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異構(gòu)集成路線(xiàn)圖和芯片的未來(lái)
異構(gòu)集成路線(xiàn)圖和芯片的未來(lái)
今年電子元件和技術(shù)會(huì)議 (ECTC) 舉辦了一系列關(guān)于異構(gòu)集成的研討會(huì)，并對(duì)異構(gòu)集成路線(xiàn)圖的當(dāng)前狀態(tài)（2019 年修訂版）進(jìn)行了很好的概述。SoM/CoM 的出現(xiàn)，以及智能手機(jī)等專(zhuān)業(yè)應(yīng)用中大量 SoC 的出現(xiàn)，都說(shuō)明集成如何在增加芯片功能而不顯著增加其占用空間方面發(fā)揮作用。電子產(chǎn)品中的集成計(jì)劃最初是為了一個(gè)目標(biāo)而開(kāi)發(fā)的：將更多功能引入更小的空間，并在不增加占地面積的情況下繼續(xù)擴(kuò)展設(shè)備。
異構(gòu)集成成為過(guò)去十年 ASIC 出現(xiàn)的更大主題，但通過(guò)先進(jìn)的封裝技術(shù)將其提升到一個(gè)新的水平。如果您是 PCB 設(shè)計(jì)師或系統(tǒng)設(shè)計(jì)師，更高集成度的組件將如何影響您的設(shè)計(jì)和布局實(shí)踐？我們已經(jīng)可以從當(dāng)今用于數(shù)據(jù)中心服務(wù)器和軍用航空嵌入式計(jì)算的一些先進(jìn) GPU 和 CPU 產(chǎn)品中獲得一些指導(dǎo)。然而，隨著嵌入式人工智能、量子、5G/6G、先進(jìn)機(jī)器人和混合功能系統(tǒng)等技術(shù)變得越來(lái)越普遍，這些產(chǎn)品將不可避免地滲透到日常設(shè)計(jì)師中。
半導(dǎo)體行業(yè)的整合
半導(dǎo)體行業(yè)協(xié)會(huì) (SIA) 最近宣布將在 2016 年春季停止開(kāi)展國(guó)際半導(dǎo)體技術(shù)路線(xiàn)圖 (ITRS) 中概述的活動(dòng)。在此之前，該行業(yè)遵循其自己的國(guó)家半導(dǎo)體技術(shù)路線(xiàn)圖 ( NTRS）直到國(guó)際公司在 1990 年代后期開(kāi)始加入。從 ITRS 轉(zhuǎn)向新的集成范式是一個(gè)重大轉(zhuǎn)變，尤其是當(dāng)您聽(tīng)到很多關(guān)于摩爾定律在推動(dòng)半導(dǎo)體縮放方面的主導(dǎo)地位時(shí)。今天，業(yè)界的每個(gè)人都承認(rèn)，除了英特爾和臺(tái)積電等大公司之外，摩爾定律下的持續(xù)擴(kuò)展正在為所有人帶來(lái)收益遞減。
在 ITRS 之后出現(xiàn)了國(guó)際設(shè)備和系統(tǒng)路線(xiàn)圖，其中的一個(gè)子集是異構(gòu)集成路線(xiàn)圖。在當(dāng)今物聯(lián)網(wǎng)、云連接數(shù)據(jù)中心和智能設(shè)備時(shí)代，該技術(shù)路線(xiàn)圖將重點(diǎn)從基于晶體管的電路的物理縮放轉(zhuǎn)移到了當(dāng)前的 7 納米以下節(jié)點(diǎn)?，F(xiàn)在的重點(diǎn)是具有應(yīng)用程序驅(qū)動(dòng)路線(xiàn)圖的新架構(gòu)，以支持大量新應(yīng)用程序。當(dāng)您考慮到異構(gòu)集成的重點(diǎn)是將不同的功能打包到一個(gè)包中時(shí)，電路板設(shè)計(jì)人員還需要做什么？
事實(shí)證明，留給電路板設(shè)計(jì)師的還有很多，事實(shí)上，他們將充當(dāng)現(xiàn)實(shí)世界和黑匣子組件之間的主要接口。首先，讓我們看看什么是異構(gòu)集成，我們將看到 PCB 設(shè)計(jì)人員的角色將如何繼續(xù)從基本布局任務(wù)轉(zhuǎn)移到板級(jí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和集成。
什么是異構(gòu)集成？
非常簡(jiǎn)單，異構(gòu)集成是將可能單獨(dú)制造的多個(gè)組件集成到一個(gè)真正的系統(tǒng)級(jí)封裝 (SiP) 中，其中單個(gè)組件通過(guò)連接所有組成組件來(lái)提供所有功能。想想一個(gè) SoC，但它有更多的硅芯片；每個(gè)組件都是單獨(dú)制造的，并通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)互連結(jié)構(gòu)連接在一起。
要了解這意味著什么，讓我們看看我們?nèi)绾潍@得異構(gòu)集成組件?？紤]下面的例子：我們有來(lái)自不同晶圓廠的多個(gè)半導(dǎo)體芯片，并且可能在不同的節(jié)點(diǎn)使用不同的技術(shù)生產(chǎn)。它們被集成到單個(gè)中介層中，并使用標(biāo)準(zhǔn)方法（通孔和軌道）互連。這些模塊化模具中的任何一個(gè)都可以像樂(lè)高積木一樣通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化接口連接在一起。
異構(gòu)集成中的簡(jiǎn)化思想
在某些方面，這模仿了從 1970 年代到今天開(kāi)發(fā) ASIC 的推動(dòng)，當(dāng)時(shí)使用通用可編程邏輯或分立元件很難處理的功能是用單個(gè)專(zhuān)用芯片實(shí)現(xiàn)的?，F(xiàn)在，您將為特定應(yīng)用構(gòu)建的大多數(shù)電路板都涉及一系列 ASIC、一些電源調(diào)節(jié)組件、一堆無(wú)源器件、一個(gè)處理器，也許還有一些特殊的邏輯組件。如果您正在構(gòu)建一個(gè)需要模擬前端或必須從另一臺(tái)儀器捕獲一些模擬信號(hào)的電路板，那么該模塊將內(nèi)置到您的 ASIC 中，或者您可以使用一些接口 IC（例如，ADC）放在板上以實(shí)現(xiàn)該功能。
當(dāng)前的單片機(jī)模塊結(jié)構(gòu)
對(duì)于不一定關(guān)注半導(dǎo)體封裝發(fā)展的設(shè)計(jì)師，我在下面展示了一些集成方法的示例和示例 SoC。左上角的圖像顯示了典型的BGA 封裝，其中硅芯片封裝在模塑料中。頂行的另外兩個(gè)圖像顯示了如何堆疊多個(gè)芯片并相互連接或通過(guò)鍵合線(xiàn)連接到 BGA 封裝。最后，下圖顯示了最復(fù)雜的異構(gòu)集成形式，其中存儲(chǔ)器和邏輯部分使用通孔集成到單個(gè)封裝中，稱(chēng)為硅通孔 (TSV) 技術(shù)。
異構(gòu)集成示例。
為什么要專(zhuān)注于從一組較小的芯片構(gòu)建更大的封裝？在平面半導(dǎo)體制造工藝中，當(dāng)芯片較厚時(shí)，成品率會(huì)降低，因此當(dāng)將更多功能封裝到單個(gè)芯片上時(shí)，以 3D 方式構(gòu)建超大規(guī)模模塊變得不那么經(jīng)濟(jì)。使用與標(biāo)準(zhǔn)互連架構(gòu)互連的獨(dú)立管芯更可靠。它還允許芯片設(shè)計(jì)人員采用模塊化方法來(lái)開(kāi)發(fā)芯片組件，其中多個(gè)芯片可以像樂(lè)高積木一樣組裝在一起。然后，您可以將其擴(kuò)展到多芯片組件，其中多個(gè)上述芯片結(jié)構(gòu)連接在一起形成一個(gè)封裝。這最近已在 AMD 的 Fiji 和 Epyc 處理器中使用，它是一種將多個(gè)內(nèi)核集成到單個(gè)芯片中的方法。
在組件和功能方面，異構(gòu)集成的大部分重點(diǎn)是將不同的數(shù)字組件封裝到更大的組件中，盡管模擬和機(jī)電組件（例如，MEMS）也是異構(gòu)集成的目標(biāo)組成部分。如果它可以通過(guò)平面工藝在晶圓上制造，那么它就是異構(gòu)集成的可能目標(biāo)。這種不同能力之間集成的潛力將我們引向了異構(gòu)集成路線(xiàn)圖中所關(guān)注的各個(gè)領(lǐng)域。
異構(gòu)集成路線(xiàn)圖中的重點(diǎn)領(lǐng)域
異構(gòu)集成路線(xiàn)圖于 2019 年發(fā)布，旨在解決阻礙特定應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)一步集成的挑戰(zhàn)。本文檔由三個(gè)反映電子生態(tài)系統(tǒng)當(dāng)前和未來(lái)狀態(tài)的 IEEE 協(xié)會(huì)贊助。異構(gòu)集成路線(xiàn)圖與其他標(biāo)準(zhǔn)路線(xiàn)圖的區(qū)別在于，它以應(yīng)用和挑戰(zhàn)為重點(diǎn)，而不是專(zhuān)注于特定功能。異構(gòu)集成路線(xiàn)圖中概述了六章，重點(diǎn)關(guān)注特定領(lǐng)域的技術(shù)挑戰(zhàn)：
高性能計(jì)算和數(shù)據(jù)中心，它們是持續(xù)小型化和集成的自然目標(biāo)
移動(dòng)設(shè)備，包括 5G 和未來(lái)的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)功能，如 6G
汽車(chē)，主要針對(duì)自動(dòng)駕駛汽車(chē)
醫(yī)療/健康設(shè)備和可穿戴設(shè)備，通常需要一系列提供專(zhuān)門(mén)功能的組件
航空航天和國(guó)防，在物理大型系統(tǒng)中為專(zhuān)業(yè)應(yīng)用實(shí)現(xiàn)多種功能的另一個(gè)領(lǐng)域
物聯(lián)網(wǎng)，一個(gè)足夠廣泛的類(lèi)別，可以與上述任何領(lǐng)域重疊
更深入地說(shuō)，異構(gòu)集成路線(xiàn)圖解決了一些廣泛的組件組的技術(shù)挑戰(zhàn)和潛在的解決方案。其中一些組件組在許多系統(tǒng)中很常見(jiàn)，如今已通過(guò)多個(gè)電路或組件集實(shí)現(xiàn)：
單芯片和多芯片模塊
集成電力電子
集成傳感器平臺(tái)，包括 MEMS 傳感器
集成光子學(xué)
5G芯片組
不同層次的異構(gòu)集成
這里的趨勢(shì)之一是將更多的計(jì)算能力和附加功能打包到標(biāo)準(zhǔn)包中，但重點(diǎn)放在 3 個(gè)級(jí)別：
這些異構(gòu)集成級(jí)別中的每一個(gè)都旨在解決不同的技術(shù)挑戰(zhàn)。
芯片異質(zhì)性
芯片異質(zhì)性側(cè)重于通過(guò)將多個(gè)芯片集成到單個(gè)封裝中的功能級(jí)集成。這與小芯片和多芯片模塊的設(shè)計(jì)密切相關(guān)。此級(jí)別硬件集成的一些示例包括：
在同一模塊中混合不同的封裝樣式
垂直和水平堆疊多個(gè)芯片（2.5D/3D 集成）
將多個(gè) SoC 模塊打包成一個(gè)更大的模塊
所有這些都與晶圓級(jí)封裝技術(shù)聯(lián)系在一起，例如用于垂直集成的 TSV 和用于無(wú)線(xiàn) SiP 的臺(tái)積電集成扇出 (InFO)。非常需要不依賴(lài)鍵合線(xiàn)的互連技術(shù)，特別是對(duì)于在管芯之間傳遞的超高速串行數(shù)據(jù)流。
系統(tǒng)異構(gòu)
不同的產(chǎn)品更適合處理不同的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)級(jí)集成旨在解決計(jì)算工作負(fù)載在不同模塊之間傳遞的任務(wù)。例如，重復(fù)向量計(jì)算最好在 GPU 上執(zhí)行，而AI 模型中使用的矩陣計(jì)算現(xiàn)在在 ASIC 上執(zhí)行。SiP 需要將這些選項(xiàng)與接口、內(nèi)存、處理器內(nèi)核和 I/O 接口一起提供，以便為特定工作負(fù)載提供最高效的計(jì)算處理。
這種級(jí)別的異構(gòu)集成更適合需要同時(shí)處理多個(gè)數(shù)據(jù)工作負(fù)載（標(biāo)量、向量、矩陣和空間）的數(shù)據(jù)中心。但是，這當(dāng)然可以擴(kuò)展到涉及射頻/無(wú)線(xiàn)以及光子學(xué)組件的嵌入式應(yīng)用。
用于具有集成光子電路的自動(dòng)駕駛汽車(chē)應(yīng)用的示例 SiP。
固件/軟件同質(zhì)性
這是一項(xiàng)重大挑戰(zhàn)，因?yàn)樗枰谇度胧讲僮飨到y(tǒng)和一組標(biāo)準(zhǔn) API 方面對(duì)一組產(chǎn)品進(jìn)行重大標(biāo)準(zhǔn)化。這更困難，因?yàn)殚_(kāi)發(fā)人員通常使用不同的語(yǔ)言和不同的專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域。我們可能會(huì)繼續(xù)使用許多高級(jí)語(yǔ)言來(lái)開(kāi)發(fā)將運(yùn)行并與異構(gòu)模塊交互的應(yīng)用程序。但是，開(kāi)發(fā)人員需要的是將多種語(yǔ)言的代碼編譯成單一代碼庫(kù)的單一開(kāi)發(fā)環(huán)境。目前還不清楚這種類(lèi)型的環(huán)境會(huì)是什么樣子，但芯片制造商正在努力開(kāi)發(fā)這種類(lèi)型的開(kāi)發(fā)環(huán)境以支持異構(gòu)產(chǎn)品。
異構(gòu)集成對(duì) PCB 設(shè)計(jì)師意味著什么
對(duì)于 PCB 設(shè)計(jì)人員而言，這種更高集成度的趨勢(shì)將更多功能和特性封裝到單個(gè)芯片上，并為設(shè)計(jì)人員提供了針對(duì)不同應(yīng)用的更專(zhuān)業(yè)的產(chǎn)品。在即將到來(lái)的技術(shù)領(lǐng)域工作的設(shè)計(jì)師將花費(fèi)更少的時(shí)間將不同的組件組合在一起，因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品將在單個(gè)設(shè)備中包含所需的功能。PCB 設(shè)計(jì)人員仍將面臨布局挑戰(zhàn)，但異構(gòu)集成有助于減少整體組件數(shù)量、系統(tǒng)尺寸和所需的外圍設(shè)備，而無(wú)需改變 PCB 設(shè)計(jì)人員的布局實(shí)踐。
這是否意味著 PCB 設(shè)計(jì)人員只需在電路板上連接電源塊和異構(gòu)集成模塊？當(dāng)然不是……異構(gòu)集成路線(xiàn)圖是基于應(yīng)用程序的，旨在推動(dòng)面向廣泛應(yīng)用領(lǐng)域的組件的生產(chǎn)。通過(guò)專(zhuān)注于廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，新產(chǎn)品將特定芯片組的組件整合到一個(gè)模塊中，并使用標(biāo)準(zhǔn)接口（PCIe、USB 等）將模塊鏈接在一起。