Heterogene Integrations-Roadmap und die Zukunft Ihrer Chips

 

Die diesjährige IEEE Electronic Components and Technology Conference (ECTC) bot eine Reihe von Workshops über heterogene Integration und einen schönen Überblick über den aktuellen Stand (Revision 2019) der Heterogeneous Integration Roadmap. Das Aufkommen von SoMs/CoMs und eine Vielzahl von SoCs in Spezialanwendungen wie Smartphones illustrieren, wie die Integration eine Rolle bei der Steigerung der Funktionalität von Chips spielt, ohne deren Größe wesentlich zu erhöhen. Integrationsinitiativen in der Elektronik wurden ursprünglich mit einem einzigen Ziel entwickelt: mehr Funktionen in kleineren Räumen unterzubringen und die Skalierung von Geräten ohne Vergrößerung der Fußabdrücke fortzusetzen.

 

Die heterogene Integration spielt in das größere Thema hinein, das in den letzten zehn Jahren bei ASICs zu sehen war, führt es aber mit fortschrittlichen Verpackungstechnologien auf eine neue Ebene. Wenn Sie ein PCB-Designer oder ein Systemdesigner sind, wie werden hochintegrierte Komponenten Ihre Entwürfe und Layoutpraktiken beeinflussen? Wir können bereits auf einige der heutigen fortschrittlichen GPU- und CPU-Produkte für den Einsatz in Rechenzentrumsservern und mil-aero eingebetteten Computern für einige Anleitungen schauen. Diese Produkte werden jedoch unweigerlich auf den alltäglichen Designer heruntergefiltert, da Technologien wie eingebettete KI, Quanten, 5G/6G, fortschrittliche Robotik und gemischtfunktionale Systeme alltäglicher werden.

Integration in der Halbleiterindustrie

Die Semiconductor Industry Association (SIA) kündigte kürzlich an, dass sie im Frühjahr 2016 die im International Technology Roadmap for Semiconductors (ITRS) skizzierten Aktivitäten einstellen würde. Davor folgte der US-Teil der Industrie seinem eigenen National Technology Roadmap for Semiconductors (NTRS), bis internationale Unternehmen Ende der 1990er Jahre zu partizipieren begannen. Der Wechsel vom ITRS zu einem neuen Paradigma für Integration ist eine bedeutende Verschiebung, besonders wenn man so viel über die Dominanz des Mooreschen Gesetzes bei der Skalierung von Halbleitern hört. Heute akzeptiert jeder in der Branche, dass die fortgesetzte Skalierung unter dem Mooreschen Gesetz abnehmende Erträge für alle außer großen Unternehmen wie Intel und TSMC produziert.

 

Nach dem ITRS kam die International Roadmap for Devices and Systems, ein Teil davon ist die Heterogeneous Integration Roadmap. In der heutigen Ära des IoT, cloud-verbundenen Rechenzentren und intelligenten Geräten, nimmt diese Technologie-Roadmap den Fokus weg von der physischen Skalierung von transistorbasierten Schaltkreisen, etwas, das die Industrie bis zum aktuellen Sub-7-nm-Knoten angetrieben hat. Jetzt liegt der Fokus auf neuen Architekturen mit einer anwendungsgetriebenen Roadmap, um eine Vielzahl neuer Anwendungen zu ermöglichen. Wenn man bedenkt, dass der Punkt der heterogenen Integration darin besteht, vielfältige Funktionen in einem einzigen Paket zu packen, was bleibt dann noch für den Board-Designer zu tun?

 

Wie sich herausstellt, gibt es noch viel für Board-Designer zu tun, und tatsächlich werden sie als die primäre Schnittstelle zwischen der realen Welt und einer Black-Box-Komponente fungieren. Zuerst schauen wir uns an, was heterogene Integration ist, und wir werden sehen, wie die Rolle des PCB-Designers sich weiter von grundlegenden Layoutaufgaben zu Systemdesign und Integration auf Board-Ebene verschieben wird.

Was ist heterogene Integration?

Sehr einfach ausgedrückt, ist die heterogene Integration die Integration von mehreren Komponenten, die möglicherweise separat hergestellt wurden, in ein echtes System-in-Package (SiP), bei dem eine einzige Baugruppe alle Funktionen bereitstellt, indem sie alle Bestandteile miteinander verbindet. Denken Sie an ein SoC, aber mit mehreren Silizium-Dies; jede Komponente wird separat gefertigt und mit einer standardisierten Verbindungsstruktur zusammengefügt.

 

Um zu verstehen, was das bedeutet, schauen wir uns an, wie wir zu einer heterogen integrierten Komponente gelangen. Betrachten wir das folgende Beispiel: Wir haben mehrere Halbleiter-Dies aus verschiedenen Fabs, die möglicherweise mit unterschiedlichen Technologien auf verschiedenen Nodes produziert wurden. Diese werden in einen einzigen Interposer integriert und mit standardisierten Methoden (Vias und Leiterbahnen) miteinander verbunden. Jeder dieser modularen Dies könnte wie Legosteine mit standardisierten Schnittstellen verbunden werden.

 

Vereinfachte Idee in heterogener Integration

In mancher Hinsicht ahmt dies den Drang nach der Entwicklung von ASICs von den 1970er Jahren bis heute nach, wo Funktionen, die mit allgemeiner programmierbarer Logik oder diskreten Komponenten recht schwierig zu handhaben gewesen wären, mit einem einzigen spezialisierten Chip implementiert wurden. Heute beinhalten die meisten Platinen, die Sie für spezifische Anwendungen bauen, eine Reihe von ASICs, einige Spannungsregelungskomponenten, eine Menge Passivkomponenten, einen Prozessor und vielleicht einige spezielle Logikkomponenten. Wenn Sie eine Platine bauen, die eine analoge Front-End benötigt oder ein analoges Signal von einem anderen Instrument erfassen muss, wird dieser Block entweder in Ihren ASIC integriert sein, oder es wird einen Schnittstellen-IC geben (z.B. einen ADC), den Sie auf die Platine für diese Funktion setzen können.

Aktuelle Einzelchip-Modulstruktur

Für den Designer, der nicht unbedingt Entwicklungen in der Halbleiterverpackung verfolgt, habe ich ein Beispiel für einige Integrationsmethoden und ein Beispiel-SoC unten gezeigt. Das Bild oben links zeigt ein typisches BGA-Paket, bei dem der Si-Die in eine Formmasse eingekapselt ist. Die anderen beiden Bilder in der oberen Reihe zeigen, wie mehrere Dies übereinander gestapelt und miteinander oder mit dem BGA-Fußabdruck über Bond-Drähte verbunden werden können. Schließlich zeigt das untere Bild die fortschrittlichste Form der heterogenen Integration, bei der Speicher- und Logikabschnitte in einem einzigen Paket mit Vias integriert werden, bekannt als Through-Silicon-Via (TSV)-Technologie.

 

Beispiele für heterogene Integration.

 

Warum liegt der Fokus darauf, größere Pakete aus einer Reihe kleinerer Chips zu bauen? In planaren Halbleiterfertigungsprozessen ist die Ausbeute geringer, wenn der Die dicker ist, daher wird der Aufbau eines sehr großen Moduls in 3D weniger wirtschaftlich, wenn mehr Funktionen auf einem einzigen Die untergebracht sind. Die Verwendung separater Dies, die mit einer standardisierten Verbindungsarchitektur verknüpft sind, ist zuverlässiger. Es ermöglicht auch Chipherstellern, einen modularen Ansatz für die Entwicklung von Chipmontagen zu verfolgen, bei dem mehrere Dies wie Legosteine zusammenpassen. Dies kann dann auf Mehrchip-Montagen erweitert werden, bei denen mehrere der oben genannten Die-Strukturen zu einem einzigen Paket verbunden sind. Dies wurde kürzlich in AMDs Fiji und Epyc Prozessoren verwendet und ist eine Methode, um mehrere Kerne in einen einzigen Chip zu bringen. In Bezug auf Komponenten und Fähigkeiten liegt der Schwerpunkt bei der heterogenen Integration hauptsächlich darauf, verschiedene digitale Komponenten in eine größere Baugruppe zu verpacken, obwohl auch analoge und elektromechanische Komponenten (z.B. MEMS) Zielbestandteile für die heterogene Integration sind. Wenn es auf einem Wafer mit einem planaren Prozess hergestellt werden kann, dann ist es ein mögliches Ziel für die heterogene Integration. Dieses Potenzial für die Integration unter verschiedenartigen Fähigkeiten führt uns zu den verschiedenen Bereichen, die im Heterogeneous Integration Roadmap besondere Aufmerksamkeit erhalten haben. Schwerpunktbereiche im Heterogeneous Integration Roadmap Der Heterogeneous Integration Roadmap wurde 2019 veröffentlicht, um die Herausforderungen anzugehen, die eine weitere Integration in spezifischen Anwendungsbereichen hemmen. Dieses Dokument wird von drei IEEE-Gesellschaften gesponsert, die den aktuellen und zukünftigen Zustand des Elektronik-Ökosystems widerspiegeln. Der Heterogeneous Integration Roadmap unterscheidet sich von anderen Standards-Roadmaps dadurch, dass er anwendungs- und herausforderungsorientiert ist, anstatt auf spezifischen Fähigkeiten zu fokussieren. Es gibt sechs Kapitel im Heterogeneous Integration Roadmap, die sich auf technische Herausforderungen in spezifischen Bereichen konzentrieren: - Hochleistungsrechnen und Rechenzentren, die natürliche Ziele für eine fortgesetzte Miniaturisierung und Integration sind - Mobile Geräte, einschließlich 5G und zukünftiger mobiler Netzwerkfähigkeiten wie 6G - Automobil, vorrangig autonom fahrende Fahrzeuge - Medizinische/Gesundheitsgeräte und Wearables, die oft eine Reihe von Komponenten benötigen, die spezialisierte Funktionen bereitstellen - Luft- und Raumfahrt sowie Verteidigung, ein weiterer Bereich, in dem eine Vielzahl von Funktionen in physisch großen Systemen für Spezialanwendungen implementiert sind - IoT, eine Kategorie, die breit genug ist, um mit jedem der oben genannten Bereiche zu überschneiden Weitergehend behandelt der Heterogeneous Integration Roadmap technische Herausforderungen und potenzielle Lösungen für einige breite Gruppen von Komponenten. Einige dieser Komponentengruppen sind in vielen Systemen üblich und werden heute mit mehreren Schaltkreisen oder Komponentensätzen implementiert: - Einzelchip- und Mehrchipmodule - Integrierte Leistungselektronik - Integrierte Sensorplattformen, einschließlich MEMS-Sensoren - Integrierte Photonik - 5G-Chipsätze Verschiedene Ebenen der heterogenen Integration Der Trend hier ist einer der Verpackung von mehr Rechenleistung und zusätzlichen Funktionen in Standardpakete, aber mit einem Fokus auf 3 Ebenen:

 

Jede dieser Ebenen der heterogenen Integration zielt darauf ab, unterschiedliche technische Herausforderungen zu bewältigen.

Chip-Heterogenität

Die Chip-Heterogenität konzentriert sich auf die Integration auf Feature-Ebene, indem mehrere Chips in einem einzigen Paket integriert werden. Dies folgt eng dem Design von Chiplets und Multi-Chip-Modulen. Einige Beispiele für Hardware-Integration auf dieser Ebene umfassen:

 

• Mischen verschiedener Paketstile im selben Modul

• Stapeln von mehreren Chips vertikal und horizontal (2.5D/3D-Integration)

• Verpacken mehrerer SoC-Module in ein größeres Modul

 

All dies wird mit Wafer-Level-Packaging-Technologien zusammengeführt, wie TSV für die vertikale Integration und TSMCs Integrated Fan-Out (InFO), das in drahtlosen SiPs verwendet wird. Verbindungstechniken, die nicht auf Bonddrähten basieren, sind besonders gefragt, insbesondere für ultra-hochgeschwindige serielle Datenströme, die zwischen den Dies übertragen werden.

System-Heterogenität

Verschiedene Produkte sind idealer für die Verarbeitung unterschiedlicher Datenstrukturen, und die Integration auf Systemebene zielt darauf ab, Aufgaben zu bewältigen, bei denen Rechenlasten zwischen verschiedenen Modulen übergeben werden. Beispielsweise werden repetitive Vektorberechnungen am besten auf GPUs ausgeführt, während Matrixberechnungen, die in AI-Modellen verwendet werden, nun auf ASICs durchgeführt werden. SiPs müssen diese Optionen neben Schnittstellen, Speichern, Prozessorkernen und I/O-Schnittstellen verfügbar haben, um die rechenintensivste Verarbeitung für spezifische Arbeitslasten zu bieten.

 

Diese Ebene der heterogenen Integration eignet sich mehr für Rechenzentren, in denen mehrere Datenarbeitslasten (skalar, vektoriell, matrixbasiert und räumlich) gleichzeitig verarbeitet werden müssen. Dies kann jedoch sicherlich auf eingebettete Anwendungen, die RF/Wireless sowie photonische Komponenten umfassen, erweitert werden.

 

 

Beispiel eines SiP für autonome Fahrzeuganwendungen mit integrierter Photonik-Schaltung. [Quelle]

 

Firmware-/Software-Homogenität

Dies ist eine große Herausforderung, da sie eine erhebliche Standardisierung über eine Reihe von Produkten in Bezug auf eingebettete Betriebssysteme und einen Satz standardisierter APIs erfordert. Dies ist schwieriger, weil Entwickler im Allgemeinen verschiedene Sprachen verwenden und in verschiedenen Bereichen spezialisiert sind. Wir werden wahrscheinlich weiterhin viele Hochsprachen für die Entwicklung von Anwendungen haben, die mit heterogenen Modulen ausgeführt und verbunden werden. Was Entwickler jedoch benötigen, ist eine einzige Entwicklungsumgebung, die Code aus mehreren Sprachen in eine einzige Codebasis kompiliert. Es ist noch unklar, wie eine solche Umgebung aussehen wird, aber Chip-Hersteller arbeiten an dieser Art von Entwicklungsumgebung, um heterogene Produkte zu unterstützen.

Was heterogene Integration für PCB-Designer bedeutet

Für PCB-Designer bedeutet dieser Trend zu größerer Integration, dass mehr Funktionen und Merkmale auf einem einzigen Chip untergebracht werden und den Designern spezialisiertere Produkte für verschiedene Anwendungen zur Verfügung stehen. Designer, die in aufkommenden Technologiebereichen arbeiten, werden weniger Zeit damit verbringen, Gruppen von unterschiedlichen Komponenten zusammenzufügen, da standardisierte Produkte die erforderlichen Funktionen in einem einzigen Gerät enthalten werden. PCB-Designer werden immer noch mit Layout-Herausforderungen zu kämpfen haben, aber heterogene Integration hilft, die Gesamtkomponentenzahl, Systemgröße und benötigte Peripheriegeräte zu reduzieren, ohne die Layout-Praktiken für PCB-Designer zu ändern.

 

Heißt das, dass PCB-Designer nur noch einen Stromblock und ein heterogen integriertes Modul auf der Platine verdrahten werden? Natürlich nicht... die Heterogeneous Integration Roadmap ist anwendungsorientiert und soll die Produktion von Komponenten vorantreiben, die breite Anwendungsbereiche abzielen. Indem man sich auf breite Anwendungsbereiche konzentriert, werden neue Produkte Komponenten für spezifische Chipsätze in einem einzigen Modul konsolidieren, und standardisierte Schnittstellen (PCIe, USB usw.) würden verwendet, um Module miteinander zu verbinden.

 

Während die heterogene Integration fortschreitet und neue Produkte auf den Markt kommen, wird Octopart hier sein, um Ihnen zu helfen, die benötigten Komponenten mit einem kompletten Satz von fortgeschrittenen Such- und Filterfunktionen zu finden. Wenn Sie Octoparts Elektronik-Suchmaschine verwenden, haben Sie Zugang zu aktuellen Distributoren-Preisdaten, Teilebeständen und Teilespezifikationen, und das alles ist frei zugänglich in einer benutzerfreundlichen Schnittstelle. Werfen Sie einen Blick auf unsere Seite mit integrierten Schaltkreisen, um die Komponenten zu finden, die Sie benötigen.

 

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