TSV – CỘT SỐNG CỦA CHIP 3D

Hùng Vũ

Sun, 24 Aug 2025

Bạn có thể xây một tòa nhà cao tầng để tiết kiệm diện tích đất. Vậy tại sao không “xếp tầng” cả con chip?
Đó chính là ý tưởng đằng sau 3D IC – và TSV (Through-Silicon Via) chính là thang máy kết nối các tầng silicon lại với nhau.

1. TSV là gì?
TSV (vi nghĩa: lỗ xuyên silicon) là các ống dẫn siêu nhỏ được khoan dọc xuyên qua lớp silicon của một con chip (die), sau đó được lấp đầy bằng kim loại như đồng (Cu) để dẫn điện.
Nó kết nối trực tiếp từ mặt trước đến mặt sau của một die, cho phép truyền tín hiệu và nguồn giữa nhiều lớp chip xếp chồng – thay vì đi vòng qua dây hoặc bump như thiết kế 2D truyền thống.

So với microbump hay wire bonding, TSV:

• Ngắn hơn: đường truyền tín hiệu chỉ vài chục micromet → giảm trễ
• Mạnh hơn: truyền nguồn và tín hiệu song song với mật độ cao
• Thẳng hơn: nối dọc trực tiếp → tiết kiệm diện tích mặt phẳng

2. Cấu trúc của một TSV gồm những gì?

• Lỗ khoan: tạo bằng phương pháp dry etching (khắc khô), thường có đường kính 2–10 µm
• Lớp cách điện (liner): thường là SiO₂ để cách ly TSV với silicon xung quanh
• Ruột kim loại: đồng (Cu) được mạ vào trong để dẫn điện
• Lớp barrier và seed: lớp chắn chống khuếch tán và giúp quá trình mạ điện diễn ra đều
• Redistribution Layer (RDL): tầng định tuyến giúp kết nối từ TSV đến bump hoặc mạch

3. TSV được dùng ở đâu?

• HBM (High Bandwidth Memory): bộ nhớ DRAM xếp tầng, truyền dữ liệu siêu nhanh
• 3D SoC: tích hợp logic + DRAM + analog trong cùng một khối
• Image Sensor cao cấp: nối cảm biến ảnh với mạch xử lý ngay bên dưới → ảnh xử lý nhanh hơn, rõ hơn
• Interposer 2.5D: dùng trong chiplet để kết nối nhiều die qua cầu silicon
• AI Accelerator, HPC, 5G: nơi cần tốc độ truyền cao, mật độ kết nối dày đặc, độ trễ cực thấp

4. Vì sao TSV là công nghệ quan trọng?

• Rút ngắn đường truyền: từ vài mm → vài chục µm
• Tiết kiệm diện tích: stacking thay vì spreading
• Tăng mật độ kết nối: hàng ngàn TSV trong một chip
• Ghép nhiều công nghệ: DRAM + Logic + RF + Analog
• Giảm tiêu thụ điện: do giảm chiều dài đường dây và điện cảm

5. Một ví dụ nhỏ:

Một AI chip cần giao tiếp với bộ nhớ DRAM cực nhanh. Nếu dùng PCB truyền thống, tín hiệu phải đi xa, chậm và nhiễu.
Nhưng nếu xếp chồng DRAM ngay trên logic và nối bằng TSV, băng thông có thể tăng gấp 10 lần, độ trễ giảm tới 80%.

Hoặc:
Camera smartphone hiện đại dùng TSV để nối cảm biến ảnh với vi xử lý ngay bên dưới, giảm kích thước cụm camera và tăng khả năng xử lý ảnh theo thời gian thực.

6. Nhưng có phải TSV luôn là lựa chọn tốt nhất?

Không hẳn.

• Chi phí chế tạo TSV rất cao, yêu cầu fab và mask đặc biệt
• Tỷ lệ lỗi khi tạo TSV có thể gây ngắt mạch, mất kết nối
• Tản nhiệt trở nên khó khăn khi stacking nhiều tầng
• Việc thiết kế và routing cần công cụ EDA chuyên biệt, không thể dùng như layout 2D truyền thống

7. Kết luận:

TSV không chỉ là một “cột dây dẫn điện”. Nó là cột sống của hệ sinh thái 3D IC hiện đại.
Không có TSV → không có HBM, không có chiplet tốc độ cao, không có stacking trong AI accelerator, smartphone hay hệ thống HPC.

TSV cho phép bạn xây con chip như một tòa nhà nhiều tầng – mỗi tầng có chức năng riêng, hiệu năng riêng – nhưng cùng phối hợp hoàn hảo qua các “ống dẫn dọc” chính giữa.