이종 통합 로드맵과 당신의 칩의 미래

 

올해의 IEEE 전자 부품 및 기술 컨퍼런스(ECTC)에서는 이종 통합에 대한 일련의 워크숍과 현재 상태(2019년 개정판)에 대한 이종 통합 로드맵의 좋은 개요가 있었습니다. SoMs/CoMs의 등장과 스마트폰과 같은 특수 애플리케이션에서 다양한 SoCs는 통합이 칩의 기능을 크게 증가시키면서도 그들의 발자국을 크게 증가시키지 않는 역할을 어떻게 하고 있는지 보여줍니다. 전자 분야에서의 통합 이니셔티브는 단일 목표로 처음 개발되었습니다: 더 작은 공간에 더 많은 기능을 구동하고 발자국을 증가시키지 않고 계속해서 장치를 스케일링합니다.

 

이종 통합은 지난 십년 동안 ASICs에서 볼 수 있었던 더 큰 주제에 기여하지만, 고급 패키징 기술로 새로운 수준으로 가져갑니다. PCB 디자이너나 시스템 디자이너라면, 더 높게 통합된 구성 요소가 여러분의 디자인과 레이아웃 관행에 어떤 영향을 미칠까요? 우리는 이미 데이터 센터 서버와 군사-항공 임베디드 컴퓨팅에 사용되는 오늘날의 고급 GPU 및 CPU 제품에서 일부 지침을 찾을 수 있습니다. 그러나 이러한 제품은 임베디드 AI, 양자, 5G/6G, 고급 로보틱스, 혼합 기능 시스템과 같은 기술이 보다 일반적이 되면서 결국 일상적인 디자이너에게까지 필터링될 것입니다.

반도체 산업에서의 통합

반도체 산업 협회(SIA)는 2016년 봄에 국제 반도체 기술 로드맵(ITRS)에 명시된 활동을 추구하지 않겠다고 최근 발표했습니다. 그 전에는, 미국 산업 부문이 1990년대 후반에 국제 기업들이 참여하기 시작할 때까지 자체 국가 반도체 기술 로드맵(NTRS)을 따랐습니다. ITRS에서 벗어나 새로운 통합 패러다임으로의 이동은 특히 반도체 스케일링을 주도하는 무어의 법칙의 지배에 대해 많이 들었을 때 큰 변화입니다. 오늘날, 업계의 모든 사람들은 무어의 법칙에 따른 지속적인 스케일링이 인텔과 TSMC와 같은 주요 회사를 제외하고는 모두에게 점점 줄어드는 수익을 가져다주고 있다는 것을 받아들입니다.

 

ITRS 이후에는 장치 및 시스템에 대한 국제 로드맵이 나왔으며, 그 중 하나가 이종 통합 로드맵입니다. 오늘날의 IoT, 클라우드 연결 데이터 센터, 스마트 디바이스 시대에 이 기술 로드맵은 현재의 7nm 미만 노드까지 산업을 주도한 트랜지스터 기반 회로의 물리적 스케일링에서 초점을 이동시킵니다. 이제 초점은 새로운 아키텍처와 새로운 애플리케이션을 가능하게 하는 애플리케이션 중심의 로드맵에 있습니다. 이종 통합의 요점이 단일 패키지에 다양한 기능을 포장하는 것이라면, 보드 디자이너에게 남은 것은 무엇일까요?

 

결과적으로, 보드 디자이너에게는 여전히 많은 일이 남아 있으며, 사실 그들은 실제 세계와 블랙 박스 구성 요소 사이의 주요 인터페이스로 기능할 것입니다. 먼저, 이종 통합이 무엇인지 살펴보고, PCB 디자이너의 역할이 기본 레이아웃 작업에서 시스템 디자인 및 보드 수준에서의 통합으로 어떻게 계속 변화할지를 보겠습니다.

이종 통합이란 무엇인가?

간단히 말해서, 이종 통합은 별도로 제조된 여러 구성 요소를 하나의 진정한 시스템 패키지(SiP)로 통합하는 것으로, 단일 조립체가 모든 구성 요소를 연결하여 모든 기능을 제공합니다. SoC를 생각해 보세요. 하지만 더 많은 실리콘 다이가 있으며; 각 구성 요소는 별도로 제작되고 표준 상호 연결 구조로 연결됩니다.

 

이것이 무엇을 의미하는지 보려면, 이종 통합 구성 요소에 도달하는 방법을 살펴보겠습니다. 아래 예를 고려해 보세요: 우리는 다른 파운드리에서 온 여러 반도체 다이를 가지고 있으며, 가능하면 다른 노드에서 다른 기술로 생산됩니다. 이들은 단일 인터포저로 통합되어 표준 방법(비아 및 트랙)을 사용하여 상호 연결됩니다. 이러한 모듈식 다이 중 어느 것이라도 표준화된 인터페이스로 레고처럼 연결될 수 있습니다.

 

이종 통합에서의 단순화된 아이디어

어떤 면에서, 이것은 1970년대부터 오늘날까지 ASIC을 개발하려는 노력을 모방합니다. 여기서 일반 목적의 프로그래밍 가능한 로직이나 개별 구성 요소를 사용하여 처리하기 어려웠을 기능이 단일 전문 칩으로 구현되었습니다. 이제 특정 애플리케이션을 위해 구축할 대부분의 보드는 다양한 ASIC, 일부 전력 조절 구성 요소, 많은 패시브, 프로세서, 그리고 아마도 일부 특수 로직 구성 요소를 포함합니다. 아날로그 프론트 엔드가 필요하거나 다른 기기에서 아날로그 신호를 캡처해야 하는 보드를 구축하는 경우, 해당 블록은 ASIC에 내장되어 있거나 보드에 해당 기능을 위해 넣을 수 있는 인터페이스 IC(예: ADC)가 있을 것입니다.

현재 단일 칩 모듈 구조

반도체 패키징에서의 발전을 반드시 따르지 않는 디자이너를 위해, 아래에는 일부 통합 방법과 예제 SoC를 보여줍니다. 왼쪽 상단 이미지는 Si 다이가 몰드 화합물로 둘러싸인 전형적인 BGA 패키지를 보여줍니다. 상단 행의 다른 두 이미지는 여러 다이를 쌓아 올리고 본드 와이어로 서로 또는 BGA 풋프린트와 연결하는 방법을 보여줍니다. 마지막으로, 하단 이미지는 메모리와 로직 섹션이 비아를 통해 단일 패키지로 통합된 이종 통합의 가장 정교한 형태를 보여줍니다. 이 기술은 실리콘 관통 비아(TSV) 기술로 알려져 있습니다.

 

이종 통합 예시.

 

왜 작은 칩들의 집합에서 더 큰 패키지를 구축하는 데 초점을 맞추는가? 평면 반도체 제조 공정에서는 다이가 두꺼울수록 수율이 낮아지므로, 단일 다이에 더 많은 기능을 포장할 때 3D로 매우 큰 규모의 모듈을 구축하는 것이 경제적이지 않게 됩니다. 표준 인터커넥트 아키텍처로 상호 연결된 별도의 다이를 사용하는 것이 더 신뢰할 수 있습니다. 또한 칩 디자이너들이 다중 다이가 레고처럼 맞물릴 수 있는 칩 어셈블리를 모듈식으로 개발할 수 있게 합니다. 그런 다음 이를 다중 칩 어셈블리로 확장하여 위의 다이 구조의 복수가 단일 패키지로 연결됩니다. 이는 최근 AMD의 Fiji 및 Epyc 프로세서에서 사용되었으며, 단일 칩으로 여러 코어를 통합하는 한 가지 방법입니다.

 

구성 요소와 기능 측면에서, 이종 통합에 대한 대부분의 초점은 다양한 디지털 구성 요소를 더 큰 어셈블리로 패키징하는 데 있지만, 아날로그 및 전기기계 구성 요소(예: MEMS)도 이종 통합의 대상 구성 요소입니다. 평면 공정으로 웨이퍼에서 제조될 수 있다면, 이종 통합의 가능한 대상입니다. 이러한 다양한 기능 간의 통합 가능성은 이종 통합 로드맵에서 초점을 맞춘 여러 분야로 우리를 이끕니다.

이종 통합 로드맵의 초점 영역

이종 통합 로드맵은 2019년 특정 응용 분야에서 추가 통합을 저해하는 도전 과제를 해결하기 위해 발행되었습니다. 이 문서는 전자 생태계의 현재 및 미래 상태를 반영하는 세 개의 IEEE 학회가 후원합니다. 이종 통합 로드맵은 특정 기능에 초점을 맞춘 다른 표준 로드맵과 달리 응용 및 도전 과제에 초점을 맞추고 있습니다. 이종 통합 로드맵에는 특정 영역의 기술적 도전 과제에 초점을 맞춘 여섯 개의 장이 개요되어 있습니다:

 

• 고성능 컴퓨팅 및 데이터 센터, 지속적인 소형화 및 통합을 위한 자연스러운 대상

• 모바일 장치, 5G 및 향후 모바일 네트워킹 기능인 6G를 포함

• 자동차, 주로 자율 주행 차량을 다룸

• 의료/건강 장치 및 웨어러블, 특수 기능을 제공하는 다양한 구성 요소가 종종 필요함

• 항공우주 및 방위, 다양한 기능이 특수 응용을 위해 물리적으로 큰 시스템에 구현되는 또 다른 영역

• IoT, 위의 어느 영역과도 겹칠 수 있는 충분히 넓은 범주

 

더 깊이 들어가면, 이종 통합 로드맵은 몇 가지 넓은 구성 요소 그룹의 기술적 도전 과제와 잠재적 해결책을 다룹니다. 이러한 구성 요소 그룹 중 일부는 많은 시스템에서 흔히 보이며, 오늘날 여러 회로나 구성 요소 세트로 구현됩니다:

 

• 단일 칩 및 다중 칩 모듈

• 통합 전력 전자

• 통합 센서 플랫폼, MEMS 센서를 포함

• 통합 광학

• 5G 칩셋

 

이종 통합의 다양한 수준

여기서의 추세는 표준 패키지에 더 많은 컴퓨팅 파워와 추가 기능을 포장하는 것이지만, 3단계에서 초점을 맞추고 있습니다:

 

이러한 각각의 수준에서의 이종 통합은 다양한 기술적 도전을 해결하려는 목표를 가지고 있습니다.

칩의 이종성

칩의 이종성은 여러 칩을 단일 패키지로 통합함으로써 기능 수준의 통합에 중점을 둡니다. 이는 칩렛과 멀티 칩 모듈의 설계를 밀접하게 따릅니다. 이 수준에서의 하드웨어 통합 예시에는 다음이 포함됩니다:

 

• 동일 모듈 내에서 다른 패키지 스타일 혼합

• 수직 및 수평으로 여러 칩 적층 (2.5D/3D 통합)

• 더 큰 모듈로 여러 SoC 모듈 포장

 

이 모든 것은 수직 통합을 위한 TSV와 무선 SiP에서 사용되는 TSMC의 통합 팬아웃(InFO)과 같은 웨이퍼 수준 패키징 기술로 연결됩니다. 본드 와이어에 의존하지 않는 인터커넥트 기술은 특히 다이 사이를 지나는 초고속 직렬 데이터 스트림에 대해 매우 바람직합니다.

시스템의 이종성

다른 제품은 다른 데이터 구조를 처리하는 데 더 이상적이며, 시스템 수준 통합은 다양한 모듈 간에 계산 작업이 전달되는 작업을 해결하려고 합니다. 예를 들어, 반복적인 벡터 계산은 GPU에서 가장 잘 수행되며, AI 모델에서 사용되는 행렬 계산은 현재 ASIC에서 수행되고 있습니다. SiP는 인터페이스, 메모리, 프로세서 코어, I/O 인터페이스와 함께 특정 작업에 대해 가장 계산적으로 효율적인 처리를 제공해야 합니다.

 

이 수준의 이종 통합은 다중 데이터 워크로드(스칼라, 벡터, 행렬, 공간)를 동시에 처리해야 하는 데이터 센터에 더 적합합니다. 그러나 이는 RF/무선 및 광학 구성 요소를 포함하는 임베디드 애플리케이션으로 확장될 수 있습니다.

 

 

통합 광학 회로를 갖춘 자율 주행 차량 애플리케이션을 위한 예시 SiP. [출처]

 

펌웨어/소프트웨어의 동질성

이는 임베디드 운영 시스템과 표준 API 세트 측면에서 제품 세트에 대한 상당한 표준화를 요구하기 때문에 주요한 도전 과제입니다. 이는 개발자들이 일반적으로 다른 언어를 사용하고 다른 전문 분야를 가지고 있기 때문에 더 어렵습니다. 우리는 이종 모듈과 인터페이스할 수 있는 애플리케이션을 개발하기 위해 많은 고급 언어를 계속 사용할 것입니다. 그러나 개발자들이 필요로 하는 것은 다양한 언어의 코드를 단일 코드베이스로 컴파일하는 단일 개발 환경입니다. 이러한 유형의 환경이 어떻게 보일지는 아직 불분명하지만, 칩 제조업체들은 이종 제품을 지원하기 위해 이러한 유형의 개발 환경을 향해 노력하고 있습니다.

PCB 디자이너에게 이종 통합이 의미하는 것

PCB 디자이너들에게 이러한 통합의 추세는 단일 칩에 더 많은 기능과 특징을 포장하고 디자이너들에게 다양한 응용 프로그램을 위한 더 전문화된 제품을 제공합니다. 기술의 새로운 분야에서 일하는 디자이너들은 표준화된 제품이 단일 장치에 필요한 기능을 포함하게 됨에 따라 서로 다른 구성 요소의 그룹을 맞추는 데 시간을 덜 소비하게 될 것입니다. PCB 디자이너들은 여전히 레이아웃 도전과제에 직면하게 되겠지만, 이종 통합은 전체 구성 요소 수, 시스템 크기 및 필요한 주변 장치를 줄이는 데 도움이 되며 PCB 디자이너들의 레이아웃 관행을 변경하지 않습니다.

 

이것이 PCB 디자이너들이 전원 블록과 이종 통합 모듈만을 보드에 연결하게 될 것이라는 의미일까요? 물론 아닙니다... 이종 통합 로드맵은 응용 프로그램 기반으로 광범위한 응용 분야를 대상으로 하는 구성 요소의 생산을 촉진하기 위한 것입니다. 광범위한 응용 분야에 초점을 맞춤으로써, 새로운 제품은 특정 칩셋을 위한 구성 요소를 단일 모듈로 통합하고, 표준 인터페이스(PCIe, USB 등)가 모듈을 연결하는 데 사용될 것입니다.

 

이종 통합이 계속되고 새로운 제품이 시장에 출시됨에 따라, Octopart는 고급 검색 및 필터링 기능의 완벽한 세트를 통해 필요한 구성 요소를 찾는 데 도움을 줄 것입니다. Octopart의 전자 부품 검색 엔진을 사용하면 현재 유통업체 가격 데이터, 부품 재고 및 부품 사양에 접근할 수 있으며, 모두 사용자 친화적인 인터페이스에서 자유롭게 접근할 수 있습니다. 저희의 집적 회로 페이지를 살펴보세요 필요한 구성 요소를 찾아보세요.

 

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