A medida que el IoT va creciendo y evolucionando, las interacciones de los dispositivos inteligentes son cada vez más complejas, debido al número de sensores integrados en un mismo producto. Con el objetivo de simplificar estas interacciones, el proyecto europeo 3D-Muse, liderado por la Universidad de Oslo, está desarrollando una estructura de sensores novedosa, denominada interfaces de sensores inteligentes (SSI), que sea eficiente energéticamente y con un costo de fabricación moderado.
Las interfaces de sensores inteligentes permitirán a los dispositivos disponer de señales mixtas capaces de interactuar con los sensores y actuadores analógicos, al mismo tiempo que proporcionarán una potencia de procesamiento digital adecuada.
Para conseguir este objetivo, el consorcio del proyecto 3D-Muse, compuesto por seis entidades procedentes de Francia, Suecia y Noruega, está explorando las nuevas compensaciones y mejoras del rendimiento de la arquitectura del sistema en cubo (SinC). SinC es un diseño de circuitos integrados en tres dimensiones, que permitirá disponer de nuevas aplicaciones de sensores de nodos IoT.
Actualmente, las interfaces se fabrican en dos niveles, debido a una cuestión económica y de dificultad técnica. 3D-Muse concebirá una arquitectura para microcircuitos mediante un proceso de integración secuencial 3D y demostrará su eficacia a través de su implementación en la arquitectura de sistema en cubo de las interfaces de sensores inteligentes.
El consorcio lleva más de cuatro años de trabajo, de enero de 2018 a septiembre de 2022, y dispone de un presupuesto de 3.846.157 euros, íntegramente financiado por el programa de investigación Horizonte 2020 de la Comisión Europea, para desarrollar la tecnología 3D-Muse.
Diferencias entre sistema en pila y sistema en cubo
Actualmente, las arquitecturas de los sistemas electrónicos utilizan un diseño de sistema en pila de integración 3D, que se caracteriza por la colocación de los bloques funcionales dentro de un solo plano en la pila de integración secuencial 3D, que normalmente se posicionan en paralelo o por unión de obleas.
Este tipo de arquitecturas se caracterizan por que los bloques funcionales (señal mixta) están restringidos de nivel, lo que provoca que se requieran opciones de señal mixta para cada nivel, y solo unas pocas vías grandes de silicio (TSV) conectan los niveles en la dirección z.
Por su parte, el sistema en cubo en integración secuencial 3D hace uso de la emancipación total de la densidad de interconexión en la tercera dimensión y se implementan los bloques funcionales en un volumen que comprende múltiples niveles.
Este diseño permite allanar el camino para disponer de una densidad de conexión vertical a la par de una densidad de conexión horizontal. El sistema en cubo permite a las arquitecturas abarcar completamente la ubicación de cada componente individual del sistema en un volumen y tener características como bloques funcionales repartidos en el volumen, obteniendo así niveles especializados para un único dominio de señal.
En la arquitectura SinC, los investigadores del proyecto han conseguido identificar en los circuitos de la señal mixta un cuello de botella importante que afectaría al escalado del rendimiento funcional de los nodos de sensores y de los sensores inteligentes tanto en los sistemas ciberfísicos como de IoT. Por otro lado, han identificado sistemas para beneficiarse de la implementación de SinC en la integración secuencial 3D con el uso de dos niveles especializados que brindan opciones de proceso CMOS específicas, una para dispositivos analógicos y la otra para diseños digitales óptimos.
Esquema del Sinc en integración secuencial 3D
El diseño del sistema en cubo en integración secuencial 3D se compone de tres niveles diferentes: inferior, superior y de interconexión. El nivel inferior integra un circuito basado en tecnología FDSOI de 28 nm; el nivel superior acoge un circuito basado en proceso en frío Leti Coolcube de 65 nm y contacto 3D; mientras que el nivel de interconexión está basado en la tecnología 28 FDSOI BEOL.
La tecnología para el proceso de señal mixta CoolCube, desarrollada por el Instituto de investigación tecnológica CEA-Leti de Francia, permite mejorar la integración secuencial 3D, al apilar las capas activas de los transistores en la tercera dimensión. Además, la tecnología CoolCube es capaz de hacer frente a los problemas térmicos, eliminando el riesgo de degradación de los transistores o interconexiones metálicas.
Con el fin de mejorar el rendimiento de la solución, los investigadores han agregado una capa de aislamiento de polisilicio de zanja poco profunda entre el nivel inferior y el nivel superior que evita la fuga de corriente eléctrica entre los componentes, a la vez que permite la colocación libre de circuitos analógicos sensibles sobre circuitos digitales sin tener que preocuparse por el ruido de acoplamiento.
Asimismo, se ha desarrollado una opción de dispositivo de transistor de efecto campo (FET) de alto voltaje para el nivel superior para controlar la conductividad, adecuado para aplicaciones analógicas. Además, la tecnología secuencial 3D exige herramientas de software de diseño de circuitos, los cuales son algo diferentes de las herramientas 2D tradicionales, por lo que se han implementado dos kits de desarrollo de procesos (PDK) para ese propósito.