ต้นแบบที่ผลิตกับ SkyWater แสดงให้เห็นการผสานหน่วยความจำและลอจิกในแนวตั้งอย่างหนาแน่น พร้อมผลทดสอบจริงและการจำลองที่ชี้ถึงการเร่งความเร็วงาน AI

ทีมนักวิจัยจากหลายสถาบันได้สาธิตสิ่งที่พวกเขาระบุว่าเป็น วงจรรวมแบบ 3 มิติชนิดโมโนลิธิก (monolithic 3D IC) ตัวแรก ที่ผลิตในโรงงานเชิงพาณิชย์ในสหรัฐฯ โดยรายงานว่ามีประสิทธิภาพเหนือกว่าชิปแบบแบนสองมิติทั่วไปอย่างชัดเจน ต้นแบบนี้พัฒนาโดยวิศวกรจาก Stanford, Carnegie Mellon, University of Pennsylvania และ MIT และผลิตร่วมกับ SkyWater Technology

ชิปตัวนี้แตกต่างจากการออกแบบดั้งเดิมแบบสองมิติ ด้วยการ ซ้อนหน่วยความจำและลอจิกไว้บนกันและกันโดยตรง ภายในกระบวนการผลิตเดียวอย่างต่อเนื่อง แทนที่จะนำไดหลายชิ้นที่ผลิตเสร็จแล้วมาประกอบรวมกัน นักวิจัยสร้างอุปกรณ์แต่ละชั้นเรียงลำดับบนเวเฟอร์เดียวกัน โดยใช้กระบวนการอุณหภูมิต่ำที่ไม่ทำลายวงจรชั้นล่าง ส่งผลให้เกิดเครือข่ายการเชื่อมต่อแนวตั้งที่หนาแน่น และช่วยลดระยะทางการส่งข้อมูลระหว่างหน่วยความจำกับหน่วยประมวลผลอย่างมาก

ต้นแบบนี้ผลิตบนสายการผลิตเวเฟอร์ขนาด 200 มม. ของ SkyWater โดยใช้เทคโนโลยีกระบวนการระดับ 90 นาโนเมตรถึง 130 นาโนเมตร ภายในสแต็กมีการรวมลอจิก CMOS ซิลิคอนแบบดั้งเดิม เข้ากับชั้นหน่วยความจำแบบรีซิสทีฟ (ReRAM) และทรานซิสเตอร์สนามไฟฟ้าคาร์บอนนาโนทิวบ์ (CNT-FET) ทั้งหมดอยู่ภายใต้ขีดจำกัดอุณหภูมิราว 415 องศาเซลเซียส ทีมวิจัยระบุว่าการทดสอบฮาร์ดแวร์เบื้องต้นพบว่า อัตราการประมวลผลดีขึ้นประมาณ 4 เท่า เมื่อเทียบกับการออกแบบแบบ 2 มิติที่มีความหน่วงและพื้นที่ใกล้เคียงกัน

การจำลองชี้ประสิทธิภาพสูงขึ้นถึง 12 เท่า

นอกจากผลการทดสอบจริง นักวิจัยยังใช้การจำลองเพื่อประเมินโครงสร้างที่มีจำนวนชั้นมากขึ้น โดยดีไซน์ที่เพิ่มชั้นของหน่วยความจำและหน่วยประมวลผลแสดงให้เห็นว่า ประสิทธิภาพเพิ่มขึ้นได้สูงสุดถึง 12 เท่า สำหรับงานลักษณะ AI รวมถึงโมเดลที่อ้างอิงจากสถาปัตยกรรม LLaMA ของ Meta นอกจากนี้ ทีมงานยังมองว่าแนวคิดนี้อาจนำไปสู่การพัฒนา ประสิทธิภาพด้านพลังงานต่อความหน่วง (energy-delay product) ที่ดีขึ้นถึง 100–1,000 เท่าในอนาคต ด้วยการขยายการรวมในแนวตั้งต่อไป แทนการย่อขนาดทรานซิสเตอร์อย่างเดียว

แม้ในอดีตห้องแล็บเชิงวิชาการจะเคยสาธิตชิป 3 มิติในเชิงทดลองมาแล้ว แต่ทีมงานย้ำว่างานนี้แตกต่างออกไป เพราะถูกสร้างขึ้นใน สภาพแวดล้อมของโรงงานผลิตเชิงพาณิชย์จริง ไม่ใช่สายการผลิตเฉพาะในมหาวิทยาลัย ผู้บริหารของ SkyWater ที่มีส่วนร่วมในโครงการระบุว่านี่เป็นหลักฐานว่า สถาปัตยกรรม 3 มิติแบบโมโนลิธิกสามารถถ่ายทอดเข้าสู่กระบวนการผลิตภายในประเทศได้จริง ไม่ได้จำกัดอยู่แค่ในห้องคลีนรูมของสถาบันการศึกษา

“การเปลี่ยนแนวคิดล้ำสมัยจากงานวิชาการให้กลายเป็นสิ่งที่โรงงานเชิงพาณิชย์สามารถผลิตได้จริง เป็นความท้าทายอย่างมหาศาล”
มาร์ก เนลสัน ผู้เขียนร่วม และรองประธานฝ่ายพัฒนาเทคโนโลยีของ SkyWater Technology กล่าว

ผลงานวิจัยนี้ถูกนำเสนอในงาน IEEE International Electron Devices Meeting (IEDM 2025) ระหว่างวันที่ 6–10 ธันวาคม 2025

ที่มา: Tom's Hardware