Mapa drogowa integracji heterogenicznej i przyszłość Twoich układów scalonych

 

Tegoroczna konferencja IEEE na temat komponentów elektronicznych i technologii (ECTC) przyniosła serię warsztatów na temat heterogenicznej integracji oraz ciekawy przegląd aktualnego stanu (rewizja 2019) Mapy Drogowej Heterogenicznej Integracji. Pojawienie się SoMs/CoMs oraz mnóstwo SoCs w specjalistycznych zastosowaniach, takich jak smartfony, ilustruje, jak integracja odgrywa rolę w zwiększaniu funkcjonalności układów bez znaczącego zwiększania ich rozmiaru. Inicjatywy integracyjne w elektronice pierwotnie rozwijano z jednym celem: wprowadzenie większej liczby funkcji w mniejsze przestrzenie i kontynuowanie skalowania urządzeń bez zwiększania ich rozmiarów.

Heterogeniczna integracja wpisuje się w szerszy temat, który był obserwowany w przypadku ASICs przez ostatnią dekadę, ale przenosi go na nowy poziom zaawansowanych technologii pakowania. Jeśli jesteś projektantem PCB lub projektantem systemów, jak bardziej zintegrowane komponenty wpłyną na twoje projekty i praktyki układania? Już teraz możemy szukać wskazówek w dzisiejszych zaawansowanych produktach GPU i CPU używanych w serwerach centrów danych oraz wbudowanych systemach obliczeniowych dla wojska i lotnictwa. Jednak te produkty ostatecznie dotrą do codziennego projektanta, ponieważ technologie takie jak wbudowane AI, kwantowe, 5G/6G, zaawansowana robotyka i systemy o mieszanej funkcjonalności staną się bardziej powszechne.

Integracja w przemyśle półprzewodnikowym

Stowarzyszenie Przemysłu Półprzewodnikowego (SIA) niedawno ogłosiło, że przestanie kontynuować działania określone w Międzynarodowej Mapie Drogowej dla Półprzewodników (ITRS) wiosną 2016 roku. Przed tym, amerykański segment przemysłu podążał za własną Narodową Mapą Drogową dla Półprzewodników (NTRS) do czasu, gdy w późnych latach 90. dołączyły do niej międzynarodowe firmy. Odejście od ITRS i przejście do nowego paradygmatu integracji to duża zmiana, szczególnie gdy słyszy się tak wiele o dominacji Prawa Moore'a w napędzaniu skalowania półprzewodników. Dzisiaj każdy w branży akceptuje, że kontynuowane skalowanie zgodnie z Prawem Moore'a przynosi coraz mniejsze korzyści dla wszystkich, z wyjątkiem głównych firm takich jak Intel i TSMC.

Po ITRS przyszedł Międzynarodowa Mapa Drogowa dla Urządzeń i Systemów, częścią której jest Mapa Drogowa Heterogenicznej Integracji. W dzisiejszej erze IoT, centrów danych połączonych z chmurą i inteligentnych urządzeń, ta mapa drogowa technologii przesuwa uwagę z fizycznego skalowania obwodów opartych na tranzystorach, co napędzało branżę do obecnego węzła poniżej 7 nm. Teraz skupienie jest na nowych architekturach z mapą drogową napędzaną aplikacjami, aby umożliwić szereg nowych zastosowań. Kiedy weźmie się pod uwagę, że celem heterogenicznej integracji jest umieszczenie różnorodnych funkcji w jednym pakiecie, co pozostaje do zrobienia dla projektanta płytek?

Okazuje się, że dla projektantów płytek pozostaje jeszcze wiele do zrobienia, i w rzeczywistości będą oni funkcjonować jako główny interfejs między światem rzeczywistym a komponentem typu "czarna skrzynka". Najpierw przyjrzyjmy się, czym jest heterogeniczna integracja, a zobaczymy, jak rola projektanta PCB będzie nadal przesuwać się od podstawowych zadań układania do projektowania systemów i integracji na poziomie płytki.

Co to jest heterogeniczna integracja?

Bardzo prosto rzecz ujmując, integracja heterogeniczna to integracja wielu komponentów, które mogą być produkowane osobno, w prawdziwy system w pakiecie (SiP), gdzie pojedynczy zespół zapewnia wszystkie funkcje, łącząc wszystkie składowe komponenty. Pomyśl o SoC, ale z większą ilością krzemowych kości; każdy komponent jest fabrykowany osobno i połączony razem za pomocą standardowej struktury połączeń.

Aby zobaczyć, co to oznacza, spójrzmy, jak dochodzi do komponentu zintegrowanego heterogenicznie. Rozważmy poniższy przykład: mamy wiele kości półprzewodnikowych z różnych fabryk, możliwe że wyprodukowanych z użyciem różnych technologii na różnych węzłach. Są one integrowane w pojedynczy interposer i połączone za pomocą standardowych metod (przewierty i ścieżki). Każda z tych modułowych kości może być połączona razem jak klocki lego ze standardowymi interfejsami.

 

Uproszczona idea w integracji heterogenicznej

W pewnym sensie, to naśladuje dążenie do rozwoju ASICów od lat 70. do dziś, gdzie funkcje, które byłyby dość trudne do obsługi przy użyciu ogólnego programowalnego logiki lub dyskretnych komponentów, zostały zaimplementowane za pomocą pojedynczego specjalizowanego układu scalonego. Teraz, większość płyt, które budujesz dla konkretnych aplikacji, obejmuje szereg ASICów, niektóre komponenty regulacji mocy, mnóstwo pasywnych, procesor i może kilka specjalistycznych komponentów logicznych. Jeśli budujesz płytę, która potrzebuje analogowego front-endu lub musi przechwycić jakiś analogowy sygnał z innego instrumentu, ten blok będzie albo wbudowany w twoje ASIC, albo będzie jakiś układ interfejsu IC (np. ADC), który możesz umieścić na płycie do tej funkcji.

Aktualna struktura modułu jednoukładowego

Dla projektanta, który niekoniecznie śledzi rozwój w pakowaniu półprzewodników, pokazałem przykład niektórych metod integracji i przykład SoC poniżej. Zdjęcie w lewym górnym rogu pokazuje typowe opakowanie BGA, gdzie kość Si jest zamknięta w formie związku formującego. Dwa inne obrazy w górnym rzędzie pokazują, jak można układać i łączyć ze sobą wiele kości lub z odciskiem BGA za pomocą drutów łączących. Wreszcie, dolny obraz pokazuje najbardziej zaawansowaną formę integracji heterogenicznej, gdzie sekcje pamięci i logiki są integrowane w jedno opakowanie za pomocą przewiertów, znanych jako technologia przewiertów przez krzem (TSV).

 

Przykłady integracji heterogenicznej.

 

Dlaczego skupiamy się na tworzeniu większych pakietów z zestawu mniejszych układów scalonych? W procesach produkcyjnych półprzewodników planarnych, wydajność jest niższa, gdy krzem jest grubszy, więc tworzenie bardzo dużego modułu w 3D staje się mniej ekonomiczne, gdy na pojedynczym krzemie umieszczane jest więcej funkcji. Używanie oddzielnych krzemów, które są połączone standardową architekturą łączeniową, jest bardziej niezawodne. Pozwala to również projektantom układów scalonych na podejście modułowe do rozwijania zestawów układów scalonych, gdzie wiele krzemów może pasować do siebie jak klocki lego. Można to następnie rozszerzyć do zespołów wieloukładowych, gdzie wiele z powyższych struktur krzemowych jest łączonych razem w jedną paczkę. Metoda ta została niedawno wykorzystana w procesorach AMD Fiji i Epyc, i jest to jedna z metod na umieszczenie wielu rdzeni w pojedynczym układzie scalonym.

Jeśli chodzi o komponenty i możliwości, większość uwagi w integracji heterogenicznej skupia się na pakowaniu różnych komponentów cyfrowych w większy zespół, chociaż komponenty analogowe i elektromechaniczne (np. MEMS) są również docelowymi składnikami dla integracji heterogenicznej. Jeśli można to wyprodukować na krzemie za pomocą procesu planarnego, to jest to potencjalny cel dla integracji heterogenicznej. Ten potencjał integracji wśród różnorodnych możliwości prowadzi nas do różnych obszarów, które otrzymały uwagę w Heterogeneous Integration Roadmap.

Obszary skupienia w Heterogeneous Integration Roadmap

Heterogeneous Integration Roadmap został opublikowany w 2019 roku, aby sprostać wyzwaniom hamującym dalszą integrację w konkretnych obszarach aplikacji. Ten dokument jest sponsorowany przez trzy społeczności IEEE, które odzwierciedlają obecny i przyszły stan ekosystemu elektroniki. Heterogeneous Integration Roadmap wyróżnia się spośród innych standardowych map drogowych tym, że skupia się na aplikacjach i wyzwaniach, a nie na konkretnych możliwościach. W Heterogeneous Integration Roadmap wyróżniono sześć rozdziałów skupiających się na wyzwaniach technicznych w konkretnych obszarach:

• Wysokowydajne obliczenia i centra danych, które są naturalnymi celami dla ciągłej miniaturyzacji i integracji

• Urządzenia mobilne, w tym 5G i przyszłe możliwości sieci mobilnych, takie jak 6G

• Automotive, skupiające się przede wszystkim na pojazdach autonomicznych

• Urządzenia medyczne/zdrowotne i noszone, które często wymagają szeregu komponentów zapewniających specjalizowane funkcje

• Aerokosmos i obrona, kolejny obszar, gdzie wiele funkcji jest implementowanych w fizycznie dużych systemach dla specjalistycznych zastosowań

• IoT, kategoria na tyle szeroka, że może pokrywać się z dowolnym z powyższych obszarów

 

Idąc głębiej, Heterogeneous Integration Roadmap adresuje wyzwania techniczne i potencjalne rozwiązania dla niektórych szerokich grup komponentów. Niektóre z tych grup komponentów są powszechne w wielu systemach i obecnie są implementowane z wieloma obwodami lub zestawami komponentów:

 

• Moduły jednoukładowe i wieloukładowe

• Zintegrowana elektronika mocy

• Zintegrowane platformy sensorowe, w tym sensory MEMS

• Zintegrowana fotonika

• Zestawy układów scalonych 5G

 

Różne poziomy integracji heterogenicznej

Trend ten polega na pakowaniu większej mocy obliczeniowej i dodatkowych funkcji w standardowe pakiety, ale z naciskiem na 3 poziomy:

 

Każdy z tych poziomów heterogenicznej integracji ma na celu rozwiązanie różnych wyzwań technicznych.

Heterogeniczność układów scalonych

Heterogeniczność układów scalonych koncentruje się na integracji na poziomie funkcji poprzez łączenie wielu układów scalonych w jedną obudowę. Śledzi to ściśle projekt chipletów i modułów wieloukładowych. Niektóre przykłady integracji sprzętowej na tym poziomie obejmują:

 

• Mieszanie różnych stylów obudów w tym samym module

• Układanie wielu układów scalonych wertykalnie i horyzontalnie (integracja 2.5D/3D)

• Pakowanie wielu modułów SoC do większego modułu

 

Wszystko to jest połączone za pomocą technologii pakowania na poziomie płytki krzemowej, takich jak TSV dla integracji wertykalnej i zintegrowane wyjście wentylatora (InFO) TSMC używane w bezprzewodowych SiP. Techniki łączenia, które nie polegają na drutach łączących, są bardzo pożądane, zwłaszcza dla ultra-wysokich prędkości strumieni danych szeregowych przesyłanych między kośćmi.

Heterogeniczność systemu

Różne produkty są bardziej idealne do przetwarzania różnych struktur danych, a integracja na poziomie systemu ma na celu adresowanie zadań, gdzie obciążenia obliczeniowe są przekazywane między różnymi modułami. Na przykład, powtarzalne obliczenia wektorowe są najlepiej wykonywane na GPU, podczas gdy obliczenia macierzowe używane w modelach AI są teraz wykonywane na ASIC. SiP muszą mieć te opcje dostępne obok interfejsów, pamięci, rdzeni procesorów i interfejsów I/O, aby zapewnić najbardziej wydajne obliczeniowo przetwarzanie dla konkretnych obciążeń.

 

Ten poziom heterogenicznej integracji jest bardziej odpowiedni dla centrów danych, gdzie wiele obciążeń danych (skalarne, wektorowe, macierzowe i przestrzenne) musi być przetwarzanych jednocześnie. Jednakże, z pewnością może to być rozszerzone na aplikacje wbudowane, w tym RF/bezprzewodowe, jak również komponenty fotoniki.

 

 

Przykład SiP dla aplikacji pojazdów autonomicznych z zintegrowanymi obwodami fotoniki. [Źródło]

 

Jednorodność oprogramowania/sprzętu

Jest to duże wyzwanie, ponieważ wymaga znaczącej standaryzacji wśród zestawu produktów pod względem wbudowanych systemów operacyjnych i zestawu standardowych interfejsów API. Jest to trudniejsze, ponieważ programiści zazwyczaj używają różnych języków i mają różne obszary specjalizacji. Prawdopodobnie będziemy nadal mieć wiele języków wysokiego poziomu do tworzenia aplikacji, które będą działać i łączyć się z heterogenicznymi modułami. Jednakże, to czego programiści potrzebują, to pojedyncze środowisko programistyczne, które kompiluje kod z wielu języków do jednej bazy kodu. Nadal nie jest jasne, jak będzie wyglądało takie środowisko, ale producenci układów scalonych pracują nad tego typu środowiskiem programistycznym, aby wspierać heterogeniczne produkty.

Co heterogeniczna integracja oznacza dla projektantów PCB

Dla projektantów PCB ten trend większej integracji umieszcza więcej funkcji i cech na pojedynczym chipie, dając projektantom bardziej specjalistyczne produkty dla różnych zastosowań. Projektanci pracujący nad nadchodzącymi obszarami technologii spędzą mniej czasu na dopasowywaniu grup rozproszonych komponentów, ponieważ standaryzowane produkty będą zawierać wymagane funkcje w pojedynczym urządzeniu. Projektanci PCB nadal będą mieli do czynienia z wyzwaniami związanymi z układem, ale heterogeniczna integracja pomaga zmniejszyć ogólną liczbę komponentów, rozmiar systemu i wymagane peryferia bez zmiany praktyk układania dla projektantów PCB.

Czy to oznacza, że projektanci PCB będą tylko łączyć blok zasilania i moduł z heterogeniczną integracją na płytce? Oczywiście, że nie... Mapa drogowa heterogenicznej integracji jest oparta na aplikacjach i ma na celu napędzanie produkcji komponentów, które celują w szerokie obszary zastosowań. Koncentrując się na szerokich obszarach zastosowań, nowe produkty będą konsolidować komponenty dla konkretnych chipsetów w pojedynczym module, a standardowe interfejsy (PCIe, USB itp.) będą używane do łączenia modułów ze sobą.

W miarę kontynuacji heterogenicznej integracji i wprowadzania nowych produktów na rynek, Octopart będzie tutaj, aby pomóc Ci znaleźć potrzebne komponenty za pomocą kompletnego zestawu zaawansowanych funkcji wyszukiwania i filtracji. Korzystając z wyszukiwarki elektroniki Octopart, uzyskasz dostęp do aktualnych danych cenowych dystrybutorów, zapasów części i specyfikacji części, a wszystko to jest swobodnie dostępne w przyjaznym dla użytkownika interfejsie. Zobacz naszą stronę z układami scalonymi, aby znaleźć potrzebne komponenty.

 

Bądź na bieżąco z naszymi najnowszymi artykułami, zapisując się do naszego newslettera.