Дорожная карта гетерогенной интеграции и будущее ваших микросхем

 

На этогодичной конференции IEEE по электронным компонентам и технологиям (ECTC) был представлен ряд семинаров по гетерогенной интеграции и детальный обзор текущего состояния (пересмотр 2019 года) Дорожной карты гетерогенной интеграции. Появление SoMs/CoMs и множество SoCs в специализированных приложениях, таких как смартфоны, иллюстрируют, как интеграция играет роль в увеличении функциональности чипов без значительного увеличения их размера. Инициативы по интеграции в электронике изначально разрабатывались с одной целью: внедрить больше функций в меньшие пространства и продолжать масштабирование устройств без увеличения размеров.

Гетерогенная интеграция вписывается в более широкую тему, которая наблюдалась с ASIC за последнее десятилетие, но переносит её на новый уровень с помощью передовых технологий упаковки. Если вы дизайнер печатных плат или системный дизайнер, как более высокоинтегрированные компоненты повлияют на ваши проекты и практику размещения? Уже сегодня мы можем обратиться к некоторым современным продуктам GPU и CPU для использования в серверах центров обработки данных и встроенных вычислительных системах военного и аэрокосмического назначения за некоторым руководством. Однако эти продукты в конечном итоге дойдут до обычных дизайнеров, поскольку технологии вроде встроенного ИИ, квантовых вычислений, 5G/6G, передовой робототехники и систем смешанного функционала становятся более распространенными.

Интеграция в полупроводниковой промышленности

Ассоциация полупроводниковой промышленности (SIA) недавно объявила, что прекратит преследование деятельности, описанной в Международной дорожной карте по полупроводникам (ITRS) весной 2016 года. До этого американский сегмент индустрии следовал своей собственной Национальной технологической дорожной карте по полупроводникам (NTRS) до тех пор, пока в конце 1990-х годов не начали присоединяться международные компании. Отход от ITRS и переход к новой парадигме интеграции является значительным сдвигом, особенно когда так много говорится о доминировании закона Мура в продвижении масштабирования полупроводников. Сегодня каждый в индустрии принимает, что продолжающееся масштабирование согласно закону Мура приносит уменьшающуюся отдачу для всех, кроме крупных компаний вроде Intel и TSMC.

После ITRS последовала Международная дорожная карта для устройств и систем, подмножество которой является Дорожной картой гетерогенной интеграции. В сегодняшнюю эпоху IoT, облачных центров обработки данных и умных устройств, эта технологическая дорожная карта переносит акцент с физического масштабирования транзисторных схем, что двигало индустрию до текущего узла менее 7 нм. Теперь акцент сделан на новых архитектурах с прикладной дорожной картой для включения множества новых приложений. Когда вы учитываете, что суть гетерогенной интеграции заключается в упаковке разнообразных функций в один пакет, что остается для дизайнера платы?

Как оказалось, для дизайнеров плат остается много работы, и, фактически, они будут функционировать как основной интерфейс между реальным миром и компонентом-черным ящиком. Давайте сначала рассмотрим, что такое гетерогенная интеграция, и мы увидим, как роль дизайнера печатных плат будет продолжать смещаться от базовых задач по размещению к дизайну систем и интеграции на уровне платы.

Что такое гетерогенная интеграция?

Гетерогенная интеграция — это интеграция нескольких компонентов, которые могут быть изготовлены отдельно, в единую систему в пакете (SiP), где одна сборка обеспечивает всю функциональность, соединяя все составляющие компоненты. Подумайте об SoC, но с большим количеством кремниевых кристаллов; каждый компонент изготавливается отдельно и соединяется вместе с помощью стандартной структуры соединения.

Чтобы понять, что это значит, давайте посмотрим, как мы приходим к гетерогенно интегрированному компоненту. Рассмотрим пример ниже: у нас есть несколько полупроводниковых кристаллов из разных производств, возможно, изготовленных с использованием разных технологий на разных узлах. Они интегрированы в один интерпозер и соединены с использованием стандартных методов (переходные отверстия и дорожки). Любой из этих модульных кристаллов может быть соединен вместе, как конструктор, с использованием стандартизированных интерфейсов.

 

Упрощенная идея в гетерогенной интеграции

В некотором смысле, это напоминает стремление к разработке ASIC с 1970-х годов до сегодняшнего дня, когда функции, которые было бы довольно сложно реализовать с использованием универсальной программируемой логики или дискретных компонентов, реализовывались с помощью одной специализированной микросхемы. Теперь большинство плат, которые вы будете строить для конкретных приложений, включают в себя ряд ASIC, некоторые компоненты регулирования мощности, множество пассивных компонентов, процессор и, возможно, некоторые специализированные логические компоненты. Если вы создаете плату, которой нужен аналоговый фронт-энд или которая должна захватывать какой-либо аналоговый сигнал от другого инструмента, этот блок либо будет встроен в ваш ASIC, либо будет некоторый интерфейсный ИС (например, АЦП), который вы можете установить на плату для этой функции.

Текущая структура однокристального модуля

Для дизайнера, который не обязательно следит за развитием в области упаковки полупроводников, я показал пример некоторых методов интеграции и пример SoC ниже. Верхнее левое изображение показывает типичный пакет BGA, где кремниевый кристалл заключен в формовочный состав. Два других изображения в верхнем ряду показывают, как можно стекать и соединять несколько кристаллов друг с другом или с посадочным местом BGA с помощью соединительных проводов. Наконец, нижнее изображение показывает наиболее совершенную форму гетерогенной интеграции, где секции памяти и логики интегрированы в один пакет с использованием переходных отверстий, известных как технология сквозного кремниевого перехода (TSV).

 

Примеры гетерогенной интеграции.

 

Почему акцент делается на создании больших пакетов из набора меньших чипов? В плоских полупроводниковых производственных процессах выход годных изделий ниже, когда кристалл толще, поэтому создание очень крупномасштабного модуля в 3D становится менее экономичным, когда на один кристалл упаковывается больше функций. Использование отдельных кристаллов, соединенных стандартной архитектурой взаимосвязи, более надежно. Это также позволяет разработчикам чипов применять модульный подход к разработке сборок чипов, где несколько кристаллов могут соединяться подобно конструктору Lego. Затем это можно расширить до многочиповых сборок, где несколько вышеупомянутых структур кристаллов соединяются в один пакет. Этот метод недавно использовался в процессорах AMD Fiji и Epyc, и это один из методов объединения нескольких ядер в один чип.

С точки зрения компонентов и возможностей, большая часть внимания в гетерогенной интеграции уделяется упаковке различных цифровых компонентов в большую сборку, хотя аналоговые и электромеханические компоненты (например, MEMS) также являются целевыми элементами для гетерогенной интеграции. Если это можно изготовить на пластине плоским процессом, то это возможный объект для гетерогенной интеграции. Этот потенциал для интеграции среди различных возможностей приводит нас к различным областям, которые были в центре внимания в Дорожной карте гетерогенной интеграции.

Области фокусировки в Дорожной карте гетерогенной интеграции

Дорожная карта гетерогенной интеграции была опубликована в 2019 году для решения проблем, препятствующих дальнейшей интеграции в конкретных прикладных областях. Этот документ поддерживается тремя обществами IEEE, отражающими текущее и будущее состояние экосистемы электроники. Дорожная карта гетерогенной интеграции отличается от других стандартных дорожных карт тем, что она сосредоточена на приложениях и вызовах, а не на конкретных возможностях. В Дорожной карте гетерогенной интеграции выделено шесть глав, сосредоточенных на технических вызовах в конкретных областях:

• Высокопроизводительные вычисления и центры обработки данных, которые являются естественными целями для продолжения миниатюризации и интеграции

• Мобильные устройства, включая 5G и будущие мобильные сетевые возможности, такие как 6G

• Автомобильная промышленность, в первую очередь касающаяся автономных транспортных средств

• Медицинские/здравоохранительные устройства и носимые устройства, которым часто требуется ряд компонентов, обеспечивающих специализированные функции

• Аэрокосмическая и оборонная промышленность, еще одна область, где множество функций реализуется в физически крупных системах для специальных приложений

• IoT, категория достаточно широкая, чтобы перекрываться с любой из вышеупомянутых областей

 

Углубляясь, Дорожная карта гетерогенной интеграции рассматривает технические вызовы и потенциальные решения для некоторых широких групп компонентов. Некоторые из этих групп компонентов являются общими во многих системах и сегодня реализуются с использованием нескольких схем или наборов компонентов:

• Однокристальные и многокристальные модули

• Интегрированная силовая электроника

• Интегрированные платформы датчиков, включая датчики MEMS

• Интегрированная фотоника

• Чипсеты 5G

 

Различные уровни гетерогенной интеграции

Тенденция здесь заключается в упаковке большего количества вычислительной мощности и дополнительных функций в стандартные пакеты, но с акцентом на 3 уровнях:

 

Каждый из этих уровней гетерогенной интеграции направлен на решение различных технических задач.

Гетерогенность чипов

Гетерогенность чипов сосредоточена на интеграции на уровне функций путем объединения нескольких чипов в один пакет. Это тесно следует за концепцией чиплетов и многочиповых модулей. Некоторые примеры аппаратной интеграции на этом уровне включают:

 

• Смешение различных стилей пакетов в одном модуле

• Вертикальное и горизонтальное стопирование нескольких чипов (2.5D/3D интеграция)

• Упаковка нескольких модулей SoC в больший модуль

Все это объединяется с технологиями упаковки на уровне кристалла, такими как TSV для вертикальной интеграции и интегрированный выход вентилятора (InFO) от TSMC, используемый в беспроводных SiP. Техники соединения, не зависящие от проволочных соединений, очень востребованы, особенно для сверхвысокоскоростных последовательных потоков данных, передаваемых между кристаллами.

Гетерогенность систем

Разные продукты более идеальны для обработки различных структур данных, и интеграция на уровне системы направлена на решение задач, где вычислительные задачи передаются между различными модулями. Например, повторяющиеся векторные вычисления лучше всего выполнять на GPU, в то время как матричные вычисления, используемые в моделях ИИ, теперь выполняются на ASIC. SiP должны иметь эти варианты вместе с интерфейсами, памятью, процессорными ядрами и интерфейсами ввода-вывода для обеспечения наиболее эффективной обработки конкретных рабочих нагрузок.

 

Этот уровень гетерогенной интеграции больше подходит для центров обработки данных, где необходимо одновременно обрабатывать множество рабочих нагрузок данных (скалярные, векторные, матричные и пространственные). Однако это, безусловно, может быть расширено до встроенных приложений, включающих компоненты RF/беспроводной связи, а также фотонные компоненты.

 

 

Пример SiP для приложений автономных транспортных средств с интегрированной фотонной схемотехникой. [Источник]

 

Однородность прошивки/программного обеспечения

Это большая проблема, так как требует значительной стандартизации набора продуктов в отношении встроенных операционных систем и набора стандартных API. Это более сложно, потому что разработчики обычно используют разные языки и имеют разные области специализации. Вероятно, мы будем продолжать иметь множество высокоуровневых языков для разработки приложений, которые будут работать и взаимодействовать с гетерогенными модулями. Однако разработчикам нужна единая среда разработки, которая компилирует код из нескольких языков в единую кодовую базу. Пока неясно, как будет выглядеть такая среда, но производители чипов работают над созданием такой среды разработки для поддержки гетерогенных продуктов.

Что гетерогенная интеграция означает для разработчиков печатных плат

Для дизайнеров печатных плат этот тренд на увеличение интеграции позволяет размещать больше функций и возможностей на одном чипе и предоставляет дизайнерам более специализированные продукты для различных приложений. Дизайнеры, работающие в новых областях технологий, будут тратить меньше времени на соединение групп разрозненных компонентов, поскольку стандартизированные продукты будут содержать необходимые функции в одном устройстве. Дизайнерам печатных плат все еще придется сталкиваться с задачами размещения, но гетерогенная интеграция помогает уменьшить общее количество компонентов, размер системы и необходимые периферийные устройства без изменения практик размещения для дизайнеров печатных плат.

Значит ли это, что дизайнеры печатных плат будут просто подключать блок питания и гетерогенно интегрированный модуль на плате? Конечно нет... Дорожная карта гетерогенной интеграции основана на приложениях и предназначена для стимулирования производства компонентов, нацеленных на широкие области применения. Сосредотачиваясь на широких областях применения, новые продукты будут объединять компоненты для конкретных наборов микросхем в один модуль, и стандартные интерфейсы (PCIe, USB и т.д.) будут использоваться для соединения модулей между собой.

По мере продолжения гетерогенной интеграции и выпуска новых продуктов на рынок, Octopart будет здесь, чтобы помочь вам найти необходимые компоненты с полным набором расширенных функций поиска и фильтрации. Используя поисковую систему электронных компонентов Octopart, вы получите доступ к актуальным данным о ценах дистрибьюторов, инвентаризации частей и спецификациям компонентов, и все это доступно в удобном интерфейсе. Посмотрите нашу страницу с интегральными схемами, чтобы найти необходимые компоненты.

 

Оставайтесь в курсе наших последних статей, подписавшись на нашу рассылку.