Преимущества и недостатки чиплетов

Преимущества и недостатки чиплетов

Выпуск 12 (6711) от 25 июня 2020 г.
РУБРИКА: МИКРОЭЛЕКТРОНИКА

Чиплеты, как альтернативный способ проектирования новейших конструкций интегральных схем, завоевывают все бόльшую популярность в полупроводниковой промышленности. Приборы, спроектированные и изготовленные с их использованием, уже продемонстрировали корпорации AMD, Intel, TSMC, Marvell и ряд других. Пока применение чиплетов в промышленности ограничено из-за отсутствия единой экосистемы, стандартов и т. п., но работа по решению этих вопросов уже ведется. Ряд кремниевых заводов, а также поставщиков услуг сборки, корпусирования и тестирования полупроводниковых приборов осваивают эту технологию, стремясь обеспечить наиболее полное удовлетворение нужд клиентов.

Цель использования чиплетов состоит в сокращении времени разработки нового продукта и снижения затрат за счет интеграции предварительно разработанных кристаллов в многокристальный модуль. В распоряжении производителей ИС оказываются целые библиотеки модульных кристаллов или чиплетов. На различных топологических уровнях чиплеты могут иметь различные функции. Клиенты подбирают их методом смешения и подгонки и задействуют в схемах межкристальных соединений.

Сама эта концепция не нова. На протяжении многих лет несколько компаний поставляли чиплетподобные конструкции, но в настоящее время модель начинает стремительно набирать популярность. Причина в том, что на перспективных технологических уровнях с минимальными топологиями сейчас обычно разрабатываются «системы-на-кристалле» (SoC). На каждом новом технологическом уровне происходит масштабирование функциональных блоков и их интеграция в монолитный кристалл, однако по мере уменьшения топологических норм этот подход становится все более сложным и дорогостоящим.

Одни разработчики остаются приверженными SoC-подходу, другие ищут альтернативы. Еще один способ разработки конструкций системного уровня – ​сборка сложных кристаллов с использованием перспективных методик корпусирования. Чиплеты можно рассматривать как способ модуляризации такого подхода. Их использование относится к сфере 2,5D- и 3D-интеграции и пока находится на ранней стадии развития, но все больше и больше продуктов корпорации Intel и ее конкурентов отражают этот подход. Сейчас каждый крупный кремниевый завод имеет свою технологическую маршрутную карту увеличения плотности межсоединений как для 2,5D‑, так и для 3D-интеграции. Ожидается, что в будущем чиплет-подход будет все активнее применяться в 2,5D- и 3D-конструкциях, в том числе при этажировании кристаллов логики и памяти, а также кристаллов логических приборов.

Ряд крупных фирм уже создали технологии для разработки и производства продукции с использованием чиплет-подхода, но многие компании не имеют всех необходимых для этого элементов. Им понадобится разработать или приобрести соответствующие технологии и способы их интеграции, что создает определенные трудности, например:

конечная цель состоит в получении годных и совместимых чиплетов – ​собственных или независимых поставщиков, но эта модель все еще находится в стадии разработки;

появляются технологии межкристальных соединений независимых поставщиков, но их пока недостаточно;

для некоторых схем межкристальных соединений отсутствует поддержка проектирования;

важную роль в развитии чиплет-подхода будут играть кремниевые заводы и OSAT-поставщики, однако найти поставщика с требующимися сложно-функциональными (СФ) блоками и производственными возможностями не так просто.

Работа по преодолению всех этих трудностей ведется, и со временем область применения чиплет-модели будет расширяться. Конечно, этот подход не заменит традиционные SoC – ​ни одна технология не может удовлетворить все потребности, поэтому будут сосуществовать различные архитектуры. У многих поставщиков ИС чиплеты могут и вовсе никогда не появиться.


Применение и проблемы чиплетов

На протяжении десятилетий в микроэлектронике действовал т. н. закон Мура: производители ИС переходили на новый технологический уровень (с меньшими проектными нормами) каждые 1,5–2 года. За этот срок не только осваивались меньшие топологии, но и удваивалось число транзисторов на кристалле ИС – ​и все это без увеличения удельной стоимости функции для конечного потребителя (снижение удельных затрат). Но на 16/14‑нм технологическом уровне тенденция начала давать сбои. Затраты на проектирование и производство ИС резко возросли, и с тех пор сроки перехода на новые топологические нормы выросли до 2,5 лет и более. Конечно, не всем ИС требуются минимальные размеры топологических элементов – ​и не все, что в настоящее время интегрируется на один и тот же кристалл, выигрывает от масштабирования.

Вот тут-то и пригодятся чиплеты. Крупный кристалл можно «разбить» на более мелкие части, которые комбинируются по мере необходимости, что, очевидно, предполагает более низкую стоимость и лучший выход годных в сравнении с монолитными кристаллами. При этом следует пояснить: чиплет – ​это не тип корпусирования, а методология архитектуры корпусирования. Благодаря чиплетам кристаллы могут интегрироваться в существующие типы корпусов – ​2,5D/3D-модули, FOWLP или многокристальные модули (MCM). Разработчики, используя чиплеты, смогут создавать совершенно новые архитектуры.

Все зависит от требований заказчика. Чиплет можно рассматривать как оптимизацию решения требуемой задачи на физическом уровне, а также с экономической точки зрения. Все чиплеты создаются с учетом различных параметров – ​быстродействия, тепловыделения или потребляемой мощности. В зависимости от того, какой подход выбирает разработчик, определяется и стоимость как фактор.

Например, корпорация Intel, используя собственную чиплет-методику Foveros (технология 3D-корпусирования), представила в 2019 г. платформу разработки 3D центральных процессоров (CPU), которая позволяет объединить в одном корпусе одно 10-нм процессорное ядро с четырьмя 22-нм процессорными ядрами. Помимо этого специалисты корпорации рассматривают возможность создания 2,5D- и 3D-модулей на основе совместного использования технологии Foveros и разработанной несколько лет назад технологии EMIB (технология встраиваемого мостика многокристальных межсоединений) (см. рисунок).

Разработкой чиплетподобных продуктов занимаются и другие фирмы, включая AMD и Marvell. Как правило, эти конструкции предназначены для тех же приложений, что и изделия, созданные при помощи современных технологий 2,5D-корпусирования – ​ИС искусственного интеллекта и другие средства интенсивной работы с данными. Наиболее распространенный вариант в настоящее время – ​этажерки логики и памяти на интерпозере. В высокопроизводительных продуктах, требующих больших объемов памяти, все шире применяется подход на основе чиплетов.



Источник: Intel

2,5D- и 3D-модули с использованием технологий EMIB и Foveros корпорации Intel

* TSV (through-silicon via) – одна из технологий 2,5- и 3D-корпусирования, предполагающая этажерочное расположение кристаллов или ядер кристаллов с формированием межсоединений сквозь подложку ИС или кремниевую пластину с целью экономии занимаемого пространства, снижения потребляемой мощности, увеличения производительности и скорости внутрисхемной связи.


Тем не менее большинство специалистов считает, что чиплеты не будут доминировать в области проектирования. В некоторых случаях монолитные кристаллы окажутся самым дешевым вариантом. Но можно с уверенностью сказать, что для высокопроизводительных продуктов чиплет-подход станет нормой (если еще не стал).

Как правило, для разработки продукта на основе чиплетов требуются заведомо годные кристаллы, инструментальные средства САПР, технологии межкристальных соединений и специализированная производственная стратегия.

В настоящее время проекты по созданию чиплетов в основном реализуются вертикально-интегрированными компаниями, располагающими всем необходимым. При интеграции нескольких кристаллов необходимо иметь подробную информацию о каждом из них, их архитектуре, физических и логических интерфейсах. Нужны инструментальные средства САПР, позволяющие осуществлять совместное проектирование различных кристаллов. Не все фирмы располагают такими возможностями. Некоторые необходимые элементы могут быть доступны, а другие еще не готовы. Задача состоит в том, чтобы найти необходимые фрагменты и интегрировать их, но это потребует времени и ресурсов.

С чего же начать? Для многих разработчиков отправными точками становятся фирмы, оказывающие услуги проектирования, кремниевые заводы и OSAT-поставщики. Некоторые кремниевые заводы не только производят ИС по контрактам, но и предоставляют различные услуги корпусирования. Часть из них уже готовится к эре чиплетов. Например, TSMC разрабатывает технологию под названием «система-на-ИС» (system on integrated chip, SoIC), которая позволяет создавать для клиентов 3D-модели с использованием чиплетов. Компания также имеет свою собственную технологию межкристальных соединений – ​Lipincon. Другие кремниевые заводы и OSAT-поставщики предоставляют различные перспективные методы корпусирования, но не разрабатывают собственные схемы межкристальных соединений, предпочитая сотрудничать с различными независимыми организациями, создающими такие схемы.

Межкристальные соединения связывают в модуле один кристалл с другим и имеют решающее значение. Каждый кристалл состоит из СФ-блока с физическим интерфейсом. Один кристалл с интерфейсом подключения может связываться с другим кристаллом по короткому проводнику.

Ряд фирм разработали межсоединения с проприетарными (собственными) интерфейсами, т. е. они предназначены для использования с фирменными приборами. Но для расширения применения чиплетов в промышленности требуются межсоединения с открытыми интерфейсами, обеспечивающими взаимодействие кристаллов различных поставщиков.

Если отрасль хочет двигаться в направлении экосистемы, поддерживающей интеграцию на основе чиплетов, это означает, что разные компании должны будут начать обмениваться друг с другом СФ-блоками ИС. Но так никто не делает – ​и это одно из существенных препятствий. Для преодоления указанной проблемы необходимо создать интегрированный стандартный интерфейс, что позволит отказаться от совместного использования СФ-блоков ИС. Пример подает индустрия ДОЗУ, производители которых используют стандартный интерфейс DDR – ​для его применения не требуется детального знания конструкции ИС ЗУ. То же самое верно и применительно к чиплетам. Идея состоит в обходе препятствия в виде обмена СФ-блоками и переходе на модульный подход, наподобие конструктора LEGO.


Разработка стандартных интерфейсов

Производители и разработчики ИС уже создают открытые технологии межкристальных соединений и интерфейсов – ​например, AIB, BoW, OpenHBI и XRS. Каждая из этих технологий сейчас находится на различных стадиях развития. Кроме того, ни одна из них не может удовлетворить все потребности, поэтому остается пространство для сосуществования нескольких схем межсоединений и интерфейсов.

Разработанная компанией Intel шина AIB (Advanced Interface Bus) представляет собой схему межкристального интерфейса, передающую данные между чиплетами. Есть две версии: AIB Base, предназначенная для «более легких реализаций», и AIB Plus, разработанная для высоких скоростей передачи данных. В спецификациях AIB максимальная тактовая частота не указана, а минимальная очень низкая – ​50 МГц. AIB отличается высокой пропускной способностью – ​типичная скорость передачи данных на провод составляет 2 Гбит/с.

Между тем Форум оптического межсетевого обмена (Optical Internetworking Forum) разрабатывает технологию CEI‑112G-XSR. Она обеспечивает подключаемость со скоростью передачи данных 112 Гбит/с на канал в приложениях с ультра- и экстракороткими соединениями. XSR предназначена для соединения в многокристальных модулях чиплетов и оптических блоков. К целевым приложениям относятся искусственный интеллект и сетевые технологии. Появление окончательной версии стандарта ожидается к концу 2020 г.

Группа разработчиков ODSA (Open Domain-Specific Architecture – ​архитектура представления предметной области) определяет два других межкристальных интерфейса, Bunch of Wires (BoW) и OpenHBI. BoW поддерживает обычные и перспективные методики корпусирования. Первоначальная цель состояла в создании универсального межкристального интерфейса, способного работать в широком диапазоне решений корпусирования. Данный интерфейс по-прежнему находится в стадии НИОКР. Пока существуют два его варианта – ​«ограниченный» и «неограниченный». В новейших ИС BoW демонстрирует пропускную способность 0,1 Тбит/мм у простого интерфейса или 1 Тбит/мм у перспективного.

Предложенная корпорацией Xilinx технология OpenHBI – ​это технология межкристальных соединений и интерфейсов, разработанная при создании памяти с высокой пропускной способностью (high-bandwidth memory, HBM). Сама HBM используется в высокопроизводительных модулях. В этой схеме памяти кристаллы ДОЗУ этажируются друг на друга, что позволяет увеличить пропускную способность в системах, а маршрутизация сигналов между этажеркой ДОЗУ и входящей в модуль SoC осуществляется интерфейсом физического уровня. OpenHBI представляет собой аналогичную концепцию – ​разница заключается в том, что интерфейс OpenHBI обеспечивает связь чиплетов в модуле.

Спецификация OpenHBI определяет скорость передачи данных в 4 Гбит/с, при времени ожидания 10 нс и энергоэффективности порядка 0,7–1,0 пДж/бит. Общая пропускная способность составляет 4096 Гбит/с. Реализация данного стандарта запланирована на конец 2020 г. Следующая версия стандарта, получившая название OpenHBI3, также находится на этапе НИОКР. Она предполагает скорости передачи данных 6,4 Гбит/с и 10 Гбит/с при времени ожидания менее 3,6 нс.

В конечном счете в распоряжении клиентов окажется несколько вариантов межкристальных соединений и интерфейсов, но это не решает всех проблем. Принцип интероперабельности (возможности взаимодействия) чиплетов разных фирм только начинает реализовываться, и здесь уже возникают свои проблемы. Другой аспект – ​бизнес-модель. Как управлять рисками, если чиплеты получены от стартапа? Что делать, если он обанкротится? Т. е. в управлении цепочками поставок пока много сложностей.

Со стороны поставщиков услуг корпусирования, таких как Amkor, или OSAT-поставщиков отмечается, что тип межкристальной шины обычно определяется клиентами. Доступные интерфейсы, такие как AIB и BoW, представляют собой примеры продолжающихся усилий по созданию общих спецификаций для межкристальных интерфейсов, что помогает в целом обеспечить функционирование рынка чиплетов. Возможность использовать открытые стандарты или оставаться с собственным интерфейсом – ​это всегда выбор клиента. В настоящее время наблюдается использование клиентами обоих подходов. Важно отметить, что межкристальные интерфейсы охватывают две основные категории – ​от несимметричных широких шин (наподобие шины данных HBM) до последовательных интерфейсов с несколькими физическими линиями, но с гораздо более высокой скоростью. Компромиссы производительности, которые следует учитывать во всех случаях, – ​это время ожидания, потребляемая мощность и количество физических проводов, что влияет на выбор типа модуля. С точки зрения корпусирования выбор конкретного решения будет зависеть от типа шины и физической плотности линии связи. Как правило, это либо модульный тип (2,5D- или FOWLP-решения) с более высокой плотностью разводки, либо многокристальные модули с высокой плотностью расположения элементов.


Вопросы проектирования

Надеясь решить многие из этих проблем, группа разработчиков ODSA пытается сформировать рынок чиплетов – ​Chiplet Design Exchange (CDX), установив при этом открытые форматы безопасного обмена информацией, обеспечивающие сохранение конфиденциальности. На CDX будут представлены эталонные технологические процессы, демонстрирующие информационные потоки при создании опытных образцов. В формировании CDX принимают участие представители широкого круга производителей ИС, поставщиков инструментальных средств САПР, OSAT-поставщиков, фирм-поставщиков услуг проектирования, поставщиков чиплетов и дистрибьюторов.

Сроки завершения создания CDX остаются неясными. Между тем клиентам требуются инструментальные средства САПР для проектирования продуктов на основе чиплетов. В принципе, такие средства, поддерживающие перспективные методики корпусирования и чиплет-технологий, уже доступны. Однако существуют и некоторые пробелы.

При переходе от интегрированного проектирования на основе SoC к дезинтегрированному проектированию на основе чиплетов требуется подходить к совместному проектированию на уровне функциональности ИС, корпусов, модулей и плат. Все это бросает новые вызовы как проектировщикам ИС, так и проектировщикам корпусов и модулей: для последних формирование топологии и верификации кремниевых подложек – ​новые, неизвестные задачи, которые для разработчиков ИС являются обычным делом.

К счастью, поставщики инструментальных средств САПР предлагают кросс-платформенные инструменты. Но и в этом случае остается несколько проблем. Например, при переходе от проектирования одного устройства к проектированию или интеграции нескольких приборов требования к определению и управлению подключаемостью верхнего уровня становятся решающими. Еще одна область, которая существенно меняется при проектировании нескольких чиплетов в 3D-этажерке, – ​тестирование. Например, как тестировать чиплет в верхней части этажерки, который может не иметь никаких связей с внешним миром?

Есть и другие проблемы. Для получения значительной экономии, обусловленной ростом масштабов производства, требуется возможность легкого повторного использования чиплетов в различных модулях. Соответственно, необходимо разработать строгую документацию и соблюдать согласованные стандарты, будь то в масштабах всей отрасли, всего процесса или всей компании. Без этого каждая конструкция будет оставаться трудоемким, громоздким и дорогим заказным проектом.


Изготовление чиплетов

После завершения проектирования конструкции ИС она формируется на пластине в заводских условиях и передается на тестирование. На этом этапе применяются автоматизированное оборудование тестирования, тестер для проверки полупроводниковых пластин и зондовая карта – ​с целью определить соответствие сформированного рисунка проекту и годность кристалла ИС.

В области тестирования чиплетов существуют значительные технические и финансовые проблемы. С технической точки зрения проблема заключается в значительном уменьшении шага и размера микростолбиковых выводов. Размер этих контактных микростолбиков может составлять 25 мкм и менее. Кроме того, плотность расположения микростолбиков конструкции на основе чиплетов может быть в два-четыре раза выше, чем у эквивалентного монолитного прибора. В результате точность прицеливания, необходимая при зондировании такого небольшого объекта на 300‑мм пластине, сравнима с обнаружением булавочной головки на футбольном поле.

С экономической точки зрения тестировать каждый контактный микростолбик, как правило, непомерно дорого и непрактично. Проблема затрат заключается в том, чтобы грамотно выявить заведомо бездефектные (годные) кристаллы и обеспечить достаточно хорошее тестовое покрытие по приемлемой цене. Важные инструментальные средства обеспечения экономически жизнеспособной стратегии тестирования – ​«проектирование под тестируемость», встроенные средства самотестирования или оптимизация технологического процесса тестирования. Кроме того, в модулях с несколькими кристаллами один негодный кристалл может привести к отказу всего модуля. И чиплет-подход, и различные подходы на основе гетерогенной интеграции связаны со сложностями, обуславливающими необходимость эффективного контроля – ​для обеспечения высокого выхода годных и долгосрочной надежности выпускаемой продукции.

При этом, несмотря на все сложности, с которыми сталкивается реализация чиплет-модели, эта технология необходима. Реализовывать решения на традиционной основе масштабирования ИС и монолитных кристаллов на все меньшие топологии сможет позволить себе все меньшее число фирм. С этой точки зрения чиплеты предлагают отрасли широкий спектр возможностей и потенциальных решений.


Lapedus Mark. The Good And Bad Of Chiplets. Semiconductor Engineering, May 27, 2020: https://semiengineering.com/the-good-and-bad-of-chiplets/


ЧИТАЙТЕ ТАКЖЕ

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