Heterogena integracija: novi motor mikroelektronike

Informatec Digital » Resursi » Heterogena integracija: novi motor mikroelektronike

La heterogena integracija Postala je najveća prednost mikroelektronske industrije za kontinuirani napredak, jer klasični model skaliranja jednog monolitnog čipa počinje dostizati svoje granice. Umjesto da se sve proizvodi na jednoj pločici i na jednom čvoru, vrlo različiti čipovi, materijali i tehnologije se kombinuju unutar istog sistema, cijedeći najbolje iz svakog i minimizirajući udaljenosti između funkcionalnih blokova.

Ova promjena fokusa savršeno se uklapa u filozofiju "Više od Moorea"Ne radi se samo o ugradnji većeg broja tranzistora po kvadratnom milimetru, već o izgradnji daleko snažnijih, specijaliziranih i efikasnijih sistema spajanjem optičkih, mehaničkih, RF, memorijskih i naprednih logičkih komponenti u jedno pakovanje. Od 3D NAND fleš memorije sa stotinama slojeva do čipova za podatkovne centre, medicinske uređaje i nosive uređaje, heterogena integracija redefiniše način na koji se poluprovodnici dizajniraju i proizvode.

Šta je tačno heterogena integracija?

Kada govorimo o heterogenoj integraciji, mislimo na kombinacija čipova i uređaja iz različitih tehnoloških procesa i domena (digitalni CMOS, RF, napajanje, fotonika, MEMS, senzori, itd.) u jednom sistemu. Svaki blok se proizvodi korištenjem tehnologije koja nudi najbolje performanse ili cijenu, a zatim se međusobno povezuju vrlo blizu čipa ili čak slažu u 3D.

U klasičnom pristupu ka Monolitni sistem na čipu (SoC)Sve funkcije su integrirane na isti silicijumski čip i na istoj proizvodnoj liniji. Ovaj model je vrlo dobro funkcionirao za mobilne telefone i potrošačku elektroniku, pod uvjetom da su se sve strane složile da dijele istu tehnologiju i ista termička, naponska i materijalna ograničenja. Međutim, kako veće izlazne snage, više frekvencije ili visoko specijalizirani senzori postaju sve zahtjevniji, ovi kompromisi više nisu prihvatljivi.

S druge strane, kod heterogene integracije, visokofrekventni prekidač može se proizvesti u poluprovodniku koji nije CMOS opšte namjeneBlok za napajanje može biti izgrađen na GaN ili uređaju klase III-V, a optički senzor može biti implementiran na platformi optimizovanoj za fotoniku. Sve ovo je integrisano na nivou pakovanja ili interpozera sa izuzetno visokom gustinom međusobnih veza, postižući vrlo kratke putanje i niske latencije između blokova.

Kada se koncept proširi tako da obuhvati cijeli funkcionalni skup, govorimo čak i o integracija hetero sistemaNe samo da su različiti čipovi spojeni zajedno, već je cijeli sistem dizajniran i pakiran uzimajući u obzir napajanje, hlađenje, komunikaciju, sigurnost i pouzdanost od samog početka.

Od „Više Moorea“ do „Više od Moorea“

Od 1965. godine, industrija se vodi poznatim pravilom Gordona Moorea, prema kojem je broj tranzistora na čipu... Udvostručuje se otprilike svake dvije godine.Decenijama se ovo postiže zahvaljujući stalnom smanjenju litografije, dostižući čvorove reda veličine 5 nm ili manje.

Međutim, kako se približavamo fizičkim i ekonomskim granicama miniaturizacije, samo smanjenje veličine tranzistora više nije dovoljno. Danas koegzistiraju tri glavna tehnološka vektora: nastavak fabričkog skaliranja ("Više Moorea"), eksplozija novog naprednog pakovanja i heterogene integracije ("Više od Moorea") i pojava radikalno drugačijih arhitektura kao što su neuromorfno računarstvo ili kvantno računarstvo.

U oblasti skladištenja, memorije 3D NAND Ovo je bila rana demonstracija kako iskoristiti treću dimenziju. Proizvođači su prešli sa planarne NAND memorije na uređaje koji se vertikalno slažu u slojevima od oko 200, množeći gustinu bez oslanjanja isključivo na smanjenje veličine svake ćelije.

U visokoperformansnoj logici, prevladavajuća strategija je razbijanje velikih čipova u specijalizirani čipletiSvaka komponenta se proizvodi na najprikladnijem čvoru, a sistem se zatim ponovo sastavlja korištenjem napredne međusobne povezanosti: 2D slojeva za preraspodjelu, 2.5D interpozera, 3D slaganja sa TSV-om ili hibridnog vezivanja, ovisno o primjeni. Ovo omogućava modularnost, poboljšane prinose proizvodnje i kraće vrijeme do izlaska na tržište.

Heterogena integracija je, u suštini, praktičan način da se to ostvari. "Više od Moorea"maksimiziranje funkcionalne gustoće i blizine čipova bez prisiljavanja svih da koriste isti čvor ili tehnologiju.

3D NAND i izazovi vertikalne proizvodnje

Put ka 3D integraciji počeo je da dobija jasne obrise evolucijom... NAND flashZahvaljujući imerzijskoj litografiji na 193 nm i tehnikama višestrukog oblikovanja, proizvođači su uspjeli smanjiti veličinu planarnog NAND-a na raspon čvorova od 1x nm, što znači izuzetno male dimenzije za dvodimenzionalni dizajn.

U klasičnoj planarnoj NAND fleš memoriji generiraju se sljedeći elementi: horizontalne trake polisilicija koje djeluju kao linije riječi i povezuju kontrolne kapije svake memorijske ćelije. Usko grlo se pojavilo kada je kritični element, plutajuća kapija, prestao ispravno skalirati: kapacitivni odnos sprege između plutajuće kapije i kontrolne kapije se pogoršao, ugrožavajući pouzdan rad ćelije.

Suočene s ovim ograničenjem, kompanije poput Samsunga odlučile su radikalno promijeniti svoj pristup i fokusirati se na 3D NAND2013. godine predstavili su svoj prvi komercijalni V-NAND, čip od 128 Gbita sa 24 vertikalna sloja i približno 2,5 miliona kanala. Kasnije su predstavili verzije sa 32 sloja, pa čak i SSD jedinice zasnovane na ovim arhitekturamaDrugi igrači poput Microna, SK Hynixa i Toshibe slijedili su isti put.

U 3D NAND-u, stare ravne polisilicijske trake se rastežu, savijaju i postavljaju vertikalno. Koncept plutajućeg gejta zamjenjuje se... tehnologije "zamki naboja" Zasnovano na filmovima silicijum nitrida, gdje se naboj pohranjuje u suprotnim regijama iste strukture. Rezultat je složeni niz materijala i slojeva koji se moraju proizvoditi s izuzetno finim tolerancijama.

Samsung je dao ime svojoj 3D tehnologiji Terabitni ćelijski tranzistor (TCAT)Ovo je arhitektura "gate-all-around" gdje gate potpuno okružuje kanal. Ova shema je implementirana s pravilima dizajna reda veličine 30 do 40 nm i tokom na samom gateu, što dodatno slaže proizvodni proces.

TCAT proces započinje CMOS supstratom na koji se naizmjenično nanose slojevi silicijum nitrida i silicijum dioksida. Ovo slaganje, koje podsjeća na neku vrstu "Slojevita torta"Ovo predstavlja prvi veliki izazov: naizmjenično taloženje slojeva. Korištenjem CVD-a (hemijskog taloženja iz parne faze) talože se vrlo tanki limovi, što zahtijeva visoku ujednačenost i vrlo nizak nivo defekata, nešto što postaje još komplikovanije jer je cilj premašiti 32 sloja.

Broj slojeva u ovom početnom steku odredit će konačni broj memorijskih nivoa u uređaju. Preko ove strukture se dodaje tvrda maska, a rupe se buše fotolitografijom. Zatim slijedi još jedna kritična faza: graviranje rovova s ​​vrlo visokim omjerom stranica od vrha prema dolje do podloge. Ovi omjeri stranica su do deset puta veći nego u planarnoj tehnologiji, koja zahtijeva ekstremnu kontrolu procesa nagrizanja.

Nakon nagrizanja, zidovi rupe su obloženi polisilicijem kako bi se formirao kanal, a centralni prostor je ispunjen silicijum dioksidom, stvarajući tzv.kanal za makaroneUnutrašnji stubovi se zatim definišu procesima nagrizanja prorezom, a originalni naizmjenični slojevi nitrida i oksida se uklanjaju, tako da konačna struktura podsjeća na uski, rebrasti toranj.

Da bi sistem funkcionisao, neophodno je povezati perifernu logiku sa kontrolnim gejtovima svakog memorijskog nivoa. Ovo zahteva dodatni, veoma složen korak: gravura na stepeništuOvo uključuje urezivanje svojevrsnih ljestava u jednu stranu uređaja za električni pristup različitim slojevima. Cijeli ovaj skup tehnika ilustruje inherentnu složenost napredne vertikalne integracije, najavljujući izazove koje predstavlja heterogena integracija u drugim područjima.

Tehnološki ključevi za heterogenu integraciju

Da bi ovi složeni sistemi oživjeli, industrija koristi širok spektar resursa. tehnološki "alatni set"Od hibridnog povezivanja do mrežnih arhitektura na čipu, uključujući organske ili staklene interpozere, izbor jednog ili drugog sistema zavisi od slučaja upotrebe, zahtjeva troškova i željenih performansi.

Na najosnovnijem nivou (ponekad nazvanom nivo 0), nalazimo pojedinačni čipNa nivou 1, čipovi se integrišu na pločicu ili slažu jedan na drugi korištenjem TSV-a, mikroizbočina ili direktnog vezivanja. Nivo 2 obično odgovara integracijskom sloju zasnovanom na organskim ili staklenim međupovezivačima sa vezama sa ostatkom sistema. Nivo 3 zauzima sama podloga kao nosač sistema, što može dodati još više funkcionalnosti.

Centri izvrsnosti u heterogenoj integraciji, kao što su Fraunhofer IZM i njegovi partneri, rade upravo na savladavanju ovog seta alata i pomaganju industriji u odabiru najprikladniji skup procesa za svaku primjenu: od jeftinog raspoređivanja podataka do gotovo monolitne integracije za računarstvo vrlo visoke gustoće.

Monolitna 3D integracija i arhitekture mreža na čipu

Jedan od ključnih pristupa je monolitna 3D integracijaOva tehnika uključuje slaganje nekoliko aktivnih slojeva direktno na jednu silicijumsku pločicu, formirajući monolitnu vertikalnu strukturu umjesto više sastavljenih čipova. Ova metoda drastično smanjuje komunikacijske udaljenosti između slojeva i uveliko povećava gustinu međusobnih veza.

Ova vrsta integracije zasniva se na vrlo finoj kontroli termalni budžetBudući da se gornji slojevi obrađuju kada su donji gotovo gotovi, koriste se umjerene temperature i vrlo precizni markeri za poravnanje kako bi se osiguralo da je svaki novi sloj tačno tamo gdje treba biti.

Paralelno s tim, arhitekture Mreža na čipu (NoC) Mreže računarstva (NoC) su se pojavile kao odgovor na problem efikasnog premještanja podataka između sve većeg broja jezgara, memorija i akceleratora unutar jednog sistema. Umjesto point-to-point veza i dijeljenih magistrala, NoC implementira mrežnu mrežu sa ruterima i kanalima, što mu omogućava skaliranje na vrlo složene sisteme uz smanjenje uskih grla.

Integrisane sa TSV-ovima ili silikonskim prolazima, ove mreže su posebno relevantne u 3D rješenjima i platformama sa više čipova. Tim za dizajn stoga može optimizirati protok informacija, prilagođavajući topologiju mreže komunikacijskom obrascu njene primjene, nešto što je ključno u vještačkoj inteligenciji ili autonomnoj vožnji.

Fotonska integracija i heterogeni talasovodi

Još jedan fundamentalni aspekt heterogene integracije je uključivanje integrirana fotonika direktno u istom okruženju pakovanja ili čak na istoj pločici kao i elektronika. Takozvani heterogeni talasovodi miješaju različite materijale (npr. silicijum i III-V jedinjenja) kako bi vodili svjetlost sa malim gubicima i velikom brzinom unutar čipa.

Ovakav sistem je posebno vrijedan u središnja regija čipova vrlo visokih performansi, gdje tradicionalne električne veze počinju nailaziti na ograničenja u potrošnji energije i latenciji. Usmjeravanjem optičkog signala kroz posebno dizajnirane šupljine i putanje, interferencija se minimizira, a postiže se izuzetno brz prijenos podataka uz znatno nižu potrošnju energije.

Mogućnost kombinovanja elektronskih i optičkih blokova na jednoj platformi otvara vrata aplikacijama kao što su računarstvo visokih performansi sa internim optičkim vezama, najsavremenijim međusobnim vezama podatkovnih centara ili čak integracijom ključnih komponenti kvantnog sistema u kompaktnije čipove.

Primjene: od automobilske industrije do interneta stvari i medicine

Heterogena integracija je višesektorska tehnologija koja utiče na gotovo sve sektore: visokoperformansno računarstvo, automobilska industrija, komunikacije, obnovljiva energija, pametna poljoprivreda, zdravstvo i Internet stvari, između ostalog. Svako područje primjenjuje istu filozofiju s vrlo različitim skupom procesa i prioriteta troškova.

U visokoperformansnom računarstvu i obuci velikih AI modela, glavni cilj je maksimiziranje računarskih performansi po vatu i po jedinici površine. To se postiže kombinovanjem različitih tehnologija. GPU ili TPU sljedeće generacije sa memorijskim stekovima velike propusnosti korištenjem hibridnog vezivanja ili 3D slaganja, stvarajući izuzetno guste module.

U medicinskoj oblasti, integracija čipleta omogućava visoko prilagođene dizajne: blokovi za obradu, akvizicija analognih signala, bežična komunikacija i hardverska sigurnost mogu se kombinovati u konfiguracijama vrlo specifičnim za svaku vrstu uređaja, od monitori za pacijente uključujući zdravstvene implantate i nosive uređaje.

Napredni materijali: GaN i III-V poluprovodnici

Integracija materijala kao što su... zaslužuje posebno poglavlje. galijum nitrid (GaN) i drugi poluprovodnici III-V grupe, neophodni za primjenu u energetskom sektoru, radiofrekvencijama i visokofrekventnim komunikacijama. Ovi materijali nude vrhunske performanse pri rukovanju visokim naponima, visokim strujama ili signalima vrlo visoke frekvencije.

Integrirajući ih sa silicijumskim pločicama korištenjem silicijumskih prolaza i tehnologija hibridnog vezivanja, dizajnerski timovi mogu dobiti uređaje sa poboljšano upravljanje toplinom i manja potrošnjabez žrtvovanja kompatibilnosti s proizvodnim procesima velikih razmjera. To je već de facto standard za određene segmente energetske elektronike i naprednih RF sistema.

Ova kombinacija GaN/III-V/silicij savršeno se uklapa u logiku heterogene integracije: svaki materijal se koristi samo tamo gdje dodaje najveću vrijednost i povezan je putem infrastrukture pakiranja koja osigurava kratke putanje, nisku parazitsku induktivnost i dobru disipaciju generirane topline.

Čipleti, nosivi uređaji i nove generacije uređaja

Strategija chiplets Nije ograničeno samo na procesore velikih podatkovnih centara. Također transformira sektore poput medicinskih uređaja i lične potrošačke elektronike, gdje mogućnost kombiniranja i usklađivanja funkcionalnih blokova otvara vrata mnogo dubljoj prilagodbi.

U zdravstvenom sektoru, jedan dobavljač može ponuditi set certificiranih čipova (obrada, komunikacija, specifični senzori, hardverska enkripcija itd.) i kombinovati ih u različite pakete ovisno o konačnom uređaju: monitor vitalnih znakova, pametni flaster ili prenosivi dijagnostički uređaj. Ovo skraćuje cikluse razvoja i olakšava... Ponovna upotreba IP adrese.

u nosivi uređaji Posebno imaju koristi od heterogene integracije. Ugradnjom CMOS čipova s ​​naknadnom obradom, naprednih tehnika spajanja pločica i ultrakompaktnog pakiranja, moguće je dizajnirati pametne satove, fitness trackere ili slušalice s dužim vijekom trajanja baterije, više senzora i boljom povezivošću, bez povećanja (pa čak i smanjenja) fizičke veličine uređaja.

U ovim kontekstima, ravnoteža između performansi, potrošnje i troškova je od najveće važnosti. Nema uvijek smisla koristiti tako zahtjevne tehnike kao što je hibridno vezivanje; često se biraju alternative. integracija ventilatora ili mikroizbočinakoji zahtijevaju jeftiniju infrastrukturu, a i dalje nude više nego dovoljnu gustoću za vrstu signala i brzinu prijenosa podataka.

Nedavni napredak: CFET, FeFET i kvantna fotonika

Napredak u osnovnim uređajima također igra vitalnu ulogu u heterogenoj integraciji. Među njima se ističu sljedeći: Komplementarni FET-ovi (CFET), tehnologiju koja omogućava slaganje nMOS i pMOS tranzistora jedan na drugi, radikalno smanjujući zauzetu površinu i poboljšavajući energetsku efikasnost.

Usvajanje CFET-a u silicijumskim čipovima obećava manje i efikasnije tranzistore, održavajući efikasnu internu komunikaciju zahvaljujući izuzetno preciznom poravnanju slojeva. Ova inovacija je ključna za daljnje sažimanje logike u manje volumene, što se savršeno uklapa u koncepte 3D slaganja i naprednog pakovanja.

S druge strane, Feroelektrični FET-ovi (FeFET-ovi) Koriste feroelektrične materijale sposobne za održavanje polarizacije, što rezultira vrlo brzim, energetski neisparljivim memorijama s dobrim zadržavanjem podataka. Integracijom u centralne i aktivne regije čipova, FeFET-ovi poboljšavaju i performanse i energetsku efikasnost arhitektura koje trebaju pohranjivati ​​i preuzimati velike količine informacija s niskom latencijom.

Paralelno, integrirana kvantna fotonika Postaje vodeća primjena heterogene integracije. Obradom informacija u obliku kvantnih stanja svjetlosti, ovi sistemi zahtijevaju vrlo čvrsto integriranu kombinaciju valovoda, izvora, detektora i kontrolnih kola, što je izvodljivo samo uz blisku integraciju više materijala i procesa.

U svim ovim slučajevima, pakovanje i način na koji su elementi povezani su jednako važni kao i sami uređaji, a oslanjaju se na tehnike kao što su hibridno vezivanje, silicijumske pločice i inteligentna upotreba prolaza i markera za poravnanje.

Tehnički, materijalni i troškovni izazovi

Uprkos ogromnim prednostima, heterogena integracija podrazumijeva znatni izazoviJedan od glavnih izazova je tehnička složenost poravnavanja i povezivanja vrlo različitih komponenti u tako malom volumenu bez izazivanja defekata ili unutrašnjih mehaničkih naprezanja.

La termičko upravljanje Ovo je još jedna kritična tačka: prilikom kombinovanja blokova velike snage i velike gustine, termalni budžet postaje centralni parametar dizajna. Loša distribucija toplote ili nedovoljna disipacija mogu oštetiti osjetljive komponente ili ozbiljno smanjiti performanse, tako da se hlađenje, izbor materijala i sama arhitektura pakovanja moraju razmatrati zajedno.

Kompatibilnost između različitih materijala (silicij, III-V spojevi, GaN, specijalna stakla, organski polimeri itd.) također predstavlja izazov. Razlike u koeficijentima termičkog širenja, mehaničkim svojstvima ili hemijskoj stabilnosti mogu uzrokovati naprezanja, delaminacije ili preuranjeni kvarovi ako se njima ne upravlja pravilno tokom dizajna i procesa.

Svemu ovome se dodaje pitanje troškova i skalabilnosti. Najnaprednije tehnologije, poput hibridnog vezivanja s ultra tankim korakom, zahtijevaju skupu opremu i visoko sofisticiranu infrastrukturu, što povećava troškove proizvodnje. Glavni izazov za industriju je pronaći ravnotežu između performanse, cijena i obim proizvodnjeodabirom samo onih alata koji su zaista neophodni za svako tržište.

EDA, pouzdanost i uloga istraživačkih centara

Uspon heterogene integracije također prisiljava evoluciju alati za elektronski dizajn (EDA)Više nije dovoljno opisati jedan monolitni čip: potrebno je modelirati interpozere, slojeve preraspodjele, TSV, višestruko povezivanje, trodimenzionalne termalne efekte i elektromehaničku pouzdanost, između mnogih drugih faktora.

Istraživački centri poput Fraunhofer IZM-a pružaju ključnu vrijednost čineći ih dostupnim industriji. linijski piloti i ispitne stolove za nove tehnologije pakovanja i integracije. Pored razvoja procesa, oni provode testove pouzdanosti koji idu dalje od pukog električnog testiranja, uključujući funkcionalno ponašanje senzora, aktuatora ili RF interfejsa kako bi razumjeli razloge potencijalnih kvarova.

Historijski gledano, istraživački instituti su mogli raditi s opremom koja je dvije ili tri generacije kasnila za najsavremenijim dostignućima u industriji. Danas ih pritisak aplikacija poput umjetne inteligencije i računarstva visokih performansi prisiljava da svoje laboratorije približe nivou... čiste sobe najvišeg nivoa, sa posljedičnim povećanjem troškova i kontinuiranim ulaganjem u infrastrukturu.

Istovremeno, neki proizvođači posvećuju cijele fabrike isključivo naprednim zadacima pakovanja, prenamjenjujući čvorne objekte koji se smatraju "zastarjelim" za proizvodnju logike, ali su savršeno pogodni za proizvodnju interkonektora ili struktura za međusobno povezivanje visoke gustoće. Ovaj model se vrlo dobro uklapa u ideju maksimiziranja korištenja postojeće industrijske baze.

Utjecaj na računarstvo na rubu mreže, duboko učenje i održivost

Na tlu od edge computingHeterogena integracija omogućava postavljanje procesorskih kapaciteta vrlo blizu mjesta gdje se podaci generiraju, smanjujući potrebu za slanjem informacija u oblak i smanjujući pritisak na mreže i podatkovne centre. Kombiniranjem različitih pločica i funkcionalnih blokova dobivaju se uređaji sposobni za izvršavanje složenih zadataka na licu mjesta, uz održavanje niske potrošnje energije i malog prostora.

Aplikacije aplikacija duboko učenje Zahtijevaju čipove s visokim paralelnim računarskim kapacitetom i ogromnim memorijskim propusnim opsegom. Kombinacija računarskih čipleta sa složenim memorijama i optimiziranim NoC mrežama, zajedno s naprednim procesima povezivanja, omogućava obuku i implementaciju sve većih modela bez naglog porasta troškova i potrošnje energije na neodržive nivoe.

Održivost također igra ključnu ulogu u jednačini. Osnovna ideja heterogene integracije je postizanje maksimalnih performansi i funkcionalnosti uz najniže moguće ekonomske i ekološke troškove. Inicijative poput projekata Zelena IKT Oni proučavaju utjecaj informacionih i komunikacijskih infrastruktura na okoliš, od odabira sirovina i obrade pločica do dizajna ploča i integracije sistema.

U oblasti hardverske sigurnosti, integracija funkcija u različitim distribuiranim blokovima, sa elementima kao što su ugrađene RFID mikrooznake Prilikom obnavljanja čipova, može se poboljšati sljedivost lanca snabdijevanja i smanjiti broj pojedinačnih tačaka kvara, jačajući pouzdanost kritičnih sistema. Sve je to dio pristupa gdje performanse, sigurnost i održivost idu ruku pod ruku.

Uzimajući u obzir cijelu ovu sliku, heterogena integracija se pojavljuje kao stub koji će omogućiti mikroelektronici da nastavi da se kreće izvan granica jednostavne minijaturizacije, kombinujući vrlo raznolike tehnologije i materijale kako bi ponudila snažnije i efikasnije sisteme prilagođene stvarnim potrebama svake aplikacije.