ادغام ناهمگن در حال تبدیل شدن به یک جهت مهم برای ادامه فناوری نیمه‌هادی در دوران پس از مور است و ممکن است در 30 سال آینده به فناوری اصلی برای تراشه‌های سطح سیستم تبدیل شود و مدارهای مجتمع را به دوران ادغام ناهمگن سوق دهد. با این حال، ادغام ناهمگن هنوز راه درازی برای شکستن تفکر سنتی "جاده" در مورد مدارهای مجتمع در پیش دارد.

یک روش مهم برای دور زدن قانون مور

ما در حال حاضر در دوران شکوفایی اقتصاد دیجیتال هستیم و برنامه‌هایی مانند محاسبات با کارایی بالا، محاسبات ابری و مجازی‌سازی و تجزیه و تحلیل کلان داده به سرعت در حال توسعه هستند. این سری از سناریوهای کاربردی نیز حجم کاری بسیار زیادی را به پردازنده وارد می‌کنند و به پشتیبانی از قدرت محاسباتی قدرتمند نیاز دارند.

پان شیائومینگ، معاون ارشد جهانی AMD و رئیس منطقه چین بزرگ، گفت که در عصر طلایی طراحی نیمه‌هادی‌ها، مردم می‌توانند هزینه هر ترانزیستور را از طریق پیشرفت‌های تکنولوژیکی کاهش دهند و در عین حال عملکرد را بهبود بخشند. با این حال، هر بار که وارد یک گره جدید می‌شویم، اطمینان از بلوغ و پایداری فرآیند زمان بیشتری می‌برد و هزینه فرآیند جدید به طور قابل توجهی افزایش می‌یابد. این امر چالش‌های جدیدی را برای مردم به ارمغان می‌آورد و ما باید نوآوری‌های بیشتری را در جنبه‌های دیگر بررسی کنیم تا عملکرد پردازنده و قدرت محاسباتی را بیشتر بهبود بخشیم. ادغام ناهمگن در حال تبدیل شدن به یک جهت توسعه مهم برای بهبود قدرت محاسباتی تراشه است.

بنابراین، ادغام ناهمگن چیست؟ سونگ جی‌کیانگ، معاون رئیس تحقیقات اینتل و مدیر تحقیقات اینتل چین، اشاره کرد که ادغام ناهمگن ترکیبی از سخت‌افزار با معماری‌های پردازش مختلف، مجموعه دستورالعمل‌های مختلف و عملکردهای مختلف در یک سیستم محاسباتی است. در عین حال، ادغام ناهمگن همچنین همکاری تراشه‌ها، بسته‌ها، سیستم‌ها و نرم‌افزار است. این یک نکته فنی واحد نیست، بلکه ترکیبی از چندین نکته فنی است که شامل ادغام دستگاه‌ها، طراحی، الگوریتم‌های نرم‌افزاری و غیره برای دستیابی به یک سیستم ناهمگن کارآمد می‌شود.

قانون مور در واقع به نمادی برای صنعت نیمه‌هادی تبدیل شده است، اما مردم باید از وسواس خود در مورد کوچک شدن گره‌های فرآیند خلاص شوند تا تکامل مداوم فناوری نیمه‌هادی را ترویج دهند. 

در همین راستا، مائو جونفا، یکی از اعضای آکادمی علوم چین، خاطرنشان کرد که در حال حاضر دو مسیر اصلی توسعه برای فناوری نیمه‌هادی وجود دارد: ادامه قانون مور و انحراف از قانون مور. وقتی ادامه قانون مور با مجموعه‌ای از چالش‌های شدید، از جمله محدودیت‌های اصول فیزیکی، ابزارهای فنی و هزینه‌های اقتصادی مواجه است، انحراف از قانون مور یک راه توسعه امکان‌پذیر است. مدارهای مجتمع ناهمگن یکی از راه‌های مهم برای دور زدن قانون مور هستند.

مائو جونفا تأکید کرد که اهمیت علمی مطالعه ادغام ناهمگن نیمه‌هادی نیز قابل توجه است. از طریق مدارهای مجتمع، مدارهای مجتمع می‌توانند از فرآیند همگن واحد فعلی به ادغام چندین فرآیند ناهمگن و از ادغام مسطح دو بعدی فعلی به ادغام سه‌بعدی توسعه یابند و در نتیجه سیستم‌های پیچیده با کارایی بالا را محقق کنند. ویژگی‌های ادغام ناهمگن برجسته هستند. اول، می‌تواند مواد، فرآیندها، ساختارها و اجزای نیمه‌هادی مختلف را ادغام کند؛ دوم، مفاهیم طراحی سیستم را اتخاذ می‌کند؛ سوم، از فناوری‌های پیشرفته‌ای مانند IP و چیپلت‌ها با ساختارهای 2.5 بعدی یا 3 بعدی با چگالی بالا استفاده می‌کند. در نتیجه، تراشه‌های مجتمع ناهمگن می‌توانند به عملکردهای قدرتمند و پیچیده دست یابند و از محدودیت‌های عملکرد یک فرآیند نیمه‌هادی واحد عبور کنند. در عین حال، آنها انعطاف‌پذیری قوی، قابلیت اطمینان بالا، چرخه‌های تحقیق و توسعه کوتاه دارند و می‌توانند به کوچک‌سازی و سبک وزنی دست یابند.

تولیدکنندگان بزرگ بین‌المللی، فناوری‌های یکپارچه‌سازی ناهمگن را راه‌اندازی کرده‌اند

به دلیل این مزایا، ادغام ناهمگن به مسیر اصلی توسعه فناوری نیمه‌هادی در دوران پس از مور تبدیل شده است و تولیدکنندگان اصلی بیشتری به آن اهمیت زیادی می‌دهند. در نمایشگاه کامپیوتکس امسال (نمایشگاه کامپیوتر تایپه)، AMD یک محصول آزمایشی Ryzen 5000 را منتشر کرد که از فناوری بسته‌بندی پیشرفته 3D Fabric شرکت TSMC برای بسته‌بندی موفقیت‌آمیز چیپلت‌های حاوی 64 مگابایت حافظه نهان L3 با پردازنده در یک پشته سه‌بعدی استفاده می‌کند. طبق گفته AMD، این فناوری می‌تواند چگالی اتصال را برای تراشه‌های 2D بیش از 200 برابر افزایش دهد و همچنین می‌تواند در مقایسه با راه‌حل‌های بسته‌بندی سه‌بعدی موجود، به بیش از 15 برابر برسد.

بر اساس توسعه فناوری ادغام ناهمگن، اینتل مفهوم XPU را پیشنهاد داد. سونگ جی‌کیانگ گفت: «برای اینتل، ما نوآوری محاسبات ناهمگن را از طریق ادغام ناهمگن XPUهای معماری‌های مختلف و مدل برنامه‌نویسی یکپارچه بین معماری oneAPI ترویج می‌دهیم تا به همکاری نرم‌افزار و سخت‌افزار برای پاسخگویی به حجم کاری بیشتر، دستیابی به بهره‌وری بالای انرژی، کمک به مشتریان در کاهش هزینه‌ها و ارائه سریع راه‌حل‌ها بر اساس نیازها دست یابیم.»

در «روز معماری» سال گذشته، اینتل فناوری پیوند ترکیبی (Hybrid Bonding) را بر اساس بسته‌بندی دوبعدی EMIB (پل اتصال چندتراشه جاسازی‌شده)، بسته‌بندی سه‌بعدی Foveros و فناوری CO-EMIB که دوبعدی و سه‌بعدی را ترکیب می‌کند، رونمایی کرد. این فناوری ظرفیت حمل جریان بالاتری را از طریق اتصالات الکتریکی به دست می‌آورد، تحقق گام‌های ضربه‌ای 10 میکرون و کمتر را تسریع می‌کند و چگالی اتصال بالاتر، پهنای باند و مصرف برق کمتری را برای رسانه‌های ناهمگن به ارمغان می‌آورد.

نه تنها اینتل و AMD، بلکه تولیدکنندگان بین‌المللی پیشرو تراشه از جمله NVIDIA، Qualcomm، Xilinx و غیره نیز اهمیت زیادی برای فناوری ادغام ناهمگن قائل هستند. در داخل کشور، شرکت‌هایی مانند Unisoc، Beijing Ingenics و Vimicro نیز به طور فعال در حال تحقیق و توسعه در مورد ادغام ناهمگن و راه‌اندازی محصولات و راه‌حل‌های مرتبط هستند. Tanggula T770 که به تازگی توسط UNISOC عرضه شده است، تراشه‌های ARM A76 چهار هسته‌ای، ARM A55 چهار هسته‌ای، پردازنده گرافیکی Mali-G57 و تراشه‌های باند پایه و غیره را ادغام می‌کند. این یک کاربرد معمول از ادغام ناهمگن است.

نیاز به شکستن تفکر سنتی «جاده»

اگرچه چشم‌انداز توسعه‌ی ادغام ناهمگن بسیار گسترده است، اما تحقق آن آسان نیست. مائو جونفا تأکید کرد که از آنجایی که رسانه‌ها با خواص و عملکردهای مختلف به هم متصل هستند و اغلب با یکدیگر در تضاد هستند، هنگام طراحی مدارهای ناهمگن، لازم است مسائل مربوط به تنش الکترومغناطیسی-حرارتی، طراحی مشارکتی چند فیزیکی و طراحی مشارکتی چند عملکردی آنتن‌های مدار فعال/غیرفعال و مدارهای دیجیتال/آنالوگ حل شود. از نظر تولید فرآیندی، تنظیم پارامترهای فرآیند ادغام ناهمگن نیز تحت تأثیر خواص چند فیزیکی برق، گرما و تنش قرار خواهد گرفت. درک روابط داخلی آنها و تسلط بر مکانیسم‌های طراحی کمی و بهینه‌سازی فرآیند ضروری است.

سونگ جی‌کیانگ همچنین معتقد است که ادغام ناهمگن باید از نظر سخت‌افزاری از یک معماری واحد جدا شود و معماری XPU که چندین معماری را ادغام می‌کند، به جریان اصلی تبدیل خواهد شد. تولد معماری XPU الزامات بالاتری را برای نرم‌افزار مطرح کرده است، زیرا توسعه‌دهندگانی که می‌توانند همزمان بر چندین زبان برنامه‌نویسی معماری تسلط داشته باشند، نادر هستند و نرم‌افزار بخش کلیدی آزادسازی عملکرد سخت‌افزار است. مدل‌های نرم‌افزاری که می‌توانند در معماری‌های مختلف برنامه‌نویسی کنند و ابزارهایی که می‌توانند کارایی برنامه‌نویسی را بهبود بخشند، بسیار مهم هستند.

اینتل شش ستون فنی را پیشنهاد کرده است که نقش کلیدی در پیاده‌سازی XPU ایفا کرده‌اند، از جمله فرآیند، معماری، حافظه، اتصال داخلی، امنیت و نرم‌افزار. اگرچه به نظر می‌رسد محاسبات ناهمگن یک محتوای سطح سخت‌افزاری است، اما برای آزادسازی قابلیت‌های آن، قبل از اینکه بتواند نقشی ایفا کند، نیاز به ادغام تراشه‌ها، سیستم‌ها و نرم‌افزار است. اولین لایه، لایه تراشه است که به ناهمگنی درون بسته تراشه اشاره دارد و ارتباط نزدیکی با مفهوم "تراشه‌های کوچک" دارد؛ دومین لایه، لایه سیستم است که به ادغام معماری‌های محاسباتی چند منظوره و چند معماری اشاره دارد؛ سومین لایه، لایه نرم‌افزاری، مدل برنامه‌نویسی یکپارچه بین معماری oneAPI است که می‌تواند از طریق مجموعه‌ای از رابط‌های نرم‌افزاری و مجموعه‌ای از کتابخانه‌های تابع، راحتی برنامه‌نویسی روی معماری‌های مختلف را برای توسعه‌دهندگان فراهم کند.

در مواجهه با توسعه ادغام ناهمگن، مائو جونفا یک ایده تحقیقاتی کلی را پیشنهاد کرد که عبارت است از شکستن تفکر سنتی "جاده" مدارهای مجتمع، بر اساس نظریه چند فیزیکی جفت شده، با هدایت شکل گیری قابلیت های ادغام ناهمگن، ترکیب میدان ها و جاده ها برای هدایت جهت فنی مدارهای مجتمع ناهمگن نیمه هادی.

سلب مسئولیت: این مقاله از "انجمن صنعت نیمه‌هادی چین" کپی شده است. این مقاله فقط بیانگر دیدگاه‌های شخصی نویسنده است و بیانگر دیدگاه‌های ساکو میکرو و صنعت نیست. این مقاله فقط برای چاپ مجدد و به اشتراک گذاری جهت حمایت از حفاظت از حقوق مالکیت معنوی است. لطفاً منبع اصلی و نویسنده را برای چاپ مجدد ذکر کنید. در صورت وجود هرگونه نقض، لطفاً برای حذف آن با ما تماس بگیرید.

شماره تلفن شرکت: +86-0755-83044319
فکس/فکس: +86-0755-83975897
ایمیل: 1615456225@qq.com
QQ: 3518641314 مدیر لی

QQ: 332496225 مدیر کیو

آدرس: اتاق ۸۰۹، ساختمان C، ساختمان فناوری ژانتائو، پلاک ۱۰۷۹ خیابان مینزی، منطقه جدید لونگهوا، شنژن