L'integrazione eterogenea sta diventando una direzione importante per la continuazione della tecnologia dei semiconduttori nell'era post-Moore e potrebbe diventare la tecnologia dominante per i chip a livello di sistema nei prossimi 30 anni, spingendo i circuiti integrati nell'era dell'integrazione eterogenea. Tuttavia, l'integrazione eterogenea ha ancora molta strada da fare per superare la tradizionale mentalità "a percorso" dei circuiti integrati.

Un modo importante per aggirare la legge di Moore

Attualmente viviamo in un'era di fiorente economia digitale, con applicazioni come il calcolo ad alte prestazioni, il cloud computing, la virtualizzazione e l'analisi dei big data in rapida evoluzione. Questa serie di scenari applicativi comporterà un carico di lavoro molto elevato per il processore e richiederà il supporto di una potente capacità di calcolo.

Pan Xiaoming, vicepresidente senior globale di AMD e presidente per la Grande Cina, ha affermato che nell'epoca d'oro della progettazione dei semiconduttori, è stato possibile ridurre il costo di ciascun transistor grazie ai progressi tecnologici, migliorandone al contempo le prestazioni. Tuttavia, ogni volta che si passa a un nuovo nodo, occorre più tempo per garantire la maturità e la stabilità del processo, e il costo del nuovo processo aumenta significativamente. Ciò pone nuove sfide e richiede l'esplorazione di ulteriori innovazioni in altri ambiti per migliorare ulteriormente le prestazioni e la potenza di calcolo dei processori. L'integrazione eterogenea sta diventando un'importante direzione di sviluppo per migliorare la potenza di calcolo dei chip.

Quindi, cos'è l'integrazione eterogenea? Song Jiqiang, vicepresidente di Intel Research e direttore di Intel China Research, ha sottolineato che l'integrazione eterogenea è la combinazione di hardware con diverse architetture di processo, diversi set di istruzioni e diverse funzioni in un sistema di calcolo. Allo stesso tempo, l'integrazione eterogenea è anche la collaborazione di chip, package, sistemi e software. Non si tratta di un singolo punto tecnico, ma di una sintesi di molteplici punti tecnici, che coinvolge l'integrazione di dispositivi, progettazione, algoritmi software, ecc., per ottenere un sistema eterogeneo efficiente.

La legge di Moore è di fatto diventata un simbolo per l'industria dei semiconduttori, ma è necessario abbandonare l'ossessione per la miniaturizzazione dei processi produttivi per promuovere la continua evoluzione della tecnologia dei semiconduttori. 

A questo proposito, Mao Junfa, accademico dell'Accademia cinese delle scienze, ha sottolineato che attualmente esistono due principali percorsi di sviluppo per la tecnologia dei semiconduttori: continuare a seguire la Legge di Moore e deviarla. Quando la continuazione della Legge di Moore si scontra con una serie di sfide estreme, tra cui i limiti dei principi fisici, dei mezzi tecnici e dei costi economici, deviare da essa rappresenta una via di sviluppo praticabile. I circuiti integrati eterogenei sono uno dei modi più importanti per aggirare la Legge di Moore.

Mao Junfa ha sottolineato che lo studio dell'integrazione eterogenea dei semiconduttori riveste un'importanza scientifica significativa. Attraverso i circuiti integrati, è possibile evolvere dall'attuale processo omogeneo singolo all'integrazione di molteplici processi eterogenei, e dall'attuale integrazione planare bidimensionale all'integrazione tridimensionale, realizzando così sistemi complessi ad alte prestazioni. Le caratteristiche dell'integrazione eterogenea sono eccezionali. In primo luogo, consente di integrare diversi materiali, processi, strutture e componenti semiconduttori; in secondo luogo, adotta concetti di progettazione di sistema; in terzo luogo, applica tecnologie avanzate come IP e chiplet, con strutture ad alta densità bidimensionali e mezzo o tridimensionali. Di conseguenza, i chip integrati eterogenei possono raggiungere funzioni potenti e complesse, superando i limiti prestazionali di un singolo processo semiconduttore; allo stesso tempo, presentano elevata flessibilità, alta affidabilità, cicli di ricerca e sviluppo brevi e consentono di ottenere miniaturizzazione e leggerezza.

I principali produttori internazionali hanno lanciato tecnologie di integrazione eterogenea

Grazie a questi vantaggi, l'integrazione eterogenea è diventata la principale via per lo sviluppo della tecnologia dei semiconduttori nell'era post-Moore, e sempre più produttori di rilievo le attribuiscono grande importanza. Al Computex (Taipei Computer Show) di quest'anno, AMD ha presentato il prodotto sperimentale Ryzen 5000, che utilizza la tecnologia di packaging avanzata 3D Fabric di TSMC per integrare con successo chiplet contenenti una cache L3 da 64 MB con il processore in uno stack 3D. Secondo AMD, questa tecnologia può aumentare la densità di interconnessione di oltre 200 volte rispetto ai chip 2D e di oltre 15 volte rispetto alle soluzioni di packaging 3D esistenti.

Basandosi sullo sviluppo della tecnologia di integrazione eterogenea, Intel ha proposto il concetto di XPU. Song Jiqiang ha affermato: "Per Intel, promuoviamo l'innovazione del calcolo eterogeneo attraverso l'integrazione eterogenea di XPU di diverse architetture e il modello di programmazione unificato multi-architettura oneAPI per realizzare la collaborazione tra software e hardware, al fine di gestire un maggior numero di carichi di lavoro, ottenere un'elevata efficienza energetica, aiutare i clienti a ridurre i costi e fornire rapidamente soluzioni in base alle loro esigenze."

Durante l'"Architecture Day" dello scorso anno, Intel ha lanciato la tecnologia Hybrid Bonding basata sul packaging 2D EMIB (Embedded Multi-chip Interconnect Bridge), sul packaging 3D Foveros e sulla tecnologia CO-EMIB, che combina 2D e 3D. Ciò consente di ottenere una maggiore capacità di trasporto di corrente attraverso le connessioni elettriche, accelerando la realizzazione di bump pitch di 10 micron e inferiori, e offrendo una maggiore densità di interconnessione, larghezza di banda e un minore consumo energetico per i supporti eterogenei.

Non solo Intel e AMD, ma anche i principali produttori internazionali di chip, tra cui NVIDIA, Qualcomm, Xilinx, ecc., attribuiscono grande importanza alla tecnologia di integrazione eterogenea. A livello nazionale, aziende come Unisoc, Beijing Ingenics e Vimicro stanno attivamente conducendo attività di ricerca e sviluppo sull'integrazione eterogenea e lanciando prodotti e soluzioni correlati. Il nuovo Tanggula T770 di UNISOC integra un processore ARM A76 a 4 core, un processore ARM A55 a 4 core, una GPU Mali-G57 e chip di banda base, ecc. Rappresenta un'applicazione tipica dell'integrazione eterogenea.

Bisogna rompere gli schemi mentali tradizionali.

Sebbene le prospettive di sviluppo dell'integrazione eterogenea siano molto ampie, la sua realizzazione non è semplice. Mao Junfa ha sottolineato che, poiché i materiali con proprietà e funzioni diverse sono strettamente interconnessi e spesso entrano in conflitto tra loro, nella progettazione di circuiti eterogenei è necessario risolvere i problemi di stress elettromagnetico-termico, di progettazione collaborativa multifisica e di progettazione collaborativa multifunzionale di antenne a circuito attivo/passivo e circuiti digitali/analogici. In termini di processo produttivo, la regolazione dei parametri del processo di integrazione eterogenea sarà influenzata anche dalle proprietà multifisiche di elettricità, calore e stress. È necessario comprenderne le relazioni interne e padroneggiare i meccanismi di progettazione quantitativa e ottimizzazione del processo.

Song Jiqiang ritiene inoltre che l'integrazione eterogenea debba superare la limitazione di una singola architettura hardware e che l'architettura XPU, che integra più architetture, diventerà lo standard. La nascita dell'architettura XPU ha imposto requisiti più elevati al software, poiché gli sviluppatori in grado di padroneggiare contemporaneamente diversi linguaggi di programmazione per architetture diverse sono rari, e il software è fondamentale per ottenere prestazioni hardware ottimali. Modelli software in grado di programmare su diverse architetture e strumenti che ne migliorino l'efficienza sono di estrema importanza.

Intel ha proposto sei pilastri tecnici che hanno svolto un ruolo chiave nell'implementazione di XPU, tra cui processo, architettura, memoria, interconnessione, sicurezza e software. Sebbene il calcolo eterogeneo sembri essere un contenuto a livello hardware, per liberarne le potenzialità è necessaria l'integrazione di chip, sistemi e software prima che possa entrare in gioco. Il primo livello è quello dei chip, che si riferisce all'eterogeneità all'interno del package del chip ed è strettamente correlato al concetto di "chip piccoli"; il secondo è quello dei sistemi, che si riferisce all'integrazione di architetture di calcolo multifunzionali e multi-architettura; il terzo è quello del software, il modello di programmazione unificato multi-architettura oneAPI, che offre agli sviluppatori la comodità di programmare su diverse architetture attraverso un insieme di interfacce software e un insieme di librerie di funzioni.

Di fronte allo sviluppo dell'integrazione eterogenea, Mao Junfa ha proposto un'idea di ricerca complessiva, che consiste nel rompere il pensiero tradizionale "a percorso" dei circuiti integrati, basandosi sulla teoria multifisica accoppiata, guidata dalla formazione di capacità di integrazione eterogenea, combinando campi e percorsi per indirizzare la direzione tecnica dei circuiti integrati eterogenei a semiconduttore.

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