Roteiro de Integração Heterogênea e o Futuro dos Seus Chips

 

 

A conferência deste ano da IEEE sobre Componentes Eletrônicos e Tecnologia (ECTC) apresentou uma série de workshops sobre integração heterogênea e uma boa visão geral do estado atual (revisão de 2019) do Roteiro de Integração Heterogênea. O advento dos SoMs/CoMs e uma infinidade de SoCs em aplicações especializadas como smartphones, ilustram como a integração está desempenhando um papel no aumento da funcionalidade dos chips sem aumentar significativamente seu tamanho. Iniciativas de integração na eletrônica foram originalmente desenvolvidas com um único objetivo: incorporar mais recursos em espaços menores e continuar escalando dispositivos sem aumentar suas dimensões.

 

A integração heterogênea se insere em um tema maior que tem sido observado com ASICs na última década, mas leva isso a um novo nível com tecnologias avançadas de embalagem. Se você é um designer de PCB ou um designer de sistemas, como componentes mais integrados afetarão seus projetos e práticas de layout? Já podemos olhar para alguns dos produtos avançados de GPU e CPU de hoje usados em servidores de centros de dados e computação embarcada militar e aeroespacial para obter alguma orientação. No entanto, esses produtos inevitavelmente se filtrarão para o designer comum à medida que tecnologias como IA embutida, quântica, 5G/6G, robótica avançada e sistemas de funcionalidade mista se tornarem mais comuns.

Integração na Indústria de Semicondutores

A Associação da Indústria de Semicondutores (SIA) anunciou recentemente que deixaria de prosseguir com as atividades delineadas no Roteiro Internacional de Tecnologia para Semicondutores (ITRS) na primavera de 2016. Antes disso, o segmento dos EUA da indústria seguiu seu próprio Roteiro Nacional de Tecnologia para Semicondutores (NTRS) até que empresas internacionais começassem a participar no final dos anos 1990. A mudança do ITRS para um novo paradigma de integração é uma grande mudança, especialmente quando se ouve tanto sobre a dominância da Lei de Moore na condução da escalação de semicondutores. Hoje, todos na indústria aceitam que a continuação da escalação sob a Lei de Moore está produzindo retornos decrescentes para todos, exceto grandes empresas como Intel e TSMC.

 

Após o ITRS, veio o Roteiro Internacional para Dispositivos e Sistemas, um subconjunto do qual é o Roteiro de Integração Heterogênea. Na era atual de IoT, centros de dados conectados à nuvem e dispositivos inteligentes, este roteiro tecnológico desvia o foco da escalação física de circuitos baseados em transistores, algo que impulsionou a indústria até o atual nó sub-7 nm. Agora o foco está em novas arquiteturas com um roteiro orientado para aplicação para habilitar um conjunto de novas aplicações. Quando você considera que o ponto da integração heterogênea é embalar recursos diversos em um único pacote, o que resta para o designer de placas fazer?

 

Como se vê, ainda há muito para os designers de placas, e, de fato, eles funcionarão como a principal interface entre o mundo real e um componente de caixa preta. Primeiro, vamos olhar o que é integração heterogênea, e veremos como o papel do designer de PCB continuará a se deslocar das tarefas básicas de layout para o design de sistemas e integração no nível da placa.

O que é Integração Heterogênea?

Muito simplesmente, a integração heterogênea é a integração de múltiplos componentes, que podem ser fabricados separadamente, em um verdadeiro sistema em pacote (SiP), onde uma única montagem fornece toda a funcionalidade ao conectar todos os componentes constituintes. Pense em um SoC, mas com mais dies de silício; cada componente é fabricado separadamente e ligado através de uma estrutura de interconexão padrão.

 

Para entender o que isso significa, vamos ver como chegamos a um componente integrado de forma heterogênea. Considere o exemplo abaixo: temos múltiplos dies semicondutores de diferentes fábricas, e possivelmente produzidos com diferentes tecnologias em diferentes nós. Estes são integrados em um único interposer e interconectados usando métodos padrão (vias e trilhas). Qualquer um desses dies modulares poderia ser conectado como legos com interfaces padronizadas.

 

Ideia simplificada em integração heterogênea

De certa forma, isso imita o impulso para desenvolver ASICs desde os anos 1970 até hoje, onde funções que teriam sido bastante difíceis de lidar usando lógica programável de propósito geral ou componentes discretos foram implementadas com um único chip especializado. Agora, a maioria das placas que você construirá para aplicações específicas envolve uma gama de ASICs, alguns componentes de regulação de energia, um monte de passivos, um processador, e talvez alguns componentes de lógica especializados. Se você está construindo uma placa que precisa de uma frente analógica ou deve capturar algum sinal analógico de outro instrumento, esse bloco ou será integrado ao seu ASIC, ou haverá algum IC de interface (por exemplo, um ADC) que você pode colocar na placa para essa função.

Estrutura Atual de Módulo de Chip Único

Para o designer que não necessariamente acompanha os desenvolvimentos em embalagens de semicondutores, mostrei um exemplo de alguns métodos de integração e um exemplo de SoC abaixo. A imagem superior esquerda mostra um pacote BGA típico onde o die de Si é encapsulado em um composto moldado. As outras duas imagens na fila superior mostram como vários dies podem ser empilhados e interconectados entre si ou com a pegada BGA com fios de ligação. Finalmente, a imagem inferior mostra a forma mais sofisticada de integração heterogênea, onde seções de memória e lógica são integradas em um único pacote usando vias, conhecidas como tecnologia de via através do silício (TSV).

 

Exemplos de integração heterogênea.

Por que há um foco na construção de pacotes maiores a partir de um conjunto de chips menores? Nos processos de fabricação de semicondutores planares, o rendimento é menor quando o die é mais espesso, então construir um módulo em grande escala em 3D torna-se menos econômico quando mais recursos são embalados em um único die. Usar dies separados que são interligados com uma arquitetura de interconexão padrão é mais confiável. Isso também permite que os projetistas de chips adotem uma abordagem modular para o desenvolvimento de conjuntos de chips, onde vários dies podem se encaixar como legos. Você pode então estender isso para montagens de vários chips, onde múltiplos da estrutura de die acima são ligados juntos em um único pacote. Isso foi recentemente utilizado nos processadores Fiji e Epyc da AMD, e é um método para trazer múltiplos núcleos para um único chip.

 

Em termos de componentes e capacidades, a maior parte do foco na integração heterogênea está na embalagem de diferentes componentes digitais em uma montagem maior, embora componentes analógicos e eletromecânicos (por exemplo, MEMS) também sejam alvos para integração heterogênea. Se pode ser fabricado em um wafer com um processo planar, então é um alvo possível para integração heterogênea. Esse potencial para integração entre capacidades distintas nos leva às várias áreas que receberam foco no Roteiro de Integração Heterogênea.

Áreas de Foco no Roteiro de Integração Heterogênea

O Roteiro de Integração Heterogênea foi publicado em 2019 para abordar os desafios que inibem a integração adicional em áreas de aplicação específicas. Este documento é patrocinado por três sociedades da IEEE que refletem os estados atual e futuro do ecossistema eletrônico. O Roteiro de Integração Heterogênea se distingue de outros roteiros de padrões por ser focado em aplicações e desafios, em vez de focar em capacidades específicas. Há seis capítulos delineados no Roteiro de Integração Heterogênea focando em desafios técnicos em áreas específicas:

• Computação de alto desempenho e data centers, que são alvos naturais para a miniaturização e integração contínuas

• Dispositivos móveis, incluindo 5G e futuras capacidades de rede móvel como 6G

• Automotivo, abordando principalmente veículos autônomos

• Dispositivos médicos/saúde e wearables, que frequentemente requerem uma gama de componentes fornecendo funções especializadas

• Aeroespacial e defesa, outra área onde uma multiplicidade de funções são implementadas em sistemas fisicamente grandes para aplicações especializadas

• IoT, uma categoria ampla o suficiente para se sobrepor a qualquer uma das áreas acima

Aprofundando, o Roteiro de Integração Heterogênea aborda desafios técnicos e soluções potenciais para alguns grupos amplos de componentes. Alguns desses grupos de componentes são comuns em muitos sistemas e hoje são implementados com múltiplos circuitos ou conjuntos de componentes:

• Módulos de chip único e multi-chip

• Eletrônica de potência integrada

• Plataformas de sensores integrados, incluindo sensores MEMS

• Fotônica integrada

• Chipsets 5G

Diferentes Níveis de Integração Heterogênea

A tendência aqui é uma de embalar mais poder de computação e recursos adicionais em pacotes padrão, mas com um foco em 3 níveis:

 

Cada um desses níveis de integração heterogênea visa abordar diferentes desafios técnicos.

Heterogeneidade de Chip

A heterogeneidade de chip foca na integração a nível de recursos, integrando múltiplos chips em um único pacote. Isso segue de perto o design de chiplets e módulos multi-chip. Alguns exemplos de integração de hardware neste nível incluem:

 

• Mistura de diferentes estilos de pacote no mesmo módulo

• Empilhamento de múltiplos chips vertical e horizontalmente (integração 2.5D/3D)

• Empacotamento de múltiplos módulos SoC em um módulo maior

 

Tudo isso é interligado com tecnologias de embalagem a nível de wafer, como TSV para integração vertical e o fan-out integrado (InFO) da TSMC usado em SiPs sem fio. Técnicas de interconexão que não dependem de fios de ligação são altamente desejadas, especialmente para fluxos de dados seriais de ultra-alta velocidade passando entre os dies.

Heterogeneidade de Sistema

Diferentes produtos são mais ideais para processar diferentes estruturas de dados, e a integração a nível de sistema visa abordar tarefas onde cargas de trabalho computacionais são passadas entre diferentes módulos. Por exemplo, cálculos vetoriais repetitivos são melhor realizados em GPUs, enquanto cálculos de matriz usados em modelos de IA agora estão sendo realizados em ASICs. Os SiPs precisam ter essas opções disponíveis ao lado de interfaces, memórias, núcleos de processadores e interfaces de E/S para fornecer o processamento mais eficiente computacionalmente para cargas de trabalho específicas.

 

Este nível de integração heterogênea é mais adequado para centros de dados, onde múltiplas cargas de trabalho de dados (escalar, vetorial, matricial e espacial) precisam ser processadas simultaneamente. No entanto, isso certamente pode ser estendido para aplicações embarcadas envolvendo RF/sem fio, bem como componentes de fotônica.

 

 

Exemplo de SiP para aplicações de veículos autônomos com circuitaria fotônica integrada. [Fonte]

Homogeneidade de Firmware/Software

Este é um grande desafio, pois requer uma padronização significativa em um conjunto de produtos em termos de sistemas operacionais embarcados e um conjunto de APIs padrão. Isso é mais difícil porque os desenvolvedores geralmente usam diferentes linguagens e com diferentes áreas de especialização. Provavelmente, continuaremos a ter muitas linguagens de alto nível para desenvolver aplicações que irão rodar e interagir com módulos heterogêneos. No entanto, o que os desenvolvedores precisam é de um único ambiente de desenvolvimento que compile código de múltiplas linguagens em uma única base de código. Ainda não está claro como será esse tipo de ambiente, mas os fabricantes de chips estão trabalhando em direção a esse tipo de ambiente de desenvolvimento para suportar produtos heterogêneos.

O que a Integração Heterogênea Significa para Designers de PCB

Para os projetistas de PCB, essa tendência de maior integração agrega mais funções e recursos em um único chip e oferece aos designers produtos mais especializados para diferentes aplicações. Os projetistas que trabalham em áreas emergentes da tecnologia passarão menos tempo encaixando grupos de componentes distintos, pois os produtos padronizados conterão os recursos necessários em um único dispositivo. Os projetistas de PCB ainda terão desafios de layout para enfrentar, mas a integração heterogênea ajuda a reduzir o número total de componentes, o tamanho do sistema e os periféricos necessários sem alterar as práticas de layout para os projetistas de PCB. Isso significa que os projetistas de PCB apenas estarão conectando um bloco de alimentação e um módulo integrado heterogeneamente na placa? Claro que não... o Roadmap de Integração Heterogênea é baseado em aplicações e destinado a impulsionar a produção de componentes que visam amplas áreas de aplicação. Ao focar em amplas áreas de aplicação, novos produtos consolidarão componentes para chipsets específicos em um único módulo, e interfaces padrão (PCIe, USB, etc.) seriam usadas para interligar os módulos. À medida que a integração heterogênea continua e novos produtos são lançados no mercado, a Octopart estará aqui para ajudá-lo a encontrar os componentes de que você precisa com um conjunto completo de recursos avançados de busca e filtragem. Quando você usa o motor de busca de eletrônicos da Octopart, você terá acesso a dados atuais de preços de distribuidores, inventário de peças e especificações de peças, e tudo isso é livremente acessível em uma interface amigável. Dê uma olhada na nossa página de circuitos integrados para encontrar os componentes de que você precisa. Mantenha-se atualizado com nossos últimos artigos ao inscrever-se em nossa newsletter.