湖北江城实验室研制成功三维多层片上电容，密度突破每平方毫米1000纳法

近日，湖北江城实验室在片上电容领域取得重大技术突破，成功研制出三维多层片上电容，其电容密度突破每平方毫米1000纳法。该成果标志着我国在高性能芯片关键无源器件领域实现了全链条自主可控，为国产高端芯片补上了供电稳定性的关键短板。

随着生成式AI大模型训练和高端图形处理器算力需求呈指数级上涨，芯片瞬间功率可达数百瓦，电流波动在纳秒级内急剧变化。传统片上电容受限于平面式结构，电容密度普遍低于每平方毫米20纳法，难以响应高频电流变化；而片外电容则因线路电感制约，无法匹配纳秒级的瞬时功率需求。江城实验室另辟蹊径，摒弃传统平面设计思路，创新研发三维多层同轴通孔电容结构，将平铺的二维电容转变为立体式三维结构。如果把传统平面电容比作一张薄纸，新型三维电容就如同内部密布微孔道的海绵，储电能力大幅提升。

经多轮严苛测试，该三维片上电容密度突破每平方毫米1000纳法，相较于商用积层陶瓷电容器，稳压性能提升百倍以上，核心参数达到国际先进水平。该电容可直接应用于AI/GPU芯片、高性能处理器等高端芯片，集成于芯片内部或紧邻的硅基板内，为高算力、低功耗芯片研发提供关键支撑。在算力系统中，电容被比喻为“电RAM”——如果说HBM是算力的数据缓冲，电容则是算力的能量缓冲，两者相互配合，共同保障AI芯片在高负载工况下稳定运行。

在研发过程中，团队还自研了一套专属解析模型，首次融入通孔同轴传输效应与高频动态特性，将复杂的电磁仿真运算简化为代数方程，计算效率提升数百倍，单次仿真仅需数分钟，最大误差控制在5%以内。该项成果填补了国内技术空白，为行业提供了高效低成本的全新设计方案。

目前，相关技术正在开展工艺流片及小批量试产，预计一年左右实现量产，将在先进封装领域实现规模化应用。江城实验室主任杨道虹表示，团队从材料、结构、模型到工艺实现全链条自主创新，彻底打破海外工艺与IP壁垒，让国产高端芯片不再因为“供电不稳”而受制于人。随着AI产业持续火爆，全球对先进片上电容的需求呈爆发式增长，潜在市场规模达百亿级别，此次突破为我国集成电路产业在高性能算力硬件领域奠定了坚实的底层元器件基础。