- Гетерогенная интеграция объединяет различные микросхемы и материалы в единую систему, преодолевая ограничения классического монолитного подхода.
- Такие технологии, как 3D NAND, монолитная многослойная компоновка, межсоединительные элементы и гибридное соединение, позволяют повысить плотность, производительность и энергоэффективность.
- Ключевые области применения включают высокопроизводительные вычисления, автомобильную промышленность, Интернет вещей, медицинские устройства и встроенную фотонику, как классическую, так и квантовую.
- Основные проблемы, с которыми приходится сталкиваться, — это управление тепловыми процессами, совместимость материалов и стоимость, которые решаются с помощью новых инструментов EDA и специализированных центров передового опыта.
Гетерогенная интеграция стала ключевой стратегией микроэлектронной промышленности для дальнейшего прогресса, поскольку традиционная модель масштабирования единого монолитного чипа достигает своих пределов. Вместо производства всего на одной пластине и по одному технологическому процессу, совершенно разные чипы, материалы и технологии объединяются в рамках одной системы, используя лучшие качества каждого из них и минимизируя расстояния между функциональными блоками.
Этот сдвиг в приоритетах идеально соответствует философии «Больше, чем Мур» : речь идёт не просто о размещении большего количества транзисторов на квадратный миллиметр, а о создании гораздо более мощных, специализированных и эффективных систем за счёт объединения оптических, механических, радиочастотных, запоминающих и передовых логических компонентов в одном корпусе. От 3D NAND флэш-памяти с сотнями слоёв до чиплетов для центров обработки данных, медицинских устройств и носимых гаджетов, гетерогенная интеграция меняет подход к проектированию и производству полупроводников.
Что именно представляет собой гетерогенная интеграция?
Когда мы говорим о гетерогенной интеграции, мы имеем в виду объединение микросхем и устройств, созданных с использованием различных технологических процессов и в разных областях (цифровая КМОП-технология, радиочастотная техника, силовые технологии, фотоника, МЭМС, датчики и т. д.), в единой системе. Каждый компонент изготавливается с использованием технологии, обеспечивающей наилучшие характеристики или стоимость, а затем они соединяются в непосредственной близости от микросхемы или даже располагаются в трехмерном массиве.
В классическом монолитном подходе «система на кристалле» (SoC) все функции интегрированы на одном кремниевом чипе и на одной технологической линии. Эта модель хорошо зарекомендовала себя в мобильной и бытовой электронике при условии, что все стороны договорились использовать одну и ту же технологию и соблюдать одинаковые ограничения по тепловым характеристикам, напряжению и материалам. Однако по мере роста требований к большей выходной мощности, более высоким частотам или высокоспециализированным датчикам эти компромиссы становятся неприемлемыми.
С другой стороны, при гетерогенной интеграции высокочастотный переключатель может быть изготовлен на полупроводниковом материале, отличном от КМОП-технологии общего назначения , силовой блок может быть построен на GaN или устройстве класса III-V, а оптический датчик может быть реализован на платформе, оптимизированной для фотоники. Все эти компоненты интегрируются на уровне корпуса или межсоединительной платы с чрезвычайно высокой плотностью межсоединений, что обеспечивает очень короткие пути и низкую задержку между блоками.
Когда это понятие распространяется на весь функциональный набор, его даже называют гетеросистемной интеграцией : не только соединяются различные микросхемы, но и вся система проектируется и упаковывается с учетом энергопотребления, охлаждения, связи, безопасности и надежности с самого начала.
От «More Moore» к «More than Moore»
С 1965 года в отрасли действует знаменитое эмпирическое правило Гордона Мура, согласно которому количество транзисторов на чипе примерно удваивается каждые два года . На протяжении десятилетий это правило оставалось верным благодаря постоянной миниатюризации литографии, вплоть до технологических узлов порядка 5 нм или меньше.
Однако, по мере приближения к физическим и экономическим пределам миниатюризации, простого уменьшения размера транзисторов уже недостаточно. Сегодня сосуществуют три основных технологических тренда: продолжение масштабирования производства ( «Больше Мура» ), взрывной рост новых передовых технологий упаковки и гетерогенной интеграции ( «Больше, чем Мур» ) и появление радикально отличающихся архитектур, таких как нейроморфные вычисления и квантовые вычисления.
В области хранения данных 3D NAND- память стала одной из первых демонстраций того, как можно использовать третье измерение. Производители перешли от планарной NAND-памяти к устройствам, которые располагаются вертикально слоями примерно по 200 ячеек, многократно увеличивая плотность без опоры исключительно на уменьшение размера каждой ячейки.
В высокопроизводительной логике преобладает стратегия разделения больших кристаллов на специализированные чиплеты , изготовления каждого из которых на наиболее подходящем технологическом процессе и последующей сборки системы с использованием передовых межсоединений: 2D-перераспределительных слоев, 2.5D-интерпозеров, 3D-стекирования с использованием сквозных межсоединений (TSV) или гибридного соединения, в зависимости от области применения. Это обеспечивает модульность, повышает выход годной продукции и сокращает время выхода на рынок.
Гетерогенная интеграция, по сути, является практическим способом воплотить в жизнь концепцию «больше, чем Мур» , максимизируя функциональную плотность и близость между чипами без принуждения всех пользователей к использованию одного и того же технологического узла или технологии.
3D NAND и проблемы вертикального производства
Путь к 3D-интеграции начал формироваться с развитием NAND-флэш-памяти . Благодаря 193-нм иммерсионной литографии и технологиям многослойного нанесения рисунка производители смогли уменьшить размер планарной NAND-памяти до диапазона 1x нм, что означает чрезвычайно малые размеры для двухмерной конструкции.
В классической планарной флэш-памяти NAND создаются горизонтальные полосы поликремния , которые действуют как линии разрядности и соединяют управляющие затворы каждой ячейки памяти. Узкое место возникало, когда критически важный элемент, плавающий затвор, переставал правильно масштабироваться: коэффициент емкостной связи между плавающим затвором и управляющим затвором ухудшался, что ставило под угрозу надежную работу ячейки.
Столкнувшись с этим ограничением, такие компании, как Samsung, решили кардинально изменить свой подход и инвестировать в 3D NAND . В 2013 году они представили свою первую коммерческую V-NAND, чип на 128 Гбит с 24 вертикальными слоями и примерно 2,5 миллионами каналов. Позже они представили 32-слойные версии и даже SSD-накопители на основе этих архитектур . Другие игроки, такие как Micron, SK Hynix и Toshiba, последовали их примеру.
В 3D NAND флэш-памяти традиционные плоские поликремниевые полоски растягиваются, изгибаются и ориентируются вертикально. Концепция плавающего затвора заменяется технологиями захвата заряда на основе пленок нитрида кремния, где заряд хранится в противоположных областях одной и той же структуры. В результате получается сложная многослойная структура из материалов, которую необходимо изготавливать с чрезвычайно жесткими допусками.
Компания Samsung назвала свою 3D-технологию Terabit Cell Array Transistor (TCAT) — архитектурой с затвором, полностью окружающим канал. Эта конструкция реализована с использованием 30-40 нм техпроцесса и технологии с затвором в конце процесса, что еще больше усложняет производственный процесс.
Процесс TCAT начинается с подложки CMOS, на которую попеременно наносятся слои нитрида кремния и диоксида кремния. Эта многослойная структура, напоминающая своего рода «слоеный пирог », представляет собой первую серьезную проблему: попеременное нанесение слоев. С помощью CVD (химического осаждения из паровой фазы) наносятся очень тонкие слои, требующие высокой однородности и очень низкого уровня дефектов, что становится еще более сложной задачей, поскольку цель состоит в том, чтобы превысить 32 слоя.
Количество слоев в этой начальной структуре определит конечное число уровней памяти в устройстве. Затем к этой структуре добавляется жесткая маска, и с помощью фотолитографии сверлятся отверстия. Далее следует еще один критически важный этап: травление канавок с чрезвычайно высоким соотношением сторон от поверхности до подложки. Это соотношение сторон в десять раз больше, чем в планарной технологии, что требует предельного контроля процесса травления.
После травления стенки отверстия облицовываются поликремнием, образуя канал, а центральное пространство заполняется диоксидом кремния, создавая так называемый « макаронный канал ». Затем с помощью щелевого травления формируются внутренние колонны, а исходные чередующиеся слои нитрида и оксида удаляются, так что конечная структура напоминает узкую ребристую башню.
Для функционирования системы необходимо соединить периферийную логику с управляющими элементами каждого уровня памяти. Это требует дополнительного, весьма сложного этапа: ступенчатого травления , которое создает своего рода лестницу на одной стороне устройства для электрического доступа к различным слоям. Весь этот набор методов иллюстрирует присущую передовой вертикальной интеграции сложность, предвосхищая проблемы, возникающие при гетерогенной интеграции в других областях.
Технологические ключи к гетерогенной интеграции
Для воплощения этих сложных систем в жизнь отрасль использует широкий спектр технологических инструментов : от гибридного соединения до внутрикристальных сетевых архитектур, включая органические и стеклянные межсоединители. Выбор того или иного метода зависит от сценария использования, требований к стоимости и желаемой производительности.
На самом базовом уровне (иногда называемом уровнем 0) находится отдельный чип . На уровне 1 чипы интегрируются на подложку или располагаются друг над другом с использованием сквозных межсоединений (TSV), микроконтактов или прямого соединения. Уровень 2 обычно соответствует интеграционному слою на основе органических или стеклянных межсоединений с соединениями с остальной частью системы. Уровень 3 занят самой подложкой в качестве носителя системы, которая может добавлять еще больше функциональности.
Центры передового опыта в области гетерогенной интеграции, такие как Fraunhofer IZM и его партнеры, работают именно над освоением этого инструментария и помогают отрасли выбирать наиболее подходящий набор процессов для каждого приложения: от недорогой компоновки с разветвлением до почти монолитной интеграции для вычислительных систем очень высокой плотности.
Монолитная 3D-интеграция и архитектуры «сеть на кристалле»
Одним из ключевых подходов является монолитная 3D-интеграция , которая предполагает размещение нескольких активных слоев непосредственно на одной кремниевой подложке, образуя монолитную вертикальную структуру вместо множества собранных чипов. Эта технология значительно сокращает расстояния связи между слоями и существенно увеличивает плотность межсоединений.
Этот тип интеграции основан на очень точном контроле теплового режима , поскольку верхние слои обрабатываются только после того, как нижние слои почти готовы. Поэтому используются умеренные температуры, а также высокоточные маркеры выравнивания, чтобы гарантировать точное позиционирование каждого нового слоя в нужном месте.
Параллельно с этим, в ответ на проблему эффективной передачи данных между растущим числом ядер, памяти и ускорителей в рамках одной системы, появились архитектуры «сеть на кристалле» (NoC). Вместо прямых соединений и общих шин, NoC реализует распределенную сеть с маршрутизаторами и каналами, что позволяет масштабировать систему до очень сложных систем за счет уменьшения узких мест.
Интегрированные с сквозными межсоединениями (TSV) или кремниевыми переходными отверстиями, эти сети особенно актуальны в 3D-решениях и платформах с несколькими чиплетами. Таким образом, команда разработчиков может оптимизировать поток информации , адаптируя топологию сети к схеме связи своего приложения, что имеет решающее значение в искусственном интеллекте или автономном вождении.
Фотонная интеграция и гетерогенные волноводы
Еще одним ключевым аспектом гетерогенной интеграции является интеграция интегрированной фотоники непосредственно в ту же упаковочную среду или даже на ту же кремниевую пластину, что и электроника. Так называемые гетерогенные волноводы смешивают различные материалы (например, кремний и соединения III-V групп) для направления света с низкими потерями и высокой скоростью внутри чипа.
Такая система особенно ценна в центральной области высокопроизводительных микросхем, где традиционные электрические соединения начинают сталкиваться с ограничениями по энергопотреблению и задержке. Направляя оптический сигнал через специально разработанные резонаторы и каналы, минимизируются помехи, и достигается чрезвычайно быстрая передача данных при значительно меньшем энергопотреблении.
Возможность объединять электронные и оптические блоки на единой платформе открывает двери для таких применений, как высокопроизводительные вычисления с внутренними оптическими каналами связи, межсоединения центров обработки данных следующего поколения или даже интеграция ключевых компонентов квантовых систем в более компактные чипы.
Области применения: от автомобильной промышленности до интернета вещей и медицины.
Гетерогенная интеграция — это сквозная технология, которая затрагивает практически все сектора: высокопроизводительные вычисления, автомобильную промышленность, связь, возобновляемую энергетику, интеллектуальное сельское хозяйство, здравоохранение и Интернет вещей, и многие другие. В каждой области применяется одна и та же философия, но с совершенно разными процессами и приоритетами в отношении затрат.
В высокопроизводительных вычислениях и обучении больших моделей ИИ основная цель состоит в максимизации вычислительной производительности на ватт и на единицу площади. Это достигается путем объединения современных графических процессоров (GPU) или тензорных процессоров (TPU) с высокоскоростными стеками памяти с использованием гибридного соединения или 3D-стекирования, что позволяет создавать чрезвычайно плотные модули.
В медицинской сфере интеграция чиплетов позволяет создавать высоко персонализированные конструкции: блоки обработки, аналоговый сбор сигналов, беспроводная связь и аппаратная защита могут быть объединены в очень специфические конфигурации для каждого типа устройств, от мониторов состояния пациента до имплантатов и носимых медицинских устройств.
Передовые материалы: GaN и полупроводники III-V группы.
Особого внимания заслуживает интеграция таких материалов, как нитрид галлия (GaN) и другие полупроводники III-V групп, имеющие фундаментальное значение для силовых, радиочастотных и высокочастотных коммуникационных приложений. Эти материалы демонстрируют превосходные характеристики при работе с высокими напряжениями, интенсивными токами или сигналами очень высокой частоты.
Благодаря интеграции с кремниевыми пластинами с использованием кремниевых переходных отверстий и гибридных технологий соединения, команды разработчиков могут получать устройства с улучшенным теплоотводом и более низким энергопотреблением , не жертвуя при этом совместимостью с крупномасштабными производственными процессами. Это уже стало стандартом де-факто для некоторых сегментов силовой электроники и передовых радиочастотных систем.
Эта комбинация GaN/III-V/кремний идеально вписывается в логику гетерогенной интеграции: каждый материал используется только там, где он приносит наибольшую пользу, и соединен посредством упаковочной инфраструктуры, обеспечивающей короткие пути, низкую паразитную индуктивность и хорошее рассеивание выделяемого тепла.
Чиплетные технологии, носимые устройства и новые поколения гаджетов
Стратегия чиплетной архитектуры не ограничивается крупными процессорами для центров обработки данных. Она также трансформирует такие сектора, как медицинское оборудование и персональная бытовая электроника, где возможность комбинировать функциональные блоки открывает двери для гораздо более глубокой персонализации.
В секторе здравоохранения один поставщик может предложить набор сертифицированных чиплетов (процессор, связь, специальные датчики, аппаратное шифрование и т. д.) и объединить их в различные корпуса в зависимости от конечного устройства: монитор жизненно важных показателей, интеллектуальный пластырь или портативное диагностическое устройство. Это сокращает циклы разработки и облегчает повторное использование интеллектуальной собственности.
Особенно выгодно использование гетерогенной интеграции в носимых устройствах . Благодаря внедрению обработанных CMOS-чипов, передовым технологиям склеивания пластин и сверхкомпактной упаковке, становится возможным создание умных часов, фитнес-трекеров или наушников с более длительным временем автономной работы, большим количеством датчиков и улучшенными возможностями подключения, без увеличения (и даже уменьшения) физических размеров устройства.
В таких условиях первостепенное значение имеет баланс между производительностью, энергопотреблением и стоимостью. Использование ресурсоемких технологий, таких как гибридное соединение, не всегда оправдано; часто предпочтение отдается соединению с помощью разветвителей или микроконтактов , поскольку они требуют менее дорогостоящей инфраструктуры и при этом обеспечивают более чем достаточную плотность для обрабатываемого типа сигнала и скорости передачи данных.
Последние достижения: CFET, FeFET и квантовая фотоника.
Достижения в разработке базовых устройств также играют важную роль в гетерогенной интеграции. Среди них выделяются комплементарные полевые транзисторы (CFET) , технология, позволяющая размещать nMOS и pMOS транзисторы друг над другом, что значительно уменьшает габариты и повышает энергоэффективность.
Внедрение CFET в кремниевые чипы обещает создание более компактных и эффективных транзисторов, обеспечивающих эффективную внутреннюю связь благодаря чрезвычайно точному выравниванию слоев. Это нововведение является ключом к дальнейшему сжатию логических элементов в меньшие объемы, что идеально соответствует концепциям 3D-стекирования и передовой упаковки.
С другой стороны, в ферроэлектрических полевых транзисторах (FeFET) используются ферроэлектрические материалы, способные сохранять свою поляризацию, что позволяет создавать очень быстрые, энергоэффективные энергонезависимые запоминающие устройства с хорошей сохранностью данных. Интегрируя их в центральные и активные области микросхем, FeFET улучшают как производительность, так и энергоэффективность архитектур, которым необходимо хранить и извлекать большие объемы информации с низкой задержкой.
Параллельно с этим, интегрированная квантовая фотоника становится ведущим направлением применения гетерогенной интеграции. Обрабатывая информацию в виде квантовых состояний света, эти системы требуют тесной интеграции волноводов, источников, детекторов и схем управления, что возможно только при тесной интеграции множества материалов и процессов.
Во всех этих случаях корпус и способ соединения элементов так же важны, как и сами устройства, и они основаны на таких технологиях, как гибридная сварка, кремниевые пластины, а также разумное использование переходных отверстий и маркеров выравнивания.
Технические, материальные и стоимостные проблемы
Несмотря на огромные преимущества, гетерогенная интеграция сопряжена со значительными трудностями . Одна из главных — техническая сложность выравнивания и соединения очень разных компонентов в таком малом объеме без возникновения дефектов или внутренних механических напряжений.
Управление тепловым режимом — еще один критически важный момент: при объединении мощных блоков высокой плотности тепловой баланс становится центральным параметром проектирования. Плохое распределение тепла или недостаточное рассеивание могут повредить чувствительные компоненты или серьезно ухудшить производительность, поэтому охлаждение, выбор материалов и сама архитектура корпуса должны рассматриваться в комплексе.
Совместимость различных материалов (кремний, соединения III-V групп, GaN, специальные стекла, органические полимеры и т. д.) также представляет собой проблему. Различия в коэффициентах теплового расширения, механических свойствах или химической стабильности могут привести к напряжениям, расслоению или преждевременному разрушению, если их не учитывать должным образом на этапах проектирования и производства.
Ко всему этому добавляется проблема стоимости и масштабируемости. Самые передовые технологии, такие как гибридная сварка с ультратонким шагом, требуют дорогостоящего оборудования и высокотехнологичной инфраструктуры, что увеличивает производственные затраты. Главная задача для отрасли — найти баланс между производительностью, стоимостью и объемом производства , выбирая только те инструменты, которые действительно необходимы для каждого рынка.
ДЕА, надежность и роль исследовательских центров
Развитие гетерогенной интеграции также вынуждает инструменты проектирования электроники (EDA) эволюционировать . Уже недостаточно описывать один монолитный чип: теперь необходимо моделировать межсоединительные элементы, слои перераспределения, сквозные межсоединения (TSV), многослойное соединение, трехмерные тепловые эффекты и электромеханическую надежность, а также многие другие факторы.
Исследовательские центры, такие как Fraunhofer IZM, вносят ключевой вклад, предоставляя промышленности производственные линии и испытательные стенды для новых технологий упаковки и интеграции. Помимо разработки процессов, они проводят испытания на надежность, выходящие за рамки простого электрического тестирования, включая функциональное поведение датчиков, исполнительных механизмов и радиочастотных интерфейсов, чтобы понять причины потенциальных отказов.
Исторически сложилось так, что научно-исследовательские институты могли работать с оборудованием, отстающим на два-три поколения от передовых разработок в промышленности. Сегодня же давление со стороны таких приложений, как искусственный интеллект и высокопроизводительные вычисления, вынуждает их приближать свои лаборатории к уровню чистых помещений высшего класса , что влечет за собой увеличение затрат и постоянные инвестиции в инфраструктуру.
В то же время некоторые производители выделяют целые заводы исключительно для решения задач по созданию передовых упаковочных решений, перепрофилируя мощности, считающиеся «устаревшими» для производства логических микросхем, но идеально подходящие для производства межсоединительных плат или структур межсоединений высокой плотности. Эта модель очень хорошо согласуется с идеей максимального использования существующей промышленной базы.
Влияние на периферийные вычисления, глубокое обучение, устойчивое развитие
В области граничных вычислений гетерогенная интеграция позволяет размещать вычислительные мощности очень близко к месту генерации данных, уменьшая необходимость отправки информации в облако и снижая нагрузку на сети и центры обработки данных. Путем объединения различных кремниевых пластин и функциональных блоков получаются устройства, способные выполнять сложные задачи на месте, при этом сохраняя низкое энергопотребление и компактные размеры.
Для приложений глубокого обучения требуются чипы с высокой параллельной вычислительной мощностью и огромной пропускной способностью памяти. Сочетание вычислительных чиплетов с многослойной памятью и оптимизированными сетями NoC, а также передовыми процессами пайки, позволяет обучать и развертывать все более крупные модели без резкого роста стоимости и энергопотребления до неприемлемого уровня.
Устойчивое развитие также является ключевым элементом этого уравнения. Основная идея гетерогенной интеграции заключается в достижении максимальной производительности и функциональности при минимально возможных экономических и экологических затратах. Такие инициативы, как проекты «Зеленые ИКТ», изучают воздействие информационных и коммуникационных инфраструктур на окружающую среду, начиная от выбора сырья и обработки кремниевых пластин и заканчивая проектированием печатных плат и системной интеграцией.
В сфере аппаратной безопасности интеграция функций различных распределенных блоков, таких как микрометки RFID, встроенные в восстановленные чипы, может улучшить отслеживаемость цепочки поставок и уменьшить количество точек отказа, тем самым повышая надежность критически важных систем. Все это является частью подхода, в котором производительность, безопасность и экологичность идут рука об руку.
В целом, гетерогенная интеграция становится тем столпом, который позволит микроэлектронике и дальше выходить за рамки простой миниатюризации, объединяя самые разные технологии и материалы для создания более мощных и эффективных систем, адаптированных к реальным потребностям каждого приложения.
