La integración heterogénea se está convirtiendo en una dirección importante para la continuidad de la tecnología de semiconductores en la era posterior a Moore, y podría convertirse en la tecnología dominante para los chips a nivel de sistema en los próximos 30 años, impulsando los circuitos integrados hacia la era de la integración heterogénea. Sin embargo, la integración heterogénea aún tiene un largo camino por recorrer para romper con la concepción tradicional de los circuitos integrados.

An important way to bypass Moore's Law

We are currently in an era of booming digital economy, with applications such as high-performance computing, cloud computing and virtualization, and big data analysis developing rapidly. This series of application scenarios will also bring a very large workload to the processor and require the support of powerful computing power.

Pan Xiaoming, AMD's global senior vice president and president of Greater China, said that in the golden age of semiconductor design, people can reduce the cost of each transistor through technological advancements while improving performance. However, every time we enter a new node, it takes longer to ensure the maturity and stability of the process, and the cost of the new process is increasing significantly. This brings new challenges to people, and we need to explore more innovations in other aspects to further improve processor performance and computing power. Heterogeneous integration is becoming an important development direction for improving chip computing power.

So, what is heterogeneous integration? Song Jiqiang, vice president of Intel Research and director of Intel China Research, pointed out that heterogeneous integration is the combination of hardware with different process architectures, different instruction sets, and different functions into a computing system. At the same time, heterogeneous integration is also the collaboration of chips, packages, systems, and software. It is not a single technical point, but a synthesis of multiple technical points, involving the integration of devices, design, software algorithms, etc., to achieve an efficient heterogeneous system.

Moore's Law has actually become a banner for the semiconductor industry, but people must get rid of their obsession with process node shrinkage to promote the continued evolution of semiconductor technology. 

En este sentido, Mao Junfa, académico de la Academia China de Ciencias, señaló que actualmente existen dos vías principales de desarrollo para la tecnología de semiconductores: continuar con la Ley de Moore y desviarse de ella. Cuando continuar con la Ley de Moore se enfrenta a una serie de desafíos extremos, incluyendo las limitaciones de los principios físicos, los medios técnicos y los costos económicos, desviarse de ella se convierte en una vía de desarrollo viable. Los circuitos integrados heterogéneos son una de las formas importantes de eludir la Ley de Moore.

Mao Junfa emphasized that the scientific significance of studying semiconductor heterogeneous integration is also significant. Through integrated circuits, integrated circuits can develop from the current single homogeneous process to the integration of multiple heterogeneous processes, and from the current two-dimensional planar integration to the three-dimensional integration, thereby realizing high-performance complex systems. The characteristics of heterogeneous integration are outstanding. First, it can integrate different semiconductor materials, processes, structures and components; second, it adopts system design concepts; third, it applies advanced technologies such as IP and chiplets, with 2.5-dimensional or 3-dimensional high-density structures. As a result, heterogeneous integrated chips can achieve powerful and complex functions, breaking through the performance limits of a single semiconductor process; at the same time, they have strong flexibility, high reliability, short research and development cycles, and can achieve miniaturization and lightweight.

Los principales fabricantes internacionales han lanzado tecnologías de integración heterogénea.

Debido a estas ventajas, la integración heterogénea se ha convertido en la principal vía para el desarrollo de la tecnología de semiconductores en la era posterior a Moore, y cada vez más fabricantes importantes le otorgan gran importancia. En la Computex (Taipei Computer Show) de este año, AMD presentó el producto experimental Ryzen 5000, que utiliza la avanzada tecnología de empaquetado 3D Fabric de TSMC para empaquetar con éxito chiplets que contienen una caché L3 de 64 MB con el procesador en una pila 3D. Según AMD, esta tecnología puede aumentar la densidad de interconexión en más de 200 veces para chips 2D, y también puede alcanzar más de 15 veces en comparación con las soluciones de empaquetado 3D existentes.

Basándose en el desarrollo de la tecnología de integración heterogénea, Intel propuso el concepto de XPU. Song Jiqiang afirmó: "En Intel, impulsamos la innovación de la computación heterogénea mediante la integración heterogénea de XPU de diferentes arquitecturas y el modelo de programación unificado entre arquitecturas oneAPI para lograr la colaboración entre software y hardware, satisfacer más cargas de trabajo, alcanzar una alta eficiencia energética, ayudar a los clientes a reducir costos y brindar soluciones rápidas según sus necesidades".

En el evento "Architecture Day" del año pasado, Intel lanzó la tecnología Hybrid Bonding basada en el empaquetado 2D EMIB (Embedded Multi-chip Interconnect Bridge), el empaquetado 3D Foveros y la tecnología CO-EMIB, que combina 2D y 3D. Esto permite obtener una mayor capacidad de conducción de corriente mediante conexiones eléctricas, acelera la fabricación de espaciamientos entre contactos de 10 micras o menos, y aporta mayor densidad de interconexión, ancho de banda y menor consumo de energía a los medios heterogéneos.

No solo Intel y AMD, sino también los principales fabricantes internacionales de chips, como NVIDIA, Qualcomm y Xilinx, otorgan gran importancia a la tecnología de integración heterogénea. A nivel nacional, empresas como Unisoc, Beijing Ingenics y Vimicro también están investigando y desarrollando activamente la integración heterogénea y lanzando productos y soluciones relacionados. El nuevo Tanggula T770 de UNISOC integra chips ARM A76 de 4 núcleos, ARM A55 de 4 núcleos, GPU Mali-G57 y chips de banda base, entre otros. Es un ejemplo típico de aplicación de la integración heterogénea.

Need to break the traditional "road" thinking

Although the development prospects of heterogeneous integration are very broad, it is not easy to realize it. Mao Junfa emphasized that since media with different properties and functions are closely coupled and often conflict with each other, when designing heterogeneous circuits, it is necessary to solve electromagnetic-thermal-stress, multi-physics collaborative design, and multi-functional collaborative design issues of active/passive circuit antennas and digital/analog circuits. In terms of process manufacturing, the adjustment of heterogeneous integration process parameters will also be affected by the multi-physical properties of electricity, heat, and stress. It is necessary to understand their internal relationships and master the process quantitative design and optimization mechanisms.

Song Jiqiang también cree que la integración heterogénea debe romper con la arquitectura única en términos de hardware, y que la arquitectura XPU, que integra múltiples arquitecturas, se convertirá en la norma. El surgimiento de la arquitectura XPU ha planteado mayores exigencias para el software, ya que los desarrolladores que dominan simultáneamente lenguajes de programación para múltiples arquitecturas son escasos, y el software es fundamental para optimizar el rendimiento del hardware. Los modelos de software que permiten programar en diversas arquitecturas y las herramientas que mejoran la eficiencia de la programación son de suma importancia.

Intel has proposed six technical pillars, which played a key role in the implementation of XPU, including process, architecture, memory, interconnection, security and software. Although heterogeneous computing seems to be a hardware-level content, to unleash its capabilities requires the integration of chips, systems, and software before it can play a role. The first is the chip layer, which refers to the heterogeneity within the chip package and is closely related to the concept of "small chips"; the second is the system layer, which refers to the integration of multi-functional and multi-architecture computing architectures; the third is the software layer, the unified cross-architecture programming model oneAPI, which can provide developers with the convenience of programming on different architectures through a set of software interfaces and a set of function libraries.

In the face of the development of heterogeneous integration, Mao Junfa proposed an overall research idea, which is to break the traditional "road" thinking of integrated circuits, based on the coupled multi-physics theory, guided by the formation of heterogeneous integration capabilities, combining fields and roads to lead the technical direction of semiconductor heterogeneous integrated circuits.

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