Feuille de route de l'intégration hétérogène et l'avenir de vos puces

 

 

La conférence de cette année sur les composants électroniques et la technologie IEEE (ECTC) a vu une série d'ateliers sur l'intégration hétérogène et un bel aperçu de l'état actuel (révision 2019) de la feuille de route pour l'intégration hétérogène. L'avènement des SoMs/CoMs, et une pléthore de SoCs dans des applications spécialisées comme les smartphones, illustrent comment l'intégration joue un rôle dans l'augmentation de la fonctionnalité des puces sans augmenter de manière significative leur empreinte. Les initiatives d'intégration dans l'électronique ont été initialement développées avec un seul objectif : intégrer plus de fonctionnalités dans des espaces plus petits et continuer à faire évoluer les dispositifs sans augmenter les empreintes.

 

L'intégration hétérogène s'inscrit dans le thème plus large qui a été observé avec les ASICs au cours de la dernière décennie, mais le porte à un nouveau niveau avec des technologies d'emballage avancées. Si vous êtes un concepteur de PCB ou un concepteur de systèmes, comment les composants hautement intégrés affecteront-ils vos conceptions et pratiques de mise en page ? Nous pouvons déjà nous tourner vers certains des produits GPU et CPU avancés d'aujourd'hui utilisés dans les serveurs de centres de données et l'informatique embarquée mil-aéro pour obtenir des conseils. Cependant, ces produits finiront inévitablement par se répandre auprès du concepteur quotidien à mesure que des technologies comme l'IA embarquée, le quantique, la 5G/6G, la robotique avancée et les systèmes à fonctionnalités mixtes deviennent plus courants.

Intégration dans l'industrie des semi-conducteurs

L'Association de l'industrie des semi-conducteurs (SIA) a récemment annoncé qu'elle cesserait de poursuivre les activités décrites dans la feuille de route technologique internationale pour les semi-conducteurs (ITRS) au printemps 2016. Avant cela, le segment américain de l'industrie suivait sa propre feuille de route nationale pour les semi-conducteurs (NTRS) jusqu'à ce que des entreprises internationales commencent à se joindre à la fin des années 1990. Le passage de l'ITRS à un nouveau paradigme pour l'intégration est un changement majeur, surtout lorsque l'on entend tant parler de la dominance de la loi de Moore dans la conduite de l'échelle des semi-conducteurs. Aujourd'hui, tout le monde dans l'industrie accepte que la poursuite de l'échelle sous la loi de Moore produit des rendements décroissants pour tous, sauf pour les grandes entreprises comme Intel et TSMC.

 

Après l'ITRS est venu la feuille de route internationale pour les dispositifs et les systèmes, dont une sous-partie est la feuille de route pour l'intégration hétérogène. Dans l'ère actuelle de l'IoT, des centres de données connectés au cloud et des dispositifs intelligents, cette feuille de route technologique détourne l'attention de l'échelle physique des circuits basés sur les transistors, quelque chose qui a conduit l'industrie jusqu'au nœud sub-7 nm actuel. Désormais, l'accent est mis sur de nouvelles architectures avec une feuille de route axée sur l'application pour permettre une multitude de nouvelles applications. Lorsque vous considérez que le point de l'intégration hétérogène est de regrouper des fonctionnalités diverses dans un seul paquet, que reste-t-il pour le concepteur de carte à faire ?

 

Il s'avère qu'il reste beaucoup à faire pour les concepteurs de cartes, et en fait, ils fonctionneront comme l'interface principale entre le monde réel et un composant boîte noire. D'abord, regardons ce qu'est l'intégration hétérogène, et nous verrons comment le rôle du concepteur de PCB continuera à s'éloigner des tâches de mise en page de base pour se tourner vers la conception de systèmes et l'intégration au niveau de la carte.

Qu'est-ce que l'intégration hétérogène ?

Très simplement, l'intégration hétérogène est l'intégration de multiples composants, qui peuvent être fabriqués séparément, dans un véritable système dans un boîtier (SiP), où un seul assemblage fournit toutes les fonctionnalités en connectant tous les composants constitutifs. Pensez à un SoC mais avec plus de puces en silicium ; chaque composant est fabriqué séparément et relié ensemble avec une structure d'interconnexion standard.

 

Pour voir ce que cela signifie, examinons comment nous arrivons à un composant intégré de manière hétérogène. Considérez l'exemple ci-dessous : nous avons plusieurs puces semi-conductrices de différentes fonderies, et possiblement produites avec différentes technologies à différents nœuds. Elles sont intégrées dans un seul interposeur et interconnectées en utilisant des méthodes standard (vias et pistes). N'importe lequel de ces puces modulaires pourrait être connecté ensemble comme des legos avec des interfaces standardisées.

 

Idée simplifiée dans l'intégration hétérogène

D'une certaine manière, cela imite la poussée pour développer des ASICs depuis les années 1970 jusqu'à aujourd'hui, où des fonctions qui auraient été assez difficiles à gérer en utilisant une logique programmable à usage général ou des composants discrets ont été implémentées avec une seule puce spécialisée. Maintenant, la plupart des cartes que vous construirez pour des applications spécifiques impliquent une gamme d'ASICs, certains composants de régulation de puissance, un tas de passifs, un processeur, et peut-être quelques composants logiques spécialisés. Si vous construisez une carte qui nécessite une interface analogique en amont ou doit capturer un signal analogique d'un autre instrument, ce bloc sera soit intégré dans votre ASIC, soit il y aura un IC d'interface (par exemple, un ADC) que vous pouvez mettre sur la carte pour cette fonction.

Structure actuelle de module à puce unique

Pour le concepteur qui ne suit pas nécessairement les développements dans l'emballage des semi-conducteurs, j'ai montré un exemple de certaines méthodes d'intégration et un exemple de SoC ci-dessous. L'image en haut à gauche montre un boîtier BGA typique où la puce Si est encapsulée dans un composé de moulage. Les deux autres images de la rangée supérieure montrent comment plusieurs puces peuvent être empilées et interconnectées entre elles ou au boîtier BGA avec des fils de liaison. Enfin, l'image inférieure montre la forme la plus sophistiquée d'intégration hétérogène, où les sections de mémoire et de logique sont intégrées dans un seul paquet en utilisant des vias, connues sous le nom de technologie via-silicium (TSV).

 

Exemples d'intégration hétérogène.

 

Pourquoi se concentre-t-on sur la construction de plus grands paquets à partir d'un ensemble de puces plus petites ? Dans les processus de fabrication de semi-conducteurs planaires, le rendement est plus faible lorsque la puce est plus épaisse, donc construire un module à très grande échelle en 3D devient moins économique lorsque davantage de fonctionnalités sont intégrées sur une seule puce. Utiliser des puces séparées qui sont interconnectées avec une architecture d'interconnexion standard est plus fiable. Cela permet également aux concepteurs de puces d'adopter une approche modulaire pour le développement d'assemblages de puces, où plusieurs puces peuvent s'assembler comme des legos. Vous pouvez ensuite étendre cela aux assemblages multi-puces, où plusieurs des structures de puces mentionnées ci-dessus sont liées ensemble dans un seul paquet. Cela a été récemment utilisé dans les processeurs Fiji et Epyc d'AMD, et c'est une méthode pour intégrer plusieurs cœurs dans une seule puce.

 

En termes de composants et de capacités, la plupart de l'attention dans l'intégration hétérogène est portée sur l'emballage de différents composants numériques dans un plus grand assemblage, bien que les composants analogiques et électromécaniques (par exemple, MEMS) soient également des constituants cibles pour l'intégration hétérogène. Si cela peut être fabriqué sur une plaquette avec un processus planaire, alors c'est une cible possible pour l'intégration hétérogène. Ce potentiel d'intégration parmi des capacités disparates nous amène aux divers domaines qui ont reçu une attention particulière dans la Feuille de Route de l'Intégration Hétérogène.

Domaines d'intérêt dans la Feuille de Route de l'Intégration Hétérogène

La Feuille de Route de l'Intégration Hétérogène a été publiée en 2019 pour aborder les défis inhibant une intégration plus poussée dans des domaines d'application spécifiques. Ce document est parrainé par trois sociétés de l'IEEE qui reflètent les états actuels et futurs de l'écosystème électronique. La Feuille de Route de l'Intégration Hétérogène se distingue des autres feuilles de route standards en ce qu'elle est axée sur les applications et les défis, plutôt que sur des capacités spécifiques. Il y a six chapitres décrits dans la Feuille de Route de l'Intégration Hétérogène se concentrant sur les défis techniques dans des domaines spécifiques :

 

• Informatique haute performance et centres de données, qui sont des cibles naturelles pour la miniaturisation et l'intégration continues

• Appareils mobiles, incluant la 5G et les capacités futures de réseautage mobile comme la 6G

• Automobile, s'adressant principalement aux véhicules autonomes

• Dispositifs médicaux/santé et wearables, qui nécessitent souvent une gamme de composants fournissant des fonctions spécialisées

• Aérospatiale et défense, un autre domaine où une multitude de fonctions sont mises en œuvre dans des systèmes physiquement grands pour des applications spécialisées

• IoT, une catégorie suffisamment large pour recouper n'importe lequel des domaines ci-dessus

 

En allant plus loin, la Feuille de Route de l'Intégration Hétérogène aborde les défis techniques et les solutions potentielles pour certains groupes larges de composants. Certains de ces groupes de composants sont communs dans de nombreux systèmes, et aujourd'hui sont mis en œuvre avec plusieurs circuits ou ensembles de composants :

 

• Modules mono-puce et multi-puces

• Électronique de puissance intégrée

• Plateformes de capteurs intégrées, incluant les capteurs MEMS

• Photonique intégrée

• Chipsets 5G

 

Niveaux différents de l'Intégration Hétérogène

La tendance ici est celle d'incorporer plus de puissance de calcul et de fonctionnalités supplémentaires dans des paquets standards, mais avec un focus à 3 niveaux :

 

Chacun de ces niveaux d'intégration hétérogène vise à relever différents défis techniques.

Hétérogénéité des puces

L'hétérogénéité des puces se concentre sur l'intégration au niveau des fonctionnalités en intégrant plusieurs puces dans un seul et même emballage. Cela suit de près la conception des chiplets et des modules multi-puces. Quelques exemples d'intégration matérielle à ce niveau incluent :

 

• Mélanger différents styles d'emballage dans le même module

• Empilement de plusieurs puces verticalement et horizontalement (intégration 2.5D/3D)

• Regroupement de plusieurs modules SoC dans un module plus grand

 

Tout cela est lié par des technologies d'emballage au niveau du wafer, telles que TSV pour l'intégration verticale et le fan-out intégré de TSMC (InFO) utilisé dans les SiPs sans fil. Les techniques d'interconnexion qui ne dépendent pas de fils de liaison sont très recherchées, surtout pour les flux de données sérielles ultra-haute vitesse passant entre les dies.

Hétérogénéité des systèmes

Différents produits sont plus idéaux pour traiter différentes structures de données, et l'intégration au niveau du système vise à aborder les tâches où les charges de travail computationnelles sont transmises entre différents modules. Par exemple, les calculs vectoriels répétitifs sont mieux effectués sur les GPU, tandis que les calculs matriciels utilisés dans les modèles d'IA sont maintenant effectués sur des ASICs. Les SiPs doivent avoir ces options disponibles aux côtés des interfaces, mémoires, cœurs de processeurs et interfaces E/S pour fournir le traitement le plus efficace possible pour des charges de travail spécifiques.

 

Ce niveau d'intégration hétérogène est plus adapté pour les centres de données, où plusieurs charges de travail de données (scalaire, vectorielle, matricielle et spatiale) doivent être traitées simultanément. Cependant, cela peut certainement être étendu aux applications embarquées impliquant RF/sans fil, ainsi que les composants photoniques.

 

 

Exemple de SiP pour les applications de véhicules autonomes avec circuit photonique intégré. [Source]

 

Homogénéité du firmware/logiciel

C'est un défi majeur car il nécessite une standardisation significative à travers un ensemble de produits en termes de systèmes d'exploitation embarqués et un ensemble d'API standard. Cela est plus difficile parce que les développeurs utilisent généralement différents langages et avec différentes spécialisations. Nous continuerons probablement à avoir de nombreux langages de haut niveau pour développer des applications qui fonctionneront et interagiront avec des modules hétérogènes. Cependant, ce dont les développeurs ont besoin est un environnement de développement unique qui compile le code de plusieurs langages en une seule base de code. Il n'est toujours pas clair à quoi ressemblera ce type d'environnement, mais les fabricants de puces travaillent vers ce type d'environnement de développement pour soutenir les produits hétérogènes.

Ce que l'intégration hétérogène signifie pour les concepteurs de PCB

Pour les concepteurs de PCB, cette tendance à une plus grande intégration regroupe plus de fonctions et de caractéristiques sur une seule puce et offre aux concepteurs des produits plus spécialisés pour différentes applications. Les concepteurs travaillant dans les domaines technologiques émergents passeront moins de temps à assembler des groupes de composants disparates puisque les produits standardisés contiendront les fonctionnalités requises dans un seul dispositif. Les concepteurs de PCB auront toujours des défis de disposition à relever, mais l'intégration hétérogène aide à réduire le nombre total de composants, la taille du système et les périphériques requis sans changer les pratiques de disposition pour les concepteurs de PCB.

 

Cela signifie-t-il que les concepteurs de PCB se contenteront de connecter un bloc d'alimentation et un module intégré hétérogène sur la carte ? Bien sûr que non... la Feuille de Route de l'Intégration Hétérogène est basée sur les applications et vise à stimuler la production de composants qui ciblent de larges domaines d'application. En se concentrant sur de larges domaines d'application, les nouveaux produits consolideront les composants pour des chipsets spécifiques dans un seul module, et des interfaces standard (PCIe, USB, etc.) seraient utilisées pour lier les modules entre eux.

 

Au fur et à mesure que l'intégration hétérogène se poursuit et que de nouveaux produits sont lancés sur le marché, Octopart sera là pour vous aider à trouver les composants dont vous avez besoin avec un ensemble complet de fonctionnalités de recherche avancée et de filtrage. Lorsque vous utilisez le moteur de recherche électronique d'Octopart, vous aurez accès aux données actuelles de tarification des distributeurs, à l'inventaire des pièces et aux spécifications des pièces, et tout est librement accessible dans une interface conviviale. Jetez un œil à notre page de circuits intégrés pour trouver les composants dont vous avez besoin.

 

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