Hoja de Ruta de Integración Heterogénea y el Futuro de Tus Chips

 

 

La conferencia de este año sobre Componentes Electrónicos y Tecnología (ECTC) de la IEEE vio una serie de talleres sobre integración heterogénea y una buena visión general del estado actual (revisión de 2019) del Mapa de Integración Heterogénea. La llegada de SoMs/CoMs, y una plétora de SoCs en aplicaciones especializadas como los smartphones, ilustran cómo la integración está jugando un papel en el aumento de la funcionalidad de los chips sin aumentar significativamente su tamaño. Las iniciativas de integración en la electrónica se desarrollaron originalmente con un único objetivo: incorporar más características en espacios más pequeños y continuar escalando dispositivos sin aumentar sus dimensiones.

 

La integración heterogénea se inscribe en el tema más amplio que se ha visto con los ASICs durante la última década, pero lo lleva a un nuevo nivel con tecnologías avanzadas de empaquetado. Si eres un diseñador de PCB o un diseñador de sistemas, ¿cómo afectarán a tus diseños y prácticas de diseño los componentes altamente integrados? Ya podemos mirar a algunos de los productos avanzados de GPU y CPU de hoy en día para su uso en servidores de centros de datos y computación embebida mil-aero para obtener alguna orientación. Sin embargo, estos productos inevitablemente se filtrarán al diseñador cotidiano a medida que tecnologías como la IA embebida, cuántica, 5G/6G, robótica avanzada y sistemas de funcionalidad mixta se vuelvan más comunes.

Integración en la Industria de Semiconductores

La Asociación de la Industria de Semiconductores (SIA) anunció recientemente que dejaría de perseguir las actividades descritas en el Mapa Internacional de Tecnología para Semiconductores (ITRS) en la primavera de 2016. Antes de eso, el segmento estadounidense de la industria siguió su propio Mapa Nacional de Tecnología para Semiconductores (NTRS) hasta que las empresas internacionales comenzaron a unirse a finales de los años 90. El alejamiento del ITRS y hacia un nuevo paradigma de integración es un cambio importante, especialmente cuando se escucha tanto sobre el dominio de la Ley de Moore en el impulso del escalado de semiconductores. Hoy, todos en la industria aceptan que el escalado continuo bajo la Ley de Moore está produciendo rendimientos decrecientes para todos excepto las grandes empresas como Intel y TSMC.

 

Después del ITRS vino el Mapa Internacional para Dispositivos y Sistemas, un subconjunto del cual es el Mapa de Integración Heterogénea. En la era actual de IoT, centros de datos conectados a la nube y dispositivos inteligentes, este mapa tecnológico desplaza el foco del escalado físico de circuitos basados en transistores, algo que impulsó a la industria hasta el nodo sub-7 nm actual. Ahora el foco está en nuevas arquitecturas con un mapa de ruta impulsado por aplicaciones para habilitar un conjunto de nuevas aplicaciones. Cuando consideras que el punto de la integración heterogénea es empaquetar características diversas en un solo paquete, ¿qué queda para el diseñador de placas?

 

Resulta que queda mucho para los diseñadores de placas, y de hecho, funcionarán como la interfaz principal entre el mundo real y un componente de caja negra. Primero, veamos qué es la integración heterogénea, y veremos cómo el papel del diseñador de PCB continuará desplazándose desde tareas básicas de diseño hasta el diseño de sistemas e integración a nivel de placa.

¿Qué es la Integración Heterogénea?

Muy simplemente, la integración heterogénea es la integración de múltiples componentes, que pueden ser fabricados por separado, en un verdadero sistema en paquete (SiP), donde un único ensamblaje proporciona toda la funcionalidad conectando todos los componentes constituyentes. Piensa en un SoC pero con más dados de silicio; cada componente se fabrica por separado y se une mediante una estructura de interconexión estándar.

 

Para ver qué significa esto, veamos cómo llegamos a un componente integrado de manera heterogénea. Considera el ejemplo a continuación: tenemos múltiples dados de semiconductores de diferentes fábricas, y posiblemente producidos con diferentes tecnologías en diferentes nodos. Estos se integran en un único interposer y se interconectan utilizando métodos estándar (vías y pistas). Cualquiera de estos dados modulares podría conectarse juntos como legos con interfaces estandarizadas.

 

Idea simplificada en integración heterogénea

De alguna manera, esto imita el impulso para desarrollar ASICs desde los años 70 hasta hoy, donde funciones que habrían sido bastante difíciles de manejar usando lógica programable de propósito general o componentes discretos se implementaron con un solo chip especializado. Ahora, la mayoría de las placas que construirás para aplicaciones específicas involucran una gama de ASICs, algunos componentes de regulación de potencia, un montón de pasivos, un procesador, y quizás algunos componentes de lógica especializados. Si estás construyendo una placa que necesita un front-end analógico o debe capturar alguna señal analógica de otro instrumento, ese bloque estará integrado en tu ASIC, o habrá algún IC de interfaz (por ejemplo, un ADC) que puedes colocar en la placa para esa función.

Estructura Actual de Módulo de Un Solo Chip

Para el diseñador que no necesariamente sigue los desarrollos en el empaquetado de semiconductores, he mostrado un ejemplo de algunos métodos de integración y un ejemplo de SoC a continuación. La imagen superior izquierda muestra un típico paquete BGA donde el dado de Si está encapsulado en un compuesto moldeado. Las otras dos imágenes en la fila superior muestran cómo se pueden apilar y conectar entre sí varios dados o al footprint BGA con hilos de unión. Finalmente, la imagen inferior muestra la forma más sofisticada de integración heterogénea, donde las secciones de memoria y lógica se integran en un solo paquete utilizando vías, conocidas como tecnología de vía a través del silicio (TSV).

 

Ejemplos de integración heterogénea.

 

¿Por qué se enfoca en construir paquetes más grandes a partir de un conjunto de chips más pequeños? En los procesos de fabricación de semiconductores planares, el rendimiento es menor cuando el die es más grueso, por lo que construir un módulo a gran escala en 3D se vuelve menos económico cuando se empaquetan más características en un solo die. Usar dies separados que están interconectados con una arquitectura de interconexión estándar es más confiable. Esto también permite a los diseñadores de chips adoptar un enfoque modular para desarrollar ensamblajes de chips, donde múltiples dies pueden encajar juntos como legos. Luego, puedes extender esto a ensamblajes de múltiples chips, donde múltiplos de la estructura de die anterior están vinculados juntos en un solo paquete. Esto ha sido utilizado recientemente en los procesadores Fiji y Epyc de AMD, y es un método para integrar múltiples núcleos en un solo chip.

 

En términos de componentes y capacidades, la mayor parte del enfoque en la integración heterogénea está en empaquetar diferentes componentes digitales en un ensamblaje más grande, aunque los componentes analógicos y electromecánicos (por ejemplo, MEMS) también son objetivos para la integración heterogénea. Si se puede fabricar en un wafer con un proceso planar, entonces es un objetivo posible para la integración heterogénea. Este potencial para la integración entre capacidades dispares nos lleva a las diversas áreas que han recibido enfoque en la Hoja de Ruta de Integración Heterogénea.

Áreas de Enfoque en la Hoja de Ruta de Integración Heterogénea

La Hoja de Ruta de Integración Heterogénea fue publicada en 2019 para abordar los desafíos que inhiben una mayor integración en áreas de aplicación específicas. Este documento está patrocinado por tres sociedades de IEEE que reflejan los estados actual y futuro del ecosistema electrónico. La Hoja de Ruta de Integración Heterogénea se distingue de otras hojas de ruta de estándares en que se centra en aplicaciones y desafíos, en lugar de centrarse en capacidades específicas. Hay seis capítulos delineados en la Hoja de Ruta de Integración Heterogénea enfocándose en desafíos técnicos en áreas específicas:

 

• Computación de alto rendimiento y centros de datos, que son objetivos naturales para la miniaturización y la integración continuas

• Dispositivos móviles, incluyendo capacidades de redes móviles 5G y futuras como 6G

• Automotriz, abordando principalmente vehículos autónomos

• Dispositivos médicos/salud y wearables, que a menudo requieren una gama de componentes que proporcionan funciones especializadas

• Aeroespacial y defensa, otra área donde se implementan multitud de funciones en sistemas físicamente grandes para aplicaciones especializadas

• IoT, una categoría lo suficientemente amplia como para solaparse con cualquiera de las áreas anteriores

 

Profundizando, la Hoja de Ruta de Integración Heterogénea aborda desafíos técnicos y soluciones potenciales para algunos grupos amplios de componentes. Algunos de estos grupos de componentes son comunes en muchos sistemas, y hoy se implementan con múltiples circuitos o conjuntos de componentes:

 

• Módulos de chip único y multi-chip

• Electrónica de potencia integrada

• Plataformas de sensores integrados, incluyendo sensores MEMS

• Fotónica integrada

• Conjuntos de chips 5G

 

Diferentes Niveles de Integración Heterogénea

La tendencia aquí es una de empaquetar más poder de cómputo y características adicionales en paquetes estándar, pero con un enfoque en 3 niveles:

 

Cada uno de estos niveles de integración heterogénea tiene como objetivo abordar diferentes desafíos técnicos.

Heterogeneidad de Chips

La heterogeneidad de chips se centra en la integración a nivel de características al integrar múltiples chips en un único paquete. Esto sigue de cerca el diseño de chiplets y módulos multi-chip. Algunos ejemplos de integración de hardware en este nivel incluyen:

 

• Mezclar diferentes estilos de paquetes en el mismo módulo

• Apilamiento de múltiples chips vertical y horizontalmente (integración 2.5D/3D)

• Empaquetar múltiples módulos SoC en un módulo más grande

 

Todo esto está vinculado con tecnologías de empaquetado a nivel de oblea, como TSV para la integración vertical y el fan-out integrado (InFO) de TSMC utilizado en SiPs inalámbricos. Las técnicas de interconexión que no dependen de hilos de unión son muy deseadas, especialmente para flujos de datos seriales de ultra alta velocidad que pasan entre dies.

Heterogeneidad del Sistema

Diferentes productos son más ideales para procesar diferentes estructuras de datos, y la integración a nivel de sistema tiene como objetivo abordar tareas donde las cargas de trabajo computacionales se pasan entre diferentes módulos. Por ejemplo, los cálculos vectoriales repetitivos se realizan mejor en GPUs, mientras que los cálculos matriciales utilizados en modelos de IA ahora se están realizando en ASICs. Los SiPs necesitan tener estas opciones disponibles junto con interfaces, memorias, núcleos de procesadores e interfaces de E/S para proporcionar el procesamiento más eficiente computacionalmente para cargas de trabajo específicas.

 

Este nivel de integración heterogénea es más adecuado para centros de datos, donde múltiples cargas de trabajo de datos (escalar, vectorial, matricial y espacial) necesitan ser procesadas simultáneamente. Sin embargo, esto ciertamente puede extenderse a aplicaciones embebidas que involucran RF/inalámbrico, así como componentes fotónicos.

 

 

Ejemplo de SiP para aplicaciones de vehículos autónomos con circuitos fotónicos integrados. [Fuente]

 

Homogeneidad del Firmware/Software

Este es un gran desafío ya que requiere una estandarización significativa a través de un conjunto de productos en términos de sistemas operativos embebidos y un conjunto de APIs estándar. Esto es más difícil porque los desarrolladores generalmente usan diferentes lenguajes y con diferentes áreas de especialización. Es probable que sigamos teniendo muchos lenguajes de alto nivel para desarrollar aplicaciones que se ejecutarán e interactuarán con módulos heterogéneos. Sin embargo, lo que los desarrolladores necesitan es un único entorno de desarrollo que compile código de múltiples lenguajes en una sola base de código. Todavía no está claro cómo será este tipo de entorno, pero los fabricantes de chips están trabajando hacia este tipo de entorno de desarrollo para apoyar productos heterogéneos.

Qué significa la Integración Heterogénea para los Diseñadores de PCB

Para los diseñadores de PCB, esta tendencia de mayor integración incorpora más funciones y características en un solo chip y ofrece a los diseñadores productos más especializados para diferentes aplicaciones. Los diseñadores que trabajan en áreas emergentes de la tecnología pasarán menos tiempo ensamblando grupos de componentes dispares ya que los productos estandarizados contendrán las características requeridas en un solo dispositivo. Los diseñadores de PCB aún tendrán desafíos de diseño para enfrentar, pero la integración heterogénea ayuda a reducir el conteo total de componentes, el tamaño del sistema y los periféricos requeridos sin cambiar las prácticas de diseño para los diseñadores de PCB.

 

¿Significa esto que los diseñadores de PCB solo estarán conectando un bloque de alimentación y un módulo integrado heterogéneamente en la placa? Por supuesto que no... el Roadmap de Integración Heterogénea está basado en aplicaciones y tiene como objetivo impulsar la producción de componentes que apunten a amplias áreas de aplicación. Al enfocarse en áreas de aplicación amplias, los nuevos productos consolidarán componentes para chipsets específicos en un solo módulo, y se utilizarían interfaces estándar (PCIe, USB, etc.) para enlazar los módulos entre sí.

 

A medida que la integración heterogénea continúa y se lanzan nuevos productos al mercado, Octopart estará aquí para ayudarte a encontrar los componentes que necesitas con un conjunto completo de características avanzadas de búsqueda y filtrado. Cuando uses el motor de búsqueda de electrónica de Octopart, tendrás acceso a datos actuales de precios de distribuidores, inventario de partes y especificaciones de partes, y todo está libremente accesible en una interfaz fácil de usar. Echa un vistazo a nuestra página de circuitos integrados para encontrar los componentes que necesitas.

 

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