Integrasi heterogen menjadi hala tuju penting untuk kesinambungan teknologi semikonduktor dalam era pasca-Moore, dan mungkin menjadi teknologi arus perdana untuk cip peringkat sistem dalam tempoh 30 tahun akan datang, sekali gus mendorong litar bersepadu ke era integrasi heterogen. Walau bagaimanapun, integrasi heterogen masih jauh untuk memecahkan pemikiran "jalan" tradisional tentang litar bersepadu.

Satu cara penting untuk memintas Hukum Moore

Kita kini berada dalam era ekonomi digital yang pesat membangun, dengan aplikasi seperti pengkomputeran berprestasi tinggi, pengkomputeran awan dan virtualisasi, serta analisis data raya berkembang pesat. Siri senario aplikasi ini juga akan membawa beban kerja yang sangat besar kepada pemproses dan memerlukan sokongan kuasa pengkomputeran yang berkuasa.

Pan Xiaoming, naib presiden kanan global AMD dan presiden Greater China, berkata bahawa dalam zaman kegemilangan reka bentuk semikonduktor, orang ramai boleh mengurangkan kos setiap transistor melalui kemajuan teknologi sambil meningkatkan prestasi. Walau bagaimanapun, setiap kali kita memasuki nod baharu, ia mengambil masa yang lebih lama untuk memastikan kematangan dan kestabilan proses, dan kos proses baharu meningkat dengan ketara. Ini membawa cabaran baharu kepada orang ramai, dan kita perlu meneroka lebih banyak inovasi dalam aspek lain untuk meningkatkan lagi prestasi pemproses dan kuasa pengkomputeran. Integrasi heterogen menjadi hala tuju pembangunan penting untuk meningkatkan kuasa pengkomputeran cip.

Jadi, apakah itu integrasi heterogen? Song Jiqiang, naib presiden Intel Research dan pengarah Intel China Research, menegaskan bahawa integrasi heterogen ialah gabungan perkakasan dengan seni bina proses yang berbeza, set arahan yang berbeza dan fungsi yang berbeza ke dalam sistem pengkomputeran. Pada masa yang sama, integrasi heterogen juga merupakan kerjasama cip, pakej, sistem dan perisian. Ia bukan satu titik teknikal, tetapi sintesis pelbagai titik teknikal, yang melibatkan integrasi peranti, reka bentuk, algoritma perisian dan sebagainya, untuk mencapai sistem heterogen yang cekap.

Hukum Moore sebenarnya telah menjadi panji-panji bagi industri semikonduktor, tetapi orang ramai mesti menyingkirkan obsesi mereka dengan pengecutan nod proses untuk menggalakkan evolusi berterusan teknologi semikonduktor. 

Dalam hal ini, Mao Junfa, seorang ahli akademik Akademi Sains China, menegaskan bahawa pada masa ini terdapat dua laluan pembangunan utama untuk teknologi semikonduktor: meneruskan Hukum Moore dan memutarbelitkan Hukum Moore. Apabila meneruskan Hukum Moore menghadapi beberapa cabaran yang ekstrem, termasuk had prinsip fizikal, cara teknikal dan kos ekonomi, memutarbelitkan daripada Hukum Moore adalah cara pembangunan yang boleh dilaksanakan. Litar bersepadu heterogen adalah salah satu cara penting untuk memintas Hukum Moore.

Mao Junfa menekankan bahawa kepentingan saintifik dalam mengkaji integrasi heterogen semikonduktor juga penting. Melalui litar bersepadu, litar bersepadu boleh berkembang daripada proses homogen tunggal semasa kepada integrasi pelbagai proses heterogen, dan daripada integrasi satah dua dimensi semasa kepada integrasi tiga dimensi, sekali gus merealisasikan sistem kompleks berprestasi tinggi. Ciri-ciri integrasi heterogen adalah luar biasa. Pertama, ia boleh mengintegrasikan bahan, proses, struktur dan komponen semikonduktor yang berbeza; kedua, ia menerima pakai konsep reka bentuk sistem; ketiga, ia menggunakan teknologi canggih seperti IP dan ciplet, dengan struktur berketumpatan tinggi 2.5 dimensi atau 3 dimensi. Hasilnya, cip bersepadu heterogen boleh mencapai fungsi yang berkuasa dan kompleks, memecahkan had prestasi proses semikonduktor tunggal; pada masa yang sama, ia mempunyai fleksibiliti yang kuat, kebolehpercayaan yang tinggi, kitaran penyelidikan dan pembangunan yang pendek, dan boleh mencapai pengecilan dan ringan.

Pengilang antarabangsa utama telah melancarkan teknologi integrasi heterogen

Disebabkan kelebihan ini, integrasi heterogen telah menjadi laluan utama untuk pembangunan teknologi semikonduktor dalam era pasca-Moore, dan semakin banyak pengeluar arus perdana mementingkannya. Di Computex (Taipei Computer Show) tahun ini, AMD mengeluarkan produk eksperimen Ryzen 5000, yang menggunakan teknologi pembungkusan canggih 3D Fabric TSMC untuk berjaya membungkus ciplet yang mengandungi Cache L3 64MB dengan pemproses dalam tindanan 3D. Menurut AMD, teknologi ini boleh meningkatkan ketumpatan interkoneksi sebanyak lebih daripada 200 kali ganda untuk cip 2D, dan juga boleh mencapai lebih daripada 15 kali ganda berbanding penyelesaian pembungkusan 3D sedia ada.

Berdasarkan perkembangan teknologi integrasi heterogen, Intel mencadangkan konsep XPU. Song Jiqiang berkata: "Bagi Intel, kami mempromosikan inovasi pengkomputeran heterogen melalui integrasi heterogen XPU daripada seni bina yang berbeza dan model pengaturcaraan silang seni bina bersatu oneAPI untuk mencapai kolaborasi perisian dan perkakasan bagi memenuhi lebih banyak beban kerja, mencapai kecekapan tenaga yang tinggi, membantu pelanggan mengurangkan kos dan menyediakan penyelesaian dengan cepat mengikut keperluan."

Pada "Hari Seni Bina" tahun lepas, Intel melancarkan teknologi Ikatan Hibrid berdasarkan pembungkusan 2D EMIB (Embedded Multi-chip Interconnect Bridge), pembungkusan 3D Foveros dan teknologi CO-EMIB yang menggabungkan 2D dan 3D. Memperoleh kapasiti pembawaan arus yang lebih tinggi melalui sambungan elektrik, mempercepatkan realisasi bump pitch 10 mikron dan ke bawah, membawa ketumpatan interkoneksi yang lebih tinggi, lebar jalur dan penggunaan kuasa yang lebih rendah kepada media heterogen.

Bukan sahaja Intel dan AMD, tetapi juga pengeluar cip antarabangsa terkemuka termasuk NVIDIA, Qualcomm, Xilinx, dan sebagainya amat mementingkan teknologi integrasi heterogen. Di dalam negara, syarikat seperti Unisoc, Beijing Ingenics, dan Vimicro juga sedang giat menjalankan penyelidikan dan pembangunan mengenai integrasi heterogen dan melancarkan produk serta penyelesaian berkaitan. Tanggula T770 yang baru dilancarkan oleh UNISOC menyepadukan 4-teras ARM A76, 4-teras ARM A55, GPU Mali-G57 dan cip jalur asas, dan sebagainya. Ia merupakan aplikasi tipikal integrasi heterogen.

Perlu memecahkan pemikiran "jalan" tradisional

Walaupun prospek pembangunan integrasi heterogen sangat luas, ia tidak mudah untuk direalisasikan. Mao Junfa menekankan bahawa memandangkan media dengan sifat dan fungsi yang berbeza berganding rapat dan sering berkonflik antara satu sama lain, apabila mereka bentuk litar heterogen, adalah perlu untuk menyelesaikan isu reka bentuk kolaboratif elektromagnet-terma, reka bentuk kolaboratif berbilang fizik, dan reka bentuk kolaboratif berbilang fungsi antena litar aktif/pasif dan litar digital/analog. Dari segi pembuatan proses, pelarasan parameter proses integrasi heterogen juga akan terjejas oleh sifat berbilang fizikal elektrik, haba, dan tekanan. Adalah perlu untuk memahami hubungan dalaman mereka dan menguasai reka bentuk kuantitatif proses dan mekanisme pengoptimuman.

Song Jiqiang juga percaya bahawa integrasi heterogen perlu dipisahkan daripada satu seni bina tunggal dari segi perkakasan, dan seni bina XPU yang mengintegrasikan pelbagai seni bina akan menjadi arus perdana. Kelahiran seni bina XPU telah mengemukakan keperluan yang lebih tinggi untuk perisian, kerana pembangun yang boleh menguasai pelbagai bahasa pengaturcaraan seni bina pada masa yang sama adalah jarang berlaku, dan perisian merupakan bahagian penting dalam melancarkan prestasi perkakasan. Model perisian yang boleh memprogram merentasi seni bina dan alatan yang boleh meningkatkan kecekapan pengaturcaraan adalah sangat penting.

Intel telah mencadangkan enam tonggak teknikal yang memainkan peranan penting dalam pelaksanaan XPU, termasuk proses, seni bina, memori, interkoneksi, keselamatan dan perisian. Walaupun pengkomputeran heterogen nampaknya merupakan kandungan peringkat perkakasan, untuk melancarkan keupayaannya memerlukan penyepaduan cip, sistem dan perisian sebelum ia boleh memainkan peranan. Yang pertama ialah lapisan cip, yang merujuk kepada heterogeniti dalam pakej cip dan berkait rapat dengan konsep "cip kecil"; yang kedua ialah lapisan sistem, yang merujuk kepada penyepaduan seni bina pengkomputeran berbilang fungsi dan berbilang seni bina; yang ketiga ialah lapisan perisian, model pengaturcaraan silang seni bina bersatu oneAPI, yang boleh menyediakan pembangun dengan kemudahan pengaturcaraan pada seni bina yang berbeza melalui satu set antara muka perisian dan satu set pustaka fungsi.

Dalam menghadapi perkembangan integrasi heterogen, Mao Junfa mencadangkan idea penyelidikan keseluruhan, iaitu untuk memecahkan pemikiran "jalan" tradisional litar bersepadu, berdasarkan teori berbilang fizik bergandingan, berpandukan pembentukan keupayaan integrasi heterogen, menggabungkan medan dan jalan untuk menerajui hala tuju teknikal litar bersepadu heterogen semikonduktor.

Penafian: Artikel ini diterbitkan semula daripada "Persatuan Industri Semikonduktor China". Artikel ini hanya mewakili pandangan peribadi penulis dan tidak mewakili pandangan Sacco Micro dan industri. Ia hanya untuk dicetak semula dan dikongsi bagi menyokong perlindungan hak harta intelek. Sila nyatakan sumber asal dan penulis untuk dicetak semula. Jika terdapat sebarang pelanggaran, sila hubungi kami untuk memadamkannya.

Nombor telefon syarikat: +86-0755-83044319
Faks/FAKS: +86-0755-83975897
E-mel: 1615456225@qq.com
SQ: 3518641314 Pengurus Li

QQ: 332496225 Pengurus Qiu

Alamat: Bilik 809, Bangunan C, Bangunan Teknologi Zhantao, No. 1079 Minzhi Avenue, Daerah Baharu Longhua, Shenzhen