أصبح التكامل غير المتجانس اتجاهًا هامًا لاستمرار تكنولوجيا أشباه الموصلات في حقبة ما بعد مور، وقد يصبح التقنية السائدة لرقائق الأنظمة خلال الثلاثين عامًا القادمة، دافعًا الدوائر المتكاملة إلى عصر التكامل غير المتجانس. مع ذلك، لا يزال أمام التكامل غير المتجانس طريق طويل ليقطعه ليتجاوز التفكير التقليدي في الدوائر المتكاملة.

إحدى الطرق المهمة لتجاوز قانون مور

نحن نعيش حالياً في عصر ازدهار الاقتصاد الرقمي، حيث تشهد تطبيقات مثل الحوسبة عالية الأداء، والحوسبة السحابية، والافتراضية، وتحليل البيانات الضخمة، تطوراً سريعاً. وستؤدي هذه التطبيقات المتعددة إلى زيادة كبيرة في عبء العمل على المعالج، مما يستلزم دعماً بقدرات حاسوبية فائقة.

صرح بان شياومينغ، نائب الرئيس الأول العالمي لشركة AMD ورئيس منطقة الصين الكبرى، بأنه في العصر الذهبي لتصميم أشباه الموصلات، يمكن خفض تكلفة كل ترانزستور من خلال التطورات التكنولوجية مع تحسين الأداء. ومع ذلك، في كل مرة ندخل فيها عقدة جديدة، يستغرق ضمان نضج واستقرار العملية وقتًا أطول، وتزداد تكلفة العملية الجديدة بشكل ملحوظ. هذا يفرض تحديات جديدة، ويتطلب منا استكشاف المزيد من الابتكارات في جوانب أخرى لتحسين أداء المعالج وقدرته الحاسوبية. ويُعدّ التكامل غير المتجانس اتجاهًا تطويريًا هامًا لتحسين القدرة الحاسوبية للرقائق.

إذن، ما هو التكامل غير المتجانس؟ أوضح سونغ جي تشيانغ، نائب رئيس قسم الأبحاث في إنتل ومدير أبحاث إنتل في الصين، أن التكامل غير المتجانس هو دمج مكونات مادية ذات بنى معالجة مختلفة، ومجموعات تعليمات مختلفة، ووظائف مختلفة في نظام حاسوبي واحد. وفي الوقت نفسه، يُعد التكامل غير المتجانس تعاونًا بين الرقائق، والحزم، والأنظمة، والبرمجيات. فهو ليس مجرد جانب تقني واحد، بل هو توليفة من جوانب تقنية متعددة، تشمل دمج الأجهزة، والتصميم، وخوارزميات البرمجيات، وغيرها، لتحقيق نظام غير متجانس فعال.

لقد أصبح قانون مور في الواقع شعاراً لصناعة أشباه الموصلات، ولكن يجب على الناس التخلص من هوسهم بتقليص حجم عقدة المعالجة لتعزيز التطور المستمر لتكنولوجيا أشباه الموصلات. 

في هذا السياق، أشار ماو جونفا، عضو الأكاديمية الصينية للعلوم، إلى وجود مسارين رئيسيين لتطوير تكنولوجيا أشباه الموصلات: مواصلة قانون مور، وتجاوزه. فعندما يواجه مسار مواصلة قانون مور تحديات جسيمة، بما في ذلك حدود المبادئ الفيزيائية، والوسائل التقنية، والتكاليف الاقتصادية، يصبح تجاوز قانون مور خيارًا مجديًا للتطوير. وتُعد الدوائر المتكاملة غير المتجانسة إحدى أهم الوسائل لتجاوز قانون مور.

أكد ماو جونفا على الأهمية العلمية الكبيرة لدراسة التكامل غير المتجانس لأشباه الموصلات. فمن خلال الدوائر المتكاملة، يمكن تطويرها من عملية التصنيع المتجانسة الحالية إلى دمج عمليات تصنيع غير متجانسة متعددة، ومن التكامل ثنائي الأبعاد إلى التكامل ثلاثي الأبعاد، مما يُتيح إنشاء أنظمة معقدة عالية الأداء. وتتميز خصائص التكامل غير المتجانس بخصائص فريدة، أولها قدرته على دمج مواد وعمليات وهياكل ومكونات أشباه موصلات مختلفة؛ وثانيها اعتماده على مفاهيم تصميم الأنظمة؛ وثالثها تطبيقه لتقنيات متقدمة مثل الملكية الفكرية والرقائق الصغيرة، ذات هياكل عالية الكثافة ثنائية الأبعاد ونصف أو ثلاثية الأبعاد. ونتيجة لذلك، تستطيع الرقائق المتكاملة غير المتجانسة تحقيق وظائف قوية ومعقدة، متجاوزةً بذلك حدود أداء عملية تصنيع أشباه الموصلات الفردية؛ وفي الوقت نفسه، تتميز بمرونة عالية وموثوقية فائقة، وسرعة في دورات البحث والتطوير، وإمكانية تصغير حجمها وتخفيف وزنها.

أطلقت كبرى الشركات المصنعة العالمية تقنيات تكامل غير متجانسة

بفضل هذه المزايا، أصبح التكامل غير المتجانس المسار الرئيسي لتطوير تكنولوجيا أشباه الموصلات في حقبة ما بعد مور، ويوليه المزيد من المصنّعين الرئيسيين أهمية بالغة. في معرض كومبيوتكس (معرض تايبيه للحاسوب) لهذا العام، أطلقت AMD منتجًا تجريبيًا، رايزن 5000، الذي يستخدم تقنية التغليف المتقدمة ثلاثية الأبعاد من TSMC، والتي نجحت في تغليف رقاقات صغيرة تحتوي على ذاكرة تخزين مؤقتة من المستوى الثالث بسعة 64 ميجابايت مع المعالج في بنية ثلاثية الأبعاد. ووفقًا لـ AMD، يمكن لهذه التقنية زيادة كثافة التوصيلات البينية بأكثر من 200 ضعف للرقاقات ثنائية الأبعاد، كما يمكنها أن تصل إلى أكثر من 15 ضعفًا مقارنةً بحلول التغليف ثلاثية الأبعاد الحالية.

استنادًا إلى تطوير تقنية التكامل غير المتجانس، اقترحت إنتل مفهوم XPU. وصرح سونغ جي تشيانغ قائلاً: "بالنسبة لإنتل، فإننا نعزز ابتكار الحوسبة غير المتجانسة من خلال التكامل غير المتجانس لوحدات XPU ذات البنى المختلفة ونموذج البرمجة الموحد متعدد البنى oneAPI لتحقيق التعاون بين البرمجيات والأجهزة لتلبية المزيد من أعباء العمل، وتحقيق كفاءة عالية في استهلاك الطاقة، ومساعدة العملاء على خفض التكاليف، وتوفير حلول سريعة وفقًا للاحتياجات."

في "يوم الهندسة المعمارية" العام الماضي، أطلقت إنتل تقنية الربط الهجين القائمة على تغليف EMIB (جسر الربط البيني متعدد الرقاقات المدمج) ثنائي الأبعاد، وتغليف Foveros ثلاثي الأبعاد، وتقنية CO-EMIB التي تجمع بين ثنائي وثلاثي الأبعاد. وتتيح هذه التقنية الحصول على قدرة أعلى على نقل التيار عبر التوصيلات الكهربائية، وتسريع تحقيق مسافات بينية تبلغ 10 ميكرون وما دون، مما يوفر كثافة ربط بيني أعلى، وعرض نطاق ترددي أكبر، واستهلاكًا أقل للطاقة في الوسائط غير المتجانسة.

لا تقتصر أهمية تقنية التكامل غير المتجانس على شركتي إنتل وإيه إم دي فحسب، بل تشمل أيضاً كبرى شركات تصنيع الرقائق العالمية مثل إنفيديا وكوالكوم وزيلينكس وغيرها. وعلى الصعيد المحلي، تُجري شركات مثل يونيسوك وبكين إنجينيكس وفيميكرو أبحاثاً وتطويراً مكثفاً في مجال التكامل غير المتجانس، وتُطلق منتجات وحلولاً ذات صلة. ويُعدّ جهاز Tanggula T770 الذي أطلقته يونيسوك حديثاً مثالاً نموذجياً على دمج معالج رباعي النواة ARM A76 ومعالج رباعي النواة ARM A55 ووحدة معالجة رسومية Mali-G57 ورقائق النطاق الأساسي، وغيرها.

يجب كسر التفكير التقليدي القائم على "الطريق".

على الرغم من أن آفاق تطوير التكامل غير المتجانس واسعة للغاية، إلا أن تحقيقه ليس بالأمر الهين. وقد أكد ماو جونفا على أنه نظرًا للترابط الوثيق بين الوسائط ذات الخصائص والوظائف المختلفة، وتضاربها في كثير من الأحيان، فإنه عند تصميم الدوائر غير المتجانسة، من الضروري معالجة قضايا الإجهاد الكهرومغناطيسي والحراري، والتصميم التعاوني متعدد الفيزياء، والتصميم التعاوني متعدد الوظائف لهوائيات الدوائر النشطة/الخاملة والدوائر الرقمية/التناظرية. وفيما يتعلق بعملية التصنيع، فإن ضبط معايير عملية التكامل غير المتجانس يتأثر أيضًا بالخصائص الفيزيائية المتعددة للكهرباء والحرارة والإجهاد. ومن الضروري فهم العلاقات الداخلية بينها، وإتقان آليات التصميم الكمي والتحسين للعملية.

يعتقد سونغ جي تشيانغ أيضاً أن التكامل غير المتجانس يتطلب التخلي عن بنية واحدة في مجال الأجهزة، وأن بنية XPU التي تدمج بنى متعددة ستصبح سائدة. وقد فرض ظهور بنية XPU متطلبات أعلى على البرمجيات، نظراً لندرة المطورين القادرين على إتقان لغات برمجة متعددة البنى في آن واحد، ولأن البرمجيات عنصر أساسي في تحسين أداء الأجهزة. لذا، تُعد نماذج البرمجيات القادرة على البرمجة عبر البنى المختلفة والأدوات التي تُحسّن كفاءة البرمجة بالغة الأهمية.

اقترحت إنتل ستة ركائز تقنية لعبت دورًا محوريًا في تطبيق XPU، وهي: المعالجة، والبنية، والذاكرة، والترابط، والأمان، والبرمجيات. ورغم أن الحوسبة غير المتجانسة تبدو وكأنها محتوى على مستوى الأجهزة، إلا أن إطلاق العنان لقدراتها يتطلب تكامل الرقائق والأنظمة والبرمجيات قبل أن تتمكن من أداء دورها. أولًا، طبقة الرقاقة، التي تشير إلى عدم التجانس داخل حزمة الرقاقة وترتبط ارتباطًا وثيقًا بمفهوم "الرقائق الصغيرة"؛ ثانيًا، طبقة النظام، التي تشير إلى تكامل بنى الحوسبة متعددة الوظائف ومتعددة البنى؛ ثالثًا، طبقة البرمجيات، وهي نموذج البرمجة الموحد متعدد البنى oneAPI، الذي يوفر للمطورين سهولة البرمجة على بنى مختلفة من خلال مجموعة من واجهات البرمجيات ومكتبات الوظائف.

في مواجهة تطور التكامل غير المتجانس، اقترح ماو جونفا فكرة بحثية شاملة، وهي كسر التفكير التقليدي "الطريق" للدوائر المتكاملة، استنادًا إلى نظرية الفيزياء المتعددة المقترنة، والاسترشاد بتكوين قدرات التكامل غير المتجانس، والجمع بين المجالات والطرق لقيادة الاتجاه التقني للدوائر المتكاملة غير المتجانسة لأشباه الموصلات.

تنويه: هذه المقالة مُعاد نشرها من "الرابطة الصينية لصناعة أشباه الموصلات". لا تُمثل هذه المقالة سوى وجهة نظر الكاتب الشخصية، ولا تُمثل آراء شركة ساكو مايكرو أو قطاع صناعة أشباه الموصلات. يُقصد بإعادة نشرها ومشاركتها دعمًا لحماية حقوق الملكية الفكرية. يُرجى ذكر المصدر الأصلي والكاتب عند إعادة النشر. في حال وجود أي انتهاك، يُرجى التواصل معنا لحذفها.

رقم هاتف الشركة: +86-0755-83044319
فاكس: +86-0755-83975897
بريد إلكتروني: 1615456225@qq.com
س: 3518641314 مدير لي

ف ف: 332496225 مدير تشيو

العنوان: الغرفة 809، المبنى ج، مبنى زانتاو للتكنولوجيا، رقم 1079 شارع مينزي، منطقة لونغهوا الجديدة، شنتشن