Гетерогенная интеграция: новый двигатель микроэлектроники.

Информатек Диджитал » Ресурсы » Гетерогенная интеграция: новый двигатель микроэлектроники.

La гетерогенная интеграция Это стало главным преимуществом микроэлектронной промышленности для дальнейшего прогресса, поскольку классическая модель масштабирования одного монолитного чипа начинает достигать своих пределов. Вместо производства всего на одной пластине и по одному технологическому процессу, совершенно разные чипы, материалы и технологии объединяются в одной системе, выжимая максимум из каждого и минимизируя расстояния между функциональными блоками.

Такое изменение акцента 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 следующее: комбинация микросхем и устройств, созданных в различных технологических процессах и областях. (цифровые КМОП-технологии, радиочастотные технологии, силовые технологии, фотоника, MEMS, датчики и т. д.) в единой системе. Каждый блок изготавливается с использованием технологии, обеспечивающей наилучшие характеристики или стоимость, а затем они соединяются очень близко к чипу или даже располагаются друг над другом в 3D-структуре.

В классическом подходе к Монолитная система на кристалле (SoC)Все функции интегрированы на одном кремниевом чипе и на одной технологической линии. Эта модель отлично зарекомендовала себя в мобильных телефонах и бытовой электронике при условии, что все стороны согласились использовать одну и ту же технологию и соблюдать одинаковые ограничения по тепловым характеристикам, напряжению и материалам. Однако по мере того, как возрастают требования к выходной мощности, частотам или специализированным датчикам, такие компромиссы становятся неприемлемыми.

С другой стороны, при гетерогенной интеграции высокочастотный переключатель может быть изготовлен из полупроводника, отличного от... КМОП-технология общего назначенияБлок питания может быть построен на основе GaN или устройства класса III-V, а оптический датчик может быть реализован на платформе, оптимизированной для фотоники. Все они интегрируются на уровне корпуса или межсоединительной платы с чрезвычайно высокой плотностью межсоединений, что обеспечивает очень короткие пути и низкую задержку между блоками.

Когда понятие расширяется, охватывая весь функциональный набор, мы даже говорим о гетеросистемная интеграцияРазличные микросхемы не только соединяются между собой, но и вся система проектируется и компонуется 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 микросхеме равно... Его показатель удваивается примерно каждые два года.На протяжении десятилетий это достигалось благодаря постоянному уменьшению размеров литографических элементов, позволяющему достигать узлов порядка 5 нм или менее.

Однако, по мере приближения к физическим и экономическим пределам миниатюризации, простого уменьшения размеров транзисторов уже недостаточно. Сегодня сосуществуют три основных технологических вектора: продолжение масштабирования производства («Ещё больше Мура»взрывной рост новых передовых технологий упаковки и гетерогенной интеграции («Больше, чем Мур») и появление принципиально иных архитектур, таких как нейроморфные вычисления или квантовые вычисления.

В области хранения данных, памяти 3D NAND Это стало одной из первых демонстраций того, как можно использовать третье измерение. Производители перешли от планарной NAND-памяти к устройствам, которые укладываются вертикально слоями примерно по 200 ячеек, многократно увеличивая плотность без опоры исключительно на уменьшение размера каждой ячейки.

В высокопроизводительной логике преобладающая стратегия заключается в разделении больших кристаллов на части. специализированные чиплетыКаждый компонент изготавливается на наиболее подходящем технологическом узле, а затем система собирается заново с использованием передовых технологий 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, повышение выхода годной продукции и сокращение времени выхода на рынок.

По сути, гетерогенная интеграция — это практический способ воплотить это в реальность. «Больше, чем Мур»максимизация функциональной плотности и близости чипов без принуждения всех к использованию одной и той же технологической схемы или технологии.

3D NAND и проблемы вертикального производства

С развитием технологий путь к 3D-интеграции начал обретать четкие очертания. Вспышка NANDБлагодаря иммерсионной литографии на длине волны 193 нм и технологиям многослойного формирования рисунка, производители смогли уменьшить размер планарной NAND-памяти до диапазона технологического процесса 1x нм, что означает чрезвычайно малые размеры для двухмерной конструкции.

В классической планарной NAND-памяти генерируются следующие элементы. горизонтальные полосы поликремния которые действуют как линии связи и соединяют управляющие затворы каждой ячейки памяти. Узкое место возникало, когда критически важный элемент, плавающий затвор, переставал правильно масштабироваться: емкостная связь между плавающим затвором и управляющим затвором ухудшалась, что ставило под угрозу надежную работу ячейки.

Столкнувшись с этим ограничением, такие компании, как Samsung, решили кардинально изменить свой подход и сосредоточиться на 3D-NANDВ 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 Твердотельные накопители (SSD) на основе этих архитектурДругие игроки рынка, такие как Micron, SK Hynix и Toshiba, последовали тому же пути.

В 3D NAND старые плоские поликремниевые полоски растягиваются, изгибаются и располагаются вертикально. Концепция плавающего затвора заменяется на технологии «ловушки заряда» В основе лежат пленки 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 высокой точностью.

Компания Samsung дала название своей 3D-технологии. Терабитный транзисторный массив ячеек (TCAT)Это архитектура с "затвором, окружающим канал со всех сторон", где затвор полностью окружает канал. Эта схема реализована с использованием проектных правил порядка 30-40 нм и технологического процесса "затвор в конце", что еще больше усложняет производственный процесс.

Процесс TCAT начинается с подложки CMOS, на которую попеременно наносятся слои нитрида кремния и диоксида кремния. Такое наслоение, напоминающее своего рода «Слоёный торт»Это представляет собой первую серьезную проблему: чередование слоев в многослойной структуре. Используя метод химического осаждения из газовой фазы (CVD), осаждаются очень тонкие листы, требующие высокой однородности и очень низкого уровня дефектов, что становится еще сложнее, поскольку цель состоит в том, чтобы превысить 32 слоя.

Количество слоев в этой начальной структуре определит конечное число уровней памяти в устройстве. На эту структуру наносится твердая маска, и с помощью фотолитографии сверлятся отверстия. Далее следует еще один важный этап: гравюра с изображением окопов с очень высоким соотношением сторон от поверхности до подложки. Эти соотношения сторон в десять раз больше, чем в планарной технологии, которая требует предельного контроля процесса травления.

После травления стенки отверстия облицовываются поликремнием, образуя канал, а центральное пространство заполняется диоксидом кремния, создавая так называемый «канал макаронЗатем внутренние колонны формируются с помощью щелевого травления, а исходные чередующиеся нитридные и оксидные слои удаляются, так что окончательная структура напоминает узкую ребристую башню.

Для функционирования системы необходимо соединить периферийную логику с управляющими элементами каждого уровня памяти. Это требует дополнительного, весьма сложного шага: травление лестницыЭто включает в себя вырезание своего рода лестницы 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 ресурсов. технологический «инструментарий»От гибридных соединений до внутрикристальных сетевых архитектур, включая органические или стеклянные межсоединители, выбор той или иной системы зависит от сценария использования, требований к стоимости и желаемой производительности.

На самом базовом уровне (иногда называемом уровнем 0) мы находим отдельный чипНа первом уровне микросхемы интегрируются на подложку или располагаются друг над другом с использованием сквозных межсоединений (TSV), микроконтактов или прямого соединения. Второй уровень обычно соответствует интеграционному слою на основе органических или стеклянных межсоединений с соединениями с остальной частью системы. Третий уровень занимает сама подложка в качестве носителя системы, что позволяет добавить 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 выбрать наиболее подходящие решения. наиболее подходящий набор процессов для любых задач: от недорогой компоновки с разводкой цепей до почти монолитной интеграции для вычислительных систем сверхвысокой плотности.

Монолитная 3D-интеграция и архитектуры «сеть на кристалле»

Один из ключевых подходов заключается в следующем: монолитная 3D-интеграцияЭта технология предполагает наложение нескольких активных слоев непосредственно на одну кремниевую пластину, образуя монолитную вертикальную структуру вместо множества собранных чипов. Такой метод значительно сокращает расстояния связи между слоями и существенно увеличивает плотность межсоединений.

Этот тип интеграции основан на очень точном управлении тепловой балансПоскольку обработка верхних слоев начинается, когда нижние почти готовы, для обеспечения точного позиционирования каждого нового слоя используются умеренные температуры и очень точные маркеры.

Параллельно с этим, архитектуры Сеть на кристалле (NoC) Вычислительные сети (NoC) возникли как ответ на проблему эффективной передачи данных между растущим числом ядер, памяти и ускорителей в рамках одной системы. Вместо прямых соединений и общих шин, NoC реализует распределенную сеть с маршрутизаторами и каналами, что позволяет масштабировать ее до очень сложных систем, одновременно уменьшая узкие места.

Интегрированные с сквозными межсоединениями (TSV) или кремниевыми переходными отверстиями, эти сети особенно актуальны в 3D-решениях и многочиповых платформах. Таким образом, команда разработчиков может оптимизировать поток информацииадаптация топологии сети к характеру обмена данными в её приложении — критически важный аспект в области искусственного интеллекта или автономного вождения.

Фотонная интеграция и гетерогенные волноводы

Еще одним фундаментальным аспектом гетерогенной интеграции является включение интегрированная фотоника непосредственно в той же упаковочной среде или даже на той же подложке, 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.

Этот тип системы особенно ценен в центральный регион В высокопроизводительных микросхемах 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 со значительно меньшим энергопотреблением.

Возможность объединять электронные и оптические блоки на единой платформе открывает двери для таких применений, как... высокопроизводительные вычисления с помощью внутренних оптических каналов связи, современных межсоединений центров обработки данных или даже интеграции 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 экономики: высокопроизводительные вычисления, автомобильная промышленность, связь, возобновляемая энергия, интеллектуальное сельское хозяйство, здравоохранение и, среди прочего, Интернет вещей. 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 искусственного интеллекта главная цель — максимизировать вычислительную производительность на ватт и на единицу площади. Это достигается путем комбинирования различных технологий. GPU следующего поколения или TPU с использованием высокоскоростных модулей памяти, созданных методом гибридного соединения или 3D-стекирования, что позволяет создавать чрезвычайно плотные модули.

В медицинской сфере интеграция чиплетов позволяет создавать высокоспециализированные конструкции: блоки обработки, аналоговый сбор сигналов, беспроводная связь и аппаратная защита могут быть объединены в конфигурации, очень специфичные для каждого типа устройства. мониторы пациента включая медицинские имплантаты и носимые устройства.

Передовые материалы: GaN и полупроводники III-V группы.

Интеграция таких материалов, как... заслуживает отдельной главы. нитрид галлия (GaN) а также другие полупроводники группы III-V, необходимые для применения в энергетике, радиочастотной связи и высокочастотных системах связи. Эти материалы демонстрируют превосходные характеристики при работе с высокими напряжениями, высокими 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 улучшенное управление температурным режимом и снижение энергопотреблениябез ущерба для совместимости с крупномасштабными производственными процессами. Он уже является де-факто стандартом для определенных 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 чиплеты Это касается не только процессоров для крупных центров обработки данных. Это 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 пакеты в зависимости от конечного устройства: монитор жизненно важных показателей, «умный» пластырь или портативное диагностическое устройство. Это сокращает циклы разработки и упрощает повторное использование IP-адресов.

Предметы одежды Они особенно выигрывают от гетерогенной интеграции. Благодаря использованию постобработанных CMOS-чипов, передовых технологий склеивания пластин и сверхкомпактной упаковки, становится возможным создавать умные часы, фитнес-трекеры или наушники с более длительным временем автономной работы, большим количеством датчиков и улучшенными возможностями подключения, не увеличивая (и даже уменьшая) физические размеры устройства.

В таких условиях первостепенное значение имеет баланс между производительностью, энергопотреблением и стоимостью. Использование таких сложных технологий, как гибридное соединение, не всегда оправдано; часто выбираются альтернативные варианты. интеграция с использованием микроконтактов или разводкикоторые требуют менее дорогостоящей инфраструктуры и при этом обеспечивают более чем достаточную плотность для 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 следующие: 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.

Кроме того, Ферроэлектрические полевые транзисторы (FeFET) В них используются сегнетоэлектрические материалы, способные сохранять свою поляризацию, что позволяет создавать очень быстрые, энергоэффективные энергонезависимые запоминающие устройства с хорошей сохранностью данных. Интегрируясь в центральные и активные области микросхем, FeFET-транзисторы повышают как производительность, так и энергоэффективность архитектур, которым необходимо хранить и извлекать большие объемы информации с низкой задержкой.

Параллельно интегрированная квантовая фотоника Эта технология становится одним из ведущих направлений применения гетерогенной интеграции. Обрабатывая информацию в виде квантовых состояний света, эти системы требуют очень 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 влечет за собой определенные издержки. значительные проблемыОдна из главных проблем заключается в технической сложности выравнивания и соединения совершенно разных компонентов в таком малом объеме без возникновения дефектов или внутренних механических напряжений.

La управление температурным режимом Это 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 между различными материалами (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 вызывать напряжения, расслоения или преждевременные разрушения если ими не управляют должным образом на этапе проектирования и процесса.

Ко всему этому добавляется проблема стоимости и масштабируемости. Самые передовые технологии, такие как гибридное соединение со сверхтонким шагом, требуют дорогостоящего оборудования и высокотехнологичной инфраструктуры, что увеличивает производственные затраты. Главная задача для отрасли — найти баланс между производительность, стоимость и объемы производстваотбираются только те инструменты, которые действительно необходимы для каждого рынка.

ДЕА, надежность и роль исследовательских центров

Рост гетерогенной интеграции также стимулирует эволюцию инструменты электронного проектирования (EDA)Уже недостаточно описывать один монолитный чип: необходимо моделировать межсоединительные элементы, слои перераспределения, сквозные межсоединения (TSV), многослойное соединение, трехмерные тепловые эффекты и электромеханическую надежность, а также многие другие факторы.

Научно-исследовательские центры, такие как Fraunhofer IZM, приносят ключевую пользу, предоставляя свои знания промышленности. линейные пилоты а также 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 или радиочастотных интерфейсов, чтобы понять причины потенциальных отказов.

Исторически сложилось так, что научно-исследовательские институты могли работать с оборудованием, отстающим на два-три поколения от уровня развития промышленности. Сегодня же давление со стороны таких приложений, как искусственный интеллект и высокопроизводительные вычисления, вынуждает их приближать свои лаборатории к уровню современных технологий. чистые помещения высшего уровняс последующим увеличением затрат и непрерывными инвестициями 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

На основании краевые вычисленияГетерогенная интеграция позволяет размещать вычислительные мощности в непосредственной близости от места генерации данных, снижая необходимость отправки информации в облако и уменьшая нагрузку на сети и центры обработки данных. Комбинируя различные кремниевые пластины и функциональные блоки, можно получить устройства, способные выполнять сложные задачи на месте, сохраняя при этом низкое энергопотребление и компактные размеры.

Приложения глубокое обучение Для них требуются чипы с высокой параллельной вычислительной мощностью и огромной пропускной способностью памяти. Сочетание вычислительных чиплетов со стекированной памятью и оптимизированными сетями NoC, а также передовых процессов пайки, позволяет обучать и развертывать все более крупные модели без резкого роста стоимости и энергопотребления до неприемлемого уровня.

Устойчивое развитие также играет ключевую роль в этом уравнении. Основная идея гетерогенной интеграции заключается в достижении максимальной производительности и функциональности при минимально возможных экономических и экологических затратах. Такие инициативы, как проекты, Экологически чистые ИКТ Они изучают воздействие информационных и коммуникационных инфраструктур на окружающую среду, начиная от выбора сырья и обработки кремниевых пластин и заканчивая проектированием плат и интеграцией систем.

В области аппаратной безопасности речь идет об интеграции функций в различных распределенных блоках с такими элементами, как... встроенные RFID-микрометки В сфере восстановления микросхем это может улучшить отслеживаемость цепочки поставок и уменьшить количество единичных точек отказа, 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.