ヘテロジニアス集積は、ポストムーア時代の半導体技術の発展において重要な方向性となりつつあり、今後30年でシステムレベルチップの主流技術となり、集積回路をヘテロジニアス集積の時代へと押し上げる可能性を秘めている。しかしながら、ヘテロジニアス集積が集積回路の従来の「道筋」という考え方を打破するには、まだ長い道のりがある。

ムーアの法則を回避する重要な方法

現在、デジタル経済は活況を呈しており、高性能コンピューティング、クラウドコンピューティング、仮想化、ビッグデータ分析といったアプリケーションが急速に発展しています。こうした一連のアプリケーションシナリオは、プロセッサに膨大な負荷をかけ、強力なコンピューティング能力によるサポートを必要とします。

AMDのグローバルシニアバイスプレジデント兼グレーターチャイナ担当プレジデントである潘暁明氏は、半導体設計の黄金時代においては、技術革新によってトランジスタ1個あたりのコストを削減しつつ、性能を向上させることが可能であったと述べた。しかし、新たなノードに移行するたびに、プロセスの成熟度と安定性を確保するのに時間がかかり、新プロセスのコストは大幅に増加している。これは新たな課題をもたらしており、プロセッサの性能と演算能力をさらに向上させるためには、他の側面におけるイノベーションを模索する必要がある。ヘテロジニアス・インテグレーションは、チップの演算能力向上に向けた重要な開発方向になりつつある。

では、異種統合とは何でしょうか？インテルリサーチの副社長であり、インテル中国リサーチのディレクターでもある宋継強氏は、異種統合とは、異なるプロセスアーキテクチャ、異なる命令セット、異なる機能を持つハードウェアを組み合わせてコンピューティングシステムを構築することだと指摘しました。同時に、異種統合はチップ、パッケージ、システム、ソフトウェアの連携でもあります。これは単一の技術的ポイントではなく、デバイス、設計、ソフトウェアアルゴリズムなどの統合を含む複数の技術的ポイントの総合であり、効率的な異種システムを実現するものです。

ムーアの法則は半導体業界の象徴となっているが、半導体技術の継続的な進化を促進するためには、プロセスノードの微細化への執着を捨てる必要がある。 

この点に関して、中国科学院院士の毛俊発氏は、半導体技術の発展には現在、ムーアの法則を継続する方向と、ムーアの法則から逸脱する方向という2つの主要な道筋があると指摘した。ムーアの法則を継続する方向が、物理原理、技術手段、経済コストの限界など、一連の極めて困難な課題に直面した場合、ムーアの法則から逸脱することが実現可能な発展方法となる。ヘテロジニアス集積回路は、ムーアの法則を回避する重要な方法の1つである。

毛俊発氏は、半導体異種集積の研究の科学的意義も重要であると強調した。集積回路を通して、集積回路は現在の単一の均一プロセスから複数の異種プロセスの集積へと、また現在の2次元平面集積から3次元集積へと発展し、高性能な複雑システムを実現することができる。異種集積の特徴は際立っている。第一に、異なる半導体材料、プロセス、構造、コンポーネントを集積できること。第二に、システム設計の概念を採用していること。第三に、IPやチップレットなどの先進技術を適用し、2.5次元または3次元の高密度構造を実現できること。その結果、異種集積チップは強力で複雑な機能を実現し、単一の半導体プロセスの性能限界を突破することができる。同時に、高い柔軟性、高い信頼性、短い研究開発サイクル、そして小型軽量化を実現できる。

主要な国際メーカーは、異種統合技術を発表した。

これらの利点から、ヘテロジニアスインテグレーションはポストムーア時代の半導体技術開発の主要ルートとなり、ますます多くの主流メーカーがこれを非常に重視するようになった。今年のComputex（台北コンピュータショー）では、AMDが実験製品Ryzen 5000を発表した。これはTSMCの3D Fabricアドバンストパッケージング技術を使用して、64MB L3キャッシュを含むチップレットをプロセッサとともに3Dスタックでパッケージングすることに成功した。AMDによると、この技術は2Dチップの相互接続密度を200倍以上向上させることができ、既存の3Dパッケージングソリューションと比較しても15倍以上になるという。

インテルは、異種統合技術の発展に基づき、XPUの概念を提案しました。宋継強氏は次のように述べています。「インテルは、異なるアーキテクチャのXPUの異種統合と、統一されたクロスアーキテクチャプログラミングモデルであるoneAPIを通じて、異種コンピューティングの革新を推進し、ソフトウェアとハ​​ードウェアの連携を実現することで、より多くのワークロードに対応し、高いエネルギー効率を達成し、顧客のコスト削減を支援し、ニーズに応じたソリューションを迅速に提供します。」

昨年の「アーキテクチャー・デイ」において、インテルはEMIB（Embedded Multi-chip Interconnect Bridge）2Dパッケージング、Foveros 3Dパッケージング、および2Dと3Dを組み合わせたCO-EMIB技術をベースとしたハイブリッドボンディング技術を発表しました。これにより、電気接続による電流容量の向上、10ミクロン以下のバンプピッチの実現加速、ヘテロジニアスメディアにおける相互接続密度、帯域幅の向上、および消費電力の低減が実現されます。

IntelやAMDだけでなく、NVIDIA、Qualcomm、Xilinxなどの世界有数のチップメーカーも、異種統合技術を非常に重視しています。国内では、Unisoc、Beijing Ingenics、Vimicroなどの企業も、異種統合の研究開発を積極的に行い、関連製品やソリューションを発表しています。UNISOCが新たに発表したTanggula T770は、4コアARM A76、4コアARM A55、Mali-G57 GPU、ベースバンドチップなどを統合しており、異種統合の典型的な応用例です。

従来の「道」思考を打破する必要がある

異種集積の発展の見通しは非常に広いものの、実現は容易ではない。毛俊発氏は、特性や機能の異なる媒体が密接に結合し、しばしば互いに矛盾するため、異種回路を設計する際には、能動／受動回路アンテナやデジタル／アナログ回路の電磁・熱・応力、多物理協調設計、多機能協調設計といった課題を解決する必要があると強調した。製造工程においては、異種集積プロセスパラメータの調整も、電気、熱、応力といった多物理特性の影響を受けるため、それらの内部関係を理解し​​、プロセスの定量的設計と最適化メカニズムを習得する必要がある。

宋継強氏もまた、異種統合はハードウェア面で単一のアーキテクチャから脱却する必要があり、複数のアーキテクチャを統合するXPUアーキテクチャが主流になると考えている。XPUアーキテクチャの誕生はソフトウェアに対する要求水準を高めた。なぜなら、複数のアーキテクチャのプログラミング言語を同時に習得できる開発者は稀であり、ソフトウェアはハードウェア性能を引き出す上で重要な役割を担っているからだ。アーキテクチャを横断してプログラミングできるソフトウェアモデルや、プログラミング効率を向上させるツールは極めて重要である。

Intel は、プロセス、アーキテクチャ、メモリ、相互接続、セキュリティ、ソフトウェアを含む、XPU の実装において重要な役割を果たした 6 つの技術的柱を提案しました。異種コンピューティングはハードウェア レベルのコンテンツのように見えますが、その機能を解き放つには、役割を果たす前にチップ、システム、ソフトウェアの統合が必要です。1 つ目はチップ レイヤーで、チップ パッケージ内の異種性を指し、「小型チップ」の概念と密接に関連しています。2 つ目はシステム レイヤーで、多機能およびマルチ アーキテクチャのコンピューティング アーキテクチャの統合を指します。3 つ目はソフトウェア レイヤーで、統一されたクロス アーキテクチャ プログラミング モデル oneAPI であり、一連のソフトウェア インターフェイスと一連の関数ライブラリを通じて、開発者が異なるアーキテクチャでプログラミングする利便性を提供します。

異種集積技術の発展に直面し、毛俊発は、集積回路の従来の「道」思考を打破し、結合マルチフィジックス理論に基づき、異種集積能力の形成を指針として、分野と道筋を組み合わせることで半導体異種集積回路の技術的方向性を導くという、包括的な研究構想を提唱した。

免責事項：この記事は「中国半導体工業協会」の記事を転載したものです。この記事は著者の個人的な見解を示すものであり、Sacco Microおよび業界の見解を示すものではありません。転載および共有は、知的財産権の保護を支援するためのみに許可されています。転載の際は、出典と著者を明記してください。著作権侵害が疑われる場合は、削除いたしますのでご連絡ください。

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