芯东西（公众号：aichip001）
编译 | 崔嫄伟
编辑 | 陈骏达

芯东西9月10日消息，据WIRED报道，美国加州芯片初创公司Kepler Computing于近日结束长达七年的隐身模式，宣布开发出基于3D堆叠和专有铁电材料的新型内存架构，声称可在不依赖极紫外光刻（EUV）的前提下提升高带宽内存（HBM）和片上缓存（SRAM）密度，从而缓解全球HBM供应瓶颈。

该公司过去七年累计融资4.68亿美元（约合人民币31.72亿元），投资方包括GlobalFoundries、英特尔Capital、AMD Ventures、Baillie Gifford及盖茨旗下Gates Frontier；今年7月美国商务部承诺为其提供最高2.45亿美元（约合人民币16.60亿元），用于支持其在美开发由创新3D和铁电技术驱动的高性能AI内存。

Kepler的核心主张是，无需新建耗资200亿至400亿美元（约合人民币1355.38亿至2710.76亿元）的内存晶圆厂，而是通过新材料和3D制造技术改造现有产线即可增加HBM供给。该公司已在约2000片晶圆上完成技术验证，计划今年晚些时候出货首批HBM样品，明年在新加坡开始扩产，2028年启动美国本土生产。

一、2018年创立于美国加州，两位物理学家领衔

当前全球内存芯片供应持续紧张，AI数据中心对HBM的需求爆发式增长。芯片制造商通常依赖昂贵的EUV来缩小芯片上的晶体管，从而在同样的空间内容纳更多技术。同时新建一座内存晶圆厂动辄需要200亿至400亿美元且耗时漫长，SK海力士、美光等头部厂商虽已斥巨资扩产，但短期内仍难以填补供需缺口。

Kepler成立于2018年，总部位于加州圣何塞，由一群物理学家和计算机科学家联合创立。该公司声称，其“3D堆叠”方法和一种专有的新材料，可以完全不依赖EUV来提升密度，而且可以与现有的半导体制造工厂配合使用。

Kepler联合创始人兼CEO Debo Olaosebikan拥有康奈尔大学物理学博士学位，研究方向为自旋电子学中的畴壁运动理论物理，博士期间曾在硅激光器研究中展示受激发射现象。他毕业后曾在IBM从事自旋转移器件工作，2014年联合创办企业服务平台Gigster并出任CEO。

该公司联合创始人兼CTO Sasi Manipatruni此前在英特尔创立FEINMAN研究中心，聚集CMOS的下一代逻辑技术，同时是MESO自旋逻辑器件的共同发明人之一。他还在硅光互连领域首次展示了50Gb/s速率的硅微环调制器。

Olaosebikan称，他们的目标是利用已有的晶圆厂和架构将其推至物理极限，新材料或改造现有产线的额外成本将远低于新建晶圆厂所需的200亿至400亿美元。

Kepler累计融资已达4.68亿美元。芯片设计侧的投资方包括英特尔Capital和AMD Ventures，财务投资侧则有Baillie Gifford和盖茨的Gates Frontier。

GlobalFoundries不仅是投资方（投资5000万美元），更是其制造合作伙伴，Kepler大部分测试工作在GlobalFoundries新加坡工厂进行，并与该公司28nm工艺并行生产内存芯片；测试工作同时在GlobalFoundries佛蒙特州伯灵顿设施开展。

二、3D堆叠提升HBM密度，铁电材料降低SRAM工作电压

Kepler的理论起点是：摩尔定律终结后，计算成本与能效的指数级改善双双停滞，而AI需求仍在指数增长，供需矛盾直接撞上物理墙。具体到HBM，其能耗主要消耗在内存内部及与内存之间的密集互连线，互连线能耗与驱动电压的平方成正比，而CMOS晶体管的工作电压已接近物理下限，这正是HBM能效难以持续改善的根本原因。Kepler测算，当前器件与数字信息处理的理论最低能耗之间仍有超过1000倍的余量，只是CMOS架构本身已无法释放这一余量。

基于这一判断，Kepler的核心思路是不依赖EUV缩小晶体管，而是通过新型低压、与CMOS兼容的材料利用z维度，在现有晶体管上方堆叠新型器件，从而提升每平方毫米的器件密度。这家公司宣称，无需EUV光刻机，就能制造出密度对标2nm或3nm工艺芯片的SRAM产品。

Olaosebikan说：“长期以来，我们的规划是先研发SRAM，后续再推进DRAM与HBM。但2022年ChatGPT推出后，市场急需HBM替代方案，需求爆发，于是我们调整路线，启动HBM研发规划。如今公司并行推进SRAM和HBM两条产品研发。”

在HBM方向，Kepler开发了一种新型3D制造技术，在固定芯片面积内容纳更多内存芯片，使计算核心与内存物理距离更近，数据传输能耗随之降低。

3D集成还带来了远超传统2D或2.5D系统的互连数量，在降低能耗的同时实现更高带宽。该公司的最终目标是在保持HBM大容量特性的同时，将HBM内部数据移动的能耗降至接近SRAM水平。

Kepler还计划未来更新晶体管本身，恢复电压缩放，目标是实现一个数量级以上的能耗降低。此外，Kepler声称已突破长期制约3D技术的热与功耗难题；团队中有人曾共同创建业界首批高量产3D芯片堆叠技术，并将七代DRAM扩展到数百万晶圆规模。

在SRAM方向，Kepler利用铁电材料实现更低电压下的数据读写，并为此开发了与铁电方法配合的新型低压复合材料。Sasi Manipatruni称，其团队经历了35轮复合材料迭代才最终确定当前材料体系，该材料体系使HBM的物理限制被突破后，芯片间可容纳更多内存。

▲Kepler在其专用晶圆厂中使用的半导体工艺腔体，用于开发下一代内存器件。

三、28nm产线8个月改造完成，铁污染与规模化仍是待解难题

在与GlobalFoundries的合作中，Kepler仅用8个月就将一条现有晶圆厂改造为”下一代”产线，而通常这一改造过程需要24个月。公司在新加坡建设了所谓“微型晶圆厂”，与GlobalFoundries的28nm工艺并行运行。

截至目前，该公司已利用约2000片晶圆完成这套技术的流片验证。GlobalFoundries CMOS业务高级副总裁Ed Kaste认为根本性突破已经实现，剩余工作是在数千片晶圆和数百万器件上验证结果。

该公司下一步计划是规模化扩张：Kepler正为2028年至2030年提前布局产能，核心研发与制造环节落地美国本土，同时搭建覆盖全价值链的合作伙伴体系，从ASIC、GPU芯片厂商，到系统ODM，再到云服务商，协同范围贯穿芯片、机架直至数据中心全层级，其目标是让每一家大规模部署AI的客户都能用上搭载Kepler技术的方案。

▲Kepler在其专用测试晶圆厂中使用的专用工艺开发设备。

但规模化仍面临具体工程挑战。Kaste称，Kepler所用复合材料含有铁元素，而铁是生产设施中难以处理的污染物，必须在专用设备上运行或完全封装以防泄漏。Olaosebikan未透露复合材料具体成分，仅说所用材料种类较少，其中包含一些并非常规铁电材料。

▲Kepler在其专用测试晶圆厂中使用的自动化晶圆处理设备。

Creative Strategies分析师Austin Lyons则指出，半导体制造创新的共同挑战在于如何克服污染、不同材料和工具限制，使创新能够规模化且具备成本竞争力。此前另一家以新光刻方法闻名的初创公司Substrate就因量产难度受到分析师质疑。

结语：绕开EUV的HBM新路线待规模化验证

通过新材料和3D堆叠绕开先进光刻的方法，意味着内存产能的扩张不必再完全绑定于EUV光刻机和新建晶圆厂这一高门槛路径，这为缓解特定类型内存的周期性短缺提供了一种增量思路。改造成熟制程产线、复用现有制造基础设施的模式，也使内存厂商能够以更低资本支出和更短周期响应市场需求波动。

不过，从实验室验证到规模量产之间仍存在跨度。新材料引入产线带来的污染控制、良率爬坡和成本竞争力，都需要在更大晶圆规模上验证。与此同时，传统内存巨头正在斥资数百亿美元新建HBM产能，这些设施陆续投产后市场供需格局可能发生变化。

新路线能否在成本、密度和可靠性上同时满足大规模数据中心部署的严苛要求，将决定其最终是成为HBM供给的有效补充，还是停留在技术验证阶段。

来源：WIRED、Kepler官网