PCB 対 マルチチップモジュール、チップレット、シリコン・インターコネクト・ファブリック（2023年更新）

2019年9月号のIEEE Spectrum誌の記事では、マルチチップモジュールや高度なパッケージ上でチップレットを接続する方法であるシリコンインターコネクトファブリックが、特にマザーボードにおいて、PCBや大型のSoCを多くのアプリケーションで不要にすると主張されました。

しかし2023年になっても、まだPCBを手放した人はいないようです。PCBへの需要は以前と変わらず強く、二桁のCAGRで成長すると予測されています。これは、UHDIボードや基板のようなPCBなど、高度なタイプのPCBの成長が期待されているにもかかわらずです。

その2019年のIEEE Spectrumの記事は、過去数十年にわたって少なくとも3回目の「PCBの終焉」が主張されたものでした。マルチチップモジュールは1970年代のIBMのバブルメモリにさかのぼりますが、半導体ダイにボンディングバンプアウトをモジュールに組み込むためのフットプリントを構築できる限り、標準のPCB設計ソフトウェアを使用してこれらを設計することもできます。流行語を取り除き、マルチチップモジュールを主流に導入する際の課題を分析すると、PCBと集積回路の将来の関係がどのように見えるかがより明確になります。

高度なパッケージ、チップレット、シリコンインターコネクトファブリック

アメリカとヨーロッパの電子製造の話題が先進的なパッケージングと地元の半導体生産に移行している今、より多くの企業がチップ設計業務を内製化しています。これは、パッケージングがこれらの設計チームの領域になることを意味し、PCB設計者は異種統合チップやモジュールを含む先進的なパッケージングレイアウトを解決するスキルを持つグループです。

シリコンインターコネクトファブリックは、超大型システムのための先進パッケージ内で異種統合をサポートするインターコネクトプラットフォームとして意図されていました。このパッケージング方法では、未パッケージのダイが非常に細かい垂直インターコネクトピッチ（2から10ミクロン）でSiウェハーに直接取り付けられます。ダイ間の間隔は<100ミクロンを目指し、ダイ間の非常に短いインターコネクトを実現します。このパッケージは、ダイを垂直に積み重ねて単一のモジュールにする3D統合もサポートすることを意図しています。

シリコンインターコネクトファブリックの構造。[出典: UCLA CHIPS]

このファブリックは、従来のインターポーザ、パッケージ、およびPCBを置き換えることを目的としています。偏見を持っていると言われるかもしれませんが、現在のコンポーネント製造および配布の構造を考えると、このようなパッケージング方法がPCBを置き換えるとは思えません。これは、インターポーザやパッケージ基板に配置できる構造のように見えますが、PCBの卸売りの代替品にはならないでしょう。この構造は、本質的にシリコンウェハ上での2.5D統合または3D統合を可能にするため、このように言います。

設計階層でパッケージングはどこまで到達する必要があり、これらのデバイスが電子機器を構築する標準的な方法としてPCBをいつか置き換えることがあるのでしょうか？現実には、異種コンポーネントを相互接続するために使用されるパッケージング方法は、最高レベルのパッケージングソリューションとしてPCBを置き換えることを意図していません。PCBのオフ・ザ・シェルフコンポーネントによって提供されるモジュラリティは、エンジニアが必要とする重要な価値と柔軟性を提供します。オフ・ザ・シェルフの集積回路がチップレットとしても利用可能になるまで、シリコンインターコネクトファブリックのような技術はPCBを完全に置き換える希望がありません。

私がパッケージとプリント基板を完全に新しいインターコネクトアーキテクチャに置き換えることについて懐疑的であったにもかかわらず、シリコンインターコネクトファブリックベースのシステムに関する追加研究が行われています。パッケージング技術として、シリコンインターコネクトファブリックベースのシステムは、従来のパッケージングや高度なPCBと同様の課題に直面しています。特に、電力供給、電力安定性、およびファブリックに組み込まれたキャパシタンスの問題があります。これらのトピックに関する最近の論文を以下に示します。

• Safari, Yousef, Anja Kroon, Boris Vaisband. "Si-IFにおける超大規模アプリケーションのための電力供給。" 2022 IEEE 国際回路およびシステムシンポジウム (ISCAS)、pp. 1605-1609. IEEE, 2022。
• Kannan, K. T., Subramanian S. Iyer. "シリコンインターコネクトファブリックにおけるディープトレンチキャパシタ。" 2020 IEEE 第70回電子部品および技術会議 (ECTC)、pp. 2295-2301. IEEE, 2020。

結論 - PCBはまだここに留まる

異なる機能性と材料を持つチップレットを単一の基板またはマルチチップモジュールに統合することには、まだ多くの技術的課題があります。そのため、現時点ではPCBが主流であり続けます。この種のパッケージやモジュールは、市販のハードウェアでは対応できないより高度なアプリケーションを対象としているため、PCBは引き続き大多数のアプリケーションで使用されます。

高度なパッケージの使用を広げ、PCBの優位性に脅威を与える点での最大の課題は、高度なパッケージの構築に関するものではありません。それは、チップレットエコシステムに全て関係しています。今日、2023年には、チップレットのディストリビューターに行って、半導体ダイの選択を注文し、それをパッケージング施設に送ってもらうことはできません。製造能力はアジアに存在しますが、そのようなチップレットマーケットプレイスは存在しません。代わりに、Intel、NVIDIA、AMDのような主要なプロセッサベンダーや、TSMCのような主要なファブは、最も先進的な製品に対してこのアプローチに焦点を当てています。

チップレットのエコシステムが発展し、設計者が棚からチップレットを取り出してカスタムの異種統合パッケージを構築できるようになっても、これがPCBの完全な排除を意味するわけではありません。単一のパッケージに可能なすべての機能や機能を統合することは単純に現実的ではありません。そのため、従来のパッケージ化されたコンポーネントとより高度なパッケージやモジュールを接続するためにPCBが引き続き必要です。

すべての機能が単一のウェハーに統合されるまで、PCB設計者は引き続き高度な電子システムの設計の仕事を持っているでしょう。この研究者の意見では、多チップモジュールで想定される異種統合を見る前に、電子・フォトニック統合回路（EPIC）が大規模に商業化されることを目にするでしょう。フォトニックチップレットが多チップモジュールに統合され、シリコンインターコネクトファブリックのフォトニックアナログで接続されることさえ見られるかもしれません。業界は、シリコンフォトニクスコンポーネントの商業化に向けた標準の開発とスケーリング戦略、およびフォトニック回路へのSPICEシミュレーション技術の適応など、他の分野での評価についての会議を開催しています。

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