English
version
Задать вопрос

Новости

Все теги
Подписаться на новости

Подпишитесь на рассылку, чтобы всегда быть в курсе последних новостей в мире технологий

Вы успешно подписались!

Мы отправили вам на указанный адрес письмо со ссылкой-подтверждением.

Закрыть
23 марта 2021

AMD, TSMC и imec продемонстрировали планы по внедрению чиплетов на конференции ISSCC

23 марта 2021 года — Издание eetimes.com опубликовало статью по итогам Международной конференции по твердотельным схемам, прошедшей онлайн 13-22 февраля 2021 года (2021 International Solid-State Circuits Virtual Conference).

В публикации особое внимание уделено дискуссионной сессии по чиплетам, на которой было представлено восемь презентаций. В статье подробно обсуждаются презентации AMD, TSMC и Imec, поскольку именно эти компании и организации предоставили обзор уже имеющихся на рынке систем, технологических тенденций и экосистемы, необходимой для ускорения внедрения нового подхода к разработке мипроэлектронных приборов, при котором, в отличие от «систем-на-кристалле», каждый IP-блок представляет собой  физически отдельный чиплет (микрочип).

Презентация AMD

Последние микропроцессоры AMD хорошо известны как раз за счет использования чиплетов — с их помощью был оптимизирован дизайн и применены наиболее подходящие техпроцессы для изготовления кристаллов.

Старший вице-президент, научный советник (Fellow) и архитектор продуктовых технологий AMD Сэм Наффцигер (Sam Naffziger) подробно рассказал о том, как замедление темпов производства полупроводниковых пластин стало стимулом для разделения процессоров на специализированные сегменты-кусочки, которые лучше сочетаются с современными и традиционными  техпроцессами, а также и о вызванных этим проблемах. В качестве примера была приведена разработка серверного процессора EPYC.

Наффцигер отметил, что идея интегральных схем, состоящих из нескольких микрочипов, отнюдь не нова. Идея мультичипового модуля (MCM) зародилась еще во времена керамических подложек и перекочевала в эпоху органических подложек.

Важным аргументом в пользу чиплетов с точки зрения AMD является улучшение показателей себестоимости годных кристаллов. Более высокий выход годных является естественным преимуществом чипов меньшего размера, поэтому каждая пластина, которую AMD покупает на фабе, в конечном итоге имеет меньшее количество непригодных кристаллов.

Поскольку дефект в любом месте большого кристалла способен его уничтожить, разделение одного кристалла, например, на четыре, в любом случае даст вам хотя бы три четверти конечного продукта, в отличие от полного отсутствия продукта в случае с кристаллом большого размера. 

Наффцигер описал возникшие проблемы и найденные решения на примере разработки серверного процессора EPYC: в результате перехода от монолитной конструкции к мультичиповому модулю MCM придется платить за дополнительную площадь на кристалле, особенно если речь идет о первом поколении дизайна. AMD снизила себестоимость чипа EPYC 1-го поколения, разделив конструкцию на чиплеты. 

По подсчетам AMD, в случае использования чиплетов по сравнению с гипотетическим монолитным кристаллом EPYC потребовалось дополнительно 10% площади на кремнии для межконтурных коммуникационных блоков, резервной логики и других безымянных надстроек. Но при этом общая стоимость производства нескольких чиплетов стала на 41% ниже по сравнению с монолитным кристаллом.

Этого удалось достичь за счет использования разных техпроцессов для разных чиплетов. В случае с процессором EPYC, специалисты AMD разделили дизайн устройства таким образом, чтобы ЦПУ получил наибольший эффект от передового и более дорогого техпроцесса 7-нм, а аналоговые блоки и блоки ввода-вывода были произведены по менее продвинутой технологии. Аналоговые схемы не получают никаких преимуществ от уменьшения размеров транзисторов или межсоединений. Это тем более заметно в случае с блокам ввода/вывода — штырьковые разъёмы для снятия сигналов с аналоговой микросхемы уменьшаются в размерах гораздо медленнее, чем цифровые схемы.

Площадь кристалла вычислительного блока процессора EPYC второго поколения на 86% занята блоком ЦПУ и памятью L3 SRAM. Остальное — это аналоговые блоки и интерфейсы ввода/вывода, которые составляют значительную часть дизайнов высокопроизводительных процессоров для настольных компьютеров и серверов. Это очень хорошо видно при взгляде на снимки процессора EPYC 2-го поколения, у него довольно большой кристалл с блоком ввода-вывода. Для операций ввода и вывода данных на этих микросхемах используется множество последовательных интерфейсов, таких как PCIe (128 полос на EPYC 2) и каналы DDR.

Разделение кремниевого «пирога» на части было лишь первым этапом решения задачи. Чиплеты помогли решить одну проблему, но создали новые сложности для разработчкиков: соединение девяти чиплетов на одной подложке корпуса потребовало серьезных усилий инженеров. Но и здесь удалось добиться заметных результатов. В AMD подсчитали, что затраты на дизайн отдельных кристаллов с блоками ввода/вывода на более дешевом 14-нм техпроцессе стали значительно ниже по всему спектру многоядерных и высокопроизводительных процессоров: себестоимость удалось уполовинить по сравнению с 24–48 ядерными процессорами на монолитном кристалле. 

Специалисты AMD отмечают, что большие процессорные ядра вообще нецелесообразно реализовывать на монолитном кристалле. Использование чиплетов стало шагом вперед. 

На будущее Наффцигер видит еще несколько возможностей для оптимизации расходов: использование интерпозеров (промежуточных модулей) и более плотного интерконекта, размещение памяти непосредственно на вычислительном кристалле и использование трехмерного наложения не только на кристалле памяти.

Презентация TSMC

До тех пор пока не появится полноценная и открытая экосистема, чиплеты будут уделом лишь нескольких ведущих игроков. И фабрики интегральных схем (фабы) будут играть здесь центральную роль.

На конференции ISSCC выступил вице-президент по исследованиям и разработкам и заслуженный сотрудник TSMC Дуглас Ю (Douglas Yu). Он сообщил, что TSMC предлагает три направления для развития инноваций в полупроводниковых устройствах, которые идеально дополняют друг друга.

Прежде всего, это ММ или More Moore (Больше Мура) и MTM или More than Moore (Больше, чем Мур). MM и MTM представляют собой независимые ветви технологического прогресса и представляют собой разные подходы к масштабированию микроэлектроники. TSMC, будучи ведущей фабрикой изготовления интегральных схем, также проявляющей большой интерес к усовершенствованным технологиям корпусирования, верит в возможность комбинирования подходов MM и MTM для создания самых передовых микросхем.

В части MM в презентации Дуглас Ю упоминались несколько ключевых факторов, влияющих на использование чиплетов: размеры кристаллов HPC, отсутствие синхронизации масштабирования блоков ввода-вывода с цифровой логикой, а также повторное использование IP-блоков и ускорение графиков выпуска новых продуктов.

Последний из упомянутых пунктов является ключевым. Разделение функциональности конечного продукта на чиплеты позволяет каждой специализированной команде разработчиков придерживаться своего собственного оптимального графика разработки. В случае с чиплетами основное внимание уделяется концепции MTM. 

TSMC уже довольно давно активно участвует в разработке усовершенствованных технологий корпусирования. Их фирменная технология интегрированного корпусирования на уровне пластин с разветвлением сигналов по выходу (fan-out) под брендом InFO изменила правила игры на рынке мобильных устройств, когда Apple применила ее в своем процессоре A10 в 2016 году.

TSMC объединяет свои технологии стекирования чипов  (внешняя часть) и корпусирования (внутренняя часть) в рамках единой новой программы интеграции на системном уровне, которую представляет под торговой маркой 3DFabric.

Для реализации внешней части TSMC предлагает подходы кристалл-на-пластине (chip-on-wafer, CoW) и пластину на пластине (wafer-on-wafer, WoW). Вместе они представляют собой систему на интегрированных кристалах или SoIC (System-on-Integrated-Chips). Предлагаемая TSMC технология SoIC (Система-на-интегрированных-кристаллах) обеспечивает лучшую производительность межсоединений при 3D-интеграции.

Что же касается корпусирования и сборки, то здесь TSMC предлагает CoWoS и вышеупомянутый подход InFO. CoWoS — это кристалл на пластине на подложке (chip-on-wafer-on-substrate).

Даже кремниевые интерпозеры лучше работают в качестве чиплетов. Технология SoIC от TSMC предусматривает термокомпрессионное соединение, поэтому она также дает 16-кратное улучшение по сравнению с микробампами (µbump).

Вклад TSMC в форум по чиплетам завершился предоставлением дорожной карты развития технологии 3DID (3D interconnect density, плотности трехмерного интерконнекта). TSMC предсказывает удвоение плотности интерконнекта (3DID) каждые два года.

Презентация imec

Эрик Бейн (Eric Beyne), директор программы imec по 3D-технологии интеграции систем, старший научный сотрудник и вице-президент по исследованиям и разработкам, рассказал о собственной дорожной карте imec для 3D-интерконнекта и подробно рассмотрел три основные технологические области, которые определят будущее этого направления.

Глядя на ландшафт технологии межкомпонентных соединений, можно сказать, что трехмерный интерконнект охватывает диапазон от чуть менее миллиметра в случае со стекированием пакетов (например, PoP или пакет-на-пакет) до менее 100 нм в случае с настоящей технологией 3D-IC, где используется стекирование транзисторов. В последнем случае показатель плотности превышает 100000000/мм2. Таким образом, есть много возможностей для улучшения используемых сегодня типичных производственных технологий.

В представлении imec существуют три ключевых технологических элемента 3D-интеграции:

  • Сквозной кремний-переходник (Through-silicon-via, TSV)
  • Укладка (стекирование) по типу кристалл-на-кристалл (die-to-die), стекирование и интерконнект по типу кристалл-на-пластину (die-to-wafer)
  • Технология термокомпрессионого соединения пластина-на-пластину (wafer-to-wafer).

По словам Эрика Бейна, исследования показывают хорошие перспективы для масштабирования TSV. Однако размеры переходных соединений в коммерческих продуктах до сих пор не менялись. Причина — в так называемой «бреши интерконнекта».

Микробампы еще не достигли той точки, в которой могут быть полностью использованы возможности TSV. Требуется более агрессивное масштабирование. Imec предполагает, что агрессивное масштабирование микробампов поможет достичь уровня плотности TSV, и команды инженеров imec работают над улучшением плотности контактных выводов (бампов).

Эрик Бейн продемонстрировал снижение шага пайки до 7 мкм при термокомпрессионном соединении. На фотографиях, сделанных с помощью растрового электронного микроскопа (SEM), он показал возможности технологии: интегрированы методом TSV 4 сложенных друг на друга кристалла с шагом 7 мкм.

Imec хочет помочь микроэлектронной промышленности реализовать возможности и ускорить разработки микробампов до того же уровня, что и TSV. При этом общей темой дискуссии о чиплетах стала необходимость разработки совместной дорожной карты по повышению плотности 3D-интерконнекта: игроки рынка смогут продвигать свои технологии более эффективно, если согласуют единый план действий.

Источник

Теги
Мы в соцсетях
Задать вопрос




    ×