Проблемы проектирования интерпозеров

Проблемы проектирования интерпозеров

Выпуск 23(6747) от 25 ноября 2021 г.
РУБРИКА: МИКРОЭЛЕКТРОНИКА

Интерпозеры выполняют ту же функцию, что и печатные платы, но, когда они используются внутри модуля, их значение существенно увеличивается. Унаследованные средства проектирования печатных плат и ИС не могут в этом случае в полной мере выполнять необходимые задачи проектирования и анализа. Но, возможно, еще более важно то, что добавление интерпозера в технологический процесс проектирования может потребовать архитектурных, организационных изменений.

Сегодня ведущие полупроводниковые корпорации показали, что интерпозеры являются приемлемым решением, позволяющим создавать более крупные и более эффективные системы по сравнению с подходом, полагающимся только на масштабирование технологий. Интерпозеры являются основополагающими элементами технологий 2,5D и 3D корпусирования и в будущем они обеспечат развитие рынка чиплетов. Специалисты говорят, что 2,5D корпусирование можно определить как многокристальную (многочиплетную) конструкцию, в которой в качестве промежуточного уровня межсоединений между кристаллами (чиплетами) и органическим BGA/LGA корпусом используется интерпозер. Материалом интерпозера может быть кремний со сквозными отверстиями (TSV), органический слой перераспределения (RDL) или стекло. В случае применения кремниевых интерпозеров они могут быть пассивными или активными (слои устройств).

Задача, которую выполняет интерпозер, состоит в электрическом соединении сигнальных межсоединений разных кристаллов ИС/чиплетов. Как правило, интерпозеры обеспечивают мостовую шину между специализированными ИС (ASIC) или чиплетами. Это требуется для того, чтобы высокоскоростная передача данных осуществлялась по шинам физического уровня, поэтому минимизация перехода слоев сигнальных межсоединений между приборами физического уровня имеет решающее значение.

Интерпозер позволяет уменьшить число сигналов, выходящих из корпуса/модуля. Расположение элементов становится плотнее, паразитные явления снижаются, и можно подумать, что задачи проектирования и анализа упрощаются. Но существуют решения на основе памяти с высокой пропускной способностью (HBM). При этом используются параллельные интерфейсы, обеспечивающие межкристальную связь. В этом случае число сигналов и выводных контактных столбиков намного больше, чем при использовании последовательных решений. Интерфейс DDR-памяти обычно имеет меньше контактов, интерфейс памяти типа HBM. Это - другой аспект сложности, когда применяется «переполненный» (элементами) интерпозер и кристалл/кристаллы ИС поверх него.

Интерпозеры также применяются для повышения производительности и снижения энергопотребления. В частности, они в основном используются для уменьшения потребляемой мощности, необходимой для передачи огромных объемов данных между различными кристаллами. Снижение мощности может быть реализовано только в том случае, если амплитуда сигнала будет снижена до самого низкого уровня, поскольку существует сильная корреляция между ней и энергопотреблением. Это, в свою очередь, означает, что в конструкциях интерпозеров очень важны проблемы целостности сигнала.

Задействование интерпозера позволяет объединить элементы корпусирования, проектирования платы, проектирования кристалла ИС и, возможно, самое главное, системного проектирования. Это не последовательный процесс, когда сначала проектируется кристалл ИС, а затем разработчик начинает думать о корпусировании и интерпозере. Интерпозер занимает центральное место в конструкции системы, и он должен подходить под кристаллы, которые на нем планируется разместить. Верно и обратное. Это требует параллельного подхода или совместного проектирования всей системы. При этом необходимо тесное сотрудничество различных групп проектировщиков и у них должен быть «общий язык».

Чем интерпозер отличается от печатной платы? Проектирование интерпозера может быть похоже на проектирование сложной печатной платы, но сложность перспективных кремниевых интерпозеров с TSV и 3D-интеграцией намного превышает то, что делается на стандартной печатной плате. Инструментальные средства проектирования и анализа интерпозеров должны поддерживать гораздо большие наборы данных и должны полагаться на модели большего размера, использующие несколько вычислительных механизмов параллельно. Так что, хотя сходства могут быть, это совершенно новый мир.


Технологический процесс проектирования

Одним из модных слов в наши дни является «сдвиг влево» (т.е. перемещение некоторых операций проектирования со своих традиционных «мест» ближе к начальным этапам технологического процесса проектирования). Это, безусловно, верно, когда речь заходит об интеграции интерпозера в последовательность этапов проектирования. Многие проблемы являются фундаментальными для структуры того, как разработчик собирается создавать многокристальный модуль, и решить их нужно как можно раньше. Например, очевидна термическая проблема – нельзя этажировать друг на друга два кристалла с большим тепловыделением. То есть нужно заранее определить «горячие» кристаллы и то, где расположены их горячие точки. Затем придется подумать о схеме разводки питания и о том, какое падение напряжения следует предположить. Все это необходимо спланировать до того, как разработчик зафиксирует выбранную архитектуру. Многое из перечисленного происходит именно на стадии создания опытных образцов, и большая часть операций с физическими параметрами «смещается влево». Причина – потребность как можно более раннего анализа критических параметров.

Тепловой фактор становится все более сложной проблемой, поскольку введение интерпозера означает возникновение взаимосвязей отдельных кристаллов, даже если они физически или электрически не соединены. Это делает проблематичным разделение анализа. Близкое расположение кристаллов увеличивает вероятность проявления других форм взаимодействия между ними. В этой связи некоторые специалисты рассматривают возможность интеграции в интерпозеры средств фотоники - в целях снижения шумности (помех), влияющей на производительность всей системы.

Необходимо решить несколько вопросов. Ключом к предотвращению реализации неправильного компоновочного плана (размещения кристаллов на интерпозере/плате) является осуществление создания опытных образцов/планирования на более ранних этапах процесса проектирования. При этом необходимо задействовать методы прогностического анализа целостности сигнала, целостности (потребляемой) мощности и термического анализа с использованием методов совместной оптимизации системных технологий (STCO) (см. рисунок). Технологические маршруты на основе печатных плат и корпусов/модулей спроектированы для управления более длинными сигнальными каналами и нестандартными геометриями, которые пересекают несколько подложек, таких как материнская плата, дочерняя плата и системы на основе объединительных плат.



Необходимость совместной оптимизации при интеграции интерпозеров.


Тем не менее внедрение интерпозеров может создавать проблемы для существующих инструментальных средств проектирования печатных плат. Некоторые из старых инструментов имеют проблемы с масштабированием до 10,0-20,0 тыс. соединений, тогда как у интерпозеров возможности обеспечения подключаемости огромны. Речь идет о сотнях тысяч или миллионах соединений, что выходит за рамки многих современных инструментальных средств. Возможно, проектировщикам придется рассматривать различные комбинации – например использовать инструментальные средства проектирования ИС там, где это выгодно, затем анализировать и оптимизировать результаты применительно к интерпозеру, а далее интегрировать полученное в рамки более традиционного процесса проектирования корпуса/модуля. Ведущим разработчикам проекта необходимо учитывать, когда следует проводить обсуждения со специалистами по архитектурам, корпусированию и кристаллам ИС по всем возникающим вопросам, включая выбор инструментальных средств проектирования.

Это не идеальный вариант. Маршруты проектирования будут выглядеть как гибрид - ни рыба, ни мясо - поскольку объединяются различные области. Технологические процессы проектирования печатных плат обеспечивают формирование трактов передачи сигналы на различных подложках, в также возможности работы с различными материалами подложек и этажерок. При этом существуют материалы и структуры, которые являются кремниевыми или кремниеподобными, и для них могут подойти инструментальные средства проектирования ИС.

До тех пор, пока не появятся полностью работоспособные новые инструментальные средства, будут сохраняться организационные проблемы. Это действительно не технические, это организационные проблемы. Новая технология, предполагающая применение интерпозеров, не соответствует полностью имеющимся опыту и навыкам. Есть две группы фирм, подходящие к проблеме с разных сторон. Во-первых, это фирмы, больше ориентированные на печатные платы и подходящие к вопросу освоения интерпозеров с позиций корпусирования и печатных плат. Теперь они добавляют в свои маршруты и процессы проектирования более подробную информацию о кристаллах ИС. Во-вторых, есть фирмы, ориентированные в первую очередь на кристаллы ИС, и они рассматривают происходящее с точки зрения кристаллов - как введение дополнительной информации о методиках корпусирования и типе печатной платы. Два мира сближаются все больше и больше.

В процессе проектирования также будут необходимы дополнительные аспекты. В сложных конструкциях между кристаллами могут проходить тысячи сигналов, и чем их больше, тем выше вероятность сбоев. Справиться с этим можно за счет избыточности. Это уже наблюдается на примере параллельных интерфейсов, таких как HBI или AIB и HBM (интерфейс памяти с высокой пропускной способностью - high-bandwidth memory). Избыточность и возможность выполнять тестирование и ремонт после сборки необходимы, это придает дополнительную надежность.

Новые инструментальные средства являются важным элементом для более широкого внедрения интерпозеров. Современные инструментальные средства САПР были традиционно разделены на специализированные средства для печатных плат с одной стороны, и кристаллов ИС - с другой. Сейчас требуется новое поколение инструментов, специально предназначенных для 3D ИС. Существующие инструменты несколько «близоруки» в своих подходах, им нужен более широкий охват.


Вертикальная интеграция

Наибольших успехов в разработке и использовании технологии интерпозеров добились вертикально-интегрированные корпорации. Они способны управлять всеми этапами технологического процесса и перед ними стоит задача оптимизации всей системы.

В тоже время уже зафиксирован один случай, касающийся памяти с высокой пропускной способностью (HBM), когда были установлены необходимые стандарты, и это позволило отделять проектирование и изготовление запоминающих устройств от проектирования кристаллов ИС и интерпозеров. Кремниевые заводы также пытаются предоставить заказчикам проверенные конструкции повторно (многократно) используемых конструкций интерпозеров – с целью снижения рисков, связанных с внедрением данной технологии.

В полупроводниковой промышленности есть желание полностью разделить процесс, предполагающий применение интерпозеров, на части. Это позволило бы одной или нескольким фирмам проектировать кристаллы ИС, при этом проектированием и интеграцией интерпозеров занималась бы другая (другие) компания.

Это требует не только большей стандартизации инструментальных средств, но и самих методологий и межсоединений. Если необходимо создать универсальный чиплет, который можно использовать на любом интерпозере, требуются соответствующие стандарты. Требуется создать какие-то встроенные защитные средства и/или методы. Например, определить допуски на падение напряжения: оно должно быть в пределах определенного уровня, чтобы даже отдельные кристаллы работали должным образом.

Если рынок интерпозеров и корпусирования в конечном итоге станет похожим на современный рынок печатных плат, представления об интеграции изменятся. Одна из интересных тенденций в области чиплетов заключается в том, что можно разработать систему с некоторыми возможностями для одного рынка, а затем повторно использовать большую часть модуля - возможно, просто удалив один кристалл (или несколько кристаллов) для удовлетворения потребностей другого рынка. Это привносит новое измерение в сферу сложности. Появляется возможность существования одного интерпозера, используемого для нужд различных рынков. То есть в зависимости от потребностей конкретного конечного рынка разработчик/поставщик размещает на интерпозере различные кристаллы/сочетания кристаллов ИС.

Соответственно, требуются новые инструментальные средства и новые модели. Действительно, этапе исследования возникают проблемы с целостностью сигнала - из-за отсутствия заранее определенных моделей межсоединений. На этапе верификации отсутствуют методы извлечения данных о паразитных явлениях на всем протяжении технологического процесса. В настоящее время на рынке отсутствуют реальные методы совместного проектирования для оптимизации корпусирования кристаллов ИС. Наконец, отсутствуют необходимые инструментальные средства исследования для ранних этапов проектирования.


Заключение

Существующие инструментальные средства обеспечивают достаточные возможности для того, чтобы крупные вертикально интегрированные корпорации могли решать задачи, связанные с внедрением интерпозеров. Но для того, чтобы технология интерпозеров стала массово применяемой, необходимы новые инструментальные средства, методологии, модели и стандарты, требуются согласованные усилия всей экосистемы. То, что реализовать технологий интерпозеров возможно – уже продемонстрировано. Теперь необходимо расширить возможности, обеспечить появление более общей методология.

Работы в этом направлении уже ведутся, многое сделано. Очевидно, что когда затраты, связанные с интерпозерами, будут снижены, появится возможность создания нового поколения высокопроизводительных приборов с низким энергопотреблением, которые подстраивать под требования заказчиков. Это важный элемент концепции «Больше, чем Мур». Кроме того, рост числа различных чиплетов значительно снизит неповторяющиеся издержки (NRE), связанные с этим типом конструкции. Кстати, это было целью программы Управления перспективного планирования оборонных научно-исследовательских работ МО США - «Разработка общепринятых стратегий гетерогенной интеграции и повторно используемой интеллектуальной собственности» (Common Heterogeneous Integration and Intellectual Property (IP) Reuse Strategies, CHIPS), которая была начата реализацией в 2017 г. Возможно, она приближается к реальности.


Brian Bailey. Architecting Interposers. Semiconductor Engineering, October 14th, 2021

https://semiengineering.com/architecting-interposers/


ЧИТАЙТЕ ТАКЖЕ

Выпуск 24/25 (6748/6749) от 23 декабря 2021 г. г.
Выпуск 24/25 (6748/6749) от 23 декабря 2021 г. г.