אינטגרציה הטרוגנית הופכת לכיוון חשוב להמשך טכנולוגיית המוליכים למחצה בעידן שלאחר מור, ועשויה להפוך לטכנולוגיה המרכזית עבור שבבים ברמת המערכת ב-30 השנים הקרובות, ולדחוף מעגלים משולבים לעידן האינטגרציה ההטרוגנית. עם זאת, לאינטגרציה הטרוגנית עדיין יש דרך ארוכה לעבור כדי לשבור את החשיבה המסורתית של "הדרך" של מעגלים משולבים.

דרך חשובה לעקוף את חוק מור

אנו נמצאים כעת בעידן של כלכלה דיגיטלית פורחת, עם יישומים כגון מחשוב עתיר ביצועים, מחשוב ענן ווירטואליזציה וניתוח ביג דאטה המתפתחים במהירות. סדרה זו של תרחישי יישומים תביא גם עומס עבודה גדול מאוד על המעבד ותדרוש תמיכה של כוח מחשוב רב עוצמה.

פאן שיאומינג, סגן נשיא בכיר גלובלי של AMD ונשיא סין רבתי, אמר כי בתור הזהב של תכנון מוליכים למחצה, אנשים יכולים להפחית את עלות כל טרנזיסטור באמצעות התקדמות טכנולוגית תוך שיפור הביצועים. עם זאת, בכל פעם שאנו נכנסים לצומת חדש, לוקח יותר זמן להבטיח את הבשלות והיציבות של התהליך, ועלות התהליך החדש עולה משמעותית. זה מביא אתגרים חדשים לאנשים, ועלינו לחקור חידושים נוספים בהיבטים אחרים כדי לשפר עוד יותר את ביצועי המעבד ואת כוח המחשוב. אינטגרציה הטרוגנית הופכת לכיוון פיתוח חשוב לשיפור כוח המחשוב של השבבים.

אז מהי אינטגרציה הטרוגנית? סונג ג'י-צ'יאנג, סגן נשיא אינטל ריסרץ' ומנהל אינטל צ'יינה ריסרץ', ציין כי אינטגרציה הטרוגנית היא שילוב של חומרה עם ארכיטקטורות תהליכים שונות, מערכי הוראות שונים ופונקציות שונות לתוך מערכת מחשוב אחת. יחד עם זאת, אינטגרציה הטרוגנית היא גם שיתוף פעולה של שבבים, חבילות, מערכות ותוכנה. זו אינה נקודה טכנית אחת, אלא סינתזה של נקודות טכניות מרובות, הכוללות שילוב של התקנים, עיצוב, אלגוריתמי תוכנה וכו', כדי להשיג מערכת הטרוגנית יעילה.

חוק מור הפך למעשה לדגל עבור תעשיית המוליכים למחצה, אך אנשים חייבים להיפטר מהאובססיה שלהם להתכווצות צמתי התהליך כדי לקדם את המשך האבולוציה של טכנולוגיית המוליכים למחצה. 

בהקשר זה, מאו ג'ונפה, אקדמאי באקדמיה הסינית למדעים, ציין כי כיום קיימים שני נתיבי פיתוח עיקריים לטכנולוגיית מוליכים למחצה: המשך חוק מור ועיקוף חוק מור. כאשר המשך חוק מור ניצב בפני סדרה של אתגרים קיצוניים, כולל מגבלות העקרונות הפיזיקליים, האמצעים הטכניים והעלויות הכלכליות, סטייה מחוק מור היא דרך פיתוח אפשרית. מעגלים משולבים הטרוגניים הם אחת הדרכים החשובות לעקוף את חוק מור.

מאו ג'ונפה הדגיש כי גם למחקר האינטגרציה ההטרוגנית של מוליכים למחצה יש משמעות מדעית משמעותית. באמצעות מעגלים משולבים, מעגלים משולבים יכולים להתפתח מהתהליך הומוגני היחיד הנוכחי לאינטגרציה של תהליכים הטרוגניים מרובים, ומהאינטגרציה המישורית הדו-ממדית הנוכחית לאינטגרציה תלת-ממדית, ובכך לממש מערכות מורכבות בעלות ביצועים גבוהים. מאפייני האינטגרציה ההטרוגנית הם יוצאי דופן. ראשית, היא יכולה לשלב חומרים, תהליכים, מבנים ורכיבים שונים של מוליכים למחצה; שנית, היא מאמצת מושגי עיצוב מערכת; שלישית, היא מיישמת טכנולוגיות מתקדמות כמו IP ושבבים, עם מבנים בצפיפות גבוהה ב-2.5 או תלת-ממדיים. כתוצאה מכך, שבבים משולבים הטרוגניים יכולים להשיג פונקציות עוצמתיות ומורכבות, ולפרוץ את מגבלות הביצועים של תהליך מוליך למחצה יחיד; יחד עם זאת, יש להם גמישות חזקה, אמינות גבוהה, מחזורי מחקר ופיתוח קצרים, ויכולים להשיג מזעור ומשקל קל.

יצרנים בינלאומיים גדולים השיקו טכנולוגיות אינטגרציה הטרוגניות

בשל יתרונות אלה, אינטגרציה הטרוגנית הפכה לנתיב העיקרי לפיתוח טכנולוגיית מוליכים למחצה בעידן שלאחר מור, ויותר ויותר יצרנים מיינסטרים מייחסים לה חשיבות רבה. בתערוכת Computex (תערוכת המחשבים של טאיפיי) השנה, AMD הוציאה מוצר ניסיוני בשם Ryzen 5000, המשתמש בטכנולוגיית האריזה המתקדמת 3D Fabric של TSMC כדי לארוז בהצלחה שבבים המכילים מטמון L3 של 64MB עם המעבד במחסנית תלת-ממדית. לדברי AMD, טכנולוגיה זו יכולה להגדיל את צפיפות החיבורים ביותר מפי 200 עבור שבבים דו-ממדיים, ויכולה להגיע ליותר מפי 15 בהשוואה לפתרונות אריזה תלת-ממדיים קיימים.

בהתבסס על פיתוח טכנולוגיית אינטגרציה הטרוגנית, הציעה אינטל את קונספט ה-XPU. סונג ג'יקיאנג אמר: "אינטל מקדמת חדשנות במחשוב הטרוגני באמצעות אינטגרציה הטרוגנית של XPUs מארכיטקטורות שונות ומודל תכנות חוצה-ארכיטקטורות מאוחד oneAPI כדי להשיג שיתוף פעולה בין תוכנה לחומרה כדי לעמוד בעומסי עבודה רבים יותר, להשיג יעילות אנרגטית גבוהה, לעזור ללקוחות להפחית עלויות ולספק פתרונות במהירות בהתאם לצרכים."

ביום האדריכלות של השנה שעברה, השיקה אינטל טכנולוגיית Hybrid Bonding המבוססת על אריזת EMIB (Embedded Multi-chip Interconnect Bridge) דו-ממדית, אריזת Foveros תלת-ממדית וטכנולוגיית CO-EMIB המשלבת דו-ממדית ותלת-ממדית. השגת קיבולת נשיאת זרם גבוהה יותר באמצעות חיבורים חשמליים, האצת מימוש של גבשושיות של 10 מיקרון ומטה, ומביאה צפיפות חיבור גבוהה יותר, רוחב פס וצריכת חשמל נמוכה יותר למדיה הטרוגנית.

לא רק אינטל ו-AMD, אלא גם יצרניות שבבים בינלאומיות מובילות, כולל NVIDIA, Qualcomm, Xilinx ועוד, מייחסות חשיבות רבה לטכנולוגיית אינטגרציה הטרוגנית. באופן מקומי, חברות כמו Unisoc, Beijing Ingenics ו-Vimicro עורכות באופן פעיל מחקר ופיתוח בנושא אינטגרציה הטרוגנית ומשיקות מוצרים ופתרונות קשורים. ה-Tanggula T770 שהושק לאחרונה על ידי UNISOC משלב שבבי ARM A76 בעל 4 ליבות, ARM A55 בעל 4 ליבות, GPU ופס בסיס של Mali-G57 ועוד. זהו יישום טיפוסי של אינטגרציה הטרוגנית.

צריך לשבור את החשיבה המסורתית של "הדרך"

למרות שסיכויי הפיתוח של אינטגרציה הטרוגנית רחבים מאוד, לא קל לממש אותם. מאו ג'ונפה הדגיש כי מכיוון שמדיה בעלי תכונות ותפקודים שונים קשורים זה בזה באופן הדוק ולעתים קרובות מתנגשים זה בזה, בעת תכנון מעגלים הטרוגניים, יש צורך לפתור בעיות של מאמץ אלקטרומגנטי-תרמי, תכנון שיתופי רב-פיזיקלי ותכנון שיתופי רב-תפקודי של אנטנות מעגלים אקטיביים/פסיביים ומעגלים דיגיטליים/אנלוגיים. מבחינת ייצור תהליכים, התאמת פרמטרי תהליך האינטגרציה ההטרוגנית תושפע גם מהתכונות הרב-פיזיקליות של חשמל, חום ומאמץ. יש צורך להבין את הקשרים הפנימיים ביניהם ולשלוט במנגנוני תכנון ואופטימיזציה כמותיים של תהליכים.

סונג ג'י-צ'יאנג מאמין גם כי אינטגרציה הטרוגנית צריכה להתנתק מארכיטקטורה אחת מבחינת חומרה, וכי ארכיטקטורת XPU המשלבת ארכיטקטורות מרובות תהפוך למיינסטרים. לידתה של ארכיטקטורת XPU הציבה דרישות גבוהות יותר לתוכנה, מכיוון שמפתחים שיכולים לשלוט בשפות תכנות מרובות ארכיטקטורות בו זמנית הם נדירים, ותוכנה היא חלק מרכזי בשחרור ביצועי חומרה. מודלים של תוכנה שיכולים לתכנת על פני ארכיטקטורות וכלים שיכולים לשפר את יעילות התכנות הם חשובים ביותר.

אינטל הציעה שישה עמודי תווך טכניים, אשר מילאו תפקיד מפתח ביישום XPU, כולל תהליכים, ארכיטקטורה, זיכרון, חיבוריות, אבטחה ותוכנה. למרות שנראה כי מחשוב הטרוגני הוא תוכן ברמת החומרה, כדי לשחרר את יכולותיו נדרש שילוב של שבבים, מערכות ותוכנה לפני שהוא יכול למלא תפקיד. הראשונה היא שכבת השבב, המתייחסת להטרוגניות בתוך חבילת השבב וקשורה קשר הדוק למושג "שבבים קטנים"; השנייה היא שכבת המערכת, המתייחסת לשילוב של ארכיטקטורות מחשוב רב-תפקודיות ורב-ארכיטקטורות; השלישית היא שכבת התוכנה, מודל התכנות המאוחד חוצה-ארכיטקטורות oneAPI, שיכול לספק למפתחים את נוחות התכנות על ארכיטקטורות שונות באמצעות קבוצה של ממשקי תוכנה וקבוצה של ספריות פונקציות.

לנוכח התפתחות האינטגרציה ההטרוגנית, מאו ג'ונפה הציע רעיון מחקרי כולל, שנועד לשבור את החשיבה המסורתית של "הדרך" במעגלים משולבים, המבוססת על תיאוריית הרב-פיזיקה המצומדת, המונחית על ידי היווצרות יכולות אינטגרציה הטרוגניות, תוך שילוב שדות ודרכים כדי להוביל את הכיוון הטכני של מעגלים משולבים הטרוגניים מוליכים למחצה.

הצהרת אחריות: מאמר זה נכתב על ידי "איגוד תעשיית המוליכים למחצה של סין". מאמר זה מייצג רק את דעותיו האישיות של המחבר ואינו מייצג את דעותיה של Sacco Micro והתעשייה. הוא מיועד להדפסה חוזרת ושיתוף בלבד לתמיכה בהגנה על זכויות קניין רוחני. אנא ציינו את המקור המקורי ואת המחבר לצורך הדפסה חוזרת. במקרה של הפרה כלשהי, אנא צרו עמנו קשר כדי למחוק אותה.

מספר טלפון של החברה: 86-0755-83044319+
פקס/פקס: 86-0755-83975897+
דוא"ל: 1615456225@qq.com
QQ: 3518641314 מנהל לי

QQ: 332496225 מנהל Qiu

כתובת: חדר 809, בניין C, בניין הטכנולוגיה ז'אנטאו, שדרת מינגז'י מס' 1079, רובע לונגהואה החדש, שנזן