Перспективы и трудности освоения чиплет-моделей

Перспективы и трудности освоения чиплет-моделей

Выпуск 2(6676) от 24 января 2019 г.
РУБРИКА: ПРОРЫВНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ МИКРО И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ

Идея объединения в одной конструкции разнородных модулей по принципу детского конструктора LEGO обсуждается почти десятилетие. До сих пор на коммерческом уровне этот подход сумела реализовать только корпорация Marvell, при этом исключительно для своих кристаллов ИС – ​в рамках архитектуры модульного кристалла (MoChi). С тех пор началась реализация трех отдельных инициатив в этой области. Первая – ​под эгидой DARPA. Вторая – ​«Международная маршрутная карта развития приборов и систем» (International Roadmap for Devices and Systems), реализуемая совместно www.ieee.org/. Крупнейшая в мире некоммерческая ассоциация, объединяющая более 300 тыс. технических специалистов из 147 стран, ведущий орган стандартизации, отвечающий также за сетевые стандарты. Образована в 1963 г. ИИЭР проводит и спонсирует технические конференции, симпозиумы и семинары, ведет масштабную издательскую и образовательную деятельность.">IEEE и SEMI. Третья осуществляется консорциумом фирм, включая Netronome, Achronix, Kandou Bus, GlobalFoundries, NXP, Sarcina Technology и SiFive. В Европе подобные работы ведутся, в частности, Обществом Фраунгофера и CEA-Leti.

Органы государственного управления, промышленные группы и отдельные микроэлектронные корпорации начинают концентрироваться вокруг различных чиплет-моделей. Этим они стараются подготовить почву для нового этапа проектирования сложных кристаллов ИС, которые можно будет быстрее и проще создавать с использованием стандартизированных интерфейсов и компонентов.

Корпорация Marvell представила свою архитектуру MoChi три года назад. Разработка призвана решить проблему, связанную с ростом издержек дальнейшего масштабирования ИС, постоянными изменениями в области алгоритмов ИИ и появления новых рынков наподобие систем автономного вождения и сетей 5G.

Создание новых структур проектирования и достижение в связи с этим определенного уровня стандартизации может оказаться полезным с точки зрения снижения издержек проектирования и сокращения длительности его цикла. Задача – ​принципиальное снижение затрат на внедрение инноваций, избежание однотипных и постоянных ошибок проектирования, а кроме того – ​сокращение численности групп разработчиков с ~200 до 5–10 человек. При этом коммерческая эффективность подобного подхода должна быть доказана на опыте не одной, а достаточно значительного числа фирм. С данной точки зрения серьезную проблему представляет обеспечение достаточной последовательности и гибкости в рамках глобальной цепочки поставок, причем экономически эффективным способом.

Реальная ценность заключается в создании каталога чиплетов, обеспечивающего отслеживаемость поставок ИС и то, какие проблемы возникли перед людьми, работавшими с данным воплощением интеллектуальной собственности – ​как в аппаратной, так и в программной версиях. Также в подобных случаях должны учитываться соображения безопасности, так как некоторые группы разработчиков или пользователей имеют доступ к определенной интеллектуальной собственности. Соответственно, все подобные аспекты должны переводиться в системы управления данными, отслеживающие правильность и законность использования интеллектуальной собственности.



Источник: Marvell

Рисунок 1. Пример схемы MoChi для смартфона

* FLC (Final-Level Cashe) – архитектура кэша финального уровня корпорации Marvell.


ПРЕДСТОЯЩИЕ ТРУДНОСТИ

Создание инфраструктуры, состоящей из нескольких компаний, разрабатывающих СФ-блоки физического уровня, – ​задача нетривиальная. Дополнительно она усложняется тем, что ИС могут разрабатываться фирмами, расположенными в разных странах и даже регионах. Помимо языковых трудностей, часто возникающих в подобных случаях, обеспечение адекватного определения показателей надежности, безопасности, электростатических явлений и явлений эффектов близости для некоторых применений может потребовать большей точности, чем для других. Это особенно верно для применений, критических с точки зрения безопасности, а также в случаях, когда при создании кристалла ИС используются компоненты, реализуемые по новейшим (минимальным) топологическим нормам.

Каждый раз, когда в конструкцию добавляется новое устройство (прибор), ее сложность возрастает в 2–3 раза. Так, например, специалисты корпорации DELTA Microelectronics изготавливали двукристальные модули, в которых могли использоваться кристаллы, реализованные по различным топологиям (180, 40 и 28 нм). Но все подобные конструкции были заказными, и кристаллы разрабатывались специально для совместной работы. Отмечается, что, если делать их более стандартизированными, они не будут адаптированы друг к другу.

Существуют и другие проблемы в случае отношений более чем с одним поставщиком. К ним относится, в частности, своевременность поставок. Кроме того, некоторые пластины со сформированными кристаллами ИС при поставке могут подвергнуться загрязнению, что поставит под вопрос возможность применения таких микросхем. Тогда одной из основных проблем становится граница раздела между кристаллами ИС, а второй – ​секционирование.

При разработке архитектуры чиплетов возникает проблема разделения СФ-блоков и создания такой архитектуры, которая позволит это осуществить. Для переключателей или центральных процессоров главная проблема – ​время ожидания компонентов, а следующая по значимости – ​внедрение новой архитектуры в производство. Создать интеллектуальную собственность, работающую в демонстрационном режиме, легко, но для создания интеллектуальной собственности, отвечающей производственным требованиям, требуется значительно больше усилий и времени. Так, разрабатываемые СФ-блоки должны пройти тестирование на электростатический разряд, работу в горячих, холодных и изменяющихся процессах.


УСКОРЕНИЕ ПРОЦЕССА КОРПУСИРОВАНИЯ

Хотя при проектировании чиплетов много внимания уделяется сокращению времени вывода изделий на рынок и приведение их в соответствие с требованиями заказчика, существует и необходимость корпусирования, в том числе с использованием методик разветвления. Одна из крупных проблем в этом плане – ​размещение кристалла.

Чиплеты концептуально хорошо подходят для решений с разветвлением, наподобие архитектуры EMIB корпорации Intel, но осуществить это не так просто. Применение современных технологий с разветвлением и других перспективных подходов требует точного размещения кристалла ИС на подложке и использования слоя перераспределения.

Хотя подход fan-out уже используется в массовом производстве, особенно в смартфонах, основанных на архитектуре InFO корпорации TSMC, более широкое применение данного метода корпусирования только начинается. Пока существует мало реализаций многокристальных решений – ​из-за их высокой стоимости.

Следующим этапом станет добавление воспроизводимости – ​при этом, вероятно, потребуются новые подходы. Над одним из таких подходов работает фирма Brewer Science, использующая в своих шаблонах тонкую пленку в качестве трафарета. Трафарет позволяет значительно снизить проблемы с перемещениями кристалла, отказаться от использования интерпозера и смеси пресс-формы из эпоксидной смолы при формировании полостей в кремнии. Таким образом, уменьшаются угрозы деформации – ​подход с использованием чиплетов оказывается более модульным и помогает сократить механические усилия, прикладываемые к разным частям формируемой структуры.



Источник: Brewer Science

Рисунок 2. Концепция формирования ИС с использованием чиплетов


КТО И ЧТО ДЕЛАЕТ?

Программа CHIPS («Стратегии общей гетерогенной интеграции и повторного использования интеллектуальной собственности») получила поддержку в сфере гражданских, военных и авиационных применений от таких фирм, как Boeing, Lockheed, Northrop Grumman, Intel, Micron, Cadence и Synopsys. SEMI и IEEE также сформировали совместную маршрутную карту с целью ускорения интеграционных процессов, а корпорация Mentor, входящая теперь в конгломерат Siemens, создала технологический процесс корпусирования для их обеспечения.

Тем не менее превращение нового изделия в массово производимый коммерческий продукт занимает много времени. Кроме того, в настоящее время нет определенных протоколов для межкристальной связи. Протоколы, используемые для автономных приборов, могут использоваться и для межкристальной связи, но это решение неоптимально и способно вызвать существенные потери на уровне времени ожидания. Чип-леты могут стать выходом из данной ситуации, но для этого необходима их стандартизация. Целью разработчиков должно стать не лучшее определение характеристик, а достижение большей функциональной совместимости (интероперабельности), когда стандартизированная продукция сможет обеспечить надежное взаимодействие чиплетов в рамках комплексных решений. Для этого потребуется создание новых стандартов и методологий сертификации совместимости. В противном случае каждое комплексное решение будет нуждаться в значительных объемах проектно-конструкторских разработок при выполнении конкретного заказа.

Все это требует новых знаний в предметной области, итогом получения которых может оказаться изменение правил игры на самых разных уровнях. Движущим фактором станет массовое удовлетворение требований заказчиков, подход, при котором интеллектуальная собственность независимых поставщиков будет способствовать окончательному формированию конечных решений, при этом обеспечивать результат на более предсказуемом уровне. Разработчикам также потребуются знания не только в области ИИ, сетей и проблем обеспечения безопасности данных, но и в области проблемно-ориентированных языков. В настоящее время, в условиях получения СФ-блоков от различных поставщиков, необходимо ориентироваться на необходимые для создания гибких инструкций топологии. По мере того как в одной конструкции интегрируется все большее число кристаллов, увеличивается важность оценки их правильности, так как один негодный чиплет может привести к отказу всей конечной системы. Не следует забывать, что кристаллы ИС или модули могут повреждаться при корпусировании, тестировании или даже при транспортировке, соответственно, цена повреждений возрастает с увеличением числа используемых в конечной конструкции кристаллов ИС.

Сейчас акцент делается на использование более миниатюрных корпусов и межсоединений. В связи с этим характеристики чиплетов должны определяться на уровне тех же самых плотностей размещения элементов и их возможных взаимодействий, которые определяются используемыми инструментальными средствами проектирования, библиотеками элементов и т. п.

Инструментальные средства проектирования при их правильном выборе и настройке могут способствовать снижению числа ошибок, возникающих при создании новых систем, особенно когда их сложность превышает способность человеческого мозга отображать все возможные взаимодействия при проектировании одновременно в нескольких измерениях. При этом в зависимости от конкретного случая инструментальные средства проектирования могут обуславливать выбор применяемых методологий и наоборот.

Как бы то ни было, после создания основы проектирования новой системы разработчик оказывается свободен в своих действиях по уточнению процесса, сокращению издержек проектирования и производства, экспериментированию с новыми возможностями, например по использованию межкристальных фотонных связей. В настоящее время фотонные технологии, появившиеся сравнительно недавно, мало изучены. Считается, что их использование в центрах хранения и обработки данных или средствах связи может способствовать значительному увеличению производительности, снижению времени задержки, сокращению тепловыделения. Когда будут достигнуты реальные результаты, пока сказать трудно. Тем не менее весь 2018 г. перспективность фотоники при изготовлении чиплетов неоднократно обсуждалась в ходе многочисленных дискуссий в рамках различных научно-практических конференций, выставок и т. п.



Источник: Georgia Tech

Рисунок 3. Чиплеты, соединенные с интерпозером


ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Коммерчески широкая доступность чиплетов, видимо, будет обес-печена через несколько лет. Сейчас они используются в ограниченных применениях, но большинство специалистов полупроводниковой промышленности рассматривают чиплеты как одно из перспективных направлений развития отрасли. При этом для решения возникающих вопросов потребуются усилия многих фирм.

 

Sperling Ed. Getting Down to Business on Chiplets. Semiconductor Engineering, November 26, 2018: https://semiengineering.com/semiconductor-industry-getting-serious-about-chiplets/


ЧИТАЙТЕ ТАКЖЕ

Выпуск 22(6746) от 11 ноября 2021 г. г.
Выпуск 16(6740) от 19 августа 2021 г. г.
Выпуск 13(6737) от 08 июля 2021 г. г.