Печатные платы против многочиповых модулей, чиплетов и кремниевой интерконнектной ткани (Обновление 2023)

Статья в сентябрьском номере 2019 года журнала IEEE Spectrum утверждала, что ткань из кремниевых соединений, метод соединения чиплетов в многочиповом модуле или продвинутой упаковке, исключит необходимость в печатных платах и громоздких SoC для многих приложений, в частности, для материнских плат.

Теперь 2023 год, и никто, похоже, еще не отказался от печатных плат; спрос на печатные платы остается таким же сильным, как и всегда, и по-прежнему прогнозируется их рост на уровне двузначного CAGR. Это несмотря на ожидаемый рост продвинутых типов печатных плат, в частности, плат UHDI и подобных субстрату печатных плат.

Та статья 2019 года в IEEE Spectrum была по меньшей мере третьим случаем за столько же десятилетий, когда делалось заявление о "конце печатных плат". Многочиповые модули появились еще во времена пузырьковой памяти IBM в 1970-х годах, и вы даже можете проектировать их, используя стандартное программное обеспечение для проектирования печатных плат, если у вас есть возможность создавать посадочные места для соединительных выпуклостей на полупроводниковых кристаллах вашего модуля. Как только вы разберетесь с модными терминами и проанализируете проблемы, связанные с внедрением многочиповых модулей в массовое производство, становится легче понять, каковы будут будущие отношения между печатными платами и интегральными схемами.

Продвинутые упаковки, чиплеты и кремниевая соединительная ткань

Теперь, когда разговор о производстве электроники в США и Европе сместился в сторону передовых методов упаковки и локального производства полупроводников, больше компаний начинают внедрять проектирование чипов внутри компании. Это означает, что упаковка станет доменом этих команд проектировщиков, а дизайнеры печатных плат являются группой со способностями решать сложные задачи упаковки, включающие гетерогенно интегрированные чипы и модули.

Ткань кремниевых соединений была предназначена как платформа соединения, поддерживающая гетерогенную интеграцию в передовых упаковках для сверхбольших систем. В этой методологии упаковки непакетированные кристаллы прямо прикрепляются к кремниевой пластине с очень мелким вертикальным шагом соединений (от 2 до 10 микрон). Предполагается, что расстояние между кристаллами будет < 100 микрон, что обеспечивает очень короткие соединения между кристаллами. Также предполагается, что упаковка будет поддерживать 3D интеграцию с вертикальной укладкой кристаллов в единый модуль.

Структура ткани кремниевых соединений. [Источник: UCLA CHIPS]

Ткань предназначена для замены традиционных интерпозеров, корпусов и печатных плат. Назовите меня предвзятым, но я скептически отношусь к тому, что такая методология упаковки сможет заменить печатные платы при текущей структуре производства и распределения компонентов. По моему мнению, это выглядит как структура, которую можно было бы разместить на интерпозере или подложке корпуса, но это не будет полной заменой печатных плат. Я говорю это потому, что данная структура по сути позволяет осуществлять 2.5D интеграцию или 3D интеграцию на кремниевом кристалле.

До какого уровня в иерархии проектирования должна доходить упаковка, и смогут ли эти устройства когда-нибудь заменить печатные платы как стандартный метод создания электроники? Реальность такова, что методологии упаковки, используемые для соединения разнородных компонентов, не предназначены для замены печатных плат как решения упаковки высшего уровня. Модульность, предлагаемая компонентами off-the-shelf в печатных платах, обеспечивает значительную ценность и гибкость, которые необходимы инженерам. Пока каждая интегральная схема off-the-shelf не будет доступна также в виде чиплета, технологии вроде кремниевой межсоединительной ткани не имеют никаких шансов на полную замену печатных плат.

Несмотря на мой скептицизм относительно замены пакетов И печатных плат на совершенно новую архитектуру соединений, были проведены дополнительные исследования систем на основе кремниевой соединительной ткани. Как технология упаковки, системы на основе кремниевой соединительной ткани сталкиваются с некоторыми из тех же проблем, что и традиционная упаковка и передовые печатные платы, особенно в областях подачи питания, стабильности питания, и включения встроенной емкости в ткань. Ниже приведены две недавние статьи по этим темам.

• Safari, Yousef, Anja Kroon, и Boris Vaisband. "Подача питания для приложений ультрабольшого масштаба на Si-IF." В 2022 IEEE International Symposium on Circuits and Systems (ISCAS), стр. 1605-1609. IEEE, 2022.
• Kannan, K. T., и Subramanian S. Iyer. "Глубокие траншейные конденсаторы в кремниевой соединительной ткани." В 2020 IEEE 70th Electronic Components and Technology Conference (ECTC), стр. 2295-2301. IEEE, 2020.

Вердикт - Печатные платы остаются в строю

В настоящее время существует множество технических проблем, связанных с интеграцией чиплетов с различными функциями и материалами на одном субстрате или многочиповом модуле, поэтому на данный момент печатные платы (PCB) остаются актуальными. Такие типы пакетов и модулей нацелены на более продвинутые приложения, чем те, которые могут быть обслужены некоторым готовым оборудованием, поэтому PCB все еще будут использоваться в большинстве приложений.

Одной из самых больших проблем, препятствующих расширению использования продвинутых пакетов до уровня, когда они могут угрожать доминированию PCB, не имеет ничего общего с созданием продвинутых пакетов. Вместо этого, это связано со всей экосистемой чиплетов. Сегодня, в 2023 году, вы не можете просто обратиться к дистрибьютору чиплетов, заказать выборку полупроводниковых кристаллов и отправить их на упаковочное предприятие. Производственные мощности существуют в Азии, но такой рынок чиплетов отсутствует. Вместо этого, крупные производители процессоров, такие как Intel, NVIDIA и AMD, а также крупные фабрики, такие как TSMC, сосредоточены на этом подходе для самых передовых продуктов.

Даже если экосистема чиплетов разовьется до такой степени, что дизайнеры смогут брать чиплеты с полки и использовать их для создания пользовательских гетерогенно интегрированных пакетов, это не означает, что мы полностью избавимся от печатных плат. Просто не практично интегрировать каждую возможную функцию или характеристику в один пакет. Вот почему нам по-прежнему нужны печатные платы для соединения компонентов традиционной упаковки с полки с более продвинутыми пакетами и модулями.

Пока каждая функция не будет интегрирована в один кристалл, у дизайнеров печатных плат все еще будут работы по проектированию продвинутых электронных систем. По мнению этого исследователя, мы увидим, как электронно-фотонные интегрированные схемы (EPICs) станут широко коммерциализированными до того, как мы увидим гетерогенную интеграцию, представленную в многочиповых модулях. Мы даже можем увидеть фотонные чиплеты, интегрированные в многочиповые модули и соединенные с фотонным аналогом кремниевой связующей ткани. Отрасль проводит конференции по разработке стандартов и стратегий масштабирования для коммерциализации компонентов кремниевой фотоники, а также оценке в других областях, например, адаптации техник моделирования SPICE к фотонным схемам.

По мере того как электроника продолжает проникать в такие области, как многочиповые модули и оптические интерконнекты, обращайтесь к компаниям вроде Altium и к платформам проектирования, таким как Altium Designer®, за инструментами для работы с этими новыми технологиями в печатных платах. Набор инструментов в Altium Designer находится на переднем крае индустрии EDA. Вы сможете проектировать компактные платы для любых приложений, управлять данными своих проектов и подготавливать новые продукты к массовому производству.

Теперь вы можете скачать бесплатную пробную версию Altium Designer и узнать больше о лучших в отрасли инструментах для разработки, моделирования и планирования производства. Поговорите с экспертом Altium сегодня, чтобы узнать больше.