Am 12. Juni erzielte das Hubei Jiangcheng-Labor Fortschritte bei der Schlüsseltechnologie für hochdichte On-Chip-Kondensatoren und entwickelte erfolgreich einen dreidimensionalen mehrschichtigen On-Chip-Kondensator mit einer Kapazitätsdichte von über 1000 Nanofarad pro Quadratmillimeter. Dieses Produkt kann direkt in High-End-Chips wie KI-/GPU-Chips und Hochleistungsprozessoren eingesetzt werden und bietet eine stabile Stromversorgung für die Entwicklung von Chips mit hoher Rechenleistung und geringem Stromverbrauch. Derzeit befindet sich die Technologie in der Phase des Prozess-Prototyping und der Kleinserienfertigung; die großflächige Anwendung im Bereich der fortschrittlichen Verpackung wird angestrebt.
On-Chip-Kondensatoren übernehmen die Funktion einer „sofortigen Stromversorgungspufferung" im Inneren von High-End-Chips. Wenn KI-Chips, GPUs und Hochleistungsprozessoren Aufgaben wie das Training großer Modelle, Bildrendering, wissenschaftliche Berechnungen und paralleles Schließen ausführen, treten in den Kernschaltkreisen innerhalb kürzester Zeit große Stromschwankungen auf. Wenn das Stromversorgungsnetz nicht schnell genug reagiert, kann es zu Rauschen, Spannungseinbrüchen oder -schwankungen im Chip kommen, was die Rechenstabilität, die Arbeitsfrequenz und die Systemzuverlässigkeit beeinträchtigt. Der Kondensator fungiert in diesem Prozess als mikroskopischer Energiespeicher in der Nähe des Chipkerns: Er gibt bei einem plötzlichen Anstieg des Strombedarfs schnell Ladung ab und absorbiert bei einem Abfall überschüssige Energie, wodurch der Chip einen stabileren Arbeitsstrom erhält. In Rechensystemen wird HBM oft als Datenpuffer betrachtet, während der On-Chip-Kondensator dem Energiepuffer entspricht – Ersterer löst die Datenversorgung, Letzterer die transiente Stromreaktion.
Das Jiangcheng-Labor verwendete diesmal eine dreidimensionale mehrschichtige Struktur, um die Kapazitätsdichte pro Flächeneinheit zu erhöhen. Herkömmliche planare Kondensatoren sind durch die Chipfläche begrenzt und können in der Nähe von Hochleistungsprozessoren nur schwer ausreichend Energiespeicher bereitstellen. Die dreidimensionale Struktur nutzt ein räumliches, poröses Design, um die effektive Kondensatorfläche in die vertikale Richtung auszudehnen und so auf begrenztem Raum eine höhere Energiespeicherfähigkeit zu erreichen. Für KI-/GPU-Chips gilt: Je näher die Stromversorgung am Kernbereich liegt, desto besser eignet sie sich zur Reduzierung parasitärer Parameter und Reaktionsverzögerungen und desto besser ist sie für die Bewältigung von Stromschwankungen im Nanosekundenbereich geeignet.
Die technischen Herausforderungen dieser Errungenschaft konzentrieren sich auf die Mikro-Nano-Struktur, die dielektrischen Materialien und die Prozesskonsistenz. Die dreidimensionale poröse Struktur erfordert die Bildung einer kontinuierlichen, gleichmäßigen und zuverlässigen nanoskaligen dielektrischen Schicht im Inneren extrem kleiner Löcher, wobei Leckströme, Durchschlag, thermische Stabilität und Langzeitzuverlässigkeit kontrolliert werden müssen. Jegliche Schwachstellen oder Defekte können die Stromversorgungssicherheit des Chips beeinträchtigen. Daher ist der Durchbruch bei der Kapazitätsdichte nur ein Schlüsselindikator; die anschließende Prototypenfertigung und Kleinserienproduktion müssen noch die Ausbeute, die Verpackungskompatibilität und die Massenproduktionsstabilität validieren. KI-Chips, Hochleistungsprozessoren, Handy-SoCs und fortschrittliche Verpackungsmodule haben unterschiedliche Anforderungen an das Stromversorgungsnetz; unterschiedliche Leistungsprofile, Verpackungsstrukturen und Chip-Layouts beeinflussen die endgültige Anwendungsweise des On-Chip-Kondensators.
Fortschrittliche Verpackung wird zu einem wichtigen Bestandteil des Wettbewerbs bei High-End-Chips. Da die Leistungsdichte von Rechenchips kontinuierlich steigt, können externe Stromversorgungskomponenten allein die Anforderungen an das transiente Verhalten nicht mehr erfüllen. Das Energiemanagement, die Wärmeableitung, die Verpackungsverbindungen und die passiven On-Chip-Komponenten müssen gemeinsam ausgelegt werden. Wenn der dreidimensionale mehrschichtige On-Chip-Kondensator die technische Validierung erfolgreich abschließt, wird dies dazu beitragen, die grundlegenden Fähigkeiten heimischer High-End-Chips in Bezug auf Stromversorgungsstabilität, Betrieb mit geringem Stromverbrauch und Hochfrequenzleistung zu stärken. Für KI-Server, GPU-Cluster und Hochleistungsrechenplattformen ist eine stabile Stromversorgung keine Nebensache, sondern eine grundlegende Voraussetzung dafür, ob ein Chip langfristig unter hoher Last betrieben werden kann.
Die Errungenschaft des Jiangcheng-Labors ist ein wissenschaftlicher und technologischer Fortschritt, der auf die grundlegende Unterstützungsfähigkeit von High-End-Chips abzielt. Sie manifestiert sich nicht direkt in Form eines Endprodukts, beeinflusst aber die Systemleistung von KI-/GPU-Chips, Hochleistungsprozessoren und fortschrittlichen Verpackungsplattformen. Nachdem die Technologie die Phase des Prozess-Prototypings und der Kleinserienfertigung erreicht hat, wird sich der Fokus der Industrie auf das Fertigungsfenster, die Zuverlässigkeitsvalidierung, die Kundenakquise und das Tempo der großflächigen Anwendung verlagern. Wenn die anschließende Massenproduktion reibungslos verläuft, hat der dreidimensionale mehrschichtige On-Chip-Kondensator das Potenzial, ein Schlüsselbauteil im Stromversorgungsnetz heimischer Chips mit hoher Rechenleistung zu werden.