上证报记者6月12日从湖北江城实验室了解到，该实验室近期在电容关键技术上取得重大突破，成功研制出三维多层片上电容，电容密度突破每平方毫米1000纳法。该电容可直接应用于AI/GPU芯片、高性能处理器等高端芯片，支撑高算力、低功耗芯片研发。
目前，相关技术正在开展工艺流片及小批量试产，将在先进封装领域实现规模化应用。
电容在电路中的作用，本质上是一个超微缩的“蓄水池”：当芯片电流剧烈波动时，能迅速充放电以平抑电压，确保芯片吃上“纯净且稳定”的电流。
AI时代，这一“蓄水池”的响应速度也面临新挑战。据介绍，片上电容在AI芯片中扮演着超快响应的“近端电力蓄水池”和“高频噪声过滤器”角色，为AI大算力的释放提供关键支撑。目前，供电稳定性正成为制约AI芯片性能和可靠性的关键瓶颈。
国金证券研报指出，与CPU时代的稳态用电不同，数千颗GPU在锁步协同下执行相同计算，功率在微秒至亚毫秒级内发生阶跃式突变。而传统UPS的切换响应速度仅在毫秒级，两者存在两到三个数量级的错配。
“AI芯片具备强大算力与超快运行速度，但工作负载动态波动大，功耗变化剧烈，电压扰动极易引发运行卡顿、系统宕机等问题。”江城实验室工程师解释，传统片外电容离芯片核心远，当GPU瞬时拉满功率时“来不及供电”，芯片只能降频自保，这正是用户跑AI大模型时出现终端设备发烫、卡顿甚至蓝屏死机的物理根源之一。
由此，电容在算力系统中也被比喻为“电RAM”：HBM是算力的数据缓冲，电容则是算力的能量缓冲。要在GPU瞬时拉满功率时供得上电，必须依靠从纳秒到秒级的多级电力缓存逐级接力。
江城实验室的解题思路，是把传统单薄的平面电容改造成“立体多孔”的新型结构。据实验室相关人士介绍，三维电容器相当于一块大海绵，内部密布着无数微小的孔洞。在同样的面积下，这种结构集成了更高的电容密度，能够提供更多的瞬态电荷给芯片，保证芯片更稳定、更快地响应。
“AI芯片的工作负载具备瞬态波动特征，工作电流会出现剧烈的阶跃式升降，电流切换速率可达纳秒级别。”江城实验室相关人士表示，这一过程可类比开车，猛踩油门对应芯片需要瞬时大电流，松油减速则会出现电流快速回落。这就要求电容紧邻芯片核心区域，既能在纳秒级瞬间补足电流，也能在电流骤降时吸纳多余电荷，全程维持电压稳定。
但将二维电容变为三维，技术难点极高。研发团队需要在特别小的孔内做纳米级膜层，且这层材料不能有缺陷——一旦存在缺陷，就会击穿漏电。江城实验室通过严格的工艺控制，攻克了这一难关，使新型电容能在芯片需要大电流时快速馈电，有效抑制电压波动。
据介绍，这款片上电容可以直接做在芯片内部或紧邻的硅基板内，越靠近核心，越适合AI芯片纳秒级大电流瞬态响应，目标客户涵盖国内的CPU、GPU、手机处理器等芯片厂商。
（文章来源：上海证券报）
