2025.11.14

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       位于德克萨斯州奥斯汀的一家建于 20 世纪 80 年代的半导体制造厂正在进行改造。这家现在名为德克萨斯电子研究所 ( TIE ) 的工厂正在加紧建设，力争成为世界上唯一一家专注于 3D 异构集成 (3DHI) 的先进封装厂——3DHI 指的是将由硅和非硅等多种材料制成的芯片堆叠在一起。

       该晶圆厂是DARPA下一代微电子制造（NGMM）计划的基础设施。“NGMM致力于通过3D异构集成实现微电子领域的革命性突破，”该计划的总经理迈克尔·霍姆斯说道。

       将两颗或多颗硅芯片堆叠在同一封装内，就能使它们像一个集成电路一样协同工作。这项技术已经应用于一些世界上最先进的处理器。但DARPA预测，硅上硅堆叠技术带来的性能提升最多只有二维集成技术的30倍。相比之下，霍姆斯在上个月底举行的NGMM峰会（该项目的非正式发布会）上告诉工程师和其他相关人士，如果采用混合材料——例如氮化镓、碳化硅和其他半导体——则性能提升可达100倍。

       这家新工厂将确保这些不同寻常的堆叠式芯片在美国进行原型设计和生产。许多初创公司（在发布会上有很多这样的公司）都在寻找一个可以进行原型设计和生产的地方，这些想法在其他地方都太过另类——他们希望能够避开那些吞噬了许多硬件初创公司的“实验室到工厂的死亡谷”。

       德克萨斯州政府将出资5.52亿美元用于建设这座晶圆厂及其相关项目，DARPA（美国国防高级研究计划局）将出资剩余的8.4亿美元。NGMM（下一代金属材料制造公司）完成五年任务后，该晶圆厂预计将成为一家自给自足的企业。“坦白说，我们是一家初创公司，”TIE（德克萨斯州工业企业）首席执行官德韦恩·拉布雷克表示，“我们比一般的初创公司有更多的发展空间，但我们必须自力更生。”

       达到这一目标还需要付出大量努力，但TIE晶圆厂的建设进展迅速。IEEE Spectrum在参观该厂时，看到多套芯片制造和测试设备处于不同的安装阶段，并采访了几位在过去三个月内入职的工程师和技术人员。TIE预计所有晶圆厂的设备将于2026年第一季度全部安装完毕。

       与工具本身同样重要的是，代工厂客户能否在可预测的制造流程中使用这些工具。TIE 的官员解释说，这一点尤其难以实现。最基本的一点是，非硅晶圆的尺寸通常并不完全相同。而且它们的机械性能也各不相同，这意味着它们随温度变化膨胀和收缩的速率也不同。然而，晶圆厂的大部分工作都是以微米级的精度将这些芯片连接起来。

       实现这一目标的第一步是开发所谓的工艺设计套件和封装设计套件。前者提供了晶圆厂半导体设计所遵循的规则。后者，即封装设计套件，才是真正的核心所在，因为它提供了3D封装和其他先进封装工艺的规则。

       接下来，TIE将通过三个3DHI项目来完善这些技术，NGMM称这三个项目为典范。这三个项目分别是相控阵雷达、焦平面阵列红外成像仪和紧凑型功率转换器。霍姆斯表示，将这些项目投入生产试点“为我们提供了一个初步的路线图……为我们在更广泛的应用领域实现巨大创新铺平了道路”。

       这三款截然不同的产品正是该晶圆厂投产后运营模式的典型代表。高管们将其描述为一家“多品种、小批量”的晶圆厂，这意味着它必须擅长多种不同的产品，但不会大量生产任何单一产品。

       这与大多数硅晶圆代工厂的做法截然相反。高产量硅晶圆代工厂可以通过运行大量类似的测试晶圆来找出工艺缺陷。但TIE无法做到这一点，因此它依靠由奥斯汀初创公司Sandbox Semiconductor开发的AI来帮助预测工艺调整的结果。

       在此过程中，NGMM将提供诸多研究机会。“NGMM为我们提供了一个非常难得的机会，”德克萨斯大学达拉斯分校教授、IEEE会士Ted Moise表示。借助NGMM，各大学计划开展新型导热薄膜、微流体冷却技术、复杂封装失效机制等方面的研究。

       “NGMM对DARPA来说是一个比较特殊的项目，”该机构微系统技术办公室主任惠特尼·梅森承认道。“我们通常不会建立从事制造的设施。”

       但“保持奥斯汀的怪异”是这座城市的非官方座右铭，所以NGMM和TIE或许会证明是完美的契合。

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