらも、微細化は続いており、今回のVLSIシンポジウムでは、2〜1nmのトランジスタ構造が示された。また、その微細加工のために、EUV露光装置が量産適用され、ASMLはフル稼働でEUVを製造し出荷している。

　しかし、最先端のシステムや電子機器からの要求はもっと大きく、微細加工を進めながら（More Moore）、それ以上にトランジスタの集積を要求している（More than Moore）。そして、後者のために、さまざまな半導体チップを積層する3D ICの技術が進化している（図21）。

図21：3次元のチップ積層の進化 出典：Eric Beyne, imec, “Heterogeneous System Partitioning and the 3D Interconnect Technology Landscape”, VLSI 2020, SC2.2（クリックで拡大）

　パッケージを積層したり、インターポーザを介してチップを並べたりするSiP（System in Package）の次に、マイクロバンプを介してチップを積層する3D SICが登場し、チップを作り込んだウエハーとウエハーを直接ボンディングする3D SOCが実現した。そして、トランジスタをスタックする3D ICが開発されている。

　例えば図22では、3D SOCとして、キャッシュメモリとコアになるロジック半導体をマイクロTSV（Through-Silicon Via）でつなぎ、さらに、異なるロジック半導体をボンディングでつないでいる。

図22：3D ICの構造 出典：Eric Beyne, imec, “Heterogeneous System Partitioning and the 3D Interconnect Technology Landscape”, VLSI 2020, SC2.2（クリックで拡大）

　もしこれを1チップで製造しようとすると、ロジック半導体とメモリを含んだマスクセットを用意し、べらぼうに長いプロセスフローを構築しなくてはならないだろう。一方、異種半導体をスタックできるのなら、ロジックはロジック、メモリはメモリに特化して製造し、それぞれの良品を接合すればよいことになる。3D SOCを設計するときに、全体最適化（Design Technology Co-Optimization、DECO）が必要になるが、プロセスコストやTAT（Turn Around Time）は、間違いなく3D SOCの方が有利だろう。

TSMCが開発した3D IC

　TSMCが開発したImmersion in Memory Compute（ImMC）という3D ICの技術（略してSoICTM）は、コストだけでなく、パフォーマンスも抜群に優れている。

　メモリとロジック半導体の一般的な3D IC（F2F：Face to Face）に対して、ベストな3D ICの“SoIC（F2F）”は、バンプ密度が16倍、スピードが11.9倍、バンド幅密度が191倍、1ビット当たりの消費電力は何と0.05倍になるのである（図23）。

図23：TSMCのSoICTMの効果 出典：C.T. Wang, TSMC, “Immersion in Memory Compute (ImMC) Technology”, VLSI 2020, TH1.5

　さらに、プロセッサ2個、メモリ2個を、3次元的に接続する場合、どのような積層方法がベスト化を考えてみよう（図24）。ベストパフォーマンスを求めるなら、なるべく電子の移動距離を小さくするように設計するべきである。このように、システムの最適化を考えて設計することを、System Technology Co-Optimization（STCO）と呼ぶ。

図24：プロセッサとプロセッサの接続のパフォーマンス 出典：C.T. Wang, TSMC, “Immersion in Memory Compute (ImMC) Technology”, VLSI 2020, TH1.5（クリックで拡大）

　A-I構造を基準として、最も電子の移動距離が小さなC-II構造を採用した場合、バンプ密度は16倍になり、スピードは300倍、バンド幅密度が6200倍にもなる。