PCB vs. Moduli Multichip, Chiplet e Tessuto di Interconnessione in Silicio (Aggiornamento 2023)

Un articolo pubblicato nel numero di settembre 2019 di IEEE Spectrum sosteneva che il tessuto di interconnessione in silicio, un metodo per collegare chiplet su un modulo multichip o un pacchetto avanzato, avrebbe eliminato le PCB e gli SoC ingombranti per molte applicazioni, in particolare le schede madri.

Adesso siamo nel 2023, e sembra che nessuno abbia ancora abbandonato le PCB; la domanda di PCB rimane forte come sempre e si prevede che continuerà a crescere con un CAGR a due cifre. Ciò nonostante la prevista crescita di tipi avanzati di PCB, in particolare le schede UHDI e le PCB simili a substrati.

Quell'articolo del 2019 su IEEE Spectrum era almeno la terza volta che si faceva l'affermazione della "fine delle PCB" in altrettanti decenni. I moduli multichip risalgono alla memoria Bubble di IBM negli anni '70, e si possono persino progettare utilizzando software standard per la progettazione di PCB, purché si possano costruire impronte per i bump di collegamento sui die semiconduttori del proprio modulo. Una volta analizzati i termini tecnici e le sfide coinvolte nel portare i moduli multichip nel mainstream, è più facile capire quale sarà il futuro rapporto tra PCB e circuiti integrati.

Pacchetti Avanzati, Chiplet e Tessuto di Interconnessione in Silicio

Ora che la conversazione sulla produzione elettronica negli Stati Uniti e in Europa si è spostata verso l'advanced packaging e la produzione locale di semiconduttori, molte aziende stanno internalizzando le operazioni di progettazione dei chip. Ciò significa che il packaging diventerà dominio di questi team di progettazione, e i progettisti di PCB sono il gruppo con le competenze per risolvere layout di packaging avanzato che coinvolgono chip e moduli integrati eterogeneamente.

Il tessuto di interconnessione di silicio era inteso come una piattaforma di interconnessione che supporta l'integrazione eterogenea in pacchetti avanzati per sistemi ultra-grandi. In questa metodologia di packaging, i die non confezionati sono attaccati direttamente a un wafer di Si con un pitch di interconnessione verticale molto fine (da 2 a 10 micron). Lo spazio tra i die è inteso per essere < 100 micron, garantendo interconnessioni molto corte tra i die. Il pacchetto è inoltre inteso per supportare l'integrazione 3D con l'impilamento verticale dei die in un singolo modulo.

Struttura del tessuto di interconnessione di silicio. [Fonte: UCLA CHIPS]

Il tessuto è destinato a sostituire gli interposer convenzionali, i pacchetti e i PCB. Chiamatemi di parte, ma sono scettico che una tale metodologia di confezionamento possa sostituire i PCB data l'attuale struttura di produzione e distribuzione dei componenti. Per me, questa sembra una struttura che potrebbe essere collocata su un interposer o su un substrato di pacchetto, ma non sarebbe una sostituzione all'ingrosso per i PCB. Dico questo perché questa struttura consente essenzialmente un'integrazione 2.5D o un'integrazione 3D su un wafer di silicio.

Quanto in alto nella gerarchia di progettazione deve arrivare il confezionamento, e questi dispositivi sostituiranno mai i PCB come metodo standard di costruzione dell'elettronica? La realtà è che le metodologie di confezionamento utilizzate per interconnettere componenti eterogenei non sono destinate a sostituire i PCB come soluzione di confezionamento di livello più alto. La modularità offerta dai componenti off-the-shelf nei PCB fornisce un valore significativo e flessibilità di cui gli ingegneri hanno bisogno. Fino a quando ogni circuito integrato off-the-shelf non sarà disponibile anche come chiplet, tecnologie come il tessuto di interconnessione in silicio non hanno speranza di sostituire completamente i PCB.

Nonostante il mio scetticismo riguardo la sostituzione dei pacchetti E delle schede a circuito stampato con un'architettura di interconnessione completamente nuova, ci sono state ulteriori ricerche sui sistemi basati su tessuto di interconnessione in silicio. Come tecnologia di packaging, i sistemi basati su tessuto di interconnessione in silicio affrontano alcune delle stesse sfide dei pacchetti convenzionali e delle PCB avanzate, in particolare nelle aree di erogazione di potenza, stabilità della potenza, e inclusione di capacitanza incorporata nel tessuto. Di seguito sono riportati due articoli recenti su questi argomenti.

• Safari, Yousef, Anja Kroon e Boris Vaisband. "Erogazione di potenza per applicazioni su larga scala su Si-IF." In 2022 IEEE International Symposium on Circuits and Systems (ISCAS), pp. 1605-1609. IEEE, 2022.
• Kannan, K. T., e Subramanian S. Iyer. "Condensatori a trincea profonda nel tessuto di interconnessione in silicio." In 2020 IEEE 70th Electronic Components and Technology Conference (ECTC), pp. 2295-2301. IEEE, 2020.

Il Verdetto - Le PCB Rimangono Ancora

Ci sono ancora molte sfide tecniche coinvolte nell'integrare chiplet con diverse funzionalità e materiali su un unico substrato o modulo multichip, quindi per il momento, i PCB sono qui per restare. Questi tipi di pacchetti e moduli mirano ad applicazioni più avanzate di quelle che possono essere servite con alcuni hardware disponibili sul mercato, quindi i PCB saranno ancora utilizzati nella maggior parte delle applicazioni.

Una delle maggiori sfide nell'ampliare l'uso di pacchetti avanzati al punto in cui minacciano il dominio dei PCB non ha nulla a che fare con la costruzione di pacchetti avanzati. Invece, ha a che fare con tutto l'ecosistema dei chiplet. Oggi, nel 2023, non puoi semplicemente andare da un distributore di chiplet, ordinare una selezione di die semiconduttori e farli spedire a un impianto di confezionamento. La capacità di fabbricazione esiste in Asia, ma un tale mercato dei chiplet è inesistente. Invece, i principali fornitori di processori come Intel, NVIDIA e AMD, così come i principali fabs come TSMC, sono concentrati su questo approccio per i prodotti più avanzati.

Anche se l'ecosistema dei chiplet si sviluppa al punto che i progettisti possono prendere chiplet pronti all'uso e utilizzarli per costruire pacchetti integrati eterogeneamente personalizzati, ciò non significa che avremo una completa eliminazione delle PCB. Semplicemente non è pratico integrare ogni singola possibile funzionalità o caratteristica in un unico pacchetto. Ecco perché continuiamo ad avere bisogno delle PCB per collegare componenti tradizionalmente confezionati pronti all'uso con pacchetti e moduli più avanzati.

Fino a quando ogni funzione potrà essere integrata in un unico wafer, i progettisti di PCB avranno ancora lavoro nel progettare sistemi elettronici avanzati. Secondo l'opinione di questo ricercatore, vedremo i circuiti integrati elettronico-fotonici (EPICs) diventare fortemente commercializzati prima di vedere l'integrazione eterogenea prevista nei moduli multichip. Potremmo addirittura vedere chiplet fotonici integrati in moduli multichip e connessi con un analogo fotonico del tessuto di interconnessione di silicio. L'industria sta tenendo conferenze sullo sviluppo di standard e strategie di scalabilità per la commercializzazione di componenti di fotonica su silicio, così come la valutazione in altri ambiti come l'adattamento delle tecniche di simulazione SPICE ai circuiti fotonici.

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