異構集成路線(xiàn)圖和芯片的未來(lái)

2021-07-05

異構集成路線(xiàn)圖和芯片的未來(lái)

今年電子元件和技術(shù)會(huì )議 (ECTC) 舉辦了一系列關(guān)于異構集成的研討會(huì )，并對異構集成路線(xiàn)圖的當前狀態(tài)（2019 年修訂版）進(jìn)行了很好的概述。SoM/CoM 的出現，以及智能手機等專(zhuān)業(yè)應用中大量 SoC 的出現，都說(shuō)明集成如何在增加芯片功能而不顯著(zhù)增加其占用空間方面發(fā)揮作用。電子產(chǎn)品中的集成計劃最初是為了一個(gè)目標而開(kāi)發(fā)的：將更多功能引入更小的空間，并在不增加占地面積的情況下繼續擴展設備。

異構集成成為過(guò)去十年 ASIC 出現的更大主題，但通過(guò)先進(jìn)的封裝技術(shù)將其提升到一個(gè)新的水平。如果您是 PCB 設計師或系統設計師，更高集成度的組件將如何影響您的設計和布局實(shí)踐？我們已經(jīng)可以從當今用于數據中心服務(wù)器和軍用航空嵌入式計算的一些先進(jìn) GPU 和 CPU 產(chǎn)品中獲得一些指導。然而，隨著(zhù)嵌入式人工智能、量子、5G/6G、先進(jìn)機器人和混合功能系統等技術(shù)變得越來(lái)越普遍，這些產(chǎn)品將不可避免地滲透到日常設計師中。

半導體行業(yè)的整合

半導體行業(yè)協(xié)會(huì ) (SIA) 最近宣布將在 2016 年春季停止開(kāi)展國際半導體技術(shù)路線(xiàn)圖 (ITRS) 中概述的活動(dòng)。在此之前，該行業(yè)遵循其自己的國家半導體技術(shù)路線(xiàn)圖 ( NTRS）直到國際公司在 1990 年代后期開(kāi)始加入。從 ITRS 轉向新的集成范式是一個(gè)重大轉變，尤其是當您聽(tīng)到很多關(guān)于摩爾定律在推動(dòng)半導體縮放方面的主導地位時(shí)。今天，業(yè)界的每個(gè)人都承認，除了英特爾和臺積電等大公司之外，摩爾定律下的持續擴展正在為所有人帶來(lái)收益遞減。

在 ITRS 之后出現了國際設備和系統路線(xiàn)圖，其中的一個(gè)子集是異構集成路線(xiàn)圖。在當今物聯(lián)網(wǎng)、云連接數據中心和智能設備時(shí)代，該技術(shù)路線(xiàn)圖將重點(diǎn)從基于晶體管的電路的物理縮放轉移到了當前的 7 納米以下節點(diǎn)?，F在的重點(diǎn)是具有應用程序驅動(dòng)路線(xiàn)圖的新架構，以支持大量新應用程序。當您考慮到異構集成的重點(diǎn)是將不同的功能打包到一個(gè)包中時(shí)，電路板設計人員還需要做什么？

事實(shí)證明，留給電路板設計師的還有很多，事實(shí)上，他們將充當現實(shí)世界和黑匣子組件之間的主要接口。首先，讓我們看看什么是異構集成，我們將看到 PCB 設計人員的角色將如何繼續從基本布局任務(wù)轉移到板級系統設計和集成。

什么是異構集成？

非常簡(jiǎn)單，異構集成是將可能單獨制造的多個(gè)組件集成到一個(gè)真正的系統級封裝 (SiP) 中，其中單個(gè)組件通過(guò)連接所有組成組件來(lái)提供所有功能。想想一個(gè) SoC，但它有更多的硅芯片；每個(gè)組件都是單獨制造的，并通過(guò)標準互連結構連接在一起。

要了解這意味著(zhù)什么，讓我們看看我們如何獲得異構集成組件?？紤]下面的例子：我們有來(lái)自不同晶圓廠(chǎng)的多個(gè)半導體芯片，并且可能在不同的節點(diǎn)使用不同的技術(shù)生產(chǎn)。它們被集成到單個(gè)中介層中，并使用標準方法（通孔和軌道）互連。這些模塊化模具中的任何一個(gè)都可以像樂(lè )高積木一樣通過(guò)標準化接口連接在一起。

異構集成中的簡(jiǎn)化思想

在某些方面，這模仿了從 1970 年代到今天開(kāi)發(fā) ASIC 的推動(dòng)，當時(shí)使用通用可編程邏輯或分立元件很難處理的功能是用單個(gè)專(zhuān)用芯片實(shí)現的?，F在，您將為特定應用構建的大多數電路板都涉及一系列 ASIC、一些電源調節組件、一堆無(wú)源器件、一個(gè)處理器，也許還有一些特殊的邏輯組件。如果您正在構建一個(gè)需要模擬前端或必須從另一臺儀器捕獲一些模擬信號的電路板，那么該模塊將內置到您的 ASIC 中，或者您可以使用一些接口 IC（例如，ADC）放在板上以實(shí)現該功能。

當前的單片機模塊結構

對于不一定關(guān)注半導體封裝發(fā)展的設計師，我在下面展示了一些集成方法的示例和示例 SoC。左上角的圖像顯示了典型的BGA 封裝，其中硅芯片封裝在模塑料中。頂行的另外兩個(gè)圖像顯示了如何堆疊多個(gè)芯片并相互連接或通過(guò)鍵合線(xiàn)連接到 BGA 封裝。最后，下圖顯示了最復雜的異構集成形式，其中存儲器和邏輯部分使用通孔集成到單個(gè)封裝中，稱(chēng)為硅通孔 (TSV) 技術(shù)。

異構集成示例。

為什么要專(zhuān)注于從一組較小的芯片構建更大的封裝？在平面半導體制造工藝中，當芯片較厚時(shí)，成品率會(huì )降低，因此當將更多功能封裝到單個(gè)芯片上時(shí)，以 3D 方式構建超大規模模塊變得不那么經(jīng)濟。使用與標準互連架構互連的獨立管芯更可靠。它還允許芯片設計人員采用模塊化方法來(lái)開(kāi)發(fā)芯片組件，其中多個(gè)芯片可以像樂(lè )高積木一樣組裝在一起。然后，您可以將其擴展到多芯片組件，其中多個(gè)上述芯片結構連接在一起形成一個(gè)封裝。這最近已在 AMD 的 Fiji 和 Epyc 處理器中使用，它是一種將多個(gè)內核集成到單個(gè)芯片中的方法。

在組件和功能方面，異構集成的大部分重點(diǎn)是將不同的數字組件封裝到更大的組件中，盡管模擬和機電組件（例如，MEMS）也是異構集成的目標組成部分。如果它可以通過(guò)平面工藝在晶圓上制造，那么它就是異構集成的可能目標。這種不同能力之間集成的潛力將我們引向了異構集成路線(xiàn)圖中所關(guān)注的各個(gè)領(lǐng)域。

異構集成路線(xiàn)圖中的重點(diǎn)領(lǐng)域

異構集成路線(xiàn)圖于 2019 年發(fā)布，旨在解決阻礙特定應用領(lǐng)域進(jìn)一步集成的挑戰。本文檔由三個(gè)反映電子生態(tài)系統當前和未來(lái)狀態(tài)的 IEEE 協(xié)會(huì )贊助。異構集成路線(xiàn)圖與其他標準路線(xiàn)圖的區別在于，它以應用和挑戰為重點(diǎn)，而不是專(zhuān)注于特定功能。異構集成路線(xiàn)圖中概述了六章，重點(diǎn)關(guān)注特定領(lǐng)域的技術(shù)挑戰：

高性能計算和數據中心，它們是持續小型化和集成的自然目標

移動(dòng)設備，包括 5G 和未來(lái)的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò )功能，如 6G

汽車(chē)，主要針對自動(dòng)駕駛汽車(chē)

醫療/健康設備和可穿戴設備，通常需要一系列提供專(zhuān)門(mén)功能的組件

航空航天和國防，在物理大型系統中為專(zhuān)業(yè)應用實(shí)現多種功能的另一個(gè)領(lǐng)域

物聯(lián)網(wǎng)，一個(gè)足夠廣泛的類(lèi)別，可以與上述任何領(lǐng)域重疊

更深入地說(shuō)，異構集成路線(xiàn)圖解決了一些廣泛的組件組的技術(shù)挑戰和潛在的解決方案。其中一些組件組在許多系統中很常見(jiàn)，如今已通過(guò)多個(gè)電路或組件集實(shí)現：

單芯片和多芯片模塊

集成電力電子

集成傳感器平臺，包括 MEMS 傳感器

集成光子學(xué)

5G芯片組

不同層次的異構集成

這里的趨勢之一是將更多的計算能力和附加功能打包到標準包中，但重點(diǎn)放在 3 個(gè)級別：

這些異構集成級別中的每一個(gè)都旨在解決不同的技術(shù)挑戰。

芯片異質(zhì)性

芯片異質(zhì)性側重于通過(guò)將多個(gè)芯片集成到單個(gè)封裝中的功能級集成。這與小芯片和多芯片模塊的設計密切相關(guān)。此級別硬件集成的一些示例包括：

在同一模塊中混合不同的封裝樣式

垂直和水平堆疊多個(gè)芯片（2.5D/3D 集成）

將多個(gè) SoC 模塊打包成一個(gè)更大的模塊

所有這些都與晶圓級封裝技術(shù)聯(lián)系在一起，例如用于垂直集成的 TSV 和用于無(wú)線(xiàn) SiP 的臺積電集成扇出 (InFO)。非常需要不依賴(lài)鍵合線(xiàn)的互連技術(shù)，特別是對于在管芯之間傳遞的超高速串行數據流。

系統異構

不同的產(chǎn)品更適合處理不同的數據結構，系統級集成旨在解決計算工作負載在不同模塊之間傳遞的任務(wù)。例如，重復向量計算最好在 GPU 上執行，而AI 模型中使用的矩陣計算現在在 ASIC 上執行。SiP 需要將這些選項與接口、內存、處理器內核和 I/O 接口一起提供，以便為特定工作負載提供最高效的計算處理。

這種級別的異構集成更適合需要同時(shí)處理多個(gè)數據工作負載（標量、向量、矩陣和空間）的數據中心。但是，這當然可以擴展到涉及射頻/無(wú)線(xiàn)以及光子學(xué)組件的嵌入式應用。

用于具有集成光子電路的自動(dòng)駕駛汽車(chē)應用的示例 SiP。

固件/軟件同質(zhì)性

這是一項重大挑戰，因為它需要在嵌入式操作系統和一組標準 API 方面對一組產(chǎn)品進(jìn)行重大標準化。這更困難，因為開(kāi)發(fā)人員通常使用不同的語(yǔ)言和不同的專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域。我們可能會(huì )繼續使用許多高級語(yǔ)言來(lái)開(kāi)發(fā)將運行并與異構模塊交互的應用程序。但是，開(kāi)發(fā)人員需要的是將多種語(yǔ)言的代碼編譯成單一代碼庫的單一開(kāi)發(fā)環(huán)境。目前還不清楚這種類(lèi)型的環(huán)境會(huì )是什么樣子，但芯片制造商正在努力開(kāi)發(fā)這種類(lèi)型的開(kāi)發(fā)環(huán)境以支持異構產(chǎn)品。

異構集成對 PCB 設計師意味著(zhù)什么

對于 PCB 設計人員而言，這種更高集成度的趨勢將更多功能和特性封裝到單個(gè)芯片上，并為設計人員提供了針對不同應用的更專(zhuān)業(yè)的產(chǎn)品。在即將到來(lái)的技術(shù)領(lǐng)域工作的設計師將花費更少的時(shí)間將不同的組件組合在一起，因為標準化產(chǎn)品將在單個(gè)設備中包含所需的功能。PCB 設計人員仍將面臨布局挑戰，但異構集成有助于減少整體組件數量、系統尺寸和所需的外圍設備，而無(wú)需改變 PCB 設計人員的布局實(shí)踐。

這是否意味著(zhù) PCB 設計人員只需在電路板上連接電源塊和異構集成模塊？當然不是……異構集成路線(xiàn)圖是基于應用程序的，旨在推動(dòng)面向廣泛應用領(lǐng)域的組件的生產(chǎn)。通過(guò)專(zhuān)注于廣泛的應用領(lǐng)域，新產(chǎn)品將特定芯片組的組件整合到一個(gè)模塊中，并使用標準接口（PCIe、USB 等）將模塊鏈接在一起。