Lộ trình Tích hợp Đa dạng và Tương lai của Chip của Bạn

 

 

Hội nghị Công nghệ và Linh kiện Điện tử IEEE (ECTC) năm nay đã chứng kiến một loạt các hội thảo về tích hợp đa dạng và cái nhìn tổng quan đẹp về trạng thái hiện tại (bản cập nhật năm 2019) của Lộ trình Tích hợp Đa dạng. Sự xuất hiện của SoMs/CoMs, và vô số SoCs trong các ứng dụng chuyên biệt như điện thoại thông minh, tất cả đều minh họa cách mà tích hợp đang đóng vai trò trong việc tăng cường chức năng của các chip mà không làm tăng đáng kể kích thước của chúng. Các sáng kiến tích hợp trong lĩnh vực điện tử ban đầu được phát triển với một mục tiêu duy nhất: đưa nhiều tính năng hơn vào không gian nhỏ hơn và tiếp tục mở rộng thiết bị mà không làm tăng kích thước.

 

Tích hợp đa dạng đóng vai trò vào chủ đề lớn hơn mà đã được thấy với ASICs trong thập kỷ qua nhưng đưa nó lên một tầm cao mới với các công nghệ đóng gói tiên tiến. Nếu bạn là một nhà thiết kế PCB hoặc một nhà thiết kế hệ thống, làm thế nào mà các thành phần tích hợp cao hơn sẽ ảnh hưởng đến thiết kế và thực hành bố trí của bạn? Chúng ta đã có thể nhìn vào một số sản phẩm GPU và CPU tiên tiến của ngày nay được sử dụng trong máy chủ trung tâm dữ liệu và tính toán nhúng quân sự - hàng không để có một số hướng dẫn. Tuy nhiên, những sản phẩm này cuối cùng sẽ lọc xuống đến nhà thiết kế hàng ngày khi các công nghệ như AI tích hợp, lượng tử, 5G/6G, robot tiên tiến, và hệ thống chức năng hỗn hợp trở nên phổ biến hơn.

Tích hợp trong Ngành Công nghiệp Bán dẫn

Hiệp hội Công nghiệp Bán dẫn (SIA) gần đây đã thông báo rằng họ sẽ ngừng theo đuổi các hoạt động được nêu trong Lộ trình Công nghệ Quốc tế cho Bán dẫn (ITRS) vào mùa xuân năm 2016. Trước đó, phân khúc của ngành công nghiệp tại Mỹ đã theo dõi Lộ trình Công nghệ Quốc gia của riêng mình cho Bán dẫn (NTRS) cho đến khi các công ty quốc tế bắt đầu tham gia vào cuối những năm 1990. Sự chuyển đổi khỏi ITRS và vào một khuôn khổ mới cho tích hợp là một sự thay đổi lớn, đặc biệt khi bạn nghe nhiều về sự thống trị của Luật Moore trong việc thúc đẩy quy mô bán dẫn. Ngày nay, mọi người trong ngành công nghiệp đều chấp nhận rằng việc mở rộng liên tục theo Luật Moore đang mang lại lợi ích giảm dần cho tất cả trừ các công ty lớn như Intel và TSMC.

 

Sau ITRS là Lộ trình Quốc tế cho Thiết bị và Hệ thống, một phần của đó là Lộ trình Tích hợp Đa dạng. Trong kỷ nguyên IoT, trung tâm dữ liệu kết nối đám mây, và thiết bị thông minh ngày nay, lộ trình công nghệ này chuyển sự tập trung khỏi việc mở rộng vật lý của mạch dựa trên transistor, điều đã thúc đẩy ngành công nghiệp cho đến nút hiện tại dưới 7 nm. Bây giờ, trọng tâm là về các kiến trúc mới với một lộ trình dựa trên ứng dụng để kích hoạt một loạt các ứng dụng mới. Khi bạn xem xét rằng mục đích của tích hợp đa dạng là để đóng gói các tính năng đa dạng vào một gói duy nhất, thì còn gì để nhà thiết kế bảng mạch làm?

 

Hóa ra, vẫn còn rất nhiều việc cho nhà thiết kế bảng mạch, và thực tế, họ sẽ hoạt động như giao diện chính giữa thế giới thực và một thành phần hộp đen. Đầu tiên, hãy xem xét tích hợp đa dạng là gì, và chúng ta sẽ thấy vai trò của nhà thiết kế PCB sẽ tiếp tục chuyển từ các nhiệm vụ bố trí cơ bản sang thiết kế hệ thống và tích hợp ở cấp độ bảng mạch.

Tích hợp Đa dạng là gì?

Rất đơn giản, tích hợp không đồng nhất là việc tích hợp nhiều thành phần, có thể được sản xuất riêng biệt, thành một hệ thống thực sự trong gói (SiP), nơi một lắp ráp duy nhất cung cấp tất cả chức năng bằng cách kết nối tất cả các thành phần thành phần. Hãy nghĩ về một SoC nhưng với nhiều điều silicon hơn; mỗi thành phần được sản xuất riêng biệt và liên kết với nhau bằng một cấu trúc kết nối tiêu chuẩn.

 

Để hiểu điều này có nghĩa là gì, hãy xem xét cách chúng ta có được một thành phần tích hợp không đồng nhất. Xem xét ví dụ dưới đây: chúng ta có nhiều điều silicon bán dẫn từ các nhà máy sản xuất khác nhau, và có thể được sản xuất bằng các công nghệ khác nhau tại các nút khác nhau. Những điều này được tích hợp vào một interposer duy nhất và kết nối với nhau bằng các phương pháp tiêu chuẩn (vias và tracks). Bất kỳ điều silicon mô-đun nào cũng có thể được kết nối với nhau như legos với các giao diện tiêu chuẩn.

 

Ý tưởng đơn giản trong tích hợp không đồng nhất

Ở một số khía cạnh, điều này mô phỏng sự nỗ lực phát triển ASIC từ những năm 1970 cho đến nay, nơi các chức năng mà sẽ khá khó khăn để xử lý bằng logic lập trình chung hoặc các thành phần rời rạc được thực hiện với một chip chuyên biệt duy nhất. Bây giờ, hầu hết các bảng mạch bạn sẽ xây dựng cho các ứng dụng cụ thể đều bao gồm một loạt ASIC, một số thành phần điều chỉnh nguồn, một đống linh kiện thụ động, một vi xử lý, và có thể một số thành phần logic chuyên biệt. Nếu bạn đang xây dựng một bảng mạch cần một mặt trước tương tự hoặc phải thu thập một tín hiệu tương tự từ một thiết bị khác, khối đó sẽ được tích hợp vào ASIC của bạn, hoặc sẽ có một IC giao diện (ví dụ, một ADC) mà bạn có thể đặt lên bảng mạch cho chức năng đó.

Cấu trúc Mô-đun Chip Đơn hiện tại

Đối với nhà thiết kế không nhất thiết theo dõi các phát triển trong bao bì bán dẫn, tôi đã cho thấy một ví dụ về một số phương pháp tích hợp và một ví dụ SoC bên dưới. Hình ảnh ở góc trên bên trái cho thấy một gói BGA điển hình BGA package nơi điều silicon Si được bao bọc trong một hợp chất khuôn. Hai hình ảnh khác ở hàng trên cho thấy cách nhiều điều silicon có thể được xếp chồng lên nhau và kết nối với nhau hoặc với dấu chân BGA bằng dây bond. Cuối cùng, hình ảnh dưới cùng cho thấy hình thức tích hợp không đồng nhất tinh vi nhất, nơi các phần bộ nhớ và logic được tích hợp vào một gói duy nhất sử dụng vias, được biết đến là công nghệ via qua silicon (TSV).

 

Ví dụ về tích hợp không đồng nhất.

 

Tại sao lại tập trung vào việc xây dựng các gói lớn hơn từ một tập hợp các chip nhỏ hơn? Trong quy trình sản xuất bán dẫn phẳng, hiệu suất sẽ thấp hơn khi die dày hơn, vì vậy việc xây dựng một mô-đun quy mô lớn ở 3D trở nên kém kinh tế hơn khi có nhiều tính năng được đóng gói trên một die duy nhất. Sử dụng các die riêng biệt được liên kết với một kiến trúc kết nối tiêu chuẩn là đáng tin cậy hơn. Nó cũng cho phép các nhà thiết kế chip áp dụng cách tiếp cận mô-đun để phát triển các bộ lắp ráp chip, nơi nhiều die có thể kết hợp với nhau như lego. Bạn có thể mở rộng điều này đến các bộ lắp ráp nhiều chip, nơi nhiều die cấu trúc như trên được liên kết lại với nhau thành một gói duy nhất. Điều này đã được sử dụng gần đây trong các bộ xử lý Fiji và Epyc của AMD, và đây là một phương pháp để đưa nhiều lõi vào một chip duy nhất.

 

Về mặt các thành phần và khả năng, phần lớn sự tập trung trong tích hợp không đồng nhất là đóng gói các thành phần kỹ thuật số khác nhau vào một bộ lắp ráp lớn hơn, mặc dù các thành phần tương tự và điện cơ (ví dụ, MEMS) cũng là các thành phần mục tiêu cho tích hợp không đồng nhất. Nếu nó có thể được sản xuất trên một wafer với quy trình phẳng, thì đó là một mục tiêu có thể cho tích hợp không đồng nhất. Khả năng tích hợp giữa các khả năng khác nhau dẫn chúng ta đến các lĩnh vực khác nhau đã nhận được sự tập trung trong Lộ trình Tích hợp Không Đồng Nhất.

Các Lĩnh Vực Tập Trung trong Lộ trình Tích hợp Không Đồng Nhất

Lộ trình Tích hợp Không Đồng Nhất được công bố vào năm 2019 để giải quyết các thách thức cản trở sự tích hợp thêm trong các lĩnh vực ứng dụng cụ thể. Tài liệu này được tài trợ bởi ba hội IEEE phản ánh trạng thái hiện tại và tương lai của hệ sinh thái điện tử. Lộ trình Tích hợp Không Đồng Nhất được phân biệt với các lộ trình tiêu chuẩn khác ở chỗ nó tập trung vào ứng dụng và thách thức, thay vì tập trung vào các khả năng cụ thể. Có sáu chương được trình bày trong Lộ trình Tích hợp Không Đồng Nhất tập trung vào các thách thức kỹ thuật trong các lĩnh vực cụ thể:

 

• Tính toán hiệu năng cao và trung tâm dữ liệu, là các mục tiêu tự nhiên cho việc tiếp tục thu nhỏ và tích hợp

• Thiết bị di động, bao gồm 5G và các khả năng mạng di động tương lai như 6G

• Ô tô, chủ yếu giải quyết các phương tiện tự lái

• Thiết bị y tế/sức khỏe và thiết bị đeo, thường yêu cầu nhiều thành phần cung cấp các chức năng chuyên biệt

• Hàng không và quốc phòng, một lĩnh vực khác nơi nhiều chức năng được thực hiện trong các hệ thống có kích thước lớn cho các ứng dụng chuyên biệt

• IoT, một danh mục đủ rộng để chồng lấn với bất kỳ lĩnh vực nào ở trên

 

Đi sâu hơn, Lộ trình Tích hợp Không Đồng Nhất giải quyết các thách thức kỹ thuật và các giải pháp tiềm năng cho một số nhóm thành phần rộng lớn. Một số nhóm thành phần này phổ biến trong nhiều hệ thống, và ngày nay được thực hiện với nhiều mạch hoặc bộ thành phần:

 

• Các mô-đun chip đơn và nhiều chip

• Điện tử công suất tích hợp

• Nền tảng cảm biến tích hợp, bao gồm cảm biến MEMS

• Quang học tích hợp

• Bộ chipset 5G

 

Các Cấp Độ Tích hợp Không Đồng Nhất Khác Nhau

Xu hướng ở đây là đóng gói nhiều sức mạnh tính toán và các tính năng bổ sung vào các gói tiêu chuẩn, nhưng với sự tập trung ở 3 cấp độ:

 

Mỗi cấp độ của sự tích hợp đa dạng về mặt công nghệ này nhằm giải quyết các thách thức kỹ thuật khác nhau.

Đa dạng về Chip

Đa dạng về chip tập trung vào tích hợp các tính năng bằng cách kết hợp nhiều chip vào một gói duy nhất. Điều này theo sát thiết kế của các chiplet và mô-đun đa chip. Một số ví dụ về tích hợp phần cứng ở cấp độ này bao gồm:

 

• Pha trộn các kiểu gói khác nhau trong cùng một mô-đun

• Xếp chồng nhiều chip theo chiều dọc và ngang (tích hợp 2.5D/3D)

• Đóng gói nhiều mô-đun SoC vào một mô-đun lớn hơn

 

Tất cả điều này được kết nối với công nghệ đóng gói cấp wafer, như TSV cho tích hợp dọc và công nghệ fan-out tích hợp (InFO) của TSMC được sử dụng trong SiPs không dây. Các kỹ thuật kết nối không dựa vào dây bond được ưa chuộng, đặc biệt là cho các dòng dữ liệu nối tiếp tốc độ cao cực kỳ cao giữa các die.

Đa dạng về Hệ thống

Các sản phẩm khác nhau lý tưởng hơn cho việc xử lý các cấu trúc dữ liệu khác nhau, và tích hợp cấp hệ thống nhằm giải quyết các nhiệm vụ mà công việc tính toán được chuyển giữa các mô-đun khác nhau. Ví dụ, các tính toán vector lặp lại được thực hiện tốt nhất trên GPU, trong khi các tính toán ma trận được sử dụng trong mô hình AI hiện đang được thực hiện trên ASICs. SiPs cần có những lựa chọn này kèm theo các giao diện, bộ nhớ, lõi xử lý, và giao diện I/O để cung cấp khả năng xử lý hiệu quả nhất cho các tải công việc cụ thể.

 

Cấp độ tích hợp đa dạng này phù hợp hơn cho các trung tâm dữ liệu, nơi nhiều tải công việc dữ liệu (scalar, vector, ma trận, và không gian) cần được xử lý đồng thời. Tuy nhiên, điều này chắc chắn có thể được mở rộng ra các ứng dụng nhúng liên quan đến RF/không dây, cũng như các thành phần quang học.

 

 

Ví dụ SiP cho ứng dụng xe tự hành với mạch quang học tích hợp. [Nguồn]

 

Đồng nhất về Firmware/Phần mềm

Đây là một thách thức lớn vì nó đòi hỏi sự chuẩn hóa đáng kể trên một tập hợp các sản phẩm về hệ điều hành nhúng và một tập hợp các API tiêu chuẩn. Điều này càng khó khăn hơn vì các nhà phát triển thường sử dụng các ngôn ngữ khác nhau và với các lĩnh vực chuyên môn khác nhau. Chúng ta có thể sẽ tiếp tục có nhiều ngôn ngữ cấp cao để phát triển các ứng dụng sẽ chạy và giao tiếp với các mô-đun đa dạng. Tuy nhiên, điều mà các nhà phát triển cần là một môi trường phát triển đơn nhất biên dịch mã từ nhiều ngôn ngữ thành một cơ sở mã duy nhất. Vẫn chưa rõ môi trường như thế này sẽ trông như thế nào, nhưng các nhà sản xuất chip đang hướng tới loại môi trường phát triển này để hỗ trợ các sản phẩm đa dạng.

Ý nghĩa của Tích hợp Đa dạng đối với Nhà thiết kế PCB

Đối với các nhà thiết kế PCB, xu hướng tích hợp cao hơn này mang lại nhiều chức năng và tính năng hơn vào một chip duy nhất và cung cấp cho các nhà thiết kế những sản phẩm chuyên biệt cho các ứng dụng khác nhau. Các nhà thiết kế làm việc trong các lĩnh vực công nghệ mới sẽ mất ít thời gian hơn để kết hợp các nhóm linh kiện khác nhau vì các sản phẩm tiêu chuẩn sẽ chứa các tính năng cần thiết trong một thiết bị duy nhất. Các nhà thiết kế PCB vẫn sẽ phải đối mặt với thách thức về bố cục, nhưng tích hợp đa dạng giúp giảm tổng số linh kiện, kích thước hệ thống và các phụ kiện cần thiết mà không thay đổi thực hành bố cục cho các nhà thiết kế PCB.

 

Liệu điều này có nghĩa là các nhà thiết kế PCB chỉ cần kết nối một khối nguồn và một mô-đun tích hợp đa dạng trên bảng mạch? Tất nhiên là không... Lộ trình Tích hợp Đa dạng dựa trên ứng dụng và nhằm mục đích thúc đẩy sản xuất các linh kiện nhắm vào các khu vực ứng dụng rộng lớn. Bằng cách tập trung vào các khu vực ứng dụng rộng lớn, các sản phẩm mới sẽ kết hợp các linh kiện cho các bộ chipset cụ thể vào một mô-đun duy nhất, và các giao diện tiêu chuẩn (PCIe, USB, v.v.) sẽ được sử dụng để liên kết các mô-đun với nhau.

 

Khi tích hợp đa dạng tiếp tục và các sản phẩm mới được tung ra thị trường, Octopart sẽ ở đây để giúp bạn tìm kiếm các linh kiện bạn cần với một bộ đầy đủ các tính năng tìm kiếm và lọc nâng cao advanced search and filtration features. Khi bạn sử dụng công cụ tìm kiếm điện tử của Octopart, bạn sẽ có quyền truy cập vào dữ liệu giá của nhà phân phối hiện tại, hàng tồn kho linh kiện, và thông số kỹ thuật của linh kiện, và tất cả đều dễ dàng truy cập trong một giao diện thân thiện với người dùng. Hãy xem trang mạch tích hợp của chúng tôi để tìm các linh kiện bạn cần.

 

Hãy cập nhật với các bài viết mới nhất của chúng tôi bằng cách đăng ký nhận bản tin của chúng tôi.