异构集成路線(xiàn)图和芯片的未来

2021-07-05

异构集成路線(xiàn)图和芯片的未来

今年電(diàn)子元件和技术会议 (ECTC) 举办了一系列关于异构集成的研讨会，并对异构集成路線(xiàn)图的当前状态（2019 年修订版）进行了很(hěn)好的概述。SoM/CoM 的出现，以及智能(néng)手机等专业应用(yòng)中大量 SoC 的出现，都说明集成如何在增加芯片功能(néng)而不显着增加其占用(yòng)空间方面发挥作用(yòng)。電(diàn)子产品中的集成计划最初是為(wèi)了一个目标而开发的：将更多(duō)功能(néng)引入更小(xiǎo)的空间，并在不增加占地面积的情况下继续扩展设备。

异构集成成為(wèi)过去十年 ASIC 出现的更大主题，但通过先进的封装技术将其提升到一个新(xīn)的水平。如果您是 PCB 设计师或系统设计师，更高集成度的组件将如何影响您的设计和布局实践？我们已经可(kě)以从当今用(yòng)于数据中心服務(wù)器和军用(yòng)航空嵌入式计算的一些先进 GPU 和 CPU 产品中获得一些指导。然而，随着嵌入式人工智能(néng)、量子、5G/6G、先进机器人和混合功能(néng)系统等技术变得越来越普遍，这些产品将不可(kě)避免地渗透到日常设计师中。

半导體(tǐ)行业的整合

半导體(tǐ)行业协会 (SIA) 最近宣布将在 2016 年春季停止开展國(guó)际半导體(tǐ)技术路線(xiàn)图 (ITRS) 中概述的活动。在此之前，该行业遵循其自己的國(guó)家半导體(tǐ)技术路線(xiàn)图 ( NTRS）直到國(guó)际公司在 1990 年代后期开始加入。从 ITRS 转向新(xīn)的集成范式是一个重大转变，尤其是当您听到很(hěn)多(duō)关于摩尔定律在推动半导體(tǐ)缩放方面的主导地位时。今天，业界的每个人都承认，除了英特尔和台积電(diàn)等大公司之外，摩尔定律下的持续扩展正在為(wèi)所有(yǒu)人带来收益递减。

在 ITRS 之后出现了國(guó)际设备和系统路線(xiàn)图，其中的一个子集是异构集成路線(xiàn)图。在当今物(wù)联网、云连接数据中心和智能(néng)设备时代，该技术路線(xiàn)图将重点从基于晶體(tǐ)管的電(diàn)路的物(wù)理(lǐ)缩放转移到了当前的 7 纳米以下节点。现在的重点是具有(yǒu)应用(yòng)程序驱动路線(xiàn)图的新(xīn)架构，以支持大量新(xīn)应用(yòng)程序。当您考虑到异构集成的重点是将不同的功能(néng)打包到一个包中时，電(diàn)路板设计人员还需要做什么？

事实证明，留给電(diàn)路板设计师的还有(yǒu)很(hěn)多(duō)，事实上，他(tā)们将充当现实世界和黑匣子组件之间的主要接口。首先，让我们看看什么是异构集成，我们将看到 PCB 设计人员的角色将如何继续从基本布局任務(wù)转移到板级系统设计和集成。

什么是异构集成？

非常简单，异构集成是将可(kě)能(néng)单独制造的多(duō)个组件集成到一个真正的系统级封装 (SiP) 中，其中单个组件通过连接所有(yǒu)组成组件来提供所有(yǒu)功能(néng)。想想一个 SoC，但它有(yǒu)更多(duō)的硅芯片；每个组件都是单独制造的，并通过标准互连结构连接在一起。

要了解这意味着什么，让我们看看我们如何获得异构集成组件。考虑下面的例子：我们有(yǒu)来自不同晶圆厂的多(duō)个半导體(tǐ)芯片，并且可(kě)能(néng)在不同的节点使用(yòng)不同的技术生产。它们被集成到单个中介层中，并使用(yòng)标准方法（通孔和轨道）互连。这些模块化模具中的任何一个都可(kě)以像乐高积木(mù)一样通过标准化接口连接在一起。

异构集成中的简化思想

在某些方面，这模仿了从 1970 年代到今天开发 ASIC 的推动，当时使用(yòng)通用(yòng)可(kě)编程逻辑或分(fēn)立元件很(hěn)难处理(lǐ)的功能(néng)是用(yòng)单个专用(yòng)芯片实现的。现在，您将為(wèi)特定应用(yòng)构建的大多(duō)数電(diàn)路板都涉及一系列 ASIC、一些電(diàn)源调节组件、一堆无源器件、一个处理(lǐ)器，也许还有(yǒu)一些特殊的逻辑组件。如果您正在构建一个需要模拟前端或必须从另一台仪器捕获一些模拟信号的電(diàn)路板，那么该模块将内置到您的 ASIC 中，或者您可(kě)以使用(yòng)一些接口 IC（例如，ADC）放在板上以实现该功能(néng)。

当前的单片机模块结构

对于不一定关注半导體(tǐ)封装发展的设计师，我在下面展示了一些集成方法的示例和示例 SoC。左上角的图像显示了典型的BGA 封装，其中硅芯片封装在模塑料中。顶行的另外两个图像显示了如何堆叠多(duō)个芯片并相互连接或通过键合線(xiàn)连接到 BGA 封装。最后，下图显示了最复杂的异构集成形式，其中存储器和逻辑部分(fēn)使用(yòng)通孔集成到单个封装中，称為(wèi)硅通孔 (TSV) 技术。

异构集成示例。

為(wèi)什么要专注于从一组较小(xiǎo)的芯片构建更大的封装？在平面半导體(tǐ)制造工艺中，当芯片较厚时，成品率会降低，因此当将更多(duō)功能(néng)封装到单个芯片上时，以 3D 方式构建超大规模模块变得不那么经济。使用(yòng)与标准互连架构互连的独立管芯更可(kě)靠。它还允许芯片设计人员采用(yòng)模块化方法来开发芯片组件，其中多(duō)个芯片可(kě)以像乐高积木(mù)一样组装在一起。然后，您可(kě)以将其扩展到多(duō)芯片组件，其中多(duō)个上述芯片结构连接在一起形成一个封装。这最近已在 AMD 的 Fiji 和 Epyc 处理(lǐ)器中使用(yòng)，它是一种将多(duō)个内核集成到单个芯片中的方法。

在组件和功能(néng)方面，异构集成的大部分(fēn)重点是将不同的数字组件封装到更大的组件中，尽管模拟和机電(diàn)组件（例如，MEMS）也是异构集成的目标组成部分(fēn)。如果它可(kě)以通过平面工艺在晶圆上制造，那么它就是异构集成的可(kě)能(néng)目标。这种不同能(néng)力之间集成的潜力将我们引向了异构集成路線(xiàn)图中所关注的各个领域。

异构集成路線(xiàn)图中的重点领域

异构集成路線(xiàn)图于 2019 年发布，旨在解决阻碍特定应用(yòng)领域进一步集成的挑战。本文(wén)档由三个反映電(diàn)子生态系统当前和未来状态的 IEEE 协会赞助。异构集成路線(xiàn)图与其他(tā)标准路線(xiàn)图的區(qū)别在于，它以应用(yòng)和挑战為(wèi)重点，而不是专注于特定功能(néng)。异构集成路線(xiàn)图中概述了六章，重点关注特定领域的技术挑战：

高性能(néng)计算和数据中心，它们是持续小(xiǎo)型化和集成的自然目标

移动设备，包括 5G 和未来的移动网络功能(néng)，如 6G

汽車(chē)，主要针对自动驾驶汽車(chē)

医疗/健康设备和可(kě)穿戴设备，通常需要一系列提供专门功能(néng)的组件

航空航天和國(guó)防，在物(wù)理(lǐ)大型系统中為(wèi)专业应用(yòng)实现多(duō)种功能(néng)的另一个领域

物(wù)联网，一个足够广泛的类别，可(kě)以与上述任何领域重叠

更深入地说，异构集成路線(xiàn)图解决了一些广泛的组件组的技术挑战和潜在的解决方案。其中一些组件组在许多(duō)系统中很(hěn)常见，如今已通过多(duō)个電(diàn)路或组件集实现：

单芯片和多(duō)芯片模块

集成電(diàn)力電(diàn)子

集成传感器平台，包括 MEMS 传感器

集成光子學(xué)

5G芯片组

不同层次的异构集成

这里的趋势之一是将更多(duō)的计算能(néng)力和附加功能(néng)打包到标准包中，但重点放在 3 个级别：

这些异构集成级别中的每一个都旨在解决不同的技术挑战。

芯片异质性

芯片异质性侧重于通过将多(duō)个芯片集成到单个封装中的功能(néng)级集成。这与小(xiǎo)芯片和多(duō)芯片模块的设计密切相关。此级别硬件集成的一些示例包括：

在同一模块中混合不同的封装样式

垂直和水平堆叠多(duō)个芯片（2.5D/3D 集成）

将多(duō)个 SoC 模块打包成一个更大的模块

所有(yǒu)这些都与晶圆级封装技术联系在一起，例如用(yòng)于垂直集成的 TSV 和用(yòng)于无線(xiàn) SiP 的台积電(diàn)集成扇出 (InFO)。非常需要不依赖键合線(xiàn)的互连技术，特别是对于在管芯之间传递的超高速串行数据流。

系统异构

不同的产品更适合处理(lǐ)不同的数据结构，系统级集成旨在解决计算工作负载在不同模块之间传递的任務(wù)。例如，重复向量计算最好在 GPU 上执行，而AI 模型中使用(yòng)的矩阵计算现在在 ASIC 上执行。SiP 需要将这些选项与接口、内存、处理(lǐ)器内核和 I/O 接口一起提供，以便為(wèi)特定工作负载提供最高效的计算处理(lǐ)。

这种级别的异构集成更适合需要同时处理(lǐ)多(duō)个数据工作负载（标量、向量、矩阵和空间）的数据中心。但是，这当然可(kě)以扩展到涉及射频/无線(xiàn)以及光子學(xué)组件的嵌入式应用(yòng)。

用(yòng)于具有(yǒu)集成光子電(diàn)路的自动驾驶汽車(chē)应用(yòng)的示例 SiP。

固件/软件同质性

这是一项重大挑战，因為(wèi)它需要在嵌入式操作系统和一组标准 API 方面对一组产品进行重大标准化。这更困难，因為(wèi)开发人员通常使用(yòng)不同的语言和不同的专业领域。我们可(kě)能(néng)会继续使用(yòng)许多(duō)高级语言来开发将运行并与异构模块交互的应用(yòng)程序。但是，开发人员需要的是将多(duō)种语言的代码编译成单一代码库的单一开发环境。目前还不清楚这种类型的环境会是什么样子，但芯片制造商(shāng)正在努力开发这种类型的开发环境以支持异构产品。

异构集成对 PCB 设计师意味着什么

对于 PCB 设计人员而言，这种更高集成度的趋势将更多(duō)功能(néng)和特性封装到单个芯片上，并為(wèi)设计人员提供了针对不同应用(yòng)的更专业的产品。在即将到来的技术领域工作的设计师将花(huā)费更少的时间将不同的组件组合在一起，因為(wèi)标准化产品将在单个设备中包含所需的功能(néng)。PCB 设计人员仍将面临布局挑战，但异构集成有(yǒu)助于减少整體(tǐ)组件数量、系统尺寸和所需的外围设备，而无需改变 PCB 设计人员的布局实践。

这是否意味着 PCB 设计人员只需在電(diàn)路板上连接電(diàn)源块和异构集成模块？当然不是……异构集成路線(xiàn)图是基于应用(yòng)程序的，旨在推动面向广泛应用(yòng)领域的组件的生产。通过专注于广泛的应用(yòng)领域，新(xīn)产品将特定芯片组的组件整合到一个模块中，并使用(yòng)标准接口（PCIe、USB 等）将模块链接在一起。