- Η ετερογενής ολοκλήρωση συνδυάζει διαφορετικά τσιπ και υλικά σε ένα ενιαίο σύστημα, ξεπερνώντας τους περιορισμούς της κλασικής μονολιθικής προσέγγισης.
- Τεχνικές όπως η τρισδιάστατη NAND, η μονολιθική στοίβαξη, οι παρεμβολείς και η υβριδική σύνδεση επιτρέπουν αυξημένη πυκνότητα, απόδοση και ενεργειακή απόδοση.
- Βασικές εφαρμογές περιλαμβάνουν την υπολογιστική υψηλής απόδοσης, την αυτοκινητοβιομηχανία, το Διαδίκτυο των Πραγμάτων, τις ιατρικές συσκευές και την ενσωματωμένη φωτονική, τόσο την κλασική όσο και την κβαντική.
- Οι κύριες προκλήσεις είναι η θερμική διαχείριση, η συμβατότητα των υλικών και το κόστος, οι οποίες αντιμετωπίζονται μέσω νέων εργαλείων EDA και εξειδικευμένων κέντρων αριστείας.
Η ετερογενής ολοκλήρωση έχει γίνει η βασική στρατηγική της μικροηλεκτρονικής βιομηχανίας για συνεχή πρόοδο, καθώς το παραδοσιακό μοντέλο κλιμάκωσης ενός ενιαίου μονολιθικού τσιπ φτάνει στα όριά του. Αντί να κατασκευάζονται τα πάντα σε ένα μόνο πλακίδιο και σε έναν μόνο κόμβο, πολύ διαφορετικά τσιπ, υλικά και τεχνολογίες συνδυάζονται σε ένα ενιαίο σύστημα, αξιοποιώντας τα καλύτερα χαρακτηριστικά του καθενός και ελαχιστοποιώντας τις αποστάσεις μεταξύ των λειτουργικών μπλοκ.
Αυτή η μετατόπιση της εστίασης ευθυγραμμίζεται απόλυτα με τη φιλοσοφία «Περισσότερα από τον Moore» : δεν πρόκειται απλώς για την τοποθέτηση περισσότερων τρανζίστορ ανά τετραγωνικό χιλιοστό, αλλά για την κατασκευή πολύ πιο ισχυρών, εξειδικευμένων και αποδοτικών συστημάτων συνδυάζοντας οπτικά, μηχανικά, RF, μνήμης και προηγμένα λογικά στοιχεία σε ένα ενιαίο πακέτο. Από τη μνήμη flash 3D NAND με εκατοντάδες επίπεδα έως τα chiplets για κέντρα δεδομένων, ιατρικές συσκευές και φορητές συσκευές, η ετερογενής ολοκλήρωση επαναπροσδιορίζει τον τρόπο με τον οποίο σχεδιάζονται και κατασκευάζονται οι ημιαγωγοί.
Τι ακριβώς είναι η ετερογενής ολοκλήρωση;
Όταν μιλάμε για ετερογενή ολοκλήρωση, αναφερόμαστε στον συνδυασμό τσιπ και συσκευών από διαφορετικές τεχνολογικές διεργασίες και τομείς (ψηφιακό CMOS, RF, ισχύς, φωτονική, MEMS, αισθητήρες κ.λπ.) σε ένα ενιαίο σύστημα. Κάθε εξάρτημα κατασκευάζεται χρησιμοποιώντας την τεχνολογία που προσφέρει την καλύτερη απόδοση ή κόστος και στη συνέχεια διασυνδέονται πολύ κοντά στο τσιπ ή ακόμα και στοιβάζονται σε 3D.
Στην κλασική μονολιθική προσέγγιση System-on-Chip (SoC) , όλες οι λειτουργίες ενσωματώνονται στο ίδιο τσιπ πυριτίου και στην ίδια γραμμή παραγωγής. Αυτό το μοντέλο λειτούργησε πολύ καλά για κινητές και καταναλωτικές ηλεκτρονικές συσκευές, υπό την προϋπόθεση ότι όλα τα μέρη συμφώνησαν να μοιράζονται την ίδια τεχνολογία και τους ίδιους θερμικούς, τάσεις και περιορισμούς υλικών. Ωστόσο, καθώς αυξάνονται οι απαιτήσεις για υψηλότερες εξόδους ισχύος, υψηλότερες συχνότητες ή εξαιρετικά εξειδικευμένους αισθητήρες, αυτοί οι συμβιβασμοί καθίστανται απαράδεκτοι.
Με την ετερογενή ενσωμάτωση, από την άλλη πλευρά, ένας διακόπτης υψηλής συχνότητας μπορεί να κατασκευαστεί σε έναν ημιαγωγό διαφορετικό από το CMOS γενικής χρήσης , ένα μπλοκ ισχύος μπορεί να κατασκευαστεί σε GaN ή σε μια συσκευή Κλάσης III-V και ένας οπτικός αισθητήρας μπορεί να υλοποιηθεί σε μια πλατφόρμα βελτιστοποιημένη για φωτονική. Όλα αυτά ενσωματώνονται σε επίπεδο συσκευασίας ή ενδιάμεσου με διασυνδέσεις εξαιρετικά υψηλής πυκνότητας, επιτυγχάνοντας πολύ μικρές διαδρομές και χαμηλές καθυστερήσεις μεταξύ των μπλοκ.
Όταν η έννοια επεκτείνεται σε ολόκληρο το λειτουργικό σύνολο, αναφέρεται ακόμη και ως ολοκλήρωση ετεροσυστημάτων : όχι μόνο συνδέονται διαφορετικά τσιπ, αλλά ολόκληρο το σύστημα σχεδιάζεται και συσκευάζεται λαμβάνοντας υπόψη την ισχύ, την ψύξη, τις επικοινωνίες, την ασφάλεια και την αξιοπιστία από την αρχή.
Από το «Περισσότερος Μουρ» στο «Περισσότερος από Μουρ»
Από το 1965, η βιομηχανία καθοδηγείται από τον διάσημο εμπειρικό κανόνα του Gordon Moore, σύμφωνα με τον οποίο ο αριθμός των τρανζίστορ σε ένα τσιπ διπλασιάζεται περίπου κάθε δύο χρόνια . Για δεκαετίες αυτό ισχύει χάρη στη συνεχή σμίκρυνση της λιθογραφίας, σε κόμβους της τάξης των 5 nm ή λιγότερο.
Ωστόσο, καθώς πλησιάζουμε τα φυσικά και οικονομικά όρια της σμίκρυνσης, η απλή μείωση του μεγέθους των τρανζίστορ δεν είναι πλέον αρκετή. Σήμερα, συνυπάρχουν τρεις σημαντικές τεχνολογικές τάσεις: η συνέχιση της εργοστασιακής κλιμάκωσης ( «Περισσότερος Moore» ), η έκρηξη νέων προηγμένων συσκευασιών και ετερογενούς ολοκλήρωσης ( «Περισσότερος από τον Moore» ) και η εμφάνιση ριζικά διαφορετικών αρχιτεκτονικών όπως η νευρομορφική υπολογιστική και η κβαντική υπολογιστική.
Στον τομέα της αποθήκευσης, η τρισδιάστατη μνήμη NAND αποτελεί μια πρώιμη επίδειξη του τρόπου αξιοποίησης της τρίτης διάστασης. Οι κατασκευαστές έχουν μεταβεί από την επίπεδη NAND σε συσκευές που στοιβάζονται κάθετα σε στρώσεις περίπου 200, πολλαπλασιάζοντας την πυκνότητα χωρίς να βασίζονται αποκλειστικά στη μείωση του μεγέθους κάθε κελιού.
Στη λογική υψηλής απόδοσης, η επικρατούσα στρατηγική είναι η διάσπαση μεγάλων μήτρων σε εξειδικευμένα τσιπ , η κατασκευή καθενός από αυτά στον καταλληλότερο κόμβο και η επανασυναρμολόγηση του συστήματος χρησιμοποιώντας προηγμένη διασύνδεση: επίπεδα αναδιανομής 2D, ενδιάμεσους 2.5D, τρισδιάστατη στοίβαξη με TSV ή υβριδική σύνδεση, ανάλογα με την εφαρμογή. Αυτό επιτρέπει την αρθρωτή κατασκευή, βελτιωμένες αποδόσεις κατασκευής και μικρότερο χρόνο κυκλοφορίας στην αγορά.
Η ετερογενής ολοκλήρωση είναι, ουσιαστικά, ο πρακτικός τρόπος για να γίνει πραγματικότητα το "Περισσότερο από τον Moore" , μεγιστοποιώντας τη λειτουργική πυκνότητα και την εγγύτητα μεταξύ των τσιπ χωρίς να αναγκάζονται όλοι να χρησιμοποιούν τον ίδιο κόμβο ή την ίδια τεχνολογία.
3D NAND και οι προκλήσεις της κάθετης κατασκευής
Η πορεία προς την τρισδιάστατη ενσωμάτωση άρχισε να διαμορφώνεται με την εξέλιξη της μνήμης NAND flash . Χάρη στη λιθογραφία εμβάπτισης 193 nm και στις τεχνικές πολλαπλών σχηματοποιήσεων, οι κατασκευαστές μπόρεσαν να μειώσουν το μέγεθος της επίπεδης NAND στο εύρος κόμβων 1x nm, που σημαίνει εξαιρετικά μικρές διαστάσεις για ένα δισδιάστατο σχέδιο.
Στην κλασική επίπεδη μνήμη flash NAND, δημιουργούνται οριζόντιες λωρίδες πολυπυριτίου που λειτουργούν ως γραμμές κειμένου και συνδέουν τις πύλες ελέγχου κάθε κελιού μνήμης. Το πρόβλημα συμφόρησης προέκυψε όταν το κρίσιμο στοιχείο, η πλωτή πύλη, σταμάτησε να κλιμακώνεται σωστά: ο λόγος χωρητικής σύζευξης μεταξύ της πλωτής πύλης και της πύλης ελέγχου επιδεινώθηκε, θέτοντας σε κίνδυνο την αξιόπιστη λειτουργία του κελιού.
Αντιμέτωπες με αυτόν τον περιορισμό, εταιρείες όπως η Samsung αποφάσισαν να αλλάξουν ριζικά την προσέγγισή τους και να επενδύσουν στην 3D NAND . Το 2013, παρουσίασαν την πρώτη τους εμπορική V-NAND, ένα τσιπ 128 Gbit με 24 κάθετες στρώσεις και περίπου 2,5 εκατομμύρια κανάλια. Αργότερα, εισήγαγαν εκδόσεις 32 στρώσεων, ακόμη και SSD που βασίζονται σε αυτές τις αρχιτεκτονικές . Άλλοι παίκτες όπως η Micron, η SK Hynix και η Toshiba ακολούθησαν το παράδειγμά τους.
Στην τρισδιάστατη μνήμη flash NAND, οι παραδοσιακές επίπεδες λωρίδες πολυπυριτίου τεντώνονται, κάμπτονται και προσανατολίζονται κατακόρυφα. Η ιδέα της πλωτής πύλης αντικαθίσταται από τεχνολογίες παγίδευσης φορτίου που βασίζονται σε μεμβράνες νιτριδίου του πυριτίου, όπου το φορτίο αποθηκεύεται σε αντίθετες περιοχές της ίδιας δομής. Το αποτέλεσμα είναι μια σύνθετη στοίβα υλικών και στρώσεων που πρέπει να κατασκευαστούν με εξαιρετικά αυστηρές ανοχές.
Η Samsung ονόμασε την τεχνολογία 3D Terabit Cell Array Transistor (TCAT) , μια αρχιτεκτονική πύλης σε όλο το μήκος της, στην οποία η πύλη περιβάλλει πλήρως το κανάλι. Αυτός ο σχεδιασμός υλοποιείται με μια διαδικασία 30-40 nm και ροή πύλης-τελευταίου, περιπλέκοντας περαιτέρω τη διαδικασία κατασκευής.
Η διαδικασία TCAT ξεκινά με ένα υπόστρωμα CMOS πάνω στο οποίο εναποτίθενται εναλλάξ στρώματα νιτριδίου του πυριτίου και διοξειδίου του πυριτίου. Αυτή η στοίβαξη, η οποία μοιάζει με ένα είδος «κέικ στρώσεων », αντιπροσωπεύει την πρώτη σημαντική πρόκληση: την εναλλασσόμενη εναπόθεση της στοίβας. Χρησιμοποιώντας CVD (Χημική Εναπόθεση Ατμών), εναποτίθενται πολύ λεπτά φύλλα, απαιτώντας υψηλή ομοιομορφία και πολύ χαμηλά επίπεδα ελαττωμάτων, κάτι που γίνεται ακόμη πιο περίπλοκο καθώς ο στόχος είναι να ξεπεραστούν τα 32 στρώματα.
Ο αριθμός των στρώσεων σε αυτήν την αρχική στοίβα θα καθορίσει τον τελικό αριθμό επιπέδων μνήμης στη συσκευή. Στη συνέχεια, προστίθεται μια σκληρή μάσκα σε αυτήν τη δομή και ανοίγονται οπές χρησιμοποιώντας φωτολιθογραφία. Στη συνέχεια, ακολουθεί ένα άλλο κρίσιμο στάδιο: η χάραξη τάφρων με εξαιρετικά υψηλές αναλογίες διαστάσεων από την κορυφή προς τα κάτω προς το υπόστρωμα. Αυτές οι αναλογίες διαστάσεων είναι έως και δέκα φορές μεγαλύτερες από ό,τι στην επίπεδη τεχνολογία, απαιτώντας ακραίο έλεγχο της διαδικασίας χάραξης.
Μετά τη χάραξη, τα τοιχώματα της οπής επενδύονται με πολυπυρίτιο για να σχηματίσουν το κανάλι, και ο κεντρικός χώρος γεμίζεται με διοξείδιο του πυριτίου, δημιουργώντας το λεγόμενο « κανάλι μακαρονιών ». Στη συνέχεια, ορίζονται εσωτερικές στήλες χρησιμοποιώντας διαδικασίες χάραξης σχισμών και τα αρχικά εναλλασσόμενα στρώματα νιτριδίου και οξειδίου αφαιρούνται, έτσι ώστε η τελική δομή να μοιάζει με έναν στενό, πτερυγωτό πύργο.
Για να λειτουργήσει το σύστημα, είναι απαραίτητο να συνδεθεί η περιφερειακή λογική με τις πύλες ελέγχου κάθε επιπέδου μνήμης. Αυτό απαιτεί ένα επιπλέον, εξαιρετικά πολύπλοκο βήμα: την χάραξη κλιμακοστάσιου , η οποία δημιουργεί ένα είδος κλιμακοστάσιου στη μία πλευρά της συσκευής για ηλεκτρική πρόσβαση στα διαφορετικά επίπεδα. Αυτό το σύνολο τεχνικών καταδεικνύει την εγγενή πολυπλοκότητα της προηγμένης κάθετης ολοκλήρωσης, προαναγγέλλοντας τις προκλήσεις που θέτει η ετερογενής ολοκλήρωση σε άλλους τομείς.
Τεχνολογικά κλειδιά για την ετερογενή ολοκλήρωση
Για να υλοποιήσει αυτά τα πολύπλοκα συστήματα, η βιομηχανία αξιοποιεί ένα ευρύ φάσμα τεχνολογικών εργαλείων : από υβριδική σύνδεση έως αρχιτεκτονικές δικτύου ενσωματωμένες στο τσιπ, συμπεριλαμβανομένων οργανικών και γυάλινων παρεμβολέων. Η επιλογή του ενός ή του άλλου εξαρτάται από την περίπτωση χρήσης, τις απαιτήσεις κόστους και την επιθυμητή απόδοση.
Στο πιο βασικό επίπεδο (μερικές φορές ονομάζεται επίπεδο 0), βρίσκουμε το μεμονωμένο τσιπ . Στο επίπεδο 1, τα τσιπ ενσωματώνονται σε μια πλακέτα ή στοιβάζονται το ένα πάνω στο άλλο χρησιμοποιώντας TSV, μικροεξογκώματα ή άμεση συγκόλληση. Το επίπεδο 2 αντιστοιχεί συνήθως σε ένα στρώμα ολοκλήρωσης που βασίζεται σε οργανικά ή γυάλινα ενδιάμεσα με συνδέσεις με το υπόλοιπο σύστημα. Το επίπεδο 3 καταλαμβάνεται από το ίδιο το υπόστρωμα ως φορέα του συστήματος, το οποίο μπορεί να προσθέσει ακόμη περισσότερη λειτουργικότητα.
Κέντρα αριστείας στην ετερογενή ολοκλήρωση, όπως το Fraunhofer IZM και οι συνεργάτες του, εργάζονται ακριβώς για να κατακτήσουν αυτήν την εργαλειοθήκη και να βοηθήσουν τον κλάδο να επιλέξει το καταλληλότερο σύνολο διαδικασιών για κάθε εφαρμογή: από χαμηλού κόστους συσκευασία fan-out έως σχεδόν μονολιθική ολοκλήρωση για υπολογισμούς πολύ υψηλής πυκνότητας.
Μονολιθική τρισδιάστατη ενσωμάτωση και αρχιτεκτονικές δικτύου σε τσιπ
Μία από τις βασικές προσεγγίσεις είναι η μονολιθική τρισδιάστατη ενσωμάτωση , η οποία περιλαμβάνει την τοποθέτηση αρκετών ενεργών στρωμάτων απευθείας σε ένα μόνο πλακίδιο πυριτίου, σχηματίζοντας μια μονολιθική κάθετη δομή αντί για πολλαπλά συναρμολογημένα τσιπ. Αυτή η τεχνική μειώνει δραστικά τις αποστάσεις επικοινωνίας μεταξύ των στρωμάτων και αυξάνει σημαντικά την πυκνότητα διασύνδεσης.
Αυτός ο τύπος ενσωμάτωσης βασίζεται στον πολύ ακριβή έλεγχο του θερμικού ισοζυγίου , καθώς τα ανώτερα στρώματα υποβάλλονται σε επεξεργασία μόνο αφού τα κατώτερα στρώματα έχουν σχεδόν ολοκληρωθεί. Επομένως, χρησιμοποιούνται μέτριες θερμοκρασίες, μαζί με δείκτες ευθυγράμμισης υψηλής ακρίβειας, για να διασφαλιστεί ότι κάθε νέο στρώμα τοποθετείται ακριβώς εκεί που πρέπει να βρίσκεται.
Παράλληλα, οι αρχιτεκτονικές Network-on-Chip (NoC) έχουν αναδυθεί ως απάντηση στο πρόβλημα του τρόπου αποτελεσματικής μεταφοράς δεδομένων μεταξύ ενός αυξανόμενου αριθμού πυρήνων, μνημών και επιταχυντών μέσα σε ένα μόνο σύστημα. Αντί για συνδέσεις από σημείο σε σημείο και κοινόχρηστους διαύλους, ένα NoC εφαρμόζει ένα δίκτυο πλέγματος με δρομολογητές και κανάλια, το οποίο επιτρέπει την κλιμάκωση σε πολύ σύνθετα συστήματα μειώνοντας τα σημεία συμφόρησης.
Ενσωματωμένα με TSV ή θύρες πυριτίου, αυτά τα δίκτυα είναι ιδιαίτερα σημαντικά σε τρισδιάστατες λύσεις και πλατφόρμες με πολλαπλά chiplets. Μια ομάδα σχεδιασμού μπορεί έτσι να βελτιστοποιήσει τη ροή πληροφοριών , προσαρμόζοντας την τοπολογία του δικτύου στο πρότυπο επικοινωνίας της εφαρμογής της, κάτι που είναι κρίσιμο στην τεχνητή νοημοσύνη ή την αυτόνομη οδήγηση.
Φωτονική ολοκλήρωση και ετερογενείς κυματοδηγοί
Μια άλλη βασική πτυχή της ετερογενούς ολοκλήρωσης είναι η ενσωμάτωση ολοκληρωμένων φωτονικών απευθείας στο ίδιο περιβάλλον συσκευασίας ή ακόμα και στο ίδιο πλακίδιο με τα ηλεκτρονικά. Οι λεγόμενοι ετερογενείς κυματοδηγοί αναμειγνύουν διαφορετικά υλικά (π.χ. πυρίτιο και ενώσεις III-V) για να καθοδηγήσουν το φως με χαμηλές απώλειες και υψηλή ταχύτητα μέσα σε ένα τσιπ.
Αυτός ο τύπος συστήματος είναι ιδιαίτερα πολύτιμος στην κεντρική περιοχή των τσιπ πολύ υψηλής απόδοσης, όπου οι παραδοσιακές ηλεκτρικές συνδέσεις αρχίζουν να αντιμετωπίζουν περιορισμούς στην κατανάλωση ενέργειας και την καθυστέρηση. Κατευθύνοντας το οπτικό σήμα μέσω ειδικά σχεδιασμένων κοιλοτήτων και διαδρομών, ελαχιστοποιούνται οι παρεμβολές και επιτυγχάνεται εξαιρετικά γρήγορη μετάδοση δεδομένων με σημαντικά χαμηλότερη κατανάλωση ενέργειας.
Η δυνατότητα συνδυασμού ηλεκτρονικών και οπτικών μπλοκ σε μία ενιαία πλατφόρμα ανοίγει την πόρτα σε εφαρμογές όπως η υπολογιστική υψηλής απόδοσης με εσωτερικές οπτικές συνδέσεις, οι διασυνδέσεις κέντρων δεδομένων επόμενης γενιάς ή ακόμα και η ενσωμάτωση βασικών στοιχείων κβαντικού συστήματος σε πιο συμπαγή τσιπ.
Εφαρμογές: από την αυτοκινητοβιομηχανία έως το IoT και την ιατρική
Η ετερογενής ολοκλήρωση είναι μια τεχνολογία που διαπερνά σχεδόν κάθε τομέα: την υπολογιστική υψηλών επιδόσεων, την αυτοκινητοβιομηχανία, τις επικοινωνίες, τις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας, την έξυπνη γεωργία, την υγειονομική περίθαλψη και το Διαδίκτυο των Πραγμάτων, μεταξύ άλλων. Κάθε τομέας εφαρμόζει την ίδια φιλοσοφία, αλλά με ένα πολύ διαφορετικό σύνολο διαδικασιών και προτεραιοτήτων κόστους.
Στην υπολογιστική υψηλής απόδοσης και στην εκπαίδευση μεγάλων μοντέλων τεχνητής νοημοσύνης, ο πρωταρχικός στόχος είναι η μεγιστοποίηση της υπολογιστικής απόδοσης ανά watt και ανά μονάδα επιφάνειας. Αυτό επιτυγχάνεται συνδυάζοντας υπερσύγχρονες GPU ή TPU με στοίβες μνήμης υψηλού εύρους ζώνης χρησιμοποιώντας υβριδική σύνδεση ή τρισδιάστατη στοίβαξη, δημιουργώντας εξαιρετικά πυκνές ενότητες.
Στον ιατρικό τομέα, η ενσωμάτωση chiplets επιτρέπει ιδιαίτερα προσαρμοσμένα σχέδια: τα μπλοκ επεξεργασίας, η λήψη αναλογικού σήματος, οι ασύρματες επικοινωνίες και η ασφάλεια υλικού μπορούν να συνδυαστούν σε πολύ συγκεκριμένες διαμορφώσεις για κάθε τύπο συσκευής, από οθόνες ασθενών έως εμφυτεύματα και φορητές συσκευές υγείας.
Προηγμένα υλικά: GaN και ημιαγωγοί III-V
Η ενσωμάτωση υλικών όπως το νιτρίδιο του γαλλίου (GaN) και άλλων ημιαγωγών ομάδας III-V, θεμελιώδους σημασίας για εφαρμογές ισχύος, ραδιοσυχνοτήτων και επικοινωνιών υψηλής συχνότητας, αξίζει ιδιαίτερης μνείας. Αυτά τα υλικά προσφέρουν ανώτερη απόδοση κατά τον χειρισμό υψηλών τάσεων, έντονων ρευμάτων ή σημάτων πολύ υψηλής συχνότητας.
Ενσωματώνοντάς τα με πλακίδια πυριτίου χρησιμοποιώντας οπές πυριτίου και τεχνολογίες υβριδικής σύνδεσης, οι ομάδες σχεδιασμού μπορούν να αποκτήσουν συσκευές με βελτιωμένη θερμική διαχείριση και χαμηλότερη κατανάλωση ενέργειας , χωρίς να θυσιάζεται η συμβατότητα με διαδικασίες παραγωγής μεγάλης κλίμακας. Αυτό έχει ήδη γίνει ένα de facto πρότυπο για ορισμένα τμήματα ηλεκτρονικής ισχύος και προηγμένων συστημάτων RF.
Αυτός ο συνδυασμός GaN/III-V/πυριτίου ταιριάζει απόλυτα στη λογική της ετερογενούς ολοκλήρωσης: κάθε υλικό χρησιμοποιείται μόνο όπου προσθέτει τη μεγαλύτερη αξία και συνδέεται μέσω μιας υποδομής συσκευασίας που εξασφαλίζει σύντομες διαδρομές, χαμηλή παρασιτική επαγωγή και καλή απαγωγή της παραγόμενης θερμότητας.
Τσιπλέτες, φορητές συσκευές και νέες γενιές συσκευών
Η στρατηγική για τα chiplet δεν περιορίζεται σε μεγάλους επεξεργαστές κέντρων δεδομένων. Μεταμορφώνει επίσης τομείς όπως οι ιατρικές συσκευές και τα προσωπικά ηλεκτρονικά είδη ευρείας κατανάλωσης, όπου η δυνατότητα συνδυασμού λειτουργικών μπλοκ ανοίγει την πόρτα σε πολύ βαθύτερη προσαρμογή.
Στον τομέα της υγειονομικής περίθαλψης, ένας μόνο προμηθευτής μπορεί να προσφέρει ένα σύνολο πιστοποιημένων τσιπλέτων (επεξεργασία, επικοινωνίες, συγκεκριμένοι αισθητήρες, κρυπτογράφηση υλικού κ.λπ.) και να τα συνδυάσει σε διαφορετικά πακέτα ανάλογα με την τελική συσκευή: μια οθόνη ζωτικών σημείων, μια έξυπνη ενημέρωση κώδικα ή μια φορητή διαγνωστική συσκευή. Αυτό συντομεύει τους κύκλους ανάπτυξης και διευκολύνει την επαναχρησιμοποίηση IP.
Οι φορητές συσκευές επωφελούνται ιδιαίτερα από την ετερογενή ενσωμάτωση. Με την ενσωμάτωση τσιπ CMOS που έχουν υποστεί επεξεργασία μετά την επεξεργασία, προηγμένες τεχνικές συγκόλλησης wafer και εξαιρετικά συμπαγή συσκευασία, είναι δυνατό να σχεδιαστούν έξυπνα ρολόγια, συσκευές παρακολούθησης φυσικής κατάστασης ή ακουστικά με μεγαλύτερη διάρκεια ζωής μπαταρίας, περισσότερους αισθητήρες και καλύτερη συνδεσιμότητα, χωρίς να αυξηθεί (και μάλιστα να μειωθεί) το φυσικό μέγεθος της συσκευής.
Σε αυτά τα πλαίσια, η ισορροπία μεταξύ απόδοσης, κατανάλωσης ενέργειας και κόστους είναι ύψιστης σημασίας. Δεν έχει πάντα νόημα η χρήση απαιτητικών τεχνικών όπως η υβριδική σύνδεση. Συχνά προτιμάται η ενσωμάτωση fan-out ή microbump , καθώς απαιτούν λιγότερο δαπανηρή υποδομή και εξακολουθούν να προσφέρουν υπεραρκετή πυκνότητα για τον τύπο σήματος και τον ρυθμό δεδομένων που διαχειρίζεται.
Πρόσφατες εξελίξεις: CFET, FeFET και κβαντική φωτονική
Οι εξελίξεις στις βασικές συσκευές παίζουν επίσης ζωτικό ρόλο στην ετερογενή ολοκλήρωση. Μεταξύ αυτών, ξεχωρίζουν τα Συμπληρωματικά FET (CFET) , μια τεχνολογία που επιτρέπει την τοποθέτηση τρανζίστορ nMOS και pMOS το ένα πάνω στο άλλο, μειώνοντας ριζικά το αποτύπωμα και βελτιώνοντας την ενεργειακή απόδοση.
Η υιοθέτηση του CFET σε τσιπ πυριτίου υπόσχεται μικρότερα, πιο αποδοτικά τρανζίστορ, διατηρώντας αποτελεσματική εσωτερική επικοινωνία χάρη στην εξαιρετικά ακριβή ευθυγράμμιση των στρωμάτων. Αυτή η καινοτομία είναι το κλειδί για την περαιτέρω συμπίεση της λογικής σε μικρότερους όγκους, κάτι που ταιριάζει απόλυτα με τις έννοιες της τρισδιάστατης στοίβαξης και της προηγμένης συσκευασίας.
Από την άλλη πλευρά, τα σιδηροηλεκτρικά FET (FeFET) χρησιμοποιούν σιδηροηλεκτρικά υλικά ικανά να διατηρούν την πόλωσή τους, με αποτέλεσμα πολύ γρήγορες, χαμηλής ισχύος, μη πτητικές μνήμες με καλή διατήρηση δεδομένων. Ενσωματώνοντάς τες στις κεντρικές και ενεργές περιοχές των τσιπ, τα FeFET βελτιώνουν τόσο την απόδοση όσο και την ενεργειακή απόδοση των αρχιτεκτονικών που πρέπει να αποθηκεύουν και να ανακτούν μεγάλες ποσότητες πληροφοριών με χαμηλή καθυστέρηση.
Παράλληλα, η ολοκληρωμένη κβαντική φωτονική καθιερώνεται ως κορυφαία εφαρμογή ετερογενούς ολοκλήρωσης. Επεξεργαζόμενη πληροφορίες με τη μορφή κβαντικών καταστάσεων φωτός, αυτά τα συστήματα απαιτούν έναν στενά ενσωματωμένο συνδυασμό κυματοδηγών, πηγών, ανιχνευτών και κυκλωμάτων ελέγχου, κάτι που είναι εφικτό μόνο με τη στενή ενσωμάτωση πολλαπλών υλικών και διεργασιών.
Σε όλες αυτές τις περιπτώσεις, η συσκευασία και ο τρόπος με τον οποίο συνδέονται τα στοιχεία είναι εξίσου σημαντικά με τις ίδιες τις συσκευές και βασίζονται σε τεχνικές όπως η υβριδική σύνδεση, οι πλακέτες πυριτίου και η έξυπνη χρήση διαβάσεων και δεικτών ευθυγράμμισης.
Τεχνικές, υλικές και οικονομικές προκλήσεις
Παρά τα τεράστια πλεονεκτήματά της, η ετερογενής ενσωμάτωση παρουσιάζει σημαντικές προκλήσεις . Μία από τις κυριότερες είναι η τεχνική πολυπλοκότητα της ευθυγράμμισης και σύνδεσης πολύ διαφορετικών εξαρτημάτων σε τόσο μικρό όγκο χωρίς να προκαλούνται ελαττώματα ή εσωτερικές μηχανικές καταπονήσεις.
Η θερμική διαχείριση είναι ένα άλλο κρίσιμο σημείο: όταν συνδυάζονται μπλοκ υψηλής ισχύος και πυκνότητας, ο θερμικός προϋπολογισμός γίνεται κεντρική παράμετρος σχεδιασμού. Η κακή κατανομή θερμότητας ή η ανεπαρκής απαγωγή θερμότητας μπορεί να προκαλέσει ζημιά σε ευαίσθητα εξαρτήματα ή να υποβαθμίσει σοβαρά την απόδοση, επομένως η ψύξη, η επιλογή υλικού και η ίδια η αρχιτεκτονική του πακέτου πρέπει να λαμβάνονται υπόψη από κοινού.
Η συμβατότητα μεταξύ διαφορετικών υλικών (πυρίτιο, ενώσεις III-V, GaN, ειδικά γυαλιά, οργανικά πολυμερή κ.λπ.) αποτελεί επίσης μια πρόκληση. Οι διαφορές στους συντελεστές θερμικής διαστολής, στις μηχανικές ιδιότητες ή στη χημική σταθερότητα μπορούν να οδηγήσουν σε τάσεις, αποκόλληση ή πρόωρη αστοχία, εάν δεν αντιμετωπιστούν σωστά κατά τον σχεδιασμό και την κατασκευή.
Σε όλα αυτά προστίθεται το ζήτημα του κόστους και της επεκτασιμότητας. Οι πιο προηγμένες τεχνολογίες, όπως η συγκόλληση εξαιρετικά λεπτής υβριδικής ρητίνης, απαιτούν ακριβό εξοπλισμό και εξαιρετικά εξελιγμένη υποδομή, γεγονός που αυξάνει το κόστος παραγωγής. Η κύρια πρόκληση για τον κλάδο είναι η εύρεση της ισορροπίας μεταξύ απόδοσης, κόστους και όγκου παραγωγής , επιλέγοντας μόνο τα εργαλεία που είναι πραγματικά απαραίτητα για κάθε αγορά.
Ηλεκτρονική ελεγκτική μονάδα (EDA), αξιοπιστία και ο ρόλος των ερευνητικών κέντρων
Η άνοδος της ετερογενούς ολοκλήρωσης αναγκάζει επίσης τα ηλεκτρονικά εργαλεία σχεδιασμού (EDA) να εξελιχθούν . Δεν αρκεί πλέον να περιγράψουμε ένα μόνο μονολιθικό τσιπ: είναι πλέον απαραίτητο να μοντελοποιήσουμε τους ενδιάμεσους παράγοντες, τα στρώματα ανακατανομής, το TSV, την πολλαπλή σύνδεση, τις τρισδιάστατες θερμικές επιδράσεις και την ηλεκτρομηχανική αξιοπιστία, μεταξύ πολλών άλλων παραγόντων.
Ερευνητικά κέντρα όπως το Fraunhofer IZM παρέχουν βασική αξία, καθιστώντας διαθέσιμες στη βιομηχανία γραμμές παραγωγής και πάγκους δοκιμών για νέες τεχνολογίες συσκευασίας και ενσωμάτωσης. Εκτός από την ανάπτυξη διαδικασιών, διεξάγουν δοκιμές αξιοπιστίας που ξεπερνούν τις απλές ηλεκτρικές δοκιμές, ενσωματώνοντας τη λειτουργική συμπεριφορά αισθητήρων, ενεργοποιητών και διεπαφών RF για την κατανόηση των αιτιών πιθανών βλαβών.
Ιστορικά, τα ερευνητικά ιδρύματα μπορούσαν να εργάζονται με εξοπλισμό δύο ή τρεις γενιές πίσω από την τρέχουσα τεχνολογία στη βιομηχανία. Σήμερα, η πίεση από εφαρμογές όπως η Τεχνητή Νοημοσύνη και η υπολογιστική υψηλών επιδόσεων τα αναγκάζει να φέρουν τα εργαστήριά τους πιο κοντά στο επίπεδο των κορυφαίων καθαρών χώρων , με επακόλουθη αύξηση του κόστους και συνεχείς επενδύσεις σε υποδομές.
Ταυτόχρονα, ορισμένοι κατασκευαστές αφιερώνουν ολόκληρα εργοστάσια αποκλειστικά σε προηγμένες εργασίες συσκευασίας, επαναχρησιμοποιώντας εγκαταστάσεις κόμβων που θεωρούνται «ξεπερασμένες» για την κατασκευή λογικής, αλλά απόλυτα κατάλληλες για την παραγωγή ενδιάμεσων ή δομών διασύνδεσης υψηλής πυκνότητας. Αυτό το μοντέλο ταιριάζει πολύ καλά με την ιδέα της μεγιστοποίησης της χρήσης της υπάρχουσας βιομηχανικής βάσης.
Επιπτώσεις στην υπολογιστική αιχμής, τη βαθιά μάθηση και τη βιωσιμότητα
Στον τομέα της υπολογιστικής αιχμής , η ετερογενής ενσωμάτωση επιτρέπει την τοποθέτηση της χωρητικότητας επεξεργασίας πολύ κοντά στο σημείο παραγωγής των δεδομένων, μειώνοντας την ανάγκη αποστολής πληροφοριών στο cloud και μετριάζοντας την πίεση στα δίκτυα και τα κέντρα δεδομένων. Συνδυάζοντας διαφορετικά πλακίδια και λειτουργικά μπλοκ, επιτυγχάνονται συσκευές ικανές να εκτελούν πολύπλοκες εργασίες επί τόπου, διατηρώντας παράλληλα χαμηλή κατανάλωση ενέργειας και μικρό αποτύπωμα.
Οι εφαρμογές βαθιάς μάθησης απαιτούν τσιπ με υψηλή παράλληλη υπολογιστική χωρητικότητα και τεράστιο εύρος ζώνης μνήμης. Ο συνδυασμός υπολογιστικών τσιπλέτων με στοιβαγμένες μνήμες και βελτιστοποιημένα δίκτυα NoC, μαζί με προηγμένες διαδικασίες σύνδεσης, καθιστά δυνατή την εκπαίδευση και την ανάπτυξη ολοένα και μεγαλύτερων μοντέλων χωρίς το κόστος και η κατανάλωση ενέργειας να εκτοξεύονται σε μη βιώσιμα επίπεδα.
Η βιωσιμότητα αποτελεί επίσης βασικό μέρος της εξίσωσης. Η βασική ιδέα της ετερογενούς ολοκλήρωσης είναι η επίτευξη μέγιστης απόδοσης και λειτουργικότητας με το χαμηλότερο δυνατό οικονομικό και περιβαλλοντικό κόστος. Πρωτοβουλίες όπως τα έργα Green ICT μελετούν το περιβαλλοντικό αποτύπωμα των υποδομών πληροφοριών και επικοινωνιών, από την επιλογή πρώτων υλών και την επεξεργασία πλακιδίων έως τον σχεδιασμό πλακετών και την ολοκλήρωση συστημάτων.
Στον τομέα της ασφάλειας υλικού, η ενσωμάτωση λειτουργιών σε διάφορα κατανεμημένα μπλοκ, με στοιχεία όπως οι μικροετικέτες RFID ενσωματωμένες σε ανακαινισμένα τσιπ, μπορεί να βελτιώσει την ιχνηλασιμότητα της αλυσίδας εφοδιασμού και να μειώσει τα μεμονωμένα σημεία βλάβης, ενισχύοντας έτσι την αξιοπιστία των κρίσιμων συστημάτων. Όλα αυτά αποτελούν μέρος μιας προσέγγισης όπου η απόδοση, η ασφάλεια και η βιωσιμότητα συμβαδίζουν.
Λαμβάνοντας υπόψη όλη αυτή την εικόνα, η ετερογενής ολοκλήρωση αναδεικνύεται ως ο πυλώνας που θα επιτρέψει στη μικροηλεκτρονική να συνεχίσει να κινείται πέρα από τα όρια της απλής σμίκρυνσης, συνδυάζοντας πολύ διαφορετικές τεχνολογίες και υλικά για να προσφέρει πιο ισχυρά και αποτελεσματικά συστήματα προσαρμοσμένα στις πραγματικές ανάγκες κάθε εφαρμογής.
