L'intégration hétérogène s'impose comme une voie essentielle pour l'avenir des semi-conducteurs après l'arrêt Moore et pourrait devenir la technologie dominante pour les puces système au cours des 30 prochaines années, propulsant ainsi les circuits intégrés dans l'ère de l'intégration hétérogène. Toutefois, cette dernière a encore un long chemin à parcourir pour se détacher de la conception traditionnelle des circuits intégrés.

An important way to bypass Moore's Law

Nous vivons actuellement dans une ère d'économie numérique en plein essor, où des applications telles que le calcul haute performance, le cloud computing, la virtualisation et l'analyse des mégadonnées se développent rapidement. Ces différents scénarios d'application engendreront une charge de travail considérable pour les processeurs et nécessiteront une puissance de calcul importante.

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.

Qu’est-ce que l’intégration hétérogène ? Song Jiqiang, vice-président de la recherche chez Intel et directeur de la recherche chez Intel en Chine, explique que l’intégration hétérogène consiste à combiner, au sein d’un même système informatique, des matériels dotés d’architectures de processus, de jeux d’instructions et de fonctions différents. Elle implique également la collaboration entre les puces, les boîtiers, les systèmes et les logiciels. Il ne s’agit pas d’un simple élément technique, mais d’une synthèse de multiples aspects, incluant l’intégration des dispositifs, de la conception, des algorithmes logiciels, etc., afin de parvenir à un système hétérogène performant.

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. 

À cet égard, Mao Junfa, membre de l'Académie chinoise des sciences, a souligné qu'il existe actuellement deux grandes voies de développement pour la technologie des semi-conducteurs : la poursuite de la loi de Moore et son dépassement. Face aux défis majeurs que représente la poursuite de la loi de Moore, notamment les limites des principes physiques, des moyens techniques et des coûts économiques, s'en écarter constitue une voie de développement envisageable. Les circuits intégrés hétérogènes représentent l'une des principales solutions pour s'affranchir de la loi de Moore.

Mao Junfa a souligné l'importance scientifique de l'étude de l'intégration hétérogène des semi-conducteurs. Grâce aux circuits intégrés, il est possible de passer d'un procédé homogène unique à l'intégration de multiples procédés hétérogènes, et d'une intégration planaire bidimensionnelle à une intégration tridimensionnelle, permettant ainsi la réalisation de systèmes complexes haute performance. L'intégration hétérogène présente des caractéristiques remarquables : elle permet d'intégrer différents matériaux, procédés, structures et composants semi-conducteurs ; elle adopte une approche systémique ; et elle met en œuvre des technologies avancées telles que la propriété intellectuelle (IP) et les chiplets, avec des structures haute densité 2.5D ou 3D. De ce fait, les puces intégrées hétérogènes offrent des fonctionnalités puissantes et complexes, dépassant les limites de performance d'un procédé semi-conducteur unique. Elles présentent également une grande flexibilité, une fiabilité élevée, des cycles de recherche et développement courts, et permettent une miniaturisation et un allègement optimaux.

Les principaux fabricants internationaux ont lancé des technologies d'intégration hétérogènes

Grâce à ces avantages, l'intégration hétérogène est devenue la voie principale du développement des semi-conducteurs depuis l'ère Moore, et de plus en plus de grands fabricants lui accordent une importance capitale. Lors du Computex (Taipei Computer Show) de cette année, AMD a présenté un produit expérimental, le Ryzen 5000, qui utilise la technologie d'encapsulation avancée 3D Fabric de TSMC pour intégrer avec succès des chiplets contenant 64 Mo de cache L3 au processeur dans une structure 3D. Selon AMD, cette technologie permet d'accroître la densité d'interconnexions de plus de 200 fois pour les puces 2D, et jusqu'à plus de 15 fois par rapport aux solutions d'encapsulation 3D existantes.

S’appuyant sur le développement de la technologie d’intégration hétérogène, Intel a proposé le concept de XPU. Song Jiqiang a déclaré : « Chez Intel, nous favorisons l’innovation en matière de calcul hétérogène grâce à l’intégration hétérogène de XPU d’architectures différentes et au modèle de programmation inter-architectures unifié oneAPI. Ceci permet une collaboration entre le logiciel et le matériel afin de répondre à un plus grand nombre de charges de travail, d’atteindre une efficacité énergétique élevée, d’aider les clients à réduire leurs coûts et de fournir rapidement des solutions adaptées à leurs besoins. »

Lors de l'édition précédente de l'« Architecture Day », Intel a lancé la technologie Hybrid Bonding, basée sur le packaging 2D EMIB (Embedded Multi-chip Interconnect Bridge), le packaging 3D Foveros et la technologie CO-EMIB qui combine les technologies 2D et 3D. Cette technologie permet d'obtenir une capacité de transport de courant plus élevée grâce aux connexions électriques, d'accélérer la réalisation de pas de plots de 10 microns et moins, et d'offrir une densité d'interconnexion et une bande passante accrues, ainsi qu'une consommation d'énergie réduite, pour les supports hétérogènes.

Non seulement Intel et AMD, mais aussi les principaux fabricants internationaux de puces, tels que NVIDIA, Qualcomm et Xilinx, accordent une grande importance à la technologie d'intégration hétérogène. En Chine, des entreprises comme Unisoc, Beijing Ingenics et Vimicro mènent activement des activités de recherche et développement dans ce domaine et commercialisent des produits et solutions associés. Le Tanggula T770, récemment lancé par UNISOC, intègre un processeur quadricœur ARM A76, un processeur quadricœur ARM A55, un GPU Mali-G57 et des puces de bande de base, entre autres. Il s'agit d'une application typique d'intégration hétérogène.

Il faut rompre avec la pensée traditionnelle « de la route ».

Bien que les perspectives de développement de l'intégration hétérogène soient très vastes, sa mise en œuvre reste complexe. Mao Junfa a souligné que, compte tenu du couplage étroit et des conflits fréquents entre les milieux aux propriétés et fonctions différentes, la conception de circuits hétérogènes exige de résoudre les problèmes liés aux contraintes électromagnétiques et thermiques, à la conception collaborative multiphysique et à la conception collaborative multifonctionnelle des antennes de circuits actifs/passifs et des circuits numériques/analogiques. En termes de procédés de fabrication, l'ajustement des paramètres d'intégration hétérogène est également influencé par les propriétés multiphysiques de l'électricité, de la chaleur et des contraintes. Il est donc essentiel de comprendre leurs interactions et de maîtriser les mécanismes de conception quantitative et d'optimisation du procédé.

Song Jiqiang estime également que l'intégration hétérogène doit s'affranchir d'une architecture matérielle unique et que l'architecture XPU, intégrant plusieurs architectures, deviendra la norme. L'avènement de l'architecture XPU a engendré des exigences logicielles accrues, car les développeurs capables de maîtriser simultanément plusieurs langages de programmation sont rares, et le logiciel joue un rôle crucial dans l'exploitation des performances matérielles. Les modèles logiciels capables de programmer sur différentes architectures et les outils permettant d'améliorer l'efficacité de la programmation sont donc essentiels.

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.

Face au développement de l'intégration hétérogène, Mao Junfa a proposé une idée de recherche globale, qui consiste à rompre avec la pensée traditionnelle « de la voie » des circuits intégrés, basée sur la théorie multiphysique couplée, guidée par la formation de capacités d'intégration hétérogène, combinant domaines et voies pour orienter la direction technique des circuits intégrés hétérogènes à semi-conducteurs.

Avertissement : Cet article est reproduit de l’Association chinoise de l’industrie des semi-conducteurs. Il n’engage que son auteur et ne reflète en aucun cas les opinions de Sacco Micro ni de l’industrie. Sa reproduction et son partage visent uniquement à protéger les droits de propriété intellectuelle. Veuillez citer la source originale et l’auteur lors de toute reproduction. En cas d’infraction aux droits d’auteur, veuillez nous contacter afin que nous supprimions le contenu.

Numéro de téléphone de l'entreprise : +86-0755-83044319
Fax/FAX : +86-0755-83975897
Courriel : 1615456225@qq.com
QQ : 3518641314 Gestionnaire Li

QQ : 332496225 Gestionnaire Qiu

Adresse : Salle 809, Bâtiment C, Immeuble technologique Zhantao, n° 1079 avenue Minzhi, Nouveau district de Longhua, Shenzhen